EP3203048B1

EP3203048B1 - Fixing assembly for fixing an exhaust manifold on a cylinder head of a combustion engine

Info

Publication number: EP3203048B1
Application number: EP17153043.9A
Authority: EP
Inventors: Ralf Mohr; Arnulf Spieth; Jürgen Häberle
Original assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: EP3203048A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung zur Festlegung eines Auslasskrümmers an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine.The present invention relates to a fastening arrangement for fixing an exhaust manifold to a cylinder head of an internal combustion engine.

Bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Brennkraftmaschinen, welche im Allgemeinen als Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit zumindest einer Reihe von in einem Zylinderblock ausgebildeten Zylindern aufgebaut sind, ist an einer Auslassseite des Zylinderkopfes ein entlang der Reihe von Zylindern langgestreckter und damit die aus diesen austretenden Abgasen aufnehmender Auslasskrümmer, allgemein auch als Abgaskrümmer bezeichnet, festgelegt. Der Auslasskrümmer weist eine im Wesentlichen plane Anlagefläche auf, welche unter Zwischenlagerung eines Dichtungselements bezüglich einer ebenfalls im Wesentlichen planen Anlagefläche des Zylinderkopfs abgestützt ist. Der Auslasskrümmer weist an seinen Längsseiten jeweilige Befestigungsrandbereiche auf. Durch am Zylinderkopf beispielsweise durch Verschraubung festgelegte Befestigungsbolzeneinheiten sind an den Befestigungsrandbereichen sich abstützende Befestigungselemente gegen die Befestigungsrandbereiche bzw. dort jeweils vorgesehene Befestigungselementenabstützflächen bzw. gegen den Zylinderkopf gepresst, so dass der Auslasskrümmer gegen die Anlagefläche des Zylinderkopfes gepresst wird, selbstverständlich unter Zwischenlagerung des bereits angesprochenen Dichtungselementes zur Herstellung eines gasdichten Abschlusses.In internal combustion engines used in automobiles, which are generally constructed as multi-cylinder internal combustion engines with at least one row of cylinders formed in a cylinder block, an exhaust manifold of an elongated cylinder along the row of cylinders and thus the exhaust gases exiting therefrom is generally located on an exhaust side of the cylinder head also referred to as exhaust manifold defined. The exhaust manifold has a substantially planar bearing surface, which is supported with the intermediate storage of a sealing element with respect to a likewise substantially planar bearing surface of the cylinder head. The exhaust manifold has on its longitudinal sides respective fastening edge regions. By fixed to the cylinder head, for example by screw fastening bolt units are fastened to the mounting edge areas supporting fasteners against the mounting edge areas or respectively provided Befestigungselementenabstützflächen or pressed against the cylinder head, so that the exhaust manifold is pressed against the contact surface of the cylinder head, of course, interim storage of the already mentioned sealing element for the production of a gastight seal.

Aus baulichen Gründen kann es erforderlich sein, an zumindest einem der Befestigungsrandbereiche die bezüglich des Zylinderkopfes einerseits und eines Befestigungselements andererseits sich abstützenden Befestigungsbolzeneinheiten nicht orthogonal zur Anlagefläche des Zylinderkopfes, sondern dazu geneigt anzuordnen, um bei der Festlegung des Auslasskrümmers am Zylinderkopf Zugriff auf die Befestigungsbolzeneinheiten zu haben. Diese geneigte Anordnung der Befestigungsbolzeneinheiten an zumindest einem der Befestigungsrandbereiche erfordert eine keilartige Ausgestaltung eines an diesem Befestigungsrandbereich vorgesehenen Befestigungsflanschbereichs, an welchem das durch diese Befestigungsbolzeneinheiten gegen den Befestigungsrandbereich gepresste Befestigungselement sich abstützt. Durch diese geneigte Anordnung der Befestigungsbolzeneinheiten und die keilartige Ausgestaltung des Befestigungsflanschbereichs entstehen Querkräfte, welche den Auslasskrümmer in Richtung auf seinen anderen Befestigungsrandbereich bzw. die dort vorgesehenen Befestigungsbolzeneinheiten und das dort vorgesehene Befestigungselement zu belasten.For structural reasons, it may be necessary to arrange on at least one of the fastening edge regions with respect to the cylinder head on the one hand and a fastener on the other hand supporting mounting bolt units not orthogonal to the contact surface of the cylinder head, but inclined to access in fixing the Auslasskrümmers on the cylinder head access to the fastening bolt units to have. This inclined arrangement of the fastening bolt units on at least one of the fastening edge regions requires a wedge-like configuration of a fastening flange region provided on this fastening edge region, against which the fastening element pressed by these fastening bolt units against the fastening edge region is supported. Due to this inclined arrangement of the fastening bolt units and the wedge-like design of the fastening flange region, transverse forces arise which load the exhaust manifold in the direction of its other fastening edge region or fastening bolt units provided there and the fastening element provided there.

Im Betrieb einer Brennkraftmaschine unterliegt der Auslasskrümmer ebenso wie der Zylinderkopf einer hohen thermischen und mechanischen Belastung. Durch die am Beginn eines Verbrennungsbetriebs und nach dem Ende eines Verbrennungsbetriebs auftretenden, thermisch induzierten Ausdehnungen bzw. Kontraktionen entstehen auch im Bereich der Festlegung des Auslasskrümmers an dem Zylinderkopf wiederholt Kräfte, welche auch die zur Festlegung des Auslasskrümmers am Zylinderkopf eingesetzten Befestigungsbolzeneinheiten stark belasten und, auch unterstützt durch die im Verbrennungsbetrieb auftretenden Vibrationen, zum Lockern von Befestigungsbolzeneinheiten und einer von einer Soll-Einbaulage des Auslasskrümmers bezüglich des Zylinderkopfes abweichenden Einbaulage führen können.During operation of an internal combustion engine, the exhaust manifold, like the cylinder head, is subject to high thermal and mechanical stress. Due to the thermally induced expansions or contractions occurring at the beginning of an internal combustion operation and after the end of a combustion operation, forces repeatedly occur in the region of the attachment of the exhaust manifold to the cylinder head, which also heavily load the fastening bolt units used to fix the exhaust manifold on the cylinder head and, as well supported by the vibrations occurring in the combustion operation, can lead to the loosening of fastening bolt units and a deviating from a desired mounting position of the exhaust manifold with respect to the cylinder head installation position.

Eine Befestigungsanordnung zur Festlegung eines Auslasskrümmers an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2010 025 657 A1 bekannt. Zwischen einer Befestigungselementabstützfläche eines Befestigungsflanschbereichs des Auslasskrümmers und einer zur Anlage an einer Anlagefläche eines Zylinderkopfes vorgesehenen Anlagefläche des Befestigungsflanschbereichs ist ein Keilwinkel im Bereich von 15° bis 30° gebildet, um eine parallel zur Anlagefläche des Zylinderkopfes wirkende Kraft zu erzeugen, welche einen anderen Befestigungsflanschbereich des Auslasskrümmers gegen ein diesen abstützendes und als Widerlager wirkendes Befestigungselement zu pressen.A mounting arrangement for fixing an exhaust manifold to a cylinder head of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 is shown in FIG DE 10 2010 025 657 A1 known. Between a Befestigungselementabstützfläche a mounting flange of the exhaust manifold and provided for abutment against a contact surface of a cylinder head bearing surface of the mounting flange portion is formed a wedge angle in the range of 15 ° to 30 ° to produce a force acting parallel to the contact surface of the cylinder head force, which is another mounting flange of the Exhaust manifold to press against this supporting and acting as an abutment fastener.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Befestigungsanordnung zur Festlegung eines Auslasskrümmers an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine vorzusehen, welche eine unter starker thermischer und mechanischer Belastung stabile und gegen undefinierte Bewegungen gesicherte Festlegung des Auslasskrümmers am Zylinderkopf gewährleistet.It is the object of the present invention to provide a fastening arrangement for fixing an exhaust manifold to a cylinder head of an internal combustion engine, which ensures stable under strong thermal and mechanical stress and secured against undefined movements fixing the exhaust manifold on the cylinder head.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Befestigungsanordnung zur Festlegung eines Auslasskrümmers an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, wobei der Auslasskrümmer eine im Wesentlichen plane erste Anlagefläche zur Abstützung bezüglich einer im Wesentlichen planen zweiten Anlagefläche des Zylinderkopfes aufweist, wobei der Auslasskrümmer in einem ersten Befestigungsrandbereich einen keilartigen ersten Befestigungsflanschbereich mit einer bezüglich der ersten Anlagefläche mit einem ersten Keilwinkel geneigten ersten Befestigungselementenabstützfläche aufweist, wobei ein erstes Befestigungselement vermittels wenigstens einer bezüglich des Zylinderkopfes sich abstützenden oder abstützbaren ersten Befestigungsbolzeneinheit mit einer ersten Befestigungsflanschabstützfläche gegen die erste Befestigungselementenabstützfläche gepresst oder pressbar ist, wobei für den ersten Keilwinkel und einen Haftreibungskoeffizienten der Reibwechselwirkung des ersten Befestigungselements bezüglich des Auslasskrümmers gilt: $0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ),$

wobei:

W₁ der erste Keilwinkel ist,
µ der Haftreibungskoeffizient ist.

According to the invention, this object is achieved by a fastening arrangement for fixing an exhaust manifold to a cylinder head of an internal combustion engine, wherein the exhaust manifold has a substantially plane first abutment surface for support with respect to a substantially planar second abutment surface of the cylinder head, wherein the exhaust manifold in a first fastening edge region a wedge-like first Fastening flange portion having a relation to the first bearing surface inclined at a first wedge angle first Befestigungselementenabstützfläche, wherein a first fastening element by means of at least one with respect to the cylinder head is supported or supportable first fastening bolt unit with a first Befestigungsflanschabstützfläche pressed against the first Befestigungselementenabstützfläche or pressed, wherein for the first wedge angle and a static friction coefficient of the frictional interaction of the first n fastener with respect to the exhaust manifold applies:

0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ) .

in which:

W _{1 is} the first wedge angle,
μ is the static friction coefficient.

Um für die Montage des Auslasskrümmers Zugang zu der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit gewährleisten zu können, ist eine erste Befestigungsbolzenlängsachse der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit mit einem ersten Längsachsenwinkel bezüglich der zweiten Anlagefläche ausgehend von dem Zylinderkopf in Richtung auf ein freies Ende des ersten Befestigungsflanschbereichs zu geneigt.In order to provide access to the at least one first mounting bolt assembly for mounting the exhaust manifold, a first mounting bolt longitudinal axis of the at least one first mounting bolt unit is inclined with a first longitudinal axis angle with respect to the second contact surface from the cylinder head towards a free end of the first mounting flange portion.

Durch die Auswahl des ersten Keilwinkels in dem vorangehend angegebenen Bereich wird gewährleistet, dass die im Wesentlichen parallel zu den aufeinander zu vorgespannten Abstützflächen des Auslasskrümmers einerseits und des Zylinderkopfes andererseits orientierten Kräfte, welche grundsätzlich aufgrund der keilartigen Ausgestaltung des ersten Befestigungsflanschbereiches zu einer Querbelastung bzw. Querverschiebung des Auslasskrümmers bezüglich des Zylinderkopfes führen könnten, nur in einem einen Reibkegel nicht wesentlich übersteigenden Ausmaß auftreten können. Durch diese Begrenzung der auf den Auslasskrümmer einwirkenden Verschiebekräfte wird gewährleistet, dass auch bei wiederholt auftretender thermischer und mechanischer Belastung eine ungewünschte Verschiebung des Auslasskrümmers bzw. ein ungewünschtes Lockern der Befestigungsbolzeneinheiten nicht auftreten wird.By selecting the first wedge angle in the aforementioned range, it is ensured that the forces oriented essentially parallel to the mutually prestressed support surfaces of the exhaust manifold on the one hand and of the cylinder head on the other hand, due to the wedge-like configuration of the first mounting flange region, result in a transverse load or transverse displacement the exhaust manifold with respect to the cylinder head could occur only in a friction cone not significantly exceeding extent. This limitation of the displacement forces acting on the exhaust manifold ensures that undesired displacement of the exhaust manifold or unwanted loosening of the fastening bolt units will not occur even if the thermal and mechanical loads repeatedly occur.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass für den ersten Keilwinkel und den Haftreibungskoeffizienten gilt: $0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ),$

vorzugsweise

W_{1} = \tan^{- 1} (μ) .

In a particularly advantageous embodiment, it may be provided that the following applies for the first wedge angle and the static friction coefficient:

0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ) .

preferably

W_{1} = \tan^{- 1} (μ),

Auf diese Art und Weise kann gewährleistet werden, dass die den Auslasskrümmer grundsätzlich in Richtung Verschieben belastenden Kräfte so gering gehalten sind, dass sie die zwischen dem ersten Befestigungsflanschbereich und dem ersten Befestigungselement auftretenden Haftreibungskräfte nicht übersteigen können und somit eine durch die vermittels der ersten Befestigungsbolzeneinheiten auf den Auslasskrümmer ausgeübten Kräfte induzierte Querverschiebung des Auslasskrümmers minimiert nicht auftreten kann.In this way it can be ensured that the forces exerted on the exhaust manifold in the direction of displacement forces are kept so low that they can not exceed the static friction forces occurring between the first mounting flange and the first fastener and thus by the means of the first mounting bolt units forces exerted on the exhaust manifold induced transverse displacement of the exhaust manifold can not occur minimized.

Bei einer alternativen Ausgestaltungsart, bei welcher die durch Reibwechselwirkung entstehenden Haftreibungskräfte geringfügig übersteigende Querkräfte zugelassen werden, wird vorgeschlagen, dass für den ersten Keilwinkel und den Haftreibungskoeffizienten gilt: $\tan^{- 1} (μ) < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ) .$

In an alternative embodiment in which the frictional friction forces resulting from frictional interaction are permitted to exceed slightly transverse forces, it is proposed that the following apply to the first wedge angle and the static friction coefficient:

\tan^{- 1} (μ) < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ),

Für eine Querkräfte ebenfalls im Wesentlichen ausschließende Abstützwechselwirkung zwischen dem ersten Befestigungselement und der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit wird vorgeschlagen, dass das erste Befestigungselement eine zu einer ersten Befestigungsbolzenlängsachse der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit im Wesentlichen orthogonale erste Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche zur Abstützung der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit bezüglich des ersten Befestigungselements aufweist.For a transverse forces also substantially excluding Abstützwechselwirkung between the first fastening element and the at least one first fastening bolt unit, it is proposed that the first fastening element to a first fastening bolt longitudinal axis of the at least one first fastening bolt unit substantially orthogonal first Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche for supporting the at least one first fastening bolt unit with respect to the first Has fastening element.

Um für die Montage des Auslasskrümmers Zugang zu der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit gewährleisten zu können, wird vorgeschlagen, dass die erste Befestigungsbolzenlängsachse der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit mit einem ersten Längsachsenwinkel bezüglich der zweiten Anlagefläche ausgehend von dem Zylinderkopf in Richtung auf ein freies Ende des ersten Befestigungsflanschbereichs im Bereich zwischen 50° und 70°, bevorzugt mit etwa 60°, geneigt ist. Dabei liegt vorzugsweise die erste Befestigungsbolzenlängsachse der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit in einer zur zweiten Anlagefläche im Wesentlichen orthogonalen Ebene, was letztendlich bedeutet, dass diese erste Befestigungsbolzenlängsachse im Wesentlichen nur nach außen, also in Richtung vom Auslasskrümmer weg und in Richtung auf das freie Ende des ersten Befestigungsflanschbereichs zu geneigt ist, nicht jedoch in der Richtung der Längserstreckung des Auslasskrümmers, in welcher dieser sich entlang der Reihe von Zylindern in einem Zylinderblock erstreckt, geneigt ist.In order to ensure access to the at least one first fastening bolt unit for the assembly of the exhaust manifold, it is proposed that the first fastening bolt longitudinal axis of the at least one first fastening bolt unit with a first longitudinal axis angle with respect to the second contact surface from the cylinder head towards a free end of the first mounting flange in the range between 50 ° and 70 °, preferably at about 60 °, is inclined. In this case, the first fastening bolt longitudinal axis of the at least one first fastening bolt unit preferably lies in a plane substantially orthogonal to the second contact surface, which ultimately means that this first fastening bolt longitudinal axis essentially only outwards, ie in the direction away from the exhaust manifold and in the direction of the free end of the first Mounting flange portion is inclined to, but not in the direction of the longitudinal extent of the exhaust manifold, in which it extends along the row of cylinders in a cylinder block, is inclined.

Um ferner in der Wechselwirkung zwischen der wenigstens einen Befestigungsbolzeneinheit und dem ersten Befestigungselement Querverschiebungen zwischen diesen beiden Baugruppen, also Verschiebungen im Wesentlichen quer zur Befestigungsbolzenlängsachse dieser wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit zu vermeiden, wird weiter vorgeschlagen, dass ein Befestigungsbolzen der wenigstens einen ersten Befestigungsbolzeneinheit eine Befestigungsbolzendurchgriffsöffnung in dem ersten Befestigungselement im Wesentlichen ohne Bewegungsspiel quer zur ersten Befestigungsbolzenlängsachse durchsetzt.Furthermore, in order to avoid transverse displacements between these two assemblies, ie displacements substantially transversely to the fastening bolt longitudinal axis of this at least one first fastening bolt unit, in the interaction between the at least one fastening bolt unit and the first fastening element, it is further proposed that a fastening bolt of the at least one first fastening bolt unit be Mounting bolt through opening in the first fastener substantially transversely to the first mounting bolt longitudinal axis passes through without play.

Um auch an der anderen Seite des Auslasskrümmers eine stabile Anbindung desselben an den Zylinderkopf zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass der Auslasskrümmer in einem zweiten Befestigungsrandbereich einen dem ersten Befestigungsflanschbereich im Wesentlichen entgegengesetzt orientierten zweiten Befestigungsflanschbereich mit einer bezüglich der ersten Anlagefläche mit einem zweiten Keilwinkel geneigten zweiten Befestigungselementenabstützfläche aufweist, wobei ein zweites Befestigungselement vermittels wenigstens einer bezüglich des Zylinderkopfes sich abstützenden oder abstützbaren zweiten Befestigungsbolzeneinheit gegen den Zylinderkopf gepresst oder pressbar ist und eine bezüglich der zweiten Anlagefläche mit dem zweiten Keilwinkel geneigte zweite Befestigungsflanschabstützfläche ausweist. Das zweite Befestigungselement kann vor Anbringung des Auslasskrümmers am Zylinderkopf festgelegt werden, so dass der Auslasskrümmer mit seinem ebenfalls keilartig ausgebildeten zweiten Befestigungsflanschbereich unter das zweite Befestigungselement geschoben werden kann und nachfolgend am ersten Befestigungsrandbereich eine Festlegung vermittels des ersten Befestigungselements erfolgen kann.In order to ensure a stable connection thereof to the cylinder head on the other side of the exhaust manifold, it is proposed that the exhaust manifold in a second fastening edge region have a second fastening flange region oriented substantially opposite the first fastening flange region and having a second inclined with respect to the first contact surface with a second wedge angle Fastening element support surface, wherein a second fastening element by means of at least one with respect to the cylinder head is supported or supportable second fastening bolt unit pressed against the cylinder head or pressable and identifies a relative to the second bearing surface with the second wedge angle inclined second Befestigungsflanschabstützfläche. The second fastening element can be fixed to the cylinder head prior to attachment of the exhaust manifold so that the exhaust manifold with its likewise wedge-like second fastening flange region is pushed under the second fastening element can be and subsequently carried out at the first attachment edge portion a determination by means of the first fastener.

Vorteilhafterweise ist eine zweite Befestigungsbolzenlängsachse der wenigstens einen zweiten Befestigungsbolzeneinheit bezüglich der zweiten Anlagefläche mit einem zweiten Längsachsenwinkel angeordnet, wobei der zweite Längsachsenwinkel im Bereich von 90° liegt.Advantageously, a second fastening bolt longitudinal axis of the at least one second fastening bolt unit is arranged with respect to the second contact surface with a second longitudinal axis angle, wherein the second longitudinal axis angle is in the range of 90 °.

Der zweite Keilwinkel ist vorzugsweise größer als der erste Keilwinkel, und das zweite Befestigungselement kann eine zur zweiten Befestigungsbolzenlängsachse der wenigstens einen zweiten Befestigungsbolzeneinheit im Wesentlichen orthogonale zweite Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche zur Abstützung der wenigstens einen zweiten Befestigungsbolzeneinheit bezüglich des zweiten Befestigungselements aufweisen.The second wedge angle is preferably greater than the first wedge angle, and the second fastening element may comprise a second fastening bolt unit supporting surface substantially orthogonal to the second fastening bolt longitudinal axis of the at least one second fastening bolt unit for supporting the at least one second fastening bolt unit with respect to the second fastening element.

Um die im Verbrennungsbetrieb auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belstungen aufnehmen zu können, kann der Auslasskrümmer aus Stahl, vorzugsweise ST52, aufgebaut sein. Auch das mit dem Auslasskrümmer in Reibwechselwirkung tretende erste Befestigungselement kann aus Stahl, vorzugsweise ebenfalls ST52, aufgebaut sein. Der zwischen dem Auslasskrümmer und dem Zylinderkopf wirkende Haftreibungskoeffizient liegt insbesondere bei Einsatz von Stahlmaterial zum Aufbau dieser Baugruppen beispielsweise im Bereich von 0,10 bis 0,14, vorzugsweise im Bereich von 0,11 bis 0,13.In order to be able to absorb the high thermal and mechanical loads occurring during combustion, the exhaust manifold may be made of steel, preferably ST52. The first fastening element which comes into frictional interaction with the exhaust manifold can also be made of steel, preferably also ST52. The coefficient of static friction acting between the exhaust manifold and the cylinder head is, for example, in the range from 0.10 to 0.14, preferably in the range from 0.11 to 0.13, in particular when steel material is used to build up these assemblies.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend einen an einem Zylinderblock festgelegten Zylinderkopf und einen vermittels einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung an dem Zylinderkopf festgelegten Auslasskrümmer.The invention further relates to an internal combustion engine, in particular for a vehicle, comprising a cylinder head fixed to a cylinder block and an exhaust manifold fixed to the cylinder head by means of a fastening arrangement according to the invention.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1: eine prinzipartige Querschnittansicht eines in einem ersten Befestigungsrandbereich gemäß der Erfindung mit dem Keilwinkel W₁ mit einem Zylinderkopf verbundenen Auslasskrümmers;
Fig. 2: eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, welche die Festlegung des Auslasskrümmers am Zylinderkopf in einem zweiten Befestigungsrandbereich des Auslasskrümmers zeigt.

In the following, the invention will be described in detail with reference to the attached figures. It shows:

Fig. 1: a principle cross-sectional view of a connected in a first fastening edge region according to the invention with the wedge angle W ₁ with a cylinder head exhaust manifold;
Fig. 2: one of the Fig. 1 corresponding representation showing the determination of the exhaust manifold on the cylinder head in a second fastening edge region of the exhaust manifold.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in vereinfachter Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Befestigungsanordnung, vermittels welcher ein Auslasskrümmer 12 an einem Zylinderkopf 14 einer Brennkraftmaschine festgelegt werden kann. Dabei zeigt die Fig. 1 die Festlegung des Auslasskrümmers 12 am Zylinderkopf 14 in einem ersten Befestigungsrandbereich 16 des Auslasskrümmers 12, während die Fig. 2 die Festlegung des Auslasskrümmers 12 am Zylinderkopf 14 in einem zweiten Befestigungsrandbereich 18 des Auslasskrümmers 12 zeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Auslasskrümmer 12 grundsätzlich orthogonal zu den Zeichenebenen der Fig. 1 und 2 langgestreckt sein kann und sich mit seiner Längserstreckungsrichtung entlang der in einem Zylinderblock vorgesehenen Zylinder erstrecken kann.The Fig. 1 and 2 show in simplified representation a generally designated 10 mounting arrangement, by means of which an exhaust manifold 12 can be fixed to a cylinder head 14 of an internal combustion engine. It shows the Fig. 1 the determination of the exhaust manifold 12 on the cylinder head 14 in a first fastening edge region 16 of the exhaust manifold 12, while the Fig. 2 the determination of the exhaust manifold 12 on the cylinder head 14 in a second fastening edge region 18 of the exhaust manifold 12 shows. It should be noted that the exhaust manifold 12 is basically orthogonal to the planes of the drawing Fig. 1 and 2 may be elongate and extend with its longitudinal direction along the cylinder provided in a cylinder block.

Der Auslasskrümmer 12 weist eine plan ausgebildete erste Anlagefläche 20 auf, welche einer zweiten Anlagefläche 22 des Zylinderkopfes 14 gegenüberliegt. Wie im Folgenden beschrieben, wird der Auslasskrümmer 12 in Richtung auf die zweite Anlagefläche 22 zu beaufschlagt, wobei zwischen der ersten Anlagefläche 20 und der zweiten Anlagefläche 22 zum Erhalt eines gasdichten Abschlusses ein in den Figuren nicht dargestelltes Dichtungselement positioniert wird.The exhaust manifold 12 has a planar first contact surface 20, which faces a second abutment surface 22 of the cylinder head 14. As described below, the exhaust manifold 12 is urged toward the second abutment surface 22, wherein between the first abutment surface 20 and the second abutment surface 22 to obtain a gas-tight termination, a sealing element, not shown in the figures, is positioned.

Im ersten Befestigungsrandbereich 16 weist der Auslasskrümmer 12 einen keilartig ausgebildeten ersten Befestigungsflanschbereich 24 auf. Dieser ist in Richtung auf den Zylinderkopf 14 zu durch die erste Anlagefläche 20 begrenzt und ist in Richtung vom Zylinderkopf 14 weg durch eine Befestigungselementenabstützfläche 26 begrenzt. Zwischen der ersten Anlagefläche 20 und der ersten Befestigungselementenabstützfläche 26 ist ein erster Keilwinkel W₁ gebildet, so dass der erste Befestigungsflanschbereich 24 in Richtung auf ein freies Ende 28 desselben zu sich verjüngend ausgebildet ist.In the first fastening edge region 16, the outlet manifold 12 has a wedge-like first fastening flange region 24. This is limited in the direction of the cylinder head 14 through the first contact surface 20 and is limited in the direction away from the cylinder head 14 by a Befestigungselementenabstützfläche 26. Between the first contact surface 20 and the first Befestigungselementenabstützfläche 26, a first wedge angle W _{1 is} formed, so that the first mounting flange portion 24 is tapered toward a free end 28 thereof.

Zur Festlegung des Auslasskrümmers 12 in seinem ersten Befestigungsrandbereich 16 am Zylinderkopf 14 ist vorzugsweise eine Mehrzahl von in der Längserstreckungsrichtung des Auslasskrümmers 12, also orthogonal zur Zeichenebene der Fig. 1 aufeinander folgenden ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30 vorgesehen. Jede dieser ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30 umfasst einen Befestigungsbolzen 32, allgemein auch als Stehbolzen bezeichnet, der in eine zugeordnete Öffnung 34 im Zylinderkopf 14 eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt ist. Der Befestigungsbolzen 32 ist also vorzugsweise als Außengewindebolzen ausgebildet, und die diesen aufnehmende Öffnung 34 im Zylinderkopf 14 ist als Innengewindeöffnung ausgebildet.For fixing the exhaust manifold 12 in its first fastening edge region 16 on the cylinder head 14, it is preferable to have a plurality of in the longitudinal extension direction of the exhaust manifold 12, that is to say orthogonal to the plane of the drawing Fig. 1 successive first fastening bolt units 30 are provided. Each of these first fastening bolt units 30 comprises a fastening bolt 32, also generally referred to as stud bolt, which is inserted into an associated opening 34 in the cylinder head 14, preferably screwed. The fastening bolt 32 is therefore preferably designed as an external thread bolt, and the receiving opening 34 in the cylinder head 14 is designed as an internal thread opening.

In Zuordnung zu jeder ersten Befestigungsbolzeneinheit 30 ist im ersten Befestigungsflanschbereich 24 eine beispielsweise zum freien Ende 28 desselben hin offene Befestigungsbolzendurchgriffsöffnung 36 ausgebildet. Durch diese Befestigungsbolzendurchgriffsöffnung 36 erstreckt sich der Befestigungsbolzen 32 ausgehend vom Zylinderkopf 14 mit seiner ersten Befestigungsbolzenlängsachse A₁ unter einem ersten Längsachsenwinkel L₁ bezüglich der zweiten Anlagefläche 22 nach außen, also in Richtung vom Auslasskrümmer 12 weg bzw. in Richtung auf das freie Ende 28 des ersten Befestigungsflanschbereichs 24 zu geneigt. Dabei liegt vorzugsweise die erste Befestigungsbolzenlängsachse A₁ in einer zur zweiten Anlagefläche 22 orthogonalen, somit also im Wesentlichen auch der Zeichenebene der Fig. 1 entsprechenden Ebene. Der Befestigungsbolzen 32 weist somit keine Neigungswinkelkomponente in Richtung der Längserstreckung des Auslasskrümmers 12 auf.In association with each first fastening bolt unit 30, in the first fastening flange region 24, for example, a fastening bolt through opening 36 which is open towards the free end 28 of the same is formed. By means of this fastening bolt passage opening 36, the fastening bolt 32 extends outward from the cylinder head 14 with its first fastening bolt longitudinal axis A ₁ at a first longitudinal axis angle L ₁ with respect to the second contact surface 22, ie in the direction away from the exhaust manifold 12 or in the direction of the free end 28 of FIG first mounting flange portion 24 to inclined. In this case, the first fastening bolt longitudinal axis A ₁ preferably lies in a position orthogonal to the second contact surface 22, and thus substantially also the plane of the drawing Fig. 1 appropriate level. The fastening bolt 32 thus has no inclination angle component in the direction of the longitudinal extent of the exhaust manifold 12.

Die Befestigungsanordnung 10 umfasst in Zuordnung zum ersten Befestigungsflanschbereich 24 ferner ein erstes Befestigungselement 38. Das erste Befestigungselement 38 erstreckt sich in Richtung der Längserstreckung des Auslasskrümmers 12 vorzugsweise über den gesamten ersten Befestigungsrandbereich 16 hinweg und wirkt somit mit den in dieser Längserstreckungsrichtung des Auslasskrümmers 12 aufeinander folgenden ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30 zusammen.The fastener assembly 10 also includes a first fastener 38 associated with the first fastener flange portion 24. The first fastener 38 preferably extends across the entire first fastener rim portion 16 in the direction of the longitudinal extent of the exhaust manifold 12 and thus acts with those therein Longitudinal direction of the exhaust manifold 12 successive first fastening bolt units 30 together.

Das erste Befestigungselement 38 weist eine erste Befestigungsflanschabstützfläche 40 auf, mit welcher dieses an der ersten Befestigungselementenabstützfläche 26 des ersten Befestigungsflanschbereichs 24 anliegt. In Zuordnung zu jeder ersten Befestigungsbolzeneinheit 30 weist das erste Befestigungselement 38 eine Befestigungsbolzendurchgriffsöffnung 42 auf, in welcher ein jeweiliger Befestigungsbolzen 32 im Wesentlichen ohne Bewegungsspiel quer zu seiner ersten Befestigungsbolzenlängsachse A₁ aufgenommen ist. Es ist also eine möglichst genaue Passung vorgesehen, welche einerseits das Aufschieben des ersten Befestigungselements 38 auf die Befestigungsbolzen 32 ermöglicht, andererseits aber Querverschiebungen des ersten Befestigungselements 38 bezüglich der Befestigungsbolzen 32 im Wesentlichen nicht zulässt.The first attachment element 38 has a first attachment flange support surface 40, with which this rests against the first attachment element support surface 26 of the first attachment flange region 24. Assigned to each first fastening bolt unit 30, the first fastening element 38 has a fastening bolt through-opening 42, in which a respective fastening bolt 32 is received transversely to its first fastening bolt longitudinal axis A ₁ substantially without play. Thus, the most accurate fit possible, which on the one hand enables the first fastening element 38 to be pushed onto the fastening bolts 32, but on the other hand does not substantially permit transverse displacements of the first fastening element 38 with respect to the fastening bolts 32.

An der vom ersten Befestigungsflanschbereich 24 und somit der ersten Befestigungselementenabstützfläche 28 abgewandten Seite weist das erste Befestigungselement 38 eine Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche 44 auf. An dieser zur ersten Befestigungsbolzenlängsachse A₁ im Wesentlichen orthogonal orientierten Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche 44 kann sich eine in Gewindeeingriff mit dem Befestigungsbolzen 32 stehende oder bringbare Befestigungsmutter 46 entweder direkt oder über ein Einlagescheibenelement abstützen. Durch diese Befestigungsmutter 46 wird beim Anziehen derselben auf das erste Befestigungselement 48 eine im Wesentlichen in Richtung der ersten Befestigungsbolzenlängsachse A₁ und somit entsprechend geneigt zur zweiten Anlagefläche 22 gerichtete Kraft ausgeübt, welche das erste Befestigungselement 38 gegen den ersten Befestigungsflanschbereich 24, somit also die erste Befestigungsflanschabstützfläche 40 gegen die erste Befestigungselementenabstützfläche 26 presst.At the side facing away from the first mounting flange region 24 and thus the first fastening element support surface 28, the first fastening element 38 has a fastening bolt unit support surface 44. At this fixing bolt unit support surface 44 oriented essentially orthogonally with respect to the first fastening bolt longitudinal axis A ₁ , a fastening nut 46 standing or engageable in threaded engagement with the fastening bolt 32 can be supported either directly or via an insert disk element. As a result of this fastening nut 46, when the same is applied to the first fastening element 48, a force directed essentially in the direction of the first fastening bolt longitudinal axis A ₁ and thus correspondingly inclined to the second contact surface 22 is exerted, which the first fastening element 38 against the first mounting flange region 24, thus the first Mounting flange support surface 40 against the first fastener support surface 26 presses.

Auch in dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Befestigungsrandbereich 18 weist der Auslasskrümmer 12 einen im Wesentlichen keilartig ausgebildeten zweiten Befestigungsflanschbereich 48 auf. Der zweite Befestigungsflanschbereich 48 weist eine unter einem zweiten Keilwinkel W₂ bezüglich der ersten Anlagefläche 20 und somit auch der zweiten Anlagefläche 22 geneigte zweite Befestigungselementenabstützfläche 50 auf. Auch der zweite Befestigungsflanschbereich 48 ist zu seinem freien Ende 52 hin sich verjüngend ausgebildet und ist somit dem ersten Befestigungsflanschbereich 24 im Wesentlichen entgegengesetzt orientiert.Also in the in Fig. 2 illustrated second mounting edge portion 18, the exhaust manifold 12 has a substantially wedge-like second mounting flange 48. The second mounting flange 48 has a at a second wedge angle W ₂ with respect to the first contact surface 20 and thus also the second contact surface 22 inclined second Befestigungselementenabstützfläche 50 on. Also, the second mounting flange portion 48 is tapered toward its free end 52 and is thus oriented substantially opposite to the first mounting flange portion 24.

In Zuordnung zum zweiten Befestigungsflanschbereich 48 umfasst die Befestigungsanordnung 10 ein zweites Befestigungselement 54. Dieses ist durch eine Mehrzahl von in Richtung der Längserstreckung des Auslasskrümmers 12 aufeinander folgenden zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 am Zylinderkopf 14 festgelegt. Jede zweite Befestigungsbolzeneinheit 56 umfasst einen Befestigungsbolzen 58, welcher in eine zugeordnete Öffnung des Zylinderkopfs 14 eingesetzt, vorzugsweise darin durch Gewindeeingriff gehalten ist. Auch die Befestigungsbolzen 58 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 sind somit vorzugsweise als Außengewindebolzen ausgebildet, während die diese aufnehmenden Öffnungen im Zylinderkopf 14 als Innengewindeöffnungen ausgebildet sind. Zu erkennen ist in Fig. 2, dass die Befestigungsbolzen 58 mit ihren zweiten Befestigungsbolzenlängsachsen A₂ bezüglich der zweiten Anlagefläche 22 mit einem zweiten Längsachsenwinkel L₂ von 90° angeordnet sind. Die Befestigungsbolzen 58 erstrecken sich somit bezüglich der zweiten Anlagefläche 22 im Wesentlichen orthogonal und weisen auch keine Neigungswinkelkomponenten in Richtung der Längserstreckungsrichtung des Auslasskrümmers 12 auf.Associated with the second mounting flange portion 48, the mounting assembly 10 includes a second fastener 54. This is defined by a plurality of in the direction of the longitudinal extent of the exhaust manifold 12 successive second mounting bolt units 56 on the cylinder head 14. Each second mounting bolt unit 56 includes a mounting bolt 58 which is inserted into an associated opening of the cylinder head 14, preferably held therein by threaded engagement. The fastening bolts 58 of the second fastening bolt units 56 are thus preferably designed as external thread bolts, while the openings receiving these are formed in the cylinder head 14 as internal threaded openings. It can be seen in Fig. 2 in that the fastening bolts 58 with their second fastening bolt longitudinal axes A _{2 are arranged} with respect to the second contact surface 22 with a second longitudinal axis angle L ₂ of 90 °. The fastening bolts 58 thus extend substantially orthogonally with respect to the second contact surface 22 and also have no inclination angle components in the direction of the longitudinal direction of the exhaust manifold 12.

Die Befestigungsbolzen 58 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 durchsetzen diesen jeweils zugeordnete Befestigungsbolzendurchgriffsöffnungen im zweiten Befestigungselement 54. An einer von der zweiten Anlagefläche 22 des Zylinderkopfs 14 abgewandten Seite weist das Befestigungselement 54 eine zweite Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche 60 auf, die zur jeweiligen zweiten Befestigungsbolzenlängsachse A₂ der Befestigungsbolzen 58 im Wesentlichen orthogonal steht und an welcher eine in Gewindeeingriff mit dem Befestigungsbolzen 58 einer jeweiligen zweiten Befestigungsbolzeneinheit 56 stehende oder bringbare Befestigungsmutter 62 entweder direkt oder unter Zwischenlagerung einer Einlagescheibe abgestützt oder abstützbar ist. Durch die Befestigungsmuttern 62 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 wird das zweite Befestigungselement 54 mit einer Zylinderkopfabstützfläche 64 gegen die zweite Anlagefläche 22 des Zylinderkopfs 14 gepresst. Das zweite Befestigungselement 54 wird somit vermittels der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 in definierter Positionierung bezüglich des Zylinderkopfs 14 gehalten. Hierzu weisen beispielsweise die im zweiten Befestigungselement 54 ausgebildeten Befestigungsbolzendurchgriffsöffnungen für die Befestigungsbolzen 58 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 eine derartige Dimensionierung auf, dass in diesen Befestigungsbolzendurchgriffsöffnungen die Befestigungsbolzen 58 wiederum im Wesentlichen ohne Bewegungsspiel quer zu ihren zweiten Befestigungsbolzenlängsachsen A₂ aufgenommen sind, so dass das zweite Befestigungselement 54 nicht nur in Richtung orthogonal zurück zur Aufnahmefläche 22, sondern auch in Richtung parallel zur zweiten Anlagefläche 22 in definierter Positionierung im Wesentlichen unbeweglich gehalten ist.On a side remote from the second contact surface 22 of the cylinder head 14 side, the fastening element 54 has a second Befestigungsbolzeneinheitabstützfläche 60, the respective second mounting bolt longitudinal axis A _{2 of} the mounting bolt 58 in Substantially orthogonal and at which a threaded engagement with the fastening bolt 58 of a respective second fastening bolt unit 56 standing or bringable fastening nut 62 either directly or with intermediate storage of a Shim is supported or supportable. By the fastening nuts 62 of the second fastening bolt units 56, the second fastening element 54 is pressed with a Zylinderkopfabstützfläche 64 against the second bearing surface 22 of the cylinder head 14. The second fastening element 54 is thus held in a defined position relative to the cylinder head 14 by means of the second fastening bolt units 56. For this purpose, for example, the fastening bolt through openings for the fastening bolts 58 of the second fastening bolt units 56 formed in the second fastening element 54 have a dimensioning such that the fastening bolts 58 are in turn received without movement play transversely to their second fastening bolt longitudinal axes A ₂ , so that the second fastening element 54 is held substantially immovable not only in the direction orthogonal back to the receiving surface 22, but also in the direction parallel to the second bearing surface 22 in a defined position.

In Zuordnung zum zweiten Befestigungsflanschbereich 48 des Auslasskrümmers 12 ist am zweiten Befestigungselement 54 eine zweite Befestigungsflanschabstützfläche 66 vorgesehen. Diese ist bezüglich der zweiten Anlagefläche 22 und somit auch der ersten Anlagefläche 20 mit dem zweiten Keilwinkel W₂ geneigt, mit welchem auch die zweite Befestigungselementabstützfläche 50 des zweiten Befestigungsflanschbereichs 48 bezüglich diesen Flächen geneigt ist. Somit wird zwischen der zweiten Befestigungsflanschabstützfläche 66 und der zweiten Anlagefläche 22 eine keilartige Hinterschneidung gebildet, in welche der zweite Befestigungsflanschbereich 48 eingreifend positioniert werden kann. Aufgrund der übereinstimmenden Anwinkelungen der beiden Flächen 50, 66 liegen das zweite Befestigungselement 54 und der Auslasskrümmer 12 im Bereich dieser Flächen unter Herstellung eines eine gleichmäßige Belastung bereitstellenden Flächenkontakts aneinander an. Dort, wo in der Längserstreckungsrichtung des Auslasskrümmers 12 aufeinander folgend die Befestigungsbolzen 58 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 sich aus dem Zylinderkopf 14 heraus erstrecken, können im zweiten Befestigungsflanschbereich 48 zu dessen freien Ende 52 hin offene Aussparungen gebildet sein, in welche die Befestigungsbolzen 58 teilweise eingreifen bzw. durch welche die Befestigungsbolzen 58 sich hindurch erstrecken können.Associated with the second mounting flange portion 48 of the exhaust manifold 12, a second mounting flange support surface 66 is provided on the second fastener 54. This is inclined with respect to the second contact surface 22 and thus also the first contact surface 20 with the second wedge angle W ₂ , with which also the second Befestigungselementabstützfläche 50 of the second mounting flange 48 is inclined with respect to these surfaces. Thus, between the second Befestigungsflanschabstützfläche 66 and the second abutment surface 22, a wedge-like undercut is formed, in which the second mounting flange 48 can be positioned engaging. Due to the coincident angling of the two surfaces 50, 66, the second fastening element 54 and the exhaust manifold 12 abut one another in the region of these surfaces to produce a uniform contact surface contact. Where, in the longitudinal extension direction of the exhaust manifold 12, the fastening bolts 58 of the second fastening bolt units 56 extend out of the cylinder head 14, open recesses may be formed in the second mounting flange region 48 towards the free end 52, into which the fastening bolts 58 are partially formed engage or through which the fastening bolts 58 may extend therethrough.

Um die im Betrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen aufnehmen zu können und eine stabile Anbindung des Auslasskrümmers 12 an den Zylinderkopf 14 zu gewährleisten, sind der Auslasskrümmer 12 und die beiden Befestigungselemente 38, 54 vorzugsweise aus Stahlmaterial, beispielsweise ST52, aufgebaut. Der Zylinderkopf 14 ist beispielsweise aus Aluminiummaterial aufgebaut. Die Befestigungsbolzeneinheiten 30, 56, insbesondere die Befestigungsbolzen 32, 58 derselben, sind vorzugsweise ebenfalls aus Stahlmaterial aufgebaut, welches auch in der Abstützwechselwirkung mit dem Zylinderkopf 14 einerseits und den Befestigungselement 38, 54 andererseits die erforderliche Anbindungsfestigkeit und die Belastbarkeit der Befestigungsbolzen 32, 58 auch quer zu ihren Befestigungsbolzenlängsachsen A₁, A₂ gewährleistet.In order to be able to absorb the thermal and mechanical loads occurring during operation and to ensure a stable connection of the exhaust manifold 12 to the cylinder head 14, the exhaust manifold 12 and the two fastening elements 38, 54 are preferably made of steel material, for example ST52. The cylinder head 14 is constructed, for example, of aluminum material. The fastening bolt units 30, 56, in particular the fastening bolts 32, 58 of the same, are preferably also constructed of steel material, which also in the Abstützwechselwirkung with the cylinder head 14 on the one hand and the fastener 38, 54 on the other hand, the required connection strength and load capacity of the fastening bolts 32, 58 also guaranteed transversely to their mounting bolt longitudinal axes A ₁ , A ₂ .

Zur Anbringung des Auslasskrümmers 12 am Zylinderkopf 14 kann beispielsweise derart vorgegangen werden, dass zunächst die Befestigungsbolzen 58 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56, ggf. auch die Befestigungsbolzen 32 der ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30, mit der erforderlichen Einbautiefe in den Zylinderkopf 14 eingebracht werden. Darauf folgend wird das zweite Befestigungselement auf die Befestigungsbolzen 58 aufgeschoben und durch die Befestigungsmuttern 62 der zweiten Befestigungsbolzeneinheiten 56 gegen die zweite Anlagefläche 22 des Zylinderkopfs 14 gepresst. Sofern noch nicht geschehen, werden dann die Befestigungsbolzen 32 der ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30 mit der erforderlichen Einbautiefe in den Zylinderkopf 14 eingebracht, also z.B. eingeschraubt. Daraufhin wird das in den Figuren nicht dargestellte Dichtungselement auf die zweite Anlagefläche 22 aufgelegt, so dass es im Wesentlichen zwischen den zwei Reihen von Befestigungsbolzen 32, 58 an der für den Einbau vorgesehenen Position liegt. Nachfolgend wird der Auslasskrümmer 12 auf den Zylinderkopf 14 zu bewegt, und zwar derart, dass der zweite Befestigungsflanschbereich 18 mit seiner zweiten Befestigungselementenabstützfläche 50 unter die zweite Befestigungsflanschabstützfläche 66 des zweiten Befestigungselements 54 eingreift.To attach the exhaust manifold 12 to the cylinder head 14, it is possible, for example, to proceed by first inserting the fastening bolts 58 of the second fastening bolt units 56, possibly also the fastening bolts 32 of the first fastening bolt units 30, into the cylinder head 14 with the required installation depth. Subsequently, the second fastening element is pushed onto the fastening bolts 58 and pressed by the fastening nuts 62 of the second fastening bolt units 56 against the second contact surface 22 of the cylinder head 14. Unless already done, then the fastening bolts 32 of the first mounting bolt units 30 are introduced with the required installation depth in the cylinder head 14, so screwed, for example. Then, the sealing element, not shown in the figures, is placed on the second contact surface 22, so that it lies substantially between the two rows of fastening bolts 32, 58 at the intended position for installation. Subsequently, the exhaust manifold 12 is moved towards the cylinder head 14 such that the second mounting flange portion 18 engages with its second fastener support surface 50 below the second mounting flange support surface 66 of the second fastener 54.

Im Verlaufe dieses Vorgangs kann der Auslasskrümmer 12 derart verschwenkt werden, dass dessen erste Anlagefläche 20 sich der zweiten Anlagefläche 22 bzw. dem darauf positionierten Dichtungselement annähert. Bei dieser Bewegung bewegt sich der erste Befestigungsflanschbereich 24 mit den daran ausgebildeten Befestigungsbolzendurchgriffsöffnungen 36 über die Befestigungsbolzen 32 der ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30, bis der Auslasskrümmer 12 unter Zwischenlagerung des Dichtungselements flächig bezüglich des Zylinderkopfs 14 abgestützt ist, d.h., die beiden Anlageflächen 20, 22 im Wesentlichen parallel zueinander positioniert sind.During this process, the exhaust manifold 12 may be pivoted such that its first abutment surface 20 approximates the second abutment surface 22 and the seal member positioned thereon. During this movement, the first mounting flange portion 24 with the fastener bolt through holes 36 formed thereon moves over the mounting bolts 32 of the first mounting bolt units 30 until the exhaust manifold 12 is supported flatly with respect to the cylinder head 14, ie, the two abutment surfaces 20, 22 are substantially interposed therebetween are positioned parallel to each other.

Nachfolgend wird das erste Befestigungselement 38 mit seinen Befestigungsbolzendurchgriffsöffnungen 42 auf die Befestigungsbolzen 32 der ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30 aufgeschoben und somit das erste Befestigungselement 38 mit seiner ersten Befestigungsflanschabstützfläche 40 an der ersten Befestigungselementenabstützfläche 26 anliegend positioniert. Durch Aufbringen und Anziehen der Befestigungsmuttern 46 der ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30 wird das erste Befestigungselement 38 gegen den ersten Befestigungsflanschbereich 24 gepresst. Aufgrund der Neigung der Befestigungsbolzen 32 und aufgrund der keilartigen Ausgestaltung des zweiten Befestigungsflanschbereichs 24 können dabei Kräfte entstehen, welche den Auslasskrümmer 12 in den beiden Darstellungen der Fig. 1 und 2 jeweils nach links, also in Richtung auf das am Zylinderkopf 14 festgelegte zweite Befestigungselement 24 zu beaufschlagen bzw. verschieben können.Subsequently, the first fastener 38 is pushed with its Befestigungsbolzendurchgriffsöffnungen 42 on the mounting bolts 32 of the first mounting bolt units 30 and thus the first fastener 38 with its first Befestigungsflanschabstützfläche 40 on the first Befestigungselementenabstützfläche 26 fitting. By applying and tightening the fastening nuts 46 of the first fastening bolt units 30, the first fastening element 38 is pressed against the first fastening flange region 24. Due to the inclination of the fastening bolts 32 and due to the wedge-like configuration of the second mounting flange portion 24, forces can thereby arise, which the exhaust manifold 12 in the two representations of Fig. 1 and 2 each to the left, so in the direction of the cylinder head 14 fixed second fastener 24 to apply or move.

Um das Entstehen übermäßig großer Querkräfte, also den Auslasskrümmer 12 im Wesentlichen quer zum Zylinderkopf 14 belastender Kräfte zu vermeiden, ist gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung der erste Keilwinkel W₁ so gewählt, dass er folgende Bedingung erfüllt: $0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ) .$

In order to avoid the creation of excessively large transverse forces, that is to say the exhaust manifold 12, forces acting essentially transversely to the cylinder head 14, according to the principles of the present invention, the first wedge angle W ₁ is selected such that it fulfills the following condition:

0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ),

Dabei ist µ der im Bereich der aneinander anliegenden ersten Befestigungselementenabstützfläche 26 und ersten Befestigungsflanschabstützfläche 40 auftretende Haftreibungskoeffizient, auch Haftreibbeiwert genannt. Dieser ist im Wesentlichen bestimmt durch die Aufbaumaterialien der beiden mit diesen Flächen 26, 40 aneinander anliegenden Bauteile Auslasskrümmer 12 und erstes Befestigungselement 38. Wie vorangehend angegeben, sind diese beiden Bauteile vorzugsweise aus Stahlmaterial, beispielsweise ST52, aufgebaut, so dass sich in diesem Bereich der gegenseitigen Anlage ein Haftreibungskoeffizient im Bereich von 0,11 bis 0,13 ergeben wird. Dies berücksichtigend, ergibt sich für den ersten Keilwinkel W₁, dass dieser gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht größer als der zweifache inverse Tangens dieses Haftreibungskoeffizienten ist. Für die angesprochene Materialpaarung ergibt sich somit bei einem Haftreibungskoeffizienten von beispielsweise 0,13 ein oberer Grenzwert für diesen ersten Keilwinkel W₁ im Bereich von etwa 14,81°. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sollte dieser erste Keilwinkel W₁ jedoch nicht größer als der einfache inverse Tangens des Haftreibungskoeffizienten sein, sollte also nicht größer als 7,41° sein.Here μ is in the region of the abutting first Befestigungselementenabstützfläche 26 and first Befestigungsflanschabstützfläche 40 occurring static friction coefficient, also called coefficient of friction. This is essentially determined by the construction materials of the two abutting with these surfaces 26, 40 components Auslasskrümmer 12 and first fastener 38. As indicated above, these two components are preferably constructed of steel material, such as ST52, so that in this area Mutual investment will result in a static coefficient of friction in the range of 0.11 to 0.13. Considering this, for the first wedge angle W ₁ , according to the principles of the present invention, it is not greater than twice the inverse tangent of this static friction coefficient. For the mentioned material pairing, an upper limit value for this first wedge angle W ₁ in the range of approximately 14.81 ° thus results for a static friction coefficient of, for example, 0.13. In a particularly preferred embodiment, however, this first wedge angle W ₁ should not be greater than the simple inverse tangent of the coefficient of static friction, that is should not be greater than 7.41 °.

Bei Auswahl des ersten Keilwinkels W₁ im vorangehend angegebenen Bereich und insbesondere auch derart, dass der zweite Keilwinkel W₂ größer ist als der erste Keilwinkel W₁, wird das Auftreten übermäßig großer Kräfte, welche zu einer insbesondere bei thermischer Ausdehnung bzw. Kontraktion übermäßig starken Verschiebung des Auslasskrümmers 12 in Richtung auf das zweite Befestigungselement 54 zu führen können, vermieden. Mit dem Vermeiden einer übermäßig starken Verschiebung wird auch vermieden, dass die verschiedenen Befestigungsbolzeneinheiten, insbesondere die ersten Befestigungsbolzeneinheiten 30, aufgrund einer Verschiebung des ersten Befestigungsflanschbereichs 24 bezüglich des ersten Befestigungselements 38 in der Darstellung der Fig. 1 nach links gelockert werden bzw. ein erforderliches Anziehdrehmoment auch über eine längere Betriebsdauer hinweg nicht aufrechterhalten bleibt. Gleichwohl ermöglicht die keilartige Ausgestaltung insbesondere des ersten Befestigungsflanschbereichs 24 die im Betrieb einer Brennkraftmaschine unvermeidbar auftretenden thermisch bedingten Ausdehnungen bzw. Kontraktionen der verschiedenen Bauteile, ohne einer undefinierten, übermäßigen Relativbewegung zwischen dem Auslasskrümmer 12 und dem Zylinderkopf 14 bzw. einem Lockern der Befestigungsbolzeneinheiten.When selecting the first wedge angle W ₁ in the above-mentioned range and in particular also such that the second wedge angle W _{2 is} greater than the first wedge angle W ₁ , the occurrence of excessively large forces, which is excessively strong, especially in a thermal expansion or contraction Displacement of the exhaust manifold 12 can lead in the direction of the second fastener 54 avoided. By avoiding excessive displacement, it is also avoided that the various fastening bolt units, in particular the first fastening bolt units 30, due to a displacement of the first mounting flange portion 24 relative to the first fastening element 38 in the illustration of Fig. 1 be loosened to the left or a required tightening torque is not maintained even over a longer period of operation. Nevertheless, the wedge-like configuration, in particular of the first attachment flange portion 24, enables the thermally induced expansions or contractions of the various components unavoidably occurring during operation of an internal combustion engine, without an undefined, excessive relative movement between the exhaust manifold 12 and the cylinder head 14 or a loosening of the fastening bolt units.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsart kann vorgesehen sein, dass der erste Keilwinkel W₁ im Wesentlichen dem inversen Tangens des Haftreibbeiwertes µ entspricht. In diesem Falle entspricht also der erste Keilwinkel W₁ im Wesentlichen dem Reibwinkel bzw. Reibkegelwinkel. Somit kann sichergestellt werden, dass wesentliche Querkräfte, die zu einer Verschiebung des Zylinderkopfes 14 führen, nicht auftreten. Wird der erste Keilwinkel W₁ so gewählt, dass er etwas größer ist als der inverse Tangens des Haftreibbeiwertes µ, so können zwar begrenzte Querkräfte auftreten, eine übermäßige Belastung des Zylinderkopfes 14 in Querrichtung wird jedoch vermieden.In a particularly preferred embodiment, it may be provided that the first wedge angle W ₁ essentially corresponds to the inverse tangent of the static friction coefficient μ. In this case, therefore, the first wedge angle W ₁ essentially corresponds to the friction angle or friction cone angle. Thus, it can be ensured that significant lateral forces, which lead to a displacement of the cylinder head 14, do not occur. If the first wedge angle W ₁ is chosen so that it is slightly larger than the inverse tangent of the coefficient of static friction μ, although limited transverse forces can occur, excessive loading of the cylinder head 14 in the transverse direction is avoided.

Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Befestigungsanordnung bzw. einer damit aufgebauten Brennkraftmaschine insbesondere dort in besonders vorteilhafter Weise realisiert werden kann, wo im Betrieb große mechanische und thermische Belastungen auftreten, also dort, wo der Auslasskrümmer am Zylinderkopf festgelegt ist. Grundsätzlich könnte eine derartige Befestigungsanordnung jedoch auch zur Festlegung eines Einlasskrümmers an einem Zylinderkopf genutzt werden.Finally, it should be pointed out that the configuration according to the invention of a fastening arrangement or of an internal combustion engine constructed there can be realized in a particularly advantageous manner, where large mechanical and thermal loads occur during operation, ie where the exhaust manifold is fixed to the cylinder head. In principle, however, such a fastening arrangement could also be used for fixing an intake manifold to a cylinder head.

Claims

Fastening device for fixing an exhaust manifold (12) on a cylinder head (14) of an internal combustion engine, wherein the exhaust manifold (12) has an essentially flat first contact surface (20) for supporting in relation to an essentially flat second contact surface (22) of the cylinder head (14), wherein the exhaust manifold (12) has, in a first fastening edge area (16), a wedge-like first fastening flange area (24) with a first fastening element support surface (26) inclined in relation to the first contact surface (20) with a first wedge angle (W₁); wherein a first fastening element (38) is pressed or can be pressed against the first fastening element support surface (26) with a first fastening flange support surface (40) by means of at least one first fastening bolt unit (30) that is supported or can be supported in relation to the cylinder head (14);
wherein a first fastening bolt longitudinal axis (A₁) of the at least one first fastening bolt unit (30) is inclined at a first longitudinal axis angle (L₁) in relation to the second contact surface (22) starting from the cylinder head (14) in the direction of a free end (28) of the first fastening flange area (24),
characterized in that
the first wedge angle (W₁) and a coefficient of static friction (µ) of the frictional interaction of the first fastening element (38) in relation to the exhaust manifold (12) is defined by $0 < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ),$
in which
W₁ is the first wedge angle, and

µ is the coefficient of static friction.
Fastening device in accordance with claim 1, characterized in that the first wedge angle (W₁) and the coefficient of static friction (µ) are defined by: $0 < W_{1} \leq \tan^{- 1} (μ),$
preferably $W_{1} = \tan^{- 1} (μ) .$
Fastening device in accordance with claim 1, characterized in that the first wedge angle (W₁) and the coefficient of static friction (µ) are defined by $\tan^{- 1} (μ) < W_{1} \leq 2 \tan^{- 1} (μ) .$
Fastening device in accordance with one of the claims 1-3, characterized in that the first fastening element (38) has a first fastening bolt unit support surface (44) that is essentially at right angles to a first fastening bolt longitudinal axis (A₁) of the at least one first fastening bolt unit (30) for supporting the at least one first fastening bolt unit (30) in relation to the first fastening element (38).
Fastening device in accordance with one of the claims 1-4, characterized in that the first fastening bolt longitudinal axis (A₁) of the at least one first fastening bolt unit (30) is inclined at a first longitudinal axis angle (L₁) in relation to the second contact surface (22) starting from the cylinder head (14) in the direction of a free end (28) of the first fastening flange area (24) in the range of 50º to 70º, preferably about 60º.
Fastening device in accordance with one of the claims 1-5, characterized in that the exhaust manifold (12) has, in a second fastening edge area (18), a second fastening flange area (48) oriented essentially opposite the first fastening flange area (24) with a second fastening element support surface (50) inclined in relation to the first contact surface (20) at a second wedge angle (W₂), wherein a second fastening element (54) is pressed or can be pressed against the cylinder head (14) by means of at least one second fastening bolt unit (56) that is supported or can be supported in relation to the cylinder head (14) and has a second fastening flange support surface (66) inclined in relation to the second contact surface (22) at the second wedge angle (W₂).
Fastening device in accordance with claim 6, characterized in that a second fastening bolt longitudinal axis (A₂) of the at least one second fastening bolt unit (56) is arranged at a second longitudinal axis angle (L₂) in relation to the second contact surface (22), wherein the second longitudinal axis angle (L₂) is in the range of 90º.
Fastening device in accordance with claim 6 or 7, characterized in that the second wedge angle (W₂) is greater than the first wedge angle (W₁).
Fastening device in accordance with one of the claims 6-8, characterized in that the second fastening element (54) has a second fastening bolt unit support surface (60) extending essentially at right angles to the second fastening bolt longitudinal axis (A₂) of the at least one second fastening bolt unit (56) for supporting the at least one second fastening bolt unit (56) in relation to the second fastening element (54).
Fastening device in accordance with one of the claims 1-9, characterized in that the exhaust manifold (12) is made of steel, preferably ST52, or/and that the first fastening element (38) is made of steel, preferably ST52, or/and that the coefficient of static friction (µ) is in the range of 0.10 to 0.14, preferably in the range of 0.11 to 0.13.
Fastening device in accordance with one of the claims 1-10, characterized in that a first fastening bolt longitudinal axis (A₁) of the at least one first fastening bolt unit (30) is located in a plane that is essentially at right angles to the second contact surface (22).
Fastening device in accordance with one of the claims 1-11, characterized in that a fastening bolt (32) of the at least one first fastening bolt unit (30) passes through a fastening bolt passage opening (42) in the first fastening element (38) essentially without clearance of motion at right angles to the first fastening bolt longitudinal axis (A₁).
Internal combustion engine, especially for a motor vehicle, comprising a cylinder head (14) fixed on a cylinder block and an exhaust manifold (12) fixed on the cylinder head (14) by means of a fastening device (10) in accordance with one of the above claims.