EP1367234A1 - Double wall exhaust pipe with flange - Google Patents

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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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Abstract

The exhaust pipe assembly (1), for an internal combustion motor, has a flange (14) at one end of the hollow pipe (2). The exhaust pipe has a double-wall structure, with an outer mantle (3) and an inner pipe mantle (4) which is carried out over the end of the outer mantle at the flange. The end of the inner mantle is bent outwards to form a beading (9) around the bottom edge (8) of the outer mantle, and grip against its outer surface (15). The two mantles, together with the lower beading, are pushed into the flange, and the outer circumference of the outer mantle is welded to the flange by a single fillet weld (16) around it.

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.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.

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.Such arrangements come in practice in particular as exhaust manifolds for use. For faster heating of catalysts are increasing as a replacement for cast manifolds, so-called built exhaust manifolds used, which usually consists of a plurality of components by welding be put together. This is also done against the background that higher exhaust gas temperatures occur in modern internal combustion engines, what problems regarding the currently used cast materials which can cause durability. In addition, the use of built exhaust manifolds makes it possible to reduce weight of about 50% compared to cast exhaust manifolds. This advantageously contributes to a reduction in the overall vehicle weight and thus saving fuel.

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.Problematic in the known arrangements with hollow structure parts, which are increasing also as air gap insulated hollow structure parts with an inner jacket and an outer jacket, its connection to other components, such as. Flanche. The most common for components of tubular hollow structures the joining technology used is fusion welding. It However, a usually very thin-walled inner jacket with usual Thicknesses between 0.3 mm to 1.0 mm with a load-bearing outer jacket a thickness of about 1.5 mm to 2.5 mm and welded to a flange become. Head flanges or die arranged in the area of a cylinder head End flanges facing away from the cylinder head have the usual design Thicknesses from about 8 mm to 12 mm. For the mutual joining of these components As a rule, the inner jacket is first inserted into the outer jacket and inserted into the flow opening of the flange and then together welded to this.

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.The disadvantage of this procedure is that welding spatter on the inner surfaces of the inner jacket, which must be subsequently removed. This is associated with a high amount of rework. A welding process on the outer circumference of the outer jacket, while at the same time through the outer jacket the inner jacket is melted is not sufficient with the Process reliability manageable and therefore not suitable for series production Approach.

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.Proceeding from this, 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.

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.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. Here is 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.

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.With this configuration of the tubular hollow structure, welding spatter on the inner surface of the inner jacket, since the integral connection, in particular a weld, advantageously on that of the mouth the side of the flange facing away from the hollow structure is provided.

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.In principle, it is possible to start with the inner jacket with the outer jacket to weld and the outer jacket via a second welding process to be attached to the flange, however, only one welding operation is expedient provided in which the outer jacket, the inner jacket and the Flange can be welded together in one operation. For this purpose it is intended according to claim 2 that the front of the End portion facing away from the flange in a suitable manner the flange is aligned so that the flange, the flange or the inner jacket as well as the outer jacket with a single circumferential fillet weld are weldable together. This is especially the case when the face the flange with the flange lies in a common radial plane. This radial plane can also be at a central flow opening of the Flange surrounding collar may be provided, with the flare provided end of the hollow structure is inserted into the throughflow opening.

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.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.

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.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.

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.With the invention is also a simpler assembly than in known arrangements possible because in particular an outer jacket made of shells pre-fixation by inserting it into the flange of the inner jacket experiences. In the prior art, spot welding was previously used for fixation required for the subsequent welding process. This spot weld can be omitted completely.

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.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.

Die Anordnung kann in der Ausgestaltung eines Abgaskrümmers selbstverständlich in Abhängigkeit von der Anzahl der Abgasauslässe mehrere eingangsseitige Kopfflansche und ausgangsseitige Schlussflansche besitzen.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.

Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert.A possible embodiment of the invention is described below with reference to the figure explained.

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.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.

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.In the direction of the mouth 6 of the hollow structure 2, 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.

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.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. Here, 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.

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. After positioning the hollow structure 2 in the collar 13 of the flange 14 and in particular after the alignment of the end face 11 of the flange 9 in The radial plane RE of the collar 13 is fixed by welding the hollow structure 2 on the flange 14 by producing a circumferential Fillet weld 16 on the outer circumference 15 of the outer jacket 3 in the transition area between the transition section 7 and the end section 8 and the Radial plane RE of the collar 13. The between the collar 13 and the end section 8 edged 9 fixed material. Through this Both the inner jacket 4 are configured in a single operation and the outer jacket 3 are integrally connected to the flange 14, without welding spatter in the mouth area 6 of the hollow structure 2 conditional rework is required.

BezugszeichenaufstellungREFERENCE NUMBERS

1 -1 -
Anordnungarrangement
2 -2 -
Hohlstrukturhollow structure
3 -3 -
Außenmantelouter sheath
4 -4 -
Innenmantelinner sheath
5 -5 -
Luftspaltair gap
6 -6 -
Mündungmuzzle
7 -7 -
ÜbergangsabschnittTransition section
8 -8th -
Endabschnittend
9 -9 -
Bördelungflanging
10 -10 -
Stirnseite v. 8Front of v. 8th
11 -11 -
Stirnflächeface
12 -12 -
Durchströmöffnungflow-through
13 -13 -
Kragencollar
14 -14 -
Flanschflange
15 -15 -
Außenumfangouter periphery
16 -16 -
Kehlnahtfillet

Claims (4)

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.Arrangement for guiding exhaust gases from an internal combustion engine with at least one flange (14) attached to a hollow structure (2) at the end, the hollow structure (2) having an outer jacket (3) and an inner jacket (4), characterized in that the inner jacket (4) is led out of the outer jacket (3) on the flange side and, with an outwardly directed flange (9), surrounds an end section (8) of the outer jacket (3) around the outside, the flange (9) together with the end section (8) into the flange (14 ) is inserted and on the mouth (6) of the hollow structure (2) facing away from the flange (14) is integrally connected to it. 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.A tubular hollow structure according to claim 1, characterized in that the end face (11) of the flange (9) facing away from the end face (10) of the end section (8) is aligned on the flange (14) in such a way that the flange (14), the flange (9) and the outer jacket (3) can be welded with a single circumferential fillet weld (16). 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.Tubular hollow structure according to claim 1 or 2, characterized in that the flange (14) has a collar (13) surrounding a central throughflow opening (12), with which the hollow structure (2) is in engagement and is welded. 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.Tubular hollow structure according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inner casing (4) and / or the outer casing (3) are each formed from interconnected shells.
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