DE2916030C2 - Thermisch beanspruchtes rohrähnliches Bauteil, insbesondere Auspuffkrümmer einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Thermisch beanspruchtes rohrähnliches Bauteil, insbesondere Auspuffkrümmer einer VerbrennungskraftmaschineInfo
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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 (2)
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.
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