DE102021003022A1

DE102021003022A1 - Cylinder head with exhaust gas recirculation

Info

Publication number: DE102021003022A1
Application number: DE102021003022.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bey; Nils Büchau
Original assignee: FEV Europe GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: FEV Europe GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2021-06-12
Filing date: 2021-06-12
Publication date: 2021-10-07
Also published as: DE102022001963A1; DE102022001963A8

Abstract

Ein Zylinderkopf 10 einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Abgaskanal 45 für eine Abgasrückführung und ein Kühlkanalsystem zur Durchströmung mit einem Kühlfluid, wobei zumindest ein Kühlkanal (55, 56, 57) des Kühlkanalsystems dem Abgaskanal 45 unmittelbar benachbart angeordnet ist.A cylinder head 10 of an internal combustion engine comprises an exhaust duct 45 for exhaust gas recirculation and a cooling duct system for a cooling fluid to flow through, at least one cooling duct (55, 56, 57) of the cooling duct system being arranged directly adjacent to the exhaust duct 45.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf mit einer Abgasrückführung (AGR).The present invention relates to a cylinder head with exhaust gas recirculation (EGR).

Die Abgasrückführung (AGR) ist bei Verbrennungsmotoren altbekannt und hat die Aufgabe die Bedingungen im Brennraum zu verbessern und dient ferner der Abgasaufbereitung. Beispielsweise lassen sich so, gerade bei Dieselmotoren, die Stickoxidemissionen im Abgas effektiv senken. Bei Ottomotoren dient die AGR zudem der Reduktion des Kraftstoffverbrauchs im Teillastbereich. In einer Vielzahl von zu optimierenden Aspekten, wird eine niedrige Brennraumtemperatur als vorteilhaft angesehen. Beispielsweise wird bei einer zu hohen Verbrennungstemperatur deutlich mehr Stickoxid gebildet. Als ein Mittel der Steuerung der Brennraumtemperatur ist bekannt, dass eine Kühlung des rückgeführten Abgases vor der Einleitung in den Frischluftstrang vorgenommen werden kann.Exhaust gas recirculation (EGR) is well known in internal combustion engines and has the task of improving the conditions in the combustion chamber and is also used for exhaust gas processing. For example, especially with diesel engines, nitrogen oxide emissions in the exhaust gas can be effectively reduced. In gasoline engines, the EGR also serves to reduce fuel consumption in the partial load range. In a number of aspects to be optimized, a low combustion chamber temperature is seen as advantageous. For example, if the combustion temperature is too high, significantly more nitrogen oxide is formed. As a means of controlling the combustion chamber temperature, it is known that the recirculated exhaust gas can be cooled before it is introduced into the fresh air line.

US 9,689,303 B3 zeigt einen Aufbau einer AGR, bei der Kühlmittel quer zur Strömungsrichtung des Abgases geleitet wird, um so das Abgas zu kühlen. Dies geschieht dadurch, dass ein abgasdurchströmter Einsatz im Zylinderkopf mit dem Kühlmittel umströmt wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Ansatz der AGR bereitzustellen, bei dem die Kühlung effektiv vorgenommen wird und dabei ein reduziertes Maß an baulichen Komponenten zum Einsatz kommt. Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. U.S. 9,689,303 B3 shows a structure of an EGR in which coolant is passed across the flow direction of the exhaust gas so as to cool the exhaust gas. This is done by the coolant flowing around an insert in the cylinder head through which exhaust gas flows. The object of the present invention is to provide a new approach to EGR in which the cooling is carried out effectively and a reduced number of structural components is used. This object is achieved with the means of claim 1. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.

Ein Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Abgaskanal für eine Abgasrückführung und ein Kühlkanalsystem zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Dabei ist zumindest ein Kühlkanal des Kühlkanalsystems dem Abgaskanal unmittelbar benachbart angeordnet ist. Durch eine Führung von dem Kühlkanal parallel zum Abgaskanal und/oder umlaufend zu ihm wird eine gute Wärmeübertragung über eine gewisse Länge in Fließrichtung und/oder umlaufend zum Abgaskanal ermöglicht.A cylinder head of an internal combustion engine comprises an exhaust gas duct for exhaust gas recirculation and a cooling duct system for a cooling fluid to flow through. In this case, at least one cooling channel of the cooling channel system is arranged directly adjacent to the exhaust gas channel. By guiding the cooling channel parallel to the exhaust gas channel and / or circumferentially to it, a good heat transfer over a certain length in the direction of flow and / or circumferentially to the exhaust gas channel is made possible.

Vorteilhaft ist, wenn der Kühlkanal zumindest abschnittsweise und zumindest teilweise mantelförmig umlaufend um den Abgaskanal gelegt ist und dabei einen umlaufenden Überdeckungswinkel von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 85% umfasst und höchst bevorzugt zumindest abschnittsweise komplett umlaufend ist. Ein möglichst komplett den Abgaskanal umlaufender Kühlkanal über eine möglichst große Länge ist besonders zu bevorzugen. Aber zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann der Abgaskanal optional über einen Bereich oder einen Steg (sich erstreckend in Kanallängsrichtung) an dem Rest des Zylinderkopfs angebunden sein. Auch ist eine funktionale Umkehr möglich, dahingehend, dass ein Kühlkanal von einem Abgaskanal ganz oder teilweise umhüllt ist. „Umlaufend“ bedeutet insbesondere, dass ein Kühlkanal umlaufend zum Abgaskanal ausgerichtet ist und dabei die Strömungsrichtung in Abgasströmungsrichtung (oder entgegengesetzt) ist.It is advantageous if the cooling duct is at least in sections and at least partially in a jacket-like manner around the exhaust gas duct, encompassing a circumferential overlap angle of at least 70%, preferably at least 85%, and most preferably at least in sections completely circumferentially. A cooling duct that encircles the exhaust gas duct as completely as possible over the greatest possible length is particularly preferred. However, to increase the mechanical stability, the exhaust gas duct can optionally be connected to the rest of the cylinder head via an area or a web (extending in the longitudinal direction of the duct). A functional reversal is also possible, in that a cooling duct is completely or partially enclosed by an exhaust duct. “Circumferential” means in particular that a cooling duct is aligned circumferentially with respect to the exhaust gas duct and the flow direction is in the exhaust gas flow direction (or in the opposite direction).

Ferner ist es bevorzugt, wenn die Breite des Kühlkanals in einer Querrichtung, die in Umfangsrichtung des Abgaskanals liegt, dem mindestens Doppelten der Höhe des Kühlkanals in Radialrichtung des Abgaskanals entspricht. Dieses Verhältnis der Breite zu der Höhe beträgt bevorzugt mindestens 3. Besonders bevorzugt kann es mindestens 5 sein oder höchst bevorzugt mindestens 6 betragen. Hierdurch wird bei einer gegebenen Fließquerschnittsfläche des Kühlmittels die Kontaktfläche, also effektive Wärmeübergangsfläche, von beiden Kanälen erhöht. Eine hohe Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels im Bereich des Wärmeübergangs ist vorteilhaft, da so das Kühlmittel, an das die Wärme übertragen wurde, schnell aus dieser Zone herausgefördert wird. Dieser Zusammenhang lässt sich so ausdrücken: Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Abgaskanals in dessen Abschnitt, der entlang dem Abgaskanal angeordnet ist, zu dem des Kühlkanals ist kleiner 1,2 und ist bevorzugt kleiner als 1,1 und ist besonders bevorzugt kleiner als 1.Furthermore, it is preferred if the width of the cooling channel in a transverse direction, which lies in the circumferential direction of the exhaust gas channel, corresponds to at least double the height of the cooling channel in the radial direction of the exhaust gas channel. This ratio of width to height is preferably at least 3. It can particularly preferably be at least 5 or most preferably at least 6. As a result, for a given flow cross-sectional area of the coolant, the contact area, that is to say the effective heat transfer area, of both channels is increased. A high flow rate of the coolant in the area of the heat transfer is advantageous, since the coolant to which the heat was transferred is quickly conveyed out of this zone. This relationship can be expressed as follows: The ratio of the cross-sectional area of the exhaust gas duct in its section, which is arranged along the exhaust gas duct, to that of the cooling duct is less than 1.2 and is preferably less than 1.1 and is particularly preferably less than 1.

Auch kann alternativ oder zusätzlich die Länge, über die der Kanal des Kühlkanalsystems benachbart entlang dem Abgaskanal geführt ist, bezogen auf dessen dortige Breite in Umfangsrichtung mindestens 4:1 betragen, bevorzugt mindestens 6:1 und höchst bevorzugt mindestens 8:1 betragen. Über die Verbindung der erheblichen Breite und einer gewissen Länge wird eine große Fläche definiert, über die die Wärme gut übertragen werden kann.Alternatively or additionally, the length over which the duct of the cooling duct system is led adjacent along the exhaust duct, based on its circumferential width there, can be at least 4: 1, preferably at least 6: 1 and most preferably at least 8: 1. The connection of the considerable width and a certain length defines a large area over which the heat can be easily transferred.

Insbesondere kann zusätzlich zu einem ersten Kühlkanalsystem, dessen einer Kühlkanal entlang dem Abgaskanal angeordnet ist, im Zylinderkopf ein zweites Kühlkanalsystem angeordnet sein, welches innerhalb des Zylinderkopfs fluidal vom ersten Kühlkanalsystem getrennt ist, wobei aber insbesondere benachbart zum Auslass der Kühlkanalsysteme aus dem Zylinderkopf und/oder benachbart zum Einlass der Kühlkanalsysteme in den Zylinderkopf eine Zusammenführung der Kühlkanalsysteme vorgesehen sein kann. Gerade in Verbindung mit Temperatursensoren und/oder gesteuerten Ventilen lässt sich das Temperaturprofil innerhalb des Zylinderkopfs hierdurch lokal steuern, so dass insbesondere für die Zylindertemperatur und die Temperatur des rückgeführten Abgases die bestmöglichen Bedingungen erzielt werden.In particular, in addition to a first cooling channel system, one cooling channel of which is arranged along the exhaust gas channel, a second cooling channel system can be arranged in the cylinder head, which is fluidically separated from the first cooling channel system within the cylinder head, but in particular adjacent to the outlet of the cooling channel systems from the cylinder head and / or A merging of the cooling channel systems can be provided adjacent to the inlet of the cooling channel systems in the cylinder head. In connection with temperature sensors and / or controlled valves, the temperature profile within the cylinder head can be controlled locally, so that the best possible conditions are achieved, in particular for the cylinder temperature and the temperature of the recirculated exhaust gas.

Ferner ist vorteilhaft, wenn an zumindest einer Wand zwischen dem Kühlkanal und dem Abgaskanal Kühlrippen und/oder lokal vorstehende und/oder zurückverlagerte Bereiche vorgesehen sind. Wenn von dieser Wand vorstehend Rippen in den Kühlmittelkanal ragen, so können diese Rippen bevorzugt ein freies Ende haben, so dass über die Rippen keine Materialverbindung von dieser Wand zu dem Rest des Zylinderkopfs besteht. In alternativen Ausführungsformen kann über zumindest eine Rippe eine Verbindung vom Abgaskanal zu dem Zylinderkopf geschaffen werden, wodurch die mechanische Festigkeit erhöht wird. Insbesondere können die Rippen eine Höhe von maximal 30% der Höhe des dortigen Kühlkanals haben, um so den Fluss des Kühlmittels möglichst wenig zu bremsen.It is also advantageous if at least one wall between the cooling channel and the Exhaust duct cooling fins and / or locally protruding and / or shifted back areas are provided. If ribs protrude from this wall into the coolant channel, these ribs can preferably have a free end so that there is no material connection from this wall to the rest of the cylinder head via the ribs. In alternative embodiments, a connection from the exhaust gas duct to the cylinder head can be created via at least one rib, whereby the mechanical strength is increased. In particular, the ribs can have a maximum height of 30% of the height of the cooling channel there, in order to slow down the flow of the coolant as little as possible.

Ferner bevorzugt kann die Durchströmungsrichtung des Kühlfluids im Kühlkanal entgegengerichtet zur Abgasströmungsrichtung im Abgaskanal sein, da so eine effektive Kühlung möglich ist.Furthermore, the direction of flow of the cooling fluid in the cooling channel can preferably be in the opposite direction to the exhaust gas flow direction in the exhaust gas channel, since effective cooling is possible in this way.

Bei einem entsprechenden Zylinderkopf können der Abgaskanal wie auch der Kühlkanal einstückig Teil des Zylinderkopfs sein. Dies ist gerade dann effektiv herstellbar, wenn der Zylinderkopf in einem additiven Verfahren hergestellt wurde, wie insbesondere 3D-Druck. Einerseits sind zwar die Stückkosten bei 3D-Druck gegenüber konventionellen Verfahren in der Regel höher, aber das gewonnene Maß an konstruktiver Freiheit gleicht diesen Nachteil mehr als aus. Auf diese Weise kann der Zylinderkopf optimiert werden in Bezug auf beste Kühlung des AGR-Gases, Kühlung der Verbrennungszylinder und womit eine gewichtssenkende Materialersparnis erreicht wird.In the case of a corresponding cylinder head, the exhaust gas duct as well as the cooling duct can be an integral part of the cylinder head. This can be effectively produced precisely if the cylinder head was produced in an additive process, such as, in particular, 3D printing. On the one hand, the unit costs of 3D printing are usually higher than conventional processes, but the degree of design freedom that is gained more than compensates for this disadvantage. In this way, the cylinder head can be optimized with regard to the best cooling of the EGR gas, cooling of the combustion cylinder and thus a weight-reducing material saving is achieved.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kühlung des Abgases auf der Hochdruckstrecke direkt nach dem Brennraum angeordnet. So kann der Kühlkanal ringförmig oder hülsenförmig um den Abgaskanal gelegt sein. Es kann der Kühlkanal an einer Abzweigung aus dem Abgasstrang vor einem Abgasturbolader angeordnet sein, so dass dieser mit kälterem Abgas beladen wird und somit bei gleichem Durchflussvolumenstrom eine größere Abgasmenge als AGR dem Motor wieder zuführen kann.In a preferred embodiment, the cooling of the exhaust gas is arranged on the high-pressure section directly after the combustion chamber. The cooling channel can be placed around the exhaust gas channel in the shape of a ring or a sleeve. The cooling duct can be arranged at a junction from the exhaust system in front of an exhaust gas turbocharger, so that the exhaust gas turbocharger is loaded with colder exhaust gas and can thus return a larger amount of exhaust gas than EGR to the engine with the same flow rate.

Zudem kann ferner vorteilhaft sein, wenn mehrere Auslasskanäle aus den Brennräumen zu einem Sammelkanal zusammengeführt sind, und bevorzugt sämtliche Auslasskanäle zu dem Sammelkanal zusammengeführt sind, wobei der Kanal oder die Kanäle des Kühlkanalsystems, der oder die benachbart entlang dem Abgaskanal geführt ist/sind, benachbart zu den nicht verbundenen Auslasskanälen und/oder dem Sammelkanal geführt ist/sind.In addition, it can also be advantageous if several outlet channels from the combustion chambers are merged to form a collecting duct, and preferably all of the outlet ducts are merged to form the collecting duct, the duct or ducts of the cooling duct system, which is / are routed adjacent along the exhaust gas duct, adjacently is / are led to the non-connected outlet channels and / or the collecting channel.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit dessen Frischluftzufuhr und der Verbrennungsgasableitung,
2 einen Querschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfs, in dem getrennte Bereiche der AGR und eines Kühlmittelkanals gezeigt sind,
3 und 4 jeweils perspektivische Ansichten der Außenseite eines Kühlkanals,
5 eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf,
6 die Ansicht der 5 mit dem Einblenden von Strukturen innerhalb des Zylinderkopfs und
7 und 8 jeweils herausgeschnittene Kühlkanalsysteme.

In the following, preferred embodiments of the invention are explained by way of example with reference to the figures. Show it:

1 a schematic view of an internal combustion engine with its fresh air supply and the combustion gas discharge,
2 a cross-section through part of the cylinder head showing separate areas of the EGR and a coolant duct,
3 and 4th perspective views of the outside of a cooling channel,
5 a top view of a cylinder head,
6th the view of 5 with the fading in of structures within the cylinder head and
7th and 8th Cooling duct systems cut out in each case.

In der schematischen Ansicht der 1 ist ein Zylinderkopf 10 gezeigt, der an seinem oberen Bereich eine Mehrzahl von Ladeluftzufuhren 20 aufweist, die jeweils frische Verbrennungsluft zu den Zylindern des Verbrennungsmotors zuführen. Darunter ist ein Abgaskrümmer 30 gezeigt, der eine fluidale Verbindung von mehreren seiner Arme 32 aufweist, die ihrerseits an zylinderkopfseitigen Auslässen aus dem Zylinderkopf 10 für das Verbrennungsgas angeordnet sind. Der Abgaskrümmer 30 umfasst ferner einen Kanal der Abgasrückführung 40, über den ein Teil des Abgases zurück in den Zylinderkopf 10 geführt wird. Häufig kann die Abzweigung 40 des AGR-Gases vor einem Abgasturbolader angeordnet sein. Auch kann bei der Abzweigung 40 zusätzlich zu der nachfolgend beschriebenen Kühlvorrichtung für das Abgas ein weiterer Kühler (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der als ein gesondertes (Anbau-)Bauteil/Komponente mit dem Zylinderkopf 10 oder dem Motorblock verbunden ist. Die Abgasrückführung 40 umfasst zumindest einen Abgaskanal 45, der innerhalb des Zylinderkopfs 10 angeordnet ist, und dem unmittelbar ein Kühlkanal 55 zugeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform der 1 ist der Kühlkanal 55 umlaufend um den Abgaskanal 45 angeordnet. Stromabwärts von diesem Abgaskanal 45 ist ein AGR-Ventil 48 angeordnet, über dessen Öffnungsstellung die Menge des rückgeführten Abgases variiert werden kann. Stromabseits von dem AGR-Ventil 48 ist ein Zuführkanal 49 angeordnet, der das rückgeführte Abgas zu den einzelnen Zylindern verteilt. Benachbart zu den Kanälen der Ladeluftzufuhr 20, die die frische Luft zu den Zylindern führt, sind Abzweigungen 49a des Zuführkanals 49 angeordnet, die das rückgeführte Abgas in die Ladeluftzufuhr 20 einleiten. Die gezeigten Pfeile 51 und 59 der Kühlmittelströmungsrichtung innerhalb des Kühlkanals 55 zeigt, dass das Kühlmittel im Gegenstrom zu dem Abgas geleitet wird. Es sind weitere Kühlkanäle 56 und 57 gezeigt, die bei allen Zylindern vorgesehen sein können und alternativ oder zusätzlich zu dem Kühlkanal 55 verwendet werden können. Jeweils an einem Auslass des Verbrennungsgases aus dem Verbrennungsraum kann umlaufend um diesen Abgaskanal einer der Kühlkanäle 56 angeordnet sein. Zudem sind Zusammenführungen von zwei jeweils Abgaskanälen gezeigt und entlang diesem verbundenen Abgaskanal ist ferner ein alternativer oder zusätzlicher Kühlkanal 57 gezeigt, der entlang diesem Kanal in der Abgasfließrichtung ausgerichtet ist. Auch dieser Kanal kann optional radial umlaufend um diesen (zusammengeführten) Abgaskanal ausgeführt sein.In the schematic view of the 1 is a cylinder head 10 shown, the at its upper area a plurality of charge air inlets 20th has, which each supply fresh combustion air to the cylinders of the internal combustion engine. Underneath is an exhaust manifold 30th shown having a fluidic connection of several of its arms 32 has, which in turn at the cylinder head-side outlets from the cylinder head 10 are arranged for the combustion gas. The exhaust manifold 30th further comprises a channel of the exhaust gas recirculation 40 through which some of the exhaust gas returns to the cylinder head 10 to be led. Often the junction 40 of the EGR gas be arranged in front of an exhaust gas turbocharger. Can also be used at the junction 40 in addition to the cooling device for the exhaust gas described below, a further cooler (not shown) can be provided as a separate (add-on) component / component with the cylinder head 10 or is connected to the engine block. The exhaust gas recirculation 40 comprises at least one exhaust duct 45 that is inside the cylinder head 10 is arranged, and directly a cooling channel 55 assigned. In the embodiment shown in the 1 is the cooling channel 55 all around the exhaust duct 45 arranged. Downstream of this exhaust duct 45 is an EGR valve 48 arranged, the amount of recirculated exhaust gas can be varied via the open position. Downstream of the EGR valve 48 is a feed channel 49 arranged, which distributes the recirculated exhaust gas to the individual cylinders. Adjacent to the channels of the charge air supply 20th that the fresh air leads to the cylinders are branches 49a of the feed channel 49 arranged that the recirculated exhaust gas in the charge air supply 20th initiate. The arrows shown 51 and 59 the coolant flow direction within the cooling channel 55 shows that the coolant is directed in countercurrent to the exhaust gas. There are more cooling channels 56 and 57 shown, which can be provided for all cylinders and alternatively or in addition to the cooling channel 55 can be used. In each case at an outlet for the combustion gas from the combustion chamber, it is possible to run around this exhaust gas duct one of the cooling channels 56 be arranged. In addition, the merging of two exhaust gas ducts is shown and there is also an alternative or additional cooling duct along this connected exhaust gas duct 57 shown, which is aligned along this channel in the exhaust gas flow direction. This channel, too, can optionally be designed to run radially around this (merged) exhaust gas channel.

2 zeigt einen Schnitt durch den Abgaskanal 45 der 1. Radial innenliegend ist der Abgaskanal 45 fein schraffiert gezeigt, was seine Querschnittsfläche für das Abgas beschreibt. Davon radial außerhalb liegt die Wand des Abgaskanals 45. In diesem Fall sind optional vorstehende Elemente, wie bspw. Rippen 46 gezeigt. Diese Elemente haben die Aufgabe den Wärmeübergang zu dem Kühlfluid in dem davon radial außenliegenden Kühlkanal 55 zu verbessern. Der Kühlkanal 55 ist in dieser Ausführung komplett umlaufend um den Abgaskanal 45 angeordnet. Radial außen davon ist der Zylinderkopf 10. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Abgaskanals 45 der Ausführungsform gemäß 2, so dass erkennbar ist, dass die Rippen 46 in den Kühlkanal 45 ragen und dabei entlang der Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet sind. Alternativ oder zusätzlich können vorstehende und/oder zurückverlagerte Geometrie an der Wand des Abgaskanals 45 angeordnet sein. In der gezeigten Ausführungsform liegen Prägungen vor, die bei einer bevorzugt gleichen Wandstärke nach innen und/oder außen ausgeführt sein können. So korrespondiert bspw. eine Einprägung der Wand des Kanals an der Außenseite einer entsprechenden Auswölbung des Kanals an seiner Innenseite. 2 shows a section through the exhaust duct 45 the 1 . The exhaust duct is located radially on the inside 45 shown with fine hatching, which describes its cross-sectional area for the exhaust gas. The wall of the exhaust duct is located radially outside of this 45 . In this case, protruding elements such as ribs are optional 46 shown. These elements have the task of transferring heat to the cooling fluid in the cooling channel located radially outward therefrom 55 to improve. The cooling duct 55 is in this version completely all around the exhaust duct 45 arranged. The cylinder head is located radially outside of it 10 . 3 Figure 3 shows a perspective view of the exhaust duct 45 according to the embodiment 2 so that it can be seen that the ribs 46 in the cooling duct 45 protrude and are aligned along the flow direction of the coolant. Alternatively or additionally, protruding and / or recessed geometry can be used on the wall of the exhaust gas duct 45 be arranged. In the embodiment shown, there are embossments that can be made inwards and / or outwards with preferably the same wall thickness. For example, an indentation of the wall of the channel on the outside corresponds to a corresponding bulge of the channel on its inside.

Die 5 und 6 zeigen jeweils ein CAD-Modell eines Zylinderkopfs. Dabei zeigt 5 eine Draufsicht auf eine Außenoberfläche des Zylinderkopfs 10, wobei von einem Grundkörper des Zylinderkopfs 10 ausgehend die Kanäle vorstehend ausgeführt und somit an der Oberfläche sichtbar sind. So ist ein relativ breiter Abgaskanal 45 gezeigt und parallel dazu und unmittelbar benachbart dazu ist ein schmalerer Kühlkanal 55 gezeigt. Diese Kanäle sind ebenfalls in der Art „Röntgen“-Ansicht der 6 gezeigt, bei der in das Material hereingeschaut wird und so auch innere Strukturen erkennbar sind, die von der Außenseite unsichtbar wären.the 5 and 6th each show a CAD model of a cylinder head. It shows 5 a plan view of an outer surface of the cylinder head 10 , wherein from a base body of the cylinder head 10 starting from the channels above and are thus visible on the surface. So is a relatively wide exhaust duct 45 shown and parallel to and immediately adjacent to it is a narrower cooling channel 55 shown. These channels are also in the "X-ray" view of the 6th shown, in which one looks into the material and thus also internal structures are recognizable, which would be invisible from the outside.

Zum besseren Verständnis ist in 7 und 8 der Zylinderkopf weggeschnitten dargestellt und stattdessen das freie Volumen des Kühlkanalsystems 50 gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 55 ist in beiden Figuren ein Kühlkanal gezeigt, der eine lokale Erhöhung seiner Breite hat, die bevorzugt dort angeordnet ist, wo benachbart ein Abgaskanal geführt ist, so dass ein verbesserter Wärmeübergang vom Abgas auf das Kühlmedium ermöglicht wird. In diesem Bereich der erhöhten Breite ist seine Dicke aber bevorzugt reduziert und kann so weit reduziert sein, dass der Strömungsquerschnitt im Vergleich zur nicht-verbreiteten Bereich gleich ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen kann der Strömungsquerschnitt des verbreiterten Bereichs sogar kleiner sein als im nicht-verbreiteten Bereich. Durch diese Gestaltung kann eine hohe bzw. erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums dort erzielt werden, wo der Kühlkanal benachbart zu einem Abgaskanal ist und so aufgrund des schnelleren Kühlmittelaustauschs die Kühlleistung entsprechend erhöht werden.For a better understanding, in 7th and 8th the cylinder head is shown cut away and instead the free volume of the cooling duct system 50 shown. With the reference number 55 a cooling channel is shown in both figures, which has a local increase in its width, which is preferably arranged where an exhaust gas channel is adjacent, so that an improved heat transfer from the exhaust gas to the cooling medium is made possible. In this area of increased width, however, its thickness is preferably reduced and can be reduced to such an extent that the flow cross-section is the same compared to the non-widened area. In preferred embodiments, the flow cross section of the widened area can even be smaller than in the non-widened area. With this design, a high or increased flow rate of the cooling medium can be achieved where the cooling duct is adjacent to an exhaust duct and the cooling capacity can be increased accordingly due to the faster exchange of coolant.

8 zeigt zudem einen ringförmigen Abschnitt 56 des Kühlkanalsystems 50, der einen Bereich beschreibt, in dem ein Abgaskanal angeordnet ist. Dieser Abgaskanal ist dann radial komplett umlaufend von dem Kühlkanal 56 umgeben. Bevorzugt kann dieser Bereich unmittelbar nach der Ausleitung des Abgases aus dem Brennraum angeordnet sein. 8th also shows an annular section 56 of the cooling duct system 50 , which describes an area in which an exhaust duct is arranged. This exhaust gas duct is then completely circumferential radially from the cooling duct 56 surround. This area can preferably be arranged immediately after the exhaust gas has been discharged from the combustion chamber.

Die Durchströmungsrichtung der Abgaskanäle zu den zugeordneten Kühlkanälen kann grundsätzlich gleichgerichtet oder gegengerichtet sein, wobei bei einer gegengerichteten Strömung bessere Kühlergebnisse erreichbar sind.The direction of flow through the exhaust gas ducts to the associated cooling ducts can in principle be rectified or counter-directed, better cooling results being achievable with a counter-directed flow.

In weiteren Ausführungsformen (nicht figürlich dargestellt) können im Zylinderkopf zwei Kühlkanalsysteme angeordnet sein, wobei ein erstes Kühlkanalsystem für die Kühlung des Abgases zuständig ist, welches bei der AGR verwendet wird und ein zweites Kühlkanalsystem kühlt die Zylinder der Verbrennungsräume. Hierdurch ist eine verbesserte Temperaturführung, wie auch verbesserte Bedingungen für den Kaltstart des Motors möglich.In further embodiments (not shown in the figures), two cooling duct systems can be arranged in the cylinder head, a first cooling duct system being responsible for cooling the exhaust gas, which is used in the EGR, and a second cooling duct system cooling the cylinders of the combustion chambers. This enables improved temperature control, as well as improved conditions for a cold start of the engine.

Der Zylinderkopf wird bevorzugt in einer additiven Bauweise hergestellt, da hierdurch eine weitestgehende Freiheit der Gestaltung des Zylinderkopfs 10 und insbesondere seiner Kanäle ermöglicht wird. So sind praktisch beliebig Hinterschnitte möglich, die bei einer gusstechnischen Herstellung nicht erzielbar wären.The cylinder head is preferably manufactured in an additive construction, since this allows the greatest possible freedom in the design of the cylinder head 10 and in particular its channels. Practically any undercuts are possible, which would not be achievable in a casting process.

Bei einem entsprechenden Verbrennungsmotor ist es bevorzugt nicht notwendig, einen externen AGR-Kühler vorzusehen. Ein entsprechendes Teil verursacht zusätzliche Kosten der Herstellung und Montage und kann gerade dann sehr gut durch Kanäle im Zylinderkopf ersetzt werden, wenn dieser additiv hergestellt wurde.In the case of a corresponding internal combustion engine, it is preferably not necessary to provide an external EGR cooler. A corresponding part causes additional costs in production and assembly and can be replaced very well by channels in the cylinder head, especially if this was manufactured additively.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 9689303 B3 [0003]

Claims

Cylinder head (10) of an internal combustion engine with an exhaust duct (45) for exhaust gas recirculation and with a cooling duct system (50) for a cooling fluid to flow through, with at least one cooling duct (55, 56, 57) of the cooling duct system (50) directly connected to the exhaust duct (45) is arranged adjacent.

Cylinder head (10) according to Claim 1 , wherein the cooling channel (55, 56) is at least partially and at least partially in a jacket-like manner around the exhaust gas channel (45) and thereby a circumferential overlap angle of at least 70%, preferably at least 85% and most preferably at least partially completely circumferential.

Cylinder head (10) according to Claim 1 or 2 , wherein the cooling channel (55, 57) is aligned along the exhaust gas channel (45) and in particular the length over which the channel of the cooling channel system is guided adjacent along the exhaust gas channel, based on its circumferential width there, is at least 4: 1, preferably at least 6: 1 and most preferably at least 8: 1.

Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the cooling channel (55, 56, 57) in a transverse direction, which lies in the circumferential direction of the exhaust gas channel (45), is at least twice the height of the cooling channel in the radial direction of the exhaust gas channel corresponds, and in particular this ratio of width to height is preferably at least 3 and particularly preferably at least 5 and most preferably at least 6.

Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the cross-sectional area of the exhaust duct (45) in its section, which is arranged along the exhaust duct (45), to that of the cooling duct (55, 56, 57) is smaller 1.2 and preferably less than 1.1 and particularly preferably less than 1.

Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to a first cooling duct system (50), one of which is cooling duct (55, 56, 57) is arranged along the exhaust duct, a second cooling duct system is arranged in the cylinder head (10), which is fluidly separated from the first cooling channel system within the cylinder head (10), but in particular adjacent to the outlet of the cooling channel systems from the cylinder head (10) and / or adjacent to the inlet of the cooling channel systems in the cylinder head (10) a merging of the cooling channel systems can be provided.

Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, characterized in that cooling ribs and / or locally protruding and / or recessed areas are provided on at least one wall between the cooling duct and the exhaust gas duct.

Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder head (10) is set up so that the flow direction of the cooling fluid in the cooling channel (55, 57) is opposite to the exhaust gas flow direction in the exhaust gas channel (45).

Cylinder head according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas duct (45) and the cooling duct (55, 56, 57) are an integral part of the cylinder head.

Cylinder head according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling of the exhaust gas is arranged on the high-pressure section directly after the combustion chamber and in front of an exhaust gas turbocharger connected to the cylinder head.