DE69410399T2

DE69410399T2 - Auspuffkrümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt

Info

Publication number: DE69410399T2
Application number: DE69410399T
Authority: DE
Inventors: Mark Wayne Byron Center Michigan 49315 Bekkering
Original assignee: Benteler Automotive Corp
Current assignee: Benteler Automotive Corp
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2014-08-05
Also published as: DE69410399D1; JPH07180548A; EP0653552B1; US5349817A; ES2117761T3; ATE166429T1; EP0653552A1; JP2736508B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Auspuffkrümmeranordnung für einen Motor und insbesondere auf eine Krümmerverbindungskonstruktion oder ein Krümmerzwischenstück mit Luftspalt. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die Befestigung von doppelwandigen Krümmerzweigen an dem Kanalflansch des Krümmers.
Auspuffkrümmer bestehen aus einem gewöhnlich als "Stamm" bezeichneten Teil, der die gemeinsame Gasdurchflußkammer bildet, und einer Mehrzahl von Abzweigungen, die die einzelnen Durchflußkanäle von den Motorzylindern zum Stamm bilden. In den letzten Jahren sind Krümmer anstelle der früheren schweren Gußerzeugnisse, welche die Standardstruktur darstellten, immer mehr aus leichtem, gestanztem Metall wie rostfreiem Stahl hergestellt worden. Kürzlich sind Krümmer mit Luftspalt konstruiert worden, um einen schnellen inneren Temperaturanstieg des Krümmers zur schnellen Aktivierung des stromabwärtigen Katalysators zu ermöglichen. Krümmer mit Luftspalt weisen eine innere röhrenförmige Auskleidung und einen äußeren röhrenförmigen Mantel auf, die allgemein voneinander beabstandet sind, um zwischen sich einen Luftspalt zu begrenzen. Die innere Auskleidung besitzt typischerweise eine geringere Dicke als der Mantel, was einen noch schnelleren Temperaturanstieg der Auskleidung ermöglicht. Die Auskleidung und der Mantel werden oft jeweils von einer zweischaligen Anordnung gebildet. Das heißt, die Auskleidung besteht aus zwei Halbschalen, die entlang ihrer Längskanten miteinander verbunden sind, und der größere Mantel besteht ebenfalls aus zwei Halbschalen, die entlang ihrer Längskanten verbunden sind. Der Anschluß der Krümmerzweige mit Luftspalt an den Kanalflansch stellt gegenwärtig ein Fertigungsproblem dar. Probleme entstehen insbesondere am Kanalflansch bei der Befestigung der Enden des Mantels und der Auskleidung aneinander sowie bei der Befestigung des Mantels und der Auskleidung am Krümmerkanalflansch. Zumindest ein Hersteller verzichtet derzeit auf die Befestigung der Auskleidung am Kanalflansch und läßt die Auskleidung lose, aber dies wird nicht als ratsam erachtet. Ein Problembereich bei der Befestigung der Auskleidung kann aufgrund der Möglichkeit eines Durchbrennens der Auskleidung beim Schweißschritt entstehen. Unter den früher bekannten Verfahren zur Befestigung dieser Elemente ist von dem Anmelder eine Versuchszwischenhülse erprobt worden, durch die, mit drei ringförmigen Schweißnähten, der Mantel und die Auskleidung aneinander, der Mantel und die Auskleidung an der Innenseite der Zwischenhülse und die Zwischenhülse an dem Kanalflansch befestigt werden kann, wie hier in Figur dargestellt. Jedoch führte diese Technik zu Problemen. Insbesondere beim WIG- Verschweißen der Auskleidung und des Mantels war das Durchbrennen eine wesentliche Sorge, da es zu einer Spannungskonzentration und einem möglichen späteren Brechen der Komponenten führte. Zweitens war die in die Zwischenhülse zum Schieben über und um die Enden der Auskleidung und des Mantels gepreßte Verbindungsmanschette oft tatsächlich schwer auf diesen Enden der Auskleidung und des Mantels anzubringen. Drittens war die Verwirklichung aller dieser Schweißungen auf jeder Einheit kostspielig und zeitaufwendig. Viertens konnte jede Schweißung mit zusätzlichem Zusatzmetall auf der äußersten Schweißnaht zu einer Behinderung der angrenzenden Bolzenaufnahme für den Krümmerflansch führen. Fünftens konnten bei einer fehlerhaften Schweißung Abgase in den Luftspalt gelangen, mit eindeutig negativen Folgen. Folglich wurde dieser frühere Versuch als nicht erfolgreich angesehen.
Die JPA4284119 offenbart eine Krümmerverbindungskonstruktion, die einen Flansch, eine Mehrzahl von Durchlaßelementen, die jeweils an einem ihrer Enden an eine Mehrzahl von Öffnungen in dem Flansch geschweißt sind, und ein Hauptrohr umfaßt, das an das andere Ende jedes Kanalelements geschweißt ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Probleme des Stands der Technik zu vermindern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt. Verschiedene bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Eine bevorzugte Konstruktion verwendet nur eine Schweißung, um sowohl das Mantel- als auch das Auskleidungsende mit einer inneren Zwischenhülse zu verbinden, und vorzugsweise eine ringförmige Schweißnaht, um ein Ende der Zwischenhülse mit der Öffnungsinnenwand des Kanalflansches zu verbinden. Diese zwei Schweißungen sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie die Bolzenaufnahme des Kanalflansches nicht behindern. Das Ende der inneren röhrenförmigen Auskleidung erstreckt sich vorzugsweise um ein geringes Maß über das Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels hinaus, wobei beide über das zweite Ende der Zwischenhülse geschoben sind und die Auskleidung mit diesem in Eingriff ist. Vorzugsweise erstreckt sich eine einfache Schweißung von der Zwischenhülse über das überstehende Ende der Auskleidung bis zum Ende des Mantels und bildet eine einzige ringförmige Schweißnaht. Überdies können bei einer besonders bevorzugten Konstruktion, auch wenn die Schweißung beispielsweise an einer Stelle fehlerhaft ist, die Abgase nicht in den Luftspalt zwischen der Auskleidung und dem Mantel gelangen.
Bei einer bevorzugten Konstruktion können doppelwandige zweischalige Elemente an dem Kanalflansch radial versetzt sein, um die Wärmeträgheit des Krümmers zu minimieren. Es ist möglich, eine Konstruktion bereitzustellen, die vorteilhafterweise die Schweißnaht minimiert und die Verwendung bewährter Fabrikationsschweißverfahren ermöglicht und nicht die Öffnung der Bolzenaufnahme behindert, den Gasfluß einschränkt oder im Falle eines fehlerhaften Durchbrennens der Schweißung Abgase in den Luftspaltbereich am Kanalflansch leitet. Die Luftspaltstruktur kann (statt durch das Zweischalenverfahren) auf verschiedene Weise hergestellt werden, zum Beispiel durch Hydroformierung, wie in der US-A-5170557 offenbart.
Eine bevorzugte Konstruktion umfaßt eine Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt eines Motorauspuffkanalflansches mit einer Mehrzahl von Auspuffkanalöffnungen, jede mit einer Öffnungsinnenwand, einen doppelwandigen Krümmer mit einer Mehrzahl von Abzweigungen, die jeweils eine innere röhrenförmige Auskleidung und einen äußeren röhrenförmigen Mantel umfassen, wobei die innere röhrenförmige Auskleidung allgemein im wesentlichen über die Länge der inneren röhrenförmigen Auskleidung von dem äußeren röhrenförmigen Mantel beabstandet ist, um einen Luftspalt zu bilden, wobei die innere röhrenförmige Auskleidung ein Einlaßende aufweist und der äußere röhrenförmige Mantel ein an das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung angrenzendes Ende aufweist, wobei das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung einen Umfang mit einem Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser des Endes des äußeren röhrenförmigen Mantels und in peripherem Eingriff damit ist, und eine Zwischenhülse, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende einen Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Durchmesser der Öffnungsinnenwand der Kanalöffnung des Auspuffkanalflansches ist, und das zweite Ende einen Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser des Einlaßendes der inneren röhrenförmigen Auskleidung und in peripherem Eingriff damit ist, wobei eine innere Schweißnaht das erste Ende der Zwischenhülse mit der Öffnungsinnenwand verbindet und eine äußere Schweißnaht sowohl das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung als auch das Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels mit dem zweiten Ende der Zwischenhülse verbindet.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, und es wird nun als Beispiel eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Beispiels für eine Krümmeranordnung mit Luftspalt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht der Anordnung in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß Ebene III-III von Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine Schnittansicht gemäß Ebene IV-IV von Fig. 1 ist;
Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß Ebene V-V von Fig. 1 ist; und
Fig. 6 eine Schnittansicht einer früheren nicht erfolgreichen Verbindung ist.
Es wird nun speziell auf die Zeichnungen Bezug genommen. Die dort dargestellte Krümmeranordnung 10 mit Luftspalt umfaßt einen länglichen ebenen Auspuffkanalflansch 12 mit einer Mehrzahl, hier vier, durch diesen hindurchgehender Auspuffkanalöffnungen 14. Der Auspuffkanalflansch 12 weist entlang seiner Länge, vorzugsweise auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeder Auspuffkanalöffnung 14 (Fig. 2), Bolzenöffnungen 36 zur wirksamen, dichten Klemmverbindung des Krümmers mit dem Motorblock (nicht dargestellt) auf. Jede Auspuffkanalöffnung weist eine Öffnungsinnenwand 16 von allgemein zylindrischer Konfiguration, das heißt kreisrund im Querschnitt, auf. Mit diesem Auspuffkanalflansch ist der Krümmerkörper 18 verbunden, der einen gewöhnlich als Stamm 20 bezeichneten Teil umfaßt, der eine gemeinsame Gasdurchflußkammer für den Krümmer definiert, und eine Mehrzahl, hier vier, von Abzweigungen 22 umfaßt, die mit dem Auspuffkanalflansch 12 zu verbinden sind und die einzelnen Durchflußkanäle von den Motorzylindern durch die Auspuffkanalflanschöffnungen zur gemeinsamen Durchflußkammer des Stamms und von hier zur übrigen Auspuffanlage bilden. Der Körper 18 umfaßt einen Ausströmauslaß 24 mit einem darum befindlichen gekrümmten, ringförmigen Drehverbindungselement 26 von besonderer Art. Diese Verbindung wird typischerweise einen ringförmigen Klemmflansch 28 oder dergleichen aufweisen. In dieser Darstellung ist der Klemmflansch 28 durch eine äußere ringförmige Kehlnaht 28' an das stromabwärtige Ende des Mantels 34 geschweißt, während das Drehverbindungselement 26 durch eine innere ringförmige Kehlnaht 26' an den Flansch 28 geschweißt ist. Mit diesem Verbindungsstück würde bei Verwendung in einem Fahrzeug ein Auspuffrohr (nicht dargestellt) verbunden sein, das normalerweise zu einem Katalysator (nicht dargestellt) und schließlich zum Schalldämpfer und hinteren Auspuffrohr (nicht dargestellt) der Auspuffanlage führen würde. Da das Auspuffrohr, der Katalysator, der Schalldämpfer und das hintere Auspuffrohr übliche Komponenten sind, ist es nicht notwendig, sie hier zu erläutern.
Der Krümmer 18, d. h. Stamm 20 und Abzweigungen 22, umfaßt einen Krümmer mit Luftspalt, der aus einer inneren röhrenförmigen Auskleidung 30 und einem äußeren röhrenförmigen Mantel 34 besteht, die zwischen sich einen Luftspalt 32 definieren. Diese Komponenten werden typischerweise aus rostfreiem Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Material gebildet sein, wobei die Auskleidung 30 zwecks eines optimalen schnellen Temperaturanstiegs der Auskleidung und minimaler Wärmeträgheitseigenschaften beträchtlich dünner als der Mantel 34 ist. In dieser Darstellung besteht der äußere Mantel 34 aus einer zweischaligen Struktur, d. h., der Mantel besteht aus zwei gestreckten Halbschalen 34a und 34b (Fig. 4), die beispielsweise durch Schweißen entlang ihrer Längskanten miteinander verbunden sind. Die innere Auskleidung 30 besteht in dieser Darstellung gleichfalls aus zwei gestreckten Halbschalen 30a und 30b, die beispielsweise durch Schweißen entlang ihrer Längskanten miteinander verbunden sind. Der Mantel kann, wie dargestellt, zum Ausströmauslaß hin länger als die Auskleidung sein, so daß das zweite Ende, d. h. das Auslaßende, der Auskleidung kurz vor dem Auslaß in dem Mantel endet. Das stromabwärtige Ende 30' der Auskleidung 30 (Fig. 3) weist in dieser Darstellung einen erweiterten Außendurchmesser auf, der im wesentlichen dem Innendurchmesser des Mantels 34 an dieser Stelle entspricht, um zu bewirken, daß dieses stromabwärtige Ende mit dem Mantel in peripherem Eingriff ist, jedoch nicht an diesem befestigt ist. Dieser Eingriff verhindert das Einströmen jeglicher bedeutsamer Gasmenge in den Luftspalt, ermöglicht jedoch eine leichte Anpassung an eine längsgerichtete differentielle Wärmeausdehnung und -kontraktion der zwei Komponenten durch einen gleitenden Eingriff zwischen diesen. Wie vorausgehend bemerkt, können der Mantel und die Auskleidung alternativ durch Hydroformierung geformt und beabstandet werden.
Jeder der Zweige 22 ist durch eine spezielle einzigartige Verbindung, die sich als besonders wirksam erwiesen hat, an einer Auspuffkanalöffnung mit dem Auspuffkanalflansch verbunden. Insbesondere besitzt die Öffnung an dem Einlaßende der inneren Auskleidung 30 bei jedem Zweig einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser des angrenzenden Endes des äußeren Mantels 34 ist (Fig. 3), um einen peripheren Eingriff dieser zwei Komponenten an dieser Stelle zu bewirken. Überdies befindet sich direkt an der Innenseite der inneren Auskleidung 30 eine Zwischenhülse 40, die einen Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser der Auskleidung 30 an der Verbindungsstelle ist. Das Ende der Auskleidung 30 und das Ende des Mantels 34 erstrecken sich beide über den äußeren Umfang des ersten Endes der Hülse 40, wobei das Ende der Auskleidung in peripherem Eingriff mit der Hülse 40 ist und das Ende des Mantels in peripherem Eingriff mit dem Ende der Auskleidung ist. Der Außendurchmesser des Einlaßendes der Auskleidung entspricht im wesentlichen dem Innendurchmesser des Endes des Mantels, wobei sich das Ende der Auskleidung 30 über der Hülse 40 um ein geringes Maß, z. B. einige Millimeter, axial über das Ende des äußeren Mantels 34 hinaus erstreckt. Der Außendurchmesser der Hülse 40 entspricht im wesentlichen dem Innendurchmesser des Einlaßendes der Auskleidung 30. Eine ringförmige Kehlnaht 42 erstreckt sich um diese Komponenten und erstreckt sich axial vom Ende des äußeren Mantels 34 über die Oberfläche der inneren Auskleidung 30 zur äußeren Oberfläche der Hülse 40, so daß diese eine Schweißnaht alle drei Komponenten miteinander verbindet. In der Praxis schmilzt das freiliegende Ende der Auskleidung 30 typischerweise in die Schweißstelle ein. Eine zweite ringförmige Schweißnaht 44 verbindet das innere zweite Ende der Hülse 40 mit der Öffnungsinnenwand 16 des Auspuffkanalflansches 12. Die neuartige Verbindung ermöglicht somit eine radiale Versetzung doppelwandiger zweischaliger Elemente an dem Kanalflansch zur Minimierung der Wärmeträgheit des Krümmers. Die Verbindung minimiert die Schweißnaht und ermöglicht die Verwendung bewährter Standard- Fabrikationsschweißverfahren. Die Verbindung behindert nicht die Öffnung 36 der Bolzenaufnahme. Sie schränkt ferner nicht den Abgasfluß ein. Außerdem werden die Abgase auch bei Vorliegen einer fehlerhaften Schweißung an 42 nicht in den Luftspaltbereich zwischen der Auskleidung 30 und dem Mantel 34 geleitet.
Falls gewünscht ist, eine Installation eines Gassensors vorzusehen, typischerweise eines elektronischen Gassensors von bekannter Art (nicht dargestellt), um die Abgase zwecks Bestimmung des Wirkungsgrades der Verbrennung zu analysieren, kann ein ringförmiger, durchbohrter Vorsprung 50 mit Gewinde an die Innenseite des Mantels 34 geschweißt werden. Der Vorsprung 50 weist eine mit Gewinde versehene Öffnung 52 zur Aufnahme des Sensors (nicht dargestellt) auf. Die Auskleidung 30 ist mit einer Öffnung 30" um den Vorsprung versehen und um ein geringes Maß, z. B. etwa 8 mm, von diesem beabstandet. Der resultierende schmale Spalt beeinträchtigt den Krümmerbetrieb nicht wesentlich, da jede geringe Menge an Abgasen, die in dieser Zone in den Spalt 32 gelangt, relativ bewegungslos ist.
Diese oben angeführten Vorteile und Merkmale der Erfindung werden dem Fachmann beim Studium dieser Offenbarung ersichtlich. Es ist denkbar, daß gewisse Details dieser Struktur innerhalb des vorgestellten Erfindungsgedankens modifiziert werden könnten, um an einzelne Motortypen, -größen oder -anordnungen angepaßt zu werden. Folglich soll die Erfindung nicht speziell auf die als Erläuterung dargestellte bevorzugte Ausführungsform beschränkt sein, sondern nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Krümmerverbindungskonstruktion (10) mit Luftspalt, welche aufweist: einen Motorauspuffkanalflansch (12) mit einer Mehrzahl von Auspuffkanalöffnungen (14), jede mit einer Öffnungsinnenwand (16); einen doppelwandigen Krümmer (18) mit einer Mehrzahl von Abzweigungen, die jeweils eine innere röhrenförmige Auskleidung (30) und einen äußeren röhrenförmigen Mantel (34) aufweisen; wobei die innere röhrenförmige Auskleidung (30) im wesentlichen über die Länge der inneren röhrenförmigen Auskleidung generell von dem äußeren röhrenförmigen Mantel beabstandet ist, um einen Luftspalt (32) zu bilden; wobei die innere röhrenförmige Auskleidung ein Einlaßende aufweist und der äußere röhrenförmige Mantel ein an das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung angrenzendes Ende aufweist; wobei das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung einen Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser des Endes des äußeren röhrenförmigen Mantels und in peripherem Eingriff damit ist; und eine Zwischenhülse (40), die ein erstes und ein zweites Ende aufweist; wobei das erste Ende der Zwischenhülse einen Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Durchmesser der Öffnungsinnenwand der Auspuffkanalöffnung ist und das zweite Ende der Zwischenhülse einen Außendurchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser des Einlaßendes der inneren röhrenförmigen Auskleidung und in peripherem Eingriff damit ist; wobei eine innere Schweißnaht (44) das erste Ende der Zwischenhülse mit der Öffnungsinnenwand verbindet und eine äußere Schweißnaht (42) das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung und das Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels mit dem zweiten Ende der Zwischenhülse verbindet.

2. Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt nach Anspruch 1, wobei sich das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung und das Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels beide über das zweite Ende der Zwischenhülse erstrecken.

3. Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Einlaßende der inneren röhrenförmigen Auskleidung über dem zweiten Ende der Zwischenhülse um ein geringes Maß über das Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels hinausragt, wobei sich die äußere Schweißnaht (42) über das geringe Maß von dem Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels bis zur Zwischenhülse erstreckt.

4. Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt nach Anspruch 3, wobei sich die äußere Schweißnaht als eine kompakte ringförmige Naht vom zweiten Ende der Zwischenhülse über das Ende der inneren röhrenförmigen Auskleidung bis zum Ende des äußeren röhrenförmigen Mantels erstreckt.

5. Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere röhrenförmige Auskleidung (30) ein zweites Ende aufweist, der äußere röhrenförmige Mantel (34) ein Auslaßende aufweist und das zweite Ende der inneren röhrenförmigen Auskleidung kurz vor dem Auslaßende des Mantels endet.

6. Krümmerverbindungskonstruktion mit Luftspalt nach Anspruch 5, wobei das zweite Ende der inneren röhrenförmigen Auskleidung in den äußeren röhrenförmigen Mantel (34) gleitend eingreift.