Doppelwandige Abgasleitung mit Flansch

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur angefügten Flansch. Die betreffende Hohlstruktur ist zweischalig aufgebaut und besitzt einen Außenmantel und einen Innenmantel.

[0002] Derartige Anordnungen kommen in der Praxis insbesondere als Abgaskrümmer zum Einsatz (z.B. EP 073 5251). Für eine schnellere Aufheizung von Katalysatoren werden zunehmend als Ersatz für Gusskrümmer sogenannte gebaute Abgaskrümmer eingesetzt, die in der Regel aus einer Mehrzahl von Bauteilen schweißtechnisch zusammengefügt werden. Dies erfolgt auch vor dem Hintergrund, dass bei modernen Verbrennungskraftmaschinen höhere Abgastemperaturen auftreten, was bei den derzeit verwendeten Gusswerkstoffen Probleme hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit hervorrufen kann. Zudem lässt sich durch den Einsatz gebauter Abgaskrümmer eine Gewichtsreduktion von etwa 50 % gegenüber gegossenen Abgaskrümmem erzielen. Dies trägt vorteilhaft zu einer Reduzierung des Fahrzeuggesamtgewichts und damit zur Kraftstoffersparnis bei.

[0003] Problematisch bei den bekannten Anordnungen mit Hohlstrukturteilen, die zunehmend auch als luftspaltisolierte Hohlstrukturteile mit einem Innenmantel und einem Außenmantel eingesetzt werden, ist die Anbindung an weitere Bauteile, wie z.B. Flansche. Die zur Zeit am häufigsten für Bauteile von rohrartigen Hohlstrukturen angewandte Verbindungstechnik ist das Schmelzschweißen. Es muss jedoch ein in der Regel sehr dünnwandiger Innenmantel mit üblichen Dicken zwischen 0,3 mm bis 1,0 mm mit einem tragenden Außenmantel mit einer Dicke von etwa 1,5 mm bis 2,5 mm und mit einem Flansch verschweißt werden. Im Bereich eines Zylinderkopfs angeordnete Kopfflansche bzw. die dem Zylinderkopf abgewandten Schlussflansche besitzen in üblicher Bauart Dicken von etwa 8 mm bis 12 mm. Zur gegenseitigen Fügung dieser Bauteile wird in der Regel zunächst der Innenmantel in den Außenmantel eingeführt und in die Durchströmöffnung des Flansches gesteckt und anschließend gemeinsam mit diesem verschweißt.

[0004] Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass Schweißspritzer auf den Innenflächen des Innenmantels anhaften, die nachträglich entfernt werden müssen. Dies ist mit einem hohen Nacharbeitsaufwand verbunden. Ein Schweißvorgang am Außenumfang des Außenmantels, wobei gleichzeitig durch den Außenmantel der Innenmantel aufgeschmolzen wird, ist nicht mit der hinreichenden Prozesssicherheit beherrschbar und daher kein für die Serienfertigung geeigneter Lösungsweg.

[0005] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine aufzuzeigen, welche unter Vermeidung von Schweißspritzern im Innenmantel prozesssicher und fertigungstechnisch günstig mit einem Flansch verbindbar ist.

[0006] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur, bei welcher der Innenmantel flanschseitig aus dem Außenmantel heraus geführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung einen Endabschnitt des Außenrohrs außenumfänglich umgreift. Dabei ist die Bördelung zusammen mit dem Endabschnitt in den Flansch eingesteckt und an der der Mündung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches mit diesem stoffschlüssig verbunden.

[0007] Bei dieser Ausgestaltung der rohrartigen Hohlstruktur werden Schweißspritzer an der Innenfläche des Innenmantels verhindert, da die stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißnaht, in vorteilhafter Weise auf der der Mündung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches vorgesehen ist.

[0008] Es ist zwar prinzipiell möglich, zunächst den Innenmantel mit dem Außenmantel zu verschweißen und über einen zweiten Schweißvorgang den Außenmantel am Flansch zu befestigen, zweckmäßigerweise ist jedoch nur ein Schweißvorgang vorgesehen, bei dem der Außenmantel, der Innenmantel und der Flansch gemeinsam in einem Arbeitsvorgang verschweißt werden können. Hierzu ist nach Patentanspruch 2 beabsichtigt, dass die der Stirnseite des Endabschnitts abgewandte Stirnfläche der Bördelung in geeigneter Weise an dem Flansch ausgerichtet ist, so dass der Flansch, die Bördelung bzw. der Innenmantel sowie der Außenmantel mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht miteinander verschweißbar sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Stirnfläche der Bördelung mit dem Flansch in einer gemeinsamen Radialebene liegt. Diese Radialebene kann auch an einem eine zentrale Durchströmöffnung des Flansches umgebenden Kragen vorgesehen sein, wobei das mit der Bördelung versehene Ende der Hohlstruktur in die Durchströmöffnung eingesteckt ist.

[0009] Der Flansch braucht dabei nicht notwendigerweise massiv ausgeführt zu sein, sondern kann auch ein mit einem zentralen Durchzug versehener Blechflansch sein. Ein Vorteil eines solchen Flansches ist, dass der Schweißprozess mit gleichmäßigerem und geringerem Wärmeeinsatz durchführbar ist, so dass das Risiko thermisch bedingter Verwerfungen reduziert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der die rohrartige Hohlstruktur aufnehmende Kragen etwa die gleiche Wanddicke wie die Hohlstruktur besitzt. Geringere Ausschussraten bei gleichzeitiger Verbesserung der Fertigungsqualität sind möglich. Aus Blech gefertigte Flansche verringern zudem den Masseneinsatz gegenüber massiv ausgeführten Flanschen.

[0010] Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung, da Übergänge von großen Wanddicken auf sehr geringe Wanddicken und die damit einher gehenden Spannungsspitzen weitestgehend vermieden werden. Da die vorgesehene Schweißnaht am Außenumfang entlang eines größeren Radius geführt wird, treten zudem geringere Biegespannungen am Innenmantel auf. Dieser erfährt durch die Eingliederung zwischen dem Endabschnitt des Außenmantels und dem Flansch zusätzlich eine spannungsreduzierende Klemmung.

[0011] Mit der Erfindung ist zudem eine einfachere Montage als bei bekannten Anordnungen möglich, da insbesondere ein aus Schalen aufgebauter Außenmantel durch Einstecken in die Bördelung des Innenmantels bereits eine Vorfixierung erfährt. Im Stand der Technik war bislang eine Punktschweißung zur Fixierung für den nachfolgenden Schweißvorgang erforderlich. Diese Punktschweißung kann vollständig entfallen.

[0012] Die rohrartige Hohlstruktur ist nicht auf kreisrunde Querschnitte des Innenmantels und des Außenmantels beschränkt, sondern es kommen grundsätzlich auch ovale oder mehreckig ausgestaltete Hohlstrukturen in Frage. Die rohrartige Hohlstruktur ist zudem für alle Abgas führenden Leitungsstränge verwendbar, die über Flansche mit weiteren Komponenten zu koppeln sind. Fertigungstechnisch lassen sich die Bördelungen sowohl an einem rohrartigen als auch einem schalenartig aufgebauten Innenmantel ausbilden. Bei einem schalenartigen Innenmantel ist dieser zweckmäßigerweise vor dem Bördelvorgang zu einer Hohlstruktur gefügt, die anschließend mit dem Flansch und dem Außenmantel verbunden wird.

[0013] Die Anordnung kann in der Ausgestaltung eines Abgaskrümmers selbstverständlich in Abhängigkeit von der Anzahl der Abgasauslässe mehrere eingangsseitige Kopfflansche und ausgangsseitige Schlussflansche besitzen.

[0014] Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert.

[0015] Figur 1 zeigt im Querschnitt den Endbereich einer Anordnung 1 zur Führung von Abgas einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Die Anordnung 1 umfasst eine doppelwandig ausgestaltete Hohlstruktur 2 mit einem tragenden Außenmantel 3 und einem Abgas leitenden Innenmantel 4. Die Wanddicke des Außenmantels 3 beträgt ein Mehrfaches des Innenmantels 4. Die Wanddicke des Innenmantels 4 liegt zwischen 0,3 mm und 1 mm, während die Wanddicke des Außenmantels 3 zwischen 1,5 mm und 2,5 mm liegt. Zwischen dem Innenmantel 4 und dem Außenmantel 3 ist ein Luftspalt 5 vorhanden.

[0016] In Richtung der Mündung 6 der Hohlstruktur 2 ist der Außenmantel 3 in einem Übergangsabschnitt 7 konisch verjüngt. An den Übergangsabschnitt 7 schließt sich ein im Durchmesser verjüngter Endabschnitt 8 des Außenmantels 3 an, welcher derart bemessen ist, dass er den Innenmantel 4 an seinem Außenumfang kontaktiert.

[0017] Der Innenmantel 4 erstreckt sich mündungsseitig 6 über den Endabschnitt 8 des Außenmantels 3 hinaus und ist rückwärtig um 180° zu einer im Querschnitt U-förmigen Bördelung 9 umgeformt. Hierbei umgreift die Bördelung 9 in ihrem Verlauf zunächst bogenförmig und im Abstand die Stirnseite 10 des Endabschnitts 8 und erstreckt sich dann parallel zu diesem in Abkehr von der Mündung 6 parallel in Richtung zum konischen Übergangsabschnitt 7 des Außenmantels 3. Die dem Übergangsabschnitt 7 zugewandte Stirnfläche 11 der Bördelung 9 liegt in einer gemeinsamen Radialebene RE mit einem eine Durchströmöffnung 12 umgebenden Kragen 13 eines Flansches 14. Der Flansch 14 ist als Blechflansch ausgestaltet, wobei die zentrale Durchströmöffnung 12 mit dem umgebenden Kragen 13 durch ein Blechumformverfahren hergestellt ist.

[0018] Nach der Positionierung der Hohlstruktur 2 in dem Kragen 13 des Flansches 14 und insbesondere nach der Ausrichtung der Stirnfläche 11 der Bördelung 9 in der Radialebene RE des Kragens 13 erfolgt eine schweißtechnische Festlegung der Hohlstruktur 2 an dem Flansch 14 durch Herstellung einer umlaufenden Kehlnaht 16 am Außenumfang 15 des Außenmantels 3 im Übergangsbereich zwischen dem Übergangsabschnitt 7 und dem Endabschnitt 8 sowie der Radialebene RE des Kragens 13. Dabei wird die zwischen dem Kragen 13 und dem Endabschnitt 8 eingefasste Bördelung 9 stoffschlüssig fixiert. Durch diese Ausgestaltung sind in einem einzigen Arbeitsgang sowohl der Innenmantel 4 als auch der Außenmantel 3 stoffschlüssig mit dem Flansch 14 verbunden, ohne dass durch Schweißspritzer im Mündungsbereich 6 der Hohlstruktur 2 bedingte Nacharbeiten erforderlich sind.

Bezugszeichenaufstellung

[0019] 

1 -

Anordnung

2 -

Hohlstruktur

3 -

Außenmantel

4 -

Innenmantel

5 -

Luftspalt

6 -

Mündung

7 -

Übergangsabschnitt

8 -

Endabschnitt

9 -

Bördelung

10 -

Stirnseite v. 8

11 -

Stirnfläche

12 -

Durchströmöffnung

13 -

Kragen

14 -

Flansch

15 -

Außenumfang

16 -

Kehlnaht

Ansprüche

1. Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur (2) angefügten Flansch (14), wobei die Hohlstruktur (2) einen Außenmantel (3) und einen Innenmantel (4) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) flanschseitig aus dem Außenmantel (3) herausgeführt ist und mit einer nach außen gerichteten Bördelung (9) einen Endabschnitt (8) des Außenmantels (3) außenumfänglich umgreift, wobei die Bördelung (9) zusammen mit dem Endabschnitt (8) in den Flansch (14) eingesteckt ist und an der der Mündung (6) der Hohlstruktur (2) abgewandten Seite des Flansches (14) mit diesem stoffschlüssig verbunden ist.

2. Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Stirnseite (10) des Endabschnitts (8) abgewandte Stirnfläche (11) der Bördelung (9) derart an dem Flansch (14) ausgerichtet ist, dass der Flansch (14), die Bördelung (9) und der Außenmantel (3) mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht (16) verschweißbar sind.

3. Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (14) einen eine zentrale Durchströmöffnung (12) umgebenden Kragen (13) aufweist, mit welchem die Hohlstruktur (2) im Eingriff steht und verschweißt ist.

4. Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (4) und/oder der Außenmantel (3) jeweils aus miteinander verbundenen Schalen gebildet sind.

Claims

1. An arrangement for guiding exhaust gases of an internal combustion engine with at least one flange (14) attached to the end of a hollow structure (2), the hollow structure (2) having an outer surface (3) and an inner surface (4), characterised in that the inner surface (4) is taken out of the outer surface (3) on the flange side and engages, by an outwardly directed beading (9), around an end portion (8) of the outer surface (3) over the external periphery thereof, the beading (9) together with the end portion (8) being pushed into the flange (14) and, on the side of the flange (14) remote from the orifice (6) of the hollow structure (2), being materially connected to said flange (14).

2. An arrangement for guiding exhaust gases of an internal combustion engine according to claim 1, characterised in that the end face (11) of the beading (9) remote from the end face (10) of the end portion (8) is so aligned at the flange (14) that the flange (14), the beading (9) and the outer surface (3) are weldable with a single peripheral fillet weld (16).

3. An arrangement for guiding exhaust gases of an internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterised in that the flange (14) comprises a collar (13) surrounding a central flowthrough opening (12), with which collar the hollow structure (2) is in engagement and welded.

4. An arrangement for guiding exhaust gases of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the inner surface (4) and/or the outer surface (3) are each formed from interconnected shells.

Revendications

1. Agencement pour le guidage de gaz d'échappement d'une machine à combustion avec au une extrémité d'une structure creuse (2) raccordée à une bride (14), dans lequel la structure creuse (2) possède une enveloppe extérieure (3) et une enveloppe intérieure (4), caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (4) côté bride est menée hors de l'enveloppe extérieure (3) et enserre sur la périphérie extérieure avec un bordage dirigé vers l'extérieur (9) un tronçon d'extrémité (8) de l'enveloppe extérieure (3), dans lequel le bordage (9) est enfiché conjointement avec un tronçon d'extrémité (8) dans la bride (14) et est raccordé sur le côté de la bride (14), détourné de l'embouchure (6) de la structure creuse (2) avec celle-ci en liaison par engagement positif avec la matière.

2. Agencement pour le guidage de gaz d'échappement d'une machine à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face frontale (11) du bordage (9) détournée du côté frontal (10) du tronçon d'extrémité (8) est alignée de telle sorte sur la bride (14) que la bride (14), le bordage (9) et l'enveloppe extérieure (3) sont soudables au moyen d'une seule soudure en congé circulaire (16).

3. Agencement pour le guidage de gaz d'échappement d'une machine à combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bride (14) présente un collet (13) entourant une ouverture d'écoulement centrale (12), avec lequel la structure creuse (2) se trouve en prise et est soudée.

4. Agencement pour le guidage de gaz d'échappement d'une machine à combustion selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (4) et/ou l'enveloppe extérieure (3) sont respectivement formées à partir de coques raccordées ensemble.

Zeichnung