WO1988002060A1 - System for fixing exhaust gas pipes - Google Patents

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WO1988002060A1
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cylinder head
pipes
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Herbert Deutschmann
Gerd-Michael Wolters
Otto Reifenscheid
Original Assignee
Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gm
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00Exhaust 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
    • F01N13/18Construction facilitating manufacture, assembly, or disassembly
    • F01N13/1805Fixing exhaust manifolds, exhaust pipes or pipe sections to each other, to engine or to vehicle body

Definitions

  • the invention relates to a device for holding exhaust pipes according to the preamble of claim 1, as is known for example from DE-OS 31 50 001.
  • Exhaust manifold and exhaust pipes of an internal combustion engine shown in DE-PS 26 53 263 are also arranged in an exhaust gas-tight space.
  • the exhaust manifold is made up of pipe sections that are plugged into one another, which should allow unimpeded length compensation.
  • the disadvantage is that the exhaust pipes, which transfer the fuel gases from the cylinder heads to the exhaust manifold, are welded to the pipe sections of the exhaust manifold.
  • the flue pipes are screwed to the flanges with two screws on the water-cooled housing of the gas-tight room. Since the flanges are thus cooled, they are easily able to absorb forced deformations that result from the clamping by several
  • the invention has for its object to hold the exhaust pipes so that in view of the optimal charging without disturbing cooling of the exhaust pipes and the mounting area in any temperature range and especially at the highest temperatures no significant forces occur in the clamping area, and still a safe and immovable Seat of the exhaust pipes is guaranteed.
  • Fig. 1 shows a cross section through a
  • Piston internal combustion engine with an exhaust gas-tight space in the area between rows of cylinders arranged in a V-shape; _ i _
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view corresponding to FIG. 1 in the area of the attachment of an exhaust pipe to the cylinder head;
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 with a different design of the fastening point and different position of the fastening screw;
  • Fig. 4 is also a Fig. 2 corresponding representation with an articulated attachment of the exhaust pipe.
  • FIGS. 2, 3 and 4 show possible configurations of the fastening area of a corresponding exhaust gas line 6.
  • the flange 8 used for fastening is designed in one piece with the exhaust gas line 6 according to FIGS. 2 and 3.
  • the flange and the fastening areas on the otor are designed such that the fastening screws 7 are approximately parallel to the axial extension direction of the exhaust gas line 6.
  • the cylinder head and cylinder crankcase are shaped in this way. that the flow is still diverted in the cylinder head. It is then possible to screw in the fastening screws 7 from above and from outside the gas-tight space 2.
  • the tightness of the screws can advantageously be checked from the outside.
  • each exhaust pipe 6 is fastened to the cylinder head 9 at only one circumferential point on the flange 8, no constraining forces can occur on the clamping due to different temperature conditions on the exhaust pipes and cylinder head or cover hood, which stress the wall material in terms of strength. So that the radial deformation of the exhaust pipe is not hindered, lateral radial clearance is provided in the fastening area all around t ' ⁇ .
  • the ' flange 8 of an exhaust pipe 6 is preferably designed as an annular circumferential collar which is guided radially between wall parts of the cylinder head and the cover or the radial end face of a shielding ring 10. This radial guidance prevents the clamping area from being stressed in terms of strength under dynamic stress due to bending vibrations of the exhaust pipes.
  • the circumferential ring-shaped collar thus represents an axially supportable edge.
  • the passage openings between the cylinder head and the gas-tight space are sealed by means of seals 11, which lie behind a shielding ring 10.
  • the shielding ring protects the seals 11 from excessive heating. These seals are necessary because there must be a gap between the cylinder crankcase and the cylinder heads if the combustion chamber chamber is to be sealed against the cylinder heads.
  • the exhaust pipe 6 is articulated to a flange 8 which is formed by clamping rings.
  • the clamping rings are made in two parts and screwed together.
  • the exhaust pipe 6 is rotatably supported by spherical ring-shaped surfaces on the clamping rings and corresponding surfaces on a collar molded onto the exhaust pipe 6.
  • the clamping rings holding the exhaust gas line 6 are attached to the cover 3 to the exhaust gas-tight space 2 at only a single circumferential point.
  • radial clearance for expansion is provided on the circumference of the clamping rings.
  • the clamping rings are supported in a radial guide which allows radial but not axial movements directed orthogonally to the support surface.
  • the other end of the exhaust gas line 6 can, however, not lie on the outer circumference without a gap on the edges of the openings of the exhaust gas collection pipe which are bent up to form an annular bead.
  • the clamping rings according to FIG. 4 are fastened by means of a fastening screw 7 lying parallel to the direction of extension of the exhaust pipe.
  • the cylinder head, exhaust pipe and cover hood are designed so that the exhaust pipe is attached to the cover hood and the screw head is opposite the cylinder head walls after mounting the cover hood. This has the advantage that the fastening screws are secured against loosening.
  • the exhaust pipes 6 are designed as castings. This has the advantage that the pipes can be optimally priced in an inexpensive manner
  • the exemplary embodiments shown in the figures show an embodiment of the exhaust pipes and the fastening region, which represents a continuous, kink-free forwarding of the exhaust port of the cylinder head.
  • the fastening flange on the exhaust pipe in such a way that a constriction with subsequent expansion of the pipe cross section is provided in the cylinder head following the flow diversion.
  • a large flange area is then formed which is suitable for the attachment is cheap.
  • a constriction following a flow diversion with subsequent expansion can also be advantageous for fluidic reasons. Due to the centrifugal forces in a curved channel, the pressure of the flow medium is higher in the outer area than in the inside. After a deflection, a sudden increase in pressure can lead to a flow separation, which is weakened by the narrowing with subsequent expansion.

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Description

Einrichtung zur Halterung von Abgasleitungen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Halterung von Abgasleitungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 31 50 001 als bekannt hervorgeht.
In der oben genannten DE-OS 31 50 001 ist eine Brennkraftmaschine mit V-förmiger Reihenanordnung der Zylinder dargestellt. Die Abgassammelleitung, sowie die die Brenngase von den Austrittsöffnungen der Zylinderköpfe zur Abgassammelleitung überführenden Abgasleitungen liegen vollständig in einem abgasdichten Raum, der vom V-förmigen, durch eine Abdeckhaube abgedeckten Ausschnitt des Zylinderkurbelgehäuses gebildet wird. Durch die Anordnung innerhalb des abgasdichten Raums müssen die Abgasleitungen nicht gekühlt werden, wodurch der Energieinhalt der Abgase erhalten bleibt und die Aufladung verbessert wird. Allerdings werden wegen der hohen Temperaturen auch höchste Ansprüche an Material und Ausführung der Abgasleitungen und ihre Halterungen gestellt. Die Abgasleitungen sind in Steckverbindungen an der Abgassammelleitung festgelegt. Die anderen Enden münden frei in die Auslaßöffnungen am Zylinderkopf. Bei der Halterung am Abgassammeirohr sind die infolge Temperaturverzugs auftretenden Kräfte relativ gering, da infolge der etwa gleich hohen Temperaturen der Abgasleitungen und des Abgassammelrohrsxein entsprechender Temperaturverzug stattfindet. Da die zylinderkopfseitigen Enden frei sind, ist insbesondere auch eine ungehinderte zwangskraftfreie Längenausdehnung möglich. Nicht zu vermeiden sind radial wirkende Einspannkräfte im Bereich der Steckverbindung, die für einen sicheren Sitz der Abgasleitungen erforderlich sind. Im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine sind die Temperaturen der Abgase und damit der Abgasleitungen aber so hoch, daß das Material auch nicht mehr kleinen Kräften standhalten kann. Dies führt infolge der dort wirkenden Einspannkräfte im Einspannbereich zu bleibenden Verformungen und damit zum Nachlassen der Einspannwirkung bei Abkühlung. Insbesondere im Teillastbetrieb ist dann kein sicherer, einwandfreier Sitz der Abgasleitungen mehr gewährleistet. Bei ständiger - dynamischer Beanspruchung würde dies sehr bald zu Beschädigungen des Abgasleitungssystems führen. Ferner ist die Ausführung der Einsteckhalterung recht aufwendig. Insbesondere können auch Schweißnähte nicht vermieden werden, die unter hoher Temperaturbelastung Schwachstellen darstellen.
Ebenfalls in einem abgasdichten Raum angeordnet sind Abgassammelrohr und Abgasleitungen einer in der DE-PS 26 53 263 aufgezeigten Brennkraftmaschine. Hier ist die AbgasSammelleitung aus ineinandergesteckten Rohrabschnitten aufgebaut, was ungehinderten Längenausgleich zulassen soll. Nachteilig ist, daß die Abgasleitungen, die die Brenngase von den Zylinderköpfen zum Abgassammeirohr überführen, an den Rohrabschnitten der AbgasSammelleitung angeschweißt sind. Zylinderkopfseitig sind die Abgasleitungen an Flanschen jeweils mit zwei Schrauben auf dem wassergekühlten Gehäuse des abgasdichten Raums festgeschraubt. Da die Flansche somit gekühlt sind, sind sie ohne weiteres in der Lage, ZwangsVerformungen aufzunehmen,, die sich aus der Einspannung durch mehrere
Befestigungsschrauben ergeben. Allerdings ist in diesem Fall ein kompliziertes wassergekühltes Gehäuse von Nöten, das auch den Bereich der Zylinderkopfaustrittsöffnungen umfaßt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abgasleitungen so zu haltern, daß im Hinblick auf die optimale Aufladung ohne störende Kühlung der Abgasleitungen und des Befestigungsbereichs in allen Temperaturbereichen und insbesondere auch bei höchsten Temperaturen keine nennenswerten Kräfte im Einspannbereich auftreten, und dennoch ein sicherer und unverrückbarer Sitz der Abgasleitungen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch Einpunktbefestigung der mit den Abgasleitungen verbundenen Flansche am Zylinderkopf oder anderen Teilen der Brennkraftmaschine ist es ausgeschlossen, daß radiale oder axiale ZwangsSpannungen auftreten, die bei hoher Temperaturbelastung zur Zerstörung des Werkstoffes der Abgasleitungen führen würden. Eine sichere und dauerhafte Verbindung gewährleisten Befestigungsschrauben, die von ausserhalb des abgasdichten Raumes eingeschraubt werden, und die Flansche der Abgasleitungen an jeweils einer Umfangssteile punktförmig haltern.
Ausführungsbeispiele zur Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine
Kolbenbrennkraftmaachine mit einem abgasdichten Raum im Bereich zwischen V-förmig angeordneten Zylinderreihen; _ i _
Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Querschnittsansicht im Bereich der Befestigung einer Abgasleitung am Zylinderkopf;
Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung mit anderer Ausbildung der Befestigungsstelle und anderer Lage der Befestigungsschraube;
Fig. 4 eine ebenfalls Fig. 2 entsprechende Darstellung mit gelenkiger Befestigung der Abgasleitung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt durch eine Kolbenbrennkraftmaschine 1 mit V-förmiger Anordnung der Zylinderreihen befindet sich ein abgasdichter Raum 2 im V-förmigen, durch eine Abdeckhaube 3 abgedeckten Ausschnitt des Zylinderkurbelgehäuses 4. Im abgasdichten Raum 2 befindet sich die Abgassammelleitung 5, in die über die Abgasleitungen 6, die von den Zylinderköpfen 9 abgeführten Brenngase zugeführt werden. Die Abgasleitungen 6 sind in Flanschen 8 mittels Befestigungsschrauben 7 an jeweils einer Umfangsstelle am Zylinderkopf 9 befestigt.
Fig. 2, 3 und 4 zeigen mögliche Ausbildungen des Befestigungsbereichs einer entsprechenen Abgasleitung 6. Der zur Befestigung dienende Flansch 8 ist nach den Figuren 2 und 3 einstückig mit der Abgasleitung 6 ausgeführt. Nach Fig. 2 sind der Flansch und die Befestigungsbereiche am, otor so ausgebildet, daß die Befestigungsschrauben 7 ungefähr parallel zur axialen Erstreckungsrichtung der Abgasleitung 6 liegen. Fig. 3 zeigt dagegen eine Ausbildung, bei der die Befestigungsschrauben 7 ungefähr quer zur Rohrachse liegen. Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse sind dabei so geformt. daß die strömungsumlenkung noch im Zylinderkopf erfolgt. Es ist dann die Möglichkeit gegeben, die Befestigungsschrauben 7 von oben und von außerhalb des abgasdichten Raums 2 einzuschrauben. Somit läßt sich der Festsitz der Schrauben vorteilhaft von außen kontrollieren.
Da jede Abgasleitung 6 an jeweils nur einer Umfangsstelle am Flansch 8 durch jeweils eine Befestigungsschraube 7 am Zylinderkopf 9 befestigt ist, können an der Einspannung keine Zwangskräfte infolge unterschiedlicher Temperaturverhältnisse an Abgasleitungen und Zylinderkopf bzw. Abdeckhaube auftreten, die das Wandmaterial festigkeitsmäßig beanspruchen. Damit die radiale Verformung der Abgasleitung nicht behindert wird, ist im Befestigungsbereich rundum t'^ seitlicher radialer Freiraum vorgesehen. Der' Flansch 8 einer Abgasleitung 6 ist vorzugsweise als ringförmig umlaufender Bund ausgebildet, der zwischen Wandteilen des Zylinderkopfs und der Abdeckhaube bzw. der radialen Stirnfläche eines Abschirmringes 10 radial geführt ist. Durch diese radiale Führung wird verhindert, daß bei dynamischer Beanspruchung infolge Biegeschwingungen der Abgasleitungen der Einspannbereich festigkeitsmäßig beansprucht wird. Der ringförmig umlaufend ausgebildete Bund stellt also eine axial abstützbare Kante dar.
Die Durchtrittsöffnungen zwischen Zylinderkopf und abgasdichtem Raum werden mittels Dichtungen 11, plie hinter einem Abschirmring 10 liegen, abgedichtet. Der Abschirmring schützt die Dichtungen 11 vor zu starker Erwärmung. Diese Dichtungen sind erforderlich, weil sich zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfen ein Spalt befinden muß, wenn die Abdichtung des Brennkammerraumes gegen die Zylinderköpfe gewährleistet sein soll. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist die Abgasleitung 6 gelenkig mit einem Flansch 8 verbunden, der durch Klemmringe gebildet wird. Die Klemmringe sind aus Montagegründen zweitteilig ausgeführt und miteinander verschraubt. Durch kugelringförmige Flächen an den Klemmringen und entsprechende Flächen an einem an die Abgasleitung 6 angeformten Bund ist die Abgasleitung 6 drehbeweglich gehaltert. Dennoch wird die radiale Ausdehnung im Befestigungsbereich nicht behindert, da die die Abgasleitung 6 haltenden Klemmringe an jeweils nur einer einzigen Umfangsstelle - punktförmig - an der Abdeckhaube 3 zum abgasdichten Raum 2 befestigt sind. Ebenso wie für den starr mit der Abgasleitung 6 verbundenen Flansch 8 ist am Umfang der Klemmringe radialer Freiraum zur Ausdehnung vorgesehen. An einer weiteren Umfangsstelle oder auch am gesamten Umfang sind die Klemmringe in einer radialen Führung abgestützt, die radiale aber nicht axiale, orthogonal zur Stützfläche gerichtete Bewegungen erlaubt. Das andere Ende der Abgasleitung 6 kann, wie jedoch nicht dargestellt, am Außenumfang spaltfrei an den zu einem Ringwulst aufgebogenen Rändern der Öffnungen des Abgassammeirohrs anliegen. So kommt eine nahezu dichte Überleitung der Brenngase vom Zylinderkopf zum Abgassammeirohr zustande. Wegen der gelenkigen Halterung der Abgasleitungen in den Klemmringen bewirken Verschiebungen des Abgassammeirohrs infolge der Temperaturlast keine oder kaum nennenswerte Kräfte in der Halterung. Eine möglichst verlustfreie Überleitung der Brenngase ist aber erwünscht, da dann der größtmögliche Energieinhalt der Abgase zur Abgasturbine des Abgasturboladers gelangt. Im Gegensatz hierzu sind bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2 und 3 gewisse Verluste hinzunehmen, da bei einer nicht gelenkigen Halterung die Abgasleitung, wie in Figur 1 dargestellt, in einem Abstand vor der Abgassammelleitung endet.
Die Befestigung der Klemmringe nach Figur 4 erfolgt mittels einer parallel zur Erstreckungsrichtung der Abgasleitung liegenden Befestigungsschraube 7. Zylinderkopf, Abgasleitung und Abdeckhaube, sind dabei so ausgeführt, daß die Befestigung der Abgasleitung an der Abdeckhaube erfolgt und nach Montage der Abdeckhaube der Schraubenkopf ZylinderkopfWandungen gegenüberliegt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß die Befestigungsschrauben gegen Lösen gesichert sind.
Die Abdichtung des Durchgangs zwischen Zylinderkopf und Abgasleitung erfolgt mit einer im kühleren Bereich auf dem Außenumfang der den Flansch 8 bildenden Klemmringe .liegenden Dichtung 11.
In den Ausführungsbeispielen sind die Abgasleitungen 6 als Gußteile ausgeführt. Dies hat den,Vorteil.,, daß sich, die Rohre in preisgünstiger Weise mit optimal den
Strömungsverhältnissen angepaßter Form herstellen lassen. Bei angegossenem Flansch werden insbesondere festigkeitsmindernde Schweißnähte oder ähnliches vermieden.
Die in den Figuren aufgezeigten Ausführungsbeispiele zeigen eine Ausbildung der Abgasleitungen und des Befestigungsbereichs, der eine kontinuierliche knickfreie Weiterleitung des Auslaßkanals des Zylinderkopfs darstellt. Es ist jedoch auch durchaus denkbar, den Befestigungsflansch am Abgasrohr so anzuformen, daß im Anschluß an die Strömungsumleitung im Zylinderkopf eine Verengung mit anschließender Erweiterung des Rohrquerschnitts vorgesehen ist. Es wird dann ein großer Flanschbereich gebildet, der für die Befestigung günstig ist. Auch aus strömungstechnischen Gründen kann eine Verengung im Anschluß an eine Strömungsumleitung mit anschließender Erweiterung vorteilhaft sein. Infolge der Fliehkräfte in einem gekrümmten Kanal ist der Druck des Strömungsmediuius im äußeren Bereich höher als innen. Nach einer Umlenkung kann es dann durch einen plötzlichen Druckanstieg zu einer Strömungsablösung kommen, die durch die Verengung mit anschließender Erweiterung abgeschwächt wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Einrichtung zur Halterung von die Brenngase von den Austrittsöffnungen der Zylinderköpfe einer Brennkraftmaschine zu einem Abgassammeirohr weiterleitenden Abgasleitungen, die ebenso wie die Abgassammelleitung vollständig in einem abgasdichten Raum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abgasleitung (6) an ihrem zylinderkopfseitigen Ende mit einem Flansch (8) verbunden ist, und der Flansch (8) an nur einer einzigen Umfangsstelle - punktförmig - an der Brennkraftmaschine befestigt ist.
I
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (8) an wenigstens einer zusätzlichen Umfangsstel¬ le eine Führung besitzt, die Schwenkbewegungen des Flansches (8) verhindert, aber Bewegungen in der Erstreckungsebene des Flansches (8) zuläßt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Flansch (8) einstückig mit der Abgaslei¬ tung' (6) ausgeführt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Flansch (8) kugelringförmige Flächen besitzt, in denen ein mit der Abgasleitung verbundener Bund gelenkig gelagert ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Flansches (8) an Begrenzungswandungen von den abgasdichten Raum bildenden Wandteilen erfolgt.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Flansches (8) am Zylinderkopf (9) erfolgt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Befestigung des Flansches (8) jeweils mittels einer von außerhalb des abgasdichten Raums (2) einschraubbaren Befestigungsschraube (4) erfolgt.
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EP (1) EP0282497B1 (de)
JP (1) JPS63502684A (de)
DE (2) DE3631312C1 (de)
ES (1) ES2005904A6 (de)
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WO (1) WO1988002060A1 (de)

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