DE9214116U1

DE9214116U1 - Auspuffkrümmer für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE9214116U1
Application number: DE9214116U
Authority: DE
Original assignee: HEINR DIECKERHOFF GUSS NIEDERL
Current assignee: HEINR DIECKERHOFF GUSS NIEDERL
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1992-10-20
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2002-10-21
Also published as: WO1994009267A1

Description

DR.-ING. DIPL-PHYS. H. STURIES
PATENTANWÄLTE

DlPL-ING. P. EICHLER

Heinr. Dieckerhoff Guss

Niederlassung der Harzer Grauqußwerke GmbH, Oststr. 25-27, 5820 Gevelsberg

Auspuffkrümmer für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf einen Auspuffkrümmer für Kraftfahrzeuge, mit einem aus Gußwerkstoff bestehenden, Abgaskanäle aufweisenden Krümmerkörper, der zwischen seinen Anschlußflanschen längenabschnittsweise mit mindestens einer Wandquerschnittsverstärkung versehen ist.

Ein grundsätzliches Ziel bei der Ausbildung eines Auspuffkrümmers ist es, seine Gestaltung und insbesondere seine Abgaskanäle so auszubilden, daß sich eine optimale Leistungsausbeute ergibt. Darüber hinaus war es stets ebenfalls ein grundsätzliches Ziel, ihn zugleich leicht, kompakt und preiswert herzustellen. Hierbei haben sich für die Mehrzahl der Anwendungsfälle Auspuffkrümmer durchgesetzt, die aus Gußwerkstoff bestehen. Auspuffkrümmer in massiver Gußausbildung sind unproblematisch. Im Hinblick auf die angestrebte Leichtbauweise sind jedoch die Wandstärken der Auspuffkrümmer im Laufe der Zeit im-

mer mehr reduziert ' worden, so daß sich eine Vielzahl von Problemen ergab. Insbesondere problematisch ist die Rißbildung. Risse führen zur Beeinträchtigung der Festigkeit des Auspuffkrümmers und zu dessen Undichtigkeit. Insbesondere letzteres kann zu unerwünschten Folgen führen, beispielsweise zu Betriebsbeeinträchtigungen des Katalysators. Rißbildungsvorgänge sind kompliziert und ihre Ursache ist nicht sicher zu bestimmen. Maßgeblich sind einerseits hohe mechanische Spannungen, die zusätzlich zu den ohnehin vorhandenen Spannungsauswirkungen Einfluß auf die Beanspruchung des Auspuffkrümmers nehmen. Des weiteren bewirkt die Erhitzung des Auspuffkrümmers eine Einflußnahme auf die Werkstoffeigenschaften bis hin zur Werkstoffumwandlung beim Erreichen sehr hoher Temperaturen. Es verwundert daher nicht, daß der Rißbildung nur von Fall zu Fall auf empirischer Basis entgegengetreten wird. Bekannt ist es, in den gefährdeten Bereichen am Außenumfang des Krümmers Rippen vorzusehen. Diese Rippen dienen der Versteifung und tragen wohl auch zur Wärmeableitung durch Konvektion bei, funktionieren also wie Kühlrippen, ähnlich wie Kühlrippen an strömungsoffenen Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren. Solche Rippen bei Auspuffkrümmern sind jedoch nicht unproblematisch. Sie nehmen Einfluß auf den infolge der Erwärmung des Krümmers auftretenden Verzug und können Ursache für neue Rißprobleme an anderen Stellen des Auspuffkrümmers sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Auspuffkrümmer mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß die Gefahr der Rißbildung am Auspuffkrümmer ohne unzulässige Einflußnahme auf die optimale Leistungsausbeute des Kraftfahrzeugs verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wandquerschnittsverstärkung im Inneren des Abgaskanals strömungsquerschnittsvermindernd angeordnet ist.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß die Wandquerschnittsverstärkung dort angeordnet ist, wo die aus dem Abgas herrührende Hitze vornehmlich in den Auspuffkrümmer übergeht. Hier können lokale Einflüsse der Hitze auf die Wand des Auspuff krümmers vermieden werden, indem beispielsweise Randentkoh-

lung und Verzünderung auf den Bereich der Wandquerschnittsverstärkung konzentriert werden. Vor allen Dingen aber wird es ermöglicht, den Auspuffkrümmer so auszubilden, daß die Wärme besser abgeleitet werden kann. Hierfür ist in erster Linie die Bemessung der Verstärkung von Bedeutung. Von weiterem Vorteil ist, daß der Außenumfang des Auspuffkrümmers trotz der Wandquerschnittsverstärkungen in herkömmlicher Weise glatt ausgebildet werden kann, was im Hinblick auf eine ansprechende Formgestaltung und im Hinblick auf den Platzbedarf für den Auspuffkrümmer nicht ohne Bedeutung ist. Bei der Herstellung eines mit solchen im Abgaskanal vorhandenen Wandquerschnittsverstärkungen versehenen Auspuffkrümmers hat sich gezeigt, daß es formungstechnische und gießtechnische wesentliche Beeinträchtigungen nicht gibt. Ein Auspuffkrümmer mit im Abgaskanal vorhandenen Wandquerschnittsverstärkungen, welche den Strömungsquerschnitt des Abgaskanals verringern, sind auch nicht wesentlich leistungsmindernd. Es hat sich gezeigt, daß der Strömungsquerschnitt eines Abgaskanals erhebliche Querschnittsverengungen verträgt, ohne einen erheblichen Staudruck aufzubauen, dessen Überwindung Motorleistung erfordern würde.

Der Auspuffkrümmer ist so ausgebildet, daß er mindestens einen, mehrere Abgaskanäle zusammenführenden Krümmerbereich hat, wo die Wandquerschnittsverstärkung vorhanden ist. Hierbei wird die Erfahrung genutzt, daß der Auspuffkrümmer dort am heißesten wird, wo zwei oder mehrere Abgaskanäle in einen gemeinsamen Strömungsraum übergehen. In einem solchen Krümmerbereich tritt daher die größte Temperaturbelastung auf, so daß es vorteilhaft ist, hier auch die Wandquerschnittsverstärkung vorzusehen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Auspuffkrümmers liegt vor, wenn die Wandquerschnittsverstärkung als mindestens eine in Strömungsrichgtung des Abgases ausgerichtete Rippe ausgebildet ist. Mit der Hilfe einer solchen Rippe als Wandquerschnittsverstärkung kann ein wirksamer Wärmefluß insbesondere in Strömungsrichtung des Abgases erreicht werden, also aus heißen Bereichen direkt in weniger heiße Bereiche des Krümmers. Darüber hinaus hat eine solche Wandquerschnittsverstärkung eine führende Einwirkung auf das Abgas, wirkt also strö-

mungsberuhigend auf Verwirbelungsvorgänge, die insbesondere im Zusammenführungsbereich mehrerer Abgaskanäle auftreten können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erreicht, daß daß in einem Längenbereich eines Abgaskanals mehrere einander parallele Rippen vorhanden sind. Mehrere Rippen werden insbesondere dazu benutzt, das Ausmaß der Querschnittsverstärkung der Wand zu erhöhen. Darüber hinaus können sie über den Umfang des Auspuffkrümmers verteilt dort angeordnet werden, wo es aus Wärmeableitungsgründen erforderlich ist. Die Parallelität der Rippen ist aus strömungstechnischen Gründen vorgesehen, nämlich um einerseits den Strömungswiderstand so gering wie möglich zu halten und andererseits den Beruhigungseinfluß auf wirbelnde Abgasströmung zu optimieren.

Sofern es bei hohen thermischen Belastungen auf eine gleichmäßige Ausnutzung des mechanischen und thermischen Vermögens des Auspuffkrümmers ankommt, wird dieser vorteilhafterweise so ausgebildet, daß die Rippen über den Kanalumfang gleichmäßig verteilt sind.

Die Ausbildung der Wandquerschnittsverstärkung bzw. mehrerer Wandquerschnittsverstärkungen als Rippe oder Rippen ist im Hinblick auf unterschiedliche Gestaltungen der Auspuffkrümmer besonders anpassungsfähig. Eine entsprechend vorteilhafte Ausgestaltung liegt vor, wenn mehrere rippenförmige Wandquerschnittsverstärkungen in einem Abgaskanäle zusammenführenden Krümmerbereich Y-artig zusammenlaufen. Der Ausdruck Y-artig bezieht sich darauf, daß mehrere, nicht notwendigerweise zwei Wandquerschnittsverstärkungen zusammenlaufen und ein zusammenhängendes Rippengebilde darstellen.

Die Ausbildung der Wandquerschnittsverstärkung in Rippenform ist jedoch nicht zwingend. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung liegt vor, wenn in einem Längenbereich eines Abgaskanals mindestens eine Wandquerschnittsverstärkung schichtartig ausgebildet ist. Die schichtartige Ausbildung der Wandquerschnittsverstärkung gestattet es, vergleichsweise große Wandquerschnitte als Verstärkungen für die Wärmeableitung vorzusehen, ohne den Innenumfang eines Abgaskanals zu sehr durch Vor-

Sprünge zu inhomogenisieren. Darüber hinaus ist die Ausbildung der Wandquerschnittsverstärkung als Schicht in einem vorbestimmten Längenbereich ein optimales Mittel, den Auspuffkrümmer leicht zu halten und auch die Einflußnahme der Wandquerschnittsverstärkung auf die Abgasströmung zu minimieren.

Die größtmögliche Anordnung von Wandmaterial bei geringstmöglicher Schichtdicke liegt vor, wenn die schichtartige Wandquerschnittsverstärkung über den gesamten Kanalumfang vorhanden ist. Voraussetzung hierzu ist eine nicht punktuell anfallende Beaufschlagung des betreffenden Bereichs des Auspuffkrümmers.

Falls die Wärme innerhalb des Abgaskanals nicht über den Umfang gleichmäßig verteilt in die Wand des Krümmers übertritt, oder wenn die Wärmeverteilung über die Länge eines Abgaskanals gesehen unterschiedlich verteilt ist, muß die Ausgestaltung des Auspuffkrümmers entsprechend angepaßt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die schichtartige Wandquerschnittsverstärkung und/oder eine Rippe in Strömungsrichtung an unterschiedlichen Kanalumfangsstellen unterschiedlich lang und/oder dick und/oder umfangsbreit ist. Damit sind für die Ausbildung der Wandquerschnittsverstärkung die erforderlichen Mittel gegeben, um die notwendigen Anpassungen vornehmen zu können.

Von besonderer Bedeutung für die Ausgestaltung des Auspuffkrümmers ist die Wahl des Gußwerkstoffs. Gußwerkstoffe sind für Auspuffkrümmer in großer Vielzahl und mit unterschiedlichen Eigenschaften verfügbar. Nach dem Einsatz von niedrig und höher legierten Gußeisen mit Lamellengrafit wird für höhere thermische Belastungen insbesondere Kugel- und Vermiculargrafit eingesetzt. Als besonders vorteilhaft im Sinne hoher Temperaturwechselfestigkeit bei geringer Schrumpfung hat sich erwiesen, wenn Gußwerkstoff aus mit bis zu 5% Silizium und bis zu 1% Molybdän liegertem Gußeisen mit Kugelgrafit besteht. Dieser Werkstoff besitzt im Vergleich zu anderem, ähnlich temperaturwechselfestem Werkstoff, beispielsweise sogenannter Ni-Resist-Werkstoff, eine vergleichsweise geringe Dichte. Infolgedessen kann der Auspuffkrümmer leichter gebaut werden oder die Wandstärke bzw. die Wandquerschnittsverstärkung kann im Sinne einer verbesserten Wärmeabfuhr vergrößert werden.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig.l eine schematische Darstellung eines Auspuffkrümmer
mit rippenartigen Wandquerschnittsverstärkungen,

Fig.la den Schnitt a-b der Fig.l,

Fig.2 eine der Fig.l ähnliche Darstellung mit schichtartigen Wandquerschnittsverstärkungen,

Fig.2a den Schnitt c-d der Fig.2, und

Fig.2b den Schnitt a-b der Fig.2.

Die in den Figuren dargestellten Auspuffkrümmer 10 sind für Kraftfahrzeuge bestimmt. Sie dienen als Abgasleitelemente zwischen einem Motorblock und - zusammen mit weiteren abgasleitenden Rohren u.dgl. - einem Auspufftopf. Dementsprechend besitzen die Auspuffkrümmer 12 auspufftopfseitig und motorblockseitig je einen Anschlußflansch 13. Jeder Anschlußflansch 13 wird unter Zuhilfenahme der dargestellten Verbindungsbohrungen 13' mit dem ihm zugeordneten Bauteil des Kraftfahrzeugs verbunden. Ferner besitzt ein Auspuffkrümmer 10 eine der Anzahl der Auslaßöffnungen des Zylinderblocks entsprechende Anzahl von motorblockseitigen Anschlußflanschen 13, von denen in den Fig.1,2 lediglich je ein einziger beispielsweise dargestellt ist. Alle motorblockseitigen Anschlußflansche 13 begrenzen jeweils einen Abgaskanal 11 und alle Abgaskanäle 11 eines Auspuffkrümmers 10 bzw. eines Krümmerkörpers 12 werden in dessen Krümmerbereich 16 zu einem einzigen Querschnitt zusammengeführt. An diesen Bereich 16 schließt sich ein rohrartiger Bereich an, der sich also vom die Abgaskanäle 11 zusammengeführenden Krümmerbereich 16 bis zum auspufftopfseitigen Anschlußflansch 13 erstreckt und beispielsweise kreisringförmigen Querschnitt aufweist.

Der Auspuffkrümmer 10 der Fig.l zeigt in seinem die beiden dargestellten Abgaskanäle 11 zusammenführenden Krümmerbereich 16 mehrere Rippen 14', die in der Strömungsrichtung S des Abgases ausgerichtet sind. Gemäß Fig.la sind die Rippen 14' im Querschnitt etwa halbkreisförmig und springen dementsprechend zum Zentrum des Abgaskanals 11 hin vor. Die in Fig.l oben dargestellten Enden der Rippen 14 ' sind jeweils im Hinblick auf

die zugehörigen Abgaskanäle 11 ausgerichtet. Es zeigt sich eine Y-artige Ausbildung, bei der die beiden Rippen 14' entsprechend zusammenlaufen, so daß sie im Bereich des Schnittes a-b eine einzige Rippe 14' bilden, die denselben Querschnitt hat, wie die in Fig.l oben und unten angeordneten Wandquerschnittsverstärkungen 14 bzw. Rippen. Letztere sind einfach rippenförmig, was sich aus der Geometrie des Auspuff krümme rs IO ergibt. Sie erstrecken sich also als unverzweigte Rippen über den Längenbereich L des Abgaskanals 11. Im Bereich der Y-förmigen Ausbildung kann der Auspuffkrümmer eine Auflauframpe haben, so daß sich zwischen den Y-Ästen keine gegen die Gasströmung gerichtete Staukante ergibt. Zumindest im rohrförmigen Bereich des Krümmerkörpers 12 sind alle Rippen 14 ' im Querschnitt gleich dimensioniert und einander parallel angeordnet. Im die Abgaskanäle 11 zusammenführenden Krümmerbereich 16 paßt sich die Führung der Rippen 14' der dort gegebenen Krümmergestaltung an. Es ergeben sich die aus der Zeichnung ersichtlichen Ausgestaltungen. Insbesondere ist ersichtlich, daß die Rippen 14' an den Kanalumfangsstellen ui,U2, unterschiedlich lang sind.

Der Auspuffkrümmer 10 der Fig.2 unterscheidet sich von demjenigen der Fig.l im wesentlichen dadurch, daß seine Wandquerschnittsverstärkungen 14 als Schicht 14 ' ' ausgebildet sind. Eine schichtartige Wandquerschnittsverstärkung 14 ' ' erstreckt sich darstellungsgemäß über den gesamten Außenumfang des die Abgaskanäle 11 zusammenführenden Krümmerbereichs 16 bis hin in den rohrartigen Bereich des Krümmerkörpers 12. Dabei ist ersichtlich, daß die Wandstärke des Krümmerkörpers 12 über dessen Länge unterschiedlich ausgebildet ist. Die normale Wandstärke ist mit w bezeichnet. Sie ist in der Nähe der Anschlußflansche 13 jeweils ungeändert gleich groß. Im Bereich der schichtartigen Wandquerschnittsverstärkung 14 ' ' ist sie definitionsgemäß größer und mit W bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß sie über die Länge schwankt. Die schichtartige Wandquerschnittsverstärkung 14'' ist also unterschiedlich dick. In der zeichnerischen Darstellung wurde angenommen, daß eine erhebliche Dicke insbesondere in der Nähe der Abgaszusammenführung erforderlich ist, also im Krümmerbereich 16. Von dort aus gesehen reduziert sich die Wandstärke und damit die Wandquerschnittsverstärkung 14''. Während Fig.2a erkennen läßt, daß die schichtartige Wandquer-

Schnittsverstärkung 14 ' ' über den gesamten Außenumfang des Krümmerkörpers 12 vorhanden ist, hier in gleich starkem Maße, so läßt Fig.2b erkennen, daß lediglich in der unteren Außenumfangshälfte des Krümmerkörpers 12 eine schichtartige Wandquerschnittsverstärkung 14'' vorhanden ist. An der Kanalumfangsstelle U3 liegt also eine solche Verstärkung 14'' vor, während sie an der Kanalumfangsstelle U4 nicht mehr ausgebildet ist. Die Umfangsbreite der Schicht 14'' ist hier also reduziert.

Aus der Fig. 2 ist damit ersichtlich, daß auch die Länge der schichtartigen Wandquerschnittsverstärkung 14 ' ' im Längenbereich L unterschiedlich ausgebildet ist. Es versteht sich, daß die dargestellte schichtartige Wandquerschnittsverstärkung 14'' den tatsächlichen thermischen Beanspruchungen entsprechend auch anders ausgestaltet sein kann, beispielsweise wie durch die gestrichelte Linie 17 dargestellt oder anderweitig.

• ·

Claims

DR.-ING. DIPL-PHYS, H. STURlES PATENTANWÄLTE DIPL-ING. P. EICHLER Ansprüche

1. Auspuffkrümmer (10) für Kraftfahrzeuge, mit einem aus Gußwerkstoff bestehenden, Abgaskanäle (11) aufweisenden Krümmerkörper (12), der zwischen seinen Anschlußflanschen (13) längenabschnittsweise mit mindestens einer Wandquerschnittsverstärkung (14) versehen ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandquerschnittsverstärkung (14) im Inneren (15) des Abgaskanals (11) strömungsquerschnittsvermindernd angeordnet ist.

2. Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß er mindestens einen, mehrere Abgaskanäle (11) zusammenführenden Krümmerbereich (16) hat, wo die Wandquerschnittsverstärkung (14) vorhanden ist.

3. Auspuffkrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandquerschnittsverstärkung (14) als mindestens eine in Strömungsrichtung (5) des Abgases ausgerichtete Rippe (14') ausgebildet ist.

4. Auspuffkrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß in einem Längenbereich (L) eines Abgaskanals (11) mehrere einander parallele Rippen (14') vorhanden sind.

5. Auspuffkrümmer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rippen (14') über den Kanalumfang gleichmäßig verteilt sind.

6. Auspuffkrümmer nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere rippenförmige Wandquerschnittsverstärkungen (14) in einem Abgaskanäle (11) zusammenführenden Krümmerbereich (16) Y-artig zusammenlaufen.

7. Auspuffkrümmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Längenbereich (L) eines Abgaskanals (11) mindestens eine Wandquerschnittsverstärkung (14) schichtartig ausgebildet ist.

8. Auspuffkrümmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die schichtartige Wandquerschnittsverstärkung (14'') über den gesamten Kanalumfang vorhanden ist.

9. Auspuffkrümmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schichtartige Wandquerschnittsverstärkung (14'') und/oder eine Rippe (14') in Strömungsrichtung (S) an unterschiedlichen Kanalumfangsstellen (ui,U2,U3,U4) unterschiedlich lang und/oder dick und/oder umfangsbreit ist.

10. Auspuffkrümmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußwerkstoff aus mit bis zu 5% Silizium und bis zu 1% Molybdän liegertem Gußeisen mit Kugelgrafit (GGG-SiMo 5 1) besteht.