EP2077386A1 - Zylinderkopf mit im Zylinderkopf integriertem Abgaskrümmer - Google Patents

Zylinderkopf mit im Zylinderkopf integriertem Abgaskrümmer Download PDF

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EP2077386A1
EP2077386A1 EP08100145A EP08100145A EP2077386A1 EP 2077386 A1 EP2077386 A1 EP 2077386A1 EP 08100145 A EP08100145 A EP 08100145A EP 08100145 A EP08100145 A EP 08100145A EP 2077386 A1 EP2077386 A1 EP 2077386A1
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EP
European Patent Office
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cylinder head
exhaust gas
exhaust
line
cylinder
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EP08100145A
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Ingo Lenz
Stefan Dr. Quiring
Richard Fritsche
Kai Kuhlbach
Martin Lutz
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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    • F02F1/24—Cylinder heads
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/14—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system
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    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F02F2001/4278—Exhaust collectors

Definitions

  • the invention relates to the use of such a cylinder head.
  • Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which is used to form the individual cylinder d.
  • H. Combustion chambers are interconnected.
  • the cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons or the cylinder tubes.
  • the pistons are guided axially movably in the cylinder tubes and, together with the cylinder tubes and the cylinder head, form the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the cylinder head is often used to hold the valve train.
  • an internal combustion engine requires control means and actuators to operate these controls.
  • the expulsion of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber that is the suction of the fresh mixture or the fresh air via the inlet openings takes place.
  • four-stroke engines use almost exclusively globe valves as control members, which oscillate during operation of the internal combustion engine Execute lifting movement and thus release the inlet and outlet openings and close.
  • the required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train.
  • the inlet ducts leading to the inlet openings and the outlet ducts or exhaust ducts adjoining the outlet openings are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art.
  • the exhaust pipes of the at least two exhaust ports of a single cylinder are often - within the cylinder head - merged into a cylinder associated partial exhaust gas line, these partial exhaust gas lines are then combined outside the cylinder to form a single overall exhaust line.
  • the merging of the exhaust pipes to the entire exhaust line is referred to in general and in the context of the present invention as exhaust manifold or manifold.
  • the exhaust gases Downstream of the manifold, the exhaust gases are then optionally supplied to the turbine of an exhaust gas turbocharger and / or one or more exhaust aftertreatment systems.
  • the turbine As close to the outlet of the internal combustion engine, in order to make optimum use of the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases and to ensure a rapid response of the turbocharger.
  • the way the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases little time is granted for cooling and the exhaust aftertreatment systems as fast as possible Reach operating temperature or light-off temperature, in particular after a cold start of the internal combustion engine.
  • the exhaust manifold is partially or fully integrated with the cylinder head.
  • a cylinder head in which connects to each outlet opening an exhaust pipe and merge the exhaust gas lines of the cylinder within the cylinder head to form an overall exhaust gas line, is the subject of the present invention.
  • Such a cylinder head is characterized by a very compact design, wherein the total distance traveled by the exhaust pipes of the exhaust manifold has been minimized.
  • the use of such a cylinder head also leads to fewer components and consequently to a reduction in costs, in particular the assembly and deployment costs.
  • the heat released during combustion by the exothermic, chemical conversion of the fuel is partly dissipated via the walls delimiting the combustion chamber to the cylinder head and the cylinder block and partly via the exhaust gas flow to the adjacent components and the environment.
  • a portion of the introduced into the cylinder head heat flow must be withdrawn from the cylinder head again.
  • the liquid cooling requires the equipment of the internal combustion engine or the cylinder head with a coolant jacket d. H. the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the cylinder head construction. In this case, the mechanically and thermally highly stressed cylinder head is weakened by the introduction of the coolant channels on the one hand in its strength. On the other hand, the heat must not be directed to the cylinder head surface as in the air cooling, to be dissipated. The heat is already in the interior of the cylinder head to the coolant, usually mixed with additives added water. The coolant is thereby conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is removed in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again.
  • a coolant jacket is integrated in the cylinder head according to the prior art in a cylinder head of the present type.
  • a cylinder head with integrated exhaust manifold and integrated liquid cooling ie a cylinder head according to the preamble of claim 1 ie the generic type, for example, discloses the EP 1 722 090 A2 , as well as the registration EP 07110193.5 ,
  • Modern internal combustion engines are increasingly equipped with a cylinder head of the type in question. Increasingly, an exhaust gas recirculation is provided.
  • Exhaust gas recirculation ie the recirculation of combustion gases from the exhaust gas side to the intake side of the internal combustion engine, has been identified as being expedient in order to comply with future limit values for pollutant emissions, in particular the limit values for nitrogen oxide emissions. Since the formation of nitrogen oxides requires not only an excess of air but also high temperatures, there is a concept for reducing nitrogen oxide emissions It is to develop combustion processes with lower combustion temperatures, wherein the exhaust gas recirculation is a means to lower the temperatures.
  • Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range.
  • the exhaust gas can basically be branched off downstream or upstream of an exhaust gas aftertreatment system provided on the exhaust side or of a turbine of an exhaust gas turbocharger, i. be removed.
  • the line for returning the exhaust gas branches off from the total exhaust gas line as a rule.
  • the return line must be connected to the entire exhaust line, for example by means of a flange connection.
  • the joint is on the one hand a potential leakage point for the unwanted escape of exhaust gases, which implies high demands on the seal.
  • this connection is thermally highly loaded by the hot exhaust gases, so that high demands are placed on the execution of the connection. If the entire exhaust line made of high temperature resistant material, the compound must also be made of costly and difficult to process material.
  • the prior art also includes concepts in which a line for exhaust gas recirculation is integrated into the cylinder head, wherein the return line branches off from an at least partially integrated in the cylinder head exhaust manifold.
  • the integrated into the cylinder head tapping point allows the one-piece design of manifold and return line d. H. the avoidance of training and sealing a non-positive connection point. Furthermore, the integration of the return line leads to a reduction in the number of components and a more compact design. The latter also supports the effort to achieve as dense as possible a packaging of the drive unit in the engine compartment.
  • a cylinder head with a built-in cylinder head tapping point for exhaust gas recirculation describes, for example, the GB 2 370 073 A .
  • the return line branches off from a partial exhaust gas line of a cylinder with two outlet openings, wherein the first portion of the return line is employed against the flow direction of the exhaust gas in the used partial exhaust gas line, thus making it more difficult for exhaust gas to flow out of the associated cylinder.
  • a special casting core must be provided, since the entire return line extends within the cylinder head and this section can not be formed in any other way, which makes the production difficult.
  • the cylinder head In order to integrate the return line completely in the cylinder head, the cylinder head must also have the necessary material substance, which usually leads to an increase in weight.
  • the Indian GB 2 370 073 A described cylinder head also has an integrated only partially in the cylinder head exhaust manifold, so that the distance of the exhaust pipes and partial exhaust gas line to a possibly located outside of the cylinder head total exhaust gas line is comparatively long. This has the consequence that the return line is actually acted upon only with the exhaust gas of the individual cylinder or can be diverted from the partial exhaust gas line this line.
  • a cylinder head according to the preamble of claim 1 which is equipped with a built-in cylinder head tapping point for exhaust gas recirculation and with which the known prior art disadvantages are overcome and in particular high exhaust gas recirculation rates can be achieved.
  • Another object of the present invention is to show uses of such a cylinder head.
  • the cylinder head according to the invention has - in contrast to that in the GB 2 370 073 A described cylinder head - via a fully integrated in the cylinder head exhaust manifold, which is why the distances of the individual exhaust pipes are comparatively short up to the total exhaust gas line. Due to the shorter flow paths, the return line for the individual partial exhaust gas streams of all cylinders or outlet openings is comparatively easily accessible. This advantageously leads to the fact that the return line diverging from the partial exhaust line of a single cylinder can be acted upon or acted upon by the exhaust gas of all the cylinders of the internal combustion engine.
  • the cylinder head according to the invention differs from concepts in which the cylinder head has an only partially integrated manifold, and also of concepts in which the return line branches off from the entire exhaust line or an exhaust pipe of a single outlet opening.
  • the first of the invention underlying subtask is solved, namely to provide a cylinder head of the generic type, with a cylinder head in the integrated tapping point is equipped for exhaust gas recirculation and can be achieved with the high exhaust gas recirculation rates.
  • the production simplifies that means the formation of the branching off of the partial exhaust line section of the return line considerably.
  • the return line - depending on the individual case - partially or completely be introduced by means of machining production process in the cylinder head blank.
  • the return line can also be partially or completely formed already during the casting of the cylinder head blank, which can be done by introducing a simple, outwardly open and therefore easily removable core.
  • a part of the return line can be formed during the casting of the cylinder head blank, the return line and the partial exhaust line remaining separated by an initially remaining wall. The subsequent removal of the wall then ensures the connection of the two lines.
  • a uniform cylinder head blank can be made, in which can be selectively introduced by reworking a line for the return of exhaust gas or not.
  • Embodiments of the cylinder head in which the line for returning exhaust gas runs in a straight line are advantageous.
  • the rectilinear design of the return line simplifies the production of the line considerably.
  • a rectilinear return line can be formed for example in a simple manner by drilling.
  • a straight-line course can serve to shorten the length of the return line and thus to reduce the volume of the line. This in turn improves the response of the exhaust gas recirculation, which is considered to be advantageous.
  • Embodiments of the cylinder head in which the line for returning exhaust gas runs essentially parallel to the longitudinal axis of the cylinder head are advantageous.
  • the return line usually connects laterally to the exhaust manifold and is not guided in the direction of the cylinder longitudinal axis up or down.
  • Embodiments of the cylinder head in which the line for recirculating exhaust gas to form a funnel-shaped inlet region adjoins the partial exhaust gas line are advantageous.
  • the diameter of the return line at the junction increases in the direction of the partial exhaust line, so that a funnel-shaped inlet region is formed, which supports the influx of exhaust gas, both the inflow from the cylinder, which is assigned to the partial exhaust gas line used for the return, and the inflow from the other cylinders. This is advantageous in particular with regard to the realization of high return rates.
  • the cylinder head walls forming the partial exhaust gas line should preferably be continuous d. H. flow smoothly into the return line.
  • embodiments of the cylinder head are also advantageous in which the walls of the conduit for returning exhaust gas to form the funnel-shaped inlet region bulge, whereby a trumpet-shaped inlet region is formed.
  • An inlet area which widens towards the partial exhaust gas line also leads to a reduction of the pulsation. If the inlet area to the partial exhaust gas line has curved, ie rounded, transitions, it is possible to influence the inflow conditions with the aid of the size of the radii of these rounded transitions.
  • the use of different radii on the side facing away from the exhaust gas line on the one hand and On the other hand, on the side facing the overall exhaust gas line allows a targeted distribution of the exhaust gas streams used for the return.
  • This embodiment is advantageous because the cylinder head in this way only slightly by the introduction d. H. the integration of the return line is weakened or affected. In particular, the length of the return line is shortened, whereby the volume of the line is reduced, which - as already stated above - improves the response of the exhaust gas recirculation. Such a running return line also limits the interpretation of the cylinder head construction with respect to other requirements or functions as little as possible.
  • the cylinder head is anyway a thermally and mechanically highly loaded component, since the cylinder head already have a variety of tasks and functions.
  • the cylinder head not only receives the valvetrain as described above, but also includes the bores into which the bolts for connecting the cylinder head to the cylinder block are inserted.
  • additional lines for venting the crankcase are provided in the cylinder head.
  • a cylinder head with integrated exhaust manifold has a comparatively bulky coolant jacket due to the high thermal load.
  • a coolant jacket is introduced into the cylinder head, which has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket, which is arranged on the side opposite the lower coolant jacket side of the exhaust pipes, wherein these two coolant jackets are additionally connected by means of passages.
  • the line for recirculation of exhaust gas has the smallest possible volume, which can be realized for example by the external connection of the return line to the exhaust manifold.
  • embodiments of the cylinder head in which the coolant jacket integrated in the cylinder head at least partially surrounds the line for returning exhaust gas are advantageous.
  • the exhaust branched off from the exhaust manifold, provided for a return exhaust gas is already cooled in the cylinder head.
  • the thermal load of a downstream of the return line or the tap point provided valve for controlling the return rate (EGR valve) and / or a seal decreases.
  • An optionally provided additional radiator for cooling the recirculated exhaust gas may therefore be smaller in size.
  • Increasing the density also reduces the volume, resulting in a decrease in flow losses.
  • a cylinder head according to one of the aforementioned types in particular in a supercharged internal combustion engine, since the exhaust gas recirculation and charging are often used in combination and a supercharged internal combustion engine is charged thermally higher.
  • the dimensioning d. H Determining the length of the exhaust ducts in supercharged internal combustion engines with respect to the combustion process of lesser importance than uncharged internal combustion engines, so that in turbocharged internal combustion engines, the generally short length of the cylinder head integrated manifold has no negative impact on the performance of the internal combustion engine.
  • the use of the cylinder head according to the invention is advantageous in particular in internal combustion engines that are charged by turbocharging.
  • the turbine of the exhaust gas turbocharger is arranged in the overall exhaust line, thereby increasing the exhaust pressure upstream of the turbine and thus the exhaust pressure in the manifold, which in turn facilitates the introduction of the exhaust gas streams in the return line or reinforced, so that high return rates can be realized ,
  • FIG. 1 shows in a plan view of the casting core 12 of the integrated in a first embodiment of the cylinder head exhaust pipes 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6, so that FIG. 1 per se, the system of integrated in the cylinder head exhaust pipes 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 itself illustrates or reproduces why the reference numerals for the exhaust pipes 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 were registered or used.
  • exhaust pipes 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 of a cylinder head of a three-cylinder in-line engine At the in FIG. 1 illustrated casting core 12 and exhaust system is the exhaust pipes 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 of a cylinder head of a three-cylinder in-line engine.
  • Each of the three cylinders 1a, 1b, 1c is provided with two outlet openings 2a, 2b, with an exhaust pipe 4a, 4b for discharging the exhaust gases adjoining each outlet opening 2a, 2b.
  • the exhaust pipes 4a, 4b lead together to form an exhaust gas manifold 3 to form an overall exhaust gas line 6.
  • the exhaust gas conduits 4a, 4b of each cylinder 1a, 1b, 1c initially lead to a partial exhaust gas line 5a, 5b, 5c associated with the cylinder 1a, 1b, 1c, these sub exhaust gas conduits 5a, 5b, 5c subsequently d. H. downstream open into a common total exhaust line 6.
  • the exhaust gas leaves the cylinder head at the outlet 9 of the total exhaust line 6 from the cylinder head.
  • a line 7 for the return of exhaust gas is integrated in the cylinder head.
  • the return line 7 branches off from the exhaust manifold 3 integrated in the cylinder head, the return line 7 branching off from a partial exhaust line 5a of the manifold 3 and having an outlet 8 from the cylinder head.
  • the rectilinear and parallel to the cylinder head longitudinal axis extending return line 7 branches off from the partial exhaust line 5a of an outer cylinder 1a, wherein the line 7 connects externally to the exhaust manifold 3.
  • the return line 7 connects to form a funnel-shaped inlet region 10 to the partial exhaust gas line 5a.
  • the diameter of the return line 7 increases at the connection point in the direction of the partial exhaust gas line 5a.
  • the inflow of exhaust gas is thereby simplified and that both the inflow from the cylinder 1 a, from the partial exhaust line 5 a, the return line 7 branches off, as well as the inflow from the other cylinders 1 b, 1 c.
  • the walls of the return line 7 bulge outwards in the direction of the partial exhaust gas line 5a, so that the inlet region 10 assumes a trumpet-shaped form.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (1a, 1b, 1c), bei dem - jeder Zylinder (1a, 1b, 1c) mindestens zwei Auslaßöffnungen (2a, 2b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1a, 1b, 1c) aufweist, - sich an jede Auslaßöffnung (2a, 2b) eine Abgasleitung (4a, 4b) anschließt, - die Abgasleitungen (4a, 4b) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers (3) innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, wobei zunächst die Abgasleitungen (4a, 4b) der mindestens zwei Auslaßöffnungen (2a, 2b) jedes Zylinders (1a, 1b, 1c) zu einer dem Zylinder (1a, 1b, 1c) zugehörigen Teilabgasleitung (5 a, 5b, 5c) zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen (5a, 5b, 5c) der mindestens zwei Zylinder (1a, 1b, 1c) zu der Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen. Es soll ein Zylinderkopf bereitgestellt werden, der mit einer im Zylinderkopf integrierten Abgriffsstelle zur Abgasrückführung ausgestattet ist und mit dem insbesondere hohe Abgasrückführraten erzielt werden können. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf der oben genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass - eine Leitung (7) zur Rückführung von Abgas im Zylinderkopf vorgesehen ist, die von dem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer (3) abzweigt und mit der zumindest ein Teil des aus den Zylindern (1a, 1b, 1c) abgeführten Abgases dem Abgaskrümmer (3) innerhalb des Zylinderkopfes entnehmbar ist, wobei - die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas von einer Teilabgasleitung (5a, 5b, 5c) abzweigt und aus dem Zylinderkopf austritt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei dem
    • jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist,
    • sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt,
    • die Abgasleitungen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen der mindestens zwei Zylinder zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Des weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Zylinderkopfes.
  • Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder d. h. Brennräume miteinander verbunden werden.
  • Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
  • Der Zylinderkopf dient häufig auch zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen und das Füllen des Brennraums d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft über die Einlaßöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
  • Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlaß- und Auslaßöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden daher auch zunehmend zwei oder mehr Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen vorgesehen, wie auch bei dem Zylinderkopf, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
  • Die Einlaßkanäle, die zu den Einlaßöffnungen führen, und die Auslaßkanäle bzw. Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen eines einzelnen Zylinders werden dabei häufig - innerhalb des Zylinderkopfes - zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, wobei diese Teilabgasleitungen dann außerhalb des Zylinders zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden. Die Zusammenführung der Abgasleitungen bis hin zu der Gesamtabgasleitung wird im allgemein und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bzw. Krümmer bezeichnet.
  • Stromabwärts des Krümmers werden die Abgase dann gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
  • Dabei ist man zum einen bemüht, die Turbine möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
  • In diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasturbolader zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
  • Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, wird gemäß einem Lösungsansatz nach dem Stand der Technik der Abgaskrümmer teilweise bzw. vollständig im Zylinderkopf integriert. Ein Zylinderkopf, bei dem sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt und die Abgasleitungen der Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, wobei die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen des Abgaskrümmers minimiert wurde. Die Verwendung eines derartigen Zylinderkopfes führt des weiteren zu weniger Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.
  • Ein solcher Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung.
  • Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muß ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden.
  • Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der wesentlichen höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist.
  • Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so daß es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
  • Aus den genannten Gründen wird nach dem Stand der Technik bei einem Zylinderkopf der vorliegenden Art ein Kühlmittelmantel im Zylinderkopf integriert.
  • Einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und integrierter Flüssigkeitskühlung d. h. einen Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art offenbart beispielsweise die EP 1 722 090 A2 , sowie die Anmeldung EP 07110193.5 .
  • Moderne Brennkraftmaschinen werden zunehmend mit einem Zylinderkopf der in Rede stehenden Art ausgestattet. Zunehmend wird auch eine Abgasrückführung vorgesehen.
  • Die Abgasrückführung d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine wurde als zielführend erkannt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, insbesondere die Grenzwerte für Stickoxidemissionen. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuß, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse bzw. -verfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln, wobei die Abgasrückführung ein Mittel ist zur Senkung der Temperaturen.
  • Mit zunehmender Abgasrückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei wie folgt: x AGR = m AGR / m AGR / m Frischluft
    Figure imgb0001
     wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte und gegebenenfalls komprimierte Frischluft bzw. Ladeluft bezeichnet.
  • Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
  • Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 50% bis 70% liegen können.
  • Das Abgas kann dabei grundsätzlich stromabwärts oder stromaufwärts eines auf der Abgasseite vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems bzw. einer Turbine eines Abgasturboladers abgezweigt d.h. entnommen werden.
  • Wird das Abgas außerhalb des Zylinderkopfes abgezweigt, so dass die Abgriffsstelle zur Abgasrückführung außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist, zweigt die Leitung zur Rückführung des Abgases in der Regel von der Gesamtabgasleitung ab. Dabei muß die Rückführleitung mit der Gesamtabgasleitung verbunden werden, beispielsweise mittels einer Flanschverbindung. Die Verbindungsstelle ist zum einen eine potentielle Leckagestelle für das unerwünschte Austreten von Abgasen, was hohe Anforderungen an die Dichtung impliziert. Zum anderen ist diese Verbindung durch die heißen Abgase thermisch hochbelastet, so dass an die Ausführung der Verbindung hohe Anforderungen gestellt werden. Ist die Gesamtabgasleitung aus hochtemperaturfestem Werkstoff gefertigt, muß die Verbindung ebenfalls aus kostenintensivem und schwer zu bearbeitendem Material hergestellt werden.
  • Der Stand der Technik umfaßt aber auch Konzepte, bei denen eine Leitung zur Abgasrückführung in den Zylinderkopf integriert wird, wobei die Rückführleitung von einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer abzweigt.
  • Die in den Zylinderkopf integrierte Abgriffsstelle ermöglicht die einteilige Ausbildung von Krümmer und Rückführleitung d. h. die Vermeidung der Ausbildung und Abdichtung einer kraftschlüssigen Verbindungsstelle. Des weiteren führt die Integration der Rückführleitung zu einer Verringerung der Anzahl an Bauteilen und zu einer kompakteren Bauweise. Letzteres unterstützt auch das Bemühen, im Motorraum ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit zu erzielen.
  • Einen Zylinderkopf mit einer im Zylinderkopf integrierten Abgriffstelle zur Abgasrückführung beschreibt beispielsweise die GB 2 370 073 A . Die Rückführleitung zweigt von einer Teilabgasleitung eines Zylinders mit zwei Auslaßöffnungen ab, wobei das erste Teilstück der Rückführleitung gegen die Strömungsrichtung des Abgases in der genutzten Teilabgasleitung angestellt ist, also ein Einströmen von Abgas aus dem zugehörigen Zylinder erschwert. Zur Ausbildung dieses Teilstücks muß zudem ein spezieller Gußkern vorgesehen werden, da die gesamte Rückführleitung innerhalb des Zylinderkopfes verläuft und dieses Teilstück auf andere Weise nicht ausgebildet werden kann, was die Herstellung erschwert. Um die Rückführleitung vollständig im Zylinderkopf integrieren zu können, muß der Zylinderkopf zudem die notwendige Materialsubstanz aufweisen, was in der Regel zu einer Gewichtszunahme führt.
  • Der in der GB 2 370 073 A beschriebene Zylinderkopf weist darüber hinaus einen nur teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer auf, so dass die Wegstrecke der Abgasleitungen und Teilabgasleitung bis hin zu einer gegebenenfalls außerhalb des Zylinderkopfes gelegenen Gesamtabgasleitung vergleichsweise lang ist. Dies hat zur Folge, dass die Rückführleitung tatsächlich nur mit dem Abgas des einzelnen Zylinders beaufschlagt wird bzw. werden kann, von dessen Teilabgasleitung diese Leitung abzweigt.
  • Zur Generierung hoher Rückführraten reicht das Abgas eines einzelnen Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine aber nicht aus, weshalb Zylinderköpfe bereitgestellt werden müssen, mit denen die bereits oben genannten hohen Rückführraten erzielt werden können.
  • Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der mit einer im Zylinderkopf integrierten Abgriffsstelle zur Abgasrückführung ausgestattet ist und mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und insbesondere hohe Abgasrückführraten erzielt werden können.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verwendungen eines derartigen Zylinderkopfes aufzuzeigen.
  • Gelöst wird die erste Aufgabe durch einen Zylinderkopf mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei dem
    • jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist,
    • sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt,
    • die Abgasleitungen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen der mindestens zwei Zylinder zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen,
    und der dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • eine Leitung zur Rückführung von Abgas im Zylinderkopf vorgesehen ist, die von dem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer abzweigt und mit der zumindest ein Teil des aus den Zylindern abgeführten Abgases dem Abgaskrümmer innerhalb des Zylinderkopfes entnehmbar ist, wobei
    • die Leitung zur Rückführung von Abgas von einer Teilabgasleitung abzweigt und aus dem Zylinderkopf austritt.
  • Die gleichzeitige kombinierte Integration des Abgaskrümmers und der Rückführleitung in den Zylinderkopf führt in vorteilhafter Weise zu Synergieeffekten.
  • Der erfindungsgemäße Zylinderkopf verfügt - im Gegensatz zu dem in der GB 2 370 073 A beschriebenen Zylinderkopf - über einen vollständig im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer, weshalb die Wegstrecken der einzelnen Abgasleitungen bis hin zur Gesamtabgasleitung vergleichsweise kurz sind. Aufgrund der kürzeren Strömungswege ist die Rückführleitung für die einzelnen Abgasteilströme sämtlicher Zylinder bzw. Auslaßöffnungen vergleichsweise leicht erreichbar. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die aus der Teilabgasleitung eines einzelnen Zylinders abzweigende Rückführleitung mit dem Abgas sämtlicher Zylinder der Brennkraftmaschine beaufschlagt werden kann bzw. beaufschlagt wird.
  • Der erfindungsgemäße Zylinderkopf grenzt sich insofern von Konzepten ab, bei denen der Zylinderkopf über einen nur teilweise integrierten Krümmer verfügt, und ebenfalls von Konzepten, bei denen die Rückführleitung von der Gesamtabgasleitung bzw. einer Abgasleitung einer einzelnen Auslaßöffnung abzweigt.
  • Bei der letztgenannten Variante wäre ein deutlich ausgeprägteres Rückströmen der aus den anderen Auslaßöffnungen abgeführten Abgasanteile erforderlich, was sich aber in dieser Weise in der Praxis nicht einstellt bzw. nicht realisieren läßt, so dass hohe Rückführraten mit einem derartigen Konzept nicht realisiert werden könnten. Zudem wäre eine starke Pulsation in der Rückführleitung zu beobachten, da die Rückführleitung im wesentlichen nur mit dem Abgas einer einzelnen Auslaßöffnung beaufschlagt werden würde.
  • Andererseits würde die Entnahme des Abgases aus der Gesamtabgasleitung die Wegstrecke der in den Zylinderkopf zu integrierenden Rückführleitung deutlich vergrößern bzw. die Streckenführung dieser Rückführleitung erschweren. Gegebenenfalls würde dies eine erhebliche Gewichtszunahme des Zylinderkopfes erforderlich machen d.h. verursachen.
  • Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich einen Zylinderkopf der gattungsbildenden Art bereitzustellen, der mit einer im Zylinderkopf integrierten Abgriffsstelle zur Abgasrückführung ausgestattet ist und mit dem hohe Abgasrückführraten erzielt werden können.
  • Da die Leitung zur Rückführung des Abgases erfindungsgemäß und im Gegensatz zu dem in der GB 2 370 073 A beschriebenen Zylinderkopf aus dem Zylinderkopf austritt und folglich nicht die gesamte Rückführleitung im Zylinderkopf integriert ist, vereinfacht sich die Herstellung d. h. die Ausbildung des von der Teilabgasleitung abzweigenden Teilstücks der Rückführleitung erheblich. So kann die Rückführleitung - abhängig vom vorliegenden Einzelfall - teilweise oder vollständig mittels spanabhebender Fertigungsverfahren in den Zylinderkopfrohling eingebracht werden.
  • Die Rückführleitung kann auch bereits beim Gießen des Zylinderkopfrohlings teilweise oder vollständig ausgebildet werden, was durch Einbringen eines einfachen, nach außen offenen und daher leicht entfernbaren Kerns erfolgen kann.
  • Zudem ergeben sich weitere Freiheitsgrade bei der Fertigung des Zylinderkopfes. So kann beispielsweise ein Teil der Rückführleitung beim Gießen des Zylinderkopfrohlings ausgebildet werden, wobei die Rückführleitung und die Teilabgasleitung durch eine zunächst verbleibende Wand getrennt bleiben. Das nachträgliche Entfernen der Wand sorgt dann für die Verbindung der beiden Leitungen. D. h. für eine Motorenserie kann ein einheitlicher Zylinderkopfrohling gefertigt werden, in den durch Nachbearbeitung eine Leitung zur Rückführung von Abgas gezielt eingebracht werden kann oder auch nicht.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Zylinderkopfes werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas geradlinig verläuft. Die geradlinige Ausbildung der Rückführleitung vereinfacht die Herstellung der Leitung erheblich. Eine geradlinige Rückführleitung kann beispielsweise in einfacher Weise mittels Bohren ausgebildet werden.
  • Zudem kann ein geradliniger Verlauf dazu dienen, die Länge der Rückführleitung zu verkürzen und damit das Volumen der Leitung zu verkleinern. Dies wiederum verbessert das Ansprechverhalten der Abgasrückführung, was als vorteilhaft anzusehen ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas im wesentlichen parallel zur Längsachse des Zylinderkopfes verläuft. Dabei schließt die Rückführleitung in der Regel seitlich an den Abgaskrümmer an und wird nicht in Richtung Zylinderlängsachse nach oben oder unten geführt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas unter Ausbildung eines trichterförmigen Eintrittsbereichs an die Teilabgasleitung anschließt. Bei dieser Ausführungsform nimmt der Durchmesser der Rückführleitung an der Verbindungsstelle in Richtung Teilabgasleitung zu, so dass ein trichterförmiger Eintrittsbereich ausgebildet wird, der das Einströmen von Abgas unterstützt und zwar sowohl das Einströmen aus dem Zylinder, welcher der zur Rückführung verwendeten Teilabgasleitung zugeordnet ist, als auch das Einströmen aus den anderen Zylindern. Dies ist vorteilhaft insbesondere im Hinblick auf die Realisierung hoher Rückführraten.
  • Vorteilhafterweise werden scharfe Kanten, an denen die Abgasströmung abreißt oder verwirbelt, vermieden. Die die Teilabgasleitung ausbildenden Zylinderkopfwandungen sollen vorzugsweise stetig d. h. fließend in die Rückführleitung übergehen.
  • Aus diesem Grund sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes vorteilhaft, bei denen sich die Wandungen der Leitung zur Rückführung von Abgas zur Ausbildung des trichterförmigen Eintrittsbereichs wölben, wodurch ein trompetenförmiger Eintrittsbereich ausgebildet wird.
  • Ein Eintrittsbereich, der sich zur Teilabgasleitung hin aufweitet, führt auch zu einer Verringerung der Pulsation. Weist der Eintrittsbereich zur Teilabgasleitung hin gewölbte d. h. abgerundete Übergänge auf, kann mit Hilfe der Größe der Radien dieser abgerundeten Übergänge Einfluß auf die Einströmverhältnisse genommen werden. Die Verwendung unterschiedlicher Radien auf der der Gesamtabgasleitung abgewandten Seite einerseits und auf der der Gesamtabgasleitung zugewandten Seite andererseits gestattet eine gezielte Aufteilung der für die Rückführung genutzten Abgasströme.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas außenliegend an den Abgaskrümmer anschließt.
  • Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil der Zylinderkopf auf diese Weise nur geringfügig durch das Einbringen d. h. die Integration der Rückführleitung geschwächt bzw. beeinflußt wird. Insbesondere verkürzt sich die Länge der Rückführleitung, wodurch auch das Volumen der Leitung verkleinert wird, was - wie oben bereits ausgeführt - das Ansprechverhalten der Abgasrückführung verbessert. Eine derartig verlaufende Rückführleitung schränkt zudem die Auslegung der Zylinderkopfkonstruktion bezüglich anderer Erfordernisse bzw. Funktionen möglichst wenig ein.
  • Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang insbesondere, dass der Zylinderkopf ohnehin ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil ist, da dem Zylinderkopf bereits eine Vielzahl von Aufgaben und Funktionen zukommen. So nimmt der Zylinderkopf nicht nur den Ventiltrieb - wie oben bereits beschrieben - auf, sondern umfaßt auch die Bohrungen, in welche die Bolzen zum Verbinden des Zylinderkopfes mit dem Zylinderblock eingeführt werden. Gegebenenfalls werden im Zylinderkopf zusätzliche Leitungen zur Entlüftung des Kurbelgehäuses vorgesehen.
  • Darüber hinaus verfügt ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer aufgrund der hohen thermischen Belastung über einen vergleichsweise voluminösen Kühlmittelmantel.
  • In der Regel wird ein Kühlmittelmantel in den Zylinderkopf eingebracht, der einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist, wobei diese beiden Kühlmittelmäntel zusätzlich mittels Durchgängen miteinander verbunden werden.
  • Auch vor diesem Hintergrund ist es somit vorteilhaft, wenn die Leitung zur Rückführung von Abgas ein möglichst geringeres Volumen aufweist, was beispielsweise durch den außenliegenden Anschluß der Rückführleitung an den Abgaskrümmer realisiert werden kann.
  • Aus den gleichen Gründen sind auch bei Brennkraftmaschine mit drei und mehr Zylindern Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas von der Teilabgasleitung eines außenliegenden Zylinders abzweigt.
  • Vorteilhaft sind des weiteren Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel die Leitung zur Rückführung von Abgas zumindest teilweise umgibt. Auf diese Weise wird das vom Abgaskrümmer abgezweigte, für eine Rückführung vorgesehene Abgas bereits im Zylinderkopf gekühlt. Die thermische Belastung eines stromabwärts der Rückführleitung bzw. der Abgriffsstelle vorgesehenen Ventils zur Steuerung der Rückführrate (AGR-Ventil) und/oder einer Dichtung nimmt dadurch ab. Ein gegebenenfalls vorgesehener zusätzlicher Kühler zur Kühlung des rückgeführten Abgases kann daher unter Umständen kleiner dimensioniert werden.
  • Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird folglich auch gesenkt, was zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Frischgemisch beiträgt. Durch die Steigerung der Dichte wird auch das Volumen reduziert, was zu einer Abnahme der Strömungsverluste führt.
  • Vorteilhaft ist die Verwendung eines Zylinderkopfes nach einer der zuvor genannten Arten insbesondere bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, da die Abgasrückführung und die Aufladung häufig kombiniert eingesetzt werden und eine aufgeladene Brennkraftmaschine thermisch höher belastet ist.
  • Aufgrund der Kühlung des Abgaskrümmers und der Rückführleitung im Zylinderkopf kann auf die Verwendung kostenintensiver wärmebeständiger Werkstoffe verzichtet werden. Dies ist aufgrund der hohen Abgastemperaturen insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen von Relevanz bzw. Vorteil.
  • Zudem ist die Bemessung d. h. Festlegung der Länge der Abgaskanäle bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen hinsichtlich des Verbrennungsprozesses von geringerer Bedeutung als bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen, so dass bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen die im allgemeinen kurze Länge des im Zylinderkopf integrierten Krümmers keine negativen Auswirkungen auf die Leistung der Brennkraftmaschine hat.
  • Vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die mittels Abgasturboaufladung aufgeladen werden. Bei diesen Brennkraftmaschinen wird die Turbine des Abgasturboladers in der Gesamtabgasleitung angeordnet, wodurch sich der Abgasdruck stromaufwärts der Turbine und damit auch der Abgasdruck im Krümmer erhöht, was wiederum das Einleiten der Abgasströme in die Rückführleitung erleichtert bzw. verstärkt, so dass hohe Rückführraten realisiert werden können.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß der Figur 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    in einer Draufsicht den Gußkern der in einer ersten Ausführungsform des Zylinderkopfes integrierten Abgasleitungen mitsamt dem Gußkern für die integrierte Rückführleitung.
  • Figur 1 zeigt in einer Draufsicht den Gußkern 12 der in einer ersten Ausführungsform des Zylinderkopfes integrierten Abgasleitungen 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6, so dass Figur 1 per se das System der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 selbst veranschaulicht bzw. wiedergibt, weshalb die Bezugszeichen für die Abgasleitungen 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 eingetragen bzw. verwendet wurden.
  • Dargestellt ist ebenfalls die im Zylinderkopf vorgesehene d. h. integrierte Leitung 7 zur Rückführung von Abgas bzw. der zur Ausbildung der Rückführleitung 7 verwendete Gußkern 11.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten Gußkern 12 bzw. Abgassystem handelt es sich um die Abgasleitungen 4a, 4b, 5a, 5b, 5c, 6 eines Zylinderkopfes eines Drei-Zylinder-Reihenmotors.
  • Jeder der drei Zylinder 1a, 1b, 1c ist mit zwei Auslaßöffnungen 2a, 2b ausgestattet, wobei sich an jede Auslaßöffnung 2a, 2b eine Abgasleitung 4a, 4b zum Abführen der Abgase anschließt.
  • Die Abgasleitungen 4a, 4b führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 3 zu einer Gesamtabgasleitung 6 zusammen. Die Abgasleitungen 4a, 4b jedes Zylinders 1a, 1b, 1c führen dabei zunächst zu einer dem Zylinder1a, 1b, 1c zugehörigen Teilabgasleitung 5a, 5b, 5c zusammen, wobei diese Teilabgasleitungen 5a, 5b, 5c anschließend d. h. stromabwärts in eine gemeinsame Gesamtabgasleitung 6 münden. Das Abgas verläßt den Zylinderkopf am Austritt 9 der Gesamtabgasleitung 6 aus dem Zylinderkopf.
  • In den Zylinderkopf ist eine Leitung 7 zur Rückführung von Abgas integriert. Die Rückführleitung 7 zweigt von dem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer 3 ab, wobei die Rückführleitung 7 von einer Teilabgasleitung 5a des Krümmers 3 abzweigt und über einen Austritt 8 aus dem Zylinderkopf verfügt.
  • Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform zweigt die geradlinig und parallel zur Zylinderkopflängsachse verlaufende Rückführleitung 7 von der Teilabgasleitung 5a eines außenliegenden Zylinders 1a ab, wobei die Leitung 7 außenliegend an den Abgaskrümmer 3 anschließt.
  • Die Rückführleitung 7 schließt unter Ausbildung eines trichterförmigen Eintrittsbereichs 10 an die Teilabgasleitung 5a an. Dabei nimmt der Durchmesser der Rückführleitung 7 an der Verbindungsstelle in Richtung Teilabgasleitung 5a zu. Das Einströmen von Abgas wird dadurch vereinfacht und zwar sowohl das Einströmen aus dem Zylinder 1a, von dessen Teilabgasleitung 5a die Rückführleitung 7 abzweigt, als auch das Einströmen aus den anderen Zylindern 1b, 1c.
  • Die Wandungen der Rückführleitung 7 wölben sich in Richtung der Teilabgasleitung 5a nach außen, so dass der Eintrittsbereich 10 eine trompetenförmige Gestalt annimmt.
  • Ein derartig ausgebildeter Eintrittsbereich 10, der sich zur Teilabgasleitung 5a hin aufweitet, führt auch zu einer Verringerung der Pulsation.
    • Bezugszeichen
    • 1a
    Zylinder
    1b
    Zylinder
    1c
    Zylinder
    2a
    Auslaßöffnung
    2b
    Auslaßöffnung
    3
    Abgaskrümmer
    4a
    Abgasleitung
    4b
    Abgasleitung
    5a
    Teilabgasleitung
    5b
    Teilabgasleitung
    5c
    Teilabgasleitung
    6
    Gesamtabgasleitung
    7
    Leitung zur Rückführung von Abgas, Rückführleitung
    8
    Austritt der Rückführleitung aus dem Zylinderkopf
    9
    Austritt der Gesamtabgasleitung aus dem Zylinderkopf
    10
    Eintrittsbereich
    11
    Gußkern der Rückführleitung
    12
    Gußkern des Abgaskrümmers

Claims (10)

  1. Zylinderkopf mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (1a, 1b, 1c), bei dem
    - jeder Zylinder (1a, 1b, 1c) mindestens zwei Auslaßöffnungen (2a, 2b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1a, 1b, 1c) aufweist,
    - sich an jede Auslaßöffnung (2a, 2b) eine Abgasleitung (4a, 4b) anschließt,
    - die Abgasleitungen (4a, 4b) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers (3) innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, wobei zunächst die Abgasleitungen (4a, 4b) der mindestens zwei Auslaßöffnungen (2a, 2b) jedes Zylinders (1a, 1b, 1c) zu einer dem Zylinder (1a, 1b, 1c) zugehörigen Teilabgasleitung (5a, 5b, 5c) zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen (5a, 5b, 5c) der mindestens zwei Zylinder (1a, 1b, 1c) zu der Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine Leitung (7) zur Rückführung von Abgas im Zylinderkopf vorgesehen ist, die von dem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer (3) abzweigt und mit der zumindest ein Teil des aus den Zylindern (1a, 1b, 1c) abgeführten Abgases dem Abgaskrümmer (3) innerhalb des Zylinderkopfes entnehmbar ist, wobei
    - die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas von einer Teilabgasleitung (5a, 5b, 5c) abzweigt und aus dem Zylinderkopf austritt.
  2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas geradlinig verläuft.
  3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas im wesentlichen parallel zur Längsachse des Zylinderkopfes verläuft.
  4. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas unter Ausbildung eines trichterförmigen Eintrittsbereichs (10) an die Teilabgasleitung (5a, 5b, 5c) anschließt.
  5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wandungen der Leitung (7) zur Rückführung von Abgas zur Ausbildung des trichterförmigen Eintrittsbereichs (10) wölben.
  6. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas außenliegend an den Abgaskrümmer (3) anschließt.
  7. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche für eine Brennkraftmaschine mit mindestens drei Zylindern (1a, 1b, 1c), dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas von der Teilabgasleitung (5a, 5c) eines außenliegenden Zylinders (1a, 1c) abzweigt.
  8. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel die Leitung (7) zur Rückführung von Abgas zumindest teilweise umgibt.
  9. Verwendung eines Zylinderkopfes nach einem der vorherigen Ansprüche für eine aufgeladene Brennkraftmaschine.
  10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mittels Abgasturbolaufladung aufgeladen wird.
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