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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem temperaturgesteuerten Auslasskanal.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen hat das Abgas, welches durch Auslassventile den Brennraum verlässt eine relativ hohe Temperatur und dies geht mit einer hohen thermischen Belastung des Zylinderkopfs einher. Um diese zu begrenzen ist z.B. aus
DE 10 2005 011 232 A1 bekannt, im Bereich der Auslassventile eine Kühlung, insbesondere eine Wasserkühlung einzusetzen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Temperaturführung des Abgases zu verbessern, dahingehend, dass die thermische Belastung der Komponenten, insbesondere der des Zylinderkopfes, in einem akzeptablen Bereich zu halten. Insbesondere soll auch dafür gesorgt werden, dass der Wirkungsgrad des Motors möglichst hoch ist. In einer weiteren, nachgelagerten Aufgabe soll insbesondere die Qualität der Abgasnachbehandlung verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Auslasskanal, wobei der Auslasskanal einen Temperatursteuerungsbereich aufweist. Dabei umfasst der Temperatursteuerungsbereich zumindest zwei getrennte Kanäle oder Zonen. Die beiden getrennten Kanäle oder Zonen sind insbesondere fluidal getrennt. Hierdurch wird es ermöglicht, gezielt einen gewünschten Temperaturverlauf innerhalb des Auslasskanals zu realisieren. Insbesondere kann zu Beginn des Auslasskanals sehr schnell und effektiv gekühlt werden, um so die thermische Belastung des Zylinderkopfs zu begrenzen. In einer nachfolgenden zweiten Zone kann entweder aktiv oder durch das (passive) Mittel einer Isolierung dafür gesorgt werden, dass sich ein gewünschtes Temperaturprofil einstellt, bzw. das Abgas in dieser Zone nicht weiter oder nur unwesentlich abkühlt, was zu einer im Vergleich zum Stand der Technik höheren Temperatur des Abgases am Auslass aus dem Auslasskanal führt. Hierdurch und insbesondere die genannte Isolierung kann z.B. bei einem Kaltstart ein schnelleres Erwärmen des Abgases für eine bessere Abgasnachbehandlung erreicht werden, wie auch ein höheres Temperaturgefälle für einen Abgasturbolader und somit bessere Effizienz. Zudem ergibt sich, insbesondere über eine Steuerung der Temperatur und Durchflussmenge im Kühlkanal, wie auch eine ggf. aktive Temperatursteuerung in der zweiten Zone die Möglichkeit einer lokalen Einstellbarkeit der abzuführenden Wärme in geforderten Randbedingungen. Vorteilhaft ist somit insbesondere, wenn der Temperatursteuerungsbereich benachbart zum Einlass in den Auslasskanal einen Kühlkanal aufweist. Der Kühlkanal ist insbesondere für eine Flüssigkeitskühlung, da dies eine effektive Kühlung des Abgases ermöglicht.
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Insbesondere kann der Temperatursteuerungsbereich eine zweite Zone umfassen, die zumindest eine Freimachung aufweist, um dadurch einen radialen Wärmefluss im Auslasskanal zu reduzieren. Anders ausgedrückt: Die zweite Zone ist in der vorgesehenen Strömungsrichtung des Motorenabgases beabstandet vom Einlass des Auslasskanals. Die zweite Zone ist bevorzugt stromabwärts von dem Kanal der Flüssigkeitskühlung. Die Freimachung kann im Auslasskanal innenliegend sein, was bedeutet, dass sie im Wesentlichen von allen Seiten vom Material des Auslasskanals umgeben ist. Die Freimachung kann eine im Wesentlichen geschlossene Kavität sein. Die Freimachung kann teilweise oder komplett umlaufend um den Auslasskanal angeordnet sein. Die Länge der Freimachung in Auslasskanallängsrichtung kann bevorzugt mindestens dem Fließdurchmesser des Auslasskanals entsprechen, um so eine hinreichende Mindestlänge der Isolierung zu erreichen. Wenn die zweite Zone in mehrere Unterzonen aufgeteilt sein sollte, so wird hier die Summe der Unterzonen betrachtet. Der genannte Wärmefluss wird insbesondere als eine Wärmeleitung durch das Material des Auslasskanals verstanden. Durch diese Mittel wird unter der Ausnutzung, dass Luft eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das (metallische) Material des Zylinderkopfs hat, erreicht, dass die Wärmeableitung in dieser zweiten Zone aus dem Abgasstrom reduziert ist.
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Insbesondere kann vorteilhaft sein, wenn der Temperatursteuerungsbereich einen Kühlkanal und eine zweite Zone mit einem dazwischen liegenden Isolierbereich aufweisen, der als ein materialfreier Bereich der thermischen Isolierung ausgeführt ist. Der Isolierbereich ist insbesondere fluidal von dem Kühlkanal und der zweiten Zone getrennt. Der materialfreie Bereich kann insbesondere innenliegend sein, was bedeutet, dass er von im Wesentlichen allen Seiten vom Material des Auslasskanals umgeben ist. Da das Kühlmittel im Kühlkanal sich schnell stark erwärmt, wird durch diesen Isolierbereich erreicht, dass der thermische Einfluss auf die zweite Zone möglichst gering ist.
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In einer ersten bevorzugten Alternative weist die zweite Zone keine Anschlussbereiche für ein durchzuleitendes Temperiermittel auf. Dies ist eine einfache Ausführungsform, die kostengünstig realisiert werden kann und dann verwendet wird, wenn es ausreichend bzw. gewünscht ist, dass die Abgastemperatur sich in der zweiten Zone nicht wesentlich ändert. Und in einer alternativen zweiten Ausführungsform kann die zweite Zone mit einem Ein- und einem Auslass versehen sein, um mit einem Temperiermittel durchströmt zu werden. Diese Alternative kann verwendet werden, wenn erkannt wird, dass zusätzlich zur Kühlung des genannten Kühlkanals eine weitere Abkühlung oder Temperatursteuerung notwendig ist. Alternativ kann somit hier auch Wärme zugeführt werden, wenn z.B. abhängig von den situativen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs eine höhere Abgastemperatur vorteilhaft ist.
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Ferner kann die zweite Zone in einer Variante durch einen den Auslasskanal zumindest teilweise umlaufenden Bereich gebildet werden, der komplett materialfrei ist, da hierdurch eine bestmögliche thermische Trennung der Innenwand des Auslasskanals vom Rest des Zylinderkopfs erreicht wird. Aus Gründen der mechanischen Festigkeit kann es hingegen vorteilhaft sein, wenn in einer Alternative dazu zwischen der Innenwand des Auslasskanals und einer Außenwand des Auslasskanals Verbindungsstreben oder Verbindungsrippen oder entsprechende Strukturen angeordnet sind. Die Verbindungsstege sind bevorzugt nur in der zweiten Zone, nicht aber im Kühlkanal.
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Insbesondere kann der Auslasskanal sandwichartig aufgebaut sein, mit zwei beabstandeten Wänden und dem dazwischen liegenden Temperatursteuerungsbereich. Es können in bevorzugter Weise die beabstandeten Wände des Auslasskanals über einen Materialanteil von weniger als 25%, bevorzugt weniger als 15% eines dazwischen liegenden Gesamtvolumens, miteinander verbunden sein, da hierdurch die genannte vorteilhafte Isolierwirkung radial zum Auslasskanal erreicht wird.
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Auch kann insbesondere der Auslasskanal als ein Zweiventil-Auslasskanal ausgestaltet sein. Diese Auslasskanäle werden bevorzugt für Motoren mit einer höheren Leistung verwendet, was auch eine höhere Abgastemperatur bewirkt. So ergeben sich die genannten Vorteile bevorzugt für diese Motorenbauart.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Schnitt durch einen Auslasskanal einer Verbrennungskraftmaschine,
- 2 ein Detail des Auslasskanals der 1 und
- 3 ein Temperaturprofil des Abgases innerhalb des Auslasskanals.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Auslasskanal einer Verbrennungskraftmaschine. Dieser ist Teil eines Zylinderkopfs 10. Er kann eine Bodenplatte 11 umfassen, mit welcher der Zylinderkopf 10 an einem Motorblock (nicht dargestellt) befestigt werden kann. 1 zeigt einen Auslasskanal 20 eines der Zylinder des Motors, der über einen Einlass 20a mit dem Motorblock verbunden wird, so dass im Zustand eines geöffneten Auslassventils, das Verbrennungsgas aus dem Zylinder durch den Auslasskanal 20 ausgestoßen werden kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 auf die Darstellung des Auslassventils mit Ventilführung und eines entsprechenden Ventilsitzes verzichtet worden. Dennoch wird der Fachmann erkennen, dass dies für die Funktion des Motors essentiell ist. Der Auslasskanal 20 ist einstückig Teil des Zylinderkopfs, der insbesondere in einer additiven Fertigung hergestellt wurde. Eine additive Fertigung, wie insbesondere ein 3D-Druck, erlaubt eine hohe Freiheit der konstruktiven Gestaltung. So zeigt 1, dass die Wand des Auslasskanals 20 im Wesentlichen in einer sandwichartigen Geometrie ausgeführt ist. Der Auslasskanal 20 umfasst eine radial innenliegende innere Wand 20a und eine radial außen liegende äußere Wand 20b. Beide Wände 20a und 20b sind beabstandet, wobei ein Abstand gebildet wird, der im Wesentlichen eine gleichmäßige Dicke aufweisen kann und der als Temperatursteuerungsbereich bezeichnet wird.
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Der Temperatursteuerungsbereich ist in unterschiedliche Zonen unterteilt. Benachbart zum Ventilsitz umfasst er einen Kühlkanal 30, der weitgehend umlaufend den Auslasskanal 20 umgibt. Nicht gezeigt sind ein Ein- und ein Auslass für den Kühlkanal 30, über den eine Flüssigkeitskühlung durchgeführt werden kann. Der Ein- und Auslass können am Kühlkanal 30 benachbart zueinander angeordnet sein, und dabei nur durch eine Wand getrennt sein, die die innere und äußere Wand 20a und 20b miteinander verbindet, so dass das Kühlmedium, welches durch den Einlass in den Kühlkanal 30 strömt, um den Auslasskanal 20 herum zum Auslass strömen muss. Hierüber wird ein möglichst gleichmäßiges umlaufendes Temperaturprofil erreicht, und somit kann die Wärme aus dem Abgasstrom gleichmäßig abgeleitet werden. In Abgasrichtung stromabwärts von dem Kühlkanal 20 ist ein Isolierbereich 40 des Temperatursteuerungsbereichs angeordnet, der optional ist. Der Isolierbereich 40 trennt den Kühlkanal 30 von einer davon stromabwärts liegenden zweiten Zone 50 des Temperatursteuerungsbereichs. Der Isolierbereich 40 kann eine oder mehrere radial den Kühlkanal umlaufende Kavitäten aufweisen und durch das entsprechend fehlende Material wird ein Temperaturfluss von dem Kühlkanal 30 in die zweite Zone 50 in Form eines Wärmestroms (also Wärmeleitung durch das Material) reduziert. Für den Isolierbereich 40 ist bevorzugt keine aktive Kühlung oder Temperaturführung durch ein entsprechendes Kühlmittel vorgesehen. Die Ausdehnung der Kavität des Isolierbereichs 40 in Auslasskanallängsrichtung kann relativ gering sein und beträgt bevorzugt weniger als 5 mm und insbesondere weniger als 3 mm. Die Ausdehnung des Isolierbereichs 40 in Auslasskanalradialrichtung wird möglichst groß gewählt und wird insbesondere durch die benötigte Wandstärke der inneren und äußeren Wand 20a, 20b des Auslasskanals begrenzt.
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Die zweite Zone ist ein Bereich um den Auslasskanal, der der Reduktion der thermischen Kühlung des Abgases dient. Dieser kann sandwichartig mit den inneren und äußeren Wänden 20a und 20b und einer dazwischenliegenden weitgehend materialfreien Schicht ausgeführt sein. Um die benötigte mechanische Stabilität zu erzielen, können die Wände 20a und 20b über Rippen und/oder Stege 55 miteinander verbunden sein, wie dies in 2 gezeigt ist. Diese Rippen und/oder Stege 55 werden mit einer möglichst geringen Masse dimensioniert, da sonst über einen Wärmefluss zu viel Wärme von der inneren Wand 20a die äußere Wand 20b und somit an den Rest des Zylinderkopfs 10 abgeleitet würde. Alternativ kann eine aktive Temperaturführung vorgesehen sein, wie z.B. durch ein Temperierungsmittel einer bestimmten Temperatur, das dafür sorgt, den Auslasskanal im Bereich der zweiten Zone 50 auf einer gewünschten Temperatur zu halten.
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In 3 ist in einer gestrichelten Linie der beim Stand der Technik übliche Temperaturverlauf im Auslasskanal 20 gezeigt abhängig vom Weg s gezeigt. Zu Beginn des Auslasskanals 20a hat das Abgas seine maximale Temperatur und diese Temperatur fällt durch zwei Effekte während seines Strömens durch den Auslasskanal, nämlich durch zunächst eine aktive Kühlung und zudem durch den Wärmefluss durch das Material des Auslasskanals an das umgebende Material des Zylinderkopfs. Es ist ersichtlich, dass beim Stand der Technik die Temperatur zwar zu Beginn des Auslasskanals relativ stark fällt, aber es ist auch ein Sinken der Abgastemperatur über die gesamte Strecke im Auslasskanal erkennbar. Aufgrund des vorstehend beschriebenen Aufbaus der bevorzugten Ausführungsform (siehe die ununterbrochene Linie der 3) kann erreicht werden, dass unmittelbar nach dem Eintritt des Abgases in den Auslasskanal 20 eine deutlich schnellere Abkühlung des Abgases erreicht wird. Diese Abkühlung liegt im Bereich des Kühlkanals 30. Der Isolierbereich 40 hat keinen unmittelbaren wesentlichen Einfluss auf die Abgastemperatur. Der nachfolgende Bereich der zweiten Zone 50 sorgt aufgrund der Isolierwirkung dafür, dass das Abgas sich in diesem Bereich nicht weiter (oder nur unwesentlich) abkühlt. Dies ist vorteilhaft, da für die nachfolgende Abgasnachbehandlung, wie auch mögliche Abgasturbolader u.ä. eine hohe Abgastemperatur gewünscht wird. Diese ist im vorliegenden Beispiel die Temperatur TSoll und sie wird bei der Ausführungsform der Erfindung nicht unterschritten. Da die Temperatur unmittelbar nach dem Eingang 20a in den Auslasskanal 20 erfindungsgemäß stärker reduziert wird als beim Stand der Technik, ergibt sich der Effekt, dass die Materialbelastungen des Zylinderkopfs reduziert sind.
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Als ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis wird bewirkt, dass sich bei einem (Kalt-)Start des Motors der Auslasskanal 20 schneller auf Betriebstemperatur aufwärmt. Dies wird durch die beschriebene Sandwichstruktur erreicht, da im Wesentlichen zunächst nur die innere Wand 20a sich erwärmen muss und aufgrund der geringen Masse der Anbindung der inneren Wand 20a an den Hauptkörper, bzw. Rest des Zylinderkopfs, wird ein Abfluss der Wärme reduziert oder zumindest verzögert.
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Der Zylinderkopf wird bevorzugt in einem additiven Herstellverfahren, wie z.B. einem 3D-Druck hergestellt. Dadurch wird ein Maximum der konstruktiven Freiheit ermöglichst. Bspw. ist es so möglich, den Kühlkanal 30 so dicht an den Ventilsitz zu legen, dass seine Position nur durch die notwendige mechanische Festigkeit dieses Bereichs bestimmt wird. Auch kann der Fließquerschnitt des Kühlmediums im Kühlkanal 30 so bestimmt werden, dass keine Totwassergebiete entstehen, also Bereiche, in denen die Fließgeschwindigkeit relativ gesehen gering ist, was zu einer übermäßigen Erwärmung des Kühlmediums in diesem Bereich führt. Bevorzugt gibt es in diesem Sinne im Kühlkanal 30 wie auch dessen Ein- und Auslass keine abrupten Querschnittsänderungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005011232 A1 [0002]
