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Die Erfindung betrifft eine Abgasanlagen-Komponente mit einem ersten Rohrbauteil und einem zweiten Rohrbauteil, welche sich in einem Koppelungsabschnitt überlappen und in dem Koppelungsabschnitt über ein Koppelmittel miteinander verbunden sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Rohrbauteils und eines zweiten Rohrbauteils einer Abgasanlagen-Komponente.
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Zur Abgasanlage eines Verbrennungsmotors im Kraftfahrzeug gehören verschiedene Abgasanlagen-Komponenten, beispielsweise Abgaskrümmer, Abgassammler, Abgasturbolader, Katalysator, Schalldämpfer und Abgasrohrleitungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Verbindung zweier Rohrbauteile innerhalb einer Abgasanlagen-Komponente. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader, insbesondere auf einen Abgasturbolader mit Blechturbinengehäuse und hier insbesondere auf die Verbindung zwischen einem Austrittsflansch eines Blechturbinengehäuses und einem für die Kompensation der thermischen Ausdehnung notwendigen Entkoppelungselementes bzw. Dehnungsausgleichers.
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Generell ist eine dauerhaltbare Verbindung zwischen gasführenden Rohrbauteilen einer Abgasanlagen-Komponente angestrebt. Ferner gilt es Verunreinigungen innerhalb des Systems beispielsweise Verunreinigungen aus einem Schweißprozess zu vermeiden, da hierdurch die Funktion der Komponenten oder auch nachgeschalteter Komponenten beeinflusst werden kann. Dies gilt insbesondere auch für Abgasturbolader, die während des Betriebs erheblichen mechanischen und insbesondere höchsten thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer eines Abgasturboladers haben thermisch induzierte Spannungen.
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Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers und verschiedene Turboladersysteme werden in der
DE 11 2010 001 696 T5 erläutert.
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Aus der
DE 10 2009 042 260 A1 geht ein Abgasturbolader mit einem Außengehäuse hervor, in welchem ein Laufradgehäuse angeordnet ist, wobei das Außengehäuse mit einem Lagerflansch verschweißt ist. Der Lagerflansch weist einen außenseitig umlaufenden Steg auf, über welchen das Außengehäuse mit dem Lagerflansch verschweißt ist, wobei der Steg einen gegenüber seinem freien Ende verbreiterten Basisabschnitt aufweist.
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Die
DE 10 2009 010 515 A1 bemängelt, dass bei der Herstellung eines Turbinengehäuses eines Abgasturboladers aus Blechbauteilen üblicherweise auf eine Schweißverbindung zurückgegriffen wird, die jedoch die Nachteile eines Schweißverzuges aufgrund partieller Erwärmung, Schweißspritzer, Schweißverunreinigungen und eine begrenzte Zugänglichkeit für die benötigte Schweißausrüstung aufweist. Zur Abhilfe schlägt die
DE 10 2009 010 515 A1 ein Turbinengehäuse vor, welches zumindest zwei miteinander in einem Verbindungsbereich verbundene aus Blech gefertigte Gehäusebauteile umfasst, wobei die Gehäusebauteile im Verbindungsbereich kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
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Im Rahmen der
DE 10 2011 050 506 B4 ist ein Turbinengehäuse eines Turboladers beschrieben, welches ein Außengehäuse und ein Innengehäuse aufweist. Das Innengehäuse ist mit einem rohrförmigen Stutzen zur Anbindung eines Lagergehäuses eines Turbinenrades gekoppelt. Das Innengehäuse und der Stutzen sind formschlüssig miteinander verbunden, wozu das Innengehäuse den Stutzen durchgreift und an einem Flanschkragen des Stutzens radial nach außen umgebördelt ist. An dem umgebördelten Ende ist ein Pressring zur zusätzlichen Lagefixierung angeordnet.
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Zum Stand der Technik zählt ferner durch die
DE 10 2008 052 552 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses eines Turboladers und ein entsprechendes Turbinengehäuse. In gängiger Bauweise umfasst der Abgasturbolader ein in einem Außengehäuse angeordnetes Laufradgehäuse mit einem rohrförmigen Stutzen, welcher in ein Auslassrohr fasst, über welches Abgas von dem Laufradgehäuse in Richtung eines Auslassflansches überleitbar ist. Das Auslassrohr ist mit dem Laufradgehäuse relativ verschieblich gekoppelt, wobei zwischen Stutzen und Auslassrohr ein metallischer Dichtring angeordnet ist. Der metallische Dichtring wird über den Stutzen geschoben. Anschließend wird ein Spreizdorn in den Stutzen eingeführt, um den Stutzen aufzuweiten.
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Weiterhin ist durch die
DE 34 28 449 A1 eine Endverbindung eines Wickelschlauches bekannt, bei der eine innenliegende ringförmige Konstruktion dafür vorgesehen ist, den Wickelschlauch in einem Endbereich über eine feste Verbindung an einer Endverbindung zu fixieren. Hierzu wird der ringförmige Teil innerhalb der Endverbindung derart verformt, dass er den Wickelschlauch in seiner Lage fixiert. Hierdurch ist es möglich, sowohl eine gas- als auch wasserdichte Verbindung zwischen Wickelschlauch und Endverbindung herzustellen, ohne auf einen Schweißprozess zurückgreifen zu müssen.
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Weiterhin zählt durch die
WO 02/14729 A ein Verbindungsstück zum Stand der Technik, welches dafür vorgesehen ist, einen Schlauch an ein rohrförmiges Element zu koppeln. Hierzu ist an beiden Stoßkanten, sowohl des Rohres als auch des Schlauches, ein Verbindungsmittel vorgesehen, welches in der Lage ist, beide Komponenten fest miteinander zu verbinden.
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Auch die
US 2014/0044606 A1 zeigt die Anbindung eines Schlauches für den Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges, wobei eine Aufnahmevorrichtung dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Schlauches aufzunehmen und örtlich zu fixieren.
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Ferner zählt ein Rohrbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrbauteils durch die
WO 2013/186360 A1 zum Stand der Technik, welches zur Verbindung zweier Rohre angedacht ist. Hierzu befindet sich zumindest in einem Anschnitt eines äußeren Rohres ein inneres Rohrteil, welches derart verformt wird, dass es in die rillenförmige Struktur des Außenrohres eingreift und so eine gasdichte Verbindung zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr herstellt. Die Anordnung des inneren Rohrelementes ist insbesondere an Stellen vorgesehen, die einer besonderen mechanischen Belastung unterliegen und somit die Verwendung eines Verstärkungselementes notwendig machen.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlagen-Komponente funktional zu verbessern mit einer dauerhaltbaren Verbindung eines ersten Rohrbauteils und eines zweiten Rohrbauteils der Abgasanlagen-Komponente sowie ein Verfahren hierzu aufzuzeigen. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader aufzuzeigen mit einer dauerhaltbaren Verbindung zwischen einem Austrittsflansch eines Blechturbinengehäuses und einem für die Kompensation der thermischen Ausdehnung notwendigen Dehnungsausgleichers bzw. Entkoppelungselementes.
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Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einer Abgasanlagen-Komponente mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abgasanlagen-Komponente sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 4.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeigt Anspruch 5 auf.
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Die Abgasanlagen-Komponente umfasst einen ersten Rohrbauteil und einen zweiten Rohrbauteil, welche sich jeweils mit einem Rohrabschnitt in einem Koppelungsabschnitt überlappen. In dem Koppelungsabschnitt sind die Rohrbauteile über ein Koppelmittel miteinander verbunden. Erfindungsgemäß ist das Koppelmittel ein Expandierring, welcher innenseitig des ersten Rohrbauteils angeordnet ist. Das erste Rohrbauteil und das zweite Rohrbauteil sind im Koppelabschnitt durch Aufweiten des Expandierringes miteinander verpresst.
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Zur Herstellung der Verbindung zwischen erstem Rohrbauteil und zweiten Rohrbauteil wird ein Rohrabschnitt des ersten Rohrbauteils und ein Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils ineinander geführt, so dass diese überlappend angeordnet sind. Der Überlappungsbereich bildet den Koppelungsabschnitt. Anschließend wird ein Expandierring innenseitig des ersten Rohrbauteils im Koppelungsabschnitt axial positioniert, worauf der Expandierring mithilfe eines Expandierwerkzeuges radial aufgeweitet wird. Beim Aufweiten des Expandierringes wird ein Wandbereich des ersten Rohrbauteils plastisch verformt und in eine Aufnahme im Rohrabschnitt des zweiten Rohrbauteils gepresst.
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Die Aufnahme ist insbesondere eine umlaufende Nut. Der Expandierring besteht aus einem hitzebeständigen plastisch verformbaren Werkstoff, insbesondere aus Metall. Der Werkstoff des Expandierringes soll einen gleichen zumindest im Wesentlichen gleichen Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie der Werkstoff des ersten Rohrbauteils und des zweiten Rohrbauteils im Bereich der Verbindungsstelle bzw. des Koppelungsabschnittes. Das bedeutet für den Fall, dass das erste Rohrbauteil und das zweite Rohrbauteil aus einem ferritischen Stahlwerkstoff bestehen, sollte auch der Expandierring ferritisch sein. Der Expandierring ist aus einem austenitischen Stahlwerkstoff, wenn die Rohrbauteile aus einem austenitischen Stahl bestehen. Diese Maßgabe des Einsatzes von Werkstoffen mit aufeinander abgestimmten Ausdehnungskoeffizienten zielt darauf ab, mögliche Geräuschentwicklungen zu vermeiden.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung zielt auf eine Abgasanlagen-Komponente in Form eines Abgasturboladers ab und hier insbesondere auf das Turbinengehäuse eines Abgasturboladers. Das erste Rohrbauteil ist insbesondere ein für die Kompensation von thermischen Ausdehnungen notwendiges Entkoppelungselement in Form eines Dehnungsausgleichers. Ein solcher Dehnungsausgleicher ist insbesondere ein Rohrbauteil mit integriertem Faltenbalg. Bei dem zweiten Rohrbauteil handelt es sich vorzugsweise um den Austrittsflansch eines Blechturbinengehäuses eines Abgasturboladers.
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Bevorzugt wird die Aufweitung des Expandierringes stufenweise durchgeführt. Der Aufweitvorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Außendurchmesser des Expandierringes, die Außenwandung des ersten Rohrbauteils im aufgeweiteten Rohrabschnitt und der Innendurchmesser der Aufnahme bzw. der Nut im zweiten Rohrbauteil im entspannten Zustand Nullspalten aufweisen, mithin dicht aneinander liegen.
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Zwischen dem ersten Rohrbauteil und dem zweiten Rohrbauteil wird eine kraft- und formschlüssige Verbindung hergestellt. Die Verformung zumindest eines Teils des ersten Wandbereichs des ersten Rohrbauteils erfolgt in einer Weise, dass dieser in die Aufnahme des zweiten Rohrbauteils eingeformt und verpresst wird.
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Durch die mechanische kraft- und formschlüssige Verbindung können Verunreinigungen, beispielsweise durch Schweißprozesse, in gasführenden Bereichen der Abgasanlage vermieden werden. Auch können axiale Längenschwankungen aus vorausgehenden Fertigungsschritten ausgeglichen werden. Hierdurch wird die Funktionalität der Abgasanlage-Komponente und die Betriebssicherheit verbessert. Bei einem Abgasturbolader führt dies dazu, dass keine Axialkräfte auf die Innenspirale übertragen werden. Weiterhin wird der Konturspalt zur Turbine konstant gehalten. Die Einhaltung exakter Spaltmaße einzelner Bauteile des Turboladers bzw. des Turboladergehäuses während des Betriebes führt dazu, dass der Turbolader mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann. Insgesamt ergeben sich aufgrund geringerer Toleranzbreiten geringere Leistungsschwankungen der einzelnen Turbinengehäuse.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Ansicht auf einen Abgaskrümmer mit angegliedertem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers;
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2 einen Schnitt durch das Turbinengehäuse von 1 entlang der Linie A-A mit der Darstellung einer Montagesituation eines Expandierringes und
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3 den Ausschnitt X aus der 2.
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Anhand der 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Abgasanlagen-Komponente 1 und die Verbindung eines ersten Rohrbauteils 2 und eines zweiten Rohrbauteils 3 der Abgasanlagen-Komponente 1 beschrieben. Bei der Abgasanlagen-Komponente 1 handelt es sich im hier dargestellten Ausführungsbeispiel konkret um einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse 4 in Blechbauweise. Das erste Rohrbauteil 2 ist ein Auslassrohr und als Dehnungsausgleicher für die Kompensation von thermischen Ausdehnungen gestaltet. Das zweite Rohrbauteil 3 ist ein Austrittsflansch des Blechturbinengehäuses 4 des Turboladers.
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Ein Turbolader liefert verdichtete Luft an den Motoreinlass, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt und die Motorleistung verstärkt werden kann, ohne das Motorgewicht signifikant zu erhöhen. Ein Turbolader besteht im Wesentlichen aus einer Turbine und einem Verdichter, die auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Der Abgasstrom versetzt das Turbinenrad auf der Abgasseite in Rotation. Dessen Drehmoment wird dann über die Welle auf das Verdichterrad im Ansaugtrakt übertragen.
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1 zeigt eine Ansicht auf einen Abgaskrümmer mit angegliedertem Turbinengehäuse 4 eines Abgasturboladers. Das Turbinengehäuse 4 ist näher zu erkennen in der 2.
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Das Turbinengehäuse 4 umfasst eine Außenschale 5, die mit einem Lagerflansch 6 verbunden ist. Die Außenschale 5 begrenzt einen gasdichten Innenraum. Innerhalb der Außenschale 5 befindet sich ein Laufradgehäuse 7, das aus zwei Blechschalen 8, 9 gebildet ist, die am Außenumfang des Laufradgehäuses 7 miteinander verschweißt sind. Die in der Bildebene dargestellte linke Blechschale 8 weist einen rohrförmigen Stutzen 10 auf, der sich in Richtung des ersten Rohrbauteils 2 erstreckt. Das erste Rohrbauteil 2 ist ein Auslassrohr, welches auf einem Teil seiner Länge als Faltenbalg ausgestaltet und so als Dehnungsausgleicher fungiert. Der Dehnungsausgleicher bildet ein für die Kompensation von thermischen Ausdehnungen notwendiges Entkoppelungselement.
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Das nicht dargestellte Turbinenrad ragt bis in den Stutzen 10, welcher in seiner Kontur an die Außenkontur des Turbinenrades angepasst ist. Das erste Rohrbauteil 2 ist mit seinem einlassseitigen stutzenförmigen Rohrabschnitt 11 über den Stutzen 10 der Blechschale 8 geführt. Hierbei ist zwischen dem Rohrabschnitt 11 des Rohrbauteils 2 und dem Stutzen 10 ein Schiebering 12 integriert. Ein äußerer Abschlussring 13 schließt die Anordnung ab.
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Der Stutzen 10 leitet das aus dem Laufradgehäuse 7 austretende Gas über das erste Rohrbauteil 2 dem zweiten Rohrbauteil 3 zu. Das zweite Rohrbauteil 3 ist – wie bereits erwähnt – der Austrittsflansch des Turbinengehäuses 4 oder ist Bestandteil des Austrittsflanschs. Ein umlaufender Außenkranz 14 des Austrittsflanschs ist an dem dem Lagerflansch 6 gegenüberliegenden Ende der Außenschale 5 gefügt. Das zweite Rohrbauteil 3 weist einen inneren stutzenförmigen Rohrabschnitt 15 auf, in welchem das erste Rohrbauteil 2 mit einem auslassseitigen Rohrabschnitt 16 eingeschoben ist. Die einander überlappenden Rohrabschnitte 15, 16 des ersten Rohrbauteils 2 und des zweiten Rohrbauteils 3 bilden einen Koppelungsabschnitt 17, in welchem das erste Rohrbauteil 2 und das zweite Rohrbauteil 3 mithilfe eines Koppelmittels in Form eines Expandierringes 18 verbunden sind.
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Bei dem Expandierring 18 handelt es sich um einen geschlossenen rotationssymmetrischen Ring aus einem hitzebeständigen, plastisch verformbaren Werkstoff, insbesondere aus Stahl.
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Die 2 zeigt eine Montagesituation des Expandierringes 18 zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem ersten Rohrbauteil 2 und dem zweiten Rohrbauteil 3. Der Rohrabschnitt 16 des ersten Rohrbauteils 2 und der Rohrabschnitt 15 des zweiten Rohrbauteils 3 sind ineinander geschoben und überlappen im Koppelungsabschnitt 17. Der Expandierring 18 wird innenseitig des ersten Rohrbauteils 2 axial positioniert. Hierbei ist der Expandierring 18 auf einem Expandierwerkzeug 19 aufgeschoben. Das Expandierwerkzeug 19 besitzt einen Spreizkonus 20, der aus einzelnen Spreizsegmenten 21 gebildet ist. Am freien Ende des Spreizkonus 20 ist der Expandierring 18 aufgenommen. Hierzu ist am Spreizkonus 20 ein Aufnahmefortsatz 22 mit einem Anschlag 23 ausgebildet.
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Der Expandierring 18 wird dann mithilfe des Expandierwerkzeuges 19 radial aufgeweitet. Insbesondere wird die Aufweitung des Expandierringes 18 stufenweise durchgeführt. Beim Aufweiten des Expandierringes 18 wird ein Wandbereich 24 im Rohrabschnitt 16 des ersten Rohrbauteils 2 plastisch verformt und in eine Aufnahme 25 im Rohrabschnitt 15 des zweiten Rohrbauteils 3 gepresst. Die Aufnahme 25 ist durch eine umlaufende Nut im Rohrabschnitt 15 des zweiten Rohrbauteils 3 gebildet.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Kopplungsabschnitt 17 zwischen dem ersten Rohrbauteil 2 und dem zweiten Rohrbauteil 3.
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Beim Aufweiten des Expandierringes 18 wird durch dessen Außenkontur der Wandbereich 24 im Rohrabschnitt 15 des ersten Rohrbauteils 2 plastisch verformt und in die Aufnahme 25 des zweiten Rohrbauteils 3 verpresst. Hierzu ist die Außenkontur des Expandierringes 18 geometrisch auf die Querschnittskonfiguration der Aufnahme 25 abgestimmt. Nach dem Aufweitvorgang sind der Außendurchmesser des Expandierringes 18, die Außenwandung des ersten Rohrbauteils 2 im Wandbereich 24 und der Innendurchmesser der Aufnahme 25 im zweiten Rohrbauteil 3 formschlüssig ineinander gefügt und weisen im entspannten Zustand Nullspalte auf. Auf diese Weise ist eine dauerhaltbare Verbindung des ersten Rohrbauteils 2 mit dem zweiten Rohrbauteil 3 sichergestellt. Durch die Art der Verbindung können auch axiale Längenschwankungen aus vorausgehenden Fertigungsschritten ausgeglichen werden. Dies führt dazu, dass keine Axialkräfte auf die Innenspirale übertragen werden. Besonders vorteilhaft ist, dass der Konturspalt 26 zur Turbine zwischen Stutzen 10 und dem Rohrabschnitt 11 klein gehalten werden kann. Insgesamt führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung dazu, dass es innerhalb einer Baureihe von Turbinengehäusen 4 nur geringe Leistungsschwankungen von Turbinengehäuse zu Turbinengehäuse gibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasanlagen-Komponente
- 2
- erstes Rohrbauteil
- 3
- zweites Rohrbauteil
- 4
- Turbinengehäuse
- 5
- Außenschale
- 6
- Lagerflansch
- 7
- Laufradgehäuse
- 8
- Blechschale
- 9
- Blechschale
- 10
- Stutzen
- 11
- Rohrabschnitt
- 12
- Schiebering
- 13
- Abschlussring
- 14
- Außenkranz
- 15
- Rohrabschnitt
- 16
- Rohrabschnitt
- 17
- Kopplungsabschnitt
- 18
- Expandierring
- 19
- Expandierwerkzeug
- 20
- Spreizkonus
- 21
- Spreizsegment
- 22
- Aufnahmefortsatz
- 23
- Anschlag
- 24
- Wandbereich
- 25
- Aufnahme
- 26
- Konturspalt
