EP0717179A1 - Luftspaltisolierter Abgaskrümmer - Google Patents

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EP0717179A1
EP0717179A1 EP95118922A EP95118922A EP0717179A1 EP 0717179 A1 EP0717179 A1 EP 0717179A1 EP 95118922 A EP95118922 A EP 95118922A EP 95118922 A EP95118922 A EP 95118922A EP 0717179 A1 EP0717179 A1 EP 0717179A1
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inner tube
tube
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outer tube
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Thomas Nording
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N13/1888—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly the housing of the assembly consisting of two or more parts, e.g. two half-shells

Definitions

  • the invention relates to an air-gap-insulated exhaust manifold with an outlet opening at the end, manifold and side inlet openings, the outer tube and inner tube being sheet metal parts.
  • Air-gap-insulated, double-walled exhaust manifolds are increasingly used, in particular, in exhaust systems of motor vehicles, which, together with other air-gap-insulated double-walled exhaust pipes, ensure optimal operation of a downstream exhaust gas detoxification device (catalytic converter). They bring about a reduction in the heat emission of the exhaust gas to the surroundings, so that the exhaust gas flows into the exhaust gas detoxification device at a higher temperature than in the case of single-walled elbows and exhaust pipes. This is particularly important during the warm-up phase of the internal combustion engine because the catalytic converter then quickly reaches its working temperature.
  • a downstream exhaust gas detoxification device catalytic converter
  • Known double-walled exhaust manifolds provide an outer tube and a one- or multi-piece inner tube, which are sheet metal parts in half-shell construction. After the sheet metal forming process, the semi-finished products are assembled and the outer half-shells of the outer tube are welded together. Such a manufacturing process is comparatively complex and requires many individual parts with increased material costs.
  • the object of the invention is to provide an air-gap-insulated exhaust manifold of the type mentioned at the outset, which is very simple and, in particular, saves material and is nevertheless fully functional without restrictions.
  • the essence of the invention is to design the gas-carrying inner tube only in the area of the manifold, gas-carrying outer tube sections being provided in the area of the inlet openings.
  • the invention therefore provides a double-walled exhaust manifold only in partial areas, specifically at those locations which are subject to high thermal stresses during operation of an internal combustion engine.
  • the thermally highly stressed zones of an exhaust manifold are, in particular, the outside, which is opposite the side inlet openings of the exhaust manifold, and generally the manifold of the exhaust manifold itself, since the throughput there is significantly greater than in the individual tubes which are fastened to the cylinder head flange of an internal combustion engine.
  • the individual pipes downstream of the cylinder head are therefore less thermally stressed.
  • the inner tube is manufactured using a hydrostatic forming process.
  • the one-part or multi-part inner tube is produced from circumferentially closed tube pieces, which are preferably rectilinear.
  • a piece of pipe is placed in a two-part calibration mold, the interior of which is the target contour of the finished inner pipe.
  • Both pipe ends are closed pressure-tight by sealing mandrels, at least one sealing mandrel being connected to a pressure source.
  • the pressure source exerts a very high pressure inside the inner tube through a liquid pressure medium, in particular a water emulsion, which deforms in accordance with the calibration form.
  • the use of the aforementioned high-pressure method for deforming the inner tube is particularly suitable because the inner tubes according to the invention have comparatively short branches which point in the direction of the inlet openings of the exhaust manifold. Little pipe material has to be deformed, so that the wall thickness of the inner pipe can be selected to be very thin even in the semifinished product.
  • the technique of internal high pressure deformation has its limits in the height of the dome and in the direction of the dome, which can be pulled out of the pipe as branches. In the case of exhaust manifolds, these branches are generally acute-angled for reasons of flow, an unfavorable requirement with regard to the achievable dome height. In principle, a large required dome height also requires a large wall thickness of the starting material, which is not the case with the invention. Due to the shorter dome height, an acute-angled pipe routing can be achieved much better in the invention. This creates a more streamlined exhaust system that further optimizes the engine management.
  • an air-gap-insulated exhaust manifold 1 is provided, which is flanged to the side of a cylinder head, not shown, of an internal combustion engine. It has three inlet openings 4, through which exhaust gas from an internal combustion engine reaches a central outlet opening 2 via a manifold 3.
  • the outlet opening 2 is connected via a connecting pipe to a catalytic converter and a downstream silencer system of a motor vehicle.
  • the exhaust manifold 1 comprises in particular an outer tube 5 consisting of two half-shells. In Fig. 1, only the lower half-shell is shown schematically.
  • the exhaust manifold 1 has an inner pipe 6 consisting of two pipe sections 7 and 8, which are largely configured identically, in particular with regard to the two pipe branches 9 of each pipe section 7 and 8, which point in the direction of two cylinders of the internal combustion engine.
  • Each tube section 7, 8 is made from a straight, one-piece tube as a semi-finished product, specifically by an internal high-pressure deformation process. A favorable dome height is determined in the experiment. The outer insulating half-shells of the outer tube 5 are then shaped in accordance with this dome height of the pipe branches 9.
  • the pipe branches 9 are comparatively short.
  • the arrangement is such that the gas-carrying inner tube is formed only in the area of the manifold 3, gas-carrying outer tube sections being provided in the area of the three inlet openings 4 and the outlet opening 2.
  • the double-walled design of the exhaust manifold is therefore only provided in the central area of the manifold 3, but only a single-walled gas flow in the area of the individual pipes. This results in an inexpensive design of an air-gap-insulated exhaust manifold. Nevertheless, the thermally highly stressed zones of the exhaust manifold are double-walled.
  • the short pipe branches 9 of each inner pipe section 7, 8 have a low dome height. Accordingly, little material of the inner tube 6 has to be deformed in an internal high-pressure process, so that the semifinished product of a straight tube can be made very thin-walled.
  • the prefabricated pipe sections 7, 8 of the inner pipe 6 are first inserted into one another at their connecting point 11 and inserted together in the lower half-shell of the outer pipe 5 in a snug fit.
  • the pipe branches 9 and the left pipe opening 12 of the pipe section 7 according to FIG. 1 and the pipe end at the outlet opening 2 are guided in a form-fitting manner in the outer pipe 5.
  • connection point 11 there are flat local spacing arrangements in the form of impressions between the outer tube 5 and the inner tube 6, which are either attached to the outer tube 5 or to the inner tube 6 or are an integral part of these parts.
  • the spacing arrangements can also be designed as a wire mesh molded part.
  • the pipe sections 7, 8 of the inner pipe 6 can also be fixed by welding in the dome area of the pipe branches 9.
  • the arrangement is such that the inner tube 6 is fundamentally displaceable with respect to the outer tube 5 in order to compensate for different thermal expansions between the inner tube and the outer tube.
  • FIG. 2 of an air-gap-insulated exhaust manifold 1 provides separate pipe sections 20 as gas-carrying outer tube sections, which according to FIG. Fig. 1 are longer and firmly attached to the base body of the outer tube.
  • by using such separate pipe pieces 20 it is possible to adapt their length to the respective structural requirements, i.e. With one and the same (compact) outer tube / inner tube arrangement according to the invention, different tube pieces 20 can be combined in a modular manner.

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Abstract

Bei einem luftspaltisolierten Abgaskrümmer (1) wird vorgeschlagen, die Doppelwandigkeit nur im Bereich des Sammelrohres vorzusehen, während im Bereich der Einzelrohre nur eine einwandige Gasführung realisiert ist. Das Außenrohr (5) besteht aus zwei Halbschalen, während das gasführende Innenrohr (6) insbesondere aus einem oder mehreren Teilstücken nach dem Innenhochdruckverfahren hergestellt ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen luftspaltisolierten Abgaskrümmer mit endseitiger Auslaßöffnung, Sammelleitung und seitlichen Einlaßöffnungen, wobei Außenrohr und Innenrohr Blechformteile sind.
  • Luftspaltisolierte, doppelwandige Abgaskrümmer finden insbesondere bei Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen zunehmend Verwendung, die zusammen mit anderen luftspaltisolierten doppelwandigen Abgasrohren für einen optimalen Betrieb einer nachgeordneten Abgasentgiftungseinrichtung (Katalysator) sorgen. Sie bewirken eine Verringerung der Wärmeabgabe des Abgases an die Umgebung, so daß das Abgas mit höherer Temperatur als bei einfachwandigen Krümmern und Abgasrohren der Abgasentgiftungseinrichtung zuströmt. Dies ist insbesondere während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors von Bedeutung, weil der Katalysator dann rasch seine Arbeitstemperatur erreicht.
  • Bekannte doppelwandige Abgaskrümmer sehen ein Außenrohr und ein ein- oder mehrstuckiges Innenrohr vor, welches Blechformteile in Halbschalenkonstruktion sind. Nach dem Blechumformungsvorgang werden die Halbzeuge zusammengesetzt und die äußeren Halbschalen des Außenrohrs miteinander verschweißt. Ein derartiger Fertigungsvorgang ist vergleichsweise aufwendig und verlangt viele Einzelteile bei erhöhtem Materialaufwand.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers der eingangs genannten Art, der sehr einfach und insbesondere materialsparend aufgebaut ist und gleichwohl uneingeschränkt voll funktionsfähig ist.
  • Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einen Abgaskrümmer der im Anspruch 1 angegebenen Art.
  • Vorteilhaft weitergebildet wird der Abgaskrümmer nach den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 12.
  • Wesen der Erfindung ist, das gasführende Innenrohr nur im Bereich der Sammelleitung auszubilden, wobei gasführende Außenrohrabschnitte im Bereich der Einlaßöffnungen vorgesehen sind.
  • Die Erfindung sieht mithin einen doppelwandigen Abgaskrümmer nur in Teilbereichen vor, und zwar an denjenigen Stellen, die während eines Betriebs eines Verbrennungsmotors thermisch hochbelastet sind. Die thermisch hochbelasteten Zonen eines Abgaskrümmers sind insbesondere die Außenseite, welche den seitlichen Einlaßöffnungen des Abgaskrümmers entgegengesetzt ist, und generell die Sammelleitung des Abgaskrümmers selbst, da dort der Durchsatz wesentlich größer ist als in den Einzelrohren, welche an dem Zylinderkopfflansch eines Verbrennungsmotors befestigt sind. Die dem Zylinderkopf nachgeordneten Einzelrohre sind also thermisch weniger stark belastet.
  • Ersichtlich kann durch die nur teilweise Ausbildung eines doppelwandigen Abgaskrümmers Material in erheblichem Umfang eingespart werden. Außerdem können die thermisch hochbelasteten Zonen des Innenrohres sehr dünnwandig ausgebildet werden, welche sich am Außenrohr abstützen. Dadurch entsteht wenig "thermische Masse", welche im Betrieb insbesondere in der Warmlaufphase eines Motors von Vorteil ist. Bei einem Kaltstart werden mithin die Abgase schnell und sehr heiß zu einem Katalysator geführt. Ein geringer Materialeinsatz bringt mithin nicht nur Kostenvorteile, sondern sorgt auch für ein geringes Gesamtgewicht eines Abgaskrümmers.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Innenrohr nach einem hydrostatischen Umformverfahren gefertigt ist. Bei einem derartigen Verfahren werden das ein- oder mehrteilige Innenrohr aus umfangsmäßig geschlossenen Rohrstücken hergestellt, die vorzugsweise geradlinig sind. Hierbei wird ein Rohrstück in eine zweiteilige Kalibrierform gelegt, deren Innenraum der Sollkontur des endgefertigten Innenrohres ist. Beide Rohrenden werden druckdicht durch Dichtdorne verschlossen, wobei zumindest ein Dichtdorn mit einer Druckquelle in Verbindung steht. Durch die Druckquelle wird durch ein flüssiges Druckmittel, insbesondere eine Wasseremulsion, sehr hoher Druck im Innern des Innenrohres ausgeübt, welches sich entsprechend der Kalibrierform verformt.
  • Die Anwendung eines vorgenannten Innenhochdruckverfahrens für eine Verformung des Innenrohrs ist deshalb besonders geeignet, da die Innenrohre gemäß der Erfindung vergleichsweise kurze Abzweige hat, welche in Richtung der Einlaßöffnungen des Abgaskrümmers weisen. Es muß wenig Rohrmaterial verformt werden, so daß die Wandstärke des Innenrohres schon beim Halbzeug sehr dünn gewählt werden kann. Die Technik einer Innenhochdruckverformung hat nämlich ihre Grenzen in der Domhöhe und in der Richtung der Dome, die als Abzweige aus dem Rohr gezogen werden können. Bei Abgaskrümmern sind diese Abzweige in der Regel aus Gründen der Strömungsführung spitzwinklig, eine ungünstige Voraussetzung bezüglich der erreichbaren Domhöhe. Eine große geforderte Domhöhe bedingt prinzipiell auch eine große Wandstärke des Ausgangsmaterials, was bei der Erfindung gerade nicht der Fall ist. Durch die kürzere Domhöhe kann bei der Erfindung wesentlich besser eine spitzwinklige Rohrführung erzielt werden. Dadurch entsteht eine strömungsgünstigere Abgasführung, welche die Motorleitsung weiter opimiert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben; es zeigen:
    • Fig. 1
    einen luftspaltisolierten Abgaskrümmer in schematischer aufgeschnittener Draufsicht, und
    Fig. 2
    einen luftspaltisolierten Abgaskrümmer ähnlich Fig. 1 in anderer Ausführungsvariante.
  • Gemäß Fig. 1 ist ein luftspaltisolierter Abgaskrümmer 1 vorgesehen, welcher seitlich an einem nicht veranschaulichten Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors angeflanscht ist. Er besitzt drei Einlaßöffnungen 4, durch welche Abgas eines Verbrennungsmotors über eine Sammelleitung 3 zu einer zentralen Auslaßöffnung 2 gelangt. Die Auslaßöffnung 2 ist über ein Verbindungsrohr mit einem Katalysator und einer nachgeordneten Schalldämpferanlage eines Kraftfahrzeugs verbunden.
  • Der Abgaskrümmer 1 umfaßt insbesondere ein Außenrohr 5 bestehend aus zwei Halbschalen. In Fig. 1 ist lediglich die untere Halbschale schematisch dargestellt.
  • Ferner besitzt der Abgaskrümmer 1 ein Innenrohr 6 bestehend aus zwei Rohrabschnitten 7 und 8, welche großenteils gleich konfiguriert sind, insbesondere im Hinblick auf die beiden Rohrabzweige 9 eines jeden Rohrabschnitts 7 und 8, welche in Richtung zweier Zylinder des Verbrennungsmotors weisen.
  • Jeder Rohrabschnitt 7, 8 wird aus einem geradlinigen einstückigen Rohr als Halbzeug hergestellt, und zwar nach einem Innenhochdruckverformungsverfahren. Dabei wird im Versuch eine günstige Domhöhe ermittelt. Entsprechend dieser Domhöhe der Rohrabzweige 9 erfolgt dann die Formgebung der äußeren Isolierhalbschalen des Außenrohrs 5.
  • Die Rohrabzweige 9 sind vergleichsweise kurz. Die Anordnung ist so getroffen, daß das gasführende Innenrohr nur im Bereich der Sammelleitung 3 ausgebildet ist, wobei gasführende Außenrohrabschnitte im Bereich der drei Einlaßöffnungen 4 und der Auslaßöffnung 2 vorgesehen sind. Mithin ist die Doppelwandigkeit des Abgaskrümmers nur im zentralen Bereich der Sammelleitung 3 vorgesehen, im Bereich der Einzelrohre jedoch nur eine einwandige Gasführung. Dadurch ergibt sich eine kostengünstige Ausführung eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers. Gleichwohl sind die thermisch hochbelasteten Zonen des Abgaskrümmers doppelwandig ausgebildet. Die kurzen Rohrabzweige 9 eines jeden Innenrohrabschnitts 7, 8 haben eine geringe Domhöhe. Mithin muß auch wenig Material des Innenrohres 6 bei einem Innenhochdruckverfahren umverformt werden, so daß bereits das Halbzeug eines geradlinigen Rohrs sehr dünnwandig ausgebildet sein kann.
  • Für eine Montage werden zuerst die vorgefertigten Rohrabschnitte 7, 8 des Innenrohres 6 an ihrer Verbindungsstelle 11 formschlüssig ineinandergesteckt und zusammen in die untere Halbschale des Außenrohrs 5 in einem Paßsitz eingelegt. Hierbei sind die Rohrabzweige 9 und die gemäß Fig.1 linke Rohröffnung 12 des Rohrabschnitts 7 sowie das Rohrende bei der Auslaßsöffnung 2 formschlüssig im Außenrohr 5 geführt.
  • Im Bereich der Verbindungsstelle 11 befinden sich zwischen Außenrohr 5 und Innenrohr 6 flächige lokale Distanzanordnungen in Form von Einprägungen, welche entweder am Außenrohr 5 oder am Innenrohr 6 befestigt oder integrierter Bestandteil dieser Teile sind. Die Distanzanordnungen können auch als Drahtgeflecht-Formteil ausgebildet sein.
  • Die Rohrabschnitte 7, 8 des Innenrohrs 6 können auch durch Schweißung im Dombereich der Rohrabzweige 9 fixiert sein.
  • Die Anordnung ist so getroffen, daß das Innenrohr 6 grundsätzlich bezüglich des Außenrohres 5 verschieblich geführt ist, um unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Innenrohr und Außenrohr auszugleichen.
  • Die in Fig. 2 veranschaulichte Ausführungsvariante eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers 1 sieht als gasführende Außenrohrabschnitte separate Rohrstücke 20 vor, welche bezüglich der Rohrabschnitte der erstgenannten Ausführungsvariante gem. Fig. 1 länger und fest mit dem Grundkörper des Außenrohrs befestigt sind. Hierdurch ergeben sich folgende Vorteiloe: Zum einen ist man nicht gezwungen, die gasführenden Außenrohrabschnitte im Bereich der Einlaßöffnungen tatsächlich bis zum Motor-Anschlußflansch zu führen. Zum anderen ist es durch Anwendung derartiger separater Rohrstücke 20 möglich, diese in ihrer Länge den jeweiligen baulichen Erfordernissen anzupassen, d.h. mit ein und derselben (kompakten) Außenrohr/Innenrohr-Anordnung nach der Erfindung sind unterschiedliche Rohrstücke 20 baukastenartig kombinierbar.
  • Es sei noch angemerkt, daß in den Unteransprüchen enthaltene selbständig schutzfähige Merkmale trotz der vorgenommenen formalen Rückbeziehung auf den Hauptanspruch entsprechenden eigenständigen Schutz haben sollen. Im übrigen fallen sämtliche in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfinderischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (12)

  1. Luftspaltisolierter Abgaskrümmer (1), mit endseitiger Auslaßöffnung (2), Sammelleitung (3) und seitlichen Einlaßöffnungen (4), wobei Außenrohr (5) und Innenrohr (6) Blechformteile sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das gasführende Innenrohr (6) nur im Bereich der Sammelleitung (4) ausgebildet ist, wobei gasführende Außenrohrabschnitte im Bereich der Einlaßöffnungen (4) vorgesehen sind.
  2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (6) aus Teilstücken zusammengesetzt ist.
  3. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (6) dünnwandig ausgebildet ist.
  4. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (6) nach einem hydrostatischen Umformverfahren gefertigt ist.
  5. Abgaskrümmer nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (6) einstückige Rohrabschnitte (7, 8) mit zumindest einem Rohrabzweig (9) umfaßt, welcher in Richtung Einlaßöffnung (4) weist.
  6. Abgaskrümmer nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jeder Rohrabzweig (9) in einem Paßsitz im Außenrohr (5) gelagert ist.
  7. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (6) in einem Verschiebesitz im Außenrohr (5) gelagert ist.
  8. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen Außenrohr (5) und Innenrohr (6) flächige örtliche Distanzanordnungen (10) angeordnet sind.
  9. Abgaskrümmer nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Distanzanordnungen (10) Einprägungen des Außenrohres (5) oder des Innenrohres (6) sind.
  10. Abgaskrümmer nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Distanzanordnungen (10) als Drahtgeflechtformteil ausgebildet sind.
  11. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das ein- oder mehrstückige Innenrohr (6) an zumindest einer Stelle bezüglich des Außenrohrs (5) fixiert, insbesondere verschweißt ist.
  12. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die gasführenden Außenrohrabschnitte separate Rohrstücke (20) sind (Fig. 2).
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