EP1367234A1 - Doppelwandige Abgasleitung mit Flansch - Google Patents

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EP1367234A1
EP1367234A1 EP03007206A EP03007206A EP1367234A1 EP 1367234 A1 EP1367234 A1 EP 1367234A1 EP 03007206 A EP03007206 A EP 03007206A EP 03007206 A EP03007206 A EP 03007206A EP 1367234 A1 EP1367234 A1 EP 1367234A1
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flange
hollow structure
jacket
outer jacket
mantle
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Walter Mertens
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Jürgen KLEINSCHMIDT
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    • F01N2450/22—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements by welding or brazing

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for guiding exhaust gases from an internal combustion engine with at least one end attached to a hollow structure Flange.
  • the hollow structure in question is constructed with two shells and has an outer jacket and an inner jacket.
  • the object of the invention is an arrangement with a tubular hollow structure for guiding exhaust gases from an internal combustion engine to show which while avoiding welding spatter in the inner jacket process-reliable and inexpensive to manufacture with one Flange is connectable.
  • the invention solves this problem by an arrangement with a tubular Hollow structure, in which the inner jacket flanges from the outer jacket is led out and with an outward flaring an end section of the outer tube encompasses the outside circumference.
  • the flare inserted into the flange together with the end section and on the Mouth of the side facing away from the hollow structure of the flange with this material connected.
  • the flange does not necessarily have to be solid, but can also be a sheet metal flange provided with a central passage his.
  • An advantage of such a flange is that the welding process with more even and less heat can be carried out, so that Risk of thermal distortions is reduced. This is particularly so then the case when the collar receiving the tubular hollow structure is approximately has the same wall thickness as the hollow structure. Lower reject rates with simultaneous improvement in manufacturing quality are possible.
  • Made of sheet metal Manufactured flanges also reduce mass use compared to massive executed flanges.
  • Another advantage is the increased fatigue strength of the arrangement according to the invention, because transitions from large wall thicknesses to very small wall thicknesses and largely avoided the associated voltage peaks become. Since the intended weld seam on the outer circumference along a larger radius, lower bending stresses occur Inner jacket on. This is due to the integration between the end section of the outer jacket and the flange additionally a stress-reducing Clamping.
  • the tubular hollow structure is not due to circular cross sections of the inner jacket and the outer shell limited, but it basically come oval or polygonal hollow structures are also possible.
  • the tubular Hollow structure can also be used for all exhaust gas lines, which can be coupled to other components via flanges. manufacturing technology can the flanges on a tubular as well also form a shell-like inner jacket. With a bowl-like Inner jacket is expediently before the flaring process added to a hollow structure, which is then connected to the flange and Outer jacket is connected.
  • the arrangement can of course take the form of an exhaust manifold depending on the number of exhaust outlets, several on the input side Have head flanges and end flanges on the output side.
  • Figure 1 shows in cross section the end region of an arrangement 1 for guidance exhaust gas of an internal combustion engine, not shown.
  • the Arrangement 1 includes a double-walled hollow structure 2 a load-bearing outer jacket 3 and an exhaust gas-conducting inner jacket 4.
  • the wall thickness of the outer jacket 3 is a multiple of the inner jacket 4.
  • the wall thickness of the inner jacket 4 is between 0.3 mm and 1 mm, while the wall thickness of the outer jacket 3 is between 1.5 mm and 2.5 mm.
  • An air gap 5 is present between the inner jacket 4 and the outer jacket 3.
  • the outer jacket 3 is in one Transitional section 7 tapered. Closes at the transition section 7 an end section 8 of the outer jacket 3 which is tapered in diameter, which is dimensioned such that it has the inner jacket 4 on its outer circumference contacted.
  • the inner jacket 4 extends on the mouth side 6 over the end section 8 of the outer shell 3 and is rearward through 180 ° to one in cross section U-shaped flange 9 is formed.
  • the flange 9 encompasses in its Course initially arcuate and at a distance the end face 10 of the end section 8 and then extends parallel to this away from the mouth 6 parallel in the direction of the conical transition section 7 of the outer jacket 3.
  • the end face 11 of the flange facing the transition section 7 9 lies in a common radial plane RE with a flow opening 12 surrounding collar 13 of a flange 14.
  • the flange 14 is designed as a sheet metal flange, with the central throughflow opening 12 having the surrounding collar 13 is made by a sheet metal forming process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer rohrartigen Hohlstruktur, zwei an wenigstens einem endseitig der Hohlstruktur (2) angefügten Flansch (14). Die Hohlstruktur (2) ist doppelwandig ausgebildet mit einem Außenmantel (3) und einem Innenmantel (4), wobei der Innenmantel (4) flanschseitig aus dem Außenmantel (3) herausgeführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung (9) einen Endabschnitt (8) des Außenmantels (3) an seinem Außenumfang (15) umgreift. Die Bördelung (9) ist zusammen mit dem Endabschnitt (8) in den Flansch (14) eingesteckt und am Außenumfang (15) stoffschlüssig mit dem Flansch (14) verbunden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur angefügten Flansch. Die betreffende Hohlstruktur ist zweischalig aufgebaut und besitzt einen Außenmantel und einen Innenmantel.
Derartige Anordnungen kommen in der Praxis insbesondere als Abgaskrümmer zum Einsatz. Für eine schnellere Aufheizung von Katalysatoren werden zunehmend als Ersatz für Gusskrümmer sogenannte gebaute Abgaskrümmer eingesetzt, die in der Regel aus einer Mehrzahl von Bauteilen schweißtechnisch zusammengefügt werden. Dies erfolgt auch vor dem Hintergrund, dass bei modernen Verbrennungskraftmaschinen höhere Abgastemperaturen auftreten, was bei den derzeit verwendeten Gusswerkstoffen Probleme hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit hervorrufen kann. Zudem läat sich durch den Einsatz gebauter Abgaskrümmer eine Gewichtsreduktion von etwa 50 % gegenüber gegossenen Abgaskrümmern erzielen. Dies trägt vorteilhaft zu einer Reduzierung des Fahrzeuggesamtgewichts und damit zur Kraftstoffersparnis bei.
Problematisch bei den bekannten Anordnungen mit Hohlstrukturteilen, die zunegmend auch als luftspaltisolierte Hohlstrukturteile mit einem Innenmantel und einem Außenmantel eingesetzt werden, its die Anbindung an weitere Bauteile, wie z.B. Flanche. Die zur Zeit am häufigsten für Bauteile von rohrartigen Hohlstrukturen angewandte Verbindungstechnik ist das Schmelzschweißen. Es muss jedoch ein in der Regel sehr dünnwandiger Innenmantel mit üblichen Dicken zwischen 0,3 mm bis 1,0 mm mit einem tragenden Außenmantel mit einer Dicke von etwa 1,5 mm bis 2,5 mm und mit einem Flansch verschweißt werden. Im Bereich eines Zylinderkopfs angeordnete Kopfflansche bzw. die dem Zylinderkopf abgewandten Schlussflansche besitzen in üblicher Bauart Dicken von etwa 8 mm bis 12 mm. Zur gegenseitigen Fügung dieser Bauteile wird in der Regel zunächst der Innenmantel in den Außenmantel eingeführt und in die Durchströmöffnung des Flansches gesteckt und anschließend gemeinsam mit diesem verschweißt.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass Schweißspritzer auf den Innenflächen des Innenmantels anhaften, die nachträglich entfernt werden müssen. Dies ist mit einem hohen Nacharbeitsaufwand verbunden. Ein Schweißvorgang am Außenumfang des Außenmantels, wobei gleichzeitig durch den Außenmantel der Innenmantel aufgeschmolzen wird, ist nicht mit der hinreichenden Prozesssicherheit beherrschbar und daher kein für die Serienfertigung geeigneter Lösungsweg.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine aufzuzeigen, welche unter Vermeidung von Schweißspritzern im Innenmantel prozesssicher und fertigungstechnisch günstig mit einem Flansch verbindbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur, bei welcher der Innenmantel flanschseitig aus dem Außenmantel heraus geführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung einen Endabschnitt des Außenrohrs außenumfänglich umgreift. Dabei ist die Bördelung zusammen mit dem Endabschnitt in den Flansch eingesteckt und an der der Mündung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches mit diesem stoffschlüssig verbunden.
Bei dieser Ausgestaltung der rohrartigen Hohlstruktur werden Schweißspritzer an der Innenfläche des Innenmantels verhindert, da die stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißnaht, in vorteilhafter Weise auf der der Mündung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches vorgesehen ist.
Es ist zwar prinzipiell möglich, zunächst den Innenmantel mit dem Außenmantel zu verschweißen und über einen zweiten Schweißvorgang den Außenmantel am Flansch zu befestigen, zweckmäßigerweise ist jedoch nur ein Schweißvorgang vorgesehen, bei dem der Außenmantel, der Innenmantel und der Flansch gemeinsam in einem Arbeitsvorgang verschweißt werden können. Hierzu ist nach Patentanspruch 2 beabsichtigt, dass die der Stirnseite des Endabschnitts abgewandte Stirnfläche der Bördelung in geeigneter Weise an dem Flansch ausgerichtet ist, so dass der Flansch, die Bördelung bzw. der Innenmantel sowie der Außenmantel mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht miteinander verschweißbar sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Stirnfläche der Bördelung mit dem Flansch in einer gemeinsamen Radialebene liegt. Diese Radialebene kann auch an einem eine zentrale Durchströmöffnung des Flansches umgebenden Kragen vorgesehen sein, wobei das mit der Bördelung versehene Ende der Hohlstruktur in die Durchströmöffnung eingesteckt ist.
Der Flansch braucht dabei nicht notwendigerweise massiv ausgeführt zu sein, sondern kann auch ein mit einem zentralen Durchzug versehener Blechflansch sein. Ein Vorteil eines solchen Flansches ist, dass der Schweißprozess mit gleichmäßigerem und geringerem Wärmeeinsatz durchführbar ist, so dass das Risiko thermisch bedingter Verwerfungen reduziert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der die rohrartige Hohlstruktur aufnehmende Kragen etwa die gleiche Wanddicke wie die Hohlstruktur besitzt. Geringere Ausschussraten bei gleichzeitiger Verbesserung der Fertigungsqualität sind möglich. Aus Blech gefertigte Flansche verringern zudem den Masseneinsatz gegenüber massiv ausgeführten Flanschen.
Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung, da Übergänge von großen Wanddicken auf sehr geringe Wanddicken und die damit einher gehenden Spannungsspitzen weitestgehend vermieden werden. Da die vorgesehene Schweißnaht am Außenumfang entlang eines größeren Radius geführt wird, treten zudem geringere Biegespannungen am Innenmantel auf. Dieser erfährt durch die Eingliederung zwischen dem Endabschnitt des Außenmantels und dem Flansch zusätzlich eine spannungsreduzierende Klemmung.
Mit der Erfindung ist zudem eine einfachere Montage als bei bekannten Anordnungen möglich, da insbesondere ein aus Schalen aufgebauter Außenmantel durch Einstecken in die Bördelung des Innenmantels bereits eine Vorfixierung erfährt. Im Stand der Technik war bislang eine Punktschweißung zur Fixierung für den nachfolgenden Schweißvorgang erforderlich. Diese Punktschweißung kann vollständig entfallen.
Die rohrartige Hohlstruktur ist nicht auf kreisrunde Querschnitte des Innenmantels und des Außenmantels beschränkt, sondern es kommen grundsätzlich auch ovale oder mehreckig ausgestaltete Hohlstrukturen in Frage. Die rohrartige Hohlstruktur ist zudem für alle Abgas führenden Leitungsstränge verwendbar, die über Flansche mit weiteren Komponenten zu koppeln sind. Fertigungstechnisch lassen sich die Bördelungen sowohl an einem rohrartigen als auch einem schalenartig aufgebauten Innenmantel ausbilden. Bei einem schalenartigen Innenmantel ist dieser zweckmäßigerweise vor dem Bördelvorgang zu einer Hohlstruktur gefügt, die anschließend mit dem Flansch und dem Außenmantel verbunden wird.
Die Anordnung kann in der Ausgestaltung eines Abgaskrümmers selbstverständlich in Abhängigkeit von der Anzahl der Abgasauslässe mehrere eingangsseitige Kopfflansche und ausgangsseitige Schlussflansche besitzen.
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert.
Figur 1 zeigt im Querschnitt den Endbereich einer Anordnung 1 zur Führung von Abgas einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Die Anordnung 1 umfasst eine doppelwandig ausgestaltete Hohlstruktur 2 mit einem tragenden Außenmantel 3 und einem Abgas leitenden Innenmantel 4. Die Wanddicke des Außenmantels 3 beträgt ein Mehrfaches des Innenmantels 4. Die Wanddicke des Innenmantels 4 liegt zwischen 0,3 mm und 1 mm, während die Wanddicke des Außenmantels 3 zwischen 1,5 mm und 2,5 mm liegt. Zwischen dem Innenmantel 4 und dem Außenmantel 3 ist ein Luftspalt 5 vorhanden.
In Richtung der Mündung 6 der Hohlstruktur 2 ist der Außenmantel 3 in einem Übergangsabschnitt 7 konisch verjüngt. An den Übergangsabschnitt 7 schließt sich ein im Durchmesser verjüngter Endabschnitt 8 des Außenmantels 3 an, welcher derart bemessen ist, dass er den Innenmantel 4 an seinem Außenumfang kontaktiert.
Der Innenmantel 4 erstreckt sich mündungsseitig 6 über den Endabschnitt 8 des Außenmantels 3 hinaus und ist rückwärtig um 180° zu einer im Querschnitt U-förmigen Bördelung 9 umgeformt. Hierbei umgreift die Bördelung 9 in ihrem Verlauf zunächst bogenförmig und im Abstand die Stirnseite 10 des Endabschnitts 8 und erstreckt sich dann parallel zu diesem in Abkehr von der Mündung 6 parallel in Richtung zum konischen Übergangsabschnitt 7 des Außenmantels 3. Die dem Übergangsabschnitt 7 zugewandte Stirnfläche 11 der Bördelung 9 liegt in einer gemeinsamen Radialebene RE mit einem eine Durchströmöffnung 12 umgebenden Kragen 13 eines Flansches 14. Der Flansch 14 ist als Blechflansch ausgestaltet, wobei die zentrale Durchströmöffnung 12 mit dem umgebenden Kragen 13 durch ein Blechumformverfahren hergestellt ist.
Nach der Positionierung der Hohlstruktur 2 in dem Kragen 13 des Flansches 14 und insbesondere nach der Ausrichtung der Stirnfläche 11 der Bördelung 9 in der Radialebene RE des Kragens 13 erfolgt eine schweißtechnische Festlegung der Hohlstruktur 2 an dem Flansch 14 durch Herstellung einer umlaufenden Kehlnaht 16 am Außenumfang 15 des Außenmantels 3 im Übergangsbereich zwischen dem Übergangsabschnitt 7 und dem Endabschnitt 8 sowie der Radialebene RE des Kragens 13. Dabei wird die zwischen dem Kragen 13 und dem Endabschnitt 8 eingefasste Bördelung 9 stoffschlüssig fixiert. Durch diese Ausgestaltung sind in einem einzigen Arbeitsgang sowohl der Innenmantel 4 als auch der Außenmantel 3 stoffschlüssig mit dem Flansch 14 verbunden, ohne dass durch Schweißspritzer im Mündungsbereich 6 der Hohlstruktur 2 bedingte Nacharbeiten erforderlich sind.
Bezugszeichenaufstellung
1 -
Anordnung
2 -
Hohlstruktur
3 -
Außenmantel
4 -
Innenmantel
5 -
Luftspalt
6 -
Mündung
7 -
Übergangsabschnitt
8 -
Endabschnitt
9 -
Bördelung
10 -
Stirnseite v. 8
11 -
Stirnfläche
12 -
Durchströmöffnung
13 -
Kragen
14 -
Flansch
15 -
Außenumfang
16 -
Kehlnaht

Claims (4)

  1. Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur (2) angefügten Flansch (14), wobei die Hohlstruktur (2) einen Außenmantel (3) und einen Innenmantel (4) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) flanschseitig aus dem Außenmantel (3) herausgeführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung (9) einen Endabschnitt (8) des Außenmantels (3) außenumfänglich umgreift, wobei die Bördelung (9) zusammen mit dem Endabschnitt (8) in den Flansch (14) eingesteckt ist und an der der Mündung (6) der Hohlstruktur (2) abgewandten Seite des Flansches (14) mit diesem stoffschlüssig verbunden ist.
  2. Rohrartige Hohlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Stirnseite (10) des Endabschnitts (8) abgewandte Stirnfläche (11) der Bördelung (9) derart an dem Flansch (14) ausgerichtet ist, dass der Flansch (14), die Bördelung (9) und der Außenmantel (3) mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht (16) verschweißbar sind.
  3. Rohrartige Hohlstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (14) einen eine zentrale Durchströmöffnung (12) umgebenden Kragen (13) aufweist, mit welchem die Hohlstruktur (2) im Eingriff steht und verschweißt ist.
  4. Rohrartige Hohlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) und/oder der Außenmantel (3) jeweils aus miteinander verbundenen Schalen gebildet sind.
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