[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.
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 läat sich durch den Einsatz gebauter Abgaskrümmer eine Gewichtsreduktion
von etwa 50 % gegenüber gegossenen Abgaskrümmern erzielen. Dies trägt vorteilhaft
zu einer Reduzierung des Fahrzeuggesamtgewichts und damit zur Kraftstoffersparnis
bei.
[0003] Problematisch bei den bekannten Anordnungen mit Hohlstrukturteilen, die zunegmend
auch als luftspaltisolierte Hohlstrukturteile mit einem Innenmantel und einem Außenmantel
eingesetzt werden, its die Anbindung an weitere Bauteile, wie z.B. Flanche. 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
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. Rohrartige Hohlstruktur 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. Rohrartige Hohlstruktur 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. Rohrartige Hohlstruktur 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.