DE2916030C2

DE2916030C2 - Thermisch beanspruchtes rohrähnliches Bauteil, insbesondere Auspuffkrümmer einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2916030C2
Application number: DE2916030A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg Banholzer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1981-05-21
Also published as: DE2916030B1; US4289169A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisch beanspruchtes rohrähnliches Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs i.

Zur Steigerung der Motorleistung von Verbrennungskraftmaschinen ist es häufig üblich, zumindest in dem dem Auspuffkrümmer benachbarten Bereich der Abgasanlage mehrflutige Rohre zu verwenden, d. h. Rohre mit voneinander getrennten Abgaskanälen. Der Austrittsquerschnitt des Auspuffkrümmers selbst ist in diesen Fällen ebenfalls mehrflutig ausgebildet, wobei die jeweiligen Trennwände im Auspuffkrümmer sowie im anschließenden Abgasrohr miteinander fluchten. Die Verbindung zwischen Auspuffkrümmer und Abgasrohr ist dabei häufig als gelenkige Verbindung ausgebildet, wobei der Auspuffkrümmer mit einem zylindrischen Dichtungsflansch versehen ist, an dem das Abgasrohr unter Zwischenschaltung eines thermisch beständigen Dichtungsringes mit einem kalottenartigen Rohrteil befestigt ist, so daß betriebsbedingte Schwingungen, Vibrationen etc. aufgefangen werden können.

Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine werden Auspuffkrümmer und Abgasrohr von heißen Abgasen, die Temperaturen von etwa 900⁰C erreichen können, durchströmt. Die beidseitig von heißen Abgasen umströmte Trennwand im Auspuffkrümmer wird dabei wesentlich stärker erhitzt als die äußere Wandung des Auspuffkrümmers, die außerdem — beispielsweise durch den Fahrtwind — besser gekühlt wird. Es besteht daher die Gefahr, daß die sich aufgrund der thermischen Belastung stärker ausdehnende Trennwand den ursprünglich runden Dichtungsflansch des Auspuffkrümmers verformt, d. h. oval drückt, wodurch die Dichtwirkung zwischen Dichtflansch und Dichtring nicht mehr im ausreichenden Maße gewährleistet wäre.

Aus der DD-PS 95 724 ist es bekannt, die ein Rohr zum Führen von Flüssigkeiten, Gasen und dgl. in zwei Kanäle unterteilende Trennwand gewölbt auszubilden, um so Spannungen im Rohrsystem zu vermeiden. Diese bekannten Rohrsysteme sind gedacht für Fernheizungen und Zentralheizungsanlagen sowie für die ölbeförderung, Teebeförderung etc. Die in solchen Anlagen auftretenden Temperaturen sind mit denen heißer Abgase (bis zu 900° C) nicht vergleichbar.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein rohrähnliches Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszubilden, daß bei Währung der grundsätzlichen Aufgaben dieses Bauteiles störende Verformungen sowie Zerstörungen bei thermischer Beanspruchung desselben vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst; eine vorteilhafte erfindungswesentliche Ausgestaltung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Durch die Anordnung einer Sollbruchstelle in der Trennwand wird dafür gesorgt, daß eine merkliche, die Funktionsweise beeinträchtigende Verformung des rohrähnlichen Bauteiles ausgeschlossen ist, weil die Wand vor Erreichen kritischer Verformungskräfte an der Sollbruchstelle unterbrochen wird, so daß die beidseits dieser Bruchstelle liegenden Wandhälften bei weiterer thermisch bedingter Ausdehnung ins Innere des Bauteils hinein aneinander vorbeigleiten können.

Die Trennwirkung der Wand wird dadurch kaum beeinträchtigt, weil die beiden Wandhälften dicht aneinanderliegen. Eine nachteilige Beeinflussung der Motorleistung tritt somit nicht ein.

Zur Lösung des anstehenden Problemes hätte es an sich nahegelegen, in die Trennwand von vornherein einen schrägverlaufenden Schlitz als Dehnungsfuge anzuordnen, was eine Verformung des rohrähnlichen Bauteils ebenfalls verhindern würde. Eine solche Lösung hätte jedoch den Nachteil, daß ein solcher Schlitz gießtechnisch nicht eingearbeitet werden könnte, sondern nachträglich durch einen besonderen mechanischen Bearbeitungsvorgang, beispielsweise Sägen oder Schleifen, hergestellt werden müßte. Die relativ breite Trennfuge würde darüber hinaus einen Strömungskurzschluß zwischen den an sich durch die Trennwand getrennter. Strömungskanälen des Bauteils bewirken, was unerwünscht wäre. Außerdem würde an den an der Trennfuge scharfkantig auslaufenden Wandteilen bevorzugt Heißkorrosion auftreten, was mit entsprechenden Materialabtragungen verbunden wäre. All diese Nachteile treten bei der vorgeschlagenen Lösung nicht auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren erläutert, von denen

so F i g. 1 einen Axialschnitt des Gelenkbereichs zwischen einem Auspuffkrümmer und einem daran befestigten Abgasrohr wiedergibt, während

F i g. 2 die in F i g. 1 mit II bezifferte Stirnansicht des Auspuffkrümmers und

Fig.3 mehrere Varianten der vorgeschlagenen Sollbruchstelle zeigt.

Während des Betriebes wird der Auspuffkrümmer 1 in Richtung der gezeigten Pfeile von heißen Abgasen durchströmt, die in das mit dem Auspuffkrümmer verbundene Abgasrohr 3 einströmen. Wie aus F i g. 2, welche die in Fig. 1 mit II bezifferte Ansicht des Auspuffkrümmers zeigt, zu erkennen ist, ist der Austrittsquerschnitt des Auspuffkrümmers durch eine Wand 2 in zwei voneinander getrennte Strömungskanä-Ie unterteilt. Eine entsprechende Unterteilung des Durchflußquerschnitts ist auch im Abgasrohr 3 vorgeseiicn, wobei die Trennwände zwischen Auspuffkrümmer und Abgasrohr miteinander fluchten. Eine Unterteilung

der Abgasströmung zumindest über einen Teil ihres Weges ist aus Leistungsgründen vorteilhaft

Das dem Abgasrohr 3 zugewandte Ende des gegossenen Auspuffkrümmers 1 ist mit einem zylindrischen Dichtflansch 4 versehen. Die Trennwand 2 ist miteingegossen und bildet einen integralen Bestandteil des Auspuffkrümmers. Das Abgasrohr 3 ist unter Zwischenfügung eines thermisch beständigen Zwischenringes 5 am Auspuffkrümmer 1 befestigt, wobei Einzelheiten dieser Befestigung nicht weiter dargestellt sind. Die äußere Kontur des Dichtrings 5 sowie die Kontur des am Dichtring anliegenden Rohrteiles sind so ausgebildet, daß sich eine kugelgelenkartige Verbindung ergibt, wodurch Schwingungen, Vibrationen sowie Einbautoleranzen ausgeglichen bzw. aufgefangen werden können.

Sobald die heißen Abgase durch die Kanäle des Auspuffkrümmers strömen, wird insbesondere die beidseitig von Abgas umströmte Trennwand 2 sehr stark aufgeheizt, wogegen die äußere Wandung, so auch der zylindrische Dichtflansch 4 etwas weniger stark aufgeheizt wird, weil die Kühlbedingungen dort besser sind. Unter diesen thermischen Bedingungen ergibt sich für die Trennwand 2 von der einen Rohrwand zur anderen Rohrwand eine größere thermisch bedingte Ausdehnung als es der thermisch bedingten Durchmesservergrößerung des Dichtflansches 4 entspricht. Ohne besondere Maßnahmen hätte das zur Felge, daß der an sich kreisförmige Querschnitt des Dichtflansches 4 zwangsweise verformt würde und beispielsweise eine etwa ovale Form annehmen würde. Damit würde aber die Dichtung zwischen Abgasrohr 3 und Dichtflansch 4 zerstört werden. Ggf. könnten auch unkontrollierbare Zerstörungen eintreten.

Um dies zu verhindern, ist im mittleren Bereich der Trennwand 2 eine Sollbruchstelle 6 vorgesehen. Diese besteht aus einer auf der einen Wandseite längsverlaufenden ersten nutähnlichen Ausnehmung 6' sowie aus einer auf der anderen Wandseite längsverlaufenden zweiten nutähnlichen Ausnehmung 6", welche in einem geringen Abstand und parallel zur ersten Ausnehmung 6' verläuft Die Tiefe, die Form sowie die Lage dieser beiden Ausnehmungen 6', 6" sind derartig gewählt daß zwischen beiden nur noch ein dünner Restquerschnitt 2' der Wand stehenbleibt Bei entsprechender thermischer Beanspruchung wird dieser Restquerschnitt 2' durch die dann auftretenden hohen Schubspannurgen zerstört Bei anhaltender thermisch bedingter Ausdehnung der Wand können die beiden Wandhälften rechts und links der Bruchstelle zur Rohrmitte hin aneinander vorbeigleiten, so daß den Dichtflansch 4 verformende Kräfte nicht auftreten können. Die sich dabei ergebende

is Trennfuge ist so gering, daß eine strömungstechnische Verbindung zwischen den beiden Kanälen auf den beiden Seiten der Trennwand praktisch nicht auftritt

Die sich in Längsrichtung des Bauteils, d.h. des Auspuffkrümmers 1 erstreckenden nutähnlichen Ausnehmungen 6' bzw. 6" können mit Vorteil in die Wand 2 miteingegossen werden, so daß keine nachträgliche mechanische Bearbeitung (Bohren, Sägen, Fräsen o. ä.) erforderlich wird Die Form der nutähnlichen Ausnehmungen kann im Prinzip beliebig gewählt werden, d. h.

sie könnten eckig, spitz, oval oder rund sein. Einige denkbare Nutformen sind in Fig.3 schematisch angedeutet Gießtechnisch ist es jedoch von Vorteil, abgerundete Konturen zu verwenden, wie es beispielsweise in F i g. 2 oder in den beiden ersten Ausführungen der F i g. 3 angedeutet ist. Um ihre Aufgabe in vollem Umfange zuverlässig erfüllen zu können, müssen die nutähnlichen Ausnehmungen so lang ausgebildet werden, daß der — bezüglich Verformung — kritische Bereich des Bauteils gut überdeckt wird Im gezeigten Ausführungsbeispiel muß die Sollbruchstelle 6 daher ausreichend länger ausgebildet werden als der Dichtflansch 4, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermisch beanspruchtes rohrähnliches Bauteil, welches durch eine Wand in voneinander getrennte Strömungskanäle o. ä. unterteilt ist, insbesondere im Austrittsquerschnitt mit einer Trennwand versehener Auspuffkrümmer einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in die Trennwand (2) mindestens eine sich in Bauteil-Längsrichtung erstreckende, bei betriebsüblicher thermischer Beanspruchung wirksam werdende Sollbruchstelle (6) eingefügt ist, welche aus einer auf der einen Wandseite längsverlaufenden ersten nutähnlichen Ausnehmung (6') und einer auf der anderen Wandseite in geringem Abstand und parallel dazu längsverlaufenden zweiten nutähnlichen Ausnehmung (6") besteht, wobei Tiefe, Form und Lage beider Ausnehmungen (6', 6") derart gewählt sind, daß nach Zerstörung des von den beiden Ausnehmungen (6', 6") eingeschlossenen Restquerschnitts (2') der Trennwand (2) die beiden Wandhälften aneinander vorbeigleiten können.

2. Rohrähnliches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (6', 6") in die Trennwand (2) eingegossen sind.