EP2207950B1 - Abgaskrümmer für brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP2207950B1
EP2207950B1 EP08847012A EP08847012A EP2207950B1 EP 2207950 B1 EP2207950 B1 EP 2207950B1 EP 08847012 A EP08847012 A EP 08847012A EP 08847012 A EP08847012 A EP 08847012A EP 2207950 B1 EP2207950 B1 EP 2207950B1
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EP
European Patent Office
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flange
collar
inner shell
outer shell
exhaust gas
Prior art date
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Active
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EP08847012A
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English (en)
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Thomas Weidner
Andreas Steigert
Markus Geminn
Margit Roth
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Tenneco GmbH
Original Assignee
Heinrich Gillet GmbH
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Publication date
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    • F01N2260/10—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for for avoiding stress caused by expansions or contractions due to temperature variations

Definitions

  • the invention relates to air gap-insulated exhaust manifolds for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • Air gap insulated exhaust manifolds essentially comprise a manifold for the engine exhaust, consisting of an inner and an outer shell construction, which are isolated from each other by an air gap. This collecting housing is also provided with a plurality of flanges, which connect to the corresponding outlets of the cylinder head of the internal combustion engine. Air gap insulated exhaust manifolds are prior art, especially in motor vehicles equipped with catalytic converters.
  • a catalyst requires a relatively high minimum temperature in order to efficiently carry out the exhaust gas conversion. This so-called light-off temperature is about 250 ° C.
  • the hot exhaust gases flowing from the cylinder chamber into the exhaust manifold after engine starting, which are then forwarded for conversion into the catalyst are themselves the only heat source for activating the catalyst.
  • the thin-walled wall panel of the inner shell structure in the exhaust manifold quickly reaches the exhaust gas temperature of up to 900 ° C, without withdrawing the exhaust gas flow significantly heat.
  • the heat losses to the outer shell and thus finally kept small in the engine compartment by the insulating acting air gap does not exceed a temperature of 500 ° C even during prolonged engine operation.
  • Critical areas for unwanted heat losses on the inner shell and thus also heat losses of the exhaust gas flow are the areas where the inner shell in direct contact with the colder outer shell and especially the considerable colder flanges, which are approximately the temperature of the water-cooled cylinder head of max. 120 ° C is located. The reason for this is that in these areas the heat transfer takes place by heat conduction. From the warmer inner shell, the heat flows by transferring the kinetic energy of the atoms to the colder outer shell, or to the colder flanges.
  • the present invention has for its object to construct an exhaust manifold so that the inner shell for a fixed, that is stored vibration-free and that on the other hand, the thermal expansion of the inner shell relative to the flange and outer shell, especially in the temperature changes in the phase shortly after Start and stop of the engine, is made possible without these thermal expansions have a negative impact on the vibration-free mounting of the inner shell.
  • An essential advantage of the exhaust manifold according to the invention is that it consists of only three components: the flange, a hood-shaped outer shell, which is connected via its peripheral collar with the flange, and an inner shell, which has the same hood-shaped shell shape as the outer shell and with her Collar between the collar of the outer shell and the flange is clamped.
  • Characteristic feature of the present invention is that the inner shell is clamped by bulges along its collar surface between the outer shell and the flange in a fixed, defined position. So there are no other parts such as fasteners or sealing devices necessary.
  • the outer shell is welded or soldered to the flange. In the case of soldering the flange is formed as a sheet metal part, which is crimped at the edges around the edge of the outer shell.
  • the Fig. 1 shows an isometric view of an exhaust manifold
  • the Fig. 2 to 8 show in each case in the form of longitudinal or cross sections different embodiments of the positionally fixed attachment of the inner shell in the region between the outer shell and the flange.
  • a flange 11, which is attached to a cylinder head, not shown, of the internal combustion engine is covered on the gas outlet side with a gas-tight outer shell 20, in turn, an inner shell 30 is introduced.
  • the design of the outer shell 20 does not change. It is formed of sheet metal (eg 2 mm wall thickness) and consists of a hood-shaped upper part 21, to which a circumferential collar 22 connects, which is connected to the flange 11.
  • outer shell collar 22 is also a characteristic feature of the present invention: it consists of a directly adjacent to the hood-shaped sheet metal upper part 21, inner collar segment 22 ', which extends parallel to the surface of the flange 11, and from a via an oblique Sheet segment 23 subsequent, outer collar segment 22 ", which rests on the flange 11, and is connected to it by welding or soldering.
  • the inner shell 30 has in its hood-shaped upper part 31 the same contour as the upper part 21 of the outer shell 20, with the obvious difference that it is due to their smaller dimensions at a distance of an air gap within the upper part 21 of the outer shell 20.
  • the inner shell collar 32 lies in all embodiments according to the FIGS. 2 to 10 in the air gap between inner outer shell collar 22 'and flange 11.
  • the embodiments in the Fig. 2 to 10 differ only in the geometry of the inner shell collar 22, the design of the flange 11 and in the introduction of additional clamping or guide elements in the waistband area (wire rings 40 and additional sheet 50).
  • Fig. 2 shows an exhaust manifold 10 in cross-section, which has an inner shell 30, the collar 32 rests on the flange 11 and projects into the air gap between the inner outer shell collar 22 'and flange 11.
  • the firm clamping of the inner shell is achieved in that the inner shell collar 32 on its outer edge from the collar surface upwards in the direction of the inner outer shell collar 22 'exiting bulges 33 which rest on the inner outer shell collar 22' punctiform under pressure.
  • the inner shell 30 between the outer shell 20 and flange 11 is firmly clamped punctiform.
  • the hot gases emerging through the flange opening 13 from the cylinder, not shown, cause a thermal expansion of the gas-carrying inner shell 30.
  • Fig. 3 shows a modification of the in Fig. 2 illustrated inner shell construction.
  • the inner shell collar 32 rests against the inner outer shell collar 22 'and the bulges 33 on the edge of the inner shell collar 32 are consequently formed on the lower side, the flange side, in the form of a nub in punctiform contact with the flange 11.
  • exhaust gas could flow into the air gap between the inner outer shell collar 22 'and the flange 11 from the gas-carrying inner shell 30 through the intermediate space between the bulges 33.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the inner shell collar 32, without an unfavorable wide bearing surface with outer shell 30 or flange 11 to form, is placed centrally in the air gap between the inner outer shell collar 22 'and flange 11.
  • the positionally fixed support of the inner shell 30 is achieved in that the bulges 33 are formed on both sides of the edge of the inner shell collar 32 and so fix the inner shell 30 by punctiform support on the inner outer shell collar 22 'and the flange 11.
  • This design is particularly loss, because here surface-like bearing surfaces between inner shell collar 32 and flange 11 and inner outer shell collar 22 'are not present, but the inner shell 30 is fixed only by punctiform support pads on the bulges 33 at the edge of the inner shell collar 32.
  • Fig. 5 shows a longitudinal section along the line IV-IV through the bulges 33 of the inner shell collar of Fig. 4 ,
  • the bulges 33 are distributed uniformly wave-shaped at the edge of the inner shell collar 32 and are supported at the top of the outer shell collar 22 'and at the bottom of the flange 11.
  • Fig. 6 shows the cross section of another embodiment of the exhaust manifold 10.
  • the inner shell collar 32 is as in the embodiment in Fig. 3 represented on the inner outer shell collar 22 'on.
  • the bulges 33 of the inner shell collar 32 are as in Fig. 3 nubbed down, formed against the surface of the flange 11, but not at the edge of the inner shell collar 32 but slightly indented, so that the bulges 33 still follows a straight, undeformed collar segment, the inner outer shell collar 22 'is applied.
  • Fig. 7 shows a structure similar to that in FIG Fig. 6 illustrated embodiment.
  • the bulges 33 do not extend to the surface of the flange 11.
  • the fixed clamping of the inner shell 30 is achieved by wire rings 40 which are inserted between inner shell collar 32 and flange 11.
  • the wire rings 40 are like this inserted, that the bulges 33 of the inner shell collar 32 are located between them, so that the wire rings 40 are thereby fixed in the transverse direction.
  • the inner shell 30 is thus not clamped directly between the flange 11 and outer shell collar 22, but indirectly between the resting on the flange 11 wire rings 40 and the outer shell collar 22.
  • the bulges 33 of the inner shell collar 32 act in this embodiment as guides for the wire rings 40th Die Drahtringe 40 serve not only as Verklemmungsetti for the inner shell 30 but also as guide elements along which the inner shell 30 can slide in thermal expansion. Another advantage is that the contact surface and consequently also the associated heat losses between wire rings 40 and gas-carrying inner shell 32 is small.
  • Fig. 8 shows the cross section of another embodiment, according to the embodiment according to Fig. 4 the protrusions 33 unfolding the clamping action of the inner shell collar 32 are formed on both sides.
  • the bulges 33 are formed at a distance from the edge of the inner shell collar 32 and the bulges 32 is still followed by a straight undeformed part of the inner shell collar 32.
  • the flange 11 is here as the shells 20, 30 of the exhaust manifold 10 formed as a sheet metal part.
  • the sheet metal of the flange 11 is crimped at its edges around the outer collar 22 'of the outer shell 20.
  • This flanging has the advantage that flange 11 and outer shell 20 are held together, and that a soldering of the outer shell 20 with the flange 11 along the outer outer shell collar 22 'is possible.
  • the sheet metal design of the flange 11 offers the advantage that the opening 13 of the flange 11 can be bent upwards into the exhaust manifold 10, wherein the diameter of the flange opening 13 easily merges, similar to a nozzle.
  • This nozzle-like shape of the flange opening 13 offers the advantage that the heat of the exhaust gas is quickly led away from the flange 11.
  • Fig. 9 represents a longitudinal section along the line IX-IX through the bulges 33 of the inner shell collar 32 in Fig. 8
  • the bulges 33 of the inner shell collar 32 are designed here uniformly wave-shaped and are supported alternately upwards against the inner outer shell collar 22 'and down against the sheet-formed Flange 11 from.
  • These protrusions 33 are always in contact only via small, almost punctiform zones with outer shell 20 and flange 11. Consequently, the heat losses by heat conduction remain low.
  • Fig. 10 shows the cross section of a further embodiment in which the bulges of the inner shell collar 32 at a distance from the edge and on one side up against the inner outer shell collar 22 'are formed.
  • the inner shell collar 32 is not on the underside on the flange 11, but is guided centrally in the air gap between the inner outer shell collar 22 'and flange 11.
  • the fixed position clamping is achieved by an additional plate 50 which is inserted between inner shell collar 32 and flange 11.
  • this additional sheet 50 is also not over its entire surface on the relatively cold flange 11, but is by a similar shape design as the inner shell collar 32 only in ddlingförmigem contact with the flange 11.
  • the additional sheet 50 everywhere, where the Inner shell collar 32 bulges 33, also bulges 52, which are opposite in mirror image.
  • the additional sheet 50 has an opening 51 which coincides with the nozzle diameter of the flange opening 13.
  • the edge surface of the opening 51 of the additional sheet 50 is flush with the inwardly tapered plate of the flange opening 13. The position-resistant clamping of the inner shell 30 thus takes place between the contact points of the bulges 33 of the inner shell collar 32 on the inner outer shell collar 22 'and the support of the inner shell collar 32 on the additional sheet 50.
  • a further advantage of this embodiment is that between additional sheet 50 and flange 11, a further air gap 60 is formed, which isolates the flowing through the flange opening 13 hot exhaust gas stream (temperature at about 900 ° C) from the surface of the flange 11. This is particularly advantageous because the flange 11 remains relatively cool even in the operating condition of the engine, as it is flatly mounted on the water-cooled cylinder block (temperature up to 120 ° C). As a result, the undesired heat losses of the exhaust gas flow are further reduced by this embodiment.

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Exhaust Silencers (AREA)

Description

    Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft luftspaltisolierte Abgaskrümmer für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik:
  • Luftspaltisolierte Abgaskrümmer umfassen im Wesentlichen ein Sammelgehäuse für die Motorabgase, bestehend aus einer Innen- und einer Außenschalenkonstruktion, welche durch einen Luftspalt voneinander isoliert sind. Dieses Sammelgehäuse ist zudem mit mehreren Flanschen versehen, die an den entsprechenden Auslässen des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine anschließen. Luftspaltisolierte Abgaskrümmer gehören insbesondere bei mit Katalysator ausgestatteten Kraftfahrzeugen zum Stand der Technik. Hier setzen luftspaltisolierte Abgaskrümmer, wie sie aus DE 101 02 637 bekannt sind, mit den ihnen innewohnenden Vorteilen an: einerseits mit ihrer geringen "thermischen Masse" durch eine möglichst dünnwandige Auslegung der gasführenden Innenschale (kleiner 1 mm), andererseits mit ihren geringen Wärmeverlusten, bedingt durch den als zusätzliche Wärmeisolation wirkenden Luftspalt zwischen Innen- und Außenschale.
  • Ein Katalysator benötigt eine relativ hohe Mindesttemperatur, um die Abgasumwandlung effizient vornehmen zu können. Diese sogenannte Anspringtemperatur liegt bei etwa 250 °C. So sind die nach dem Motorstart aus dem Zylinderraum in den Abgaskrümmer strömenden heißen Abgase, die dann zur Konvertierung in den Katalysator weitergeleitet werden, selbst die einzige Wärmequelle zur Aktivierung des Katalysators. Vorteilsmäßig nimmt das dünnwandige Wandblech der Innenschalenstruktur im Abgaskrümmer schnell die Abgastemperatur von bis zu 900 °C an, ohne dem Abgasstrom nennenswert Wärme zu entziehen. Des Weiteren vorteilsmäßig werden die Wärmeverluste zur Außenschale und damit schließlich in den Motorraum durch den isolierend wirkenden Luftspalt klein gehalten. Die Außenschale des Abgaskrümmers überschreitet selbst bei längerem Motorbetrieb eine Temperatur von 500 °C nicht.
  • Kritische Bereiche für unerwünschte Wärmeverluste an der Innenschale und damit demzufolge auch Wärmeverluste des Abgasstromes sind die Bereiche, an denen sich die Innenschale in direktem Kontakt mit der kälteren Außenschale und vor allem den erheblich kälteren Flanschen, die ungefähr die Temperatur des wassergekühlten Zylinderkopfes von max. 120 °C annehmen, befindet. Ursache dafür ist, dass in diesen Bereichen die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung stattfindet. Von der wärmeren Innenschale fließt die Wärme durch Übertragung der kinetischen Energie der Atome zur kälteren Außenschale, bzw. zu den kälteren Flanschen. Dieser Weg der Wärmeübertragung zwischen Feststoffen durch Wärmeleitung ist erheblich (etwa um den Faktor 1000) stärker als die Wärmeübertragung durch Konvektion (= Übergang an das strömende Medium) und durch Wärmestrahlung, die in den übrigen Bereichen der vom Luftspalt umgebenen Innenschale für die Wärmeverluste verantwortlich sind. Andererseits sind solche Kontaktbereiche unvermeidbar, weil man die Innenschalenstruktur aus Stabilitätsgründen befestigen muss und sie nicht in der Außenschalenstruktur lose einsetzen kann. Dabei ist eine Befestigung der Innenschale ohne Klappergeräusche und ohne Spiel wichtig, um unerwünschte Vibrationen, die zu einer zusätzlichen Geräuschemissionsquelle werden, auszuschließen. Demzufolge muss für eine effektive Fixierung der Innenschale im Abgaskrümmer Sorge getragen werden.
  • Diese Fixierung geschieht, wie in der DE 100 01 287 A1 beschrieben und in der zugehörigen Fig. 13 illustriert, dadurch, dass die Innenschale zwischen Außenschale und Anschlussflansch eingeklemmt wird, wobei die Klemmkraft durch die Befestigungselemente aufgebracht wird, die gleichzeitig für die Befestigung von Außenschale und Flansch am Zylinderkopf verantwortlich sind. In der EP 0 671 551 A1 wird die Klemmung der Innenschale im Flanschbereich durch die Eigenelastizität der Innenschale bewirkt, deren Rand gegen die Außenschale unter Pressung anliegt.
  • Aus der WO02/07301 A2 ist ein Abgaskrümmer zur Anbringung an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher folgende Merkmale aufweist:
    1. 1. Ein Abgassammelgehäuse zur Aufnahme von Abgas aus dem Zylinderkopf.
    2. 2. Einen innerhalb des Abgassammelgehäuses angeordneten Gasführungskanal.
    3. 3. Zwischen dem Abgassammelgehäuse und dem Gasführungskanal befindet sich ein Luftspalt.
    4. 4. Zwischen dem Abgassammelgehäuse und dem Zylinderkopf ist eine Dichtung angeordnet.
    5. 5. Das Abgassammelgehäuse weist Öffnungen auf, durch welche es mit dem Zylinderkopf verschraubt wird.
    6. 6. Der Gasführungskanal ist an seiner dem Zylinderkopf zugewandten Seite mit einem über wenigstens annähernd seinen gesamten Umfang umlaufenden Bund versehen, welcher zumindest mittelbar zwischen dem Abgassammelgehäuse und der Dichtungseinrichtung oder dem Zylinderkopf eingeklemmt ist.
    7. 7. Das Abgassammelgehäuse oder ein gegebenenfalls zwischen dem Abgassammelgehäuse und der Dichtungseinrichtung angeordnetes Niederhalterelement weist einen umlaufenden Rücksprung auf, in welchem der umlaufende Bund des Gasführungskanals derart geführt ist, dass zwischen dem Gasführungskanal und der Dichtungseinrichtung und/oder zwischen dem Gasführungskanal und dem Abgassammelgehäuse durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene Bewegungen möglich sind.
  • Alle drei Konstruktionen haben den Nachteil, dass den durch die Wärmeeinwirkung verursachten Bewegungen der Innenschalenstruktur kein oder kein effizient zu kontrollierender Freigang gewährt wird. In der DE 100 01 287 A1 wird unterstellt, dass die Klemmung durch unterschiedliches Anziehen der Schrauben so gesteuert werden könne, dass die thermische Dehnung der Innenschale nicht behindert wird. Das erscheint nicht praktikabel, denn das Anzugsmoment der Zylinderkopfschrauben muss auf jeden Fall so groß gewählt werden, dass der Abgaskrümmer unter Gewährung absoluter Abgas-Dichtheit am Motorblock sitzt. In der EP 0 671 551 A1 ist der thermischen Dehnung der Innenschale keine Rechnung getragen. Während der Erwärmungs- und Abkühlphasen bei Motorstart und -stopp werden Spannungen in die Innenschalenstruktur induziert, die bei dieser Konstruktion auch die Dichtheit der Klemmung beeinträchtigen könnten, da hier quasi selbsthemmend die Eigenelastizität der Innenschale verantwortlich ist für die Pressung gegen die Außenschale und damit für die Gasdichtheit der Innenschalenstruktur.
  • Ähnlich verhält es sich auch bei der Konstruktion der WO02/073010 A2 , da hier der aus stabilem Blech hergestellte innen liegende Gasführungskanal zwischen dem ebenfalls aus stabilem Blech hergestellten äußeren Abgassammelgehäuse und dem Zylinderkopf eingeklemmt wird, wodurch die Klemmkraft wie bei der DE 100 01 287 A1 von der Genauigkeit der Blechbearbeitung bei der Herstellung von Abgassammelgehäuse und Gasführungskanal abhängt. Außerdem ist der innere Gasführungskanal aus zwei Schalenteilen zusammengesetzt, wodurch der Herstellungsaufwand erhöht und das Gewicht vergrößert werden. Das ist unerwünscht.
    • Darstellung der Erfindung:
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskrümmer so zu konstruieren, dass die Innenschale zum Einen fest, das heißt vibrationsfrei gelagert ist und dass zum Anderen die thermische Ausdehnung der Innenschale gegenüber Flansch und Außenschale, vor allem bei den Temperaturänderungen in der Phase kurz nach Start und Stopp des Motors, ermöglicht wird, ohne dass diese Wärmedehnungen negativen Einfluss auf die vibrationsfreie Lagerung der Innenschale haben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers ist, dass er aus lediglich drei Komponenten besteht: dem Flansch, einer haubenförmigen Außenschale, die über ihren umlaufenden Bund mit dem Flansch verbunden ist, und einer Innenschale, die die gleiche haubenförmige Schalenform aufweist wie die Außenschale und mit ihrem Bund zwischen dem Bund der Außenschale und dem Flansch eingeklemmt ist. Kenzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Innenschale durch Ausbuchtungen entlang ihrer Bundfläche zwischen der Außenschale und dem Flansch in einer festen, definierten Position eingeklemmt wird. Es sind also keine weiteren Teile wie Befestigungselemente oder Dichtungseinrichtungen notwendig. Die Außenschale wird mit dem Flansch verschweißt oder verlötet. Im Falle der Verlötung wird der Flansch als Blechteil ausgebildet, der an den Rändern um den Rand der Außenschale gebördelt wird.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung in Form verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine Isometrieansicht des Abgaskrümmers,
    Fig. 2
    einen Querschnitt durch den Abgaskrümmer der Fig. 1,
    Fig. 3
    einen Querschnitt durch den Abgaskrümmer der Fig. 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
    Fig. 4
    einen Querschnitt durch den Abgaskrümmer der Fig. 1 gemäß einer dritten Ausführungsform,
    Fig. 5
    einen Längsschnitt durch den Abgaskrümmer der Fig. 4 entlang der Linie IV-IV in Fig. 4,
    Fig. 6
    einen Querschnitt durch den Abgaskrümmer der Fig. 1 gemäß einer vierten Ausführungsform,
    Fig. 7
    einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform,
    Fig. 8
    einen Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform,
    Fig. 9
    einen Längsschnitt durch den Abgaskrümmer der Fig. 8 entlang der Linie IX-IX der Fig. 8 und
    Fig. 10
    einen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform.
    Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Anwendbarkeit:
  • Die Fig. 1 zeigt eine isometrische Gesamtansicht eines Abgaskrümmers, die Fig. 2 bis 8 zeigen jeweils in Form von Längs- bzw. Querschnitten verschiedene Ausführungsformen der positionsfesten Anbringung der Innenschale im Bereich zwischen Außenschale und Flansch.
  • Bei allen in den Fig. 2 bis 10 dargestellten Ausführungsformen ist der prinzipielle Aufbau aus drei Basiskomponenten immer gleich: Ein Flansch 11, der an einem nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine befestigt wird, ist auf der Gasaustrittseite mit einer gasdichten Außenschale 20 überdeckt, in die wiederum eine Innenschale 30 eingebracht ist. Die Ausgestaltung der Außenschale 20 ändert sich dabei nicht. Sie ist aus Blech (z.B. 2 mm Wandstärke) geformt und besteht aus einem haubenförmigen Oberteil 21, an das ein umlaufender Bund 22 anschließt, der mit dem Flansch 11 verbunden ist. Die Gestaltung des Außenschalenbundes 22 ist dabei ebenfalls ein kennzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung: er besteht aus einem direkt an das haubenförmige Blechoberteil 21 rechtwinklig anschließenden, inneren Bundsegment 22', das in parallelem Abstand zur Fläche des Flansches 11 verläuft, und aus einem über ein schräges Blechsegment 23 anschließenden, äußeren Bundsegment 22", das auf dem Flansch 11 aufliegt, und mit ihm durch Schweißen oder Löten verbunden ist.
  • Die Innenschale 30 hat in ihrem haubenförmigen Oberteil 31 die gleiche Kontur wie das Oberteil 21 der Außenschale 20, mit dem offensichtlichen Unterschied, dass sie durch ihre kleinere Dimensionierung im Abstand eines Luftspaltes innerhalb des Oberteiles 21 der Außenschale 20 liegt. Der Innenschalenbund 32 liegt dabei in allen Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 bis 10 im Luftspalt zwischen innerem Außenschalenbund 22' und Flansch 11. Die Ausführungsformen in den Fig. 2 bis 10 unterscheiden sich lediglich in der Geometrie des Innenschalenbundes 22, der Ausgestaltung des Flansches 11 und im Einbringen zusätzlicher Klemm- bzw. Führungselemente im Bundbereich (Drahtringe 40 bzw. Zusatzblech 50).
  • Auf diese Ausführungsformen wird jetzt explizit eingegangen:
  • Fig. 2 zeigt einen Abgaskrümmer 10 im Querschnitt, welcher eine Innenschale 30 aufweist, deren Bund 32 auf dem Flansch 11 aufliegt und in den Luftspalt zwischen innerem Außenschalenbund 22' und Flansch 11 hineinragt. Die feste Klemmung der Innenschale wird dadurch erreicht, dass der Innenschalenbund 32 an seiner äußeren Kante aus der Bundfläche nach oben in Richtung des inneren Außenschalenbundes 22' austretende Ausbuchtungen 33 aufweist, die an dem inneren Außenschalenbund 22' punktförmig unter Pressung anliegen. Auf diese Weise wird die Innenschale 30 zwischen Außenschale 20 und Flansch 11 punktförmig fest eingeklemmt. Die durch die Flanschöffnung 13 aus dem nicht dargestellten Zylinder austretenden heißen Gase bewirken eine thermische Dehnung der gasführenden Innenschale 30. Diese thermische Dehnung bleibt vorteilsmäßig in einer flanschparallelen Richtung zwischen innerem Außenschalenbund 22' und Flansch 11 weiterhin möglich, ohne die formfeste Klemmung der Innenschale zu verschlechtern. Die Ausbuchtungen sind dabei nicht als durchgehende Rinne / Sicke ausgeformt, sondern noppenförmig mit einzelnen Erhebungen, die gegen die Außenschale 20 drücken, aber diese nur punktuell berühren, damit die Kontaktflächen und die darüber durch Wärmeleitung abströmenden Wärmeverluste der Innenschale 20 möglichst klein gehalten werden.
  • Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 2 dargestellten Innenschalenkonstruktion. Der Innenschalenbund 32 liegt am inneren Außenschalenbund 22' an und die Ausbuchtungen 33 am Rand des Innenschalenbundes 32 sind folglich auf die untere Seite, die Flanschseite, noppenförmig in punktuellem Kontakt mit dem Flansch 11 ausgebildet. Bei dieser Konstruktion ist zu erwähnen, dass aus der gasführenden Innenschale 30 durch den Zwischenraum zwischen den Ausbuchtungen 33 Abgas in den Luftspalt zwischen innerem Außenschalenbund 22' und Flansch 11 strömen könnte. Allerdings liegt hier kein Druckgefälle vor und deshalb sind diese Strömungs- und Wärmeverluste vernachlässigbar.
  • Vorteil dieser Konstruktion aber ist die kleine Kontaktfläche zwischen Innenschale 30 und Außenschale 20 und Flansch 11.
  • Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Innenschalenbund 32, ohne eine ungünstige breite Auflagefläche mit Außenschale 30 oder Flansch 11 zu bilden, mittig in den Luftspalt zwischen innerem Außenschalenbund 22' und Flansch 11 gelegt ist. Die positionsfeste Abstützung der Innenschale 30 wird dadurch erreicht, dass die Ausbuchtungen 33 am Rand des Innenschalenbundes 32 beidseitig ausgebildet sind und so die Innenschale 30 durch punktförmige Abstützung am inneren Außenschalenbund 22' und am Flansch 11 fixieren. Diese Bauform ist besonders verlustarm, weil hier flächenförmige Auflageflächen zwischen Innenschalenbund 32 und Flansch 11 bzw. innerem Außenschalenbund 22' nicht vorhanden sind, sondern die Innenschale 30 nur durch punktförmige Stützauflagen über die Ausbuchtungen 33 am Rand des Innenschalenbundes 32 fixiert wird. Auch hier ist prinzipiell ein Durchgang der Abgase aus der gasführenden Innenschale 30 in den Luftspalt zwischen Innen- 30 und Außenschale 20 möglich. Dieser Durchgang wird allerdings durch das fehlende oder geringe Druckgefälle in Relation zur entlang der weiterführenden Abgasrohrleitung herrschenden Druckdifferenz vernachlässigbar sein.
  • Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie IV-IV durch die Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes der Fig. 4. Die Ausbuchtungen 33 sind gleichmäßig wellenförmig am Rand des Innenschalenbundes 32 verteilt und stützen sich oben am Außenschalenbund 22' und unten am Flansch 11 ab.
  • Fig. 6 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des Abgaskrümmers 10. Der Innenschalenbund 32 liegt wie bei der Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt am inneren Außenschalenbund 22' an. Die Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 sind wie in Fig. 3 noppenförmig nach unten, gegen die Oberfläche des Flansches 11 ausgeformt, allerdings nicht am Rand des Innenschalenbundes 32 sondern etwas eingerückt, so dass auf die Ausbuchtungen 33 noch eine gerades, unverformtes Bundsegment folgt, das am inneren Außenschalenbund 22' anliegt. Zwischen dem äußeren Ende des Innenschalenbundes 32 und dem äußeren Außenschalenbund 22' ist allerdings noch genug Freiraum, um die thermische Ausdehnung der Innenschale 30 in diesem Bereich ungehindert zu ermöglichen.
  • Fig. 7 zeigt einen Aufbau ähnlich der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform. Allerdings reichen die Ausbuchtungen 33 nicht bis zur Oberfläche des Flansches 11. Die feste Klemmung der Innenschale 30 wird durch Drahtringe 40 erreicht, die zwischen Innenschalenbund 32 und Flansch 11 eingelegt sind. Die Drahtringe 40 sind dabei so eingelegt, dass die Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 sich zwischen ihnen befinden, so dass die Drahtringe 40 dadurch in Querrichtung fixiert sind. Die Innenschale 30 ist also nicht unmittelbar zwischen Flansch 11 und Außenschalenbund 22 eingeklemmt, sondern mittelbar zwischen den auf dem Flansch 11 auflegenden Drahtringen 40 und dem Außenschalenbund 22. Die Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 fungieren in dieser Ausführungsform als Führungen für die Drahtringe 40. Die Drahtringe 40 dienen aber nicht nur als Verklemmungselemente für die Innenschale 30 sondern auch als Führungselemente, entlang welcher die Innenschale 30 bei thermischer Ausdehnung gleiten kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kontaktfläche und demzufolge auch die damit verbundenen Wärmeverluste zwischen Drahtringen 40 und gaswärmeführender Innenschale 32 klein ist.
  • Fig. 8 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform, bei der gemäß Ausführungsform nach Fig. 4 die die Klemmwirkung entfaltenden Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 beidseitig ausgebildet sind. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform die Ausbuchtungen 33 in einem Abstand vom Rand des Innenschalenbundes 32 geformt und auf die Ausbuchtungen 32 folgt noch ein gerader unverformter Teil des Innenschalenbundes 32. Der Flansch 11 ist hier wie die Schalen 20, 30 des Abgaskrümmers 10 als Blechteil ausgebildet. Das Blech des Flansches 11 ist an seinen Rändern um den äußeren Bund 22' der Außenschale 20 gebördelt. Diese Umbördelung hat den Vorteil, dass Flansch 11 und Außenschale 20 zusammengehalten werden, und dass so eine Verlötung der Außenschale 20 mit dem Flansch 11 entlang des äußeren Außenschalenbundes 22' möglich ist. Zusätzlich bietet die Blechausführung des Flansches 11 den Vorteil, dass die Öffnung 13 des Flansches 11 nach oben in den Abgaskrümmer 10 hineingebogen werden kann, wobei der Durchmesser der Flanschöffnung 13 ähnlich wie bei einer Düse leicht zusammenläuft. Diese düsenähnliche Form der Flanschöffnung 13 bietet den Vorteil, dass die Hitze des Abgases schnell vom Flansch 11 weggeführt wird. Dadurch wird eine Verringerung der Wärmeverluste bewirkt, denn die Flanschtemperatur ist mit ca. 120 °C erheblich niedriger als die Abgastemperatur von bis zu 900 °C, weil der Flansch 11 auf dem (nicht dargestellten) Zylinderkopf befestigt wird. Dieser ist wie der gesamte Motorblock wassergekühlt und überschreitet Temperaturen von max. 120 °C nicht.
  • Fig. 9 stellt einen Längsschnitt entlang der Linie IX-IX durch die Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 in Fig. 8 dar. Die Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 sind hier gleichmäßig wellenförmig ausgestaltet und stützen sich abwechselnd nach oben gegen den inneren Außenschalenbund 22' und nach unten gegen den blechgeformten Flansch 11 ab. Dabei stehen diese Ausbuchtungen 33 immer nur über kleine, fast punktförmige Zonen mit Außenschale 20 und Flansch 11 in Berührung. Folglich bleiben die Wärmeverluste durch Wärmeleitung gering.
  • Fig. 10 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ausbuchtungen des Innenschalenbundes 32 im Abstand zum Rand und einseitig nach oben gegen den inneren Außenschalenbund 22' ausgeformt sind. Allerdings liegt der Innenschalenbund 32 unterseitig nicht auf dem Flansch 11 auf, sondern ist mittig im Luftspalt zwischen innerem Außenschalenbund 22' und Flansch 11 geführt. Die positionsfeste Verklemmung wird durch ein Zusatzblech 50 erreicht, das zwischen Innenschalenbund 32 und Flansch 11 eingelegt ist. Dieses Zusatzblech 50 liegt allerdings ebenfalls nicht über seine ganze Fläche auf dem verhältnismäßig kalten Flansch 11 auf, sondern ist durch eine ähnliche Formgestaltung wie der Innenschalenbund 32 nur in punktförmigem Kontakt mit dem Flansch 11. Zu diesem Zweck weist das Zusatzblech 50 überall dort, wo der Innenschalenbund 32 Ausbuchtungen 33 aufweist, ebenfalls Ausbuchtungen 52 auf, die spiegelbildlich entgegengesetzt sind. Das Zusatzblech 50 besitzt eine Öffnung 51, die mit dem Düsendurchmesser der Flanschöffnung 13 übereinstimmt. So liegt die Kantenfläche der Öffnung 51 des Zusatzbleches 50 bündig an dem nach innen zulaufenden Blech der Flanschöffnung 13 an. Die positionsfeste Verklemmung der Innenschale 30 findet demzufolge zwischen den Kontaktpunkten der Ausbuchtungen 33 des Innenschalenbundes 32 am inneren Außenschalenbund 22' und der Auflage des Innenschalenbundes 32 auf dem Zusatzblech 50 statt. Obwohl der Innenschalenbund 32 fast ganz auf dem Zusatzblech 50 aufliegt, sind die Wärmeverluste dennoch gering, weil das Zusatzblech 50 seinerseits nur über seine Ausbuchtungen 52 und über die Kantenfläche seiner Innenöffnung 51 mit dem kühleren Flansch 11 in Berührung ist. Ein weiter Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sich zwischen Zusatzblech 50 und Flansch 11 ein weiterer Luftspalt 60 bildet, der den durch die Flanschöffnung 13 strömenden heißen Abgasstrom (Temperatur bei etwa 900 °C) von der Oberfläche des Flansches 11 isoliert. Das ist besonders vorteilhaft, weil der Flansch 11 auch im Betriebszustand des Motors verhältnismäßig kühl bleibt, da er flächig auf dem wassergekühlten Zylinderblock (Temperatur bis 120 °C) befestigt wird. Durch diese Ausführungsform werden die unerwünschten Wärmeverluste des Abgasstromes demzufolge weiter reduziert.

Claims (14)

  1. Luftspaltisolierter Abgaskrümmer (10) für Brennkraftmaschinen, mindestens umfassend
    - einen Flansch (11) mit
    - Öffnungen (12) für Befestigungselemente
    - und Zylinderöffnungen (13), die mit den Zylinderauslasskanälen der Brennkraftmaschine fluchten,
    - eine gasdichte Außenschale (20) mit
    - einem haubenförmigen Oberteil (21)
    - und einem parallel zum Flansch (11) umlaufenden Außenschalenbund (22), der mit dem Flansch (11) verbunden ist,
    - und eine Innenschale (30) mit
    - einem haubenförmigen Oberteil (31)
    - und einem parallel zum Flansch (11) umlaufenden Innenschalenbund (32), der zwischen dem Außenschalenbund (22) und dem Flansch (11) eingeklemmt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der umlaufende Außenschalenbund (22) aus zwei parallel zueinander versetzten Bundsegmenten geformt ist:
    - einem direkt an dem haubenförmigen Oberteil (21) der Außenschale (20) anschließenden inneren Außenschalenbund (22'), der in parallelem Abstand zur Oberfläche des Flansches (11) verläuft,
    - und einem äußeren Außenschalenbund (22"), der auf der Oberfläche der Flansches (11) aufliegt,
    - wobei innerer und äußerer Außenschalenbund (22', 22") über eine Schräge (23) verbunden sind,
    - und der umlaufende Innenschalenbund (32)
    - zwischen dem inneren Außenschalenbund (22') und dem Flansch (11) liegt
    - und aus seiner flanschparallelen Bundfläche austretende Ausbuchtungen (33) aufweist, die punktförmig gegen die Fläche des inneren Außenschalenbundes (22') und/oder gegen die Fläche des Flansches (11) unter elastischer Pressung anliegen, und so eine feste Verklemmung der Innenschale (30) ohne zusätzliche Befestigungsmittel bewirken, wobei die Wärmeausdehnung des Innenschalenbundes (32) in paralleler Ebene zum Flansch (11) durch die Klemmung nicht behindert wird.
  2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) einseitig ausgebildet sind.
  3. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) beidseitig ausgebildet sind.
  4. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (33) im Längsschnitt gesehen gleichmäßig wellenförmig sind und der Innenschalenbund (32) unter elastischer Pressung abwechselnd nach oben gegen den inneren Außenschalenbund (22') und nach unten gegen den Flansch (11) punktförmig anliegt.
  5. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) an dessen äußerer Kante liegen.
  6. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) in einem Abstand von dessen äußerer Kante liegen.
  7. Abgaskrümmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Innenschalenbund (32) und Flansch (11) und/oder zwischen Innenschalenbund (32) und innerem Außenschalenbund (22') Drahtringe (40) eingelegt sind, wobei die Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) innerhalb der Drahtringe (40) liegen.
  8. Abgaskrümmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Innenschalenbund (32) und Flansch (11) ein Zusatzblech (50) eingelegt ist mit
    - Öffnungen (51), die mit den Öffnungen (13) des Flansches (11) übereinstimmen,
    - und Ausbuchtungen (52), die spiegelbildlich zu den Ausbuchtungen (33) des Innenschalbundes (32) ausgeformt sind,
    so dass die Ausbuchtungen (52) des Zusatzbleches (50) punktförmig gegen den Flansch (11) und die gegenüberliegenden Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) punktförmig gegen den inneren Außenschalenbund (22') unter elastischer Pressung anliegen.
  9. Abgaskrümmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (52) des Zusatzblechs (50) in Anzahl und Position mit den Ausbuchtungen (33) des Innenschalenbundes (32) übereinstimmen.
  10. Abgaskrümmer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zusatzblech (50) und Flansch (11) ein Luftspalt (60) besteht, der den Flansch (11) gegenüber den heißen Abgasen isoliert.
  11. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (11) als Gussteil ausgebildet ist und die Verbindung zwischen Außenschale (20) und Flansch (11) entlang des äußeren Außenschalenbundes (22") geschweißt ist.
  12. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (11) als Blechteil ausgebildet und um den Rand des äußeren Außenschalenbundes (22") gebördelt ist.
  13. Abgaskrümmer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (11) mit dem äußeren Außenschalenbund (22") verlötet ist.
  14. Abgaskrümmer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Zylinderöffnungen (13) des Flansches (11) nach Art einer Düse in den Abgaskrümmer (10) hineingebogen sind.
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