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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
herkömmlicher Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist in 2A veranschaulicht. Der Zylinderkopf 10 weist
je Zylinder einen Brennraum 12, wenigstens einen Einlasskanal (nicht
dargestellt) und einen Auslasskanal 14 auf. Der Auslasskanal 14 wird
mittels eines Auslassventils 16 wahlweise geöffnet
und geschlossen, wobei in der Schließstellung des Auslassventils 16 sein
Ventilteller 18 an einem Ventilsitz 20 des Auslasskanals
anliegt. Der Zylinderkopf 10 wird durch ein Kühlmittel
(z. B. Kühlwasser) in einem entsprechenden Kühlmittelraum 22,
der im Zylinderkopf 10 integriert ist, gekühlt.
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Moderne
Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge leiten aufgrund der Abgasvorschriften
hohe Wärmelasten in den Kühlwasserkreislauf ein.
Die Ableitung dieser großen Wärmemengen stellt
für die Fahrzeuge in der aktuellen Fahrzeugentwicklung
weltweit ein Problem dar.
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Es
besteht deshalb Bedarf an einem Konzept, das den Wärmeeintrag
des Abgasstroms durch den Auslasskanal des Zylinder kopfes in das
Kühlwasser und damit auch den Aufwand zur Ableitung der
Kühlwasserwärmemengen an die Umgebung reduzieren
kann.
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Aus
der
DE 31 20 642 A1 ist
ein Zylinderkopf bekannt, in dem koaxial zum Auslasskanal ein rohrförmiger
Ringspalt ausgebildet ist, der durch das anschließende
Abgasrohr geschlossen ist, sodass die im Ringspalt eingeschlossenen
Gase eine Wärmeisolationsschicht zum Zylinderkopf hin bilden,
sodass weniger Abwärme vom Abgasstrom im Auslasskanal auf
den Zylinderkopf und das Kühlwasser abgegeben wird. Der
Auslasskanal selbst ist bei diesem bekannten System nicht modifiziert.
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In
diesem Zusammenhang sind auch andere Systeme bekannt, die Modifikationen
des Zylinderkopfes bzw. des Auslasskanals darin vornehmen, um das
Wärmemanagement zu verbessern.
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So
offenbart zum Beispiel die
JP-A-08-226349 einen
Zylinderkopf, bei dem im Auslasskanal ein Innenrohr ohne direkten
Kontakt zum Zylinderkopf angeordnet ist. Bei einer kleinen Ventilöffnung
bei kleiner Motorlast strömt das Abgas nur durch den Innenkanal,
sodass die Abgastemperatur vor den anschließenden Katalysatoren
nicht zu stark absinkt, während bei großer Ventilöffnung
bei hoher Motorlast das Abgas im Innenrohr und im äußeren Kanal
des Auslasskanals strömt und so gekühlt werden
kann.
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In
der
JP-A-57-206719 ist
ein Zylinderkopf beschrieben, der ein Auslassrohr aus einem Material mit
hoher Wärmeleitfähigkeit besitzt, das an seiner Innenfläche
mit zahlreichen Vorsprüngen versehen ist, um eine Wärmeübertragung
auf den Zylinderkopf und das Kühlwasser zu verbessern,
sodass das Kühlwasser in der Aufwärmphase der
Brennkraftmaschine schneller erwärmt werden kann.
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Neben
der Optimierung des Wärmemanagements wurden im Stand der
Technik auch zu anderen Zwecken verschiedene konstruktive Abwandlungen des
Zylinderkopfes vorgeschlagen.
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Die
DE 44 28 623 C2 und
die
DE 93 13 954 U1 zeigen
jeweils einen Großventilzylinderkopf, in dem mehrere, nebeneinander
angeordnete Ventilöffnungen zum Gaseintritt und Gasaustritt
mit entsprechenden Ventiltellern vorgesehen sind. Die mehreren Ventilöffnungen
besitzen dabei verschiedene geometrische Formen (z. B. Ellipse,
Halbkreis, Kreisbogen) und Größen, um die Zufuhr
einer optimalen Gasgemischmenge und eine optimale Verbrennung mit schadstoffarmen
Abgasen zu erreichen.
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In
der
DE 101 41 431
A1 ist ein Zylinderkopf offenbart, dessen Auslasskanal
mit einer Engestelle versehen ist, um das Druckgefälle
hinter dem Auslassventil zu vermindern, um so den Öffnungsvorgang
des Auslassventils zu unterstützen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf
für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, der eine Reduzierung
des Wärmeeintrags vom Abgasstrom durch den Auslasskanal
in das Kühlwasser und damit auch eine Reduzierung des Aufwands
zur Ableitung der Kühlwasserwärmemenge an die
Umgebung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Der
Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine weist einen Auslasskanal
auf, dessen einem Brennraum zugewandte Öffnung mittels
eines Auslassventils wahlweise geschlossen und geöffnet
werden kann, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal
an seiner Innenwandung mit mehreren, im Wesentlichen senkrecht zur
Hauptströmungsrichtung durch den Auslasskanal umlaufenden
Stufenkonturen versehen ist.
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Die
umlaufenden Stufenkonturen an der Innenwandung des Auslasskanals
erzeugen Rezirkulationsgebiete im radial äußeren
Bereich des Auslasskanals. Diese führen wiederum zu einem
geringeren Temperatur- und Geschwindigkeitsgradienten im radial äußeren
bereich des Auslasskanals, was einen reduzierten Wärmeeintrag
in den Zylinderkopf und damit in das Kühlwasser zur Folge
hat.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden
Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin
zeigen:
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1A eine
schematische Teilschnittansicht eines Zylinderkopfes gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
mit entsprechenden Abgasströmungslinien;
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1B ein
Temperatur- und Geschwindigkeitsprofil des Auslasskanals des Zylinderkopfes
von 1A senkrecht zur Hauptströmungsrichtung;
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2A eine
schematische Teilschnittansicht eines herkömmlichen Zylinderkopfes
mit entsprechenden Abgasströmungslinien; und
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2B ein
Temperatur- und Geschwindigkeitsprofil des Auslasskanals des Zylinderkopfes
von 2A senkrecht zur Hauptströmungsrichtung.
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Bei
der herkömmlichen Auslasskanalgeometrie eines Zylinderkopfes,
wie sie in der eingangs beschriebenen 2A dargestellt
ist, wird in der Phase eines geöffneten Auslassventils 16 eine
Strömung mit einer sehr dünnen Strömungsgrenzschicht
im radial äußeren Bereich des Auslasskanals 14 erzeugt. In
dieser dünnen Grenzschicht stellen sich starke Temperatur-
und Geschwindigkeitsgradienten ein, wie in 2B dargestellt.
Als Folge der beiden Gradienten stellen sich große Wärmeübergangsbeiwerte ein.
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Für
den Wärmeübergang gilt die folgende 1D-Gleichung: Q . = α·A·(TWand – T∞,Gas) = α·A·ΔT (1)mit
- Q .
- = Wärmestrom
- α
- = Wärmeübergangsbeiwert
- A
- = Oberfläche
- TWand
- = Wandtemperatur
- T∞,Gas
- = Gastemperatur in
der freien Strömung
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Aus
dieser Gleichung (1) erkennt man, dass der Wärmestrom direkt
proportional zum Wärmeübergangsbeiwert ist. Basierend
auf dieser Erkenntnis wurde die vorliegende Erfindung entwickelt,
die nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter
Bezug auf 1A und 1B näher
erläutert wird.
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In 1A sind
die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie bei
dem herkömmlichen Zylinderkopf von 2A gekennzeichnet.
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Der
Zylinderkopf 10 weist je Zylinder einen Brennraum 12,
wenigstens einen Einlasskanal (nicht dargestellt) und einen Auslasskanal 14 auf.
Ein Auslassventil 16 öffnet und schließt
die dem Brennraum 12 zugewandte Eintrittsöffnung
des Auslasskanals 14. In der Schließstellung des
Auslassventils 16 liegt dabei der Ventilteller 18 des
Auslassventils 16 an einem Ventilsitz 20 des Auslasskanals 14 an.
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Im
Zylinderkopf 10 ist ferner wenigstens ein Kühlmittelraum 22 vorgesehen,
der von einem Kühlmittel (z. B. Kühlwasser) durchströmt
wird, um den Zylinderkopf 10 zu temperieren.
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Im
Gegensatz zur herkömmlichen Auslasskanalgeometrie von 2A mit
einer im Wesentlichen glatten Innenwandung des Auslasskanals 14 ist der
Auslasskanal 14 des Zylinderkopfes 10 in der vorliegenden
Erfindung mit mehreren Stufenkonturen 24 versehen, wie
in 1A angedeutet. Diese Stufenkonturen 24 laufen
an der Innenwandung des Auslasskanals 14 im Wesentlichen
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases durch
den Auslasskanal 14 um.
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Durch
diese Stufenkonturen 24 werden im radial äußeren
Bereich des Auslasskanals 14 Rezirkulationsgebiete 26 des
Abgasstroms erzeugt, wie in 1A durch
die entsprechenden Abgasströmungslinien angedeutet. Durch
diese Rezirkulationsgebiete 26 führen zu geringeren
Temperatur- und Geschwindigkeitsgradienten senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
des Abgases, wie in 1B dargestellt. Als Resultat
dieser geringeren Temperatur- und Geschwindigkeitsgradienten erhält
man eine dickere Temperatur- und Geschwindigkeitsgrenzschicht und damit
einen niedrigeren Wärmeübergangsbeiwert α. Wie
oben anhand von Gleichung (1) erläutert, bewirkt dieser
niedrigere Wärmeübergangsbeiwert α wiederum
einen geringeren Wärmeeintrag aus dem Abgasstrom im Auslasskanal 14 in
den Zylinderkopf 10 und das Kühlwasser im Kühlmittelraum 22.
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Die
Stufenkonturen 24 sind im Wesentlichen ringförmig
an der Innenwandung des Auslasskanals 14 senkrecht zur
Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms durch den Auslasskanal 14 ausgebildet. Grundsätzlich
sind sowohl radial nach innen als auch radial nach außen
verlaufende Stufenkonturen 24 möglich.
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Wie
in 1A dargestellt, wird das erste Rezirkulationsgebiet 26 unmittelbar
stromab des Ventilsitzes 20 durch einen nicht kontinuierlichen
Strömungsquerschnittsverlauf erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht nur
auf die in 1 dargestellte Kontur der Innenwandung
des Auslasskanals 14 des Zylinderkopfes 10 beschränkt.
Es können auch andere Anzahlen, Formen und Größen
der Stufenkonturen 24 realisiert werden.
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Der
oben beschriebene Zylinderkopf 10 der Erfindung ermöglicht
eine Reduzierung des Wärmeeintrags vom Abgasstrom im Auslasskanal 14 in
den Zylinderkopf 10 und das Kühlwasser. Dies bringt
zwei Vorteile mit sich. Zum einen wird durch den geringeren Wärmeeintrag,
d. h. ein geringeres Absinken der Abgastemperatur, den nachgeschalteten
Bauteilen (z. B. Abgasturbolader, Abgasnachbehandlungssysteme und
dergleichen) mehr Energie zur Verfügung gestellt. Andererseits
muss durch den reduzierten Wärmeeintrag in das Kühlwasser
weniger Wärme an die Umgebung abgeleitet werden. Speziell
diese abzuleitenden Wärmemengen stellen in der aktuellen Fahrzeugentwicklung
einen limitierenden Faktor dar.
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- 10
- Zylinderkopf
- 12
- Brennraum
- 14
- Auslasskanal
- 16
- Auslassventil
- 18
- Ventilteller
- 20
- Ventilsitz
- 22
- Kühlmittelraum
- 24
- Stufenkonturen
- 25
- Hauptstrom
- 26
- Rezirkulationsgebiete
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3120642
A1 [0005]
- - JP 08-226349 A [0007]
- - JP 57-206719 A [0008]
- - DE 4428623 C2 [0010]
- - DE 9313954 U1 [0010]
- - DE 10141431 A1 [0011]