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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen
in Form von Zylindern, in denen ein Luft/Kraftstoff-Gemisch in einer
Verbrennungsreaktion umsetzbar ist und die von einem gemeinsamen
Zylinderkopf begrenzt sind, wobei jedem Brennraum ein im Zylinderkopf
gebildeter Auslasskanal zugeordnet ist und mehrere Auslasskanäle
im Bereich eines Auslasskrümmers in einen gemeinsamen Zusammenflussbereich
münden.
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Aus
der
DE 101 41 534
A1 ist ein Zylinderkopf für eine mehrzylindrige
Brennkraftmaschine bekannt, in dem sich mehrere Auslasskanäle
von Auslassöffnungen der Brennräume erstrecken.
Die Auslasskanäle vereinigen sich in einem Zusammenflussbereich,
der im Wesentlichen vollständig derart in den Zylinderkopf
integriert ist, dass er einstückig mit dem Zylinderkopf
ausgeführt und im Bereich einer Oberseite und im Bereich
einer Unterseite durch Kühlwasserkanäle begrenzt
ist. An einem Flansch des Zylinderkopfes ist eine Montagefläche
für einen Katalysator vorgesehen, der somit direkt an den
Zylinderkopf angeschraubt verbaut ist. Eine solche Konfiguration
erzielt einen besonders umfangreichen Wärmeaustausch zwischen
dem Kühlwasser in den Kühlwasserkanälen
und dem Abgas im Zusammenflussbereich, es ergibt sich aber eine
aufwändige und komplizierte Zylinderkopfgestaltung, die
zudem kostenintensiv realisierbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, mit besonders einfachen
Mitteln einen Abgaskrümmer zu schaffen, dessen Wärmeübertragungsverhalten
günstig ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der Erfindung sind auch Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung.
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Die
Brennkraftmaschine weist mehrere Brennräumen in Form von
Zylindern auf, in denen ein Luft/Kraftstoff-Gemisch exotherm umsetzbar
ist und die von einem gemeinsamen Zylinderkopf begrenzt sind, wobei
jedem Brennraum ein im Zylinderkopf ausgebildeter Auslasskanal zugeordnet
ist und mehrere Auslasskanäle im Bereich eines Auslasskrümmers
in einen gemeinsamen Zusammenflussbereich münden. Die erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine beinhaltet einen gemeinsamen Zusammenflussbereich
für Abgase, der auf einer ersten Seite durch wenigstens
eine Wandung des Zylinderkopfes und auf einer zweiten Seite durch
ein separates, an den Zylinderkopf außenseitig angebrachtes
Schalenelement begrenzt ist, wobei das Schalenelement zur Führung
der Abgasströmung wenigstens abschnittweise trichterförmig
und/oder wannenförmig gewölbt ausgeführt
ist. Dabei sind auf der ersten Seite des gemeinsamen Zusammenflussbereichs
bevorzugt mehrere Auslasskanäle vorgesehen, die als Bestandteile
des Zylinderkopfes insbesondere durch Gussverfahren einstückig
ausgeführt sind und in den gemeinsamen Zusammenflussbereich
münden. Zur Bildung des gemeinsamen Zusammenflussbereichs ist
an dem Zylinderkopf außenseitig eine wannenförmige
Vertiefung vorgesehen, die bevorzugt durch mehrere einstückig
vergossene Wandungen des Zylinderkopfes begrenzt bzw. definiert
ist. Die wannenförmige Vertiefung ist mittels des Schalenelements nach
außen hin dichtend abgeschlossen, sodass sich zwischen
der Vertiefung seitens des Zylinderkopfes und dem Schalenelement
ein Raum volumen ergibt, in dem mehrere Abgasströme vereinigt
und umgelenkt werden können. Dieses Raumvolumen ist somit
teils innerhalb des Zylinderkopfes und teils außerhalb
des Zylinderkopfes gebildet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind an dem Schalenelement einerseits
ein Montageflansch zur abgedichteten Befestigung des Schalenelements am
Zylinderkopf sowie eine Auslassöffnung mit einem Rohrflansch
zur Montage eines Abgasrohrs oder einer Abgasreinigungseinheit vorgesehen,
wobei Montageflansch und Rohrflansch unterschiedliche Abmessungen
aufweisen. Der im Wesentlichen ringförmige Montageflansch
definiert eine ebene oder gewölbte Trennebene zwischen
Zylinderkopf und Schalenelement, wobei die Trennebene den Zusammenflussbereich
bzw. das Raumvolumen durchgreift und geometrisch unterteilt. Der
Rohrflansch ist zumindest hinsichtlich einer geometrischen Abmessung,
insbesondere hinsichtlich einer maximalen Quererstreckung und/oder
seines Durchmessers und/oder des durchströmbaren Querschnitts
kleiner gestaltet als der Montageflansch.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Auslassöffnung mit
einem Rohrflansch zur Montage einer Abgasführungseinheit
eines Abgasturboladers ausgestaltet. Idealerweise ist dadurch der
Abgasturbolader nahe am Zylinderkopf montierbar, wobei zum einen
eine kompakte Bauweise realisierbar ist und zum anderen Energieverluste,
welche als Wärmeverluste aufgrund langer Strömungswege
in Erscheinung treten, reduzierbar sind. Die Leistung des Abgasturbolader
kann somit auf einfach Weise gesteigert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Rohrflansch zweiflutig mit
einer ersten Flut und einer zweiten Flut ausgebildet ist, und das
Schalenelement weist integrierte Abgaskanäle auf. Die integrierten Abgaskanäle
sind als Zusammenführung der Auslasskanäle ausgebildet,
wobei Endabschnitte der integrierten Abgaskanäle in die
erste Flut und/oder in die zweite Flut münden. Vorteilhafterweise
ist ein mit zwei Fluten ausgebildeter Abgasführungsabschnitt montierbar.
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In
einer weiteren alternativen Form ist das Schalenelement einstückig
mit dem Abgasführungsabschnitt ausgeführt. Der
Vorteil dieser Ausgestaltung ist in der Reduktion der zu dichtenden Übergänge
einzelner Bauteile zu sehen, da ein Montageflansch zwischen dem
Endabschnitt des Abgaskanals oder der Abgaskanäle und dem
Abgasführungsabschnitt entfällt.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich.
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Darin
zeigen
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1:
einen schematisch dargestellten Schnitt durch einen Zylinderkopf
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit
einem Abgaskrümmer,
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2:
eine perspektivische Ansicht des Zylinderkopfs,
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3:
in einer skizzierten Darstellung ein Schalenelement mit integrierten
Abgaskanälen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
gem. 1 und
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4:
in einer skizzierten Darstellung das Schalenelement gem. 3 in
einer Variante.
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1 zeigt
einen Horizontalschnitt durch einen Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine, die in zwei separaten, V-förmig angeordneten
Zylinderbänken sechs Zylinder aufweist, in denen ein Luft/Kraftstoff-Gemisch
unter Druck- und Wärmefreisetzung verbannt werden kann.
Die Verbrennung kann dabei nach dem Dieselverfahren, nach dem Ottoverfahren
oder nach einem ähnlichen Brennverfahren durchgeführt
werden. Drei Zylinder weisen vorliegend drei Brennräume
auf, die von einem gemeinsamen, bevorzugt einstückig in
einem Gussverfahren hergestellten Zylinderkopf 1 begrenzt sind.
Jedem Brennraum sind zwei im Zylinderkopf 1 gebildete Auslasskanäle 2 zugeordnet,
die über nicht dargestellte Auslassventile in an sich bekannter
Weise verschließbar sind. Die Auslasskanäle 2 sind
in bevorzugter Weise in Richtung nachgeschalteter Abgasleitung gekrümmt
ausgeführt und eng an eine Zylinderkopfverschraubung und/oder
eng an Schmieröl-Rücklaufbohrungen angrenzend
positioniert.
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Der
beschriebenen Mehrzahl von sechs Auslasskanälen 2 einer
Zylinderbank ist im Bereich eines Auslasskrümmers 3 ein
gemeinsamer Zusammenflussbereich 3a zugeordnet, in dem
die durch die Auslasskanäle 2 geführten
Abgasströme vereinigt werden. Der gemeinsame Zusammenflussbereich 3a ist
auf einer ersten Seite A durch eine Wandung 1a des Zylinderkopfes 1 begrenzt.
Die Wandung 1a des Zylinderkopfs ist im Wesentlichen wannen-
oder topfförmig ausgeführt und von einer Montagefläche 1b ringförmig
umgeben. Innerhalb der Wandung 1a sind Durchlässe
zu den Auslasskanälen 2 gebildet, die ausgehend
von einer entlang der ringförmigen Montagefläche 1b zu
definierenden, nicht ringförmigen Trennfläche
T zurückgesetzt angeordnet sind.
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Auf
einer zweiten Seite B ist der Zusammenflussbereich 3a durch
ein separates, an den Zylinderkopf außenseitig ange brachtes
Schalenelement 4 begrenzt ist, das als Bestandteil des
Auslasskrümmers 3 den Zusammenflussbereich 3a nach
außen hin begrenzt. Das Schalenelement 4 ist bevorzugt aus
einem temperaturbeständigen Metallblech, insbesondere aus
einem Stahlblech, oder als Metallgussteil hergestellt und wenigstens
abschnittsweise trichterförmig und/oder wannenförmig
gewölbt ausgeführt. Seine einfache Form ermöglicht
eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung
des Schalenelements. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
weist das Schalenelement eine umlaufende ringförmige Nut
auf, die im Bereich der wannenförmigen Montagefläche
in den Zylinderkopf eingreift. In einem weiteren, modifizierten
Ausführungsbeispiel ist das Schalenelement doppelwandig
ausgeführt. In wiederum einem weiteren, modifizierten Ausführungsbeispiel
ist das Schalenelement vergleichsweise schmal ausgeführt,
wodurch die Abdichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Schalenelement
verbessert ist.
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Das
Schalenelement 4 weist zur insbesondere lösbaren
Befestigung mittels Schrauben einen Montageflansch 4a auf,
der anliegend an die Montagefläche 1b gestaltet
ist. Zwischen Montagefläche 1b und Montageflansch 4a sind
somit eines oder mehrere bevorzugt ringförmige Dichtelemente
einsetzbar, die in der Trennebene T zu liegen kommen.
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Beabstandet
von der Trennebene T und beabstandet vom Zylinderkopf 1 ist
an dem Schalenelement 4 ein Rohrflansch 4b vorgesehen,
dessen durchströmbarer Querschnitt sich hinsichtlich wesentlicher
geometrischer Abmessungen von demjenigen des Montageflansches 4a unterscheidet.
In bevorzugter Weise weist der Rohrflansch einen im Wesentlichen
kreisförmigen Durchlassquerschnitt auf, sodass unmittelbar
angrenzend ein zylindrisches Rohrelement montierbar ist. Das Rohrelement
kann dabei Bestandteil einer Abgasrohrleitung und/oder einer Abgasreinigungseinheit
(Katalysator, Filter oder dergleichen) sein.
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Die
wannenförmige Vertiefung ist mittels des Schalenelements 4 nach
außen hin dichtend abgeschlossen, sodass sich zwischen
der Vertiefung seitens des Zylinderkopfes 1 und dem Schalenelement 4 ein
Raumvolumen ergibt, in dem mehrere Abgasströme vereinigt,
umgelenkt und an ein nachgeschaltetes Abgassystem weitergeleitet
werden können. Dieses Raumvolumen ist somit teils innerhalb
des Zylinderkopfes (Seite A) und teils außerhalb des Zylinderkopfes
(Seite B) gebildet, wodurch sich zum einen ein besonders einfacher
und kostengünstig realisierbarer Aufbau aus zwei näherungsweise
vertikal unterteilten Hälften ergibt. Zum anderen lässt
sich durch konstruktive Maßnahmen, z. B. Dimensionierung
von Form und Tiefe des Schalenelements sowie der korrespondierenden
Vertiefung seitens des Zylinderkopfes 1 ein gewünschtes
Wärmeübertragungsverhalten einstellen. Vor allem
beim Kaltstart der Brennkraftmaschine ist erfindungsgemäß ein
Wärmeeintrag ins Kühlwasser gegenüber
einer voll in den Zylinderkopf integrierten Ausführung
des Abgaskrümmers reduziert, sodass sich eine schnellere
Erwärmung nachgeschalteter Abgasreinigungseinheiten ergibt.
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In
einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel,
ist der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet, dessen
Abgasführungsabschnitt von Abgas, welches über
die Auslasskanäle 2 aus den Zylindern abführbar
ist, durchströmbar ist. Im Abgasführungsabschnitt
ist ein von Turbinenrad drehbar gelagert, welches von dem Abgas
beaufschlagt wird, und in eine Drehbewegung versetzt wird. Üblicherweise
ist das Turbinenrad mit Hilfe einer Welle mit einem Verdichterrad
drehfest verbunden, welches in einem Luftführungsabschnitt gelagert
ist, und der Verdichtung angesaugter Luft dient. Der Abgasführungsabschnitt
weist an seiner Eintrittsöffnung einen Flansch auf, welcher
mit dem Rohrflansch 4b verbindbar ist, so dass das Abgas über
den Rohrflansch 4b in den Abgasführungsabschnitt
strömen kann. Der Rohrflansch 4b ist insbesondere
im Hinblick auf eine Reduzierung der Strömungsverluste
zu gestalten. Dieses Ausführungsbeispiel bietet neben dem
Vorteil einer kompakten und gewichtsreduzierten Bauweise einen Vorteil
der Reduzierung der Verluste, da Wandwärmeverluste aufgrund
kurzer Strömungswege zum Abgasführungsabschnitt
gering gehalten werden können, wodurch eine höhere
Leistung des Abgasturboladers erzielbar ist. Mit Hilfe dieses Ausführungsbeispiels
ist eine so genannte Stauaufladung realisierbar.
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In
einem weiteren, ebenfalls nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel
ist eine Bypassierung zur Umgehung des Abgasführungsabschnitts
vorgesehen, wobei die Bypassierung im Schalenelement 4 ausgebildet
ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist
das Schalenelement 4 integrierte Abgaskanäle 5 auf,
wobei ein integrierter Abgaskanal 5 als Zusammenführung
von mindestens zwei Auslasskanälen 2 ausgebildet
ist. Die Wandung 1a des Zylinderkopfs ist hier im Wesentlichen
eben, der Trennebene T angepasst ausgeführt.
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In 3 dargestellt
ist ein erster integrierter Abgaskanal 5a, welcher als
Zusammenführung eines ersten Auslasskanals 6 und
eines dritten Auslasskanals 8 ausgebildet ist, und ein
zweiter integrierter Abgaskanal 5b, welcher als Zusammenführung
eines zweiten Auslasskanals 7 und des vierten Auslasskanals 9 ausgebildet
ist. Der Rohrflansch 4b ist dabei zweiflutig ausgestaltet,
wobei ein erster Endabschnitt 10 des ersten integrierten
Abgaskanals 5a in eine nicht näher dargestellte
erste Flut des Rohrflansches 4b und ein zweiter Endabschnitt 11 des
zweiten integrierten Rohrabschnittes 5b in eine nicht näher
dargestellte zweite Flut des Rohrflansches 4b münden. Dieses
Schalenelement 4 ist prädestiniert zur Kombination
mit einem zweiflutig ausgestalteten Abgasführungsabschnitt.
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Weitere
Vorteile dieses Ausführungsbeispiels sind:
- – Das Prinzip einer Stoßaufladung ist aufgrund der
kurzen Strömungswege realisierbar,
- – ein wassergekühltes Aluminium-Turbinengehäuse
kann eingesetzt werden, wobei der Kühlkreislauf von einem
Kühlkreislauf des Zylinderkopfes gespeist wird,
- – im Schalenelement 4 ist eine Vorrichtung
zur Entnahme von Abgas zur Abgasrückführung integrierbar,
- – im Schalenelement 4 ist eine Wastegateklappe zur
Umgehung des Abgasführungsabschnitts oder zumindest des
Turbinenrades integrierbar,
- – eine Positionierung der Abgasreinigungseinheit nahe
dem Zylinderkopf möglich, wodurch eine kurze Aufwärmzeit
realisierbar ist und
- – grundsätzlich ist ein Wärmeeintrag
in das Fahrzeug geringer, da die Krümmeroberfläche, über welche
die Abgaswärme an das Fahrzeug abgegeben wird, kleiner
ist, als bei einer üblichen Krümmergestaltung.
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In 4 ist
das Schalenelement 4 in einer alternativen Form dargestellt.
Das Schalenelement 4 weist den integrierten Abgaskanal 5a,
welcher als Zusammenführung des ersten Auslasskanals 6,
des zweiten Auslasskanals 7 und eines dritten Auslasskanals 8 ausgebildet
ist. Ebenso könnte der Abgaskanal 5a als Zusammenführung
des ersten Auslasskanals 6, des zweiten Auslasskanals 7,
des dritten Auslasskanals 8 und des vierten Auslasskanals 9 ausgebildet
sein. Der Rohrflansch 4b ist einflutig ausgestaltet. Dieses
Schalenelement 4 ist insbesondere geeignet zur Kombination
mit einem einflutig ausgestalteten Abgasführungsabschnitt,
wobei der Endabschnitt 10 des integrierten Abgaskanals 5a in
einen Eintrittskanal der Abgasführungseinheit mündet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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