DE102016012719A1

DE102016012719A1 - Zylinderkopf mit angeschlossenem Auspuffkrümmer einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016012719A1
Application number: DE102016012719.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes HOLLWECK; Ulrich BOEHME; Tobias Arroyo BÖTTCHER
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-04-26
Also published as: US20180112623A1; BR102017022644A2; US11105295B2; EP3315751B1; EP3315751A1; CN107975439B; RU2748245C2; CN107975439A; BR102017022644A8; RU2017134960A3; RU2017134960A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit angeschlossenem Auspuffkrümmer einer Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf (2) wenigstens einen Abgaskanal (1) aufweist, der an einer äußeren Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) endet, an der mit einer zugeordneten Auspuffkrümmer-Anschlussfläche (9) der den Abgaskanal (1) weiterführende Auspuffkrümmer (8) angeschlossen ist, vorzugsweise mittels wenigstens einer Schraubverbindung (7) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist in den Abgaskanal (1) des Zylinderkopfs (2) ein Flanschbuchsen-Einsatz (10) aus einem Buchsenteil (11) und einem endseitigen Flanschteil (12) eingesetzt. Das Buchsenteil (11) weist wenigstens eine radial abstehende, umlaufende Sicke (13a, 13b; 15) als Abstandshalter und Dichtelement auf, mit der das Buchsenteil (11) an der Abgaskanal-Innenwand anliegt. Das Flanschteil (12) ragt ringscheibenförmig, radial am äußeren Ende des Flanschbuchsen-Einsatzes (10) ab, und ist zwischen der Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) und der Auspuffkrümmer-Anschlussfläche (9), insbesondere dicht, eingespannt, dergestalt, dass zwischen der Abgaskanal-Innenwand und der Buchsenteil-Außenwand sowie zwischen dem Flanschteil (12) und einer axial nächstliegenden Sicke (13b) und/oder zwischen zwei axial nebeneinanderliegenden Sicken (13a, 13b) ein von einer Abgasströmung abgekoppelter, thermisch isolierender, umlaufender Isolierspalt (14) mit einer Spaltbreite entsprechend der Sickenhöhe gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit angeschlossenem Auspuffkrümmer einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einer allgemein bekannten Anordnung weist der Zylinderkopf nach einem Auslassventil einen Abgaskanal auf, der an einer äußeren Zylinderkopf-Anschlussfläche endet. An dieser Zylinderkopf-Anschlussfläche ist mittels einer Verschraubung ein Auspuffkrümmer mit einer zugeordneten Auspuffkrümmer-Anschlussfläche angeschlossen, dergestalt, dass der Abgaskanal des Zylinderkopfs im Auspuffkrümmer weitergeführt wird.
Für einen abgasdichten Anschluss des Auspuffkrümmers am Zylinderkopf ist zwischen der Zylinderkopf-Anschlussfläche und der Auspuffkrümmer-Anschlussfläche eine Auspuffkrümmerabdichtung angebracht. Im Bereich des Abgaskanals liegen im Zylinderkopf von einem Kühlmittel durchströmte Kühlmittelkanäle. Je nach Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine und deren Anordnung weist ein Zylinderkopf mehrere Abgaskanäle auf, an die jeweils Auspuffkrümmer eines Abgassammlers angeschlossen sind.
Bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine wird das heiße Abgas über den Abgaskanal in den Auspuffkrümmer, gegebenenfalls in einen Turbolader und dann weiter über Schalldämpfer ins Freie geleitet. Bei einer üblicherweise flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine wird viel Wärmeenergie in das den Zylinderkopf durchströmende Kühlmedium abgegeben. Dadurch können Bauteile in Abgaskanalnähe thermisch unzulässig belastet und gegebenenfalls geschädigt werden. Zudem wird dadurch dem Abgas Energie entzogen, die durch Energieumsetzung beispielsweise in einem nachgeschalteten Abgasturbolader genutzt werden könnte.
Es sind bereits Maßnahmen im Stand der Technik bekannt, mit denen eine solche thermische Belastung reduziert werden soll. Bei einer ersten bekannten Maßnahme wird an der Innenwand des Auslasskanals eine thermisch isolierende Beschichtung angebracht (FA. NEMAK GmbH). Bei einer anderen Maßnahme, die ebenfalls die thermische Belastung reduzieren soll, ist der Abgaskanal im Zylinderkopf komplett in Keramik ausgeführt. Ersichtlich handelt es sich hier nachteilig um aufwendige, kostenintensive Lösungen. Zudem sind auch hier unabhängig von der angestrebten Reduzierung der thermischen Belastung für den abgasdichten Anschluss eines Auspuffkrümmers separate Auspuffkrümmerabdichtungen vorzusehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer einfachen, kostengünstigen Lösung die thermische Belastung im Bereich eines Abgaskanals des Zylinderkopfs zu reduzieren und zudem eine einfache kostengünstige Auspuffkrümmerabdichtung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 ist ein Zylinderkopf mit einem angeschlossenen Auspuffkrümmer einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei der Zylinderkopf wenigstens einen Abgaskanal aufweist, der an einer äußeren Zylinderkopf-Anschlussfläche endet, an der mit einer zugeordneten Auspuffkrümmer-Anschlussfläche der den Abgaskanal weiterführende Auspuffkrümmer angeschlossen ist, vorzugsweise mittels wenigstens einer Schraubverbindung angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist in den Abgaskanal des Zylinderkopfs ein Flanschbuchsen-Einsatz aus einem Buchsenteil und einem endseitigen Flanschteil eingesetzt. Das Buchsenteil weist wenigstens eine radial abstehende, umlaufende Sicke als Abstandshalter und Dichtelement auf, mit der das Buchsenteil an der Abgaskanal-Innenwand anliegt. Das Flanschteil ragt ringscheibenförmig radial am äußeren Ende der Flanschbuchse ab und ist zwischen der Zylinderkopf-Anschlussfläche und der Auspuffkrümmer-Anschlussfläche dicht eingespannt, und zwar bevorzugt als Dichtflansch eingespannt, höchst bevorzugt als Dichtflansch und zur axialen Buchsenfixierung eingespannt, dergestalt, dass zwischen der Abgaskanal-Innenwand und der Buchsenteil-Außenwand sowie zwischen dem Flanschteil und einer axial nächstliegenden Sicke und/oder zwischen zwei axial nebeneinanderliegenden Sicken ein von einer Abgasströmung abgekoppelter, thermisch isolierender, umlaufender Isolierspalt mit einer Spaltbreite entsprechend der Sickenhöhe gebildet ist.
Vorteilhaft hat der einfach ausgebildete und kostengünstig herstellbare Flanschbuchsen-Einsatz zwei Funktionen, nämlich die thermische Isolierung des Abgaskanals sowie die Abdichtung des Auspuffkrümmers. Diese beiden Funktionen sind hier in einem einzigen Bauteil integriert mit Vorteilen bei der Herstellung, Beschaffung, Logistik und Montage.
Mit einer sich über die gesamte Abgaskanallänge des Zylinderkopfs erstreckenden Buchsenteillänge, gegebenenfalls auch bereits mit einer Teillänge, wird eine thermische Isolierung des Abgaskanals im Zylinderkopf erreicht, womit dessen Wärmebelastung deutlich reduziert werden kann. Damit wird erreicht, dass einerseits weniger Wärmeenergie über das Kühlmedium abgeführt werden muss, so dass dadurch vorteilhaft die Dimension einer Kühlanlage reduziert werden kann. Andererseits verbleibt durch die thermische Isolierung mehr Wärmeenergie im Abgas, die für eine erhöhte Energieumsetzung insbesondere in einem Abgasturbolader genutzt werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das zwischen dem Abgaskanal und dem Auspuffkrümmer dichtend fixierte Flanschteil auch das damit verbundene Buchsenteil axial unverrutschbar und verdrehfest im Abgaskanal fixiert ist.
Die thermische Isolation erfolgt hier im Wesentlichen durch das Prinzip der Luftspaltisolierung im Isolierspalt.
Anstelle von Luft kann alternativ zumindest in Teilbereichen des Isolierspalts auf der Buchsenteil-Außenwand auch ein thermisches Isolierelement und/oder -material, vorzusweise in der Isolierspaltbreite, angebracht sein, insbesondere als Beschichtung und/oder als aufgesteckte Isoliermaterialbuchse und/oder als z.B. aufgesteckte Isoliermaterialschale(n).
Zweckmäßig wird der Flanschbuchsen-Einsatz einstückig und/oder materialeinheitlich aus einem hitzebeständigen und/oder elastischen Material, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, hergestellt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung kann zur Ausbildung eines möglichst axial langen Isolierspalts wenigstens eine Sicke im axialen Buchsenteilendbereich gegenüberliegend zum Flanschteil angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Buchsenteillänge möglichst der Abgaskanallänge im Zylinderkopf.
Das Flanschteil liegt gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung und insbesondere für eine exakte Anordnung und/oder Fixierung in einer Ringnut der Zylinderkopf-Anschlussfläche ein.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist das Flanschteil zwischen der Zylinderkopf-Anschlussfläche und der Auspuffkrümmer-Anschlussfläche bevorzugt als Dichtflansch oder als Dichtflansch und zur axialen Buchsenfixierung eingespannt. Hierzu kann gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen sein, dass sich der Flanschteil axial mit wenigstens einer umlaufenden, vorzugsweise elastisch ausgebildeten Sicke an der Zylinderkopf-Anschlussfläche, vorzugsweise in der Ringnut der Zylinderkopf-Anschlussfläche, abstützt. Bevorzugt ragt der Flanschteil hier so axial in Richtung des Auspuffkrümmers ab bzw. steht so über, dass dieser bei der Montage das Flanschteil als Dichtelement einspannt. In einer hierzu alternativen Ausgestaltung kann am Flanschteil aber auch ein in Richtung des Auspuffkrümmers ragender, insbesondere abragender bzw. überstehender, Dichtring vorgesehen werden. Auch eine Kombination beider Ausgestaltungen (Sicke und Dichtring) ist grundsätzlich möglich.
Die thermische Isolierung eines Abgaskanals mit dem erfindungsgemäßen Flanschbuchsen-Einsatz kann insbesondere bei einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, eingesetzt werden.
Anhand einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung weiter beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen Abgaskanals eines Zylinderkopfs mit angeschlossenem Auspuffkrümmer, und
2 zwei beispielhafte Ausführungsformen eines in einen Abgaskanal eingesteckten Flanschbuchsen-Einsatzes.

In 1 ist ein Längsschnitt durch einen Abgaskanal 1 eines Zylinderkopfs 2 einer Brennkraftmaschine dargestellt. Der Abgaskanal 1 liegt ausströmseitig nach einem Auslassventil 3 und ist teilweise von kühlmediumdurchströmten Kühlkanälen 4, 5 umgeben.
Der Abgaskanal 1 endet an einer äußeren Zylinderkopf-Anschlussfläche 6, an der hier beispielhaft mittels mehrerer Schraubverbindungen bzw. Verschraubungen 7 ein Auspuffkrümmer 8 mit seiner zugeordneten Auspuffkrümmer-Anschlussfläche 9 abgasdicht angeschlossen ist.
In den Abgaskanal 1 ist in einem geradlinigen Bereich ein Flanschbuchsen-Einsatz 10 eingesetzt, der mit weiteren Details in den 2a und 2b vergrößert dargestellt ist:
Der Flanschbuchsen-Einsatz 10 ist hier aus einem Buchsenteil 11 und einem endseitigen Flanschteil 12 aufgebaut.
In einer ersten Ausführungsform nach 2a (oberer Bereich von 2) weist das Buchsenteil 11 gegenüberliegend zum Flanschteil 12 zwei nebeneinander liegende Sicken 13a, 13b als Abstandshalter und Dichtelemente auf, mit denen das Buchsenteil 11 an der Abgaskanal-Innenwand anliegt. Dadurch wird entsprechend der Sickenhöhe zwischen dem Flanschteil 12 und der Sicke 13b ein thermisch isolierender, umlaufender Isolierspalt 14 als Luftspalt ausgebildet.
In einer zweiten, alternativen Ausführungsform nach 2b (unterer Bereich von 2) ist gegenüberliegend zum Flanschteil 12 nur eine umlaufende Sicke als Abstandshalter und Dichtelement angebracht und das Buchsenteil weist außenseitig ein thermisches Isolierelement und/oder -material, hier beispielsweise eine Beschichtung 16 mit thermisch isolierendem Material, auf, die den Luftspalt der ersten Ausführungsform nach 2a ausfüllt und sich hier lediglich beispielhaft noch in den Bereich des Flanschteils 12 erstreckt. Alternativ zur Beschichtung könnte auch eine aufsteckbare Isoliermaterial-Buche oder wenigstens eine Isoliermaterial- Schale vorgesehen werden, die dann bezüglich des gezeigten Einbauzustandes im Wesentlichen baugleich mit der Beschichtung 16 ausgebildet sind.
Das Flanschteil 12 liegt hier beispielhaft bei beiden Ausführungsformen nach 2a und 2b jeweils in einer Ringnut 17 der Zylinderkopf-Anschlussfläche 6 ein. In der ersten Ausführungsform nach 2a stützt sich der Flanschteil 12 axial mit einer umlaufenden, elastischen Sicke 18 an der Zylinderkopf-Anschlussfläche 6 bzw. in der Ringnut 17 der Zylinderkopf-Anschlussfläche 6 ab und ragt axial in Richtung des Auspuffkrümmers 8 so ab bzw. steht so über, dass dieser bei der Montage das Flanschteil 12 als Dichtelement einspannt. In der Ausführungsform nach 2b ist hier beispielsweise am Flanschteil 12 ein in Richtung des Auspuffkrümmers 8 ragender Dichtring 19, gegebenenfalls materialeinheitlich mit der Beschichtung 16, aufgebracht. Es versteht sich, dass die Dichtlösungen (Sicke 18 und Dichtring 19) am Zylinderteil 12 hier ebenso in Kombination miteinander verwendet werden können als auch vertauscht verwendet werden können, d.h. der Dichtring 19 in Verbindung der Ausgestaltung im oberen Bereich der 2b und die Sickenlösung 18 in Verbindung mit der Ausgestaltung im unteren Bereich der 2b.
Mit dem Flanschbuchsen-Einsatz 10 sind hier zwei Funktionen, nämlich die thermische Isolierung des Abgaskanals 1 mit dem Buchsenteil 11 und die Abdichtung des Auspuffkrümmers 8 mit dem Flanschteil 12 in einem einzigen Bauteil kombiniert, dessen Herstellung und Montage auf sehr einfache Weise möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Abgaskanal
2: Zylinderkopf
3: Auslassventil
4: Kühlkanal
5: Kühlkanal
6: Zylinderkopf-Anschlussfläche
7: Verschraubungen
8: Auspuffkrümmer
9: Auspuffkrümmer-Anschlussfläche
10: Flanschbuchsen-Einsatz
11: Buchsenteil
12: Flanschteil
13a, 13b: Sicken
14: Isolierspalt
15: Sicke
16: Beschichtung
17: Ringnut
18: Sicke
19: Dichtring

Claims

Zylinderkopf mit angeschlossenem Auspuffkrümmer einer Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf (2) wenigstens einen Abgaskanal (1) aufweist, der an einer äußeren Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) endet, an der mit einer zugeordneten Auspuffkrümmer-Anschlussfläche (9) der den Abgaskanal (1) weiterführende Auspuffkrümmer (8) angeschlossen ist, vorzugsweise mittels wenigstens einer Schraubverbindung (7) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abgaskanal (1) des Zylinderkopfs (2) ein Flanschbuchsen-Einsatz (10), der ein Buchsenteil (11) und ein endseitiges Flanschteil (12) aufweist, eingesetzt ist, dass das Buchsenteil (11) wenigstens eine radial abstehende, umlaufende Sicke (13a, 13b; 15) als Abstandshalter und Dichtelement aufweist, mit der das Buchsenteil (11) an der Abgaskanal-Innenwand anliegt, dass das Flanschteil (12) ringscheibenförmig, radial am äußeren Ende des Flanschbuchsen-Einsatzes (10) abragt und zwischen der Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) und der Auspuffkrümmer-Anschlussfläche (9), vorzugsweise dicht, eingespannt ist, dergestalt dass zwischen der Abgaskanal-Innenwand und der Buchsenteil-Außenwand sowie zwischen dem Flanschteil (12) und einer axial nächstliegenden Sicke (13b) und/oder zwischen zwei axial nebeneinanderliegenden Sicken (13a, 13b) ein von einer Abgasströmung abgekoppelter, thermisch isolierender, umlaufender Isolierspalt (14) mit einer Spaltbreite entsprechend der Sickenhöhe gebildet ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschbuchsen-Einsatz (10) einstückig und/oder materialeinheitlich aus einem hitzebeständigen und/oder elastischen Material, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, hergestellt ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Teilbereichen des Isolierspalts (14) auf der Buchsenteil-Außenwand ein thermisches Isolierelement und/oder -material (16), vorzugsweise in der Isolierspaltbreite, angebracht ist
Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Isolierelement und/oder -material (16) durch eine Beschichtung und/oder durch eine, vorzugsweise aufgesteckte, Isoliermaterial-Buchse und/oder durch wenigstens eine, vorzugsweise aufgesteckte, Isoliermaterial-Schale ausgebildet ist.
Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sicke (13a; 15) im axialen Buchsenteilendbereich gegenüberliegend zum Flanschteil (12) angeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsenteillänge im Wesentlichen der Abgaskanallänge im Zylinderkopf (2) entspricht.
Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flanschteil (12) in einer Ringnut (17) der Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) einliegt.
Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flanschteil (12) zwischen der Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) und der Auspuffkrümmer-Anschlussfläche (9) als Dichtflansch oder als Dichtflansch und zur axialen Buchsenfixierung eingespannt ist.
Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Flanschteil (12) axial mit wenigstens einer umlaufenden, vorzugsweise elastisch ausgebildeten, Sicke (18) an der Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) abstützt, insbesondere in der Ringnut (17) der Zylinderkopf-Anschlussfläche (6) abstützt.
Zylinderkopf nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschteil (12) axial in Richtung des Auspuffkrümmers (8) abragt, so dass dieser bei der Montage das Flanschteil (12) als Dichtelement einspannt.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Flanschteil (12) ein in Richtung des Auspuffkrümmers (8) ragender, insbesondere abragender, Dichtring (19)vorgesehen ist,
Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (2) mit angeschlossenem Auspuffkrümmer (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.