DE102006004725A1

DE102006004725A1 - Abgaskrümmer für eine Reihen-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006004725A1
Application number: DE102006004725A
Authority: DE
Inventors: Leopold Eisterlehner; Rudolf Wimmer; Johannes Gelbmann; Thomas Plösser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Abgaskrümmer (1) für eine Reihen-Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6), wobei für jeden Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) ein Abgaskrümmerrohr (R1, R2, R3, R4, R5, R6) vorgesehen ist und wobei die Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschinenlängs- (X) und eine Brennkraftmaschinenhochachse (Y) und eine zweistufige Aufladevorrichtung (2) mit einem Niederdruck- (3) und einem Hochdruck-Abgasturbolader (4) aufweist, wobei ein Niederdruck-Turbinengehäuse (3') des Niederdruck-Abgasturboladers (3) und ein Hochdruck-Turbinengehäuse (4') des Hochdruck-Abgasturboladers (4) diametral zueinander jeweils an einem Flansch (1', 1'') an den Abgaskrümmer (1) angeordnet sind, wobei die Turbinengehäuse (3', 4') zwischen dem zweiten und dem dritten Abgaskrümmerrohr (R2, R3) angeordnet sind und jeder Flansch (1', 1'') des Abgaskrümmers (1) in einem Abgasströmungsbereich eine Strömungsleitrippe (5, 5') aufweist, die sich jeweils weitgehend in Richtung der Brennkraftmaschinenlängs- und der Brennkraftmaschinenhochachse (X, Y) erstreckt und wobei ein Abgasmassenstrom aus den Zylindern Z1, Z2 und Z3 von einem Abgasmassenstrom aus den Zylindern Z4, Z5 und Z6 in den Flanschbereichen des Abgaskrümmers (1) von den Strömungsleitrippen (5, 5') getrennt ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Strömungsleitrippen (5, 5') wird der Ladungswechsel für die unsymmetrisch angeordnete Aufladevorrichtung (2) deutlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine Reihen-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 30 934 A1 aus. In dieser ist eine zweistufige Aufladevorrichtung für eine Reihen-Sechszylinder-Brennkraftmaschine beschrieben. Die zweistufige Aufladevorrichtung besteht aus einem Niederdruck-Abgasturbolader und einem Hochdruck-Abgasturbolader. Die Turbine des Niederdruck-Abgasturboladers und die Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers sind diametral zueinander an den Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine zwischen den Zylindern 3 und 4 symmetrisch angeordnet. Der Abgaskanal zur Niederdruck-Turbine ist ferner mit einer Klappe ausgestattet, die es je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine erlaubt, entweder nur den Hochdruck-Turbolader oder den Hochdruck-Turbolader und den Niederdruck-Turbolader gemeinsam mit Abgas zu beaufschlagen. Zur detaillierten Funktionsweise der zweistufigen Aufladung wird auf die DE 102 30 934 A1 sowie auf die DE 100 14 755 A1 hingewiesen.

Aufgrund der ständig verschärften Abgasgesetzgebungen für Brennkraftmaschinen werden diese permanent weiterentwickelt. So werden momentan beispielsweise für Dieselbrennkraftmaschinen zusätzliche Partikelfilter vorgesehen, die aus den, dem Fachmann bekannten technischen Gründen möglichst motornah angeordnet sein müssen. Weiter benötigen auch moderne Dieselbrennkraftmaschinen Abgasreinigungsanlagen, sprich einen Katalysator, um weitere schädliche Bestandteile des Abgases in unschädliche Bestandteile zu konvertieren. Die Baugröße von Partikelfilter und Katalysator bedingt jedoch, dass beispielsweise eine aus dem Stand der Technik beschriebene zweistufige Abgasturboaufladung nicht mehr zentral, d.h. mittig, an einem gattungsgemäßen Abgaskrümmer angeflanscht werden kann. Dies führt dazu, dass die zweistufige Abgasturboaufladevorrichtung anstelle zwischen den Zylindern 3 und 4 zwischen den Zylindern 2 und 3 angeordnet werden muss. Bei einer typischen Zündreihenfolge: Zylinder 1, Zylinder 5, Zylinder 3, Zylinder 6, Zylinder 2, Zylinder 4, tritt jedoch der Effekt auf, dass das Abgas des Zylinders 3 noch nicht ganz aus dem Zylinder 3 ausgeschoben ist, während aus dem Zylinder 6 bereits schon wieder frisches Abgas ausgeschoben wird. Das gleiche Problem ergibt sich auch bei einer alternativen Zündfolge: Zylinder 1, Zylinder 4, Zylinder 2, Zylinder 6, Zylinder 3, Zylinder 5. Dieses Ausschieben von Abgas aus dem dritten Zylinder, während aus dem sechsten Zylinder Abgas bereits ausgeschoben wird, führt zu dramatischen Ladungswechselverlusten, die den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine deutlich verschlechtern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie trotz des gleichzeitigen Einsatzes eines Partikelfilters und eines Katalysators und der Anbindung einer gattungsgemäßen zweistufigen Aufladegruppe der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nicht verschlechtert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise werden bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Abgasmassenströme aus den Zylindern 1, 2 und 3 sowie die Abgasmassenströme aus den Zylindern 4, 5 und 6 bis in das Turbinengehäuse separat geleitet, wodurch eine gegenseitige Beeinflussung der Abgase aus den Zylindern 3 und 6 vermieden wird. Durch diese Maßnahme bleibt der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nicht nur gleich gut, sondern wird sogar noch etwas verbessert.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante.

Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 werden die Strömungsverluste im Abgaskrümmer wesentlich minimiert.

Beste Erfolge wurden mit einer Abmessung der Strömungsleitrippen gemäß Patentanspruch 4 erzielt.

Die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 5 und 6 stellen besonders bevorzugte Ausführungsvarianten dar.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in drei Figuren näher erläutert.
1 zeigt die Aufsicht auf eine dreidimensional dargestellte Aufladegruppe, angeordnet zwischen den Zylindern 2 und 3 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine.
2 zeigt den Blick auf einen niederdruckseitigen Flansch des Abgaskrümmers mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleitelement.
3 zeigt die Aufsicht auf einen hochdruckturbinenseitigen Flansch des Abgaskrümmers.
1 zeigt die Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Abgaskrümmer mit einer Aufladegruppe, die zwischen den Zylindern 2 und 3 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern Z1 bis Z6 angeordnet ist. Der Abgaskrümmer weist für jeden Zylinder Z1 bis Z6 ein Abgaskrümmerrohr R1 bis R6 auf. Die zweistufige Aufladevorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Niederdruck-Abgasturbolader 3 und einem Hochdruck-Abgasturbolader 4. Der Niederdruck-Abgasturbolader 3 ist mit seinem Turbinengehäuse 3' und einem Flansch 1' des Abgaskrümmers 1 geodätisch unten, der Hochdruck-Abgasturbolader 4 ist mit seinem Turbinengehäuse 4' an einem zweiten Flansch 1'' des Abgaskrümmers 1 geodätisch oben an dem Abgaskrümmer 1 angeflanscht. Um im Rahmen der zweistufigen Abgasturboaufladung entweder nur den Hochdruckabgas-Turbolader 4 mit Abgas beaufschlagen zu können oder den Hochdruck-Abgasturbolader 4 und den Niederdruck-Abgasturbolader 3 sequentiell mit Abgas zu beaufschlagen, befindet sich im Übergang vom Abgaskrümmer 1 zur Niederdruck-Turbine 3' eine in den Figuren nicht erkennbare Klappe, die von einem Klappengetriebe 6 verschwenkbar ist. Das Klappengetriebe 6 wird seinerseits von einem Stellelement 6', im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Unterdruckdose, angetrieben.
2, in der wie in 1 und 3 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugszeichen gelten, zeigt einen Blick auf den Flansch 1' des Abgaskrümmers 1, an den das Turbinengehäuse 3' des Niederdruck-Abgasturboladers 3 montierbar ist. Das Turbinengehäuse 4' des Hochdruck-Abgasturboladers 4 ist wie in 1 an den Flansch 1'' des Abgaskrümmers 1 geodätisch oben montiert. In 2 sind die Abgaskrümmerrohre R1 bis R4 der Zylinder Z1 bis Z4 dargestellt. Pfeile deuten schematisch an, wie die Abgasmassenströme aus den Zylindern Z1 bis Z4 durch die Abgaskrümmer rohre R1 bis R4 jeweils in Richtung der Niederdruckturbine 3' des Niederdruck-Abgasturboladers 3 geleitet werden. Eine erfindungsgemäße Strömungsleitrippe 5, die sich im Wesentlichen in Richtung einer Brennkraftmaschinenlängsachse X und in Richtung einer Brennkraftmaschinenhochachse Y erstreckt, separiert den Abgasmassenstrom der Zylinder Z1 bis Z3 von dem Abgasmassenstrom der Zylinder Z4 bis Z6 bis zum Eintritt in das Turbinengehäuse 3' des Niederdruck-Abgasturboladers.
In 3 ist nochmals der Abgaskrümmer 1 mit Blick auf den Flansch 1'' des Hochdruck-Abgasturboladers 4 dargestellt. Die Abgasmassenströme der Zylinder Z1 bis Z3 und die Abgasmassenströme der Zylinder Z4 bis Z6 sind wiederum schematisch durch Pfeile dargestellt. In der Aufsicht ist das wie ein Trennungssteg ausgebildete Strömungsleitelement 5 gut erkennbar, welches die zwei Abgasmassenströme der Zylinder Z1 bis Z3 und der Zylinder Z4 bis Z6 voneinander trennt.
Da Reihen-Sechszylinder-Brennkraftmaschinen üblicherweise mit folgenden Zündfolgen: „Zylinder 1, Zylinder 5, Zylinder 3, Zylinder 6, Zylinder 2, Zylinder 4" oder „Zylinder 1, Zylinder 4, Zylinder 2, Zylinder 6, Zylinder 3, Zylinder 5" betrieben werden, ergibt sich in der vorliegenden Konstellation jeweils das Problem, dass die Abgase aus dem Zylinder 3 noch nicht ganz ausgeschoben sind, während sie vom Zylinder 6 bereits schon wieder ausgeschoben werden. Durch die erfindungsgemäße Trennung der zwei Abgasmassenströme von Zylinder Z1 bis Z3 und Zylinder Z4 bis Z6 werden somit Ladungswechselverluste minimiert.
In praktischen Versuchen hat sich eine Höhe der Strömungsleitrippen 5, 5' zwischen 5 und 80 mm sowie eine Dicke zwischen 3 und 10 mm als besonders vorteilhaft erwiesen. Die beschriebenen Größenangaben sind ein guter Kompromiss zwischen mechanischer und thermischer Haltbarkeit einerseits sowie den Strömungsleiteigenschaften andererseits. Eine bevorzugte Aus führungsvariante ist die einstückige Herstellung der Strömungsleitrippen 5, 5' mit dem Abgaskrümmer 1. Dies bedeutet, dass beim Gießverfahren des Abgaskrümmers die Strömungsleitrippen 5, 5' gleichzeitig mit gegossen werden.
In weiten Ausführungsbeispielen, beispielsweise im Falle eines Blechabgaskrümmers, können die Strömungsleitrippen 5, 5' ebenfalls aus Blech gefertigt sein. In weiteren Ausführungsbeispielen, insbesondere im Falle eines Gussabgaskrümmers ist es auch möglich, die Strömungsleitelemente 5, 5' als separate Bauelemente zu fertigen und in den Abgaskrümmer 1 einzusetzen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die separaten, plattenförmig ausgebildeten Bauteile den mechanischen und thermischen Anforderungen standhalten. Vorteilhafte Materialien sind temperaturhochfeste Stähle oder Keramiken. Auch kann in einer weiteren Ausführungsform die Lage von Niederdruck- 3 und Hochdruck-Abgasturbolader vertauscht sein, d. h. der Niederdruck-Abgasturbolader 3 ist geodätisch oben und der Hochdruck-Abgasturbolader 4 ist geodätisch unten an den Abgaskrümmer 1 angeordnet.
Durch die Neugestaltung der Abgasturboladeranbindung an den Abgaskrümmer 1 wird eine wesentlich kompaktere Bauweise für die gesamte zweistufige Aufladeeinheit 2 erreicht. Zusätzlich wird durch die neuartige Anordnung von Strömungsleitrippen 5, 5' eine gegenseitige Beeinflussung der Gaskräfte aufgrund der Zündreihenfolge der Brennkraftmaschine weitgehend verhindert.

1: Abgaskrümmer
1', 1'': Flansch
2: Aufladevorrichtung
3: Niederdruck-Abgasturbolader
3': Turbinengehäuse Niederdruck-Abgasturbolader
4: Hochdruck-Abgasturbolader
4': Turbinengehäuse Hochdruck-Abgasturbolader
5, 5': Strömungsleitrippe
6: Klappe
6': Stellement
Z1: Zylinder 1
Z2: Zylinder 2
Z3: Zylinder 3
Z4: Zylinder 4
Z5: Zylinder 5
Z6: Zylinder 6
R1: Abgaskrümmerrohr Zylinder 1
R2: Abgaskrümmerrohr Zylinder 2
R3: Abgaskrümmerrohr Zylinder 3
R4: Abgaskrümmerrohr Zylinder 4
R5: Abgaskrümmerrohr Zylinder 5
R6: Abgaskrümmerrohr Zylinder 6

Claims

Abgaskrümmer (1) für eine Reihen-Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6), wobei für jeden Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) ein Abgaskrümmerrohr (R1, R2, R3, R4, R5, R6) vorgesehen ist und wobei die Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschinenlängs- (X) und eine Brennkraftmaschinenhochachse (Y) und eine zweistufige Aufladevorrichtung (2) mit einem Niederdruck- (3) und einem Hochdruck-Abgasturbolader (4) aufweist, wobei ein Niederdruck-Turbinengehäuse (3') des Niederdruck-Abgasturboladers (3) und ein Hochdruck-Turbinengehäuse (4') des Hochdruck-Abgasturboladers (4) diametral zueinander jeweils an einem Flansch (1', 1'') an den Abgaskrümmer (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbinengehäuse (3', 4') zwischen dem zweiten und dem dritten Abgaskrümmerrohr (R2, R3) angeordnet sind und – jeder Flansch (1', 1'') des Abgaskrümmers (1) in einem Abgasströmungsbereich eine Strömungsleitrippe (5, 5') aufweist, die sich jeweils weitgehend in Richtung der Bennkraftmaschinenlängs- und der Brennkraftmaschinenhochachse (X, Y) erstreckt und wobei – ein Abgasmassenstrom aus den Zylindern Z1, Z2 und Z3 von einem Abgasmassenstrom aus den Zylindern Z4, Z5 und Z6 in den Flanschbereichen des Abgaskrümmers (1) von den Strömungsleitrippen (5, 5') getrennt ist.
Abgaskrümmer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Abgasturbolader (3) geodätisch unten und der Hochdruck-Abgasturbolader (4) geodätisch oben an den Abgaskrümmer (1) angeordnet ist.
Abgaskrümmer nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitrippen (5, 5') weitgehend mittig in den Abgasströmungsbereichen der Flansche (1', 1'') angeordnet sind.
Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitrippen (5, 5') in Richtung der Brennkraftmaschinenhochachse (Y) eine Höhe zwischen 5 und 80 mm und quer zur Brennkraftmaschinenlängsachse (X) eine Dicke zwischen 3 und 10 mm aufweisen.
Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitrippen (5, 5') einstückig und materialeinheitlich mit dem Abgaskrümmer (1) sind.
Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitrippen (5, 5') in den Abgaskrümmer (1) und die Flansche (1', 1'') eingesetzte, hochtemperaturfeste Platten sind.