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Die Erfindung befasst sich mit einem teilbeschichteten kühlmittelgekühlten Abgaskrümmer für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine. Ein beschichteter Abgaskrümmer ist aus der
DE 10 2017 130 806 A1 bekannt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines kühlmittelgekühlten Abgaskrümmers für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine beschrieben, so wie diese in einem Personenkraftwagen zum Einsatz kommt, dies ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung auf eine solche Anwendung zu verstehen.
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Eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug muss bei hoher Leistungsdichte eine hohe Abgasqualität im Sinn eines geringen Schadstoffausstoßes erreichen. Dabei bedingt bei den eingesetzten Brennkraftmaschinen in Hubkolbenbauweise, insbesondere den sogenannten Ottomotoren, eine hohe Leistungsdichte einer grundsätzlich hohen Abgastemperatur, welche Bauteil im Abgasstrang hohen thermischen Belastungen aussetzt. Zur Vermeidung von Emissionen, insbesondere von CO2, und zum Schutz von Bauteilen im Abgasstrang der Brennkraftmaschine, insbesondere dem Abgasturbolader und dem Katalysators, werden bei Brennkraftmaschinen mit Turboaufladung die Abgase mittels eines sogenannten zylinderkopfintegrierten Krümmers bereits im Zylinderkopf durch Kühlmittel heruntergekühlt.
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Jeder Zylinder weist einen eigenen Auslass für das Abgas aus, wobei diese einzelnen Auslässe konzeptbedingt möglichst schnell zusammen- und dann einem Abgasturbolader (Turbinenseite) zugeführt werden. Nachdem Zusammenführen von wenigstens zwei oder mehreren Auslässen auf eine gemeinsame Abgasführung weist der in dieser gemeinsamen Abgasführung geführte Abgasstrom eine hohe Wärmestromdichte auf.
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Aus der
DE 10 2017 130 806 A1 ist ein Verfahren zum Beschichten von Motorbauteilen wie einem Krümmer mit thermischer Spritzabscheidung von Mikrohohlkugeln bekannt. Aus der
DE 10 2016 102 313 A1 ein Zylinderkopf aus Hybridverbundmetall bekannt, wobei Bauteile des Zylinderkopfes eine Keramikbeschichtung aufweisen können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Abgaskrümmer mit einer verbesserten Betriebssicherheit anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen teilbeschichteten kühlmittelgekühlten Abgaskrümmer für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst, sowie durch eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgaskrümmer gemäß Patentanspruch 5. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer Brennkraftmaschine eine thermische Kraftmaschine mit innerer Verbrennung zu verstehen. Vorzugsweise ist eine solche Brennkraftmaschine in Hubkolbenbauweise ausgeführt und nach dem Otto- oder Dieselprinzip betreibbar. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als sogenannte mehr Zylinder Brennkraftmaschine ausgebildet und weist demnach wenigstens zwei Brennräume, vorzugsweise wenigstens zwei oder mehr sogenannte Zylinder, auf, vorzugsweise weist die mehr Zylinder Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Brennräumen auf. Zur Abführung von Abgas, welches bei der Verbrennung von Kraftstoff in den Brennräumen entsteht, weist jeder dieser Brennräume einen Auslass für das Abgas auf, vorzugsweise ist ein solcher Auslass mittels eines Ventils selektiv verschließ- und offenbar.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einem Abgaskrümmer ein Bauteil zu verstehen, welches zum Führen von Abgas aus den Brennräumen der Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Weiter vorzugsweise ist ein derartiger Abgaskrümmer bezogen auf die Durchflussrichtung von Abgas ausgehend von der Brennkraftmaschine zwischen dem Auslass für Abgas aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine und einem im Abgasstrang angeordneten Abgasturbolader angeordnet. Weiter vorzugsweise ist der Abgaskrümmer dazu eingerichtet, dass einzelne Abgaskanäle zu einem gemeinsamen Abgaskanal, vorzugsweise zu einem einzigen gemeinsamen Abgaskanal und weiter vorzugsweise zu einer Vielzahl von gemeinsamen Abgaskanälen zusammengeführt sind. Weiter vorzugsweise werden in einem Abgaskrümmer wenigstens zwei Abgasfluten zu einer gemeinsamen Abgasflut zusammengeführt. Weiter vorzugsweise ist der vorgeschlagene Abgaskrümmer als zylinderkopfintegrierter Abgaskrümmer ausgebildet, insbesondere ist der Abgaskrümmer also einstückig mit einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet. Vorzugsweise weist der Abgaskrümmer zum Führen von Abgas aus jedem einzelnen der Brennräume der Mehrzylinderbrennkraftmaschine einen eigenen Abgaskanal auf, wobei weiter vorzugsweise wenigstens zwei dieser einzelnen Abgaskanäle zu einem gemeinsamen Abgaskanal im Abgaskrümmer zusammengeführt sind. Weiter vorzugsweise weist der Abgaskrümmer als einen Bestandteil eine Aluminiumlegierung auf und weiter vorzugsweise besteht der Abgaskrümmer wenigstens im Wesentlichen aus einer solchen Aluminiumlegierung.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einem kühlmittelgekühlten Abgaskrümmer ein Abgaskrümmer der zuvor beschriebenen Bauart zu verstehen, welcher von außen durch ein gesondertes Kühlmittel, also insbesondere nicht durch Umgebungsluft, wenigstens abschnittsweise oder vorzugsweise vollständig gekühlt ist beziehungsweise kühlbar ist. Bildlich gesprochen ist der kühlmittelgekühlte Abgaskrümmer, wenigstens abschnittsweise, als doppelwandiges Rohr zu verstehen, wobei im Innenbereich dieses doppelwandigen Rohrs das Abgas aus dem Auslass der Brennkraftmaschine führbar ist und im Zwischenbereich zwischen zwei Wandungen das Kühlmittel zum Kühlen des im Inneren des Rohrs geführten Abgases.
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Weiter vorzugsweise weist der kühlmittelgekühlte Abgaskrümmer einen ersten Abgaskanal und wenigstens einen zweiten Abgaskanal auf, und weiter vorzugsweise werden diese beiden Abgaskanäle zu einem gemeinsamen Abgaskanal zusammengeführt. Bezogen auf eine planmäßige Durchströmung des kühlmittelgekühlte Abgaskrümmers wird im planmäßigen Betrieb des Abgaskrümmers das aus den Brennräumen strömende Abgas zunächst jeweils in einem eigenen Abgaskanal geführt (erste und wenigstens ein zweiter Abgaskanal) und diese wenigstens zwei einzelnen Abgaskanäle werden dann fluidisch zu dem einen gemeinsamen Abgaskanal zusammengeführt, so dass dieser gemeinsame Abgaskanal im planmäßigen Betrieb der Brennkraftmaschine das Abgas aus wenigstens zwei oder vorzugsweise mehr und bevorzugt aus allen Brennräumen der Mehrzylinderbrennkraftmaschine führt.
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Die Abgaskanäle weisen insbesondere zur Führung des Abgases eine sogenannte Kanalwandung mit einer Innenfläche und einer Außenfläche auf. Wie dargelegt ist eine solcher Abgaskanal wenigstens abschnittsweise als doppelwandiges Rohr zu verstehen, wobei die beschriebene Kanalwandung die Innere Wandung eines solchen doppelwandigen Rohres darstellt. Die Innenfläche der Kanalwandung ist dabei einem durch den Abgaskrümmer geführten Abgasstrom zugewandt, insbesondere ist damit also im planmäßigen Betrieb des Abgaskrümmers die Kanalwandung des ersten Abgaskanals dem aus dem ersten Brennraum stammenden Abgasstrom zugewandt, die Kanalwandung des zweiten Abgaskanals ist dem aus dem zweiten Brennraum stammenden Abgasstrom zugewandt und die Kanalwandung des gemeinsamen Abgaskanals ist dem aus dem ersten und zweiten Abgaskanal zusammengeführten gemeinsamen Abgasstrom zugewandt. Weiter ist die Außenfläche der Kanalwandung im planmäßigen Betrieb des Abgaskrümmers von einem flüssigen Kühlmedium kontaktiert, wobei somit ein Wärmestrom aus dem Abgasstrom über in dieses Kühlmedium abführbar ist. Die Führung für das Kühlmedium wird durch die zuvor beschriebene Kanalwandung und einen äußeren Abgaskrümmermantel erreicht.
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Weiter weist die Innenfläche der Kanalwandung wenigstens einen ersten Bereich auf, in welchem diese Innenfläche eine thermische Beschichtung aufweist. Dabei ist in diesem Sinn als die Innenfläche insbesondere die innere Oberfläche, also die einem der zuvor genannten Abgasströme zugewandte Oberfläche, des ersten, wenigstens einen zweiten und gemeinsamen Abgaskanals und vorzugsweise sämtlicher Abgaskanäle, zu verstehen. Im Sinne der Erfindung ist unter einer thermischen Beschichtung ein Materialauftrag auf der Kanalwandung, also auf der zuvor erläuterten Innenfläche, zu verstehen, welche eine höhere thermische Beständigkeit als die Kanalwandung selbst aufweist. Vorzugsweise also eine höhere Temperaturfestigkeit als das Material auf welches diese thermische Beschichtung auf gebracht ist. Weiter vorzugsweise weist die thermische Beschichtung eine geringere thermische Leitfähigkeit auf, als das Material auf welches diese aufgebracht ist. Weiter vorzugsweise ist unter einer solchen thermische Beschichtung ein nicht metallischer Materialauftrag zu verstehen. Weiter vorzugsweise ist unter einer solchen thermischen Beschichtung ein dauerhafter Materialauftrag zu verstehen.
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Weiter weist die Innenfläche der Kanalwandung einen zweiten Bereich auf, in welchem diese keine thermische Beschichtung aufweist, vorzugsweise bildet das Material aus welchem der Abgaskrümmer wenigstens im Wesentlichen besteht die Innenfläche in diesem zweiten Bereich.
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Insbesondere durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Erfindung ist es ermöglicht die Innenfläche der Kanalwandung nur teilweise beschichten und so ein betriebssicheres und kostengünstiges Bauteil darzustellen.
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Die thermische Beschichtung behindert den Wärmeübergang aus dem Abgas in die Kanalwandung, dies ist einerseits gut, da so die thermische Beanspruchung der Kanalwandung sinkt, anderseits ist das nachteilig, weil so weniger Wärme aus dem Abgas in das Kühlmittel abführbar ist. Eine teilweise Beschichtung (erster Bereich) und eine teilweise nicht Beschichtung (zweiter Bereich) ermöglicht eine hohe Betriebssicherheit und einen guten Wärmeübergang in das Kühlmedium.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Innenfläche des gemeinsamen Abgaskanals mit der thermischen Beschichtung beschichtet oder weiter vorzugsweise ist wenigstens der Abschnitt des gemeinsamen Abgaskanals mit der thermischen Beschichtung beschichtet, welcher im planmäßigen Betrieb des Abgaskrümmers dazu eingerichtet ist von Abgas aus der Brennkraftmaschine kontaktiert zu werden. Insbesondere bei einer solchen Ausgestaltung ist damit dieser erste Bereich die gesamte Innenfläche des gemeinsamen Abgaskanals zu verstehen. Untersuchungen haben gezeigt, dass es insbesondere im gemeinsamen Abgaskanal zu Beschädigungen an der Innenfläche dies Kanal kommen kann und durch eine thermische Beschichtung ist die Haltbarkeit des gesamten Abgaskrümmers verbesserbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die thermische Beschichtung als eine keramische Beschichtung ausgebildet. Insbesondere keramische Beschichtungen weisen eine hohe Temperaturfestigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit auf und mit einer solchen ist daher ein betriebssicherer Abgaskrümmer erreichbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die thermische Beschichtung eine Schichtdicke von mehr als einem Zehntelmillimeter auf und weiter vorzugsweise und von weniger als einem Millimeter. Insbesondere ist unter der Schichtdicke eine wenigstens abschnittsweise vorliegende mittlere Schichtdicke zu verstehen. Weiter vorzugsweise ist dieser Bereich für die Schichtdicke von besonderer Bedeutung, einerseits ist vorgesehen, einen großen Wärmestrom aus dem Abgasstrom in das Kühlmedium abzuführen, dazu ist ein geringe Schichtdicke und hohe Wärmeleitfähigkeit für die thermische Beschichtung vorzusehen, anderseits ist die Kanalwandung im Bereich des gemeinsamen Abgaskanals vor thermischer Beschädigung zu schützen, dazu ist eine große Schichtdicke und niedrige Wärmeleitfähigkeit vorzusehen. Der oben genannte Bereich der Schichtdicke löst diesen Zielkonflikt auf.
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Weiter ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als Zwei- oder Mehrzylinderbrennkraftmaschine ausgeführt. Weiter vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als sogenannter Ottomotor ausgebildet, insbesondere bei Ottomotoren treten hohe Abgastemperaturen auf. Weiter vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als Brennkraftmaschine mit zylinderkopf integriertem Abgaskrümmer ausgebildet. Im Sinne der Erfindung ist unter einer solchen Brennkraftmaschine eine Brennkraftmaschine zu verstehen, bei welcher Abgaskanäle für die Brennräume unmittelbar im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, wobei von jedem der Brennräume der Brennkraftmaschine ein Abgaskanal ausgehet und zumindest ein erster und einer zweiter Abgaskanal im Zylinderkopf zu einem gemeinsamen Abgaskanal zusammengeführt sind Abgaskanäle. Im Gegensatz dazu sind Abgaskrümmer bekannt die als Bauteil an den Zylinderkopf angebracht werden und bei denen in diesem Zylinderkopf externen Bauteil einzelne Abgaskanäle zu einem gemeinsamen Abgaskanal zusammengeführt sind. Weiter vorzugsweise weist der zylinderkopfintegrierte Abgaskrümmer einen Kühlmantel auf, welcher von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Weiter vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine wenigstens einen Betriebsmodus auf, in welchem diese im unbefeuerten Betrieb betriebene wird, insbesondere ist darunter eine sogenannte Schubabschaltung zu verstehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlmittel, welcher zur Kühlung des Abgaskrümmers herangezogen wird, aus einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine entnommen. Insbesondere mit einer solchen Ausgestaltung ist eine effiziente Kühlung des kühlmittelgekühlten Abgaskrümmers ermöglicht.
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Nachfolgend ist eine Ausführungsform der Erfindung sowie Merkmale dieser anhand der Figur näher erläutert, dabei zeigt:
- 1: Eine Schnittdarstellung eines zylinderkopfintegrierten Abgaskrümmers mit thermischer Beschichtung.
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In 1 ist ein schematisierter Schnitt durch einen zylinderkopfintegrierten Abgaskrümmer dargestellt. Die Mehrrzylinderbrennkraftmaschine, für welche dieser vorgesehen ist, ist als Dreizylindermotor in Hubkolbenbauweise ausgebildet. Aus den drei Brennräumen dieser Brennkraftmaschine strömen die einzelnen Abgasströme (4, erster Zylinder, 4a zweiter Zylinder, 4b dritter Zylinder) und werden von dem kühlmittelgekühlten Abgaskrümmer zu einem gemeinsamen Abgasstrom 7 vereinigt. Zum Vereinigen der Abgasströme 4, 4a, 4b weist der kühlmittelgekühlte Abgaskrümmer den gemeinsamen Abgaskanal 8 auf, in welchem zunächst der Abgasstrom 4 aus dem ersten Brennraum und der Abgasstrom 4a aus dem zweiten Brennraum zusammengeführt werden und dann wird auch noch der Abgasstrom 4b aus dem dritten Brennraum eingeleitet. Zum Führen der einzelnen Abgasströme (4, 4a, 4b) sind somit ein erster Abgaskanal 1 sowie ein zweiter Abgaskanal 2a und ein weiterer zweiter Abgaskanal 2b vorgesehen und stromabwärts zu diesen Abgaskanälen 1, 2a, 2b ist noch der gemeinsame Abgaskanal 8 vorgesehen.
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Die Kanalwandung 6 ist schraffiert dargestellt, der diese Wandung 6 umgebende Kühlwassermantel 5 ist strichliert dargestellt. Durch eine solche doppelwandige Ausprägung des kühlmittelgekühlten Abgaskrümmers ist erreichbar, dass das Innere, also dort wo durch die Abgaskanäle 1, 2a, 2b und 8 das Abgas aus den Brennräumen geführt ist, die Wandung 6, welche die Abgaskanäle 1, 2a, 2b und 8 umgibt beziehungsweise bildet, wenigstens weitgehend vom Kühlwassermantel 5 umgeben ist, so dass Wärme aus dem Abgas an den Kühlwassermantel abgeführt wird.
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Ab der Stelle, an welcher zwei Abgasströme aus zwei Brennräumen zusammengeführt sind, hier der Abgasstrom 4 aus dem ersten Brennraum und der Abgasstrom 4a aus dem zweiten Brennraum, ist der gemeinsame Abgaskanal 8 gebildet. In den gemeinsamen Abgaskanal 8 ist stromabwärts, bezogen auf die planmäßige Durchströmung des Abgaskrümmers, auch noch der Abgasstrom 4b aus dem dritten Brennraum eingeleitet. Im gemeinsamen Abgaskanal 8 herrscht eine hohe thermische Belastung für die Wandung 6, um die Betriebssicherheit zu erhöhen ist im Bereich des gemeinsamen Abgaskanal 8 die thermische Beschichtung 3b auf der Innenfläche der Kanalwandung 6 aufgebracht, die bildet damit den sogenannten ersten Bereich der Innenfläche. Im zweiten Bereich 3a der Innenfläche sind die Abgaskanäle 1, 2a, 2b, welche einzeln von den Brennräumen der Brennkraftmaschine weg führen, nicht beschichtet.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, sind in bestimmten Bereichen des kühlmittelgekühlten Abgaskrümmers, insbesondere im gemeinsamen Abgaskanal, die auftretenden Wärmestromdichten so hoch, dass es auf der Kühlmittelseite der Kanalwandung zum verstärkten Sieden mit einer Überhitzung der der Kanalwandung, insbesondere der Aluminiumlegierung aus welcher diese bestehen kann, und in der Folge zu einer Schädigung derselben kommen kann. Zusätzlich kommt es je nach verwendetem Kühlmittel auf der Kühlmittelseite, also auf der Seite der Kanalwandung welche vom Kühlmedium kontaktiert ist, zu isolierenden Ablagerungen, welche den Wärmeübergang verschlechtern können und damit in Konsequenz die Temperatur in der Kanalwandung nochmals schädigend anheben können. Im praktischen Betrieb kann es auf der Abgasseite der Kanalwandung, also der Seite, welche von Abgas kontaktierbar ist, zu isolierenden Rußablagerungen mit einer hohen Isolationsfähigkeit. Durch eine solche betriebsbedingte Beschichtung, werden die erreichten Wärmestromdichten signifikant erniedrigt (Wärmeübergang aus dem Abgas in die Kanalwandung ist verschlechtert), und eine Schädigung der Kanalwandung kann dadurch vermieden oder verzögert sein, ähnliche Phänomene treten im Brennraum einer Dieselbrennkraftmaschine auf. Das Problem liegt in dem Umstand, dass die schützenden Rußschichten durch sauerstoffreichen Betrieb (z.B. ungefeuerter Schub) wieder abgebaut werden können und es in Folge zu einer Schädigung mit folgender Rissbildung in der Kanalwandung kommen kann.
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Zum Schutz vor Überhitzung der Kanalwandung ist vorgeschlagen, die hochbelasteten Stellen (im Bereich der Zusammenführung von einzelnen Abgasfluten) dieser mit einer dauerhaften schützenden Schicht, sogenannte thermische Beschichtung, zu versehen. Dann ist das Zylinderkopfmaterial, also der Werkstoff aus welchem die Kanalwandung gebildet ist, auch im Falle eines kompletten Rußabbaus (oder bei noch nicht aufgebauten Rußschicht) vor Überhitzung geschützt. Durch die Teilbeschichtung, also das Beschichten bestimmter Bereiche und das unbeschichtet lassen anderer Bereiche sowie durch die Begrenzung der Schichtdicke, wird dann das Abgas immer noch ausreichend gekühlt, da im unbeschichteten Bereich der Wärmeübergang in die Kanalwandung nicht durch die thermische Beschichtung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit behindert ist.
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Vorzugsweise ist eine keramische Beschichtung mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit (im Bereich von 10 W/(m K)) vorzugsweise durch Aufspritzen oder bevorzugt im Tauchverfahren von der Auslassseite her, also der Seite an der die Abgas aus dem kühlmittelgekühlten Abgaskrümmer planmäßig austreten, aufgebracht. Weiter vorzugsweise ist die Schichtdicke aus einem Bereich von 1/10 mm bis 1 mm ausgewählt und beträgt vorzugsweise mehrere Zehntelmillimeter. Eine solche Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erster Abgaskanal
- 2a
- Zweiter Abgaskanal
- 2b
- Weiterer zweiter Abgaskanal
- 3a
- Zweiter Bereich der Innenfläche
- 3b
- Erster Bereich der Innenfläche mit thermischer Beschichtung
- 4
- Abgasstrom aus dem ersten Brennraum
- 4a
- Abgasstrom aus dem zweiten Brennraum
- 4b
- Abgasstrom aus dem dritten Brennraum
- 5
- Kühlmedium / Kühlwassermantel
- 6
- Kanalwandung
- 7
- Gemeinsamer Abgasstrom
- 8
- Gemeinsamer Abgaskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017130806 A1 [0001, 0005]
- DE 102016102313 A1 [0005]
