DE10331940A1

DE10331940A1 - Kraftfahrzeug mit einem Abgasstrangkühlsystem

Info

Publication number: DE10331940A1
Application number: DE10331940A
Authority: DE
Inventors: Stephan Ramatschi; Peter Müller; Stefan Detterbeck; Jürgen Dr. Sauer; Michael Kastenmaier; Stefan Zahn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einem Abgasstrangkühlsystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Abgasstrangkühlsystem für eine im Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnete Brennkraftmaschine, bei welcher über einen Luftführungsschacht ein Kühlluftstrom in den Bereich eines Abgaskrümmers geleitet wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welchem ein hinreichender Wärmetransfer aus dem Abgassystem unter einer günstigen Temperaturverteilung insbesondere im Bereich des Abgaskrümmers erreichbar ist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem Motorraum, einer in diesem Motorraum angeordneten Brennkraftmaschine und einem Abgasstrang, der wenigstens einen Abgaskrümmer sowie einen sich daran anschließenden Abgasleitungsabschnitt aufweist, und einem Abgasstrangkühlsystem, das eine Luftführungseinrichtung umfasst, zum Abgriff eines Kühlluftstromes aus einem Fahrzeugfrontbereich und zur kanalgeführten Zuleitung des Kühlluftstromes in den Bereich des Abgaskrümmers, wobei die Luftführungseinrichtung einen Krümmeraufleitabschnitt aufweist und dieser eine Luftführungsstruktur definiert, die im Bereich des Abgaskrümmers den Luftstrom auf abfolgende Krümmersegmente aufweitet oder aufteilt. DOLLAR A Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, auch bei hoher Bauteildichte die im Motorraum verlaufenden Abschnitte des Abgasstranges effektiv zu kühlen, wobei die Kühlluftzufuhr sowohl ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einem Abgasstrangkühlsystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Abgasstrangkühlsystem für eine im Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnete Brennkraftmaschine, bei welcher über einen Lüftführungsschacht ein Kühlluftstrom in den Bereich eines Abgaskrümmers geleitet wird.

Aus DE 199 48 148 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten Motor, sowie vorne liegendem Abgaskrümmer bekannt. Bei diesem Kraftfahrzeug ist einen Luftleitschacht vorgesehen, der sich aus einem Fahrzeugfrontbereich unter Umgehung eines Kühlwasserwärmetauschers, zu dem Abgaskrümmer hin erstreckt und diesem unter Wirkung eines während der Fahrt im Fahrzeugfrontbereich herrschenden Staudruckes, Kühlluft zuführt. In dem Luftleitschacht ist eine Drosselklappe angeordnet, über welche der Durchgangsquerschnitt des Luftleitschachtes und damit der Luftdurchsatz durch den Luftleitschacht veränderbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug zu schaffen, beim welchem ein hinreichender Wärmetransfer aus dem Abgassystem unter einer günstigen Temperaturverteilung insbesondere im Bereich des Abgaskrümmers erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit:

– einem Motorraum,
– einer in diesem Motorraum angeordneten Brennkraftmaschine und
– einem Abgasstrang, der wenigstens einen Abgaskrümmer sowie einen sich daran anschließenden Abgasleitungsabschnitt aufweist, und
– einem Abgasstrangkühlsystem das eine Luftführungseinrichtung umfasst, zum Abgriff eines Kühlluftstromes aus einem Fahrzeugfrontbereich und zur kanalgeführten Zuleitung des Kühlluftstromes in den Bereich des Abgaskrümmers,
– wobei die Luftführungseinrichtung einen Krümmeraufleitabschnitt aufweist und dieser eine Luftführungsstruktur definiert, die im Bereich des Abgaskrümmers den Luftstrom auf abfolgende Krümmersegmente aufweitet oder aufteilt.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, auch bei hoher Bauteildichte die im Motorraum verlaufenden Abschnitte des Abgasstranges effektiv zu kühlen, wobei die Kühlluftzufuhr sowohl hinsichtlich des jedem Krümmersegment zugeteilten Luftmengenanteils sowie auch im Hinblick auf die für die Krümmersegmente günstigsten Anströmrichtungen vorteilhaft abstimmbar ist.

Der Krümmeraufleitabschnitt weist vorzugsweise einen Leitschaufelfächer auf, wobei die einzelnen Fächerkanäle durch vorzugsweise als dünnwandige Strukturen insbesondere Fächerblätter ausgebildet sind. Der Krümmeraufleitabschnitt kann aus einem Metallwerkstoff in Stanz/Biege/Tiefziehtechnik, als Gussbauteil, oder aus einem hinreichend temperaturbeständigen Kunststoffmaterial gefertigt sein.

Der Leitschaufelfächer ist mit Vorteil derart ausgebildet, dass dieser einen im wesentlichen horizontal zufließenden Luftstrom in vertikaler Richtung zu dem Abgaskrümmer hin umlenkt. Der Grad der Umlenkung kann für einzelne Bereiche des angeströmten Abgaskrümmers jeweils individuell abgestimmt sein und liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 110°. Die in Fahrtrichtung vorne liegenden Krümmersegmente werden vorzugsweise relativ flach angeströmt. Die weiter hinten liegenden Krümmersegmente können unter stärkerer Ablenkung angeströmt werden.

Der Anströmwinkel kann so gewählt werden, dass für jedes Krümmersegment die jeweils wärmste Bogenzone ermittelt wird und diese Zone im wesentlichen tangential angeströmt wird. Der dem jeweiligen Krümmersegment zufließende Teilluftstrom kann so gerichtet und geformt sein, dass dieser auch den kopfflanschnahen Bereich des Abgaskrümmers, sowie Abschnitte des Krümmers stromabwärts jener Heiß-Zonen erreicht.

Der Aufleitabschnitt befindet sich vorzugsweise in Einbauposition vertikal über dem Abgaskrümmer. Der Aufleitabschnitt kann axial geteilt ausgebildet und in einen Ventildeckel oder eine Motorabdeckung integriert sein.

Der Aufleitabschnitt ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass im Bereich des Aufleitabschnitts der Luftstrom zunächst in mehrere Leitschächte aufgeteilt wird, wobei die Leitschächte derart ausgebildet sind, dass deren Strömungsquerschnitt in Fließrichtung diffusorartig zunimmt. Hierdurch wird es möglich, den Abgaskrümmer großflächig mit Kühlluft zu beaufschlagen und diesen in ein aufgeweitetes Kühlluftpolster einzubetten.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, im Bereich des Aufleitabschnitts den Luftstrom zunächst auf mehrere Leitschächte aufzuteilen und die Leitschächte derart auszubilden, dass deren Strömungsquerschnitt sich in Fließrichtung düsenartig verjüngt. Hierdurch wird es möglich, insbesondere jene Heißzonen des Abgaskrümmers besonders wirkungsvoll anzuströmen und zu kühlen, wobei im Zusammenhang mit dem lokal beschleunigten Luftstrom im Bereich des Krümmers ein Saugeffekt erzeugt werden kann, durch welchen die Umluftzuströmung und gerichtete Abströmung im Bereich des Krümmers noch weiter unterstützt wird.

Der Abgasstrang ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einem stromabwärts des Abgaskrümmers liegenden Bereich von luftführenden Strukturen umgeben, so dass die über den Aufleitabschnitt auf den Abgaskrümmer aufgeleitete Luft in Form einer ausgeprägten Luftströmung den Abgasrohren folgt und hierbei beispielsweise zum Bodenbereich des Motorraumes abfließt.

Soweit die Brennkraftmaschine mehrere Abgaskrümmer aufweist, ist es in vorteilhafter Weise möglich, jedem Abgaskrümmer einen Aufleitabschnitt zuzuordnen, wobei vorzugsweise wenigstens zwei Aufleitabschnitte über einen gemeinsamen Zuleitkanalabschnitt angeströmt werden und die Aufteilung des Luftstroms auf den jeweiligen Aufleitabschnitt noch im Bereich des Zuleitkanalabschnittes oder bereits in einem vorgelagerten Abgriffsbereich erfolgt. Durch die Gestaltung des vorgelagerten Abgriffsbereich kann die jeweilige Luftmenge im Hinblick auf erforderliche Anteile aufgeteilt werden. In Fahrtrichtung hinten liegende, abseits der Wasserpumpe liegende, oder allgemein tendenziell- heißere Krümmersegmente können eine entsprechend des erhöhten Kühlleistungsbedarfs größeren Luftmengenanteil erhalten als Abgaskrümmersegmente die tendenziell kühleren Zylindern zugeordnet sind. Es ist auch möglich, die Aufleitabschnitte über 2 oder mehrere Zuleitkanalabschnitte zu versorgen, d.h. der Luftabgriff erfolgt aus mehreren Bereichen.

Der Zuleitkanalabschnitt ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der Abgriff der diesem zufließenden Kühlluft hinter einem Kühlwasserwärmetauscher erfolgt. Hierdurch wird es möglich, den an einem Gebläse vorbeifließenden, Kühlerluftstrom zur weiteren Kühlung des Abgasstranges heranzuziehen.

Die Luftführungseinrichtung umfasst gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung Klappenelemente, durch welche die Durchgangseigenschaften des Kühlluftführungssystems definiert auf den momentanen Fahrzeugbetriebszustand abgestimmt werden können. Die Klappenelemente können als Rückschlagklappen ausgebildet sein und dabei bei Standbetrieb des Fahrzeuges eine Rückströmung der durch den Abgaskrümmer erwärmten Luft verhindern oder zumindest einschränken. Die Klappenelemente können staudruck- und/oder stellmittelbetätigt sein. Als Stellmittel eignen sich insbesondere Thermoaktuatoren oder auch Unterdruckdosen. Es ist möglich, wenigstens ein Klappenelement in einem dem jeweiligen Aufleitabschnitt vorgelagerten Bereich anzuordnen. Alternativ hierzu, oder auch in Kombination mit dieser Maßnahme ist es auch möglich, wenigstens ein Klappenelement in dem jeweiligen Aufleitabschnitt anzuordnen. In letzterem Falle kann durch das Klappenelement auch die Anströmrichtung des Abgaskrümmers auf den momentanen Belastungszustand abgestimmt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1: eine Schemadarstellung zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Abgasstrangkühlsystems mit einem Leitschaufel-Endfächerabschnitt;
2: eine Ansicht des Abgaskrümmers nach 1 zur Erläuterung der an den Bogenabschnitten desselben herrschenden Strömung;
3: eine Schemadarstellung zur Erläuterung einer auf dem ersten Ausführungsbeispiel basierenden ersten Weiterbildung mit einer Steuerklappeneinrichtung;
4: eine Schemadarstellung zur Erläuterung einer auf dem ersten Ausführungsbeispiel basierenden zweiten Weiterbildung ebenfalls mit einer Steuerklappeneinrichtung;
5: eine Schemadarstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Abgasstrangkühlsystems mit einem Endfächerabschnitt mit düsenartig verjüngten Abströmungsbereichen;
6: eine vereinfachte Ansicht einer Gebläsezarge mit daran ausgebildetem Kühlluftabgriffsstutzen.
1 zeigt einen Abgaskrümmer 1 der im Motorraum eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeuges an einer Brennkraftmaschine angeflanscht ist. Der Abgaskrümmer 1 bildet Teil eines Abgasstranges der hier einen Vorschalldämpfer gaskrümmer 1 bildet Teil eines Abgasstranges der hier einen Vorschalldämpfer oder Vorkatalysator 2 sowie Organe 3 zur Erfassung der Abgastemperatur und/oder der Abgaszusammensetzung umfasst.
Dem Abgaskrümmer ist ein Abgasstrangkühlsystem 4 zugeordnet, das eine Luftführungseinrichtung 5 umfasst, zum Abgriff eines Kühlluftstromes V aus einem Fahrzeugfrontbereich und zur kanalgeführten Zuleitung des Kühlluftstromes V in den Bereich des Abgaskrümmers 1.
Die Luftführungseinrichtung 5 weist einen Krümmeraufleitabschnitt 5a auf und definiert eine Kanalwandung die im Bereich des Abgaskrümmers 1 den Luftstrom V auf abfolgende Krümmersegmente 1a, 1b, 1c aufweitet oder aufteilt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Krümmeraufleitabschnitt 5a eine Leitschaufelfächerstruktur auf, die derart ausgebildet ist, dass diese den zunächst im wesentlichen horizontal zufließenden Luftstrom V in vertikaler Richtung zu dem Abgaskrümmer 1 hin umlenkt. Der Aufleitabschnitt 5a befindet sich in Einbauposition über dem Abgaskrümmer 1. Im Bereich des Aufleitabschnitts 5a erfolgt eine Ablenkung des Luftstromes zum Abgaskrümmer hin. Der Aufleitabschnitt 5a ist derart ausgebildet, dass in dessen Bereich der Luftstrom V zunächst in mehrere Leitschächte 4a, 4b, 4c aufgeteilt wird, wobei die Leitschächte 4a, 4b, 4c derart ausgebildet sind, dass deren Strömungsquerschnitt in Fließrichtung diffusorartig zunimmt.
Es ist möglich, den Abgasstrang in einem stromabwärts des Abgaskrümmers 1 liegenden Bereich von luftführenden Strukturen so zu umgeben, so dass die über den Aufleitabschnitt 5a auf den Abgaskrümmer 1 aufgeleitete Luft in Form einer ausgeprägten Luftströmung den Abgasrohren folgt und vorzugsweise in eine Saugzone abfließt, wobei diese Saugzone vorzugsweise durch Strukturen bewerkstelligt wird, die den Unterbodenfahrtwind verdrängen.
Der Abgaskrümmer 1 kann Teil eines einer Zylinderbank zugeordneten, dehnungsentkoppelten Krümmersystems bilden das je Zylinderbank mehrere, insbesondere zwei abfolgend angeordnete Abgaskrümmer 1 aufweist, deren Leitungen erst an einer weiter abfolgenden Stelle des Abgasstranges zusammengeführt werden kön nen. In diesem Fall ist jedem dieser Abgaskrümmer 1 ein Aufleitabschnitt 5a zugeordnet, wobei wenigstens zwei Aufleitabschnitte 5a über einen gemeinsamen Zuleitkanalabschnitt angeströmt werden und die Aufteilung des Luftstroms auf den jeweiligen Aufleitabschnitt 5a noch im Bereich des Zuleitabschnittes erfolgt. Der Zuleitkanalabschnitt kann derart angeordnet sein, dass der Abgriff der diesem zufließenden Kühlluft durch einen Kühlwasserwärmetauscher hindurch erfolgt.
In 2 ist eine bevorzugte Anströmung der Krümmersegmente 1a, 1b, 1c schematisch dargestellt. Die Krümmersegmente 1a, 1b, 1c bilden thermisch hoch belastete Abgasumlenkkanäle deren thermische Belastung in den Heißzonen 1a', 1b' und 1c' höher ist als in den abfolgenden Bereichen. Der Aufleitabschnitt 5a ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Krümmersegmente 1a, 1b, 1c effektiv in die Luftströmung eingebettet sind und insbesondere die thermisch hoch belasteten Heißzonen 1a', 1b' und 1c' wirkungsvoll angeströmt werden. Durch den Aufleitabschnitt 5a kann hierzu der Kühlluftstrom V in die Teilströme Va, Vb und Vc aufgeteilt werden. Die Anströmrichtung dieser Teilströme Va, Vb und Vc ist vorzugsweise derart abgestimmt, dass die Krümmerrohre entlang ihrer Oberfläche, insbesondere im Bereich der Heißzonen 1a', 1b' und 1c' tangential angeströmt werden. Die Teilströme Va, Vb und Vc können hierbei zum Teil entgegengerichtete Richtungskomponenten aufweisen.
Die Abstimmung der Teilströme hinsichtlich Volumenanteil, Richtung und Feldquerschnitt erfolgt in Abstimmung mit der Außengeometrie des Abgaskrümmers 1 und dem lokalen Wärmetransferbedarf vorzugsweise derart, dass sich abwärts des Abgaskrümmers 1 insgesamt eine Summenströmung ergibt, die zumindest tendenziell dem Abgasstrang folgt.
Der Aufleitabschnitt 5a ist in dieser Ansicht prinzipskizzenartig und gegenüber dem Abgaskrümmer 1 vergrößert dargestellt, zur Erläuterung von Eigenschaften der Abströmkantenbereiche. Gemäß dieser Darstellung erfolgt im Bereich des Aufleitabschnitts 5a eine Ablenkung der Luftströme Va, Vb und Vc zum Abgaskrümmer 1 hin, wobei die Beaufschlagung des jeweiligen Krümmerrohres 1a, 1b, 1c wesentlich durch den räumlichen Verlauf eines druckseitigen Abströmendkantenbereiches AKa, AKb, AKc des jeweiligen Leitschachtes 4a, 4b, 4c bestimmt ist. Die Abström endkantenbereiche AKa , AKb, AKc sind derart gestattet, dass im Bereich des Aufleitabschnitts 5a eine Ablenkung des jeweiligen Luftstteilstromes Va, Vb, Vc zum Abgaskrümmer 1 hin erfolgt, wobei der druckseitige Abströmkantenbereich AKa , AKb, AKc jeweils derart ausgebildet ist, dass eine in Strömungsrichtung ausgerichtet verlaufende tangentiale Verlängerungslinie Ia, Ib, Ic des Abströmendkantenbereiches AKa , AKb, AKc das zugeordnete Krümmerrohr 1a, 1b, 1c im wesentlichen im Bereich seiner Rohrmittellinie durchsetzt. Dieses Gestaltungsmerkmal ist zumindest an jenen Leitschächten 4a, 4b mit ausgeprägter Umlenkung verwirklicht.
Zwischen den Austrittsbereichen benachbarter Leitschächte 4a, 4b, 4c können Zwischenzonen K₁, K₂ definiert sein, die entweder ausgefüllt oder als offenen Toträume ausgebildet sind. Insbesondere bei der Ausgestaltung der Leitschächte als sich verjüngende Düsen, ist es möglich, Die Zwischenzonen K₁, K₂ so zu gestalten, dass durch diese eine Förderung der den Aufleitabschnitt 5a umgebenden Luft zum Krümmer 1 hin unterstützt wird.
Wie in 3 dargestellt, ist es möglich in die Luftführungseinrichtung 4 Organe zu integrieren, durch welche der Durchfluss oder die Strömungsform des Luftstrome V beeinflusst werden kann. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Organe als teildurchlässiges Klappenelement 7 ausgebildet. Das Klappenelement 7 kann so in das System integriert sein, dass dieses staudruck und/oder stellmittelbetätigt die geforderte Schaltstellung einnimmt. Im vorliegenden Fall bildet das Klappenelement 7 eine Rückschlagklappe, durch welche eine unzulässige Rückströmung V" verhindert werden kann. Das Klappenelement 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Luftführungseinrichtung an einer stromaufwärts der Leitschächte 4a, 4b, 4c liegenden Stelle angeordnet.
In 4 ist eine Ausführungsform der Luftführungseinrichtung 4 gezeigt, bei welcher wenigstens ein Schachtklappenelement 13 in einem der Leitschächte 4a, 4b, 4c angeordnet ist. Durch dieses Schachtklappenelement wird es möglich, den Gesamtzustrom zu dem Abgaskrümmer 1, sowie die Strömungsform an sich definiert zu beeinflussen.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform des Luftführungssystems 4 gezeigt, bei welcher im Bereich des Aufleitabschnitts 5a der Luftstrom V zunächst in mehrere Leitschächte 4a, 4b, 4c aufgeteilt wird, wobei die Leitschächte 4a, 4b, 4c derart ausgebildet sind, dass deren Strömungsquerschnitt sich in Fließrichtung düsenartig verjüngt. Die Düsenkanäle, insbesondere deren Austrittskantenbereiche können so abgestimmt sein, dass diese tendenziell dem jeweils zugeordneten Krümmerrohrabschnitt folgen.
In 6 ist ein Luftabgriffsbereich LH dargestellt, über welchen der jener Luftführungseinrichtung 4 (1 bis 5) zufließende Luftstrom aus einem Fahrzeugfrontbereich abgegriffen werden kann. Der Luftabgriffsbereich LH ist von einer Gebläsezarge 14 umsäumt und befindet sich in einem oberen Eckbereich eines Kühlwasserwärmetauschers 15, so dass der der Luftführungseinrichtung 4 zufließende Luftstrom den Kühlwasserwärmetauscher 15 lokal durchsetzt.
In diesem Luftabgriffsbereich LH, oder auch in Strömungsrichtung hiervon abfolgend, können in der Luftführungseinrichtung 4 strömungsteilende Strukturen ausgebildet sein, durch welche die Luftmengenaufteilung in dem Luftführungssystem auf darin ausgebildete Kanäle und angeschlossene Aufleitabschnitte 5a abgestimmt werden kann.
Diese strömungsteilenden Strukturen können als Kanaltrennwände ausgebildet sein, die jenem Luftabgriffsbereich LH abfolgend den Strömungsweg wie durch Strichpunktlinien P1, P2 und P3 angedeutet, durchsetzen können. Die Kanaltrennwände können starr oder flexibel, selbstverstellend oder angesteuert ausgeführt sein.
Es ist möglich, die Einströmung der Luft in den Luftabgriffsbereich LH durch Einsatzelemente abzustimmen, die derart gestaltet sind, dass durch diese eine geforderte Luftstromaufteilung innerhalb der Luftführungseinrichtung erreicht wird. Diese Einsatzelemente können auf den jeweiligen Fahrzeugtyp oder auf die jeweilige Fahrzeugausführungsform abgestimmt sein.
Hohe Abgastemperaturen können zu Schäden an den Bauteilen eines Abgassystems (Katalysatoren, Sensoren, Abgaskrümmer selbst,...) führen. Die Maximaltemperaturen können zwar durch eine Gemischanreicherung (unterstöchiometrischer Motorbetrieb) begrenzt werden, jedoch ist diese Gemischanreicherung aus Sicht Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen kritisch zu beurteilen. Zusätzlich sind seitens des Fahrzeugs Wärmeschutzmassnahmen vorzusehen bzw. hochwertige, temperaturfeste Kunststoffe (Kosten!) überall dort zu verwenden, wo das heiße Abgasssystem durch das Fahrzeug verläuft. Als eine Alternative zu der o.g. Gemischanreicherung wird die Kühlung des Abgases (insbes. im Krümmerbereich) durch die erfindungsgemäße Luftanströmung angesehen.
Im Verlauf des Kühlluftkanals werden im Austrittsbereich Luftleitflächen vorgesehen wie in Verbindung mit 1 beschrieben. In dieser Figur ist die Struktur des Luftführungssystems für eine Zylindergruppe eines 6-Zylinder Reihenmotors mit Rohrkrümmer dargestellt. Durch die Luftleitflächen wird eine gleichmäßige Beaufschlagung der einzelnen Krümmerrohre sichergestellt. Um eine ausreichende Kühlwirkung zu erreichen, ist es vorteilhaft, möglichst große Bereiche der Krümmeroberfläche mit Kühlluft zu erreichen. Gleichzeitig ist eine gieichmäßige Beaufschlagung für die Bauteilfestigkeit der Krümmer wichtig, da starke Temperaturunterschiede am Krümmer zu Bauteilschäden führen können.
Die Wärmeabfuhr am Krümmer wird stark von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlluftstroms bestimmt. In 5 ist eine spezielle Ausführungsform der Luftleitflächen dargestellt. Durch im Verlauf enger werdende Strömungsquerschnitte in den zylinderindividuellen Kühlkanälen wird eine Expansion der Luftströmung vermieden, und die Strömung sogar noch beschleunigt. Damit kann lokal eine höhere Kühlwirkung erzielt werden als mit der Geometrie nach 1.
Um zu vermeiden, dass bei stehendem Fahrzeug und bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten der Lüfter Luft nicht über den Fahrzeugkühler sondern durch den Krümmerkühlkanal aus dem Motorraum absaugt („Kurzschluss" aufgrund von Motorkühlungsanforderungen u/o Klimaanlageanforderungen) kann es erforderlich sein, diese Rückströmung zu sperren. Dies kann durch folgende Maßnahmen erfolgen:

– An einer Stelle im Kühlluftkanal wird/werden eine oder mehrere Straudruckklappen angebracht. Diese öffnen sich bei einer Luftanströmung in Richtung Krümmer selbständig und schließen gegen einen Anschlag bei einer Rückströmung durch den Kühlkanal (wie oben beschrieben), Figur Bild 3 (Beispiel: Eine Staudruckklappe).
– Die o.g. Klappenfunktion kann auch erreicht werden, indem die Luftleitflächen nicht vollständig starr verbaut werden, sondern bewegliche Strukturen (z.B. im Bereich der Austritte) aufweisen siehe 4.

Generell können die Schaltglieder selbststellend, über einen Antrieb (z.B. Unterdrucksteller) angesteuert oder über einen „Steuerluftstrom" selbststellend oder angesteuert ausgeführt werden.
Als mögliches Schaltglied kann auch eine im Fahrzeug vorhandene Luftklappensteuerung (u.U. zur Verbesserung des Luftwiderstandsbeiwerts im Fahrzeug, z.B. in den Ziergitter-Nierenöffnungen) verwendet werden.
Angesteuerte Schaltglieder haben den weiteren Vorteil, dass die Kühlluftzufuhr z.B. wenn die Katalysatoren auszugehen drohen, oder wenn für einen NOx- Speicherkatalysator ein gezieltes Aufheizen des Abgassystems für eine Entschwefelung durchgeführt werden soll, unterbrochen werden kann.
Unter Umständen können auch durch verschiedene Zwischenstellungen der Klappen (nach den 3 und 4) optimale Bedingungen für die Beaufschlagung der Krümmerrohre bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten (und somit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten in den Kühlluftkanälen) verwirklicht werden.
Besondere Berücksichtigung bei der Abstimmung des Systems hinsichtlich einer ausreichenden Kühlwirkung sollte die Ausrichtung der Kühlluftaustritte zu den Abgaskrümmerrohren finden.
Die Ausrichtung der Luftleitflächen zu den Krümmerrohren im Anfangsbereich kann so abgestimmt sein, dass dort, wo das Abgas aus dem Motor in den Krümmer einströmt, die Endkanten der Luftleitflächen zunächst annähernd parallel zu den Krümmerrohren verlaufen. In diesem ersten Bereich des Krümmers werden die Enden der Luftleitflächen vorzugsweise so ausgerichtet, dass eine Tangente am Austrittsradius der Luftleitfläche durch die Mittenachse des entsprechenden Krümmerrohrs verläuft.
Die Lage des Austrittsquerschnitts sollte so gewählt werden, dass sie dem weiteren Verlauf des Abgassystems folgt (siehe 2). Ziel dieser Maßnahme ist es, die Luft, die an den Krümmer herangebracht wird, auch möglichst lang an der Oberfläche des Abgassystems entlang zu führen, um die vorhandene Oberfläche möglichst gut zur Kühlung auszunutzen.
Die Aufteilung des Kühlluftstroms auf die Zylinderbänke bzw. auf die Krümmerrohre der einzelnen Zylinder kann nach folgenden Kriterien ausgeführt werden. Wird die Aufteilung fest verbaut, kann diese in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Motors ausgeführt werden (z.B. Reihen 6-Zylinder Motor: Zylinder 6 ist der heißeste Zylinder – dieser erhält mehr Kühlluft auf das zugeordnete Krümmerrohr). Die Aufteilung kann auch an die Einströmbedingungen am Eintrittsquerschnitt (am Zargenabgriff) angepasst werden. In 6 sind durch die Strichpunktlinien P1, P2 und P3 exemplarisch Aufteilungsvarianten für die zylinderbankindividuellen Kühlluftströme in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen am Zargenabgriff dargestellt. Schließlich kann die Aufteilung auch variabel (durch Schaltglieder) gestaltet werden. Die Schaltglieder können selbststellend, über einen Antrieb (z.B. Unterdrucksteller) angesteuert oder über einen „Steuerluftstrom" selbststellend oder angesteuert ausgeführt werden.
Durch die Ansteuerung des Lüfters in Abhängigkeit von der Abgastemperatur, kann die Wirkung eines von einer Zarge des Lüfters abgehenden Kühlluftkanals unterstützt werden. Wird das Lüfterrad bei hohen Geschwindigkeiten blockiert, steigt der Druck in der Zarge. Damit strömt mehr über den Kühlluftkanal ab. Der Lüfter könnte auch „rückwärts" angetrieben werden, um den Druck in der Zarge weiter zu erhöhen.
Wird das erfindungsgemäße Kühlsystem für einen Abgaskrümmer realisiert, so werden insbesondere folgende Maßnahmen zur Optimierung der Wirkung des Systems vorgeschlagen:

– Abstimmung der Strömungsführung im Hinblick auf eine günstige Beaufschlagung des Krümmers insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Bauteiltemperaturfestigkeit und der Wirksamkeit der Kühlung.
– Bedarfsweise Integration von Klappenvorrichtungen, um negative Wechselwirkungen zwischen der Krümmerkühlung und der Klimaanlagen- oder Motorkühlung zu vermeiden.
– Festlegung der Ausrichtung der Luftleitflächen und Austrittsquerschnitte zum Krümmer im Hinblick auf die geforderte Anströmung.
– Optimierte Aufteilung der Kühlluftströme im Hinblick auf die jeweils optimale geforderte Wirksamkeit, Abkühlung, Bauteilfestigkeit.
– Abgastemperaturabhängige Lüfteransteuerung im Hinblick auf optimale Wirksamkeit, Abkühlung, Verminderung des Risikos einer Katalysatorüberhitzung.

Diese Maßnahmen können so kombiniert werden, dass eine besonders effiziente und sichere Ausnutzung des Abgaskühlpotentiales erreicht wird.
Durch das erfindungsgemäße Kühlsystem lässt sich insbesondere ein ggf. bestehender Anfettungsbedarf des Arbeitsgases bei hohen Lasten und Geschwindigkeiten deutlich verringern, was zu deutlichen Verbrauchs- und Emissionsvorteilen führt. Durch den Kühlluftstrom an der Abgasanlage entlang werden die Bauteiltemperaturen umliegender Bauteile abgesenkt. Somit können Kostenpotentiale im Umfeld des Abgassystems erschlossen werden (Entfall von aufwendigen Wärmeschutzmaßnahmen, Schaffung der Möglichkeit der Verwendung kostengünstiger Werkstoffe).

Claims

Kraftfahrzeug mit: – einem Motorraum, – einer in diesem Motorraum angeordneten Brennkraftmaschine und – einem Abgasstrang, der wenigstens einen Abgaskrümmer sowie einen sich daran anschließenden Abgasleitungsabschnitt aufweist, und – einem Abgasstrangkühlsystem, das eine Luftführungseinrichtung umfasst, zum Abgriff eines Kühlluftstromes aus einem Fahrzeugfrontbereich und zur kanalgeführten Zuleitung des Kühlluftstromes in den Bereich des Abgaskrümmers, – wobei die Luftführungseinrichtung einen Krümmeraufleitabschnitt aufweist und dieser eine Kanalwandung definiert, die im Bereich des Abgaskrümmers den Luftstrom auf abfolgende Krümmersegmente aufweitet oder aufteilt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmeraufleitabschnitt einen Leitschaufelfächer aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelfächer derart ausgebildet ist, dass dieser einen im wesentlichen horizontal zufließenden Luftstrom in vertikaler Richtung zu dem Abgaskrümmer hin umlenkt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufleitabschnitt sich in Einbauposition über dem Abgaskrümmer befindet.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Aufleitabschnitts eine Ablenkung des Luftstromes zum Abgaskrümmer hin erfolgt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufleitabschnitt derart ausgebildet ist, dass im Bereich des Aufleitabschnitts der Luftstrom zunächst in mehrere Leitschächte aufgeteilt wird, wobei die Leitschächte derart ausgebildet sind, dass deren Strömungsquerschnitt in Fließrichtung diffusorartig zunimmt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Aufleitabschnitts der Luftstrom zunächst in mehrere Leitschächte aufgeteilt wird, wobei die Leitschächte derart ausgebildet sind, dass deren Strömungsquerschnitt sich in Fließrichtung düsenartig verjüngt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang in einem stromabwärts des Abgaskrümmers liegenden Bereich von luftführenden Strukturen umgeben ist, so dass die über den Aufleitabschnitt auf den Abgaskrümmer aufgeleitete Luft in Form einer ausgeprägten Luftströmung den Abgasrohren folgt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mehrere Abgaskrümmer aufweist, und dass jedem Abgaskrümmer ein Aufleitabschnitt zugeordnet ist, wobei wenigstens zwei Aufleitabschnitte über einen gemeinsamen Zuleitkanalabschnitt angeströmt werden und die Aufteilung des Luftstroms auf den jeweiligen Aufleitabschnitt noch im Bereich des Zuleitabschnittes erfolgt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Aufleitabschnitts eine Ablenkung des Luftstromes zum Abgaskrümmer hin erfolgt, wobei die Beaufschlagung des jeweiligen Krümmerrohres wesentlich durch den räumlichen Verlauf eines druckseitigen Abströmendkantenbereiches des jeweiligen Leitschachtes bestimmt ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Aufleitabschnitts eine Ablenkung des Luftstromes zum Abgaskrümmer hin erfolgt, wobei der druckseitige Abströmkantenbereich derart ausgebildet ist, dass eine in Strömungsrichtung ausgerichtet verlaufende tangentiale Verlängerungslinie des Abströmendkantenbereiches das zugeordnete Krümmerrohr im wesentlichen im Bereich seiner Rohrmittellinie durchsetzt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitkanalabschnitt derart angeordnet ist, dass der Abgriff der diesem zufließenden Kühlluft durch einen Kühlwasserwärmetauscher hindurch erfolgt.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungseinrichtung Klappenelemente umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenelemente staudruck und/oder stellmittelbetätigt sind.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Klappenelement in einem dem jeweiligen Aufleitabschnitt vorgelagerten Bereich angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Klappenelement in dem jeweiligen Aufleitabschnitt angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Kühlluftströme im Einströmbereich des Kühlluftschachtes unter Berücksichtigung der am Eintrittsbereich herrschenden Strömungsverhältnisse, und des Kühlluftbedarfes der jeweiligen Krümmerrohre abgestimmt ist.
Kraftfahrzeug nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungseinrichtung Teil eines Luftkühlsystems bildet, wobei das Luftkühlsystem Einrichtungen umfasst, zur Erhöhung des Luftzutritts zu der Luftführungseinrichtung durch Erhöhung des Staudrucks im Bereich eines Kühlwasserwärmetauschers.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Staudrucks im Bereich des Kühlwasserwärmetauschers das Laufrad eines Kühlergebläses blockierbar, oder verzögert betreibbar ist.