EP1450018A1 - Fixing system and method for fixing a manifold to an internal combustion engine, and arrangement of an internal-combustion engine - Google Patents

Fixing system and method for fixing a manifold to an internal combustion engine, and arrangement of an internal-combustion engine Download PDF

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EP1450018A1
EP1450018A1 EP03027224A EP03027224A EP1450018A1 EP 1450018 A1 EP1450018 A1 EP 1450018A1 EP 03027224 A EP03027224 A EP 03027224A EP 03027224 A EP03027224 A EP 03027224A EP 1450018 A1 EP1450018 A1 EP 1450018A1
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EP
European Patent Office
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bolt
combustion engine
internal combustion
sleeve
exhaust manifold
Prior art date
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EP03027224A
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German (de)
French (fr)
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EP1450018B1 (en
Inventor
Ralf Dr. Riekers
Thomas Tauschek
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
J Eberspaecher GmbH and Co KG
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    • 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
    • F01N13/18—Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1805—Fixing exhaust manifolds, exhaust pipes or pipe sections to each other, to engine or to vehicle body
    • F01N13/1811—Fixing exhaust manifolds, exhaust pipes or pipe sections to each other, to engine or to vehicle body with means permitting relative movement, e.g. compensation of thermal expansion or vibration

Definitions

  • the present invention relates to a fastening system and a method for setting an exhaust manifold an internal combustion engine, and an internal combustion engine arrangement with the fastening system.
  • Exhaust manifolds attached to internal combustion engines are subject in the operation of the internal combustion engine high Temperature loads. As a result, find thermal expansions the exhaust manifold instead. Be the thermal Expansions forced by the way the attachment of the Exhaust manifold suppressed, it may be in the material of the exhaust manifold, which is usually a metal, to tension come in the structure, being a yield point Of the material used for the exhaust manifold often is exceeded, whereby the structure plastically deformed.
  • a frictional engagement is usually done the flanges on the cylinder head of the internal combustion engine, in which the flanges have the opportunity to to slide the cylinder head back and forth.
  • flange sliding usually is still a seal between the flange and cylinder head arranged, in which case the flanges on the seal out and glide past.
  • the pressure forces the flanges on the seal still correspondingly large be to seal between cylinder head, gasket and To ensure flange.
  • the flanges are in a conventional manner e.g. with bolts attached to the cylinder head by passing the bolts through openings be stuck in the flanges, and then in the cylinder head arranged threaded holes are screwed. there acts a clamping force from the head of the bolt on the flanges, whereby the above-mentioned tightness is achieved.
  • the invention proposes a first aspect Mounting system for fixing an exhaust manifold an internal combustion engine, wherein the fastening system a bolt with a for attachment the internal combustion engine trained first end, and a sleeve having an inner diameter which is larger is as an outer diameter of the bolt, comprising a first end of the sleeve for support on a flange the exhaust manifold is provided and a second end of the Sleeve is provided for support on an abutment which is attachable to a second end of the bolt, and wherein a thermal expansion coefficient of a material of the bolt is greater than a thermal expansion coefficient a material of the sleeve.
  • the internal combustion engine is usually in operation cooled with a coolant, e.g. with water.
  • a coolant e.g. with water.
  • the in the also show cooled cylinder head plug-in bolts along its shaft areas with different temperatures on, as the stuck in the cooled cylinder head Stud shank is cooled, and emanating from the exhaust manifold Heat the bolt heated from the top.
  • the spacers have an average higher temperature on as bolts, as they are not cooled to the extent Cylinder head to be cooled as the bolts.
  • the advantage achieved in this way of the present invention is that during operation of the internal combustion engine, i.e. with heated exhaust manifold and thus heated spacer or bolt, and at the same time Cooling the cylinder head and thus also the bolt, by a selection of materials for the bolt or for the sleeve the clamping force corresponds to a desired value, which is a flange sliding during operation of the internal combustion engine allows, causing mechanical tension can be avoided on the exhaust manifold.
  • the bolt at its first end a screw thread to Screw connection with the internal combustion engine.
  • the abutment with the second end of the bolt firmly, in particular integrally connected.
  • the bolt has at its second end a screw thread for screw connection with the abutment on.
  • the abutment comprises a nut.
  • the sleeve comprises a plurality of axially arranged one behind the other Partial sleeves.
  • At least two sub-sleeves made of different materials.
  • the thermal expansion coefficient of the bolt the thermal expansion coefficient and a length of the sleeve matched to one another, that when fixed to the internal combustion engine Exhaust manifold a pull in the bolt essentially independent of an operating temperature of the internal combustion engine is.
  • x ⁇ 0.3 preferably x ⁇ 0.25, and more preferably x ⁇ 0.2. Furthermore, in particular x ⁇ 0.
  • Typical values of Z 1 and Z 2 are in the range of 10 to 15 kN, for bolts with a core diameter of about 7 to 8 mm (equivalent to M7 or M8 bolts).
  • the material comprises the bolt is an austenitic steel material.
  • this includes Material of the sleeve a ferritic steel material.
  • the steel material comprises an alloyed or an unalloyed steel material.
  • y ⁇ 0.3 suitably y ⁇ 0.25, and more preferably y ⁇ 0.2.
  • y ⁇ 0.1 and preferably y ⁇ 0.05 suitably y ⁇ 0.3, preferably y ⁇ 0.25, and more preferably y ⁇ 0.2.
  • y ⁇ 0.1 and preferably y ⁇ 0.05 suitably y ⁇ 0.3, preferably y ⁇ 0.25, and more preferably y ⁇ 0.2.
  • y ⁇ 0.1 and preferably y ⁇ 0.05 suitably y ⁇ 0.25, and more preferably y ⁇ 0.2.
  • the present invention includes an internal combustion engine arrangement with a Internal combustion engine and an exhaust manifold, wherein the exhaust manifold with the fastening system according to the above Invention features on the internal combustion engine is fixed.
  • the exhaust manifold on a cylinder head of the internal combustion engine established.
  • the present invention includes a method for setting an exhaust manifold an internal combustion engine, the method the the following steps: providing a fastening system, which at least one bolt and a Sleeve includes, arranging the bolt, the sleeve and the exhaust manifold relative to the internal combustion engine, and Although such that the bolt with a first end of the same attached to the internal combustion engine, the Bolt interspersed with a flange of the exhaust manifold, the Sleeve encompasses the bolt and axially between the flange and one attached to a second end of the bolt Abutment is arranged, approaching the abutment to the Internal combustion engine, so that the sleeve on the one hand supported on the flange and on the other hand on the abutment and the flange against the internal combustion engine presses, where a thermal expansion coefficient of a material of the bolt is greater than a thermal expansion coefficient a material of the sleeve.
  • x ⁇ 0.3 preferably x ⁇ 0.25, and more preferably x ⁇ 0.2. Furthermore, preferably x ⁇ 0.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 (here shown schematically), which a cylinder head 3 with attached thereto flanged exhaust manifold 5.
  • the exhaust manifold 5 is formed in a cast manner, wherein three exhaust manifolds 23 and an exhaust manifold 27 are integrally connected to each other.
  • the exhaust manifold pipes 23 are each formed with a flange 7, which Surrounding openings 21 of the exhaust manifold 23.
  • the flanges 7 are on the cylinder head 3 of the internal combustion engine 1 with the help of two fastening systems 9 fixed to the cylinder head 3.
  • the fastening systems 9 each comprise a bolt 11 and a sleeve 13.
  • the bolts 11 are through openings inserted in the flanges 7 and with the cylinder head 3 means Threaded holes 17 in a wall 19 of the cylinder head. 3 screwed.
  • the flanges 7 surround openings 21 of the exhaust manifolds 23, which is integral with an exhaust manifold manifold 27 form the exhaust manifold 5.
  • the exhaust manifold 5 is such with its individual flanges 7 opposite the cylinder head 3 with exhaust emission ports 25 aligned that the openings 21 of the exhaust manifold pipes 23 disposed opposite to the exhaust ejection openings 25 are. Exhaust gas exhausted through the exhaust emission ports 25 is passed through the exhaust manifold 27, e.g. to a (not shown here) catalytic converter.
  • a seal 29 arranged, which the connection between flanges. 7 and cylinder head 3 seals.
  • FIG. 2 is a detail view of one of those shown in FIG Fixing systems 9 in the first embodiment of the present invention. Designate the same reference numbers the same elements.
  • a flange 7 with an opening 15 is in the following manner determined on a cylinder head wall 19:
  • a bolt 11 is arranged in the opening 15 of the flange 7.
  • the diameter of the opening 15 in the flange 7 is such that a flange sliding of the flange 7 in the directions of the double arrow A at increase or decrease of the operating temperature the internal combustion engine approved becomes.
  • the bolt 11 has at its one end an external thread 31, which with an internal thread 37 in a in the Cylinder head wall 19 located threaded hole 17 screwed is.
  • the bolt 11b has a bolt head 33, which is formed integrally with the bolt 11 is.
  • spacer sleeve 13 Between bolt head 33 and flange 7 is a spacer sleeve 13 arranged.
  • the spacer sleeve 13 is supported at its one end on the bolt head 33, which thus serves as an abutment 35, and at its other end on the flange 7 from.
  • a seal 29 for sealing the connection of flange 7 and cylinder head wall 19 arranged.
  • Cylinder head wall 19 is formed with a flow channel 39, through which a coolant (not shown here) for cooling the cylinder head flows.
  • FIG. 3 illustrates a fastening system 9a, which is a second embodiment of the present invention. Same reference numbers designate the same elements.
  • a flange 7a having an opening 15a is as follows fixed to a cylinder head wall 19a:
  • a bolt 11a is arranged in the opening 15a of the flange 7a.
  • the diameter of the opening 15a in the flange 7a is such that a flange sliding of the flange 7a in the Directions of double arrow A when the operating temperature increases or decreases the internal combustion engine approved becomes.
  • the bolt 11a has an external thread at one end thereof 31a, which with an internal thread 37a in a in the Cylinder head wall 19a threaded hole 17a screwed is.
  • the bolt 11a has an external thread 41, on which an abutment 35 a screwed is.
  • the abutment 35a is in this case a nut 43rd
  • a spacer sleeve Arranged 13a which at its one end on Abutment 35a and at its other end on the flange 7a is supported.
  • a gasket 29a for sealing the connection of flange 7a and Cylinder head wall 19a arranged.
  • Cylinder head wall 19a is formed with a flow channel 39a, through which a coolant (not shown here) for cooling the cylinder head flows.
  • FIG. 4 illustrates a fastening system 9b, which is a third embodiment of the present invention. Same reference numbers designate the same elements.
  • a flange 7b having an opening 15b is as follows determined on a cylinder head wall 19b:
  • a bolt 11b is arranged in the opening 15b of the flange 7b.
  • the diameter of the opening 15b in the flange 7b is such that a flange sliding of the flange 7b in the Directions of double arrow A when the operating temperature increases or decreases the internal combustion engine approved becomes.
  • the bolt 11b has an external thread at one end thereof 31b, which with an internal thread 37b in a in the Cylinder head wall 19b threaded hole 17b bolted is.
  • the bolt 11b has a bolt head 33b formed integrally with the bolt 11b is.
  • a spacer sleeve 13b arranged, which consists of two axially one behind the other arranged sub-sleeves 13 'and 13 "is formed Sub-sleeves 13 'and 13 "are in this case from each other different materials with different thermal expansion coefficients manufactured.
  • Distance sleeve 13b is supported at its one end on the bolt head 33b, which thus serves as an abutment 35b, and on from its other end on the flange 7b.
  • a seal 29b for sealing the connection of flange 7a and Cylinder head wall 19a arranged.
  • Cylinder head wall 19b is formed with a flow channel 39b, through which a coolant (not shown here) for cooling the cylinder head flows.
  • FIG. 5 shows a temperature profile of that shown in FIG Mounting system 9 during operation of the internal combustion engine den. Identify the same reference numbers again the same elements.
  • This heat is due to convection of the exhaust manifolds 23 (see FIG. 1) emitted, wherein the bolt heads located near the exhaust manifolds 23 and spacers 13 are heated.
  • the sleeve 13 has a temperature distribution, which varies from 310 ° C at its first lower end to 330 ° C at its second upper end.
  • Tuning the thermal expansion coefficient of spacer sleeve 13 and bolt 11 can also by a from the determined temperatures formed average temperature respectively performed for the spacer sleeve 13 and the pin 11 become.
  • Figures 6 and 7 represent a selection of different designs I to IV of exhaust manifolds 5c to 5f, for which the fastening system according to the invention is used.
  • Type I represents an exhaust manifold 5c in cross section which is designed as sheet metal in shell construction with flanges 7c each on exhaust manifolds 23c are welded to welds 45c. Auspuffkrümmerrohre 23c are integrally connected to each other. The flanges 7c have openings 15c, which here for simplicity with their dot-dashed center lines are indicated.
  • the openings 15 c are each designed to be an inventive Fastening system, i. Bolt and spacer sleeve (not shown here) to record.
  • Types II and III represent exhaust manifolds 5d and 5e respectively, which are formed as a pipe bend, wherein flanges 7d 7e and 7e are attached to exhaust manifold pipes 23d and 23e, respectively are.
  • the flanges 7d and 7e have openings 15d and 15e, respectively. which here for simplicity with their dash-dotted lines Center lines are indicated.
  • the openings 15d and 15e are adapted to each one inventive fastening system, i. Bolt and spacer sleeve (not shown here) to record.
  • Type IV represents an exhaust manifold 5f, which with integrally connected exhaust manifolds 23f is formed, and in addition a single exhaust manifold 23f '.
  • the two exhaust manifolds 23f lead into a single Flange 7f, which so to say the exhaust manifold pipes 23f interconnects and the additional exhaust manifold 23f 'has a single flange 7f' which not connected to the flange 7f of the exhaust manifold pipes 23f is.
  • the flanges 7f, 7f ' have openings 15f, 15f' which here again for simplicity's sake with their dash-dotted lines Center lines are indicated.
  • the openings 15f may be conventional fastening systems record, with the clamping force with increasing operating temperature the internal combustion engine increases to the tendency of the flange 7f, at elevated temperature to lift off the sides of the cylinder head, to counteract.

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Abstract

Fixing system (9) for fixing an exhaust manifold to an internal combustion engine comprises a bolt (11) having a first end for fixing to the engine, and a sleeve (13) having an internal diameter that is greater than the external diameter of the bolt. A first end of the sleeve is supported on a flange (7) of the exhaust manifold and a second end of the sleeve is supported on an abutment (35) attached to a second end of the bolt. The thermal expansion coefficient of the material of the bolt is greater than the thermal expansion coefficient of the material of the sleeve. Independent claims are also included for: (1) Internal combustion engine arrangement comprising an exhaust manifold fixed to an internal combustion engine using the above fixing system; and (2) Process for fixing an exhaust manifold to an internal combustion engine. Preferred Features: The bolt is made of austenitic steel. The sleeve is made of a ferritic alloyed or non-alloyed steel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungssystem und ein Verfahren zum Festlegen eines Auspuffkrümmers an einer Verbrennungskraftmaschine, sowie eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung mit dem Befestigungssystem.The present invention relates to a fastening system and a method for setting an exhaust manifold an internal combustion engine, and an internal combustion engine arrangement with the fastening system.

An Verbrennungskraftmaschinen befestigte Auspuffkrümmer unterliegen im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine hohen Temperaturbelastungen. Dadurch finden thermische Ausdehnungen des Auspuffkrümmers statt. Werden die thermischen Ausdehnungen zwangsweise durch die Art der Befestigung des Auspuffkrümmers unterdrückt, kann es im Material des Auspuffkrümmers, welches in der Regel ein Metall ist, zu Verspannungen in der Struktur kommen, wobei eine Fließgrenze des verwendeten Materiales für den Auspuffkrümmer oftmals überschritten wird, wodurch die Struktur plastisch deformiert.Exhaust manifolds attached to internal combustion engines are subject in the operation of the internal combustion engine high Temperature loads. As a result, find thermal expansions the exhaust manifold instead. Be the thermal Expansions forced by the way the attachment of the Exhaust manifold suppressed, it may be in the material of the exhaust manifold, which is usually a metal, to tension come in the structure, being a yield point Of the material used for the exhaust manifold often is exceeded, whereby the structure plastically deformed.

Beim Abkühlen des Materiales zieht sich das Material wieder zusammen, d.h. der Auspuffkrümmer will wieder in seine Ausgangslage zurückkehren. In den Bereichen, wo eine plastische Deformation aufgetreten ist, stellen sich jetzt mechanische Spannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen ein, welche durchaus die gleiche oder eine noch höhere Größenordnung erreichen können, und wobei wieder plastisches Fließen eintreten kann. Hierdurch kann die Struktur des Materials des Auspuffkrümmers nachhaltig geschädigt werden. As the material cools, the material retracts together, i. the exhaust manifold wants to return to its starting position to return. In the areas where a plastic Deformation has occurred, now mechanical Voltages of opposite sign, which is quite the same or even higher order of magnitude and where again plastic Flow can occur. This can change the structure of the material the exhaust manifold damaged permanently.

Bei Auspuffkrümmern mit einzelnen Flanschverbindungen zur Verbrennungskraftmaschine, wobei die einzelnen Flansche in der Regel an einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine festgelegt werden, ist die gesamte thermische Ausdehnung der Krümmerstruktur in der Flanschlängsachse oftmals weitaus größer als die thermische Ausdehnung des Zylinderkopfes der Verbrennungskraftmaschine in der gleichen Richtung. Bei einer formschlüssigen Festlegung der Flansche am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine kommt es daher zu einer Behinderung der thermischen Ausdehnung der Krümmerstruktur, was eine sofortige Spannungserhöhung in der Materialstruktur zur Folge hat.For exhaust manifolds with individual flange connections to Internal combustion engine, wherein the individual flanges in usually on a cylinder head of the internal combustion engine are set, is the total thermal expansion the manifold structure in the flange longitudinal axis often much larger than the thermal expansion of the cylinder head the internal combustion engine in the same Direction. For a positive fixing of the flanges Therefore, it comes on the cylinder head of the internal combustion engine to a hindrance of the thermal expansion of Manifold structure, causing an immediate increase in voltage the material structure results.

Daher erfolgt in der Regel eine reibkraftschlüssige Festlegung der Flansche am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine, bei der die Flansche die Möglichkeit haben, auf dem Zylinderkopf hin und her zu gleiten. Man spricht in diesem Fall von sogenanntem Flanschgleiten. In der Regel ist zwischen Flansch und Zylinderkopf noch eine Dichtung angeordnet, wobei dann die Flansche auf der Dichtung hin und her gleiten. Allerdings müssen natürlich die Andruckkräfte der Flansche auf die Dichtung noch entsprechend groß sein, um Dichtigkeit zwischen Zylinderkopf, Dichtung und Flansch zu gewährleisten.Therefore, a frictional engagement is usually done the flanges on the cylinder head of the internal combustion engine, in which the flanges have the opportunity to to slide the cylinder head back and forth. One speaks in this case of so-called flange sliding. Usually is still a seal between the flange and cylinder head arranged, in which case the flanges on the seal out and glide past. However, of course, the pressure forces the flanges on the seal still correspondingly large be to seal between cylinder head, gasket and To ensure flange.

Die Flansche werden in herkömmlicher Weise z.B. mit Bolzen am Zylinderkopf befestigt, indem die Bolzen durch Öffnungen in den Flanschen gesteckt werden, und dann mit im Zylinderkopf angeordneten Gewindelöchern verschraubt werden. Dabei wirkt eine Klemmkraft vom Kopf des Bolzens auf die Flansche, womit die oben erwähnte Dichtigkeit erzielt wird.The flanges are in a conventional manner e.g. with bolts attached to the cylinder head by passing the bolts through openings be stuck in the flanges, and then in the cylinder head arranged threaded holes are screwed. there acts a clamping force from the head of the bolt on the flanges, whereby the above-mentioned tightness is achieved.

Aufgrund des Flanschgleitens können Scherkräfte auftreten, welche auf den Bolzenschaft bzw. den Bolzenkopf wirken, und im Extremfall zur Beschädigung des Bolzens führen können. Um diese Scherkräfte herabzusetzen, werden herkömmlicherweise Distanzhülsen zwischen Bolzenkopf und Flansch angeordnet. Dabei müssen die Bolzen eine der Länge der Distanzhülsen entsprechende Länge aufweisen. Die Distanzhülsen erlauben es den entsprechend verlängerten Bolzen bei einem Flanschgleiten sich elastisch zu biegen, ohne dabei beschädigt zu werden.Shearing forces can occur due to flange sliding which act on the bolt shank or the bolt head, and can lead to damage of the bolt in extreme cases. To minimize these shear forces, conventionally Spacers between bolt head and flange arranged. The bolts must be one of the length of the spacers have corresponding length. The spacers allow it the correspondingly extended bolt at one Flange slip elastically to bend without being damaged to become.

Die für die Dichtigkeit der Flansch-Zylinderkopf-Verbindung notwendige Klemmkraft wird nun vom Bolzenkopf über die Distanzhülse auf den Flansch übertragen.The for the tightness of the flange-cylinder head connection necessary clamping force is now from the bolt head over the spacer sleeve transferred to the flange.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Befestigungssystem zum Festlegen eines Auspuffkrümmers an einer Verbrennungskraftmaschine vorzuschlagen.It is accordingly an object of the present invention an improved fastening system for fixing a To propose exhaust manifold on an internal combustion engine.

Hierzu schlägt die Erfindung unter einem ersten Aspekt ein Befestigungssystem zum Festlegen eines Auspuffkrümmers an einer Verbrennungskraftmaschine vor, wobei das Befestigungssystem einen Bolzen mit einem zur Befestigung an der Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten ersten Ende, und eine Hülse mit einem Innendurchmesser, welcher größer ist als ein Außendurchmesser des Bolzens, umfasst, wobei ein erstes Ende der Hülse zur Abstützung an einem Flansch des Auspuffkrümmers vorgesehen ist und ein zweites Ende der Hülse zur Abstützung an einem Widerlager vorgesehen ist, welches an einem zweiten Ende des Bolzens anbringbar ist, und wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials des Bolzens größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials der Hülse.For this purpose, the invention proposes a first aspect Mounting system for fixing an exhaust manifold an internal combustion engine, wherein the fastening system a bolt with a for attachment the internal combustion engine trained first end, and a sleeve having an inner diameter which is larger is as an outer diameter of the bolt, comprising a first end of the sleeve for support on a flange the exhaust manifold is provided and a second end of the Sleeve is provided for support on an abutment which is attachable to a second end of the bolt, and wherein a thermal expansion coefficient of a material of the bolt is greater than a thermal expansion coefficient a material of the sleeve.

Die Verbrennungskraftmaschine wird im Betrieb in der Regel mit einem Kühlmittel gekühlt, z.B. mit Wasser. Die in dem ebenfalls gekühlten Zylinderkopf steckenden Bolzen weisen entlang ihres Schaftes Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen auf, da der im gekühlten Zylinderkopf steckende Bolzenschaft mitgekühlt wird, und vom Auspuffkrümmer ausstrahlende Wärme den Bolzen vom Kopf her erwärmt.The internal combustion engine is usually in operation cooled with a coolant, e.g. with water. The in the also show cooled cylinder head plug-in bolts along its shaft areas with different temperatures on, as the stuck in the cooled cylinder head Stud shank is cooled, and emanating from the exhaust manifold Heat the bolt heated from the top.

Die Distanzhülsen weisen eine im Mittel höhere Temperatur auf als die Bolzen, da sie nicht in dem Maße vom gekühlten Zylinderkopf mitgekühlt werden wie die Bolzen.The spacers have an average higher temperature on as bolts, as they are not cooled to the extent Cylinder head to be cooled as the bolts.

Der auf diese Weise erzielte Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, d.h. bei erhitztem Auspuffkrümmer und somit erhitzter Distanzhülse bzw. Bolzen, und bei gleichzeitiger Kühlung des Zylinderkopfes und damit auch des Bolzens, durch eine Auswahl der Materialien für den Bolzen bzw. für die Hülse die Klemmkraft einem gewünschten Wert entspricht, welcher ein Flanschgleiten während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine zuläßt, wodurch mechanische Verspannungen am Auspuffkrümmer vermieden werden können.The advantage achieved in this way of the present invention is that during operation of the internal combustion engine, i.e. with heated exhaust manifold and thus heated spacer or bolt, and at the same time Cooling the cylinder head and thus also the bolt, by a selection of materials for the bolt or for the sleeve the clamping force corresponds to a desired value, which is a flange sliding during operation of the internal combustion engine allows, causing mechanical tension can be avoided on the exhaust manifold.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Bolzen an seinem ersten Ende ein Schraubgewinde zur Schraubverbindung mit der Verbrennungskraftmaschine auf.In a preferred embodiment of the invention the bolt at its first end a screw thread to Screw connection with the internal combustion engine.

Es wird bevorzugt, dass das Widerlager mit dem zweiten Ende des Bolzens fest, insbesondere integral, verbunden ist.It is preferred that the abutment with the second end of the bolt firmly, in particular integrally connected.

Zweckmäßigerweise weist der Bolzen an seinem zweiten Ende ein Schraubgewinde zur Schraubverbindung mit dem Widerlager auf.Conveniently, the bolt has at its second end a screw thread for screw connection with the abutment on.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Widerlager eine Schraubmutter.In a further embodiment of the invention, the abutment comprises a nut.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Hülse mehrere axial hintereinander angeordnete Teilhülsen. Somit läßt sich eine Klemmkraft, die sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine an der Verbindung von Bolzen, Distanzhülse und Flansch ergibt, durch Auswahl jeweils verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Teilhülsen fein steuern.In a further preferred embodiment of the invention the sleeve comprises a plurality of axially arranged one behind the other Partial sleeves. Thus, a clamping force can be in the Operation of the internal combustion engine at the connection of Bolt, spacer and flange results, by selection respectively different coefficients of thermal expansion for the Fine control of sub-sleeves.

Dabei wird bevorzugt, dass wenigstens zwei Teilhülsen aus voneinander verschiedenen Materialien gefertigt sind.It is preferred that at least two sub-sleeves made of different materials.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bolzens, der Wärmeausdehnungskoeffizient und eine Länge der Hülse derart aufeinander abgestimmt, dass bei an der Verbrennungskraftmaschine festgelegtem Auspuffkrümmer ein Zug in dem Bolzen im Wesentlichen unabhängig von einer Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine ist.In a further embodiment of the invention, the thermal expansion coefficient of the bolt, the thermal expansion coefficient and a length of the sleeve matched to one another, that when fixed to the internal combustion engine Exhaust manifold a pull in the bolt essentially independent of an operating temperature of the internal combustion engine is.

Vorzugsweise sind der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bolzens, der Wärmeausdehnungskoeffizient und eine Länge der Hülse derart aufeinander abgestimmt, dass bei an der Verbrennungskraftmaschine festgelegtem Auspuffkrümmer ein Zug in dem Bolzen bei kalter Verbrennungskraftmaschine einen ersten Wert Z1 aufweist und bei einer Soll-Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine einen zweiten Wert Z2 aufweist, mit: (Z1 - Z2) / Z1 = x. Preferably, the coefficient of thermal expansion of the bolt, the coefficient of thermal expansion and a length of the sleeve are matched to one another so that when fixed to the internal combustion engine, a train in the bolt at cold internal combustion engine has a first value Z 1 and at a desired operating temperature of the internal combustion engine, a second value Z 2 , with: (Z 1 - Z 2 ) / Z 1 = x.

Hierbei ist zweckmäßigerweise x ≤ 0,3, bevorzugterweise x < 0,25, und noch bevorzugter x < 0,2. Ferner gilt insbesondere x ≥ 0.Here, expediently x ≦ 0.3, preferably x < 0.25, and more preferably x <0.2. Furthermore, in particular x ≥ 0.

Typische Werte von Z1 bzw. Z2 liegen im Bereich von 10 bis 15 kN, und zwar für Bolzen mit einem Kerndurchmesser von etwa 7 bis 8 mm (entspricht M7- bzw. M8-Bolzen). Typical values of Z 1 and Z 2 are in the range of 10 to 15 kN, for bolts with a core diameter of about 7 to 8 mm (equivalent to M7 or M8 bolts).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Material des Bolzens ein austenitisches Stahlmaterial.In a further embodiment of the invention, the material comprises the bolt is an austenitic steel material.

In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Material der Hülse ein ferritisches Stahlmaterial.In a further embodiment of the invention, this includes Material of the sleeve a ferritic steel material.

Vorzugsweise umfasst das Stahlmaterial ein legiertes oder ein unlegiertes Stahlmaterial.Preferably, the steel material comprises an alloyed or an unalloyed steel material.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Bolzens einen ersten Wert α1 und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Hülse einen zweiten Wert α2 auf, mit: (α1 - α2) / α1 = y. In a further embodiment of the invention, the coefficient of thermal expansion of the material of the bolt has a first value α 1 and the thermal expansion coefficient of the material of the sleeve has a second value α 2 , with: (α 1 - α 2 ) / α 1 = y.

Hierbei ist zweckmäßigerweise y ≨ 0,3, bevorzugterweise y < 0,25, und noch bevorzugter y < 0,2. Ferner gilt vorzugsweise y ≥ 0,1 und bevorzugterweise y ≥ 0,05.Here, suitably y ≨ 0.3, preferably y < 0.25, and more preferably y <0.2. Furthermore, preferably y ≥ 0.1 and preferably y ≥ 0.05.

Typische Werte für α1 bzw. α2 sind: α1 = 16·10-6 1/K bei 20 °C, α1 = 18·10-6 1/K bei 400 °C, und α2 = 10·10-6 1/K bei 20 °C, α2 = 11,5·10-6 1/K bei 400 °C. Typical values for α 1 and α 2 are: α 1 = 16 · 10 -6 1 / K at 20 ° C, α 1 = 18 · 10 -6 1 / K at 400 ° C, and α 2 = 10 · 10 -6 1 / K at 20 ° C, α 2 = 11.5 x 10 -6 1 / K at 400 ° C.

Unter einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine Verbrennungskraftmaschinenanordnung mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Auspuffkrümmer, wobei der Auspuffkrümmer mit dem Befestigungssystem nach den obigen Erfindungsmerkmalen an der Verbrennungskraftmaschine festgelegt ist.In another aspect, the present invention includes an internal combustion engine arrangement with a Internal combustion engine and an exhaust manifold, wherein the exhaust manifold with the fastening system according to the above Invention features on the internal combustion engine is fixed.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Auspuffkrümmer an einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmamaschine festgelegt.In a preferred embodiment of the invention, the exhaust manifold on a cylinder head of the internal combustion engine established.

In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen Verbrennungskraftmaschine und Auspuffkrümmer eine Dichtung angeordnet.In a still further preferred embodiment of the invention is between internal combustion engine and exhaust manifold arranged a seal.

Unter einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Festlegen eines Auspuffkrümmers an einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Befestigungssystems, welches wenigstens einen Bolzen und eine Hülse umfasst, Anordnen des Bolzens, der Hülse und des Auspuffkrümmers relativ zu der Verbrennungskraftmaschine, und zwar derart, dass der Bolzen mit einem ersten Ende desselben an der Verbrennungskraftmaschine befestigt ist, der Bolzen einen Flansch des Auspuffkrümmers durchsetzt, die Hülse den Bolzen umgreift und axial zwischen dem Flansch und einem an einem zweiten Ende des Bolzens angebrachten Widerlager angeordnet ist, Annähern des Widerlagers an die Verbrennungskraftmaschine, so dass sich die Hülse einerseits an dem Flansch und andererseits an dem Widerlager abstützt und den Flansch gegen die Verbrennungskraftmaschine presst, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials des Bolzens größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials der Hülse.In another aspect, the present invention includes a method for setting an exhaust manifold an internal combustion engine, the method the the following steps: providing a fastening system, which at least one bolt and a Sleeve includes, arranging the bolt, the sleeve and the exhaust manifold relative to the internal combustion engine, and Although such that the bolt with a first end of the same attached to the internal combustion engine, the Bolt interspersed with a flange of the exhaust manifold, the Sleeve encompasses the bolt and axially between the flange and one attached to a second end of the bolt Abutment is arranged, approaching the abutment to the Internal combustion engine, so that the sleeve on the one hand supported on the flange and on the other hand on the abutment and the flange against the internal combustion engine presses, where a thermal expansion coefficient of a material of the bolt is greater than a thermal expansion coefficient a material of the sleeve.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst das Ermitteln jeweils wenigstens einer Temperatur der Hülse und des Bolzens während eines Dauerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine, das Bilden jeweils einer mittleren Temperatur der Hülse und des Bolzens und das Abstimmen von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bolzens, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer Länge der Hülse derart aufeinander aufgrund der wenigstens einen Temperatur, dass ein Zug in dem Bolzen bei kalter Verbrennungskraftmaschine einen ersten Wert Z1 aufweist und während des Dauerbetriebs einen zweiten Wert Z2 aufweist, mit: (Z1 - Z2) / Z1 = x. A further preferred embodiment of the invention comprises determining at least one temperature of the sleeve and the bolt during a continuous operation of the internal combustion engine, forming a respective average temperature of the sleeve and the bolt and the tuning of the thermal expansion coefficient of the bolt, the coefficient of thermal expansion and a length of the Sleeve such on the basis of the at least one temperature that a train in the bolt with a cold internal combustion engine has a first value Z 1 and during continuous operation has a second value Z 2 , with: (Z 1 - Z 2 ) / Z 1 = x.

Hierbei ist zweckmäßigerweise x ≤ 0,3, bevorzugterweise x < 0,25, und noch bevorzugter x < 0,2. Ferner gilt vorzugsweise x ≥ 0.Here, expediently x ≦ 0.3, preferably x < 0.25, and more preferably x <0.2. Furthermore, preferably x ≥ 0.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt bzw. zeigen:

Figur 1
eine schematische Verbrennungskraftmaschine mit Auspuffkrümmer mit einem Befestigungssystem als eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2
eine Detailansicht von Figur 1,
Figur 3
eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4
eine Detailansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5
ein Temperaturprofil anhand des Beispiels der ersten Ausführungsform gemäß Figur 2 bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und
Figur 6, Figur 7
verschiedene Bauformen von Auspuffkrümmern.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to drawings. Here shows or show:
FIG. 1
a schematic internal combustion engine with exhaust manifold with a fastening system as a first embodiment of the invention,
FIG. 2
a detailed view of Figure 1,
FIG. 3
a detailed view of a second embodiment of the invention,
FIG. 4
a detailed view of a third embodiment of the invention,
FIG. 5
a temperature profile based on the example of the first embodiment of Figure 2 during operation of the internal combustion engine and
FIG. 6, FIG. 7
different types of exhaust manifolds.

Figur 1 stellt eine Verbrennungskraftmaschine 1 dar (hier schematisch dargestellt), welche einen Zylinderkopf 3 mit daran angeflanschtem Auspuffkrümmer 5 umfasst. FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 (here shown schematically), which a cylinder head 3 with attached thereto flanged exhaust manifold 5.

Der Auspuffkrümmer 5 ist in gegossener Weise ausgebildet, wobei drei Auspuffkrümmerrohre 23 und ein Abgassammelrohr 27 integral miteinander verbunden sind. Die Auspuffkrümmerrohre 23 sind jeweils mit einem Flansch 7 ausgebildet, welche Öffnungen 21 der Auspuffkrümmerrohre 23 umgeben.The exhaust manifold 5 is formed in a cast manner, wherein three exhaust manifolds 23 and an exhaust manifold 27 are integrally connected to each other. The exhaust manifold pipes 23 are each formed with a flange 7, which Surrounding openings 21 of the exhaust manifold 23.

Die Flansche 7 sind am Zylinderkopf 3 der Verbrennungskraftmaschine 1 mit Hilfe von jeweils zwei Befestigungssystemen 9 am Zylinderkopf 3 festgelegt.The flanges 7 are on the cylinder head 3 of the internal combustion engine 1 with the help of two fastening systems 9 fixed to the cylinder head 3.

Die Befestigungssysteme 9 umfassen jeweils aus einem Bolzen 11 und einer Hülse 13. Die Bolzen 11 sind durch Öffnungen in den Flanschen 7 gesteckt und mit dem Zylinderkopf 3 mittels Gewindelöcher 17 in einer Wand 19 des Zylinderkopfes 3 verschraubt. Eine genauere Beschreibung der ersten Ausführungsform folgt weiter unten mit der Beschreibung der Figur 2.The fastening systems 9 each comprise a bolt 11 and a sleeve 13. The bolts 11 are through openings inserted in the flanges 7 and with the cylinder head 3 means Threaded holes 17 in a wall 19 of the cylinder head. 3 screwed. A more detailed description of the first embodiment follows below with the description of the figure Second

Die Flansche 7 umgeben Öffnungen 21 der Auspuffkrümmerrohre 23, welche in integraler Weise zusammen mit einem Auspuffkrümmersammelrohr 27 den Auspuffkrümmer 5 bilden.The flanges 7 surround openings 21 of the exhaust manifolds 23, which is integral with an exhaust manifold manifold 27 form the exhaust manifold 5.

Der Auspuffkrümmer 5 ist mit seinen Einzelflanschen 7 derart gegenüber dem Zylinderkopf 3 mit Abgasausstoßöffnungen 25 ausgerichtet, dass die Öffnungen 21 der Auspuffkrümmerrohre 23 gegenüber den Abgasausstoßöffnungen 25 angeordnet sind. Durch die Abgasausstoßöffnungen 25 ausgestoßenes Abgas wird über das Abgassammelrohr 27 weitergeleitet, z.B. zu einem (hier nicht dargestellten) Abgaskatalysator.The exhaust manifold 5 is such with its individual flanges 7 opposite the cylinder head 3 with exhaust emission ports 25 aligned that the openings 21 of the exhaust manifold pipes 23 disposed opposite to the exhaust ejection openings 25 are. Exhaust gas exhausted through the exhaust emission ports 25 is passed through the exhaust manifold 27, e.g. to a (not shown here) catalytic converter.

Zwischen Flanschen 7 und Zylinderkopf 3 ist eine Dichtung 29 angeordnet, welche die Verbindung zwischen Flanschen 7 und Zylinderkopf 3 abdichtet.Between flanges 7 and cylinder head 3 is a seal 29 arranged, which the connection between flanges. 7 and cylinder head 3 seals.

Figur 2 ist eine Detailansicht eines der in Figur 1 dargestellten Befestigungssysteme 9 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen dabei gleiche Elemente.FIG. 2 is a detail view of one of those shown in FIG Fixing systems 9 in the first embodiment of the present invention. Designate the same reference numbers the same elements.

Ein Flansch 7 mit einer Öffnung 15 ist auf folgende Weise an einer Zylinderkopfwand 19 festgelegt:A flange 7 with an opening 15 is in the following manner determined on a cylinder head wall 19:

In der Öffnung 15 des Flansches 7 ist ein Bolzen 11 angeordnet. Der Durchmesser der Öffnung 15 im Flansch 7 ist derart, daß ein Flanschgleiten des Flansches 7 in den Richtungen des Doppelpfeiles A bei Zu- bzw. Abnahme der Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine zugelassen wird.In the opening 15 of the flange 7, a bolt 11 is arranged. The diameter of the opening 15 in the flange 7 is such that a flange sliding of the flange 7 in the directions of the double arrow A at increase or decrease of the operating temperature the internal combustion engine approved becomes.

Der Bolzen 11 weist an seinem einen Ende ein Außengewinde 31 auf, welches mit einem Innengewinde 37 in einem in der Zylinderkopfwand 19 befindlichen Gewindeloch 17 verschraubt ist.The bolt 11 has at its one end an external thread 31, which with an internal thread 37 in a in the Cylinder head wall 19 located threaded hole 17 screwed is.

An seinem anderen Ende weist der Bolzen 11b einen Bolzenkopf 33 auf, welcher integral mit dem Bolzen 11 gebildet ist.At its other end, the bolt 11b has a bolt head 33, which is formed integrally with the bolt 11 is.

Das Material des Bolzens 11 ist ein austenitisches Stahlmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von α1 = 18 · 10-6 1/K bei 400°C.The material of the bolt 11 is an austenitic steel material having a thermal expansion coefficient of α 1 = 18 × 10 -6 1 / K at 400 ° C.

Zwischen Bolzenkopf 33 und Flansch 7 ist eine Distanzhülse 13 angeordnet.Between bolt head 33 and flange 7 is a spacer sleeve 13 arranged.

Die Distanzhülse 13 stützt sich an ihrem einen Ende am Bolzenkopf 33, welcher somit als Widerlager 35 dient, und an ihrem anderen Ende am Flansch 7 ab.The spacer sleeve 13 is supported at its one end on the bolt head 33, which thus serves as an abutment 35, and at its other end on the flange 7 from.

Die Distanzhülse 13 ist einstückig aus einem ferritischen Stahlmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von α2 = 11,5·10-6 1/K bei 400°C ausgebildet. The spacer sleeve 13 is integrally formed of a ferritic steel material having a thermal expansion coefficient of α 2 = 11.5 · 10 -6 1 / K at 400 ° C.

Zwischen Flansch 7 und Zylinderkopfwand 19 ist eine Dichtung 29 zur Abdichtung der Verbindung von Flansch 7 und Zylinderkopfwand 19 angeordnet.Between flange 7 and cylinder head wall 19 is a seal 29 for sealing the connection of flange 7 and cylinder head wall 19 arranged.

Zylinderkopfwand 19 ist mit einem Strömungskanal 39 ausgebildet, durch welchen ein Kühlmittel (hier nicht dargestellt) zur Kühlung des Zylinderkopfes strömt.Cylinder head wall 19 is formed with a flow channel 39, through which a coolant (not shown here) for cooling the cylinder head flows.

Figur 3 stellt ein Befestigungssystems 9a dar, welches eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen dabei gleiche Elemente.Figure 3 illustrates a fastening system 9a, which is a second embodiment of the present invention. Same reference numbers designate the same elements.

Ein Flansch 7a mit einer Öffnung 15a ist auf folgende Weise an einer Zylinderkopfwand 19a festgelegt:A flange 7a having an opening 15a is as follows fixed to a cylinder head wall 19a:

In der Öffnung 15a des Flansches 7a ist ein Bolzen 11a angeordnet. Der Durchmesser der Öffnung 15a im Flansch 7a ist derart, daß ein Flanschgleiten des Flansches 7a in den Richtungen des Doppelpfeiles A bei Zu- bzw. Abnahme der Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine zugelassen wird.In the opening 15a of the flange 7a, a bolt 11a is arranged. The diameter of the opening 15a in the flange 7a is such that a flange sliding of the flange 7a in the Directions of double arrow A when the operating temperature increases or decreases the internal combustion engine approved becomes.

Der Bolzen 11a weist an seinem einen Ende ein Außengewinde 31a auf, welches mit einem Innengewinde 37a in einem in der Zylinderkopfwand 19a befindlichen Gewindeloch 17a verschraubt ist.The bolt 11a has an external thread at one end thereof 31a, which with an internal thread 37a in a in the Cylinder head wall 19a threaded hole 17a screwed is.

An seinem anderen Ende weist der Bolzen 11a ein Außengewinde 41 auf, auf welches ein Widerlager 35a geschraubt ist. Das Widerlager 35a ist in diesem Fall eine Schraubmutter 43.At its other end, the bolt 11a has an external thread 41, on which an abutment 35 a screwed is. The abutment 35a is in this case a nut 43rd

Zwischen Widerlager 35a und Flansch 7a ist eine Distanzhülse 13a angeordnet, welche sich an ihrem einen Ende am Widerlager 35a und an ihrem anderen Ende am Flansch 7a abstützt.Between abutment 35a and flange 7a is a spacer sleeve Arranged 13a, which at its one end on Abutment 35a and at its other end on the flange 7a is supported.

Zwischen Flansch 7a und Zylinderkopfwand 19a ist eine Dichtung 29a zur Abdichtung der Verbindung von Flansch 7a und Zylinderkopfwand 19a angeordnet.Between flange 7a and cylinder head wall 19a is a gasket 29a for sealing the connection of flange 7a and Cylinder head wall 19a arranged.

Zylinderkopfwand 19a ist mit einem Strömungskanal 39a ausgebildet, durch welchen ein Kühlmittel (hier nicht dargestellt) zur Kühlung des Zylinderkopfes strömt.Cylinder head wall 19a is formed with a flow channel 39a, through which a coolant (not shown here) for cooling the cylinder head flows.

Figur 4 stellt ein Befestigungssystems 9b dar, welches eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen dabei gleiche Elemente.Figure 4 illustrates a fastening system 9b, which is a third embodiment of the present invention. Same reference numbers designate the same elements.

Ein Flansch 7b mit einer Öffnung 15b ist auf folgende Weise an einer Zylinderkopfwand 19b festgelegt:A flange 7b having an opening 15b is as follows determined on a cylinder head wall 19b:

In der Öffnung 15b des Flansches 7b ist ein Bolzen 11b angeordnet. Der Durchmesser der Öffnung 15b im Flansch 7b ist derart, daß ein Flanschgleiten des Flansches 7b in den Richtungen des Doppelpfeiles A bei Zu- bzw. Abnahme der Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine zugelassen wird.In the opening 15b of the flange 7b, a bolt 11b is arranged. The diameter of the opening 15b in the flange 7b is such that a flange sliding of the flange 7b in the Directions of double arrow A when the operating temperature increases or decreases the internal combustion engine approved becomes.

Der Bolzen 11b weist an seinem einen Ende ein Außengewinde 31b auf, welches mit einem Innengewinde 37b in einem in der Zylinderkopfwand 19b befindlichen Gewindeloch 17b verschraubt ist.The bolt 11b has an external thread at one end thereof 31b, which with an internal thread 37b in a in the Cylinder head wall 19b threaded hole 17b bolted is.

An seinem anderen Ende weist der Bolzen 11b einen Bolzenkopf 33b auf, welcher integral mit dem Bolzen 11b gebildet ist.At its other end, the bolt 11b has a bolt head 33b formed integrally with the bolt 11b is.

Zwischen Bolzenkopf 33b und Flansch 7b ist eine Distanzhülse 13b angeordnet, welche aus zwei axial hintereinander angeordneten Teilhülsen 13' und 13 " gebildet ist. Die beiden Teilhülsen 13' und 13" sind hierbei aus voneinander verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt.Between bolt head 33b and flange 7b is a spacer sleeve 13b arranged, which consists of two axially one behind the other arranged sub-sleeves 13 'and 13 "is formed Sub-sleeves 13 'and 13 "are in this case from each other different materials with different thermal expansion coefficients manufactured.

Distanzhülse 13b stützt sich an ihrem einen Ende am Bolzenkopf 33b, welcher somit als Widerlager 35b dient, und an ihrem anderen Ende am Flansch 7b ab.Distance sleeve 13b is supported at its one end on the bolt head 33b, which thus serves as an abutment 35b, and on from its other end on the flange 7b.

Zwischen Flansch 7b und Zylinderkopfwand 19b ist eine Dichtung 29b zur Abdichtung der Verbindung von Flansch 7a und Zylinderkopfwand 19a angeordnet.Between flange 7b and cylinder head wall 19b is a seal 29b for sealing the connection of flange 7a and Cylinder head wall 19a arranged.

Zylinderkopfwand 19b ist mit einem Strömungskanal 39b ausgebildet, durch welchen ein Kühlmittel (hier nicht dargestellt) zur Kühlung des Zylinderkopfes strömt.Cylinder head wall 19b is formed with a flow channel 39b, through which a coolant (not shown here) for cooling the cylinder head flows.

Figur 5 stellt ein Temperaturprofil des in Figur 2 dargestellten Befestigungssystems 9 bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine dar. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen wiederum gleiche Elemente.FIG. 5 shows a temperature profile of that shown in FIG Mounting system 9 during operation of the internal combustion engine den. Identify the same reference numbers again the same elements.

Es sind hier die verschiedenen Komponenten, d.h. Bolzen 11 mit Kopf 33, Hülse 13, Flansch 7, Dichtung 29 und Zylinderwand 19, in Temperaturbereiche eingeteilt, welche sich bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 ergeben.Here are the various components, i. Bolt 11 with head 33, sleeve 13, flange 7, seal 29 and cylinder wall 19, divided into temperature ranges, which are at Operation of the internal combustion engine 1 result.

Dabei wird Wärme aufgrund von Konvektion von den Auspuffkrümmerrohren 23 (siehe hierzu Figur 1) abgestrahlt, wobei die sich nahe der Auspuffkrümmerrohre 23 befindlichen Bolzenköpfe und Distanzhülsen 13 erwärmt werden.This heat is due to convection of the exhaust manifolds 23 (see FIG. 1) emitted, wherein the bolt heads located near the exhaust manifolds 23 and spacers 13 are heated.

Da die Bolzen mit ihrem anderen Ende in der gekühlten Zylinderkopfwand 19 stecken, werden die Bolzen von diesem Ende her gekühlt. As the bolts with their other end in the cooled cylinder head wall 19 stuck, the bolts are from this end cooled.

Es ergeben sich Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen. Diese Bereiche sind in Figur 5 durch Linien voneinander getrennt, wobei einem jeden Bereich ein Temperaturwert zugeordnet ist, welcher die Temperatur für den jeweiligen Bereich angibt. Dabei ist zu erkennen, dass der Bolzen 11 eine Temperaturverteilung aufweist, welche sich von 165°C an seinem unteren ersten Ende, welches in der gekühlten Zylinderkopfwand 9 steckt, bis zu einer Temperatur von 320°C an seinem Kopfende 33 erstreckt.This results in areas with different temperatures. These areas are shown in FIG. 5 by lines from one another separated, with each area a temperature value is assigned, which the temperature for the respective Indicates range. It can be seen that the bolt 11 has a temperature distribution which is of 165 ° C at its lower first end, which is in the cooled cylinder head wall 9, up to a temperature of 320 ° C extends at its head end 33.

Die Hülse 13 dagegen weist eine Temperaturverteilung auf, welche sich von 310°C an ihrem ersten unteren Ende bis zu 330°C an ihrem zweiten oberen Ende erstreckt.The sleeve 13, however, has a temperature distribution, which varies from 310 ° C at its first lower end to 330 ° C at its second upper end.

Aufgrund der ermittelten Temperaturen von Distanzhülse 13 und Bolzen 11 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Distanzhülse 13 in dem Maße geringer gewählt als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bolzens 11, daß die vom Bolzenkopf 33 über die Distanzhülse 13 auf den Flansch 7 ausgeübte Kraft F (angedeutet durch Pfeile F, F) bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in etwa angenähert gleich der im kalten Zustand der Verbrennungskraftmaschine eingestellten Kraft ist.Due to the determined temperatures of spacer sleeve 13 and bolt 11 is the thermal expansion coefficient of the standoff 13 chosen to be smaller than the coefficient of thermal expansion to the extent of the bolt 11, that of the bolt head 33 exerted on the spacer sleeve 13 on the flange 7 Force F (indicated by arrows F, F) during operation the combustion engine approximately equal to the set in the cold state of the internal combustion engine Power is.

Das Abstimmen der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Distanzhülse 13 und Bolzen 11 kann auch durch eine aus den ermittelten Temperaturen gebildete mittlere Temperatur jeweils für die Distanzhülse 13 und den Bolzen 11 durchgeführt werden.Tuning the thermal expansion coefficient of spacer sleeve 13 and bolt 11 can also by a from the determined temperatures formed average temperature respectively performed for the spacer sleeve 13 and the pin 11 become.

Bei Zu- bzw. Abnahme der Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine gleitet der Flansch 7 in den Richtungen des Doppelpfeiles A. Es treten keine mechanischen Verspannungen am Auspuffkrümmer auf. When the operating temperature of the internal combustion engine increases or decreases the flange 7 slides in the directions of the double arrow A. There is no mechanical tension on the exhaust manifold.

Figuren 6 und 7 stellen eine Auswahl verschiedener Bauformen I bis IV von Auspuffkrümmern 5c bis 5f dar, für welche das erfindungsgemäße Befestigungssystem verwendet wird.Figures 6 and 7 represent a selection of different designs I to IV of exhaust manifolds 5c to 5f, for which the fastening system according to the invention is used.

Verbrennungskraftmaschinen mit Zylinderkopf, an welche die Auspuffkrümmer 5c bis 5f angeflanscht sind, sind hier - ebenso wie Dichtungen zwischen Flansch und Zylinderkopf - der Übersichtlichkeit wegen jeweils nicht dargestellt.Internal combustion engines with cylinder head, to which the Exhaust manifolds 5c to 5f are flanged are here - as well as seals between flange and cylinder head - for the sake of clarity not shown.

Bauform I stellt einen Auspuffkrümmer 5c im Querschnitt dar, welcher als Blechkrümmer in Schalenbauweise ausgebildet ist, wobei Flansche 7c jeweils an Auspuffkrümmerrohren 23c mit Schweißnähten 45c angeschweißt sind. Auspuffkrümmerrohre 23c sind integral miteinander verbunden. Die Flansche 7c weisen Öffnungen 15c auf, welche hier einfachheitshalber mit deren strichpunktierten Mittellinien angedeutet sind.Type I represents an exhaust manifold 5c in cross section which is designed as sheet metal in shell construction with flanges 7c each on exhaust manifolds 23c are welded to welds 45c. Auspuffkrümmerrohre 23c are integrally connected to each other. The flanges 7c have openings 15c, which here for simplicity with their dot-dashed center lines are indicated.

Die Öffnungen 15c sind dazu ausgelegt, jeweils ein erfindungsgemäßes Befestigungssystem, d.h. Bolzen und Distanzhülse (hier nicht dargestellt), aufzunehmen.The openings 15 c are each designed to be an inventive Fastening system, i. Bolt and spacer sleeve (not shown here) to record.

Bauformen II und III stellen Auspuffkrümmer 5d bzw. 5e dar, welche als Rohrkrümmer ausgebildet sind, wobei Flansche 7d bzw. 7e jeweils an Auspuffkrümmerrohren 23d bzw. 23e befestigt sind.Types II and III represent exhaust manifolds 5d and 5e respectively, which are formed as a pipe bend, wherein flanges 7d 7e and 7e are attached to exhaust manifold pipes 23d and 23e, respectively are.

Die Flansche 7d bzw. 7e weisen Öffnungen 15d bzw. 15e auf, welche hier einfachheitshalber mit deren strichpunktierten Mittellinien angedeutet sind.The flanges 7d and 7e have openings 15d and 15e, respectively. which here for simplicity with their dash-dotted lines Center lines are indicated.

Die Öffnungen 15d bzw. 15e sind dazu ausgelegt, jeweils ein erfindungsgemäßes Befestigungssystem, d.h. Bolzen und Distanzhülse (hier nicht dargestellt), aufzunehmen. The openings 15d and 15e are adapted to each one inventive fastening system, i. Bolt and spacer sleeve (not shown here) to record.

Bauform IV stellt einen Auspuffkrümmer 5f dar, welcher mit integral miteinander verbundenen Auspuffkrümmerrohren 23f ausgebildet ist, und zusätzlich ein einzelnes Auspuffkrümmerrohr 23f' aufweist.Type IV represents an exhaust manifold 5f, which with integrally connected exhaust manifolds 23f is formed, and in addition a single exhaust manifold 23f '.

Die beiden Auspuffkrümmerrohre 23f münden in einem einzigen Flansch 7f, welcher die Auspuffkrümmerrohre 23f sozusagen miteinander verbindet, und das zusätzliche Auspuffkrümmerrohr 23f' weist einen einzelnen Flansch 7f' auf, welcher nicht mit Flansch 7f der Auspuffkrümmerrohre 23f verbunden ist.The two exhaust manifolds 23f lead into a single Flange 7f, which so to say the exhaust manifold pipes 23f interconnects and the additional exhaust manifold 23f 'has a single flange 7f' which not connected to the flange 7f of the exhaust manifold pipes 23f is.

Die Flansche 7f, 7f' weisen Öffnungen 15f, 15f' auf, welche hier wiederum einfachheitshalber mit deren strichpunktierten Mittellinien angedeutet sind.The flanges 7f, 7f 'have openings 15f, 15f' which here again for simplicity's sake with their dash-dotted lines Center lines are indicated.

Die Öffnungen 15f können herkömmliche Befestigungssysteme aufnehmen, wobei sich die Klemmkraft mit zunehmender Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine erhöht, um dem Bestreben des Flansches 7f, sich bei erhöhter Temperatur an den Seiten vom Zylinderkopf abzuheben, entgegenzuwirken.The openings 15f may be conventional fastening systems record, with the clamping force with increasing operating temperature the internal combustion engine increases to the tendency of the flange 7f, at elevated temperature to lift off the sides of the cylinder head, to counteract.

Im Gegensatz dazu werden für die Öffnungen 15f' erfindungsgemäße Befestigungssysteme verwendet, um dem Flansch 7f' bei Zu- oder Abnahme der Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine ein Gleiten auf dem Zylinderkopf in Richtung des Doppelpfeiles A zu ermöglichen.In contrast, for the openings 15f 'according to the invention Fastening systems used to the flange 7f ' at increase or decrease in the operating temperature of the internal combustion engine a glide on the cylinder head in Direction of the double arrow A to allow.

Claims (21)

Befestigungssystem (9) zum Festlegen eines Auspuffkrümmers (5) an einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend: einen Bolzen (11) mit einem zur Befestigung an der Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten ersten Ende, eine Hülse (13) mit einem Innendurchmesser, welcher größer ist als ein Außendurchmesser des Bolzens(11), wobei ein erstes Ende der Hülse (13) zur Abstützung an einem Flansch (7) des Auspuffkrümmers (5) vorgesehen ist und ein zweites Ende der Hülse (13) zur Abstützung an einem Widerlager (35) vorgesehen ist, welches an einem zweiten Ende des Bolzens (11) anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials des Bolzens (11) größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials der Hülse (13).An attachment system (9) for securing an exhaust manifold (5) to an internal combustion engine (1), comprising: a bolt (11) having a first end adapted for attachment to the internal combustion engine, a sleeve (13) having an inner diameter larger than an outer diameter of the bolt (11), a first end of the sleeve (13) being provided for support on a flange (7) of the exhaust manifold (5) and a second end of the Sleeve (13) is provided for support on an abutment (35) which can be attached to a second end of the bolt (11), characterized in that
a thermal expansion coefficient of a material of the bolt (11) is greater than a thermal expansion coefficient of a material of the sleeve (13). Befestigungssystem (9) nach Anspruch 1, wobei der Bolzen (11) an seinem ersten Ende ein Schraubgewinde (31) zur Schraubverbindung mit der Verbennungskraftmaschine (1) aufweist.The fastening system (9) of claim 1, wherein the bolt (11) at its first end a screw thread (31) to the screw connection with the Verbennungskraftmaschine (1). Befestigungssystem (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Widerlager (35) mit dem zweiten Ende des Bolzens fest, insbesondere integral, verbunden ist. A fastening system (9) according to claim 1 or 2, wherein the abutment (35) with the second end of the bolt firmly, in particular integrally connected. Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bolzen (11) an seinem zweiten Ende ein Schraubgewinde (41) zur Schraubverbindung mit dem widerlager (35a) aufweist.Fastening system (9) according to one of claims 1 to 3, wherein the bolt (11) at its second end a Screw thread (41) for screw connection with the abutment (35a). Befestigungssystem (9) nach Anspruch 4, wobei das Widerlager (35a) eine Schraubmutter (43) umfaßt.Fastening system (9) according to claim 4, wherein the abutment (35a) comprises a nut (43). Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hülse (13b) mehrere axial hintereinander angeordnete Teilhülsen (13', 13 ") umfaßt.Fastening system (9) according to one of claims 1 to 5, wherein the sleeve (13b) a plurality of axially one behind the other arranged sub-sleeves (13 ', 13 ") comprises. Befestigungssystem (9) nach Anspruch 6, wobei wenigstens zwei Teilhülsen (13', 13 ") aus voneinander verschiedenen Materialien gefertigt sind.A fastening system (9) according to claim 6, wherein at least two sub-sleeves (13 ', 13 ") from each other Materials are made. Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bolzens (11), der Wärmeausdehnungskoeffizient und eine Länge der Hülse (13) derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei an der Verbrennungskraftmaschine (1) festgelegtem Auspuffkrümmer (5) ein Zug in dem Bolzen (11) im wesentlichen unabhängig von einer Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine (1) ist.Fastening system (9) according to one of claims 1 to 7, wherein the thermal expansion coefficient of the bolt (11), the coefficient of thermal expansion and a length the sleeve (13) are coordinated such that in at the internal combustion engine (1) fixed Exhaust manifold (5) a train in the bolt (11) substantially regardless of an operating temperature of Internal combustion engine (1) is. Befestigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bolzens (11), der Wärmeausdehnungskoeffizient und eine Länge der Hülse (13) derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei an der Verbrennungskraftmaschine (1) festgelegtem Auspuffkrümmer (5) ein Zug in dem Bolzen (11) bei kalter Verbrennungskraftmaschine (1) einen ersten Wert Z1 aufweist und bei einer Soll-Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine (1) einen zweiten Wert Z2 aufweist, wobei gilt: (Z1 - Z2) / Z1 = x ≤ 0, 3. Fastening system according to one of claims 1 to 8, wherein the coefficient of thermal expansion of the bolt (11), the coefficient of thermal expansion and a length of the sleeve (13) are coordinated so that when fixed to the internal combustion engine (1) exhaust manifold (5) has a train in the Bolt (11) in cold internal combustion engine (1) has a first value Z 1 and at a desired operating temperature of the internal combustion engine (1) has a second value Z 2 , where: (Z 1 - Z 2 ) / Z 1 = x ≤ 0, 3. Befestigungssystem (9) nach Anspruch 9, wobei gilt: x < 0,25, insbesondere x < 0,2, und/oder x ≥ 0. Fixing system (9) according to claim 9, wherein: x <0.25, in particular x <0.2, and / or x ≥ 0. Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Material des Bolzens (11) ein austenitisches Stahlmaterial umfaßt.Fastening system (9) according to one of claims 1 to 10, wherein the material of the bolt (11) is an austenitic Includes steel material. Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Material der Hülse (13) ein ferritisches Stahlmaterial umfaßt.Fastening system (9) according to one of claims 1 to 11, wherein the material of the sleeve (13) is a ferritic Includes steel material. Befestigungssystem (9) nach Anspruch 12, wobei das Stahlmaterial ein legiertes oder ein unlegiertes Stahlmaterial umfaßt.The fastening system (9) of claim 12, wherein the Steel material alloyed or unalloyed Includes steel material. Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Bolzens (11) einen ersten Wert α1 aufweist und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Hülse (13) einen zweiten Wert α2 aufweist und wobei gilt: (α1 - α2 ) / α1 = y < 0,3. Securing system comprises (9) according to any one of claims 1 to 13, wherein the thermal expansion coefficient of the material of the bolt (11) has a first value α 1 and the coefficient of thermal expansion of the material of the sleeve (13) α a second value 2, and in which: (α 1 - α 2 ) / α 1 = y <0.3. Befestigungssystem (9) nach Anspruch 14, wobei gilt: y < 0,25, insbesondere y < 0,2, sowie y > 0,05, insbesondere y > 0,1. The fastening system (9) according to claim 14, wherein: y <0.25, in particular y <0.2, and y> 0.05, in particular y> 0.1. Verbrennungskraftmaschinenanordnung mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) und einem Auspuffkrümmer (5), wobei der Auspuffkrümmer (5) mit dem Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 an der Verbrennungskraftmaschine (1) festgelegt ist.Internal combustion engine arrangement with an internal combustion engine (1) and an exhaust manifold (5), the exhaust manifold (5) with the fastening system (9) according to one of claims 1 to 15 on the internal combustion engine (1). Verbrennungskraftmaschinenanordnung nach Anspruch 16, wobei der Auspuffkrümmer (5) an einem Zylinderkopf (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) festgelegt ist.Internal combustion engine arrangement according to claim 16, the exhaust manifold (5) on a cylinder head (3) the internal combustion engine (1) is fixed. Verbrennungskraftmaschinenanordnung nach Anspruch 16 oder 17, wobei zwischen der Verbrennungskraftmaschine (1) und dem Auspuffkrümmer (5) eine Dichtung (29) angeordnet ist.Internal combustion engine arrangement according to claim 16 or 17, wherein between the internal combustion engine (1) and the exhaust manifold (5) a seal (29) arranged is. Verfahren zum Festlegen eines Auspuffkrümmers (5) an einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend: Bereitstellen eines Befestigungssystems (9), welches wenigstens einen Bolzen (11) und eine Hülse (13) umfaßt, Anordnen des Bolzens (11), der Hülse (13) und des Auspuffkrümmers (5) relativ zu der Verbrennungskraftmaschine (1) derart, daß der Bolzen (11) mit einem ersten Ende desselben an der Verbrennungskraftmaschine (1) befestigt ist, der Bolzen (11) einen Flansch (7) des Auspuffkrümmers (5) durchsetzt, die Hülse (13) den Bolzen (11) umgreift und axial zwischen dem Flansch (7) und einem an einem zweiten Ende des Bolzens (11) angebrachten Widerlager (35) angeordnet ist, Annähern des Widerlagers (35) an die Verbrennungskraftmaschine (1), so daß sich die Hülse (13) einerseits an dem Flansch (7) und andererseits an dem Widerlager (35) abstützt und den Flansch (7) gegen die Verbrennungskraftmaschine (1) preßt, dadurch gekennzeichenet, daß
ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials des Bolzens (11) größer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials der Hülse (13).Method for determining an exhaust manifold (5) on an internal combustion engine (1), comprising: Providing a fastening system (9) which comprises at least one bolt (11) and a sleeve (13), Arranging the bolt (11), the sleeve (13) and the exhaust manifold (5) relative to the internal combustion engine (1) such that the bolt (11) is attached to the internal combustion engine (1) at a first end thereof; 11) passes through a flange (7) of the exhaust manifold (5), the sleeve (13) engages around the bolt (11) and is arranged axially between the flange (7) and an abutment (35) attached to a second end of the bolt (11) is Approaching the abutment (35) to the internal combustion engine (1), so that the sleeve (13) on the one hand on the flange (7) and on the other abutment on the abutment (35) and the flange (7) against the internal combustion engine (1) presses . characterized in that
a thermal expansion coefficient of a material of the bolt (11) is greater than a thermal expansion coefficient of a material of the sleeve (13). Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Befestigungssystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet wird.The method of claim 19, wherein the attachment system (9) according to any one of claims 1 to 15 used becomes. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, ferner umfassend: Ermitteln jeweils wenigstens einer Temperatur der Hülse (13) und des Bolzens (11) während eines Dauerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine (1), Bilden jeweils einer mittleren Temperatur der Hülse (13) und des Bolzens (11) und Abstimmen von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bolzens (11), dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer Länge der Hülse (13) derart aufeinander aufgrund der wenigstens einen Temperatur, daß ein Zug in dem Bolzen (11) bei kalter Verbrennungskraftmaschine (1) einen ersten Wert Z1 aufweist und während des Dauerbetriebs einen zweiten Wert Z2 aufweist, wobei gilt: (Z1 - Z2) / Z1 = x ≤ 0,3. The method of claim 19 or 20, further comprising: Determining in each case at least one temperature of the sleeve (13) and the bolt (11) during a continuous operation of the internal combustion engine (1), forming a respective average temperature of the sleeve (13) and the bolt (11) and adjusting the coefficient of thermal expansion of the bolt (11 ), to one another such that a train in the bolt (11) with a cold internal combustion engine (1) has the coefficient of thermal expansion and a length of the sleeve (13) due to the at least one temperature exceeds a first value Z1 and having during continuous operation a second value Z 2 where: (Z 1 - Z 2 ) / Z 1 = x ≤ 0.3.
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