WO2009003668A1 - Verbindungseinrichtung zur befestigung eines auslasskrümers am zylinderkopf eines verbrennungsmotors - Google Patents

Verbindungseinrichtung zur befestigung eines auslasskrümers am zylinderkopf eines verbrennungsmotors Download PDF

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fastening
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exhaust manifold
internal combustion
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Ingo Janthur
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Borgwarner Inc.
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    • F16L23/036—Flanged joints the flanges being connected by members tensioned axially characterised by the tensioning members, e.g. specially adapted bolts or C-clamps

Definitions

  • the invention relates to a connecting device for fastening an exhaust manifold on the cylinder head of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Exhaust manifolds for the management of exhaust gases from internal combustion engines are subjected to high loads, which are both mechanical and thermal nature.
  • the thermal loads generate considerable strains, which lead to internal voltage states, but also large external stresses.
  • the reason for this is, in particular, that the cylinder head to which the exhaust manifold is attached is usually liquid-cooled. As a result, it not only maintains a relatively constant temperature, but also hardly changes its dimensions due to the expansion.
  • load changes of the motor cause sector significant changes in the temperature of the gases flowing through and correspondingly significant changes in the dimensions of the manifold, in multi-cylinder engines, especially in the longitudinal direction of the manifold.
  • Previous systems essentially provide for firmly fixing the exhaust manifold to the cylinder head.
  • the exhaust manifold is bolted to the cylinder head with a flange.
  • a seal compensates for any unevenness and roughness between the affected surfaces.
  • the seal In systems with a so-called "soft seal", the seal usually sets after some time, the bias of the seal decreases, thereby allowing the exhaust manifold to expand against the cylinder head. This at least until the game is used up in the holes and the screws abut the edges of the holes. Thereafter, a compression of the manifold flange, which can lead to a plastic deformation with cracking occurs.
  • At least one mounting rail is preferably provided for fastening the exhaust manifold with a metal layer seal, which initially leads the exhaust manifold only by positive engagement and positioned in its position holds. By means of at least one further fastening rail of the exhaust manifold is then clamped defined. Thus he can expand himself arbitrarily.
  • the flange of the Auslasskrümmers is held in a kind of fit from the mounting rails. These allow by their geometry a distance as required exactly for the bead of the metal layer seal.
  • the bias of the seal is thus only by the dimensions of the Krümmerflansches and the mounting rails, which only cause a clamping function generated.
  • the bead is thus not compressed when tightening the elbow union with high torques to block, but can act resilient, allow relative movements and exert the intended sealing effect.
  • the exhaust manifold is held in a system of mounting rails, on the one hand allow easy installation and on the other hand are easy to manufacture.
  • a, usually the lower mounting rail with a slope or a shoulder, which forms a groove with the cylinder head surface be carried out, whereby a simple mounting of the exhaust manifold is made possible during assembly.
  • the other, usually upper rail can be mounted in by simply placing. It forms with a corresponding, provided in a particularly preferred embodiment, cutout on the exhaust manifold and a protruding abutment surface for bracing the rail system in which the exhaust manifold can expand.
  • the metal sheet gasket is clamped between the exhaust manifold and the cylinder head abutment surface.
  • the distance from the Flanschauflage to the milled always smaller than that on the mounting rail of the support to the contact surface of the bracing.
  • the fastening material of the mounting rails can be substantially less high quality than the Auslasskrümmermaterial, since it is not exposed to any special thermal stresses, but has substantially the temperature of the cooled cylinder head.
  • FIG. 1 shows a schematically greatly simplified illustration of a first embodiment of a connecting device according to the invention in a state mounted on a cylinder head
  • FIG. 1 corresponding representation of a second embodiment
  • FIG. 2A is a partial view of FIG. 2 to illustrate an alternative embodiment of this embodiment
  • Fig. 3, 4 are plan views of the connecting device according to the invention.
  • a first embodiment of a connecting device 1 according to the invention for fastening an exhaust manifold 2 is shown on a cylinder head 3 of an internal combustion engine, not shown.
  • the connecting device 1 has a pair of fastening rails 4 and 5.
  • the rail 4 represents the upper fastening rail and the rail 5 the lower fastening rail.
  • the mounting rails are 4 and 5 at associated flange sides 6 and 7 of the exhaust manifold, to which they are fixed with an associated screw 13 and 14 on the cylinder head 3.
  • the screw connections 13 and 14 can be constructed from a plurality of screw connections, depending on the size of the exhaust manifold 2 to be fastened, as can be seen in FIGS. 3 and 4.
  • a metal layer seal 15 is provided between the flange sides 6 and 7 of the exhaust manifold 2 and the respectively opposite region of the cylinder head 3.
  • the upper fastening rail 4 has a bracing element 8 which is pressed by the screw connection 13 against a projection 9 of the associated flange side 7 of the outlet bend 2.
  • the projection 9 is in this case produced by a cutout 12 introduced into the flange 7, as shown in detail in FIG. 1.
  • the lower mounting rail 5 has a bevel 10 or forms with the cylinder head a groove 18 (see Fig. 2A), which cooperates with a complementarily shaped contact surface 11 of the mounting rail 5 associated flange 6 of the exhaust manifold.
  • This training can be used as an assembly aid by the exhaust manifold 2 is suspended in the lower mounting rail 5, as explained above.
  • FIG. 2 is substantially the same as that of FIG. 1, so that all matching features are provided with the same reference numerals.
  • FIG. 2 The difference in the embodiment of FIG. 2 can be seen in the formation of the upper mounting rail 4, which consists in this case of individual annular verformelten with peripheral edge 19 Verspannettin 16 and rests on the projection 9, as shown in detail in FIG results.
  • the separate bracing elements can be seen in FIG.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung (1) zur Befestigung eines Auslasskrümmers (2) am Zylinderkopf (3) eines Verbrennungsmotors, wobei durch mindestens eine Befestigungsschiene (4, 5) oder separate Einzelverspannelemente (16), die im Montagezustand an zugeordneten Flanschseiten (6, 7) des Auslasskrümmers (2) anliegen, zwischen den Flanschseiten (6, 7) und dem Zylinderkopf (3) eine Metalllagendichtung (15) angeordnet ist.

Description

Verbindungseinrichtung zur Befestigung eines Auslasskrümmers am Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung zur Befestigung eines Auslasskrümmers am Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Auslasskrümmer für die Führung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren sind hohen Belastungen ausgesetzt, die sowohl mechanischer als auch thermischer Natur sind. Die thermischen Belastungen erzeugen erhebliche Dehnungen, die zu internen Span- nungszuständen, aber auch großen äußeren Spannungen führen. Der Grund hierfür ist insbesondere, dass der Zylinderkopf, an dem der Auslasskrümmer befestigt wird, meist flüssigkeitsge- kühlt ist. Dadurch behält er nicht nur eine relativ konstante Temperatur bei, sondern ändert auch kaum seine Abmessungen infolge der Ausdehnung. Dagegen bewirken Laständerungen des Mo- tors erhebliche Veränderungen der Temperatur der durchströmenden Gase und entsprechend erhebliche Änderungen der Dimensionen des Krümmers, bei mehrzylindrigen Motoren insbesondere in Längsrichtung des Krümmers.
Bisherige Systeme sehen im Wesentlichen vor, den Auslasskrümmer fest am Zylinderkopf zu fixieren. Dazu wird der Auslasskrümmer mit einem Flansch am Zylinderkopf verschraubt. Eine Dichtung gleicht dabei etwaige Unebenheiten und Rauhigkeiten zwischen den betroffenen Oberflächen aus.
Bei Systemen mit einer sog. "Weichstoffdichtung" setzt sich zumeist die Dichtung nach einiger Zeit, die Vorspannung der Abdichtung lässt nach und ermöglicht dadurch dem Auslasskrümmer, sich gegenüber dem Zylinderkopf auszudehnen. Dies jedenfalls solange, bis das Spiel in den Bohrungen aufgebraucht ist und die Schrauben an den Rändern der Bohrungen anliegen. Danach erfolgt eine Stauchung des Krümmerflansches, was bis zu einer plastischen Verformung mit Rißbildung führen kann.
Es ist auch versucht worden, die Ausdehnung des Auslasskrümmers weitgehend zu gestatten, indem die Schraubenvorspannung erheblich reduziert wird. Jedoch lässt sich damit wegen der Reibung im Gewinde und unter dem Schraubenkopf bzw. der Mutter nur ungenügend genau eine präzise Vorspannung einhalten, so- dass die Gefahr einer unzureichenden und/oder ungleichmäßigen Befestigung des Krümmers besteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungseinrichtung zur Befestigung eines Auslasskrümmers am Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die im Betrieb des Verbrennungsmotors eine beliebige Ausdehnung des Auslasskrümmers ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Im Einzelnen ist vorzugsweise zur Befestigung des Auslasskrümmers mit einer Metalllagendichtung mindestens eine Befestigungsschiene vorgesehen, die den Auslasskrümmer zunächst nur durch Formschluß führt und positioniert in seiner Lage hält. Mittels mindestens einer weiteren Befestigungsschiene wird der Auslasskrümmer dann definiert verspannt. Somit kann er sich beliebig ausdehnen.
Dabei wird der Flansch des Auslasskrümmers in einer Art Passung von den Befestigungsschienen gehalten. Diese gewähren durch ihre Geometrie einen Abstand, wie er genau für die Sicke der Metalllagendichtung erforderlich ist. Die Vorspannung der Dichtung wird somit nur durch die Abmessungen des Krümmerflansches und die der Befestigungsschienen, die lediglich eine Klemmfunktion bewirken, erzeugt. Die Sicke wird also beim Anziehen der Krümmerverschraubung auch mit hohen Drehmomenten nicht auf Block zusammengepresst, sondern kann federnd wirken, Relativbewegungen zulassen und die vorgesehene Dichtwirkung ausüben.
Zweckmäßigerweise wird der Auslasskrümmer in einem System aus Befestigungsschienen gehalten, die einerseits eine problemlose Montage gestatten und andererseits leicht zu fertigen sind.
Dabei kann vorzugsweise eine, zumeist die untere Befestigungsschiene mit einer Schräge oder einem Absatz, der mit der Zylinderkopffläche eine Nut bildet, ausgeführt sein, wodurch ein einfaches Einhängen des Auslasskrümmers bei der Montage möglich gemacht wird. Anschließend kann die andere, zumeist obere Schiene in durch einfaches Aufsetzen angebracht werden. Sie bildet mit einer entsprechenden, bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehenen Ausfräsung am Auslasskrümmer und einer überstehenden Anlagefläche für die Verspannung das Schienensystem, in dem sich der Auslasskrümmer ausdehnen kann.
Die Metalllagendichtung wird zwischen dem Auslasskrümmer und der Zylinderkopfanlagefläche eingespannt. Dabei ist, unter Berücksichtigung der Dicke der Metalllagendichtung, am Krümmer die Distanz von der Flanschauflage bis zur Ausfräsung immer kleiner als diejenige an der Befestigungschiene von der Auflage bis zur Anlagefläche der Verspannung.
Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung zählt zunächst, dass die Bearbeitung des Auslasskrümmers wesentlich vereinfacht wird. Es müssen keine Löcher für die Stehbolzen bzw. Schrauben üblicher Befestigungseinrichtungen gebohrt oder als Langloch ausgeführt werden. Vielmehr reicht es, eine mehr oder weniger durchgehende ebene Fläche für die Verspannung zu bearbeiten.
Am Auslasskrümmer kann ferner erheblich an Flanschmaterial eingespart werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Befestigungsmaterial der Befestigungsschienen wesentlich weniger hochwertig sein kann als das Auslasskrümmermaterial, da es keinen besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, sondern im Wesentlichen die Temperatur des gekühlten Zylinderkopfs hat.
Schließlich kann das übliche Drehmoment-Anzugsverfahren für die Verschraubung beibehalten werden. Es ist nicht notwendig ein die Genauigkeit erhöhendes Drehwinkelanzugsverfahren einzuführen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt: Fig. 1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung in an einem Zylinderkopf montierten Zustand,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 2A eine Teilansicht der Fig. 2 zur Verdeutlichung einer alternativen Ausgestaltung dieser Ausführungsform, und
Fig. 3, 4 Draufsichten auf die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung .
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung 1 zur Befestigung eines Auslasskrümmers 2 an einem Zylinderkopf 3 eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors dargestellt.
Die Verbindungseinrichtung 1 weist ein Paar von Befestigungsschienen 4 und 5 auf. Hierbei stellt gemäß der in Fig. 1 gewählten Darstellung die Schiene 4 die obere Befestigungsschiene und die Schiene 5 die untere Befestigungsschiene dar.
Wie der in Fig. 1 dargestellte Montagezustand zeigt, liegen die Befestigungsschienen 4 und 5 an zugeordneten Flanschseiten 6 und 7 des Auslasskrümmers an, wozu sie mit einer zugeordneten Verschraubung 13 bzw. 14 am Zylinderkopf 3 fixiert werden. Die Verschraubungen 13 und 14 können je nach Größe des zu befestigenden Auslasskrümmers 2 aus einer Mehrzahl von Schraubverbindungen aufgebaut werden, wie sich dies aus den Fig. 3 und 4 ergibt. Zwischen den Flanschseiten 6 und 7 des Auslasskrümmers 2 und dem jeweils gegenüber angeordneten Bereich des Zylinderkopfes 3 ist eine Metalllagendichtung 15 vorgesehen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist die obere Befestigungsschiene 4 ein Verspannelement 8 auf, das durch die Verschraubung 13 gegen einen Vorsprung 9 der zugeordneten Flanschseite 7 des Auslasskrümmers 2 gedrückt wird. Der Vorsprung 9 wird hierbei durch eine in den Flansch 7 eingebrachte Ausfräsung 12 erzeugt, wie sich dies im Einzelnen aus Fig. 1 ergibt.
Die untere Befestigungsschiene 5 weist eine Schräge 10 auf oder bildet mit dem Zylinderkopf eine Nut 18 (siehe Fig. 2A) , die mit einer komplementär ausgebildeten Anlagefläche 11 der dieser Befestigungsschiene 5 zugeordneten Flanschseite 6 des Auslasskrümmers 2 zusammenwirkt. Diese Ausbildung kann als Montagehilfe verwendet werden, indem der Auslasskrümmer 2 in die untere Befestigungsschiene 5 eingehängt wird, wie dies eingangs erläutert wurde.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist im Wesentlichen gleich ausgebildet wie diejenige der Fig. 1, so dass alle übereinstimmenden Merkmale mit denselben Bezugsziffern versehen sind.
Der Unterschied bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist in der Ausbildung der oberen Befestigungsschiene 4 zu sehen, die in diesem Falle aus einzelnen kreisringförmigen mit umlaufendem Rand 19 versehenen Verspannelementen 16 besteht und am Vorsprung 9 anliegt, wie sich dies im Einzelnen aus Fig. 2 ergibt. Die separaten Verspannelemente sind in Fig. 4 erkennbar.
Zur Ergänzung der schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den Fig. 1-4 verwiesen. Bezugszeichenliste
1 Verbindungseinrichtung
2 Auslasskrümmer
3 • Zylinderkopf
4, 5 Befestigungsschienen für Verspannung und Formschluß
6, 7 Flanschseiten des Auslasskrümmers 2
8 Anlagefläche für Verspannung
9 Vorsprung
10 Schräge
11 komplementäre Anlagefläche
12 Ausfräsung
13, 14 Verschraubungen
15 Metalllagendichtung
16 Verspannelement mit umlaufendem Bund
17 Abgesetzte Fläche/Absatz für Nutbildung mit Zylinderkopffläche
18 Nut
19 Umlaufender Bund am Verspannelement
20 Bearbeitungsfreigang für ebene Anlagefläche der Ver- schraubung
A Pfeil zur Verdeutlichung der Strömungsrichtung der Abgase

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungseinrichtung (1) zur Befestigung eines Auslasskrümmers (2) am Zylinderkopf (3) eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch mindestens ein Befestigungselement (4, 5), das im Montagezustand an zugeordneten Flanschseiten (6, 7) des Auslasskrümmers (2) anliegt, wobei zwischen den Flanschseiten (6, 7) und dem Zylinderkopf (3) eine Metalllagendichtung (15) angeordnet ist.
2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungselement zumindest eine Befestigungsschiene (4, 5) vorgesehen ist.
3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Befestigungsschienen (4, 5) vorgesehen sind und eine (4) der Befestigungsschienen (4, 5) eine Anlagefläche (8) für eine Verspannung aufweist, die mit einem durch eine Ausfräsung (12) gebildeten Vorsprung (9) der zugeordneten Flanschseite (7) zusammenwirkt.
4. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die andere (5) der Befestigungsschienen (4, 5) eine Schräge (10) aufweist, die mit einer komplementär ausgebildeten schrägen Anlagefläche (11) der zugeordneten Flanschseite (6) zusammenwirkt.
5. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die andere (5) der Befestigungsschienen (4, 5) einen Absatz (17) aufweist, der mit einer komplementär ausgebildeten Anlagefläche (11) der zugeordneten Flanschseite (6) zusammenwirkt und eine .Nut (18) bildet.
6. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungselement mehrere Ein- zelverspannelemente (16) vorgesehen sind, die mit einem durch eine Ausfräsung (12) gebildeten Vorsprung (9) der zugeordneten Flanschseite (7) zusammenwirken.
7. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsschienen (4, 5) oder die Einzelverspannelemente (16) mittels einer Ver- schraubung (13, 14) am Zylinderkopf (3) fixierbar sind.
8. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubung (13, 14) auch die Funktion der Einzelverspannelemente (16) übernimmt .
9. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelverspannelemente (16) eine nicht rotationssymmetrische Außenkontur aufweisen.
10. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelverspannelemente (16) zylinderförmig ausgebildet sind und einen umlaufenden Bund (19) aufweisen.
PCT/EP2008/005328 2007-06-29 2008-06-30 Verbindungseinrichtung zur befestigung eines auslasskrümers am zylinderkopf eines verbrennungsmotors WO2009003668A1 (de)

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