DE102020105430A1

DE102020105430A1 - Zylinderkopf

Info

Publication number: DE102020105430A1
Application number: DE102020105430.0A
Authority: DE
Inventors: Masahiko Asano; Noboru Takagi; Naoto Hisaminato; Minoru OKIMURA; Shinya Wakabayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: CN111810312B; CN111810312A; DE102020105430B4; US20200325846A1; US11111876B2; JP2020172910A; JP7256449B2

Abstract

Ein Zylinderkopf enthält eine Ausströmöffnung, durch die das aus einem Brennraum eines Verbrennungsmotors ausgestoßene Abgas strömt. Der Zylinderkopf enthält eine erste Rippe bzw. Lamelle und eine zweite Rippe bzw. Lamelle, die von einer Innenwand der Ausströmöffnung vorstehen und sich in Strömungsrichtung des Abgases erstrecken. Der Zylinderkopf enthält einen ersten Vorsprung, der von der Innenwand der Ausströmöffnung vorsteht und sich in einer Richtung erstreckt, die die erste Lamelle schneidet. Der Zylinderkopf enthält auch einen zweiten Vorsprung, der von der Innenwand der Ausströmöffnung vorsteht und sich in einer Richtung erstreckt, die die zweite Lamelle schneidet.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor.
Beschreibung des Standes der Technik
Die japanische Offenlegungsschrift JP 2014-137026 A offenbart einen Zylinderkopf mit Vorsprüngen (im Folgenden als Rippen bzw. Lamellen bezeichnet), die von der Innenwand einer Ausströmöffnung vorstehen. In diesem Dokument wird beschrieben, dass die Wärmerückgewinnungseffizienz des Abgases erhöht werden kann, wenn die Wärme des durch die Ausströmöffnung strömenden Abgases auf die Lamellen übertragen wird.
Mit steigender Motordrehzahl erhöht sich die Temperatur des durch die Ausströmöffnung strömenden Abgases. In einem Fall, in dem Rippen bzw. Lamellen in einer Ausströmöffnung wie bei dem in dem Dokument offenbarten Zylinderkopf angeordnet sind, kann die vom Abgas auf die Lamellen übertragene Wärmemenge mit zunehmender Temperatur des durch die Ausströmöffnung strömenden Abgases übermäßig hoch werden. Wenn beispielsweise eine übermäßige Wärmemenge vom Abgas auf die Lamellen übertragen wird, kann die Temperatur des Kühlmittels, das durch den Wassermantel des Zylinderkopfes zirkuliert, übermäßig hoch werden. Bei dem in dem oben beschriebenen Dokument offenbarten Zylinderkopf wird jedoch der Fall, dass die vom Abgas auf die Lamellen übertragene Wärmemenge zu groß wird, nicht berücksichtigt.
KURZFASSUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf bereitzustellen, der geeignet ist, Situationen zu verhindern, bei denen, wenn die Temperatur des durch eine Ausströmöffnung strömenden Abgases hoch ist, die vom Abgas auf die Lamellen übertragene Wärmemenge übermäßig hoch ist.
Diese Kurzfassung soll in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorstellen, die weiter unten in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Kurzfassung dient nicht dazu, Hauptmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie als Hilfsmittel bei der Auslegung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst ein Zylinderkopf gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Ausströmöffnung, durch die aus einem Brennraum eines Verbrennungsmotors ausgestoßenes Abgas strömt, eine Rippe bzw. Lamelle mit einem Vorsprung, der von einer Innenwand der Ausströmöffnung vorsteht und sich in einer Strömungsrichtung des durch die Ausströmöffnung strömenden Abgases erstreckt, und einen Überstand bzw. Vorsprung, der von der Innenwand der Ausströmöffnung vorsteht und sich in einer Richtung erstreckt, die die Lamelle schneidet.
Weitere Merkmale und Aspekte ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung der Ausströmöffnung des Zylinderkopfes.
3 ist eine Schnittansicht der Ausströmöffnung des Zylinderkopfes.
4 ist eine Schnittansicht der Ausströmöffnung des Zylinderkopfes.
5 ist eine schematische Darstellung, die einen Vorsprung des Zylinderkopfes zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die die innere Form einer Ausströmöffnung im Zylinderkopf gemäß einer Modifikation zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausströmöffnung des Zylinderkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung, die die Ausströmöffnung des Zylinderkopfes gemäß einer Modifikation zeigt.
9 ist eine schematische Darstellung, die die innere Form einer Ausströmöffnung im Zylinderkopf gemäß einer Modifikation zeigt.
10 ist eine schematische Darstellung, die den Zylinderkopf und den Abgaskrümmer zeigt.
11 ist eine Schnittansicht, die den Vorsprung einer Modifikation zeigt.
12 ist eine schematische Darstellung, die die Ausströmöffnung des Zylinderkopfes gemäß einer Modifikation zeigt.
13 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausströmöffnung des Zylinderkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
14 ist eine schematische Darstellung, die den Abgasstrom in der Ausströmöffnung zeigt.
15 ist eine Schnittansicht des Vorsprungs des Zylinderkopfes.
16 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausströmöffnung des Zylinderkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
17 ist eine schematische Darstellung, die Lamellen in der vierten Ausführungsform zeigt.
18 ist eine schematische Darstellung, die Lamellen und den Vorsprung in der vierten Ausführungsform zeigt.
19 ist eine schematische Darstellung eines Vorsprungs des Zylinderkopfes gemäß einer Modifikation.

In den Zeichnungen und in der detaillierten Beschreibung beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Elemente. Die Zeichnungen sind möglicherweise nicht maßstabsgetreu, und die relative Größe, die Proportionen und die Darstellung der Elemente in den Zeichnungen können aus Gründen der Klarheit, Veranschaulichung und Bequemlichkeit übertrieben sein.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Beschreibung schafft ein umfassendes Verständnis der beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und/oder Systeme. Modifikationen und Äquivalente der beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und/oder Systeme sind für einen Fachmann offensichtlich. Abfolgen von Vorgängen sind beispielhaft und können, mit Ausnahme von Vorgängen, die notwendigerweise in einer bestimmten Reihenfolge ablaufen, so geändert werden, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist. Beschreibungen von Funktionen und Konstruktionen, die dem Fachmann wohl bekannt sind, können weggelassen werden.
Beispielhafte Ausführungsformen können verschiedene Formen haben und sind nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. Die beschriebenen Beispiele sind jedoch gründlich und vollständig und vermitteln dem Fachmann den vollen Umfang der Erfindung.
Erste Ausführungsform
Ein Zylinderkopf 10 einer ersten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 90 mit dem Zylinderkopf 10. Der Verbrennungsmotor 90 umfasst eine Kurbelwelle, die eine Abtriebswelle ist, und einen Kolben 94, der sich zusammen mit der Drehung der Kurbelwelle hin- und herbewegen kann. Der Verbrennungsmotor 90 enthält einen Zylinderblock 91, der den Kolben 94 aufnimmt. Der Zylinderblock 91 umfasst einen Zylinder 92, der den Kolben 94 aufnimmt. Der Zylinder 92, der Kolben 94 und der Zylinderkopf 10 definieren eine Brennkammer bzw. einen Brennraum 93. Der Verbrennungsmotor 90 ist ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor. 1 zeigt einen der Zylinder 92.
Der Zylinderkopf 10 enthält einen Ansaugöffnung 11, durch die Ansaugluft in den Brennraum 93 gesaugt wird. Der Zylinderkopf 10 enthält eine Ausströmöffnung 12, durch die das in dem Brennraum 93 verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch als Abgas ausgestoßen wird. Der Zylinderkopf 10 enthält ein Einlassventil 18, das die Ansaugöffnung 11 mit dem Brennraum 93 verbindet und von diesem trennt. Der Zylinderkopf 10 enthält eine Ventilführung 29, die das Einlassventil 18 trägt. Der Zylinderkopf 10 enthält ein Auslassventil 19, das den Brennraum 93 mit der Ausströmöffnung 12 verbindet und von dieser trennt. Der Zylinderkopf 10 enthält eine Ventilführung 29, die das Auslassventil 19 trägt. Beim Verbrennungsmotor 90 hat ein einzelner Zylinder 92 zwei Einlassventile 18 und zwei Auslassventile 19. 1 zeigt eines der Einlassventile 18 und eines der Auslassventile 19.
Der Verbrennungsmotor 90 enthält eine Zündkerze 81. Die Zündkerze 81 ist mit dem Zylinderkopf 10 gekoppelt, wobei eine Elektrode zum Brennraum 93 freiliegt. Der Zylinderkopf 10 enthält einen Wassermantel 17 als einen Kanal, in dem Kühlmittel zirkuliert.
Der Verbrennungsmotor 90 enthält einen Abgaskrümmer 95. Der Abgaskrümmer 95 ist mit dem Zylinderkopf 10 gekoppelt. Das aus dem Brennraum 93 in die Ausströmöffnung 12 ausgestoßene Abgas strömt in den Abgaskrümmer 95.
Die Ausströmöffnung 12 wird nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. 2 zeigt schematisch die Ausströmöffnung 12 von der Ventilführung 29 aus gesehen.
Wie in 2 dargestellt, umfasst die mit einem einzelnen Zylinder 92 verbundene Ausströmöffnung 12 einen ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13, einen zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 und einen stromabwärtigen Abschnitt 15. Der stromabwärtige Abschnitt 15 befindet sich stromabwärts des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 13 und des zweiten stromaufwärtigen Abschnitts 14.
Der erste stromaufwärtige Abschnitt 13 und der zweite stromaufwärtige Abschnitt 14 sind mit dem Brennraum 93 verbunden. Der erste stromaufwärtige Abschnitt 13 umfasst ein erstes Einströmende 13a, das mit dem Brennraum 93 verbunden ist. Der erste stromaufwärtige Abschnitt 13 erstreckt sich derart vom ersten Einströmende 13a stromabwärts, dass er sich mit dem zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 vereinigt und mit dem stromabwärtigen Abschnitt 15 verbunden wird. Der zweite stromaufwärtige Abschnitt 14 umfasst ein zweites Einströmende 14a, das mit dem Brennraum 93 verbunden ist. Der zweite stromaufwärtige Abschnitt 14 erstreckt sich derart vom zweiten Einströmungsende 14a stromabwärts, dass er sich mit dem ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 vereinigt und mit dem stromabwärtigen Abschnitt 15 verbunden wird. Das Abgas wird aus dem Brennraum 93 ausgestoßen, um in den ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 und den zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 zu strömen und sich dann im stromabwärtigen Abschnitt 15 zu vereinigen.
Die Ausströmöffnung 12 umfasst eine Innenwand 16, von der Vorsprünge vorstehen. Die Vorsprünge erstrecken sich in Strömungsrichtung des durch die Ausströmöffnung 12 strömenden Abgases. Wie in 2 dargestellt, enthält der Zylinderkopf 10 als Vorsprünge eine erste Rippe bzw. Lamelle 21, eine zweite Rippe bzw. Lamelle 22, eine dritte Rippe bzw. Lamelle 23 und eine vierte Rippe bzw. Lamelle 24. 1 zeigt die erste Lamelle 21 und die dritte Lamelle 23 der vier Vorsprünge.
Wie in 2 dargestellt, enthält die erste Lamelle 21 eine erste Spitze 21a, die ein stromaufwärtiges Ende ist. Die erste Spitze 21a befindet sich am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13. Die erste Lamelle 21 erstreckt sich von der ersten Spitze 21a stromabwärts. Die erste Lamelle 21 ist am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 und am stromabwärtigen Abschnitt 15 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, befindet sich die erste Lamelle 21 in der Nähe der Ventilführung 29 in der Ausströmöffnung 12.
Wie in 2 dargestellt, enthält die dritte Lamelle 23 eine dritte Spitze 23a, die ein stromaufwärtiges Ende ist. Die dritte Spitze 23a befindet sich am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13. Die dritte Lamelle 23 erstreckt sich von der dritten Spitze 23a stromabwärts. Die dritte Lamelle 23 ist am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 und am stromabwärtigen Abschnitt 15 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, befindet sich die dritte Lamelle 23 nahe dem ersten Einströmende 13a des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 13 in der Ausströmöffnung 12.
In der folgenden Beschreibung wird die Seite, auf der die Ventilführung 29 angeordnet ist, als Oberseite der Ausströmöffnung 12 bezeichnet und die Seite des ersten Einströmendes 13a des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 13 wird als Unterseite der Ausströmöffnung 12 bezeichnet. Das heißt, die erste Lamelle 21 ist an der Oberseite der Ausströmöffnung 12 angeordnet. Die dritte Lamelle 23 ist an der Unterseite der Ausströmöffnung 12 angeordnet.
Wie in 2 dargestellt, enthält die zweite Lamelle 22 eine zweite Spitze 22a, die ein stromaufwärtiges Ende ist. Die zweite Spitze 22a ist am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 angeordnet. Die zweite Lamelle 22 erstreckt sich von der zweiten Spitze 22a stromabwärts. Die zweite Lamelle 22 ist am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 und am stromabwärtigen Abschnitt 15 angeordnet. In gleicher Weise wie die erste Lamelle 21 ist die zweite Lamelle 22 an der Oberseite der Ausströmöffnung 12 angeordnet.
Wie in 2 dargestellt, enthält die vierte Lamelle 24 eine vierte Spitze 24a, die ein stromaufwärtiges Ende darstellt. Die vierte Spitze 24a ist am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 angeordnet. Die vierte Lamelle 24 erstreckt sich von der vierten Spitze 24a stromabwärts. Die vierte Lamelle 24 ist am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 und am stromabwärtigen Abschnitt 15 angeordnet. Auf die gleiche Weise wie die dritte Lamelle 23 ist die vierte Lamelle 24 an der Unterseite der Ausströmöffnung 12 angeordnet.
Genauer gesagt stehen die erste Lamelle 21 und die dritte Lamelle 23 von der Innenwand 16 des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 13 vor. Die zweite Lamelle 22 und die vierte Lamelle 24 stehen von der Innenwand 16 des zweiten stromaufwärtigen Abschnitts 14 vor. Die ersten bis vierten Lamellen 21-24 stehen von der Innenwand 16 des stromabwärtigen Abschnitts 15 vor.
Im stromabwärtigen Abschnitt 15 sind die erste Lamelle 21 und die zweite Lamelle 22 in Umfangsrichtung der Ausströmöffnung 12 angeordnet. Ebenfalls im stromabwärtigen Abschnitt 15 sind die dritte Lamelle 23 und die vierte Lamelle 24 in Umfangsrichtung der Abluftöffnung 12 angeordnet.
Von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 ragen Vorsprünge heraus. Die Vorsprünge erstrecken sich in einer Richtung, die die erste bis vierte Lamelle 21-24 schneidet. Der Zylinderkopf 10 umfasst einen ersten Vorsprung 31. Wie in 2 dargestellt, befindet sich der erste Vorsprung 31 am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13. Der erste Vorsprung 31 befindet sich stromaufwärts der ersten Spitze 21a und der dritten Spitze 23a. 1 zeigt den ersten Vorsprung 31.
Der Zylinderkopf 10 umfasst einen zweiten Vorsprung 36. Wie in 2 dargestellt, befindet sich der zweite Vorsprung 36 am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14. Der zweite Vorsprung 36 befindet sich stromaufwärts der zweiten Spitze 22a und der vierten Spitze 24a.
Der erste Vorsprung 31 wird nun anhand der 3 bis 5 ausführlich beschrieben. Der zweite Vorsprung 36 am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 hat den gleichen Aufbau wie der erste Vorsprung 31 am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 und wird daher nicht im Detail beschrieben.
3 ist eine Schnittansicht des Zylinderkopfes 10 mit der ersten Lamelle 21 und der dritten Lamelle 23 von der stromaufwärtigen Seite des ersten Vorsprungs 31 aus gesehen. Wie in 3 dargestellt, steht der erste Vorsprung 31 von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 vor. Die Höhe des ersten Vorsprungs 31, der von der Innenwand 16 vorsteht, ist geringer als die Höhen der ersten Lamelle 21 und der dritten Lamelle 23, die von der Innenwand 16 vorstehen. Zum besseren Verständnis sind die Höhen des ersten Vorsprungs 31 und der ersten bis vierten von der Innenwand 16 vorstehenden Lamellen 21-24 in den 3 bis 5 übertrieben dargestellt.
Wie in 3 dargestellt, erstreckt sich der erste Vorsprung 31 über den gesamten ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 in Umfangsrichtung. Der erste Vorsprung 31 verengt den Durchströmungsquerschnitt der Ausströmöffnung 12.
4 ist eine Schnittansicht des Zylinderkopfes 10 mit der Ausströmöffnung 12, gesehen in einer Richtung, die senkrecht zur Achse der Ausströmöffnung 12 verläuft. Der Wassermantel 17 ist um die Ausströmöffnung 12 herum angeordnet. In der in 4 gezeigten Querschnittsform umfasst der erste Vorsprung 31 einen Abschnitt, in dem die Höhe des ersten Vorsprungs 31, der von der Innenwand 16 vorsteht, zur stromabwärtigen Seite hin höher wird, und einen Abschnitt, in dem die Höhe des ersten Vorsprungs 31, der von der Innenwand 16 vorsteht, zur stromabwärtigen Seite hin niedriger wird. Das heißt, der erste Vorsprung 31 ist so geformt, dass der Durchströmungsquerschnitt der Ausströmöffnung 12 einmal verengt und dann wieder auf das ursprüngliche Maß zurückgeführt wird.
In 5 ist die Querschnittsform des ersten Vorsprungs 31 von 4 schematisch dargestellt. Wie in 5 dargestellt, enthält der erste Vorsprung 31 eine vordere Stufe 32, bei welcher die Höhe des ersten Vorsprungs 31, der von der Innenwand 16 vorsteht, zur stromabwärtigen Seite hin höher wird. Die vordere Stufe 32 umfasst eine Führungsfläche 32a, die so geneigt ist, dass sie sich vom stromaufwärtigen Ende des ersten Vorsprungs 31 zur stromabwärtigen Seite hin weiter von der Innenwand 16 entfernt. Ein Neigungswinkel θ1 der Führungsfläche 32a relativ zur Innenwand 16 ist spitz. Wie in 5 dargestellt, enthält der erste Vorsprung 31 eine hintere Stufe 34, bei welcher die Höhe des ersten Vorsprungs 31, der von der Innenwand 16 vorsteht, von einem Gipfel bzw. Scheitel 33 zur stromabwärtigen Seite hin geringer wird. Beim Gipfel 33 ist die Höhe des ersten Vorsprungs 31, der von der Innenwand 16 vorsteht, am höchsten. Die Länge der hinteren Stufe 34 in Strömungsrichtung des Abgases ist kürzer als die Länge der vorderen Stufe 32 in Strömungsrichtung des Abgases. Das heißt, der Gipfel 33 befindet sich stromabwärts des mittleren Abschnitts des ersten Vorsprungs 31 zwischen dem stromaufwärtigen Ende und dem stromabwärtigen Ende. Ferner enthält der erste Vorsprung 31 in der in 5 gezeigten Querschnittsform einen Abschnitt, in dem der Neigungswinkel relativ zur Innenwand 16 von der vorderen Stufe 32 zum Gipfel 33 flach wird, und einen Abschnitt, in dem der Neigungswinkel relativ zur Innenwand 16 gleich Null ist.
Die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben.
Die Pfeile in 4 zeigen schematisch den Abgasstrom an, der durch die Ausströmöffnung 12 strömt. Die durchgezogenen Pfeile zeigen den Abgasstrom bei hoher Motordrehzahl an. Die gestrichelten Pfeile zeigen den Abgasstrom an, wenn der Verbrennungsmotor 90 im Leerlauf betrieben wird.
Wie in 4 dargestellt, steht der erste Vorsprung 31 von der Innenwand 16 vor. Somit kollidiert das an der Innenwand 16 entlangströmende Abgas mit dem ersten Vorsprung 31. Genauer gesagt kollidiert, das an der Innenwand 16 entlangströmende Abgas mit der Leit- bzw. Führungsfläche 32a des in 5 gezeigten ersten Vorsprungs 31. Das Abgas, das mit der Führungsfläche 32a kollidiert ist, strömt entlang der Neigung der Führungsfläche 32a. Dann, wenn es über den Gipfel 33 der ersten Vorsprung 31 hinausströmt, löst sich das Abgas von der Innenwand 16.
Wenn die Motordrehzahl hoch ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das durch die Ausströmöffnung 12 strömt, relativ hoch. Wie die durchgezogenen Pfeile in 4 zeigen, neigt das Abgas, das über den ersten Vorsprung 31 hinausgeströmt ist, dazu, entlang der Achse der Ausströmöffnung 12 zur stromabwärtigen Seite weg von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 zu strömen. Daher strömt das Abgas, das über den ersten Vorsprung 31 hinausgeströmt ist, nicht leicht nahe an der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12. Dadurch wird die Kollision des über den ersten Vorsprung 31 hinausströmenden Abgases mit der ersten Lamelle 21 oder der dritten Lamelle 23, die aus der Innenwand 16 des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 13 herausragen, begrenzt. Ebenso wird dadurch die Kollision des über den zweiten Vorsprung 36 hinausströmenden Abgases mit der zweiten Lamelle 22 oder der vierten Lamelle 24 begrenzt.
Ferner befindet sich, wie in 2 dargestellt, der erste Vorsprung 31 stromaufwärts der ersten Spitze 21a der ersten Lamelle 21 und der dritten Spitze 23a der dritten Lamelle 23. Dies begrenzt Situationen, in denen der Abgasstrom, der über den ersten Vorsprung 31 hinausströmt und sich von der Innenwand 16 löst, mit der ersten Spitze 21a und der dritten Spitze 23a kollidiert. Ebenso werden Situationen begrenzt, in denen der Abgasstrom, der über den zweite Vorsprung 36 hinausströmt und sich von der Innenwand 16 löst, mit der zweiten Spitze 22a und der vierten Spitze 24a kollidiert.
Wenn der Verbrennungsmotor 90 im Leerlauf betrieben wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms, der durch die Ausströmöffnung 12 strömt, relativ gering. Im Vergleich zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Abgases tendiert die Strömung, die vom ersten Vorsprung 31 gelöst wurde, dazu, näher an der Innenwand 16 zu strömen als der Gipfel 33 auf der stromabwärtigen Seite des ersten Vorsprungs 31, wie durch die gestrichelten Pfeile in 4 dargestellt. Dies führt dazu, dass das nahe an der Innenwand 16 strömende Abgas Wirbel erzeugt. Somit wird die Grenzschicht, die durch die Strömung des Abgases in die Ausströmöffnung 12 nahe an der Innenwand 16 gebildet wird, leicht durch die Wirbel auf der stromabwärtigen Seite des ersten Vorsprungs 31 gelöst. Dementsprechend ist der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Innenwand 16 hoch.
Die Vorteile der Ausführungsform werden nun beschrieben.
(1-1) Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch ist, strömt das Abgas, das über den erste Vorsprung 31 oder den zweite Vorsprung 36 hinausgeströmt ist, nicht leicht nahe an die Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 und kollidiert nicht leicht mit den von der Innenwand 16 vorstehenden ersten bis vierten Lamellen 21-24. Dadurch verringert sich die Wärmemenge, die vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 21-24 übertragen wird.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, löst das Abgas, das über den ersten Vorsprung 31 oder den zweiten Vorsprung 36 hinausgeströmt ist, die Grenzschicht auf der stromabwärtigen Seite der Vorsprünge. Dementsprechend ist der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Innenwand 16 hoch. Das heißt, die Wärmeübertragung vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 21-24 oder die Innenwand 16 wird auf der stromabwärtigen Seite des ersten Vorsprungs 31 oder des zweiten Vorsprungs 36 beschleunigt.
Genauer gesagt können der erste Vorsprung 31 und der zweite Vorsprung 36, die von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 vorstehen, die Effizienz der Wärmerückgewinnung entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ändern. Beim Verbrennungsmotor 90 ist bei hoher Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, d.h. bei hoher Motordrehzahl, die Temperatur des Abgases hoch. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, d.h. wenn die Motordrehzahl wie im Leerlaufbetrieb niedrig ist, ist die Temperatur des Abgases niedrig. Daher wird die Wärmeübertragung vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 21-24 nicht durch den erste Vorsprung 31 und den zweite Vorsprung 36 begrenzt, wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist, und die Wärmemenge, die vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 21-24 übertragen wird, ist bei hoher Abgastemperatur nicht übermäßig groß.
(1-2) Der erste Vorsprung 31, der von der Innenwand 16 der Abgasöffnung 12 vorsteht, umfasst die Führungsfläche 32a. Dadurch kollidiert das an der Innenwand 16 entlangströmende Abgas mit der Führungsfläche 32a. Außerdem ist die Führungsfläche 32a geneigt. Dadurch kann das mit der Führungsfläche 32a des ersten Vorsprungs 31 kollidierende Abgas zur stromabwärtigen Seite der Ausströmöffnung 12 strömen. Zusätzlich nimmt in der vorderen Stufe 32 mit der Führungsfläche 32a die Höhe des ersten Vorsprungs 32, der von der Innenwand 16 vorsteht, zur stromabwärtigen Seite hin zu. Dies bewirkt, dass sich der Abgasstrom, der über den ersten Vorsprung 31 hinausströmt, leicht von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 löst. Das heißt, die Wärmeübertragung vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 21-24 wird bei niedriger Abgastemperatur nicht durch den ersten Vorsprung 31 begrenzt, und die vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 21-24 übertragene Wärmemenge ist bei hoher Abgastemperatur nicht übermäßig groß.
(1-3) Die Spitze einer Rippe bzw. Lamelle, wie die erste Spitze 21a der ersten Lamelle 21 oder die dritte Spitze 23a der dritten Lamelle 23, kollidiert leicht mit dem durch die Ausströmöffnung 12 strömenden Abgas, so dass deren Temperatur leicht übermäßig ansteigen könnte. Der erste Vorsprung 31 befindet sich stromaufwärts bzw. vor der ersten Spitze 21a und der dritten Spitze 23a. In diesem Fall kann das Abgas, das über den ersten Vorsprung 31 hinausgeströmt ist, nicht leicht nahe an die Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 strömen und kann nicht leicht mit der ersten Spitze 21a und der dritten Spitze 23a kollidieren. Dadurch wird ein übermäßiger Temperaturanstieg an den Spitzen der Lamellen begrenzt. Das heißt, die vom Abgas an die Lamellen übertragene Wärmemenge ist nicht übermäßig hoch.
Die vorliegende Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Die vorliegende Ausführungsform und die folgenden Modifikationen können kombiniert werden, solange die kombinierten Modifikationen technisch miteinander konsistent bleiben.
In dem oben beschriebenen Beispiel steht der erste Vorsprung 31 von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 vor und erstreckt sich über die gesamte Ausströmöffnung 12 in Umfangsrichtung. Stattdessen kann der Vorsprung so geformt sein, dass ein Teil der Ausströmöffnung 12 in Umfangsrichtung in einem Abschnitt ausgeschnitten ist, der von der Innenwand 16 der Ausströmöffnung 12 vorsteht. Zum Beispiel kann der Vorsprung wie in 6 dargestellt geformt werden.
6 ist eine schematische Darstellung der Innenwand einer im Zylinderkopf angeordneten Ausströmöffnung 112. Die Oberseite der Ausströmöffnung 112 ist mit einer ersten Lamelle 121 und die Unterseite der Ausströmöffnung 112 ist mit einer dritten Lamelle 123 versehen.
Die Ausströmöffnung 112 weist innen einen stromaufwärtigen Vorsprung 141 und einen stromabwärtigen Vorsprung 146 auf der stromaufwärtigen Seite einer ersten Spitze 121a der ersten Lamelle 121 und einer dritten Spitze 123a der dritten Lamelle 123 auf.
Der stromaufwärtige Vorsprung 141 erstreckt sich über die Hälfte der Ausströmöffnung 112 in Umfangsrichtung. Der stromaufwärtige Vorsprung 141 ragt von der Oberseite der Ausströmöffnung 112 in die Ausströmöffnung 112 hinein. Das heißt, der stromaufwärtige Vorsprung 141 ist so geformt, dass die untere Hälfte der Ausströmöffnung 112 in Umfangsrichtung ausgeschnitten ist.
Der stromabwärtige Vorsprung 146 befindet sich stromabwärts des stromaufwärtigen Vorsprungs 141 und stromaufwärts der ersten Spitze 121a. Der stromabwärtige Vorsprung 146 erstreckt sich in Umfangsrichtung über die Hälfte der Ausströmöffnung 112. Der stromabwärtige Vorsprung 146 ragt von der Unterseite der Ausströmöffnung 112 in die Ausströmöffnung 112 hinein. Das heißt, der stromabwärtige Vorsprung 146 ist so geformt, dass die obere Hälfte der Ausströmöffnung 112 in Umfangsrichtung ausgeschnitten ist. Ferner befindet sich der stromabwärtige Vorsprung 146 stromabwärts des ausgeschnittenen Teils des stromaufwärtigen Vorsprungs 141 (d.h. ein Abschnitt, der der unteren Hälfte des Umfangs der Ausströmöffnung 112 entspricht).
Wenn der Zylinderkopf einen Vorsprung aufweist, der von der Innenwand der Ausströmöffnung vorsteht, hat der mit dem Vorsprung versehene Abschnitt einen verringerten Durchströmungsquerschnitt der Ausströmöffnung. Wenn also Abgas durch den Vorsprung strömt, entsteht ein Druckverlust. Bei der in 6 dargestellten Ausströmöffnung 112 ist bei dem stromaufwärtigen Vorsprung 141 die untere Hälfte der Ausströmöffnung 112 in Umfangsrichtung ausgeschnitten. Wenn die Ausströmöffnung in Umfangsrichtung teilweise auf diese Weise ausgeschnitten wird, kann der Durchströmungsquerschnitt in einem geringeren Maße verringert werden, als wenn der stromaufwärtige Vorsprung 141 über die gesamte Ausströmöffnung 112 in Umfangsrichtung angeordnet ist. Dadurch verringert sich der Druckverlust, der beim Durchströmen des stromaufwärtigen Vorsprungs 141 durch das Abgas entsteht.
Zusätzlich befindet sich in der in 6 dargestellten Ausströmöffnung 112 der stromabwärtige Vorsprung 146 stromabwärts des ausgeschnittenen Teils des stromaufwärtigen Vorsprungs 141. Somit kann das Abgas, das den stromaufwärtigen Vorsprung 141 durchströmt hat, ohne von der Innenwand gelöst zu werden, durch den stromabwärtigen Vorsprung 146 von der Innenwand gelöst werden. Das heißt, während der Druckverlust verringert wird, ist die vom Abgas an die Lamellen übertragene Wärmemenge bei hohen Abgastemperaturen nicht übermäßig groß.
Wie der erste stromaufwärtige Abschnitt 13 und der zweite stromaufwärtige Abschnitt 14 der ersten Ausführungsform können der stromaufwärtige Vorsprung 141 und der stromabwärtige Vorsprung 146 in der Nähe des Brennraums der Ausströmöffnung 112 oder in der Nähe des Abgaskrümmers der Ausströmöffnung 112 angeordnet sein.
Solange der stromaufwärtige Vorsprung 141 und der stromabwärtige Vorsprung 146 so geformt sind, dass ein Teil der Ausströmöffnung 112 in Umfangsrichtung ausgeschnitten ist, kann der Druckverlust verringert werden.
Ferner braucht nur einer der beiden Vorsprünge 141 und 146 an der Ausströmöffnung 112 angeordnet sein. In diesem Fall lässt sich durch die Anordnung des stromaufwärtigen Vorsprungs 141 an der Oberseite der Ausströmöffnung 112 der Abgasstrom leicht trennen. Der Grund dafür lässt sich anhand von 1 erklären. Das heißt, das aus dem Brennraum 93 des Verbrennungsmotors 90 ausgestoßene Abgas wird gegen den Teil nahe der Ventilführung 29 der Ausströmöffnung 12 geblasen. Mit anderen Worten, das aus dem Brennraum in die Ausströmöffnung ausgestoßene Abgas strömt in Richtung der Oberseite der Ausströmöffnung. Da der Vorsprung, der von der Oberseite der Ausströmöffnung 12 vorsteht, so weit wie möglich auf der stromaufwärtigen Seite angeordnet ist, um den Vorsprung nahe an die Ventilführung zu bringen, strömt das Hochtemperatur-Abgas also nicht ohne weiteres nahe an die Innenwand der Ausströmöffnung 12.
Zweite Ausführungsform
7 zeigt eine Ausströmöffnung 212 des Zylinderkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Bei der ersten Ausführungsform befindet sich der erste Vorsprung 31 am ersten stromaufwärtigen Abschnitt 13 auf der stromaufwärtigen Seite der ersten Spitze 21a und der dritten Spitze 23a. Der zweite Vorsprung 36 befindet sich am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 14 auf der stromaufwärtigen Seite der zweiten Spitze 22a und der vierten Spitze 24a.
Wie in 7 dargestellt, enthält die Ausströmöffnung 212 einen ersten Vorsprung 231. Der erste Vorsprung 231 befindet sich in einem ersten stromaufwärtigen Abschnitt 213 auf der stromabwärtigen Seite einer ersten Spitze 221a und einer dritten Spitze 223a. Ebenso enthält die Ausströmöffnung 212 einen zweiten Vorsprung 236. Der zweite Vorsprung 236 befindet sich in einem zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 214 auf der stromabwärtigen Seite einer zweiten Spitze 222a und einer vierten Spitze 224a. Andere Strukturen sind im Wesentlichen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform und werden daher nicht beschrieben.
Wie in 7 dargestellt, erstreckt sich der erste Vorsprung 231 stromabwärts von einem ersten Einströmende 213a des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 213, der mit dem Brennraum 93 verbunden ist. Der erste Vorsprung 231 erstreckt sich über den gesamten ersten stromaufwärtigen Abschnitt 213 in Umfangsrichtung. Der erste Vorsprung 231 schneidet eine erste Lamelle 221 und eine dritte Lamelle 223 des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 213.
Der zweite Vorsprung 236 erstreckt sich stromabwärts von einem zweiten Einströmende 214a des zweiten stromaufwärtigen Abschnitts 214, der mit dem Brennraum 93 verbunden ist. Der zweite Vorsprung 236 erstreckt sich über den gesamten zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 214 in Umfangsrichtung. Der zweite Vorsprung 236 schneidet eine zweite Lamelle 222 und eine vierte Lamelle 224 des zweiten stromaufwärtigen Abschnitts 214.
Die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben.
In gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform können der erste Vorsprung 231 und der zweite Vorsprung 236 den Abgasstrom von der Innenwand der Ausströmöffnung 212 lösen.
Genauer gesagt kollidiert das Abgas, das über den ersten Vorsprung 231 hinausgeströmt ist, wenn die Motordrehzahl hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases relativ hoch ist, nicht leicht mit der ersten Lamelle 221 oder der dritten Lamelle 223, die von der Innenwand des ersten stromaufwärtigen Abschnitts 213 vorstehen. Ebenso kollidiert das Abgas, das über den zweiten Vorsprung 236 hinausgeströmt ist, nicht leicht mit der zweiten Lamelle 222 oder der vierten Lamelle 224. Auch begrenzen in einem stromabwärtigen Abschnitt 215 der erste Vorsprung 231 und der zweite Vorsprung 236 den Abgasstrom in der Nähe der Innenwand der Ausströmöffnung 212. Dadurch wird die Kollision des Abgases mit der ersten bis vierten Lamelle 221-224 begrenzt.
Wenn der Verbrennungsmotor im Leerlauf betrieben wird und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases relativ niedrig ist, löst sich eine Grenzschicht von der stromabwärtigen Seite der ersten Vorsprung 231. Dadurch erhöht sich der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Innenwand der Ausströmöffnung 212. Ebenso ist auf der stromabwärtigen Seite des zweiten Vorsprungs 236 der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Innenwand der Ausströmöffnung 212 hoch.
Der Vorteil der Ausführungsform wird nun beschrieben.
(2-1) Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch ist, kann die vom Abgas an die ersten bis vierten Lamellen 221-224 übertragene Wärmemenge reduziert werden. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, wird die Wärmeübertragung vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamellen 221-224 oder auf die Innenwand auf der stromabwärtigen Seite der ersten Vorsprung 231 oder der zweiten Vorsprung 236 beschleunigt.
Genauer gesagt wird die Wärmeübertragung vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamelle 221-224 nicht durch den erste Vorsprung 231 und den zweite Vorsprung 236 begrenzt, wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist, und die vom Abgas auf die ersten bis vierten Lamelle 221-224 übertragene Wärmemenge ist nicht übermäßig groß, wenn die Temperatur des Abgases hoch ist.
Die vorliegende Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Die vorliegende Ausführungsform und die folgenden Modifikationen können kombiniert werden, solange die kombinierten Modifikationen technisch miteinander konsistent bleiben.
Anstelle der Anordnung des ersten Vorsprungs 231 im ersten stromaufwärtigen Abschnitt 213 und der Anordnung des zweiten Vorsprungs 236 im zweiten stromaufwärtigen Abschnitt 214 kann der stromabwärtige Abschnitt 215 der Ausströmöffnung 212 mit einem Vorsprung versehen werden, wie in 8 dargestellt.
8 zeigt einen stromabwärtigen Abschnitt 241, der sich am stromabwärtigen Abschnitt 215 der Ausströmöffnung 212 befindet. Der stromabwärtige Abschnitt 241 schneidet die ersten bis vierten Lamellen 221-224. Wenn in diesem Fall das Abgas durch den stromabwärtigen Abschnitt 241 strömt, löst sich der Abgasstrom von der Innenwand der Ausströmöffnung 212. Das heißt, es kann der gleiche Vorteil wie bei der zweiten Ausführungsform erzielt werden.
9 zeigt eine Ausströmöffnung 312 mit einem stromabwärtigen Abschnitt 315. In diesem Beispiel enthält der stromabwärtige Abschnitt 315 einen stromabwärtigen Vorsprung 346, der nahe einem stromabwärtigen Ende 315b der Ausströmöffnung 312 angeordnet ist. Das stromabwärtige Ende 315b der Ausströmöffnung 312 ist ein Ende, von dem das Abgas ausgestoßen wird und das mit dem Abgaskrümmer 95 verbunden ist. Der stromabwärtige Vorsprung 346 schneidet die Lamellen der Ausströmöffnung 312. 9 zeigt eine erste Lamelle 321 und eine zweite Lamelle 322.
Die Funktionsweise und der Vorteil des stromabwärtigen Vorsprungs 346 werden nun unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben. 10 zeigt den Zylinderkopf 10 und den mit dem Zylinderkopf 10 verbundenen Abgaskrümmer 95. Der Abgaskrümmer 95 enthält Verzweigungen 96, in die das aus den Ausströmöffnungen 312 des Zylinderkopfes 10 ausgestoßene Abgas einströmt. Der Abgaskrümmer 95 enthält einen Zusammenführungsabschnitt 97, in dem die Verzweigungen 96 ineinander übergehen.
Das in dem Brennraum verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch verwandelt sich in Abgas und wird in einen der Auslasskanäle 312 ausgestoßen. Dann strömt das Abgas in die Verzweigungen 96 des Abgaskrümmers 95. Ein Teil des Abgases, das in die Verzweigungen 96 geströmt ist, kann zu einer anderen der Ausströmöffnungen 312 zurückströmen, die mit einem Zylinder verbunden ist, in dem keine Verbrennung stattfindet.
11 zeigt die Struktur des Querschnitts des stromabwärtigen Endes 315b der Ausströmöffnung 312. Wie oben beschrieben, kann ein Teil des Abgases, das in die Verzweigung 96 geströmt ist, vom Abgaskrümmer 95 zur Ausströmöffnung 312 zurückströmen. Wenn der stromabwärtige Vorsprung 346 am stromabwärtigen Abschnitt 315 der Ausströmöffnung 312 angeordnet ist, kollidiert Abgas, das rückwärts zu strömen versucht, mit dem stromabwärtigen Vorsprung 346. Auf diese Weise kann der Abgasstrom, der rückwärts zu strömen versucht, von einer Innenwand 316 der Ausströmöffnung 312 gelöst werden. Das heißt, das Abgas, das rückwärts zu strömen versucht, strömt nicht in der Nähe der Innenwand 316 der Ausströmöffnung 312. Dadurch verringert sich die Wärmemenge, die vom Abgas, das rückwärts zur Innenwand 316 zu strömen versucht, auf die Lamellen übertragen wird.
Abgas, das vom Abgaskrümmer 95 zurück zur Ausströmöffnung 312 strömt, neigt dazu, zur unteren Seite der Ausströmöffnung 312 zu strömen. Wenn also der stromabwärtige Vorsprung 346 an einem Teil der Ausströmöffnung 312 in Umfangsrichtung angeordnet ist, braucht der stromabwärtige Vorsprung 346 einfach auf der unteren Seite der Ausströmöffnung 312 angeordnet werden.
Der erste Vorsprung 231 und der zweite Vorsprung 236 erstrecken sich über die gesamte Ausströmöffnung 212 in Umfangsrichtung. Stattdessen können die Lamellen kreuzende bzw. schneidende Vorsprünge von einem Teil der Ausströmöffnung 212 in Umfangsrichtung vorstehen.
Zum Beispiel kann, wie in 12 dargestellt, ein Zwischenlamellenvorsprung 431 in einem Spalt 425 angeordnet werden, der sich zwischen einer ersten Lamelle 421 und einer zweiten Lamelle 422 befindet. Die zweite Lamelle 422 ist neben der ersten Lamelle 421 in Umfangsrichtung einer Ausströmöffnung 412 angeordnet.
Wenn die Lamellen wie die erste Lamelle 421 und die zweite Lamelle 422 in Umfangsrichtung der Ausströmöffnung 412 angeordnet sind, tendiert die Wärmemenge, die vom Abgas, das durch den Spalt 425, der sich zwischen der ersten Lamelle 421 und der zweiten Lamelle 422 befindet, auf die Lamellen übertragen wird, zuzunehmen. Der durch den Spalt 425 strömende Abgasstrom kann von der Innenwand der Abgasöffnung 412 gelöst werden, indem der Zwischenlamellenvorsprung 431 in dem Spalt 425 angeordnet wird. Dadurch wird verhindert, dass die an die erste Lamelle 421 und die zweite Lamelle 422 übertragene Wärmemenge zu groß wird. Wenn die die Lamellen schneidenden Vorsprünge so angeordnet sind, dass sie von einem Teil der Ausströmöffnung in Umfangsrichtung auf diese Weise vorstehen, müssen die Vorsprünge lediglich in dem zwischen den Lamellen befindlichen Spalt angeordnet werden.
Im Beispiel von 12 ist der Zwischenlamellenvorsprung 431 in dem Spalt 425 zwischen der ersten Lamelle 421 und der zweiten Lamelle 422 angeordnet. Stattdessen kann der Zwischenlamellenvorsprung in einem Spalt zwischen einer dritten Lamelle und einer vierten Lamelle angeordnet sein. Das heißt, ein Zwischenlamellenvorsprung muss lediglich zwischen Lamellen angeordnet werden, die in Umfangsrichtung der Ausströmöffnung angeordnet sind, und kann auf der Oberseite oder der Unterseite der Ausströmöffnung angeordnet werden.
Weiterhin ist im Beispiel von 12 der Zwischenlamellenvorsprung 431 nur in dem Spalt 425 zwischen der ersten Lamelle 421 und der zweiten Lamelle 422 angeordnet. Stattdessen können die Vorsprünge so angeordnet werden, dass sie die erste Lamelle 421 und die zweite Lamelle 422 in einem Bereich schneiden, der den Spalt 425 einschließt.
Dritte Ausführungsform
13 zeigt eine Ausströmöffnung 512 des Zylinderkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform.
Wie in 13 dargestellt, enthält die Ausströmöffnung 512 einen stromaufwärtigen Vorsprung 541, der sich über die gesamte Ausströmöffnung 512 in Umfangsrichtung erstreckt. Weiterhin enthält die Ausströmöffnung 512 einen stromabwärtigen Vorsprung 546, der sich über die gesamte Ausströmöffnung 512 in Umfangsrichtung erstreckt. Der stromabwärtige Vorsprung 546 befindet sich stromabwärts des stromaufwärtigen Vorsprungs 541.
Der stromaufwärtige Vorsprung 541 und der stromabwärtige Vorsprung 546 schneiden Lamellen, die von der Innenwand der Ausströmöffnung 512 vorstehen. 13 zeigt eine erste Lamelle 521 und eine zweite Lamelle 522.
Die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben.
Die 14 und 15 zeigen schematisch den Abgasstrom, der über den stromaufwärtigen Vorsprung 541 in der Ausströmöffnung 512 hinausströmt. Die durchgezogenen Pfeile zeigen den Abgasstrom bei hoher Motordrehzahl an. Die gestrichelten Pfeile zeigen den Abgasstrom an, wenn der Verbrennungsmotor im Leerlauf betrieben wird.
Wie in 14 dargestellt, kann der stromaufwärtige Vorsprung 541 in gleicher Weise wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform den Abgasstrom von einer Innenwand 516 der Ausströmöffnung 512 lösen.
Wie durch die durchgezogenen Pfeile in 14 dargestellt, neigt der Abgasstrom bei hoher Motordrehzahl dazu, sich der Innenwand 516 der Ausströmöffnung 512 anzunähern, nachdem das Abgas über den stromaufwärtigen Vorsprung 541 hinausgeströmt ist und dann zur stromabwärtigen Seite strömt. Wie die gestrichelten Pfeile in 14 zeigen, neigen die durch den Abgasstrom erzeugten Wirbel bei niedriger Motordrehzahl dazu, kleiner zu werden, nachdem das Abgas über den stromaufwärtige Vorsprung 541 hinausgeströmt ist und dann zur stromabwärtigen Seite strömt.
In einem Fall, in dem der stromabwärtige Vorsprung 546, wie in 15 dargestellt, stromabwärts des stromaufwärtigen Vorsprungs 541 angeordnet ist, neigt der Abgasstrom bei hoher Motordrehzahl dazu, sich von der Innenwand 516 auf der stromabwärtigen Seite des stromabwärtigen Vorsprungs 546 zu lösen. Das heißt, selbst wenn sich der Abgasstrom, der über den stromaufwärtigen Vorsprung 541 hinausgeströmt ist, der Innenwand 516 der Ausströmöffnung 512 nähert, kann der Abgasstrom auf der stromabwärtigen Seite des stromabwärtigen Vorsprungs 546 wieder von der Innenwand 516 gelöst werden. Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, kann die Grenzschicht auf der stromabwärtigen Seite des stromabwärtigen Vorsprungs 546 gelöst werden.
Die Vorteile der Ausführungsform werden nun beschrieben.
(3-1) Bei hoher Motordrehzahl kann das Teilstück, in dem das Abgas nicht leicht nahe an die Innenwand 516 der Ausströmöffnung 512 strömt, im Vergleich zu einem Fall, in dem nur der stromaufwärtige Vorsprung 541 angeordnet ist, verlängert werden. Dadurch wird die Kollision des Abgasstroms mit den von der Innenwand 516 vorstehenden Lamellen begrenzt. Dementsprechend ist die vom Abgas an die Lamellen übertragene Wärmemenge nicht übermäßig groß.
(3-2) Bei niedriger Motordrehzahl kann das Teilstück, in dem der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Innenwand 516 hoch ist, im Vergleich zu einem Fall, in dem nur der stromaufwärtige Vorsprung 541 angeordnet ist, verlängert werden. Dadurch wird die Wärmeübertragung vom Abgas zu den Lamellen oder zur Innenwand 516 beschleunigt.
Die vorliegende Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Die vorliegende Ausführungsform und die folgenden Modifikationen können kombiniert werden, solange die kombinierten Modifikationen technisch miteinander konsistent bleiben.
Ein Vorsprung kann stromabwärts des stromabwärtigen Vorsprungs 546 angeordnet werden. Das heißt, die Anzahl der Vorsprünge ist nicht auf zwei beschränkt.
Der stromaufwärtige Vorsprung 541 und der stromabwärtige Vorsprung 546 können unterschiedliche Formen und Größen haben.
Zum Beispiel kann die Höhe des stromabwärtigen Vorsprungs 546, der von der Innenwand 516 vorsteht, größer als die Höhe des stromaufwärtigen Vorsprungs 541, der von der Innenwand 516 vorsteht, eingestellt werden. Die Geschwindigkeit des durch die Ausströmöffnung 512 strömenden Abgases nimmt zur stromabwärtigen Seite hin ab. Daher wird in einigen Fällen, selbst wenn das Abgas durch die Vorsprünge strömt, der Abgasstrom nicht leicht von der Innenwand gelöst. Bei der oben beschriebenen Struktur wird die Ablösung des Abgasstroms von der Innenwand durch den stromabwärts liegenden Vorsprung 546, der eine große Vorsprungshöhe hat, auf der stromabwärtigen Seite der Ausströmöffnung 512 erleichtert, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases abnimmt.
Der stromaufwärtige Vorsprung 541 und der stromabwärtige Vorsprung 546 sind so angeordnet, dass sie die von der Innenwand der Ausströmöffnung 512 vorstehenden Lamellen schneiden. Stattdessen kann der stromaufwärtige Vorsprung 541 stromaufwärts von den Lamellen angeordnet werden, sodass der stromaufwärtige Vorsprung 541 die Lamellen nicht schneidet. Alternativ können der stromaufwärtige Vorsprung 541 und der stromabwärtige Vorsprung 546 beide so stromaufwärts von den Lamellen angeordnet werden, dass sie die Lamellen nicht scheiden.
Vierte Ausführungsform
16 zeigt eine Ausströmöffnung 612 des Zylinderkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform.
Der Zylinderkopf der ersten bis dritten Ausführungsform enthält die Lamellen, die als Vorsprünge von der Innenwand der Ausströmöffnung vorstehen und sich in Strömungsrichtung des durch die Ausströmöffnung strömenden Abgases erstrecken. In der vierten Ausführungsform enthalten eine erste Lamelle 621 und eine zweite Lamelle 622, wie in 16 dargestellt, jeweils einen Wellenteil 621c und einen Wellenteil 622c.
Wie in 16 dargestellt, enthält die erste Lamelle 621 den Wellenteil 621c, der die Form einer Welle hat. Der Wellenteil 621c erstreckt sich so, dass ein Spalt 625 zwischen der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 mäanderförmig verläuft. Die zweite Lamelle 622 umfasst den Wellenteil 622c, der die Form einer Welle hat. Der Wellenteil 622c erstreckt sich so, dass der Spalt 625 zwischen der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 mäanderförmig verläuft.
In 16 ist die Achse der Ausströmöffnung 612 als Öffnungsverlängerungslinie C1 dargestellt. Der Spalt 625 zwischen den Wellenteilen 621c und 622c enthält einen Mäanderabschnitt 625a, der in Bezug auf die Öffnungsverlängerungslinie C1 mäanderförmig verläuft, wie in 16 dargestellt.
In der Ausströmöffnung 612 enthält der Mäanderabschnitt 625a des Spalts 625 einen Zwischenlamellenvorsprung 631 als Vorsprung. In 18 ist das durch den Mäanderabschnitt 625a strömende Abgas durch die durchgezogene Linie dargestellt. Das durch den Mäanderabschnitt 625a strömende Abgas wird von den Seitenwänden der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 gelöst. 18 zeigt eine Hilfslinie LI, die orthogonal zum Abgasstrom durch den Mäanderabschnitt 625a verläuft. Der Zwischenlamellenvorsprung 631 ist zwischen der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 angeordnet, die sich entlang der Hilfslinie L1 erstrecken.
Die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben.
Wie in 17 dargestellt, löst sich das durch den Mäanderabschnitt 625a strömende Abgas von den Seitenwänden der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622, anstatt entlang der Öffnungsverlängerungslinie C1 zu strömen. In 17 ist die Strömung des Abgases, das sich von den Seitenwänden der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 gelöst hat, durch die durchgezogene Linie dargestellt. Das heißt, die Strömung des Abgases im Mäanderabschnitt 625a des Spalts 625 zwischen der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 kann mit den Wellenteilen 621c und 622c von den Seitenwänden der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 gelöst werden. Mit anderen Worten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch ist, strömt das Abgas nicht leicht nahe an die Seitenwände der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622. Wenn im Mäanderabschnitt 625a Wirbel gebildet werden, wie durch die gestrichelten Linien in 17 dargestellt, ist der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Seitenwände der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 hoch. Das heißt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, ist der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Seitenwände der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 hoch.
Wie in 18 dargestellt, ist in der Ausströmöffnung 612 der Mäanderabschnitt 625a des Spalts 625 zwischen den Wellenteilen 621c und 622c mit dem Zwischenlamellenvorsprung 631 versehen. Wenn also Abgas, das sich von der Seitenwand der ersten Lamelle 621 oder der zweiten Lamelle 622 gelöst hat, über den Zwischenlamellenvorsprung 631 hinausströmt, kann die Strömung des Abgases weiter von der Innenwand der Ausströmöffnung 612 gelöst werden. Das heißt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch ist, strömt das Abgas nicht ohne weiteres nahe an die Innenwand der Ausströmöffnung 612. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, ist der Wärmeübertragungskoeffizient hoch.
Die Vorteile der Ausführungsform werden nun beschrieben.
(4-1) Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch ist, strömt das durch die Wellenteile 621c und 622c strömende Abgas nicht leicht nahe an die erste Lamelle 621 und die zweite Lamelle 622 heran. Außerdem strömt das Abgas nicht leicht nahe an die Innenwand. Wenn die Abgastemperatur hoch ist, ist die an die erste Lamelle 621 und die zweite Lamelle 622 übertragene Wärmemenge daher nicht übermäßig groß.
(4-2) Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, tendiert der Wärmeübertragungskoeffizient des Abgases, das durch die Wellenteile 621c und 622c strömt, dazu, in der Nähe der Seitenwände der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 zuzunehmen. Außerdem löst sich die Grenzschicht leicht von den beiden Lamellen, wenn das Abgas durch den Zwischenlamellenvorsprung 631 strömt. Dadurch wird der Wärmeübertragungskoeffizient leicht erhöht. Wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist, ist die Wärmeübertragung vom Abgas auf die erste Lamelle 621 und die zweite Lamelle 622 also nicht begrenzt.
(4-3) In der Ausströmöffnung 612 erstreckt sich der Zwischenlamellenvorsprung 631 so, dass er orthogonal zum Abgasstrom durch den Mäanderabschnitt 625a verläuft. Das Abgas, das durch den Zwischenlamellenvorsprung 631 strömt, löst sich somit leicht von der Innenwand der Ausströmöffnung 612.
Die vorliegende Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Die vorliegende Ausführungsform und die folgenden Modifikationen können kombiniert werden, solange die kombinierten Modifikationen technisch miteinander konsistent bleiben.
Die Ausdehnungsrichtung des Zwischenlamellenvorsprungs 631 muss nicht orthogonal zum Abgasstrom sein, der durch den Mäanderabschnitt 625a strömt. Stattdessen kann z.B. die Ausdehnungsrichtung des Zwischenlamellenvorsprungs 631 den Abgasstrom, der durch den Mäanderabschnitt 625a strömt, in einem bestimmten Winkel schneiden oder orthogonal zur Anschlussverlängerungslinie C1 sein.
Der Zwischenlamellenvorsprung 631 ist am Mäanderabschnitt 625a im Spalt 625 zwischen der ersten Lamelle 621 und der zweiten Lamelle 622 angeordnet. Solange der Mäanderabschnitt 625a mit einem Vorsprung versehen ist, können die gleichen Vorteile wie bei der vierten Ausführungsform erzielt werden. Das heißt, der Vorsprung muss lediglich die erste Lamelle 621 und die zweite Lamelle 622 schneiden und von der Innenwand in einem Bereich, der den Mäanderabschnitt 625a einschließt, in Umfangsrichtung der Ausströmöffnung 612 vorstehen.
Nachfolgend werden Modifikationen beschrieben, die allgemein auf jede der oben beschriebenen Ausführungsformen anwendbar sind.
Die Vorsprünge jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können eine Querschnittsform haben, die sich von der in 5 gezeigten Querschnittsform unterscheidet.
Die Höhe der von der Innenwand vorstehenden Vorsprünge kann geändert werden. Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Vorsprungshöhe der Vorsprünge kleiner als die Vorsprungshöhe der Lamellen, die Vorsprünge sind. Stattdessen kann die Vorsprungshöhe der Vorsprünge in Bezug auf das relative Verhältnis zur Vorsprungshöhe der Lamellen eingestellt werden. Wenn z.B. die Vorsprungshöhe der Lamellen auf 1 gesetzt wird, wird die Vorsprungshöhe der Vorsprünge auf 0,8 gesetzt. Die Vorsprungshöhe des Überstands bzw. Vorsprungs kann in einem Bereich kleiner als 1 eingestellt werden und kann z.B. auf 0,9, 0,5 oder 0,3 eingestellt werden.
Der Neigungswinkel der Führungsfläche der vorderen Stufe in dem Vorsprung kann gegenüber dem in 5 gezeigten Neigungswinkel θ1 verändert werden. Es ist bevorzugt, dass der Neigungswinkel der Führungsfläche spitz ist.
Die Länge des Vorsprungs in Strömungsrichtung des Abgases kann geändert werden. Zum Beispiel kann ein Überstand bzw. Vorsprung 731, wie in 19 dargestellt, vorgesehen werden.
Wie in 19 dargestellt, wird bei dem Vorsprung 731 die hintere Stufe 34 von dem in 5 gezeigten ersten Vorsprung 31 weggelassen. Das heißt, der Vorsprung 731 enthält eine vordere Stufe 732 und einen Gipfel 733. Die Vorsprungshöhe der vorderen Stufe 732 nimmt zur stromabwärtigen Seite hin zu. Der Vorsprung muss also keine hintere Stufe enthalten, bei der die Vorsprungshöhe auf der stromabwärtigen Seite geringer ist als auf dem Gipfel bzw. Scheitel.
Die Lage einer Trennstelle, an der sich der durch den Vorsprung strömende Abgasstrom von der Innenwand löst, kann in Abhängigkeit von der Form des Vorsprungs verändert werden. Die Länge des Teilstücks, in dem das Abgas nicht leicht in die Nähe der Innenwand strömt, oder des Teilstücks, in dem der Wärmeübertragungskoeffizient in der Nähe der Innenwand hoch ist, kann in Abhängigkeit von der Lage der Trennstelle geändert werden.
Die Vorsprünge jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann der von einem Teil der Ausströmöffnung in Umfangsrichtung vorstehende Vorsprung mit dem über die gesamte Ausströmöffnung in Umfangsrichtung angeordneten Vorsprung kombiniert werden. Alternativ kann der stromaufwärts der Lamellenspitze angeordnete Vorsprung mit dem die Lamelle schneidenden Vorsprung kombiniert werden.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können die am ersten stromaufwärtigen Abschnitt und am zweiten stromaufwärtigen Abschnitt, die mit der Brennraum verbunden sind, angeordneten Vorsprünge am stromabwärtigen Abschnitt angeordnet werden, wo sich der erste stromaufwärtige Abschnitt und der zweite stromaufwärtige Abschnitt vereinigen bzw. ineinander übergehen.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen sind, wie in 2 dargestellt, der erste stromaufwärtige Abschnitt 13 und der zweite stromaufwärtige Abschnitt 14 nicht symmetrisch und haben unterschiedliche Längen. Stattdessen können der erste stromaufwärtige Abschnitt 13 und der zweite stromaufwärtige Abschnitt 14 symmetrisch sein.
An den oben beschriebenen Beispielen können verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden, ohne von der Idee und dem Umfang der Ansprüche und ihrer Äquivalente abzuweichen. Die Beispiele dienen nur der Beschreibung und nicht der Beschränkung. Beschreibungen von Merkmalen in jedem Beispiel sind so zu verstehen, dass sie auf ähnliche Merkmale oder Aspekte in anderen Beispielen anwendbar sind. Geeignete Ergebnisse können erzielt werden, wenn Sequenzen in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und/oder wenn Komponenten in einem beschriebenen System, einer beschriebenen Architektur, einer Vorrichtung oder einer Schaltung unterschiedlich kombiniert und/oder durch andere Komponenten oder deren Äquivalente ersetzt oder ergänzt werden. Der Umfang der Erfindung wird nicht durch die detaillierte Beschreibung definiert, sondern durch die Ansprüche und ihre Äquivalente. Alle Abweichungen innerhalb des Umfangs der Ansprüche und ihrer Äquivalente gelten als von der Erfindung umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014137026 A [0002]

Claims

Zylinderkopf (10), aufweisend: eine Ausströmöffnung (12, 112, 212, 312, 412, 512, 612), durch die aus einem Brennraum (93) eines Verbrennungsmotors (90) ausgestoßenes Abgas strömt; eine Lamelle (21, 22, 23, 24, 121, 123, 221, 222, 223, 224, 321, 322, 421, 422, 521, 522, 621, 622) mit einem Vorsprung, der von einer Innenwand (16, 316, 516) der Ausströmöffnung (12, 112,212,312,412,512,612) vorsteht und sich in einer Strömungsrichtung des durch die Ausströmöffnung (12, 112, 212, 312, 412, 512, 612) strömenden Abgases erstreckt; und einen Vorsprung (31, 36, 141, 146, 231, 236, 241, 346, 431, 541, 546, 631, 731), der von der Innenwand (16, 316, 516) der Ausströmöffnung (12, 112, 212, 312, 412, 512, 612) vorsteht und sich in einer Richtung erstreckt, die die Lamelle schneidet (21, 22, 23, 24, 121, 123, 221, 222, 223, 224, 321, 322, 421, 422, 521, 522, 621, 622).
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (31, 36, 141, 146, 231, 236, 241, 346, 431, 541, 546, 631, 731) eine vordere Stufe (32, 732) aufweist, bei welcher eine Höhe des Vorsprungs (31, 36, 141, 146, 231, 236, 241, 346, 431, 541, 546, 631, 731), der von der Innenwand (16, 316, 516) vorsteht, zu einer stromabwärtigen Seite hin höher wird, und die vordere Stufe (32, 732) eine Führungsfläche (32a) aufweist, die so geneigt ist, dass sie sich von einem stromaufwärtigen Ende des Vorsprungs (31, 36, 141, 146, 231, 236, 241, 346, 431, 541, 546, 631, 731) zur stromabwärtigen Seite hin weiter von der Innenwand (16, 316, 516) entfernt.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein stromaufwärtiges Ende der Lamelle (21, 22, 23, 24, 121, 123) eine Spitze (21a, 22a, 23a, 24a, 121a, 123a) ist, und der Vorsprung (31, 36, 141, 146, 231, 236, 241, 346, 431, 541, 546, 631, 731) sich stromaufwärts der Spitze (21a, 22a, 23a, 24a, 121a, 123a) befindet.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend: eine erste Lamelle (421, 621) einschließlich der Lamelle; und eine zweite Lamelle (422, 622) mit einem Vorsprung, der von der Innenwand (316) der Ausströmöffnung (412, 612) vorsteht und sich in der Strömungsrichtung des durch die Ausströmöffnung (412, 612) strömenden Abgases erstreckt, wobei die zweite Lamelle neben der ersten Lamelle (421, 621) in einer Umfangsrichtung der Ausströmöffnung (412, 612) angeordnet ist, wobei der Vorsprung (431, 631) in einem Spalt (425, 625) zwischen der ersten Lamelle (421, 621) und der zweiten Lamelle (422, 622) angeordnet ist.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 4, wobei die erste Lamelle (621) und die zweite Lamelle (622) jeweils einen Wellenteil (621c, 622c) aufweisen, der so geformt ist, dass der Spalt (625) mäanderförmig verläuft.
Zylinderkopf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend: einem stromaufwärtigen Vorsprung (141, 541) einschließlich des Vorsprungs; und einen stromabwärtigen Vorsprung (146, 546), der von der Innenwand (16, 516) der Ausströmöffnung (112, 512) vorsteht und sich in der Richtung erstreckt, die die Lamelle (121, 123, 521, 522) schneidet, wobei der stromabwärtige Vorsprung (146, 546) stromabwärts von dem stromaufwärtigen Vorsprung (141, 541) angeordnet ist.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 6, wobei der stromaufwärtige Vorsprung (141) so geformt ist, dass ein Teil der Ausströmöffnung (112) in einer Umfangsrichtung in einem Abschnitt des stromaufwärtigen Vorsprungs, der von der Innenwand (16) vorsteht, ausgeschnitten ist, und der stromabwärtige Vorsprung (146) stromabwärts von dem ausgeschnittenen Teil des stromaufwärtigen Vorsprungs (141) angeordnet ist.