CN106014579A - 内燃机的废气管以及具有这种废气管的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机、尤其具有废气涡轮增压器的活塞式内燃机的废气管以及具有这种废气管的内燃机。本发明要解决的技术问题在于提供一种内燃机的废气管以及一种内燃机，其实现内燃机废气高效的冷却，并且由此实现在这种内燃机的下游的导流部件的范围内使用低成本的材料。按照本发明的内燃机(10)的废气管(18)具有至少一个用于减小内燃机(10)的流经废气管(18)的废气的温度的冷却剂管路(38)，至少在废气管(18)的部分区域中构造至少一个改变废气管(18)的横截面的冷却结构(34)，所述冷却结构(34)与至少一个所述冷却剂管路(38)形成作用连接。

Description

内燃机的废气管以及具有这种废气管的内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机的、尤其具有废气涡轮增压器的活塞式内燃机的废气管，以及具有这种废气管的内燃机。
背景技术
尤其对于外源点火的具有废气涡轮增压器的内燃机来说，首先在额定功率的范围内废气温度就达到了很高的值。这对导流部件、例如废气管与废气涡轮增压器的在内燃机下游布置的涡轮产生较高的负荷。由于较高的温度要求使得在个别情况中必须为导流部件的个别元件使用耐高温的材料，这些耐高温材料又与高成本联系在一起。
实践中已知的是，通过在内燃机的燃烧室中燃料空气混和物的混和气积聚(就是说通过浓化)降低废气温度。然而这不仅因为由其带来的燃料消耗升高而且也因为与之相关的废气排放的升高而是不符合期望的。
由专利文献DE 10 2010 023 054 A1已知一种具有所谓集成式废气管的内燃机，就是说具有至少部分地构成在内燃机的气缸盖中的废气管。在这种内燃机的情况下，该内燃机的冷却剂条可以与用于该集成式废气管的冷却循环连接。该文献未给出集成式废气管的冷却应该如何在细节上构造的信息。
由专利文献WO 2009/019153 A2已知一种用于内燃机的涡轮增压器，其配设有组合式的冷却装置，用于借助内燃机的冷却水循环的冷却水使涡轮增压器的壳体冷却。借助冷却水管路进行所述冷却，冷却水管路构造为弧形的并且部分地从外侧环绕内燃机的废气管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种内燃机的废气管以及一种内燃机，其实现对内燃机废气、尤其在进入布置在内燃机下游的废气涡轮增压器之前的高效的冷却，并且由此允许在这种内燃机的下游的导流部件的范围内使用低成本的材料。
所述技术问题通过按照本发明的一种内燃机的废气管解决，所述废气管具有至少一个冷却剂管路，用于降低内燃机的流经废气管的废气的温度，其中，至少在废气管的部分区域中构造至少一个改变废气管的横截面的冷却结构，所述冷却结构与至少一个所述冷却剂管路形成作用连接。其中，构造至少一个冷却片作为所述冷却结构，所述冷却片突伸进所述废气管的横截面。其中，多个冷却结构构造在所述废气管的纵向部段中，并从外部突伸进所述废气管的横截面中地布置。其中，通过至少一个构造为所述冷却片的冷却结构使得所述废气管至少在其长度的部分区域中划分成至少两个部分管路。其中，至少一个冷却剂管路至少部分地构造在冷却结构内部。其中，在所述废气管的横截面内观察，在至少一个冷却结构上构造多个凸起部。其中，所述废气管的横截面在紧邻至少一个冷却结构的上游、在至少一个冷却结构的区域中和在紧邻至少一个冷却结构的下游相对于在冷却结构的区域中的最小的流体横截面具有最大30％的偏差。所述技术问题还通过一种具有上述废气管的内燃机解决，所述废气管至少部分地构造为集成的废气管，并且至少一个冷却结构构造在内燃机的气缸盖中。其中，在至少一个冷却片的下游布置废气涡轮增压器。其中，在所述内燃机的气缸盖与所述废气涡轮增压器之间构造具有冷却装置的中间元件。
在按照本发明的、具有至少一个用于降低内燃机的流经废气管的废气的温度的冷却剂管路的内燃机的废气管中，至少在废气管的部分区域中构造至少一个改变废气管的横截面的冷却结构，所述冷却结构与至少一个所述冷却剂管路形成作用连接。尤其可以使用液态的和气态的介质作为冷却剂。出于成本的原因尤其有利的是使用水作为冷却剂。同样有利的是，使用同时也是至少一个另外的冷却循环、尤其内燃机的冷却循环的冷却剂作为冷却剂。作用连接指的是，冷却剂在空间上靠近废气管从旁导过，使得流经废气管的废气的热量至少间接地向冷却剂传导并且通过冷却剂导出，使得冷却剂管路至少间接地和确实地引起流经废气管的废气的温度的降低。为此，冷却剂管路可以布置在冷却结构的内部、直接或间接相邻于冷却结构地布置。直接相邻表示冷却剂管路直接邻接在冷却结构上。在间接相邻的冷却剂管路的情况下，在冷却结构与冷却剂管路之间布置至少一个其他的元件，例如内燃机的气缸盖的材料连接段。按照本发明的废气管的优点首先在于，在内燃机下游的内燃机废气的温度可以被降低，并且在内燃机之后布置的元件可以只承受较低的温度负荷。由此，尤其在这种产生很高的废气温度的内燃机的情况下，在后布置的元件能配以低成本的和较低耐热能力的材料，以此能降低内燃机自身或内燃机的在后布置的元件的制造成本。
在按照本发明的废气管的实用的实施方式中，构造至少一个突伸进废气管的横截面的冷却片作为冷却结构。在此所指的尤其是，在横截面从紧靠冷却结构的上游区域连续延伸至紧靠冷却结构的下游区域的情况下，通过突伸进废气管中的冷却片使得横截面在确定的纵向部段上变窄。这并非必然导致使废气管的横截面在冷却结构的区域内减小。也可以在具有所述冷却结构的废气管的纵向部段中这样地构造废气管的外部轮廓的变化，使得废气管所形成的、可供废气流通使用的横截面在紧邻冷却结构之前的区域中、在具有所述冷却结构的纵向部段中和/或在紧接所述冷却结构之后的区域中具有不变的尺寸或以相同的程度变细或变宽。为了实现在越过所述冷却结构的不变的、适合用于避免压力损失的有效横截面积，应该补偿由冷却结构引起的变窄，例如方法是废气管的外壁在相应的纵向部段中变宽，使得用于废气流通的总横截面即使在内部构造了冷却结构的情况下也能与在位于所述冷却结构上游和/或下游的区域(尤其在没有相应冷却结构的区域)中的一样大。至少，在具有冷却结构的纵向部段中用于废气流通的横截面积与位于直接上游和/或直接下游的部段的比较时的偏差不应该大于30％，优选地不大于20％，尤其优选不大于15％。
在按照本发明的废气管中，当多个冷却结构构造在废气管的共同的纵向部段内部并从外部突伸进废气管的横截面地布置时，可以实现尤其有利的冷却效果，尤其当冷却结构在废气管内部具有较大的、在废气管流通废气时与废气直接接触的冷却表面时。此外，通过构造多个向内伸的冷却结构或通过构造(在废气管的纵向上观察)一个或多个向废气管的内侧突伸的凸起部，有针对性地形成废气流动的涡流或加剧的涡流，以此进一步改善热量排出。
在按照本发明的废气管的另一个实用的实施方式中，通过至少一个构造为冷却片的冷却结构使得废气管至少在其长度上的部分区域中(就是说在确定的纵向部段中)划分成至少两个部分管路。以这种构造同样可以实现较高的热量排出。其原因在于，在这种情况中冷却结构自身在此具有大的热量排出面积，因为冷却结构同时构成废气管的两个部分管路的内侧的限制壁。此外，通过划分两个部分管路引起加强的涡流、即废气的乱流，这进一步促进热量排出。
在按照本发明的废气管的另一种实用的实施方式中，至少一个冷却剂管路至少部分地构造在冷却结构内，就是说如果没有冷却结构突伸进横截面的话，冷却剂管路就在废气流过的位置延伸。这方面尤其可以参照的可能性在于，冷却剂管路能在其长度的一部分上居中地布置在废气管中，使得冷却剂管路在其整个周向上都由废气环绕流动。在这种情况中，部分区域(冷却管路在所述部分区域中完全布置在废气管的内部)完全地由废气环绕流动并以此实现尤其有效地利用冷却剂和提高热量排出。
基本上优选的是，使冷却结构这样地布置在按照本发明的废气管中，使得废气管的横截面不缩窄或仅以微小的百分比(例如最大20％或最大10％)缩窄废气管的横截面，以便避免压力波动和由于横截面改变而带来的损耗。在此优选的是，废气管的横截面在紧接至少一个结构的上游、在至少一个冷却结构的区域中和在紧接至少一个冷却结构下游相对于在冷却结构的区域中的最小的流体横截面具有最大30％的偏差。尤其优选的是最大10％的偏差。此外优选的废气管的构造是，在至少一个冷却结构的区域中没有形成横截面大小的偏差。
本发明也涉及一种具有上述废气管的内燃机，其中，所述废气管至少部分地构造为集成式废气管，并且至少一个冷却结构构造在内燃机的气缸盖中。这种构造方式尤其用在紧凑式内燃机的情况下，其中，在集成式废气管内部更高的热量排出是特别有利的，尤其在气缸盖的下游和以此在至少一个冷却片的下游布置废气涡轮增压器。如在前述说明书中已经提到的那样，必须为安装在具有集成式废气管和在下游布置的废气涡轮增压器的内燃机中的废气涡轮增压器和/或废气管部分地使用昂贵的和耐高温的材料。通过内燃机的按照本发明的构造可以使废气在进入废气涡轮增压器之前的温度有效地降低，使得废气管自身或废气涡轮增压器的单独元件能以耐高温性能较低的和低成本的材料构造。
在按照本发明的内燃机的其他的实用的实施方式中，在内燃机的气缸盖与废气涡轮增压器之间构造具有冷却装置的中间元件。中间元件指的是独立制造的部件，其尤其借助法兰连接布置在气缸盖与废气涡轮增压器的入口侧(或另外的在废气涡轮增压器之前的中间元件或废气后处理系统)之间，以便使废气从气缸盖向废气涡轮增压器和/或废气后处理系统引导。所述中间元件同样可以具有如上所述的冷却结构和/或至少一个冷却剂管路，用于(仅)对构造在中间元件中的废气管的外壁进行冷却。借助这种中间元件可以在这种发动机中进行尤其有效的冷却，其基于封装要求而使得废气涡轮增压器更靠下游地布置。所述中间元件可以作为单独的元件制造和模块式地在不同功率级的内燃机中根据需求地不带或带有冷却装置地使用。以此，在与其他的内燃机构造相同而功率升高(例如通过提高增压)的内燃机中根据需求地安装合适的单独的中间元件。以此可以使得用于内燃机不同型号的生产成本最小化和使得对于内燃机各型号的热量排出最优化。尤其优选的是，中间元件与所述的冷却剂管路或内燃机的其他的冷却剂管路形成作用连接，使得已经存在的冷却循环扩展另外的、通过中间元件引导的冷却循环。在这种情况中，对中间元件的冷却能以简便和低成本的方式实现。
附图说明
下面结合附图说明本发明的其他的实用的实施方式与优点。在附图中：
图1示出具有按照本发明的集成进气缸盖中的废气管与在内燃机下游布置的废气涡轮增压器的内燃机的示意图，
图2以纵截面方式示出在图1中以Ⅱ表示的区域的视图，
图3示出在图2中以Ⅲ表示的区域的放大视图，
图4示出按照在图3中的剖切线Ⅳ-Ⅳ的剖切视图(横截面)，
图5示出按照在图3中的剖切线Ⅴ-Ⅴ的剖切视图(纵截面)，
图6示出按照在图3中的剖切线Ⅵ-Ⅵ的剖切视图(横截面)，
图7示出按照本发明的废气管的其他实施方式的横截面，
图8示出按照本发明的废气管的其他实施方式的横截面，
图9示出按照本发明的废气管的其他实施方式的横截面，以及
图10示出按照本发明的废气管的其他实施方式的横截面。
具体实施方式
图1示出按照本发明的内燃机10，其具有总共四个示意性示出的气缸12与从该气缸12导出的废气管14，该废气管14在接口位置16上一起汇聚到共同的(总)废气管18。接口位置16位于示意性显示的气缸盖20之内。因此，废气管18也被称为“集成式废气管”。在所述气缸盖20上法兰连接中间元件22，其导引至废气涡轮增压器26的涡轮24。所述废气涡轮增压器26也包括压缩机28。如图1所示，废气还可以不通过涡轮24而根据需求地通过用作废气门的旁通阀30从废气涡轮增压器26的涡轮24旁导过。在涡轮24的下游布置有废气后处理系统32(例如呈三元催化器的形式)，这也仅示意性表示。
在图2中示出气缸盖20的下部以及所连接的中间元件22，还通过虚线示意性示出在废气管18内布置的冷却结构34。
在附图3至附图10中以不同的视角示出这种冷却结构34的不同的具体的实施方式。这种冷却结构34尤其可以如同结合附图所示地集成在废气管18中，所述废气管集成在气缸盖20中。然而这种冷却结构34也可以构成在气缸盖20下游、尤其构成在布置于气缸盖22与废气涡轮增压器26的涡轮24之间的中间元件22中。
在附图3至附图6中示出具有冷却结构34的第一实施方式的按照本发明的废气管14，其中，所述冷却结构34的几何构造尤其由按照剖切线Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ和Ⅵ-Ⅵ的剖切视图说明。
在附图3至附图6所示的实施方式中，冷却结构34构造为在所述废气管18的纵向部段Ⅰ上延伸的冷却片36，冷却片36在废气管18的整个宽度上延伸，这尤其如图4和图6所示。此外，从图4和图6还能清楚地看到，废气管18在纵向部段或者说长度Ⅰ的区域中通过冷却片36被划分为上部管18a与下部管18b。如图4和图5所示，冷却片36在废气管18的整个宽度上被冷却剂管路38贯穿。
此外如图5所示，在所示实施方式中冷却剂管路38从侧向相邻于废气管18而且还在图3以Ⅰ所标记的纵向部段之前以入口与出口的形式延伸。在图6中所示的、在冷却剂管路38的纵向部段Ⅰ之前的区域(入口与出口)使得延伸穿过冷却片36的冷却剂管路38与在图中未示出的冷却循环、例如与冷却气缸盖20和/或整个内燃机10的冷却循环连接。
图7示出具有冷却结构34的另外的实施方式的废气管18，冷却结构34形式为从废气管18的外壁40向废气管18内突伸的冷却片36。图7示出废气管18类似于在图3中以剖切线Ⅳ-Ⅳ所示的截面的横截面。冷却片36以在图7中在横截面中所示的方式和方法在废气管18的纵向部段Ⅰ上延伸，其中，冷却片36与废气管18的外壁40的部段共同构成冷却剂管路38，冷却流体(以点表示)、尤其气体的或液体的冷却流体流经该冷却剂管路。在图7中未示出为冷却剂管路38的流通所需的在冷却剂管路38中的入口与出口。例如入口可以配设在纵向部段Ⅰ的开始端，冷却片36在所述纵向部段上延伸，并且出口可以配色在在纵向部段Ⅰ上延伸的冷却片36的末端区域中。
类似于图7地，图8至图10示出冷却结构34的另外的实施方式的横截面，其同样构造为冷却片36。图8至图10中所示的是，在废气管18中的每个冷却结构34可以单独地或与其他所示冷却结构34组合地构造。在图3至图10中所示的冷却结构34也可以相互组合，其不仅能布置在废气管18的一个共同的纵向部段Ⅰ内部，而且也能布置在沿流动方向看废气管18的多个相互分开的纵向部段Ⅰ内部，就是说沿流动方向看前后相继地布置。
在图8所示的冷却结构34的实施方式中，冷却结构34同样构造为冷却肋36。所示总共四个冷却片36分别从废气管18的外壁40向中心延伸并从外壁40向中心缩窄。在各冷却片36与废气管18的邻接于各冷却片36的外壁40之间分别构成冷却剂管路38。
图9示出构造为冷却片36的冷却结构34的另外的实施方式。通过该附图可以得知，在废气管18的横截面上观察，冷却结构34可以具有多个凸起部42，以便增大冷却结构34的有效面积。此外在图9中能清楚地看出，用于使得冷却结构34冷却的冷却剂管路38的数量与形状可以是变化的。尤其适合的是冷却剂管路38如图9所示具有圆形的、圆的或半圆的结构。此外在图9中在废气管18的左侧示出，冷却剂管路38并非必须强制性地邻接在冷却结构34上。对于左侧的冷却结构34，在冷却结构34与冷却剂管路38之间构成有在气缸盖20中的材料连接段44，所述材料连接段使得冷却结构34相对于冷却剂管路38分开。然而左侧的冷却结构34的受热导致连接段44的间接受热，以此最终使得热量向冷却剂管路传导并从冷却剂管路通过冷却流体排出。以此，冷却结构34与左侧的冷却剂管路38形成作用连接。
图10示出废气管18的其他的实施例，其具有两个不同的、使得废气管18在冷却结构34区域中的形状改变的形状。左侧的冷却结构34构造为冷却片36，该冷却片具有多个用于增大在废气管18内部的有效面积的凸起部42。右侧的冷却结构34同样构造为冷却片36，不过却不带有相应的凸起部42。在各冷却结构34与废气管18的外壁40之间，冷却剂管路38分别位于封闭的区域中。在图10中未示出入口与出口，不过入口与出口优选地与结合图7的实施例相同地构造。也可以对冷却剂管路38配设多个入口与多个出口。
由所示的实施例表明，冷却剂管路38可以布置在废气管18的横截面内或在废气管18外。此外，冷却结构34可以与废气管18形成直接的接触或通过其它元件形成间接接触中。关键之处仅在于，在冷却剂管路38与冷却结构34之间形成作用连接。
在上述说明书、附图以及权利要求书中公开的本发明的特征无论单独地还是以任意组合的方式都对于实现呈多种实施方式的本发明来说是重要的。在权利要求的范围内和考虑本领域技术人员的认知的情况下，本发明是可以变化的。这方面尤其再次指出的是，冷却结构34不仅能一体式地构造在另外的元件中、尤其构造在气缸盖20中或在布置于气缸盖20与废气涡轮增压器26之间的中间元件22中，而且也能(完全地或局部地)作为独立元件安装在各元件中或以其它方式和方法固定在其所处的位置上。
附图标记列表
10 内燃机
12 气缸
14 废气管
16 接口位置
18 总废气管
18a 上部管
18b 下部管
20 气缸盖
22 中间元件
24 涡轮
26 废气涡轮增压器
28 压缩器
30 旁通阀
32 废气后处理系统
34 冷却结构
36 冷却片
38 冷却剂管路
40 外壁
42 凸起部
44 材料连接段

Claims (10)

1.一种内燃机(10)的废气管，所述废气管具有至少一个冷却剂管路(38)，用于降低内燃机(10)的流经废气管(18)的废气的温度，
其特征在于，
至少在废气管(18)的部分区域中构造至少一个改变废气管(18)的横截面的冷却结构(34)，所述冷却结构(34)与至少一个所述冷却剂管路(38)形成作用连接。
2.按照权利要求1所述的废气管，其特征在于，构造至少一个冷却片(36)作为所述冷却结构(34)，所述冷却片(36)突伸进所述废气管(18)的横截面。
3.按照权利要求1或2所述的废气管，其特征在于，多个冷却结构(34)构造在所述废气管(18)的纵向部段(I)中，并从外部突伸进所述废气管(18)的横截面中地布置。
4.按照权利要求1至3之一所述的废气管，其特征在于，通过至少一个构造为所述冷却片(36)的冷却结构(34)使得所述废气管(18)至少在其长度的部分区域中划分成至少两个部分管路(18a、18b)。
5.按照权利要求1至4之一所述的废气管，其特征在于，至少一个冷却剂管路(38)至少部分地构造在冷却结构(34)内部。
6.按照权利要求1至5之一所述的废气管，其特征在于，在所述废气管(18)的横截面内观察，在至少一个冷却结构(34)上构造多个凸起部(42)。
7.按照权利要求1至6之一所述的废气管，其特征在于，所述废气管(18)的横截面在紧邻至少一个冷却结构(34)的上游、在至少一个冷却结构(34)的区域中和在紧邻至少一个冷却结构(34)的下游相对于在冷却结构(34)的区域中的最小的流体横截面具有最大30％的偏差。
8.一种内燃机，其具有按照权利要求1至6之一所述的废气管(18)，其特征在于，所述废气管(18)至少部分地构造为集成的废气管(18)，并且至少一个冷却结构(34)构造在内燃机(10)的气缸盖(20)中。
9.一种具有按照权利要求1至6之一所述的废气管(18)的内燃机或按照权利要求8所述的内燃机，其特征在于，在至少一个冷却片(36)的下游布置废气涡轮增压器(26)。
10.一种按照权利要求9所述的内燃机，其特征在于，在所述内燃机(10)的气缸盖(20)与所述废气涡轮增压器(26)之间构造具有冷却装置的中间元件(22)。
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