JP5208129B2 - 内燃機関に排気装置を接続するためのフランジ締付け装置 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念部に記載された内燃機関に排気装置を接続するためのフランジ締付け装置に関する。

内燃機関に排気装置を接続するためのフランジ締付け装置は知られている。このような装置は内燃機関の排気通路に排気管、特に排気マニホールドを接続する準備に使用される。この場合、このマニホールドは内燃機関からでる高温の排気ガスによって高い熱負荷を持っている。熱負荷で生じるマニホールドおよび／または内燃機関の排気口領域の寸法変化はフランジ締付け装置により接続を密封維持するような方法で吸収される。同時に、簡単な取付けおよび取外しが所望される。このため、例えば特許文献１のＤＥ４２０５４５４Ａ１ではマニホールドをシリンダヘッドに接続する装置が知られている。この装置では、マニホールドは締付けフランジを使って内燃機関の排気通路の領域に配置され、密封面の横でマニホールドの上部に力を作用させるねじボルトによって保持される。このねじボルトのねじ山はエンジンブロックと一体に形成された内ねじによって支持される。この装置および別に知られた装置の場合の欠点としては、特にマニホールドの熱膨張によって内燃機関のエンジンブロックに相対的に生じる長さ変化がマニホールドを保持するねじボルトの領域で横力となり、および／またはマニホールドの変形および／またはねじボルトの自由領域の変形となることである。さらなる欠点としては、一方では、通常使用する材料、すなわち内燃機関のエンジンブロック用のアルミニウムとマニホールドを保持するねじボルト用の鋼とは組合せによって腐食する傾向があり、また他方では強い熱影響によって錆びが生じるので、この装置は錆びる傾向があり、その結果、マニホールドを締付けるねじボルトの問題を内燃機関の長い使用年数に応じて解消することが依然として非常に難しいことがある。

ＤＥ４２０５４５４Ａ１

本発明の課題は、排気装置を内燃機関に接続するためのフランジ締付け装置であって、しかも前述の不利な点を回避する装置を提供することにある。

このため、内燃機関に排気装置を接続するためのフランジ締付け装置であって、内燃機関に形成され、締付けフランジのフランジ領域が挿入配置される少なくとも１つのアンダーカットと、内燃機関に配属されるねじ山にねじ込まれる少なくとも１つのねじボルトと、１つの端部とを備え、締付けフランジまたは締付けフランジに固定された排気装置の管、特にマニホールドを締付けながら作用する装置を提案する。この場合、ねじ山は取付要素に形成され、この取付要素は内燃機関のブラケットに移動可能に支持される。技術の現状で知られる実施形態に類似しマニホールドを締付けながら作用するねじボルトは、したがってねじ山で導かれる。このねじ山は取付要素に形成され、この場合、熱で引き起こされる特にマニホールドの寸法変化、さらに内燃機関、特にエンジンブロックの寸法変化による横力および変形を抑制するために移動可能に配置される。そのため、ねじボルトを案内するねじ山は固定されるのではなく、特に内燃機関のシリンダヘッドと一体に形成されるのではなく、シリンダヘッドまたは内燃機関に相対的に移動することができる。

好ましい実施形態において、取付要素は揺動取付要素であることが規定される。揺動取付要素は揺動軸のまわりに揺動するような取付要素である。
別の実施形態において、取付要素は滑り取付要素であることが規定される。滑り取付要素は、ねじボルトの縦広がりを横切って広がる滑り面で移動し、特に滑りながら移動する。

締付けフランジは密封平面で内燃機関に密着することがさらに規定される。したがって締付けフランジと内燃機関との間に平面が形成され、その平面に締付けフランジと内燃機関とが接触状態になり、その平面で密封される。

さらに好ましい実施形態において、取付要素は揺動軸のまわりに揺動可能であり、この揺動軸はねじボルトのねじボルト縦軸と直交して延び、かつねじボルト縦軸が含まれる締付け平面内に含まれ、この場合、締付け平面と密封平面とがなす角度は９０°であることが規定される。そのため取付要素はそれが揺動可能となる揺動軸を備える。揺動軸はねじボルト縦軸を横切り、ねじボルト縦軸に交差する。揺動軸はさらに、ねじボルト縦軸も含まれる締付け平面内に含まれ、締付け平面と密封平面とがなす角度は９０°である。

さらに好ましい実施形態において、締付け平面は、締付けフランジによって内燃機関に接続される排気装置の管、特にマニホールドの中心または略中心を通って広がることが規定される。これによって、締付け平面が、ねじボルトによって加えられた締付け力が管、特にマニホールドに作用する平面として、内燃機関の近辺と考えられるこの管のまさしく中心を通って広がることを意味する。また、これによって、特に熱膨張と熱変形を前提としては、締付け平面が、接続される管の中心を正確に通る必要はないことを意味する。特にエンジンブロックに付いている管のうち外側にある管（すなわち一番目または最後の管）においてよく観察されることであるが、例えば、管が高温ガスの領域で熱膨張により一方向または別の方向にわずかな距離だけ移動すると、これによって締付け平面に傾きが生じ、この傾きで締付け平面は管の中心を正確には通らず、この分だけ偏芯する。

別の実施形態において、滑り取付要素は締付け平面と角度９０°をなす移動方向に沿って移動可能であることが規定される。締付け平面（または、略締付け平面）において、ねじボルトによって力が付与されるが、この場合、移動方向において、熱による寸法変化、特に長さ変化により引き起こされるそれぞれの管の移動が内燃機関に相対的に生じる。滑り取付要素はこの移動方向に沿って正確に移動可能であるので、その結果、管に対するねじボルトの作用力が不利に変化することなく、管の長さ変化あるいは寸法変化が許容される。

さらに、ねじボルトは締付けフランジの一方側に位置し、かつ、フランジ領域は締付けフランジの反対側に配置されることが規定される。この際、締付けフランジは特に管の端部領域として形成されるが、この場合、ねじボルトは締付けフランジの一方側に位置し、あるいは作用する。これに対し、アンダーカットに挿入配置されるフランジ領域は締付けフランジの反対側に配置される。この方法で、管の略中心を通る作用力が発生し、ねじボルトのみで均一な力分解および締付け作用が生じる。

さらなる実施形態において、管、特にマニホールドは弾力性と柔軟性を有し、特にねじボルトの少なくとも作用領域で弾力性と柔軟性を有するよう形成されることが規定される。適切な材料を選択することによって、管の弾力性、特に弾性変形可能性は広範な範囲で自由に決めることができる。このように管に弾力性をもたせるように形成することで、ねじボルトの作用領域の初期力を広範に自由に決定することができる。これによって、管の寸法変化が熱で引き起こされる場合にも、確実で密接する締付け接続のための常に十分な初期力が生じる。このことは揺動取付要素内のねじボルトの揺動によっても不利に損なわれることがない。確かに、揺動軸まわりの揺動で揺動軸と作用領域との間の距離の変化が引き起こされるが、ねじボルトは当然この距離の変化に従うのではなく、ねじボルトの長さは不変のままである。このことから生じる長さの差は管の弾力性形成によって引き起こされる初期力によって不利な点もなく調整される。

さらに好ましい実施形態において、フランジ領域はアンダーカットとともに管、特にマニホールド（１９）の捩れ防止装置を形成することが規定される。この場合、フランジ領域とこれに対応するアンダーカットとは、これらが、例えば内燃機関に対して鼻部または管の接線方向に延びる支持領域の形成によって管の中心または中心外の回転点まわりに管の捩れを許さないように形成される。特にフランジ領域は、管と一体に管外周に配置された、接線方向の、片側の支持面として形成することができる。

さらなる有利な実施形態は従属請求項およびそれらの組合せから明らかとなる。
以下、発明を図面に基づいて詳細に説明する。

発明によるフランジ締付け装置の斜視図を示す。 発明によるフランジ締付け装置の縦断面図を示す。 発明によるフランジ締付け装置の横断面図を示す。

図１は部分的にしか示していない内燃機関２の図示しない排気装置のフランジ締付け装置１を示す。内燃機関２の過大寸法の壁開口３の下側にアンダーカット４が配置され、このアンダーカットは管６の下側に形成されるフランジ領域５と共同で作用する。フランジ領域５と一体に形成される管６は、軸方向に見て、端部領域７を内燃機関２の１つに向けて内燃機関２に取り付けられる。この場合、端部領域７は締付けフランジ８で形成され、この締付けフランジは、フランジ領域５の向かい合っている上部９において、ねじボルト１１が作用する作用領域１０を備える。ねじボルト１１は内燃機関の１つに配属され、ここでは取付要素１２に形成された見えないねじ山で締付けられる。取付要素１２はフランジ領域５の１つの向かい側で内燃機関２に形成されるブラケット１３で支持される。このため、ねじボルト１１はブラケット１３に開けられたブラケット穴１４に挿入されるが、ブラケット穴１４内でねじボルト１１の径方向遊びを生じさせるため、ブラケット穴１４の寸法はねじボルト１１の直径に比べて大きくする。取付要素１２は管６に背を向けてブラケット１３に向く取付要素上面１５が円柱の一部として形成され、取付要素上面１５は円柱の外面のように形成される。そのため取付要素１２の横断面は半円形または略半円形にされる。ブラケット１３はブラケット下面１６がこれに対応して適合する幾何形状を示す。この場合、取付要素上面１５およびブラケット下面１６は滑り面１７となる。したがって取付要素１２は滑り面１７で揺動軸１８のまわりに揺動可能となる。壁開口３の寸法は締付けフランジ８に対して大きいので、管６は水平方向Ｒ_Ｈにわずかに水平運動を行うことができる。この際、取付要素１２にはねじボルト１１を介し、この移動で生じる横力Ｑが作用し、これによって取付要素１２は揺動軸１８のまわりに揺動する。この場合、取付要素１２は取付要素上面１５およびブラケット下面１６、すなわち滑り面１７によってブラケット１３に滑り支持される。これによって、密封押圧が一定で良好な場合、特にマニホールド１９として形成される管６の熱膨張はねじボルト１１によって内燃機関２に対し均一にされる。

図２はフランジ締付け装置１の縦断面を示す。内燃機関２には、ねじボルト１１を取り囲むブラケット穴１４をあけたブラケット１３が配置され、そのブラケット１３に、図１に示す取付要素１２が揺動軸１８のまわりに揺動するように配置される。このため、ブラケット１３には袋状レセス２０が形成され、この袋状レセス２０は、図１に記載するような取付要素１２を少なくとも部分的に円柱状に、特に円柱の一部として実施され、その取付要素裏面の周囲が少なくとも部分的に取り囲まれ、したがって明確に限定された配置がブラケット１３内で可能になる。取付要素１２には、ねじ山２２が雌ねじ２３として設けられ、この雌ねじ２３に、ねじボルト１１の長さ方向の好ましい中間領域２５において雄ねじ２４が対応する。そのために、ねじボルト１１はねじ山２２内で軸を回転することによって長さ方向に調節され、これによって取付要素１２から下側に突出する押圧端２６までの長さの変化が生み出される。例えば押圧端の反対側となる頭部２７に形成される工具係合要素を使ってねじボルト１１をねじ山２２から緩めると、ねじボルト１１は管６に形成された締付けフランジ８から離れるように動く。それに反して、ねじボルト１１をねじ山２２にねじ込むと、ねじボルト１１は締付けフランジ８に接近するように動き、締付けフランジの作用領域１０に接して力Ｆ_Ｓを作用させるまでになる。力Ｆ_Ｓを伴う作用によって締付けフランジ８は、力Ｆ_Ｓのベクトル分解によって、一方では作用領域１０の反対側に配置されたフランジ領域５が、内燃機関２に配置された壁開口３のアンダーカット４内に押し込まれ、他方では管６の端部領域７の最外端の方向で内燃機関２に押し付けられる。このため内燃機関２には管支持面２８が設けられ、この場合、管支持面２８および管６の端部領域７は接触位置の密封平面２９で互いに対向する。排気ガスを通すため、管支持面２８には管６に通じるガス交換通路３０が通される。管支持面２８と管６の端部領域７との間には、材料の性質に基づいて管６と管支持面２８との間に密封が良好に働く、ここでは図示しないガスケットを配置するのが好ましい。力Ｆ_Ｓはねじボルト縦軸３１に沿って加えられるが、ねじボルト縦軸３１と揺動軸１８とで締付け平面３６が定まり、締付け平面３６は密封平面２９と角度９０°をなす。静止位置（特に内燃機関２および管６の常温状態の位置）で、締付け平面３６は締付けフランジ８の領域で管６の中心３７を通る。作用領域１０において締付け平面３６はベクトル分解により密接押圧力Ｆ_Ｄとフランジ締付け力Ｆ_Ｆに分解される。密接押圧力Ｆ_Ｄは管６の端部領域７を管支持面２８に、詳しく言うと密封平面２９に押し付け、一方、フランジ締付け力Ｆ_Ｆは管６のフランジ領域５をアンダーカット４内に押し込む。これによって、ねじボルト２７のみを使用して密封平面２９に最適に密封する場合、内燃機関２に対する締付けフランジ８、したがって管６の設置が確実で範囲が限定されたものになる。

図３は前記フランジ締付け装置１の横断面を示す。取付要素１２にねじ込まれたねじボルト１１は取付要素１２でねじボルト１１が支持されることで、管６の締付けフランジ８の作用領域１０に対する作用力Ｆ_Ｓが取付要素１２のブラケット１３側で支持されるよう作用する。締付けフランジ８はフランジ領域５が透視図法のため見えないアンダーカット４にはめ込まれて配置される。この場合、内燃機関２に形成される壁開口３内の締付けフランジ８は、特にマニホールド１９として形成される管６の熱膨張によって水平方向Ｒ_Ｈに水平移動Ｖ_Ｈすることができる。力Ｆ_Ｓは締付けフランジ８の作用領域１０に導入される。その場合、取付要素１２内のねじボルト１１は取付要素１２を介してブラケット１３に支持されるので、取付要素１２により支持力Ｆ_Ａがブラケット１３へ導入される。また、フランジ締付け力Ｆ_Ｆはアンダーカット４を介して内燃機関２に導入される。わずかな水平移動Ｖ_Ｈによって取付要素１２は揺動軸１８のまわりに揺動するが、この場合、前に図１および図２で記載したように、取付要素１２はブラケット１３に支持される。この揺動運動によって取付要素１２と作用領域１０との間隔ｄが大きくなるが、ねじボルト１１の押圧端２６までの長さは同じであり、ねじボルト１１は軸方向位置に関し不変のままで取付要素１２に留まるので、作用領域１０に作用する力Ｆ_Ｓはわずかに減少する。これを十分調整するために、ねじボルト１１は締付けフランジ８の静止位置で、力Ｆ_Ｓが作用領域１０を介して管６に初期応力をもたらすよう十分にねじ込まれる。このことは、少なくとも締付けフランジ８の領域で管６を弾性材料３２で構成することで特に有利となり、材料選択を適切に行い、特に適切な金属合金によって、良好な初期応力をもたらすこのような弾力性は問題なく引き起こすことができる。フランジ領域５はここでは管６に一体に形成された鼻部３３の形態で実施される。この場合、鼻部３３はその鼻部下側３４がアンダーカットに平行になるようにされる。これによって、フランジ領域５とアンダーカット４の共同作用で管６に関する捩れ防止装置が壁開口３における管配置に生じる。

１ フランジ締付け装置
２ 内燃機関
３ 壁開口
４ アンダーカット
５ フランジ領域
６ 管
７ 端部領域
８ 締付けフランジ
９ 上部
１０ 作用領域
１１ ねじボルト
１２ 取付要素
１３ ブラケット
１４ ブラケット穴
１５ 取付要素上面
１６ ブラケット下面
１７ 滑り面
１８ 揺動軸
１９ マニホールド
２０ 袋状レセス
２１ 取付け要素裏面
２２ ねじ山
２３ 雌ねじ
２４ 雄ねじ
２５ 中央領域
２６ 押圧端
２７ 頭部
２８ 管支持面
２９ 密封平面
３０ ガス交換通路
３１ ねじボルト縦軸
３２ 弾性材料
３３ 鼻部
３４ 鼻部下側
３５ 捩れ防止装置
３６ 締付け平面
３７ 中心
Ｒ_Ｈ 水平方向
Ｑ 横力
Ｆ_Ｓ 力
Ｆ_Ｄ 密接押圧力
Ｆ_Ｆ フランジ締付け力
Ｆ_Ａ 支持力
Ｖ_Ｈ 水平移動
ｄ 間隔

Claims (10)

1. 内燃機関に排気装置を接続するためのフランジ締付け装置であって、内燃機関に形成され、締付けフランジのフランジ領域が挿入配置される少なくとも１つのアンダーカットと、内燃機関に配属されるねじ山にねじ込まれる少なくとも１つのねじボルトと、を備え、ねじボルトの押圧端が締付けフランジまたは締付けフランジに固定された排気装置のマニホールドの管を締付けながら作用する装置において、
   ねじ山（２２）は取付要素（１２）に形成され、この取付要素（１２）は内燃機関（２）のブラケット（１３）に移動可能に支持される
   ことを特徴とするフランジ締付け装置。
2. 取付要素（１２）は揺動取付要素であることを特徴とする請求項１に記載のフランジ締付け装置。
3. 取付要素（１２）は滑り取付要素であることを特徴とする請求項１または２に記載のフランジ締付け装置。
4. 内燃機関（２）と管（６）の端部とが同一の密封平面（２９）にて密着することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフランジ締付け装置。
5. 取付要素（１２）は揺動軸（１８）のまわりに揺動可能であり、この揺動軸（１８）はねじボルト（１１）のねじボルト縦軸（３１）と直交して延び、かつねじボルト（１１）のねじボルト縦軸（３１）と揺動軸（１８）とで定まる締付け平面（３６）と、内燃機関（２）と管（６）の端部とが密着する密封平面（２９）とがなす角度は９０°であることを特徴とする請求項２に記載のフランジ締付け装置。
6. ねじボルト（１１）のねじボルト縦軸（３１）と揺動軸（１８）とで定まる締付け平面（３６）は、締付けフランジ（８）によって内燃機関（２）に接続される排気装置のマニホールド（１９）の管（６）の中心軸または中心軸付近を通って広がることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフランジ締付け装置。
7. 滑り取付要素はねじボルト（１１）のねじボルト縦軸（３１）と揺動軸（１８）とで定まる締付け平面（３６）と角度９０°をなす移動方向に沿って移動可能であることを特徴とする請求項３に記載のフランジ締付け装置。
8. ねじボルト（１１）は締付けフランジ（８）の上側に位置し、かつ、内燃機関に形成されたアンダーカットに挿入されるフランジ領域（５）は締付けフランジ（８）の下側に配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のフランジ締付け装置。
9. マニホールド（１９）の管（６）は、少なくともねじボルト（１１）の作用力が作用する作用領域（１０）で弾力性と柔軟性を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のフランジ締付け装置。
10. フランジ領域（５）が管（６）に一体に形成された鼻部（３３）であり、鼻部（３３）はその鼻部下側（３４）がアンダーカット（４）に平行になるようにされることでマニホールド（１９）の管（６）の内燃機関（２）に対する捩れ防止装置を形成することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のフランジ締付け装置。

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