DE112009000420T5

DE112009000420T5 - Auspuffkrümmer eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE112009000420T5
Application number: DE112009000420T
Authority: DE
Inventors: Oliver Schumnig
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2011-02-10
Also published as: WO2009114568A3; WO2009114568A2; JP5577264B2; KR20100124790A; CN101960113A; JP2011513652A; US20110016859A1; KR101474846B1; US9151208B2

Abstract

Auspuffkrümmer (18) eines Verbrennungsmotors (20)
– mit einer der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors (20) entsprechenden Anzahl von Abgasrohrbögen (1), die an einem Ende in einem am Verbrennungsmotor (20) befestigbaren Eingangsflansch (2) münden und am anderen Ende zusammengeführt werden;
– mit einem Zufuhrgaskanal (21), der an einem Ende mit einem Sammelrohrstück (4) und am anderen Ende mit einem Rotorraum (15) eines Turbinengehäuses (17) einer Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist; und
– mit mindestens einem Kompensator (19') zum Ausgleich thermischer Spannungen zwischen dem mindestens einen Abgasrohrbogen (1) und dem Zufuhrgaskanal (21), dadurch gekennzeichnet,
– dass der mindestens eine Kompensator (19') als ein in mindestens einem Abgasrohrbogen (1) integriertes Bauteil ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Auspuffkrümmer eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiger Auspuffkrümmer ist aus der EP 1 426 557 A1 bekannt.
Ein technisches Problem, das bei derartigen Auspuffkrümmern auftritt, ist eine thermische Ausdehnung, die sowohl zwischen den Abgasrohrbögen selbst, aber auch zwischen diesen Rohrbögen und einem Zufuhrgaskanal des Turbinengehäuses eines an den Auspuffkrümmer angeschlossenen Abgasturboladers auftritt. Diese thermische Ausdehnung muss zur Vermeidung von Schäden ausgeglichen werden. Ist der Auspuffkrümmer als doppelwandiger luftspaltisolierter (LSI)-Krümmer ausgeführt, werden hierfür als Kompensatoren innere Schiebesitze verwendet, die jedoch nicht gasdicht sind, da die die Schiebesitze bildenden Rohrstücke nur ineinander gesteckt sind, jedoch nicht gasdicht miteinander verschweißt werden. Die dadurch auftretenden Undichtigkeiten an den Innenrohren des LSI-Krümmers glätten jedoch die Abgasdruckpulsationen, welche bei Twin-Scroll-Anwendungen zur besseren Energieausnutzung und damit zur Leistungssteigerung gebraucht werden. Die Schiebesitze an den Verbindungsstellen führen dazu, dass das die Rohrstücke umgebende und mit der äußeren, gasdichten Hülle gebildete Volumen durch die Abgasdruckpulsationen gefüllt und entleert wird.
Die Zusammensetzung des Abgasgemisches in diesem äußeren Volumen ändert sich z. B. mit dem Grad der Zylinderspülung mit Frischluft.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Auspuffkrümmer eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der es insbesondere bei Ausführung des Krümmers als einwandiger Blechkrümmer möglich macht, eine konstruktiv flexible, gasdichte und kostengünstig herstellbare Auslegung zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.
Zu den besonderen Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählen insbesondere die folgenden Merkmale:

– gasdichte Rohrverbindung;
– Abgaszusammensetzung wird nicht durch Mischung eines Zusatzvolumens mit Gas verändert. Bessere Voraussetzungen für Zylinderspülung infolge erhöhter Ventilüberschneidung;
– keine Wirkungsgradverluste infolge innerer Leckage bei Turboladern mit Twin-Scroll-Anwendungen;
– kostenneutrale Herstellungsmöglichkeit im Vergleich zu bekannten Schiebesitzausführungsformen;
– keine Bauraumeinbußen für die Außenschale, die bei Standard-LSI-Krümmern erforderlich ist, so dass die erfindungsgemäße Lösung nahezu einbaugleich mit Einwandrohrkrümmern ist;
– Kosteneinsparung aufgrund des Wegfalls der Außenschale;
– uneingeschränkte Nutzung der Vorteile von Blechkrümmer-Ausführungsformen gegenüber Gußkrümmern, wie z. B. kurze Kataufheizzeit und dementsprechende Emissions- und Leistungsvorteile.

Da es bei Blechkrümmern gemäß den heutigen Standards üblich ist, häufig innenhochdruckumgeformte Rohre (IHU-Rohre) zu verwenden, ist es vorteilhafterweise möglich, durch die integrierte Ausbildung des Kompensators diesen kostenneutral beim Innenhochdruckumformen mit auszubilden.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Hierbei ist insbesondere das Vorsehen einer Stützhülse zu erwähnen, die vor dem Verschweißen der Rohrstücke lose in den Bereich des Kompensators eingelegt wird und die ein Durchbiegen quer zur axialen Kompensationsrichtung verhindert, indem sie auftretende Biegekräfte aufnimmt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, die Stützhülse einseitig zu fixieren, wozu beispielsweise eine Verschweißung möglich ist.
In den Ansprüchen 15 und 16 ist ferner ein erfindungsgemäßes Turbinengehäuse definiert, das ein selbstständig behandelbares Objekt darstellt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung der wesentlichen Teile eines LSI-Auspuffkrümmers mit einem Turbinengehäuses eines Abgasturboladers (Stand der Technik);
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgaskrümmers;
3 eine Schnittdarstellung durch eine Rohrverbindung zwischen dem Auspuffkrümmer und einem Anschlussrohr an das Turbinengehäuse zur Verdeutlichung des in die Rohrverbindung integrierten erfindungsgemäßen Kompensators;
4 eine Schnittdarstellung durch eine Rohrverbindung zwischen zwei Auspuffrohrbögen mit Verwendung einer zweiten Materiallage.
1 verdeutlicht eine Perspektiv-Ansicht eines Auspuffkrümmers 18, der an einem durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten Verbrennungsmotor 20 angeflanscht ist und mit einem Turbinengehäuse 17 eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Abgasturboladers verbunden ist. Die Darstellung dieser Teile reicht für die nachfolgenden Erläuterungen der Prinzipien vorliegender Erfindung aus, wobei hervorzuheben ist, dass der Abgasturbolader natürlich sämtliche andere üblichen Konstruktionsmerkmale aufweist, die in 1 jedoch zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergegeben sind.
Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor 20 fünf Abgasrohrbögen 1 auf, die zu zugeordneten T-Abgasrohren 3 führen und mit diesen verbunden sind, und in einem Sammelrohrstück 4 münden, das ebenfalls als T-Abgasrohr ausgebildet ist, wie sich dies im Einzelnen aus der zeichnerischen Darstellung der 1 ergibt.
Wie erläutert, zeigt 1 nur eine beispielhafte Ausführungsform eines Auspuffkrümmers, so dass es für den Fachmann ersichtlich ist, dass auch andere Auspuffkrümmerformen, insbesondere in Anpassung an den jeweiligen Verbrennungsmotor, möglich sind.
Der in 1 dargestellte Auspuffkrümmer 18 entspricht demjenigen der EP 1 426 557 A1 der Anmelderin vorliegender Anmeldung, so dass der Inhalt der EP 1 426 557 A1 hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme auf diese Anmeldung zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht wird, da auch bei diesem Auspuffkrümmer ein nachfolgend zu beschreibender erfindungsgemäßer Kompensator eingesetzt werden kann.
1 zeigt insbesondere, dass der Auspuffkrümmer 18 über einen Zufuhrgaskanal 21 mit dem Sammelrohrstück 4 verbunden ist. Der Zufuhrgaskanal 21 steht mit einem Rotorraum 15 des Turbinengehäuses 7 in Strömungsverbindung, wobei der Rotorraum 15 den in 1 nicht näher dargestellten Turbinenrotor beherbergt.
2 zeigt den erfindungsgemäßen einwandigen Abgaskrümmer mit Rohrbögen 1 samt Kompensatoren 19' und dem Turbinengehäuse 17.
Die Verwendung des mindestens einen Kompensators 19' ist dabei in mindestens einem Rohrbogen 1 vorgesehen. Nach der Zusammenführung aller Rohrbögen 1 ist in einer Verbindungsleitung 27 zum Turbinengehäuse 17 die Anordnung eines zusätzliches Kompensators 19' möglich, aber nicht notwendig.
Um die thermischen Ausdehnungen zu kompensieren, weist der erfindungsgemäße Auspuffkrümmer einen Kompensator 19' auf, der in der Schnittdarstellung der 3 im Einzelnen erläutert ist.
3 zeigt hierfür einen Rohrabschnitt 4' des Rohrstücks 4 mit dem als integralem Bauteil dieses Rohrstücks 4' ausgebildeten Kompensator 19'.
Wie die Schnittdarstellung der 3 verdeutlicht, ist der Kompensator 19' als Kompensatorbalg 22 ausgebildet, der im Beispielsfalle vier Balgteile 22a–22d umfasst.
Es ist selbstverständlich, dass die Anzahl der Balgteile je nach Anwendungsfall variieren kann, um die von Fall zu Fall unter Umständen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen entsprechend ausgleichen zu können. Wie sich aus der 3 ergibt, handelt es sich bei dem Kompensator 19' um einen Axialkompensator, der im Beispielsfalle Verspannungen zwischen dem Rohrabschnitt 4' und dem Zufuhrgaskanal 21 ausgleicht. Es ist zu erwähnen, dass vom Prinzip her ein derartiger Kompensator 19' ebenfalls zwischen den anderen Rohrverbindungsabschnitten des Auspuffkrümmers 18 zum Einsatz kommen kann.
Der besondere Vorteil der integrierten Ausbildung des Kompensators 19' besteht darin, dass es nunmehr möglich ist, gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform den Rohrabschnitt 4' und den Zufuhrgaskanal 21 gasdicht miteinander zu verschweißen, wozu eine Rohrschweißverbindung 25 vorgesehen ist.
Um ferner ein Durchbiegen quer zur Axialerstreckung der in 3 dargestellten Anordnung zu verhindern, weist diese besonders bevorzugte Ausführungsform ferner eine Stützhülse 23 auf, die, wie 3 verdeutlicht, innerhalb der Rohrverbindung im Bereich des Kompensators 19' angeordnet ist. Diese Stützhülse kann im Zuge der Montage lose in die Anordnung eingelegt werden und kann im Bedarfsfalle beispielsweise an der Schweißstelle 24 am Rohrabschnitt 4' fixiert werden, wobei an der mit der Bezugsziffer 26 markierten Stelle ein innerer Schiebesitz erzeugt wird.
Obwohl bei der in 3 dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform ein Kompensatorbalg als Kompensatorkonstruktion dargestellt ist, sind vom Prinzip her auch andere Kompensatorkonstruktionen denkbar, wenn sie eine gasdichte Verbindung zwischen den miteinander verbundenen Rohrstücken ermöglichen.
Obwohl gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform der 3 der Kompensator 19' ein integrales Bauteil des Rohrabschnittes 4' ist, ist es vom Prinzip her auch denkbar, den Kompensator 19' als integrales Bauteil des Zufuhrgaskanals 21 auszubilden.
Ferner ist es vom Prinzip her möglich, den Kompensator 19' als ein separates Bauteil auszubilden, das ein integraler Bestandteil eines Zwischenrohrstücks ist, das dann an seinen beiden Enden einerseits mit dem Auspuffkrümmer 18, wie beispielsweise dem Rohrabschnitt 4', und andererseits mit dem Zufuhrgaskanal 21 des Turbinengehäuses 17 gasdicht verbunden wird.
4 zeigt als Schnittbild die Verwendung von mehreren Materiallagen im Bereich des Kompensators 19'. Bei Ausbildung der Faltenbalggeometrie beim Hochdruckumformen werden weitere Materiallagen (wie z. B. eine zweite Materiallage 28), die lose auf das Innenrohr aufgelegt waren, durch das Umformen fest miteinander verbunden und können daher erhöhte Kräfte aufnehmen.
In Ergänzung der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den Figuren Bezug genommen
Bezugszeichenliste

1: Abgasrohrbogen
2: Eingangsflansch
3: T-Abgasrohr
4: Sammelrohrstück
4': Rohrabschnitt
5: Bypasskanal
6: linke Spiralhälfte
7: rechte Spiralhälfte
8: Auslasskanal
9: Auslassflansch
10: Klappenteller
11: Klappenhebel
12: Auslassblech
13: Abschlussblech
14: Lagergehäuseflansch
15: Rotorraum
16: unterer Deckel
17: Turbinengehäuse
18: Auspuffkrümmer
19: Schweißnaht zwischen 6 und 7
19': Kompensator
20: Verbrennungsmotor
21: Zufuhrgaskanal
22: Kompensatorbalg
22a–22d: Faltenbalgabschnitte
23: Stützhülse
24: Schweißstelle
25: Rohrverschweißung
26: innerer Schiebesitz
27: Verbindungsleitung
28: zweite Materiallage

Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft einen Auspuffkrümmer (18) eines Verbrennungsmotors (20) mit einer der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors (20) entsprechenden Anzahl von Abgasrohrbögen (1), die an einem Ende in einem am Verbrennungsmotor (20) befestigbaren Eingangsflansch (2) und am anderen Ende zusammengeführt werden; mit einem Zufuhrgaskanal (21), der an einem Ende mit einem Sammelrohrstück (4) und am anderen Ende mit einem Rotorraum (15) eines Turbinengehäuses (17) einer Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist; und mit mindestens einem Kompensator (19') zum Ausgleich thermischer Spannungen in mindestens einem Abgasrohrbogen (1) und dem Zufuhrgaskanal (21), wobei der mindestens eine Kompensator (19') als ein in mindestens einer Abgasrohrkomponente (1) integriertes Bauteil ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1426557 A1 [0002, 0021, 0021]

Claims

Auspuffkrümmer (18) eines Verbrennungsmotors (20) – mit einer der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors (20) entsprechenden Anzahl von Abgasrohrbögen (1), die an einem Ende in einem am Verbrennungsmotor (20) befestigbaren Eingangsflansch (2) münden und am anderen Ende zusammengeführt werden; – mit einem Zufuhrgaskanal (21), der an einem Ende mit einem Sammelrohrstück (4) und am anderen Ende mit einem Rotorraum (15) eines Turbinengehäuses (17) einer Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist; und – mit mindestens einem Kompensator (19') zum Ausgleich thermischer Spannungen zwischen dem mindestens einen Abgasrohrbogen (1) und dem Zufuhrgaskanal (21), dadurch gekennzeichnet, – dass der mindestens eine Kompensator (19') als ein in mindestens einem Abgasrohrbogen (1) integriertes Bauteil ausgebildet ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensator (19') als Kompensatorbalg (22) ausgebildet ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufuhrgaskanal (21) und das Sammelrohrstück (4) miteinander verschweißt sind.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Abgasrohrbögen (1) mit dem Kompensator (19') als innenhochdruckumgeformte Rohre ausgebildet sind.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensator (19') mit einer Stützhülse (23) versehen ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützhülse (23) innerhalb des Kompensators (19') angeordnet ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützhülse (23) innerhalb des Kompensators (19') lose eingelegt ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützhülse (23) an einem ihrer Enden an einem Abgasrohrbogen (1) fixiert ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensator (19') mit mindestens zwei Blechlagen versehen ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützhülse (23) an einem ihrer Enden mit dem Sammelrohrstück (4) verschweißt ist.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrohrbögen (1) von einem Wärmeschutzblech umgeben sind.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrohrbögen (1) von dem Wärmeschutzblech nicht gasdicht umgeben werden.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Twin-Scroll-Turbinengehäuse verwendet wird.
Auspuffkrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einflutiges Turbinengehäuse verwendet wird.
Turbinengehäuse (17) eines Abgasturboladers, das mit einem Auspuffkrümmer (18) gemäß Anspruch 1 versehen ist.
Turbinengehäuse (17) eines Abgasturboladers – mit einem Zufuhrgaskanal (21), der mit einem Rotorraum (15) eines Turbinenrotors in Strömungsverbindung steht, gekennzeichnet – durch einen Kompensator (19') gemäß wenigstens einem der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 14.