DE10004552A1 - Saugrohr mit integrierter Abgasrückführung - Google Patents

Saugrohr mit integrierter Abgasrückführung

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DE10004552A1
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Saugohr mit einem integrierten Abgasrückführsystem (16, 17a, 17b). Dieses befindet sich hauptsächlich im Sammelraum (12) des Saugrohres und weist einen Abstand a zu den Wandungen (20) des Saugrohres auf. Hierdurch kann eine Wärmeübertragung auf das Gehäuse des Saugrohres nur in geringem Maße erfolgen, so dass dieses z. B. aus Kunststoff hergestellt werden kann. Eine weitere Entlastung des Kunststoffgehäuses, insbesondere der Ansaugkanäle (14) wird dadurch erreicht, dass die Ansaugluft im Sammelraum des Abgas in den Abgasleitungen (17a, b) kühlt, wodurch das Ansaugluftabgasgemisch in den Saugkanälen (14) auch bei hohen Abgasrückführraten die kritische Temperatur für die Kunststoffwandungen (20) nicht überschreitet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Saugrohr mit einer integrierten Abgasrückführung, welche einen Anschluss für das Abgas und Zuführöffnungen für die verschiedenen Saug­ kanäle aufweist, nach der Gattung des Patentanspruches 1.
Saugrohre der eingangs beschriebenen Art sind bekannt. So lässt sich der WO 97/ 34081 ein Saurohr entnehmen, bei dem die Kanäle zur Abgasrückführung durch Nuten im Zylinderkopfflansch gebildet werden, wobei nach erfolgter Montage des Saugrohres auf dem Zylinderkopf die fehlende Wandung der Abgasrückführkanäle durch diesen gebildet werden.
Durch die in den Abgasrückführkanälen auftretenden thermischen Belastungen muss zumindest der Zylinderkopfflansch des Saugrohres aus einem temperaturbeständi­ gen Material hergestellt werden. Bei Saugrohren aus Metall ist diese Bedingung im allgemeinen unkritisch. Bei Kunststoffsaugrohren, die eine ausgesprochen wirt­ schaftliche Lösung darstellen, können die auftretenden thermischen Belastungen in der Abgasrückführung jedoch zu einer Beschädigung führen.
Will man die thermischen Belastungen im Kunststoffsaugrohr gering halten, so ergibt sich gemäß der DE 198 19 123 A1 die Möglichkeit, die Abgasrückführung in einem Zwischenflansch unterzubringen, welcher temperaturbeständig ist und den Zylinder­ kopfflansch des Saugrohres mit dem Zylinderkopf selbst verbindet. Diese Lösung hat jedoch einen komplexeren Aufbau des Ansaugtraktes zur Folge. Die Koseneinspa­ rungen, die durch die Ausführung des Saugrohrs in Kunststoff erreicht werden kön­ nen, werden durch den Zusatzaufwand des Zwischenflansches verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Saugrohr mit einer integrierten Abgasrück­ führung zu schaffen, bei der die von der Abgasrückführung ausgehende thermische Belastung des Saugrohres gering ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Saugrohr weist den bekannten Aufbau mit Einlass, Sammel­ raum, von diesem abgehenden Saugkanälen und Auslässen zu den Zylindern auf. Dabei können die Auslässe sinnvoll als Zylinderkopfflansch ausgeführt sein. Das Saugrohr kann für eine Reihenanordnung, V-Anordnung oder eine sonstige beliebige Anordnung der Zylinder vorgesehen sein. Es ist auch möglich, mehrere Sammel­ räume vorzusehen, die jeweiligen Gruppen von Saugkanälen zugeordnet sind.
Weiterhin weist das Saugrohr einen Anschluss für die Abgasrückführung auf. Über eine Abgasleitung wird das Abgas zu Zuführöffnungen geführt, die jeweils im durch die Saugkanäle beeinflussten Strömungsbereich der Ansaugluft angeordnet sind. Dadurch kann jedem Zylinder gesondert Abgas zugeführt werden, wodurch eine gewünschte, insbesondere gleichmäßige Verteilung des Abgases auf alle Zylinder gewährleistet wird. Im Zuführbereich des Abgases können Ventile vorgesehen werden, die eine zylinderselektive Abgaseinleitung abhängig von der Taktung der einzelnen Zylinder ermöglichen. Als die Saugkanäle beeinflussender Strömungs­ bereich wird der Bereich verstanden, der eine weitgehende Zuordnung des zuge­ führten Abgases zu einem Saugkanal ermöglicht. Darunter ist also nicht nur das Volumen des Saugkanals selbst zu verstehen. Die Zuführöffnungen können auch im Volumen des Sammelraums und in der Nähe der durch die Saugkanäle gebildeten Ansaugöffnungen, die in den Sammelraum münden, angeordnet sein. Hierdurch ist im wesentlichen eine eindeutige Zuordnung des Abgases zu den einzelnen Saugkanälen möglich. Alternativ ist jedoch auch eine stöchiometrische Verteilung von Öffnungen in der Abgasleitung möglich. Diese erzielen eine gleichmäßige Vertei­ lung des Abgases in der Ansaugluft, die anschließend den Saugkanälen zugeleitet wird..
Insbesondere bei mehreren Sammelräumen können auch mehrere Anschlüsse und Abgasleitungen im Saugrohr vorgesehen werden. Die Anschlüsse und die Abgaslei­ tung schaffen bei der Konstruktion des Saugrohres vorteilhaft einen gestalterischen Spielraum, da bei der Verlegung der Leitungen im Sammelraum weniger Randbedin­ gungen durch andere Bauteile, wie z. B. die Einspritzventile, Zyinderkopfhaube, Generatoren, Pumpen, die Kraftstoffleiste oder Schrauberfreigänge beachtet werden müssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Abgasleitung durch die Ansaugluft im Sammelraum umströmt wird. Auf diese Weise ist vor der Einleitung des Abgases in das Saugrohr eine Abkühlung derselben möglich. Die Kühlung muss jedoch nicht durch ein separates Kanalsystem oder ein von der Verbrennungsluft art­ fremdes Kühlmedium erreicht werden. Ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand für die Kühlung fällt somit nicht an. Auch sind die Anforderungen an die Dichtheit des Ab­ gaskanals im Saugrohr geringer, da eine geringe Leckage lediglich zu einer früheren Zumischung des Abgases zur Ansaugluft führt.
Die Einhaltung eines Abstandes der Abgasleitung zu den Wandungen des Saugroh­ res verhindert eine Wärmeleitung der sich erwärmenden Abgasleitung in das Saug­ rohrmaterial. Hierdurch kann eine thermische Belastung des Saugrohres stark ver­ ringert werden. Eine direkte Wärmeleitung ist nur über die Haltemittel möglich, welche die Abgasleitung im Saugrohrinneren fixieren. Als Haltemittel dient zumindest eine Abdichtung, die am Rand einer Durchführung für den Anschluss notwendig wird. Der Anschluss liegt somit außerhalb des Saugrohres, so dass ein Anschluss an die Abgasanlage der Brennkraftmaschine möglich ist. Weitere Haltemittel für die Abgas­ leitung können durch alle verfügbaren Mittel der Verbindungstechnik erreicht werden. Es sind beispielsweise Verschraubungen und Vernietungen denkbar, weiterhin Klemm-, Steck- und Schnappverbindungen, außerdem kann bei einem mehrschali­ gen Aufbau des Saugrohres eine Fixierung der Abgasleitung durch die Montage der Saugrohrschalen erfolgen. Stege als Abstandshalter können dabei die Wärmeleitung bei einer genügenden Fixierung minimieren. Eine weitere Minimierung ist vorteilhaf­ terweise dadurch möglich, dass die Haltemittel selbst eine geringe Wärmeleitung zu­ lassen. Dies lässt sich inbesondere durch einen geringen Querschnitt der Haltemittel, die eine Wärmebrücke zwischen Saugrohrwandung und Abgasleitung herstellen, oder durch die Wahl von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Keramik, erreichen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können als Haltemittel auch die Zuführöffnungen der Abgasleitung dienen, wenn diese durch die Wandungen der Saugkanäle geführt werden müssen. Hier ergibt sich somit zwangsläufig eine Verbin­ dung zwischen Abgasleitung und Wandungen des Saugrohres, insbesondere des Saugkanals, mit deren Hilfe die Abgasleitung fixiert werden kann.
Eine derartige Anordnung der Zuführöffnung, die zu einer definierten Einleitung des Abgases in die Ansaugluft in den Saugkanälen führt, kann durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindungsstelle in den Durchführungen der Wandung verbes­ sert werden. Hier lässt sich z. B. ein balgartiges Rohrstück verwenden, welches zum einen durch die Vergrößerung der Oberfläche am Balg bzw. eine Verlängerung der Wärmeleitungsstrecke zu einer thermischen Isolierung der Abgasleitung zum Saug­ rohr hin führt. Das balgartige Rohrstück selbst ist zur Durchleitung bzw. Einleitung des Abgases in den Saugkanal geeignet. Weiterhin ermöglicht der Balg durch seine Elastizität einen gewissen Toleranzausgleich zwischen Abgasleitung und Saugrohr. Dieser wird notwendig zum einen aufgrund auftretender Fertigungstoleranzen, zum anderen aber auch aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung der Materialien der Abgasleitung und des Saugrohrs bzw. deren unterschiedlicher thermischer Be­ lastung. Anstelle des Rohrstückes kann auch ein keramisches Formstück verwendet werden, welches zumindest die thermische Isolierung zwischen Abgasleitung und Saugrohr gewährleistet. Mit dem Formstück aus Keramik lässt sich zudem eine be­ liebige Geometrie der Einleitstelle, z. B. als Düse, erreichen. Die Geometrie der Ein­ leitstelle kann dann hinsichtlich einer optimalen Verteilung des Abgases in der An­ saugluft gestaltet werden.
Werden die Zuführöffnungen wie bereits erwähnt im Bereich der Ansaugöffnungen der Saugkanäle angeordnet, so kann die Wärmeübertragung weiter vermindert wer­ den. Außerdem ist eine mittige Einleitung bezogen auf den Querschnitt der Ansaug­ kanäle möglich, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Abgases in der Ansaug­ luft erfolgen kann. Dabei lassen sich im übrigen große Toleranzen realisieren.
Eine günstige Ausgestaltung der Abgasleitung ergibt sich, wenn diese mehrschalig ausgebildet ist. Die Schalen können z. B. aus zwei tief gezogenen Metallteilen be­ stehen, mit deren Hilfe sich komplizierte geometrische Strukturen der Abgasleitung realisieren lassen. Außerdem können in den Schalen weitere Funktionskomponenten integriert sein. Insbesondere Flansche oder Abstandshalter zur Fixierung der Abgas­ leitung im Saugrohrinneren lassen sich kostengünstig herstellen. Die durch die Schalen gebildete Kanalstruktur lässt sich durch weitere Bauteile ergänzen, die an das Grundteil montiert werden können. So ist es z. B. möglich, durch Anschluss von Rohren die Abgasleitung zu komplettieren.
Die Herstellung der Abgasleitung aus einem metallischen Werkstoff gewährleistet eine gute Wärmeleitung vom Abgas hin zu der Ansaugluft im Saugrohr. Dadurch kann eine optimale Abkühlung des Abgases bis zu den Einleitstellen erreicht werden, wodurch die Wandungen des Saugrohrs im Bereich der Einleitstellen weniger ther­ misch belastet werden. Außerdem besitzen metallische Werkstoffe eine hohe Temperaturbeständigkeit, so dass hohe Rückführraten an Abgas in das Saugrohr realisiert werden können. Bei geringer thermischer Belastung kann für die Abgas­ leitung auch ein hitzebeständiger Kunststoff, z. B. PPS, verwendet werden. Dabei lassen sich günstige Fertigungs- und Materialkosten erreichen.
Das Saugrohr selbst wird vorteilhafterweise aus Kunststoff gefertigt. Hierdurch ist eine wirtschaftliche Herstellung möglich. Insbesondere bei Mehrschalentechnik lässt sich die Abgasleitung vor der Endmontage des Saugrohres unproblematisch in dieses integrieren. Eine Integration ist jedoch auch bei Kunststoffsaugrohren denk­ bar, die in Schmelzkerntechnik hergestellt werden. In diesem Falle müsste entweder eine Einbauöffnung für die Abgasleitung vorgesehen werden oder die Abgasleitung in den Schmelzkern eingegossen werden, so dass dadurch ihre Position im Saug­ rohrinneren definiert wird. Selbstverständlich lässt sich die Erfindung auch in Saugrohren aus Metall, z. B. Aluminium, anwenden.
Vorteilhafterweise lässt sich die Geometrie der Abgasleitung im Saugrohr derart gestalten, dass der durch das Abgas zurückgelegte Weg von dem jeweiligen Anschluss zur jeweiligen Zuführöffnung zu den Saugkanälen immer gleich lang ist. Hierdurch werden die Totzeiten synchronisiert, die zwischen Öffnen des Abgasrückführventils und Einleitung des Abgases in die Saugkanäle entstehen. Außerdem wird auf diese Weise eine gleich starke Abkühlung des Abgases bis zu den einzelnen Ein­ leitstellen erreicht. Die Vergleichmäßigung dieser Effekte führt zu einer optimalen Schadstoffreduzierung durch die Abgasrückführung. Weiterhin wird einer eventuellen Reduzierung des Motordrehmomentes entgegengewirkt, die durch einen Kurz­ schluss, bewirkt durch die Abgasrückführleitungen, entstehen könnte. Die Länge der Leitungen wirkt demals Drossel entgegen.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von sche­ matischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen
Fig. 1 die teilweise geschnitten dargestellte Aufsicht auf ein Saugrohr für eine Brennkraftmaschine mit V-förmiger Zylinderanordnung in Mehrschalentechnik, wobei die Deckelschale abgenommen ist,
Fig. 2 den Schnitt A-A gemäß Fig. 1,
Fig. 3 den Schnitt B-B gemäß Fig. 1, wobei entsprechend Fig. 2 zwei Varianten für die Abgasleitung dargestellt sind und
Fig. 4 u. 5 Varianten des Details X gemäß Fig. 2,
Fig. 6 zwei Varianten für eine im Sammelraum eines aufgeschnitten dargestellten Saugrohres eingebaute Abgasrückführleitung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Fig. 1 gewährt einen Einblick in eine Unterschale 10 eines Ansaugrohres. Es ist zu erkennen, wie die Ansaugluft ensprechend der Pfeile von einem Einlass 11 über zwei Sammelräume 12 zu Ansaugöffnungen 13 von Saugkanälen 14 gelangt, die zu nicht dargestellten Auslässen eines Zylinderkopfflansches 15 führen.
Von einem Anschluss 16 führt eine Abgasleitung 17a, b, die in Fig. 1 in zwei Varian­ ten dargestellt ist, zu Zuführöffnungen 18a, b, welche die Einleitung des Abgases im Bereich der Saugkanäle erlaubt. Die Abgasleitung 17a ist mit Hilfe einer Schnappver­ bindung 19 an Wandungen 20 des Saugrohrs befestigt. Dadurch wird ein Mindestab­ stand a zwischen Wandung 20 und Abgasleitung 17a eingehalten, welcher zu einem thermischen Schutz der Wandung 20 beiträgt. Die Abgasleitung 17b ist mit Hilfe von Schrauben 21 über Laschen 22 im Saugrohr befestigt.
Der Aufbau der Abgasleitung 17b kann weiterhin der Fig. 2 entnommen werden. Diese ist aus zwei Schalen 23 zusammengesetzt, wodurch der Hohlraum zur Leitung der Abgase entsteht. Die Lasche 22 zur Befestigung der Abgasleitung ist ebenfalls integraler Bestandteil einer der Schalen. Die Zuführöffnung 18b ist in eine Durchfüh­ rung 24b in der Wandung 20b des entsprechenden Saugkanals 14 eingesteckt. An dieser Stelle erfolgt eine Zumischung zur Ansaugluft, welche zu einem der Auslässe 25 im Zylinderkopfflansch 15 strömt.
Das Saugrohr ist in Mehrschalentechnik hergestellt und verschweißt. Die Saugkanäle 14 werden in die Unterschale 10 eingeschweißt. Weiterhin müssen eine Resonanz­ klappe 26 als Verbindung zwischen den beiden Sammelräumen 12 und die Abgas­ leitung 17b in die Unterschale eingebaut werden. Zuletzt wird eine Oberschale 27 mit der Unterschale 10 verschweißt.
In Fig. 3 ist der Anschluss 16 als Detail im Schnitt dargestellt. Der Anschluss be­ steht aus einem Rohrstutzen 28, der mit Hilfe eines Befestigungsflansches 29 in einer Durchführung 24 fixiert ist. Eine Abdichtung 30 in Form eines O-Rings ist in der Durchführung untergebracht. Das Rohr mündet auf der einen Seite in einen Schraub­ stutzen 31, der die Befestigung einer Abgaszuleitung 32 erlaubt und auf der anderen Seite in die Abgasleitung 17a, b (beide Versionen sind dargestellt). Um eine Wärme­ leitung in die Unterschale 10 möglichst gering zu halten, ist der Rohrstutzen im Bereich der Durchführung 24 als glockenartiges Hohlprofil 33 ausgeführt.
Aber auch die Zuführöffnungen 18b in den Durchführungen 24b können derart aus­ gestaltet sein, dass die Wärmeleitung von der Abgasleitung zur Wandung 20b der Saugkanäle 14 verhindert wird. In Fig. 4 ist die Zuführung als Rohrstück 34 ausge­ bildet, die einen Blechbalg 35 enthält. Auf dieses Rohrstück wird die Abgasleitung 17b aufgesteckt. Das Rohrstück wiederum wird in die Durchführung 24b eingesteckt. Anstelle des Rohrstückes kann auch ein Formstück 36 aus Keramik verwendet wer­ den. Dieses ist frei in seiner Gestaltung. An dessen Ende ist eine Düse 37 ausgebil­ det, die zu einer gezielten Einleitung des Abgases führt. Diese Düse ist entsprechend der Krümmung des Saugkanals 14 in die Strömungsrichtung der Ansaugluft ausge­ richtet. Dadurch wird das Abgas nach der Einleitung sofort mitgerissen und optimal in der Ansaugluft verteilt.
In Fig. 6 ist ein anderes Beispiel für ein Saugrohr dargestellt, wobei ein Teil des Sammelraumes 12 aufgeschnitten ist, so dass 2 Varianten einer Abgasleitung 17c und 17d sichtbar werden. Diese ist durch den Anschluss 16 und die Schnappverbin­ dung 19 fixiert. Die Zuführöffnungen 18c der einen Varianten münden in beschriebe­ ner Weise in die Ansaugöffnungen 13 der Saugkanäle 14. Die Zuführöffnungen 18d sind stöchiometrisch oder regelmäßig auf der Oberfläche der Abgasleitung 17d ver­ teilt und führen so zu einer gleichmäßigen Durchmischung der Ansaugluft mit rück­ geführtem Abgas, bevor dieses die Saugkanäle 14 erreicht.

Claims (9)

1. Saugrohr mit einer integrierten Abgasrückführung, enthaltend zumindest
  • - einen in einen Sammelraum (12) führenden Einlass (11),
  • - vom Sammelraum zu zylinderseitigen Auslässen (25) führende Saugkanäle (14),
  • - einer von einem Anschluss (16) zu Zuführöffnungen (18a, b, c), die jeweils im durch die Saugkanäle (14) beeinflussten Strömungsbereich der Ansaugluft vorgesehen sind, führenden Abgasleitung (17a, b, c)
dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (17a, b) unter Einhaltung eines Abstandes zu Wandungen (20a, b) des Saugrohres in den durch selbiges gebildeten Hohlräumen angeordnet und durch Haltemittel (19, 21, 28, 34, 36) fixiert ist, wobei als Haltemittel zumindest eine Abdichtung (30) einer Durchführung (24) des Anschlusses (16) durch die Wandungen (20a, b) umfasst.
2. Saugrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel (19, 21, 28, 34, 36) nur eine geringe Wärmeleitung zulassen.
3. Saugrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Haltemittel vorgesehen sind, die als Zuführöffnung (18a, b, c) dienen und in Durchführungen (24b) in den die Saugkanäle (14) bildenden Wandungen (20b) untergebracht sind.
4. Saugrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel aus balgartigen Rohrstücken (34) bestehen, die die Durchleitung des Abgases erlauben und in die Durchführungen (24b) in den die Saugkanäle (14) bildenden Wandungen (20b) eingesetzt sind.
5. Saugrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel aus keramischen Formstücken (36) bestehen, die die Durchleitung des Abgases erlauben und in die Durchführungen (24b) in den die Saugkanäle (14) bildenden Wandungen (20b) eingesetzt sind.
6. Saugrohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführöffnungen (18a, b) im Bereich von in den Sammelraum mündenden Ansaugöffnungen (13) der Saugkanäle (14) angeordnet sind.
7. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (17a, b) zumindest teilweise mehrschalig ausgebildet ist, wobei der Querschnitt der Abgasleitung durch die Schalen (23) gebildet ist.
8. Saugrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (17a, b) derart verzweigt ist, dass der durch das Abgas zurückzulegende Weg von dem mindestens einen Anschluß (16) zu den Zuführöffnungen (18a, b) im wesentlichen gleich lang ist.
9. Saugrohr mit einer integrierten Abgasrückführung, enthaltend zumindest
  • - einen in einen Sammelraum (12) führenden Einlass (11),
  • - vom Sammelraum zu zylinderseitigen Auslässen (25) führende Saugkanäle (14),
  • - einer von einem Anschluss (16) zu Zuführöffnungen (18d), die jeweils in den Sammelraum münden, führenden Abgasleitung (17d)
dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (17d) unter Einhaltung eines Abstandes zu Wandungen (20a, b) des Saugrohres im Sammelraum desselben und durch Haltemittel (19, 21, 28, 34, 36) fixiert ist, wobei als Haltemittel zumindest eine Abdichtung (30) einer Durchführung (24) des Anschlusses (16) durch die Wandungen (20a, b) umfasst und dass die Zuführöffnungen (18d) derart angeordnet sind, dass im durch die Saugkanäle (14) beeinflussten Strö­ mungsbereich der Ansaugluft ein homogenes Gemisch mit dem Abgas mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Konzentration des Abgases in der Ansaugluft gewährleistet ist.
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