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Die
Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.
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Aus
der
DE 42 22 104 A1 ist
ein insbesondere gußeisener
Auspuffkrümmer
für eine
Brennkraftmaschine bekannt, der mindestens einen in den Auspuffkrümmer eingesetzten
Rohrabschnitt aus dünnwandigem,
temperaturbeständigem
Material aufweist. Es ist vorgesehen, daß der Rohrabschnitt nachträglich eingesetzt
wird. Zur Abstandshaltung des Rohrabschnitts gegenüber der
Innenwand des Auspuffkrümmers
kann letztere mit kleinen Butzen, Leisten oder Sicken versehen sein.
Der Rohrabschnitt schirmt den als Wärmesenke wirkenden massiven
Auspuffkrümmer
zumindest teilweise gegen den Abgasstrom ab, so daß Wärmeverluste
des Abgases vermindert sind und ein nachgeschalteter Katalysator
rascher auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird.
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Die
EP 0 582 985 A1 beschreibt
einen Abgaskrümmer
zur Abgasführung
aus einem Verbrennungsmotor, welcher aus einem mehrere Innenschalen
umfassenden Innenkrümmer
und einer diesen mit Abstand umgebenden Außenschale besteht, welche aus
an ihren Rändern
miteinander verbundenen Schalenteilen gebildet ist, und den Innenkrümmer an seinen
in Flanschmittel geführten
Enden umschließt. Der
Innenkrümmer
ist durch Eingangsflansche an mehrere im Abstand zueinander angeordnete
Zylinderausgangs kanäle
der Brennkraftmaschine angeschlossen und mittels eines Ausgangsflansches
mit einem Abgasrohr verbunden. Mit Ausnahme eines Bereiches der
Eingangsflansche und eines Bereiches des Abgangsflansches sind der
Innenkrümmer und
die Außenschale
voneinander beabstandet angeordnet, wodurch ein Zwischenraum geschaffen
ist, der zur Luftspaltisolierung dienen oder mit einem Isolierstoff
gefüllt
sein kann, so daß einer
Wärmeübertragung
von der Wand des Innenkrümmers
auf die Außenschale
entgegengewirkt ist. Der Innenkrümmer
sowie die Außenschale
bestehen aus Blech, wobei die Außenschale eine größere Wandstärke aufweist
als der Innenkrümmer.
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Bei
der bekannten Anordnung ist die Form der Außenschale im Abgangsbereich
derart ausgebildet, daß in
Durchströmungsrichtung
des Abgases hintereinanderliegende Querschnitte annähernd gleich
sind und eine etwa kreisförmige
Kontur aufweisen. Die Außenschale
besteht aus zwei Halbschalen, welche in ihren Randbereichen zusammengefügt sind,
wobei der Querschnitt der Außenschale
in diesen Bereichen die größte Materialanhäufung aufweist.
Auf diese Weise setzt die Außenschale
einer äußeren Kraftbelastung
in Richtung der die Randbereiche verbindenden Achse die größtmögliche Biegesteifigkeit
entgegen. Bedingt durch das Prinzip der Luftspaltisolierung verläuft die
Außenschale
in weiten Bereichen ungestützt,
weshalb sie bei verschieden gerichteten Krafteinleitungen infolge
Eigen- und Resonanzschwingungen rasch einer Materialermüdung erliegt.
Dieser Nachteil der bekannten Anordnung wird besonders dann deutlich,
wenn die Konstruktion der Brennkraftmaschine eine lange Ausführung des Abgangsbereiches
des Abgaskrümmers
erforderlich macht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Abgaskrümmer der im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 genannten Gattung derart weiterzubilden, daß die Lebensdauer
erhöht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Abgaskrümmer
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist der
Querschnitt eines Rohres des Abgaskrümmers in einem Abgangsbereich
des Abgaskrümmers
mit unterschiedlich langen orthogonalen ersten und zweiten Querschnittsachsen
in Richtung des durch Schwingungen bedingten äußeren Krafteinflusses gestreckt,
und die Achslängen
nähern
sich in Strömungsrichtung
stetig einander an, bis sie in einem Abgangsquerschnitt im Endbereich
des Abgaskrümmers
schließlich
gleich sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen,
daß das Rohr
aus einem Innenrohr und einer dieses umgebenden Außenschale
zur mechanischen Stützung des
Abgaskrümmers
gebildet ist, wobei die Außenschale
aus mindestens zwei an ihren Rändern
miteinander verbundenen Schalenteilen zusammengesetzt ist und das
Innenrohr an seinem in die Flanschmittel geführten Enden umschließt und zwischen
dem Innenrohr und der Außenschale
ein Raum zur Luftspaltisolierung gebildet ist. Bei einer solchen
Ausgestaltung wird das Wärmeisolationsverhalten
des Abgaskrümmers
verbessert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der
Querschnitt der Außenschale
im Abgangsbereich in Richtung des äußeren Krafteinflusses auf den
Abgaskrümmer
gestreckt, wodurch ein hohes Widerstandsmoment der Außenschale
der Belastung entgegenwirkt. Ausgehend von einem größten Querschnittsdurchmesser
der Außenschale ist
in Durchströmungsrichtung
des Abgaskrümmers der
Querschnitt stetig verringert und erreicht schließlich in
einem dem Abgangsflansch benachbarten Abgangsquerschnitt sein Minimum.
Der Abgangsquerschnitt weist eine kreisförmige Kontur der Außenschale
auf und ist im weiteren Verlauf bis in einen mit einem Abgangsflansch
verbundenen Endbereich des Krümmers
unverändert.
Die stetige Verringerung der Durchmesserstreckung erfolgt dabei
in einem Maß, welches
die Bildung von Spannungsdruckspitzen im Außenschalenmaterial infolge
zu starker Querschnittsänderungen
verhindert.
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Die
Kontur des Außenschalenquerschnittes ist
bevorzugt einer dem kürzeren
Durchmesser entsprechenden Querschnittsachse oder auch zusätzlich bezüglich einer
dem längeren
Durchmesser entsprechenden Querschnittsachse symmetrisch ausgestaltet.
Der Vorteil wird dabei über
die einfache Herstellung hinaus darin gesehen, daß Biegespannungen
infolge äußerer Belastungen
harmonisch über
den Querschnitt verteilt sind.
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Vorteilhaft
besteht die Außenschale
aus zwei Halbschalenteilen, wobei die Ränder der Halbschalenteile nach
außen
gebördelt
und flächig
miteinander verbunden sind. Liegen die Verbindungsflächen der
Halbschalenränder
auf der dem kürzeren
Durchmesser entsprechenden Querschnittsachse, so erhöhen sie durch
Materialanhäufung
in ihren Randbereichen infolge der Bördelung die Biegesteifigkeit
der Außenschale
in Richtung dieser Querschnittsachse.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist konzentrisch zu dem
Schnittpunkt der Querschnittsachsen in der Außenschale ein Abgas führendes
Innenrohr angeordnet, welches einen vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt
aufweist. Zwischen dem Innenrohr und der Außenschale ist ein Raum zur
Luftspaltisolierung gebildet, welcher entsprechend der Querschnittsstreckung
der Außenschale
in Richtung des größeren Außenschalendurchmessers
erweitert ist. Durch den vergrößerten Luftspalt
ist die Wärmestrahlung
von dem Innenrohr auf die Außenschale
und folglich die Wärmeabgabe der
Außenschale
an die Umgebung des Abgaskrümmers
reduziert.
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Ein
weiterer Vorteil wird darin gesehen, das Innenrohr aus mehreren
Innenrohrformstücken
zu bilden, wobei jedes einem Eingangsbereich des Abgaskrümmers zugeordneten
Innenrohrformstück
mit einem Eingangsflansch zum Anschluß an Zylinderausgangskanäle verbunden
ist, und ein Innenrohrformstück
im Abgangsbereich des Abgaskrümmers mit
einem Abgangsflansch zum Anschluß an eine Abgasleitung verbunden
ist. Ein solches, aus mehreren Formstücken bestehendes Innenrohr
ist auf einfache Weise kostengünstig
herstellbar und zusammenfügbar,
wobei Belastungen infolge von Wärmespannungen
eine große
Festigkeit des Innenrohres entgegengesetzt ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
teilweise geschnittene Draufsicht auf einen doppelwandigen Abgaskrümmer mit
verlängertem
Abgangsbereich,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III in 1,
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4 einen
Schnitt entlang der Linie IV-IV in 1,
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5 einen
Schnitt entlang der Linie V-V in 1.
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In 1 ist
in einer Draufsicht ein doppelwandiger Abgaskrümmer 1 zur Abgasführung aus
einer Brennkraftmaschine dargestellt, welcher im wesentlichen aus
einem Abgas führenden
Innenrohr 2 und einer Außenschale 3 sowie
mehreren, in einer gemeinsamen Ebene liegenden Eingangsflanschen 5, 6, 7 zum
Anschluß des
Innenrohres an Zylinderausgangskanäle und einem Abgangsflansch 8 zum Anschluß des Innenrohres
an weitere, Abgas führende
Einrichtungen, besteht. Das Innenrohr 2 umfaßt mehrere
Rohrformstücke 25, 26, 27, 28,
nämlich
ein mit dem Eingangsflansch 5 verbundenes Bogenstück 25,
ein mit dem Eingangsflansch 6 verbundenes T-Stück 26,
ein mit dem Eingangsflansch 7 verbundenes T-Stück 27 mit
einem dem in Strömungsrichtung folgenden
Rohrformstück
benachbarten, gekrümmten
Schenkel, und ein mit dem Abgangsflansch 8 verbundenes
Kniestück 28,
welches in Blickrichtung auf die Betrachtungsebene abgewinkelt und
projiziert weitgehend geradlinig verläuft und in einem Endbereich
benachbart des Abgangsflansches 8 bogenförmig abgewinkelt
ist. Die Rohrformstücke
sind nach Art einer Muffe mit geringem Spiel ineinandergesteckt,
wobei ein jeweils in Strömungsrichtung
folgendes Rohrformstück
einen aufge weiteten Endabschnitt aufweist, welcher den Endabschnitt
des in Strömungsrichtung
zurückliegenden
Rohrformstückes
umschließt.
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Das
Innenrohr 2 ist innerhalb der Außenschale 3 konzentrisch
auf dem Schnittpunkt der größten, orthogonal
zueinander stehenden Durchmesser der Außenschale angeordnet, wodurch
zwischen dem Innenrohr 2 und der Außenschale 3 ein abgeschlossener
Raum 4 zur Luftspaltisolierung gebildet ist. Die Außenschale 3 besteht
aus mehreren Schalenteilen, deren Ränder in die Öffnungen
der Flansche 5, 6, 7, 8 eingeschweißt oder
unmittelbar vor den Flanschen an das Innenrohr 2 angeschweißt sein
können.
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In
einem Eingangsbereich 9 des Abgaskrümmers 1, welcher die
Eingangsflansche 5, 6, 7 umfaßt und von
einer stromab des letzten Eingangsflansches 7 etwa auf
Höhe des
gekrümmten
Abschnittes des Innenrohrformstückes 27 gelegenen
Querschnittsebene begrenzt ist, weist die Außenschale 3 der Geometrie
des Innenrohres 2 entsprechend einen Bogenteil 15 und
einen weitgehend gerade verlaufenden Mittelteil 16 auf.
Dabei erstreckt sich die Außenschale
in Richtung der Abgaseinströmung
in das Innenrohr durch die Eingangsflansche bis zu einer den Eingangsflanschen
benachbarten Ebene, wodurch ein in 2 näher beschriebener
Querschnitt entlang der Linie II-II des Abgaskrümmers 1 entsteht.
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In
einem an den Eingangsbereich 9 etwa auf Höhe des gekrümmten Abschnittes
des Innenrohrformstückes 27 anschließenden Abgangsbereich 18 ist
die Form eines Anschlußteiles 17 der
Außenschale 3 dem
Verlauf des Innenrohres 2 entsprechend gestaltet. Im Abgangsbereich 18 verläuft der
Abgaskrümmer 1 in
Richtung einer das Innenrohr 2 zentrisch durchsetzenden
Stromlinie 31 des Abgases in einem ersten, gebogenen Abschnitt 32,
einem zweiten, der Form des umschlossenen Rohrformstücks 28 entsprechenden,
in Blickrichtung auf die Betrachtungsebene abgewinkelt und projiziert
weitgehend geradlinig verlaufenden Abschnitt 33 und einem
dritten, der Bogenrichtung des ersten Abschnittes entgegengesetzt
gebogenen Endabschnitt 34. Im ersten Abschnitt 32 des
Abgangsbereiches 18 ist mittels geeigneter Krümmungsradien
der Ränder
der Außenschale 3 der
Abstand zwischen den Rändern
und somit der Durchmesser der Außenschale verringert. Gleichzeitig
ist der diesem Durchmesser etwa orthogonale Durchmesser der Außenschale 3 vergrößert, wodurch
in dem zweiten Abschnitt 33 des Abgangsbereiches die Außenschale 3 deutlich
unterschiedliche orthogonale Durchmesser aufweist. Auf diese Weise
ist, wie zu 3 beschrieben, die Biegesteifigkeit
der Außenschale 3,
welche ein tragendes Bauteil des Abgaskrümmers 1 ist, erhöht. Darüber hinaus
ist durch die Vergrößerung des
luftspaltisolierenden Zwischenraumes 4 eine verbesserte
Wärmeabschirmung
des Abgas führenden
Innenrohres 2 gegen die Außenschale 3 gegeben.
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Im
zweiten Abschnitt 33 des Abgangsbereiches 18 ist
in Strömungsrichtung
des Abgaskrümmers 1 der
größere Durchmesser
der Außenschale 3 stetig
verringert. Dabei ist das Maß der
Querschnittsverringerung vorteilhaft derart klein gewählt, daß bei mechanischer
Beanspruchung des Abgaskrümmers 1 durch äußere Kraftbeaufschlagung
keine schädlichen
Spannungsspitzen im Material der Außenschale 3 auftreten.
Durch die Reduzierung des Durchmessers der Außenschale ist schließlich eine
Kontur der Außenschale 3 erreicht,
welche einem Abgangsquerschnitt entspricht, welcher im Verlauf des
dritten, gebogenen Endabschnittes 34 des Abgangsbereiches 19 unverändert ist.
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Die 2 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1, wobei
ein Eingangsquerschnitt 10 im Eingangsbereich des Abgaskrümmers dargestellt ist.
Die Außenschale 3 besteht
aus einer unteren Halbschale 13 und einer oberen Halbschale 23,
welche nach außen
gebördelte
Ränder 14 und 24 aufweisen,
an denen die Halbschalen 13 und 23 spiegelsymmetrisch
in Randbereichen 29 und 39 flächig aneinanderliegen. Dabei
ist die Spiegelachse eine durch die Randbereiche 29 und 30 verlaufende,
einem Querdurchmesser der Außenschale 3 zugeordnete
zweite Querschnittsachse 12, welche orthogonal zu einer
dem Hochdurchmesser der Außenschale 3 zugeordneten
ersten Querschnittsachse 11 angeordnet ist. Mit dem Schnittpunkt
der zweiten Querschnittsachse 12 und der ersten Querschnittsachse 11 konzentrisch
ist das Innenrohr 2 in der Außenschale 3 angeordnet.
Der Eingangsquerschnitt 10 weist im wesentlichen die Form
eines Tropfens auf, wobei der den Eingangsflanschen, welche aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
hier nicht dargestellt sind, benachbarte Randbereich 29 einen
größeren Abstand
von der ersten Querschnittsachse 11 aufweist als der Randbereich 30.
Auf diese Weise ist der zwischen der Außenschale 3 und dem
Innenrohr gebildete Raum 4 zur Luftspaltisolation in einem
Bereich benachbart der Eingangsflansche größer ausgestaltet, wodurch ein
optimales Wärmeisolationsverhalten des
Abgaskrümmers
erreicht ist und darüber
hinaus eine Erhöhung
der Lebensdauer durch größere Gestaltfestigkeit
des Abgaskrümmers
zu erwarten ist.
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Der
in 3 gezeigte Schnitt entlang der Linie III-III in 1 stellt
einen Krümmerquerschnitt 19 im
Abgangsbereich dar, wobei die Außenschale 3 elliptisch
ausgestaltet ist. Dabei ist der größere Durchmesser der Ellipse
der ersten Querschnittsachse 11 und der kleinere Ellipsen-Durchmesser
der die Schalenrandbereiche 29, 30 durchsetzenden
zweiten Querschnittsachse 12 zugeordnet. Die Außenschale 3 umschließt das kreisquerschnittige
Innenrohr 2 konzentrisch, wodurch der zwischen der Außenschale 3 und
dem Innenrohr 2 gebildete Raum 4 zur Luftspaltisolation
in Richtung der ersten Querschnittsachse 11 vergrößernd gestreckt
ist.
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Durch
den vergrößerten Durchmesser
der ersten Querschnittsachse 11 weist der Querschnitt der
Außenschale 3 ein
erhöhtes
Flächenträgheitsmoment
bzw. Widerstandsmoment bezüglich
der Krümmerquerachse 12 auf,
wodurch die Außenschale 3 in ihrer
Funktion als tragendes Bauteil des Abgaskrümmers einer äußeren Krafteinwirkung
eine der Erhöhung
des Flächenträgheitsmomentes
entsprechend erhöhte
Biegesteifigkeit entgegensetzt. In der Querrichtung und somit bezogen
auf die erste Querschnittsachse 11 ist durch die Materialanhäufung in den
Randbereichen 29 und 30 das Flächenträgheitsmoment des elliptischen
Querschnittes erhöht,
wodurch der Abgangsbereich des Krümmers bei Richtungsschwankungen
der äußeren Krafteinwirkung eine
ausreichende Biegesteifigkeit aufweist.
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Der
in 4 gezeigte Zwischenquerschnitt 20 gemäß des Schnittes
IV-IV in 1 weist eine elliptisch ausgestaltete
Außenschale 3 auf,
wobei die Exzentrizität
der Ellipse geringer ist als in 3 infolge
der Verringerung des Durchmessers der Außenschale 3 in Richtung
der ersten Querschnittsachse 11. Mit gleichem Abstand der
Randbereiche 29 und 30 wie im Querschnitt gemäß 3 ist
durch die stetige, belastungsangepaßte Verringerung der Exzentrizität des elliptischen
Querschnitts 20 die Materialspannung in der Außenschale
infolge einer äußeren Krafteinwirkung
harmonisch über
den gesamten Querschnitt verteilt.
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5 zeigt
in einem Schnitt entlang der Linie V-V einen Abgangsquerschnitt 21,
welcher eine kreisförmig
ausgestaltete Außenschale 3 aufweist. Der
Durchmesser der Außenschale
ist dabei der im gesamten Abgangsbereich konstante Abstand der Randbereiche 29 und 30.
Dieser Abgangsquerschnitt 21 mit einer kreisförmigen Außenschale 3,
einem konzentrisch angeordneten Innenrohr 2 sowie einem kreisringförmig ausgebildeten
Raum 4 zur Luftspaltisolation ist im weiteren Verlauf in
Strömungsrichtung bis
in einen Endbereich des Abgaskrümmers
benachbart der Verbindung mit dem Abgangsflansch unverändert.
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Alternativ
zu der elliptischen Form kann die Außenschale des Abgaskrümmers auch
andere gestreckte Querschnittsformen aufweisen, wie z.B. eine weitgehend
rechteckige Kastenform.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Erfindung
bei luftspaltisolierten Abgaskrümmern
erläutert.
Die vorteilhafte Ausgestaltung kann jedoch ebenso bei lediglich
aus einem Rohr, also ohne Außenschale
bestehenden Abgaskrümmern
zur Erhöhung
des Widerstandsmomentes Verwendung finden.