EP0861975A2 - Abgaskrümmerflansch für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgaskrümmerflansch für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0861975A2
EP0861975A2 EP98102983A EP98102983A EP0861975A2 EP 0861975 A2 EP0861975 A2 EP 0861975A2 EP 98102983 A EP98102983 A EP 98102983A EP 98102983 A EP98102983 A EP 98102983A EP 0861975 A2 EP0861975 A2 EP 0861975A2
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EP
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exhaust manifold
base part
manifold flange
flange
flange according
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Hans-Jörg Dipl.-Ing. Kaifel
Hans A. Dipl.-Ing. Härle
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Haerle Hans A
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Harle Hans A
DaimlerChrysler AG
Daimler Benz AG
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    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/18—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1872—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly the assembly using stamp-formed parts or otherwise deformed sheet-metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/494—Fluidic or fluid actuated device making

Definitions

  • the invention relates to an exhaust manifold flange for a Internal combustion engine according to the preamble of claim 1 Art.
  • Exhaust manifolds are known from the prior art, the are designed as castings and cast on Have flange.
  • the exhaust manifold flange is also intended to do this contribute to the tightened conditions of the new exhaust gas laws to meet, have lower manufacturing costs and moreover, despite its light weight have sufficient bending stiffness.
  • this task is characterized by Part of claim 1 mentioned features solved.
  • the base part according to the invention made of sheet steel a significantly reduced weight of the entire exhaust manifold flange, because the steel sheet is very thin can be.
  • the base part according to the invention on its outer contour or all around with a flange.
  • Another advantage is that through the fixed in the receiving holes usable exhaust pipe a tight connection for discharging exhaust gas from an internal combustion engine arises.
  • the base part 4 There are also 2 mounting holes in the base part 4 for exhaust pipes or flue pipes 5.
  • the mounting holes 4 are also provided with flanges 6, which are arranged in a ring around the receiving bores 4.
  • the base part 2 is between the mounting holes 4 with additional intermediate recesses 8 provided.
  • the rigidity of the exhaust manifold flange 1, the intermediate cutouts 8 similar to the base part 2 and the mounting holes 4 Edging 9 on.
  • the dashed line in Fig. 1 represents that the intermediate recesses 8 attached in this way in the base part 2 are that the remaining residual areas are in the form of individual flanges Have 10. This represents a further optimization the rigidity of the exhaust manifold flange 1.
  • Base part 2 is formed by stamping to increase rigidity the exhaust manifold flange 1 to increase.
  • FIG. 2 is in addition to the representation according to FIG. 1 the welding of the exhaust pipe 5 with the mounting holes 4 shown on the flanges 6. This weld is facing one of the internal combustion engine Side of the exhaust manifold flange 1 performed.
  • the mounting holes 4 can be made very dimensionally will.
  • the receiving holes 4 can e.g. with a tolerance be carried out in the H7 area and the exhaust ports 5 have a small excess.
  • the resulting press fit increases the fatigue strength of the welded joint.
  • the extents or heights as well the wall thicknesses of the flanges 3, 6 and 9 can be seen.
  • the flanges 3, 6 and 9 are made by cold forming ironed, the extent of the extent being determined by the degree of deformation the flanges 3, 6 and 9 are affected can. There is a strain hardening of the flanges 3, 6 and 9.
  • the bending stiffness of the flanges 3, 6 and 9 achieved about two to four times as much large extent of the flanges 3, 6 and 9 based on the wall thickness of the base part 2 is an optimal value. In in practice, the wall thickness of the base part 2 is 2-4 mm, whereas the flanges 3, 6 and 9 extend of 6-10 mm.
  • the cut edges created by the forming on the Exhaust manifold flange 1 can be formed by molding, not shown Radii are rounded, with the risk of injury can be reduced by sharp edges.
  • the top edges of the flanges 3, 6 and 9 are remelted or alloyed. This contributes an additional increase in the bending stiffness of the exhaust manifold flange 1 at.
  • FIG. 3 shows a section through the exhaust manifold flange 1, with a circumferential elevation 11 on that of the internal combustion engine facing bottom of the base part 2 shown is.
  • the circumferential elevation 11 forms with the wall of the Internal combustion engine a sealing surface, with no additional Sealants are needed.
  • the exhaust manifold flange 1 does not lie with its entire area on the internal combustion engine, causing the pressure on the Sealing surface increases several times. This seal can be improved in that the circulation survey 11 is convex or conical.
  • the high of circumferential elevation 11 is usually between 0.1 - 2 mm.
  • the circumferential elevation 11 reduces the heat absorption of the exhaust manifold flange 1 in the start phase of Internal combustion engine.
  • the revolving elevation 11 with a revolving To provide recess 12.
  • the recess 12 can sealing ring, not shown, or any other Sealants are used, which is very simple can be trained.
  • the elevation 11 and the molded therein Recess 12 are in the enlarged view 4 can be seen more precisely.
  • the heat transfer between the exhaust manifold flange 1 and to reduce the internal combustion engine is the sealing surface provided with a ceramic coating, not shown.
  • FIG. 5 shows a section through the exhaust manifold flange 1, two different embodiments of the flanging 9 are shown.
  • Figures 6 to 8 show a further embodiment of the Exhaust manifold flange 1, which in this case as a single flange 1 is formed and only one receiving bore 4th for the not yet installed in this case and therefore Exhaust pipe 5 not shown.
  • Exhaust manifold flange 1 which in this case as a single flange 1 is formed and only one receiving bore 4th for the not yet installed in this case and therefore Exhaust pipe 5 not shown.
  • the single flange 1 is also circumferential Flanging 3, as well as the receiving bore 4 with a flange 6 is provided.
  • FIG. 8 shows the cross-section of the flanging 6 in more detail whose width extends in the direction of the base part 2 enlarged.
  • the flange 6 is on the receiving bore 4 opposite side in the form of a so-called Tractrix curve formed. This broadening of the flanging enlarged together with the formation of a tractrix curve the fatigue strength of the flare 6.

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Abstract

Ein Abgaskrümmerflansch für eine Brennkraftmaschine, mit welchem wenigstens ein Abgasstutzen verbindbar ist und welcher Befestigungsmittel aufweist, weist folgende Merkmale auf: ein Basisteil aus Stahlblech, das Basisteil ist mit einer Umbördelung versehen, die sich wenigstens annähernd über die gesamte Außenkontur des Basisteils erstreckt, wenigstens eine Aufnahmebohrung zur Aufnahme des wenigstens einen Abgasstutzens in dem Basisteil, die mit einer Umbördelung versehen ist, der wenigstens eine Abgasstutzen ist fest in die Aufnahmebohrung einsetzbar, und die Befestigungsmittel weisen Bohrungen auf, die in dem Basisteil angeordnet sind. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmerflansch für eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem Stand der Technik sind Abgaskrümmer bekannt, die als Gußteile ausgebildet sind und einen angegossenen Flansch aufweisen.
Diese bekannten, an dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angebrachten Abgaskrümmerflansche haben jedoch den Nachteil, daß sie ein hohes Gewicht aufweisen und ihre Herstellung relativ teuer ist. Aus dem hohen Gewicht der bekannten Abgaskrümmerflansche resultiert der weitere Nachteil, daß diese in der Startphase der Brennkraftmaschine dem Abgas zuviel Wärme entziehen, so daß der nachgeschaltete Katalysator das Abgas nur verzögert konvertieren kann.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Abgaskrümmerflansche ist, daß das hohe Gewicht und der weit von der Brennkraftmaschine entfernte Schwerpunkt des Abgaskrümmerflansches zu unerwünschten Schwingungen der Brennkraftmaschine führt. Dies ist insbesondere bei aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellten Brennkraftmaschinen problematisch.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Abgaskrümmerflansch zu schaffen, der ein niedriges Gewicht aufweist und somit zur Verbrauchsreduzierung der Brennkraftmaschine beitragen kann. Weiterhin soll der Abgaskrümmerflansch dazu beitragen, die verschärften Bedingungen der neuen Abgasgesetze erfüllen zu können, niedrigere Fertigungskosten aufweisen und darüber hinaus trotz seines geringen Gewichtes eine ausreichende Biegesteifigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Basisteil aus Stahlblech ergibt sich ein erheblich verringertes Gewicht des gesamten Abgaskrümmerflansches, da das Stahlblech sehr dünn ausgebildet sein kann. Um dennoch eine hohe Steifigkeit zu erreichen, ist das Basisteil erfindungsgemäß an seiner Außenkontur bzw. umlaufend mit einer Umbördelung versehen. Durch die Umbördelungen, mit denen auch die wenigstens eine Aufnahmebohrung versehen ist, ergibt sich vorteilhafterweise eine weitere Erhöhung der Steifigkeit, insbesondere der Biegesteifigkeit, des erfindungsgemäßen Abgaskrümmerflansches.
Weiterhin ist von Vorteil, daß durch die fest in die Aufnahmebohrungen einsetzbaren Abgasstutzen eine dichte Verbindung zur Ausleitung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine entsteht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1
eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskrümmerflansches;
Fig. 2
einen Schnitt nach der Linie II-II aus Fig. 1;
Fig. 3
einen Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 1;
Fig. 4
eine vergrößerte Darstellung gemäß der Linie IV aus Fig. 3;
Fig. 5
einen Schnitt nach der Linie V-V aus Fig. 1;
Fig. 6
eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskrümmerflansches;
Fig. 7
einen Schnitt nach der Linie VII-VII aus Fig. 6; und
Fig. 8
eine vergrößerte Darstellung gemäß der Linie VIII aus Fig. 7;
Gemäß Fig. 1 ist ein Abgaskrümmerflansch 1 mit einem Basisteil 2, welches eine umlaufende Umbördelung 3 aufweist, dargestellt.
Weiterhin befinden sich in dem Basisteil 2 Aufnahmebohrungen 4 für Abgasrohre bzw. Abgasstutzen 5. Die Aufnahmebohrungen 4 sind ebenfalls mit Umbördelungen 6 versehen, welche ringförmig um die Aufnahmebohrungen 4 angeordnet sind.
Zur Befestigung des Abgaskrümmerflansches 1 an einem Zylinderkopf einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine befinden sich Befestigungsmittel mit Bohrungen 7 in dem Basisteil 2. Zur Gewichtsersparnis ist das Basisteil 2 zwischen den Aufnahmebohrungen 4 mit zusätzlichen Zwischenaussparungen 8 versehen. Um die Steifigkeit des Abgaskrümmerflansches 1 zu erhöhen, weisen die Zwischenaussparungen 8 ähnlich wie das Basisteil 2 und die Aufnahmebohrungen 4 Umbördelungen 9 auf.
Die gestrichelte Linie in Fig. 1 stellt dar, daß die Zwischenaussparungen 8 derart in dem Basisteil 2 angebracht sind, daß die verbleibenden Restflächen die Form von Einzelflanschen 10 haben. Dies stellt eine weitere Optimierung der Steifigkeit des Abgaskrümmerflansches 1 dar.
In einer weiteren - nicht dargestellten - Ausführungsform des Abgaskrümmerflansches 1 ist es möglich, daß das Basisteil 2 durch Prägestanzen umgeformt wird, um die Steifigkeit des Abgaskrümmerflansches 1 zusätzlich zu erhöhen. Darüber hinaus ist es möglich, das Basisteil 2 durch Planierstanzen mit einem nicht dargestellten glatten oder gestauchten Planierstempel zu richten und/oder den gesamten Abgaskrümmerflansch 1 kugelzustrahlen. Eine solche Maßnahme trägt vor allem zur Erhöhung der Dauerfestigkeit bei.
In Fig. 2 ist zusätzlich zu der Darstellung gemäß Fig. 1 die Verschweißung der Abgasstutzen 5 mit den Aufnahmebohrungen 4 an den Umbördelungen 6 dargestellt. Diese Verschweißung wird von einer der Brennkraftmaschine zugewandten Seite des Abgaskrümmerflansches 1 durchgeführt. Dabei können die Aufnahmebohrungen 4 sehr maßgenau hergestellt werden. Die Aufnahmebohrungen 4 können z.B. mit einer Toleranz im H7-Bereich ausgeführt sein und die Abgasstutzen 5 geringes Übermaß aufweisen. Die dadurch entstehende Preßpassung erhöht die Dauerfestigkeit der Schweißverbindung. Weiterhin sind in Fig. 2 die Erstreckungen bzw. Höhen sowie die Wanddicken der Umbördelungen 3, 6 und 9 erkennbar.
Die Umbördelungen 3, 6 und 9 werden durch Kaltumformung abgestreckt, wobei durch den Umformgrad die Größe der Erstreckung der Umbördelungen 3, 6 und 9 beeinflußt werden kann. Es kommt dabei zu einer Kaltverfestigung der Umbördelungen 3, 6 und 9. Die Biegesteifigkeit der Umbördelungen 3, 6 und 9 erreicht bei einer ca. zwei bis vier mal so großen Erstreckung der Umbördelungen 3, 6 und 9 bezogen auf die Wandstärke des Basisteils 2 einen optimalen Wert. In der Praxis liegt die Wandstärke des Basisteils 2 bei 2-4 mm, wohingegen die Umbördelungen 3, 6 und 9 eine Erstreckung von 6-10 mm aufweisen.
Die durch die Umformung entstehenden Schnittkanten an dem Abgaskrümmerflansch 1 können durch Anformen von nicht dargestellten Radien abgerundet werden, womit die Verletzungsgefahr durch scharfe Kanten vermindert werden kann. Zusätzlich können in einer - nicht dargestellten - Ausführungsform der Erfindung die Oberkanten der Umbördelungen 3, 6 und 9 umgeschmolzen oder auflegiert werden. Dies trägt zu einer zusätzlichen Erhöhung der Biegesteifigkeit des Abgaskrümmerflansches 1 bei.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Abgaskrümmerflansch 1, wobei eine umlaufende Erhebung 11 an der der Brennkraftmaschine zugewandten Unterseite des Basisteils 2 dargestellt ist. Die umlaufende Erhebung 11 bildet mit der Wand der Brennkraftmaschine eine Dichtfläche, wobei dazu keine zusätzlichen Dichtmittel benötigt werden. Der Abgaskrümmerflansch 1 liegt dann nämlich nicht mit seiner gesamten Fläche an der Brennkraftmaschine an, wodurch der Druck an der Dichtfläche um ein mehrfaches ansteigt. Diese Abdichtung kann dadurch verbessert werden, daß die umlaufende Erhebung 11 konvex oder kegelförmig ausgebildet ist. Die Höhe der umlaufenden Erhebung 11 liegt meist zwischen 0,1 - 2 mm. Durch die umlaufende Erhebung 11 verringert sich die Wärmeaufnahme des Abgaskrümmerflansches 1 in der Startphase der Brennkraftmaschine.
Will man jedoch eine zusätzliche Dichtung erhalten, ist es möglich, die umlaufende Erhebung 11 mit einer umlaufenden Vertiefung 12 zu versehen. In die Vertiefung 12 kann ein nicht dargestellter Dichtungsring oder ein beliebiges anderes Dichtmittel eingesetzt werden, welches sehr einfach ausgebildet sein kann. Die Erhebung 11 sowie die darin eingeformte Vertiefung 12 sind in der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 4 genauer erkennbar.
Um den Wärmedurchgang zwischen dem Abgaskrümmerflansch 1 und der Brennkraftmaschine zu verringern, ist die Dichtfläche mit einer nicht dargestellten Keramikbeschichtung versehen.
Für das Rohmaterial des Abgaskrümmerflansches 1 können verschiedene Werkstoffe verwendet werden, unter anderem auch Stahlblech mit mehreren Blechschichten und unterschiedlichen Walzrichtungen. Durch eine gezielte Werkstoffauswahl können die Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Abgaskrümmerflansch 1 und der Brennkraftmaschine abgestimmt werden. Es ist daher im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch ein Abgaskrümmerflansch aus Aluminium oder einer Aluminium- bzw. Magnesiumlegierung denkbar.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Abgaskrümmerflansch 1, wobei zwei verschiedene Ausführungsformen der Umbördelung 9 dargestellt sind.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des Abgaskrümmerflansches 1, der in diesem Fall als Einzelflansch 1 ausgebildet ist und nur eine Aufnahmebohrung 4 für den in diesem Fall noch nicht angebrachten und daher nicht abgebildeten Abgasstutzen 5 aufweist. Zur Bestückung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern ist in diesem Fall eine entsprechende Anzahl an Einzelflanschen 1 zur Anbringung an dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorzusehen.
Der Einzelflansch 1 ist ebenfalls mit einer umlaufenden Umbördelung 3 versehen, wie auch die Aufnahmebohrung 4 mit einer Umbördelung 6 versehen ist.
Aus Fig. 8 geht der Querschnitt der Umbördelung 6 genauer hervor, dessen Breite sich in Richtung des Basisteils 2 vergrößert. Die Umbördelung 6 ist auf ihrer der Aufnahmebohrung 4 abgewandten Seite in der Form einer sogenannten Traktrix-Kurve ausgebildet. Diese Verbreiterung der Umbördelung vergrößert zusammen mit der Ausformung einer Traktrix-Kurve die Dauerfestigkeit der Umbördelung 6.
Selbstverständlich kann auch die Umbördelung 6 des in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Abgaskrümmerflansches 1 mit einer Traktrix-Kurve ausgebildet sein.

Claims (11)

  1. Abgaskrümmerflansch für eine Brennkraftmaschine, mit welchem wenigstens ein Abgasstutzen verbindbar ist und welcher Befestigungsmittel aufweist,
    gekennzeichnet durch
    folgende Merkmale:
    1.1 ein Basisteil (2) aus Stahlblech,
    1.2 das Basisteil (2) ist mit einer Umbördelung (3) versehen, die sich wenigstens annähernd über die gesamte Außenkontur des Basisteiles (2) erstreckt,
    1.3 wenigstens eine Aufnahmebohrung (4) zur Aufnahme des wenigstens einen Abgasstutzens (5) in dem Basisteil (2), die mit einer Umbördelung (6) versehen ist,
    1.4 der wenigstens eine Abgasstutzen (5) ist fest in die Aufnahmebohrung (4) einsetzbar, und
    1.5 die Befestigungsmittel weisen Bohrungen (7) auf, die in dem Basisteil (2) angeordnet sind.
  2. Abgaskrümmerflansch nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der wenigstens eine Abgasstutzen (5) in das Basisteil (2) eingeschweißt ist.
  3. Abgaskrümmerflansch nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich in dem Basisteil (2) mehrere Aufnahmebohrungen (4) befinden, zwischen welchen Zwischenaussparungen (8) angeordnet sind.
  4. Abgaskrümmerflansch nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Zwischenaussparungen (8) mit Umbördelungen (9) versehen sind.
  5. Abgaskrümmerflansch nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Zwischenaussparungen (8) so ausgebildet sind, daß die verbleibende Restfläche für jede Aufnahmebohrung (4) jeweils wenigstens annähernd eine Einzelflanschform (10) aufweist.
  6. Abgaskrümmerflansch nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Umbördelungen (3, 6, 9) jeweils eine ca. 2 bis 4 mal so große Erstreckung aufweisen wie die Wandstärke des Basisteiles (2).
  7. Abgaskrümmerflansch nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    an der der Brennkraftmaschine zugewandten Seite des Basisteiles (2) eine als Dichtfläche ausgebildete umlaufende Erhebung (11) angeordnet ist.
  8. Abgaskrümmerflansch nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die umlaufende Erhebung (11) konvex oder kegelförmig ausgebildet ist.
  9. Abgaskrümmerflansch nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in die umlaufende Erhebung (11) eine Vertiefung (12) eingeformt ist.
  10. Abgaskrümmerflansch nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Dichtfläche mit einer Keramikbeschichtung versehen ist.
  11. Abgaskrümmerflansch nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Breite der Umbördelung (6) der Aufnahmebohrung (4) sich in Richtung des Basisteiles (2) vergrößert, wobei die der Aufnahmebohrung (4) abgewandte Seite der Umbördelung (6) in Form einer Traktrix-Kurve ausgebildet ist.
EP98102983A 1997-03-01 1998-02-20 Abgaskrümmerflansch für eine Brennkraftmaschine Withdrawn EP0861975A3 (de)

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EP0861975A2 true EP0861975A2 (de) 1998-09-02
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