DE10223838C1 - Double-wall exhaust pipe, for an IC motor, has the bottom of the inner mantle bent outwards to form a beading around the bottom of the outer mantle, to be fitted into the flange and secured by a single fillet weld - Google Patents
Double-wall exhaust pipe, for an IC motor, has the bottom of the inner mantle bent outwards to form a beading around the bottom of the outer mantle, to be fitted into the flange and secured by a single fillet weldInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung von Abgasen einer Verbren nungskraftmaschine mit wenigstens einem endseitig einer Hohlstruktur ange fügten Flansch. Die betreffende Hohlstruktur ist zweischalig aufgebaut und be sitzt einen Außenmantel und einen Innenmantel.The invention relates to an arrangement for guiding exhaust gases from a combustion tion machine with at least one end of a hollow structure added flange. The hollow structure in question is constructed with two shells and be sits an outer jacket and an inner jacket.
Derartige Anordnungen kommen in der Praxis insbesondere als Abgaskrümmer zum Einsatz. Für eine schnellere Aufheizung von Katalysatoren werden zu nehmend als Ersatz für Gusskrümmer sogenannte gebaute Abgaskrümmer eingesetzt, die in der Regel aus einer Mehrzahl von Bauteilen schweißtech nisch zusammengefügt werden. Dies erfolgt auch vor dem Hintergrund, dass bei modernen Verbrennungskraftmaschinen höhere Abgastemperaturen auf treten, was bei den derzeit verwendeten Gusswerkstoffen Probleme hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit hervorrufen kann. Such arrangements come in practice in particular as exhaust manifolds for use. For faster heating of catalysts, too taking so-called built exhaust manifolds as a replacement for cast manifolds used, which usually consists of a plurality of welding tech nisch be joined together. This is also done against the background that higher exhaust gas temperatures in modern internal combustion engines occur, what problems regarding the currently used casting materials which can cause durability.
Zudem lässt sich durch den Einsatz gebauter Abgaskrümmer eine Gewichts reduktion von etwa 50% gegenüber gegossenen Abgaskrümmern erzielen. Dies trägt vorteilhaft zu einer Reduzierung des Fahrzeuggesamtgewichts und damit zur Kraftstoffersparnis bei.In addition, the use of built exhaust manifolds allows weight to be reduced achieve a reduction of around 50% compared to cast exhaust manifolds. This advantageously contributes to a reduction in the overall vehicle weight and thus saving fuel.
Problematisch bei den bekannten Anordnungen mit Hohlstrukturteilen, die zu nehmend 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 Hohl strukturen 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 gemein sam mit diesem verschweißt.Problematic in the known arrangements with hollow structure parts that also as air gap insulated hollow structure parts with an inner jacket and an outer jacket, the connection to other components, such as B. flanges. Currently the most common for components of tubular hollow Structural joining technology is fusion welding. It However, a usually very thin-walled inner jacket with usual Thicknesses between 0.3 mm to 1.0 mm with a load-bearing outer jacket a thickness of about 1.5 mm to 2.5 mm and welded to a flange become. Head flanges or die arranged in the area of a cylinder head End flanges facing away from the cylinder head have the usual design Thicknesses from about 8 mm to 12 mm. For the mutual joining of these components As a rule, the inner jacket is first inserted into the outer jacket and inserted into the flow opening of the flange and then common sam welded to this.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass Schweißspritzer auf den Innen flächen 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 Außen mantel der Innenmantel aufgeschmolzen wird, ist nicht mit der hinreichenden Prozesssicherheit beherrschbar und daher kein für die Serienfertigung geeig neter Lösungsweg.The disadvantage of this procedure is that welding spatter on the inside stick to surfaces of the inner jacket that have to be removed afterwards. This is associated with a high amount of rework. A welding process on the outer circumference of the outer jacket, while at the same time through the outside The inner jacket is melted, is not sufficient Process reliability manageable and therefore not suitable for series production neter solution.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer rohrartigen Hohlstruktur zur Führung von Abgasen einer Verbren nungskraftmaschine aufzuzeigen, welche unter Vermeidung von Schweißsprit zern im Innenmantel prozesssicher und fertigungstechnisch günstig mit einem Flansch verbindbar ist.Proceeding from this, the object of the invention is an arrangement with a tubular hollow structure for guiding exhaust gases from a combustion machine to demonstrate which, while avoiding welding gas Process-safe and inexpensive in terms of manufacturing technology with one Flange is connectable.
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 End abschnitt 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 stoff schlüssig verbunden.The invention solves this problem by an arrangement with a tubular Hollow structure, in which the inner jacket flanges from the outer jacket is led out and with an outward flaring one end section of the outer tube encompasses the outside circumference. Here is the flare inserted into the flange together with the end section and on the Mouth of the side of the flange facing away from the hollow structure with this material conclusively connected.
Bei dieser Ausgestaltung der rohrartigen Hohlstruktur werden Schweißspritzer an der Innenfläche des Innenmantels verhindert, da die stoffschlüssige Verbin dung, insbesondere eine Schweißnaht, in vorteilhafter Weise auf der der Mün dung der Hohlstruktur abgewandten Seite des Flansches vorgesehen ist.With this configuration of the tubular hollow structure, welding spatter prevented on the inner surface of the inner jacket, because the integral connection dung, in particular a weld, advantageously on the Mün the side of the flange facing away from the hollow structure is provided.
Es ist zwar prinzipiell möglich, zunächst den Innenmantel mit dem Außenman tel zu verschweißen und über einen zweiten Schweißvorgang den Außenman tel am Flansch zu befestigen, zweckmäßigerweise ist jedoch nur ein Schweiß vorgang 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 In nenmantel sowie der Außenmantel mit einer einzigen umlaufenden Kehlnaht miteinander verschweißbar sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Stirn fläche 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.In principle it is possible to start with the inner jacket with the outer jacket to be welded and the outside man via a second welding process tel to attach to the flange, but expedient is only a sweat operation provided in which the outer jacket, the inner jacket and the Flange can be welded together in one operation. For this purpose it is intended according to claim 2 that the front of the End portion facing away from the flange in a suitable manner the flange is aligned so that the flange, the flare or the In inner jacket and the outer jacket with a single circumferential fillet weld are weldable together. This is especially the case when the forehead area of the flange with the flange lies in a common radial plane. This radial plane can also be at a central flow opening of the Flange surrounding collar may be provided, with the flare provided end of the hollow structure is inserted into the throughflow opening.
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.The flange does not necessarily have to be solid, but can also be a sheet metal flange provided with a central passage his. An advantage of such a flange is that the welding process with more even and less heat can be carried out, so that Risk of thermal distortions is reduced. This is particularly so then the case when the collar receiving the tubular hollow structure is approximately has the same wall thickness as the hollow structure. Lower reject rates with simultaneous improvement in manufacturing quality are possible. Made of sheet metal Manufactured flanges also reduce mass use compared to massive executed flanges.
Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen An ordnung, 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 Endab schnitt des Außenmantels und dem Flansch zusätzlich eine spannungsreduzie rende Klemmung.Another advantage is the increased fatigue strength of the invention order, since transitions from large wall thicknesses to very small wall thicknesses and largely avoided the associated voltage peaks become. Since the intended weld seam on the outer circumference along a larger radius, lower bending stresses occur Inner jacket on. This is experienced through the integration between the Endab cut of the outer jacket and the flange additionally a stress reduction end clamping.
Mit der Erfindung ist zudem eine einfachere Montage als bei bekannten Anord nungen 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.With the invention is also a simpler assembly than in the known arrangement possible, since in particular an outer shell made of shells pre-fixation by inserting it into the flange of the inner jacket experiences. In the prior art, spot welding was previously used for fixation required for the subsequent welding process. This spot weld can be omitted completely.
Die rohrartige Hohlstruktur ist nicht auf kreisrunde Querschnitte des Innen mantels und des Außenmantels beschränkt, sondern es kommen grundsätzlich auch ovale oder mehreckig ausgestaltete Hohlstrukturen in Frage. Die rohrar tige Hohlstruktur ist zudem für alle Abgas führenden Leitungsstränge verwend bar, die über Flansche mit weiteren Komponenten zu koppeln sind. Ferti gungstechnisch lassen sich die Bördelungen sowohl an einem rohrartigen als auch einem schalenartig aufgebauten Innenmantel ausbilden. Bei einem scha lenartigen Innenmantel ist dieser zweckmäßigerweise vor dem Bördelvorgang zu einer Hohlstruktur gefügt, die anschließend mit dem Flansch und dem Außenmantel verbunden wird.The tubular hollow structure is not due to circular cross sections of the inside jacket and the outer jacket limited, but it basically come oval or polygonal hollow structures are also possible. The Rohrar The hollow structure is also used for all exhaust gas lines bar, which are to be coupled to other components via flanges. Ferti In terms of engineering, the flanges can be carried out both on a tubular and also form a shell-like inner jacket. With a scha len-like inner jacket is expedient before the flaring process added to a hollow structure, which is then connected to the flange and Outer jacket is connected.
Die Anordnung kann in der Ausgestaltung eines Abgaskrümmers selbstver ständlich in Abhängigkeit von der Anzahl der Abgasauslässe mehrere ein gangsseitige Kopfflansche und ausgangsseitige Schlussflansche besitzen.The arrangement can self-verver in the design of an exhaust manifold depending on the number of exhaust outlets several have top flanges on the outlet side and end flanges on the outlet side.
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert.A possible embodiment of the invention is described below with reference to the figure explained.
Fig. 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, wäh rend 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 vor handen. Fig. 1 shows in cross section the end region of an arrangement 1 for guiding exhaust gas of an internal combustion engine, not shown. The arrangement 1 comprises a double-walled hollow structure 2 with a load-bearing outer jacket 3 and an exhaust gas-conducting inner jacket 4 . The wall thickness of the outer jacket 3 is a multiple of the inner jacket 4 . The wall thickness of the inner jacket 4 is between 0.3 mm and 1 mm, while the wall thickness of the outer jacket 3 is between 1.5 mm and 2.5 mm. An air gap 5 is present between the inner jacket 4 and the outer jacket 3 .
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 Außenum fang kontaktiert.In the direction of the mouth 6 of the hollow structure 2 , the outer jacket 3 is tapered in a transition section 7 . At the transition section 7 is followed by a tapered end section 8 of the outer jacket 3 , which is dimensioned such that it contacts the inner jacket 4 on its outer circumference.
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 Endab schnitts 8 und erstreckt sich dann parallel zu diesem in Abkehr von der Mün dung 6 parallel in Richtung zum konischen Übergangsabschnitt 7 des Außen mantels 3. Die dem Übergangsabschnitt 7 zugewandte Stirnfläche 11 der Bör delung 9 liegt in einer gemeinsamen Radialebene RE mit einem eine Durch strömöffnung 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.The inner jacket 4 extends on the mouth side 6 beyond the end section 8 of the outer jacket 3 and is formed at the rear by 180 ° to form a flange 9 which is U-shaped in cross section. Here, the flange 9 grips in its course initially arcuate and at a distance from the end face 10 of the Endab section 8 and then extends parallel to this in a departure from the Mün extension 6 parallel towards the conical transition section 7 of the outer jacket 3rd The end face 11 of the stock exchange 9 facing the transition section 7 lies in a common radial plane RE with a collar 13 of a flange 14 surrounding a flow opening 12 . The flange 14 is designed as a sheet metal flange, the central throughflow opening 12 with the surrounding collar 13 being produced by a sheet metal forming process.
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 Festle gung der Hohlstruktur 2 an dem Flansch 14 durch Herstellung einer umlaufen den Kehlnaht 16 am Außenumfang 15 des Außenmantels 3 im Übergangsbe reich 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. After positioning the hollow structure 2 in the collar 13 of the flange 14 and in particular after aligning the end face 11 of the flange 9 in the radial plane RE of the collar 13 , the hollow structure 2 is welded to the flange 14 by producing a circumferential fillet weld 16 on the outer circumference 15 of the outer casing 3 in the transition region between the transition section 7 and the end section 8 and the radial plane RE of the collar 13 . The flange 9, which is bordered between the collar 13 and the end section 8, is firmly bonded. As a result of this configuration, both the inner jacket 4 and the outer jacket 3 are integrally connected to the flange 14 in a single operation, without the need for reworking caused by weld spatter in the mouth region 6 of the hollow structure 2 .
11
Anordnung
arrangement
22
Hohlstruktur
hollow structure
33
Außenmantel
outer sheath
44
Innenmantel
inner sheath
55
Luftspalt
air gap
66
Mündung
muzzle
77
Übergangsabschnitt
Transition section
88th
Endabschnitt
end
99
Bördelung
flanging
1010
Stirnseite v. Front of v.
88th
1111
Stirnfläche
face
1212
Durchströmöffnung
flow-through
1313
Kragen
collar
1414
Flansch
flange
1515
Außenumfang
outer periphery
1616
Kehlnaht
fillet
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