DE102010012873A1 - Cylinder head with exhaust manifold and Abgasabströmanordnung - Google Patents
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Abstract
Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens einen Ventil-Auslasskanal je Zylinder, wobei ein einziger Ventil-Auslasskanal eines Zylinders einen Zylinder-Auslasskanal bildet oder mehrere Ventil-Auslasskanäle eines Zylinders innerhalb des Zylinderkopfs zu einem Zylinder-Auslasskanal sowie wenigstens zwei Zylinder-Auslasskanäle innerhalb des Zylinderkopfs zu einem Zylinderkopf-Auslasskanal zusammengeführt sind, Abgaskrümmer für eine mehrzylindrige Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschinen eine Zylinderkopf mit wenigstens einem Zylinderkopf-Auslasskanal, in dem gegebenenfalls mehrere Zylinder-Auslasskanäle zusammengeführt sind, aufweist, wobei wenigstens ein Abgas-Aufnahmekanal zur Verbindung mit dem wenigstens einen Zylinderkopf-Auslasskanal zur unmittelbaren Aufnahme von Abgasen mehrerer Zylinder vorgesehen ist und Abgasabströmanordnung für eine mehrzylindrige Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, mit einem derartigen Zylinderkopf und einem derartigen Abgaskrümmer, wobei ein Gasübertritt vom Zylinderkopf zum Abgaskrümmer zylinderkopfauslasskanalabhängig individuell gerichtet erfolgen kann.Cylinder head for a multi-cylinder automotive internal combustion engine, comprising at least one valve outlet passage per cylinder, wherein a single valve exhaust passage of a cylinder forms a cylinder exhaust port or multiple valve exhaust ports of a cylinder within the cylinder head to a cylinder exhaust port and at least two cylinder Exhaust ports are merged within the cylinder head to a cylinder head exhaust passage, exhaust manifold for a multi-cylinder automotive internal combustion engine, the internal combustion engine having a cylinder head with at least one cylinder head exhaust passage, in which optionally a plurality of cylinder exhaust ports are merged, wherein at least one exhaust gas receiving channel is provided for connection to the at least one cylinder head exhaust passage for directly receiving exhaust gases of a plurality of cylinders and Abgasabströmanordnung for a multi-cylinder motor vehicle internal combustion engine, with a Derar The cylinder head and such an exhaust manifold, wherein a gas transfer from the cylinder head to the exhaust manifold cylinder head outlet channel depending can be done individually.
Description
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens einen Ventil-Auslasskanal je Zylinder, wobei ein einziger Ventil-Auslasskanal eines Zylinders einen Zylinder-Auslasskanal bildet oder mehrere Ventil-Auslasskanäle eines Zylinders innerhalb des Zylinderkopfs zu einem Zylinder-Auslasskanal zusammengeführt sind.The invention relates to a cylinder head for a multi-cylinder automotive internal combustion engine, comprising at least one valve outlet passage per cylinder, wherein a single valve exhaust passage of a cylinder forms a cylinder exhaust port or merge multiple valve exhaust ports of a cylinder within the cylinder head to a cylinder exhaust port are.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Abgaskrümmer für eine mehrzylindrige Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschinen einen Zylinderkopf mit wenigstens einem Zylinderkopf-Auslasskanal, in dem gegebenenfalls mehrere Zylinder-Auslasskanäle zusammengeführt sind, aufweist.In addition, the invention relates to an exhaust manifold for a multi-cylinder automotive internal combustion engine, wherein the internal combustion engine has a cylinder head with at least one cylinder head exhaust passage in which optionally a plurality of cylinder outlet ducts are merged.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Abgasabströmanordnung für eine mehrzylindrige Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine.Finally, the invention relates to a Abgasabströmanordnung for a multi-cylinder automotive internal combustion engine.
Üblicherweise werden bei mehrzylindrigen Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen mit mehreren Ventil-Auslasskanälen je Zylinder zunächst innerhalb des Zylinderkopfs jeweils die Ventil-Auslasskanäle zylinderweise zusammengeführt und dann in Zylinder-Auslasskanälen aus dem Zylinderkopf geführt und einem Abgaskrümmer zugeleitet. Dabei liegen die Achsen der Ventil-Auslasskanäle ventilseitig zumindest annähernd in Zylinderachsrichtung, in Abströmrichtung erfolgt innerhalb des Zylinderkopfs eine zumindest annähernde 90°-Umlenkung, sodass ein Übertritt aus dem Zylinderkopf zum Abgaskrümmer zumindest annähernd senkrecht zur Zylinderkopf-Abgaskrümmer-Anschlussebene erfolgt. Bei nebeneinander liegenden Zylindern ist ein derartige Abgasstromführung identische für jeden Zylinder vorgesehen. Demzufolge weist der Abgaskrümmer für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine einen Abgas-Aufnahmekanal auf. Im Krümmer erfolgt eine Zusammenführung der Abgaströme der einzelnen Zylinder sowie eine Umlenkung und Führung in die erforderliche Richtung. Eine Übergabe der Abgasströme von Zylinderkopf zum Abgaskrümmer ist an der Zylinderkopf-Abgaskrümmer-Ebene orientiert derart, dass ein Abgasübertritt in etwa senkrecht zu dieser Ebene erfolgt. Ein derartiger Zylinderkopf geht beispielsweise aus der
Nachteilig ist dabei die vergleichsweise lange und verlustbehaftete Strömungsführung. Da bei Verschraubung des Abgaskrümmers am Zylinderkopf die Zugänglichkeit der Verschraubungen gewährleistet sein muss, ergeben sich eine weitere Einschränkungen der Gestaltungsfreiheit bei der Strömungsführung. Insbesondere, wenn der Abgasstrom einem Abgasturbolader zugeleitet werden soll, ist der Verlust kinetischer Abgasenergie nachteilig. In thermischer Hinsicht ergeben sich insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Nachteile, da aufgrund der langen Strömungswege Wärme verloren geht, sodass sich die zur Erreichung der Betriebstemperatur eines Katalysators erforderliche Zeit verlängert. Zudem führt die im verlängerten Strömungsweg abstrahlende Wärme zu einer hohen thermischen Belastung der umliegenden Bauteile. Die langen Strömungswege verursachen auch eine erhöhte akustische Emission. Schließlich ergeben sich aufgrund der langen Strömungswege beim Aufheizen und Abkühlen der Abgasanlage aufgrund thermischer Ausdehnung erhebliche Verschiebelängen und damit Spannungen, welche umso schwieriger auszugleichen sind, je länger der Abgaskrümmer baut. Nicht zuletzt sind mit einer langen Strömungsführung Bauraumnachteile verbunden.The disadvantage here is the comparatively long and lossy flow guidance. Since the accessibility of the screw connections must be ensured when screwing the exhaust manifold on the cylinder head, there are further restrictions on the design freedom in flow guidance. In particular, if the exhaust gas flow is to be fed to an exhaust gas turbocharger, the loss of kinetic exhaust gas energy is disadvantageous. In thermal terms, especially in the warm-up phase of the internal combustion engine disadvantages, since due to the long flow paths heat is lost, so that extends the time required to reach the operating temperature of a catalyst. In addition, the heat radiating in the extended flow path leads to a high thermal load on the surrounding components. The long flow paths also cause increased acoustic emission. Finally, due to the long flow paths during heating and cooling of the exhaust system due to thermal expansion considerable shift lengths and thus stresses, which are the more difficult to compensate, the longer the exhaust manifold builds. Not least are associated with a long flow guide space disadvantages.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen eingangs genannten Zylinderkopf, einen eingangs genannten Abgaskrümmer sowie eine eingangs genannte Abgasabströmanordnung bereit zu stellen, der/die die Gestaltungsfreiheit im Hinblick auf die Abgasströmungsführung wesentlich erhöht, eine kürzere, verlustfreie Strömungsführung unter Vermeidung der genannten Nachteile ermöglicht, eine reduzierten Bauraumbedarf aufweist und vor allem vor allem den Enthalpieverlust während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine begrenzt.The object of the invention is therefore to provide an initially mentioned cylinder head, an aforementioned exhaust manifold and a Abgasabströmanordnung mentioned above, the / substantially increases the freedom of design with regard to the exhaust gas flow, a shorter, lossless flow guidance while avoiding the disadvantages mentioned, has a reduced space requirement and, above all, limits the enthalpy loss during warm-up of the internal combustion engine.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, indem wenigstens zwei Zylinder-Auslasskanäle innerhalb des Zylinderkopfs zu einem Zylinderkopf-Auslasskanal zusammengeführt sind. Damit wird ein Teil der richtungsmäßig vorgegebenen Strömungsführung bereits in den Zylinderkopf verlagert. Bei einem kühlmittelgekühlten Zylinderkopf und luftgekühltem Abgaskrümmer wird vorteilhaft das Verhältnis von luftgekühlter zu kühlmittelgekühlter Oberfläche verschoben, sodass die Abgasspitzentemperaturen im Volllastbereich gesenkt werden. Insgesamt sind die Strömungsoberfläche und damit der Enthalpieverlust durch Wärmeübergang während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine reduziert. Darüber hinaus ist abgaskrümmerseitig nicht mehr für jeden Zylinder-Auslasskanal ein gesonderter Abgas-Aufnahmekanal mit Flansch und Verschraubung erforderlich, sondern es ist für mehrere in einem Zylinderkopf-Auslasskanal zusammengeführte Zylinder-Auslasskanäle ein gemeinsamer Abgas-Aufnahmekanal mit reduzierter Verschraubung ausreichend. Damit sind Masse und Strömungsoberfläche reduziert, was insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen im Warmlauf vorteilhaft ist.The object is achieved with a cylinder head having the features of claim 1 by at least two cylinder exhaust ports are merged within the cylinder head to form a cylinder head exhaust passage. Thus, a part of the directionally predetermined flow guidance is already shifted into the cylinder head. In the case of a coolant-cooled cylinder head and air-cooled exhaust manifold, the ratio of air-cooled to coolant-cooled surface is advantageously shifted, so that the exhaust gas tip temperatures are reduced in the full-load range. Overall, the flow surface and thus the enthalpy loss are reduced by heat transfer during warm-up of the internal combustion engine. In addition, exhaust gas manifold side is no longer required for each cylinder exhaust port a separate exhaust gas intake channel with flange and gland, but it is sufficient for multiple in a cylinder head exhaust port merged cylinder exhaust ports a common exhaust gas receiving channel with reduced screw. This mass and flow surface are reduced, which is particularly advantageous for supercharged internal combustion engines during warm-up.
Außerdem erfolgt eine Lösung der Aufgabe mit einem Abgaskrümmer mit den Merkmalen des Anspruchs 6, indem wenigstens ein Abgas-Aufnahmekanal zur Verbindung mit dem wenigstens einen Zylinderkopf-Auslasskanal zur unmittelbaren Aufnahme von Abgasen mehrerer Zylinder vorgesehen ist.In addition, a solution of the problem with an exhaust manifold with the features of claim 6, by at least one exhaust gas receiving channel for connection to the at least one Cylinder head exhaust port is provided for the direct absorption of exhaust gases of several cylinders.
Schließlich wird die Aufgabe mit einer Abgasabströmanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, die einen Zylinderkopf mit den Merkmalen wenigstens eines der Ansprüche 1–5 sowie einen Abgaskrümmer mit den Merkmalen wenigstens eines der Ansprüche 6–10 aufweist und sich dadurch auszeichnet, dass ein Gasübertritt vom Zylinderkopf zum Abgaskrümmer zylinderkopfauslasskanalabhängig individuell gerichtet erfolgen kann.Finally, the object is achieved with a Abgasabströmanordnung with the features of claim 11, which has a cylinder head with the features of at least one of claims 1-5 and an exhaust manifold having the features of at least one of claims 6-10 and is characterized in that a gas transfer from the cylinder head to the exhaust manifold cylinder head outlet channel can be done individually directed.
Besonders zu bevorzugende Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Particularly preferred embodiments and developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf die Zusammenführung der Ventil-Auslasskanäle und/oder der Zylinder-Auslasskanäle in Abströmrichtung individuell gerichtet. Damit kann für jeden Auslasskanal ein strömungstechnisch, thermisch und hinsichtlich des Bauraums optimaler Strömungsweg insbesondere auch in Bezug auf die Anströmung eines Abgasturboladers gewählt werden.Preferably, in the cylinder head according to the invention, the merging of the valve outlet channels and / or the cylinder outlet channels is individually directed in the outflow direction. Thus, for each outlet channel, a fluidically, thermally and with regard to the installation space optimal flow path can be selected in particular also with respect to the flow of an exhaust gas turbocharger.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens ein Ventil-Auslasskanal, Zylinder-Auslasskanal und/oder Zylinderkopf-Auslasskanal innerhalb des Zylinderkopfes in Abströmrichtung individuell gekrümmt. Damit kann unabhängig von den weiteren Auslasskanälen für jeden Auslasskanal eine eigene optimale Gasführung erreicht werden.Conveniently, at least one valve outlet channel, cylinder outlet channel and / or cylinder head outlet channel is individually curved within the cylinder head in the outflow direction. Thus, independently of the further exhaust ducts for each exhaust duct, a separate optimum gas duct can be achieved.
Besonders bevorzugt ist es, wenn mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine nebeneinander angeordnet sind, die Zylinder-Auslasskanäle einer ersten Zylindergruppe in einem ersten Zylinderkopf-Auslasskanal zusammengeführt sind und die Zylinder-Auslasskanäle wenigstens einer weiteren Zylindergruppe in wenigstens einem weiteren Zylinderkopf-Auslasskanal zusammengeführt sind. Aus diese Weise kann neben einer optimalen Gasführung eine besonders gute Gasdynamik erreicht werden.It is particularly preferred if a plurality of cylinders of the internal combustion engine are arranged next to one another, the cylinder outlet channels of a first cylinder group are combined in a first cylinder head outlet channel and the cylinder outlet channels of at least one further cylinder group are combined in at least one further cylinder head outlet channel. In this way, in addition to optimal gas guidance, a particularly good gas dynamics can be achieved.
Sehr vorteilhaft ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs, bei der der erste Zylinderkopf-Auslasskanal und der wenigstens eine weitere Zylinderkopf-Auslasskanal einen sich im Wesentlichen in Zylinderkopflängsrichtung erstreckenden länglichen Querschnitt aufweisen.Very advantageous is an embodiment of the cylinder head according to the invention, in which the first cylinder head outlet channel and the at least one further cylinder head outlet channel have an elongated cross section extending substantially in the cylinder head longitudinal direction.
Eine derartige Ausgestaltung ist in insbesondere bauräumlicher und der gasdynamischer Hinsicht günstig.Such a configuration is favorable in particular construction space and the gas-dynamic point of view.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers zeichnet sich dadurch aus, dass ein erster Abgas-Aufnahmekanal zur unmittelbaren Aufnahme von Abgasen mehrerer Zylinder und wenigstens ein weiterer Abgas-Aufnahmekanal zur unmittelbaren Aufnahme von Abgasen mehrerer Zylinder vorgesehen ist.A preferred embodiment of the exhaust manifold according to the invention is characterized in that a first exhaust gas receiving channel for the direct absorption of exhaust gases of several cylinders and at least one further exhaust gas receiving channel is provided for the direct absorption of exhaust gases of several cylinders.
Vorteile bietet ein Abgaskrümmer, bei dem der erste Abgas-Aufnahmekanal und der wenigstens eine weitere Abgas-Aufnahmekanal abgasaufnahmeseitig einen länglichen Querschnitt aufweisen.Advantages of an exhaust manifold, wherein the first exhaust gas receiving channel and the at least one further exhaust gas receiving channel exhaust gas intake side have an elongated cross-section.
Als sehr zweckmäßig wird es angesehen, wenn der erste Abgas-Aufnahmekanal und der wenigstens eine weitere Abgas-Aufnahmekanal in einem Abgas-Austrittskanal zusammengeführt sind. Damit steht die gesamte Abgasenergie gebündelt und optimal gerichtet zur weiteren Nutzung zur Verfügung. Ziel dieser Bündelung ist die Reduktion von Strömungsverlusten und Strömungsoberfläche.It is considered very useful if the first exhaust gas receiving channel and the at least one further exhaust gas receiving channel are combined in an exhaust gas outlet channel. The entire exhaust energy is bundled and optimally directed for further use. The aim of this bundling is the reduction of flow losses and flow surface.
Vorzugsweise ist Abgas-Austrittskanal zur Verbindung mit einem Abgasturbolader geeignet und bestimmt. Damit kann eine energetisch, thermisch und baulich optimale Anbindung des Abgasturboladers erfolgen.Preferably, the exhaust gas outlet channel is suitable and intended for connection to an exhaust gas turbocharger. This can be done energetically, thermally and structurally optimal connection of the exhaust gas turbocharger.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasabströmanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgas-Austrittskanal des Abgaskrümmers zu den Zylindern außermittig angeordnet ist, sodass der erste Abgas-Aufnahmekanal des Abgaskrümmers länger und der wenigstens einen weiteren Abgas-Aufnahmekanal des Abgaskrümmers kürzer ist.A particularly advantageous embodiment of the Abgasabströmanordnung invention is characterized in that the exhaust gas outlet channel of the exhaust manifold is arranged eccentrically to the cylinders, so that the first exhaust gas receiving channel of the exhaust manifold longer and the at least one further exhaust gas receiving channel of the exhaust manifold is shorter.
Nachfolgend ist ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaftBelow is a particularly preferred embodiment of the invention with reference to figures explained in more detail, showing schematically and by way of example
Vorliegend wird die Erfindung anhand einer Sechszylinder-Reihen-Brennkraftmaschine erläutert. Die Erfindung kann jedoch grundsätzlich auch bei Brennkraftmaschinen mit anderer Zylinderzahl und -anordnung zur Anwendung kommen. Insbesondere kann die Erfindung bei Brennkraftmaschinen mit drei oder vier Zylindern in Reihenanordnung oder mit acht, zehn oder zwölf Zylindern in V-Anordnung genutzt werden. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere diesel- oder benzinbetrieben.In the present case, the invention will be explained with reference to a six-cylinder in-line internal combustion engine. However, in principle, the invention can also be used in internal combustion engines with a different number and arrangement of cylinders. In particular, the invention can be used in internal combustion engines with three or four cylinders in a row arrangement or with eight, ten or twelve cylinders in V arrangement. The internal combustion engine is in particular diesel or gasoline-powered.
Die Brennkraftmaschine umfasst ein Kurbelgehäuse und einen Zylinderkopf
Aus der in
Weiter in Abströmrichtung sind innerhalb des Zylinderkopfs
Die Zylinderkopf-Auslasskanal-Ströme werden über die Zylinderkopf-Abgaskrümmer-Verbindungsebene
Vorliegend sind die Ventilauslässe bezüglich des Koordinatensystems in
Ausgehend von den Ventilauslässen bis zu den Austritts-Strömen
Ersichtlich aus
In
Der Abgaskrümmer
Zwischen Zylinderkopf
Die Abgas-Austrittskanäle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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DE102014100739B4 (en) * | 2013-01-28 | 2017-10-26 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | PARTLY INTEGRATED EXHAUST GASKET |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2369161B1 (en) | 2019-04-10 |
EP2369161A2 (en) | 2011-09-28 |
EP2369161A3 (en) | 2015-05-20 |
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