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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit zumindest einem Abgas führenden Rohr und einer das Rohr umgebenden Außenschale.
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Derartige Abgaskrümmer sind aufgrund der hohen Abgastemperaturen des Verbrennungsmotors hohen Belastungen ausgesetzt. Außerdem müssen Abgaskrümmer aufgrund des üblicherweise begrenzten Bauraumangebots im Motorraum eines Kraftfahrzeugs kompakt sein. Zu berücksichtigen ist auch, dass in räumlicher Nähe zu dem Abgaskrümmer oftmals eine Vielzahl weiterer Motorkomponenten und Leitungen sowie Aggregate und Steuerungseinheiten angeordnet sind. Die von dem Abgaskrümmer abgegebene Wärmeleistung muss daher möglichst gering gehalten werden, um die genannten Komponenten, Leitungen, Aggregate und Einheiten nicht zu schädigen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Abgaskrümmer zu schaffen, der eine effiziente Abfuhr des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgases ermöglicht und der gleichzeitig eine reduzierte Wärmeabgabe aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Abgaskrümmer mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Zwischen dem Rohr und der Außenschale ist ein Spaltraum vorgesehen, der von einem Kühlfluid, insbesondere Wasser, durchströmbar ist. Erfindungsgemäß ist in dem Spaltraum zumindest ein Strömungsleitelement angeordnet, das die Erzeugung eines gewünschten Strömungsmusters des Kühlfluids in dem Spaltraum ermöglicht.
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Mit anderen Worten sind in dem Spaltraum ein oder mehrere Strömungsleitelemente vorgesehen, die derart ausgestaltet sind, dass ein bestimmtes Strömungsmuster des Kühlfluids erzeugt wird. Das Strömungsmuster kann beispielsweise so optimiert werden, dass alle Bereiche des Spaltraums mit ausreichend Kühlfluid versorgt werden und insbesondere eine effiziente Kühlung thermisch besonders belasteter Bereiche gewährleistet ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Spaltraum zumindest eine Einlassöffnung zur Kühlfluidzufuhr und zumindest eine Auslassöffnung zur Kühlfluidabfuhr umfasst. Durch unterschiedlich große Querschnitte der genannten Öffnungen kann das Strömungsmuster des Kühlfluids ebenfalls beeinflusst und damit an die jeweils vorliegenden Gegebenheiten angepasst werden. Insbesondere sind die Einlassöffnung und Auslassöffnung in der Außenschale angeordnet. Es können entsprechende Stutzen vorgesehen sein, die einen einfachen Anschluss von Kühlfluidleitungen ermöglichen. Die Ausgestaltung der Stutzen, beispielsweise deren Form, Länge und/oder Anschlussgeometrie, kann ebenfalls zur Erzeugung des gewünschten Strömungsmusters beitragen.
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Unter dem Begriff "Kühlfluid" ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein flüssiges oder gasförmiges Medium zu verstehen, das zur Abfuhr der im Bereich des Krümmers auftretenden Wärme geeignet ist. Ein geeignetes Kühlfluid ist beispielsweise Wasser.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Querschnitt der Auslassöffnung größer als der Querschnitt der Einlassöffnung, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids in den Spaltraum zu erhöhen. In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, den Querschnitt der Auslassöffnung kleiner als den Querschnitt der Einlassöffnung zu gestalten.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Einlassöffnung in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts der Auslassöffnung angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform strömt das Kühlmittel somit tendenziell in eine dem Abgasstrom entgegengesetzte Richtung, wodurch besonders insbesondere im stromabwärtigen Bereich des Krümmers eine vergleichsweise hohe Kühlwirkung erzielt wird. Wenn die Einlassöffnung beispielsweise im Bereich eines stromabwärtigen Anschlussflansches des Abgaskrümmers angeordnet ist, wird dieser Bereich bei einer solchen Gegenstromkühlung besonders effizient gekühlt, was sich insbesondere dann als Vorteil erweist, wenn der stromabwärtige Anschlussflansch des Abgaskrümmers mit einem vergleichsweise temperaturempfindlichen Turbolader verbunden ist.
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Die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung können derart angeordnet und/oder ausgestaltet sein, dass das Kühlfluid schräg und/oder versetzt zu einer Hauptströmungsrichtung des Abgases im Bereich der entsprechenden Öffnung in den Spaltraum einführbar ist bzw. aus diesem abführbar ist. Beispielsweise ist das Kühlfluid unter einem Winkel von mehr oder weniger als 90° zu einer Hauptströmungsrichtung des Abgases in den Spaltraum einführbar bzw. aus diesem abführbar. Es kann vorgesehen sein, dass das Kühlfluid tangential zu der genannten Hauptströmungsrichtung eingeführt und/oder abgeführt wird. Insbesondere sind die Stutzen entsprechend angeordnet und/oder ausgestaltet. Bevorzugt erfolgt das Ein-/Ausführen des Kühlfluids derart, dass ein Versatz zwischen einer Mittelachse der Hauptströmungsrichtung des in den Spaltraum einströmenden bzw. des aus dem Spaltraum ausströmenden Kühlfluids vorliegt. D.h. die genannten Mittelachsen schneiden sich nicht. Insbesondere liegt die Mittelachse der Hauptströmungsrichtung des Kühlfluids nicht in einer Symmetrieebene des Abgas führenden Rohrs.
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Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird die Ausbildung einer Strömung um das zumindest eine Abgas führende Rohr unterstützt, die sich beispielsweise um dieses spiralförmig windet, um überall eine hinreichend gute Kühlungsleistung bereitzustellen. Insbesondere wird so auf effiziente Weise verhindert, dass sog. Hot-Spots entstehen, an denen die Siedetemperatur des Kühlfluids überschritten wird.
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Um das Einströmen bzw. das Ausströmen des Kühlfluids in den bzw. aus dem Spaltraum zu unterstützen, kann im Bereich der Einlassöffnung und/oder der Auslassöffnung eine Auswölbung oder Ausbuchtung der Außenschale vorgesehen sein. Dadurch wird das Volumen des Spaltraums in diesem Bereich vergrößert, um das Verteilen bzw. das Sammeln des Kühlfluids effizienter zu gestalten und damit einhergehende Einström- bzw. Ausströmverluste zu minimieren.
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Das Strömungsleitelement oder ein Teil des Strömungsleitelements kann einstückig mit dem Rohr und/oder der Außenschale ausgebildet sein. Beispielsweise umfasst das Strömungsleitelement eine Sicke, eine Vertiefung oder eine Ausbuchtung, die an dem Rohr und/oder der Außenschale ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann durch eine Verformung des Rohrs und/oder der Außenschale bewusst eine lokale Querschnittsänderung des Spaltraums erzeugt werden, die das Strömungsmuster des Kühlfluids in der gewünschten Weise beeinflusst. Die Sicke, Vertiefung oder Ausbuchtung kann in den Spaltraum hineinragen oder eine – aus Sicht des Spaltraums – Verformung nach außen sein. D.h. die durch das Strömungsleitelement erzeugte Querschnittsänderung des Spaltraums kann grundsätzlich eine lokale Querschnittsvergrößerung oder eine Querschnittsverkleinerung des Spaltraums sein. Dies gilt in analoger Form für alle Ausführungsformen des Strömungsleitelements. Der Spaltraum kann auch abschnittsweise vollkommen durch das Strömungsleitelement versperrt sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Strömungsleitelement eine lokale Verdickung einer Wandung des Rohrs und/oder der Außenschale umfassen. Beispielsweise ist das Strömungsleitelement ein einstückig mit der Außenschale und/oder dem Rohr verbundener Steg. Mit anderen Worten wird die Querschnittsveränderung des Spaltraums in diesem Fall durch eine lokale Variation der Materialdicke des Rohrs bzw. der Außenschale bewirkt. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein Strömungsleitelement durch eine Kombination einer Verformung der Wandung des Rohrs und/oder der Außenschale und einer Materialverdickung zu bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Strömungsleitelement ein separates Bauteil. Das separate Bauteil kann beispielsweise ein Strömungsleitblech sein, das mit dem Rohr und/oder der Außenschale verbunden ist, beispielsweise durch Schweißen. Das Bauteil kann auch ein Drahtgestrick sein, das an dem Rohr und/oder der Außenschale befestigt ist und/oder das von zumindest einer der beiden genannten Komponenten gehalten wird, z.B. durch einen Formschluss und/oder einen Reibschluss.
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Die verschiedenen Ausführungsformen eines Strömungsleitelements können beliebig kombiniert werden, um das gewünschte Strömungsmuster in dem Spaltraum des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Außenschale zwei Halbschalen.
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Das Rohr und die Außenschale können mit einem gemeinsamen Flansch verbunden sein, der an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors oder an einem Turbolader befestigbar ist.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers in jeweils einer Perspektivansicht und
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4 eine Schnittzeichnung einen Abschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers.
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1 zeigt einen Abgaskrümmer 10a, der einen Anschlussflansch 12 umfasst, durch den der Abgaskrümmer 10a an einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs befestigbar ist. Der Abgaskrümmer 10a umfasst eine Halbschale 14a und eine Halbschale 14b, die zusammen eine Außenschale 14 des Abgaskrümmers 10a bilden.
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Im Inneren der Außenschale 14 sind Abgasrohre angeordnet, die aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßene Abgase weiteren Komponenten einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs zuleiten. In 1 ist durch einen Auslassstutzen 16, dessen Funktion nachfolgend noch eingehend erläutert wird, ein Abschnitt eines der Abgasrohre 18 zu erkennen.
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Am stromabwärtigen Ende des Abgaskrümmers 10a ist ein weiterer Anschlussflansch 12' vorgesehen, der zur Anbindung des Abgaskrümmers 10a an weitere Komponenten der Abgasanlage vorgesehen ist. Beispielsweise ermöglicht der Anschlussflansch 12' die Verbindung des Abgaskrümmers 10a mit einem Turbolader.
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Der 1 ist zu entnehmen, dass der Abgaskrümmer 10a eine recht kompakte Bauweise aufweist, um in der Umgebung des Motors nur wenig des üblicherweise knapp bemessenen Bauraums zu beanspruchen. D.h. zwischen den das Abgas ausstoßenden Öffnungen des Motors und beispielsweise einem Turbolader besteht ein vergleichsweise geringer räumlicher Abstand, so dass dem Turbolader sehr heißes Abgas zugeführt wird, was sich womöglich nachteilig auf dessen Funktionsweise und/oder Lebensdauer auswirken kann. Um diese Problematik zu entschärfen und um auch die Wärmeabgabe des Abgaskrümmers 10a zu minimieren, wird der Abgaskrümmer 10a durch ein Kühlfluid, insbesondere Wasser, gekühlt. D.h. in einen Spaltraum zwischen der Außenschale 14 und den darin angeordneten Abgasrohren 18 wird durch einen Einlassstutzen 19 Kühlfluid eingebracht. Das Kühlfluid verteilt sich in dem Spaltraum und nimmt an den Außenwänden der Abgasrohre 18 Wärme auf. Das erwärmte Kühlfluid wird über den Auslassstutzen 16 wieder aus dem Spaltraum abgeführt und beispielsweise einem Wärmetauscher zugeführt, wo es die aufgenommene Wärme wieder abgibt, um anschließend wieder zur Kühlung des Abgaskrümmers 10a genutzt werden zu können.
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Durch die Kühlung des Abgaskrümmers 10a mit Hilfe eines Kühlfluids werden folglich eine Kühlung des Abgases erreicht und die Wärmeabstrahlung des Abgaskrümmers 10a reduziert. Es versteht sich, dass der Spaltraum hinreichend dicht ausgebildet sein muss, so dass das Kühlmittel nicht unkontrolliert aus ihm entweicht.
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In vielen Fällen muss eine erhebliche Pumpleistung erbracht werden, um zur Erbringung der gewünschten Kühlleistung eine ausreichend große Menge des Kühlfluids durch den Spaltraum zu bewegen. Dies wiederum bedeutet, dass eine entsprechend leistungsstarke Kühlfluidpumpe bereitgestellt werden muss und dass der Energiebedarf zur Erbringung der erforderlichen Pumpleistung entsprechend hoch ist.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch eine gezielte Beeinflussung des Strömungsmusters des Kühlfluids im Inneren des Spaltraums eine wesentliche Verbesserung der Kühleffizienz erzielt werden kann. Außerdem kann durch die Optimierung des Strömungsmusters eine Reduktion des Gegendrucks erreicht werden, so dass eine weniger leistungsstarke und daher in der Anschaffung und im Betrieb kostengünstigere Kühlfluidpumpe eingesetzt werden kann. Das Strömungsmuster kann durch eine Reihe von Maßnahmen beeinflusst werden, die beliebig und bedarfsgerecht miteinander kombiniert werden können.
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Bei dem Abgaskrümmer 10a der 1 wird die Strömungsbeeinflussung unter anderem durch Sicken 20a, 20b erreicht, die in der Halbschale 14a vorgesehen sind. Die Sicke 20a verringert den Querschnitt des Spaltraums in etwa auf Höhe des Anschlussstutzens 19 in einer im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgasstroms verlaufenden Richtung. Dadurch wird unter anderem ein Teil des eingebrachten Kühlfluids an die linke Seite eines linken Abgaszweigs 21a gelenkt, die bei Abgaskrümmern herkömmlicher Bauart oft eher schlecht gekühlt wird. Die Sicke 20b dahingegen verläuft schräg zu der genannten Strömungsrichtung des Abgases und sorgt unter anderem dafür, dass das Kühlfluid auch zur linken Seite eines rechten Abgaszweigs 21a geführt wird.
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Derartige Sicken können beliebig ausgestaltet und angeordnet sein, um der jeweiligen Geometrie der Abgasrohre 18 bzw. der Außenschale 14 Rechnung zu tragen und insbesondere thermisch hoch belastete Bereiche effizient mit Kühlfluid zu versorgen. Darüber hinaus kann die Kühlfluidströmung auch im Hinblick auf den Gegendruck des Kühlfluidkreislaufs optimiert werden.
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Anstelle von Sicken können auch andere, den Querschnitt des Spaltraums in geeigneter Weise beeinflussende Formelemente in die Außenschale 14 und/oder die Abgasrohre 18 eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Wandungen der Komponenten 14, 18 bereichsweise zu variieren, um dem Spaltraum die gewünschte Geometrie zu verleihen. Gleiches kann durch separat gefertigte und erst später mit den Rohren 18 bzw. den Schalen 14a, 14b verbundene Elemente, wie beispielsweise Blechelemente, erzielt werden.
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Eine weitere Maßnahme zur bedarfsgerechten Optimierung des Strömungsmusters im Inneren des Spaltraums betrifft die Ausgestaltung der Anschlussstutzen 16, 18. Bei dem Abgaskrümmer 10a wird das Kühlfluid durch den Stutzen 19 in den Spaltraum eingeführt und durch den Stutzen 16 wieder abgeführt. Dadurch wird eine Gegenstromkühlung erzeugt, d.h. das Kühlfluid strömt von einem stromabwärtigen Bereich des Abgasrohrs 18, das das durch die Abgaszweige 21a, 21b strömende Abgas sammelt, in Richtung zu dem stromaufwärtigen Bereich des Abgaskrümmers 10a. Diese Gegenstromkühlung bewirkt eine besonders effiziente Kühlung im Bereich des Anschlussflansches 12', um einen eventuell nachgeschalteten Turbolader vor übermäßigen thermischen Belastungen zu schützen.
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2 zeigt einen Abgaskrümmer 10b, der ebenfalls eine Außenschale 14 und darin angeordnete und daher in dieser Ansicht verdeckte Abgasrohre 18 umfasst. Der 2 ist zu entnehmen, dass der Stutzen 16 an einem entsprechenden Fortsatz 22 der Halbschale 14a dicht befestigt ist. Im Gegensatz dazu ist der Stutzen 19 in entsprechend geformten Ausnehmungen 24 angeordnet, die in zur Verbindung der Halbschalen 14a, 14b vorgesehenen Flanschabschnitten 26a bzw. 26b ausgebildet sind.
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Zur Erzeugung des gewünschten Strömungsmusters im Inneren des Spaltraums ist der Stutzen 19 relativ zu einer durch die Flanschabschnitte 26a, 26b definierten Ebene angestellt oder abgewinkelt. Dies bewirkt, dass das Kühlfluid strömungsoptimiert in den Spaltraum eingebracht wird und das Abgasrohr 18, dessen stromabwärtiges Ende aus dem Flansch 12' ragt, nicht senkrecht anströmt.
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Die Positionierung und die Winkelstellung des Auslassstutzens 16 wurde ebenfalls unter strömungstechnischen Gesichtspunkten gewählt, um einen möglichst turbulenzfreien Austritt des Kühlfluids aus dem Spaltraum zu gewährleisten. Außerdem ist im Bereich des Auslassstutzens 16 eine Auswölbung 28 in der Halbschale 14a vorgesehen, die dem Spaltraum in diesem Bereich zusätzliches Volumen verleiht.
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Eine effizientere Durchströmung des Spaltraums wird auch durch eine Anpassung der Querschnitte der Stutzen 16, 19 erreicht. Im vorliegenden Fall erweist es sich als vorteilhaft, den Querschnitt des Auslassstutzens 16 größer zu wählen als den des Einlassstutzens 19. Beispielsweise ist der Querschnitt des Stutzens 16 in etwa doppelt so groß wie der des Stutzens 19.
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3 zeigt eine Ausführungsform 10c des Abgaskrümmers, wobei die Halbschale 14a weggelassen wurde, um auch die Abgasrohre 18 erkennen zu können. Jeweils ein kurzes Abgasrohr 18 ist den Abgaszweigen 21a, 21b zugeordnet. Sie gehen in ein gemeinsames Abgasrohr 18 über, dessen stromabwärtiges Ende mit weiteren Komponenten der Abgasanlage verbindbar ist.
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Außerdem ist ein in dem mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichneten Spaltraum angeordnetes Strömungsleitelement 20c zu sehen, das – ähnlich wie die Sicken 20a und 20b – das Strömungsmuster des Kühlfluids beeinflusst. Das Strömungsleitelement 20c kann beispielsweise ein Drahtgestrick sein, das in dem Spaltraum 30 angeordnet ist. Es kann an den Rohren 18 und/oder der Halbschale 14a befestigt sein. Zusätzlich oder alternativ können an den genannten Komponenten 14a, 18 Formelemente vorgesehen sein, die zur Sicherung der Position des Strömungsleitelements 20c dienen. Die Funktion eines Strömungsleitelements kann auch durch ebene und/oder gebogene Elemente, beispielsweise Blechteile, erfüllt werden.
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Wie der Abgaskrümmer 10b weist auch der Abgaskrümmer 10c einen Auslassstutzen 16 auf, der einen größeren Querschnitt hat als der Einlassstutzen 19. Im Bereich des Einlassstutzens 19 ist eine Aufwölbung 28 vorgesehen, die eine Verteilung des Kühlfluids kurz nach dem Einströmen des Kühlfluids in den Spaltraum 30 unterstützt. Abweichend von der dargestellten Bauform kann der Stutzen 19 auch etwas in den Spaltraum 30 hineinragen und/oder strömungsleitende Komponenten (z.B. Löcher, Laschen, ...) aufweisen, die die Strömungsführung des Kühlfluids unterstützen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform 10d des Abgaskrümmers, die in 4 gezeigt ist, ist der Einlassstutzen 19 ebenfalls gegenüber einer Hauptströmungsrichtung H des Abgases in dem Abgasrohr 18 angestellt. Mit anderen Worten schließen eine Mittelachse A des Stutzens 19 und die Hauptströmungsrichtung H des Abgases in dem Rohr 18 im einen Winkel α ein, um das Einströmen des Kühlfluids in den Spaltraum 30 zwischen der Außenschale 14 und dem Rohr 18 effizienter zu gestalten. 4 zeigt ferner, dass durch eine Kombination einer Sicke 20d mit einem Drahtgestrickelement 32 auf einfache Weise ein Strömungsleitelement gebildet werden kann, das mit nur geringen Herstellungskosten verbunden ist und das gleichzeitig unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen den Komponenten 14, 18 zulässt. Außerdem ist ein strömungsleitender Steg 34 zu sehen, der durch eine Materialverdickung der Wandung der Schale 14 gebildet wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, anstelle des Stegs 34 ein separates Blechteil vorzusehen, das mit dem Rohr 18 und/oder der Schale 14 verbunden ist. Eine Sicke 20e verdeutlicht, dass auch die Rohre 18 mit Strömungselementen versehen sein können.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass ein Anstellen des Stutzens 19 auch in einer zu der Bildebene der 4 senkrechten Ebene erfolgen kann. Mit anderen Worten kann die Mittelachse A des Stutzens 19 relativ zu der Hauptströmungsrichtung H des Abgasstroms beliebig ausgerichtet sein, um das gewünschte Strömungsmuster zu erzeugen. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, dass sich die Mittelachse A und die Mittelachse der Hauptströmungsrichtung H schneiden, sondern, dass die genannten Achsen versetzt angeordnet sind.
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Die vorstehenden Ausführungen zu dem Einlassstutzen 19 gelten in analoger Form auch für den Auslassstutzen 16.
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Bezugszeichenliste
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- 10a, 10b, 10c, 10d
- Abgaskrümmer
- 12, 12'
- Anschlussflansch
- 14a, 14b
- Halbschale
- 14
- Außenschale
- 16
- Auslassstutzen
- 18
- Abgasrohr
- 19
- Einlassstutzen
- 20a, 20b, 20d, 20e
- Sicke
- 20c
- Strömungsleitelement
- 21a, 21b
- Abgaszweig
- 22
- Fortsatz
- 24
- Ausnehmung
- 26a, 26b
- Flanschabschnitt
- 28
- Aufwölbung
- 30
- Spaltraum
- 32
- Drahtgestrickelement
- 34
- Steg
- H
- Hauptströmungsrichtung
- A
- Mittelachse
