DE102009050952B4

DE102009050952B4 - Abgastrakt mit einem Abgaskrümmer und mit einem Zylinderkopf

Info

Publication number: DE102009050952B4
Application number: DE102009050952.6A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Betsch Jochen; Jochen Häfner; Dipl.-Ing. Kuhn Thomas; Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg Alexander von
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: DE102009050952A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Abgastrakt (60) mit einem Abgaskrümmer (62) und mit einem Zylinderkopf (64) für eine vier unmittelbar aufeinander folgenden Zylinder aufweisende Verbrennungskraftmaschine, welcher zumindest zwei, jeweils einem Zylinder zugeordnete und innerhalb des Zylinderkopfes zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt verlaufende und in den Abgaskrümmer (62) mündende Auslasskanäle (74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88) aufweist, wobei ein dem ersten Zylinder zugeordneter Auslasskanal (76) mit einem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (78) und ein dem zweiten Zylinder zugeordneter Auslasskanal (80) mit einem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (82) und ein dem dritten Zylinder zugeordneter Auslasskanal (84) mit einem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (86) zusammengeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgastrakt mit einem Abgaskrümmer und mit einem Zylinderkopf der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Ansaugtrakt mit einem Ansaugmodul und mit einem Zylinderkopf der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.
Derartige Abgastrakte sind in zwei Varianten aus dem Serienmotorenbau hinlänglich bekannt. Zum einen werden dabei, insbesondere bei älteren Konstruktionen mir nur einem Auslassventil für jeden Zylinder, die Abgasströme zweier benachbarter Zylinder bereits im Zylinderkopf zusammengeführt. Die FR 2 091 091 A5 und die DE 25 29 171 B2 offenbaren jeweils darüber hinaus Abgasströme benachbarter Zylinder mit einem Auslassventil für jeden Zylinder, die außerhalb des Zylinderkopfs zusammengeführt werden. Zum anderen werden die Abgasströme jedes Zylinders separat aus dem Zylinderkopf geführt. Ein solcher Abgastrakt ist stellvertretend in der 1 dargestellt.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ausschnittsweise einen Abgastrakt 10 mit einem Zylinderkopf 12 für eine vier unmittelbar aufeinander folgende Zylinder aufweisende Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinderkopf 12 vier ebenso unmittelbar aufeinander folgende Brennraumdächer 14, 16, 18 und 20, welche jeweils einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind, aufweist. Des Weiteren umfasst der Zylinderkopf 12 jeweils zwei einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Auslasskanäle 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 und 36, über welche Abgas des jeweiligen Zylinders durch das jeweilige Brennraumdach 14, 16, 18 und 20 aus diesem heraus strömen kann.
Wie der 1 zu entnehmen ist, werden die beiden Auslasskanäle 22 und 24 beziehungsweise 26 und 28 beziehungsweise 30 und 32 beziehungsweise 34 und 36 eines Zylinders unmittelbar nach dem Zylinderkopf 12 durch Leitungsteile 38, 40, 42 und 44 eines Abgaskrümmers 46 des Abgastraktes 10 zusammen geführt. Am Beispiel des Brennraumdachs 18 des dritten Zylinders ist gezeigt, dass das Abgas dieses Zylinders durch die Auslasskanäle 30 und 32 strömt und einen Querschnitt C durchströmen muss. Das Abgas wird dann von einer Verrohrung 48 des Abgaskrümmers 46 zu einer Turbine 50 eines Abgasturboladers 52 geführt, wobei ein Turbinenrad 54 der Turbine 50 mit dem Abgas beaufschlagt wird.
Diese unmittelbare Zusammenführung der jeweiligen Auslasskanäle 22 und 24 beziehungsweise 26 und 28 beziehungsweise 30 und 32 beziehungsweise 34 und 36 hat dabei den Nachteil inne, dass nachfolgende Abschnitte einer entsprechenden Abgasverrohrung, beispielsweise die Leitungsteile 38, 40, 42 und 44, mit der gesamten Abgasmenge aus dem entsprechenden Zylinder beaufschlagt werden. Dieser große Durchsatz verursacht Druckverluste in diesen Abschnitten, woraus ein unerwünscht hoher Kraftstoffverbrauch resultiert.
Die FR 2 805 851 A1 zeigt zwei jeweils einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Auslasskanäle, die außerhalb des Zylinderkopfs zusammengeführt werden.
Die FR 2 855 221 A1 und die FR 2 916 245 A3 zeigen jeweils zwei jeweils einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Auslasskanäle, die innerhalb des Zylinderkopfs zusammengeführt werden
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgastrakt der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und/oder gesteigerte Motorleistung realisiert ist. Diese Aufgabe wird durch einen Abgastrakt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgastrakt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Abgastrakt mit einem Abgaskrümmer und mit einem Zylinderkopf für eine vier unmittelbar aufeinander folgenden Zylinder aufweisende Verbrennungskraftmaschine, welcher zumindest zwei, jeweils einem Zylinder zugeordnete und innerhalb des Zylinderkopfes zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt verlaufende und in den Abgaskrümmer mündende Auslasskanäle aufweist, ist dadurch bereitgestellt, dass ein dem ersten Zylinder zugeordneter Auslasskanal mit einem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal und ein dem zweiten Zylinder zugeordneter Auslasskanal mit einem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal und ein dem dritten Zylinder zugeordneter Auslasskanal mit einem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal in Ausströmrichtung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine zusammengeführt ist.
Dadurch sind die Auslasskanäle durchströmenden Abgasteilströme eines Zylinders getrennt, wobei zumindest ein Abgasteilstrom dieses Zylinders mit einem entsprechenden Abgasteilstrom des unmittelbar auf diesen Zylinder folgenden Zylinders, also des benachbarten Zylinders, zusammen geführt. Dies birgt den Vorteil, dass somit die Auslasskanäle sowie stromabwärts liegende Abschnitte von Leitungsteilen deutlich gleichmäßiger mit Abgas beaufschlagt werden, was eine Reduzierung der eingangs erwähnten Druckverluste bewirkt. Dadurch ist eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht, welcher insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit hohen Leistungen zutage tritt. Diese Reduzierung der Druckverluste führt ebenso zu einer Steigerung der Motorleistung, insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit hoher spezifischer Leistungsabgabe.
Wie bereits angedeutet, sind die Auslasskanäle vorteilhafter Weise komplett fluidisch voneinander getrennt zur Vergleichmäßigung der beschriebenen Beaufschlagung und damit zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der dem ersten Zylinder zugeordnete Auslasskanal mit dem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal und der dem zweiten Zylinder zugeordnete Auslasskanal mit dem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal und der dem dritten Zylinder zugeordnete Auslasskanal mit dem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt sind. Dies ist insofern vorteilbehaftet, als der erfindungsgemäße Abgastrakt dadurch einen nur sehr geringen Bauraumbedarf aufweist, was insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie dem Motorraum eines Kraftwagens der Vermeidung von Package-Problemen zuträglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der dem ersten Zylinder zugeordnete Auslasskanal mit dem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal und der dem zweiten Zylinder zugeordnete Auslasskanal mit dem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal und der dem dritten Zylinder zugeordnete Auslasskanal mit dem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal außerhalb des Zylinderkopfes mittels des Abgaskrümmers, beispielsweise mittels Leitungsteilen desselbigen, zusammengeführt sind. Dies schafft die Möglichkeit einer besonders strömungsgünstigen Gestaltung der Auslasskanäle sowie des Abgaskrümmers beziehungsweise dessen Leitungsteilen, wodurch eine Reduzierung von Strömungsverlusten erreichbar ist, was wiederum mit einer weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs einhergeht.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die in Längserstreckungsrichtung des Zylinderkopfes äußeren Auslasskanäle zusammengeführt sind, oder dass sie nicht zusammengeführt sind und fluidisch voneinander getrennt verlaufend, also separat, in den Abgaskrümmer münden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die beschriebene, erfindungsgemäße Zusammenführung der Auslasskanäle schaltbar ist. Bei sehr niedrigen Drehzahlen und/oder im Instationärbetrieb der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine erfolgt eine Führung des Abgases durch die Auslasskanäle und/oder durch die Leitungsteile des Abgaskrümmers auf herkömmliche Art und Weise, um dadurch beispielsweise durch eine Stoßaufladung ein schnelleres Ansprechen einer im Abgasstrang angeordneten Turbine eines Abgasturboladers zu ermöglichen. Bei höheren Drehzahlen und/oder im Stationärbetrieb der Verbrennungskraftmaschine erfolgt dann die erfindungsgemäße Zusammenführung der Auslasskanäle um eine verlustarme Führung des Abgases darzustellen zur Erreichung der in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteile. Die hier als herkömmlich bezeichnete Art und Weise der Führung ist beispielhaft in Zusammenhang mit 1 beschrieben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Darstellung eines Abgastrakts mit einem Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine sowie mit einem Abgaskrümmer gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgastrakts mit einem Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine sowie mit einem Abgaskrümmer,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgastrakts gemäß 2,
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Ansaugtrakts mit einem Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine sowie mit einem Ansaugmodul, und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Ansaugtrakts gemäß 4.
Die 2 zeigt einen Abgastrakt 60 mit einem Abgaskrümmer 62 und mit einem Zylinderkopf 64 für eine vier unmittelbar aufeinander folgende Zylinder aufweisende Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinderkopf 64 jeweils ein Brennraumdach 66, 68, 70 und 72 für jeweils einen zugeordneten Zylinder bildet. Abgas der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der jeweiligen Zylinder kann nun Ober die Brennraumdächer 66, 68, 70 und 72 sowie über Auslasskanäle 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86 und 88 des Zylinderkopfs 64 aus der Verbrennungskraftmaschine ausströmen.
Die jeweils einem Zylinder zugeordneten Auslasskanäle 74 und 76 beziehungsweise 78 und 80 beziehungsweise 82 und 84 beziehungsweise 86 und 88 sind dabei nicht nur innerhalb des Zylinderkopfes 64 sondern auch außerhalb des Zylinderkopfs 64 im Bereich des Abgaskrümmers beziehungsweise durch dessen Leitungsteile 90, 92, 94, 96 und 98 komplett fluidisch voneinander getrennt verlaufend ausgebildet. Der dem Brennraumdach 66 und damit dem entsprechenden ersten Zylinder zugeordnete Auslasskanal 76 ist nun mit dem dem Brennraumdach 68 beziehungsweise dem entsprechenden zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal 78 zusammengeführt, wobei diese Zusammenführung bei dieser Ausführungsform des Abgastrakts 60 außerhalb des Zylinderkopfs 64 durch das Leitungsteil 92 des Abgaskrümmers 62 realisiert ist.
Gleiches gilt für den dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal 80 und den dem Brennraumdach 70 und damit dem entsprechenden dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal 82 sowie für den dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal 84 und dem dem Brennraumdach 72 und damit dem entsprechenden vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal 86, die ebenso über Leitungsteile 94 beziehungsweise 96 zusammengeführt sind.
Dies führt zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung der Leitungsteile 90, 92, 94, 96 und 98, was den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine senkt. Denn wie anhand des Brennraumdachs 70 beziehungsweise des dritten Zylinders zu erkennen ist, strömt dessen Abgas nun durch zwei Querschnitte C und D.
Stromab erfolgt durch eine entsprechende Verrohrung 100 eine einflutige Beaufschlagung des Turbinenrades 54 der im Abgastrakt 60 angeordneten Turbine 50 des Abgasturboladers 52. Die außen liegenden, also in Längserstreckungsrichtung des Zylinderkopfes 64 gemäß einem Richtungspfeil 102 äußeren Auslasskanäle 74 und 88 sind dabei nicht zusammengeführt und münden fluidisch voneinander getrennt verlaufend in den Abgaskrümmer 62. Ebenso möglich ist jedoch, dass auch diese Auslasskanäle 74 und 88 zusammengeführt sind.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abgastrakts 60, auf den das über den Abgastrakt 60 gemäß 2 gesagte analog zutrifft. Er unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der Beaufschlagung des Turbinenrads 54, wonach nun eine zweiflutige Beaufschlagung über zwei Fluten 104 und 106 des Turbinenrads 54 vorgesehen ist. Wie der 3 zu entnehmen ist, erfolgt bei dem Abgastrakt 60 gemäß 3 eine Zusammenführung der Leitungsteile 92 und 96, die die Auslasskanäle 76 und 78 beziehungsweise 84 und 86 zusammenführen, sowie eine Zusammenführung der Leitungsteile 90, 98 und 94, wobei das Leitungsteil 94 die Auslasskanäle 80 und 82 zusammenführt. Diese Zusammenführung entspricht dabei der Zündfolge Zylinder 1 (Brennraumdach 66) – Zylinder 3 (Brennraumdach 70) – Zylinder 4 (Brennraumdach 72) – Zylinder 2 (Brennraumdach 68), was zu einer gleichen Aufteilung des Abgases auf die Fluten 104 und 106 führt.
Die 4 zeigt einen Ansaugtrakt 110 mit einem ein Sammelvolumen 112 aufweisendes Ansaugmodul 114 und mit einem Zylinderkopf 116, welcher beispielsweise abgasseitig die Form des Zylinderkopfes 64 gemäß den 2 und 3 aufweist. Von daher gilt für den Zylinderkopf 116 das zu dem Zylinderkopf 64 bezüglich dessen Brennraumdächer 66, 68, 70 und 72 gesagte analog.
Betrachtet wird nun allerdings die Saugseite des Zylinderkopfes 116, wobei die entsprechenden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine über die korrespondierenden Brennraumdächer 66, 68, 70 und 72 sowie über innerhalb des Zylinderkopfes 116 fluidisch voneinander getrennt verlaufende und von dem Ansaugmodul 114 mit Luft versorgbare Einlasskanäle 117, 118, 120, 122, 124, 126, 128 und 130 aufweisen. Die unmittelbar aufeinander folgenden Einlasskanäle 118 und 120 der unmittelbar aufeinander folgenden Zylinder mit den Brennraumdächern 66 und 68 sind dabei über ein gemeinsames, in das Ansaugmodul 114 mündendes Leitungsteil 132 des Ansaugmoduls 114 mit Luft versorgbar.
Entsprechendes gilt für die Einlasskanäle 122 und 124 beziehungsweise die Einlasskanäle 126 und 128, die über ein Leitungsteil 134 beziehungsweise 136 des Ansaugmoduls 114 mit Luft versorgbar sind. Auch die außen liegenden, also die in Längserstreckungsrichtung gemäß einem Richtungspfeil 138 des Zylinderkopfes 116 außen liegenden Einlasskanäle 117 und 130 sind über ein gemeinsames Leitungsteil 140 mit Luft versorgbar, welche gemäß einem Richtungspfeil 142 in das Sammelvolumen 112 von der Verbrennungskraftmaschine angesaugt wird. Die Leitungsteile 132, 134, 136 und 140 werden dadurch gleichmäßiger beaufschlagt, was mit geringeren Verlusten und damit mit einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie der CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Ansaugtrakts 110, bei welchem nun die Einlasskanäle 117 und 130 nicht über das gemeinsame Leitungsteil 140 mit Luft versorgbar sind, sondern über jeweils ein separates Leitungsteil 144 beziehungsweise 146, welche jeweils fluidisch voneinander getrennt und separat in das Ansaugmodul 114 mündend die Luft beziehen.

Claims

Abgastrakt (60) mit einem Abgaskrümmer (62) und mit einem Zylinderkopf (64) für eine vier unmittelbar aufeinander folgende Zylinder aufweisende Verbrennungskraftmaschine, welcher zumindest zwei, jeweils einem Zylinder zugeordnete und innerhalb des Zylinderkopfes zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt verlaufende und in den Abgaskrümmer (62) mündende Auslasskanäle (74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem ersten Zylinder zugeordneter Auslasskanal (76) mit einem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (78) und ein dem zweiten Zylinder zugeordneter Auslasskanal (80) mit einem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (82) und ein dem dritten Zylinder zugeordneter Auslasskanal (84) mit einem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (86) zusammengeführt sind.
Abgastrakt (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einem Zylinder zugeordneten Auslasskanäle (74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88) überwiegend fluidisch voneinander getrennt sind.
Abgastrakt (60) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem ersten Zylinder zugeordnete Auslasskanal (76) mit dem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (78) und der dem zweiten Zylinder zugeordnete Auslasskanal (80) mit dem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (82) und der dem dritten Zylinder zugeordnete Auslasskanal (84) mit dem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (86) innerhalb des Zylinderkopfes (64) zusammengeführt sind.
Abgastrakt (60) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem ersten Zylinder zugeordnete Auslasskanal (76) mit dem dem zweiten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (78) und der dem zweiten Zylinder zugeordnete Auslasskanal (80) mit dem dem dritten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (82) und der dem dritten Zylinder zugeordnete Auslasskanal (84) mit dem dem vierten Zylinder zugeordneten Auslasskanal (86) außerhalb des Zylinderkopfes (64) mittels des Abgaskrümmers (62) zusammengeführt sind.
Abgastrakt (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nicht zusammengeführte Auslasskanäle (74, 88) fluidisch voneinander getrennt verlaufend in den Abgaskrümmer (62) münden.
Abgastrakt (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Längserstreckungsrichtung (102) des Zylinderkopfes (64) äußeren Auslasskanäle (74, 88) zusammengeführt sind.
Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgastrakt (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.