DE102015222859A1

DE102015222859A1 - Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit integriertem Abgaskrümmer und Kühlmantel

Info

Publication number: DE102015222859A1
Application number: DE102015222859.2A
Authority: DE
Inventors: Ales Lempera; Jan Hradisky; Lars HENTSCHEL; Peter Kawelke; Mathias Springer; Sebastian Gehrke; Michael Bein
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24
Also published as: CN107061041A; CN107061041B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, zumindest aufweisend einen integrierten Abgaskrümmer mit a. mindestens zwei abgasführenden Leitungen, die im Wesentlichen nebeneinander angeordnet sind und die stromaufwärts eines Abgaskrümmerauslasses an jeweils einer Strömungsverbindungsstelle zu einer Sammelleitung zusammengeführt werden, wobei die Leitungen unmittelbar vor der Strömungsverbindungsstelle durch einen Endbereich einer Wandung voneinander getrennt sind und b. mindestens einem Kühlmittelmantel, der zumindest oberhalb und/oder unterhalb der Leitungen angeordnet ist und der eine obere Begrenzungswand und eine untere Begrenzungswand aufweist, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel und die Leitungen durch eine gemeinsame Begrenzungswand voneinander getrennt sind, wobei der Kühlmittelmantel von einem Kühlmittel in einer festgelegten Strömungsrichtung durchströmt wird, wobei sich in dem Kühlmittelmantel mindestens ein Steg zwischen der oberen Begrenzungswand und der unteren Begrenzungswand erstreckt, der eine stromaufwärtige Anströmfläche für eine Kühlmittelströmung aufweist, die die Kühlmittelströmung teilt, wobei die Kühlmittelströmung stromabwärts der Teilung in einem ersten Bereich des Kühlmittelmantels beschleunigt wird, wobei der erste Bereich oder der an die Anströmfläche unmittelbar angrenzende Teil des Steges direkt oberhalb und/oder unterhalb der Strömungsverbindungsstelle und/oder des Endbereichs angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit integriertem Abgaskrümmer und Kühlmantel. Insbesondere wird ein solcher Zylinderkopf durch ein Gussverfahren hergestellt, wobei mehrere abgasführende Leitungen und ein Kühlmantel für den Abgaskrümmer in einem einteiligen Bauteil integriert sind. Die abgasführenden Leitungen und der Kühlmantel weisen eine gemeinsame Begrenzungswand aus Gussmaterial auf.
Ein solcher Zylinderkopf ist insbesondere ein Teil einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, z. B. als Diesel-, Otto- oder Hybridmotoren. Die bei der Verbrennung des Kraftstoffes in den Brennräumen der Brennkraftmaschine bzw. des Motorblocks freigesetzte Wärme, wird teilweise über Wandungen des Motorblocks an den Zylinderkopf und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgegeben. Um die thermische Überbeanspruchung des Zylinderkopfes zu vermeiden, kann ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestroms dem Zylinderkopf wieder entzogen werden. Die von der Oberfläche der Brennkraftmaschine bzw. des Motorblocks über Strahlung und Wärmeleitung an die Umgebung abgeführte Wärmemenge ist für eine effiziente Kühlung oft nicht ausreichend. Daher wird der Zylinderkopf häufig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, bei der mittels erzwungener Konvektion eine Kühlung im Inneren des Zylinderkopfes herbeigeführt wird.
Eine solche Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einem Kühlmantel. Der Kühlmantel umschließt dabei insbesondere die abgasführenden Leitungen. Durch solch einen Kühlmantel wird der Aufbau bzw. die Herstellung des mechanisch und thermisch hochbelasteten Zylinderkopfes noch komplexer. Ein solcher Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und Kühlmantel ist z. B. aus der DE 10 2009 060 179 A1 bekannt. Die Wärme wird im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es in dem Kühlmantel in einer vorgegebenen Strömungsrichtung zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird so aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel später mittels eines Wärmetauschers wieder entzogen.
Die thermisch höchsten Belastungen am Zylinderkopf treten unter anderem an Verbindungsstellen der abgasführenden Leitungen auf, an denen eine Zusammenführung einzelner Leitungen zu einer gemeinsamen Sammelleitung erfolgt. Dieser Umstand wird dadurch verstärkt, dass eine möglichst lange Trennung der Abgasteilströme aus den mehreren Brennräumen technisch sinnvoll ist, weil damit ein sogenanntes Übersprechen bzw. eine gegenseitige Querbeeinflussung der Abgasteilströme auf den Ladungswechsel eines anderen Brennraums verhindert oder minimiert werden kann. Weiter kann so der Abgasgegendruck in der abgasführenden Leitung reduziert werden, wodurch die Brennkraftmaschine eine größere Leistung abgeben kann. Diese Anforderungen einerseits und der geringe Bauraum in der Umgebung der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bedingt regelmäßig ein sehr komplexes Design des Abgaskrümmers. Zur Aufrechterhaltung einer möglichst langen Trennung bzw. separaten Führung der einzelnen abgasführenden Leitungen sind somit komplexe und teilweise dünnwandige Ausführungen der Wandungen zwischen den Leitungen erforderlich. In den Endbereichen dieser (dünnen) Wandungen kann es somit zu einer thermischen Überlastung kommen, die z. B. zu Materialabschmelzungen an den Wandungen der Leitungen führen kann. Es ist bekannt, solch einer Überhitzung durch eine Anfettung des Verbrennungsgasgemisches (lambda < 1) entgegenzuwirken. Diese Maßnahme bedingt jedoch einen unerwünschten Verbrauchsnachteil.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu lindern oder zu beseitigen. Insbesondere soll ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und Kühlmantel bereitgestellt werden, bei dem das Risiko einer Überhitzung und Schädigung des Zylinderkopfes im regulären Betrieb reduziert oder verhindert werden kann. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine Ausgestaltung eines Zylinderkopfs anzugeben, der die Möglichkeit eröffnet, durch Maßnahmen in bzw. an der Brennkraftmaschine deren Leistung weiter zu steigern. Im Fokus steht weiterhin eine platzsparende und strömungsgünstige Führung der abgasführenden Leitungen mit einem Abgaskrümmer.
Dies wird mit einem Zylinderkopf gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine weist zumindest einen integrierten Abgaskrümmer mit folgenden Charakteristika auf:

a. mindestens zwei abgasführende Leitungen, die (im Wesentlichen) nebeneinander angeordnet und (nur einseitig) stromaufwärts eines Abgaskrümmerauslasses an jeweils einer Strömungsverbindungsstelle zu einer Sammelleitung zusammengeführt sind, wobei die Leitungen (unmittelbar) vor der Strömungsverbindungsstelle jeweils durch einen Endbereich einer (nur einer der Leitungen zugeordneten bzw. separaten) Wandung voneinander getrennt sind, und
b. mindestens einen Kühlmittelmantel, der zumindest oberhalb oder unterhalb der Leitungen angeordnet ist und eine obere Begrenzungswand und eine untere Begrenzungswand aufweist.

Der mindestens eine Kühlmittelmantel und die Leitungen sind mittels einer gemeinsamen Begrenzungswand voneinander getrennt. Der Kühlmittelmantel ist von einem Kühlmittel in einer festgelegten Strömungsrichtung durchströmbar. In dem Kühlmittelmantel erstreckt sich mindestens ein Steg zwischen der oberen Begrenzungswand und der unteren Begrenzungswand, der eine stromaufwärtige (hin zu einem Kühlmitteleinlass gerichtete) Anströmfläche für eine Kühlmittelströmung aufweist, die die Kühlmittelströmung aufteilt. Die Kühlmittelströmung ist stromabwärts der durch den Steg erzeugten Teilung in einem ersten Bereich des Kühlmittelmantels beschleunigbar, wobei der erste Bereich oder der an die Anströmfläche unmittelbar angrenzende Teil des Steges direkt oberhalb und/oder unterhalb der Strömungsverbindungsstelle und/oder des Endbereichs angeordnet ist.
Insbesondere sind die abgasführenden Leitungen und der Kühlmittelmantel in einem einteilig ausgeführten Bauteil – dem so genannten Zylinderkopf – gemeinsam angeordnet („integriert“), so dass das Abgas in den abgasführenden Leitungen und das Kühlmittel in dem Kühlmittelmantel (nur) durch eine gemeinsame, insbesondere mittels eines Gussverfahrens hergestellte, Begrenzungswand voneinander getrennt sind. Damit strömen Abgas und Kühlmittel direkt an der gemeinsamen Begrenzungswand entlang und ein effizienter Wärmeaustausch ist so gewährleistet. Der Zylinderkopf umfasst bevorzugt im Inneren (etwa mittig oder zentral angeordnet) die abgasführenden Leitungen und benachbart dazu bzw. darum, insbesondere (auch) oberhalb und/oder unterhalb von den abgasführenden Leitungen, die mit dem Kühlmantel gebildeten Kühlmittelkanäle. Ein Teil eines Kühlmittelmantels bildet bevorzugt eine äußere Oberfläche des Zylinderkopfes oder ist zumindest unmittelbar benachbart dazu ausgebildet.
Der Kühlmittelmantel umfasst insbesondere gießtechnisch hergestellte Begrenzungswände (aus Gussmaterial), wobei innerhalb des durch die Begrenzungswände definierten Volumens ein Kühlmittel zirkulieren kann (Kühlmittelkanäle). Der mindestens eine Steg erstreckt sich zwischen der oberen Begrenzungswand und der unteren Begrenzungswand des Kühlmittelmantels. Bevorzugt verbindet der mindestens eine Steg (einteilig) die beiden gegenüberliegenden Begrenzungswände des Kühlmittelmantels. Der mindestens eine Steg kann so die mechanische Festigkeit des Kühlmittelmantels erhöhen und/oder die Strömung des daran vorbeiströmenden Kühlmittels beeinflussen.
Hier ist zumindest ein Steg so ausgeführt und angeordnet, dass eine auf den Steg treffende Kühlmittelströmung geteilt und zumindest teilweise umgelenkt wird. Die so erzeugten Teilströme der Kühlmittelströmung umströmen innerhalb des Kühlmittelmantels den Steg. Stromabwärts des Steges werden die Kühlmittelteilströmungen insbesondere wieder zusammengeführt. Stromabwärts der Teilung bzw. Anströmfläche (und benachbart zu dem mindestens einen Steg) wird die Kühlmittelströmung in einem ersten Bereich zumindest teilweise beschleunigt. Diese Beschleunigung der Kühlmittelströmung wird insbesondere durch die Reduzierung der durchströmbaren Querschnittsfläche des Kühlmittelmantels (infolge der Anordnung des Steges) bewirkt und ggf. durch die Form des Steges (zusätzlich) verstärkt. Aufgrund des Auftreffens der Kühlmittelströmung auf die Anströmfläche des Stegs und durch die erzwungene Umlenkung der Kühlmittelteilströmung wird auch ein höherer Wärmeaustausch zwischen Begrenzungswand bzw. Steg und Kühlmittel hervorgerufen. Weiterhin wird durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in dem ersten Bereich der Wärmeaustausch zwischen gemeinsamer Begrenzungswand und Kühlmittel erhöht.
Diese Effekte (Auftreffen der Kühlmittelströmung auf den Steg, Verwirbelung und/oder Umlenkung der Kühlmittelströmung, Beschleunigen der Kühlmittelströmung in dem ersten Bereich) werden hier (ggf. unabhängig voneinander) dafür genutzt, gerade den Endbereich einer Wandung einer abgasführenden Leitung zu kühlen, so dass hier das Risiko einer thermischen Überhitzung im Betrieb signifikant reduziert wird.
Diese Anordnung und/oder Ausgestaltung des Steges ermöglicht zudem eine möglichst lange Trennung der einzelnen Leitungen (insbesondere von unterschiedlichen Brennräumen) im integrierten Abgaskrümmer. So können auch gerade sehr dünnwandige Endbereiche einer Wandung konstruktiv vorgesehen werden, wobei ggf. zusätzlich oder alternativ durch innermotorische Maßnahmen eine weitere Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine vorgenommen werden kann.
Die Begriffe „nebeneinander“, „oberhalb“ und „unterhalb“ sollen insbesondere lediglich die räumliche Orientierung der angesprochenen Bauteile zueinander erleichtern. Die Anordnung nach dem Einbau im Kraftfahrzeug kann hiervon verschieden orientiert sein.
Der Kühlmittelmantel ist zumindest oberhalb oder unterhalb der Leitungen angeordnet. Insbesondere umgibt der Kühlmittelmantel die nebeneinander angeordneten Leitungen auf beiden Seiten. Der jeweilige Kühlmittelmantelabschnitt weist eine obere Begrenzungswand und eine untere Begrenzungswand auf. Dabei ist die den (oberen) ersten Kühlmittelmantel nach unten begrenzende untere Begrenzungswand mit der ersten gemeinsamen Begrenzungswand gleichzusetzen. Die den (unteren) zweiten Kühlmittelmantel nach oben begrenzende obere Begrenzungswand ist mit der zweiten gemeinsamen Begrenzungswand gleichzusetzen.
Bevorzugt ist der erste Bereich direkt oberhalb und/oder unterhalb der Strömungsverbindungsstelle und der Steg direkt oberhalb und/oder unterhalb des Endbereichs angeordnet ist.
Insbesondere erstreckt sich der Steg im Wesentlichen in der Strömungsrichtung. Insbesondere sind zwei Kühlmittelmäntel vorgesehen, wobei ein erster Kühlmittelmantel oberhalb und ein zweiter Kühlmittelmantel unterhalb der Leitungen angeordnet ist, wobei in beiden Kühlmittelmänteln jeweils mindestens ein Steg angeordnet ist, wobei die Kühlmittelmäntel strömungstechnisch miteinander verbunden sind.
Bevorzugt sind jeweils zwei Leitungen jeweils einer Brennkammer der Brennkraftmaschine zugeordnet.
Insbesondere ist der erste Bereich oder der an die Anströmfläche unmittelbar angrenzende Teil des Steges direkt oberhalb und/oder unterhalb einer Strömungsverbindungsstelle oder eines Endbereichs angeordnet, an der/dem die Leitungen von zwei unterschiedlichen Brennkammern zusammengeführt sind.
Insbesondere werden die Leitungen von mindestens vier im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Brennkammern zu der Sammelleitung zusammengeführt, wobei die Leitungen im Wesentlichen nebeneinander angeordnet sind, wobei der erste Bereich oder der an die Anströmfläche unmittelbar angrenzende Teil des Steges (ausschließlich) direkt oberhalb und/oder unterhalb einer Strömungsverbindungsstelle oder eines Endbereichs angeordnet ist, an der/dem die mindestens eine Leitung einer äußeren Brennkammer mit der mindestens einen Leitung einer benachbarten Brennkammer zusammengeführt sind.
Insbesondere befindet sich die Anströmfläche im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels, wobei die Anströmfläche in einem Querschnitt, der parallel zu der oberen und unteren Begrenzungswand verläuft, einen Radius von mindestens 5 mm [Millimeter], insbesondere von mindestens 7,5 mm aufweist.
Bevorzugt weist die Anströmfläche in dem Querschnitt eine Breite von 10 mm [Millimeter], insbesondere von 15 mm auf.
Insbesondere sind der Zylinderkopf und der Steg gießtechnisch gemeinsam hergestellt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist der Zylinderkopf gießtechnisch hergestellt und der Steg durch ein separat hergestelltes Bauteil gebildet. Insbesondere ist der Steg ein eingegossenes oder anderweitig befestigtes Blechteil, dass bevorzugt eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das für den Zylinderkopf verwendete Material.
Insbesondere ist der erste Bereich oder der an die Anströmfläche unmittelbar angrenzende Teil des Steges (ausschließlich) direkt oberhalb und/oder unterhalb einer Strömungsverbindungsstelle oder eines Endbereichs angeordnet, an der/dem die mindestens eine Leitung einer äußeren Brennkammer mit der mindestens einen Leitung einer benachbarten Brennkammer zusammengeführt sind und/oder bei der die an der Strömungsverbindungsstelle zusammengeführten Leitungen über einen Anteil ihrer jeweiligen Erstreckung (entlang der Strömungsrichtung) im Zylinderkopf (zwischen Abgaseinlass und dem Abgaskrümmerauslass) von mindestens 70 %, insbesondere von mindestens 80 %, bevorzugt von mindestens 90 %, durch eine Wandung getrennt voneinander verlaufen.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände. Es zeigen:
1: eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer in einer Ansicht von oben;
2: den Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und Abgaskrümmerauslass in einer Seitenansicht;
3: den Schnitt A-A nach 2;
4: den Schnitt B-B nach 2;
5: den Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und Abgaskrümmerauslass in einer Seitenansicht;
6: den Schnitt V-V nach 5 durch den ersten Kühlmittelmantel des Abgaskrümmers;
7: den Schnitt W-W nach 5 durch die Sammelleitungen und den Abgasauslass des Abgaskrümmers;
8: den Schnitt X-X nach 5 durch die Sammelleitungen und den Abgasauslass des Abgaskrümmers;
9: den Schnitt Y-Y nach 5 durch die Abgasleitungen sowie durch den Abgasauslass des Abgaskrümmers;
10: den Schnitt Z-Z nach 5 durch den unteren zweiten Kühlmittelmantel des Abgaskrümmers und
11: eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer und erstem Kühlmantel in einer Ansicht von oben;
12: den rechten Steg der 11; und
13: ein Detail der 12.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Zylinderkopf 1 mit integriertem Abgaskrümmer 3 in einer Ansicht von oben. Hier weist der Abgaskrümmer 3 acht abgasführenden Leitungen 4, 5 auf, die sich ausgehend von vier Brennkammern 23 hin zum Abgaskrümmerauslass 6 erstrecken. Jeweils zwei davon (hier als erste Leitung 4 und zweite Leitung 5 veranschaulicht) führen das Abgas von einer Brennkammer 23 bis hin zu einer Strömungsverbindungsstelle 7. Die Leitungen 4, 5 sind im Wesentlichen nebeneinander angeordnet und werden durch gemeinsame Wandungen 22 voneinander getrennt. Die Leitungen 4, 5 werden (sukzessive) stromaufwärts des Abgaskrümmerauslasses 6 an, in Strömungsrichtung 16, weiteren Strömungsverbindungsstellen 7 zu einer (größeren) Sammelleitung 8 zusammengeführt, wobei die Leitungen 4, 5 unmittelbar vor jeder Strömungsverbindungsstelle 7 durch einen Endbereich 21 einer Wandung 22 voneinander getrennt sind.
2 zeigt den Zylinderkopf 1 mit integriertem Abgaskrümmer 3 und Abgaskrümmerauslass 6 in einer Seitenansicht. Die durch die hier gezeigten Schnittlinien A-A und B-B definierten Schnitte sind in den 3 und 4 dargestellt.
3 zeigt den Schnitt A-A nach 2. Hier ist der, die Sammelleitung 8 im Bereich des Abgaskrümmerauslass 6, umgebende Kühlmittelmantel 9, 10 mit einem oberhalb der Sammelleitung 8 angeordneten ersten Kühlmittelmantel 9 und einem unterhalb der Sammelleitung angeordnetem zweitem Kühlmittelmantel 10 gezeigt.
4 zeigt den Schnitt B-B nach 2. Hier sind die Sammelleitungen 8 (linke Öffnung: Sammelleitung 8 der äußeren linken Brennkammer 23; mittlere Öffnung: Sammelleitung 8 beiden mittleren Brennkammern 23; rechte Öffnung: Sammelleitung 8 der äußeren rechten Brennkammer) gezeigt sowie der obere Kühlmittelmantel 9 und der untere Kühlmittelmantel 10. Erkennbar sind beide Kühlmittelmäntel 9, 10 im Schnitt B-B durch Stege 17 unterbrochen.
Aus den 3 und 4 ist erkennbar, dass die Kühlmittelmäntel 9, 10 strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Hier umgeben die Kühlmittelmäntel 9, 10 die nebeneinander angeordneten Leitungen 4, 5 bzw. 8 auf beiden Seiten. Der jeweilige Kühlmittelmantel 9, 10 weist eine obere Begrenzungswand 11 und eine untere Begrenzungswand 12 auf (siehe auch 8). Dabei ist die den (oberen) ersten Kühlmittelmantel 9 nach unten begrenzende untere Begrenzungswand 12 mit der ersten gemeinsamen Begrenzungswand 13 gleichzusetzen. Die den (unteren) zweiten Kühlmittelmantel 10 nach oben begrenzende obere Begrenzungswand 11 ist mit der zweiten gemeinsamen Begrenzungswand 14 gleichzusetzen.
Innerhalb des durch die Begrenzungswände 11, 12 definierten Volumens zirkuliert ein Kühlmittel 15, wobei beide Kühlmittelmäntel 9, 10 strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Beide Kühlmittelmäntel 9, 10 werden in einer (gemeinsamen oder aber auch einander entgegengesetzten, siehe 3) Strömungsrichtung 16 von dem Kühlmittel durchströmt.
Die Stege 17 erstrecken sich zwischen der oberen Begrenzungswand 11 und der unteren Begrenzungswand 12 des jeweiligen Kühlmittelmantels 9, 10 und erhöhen so die mechanische Festigkeit des Kühlmittelmantels 9, 10. Die Kühlmittelmäntel 9, 10 umgeben die nebeneinander angeordneten Leitungen 4, 5 und den Abgaskrümmerauslass 6 auf beiden Seiten.
5 zeigt den Zylinderkopf 1 mit integriertem Abgaskrümmer 3 und Abgaskrümmerauslass 6 in einer Seitenansicht. Die durch die hier gezeigten Schnittlinien V-V, W-W, X-X, Y-Y und Z-Z definierten Schnitte sind in den 6 bis 10 dargestellt.
6 zeigt den Schnitt V-V durch den ersten Kühlmittelmantel 9 des Abgaskrümmers 3. Der erste Kühlmittelmantel 9 wird von einem Kühlmittel 15 in einer festgelegten Strömungsrichtung 16 durchströmt, wobei sich in dem ersten Kühlmittelmantel 9 hier mehrere Stege 17 zwischen der oberen Begrenzungswand 11 und der unteren Begrenzungswand 12 erstrecken (4), die eine stromaufwärtige Anströmfläche 24 für eine Kühlmittelströmung 18 aufweisen, die die Kühlmittelströmung 18 jeweils teilt.
7 zeigt den Schnitt W-W durch die Sammelleitungen 8 und den Abgaskrümmerauslass 6 des Abgaskrümmers 3. 8 zeigt den Schnitt X-X durch die Sammelleitungen 8 und den Abgaskrümmerauslass 6 des Abgaskrümmers 3. Hier sind die einzelnen, durch Wandungen 22 zumindest teilweise getrennten Sammelleitungen 8 erkennbar, die in Richtung hin zum Abgaskrümmerauslass 6 zu einer gemeinsamen Sammelleitung 8 zusammengeführt werden. Seitlich der Sammelleitungen 8 ist der obere, erste Kühlmittelmantel 9 gezeigt.
9 zeigt den Schnitt Y-Y durch die Leitungen 4, 5 und 8 sowie durch den Abgaskrümmerauslass 6 des Abgaskrümmers 3. Hier sind die einzelnen, durch Wandungen 22 zumindest teilweise getrennten Leitungen 4, 5 und Sammelleitungen 8 erkennbar, die in Richtung hin zum Abgaskrümmerauslass 6 zu einer gemeinsamen Sammelleitung 8 zusammengeführt werden. Seitlich der Sammelleitungen 8 ist der untere, zweite Kühlmittelmantel 10 gezeigt.
10 zeigt den Schnitt Z-Z durch den unteren zweiten Kühlmittelmantel 10 des Abgaskrümmers 3. Der zweite Kühlmittelmantel 10 wird von einem Kühlmittel 15 in einer festgelegten Strömungsrichtung 16 durchströmt, wobei sich in dem zweiten Kühlmittelmantel 10 hier mehrere Stege 17 zwischen der oberen Begrenzungswand 11 und der unteren Begrenzungswand 12 erstrecken (siehe 4), die eine stromaufwärtige Anströmfläche 24 für eine Kühlmittelströmung 18 aufweisen, die die Kühlmittelströmung 18 jeweils teilt.
11 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Abgaskrümmer 3 und erstem Kühlmantel 9 in einer Ansicht von oben, wobei die zwei Schnitte V-V (siehe 6) und X-X (8; hier gestrichelt dargestellt) gemeinsam dargestellt sind. Auch hier weist der Abgaskrümmer 3 acht abgasführenden Leitungen 4, 5 auf, die sich ausgehend von vier Brennkammern 23 hin zum Abgaskrümmerauslass 6 erstrecken. Jeweils zwei Leitungen 4, 5 führen das Abgas von einer Brennkammer 23 bis hin zu einer Strömungsverbindungsstelle 7. Die an der Strömungsverbindungsstelle 7 zusammengeführten Leitungen 4, 5 verlaufen teilweise über einen Anteil ihrer jeweiligen Erstreckung 29 (entlang der Strömungsrichtung 16, siehe 1) im Zylinderkopf 1 (zwischen Abgaseinlass 28 und dem Abgaskrümmerauslass 6) von mindestens 70 % durch eine Wandung 22 voneinander getrennt.
Der erste Kühlmittelmantel 9 wird von einem Kühlmittel 15 in einer festgelegten Strömungsrichtung 16 durchströmt, wobei sich in dem ersten Kühlmittelmantel 9 hier mehrere Stege 17 zwischen der oberen Begrenzungswand 11 und der unteren Begrenzungswand 12 erstrecken (siehe 4), die eine stromaufwärtige Anströmfläche 24 für eine Kühlmittelströmung 18 aufweisen, die die Kühlmittelströmung 18 jeweils teilt. Die Kühlmittelströmung 18 wird stromabwärts der Teilung 19 (siehe 12) in einem ersten Bereich 20 des ersten Kühlmittelmantels 9 beschleunigt, wobei der erste Bereich 20 oder der an die Anströmfläche 24 unmittelbar angrenzende Teil des Steges 17 direkt oberhalb und/oder unterhalb der Strömungsverbindungsstelle 7 und/oder des Endbereichs 21 angeordnet ist.
Hier ist ein Steg 17 so ausgeführt und angeordnet, dass eine auf den Steg 17 treffende Kühlmittelströmung 18 geteilt und zumindest teilweise umgelenkt wird. Die Teilströme der Kühlmittelströmung 18 umströmen innerhalb des ersten Kühlmittelmantels 9 den Steg 17. Stromabwärts des Steges 17 werden die Kühlmittelteilströmungen wieder zusammengeführt.
Es sind hier zwei Stege 17 wie beschrieben angeordnet (Kühlmittelströmung 18 mit Pfeilen gekennzeichnet). Der linke Steg 17 ist so angeordnet, dass der erste Bereich 20 direkt oberhalb der Strömungsverbindungsstelle 7 angeordnet ist. Der rechte Steg 17 ist so angeordnet, dass der an die Anströmfläche 24 unmittelbar angrenzende Teil des Steges 17 direkt oberhalb des Endbereichs 21 der Wandung 22 angeordnet ist. Zudem ist der erste Bereich 20 direkt oberhalb der Strömungsverbindungsstelle 7 angeordnet.
Hier sind der erste Bereich 20 und der an die Anströmfläche 24 unmittelbar angrenzende Teil der Stege 17 direkt oberhalb einer Strömungsverbindungsstelle 7 und eines Endbereichs 21 angeordnet, an der/dem die Leitungen 4, 5 von zwei unterschiedlichen Brennkammern 23 zusammengeführt sind. Hier werden die Leitungen 4, 5 von vier nebeneinander angeordneten Brennkammern 23 zu der Sammelleitung 8 zusammengeführt, wobei die Leitungen 4, 5 selbst ebenfalls im Wesentlichen nebeneinander angeordnet sind. Hier ist der erste Bereich 20 und der an die Anströmfläche 24 unmittelbar angrenzende Teil des Steges 17 ausschließlich direkt oberhalb der Strömungsverbindungsstelle 7 und des Endbereichs 21 angeordnet, an der/dem die eine Leitung 4 einer äußeren Brennkammer 23 mit der Leitung 5 einer benachbarten Brennkammer 23 zusammengeführt sind.
12 zeigt den rechten Steg 17 der 11. Hier ist der rechte Steg 17 (durchgezogene Linie) und dessen Anordnung direkt oberhalb der Strömungsverbindungsstelle 7 der Leitungen 4 und 5 und des Endbereichs 21 der Wandung 22 (gestrichelte Linie) dargestellt.
Der Steg 17 ist so ausgeführt und angeordnet, dass eine auf den Steg 17 treffende Kühlmittelströmung 18 geteilt und zumindest teilweise umgelenkt wird. Der Steg 17 weist eine stromaufwärtige Anströmfläche 24 für die Kühlmittelströmung 18 auf, die die Kühlmittelströmung 18 teilt, wobei die Kühlmittelströmung 18 stromabwärts der Teilung 19 in einem ersten Bereich 20 des hier dargestellten ersten Kühlmittelmantels 9 beschleunigt wird, wobei der erste Bereich 20 direkt oberhalb der Strömungsverbindungsstelle 7 der Leitungen 4, 5, und der an die Anströmfläche 24 unmittelbar angrenzende Teil des Steges 17 direkt oberhalb des Endbereichs 21 angeordnet ist. Die Teilströme der Kühlmittelströmung 18 umströmen innerhalb des Kühlmittelmantels 9 den Steg 17 entlang der dargestellten Strömungsrichtungen 16. Stromabwärts des Steges 17 werden die Kühlmittelteilströmungen wieder zusammengeführt. Die Beschleunigung der Kühlmittelströmung 18 wird insbesondere durch die Reduzierung der durchströmbaren Querschnittsfläche des Kühlmittelmantels 9 bewirkt (infolge der Anordnung des Steges 17 im ersten Kühlmittelmantel 9, siehe 11). Aufgrund des Auftreffens der Kühlmittelströmung 18 auf den Steg 17 und durch die erzwungene Umlenkung der Kühlmittelteilströmung 18 wird ein höherer Wärmeaustausch in diesem Bereich zwischen der ersten gemeinsamen Begrenzungswand 13 (siehe 4) bzw. Steg 17 und Kühlmittel 15 hervorgerufen. Weiterhin wird durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in dem ersten Bereich 20 der Wärmeaustausch zwischen erster gemeinsamer Begrenzungswand 13 und Kühlmittel 15 erhöht.
13 zeigt ein Detail der 12, nämlich nur den Steg 17 und nicht die darunter angeordneten Leitungen 4, 5. Die Anströmfläche 24 erstreckt sich im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 16 des Kühlmittels 15, wobei die Anströmfläche 24 in einem Querschnitt 25 (z. B. in dem Schnitt V-V, siehe 6), der parallel zu der oberen und unteren Begrenzungswand 11, 12 des ersten Kühlmittelmantels 9 (siehe 4) verläuft, einen Radius 26 und eine Breite 30 aufweist.
Wie bereits ausgeführt, kann der Steg 17 unabhängig vom (z. B.) gießtechnisch hergestellten Zylinderkopf 1 als separates Bauteil 27 bereitgestellt werden, das in den Zylinderkopf 1 (bzw. in den Kühlmittelmantel 9, 10) eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2: Brennkraftmaschine
3: Abgaskrümmer
4: Erste Leitung
5: Zweite Leitung
6: Abgaskrümmerauslass
7: Strömungsverbindungsstelle
8: Sammelleitung
9: Erster Kühlmittelmantel
10: Zweiter Kühlmittelmantel
11: Obere Begrenzungswand
12: Untere Begrenzungswand
13: erste gemeinsame Begrenzungswand
14: zweite gemeinsame Begrenzungswand
15: Kühlmittel
16: Strömungsrichtung
17: Steg
18: Kühlmittelströmung
19: Teilung
20: erster Bereich
21: Endbereich
22: Wandung
23: Brennkammer
24: Anströmfläche
25: Querschnitt
26: Radius
27: Bauteil
28: Abgaseinlass
29: Erstreckung
30: Breite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009060179 A1 [0003]

Claims

Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine (2), zumindest aufweisend einen integrierten Abgaskrümmer (3) mit a. mindestens zwei abgasführenden Leitungen (4, 5), die nebeneinander angeordnet und stromaufwärts eines Abgaskrümmerauslasses (6) an jeweils einer Strömungsverbindungsstelle (7) zu einer Sammelleitung (8) zusammengeführt sind, wobei die Leitungen (4, 5) vor der Strömungsverbindungsstelle (7) jeweils durch einen Endbereich (21) einer Wandung (22) voneinander getrennt sind, und b. mindestens einem Kühlmittelmantel (9, 10), der zumindest oberhalb oder unterhalb der Leitungen (4, 5) angeordnet ist, und eine obere Begrenzungswand (11) und eine untere Begrenzungswand (12) aufweist, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel (9, 10) und die Leitungen (4, 5) mittels einer gemeinsamen Begrenzungswand (13, 14) voneinander getrennt sind, wobei der Kühlmittelmantel (9, 10) von einem Kühlmittel (15) in einer festgelegten Strömungsrichtung (16) durchströmbar ist, wobei sich in dem Kühlmittelmantel (9, 10) mindestens ein Steg (17) zwischen der oberen Begrenzungswand (11) und der unteren Begrenzungswand (12) erstreckt, der eine stromaufwärtige Anströmfläche (24) für eine Kühlmittelströmung (18) aufweist, die die Kühlmittelströmung (18) teilt, wobei die Kühlmittelströmung (18) stromabwärts der Teilung (19) in einem ersten Bereich (20) des Kühlmittelmantels (9, 10) beschleunigbar ist, wobei der erste Bereich (20) oder der an die Anströmfläche (24) unmittelbar angrenzende Teil des Steges (17) direkt oberhalb und/oder unterhalb der Strömungsverbindungsstelle (7) und/oder des Endbereichs (21) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich (20) direkt oberhalb und/oder unterhalb der Strömungsverbindungsstelle (7) und der Steg (17) direkt oberhalb und/oder unterhalb des Endbereichs (21) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Steg (17) im Wesentlichen in der Strömungsrichtung (16) erstreckt.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Kühlmittelmäntel (9, 10) vorgesehen sind, wobei ein erster Kühlmittelmantel (9) oberhalb und ein zweiter Kühlmittelmantel (10) unterhalb der Leitungen (4, 5) angeordnet ist, wobei in beiden Kühlmittelmänteln (9, 10) jeweils mindestens ein Steg (17) angeordnet ist, wobei die Kühlmittelmäntel (9, 10) strömungstechnisch miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils zwei Leitungen (4, 5) jeweils einer Brennkammer (23) der Brennkraftmaschine (2) zugeordnet sind.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich (20) oder der an die Anströmfläche (24) unmittelbar angrenzende Teil des Steges (17) direkt oberhalb und/oder unterhalb einer Strömungsverbindungsstelle (7) oder eines Endbereichs (21) angeordnet ist, an der/dem die Leitungen (4, 5) von zwei unterschiedlichen Brennkammern (23) zusammengeführt sind.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitungen (4, 5) von mindestens vier im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Brennkammern (23) zu der Sammelleitung (8) zusammengeführt werden, wobei die Leitungen (4, 5) im Wesentlichen nebeneinander angeordnet sind, wobei der erste Bereich (20) oder der an die Anströmfläche (24) unmittelbar angrenzende Teil des Steges (17) ausschließlich direkt oberhalb und/oder unterhalb einer Strömungsverbindungsstelle (7) oder eines Endbereichs (21) angeordnet ist, an der/dem die mindestens eine Leitung (4, 5) einer äußeren Brennkammer (23) mit der mindestens einen Leitung (4, 5) einer benachbarten Brennkammer (23) zusammengeführt sind.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Anströmfläche (24) im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (16) erstreckt, wobei die Anströmfläche (24) in einem Querschnitt (25) parallel zu der oberen und unteren Begrenzungswand (11, 12) einen Radius (26) von mindestens 5 mm [Millimeter] aufweist.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zylinderkopf (1) und der Steg (17) gießtechnisch gemeinsam hergestellt sind.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei der Zylinderkopf (1) gießtechnisch hergestellt ist und der Steg (17) durch ein separat hergestelltes Bauteil (27) gebildet ist.