EP2077388A2 - Kombination mit Zylinderkopf und Zylinderblock und Verwendung einer derartigen Kombination - Google Patents

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EP2077388A2
EP2077388A2 EP09150134A EP09150134A EP2077388A2 EP 2077388 A2 EP2077388 A2 EP 2077388A2 EP 09150134 A EP09150134 A EP 09150134A EP 09150134 A EP09150134 A EP 09150134A EP 2077388 A2 EP2077388 A2 EP 2077388A2
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EP
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housing
combination
cylinder head
exhaust gas
exhaust
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Definitions

  • the invention relates to the use of such a combination.
  • Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which is used to form the individual cylinder d.
  • H. Combustion chambers are connected to one another at a mounting end face.
  • 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 of the cylinder and the filling of the combustion chamber takes place ie the intake of the fresh mixture or the fresh air through the inlet openings.
  • four-stroke engines almost exclusively lift valves are used as control members that perform an oscillating lifting movement during operation of the internal combustion engine and thus release the inlet and outlet ports and close.
  • the required for the movement of the valves valve actuation 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. If the cylinders have more than one exhaust port, the exhaust pipes of a single cylinder are often combined - within the cylinder head - into a partial exhaust line associated with the cylinder, these partial exhaust pipes then being merged outside the cylinder into a single overall exhaust line.
  • the merging of the exhaust pipes up to the total exhaust gas line is generally and in the context of the present invention referred to 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 Cooling is granted and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as quickly as possible, especially after a cold start of the engine.
  • the exhaust manifold of the prior art is at least partially integrated in the cylinder head.
  • a cylinder head in which connects to each outlet opening an exhaust pipe and merge the exhaust pipes of the cylinder within the cylinder head to form an overall exhaust line, has a fully integrated into the cylinder head manifold.
  • 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 and the cylinder block with a coolant jacket ie the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the cylinder head construction.
  • the mechanically and thermally highly stressed cylinder head is weakened by the introduction of the coolant channels on the one hand in its strength.
  • the heat does not have as in the air cooling until the Cylinder head surface are routed to be dissipated.
  • the heat is already in the interior of the cylinder head or block to the coolant, usually mixed with additives added water.
  • the coolant is 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 cylinder head with at least partially integrated exhaust manifold is thermally highly loaded, in particular, when the internal combustion engine is a supercharged internal combustion engine, which is why in the prior art usually a liquid cooling is selected and a coolant jacket is integrated in the cylinder head.
  • exhaust gas recirculation i. 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, combustion processes d. H. Process with lower combustion temperatures to develop, with the exhaust gas recirculation is a means of lowering the temperatures.
  • exhaust gas recirculation is also suitable for reducing unburnt hydrocarbon emissions in the partial load range and in gasoline engines for reducing fuel consumption by reducing throttle losses.
  • An internal combustion engine which is equipped in the inlet region with at least one suction line for supplying the cylinder with fresh air or fresh mixture and a Abgasab2020system for discharging the exhaust gases, has for recirculation of the exhaust gas usually at least one line which branches off from the Abgasab2020system in the Inlet region opens again and is also referred to as exhaust gas recirculation line.
  • an external cooling device is usually provided for the reasons mentioned above, with the temperature in the hot exhaust gas stream is lowered, whereby the density of the exhaust gases is increased.
  • the temperature of the cylinder fresh charge, which occurs in the mixture of fresh air with the recirculated exhaust gases, is thereby also lowered, whereby the cooling device of the exhaust gas recirculation contributes to a better filling of the combustion chamber.
  • liquid cooling is used.
  • the cooling device has an inlet and an outlet for the cooling liquid, wherein the cooling liquid, the exhaust gas recirculation line, which passes the exhaust gas through the cooling device, preferably a coolant jacket surrounds or flows around.
  • the coolant or the cooling liquid extracts the heat from the exhaust gas flow in accordance with the principle of a heat exchanger, both by heat conduction and by convection.
  • a pump is arranged for delivery, so that the coolant circulates. The heat given off to the coolant is dissipated in this way.
  • an external cooling device is contrary to the fundamental goal of realizing the densest possible packaging of the entire drive unit in the engine compartment. It should be considered in particular that two circuits, namely a coolant circuit and a circuit for the exhaust gas recirculation, are to be formed with the inclusion of the cooling device, to promote the coolant, a pump and a heat exchanger are provided for heat dissipation.
  • the individual units must be connected with pipes, pipes or hoses.
  • Another object of the present invention is to demonstrate uses of such a combination.
  • the combination according to the invention has an integrated in the combination EGR cooler in the form of a monolithically formed at least partially with the combination housing, which compared to the prior art d.
  • an external cooling device has several advantages.
  • the housing may be at least partially or completely integrated in the cylinder head, in the cylinder block or in the combination of cylinder head and cylinder block.
  • the integration of the housing d. H. the cooling device in the combination a tight packaging of the entire drive unit.
  • the integration of the housing in a liquid-cooled internal combustion engine advantageously leads to further synergy effects.
  • the coolant jacket integrated in the cylinder head or cylinder block in the present case not only cools the cylinder head or block which is subjected to high thermal loads, but also the housing formed monolithically with the combination and thus the exhaust gas recirculated through this housing as part of the EGR.
  • the cooling of the recirculated exhaust gas using the refrigerant circuit of the combination which is why the EGR cooler or the housing does not have to be equipped with its own separateméstoffzu Kunststoffö réelle or -ab Technologyö réelle.
  • the line for supplying or discharging the coolant into and out of the housing and the seals usually to be provided are also eliminated with the requirement to form an independent coolant circuit.
  • the number of components, as well as the assembly costs decrease considerably.
  • the combination according to the invention also offers cost advantages, since the EGR cooler, ie the housing, can already be taken into account in the production of the cylinder head blank and / or the cylinder block blank, which are generally produced by casting, which may be achieved by suitable extension or removal Modification of existing molds is realized and optionally by the arrangement of suitable cores.
  • the reduction in the number of components leads to a reduction in both the provision costs and the Assembly costs, with the assembly steps, which are omitted according to the invention, even in connection with these assembly steps possible assembly errors are obsolete.
  • the proposed combination thus triggers - as stated above - the first sub-task underlying the invention, namely to provide a combination which serves for the formation of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and with which from the prior art - in connection with the cooling of the recirculated exhaust gas - known disadvantages are overcome.
  • the housing has an inlet to supply the recirculating exhaust gas to the housing, and has an outlet to discharge the cooled in the housing exhaust gas from the housing in the suction side.
  • a control element such as a valve, a slide or a flap to provide.
  • This control device can be arranged both upstream of the housing and downstream of the housing, wherein a downstream control member is thermally less heavily loaded, so that optionally can be dispensed with a separate cooling of the control member or less temperature-resistant and thus less expensive materials for the preparation of the control member can be used.
  • a control member arranged upstream of the housing enables not only the adjustment of the return rate but also the bypassing of the housing d.
  • the EGR cooler in embodiments of the combination in which upstream of the housing a bypass line branches off from the return line, with which the hot exhaust gas to be recycled when bypassing the housing d.
  • H. EGR cooler is passed into the inlet region or on the intake side of the internal combustion engine. An embodiment of the combination with bypass line is described in connection with the figures and explained in more detail.
  • the control member can be fully or partially integrated into the cylinder head or in the cylinder block, which basically allows use of the liquid cooling to cool the control member, or arranged or attached from the outside of the cylinder head or block.
  • a second EGR cooler can be provided, which is then arranged externally either according to the prior art or, in turn, according to the invention as a housing is at least partially integrated into the combination.
  • Two EGR coolers may be helpful if two return lines are provided, for example, a high pressure EGR and a low pressure EGR.
  • the housing is at least partially formed integrally with the cylinder head, so that at least parts of the housing and the cylinder head form a monolithic component.
  • the cylinder head is usually thermally loaded higher than the cylinder block, this has a cooling correspondingly high cooling capacity, which is advantageous if - as in the invention - the liquid cooling of the internal combustion engine is used for cooling the recirculating exhaust gas.
  • Embodiments of the combination in which the housing is arranged at a distance from the at least two cylinders on the side facing the exhaust manifold are advantageous.
  • the housing is present on the exhaust side of the cylinder head d. H. provided on the exhaust side of the internal combustion engine, which offers a variety of advantages, for example, with respect to an arrangement of the housing on the suction side d. H. in the inlet area of the cylinder head.
  • the liquid-cooled cylinder head is usually cooled more intensively on the exhaust side than on the inlet side, since the head is - due to the principle - thermally higher load on the exhaust side by the hot exhaust gases than on the inlet side.
  • the coolant jacket is therefore formed on the exhaust side of the cylinder head usually large-scale orinvolumiger so that the cooling power required for the cooling of the exhaust side can be realized.
  • the housing according to the embodiment in question on the side of the manifold in order to be able to extract the amount of heat required by the exhaust gas flowing through the housing by means of the cooling or cooling power available here.
  • the housing is arranged on the side of the exhaust manifold, which faces away from the mounting end face.
  • the housing is located above the exhaust manifold, which forms a balcony-like projection even with complete integration into the cylinder head.
  • the housing can be arranged or formed in an advantageous manner above this balcony.
  • Such an arrangement of the housing proves to be advantageous also with regard to the cooling, if formed above the manifold between the manifold and the housing, an upper coolant jacket d. H. is provided, with which both the exhaust gas in the manifold and the flowing through the housing exhaust heat can be withdrawn.
  • the housing is now located below the exhaust manifold or below a balcony-like protrusion, which may be formed by the manifold.
  • Sufficient cooling can be realized, for example, by providing a lower coolant jacket below the manifold between the manifold and the housing, by means of which heat is extracted from the exhaust gas both in the manifold and in the housing.
  • the arrangement of the housing on the side facing the mounting end side of the exhaust manifold has the additional advantage that the housing can be extended into the area of the cylinder block or extend. This measure can prove to be expedient or helpful, in particular, if a sufficiently high cooling capacity is to be realized.
  • Embodiments of the combination in which the coolant jacket also extends between the housing and the at least partially integrated exhaust manifold are advantageous.
  • such a design of the coolant jacket has the advantage of immediately adjacent and therefore very efficient cooling, in which the heat extracted from the exhaust gas is conducted over a comparatively short distance to the coolant jacket in order to be taken up and removed by the coolant.
  • a thermal overloading of the housing located between the cylinder head and cylinder head walls is counteracted.
  • the cylinder head wall located between the housing and the coolant jacket or between the manifold and the coolant jacket forms an advantageously short thermal bridge.
  • the housing comprises an integrally formed with the cylinder head housing segment having an opening which is covered by a lid for forming the housing.
  • a disassembled state open d. H. provided with an opening housing facilitates the formation of the housing interior, in particular during the production by means of casting.
  • the structure of the mold is considerably simplified. For example, cast cores can be easily removed, but also ribs, as they are to be provided according to a preferred embodiment, are introduced into the housing in a simple manner.
  • the housing segment equipped with an opening is then closed during the assembly to form the complete housing with a lid.
  • a seal of the housing can - if necessary - be realized with a seal which is to be arranged between the housing segment and the lid.
  • the proposed embodiment with an open housing segment also allows only by a slight modification of the mold both inventive Form combinations with EGR cooler ie with housing as well as conventional combinations without housing, and thereby increase the diversity of a particular engine series ie engine family at the expense of low additional costs.
  • embodiments of the combination are advantageous in which the end face of the opening and the mounting end face lie in a plane.
  • This embodiment of the combination or opening allows the processing or post-processing of the mounting end face of the head and the end face of the opening in one operation, which reduces the manufacturing cost.
  • this embodiment of the housing or the combination of the cylinder block serve as a lid.
  • a possible sealing of the housing takes place advantageously by means of an extended cylinder head gasket.
  • the introduction of a seal is not mandatory, but only optional, as long as it can be ensured that the housing is gas-tight.
  • An extended cylinder head gasket is particularly advantageous in the sealing of the housing when the housing extends from the cylinder head into the cylinder block, as provided in the embodiment described below.
  • the use of an extended cylinder head gasket ensures, in particular, that the end face of each housing half lies in one plane with the respectively associated mounting end face of the cylinder head or cylinder block, which represents a considerable simplification in terms of production.
  • embodiments of the combination are advantageous in which the housing is fully integrated into the combination in such a way that the housing is partially integral with the cylinder head and partially integral with the cylinder block is formed.
  • This embodiment allows the formation of an EGR cooler high cooling capacity with a correspondingly large-sized housing.
  • the larger cylinder block compared to the cylinder head offers the required mass or the required component volume.
  • the housing is preferably to be arranged on the side of the cylinder, which faces the exhaust manifold.
  • the housing comprises both a housing segment formed integrally with the cylinder head, which is open towards the mounting end side, and a housing segment formed integrally with the cylinder block, which is open towards the mounting end side , wherein the two housing segments correspond to each other and form the housing in the assembled state of the combination.
  • the housing comprises an integrally formed with the cylinder block housing segment having an opening which is covered by a lid for forming the housing.
  • housing is arranged on the side of the exhaust manifold, which faces the mounting end, embodiments of the combination are advantageous in which the end face of the opening and the mounting end face lie in a plane.
  • At least one rib is disposed within the housing, which protrudes from the walls bounding the housing.
  • the provision of ribs increases the surface of the inner wall of the housing and thus the heat transfer both by heat conduction and by convection.
  • Embodiments of the combination in which the exhaust gas lines of at least two cylinders combine to form an exhaust gas manifold within the cylinder head to form an overall exhaust gas line are advantageous.
  • This embodiment is characterized in that the combination has a fully integrated in the cylinder head exhaust manifold.
  • the complete integration of the manifold supports efforts to make the cylinder head and the drive unit as compact as possible.
  • the thermal inertia of the portion of the exhaust pipes between exhaust port on the cylinder and the exhaust aftertreatment system or between exhaust port on the cylinder and the exhaust gas turbocharger is further reduced because the mass and the length of the relevant exhaust pipes are reduced.
  • the response of a turbine and the performance of an exhaust aftertreatment system are improved.
  • a coolant jacket is introduced into the cylinder head, which has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes of the manifold and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket, which on the opposite side of the lower coolant jacket exhaust pipes d.
  • the Krümmers is arranged, wherein these two coolant jackets are preferably interconnected by means of passages.
  • each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder are advantageous.
  • the largest possible flow cross-section should be released quickly in order to achieve an effective d. H. To ensure complete removal of the exhaust gases.
  • Embodiments in which initially the exhaust gas lines of the at least two outlet openings of each cylinder are associated with a cylinder associated with it are advantageous Combine the partial exhaust line before the partial exhaust gas lines of at least two cylinders merge to the total exhaust line.
  • the gradual merging of the exhaust pipes shortens the total length of all existing exhaust pipes.
  • Embodiments are advantageous in which a return line leading the exhaust gas to the housing branches off from the exhaust manifold inside the cylinder head.
  • the tapping point for exhaust gas recirculation is integrated into the cylinder head.
  • 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 thus the sealing of a junction between the manifold and return line, as it is mandatory for an external tap.
  • the recirculating exhaust gas can be fed to the at least partially integrated in the cylinder head housing without having to leave the cylinder head d. H. out of this, which completely eliminates the risk of leakage up to the housing.
  • the integration of the tap leads to a reduction in the number of components and a more compact design.
  • the integration of the tap in the cylinder head usually leads to a shortening of the return line.
  • the response of the exhaust gas recirculation improves.
  • the internal combustion engine thus has an exhaust gas recirculation with improved response and thus a fundamentally improved transient operating behavior.
  • Embodiments in which the line for returning exhaust gas branches off from a partial exhaust gas line are advantageous. If the return line branched off from the exhaust pipe of a single outlet opening, a much more pronounced backflow of the exhaust gas components discharged from the other outlet openings would be required, which however can not be realized, so that high return rates could not be realized. In addition, a strong pulsation would be observed.
  • Embodiments are advantageous in which the return line connects to the manifold with the formation of a funnel-shaped inlet region, which facilitates the inflow of the exhaust gas into the return line.
  • the return line can - 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.
  • the line for the return of exhaust gas is rectilinear.
  • 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 from the outside.
  • a straight course can serve to shorten the length of the return line and thus to reduce the volume of the line and the notch effect on the cylinder head.
  • Embodiments of the combination in which the line for recirculating exhaust gas adjoins the integrated exhaust manifold are advantageous.
  • 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 shortens. 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.
  • embodiments are also advantageous in internal combustion engine with three or more cylinders, in which - when tapped off a partial exhaust gas line - the Dedicated line for the return of exhaust gas from the partial exhaust gas line of an outer cylinder.
  • embodiments are also advantageous in which the return line branches off from the exhaust manifold or the entire exhaust line outside the cylinder head, for example to form a low-pressure EGR, in which the return line branches off downstream of a turbine provided in the exhaust system.
  • the return line must be connected to the Abgasab 2015system, for example by means of a flange.
  • 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.
  • a bypass line branches off from the return line, with which the recirculated exhaust gas is passed in bypassing the housing in the inlet region of the internal combustion engine.
  • This embodiment allows the recycling of hot d. H. not cooled exhaust gases, which may be advantageous under certain operating conditions of the internal combustion engine.
  • a supercharged internal combustion engine is thermally more heavily loaded than a comparable naturally aspirated engine, which is why the cylinder head of a supercharged internal combustion engine is usually equipped with a liquid cooling or a coolant jacket high cooling capacity, which can then be used according to the invention in an advantageous manner for cooling the recirculating exhaust gas.
  • the exhaust gas temperatures are higher in supercharged internal combustion engines, so that a cooling of the recirculated exhaust gas, in particular in supercharged internal combustion engines is required to realize high return rates.
  • the turbine of an exhaust gas turbocharger is disposed in the overall exhaust line, thereby increasing the exhaust pressure upstream of the turbine and thus also the exhaust pressure in the manifold, which in turn facilitates the introduction of the exhaust gas streams in the return line - provided the return line branches upstream of the turbine from the manifold or the entire exhaust line. In this way, high return rates can be realized.
  • the recirculating exhaust gas is introduced upstream of the associated compressor in the intake, whereby a good mixing of the intake fresh air with the recirculated exhaust gas takes place when flowing through the compressor, which is particularly advantageous at high recirculation rates for the formation of a homogeneous fresh cylinder charge.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the cylinder head 2 of a first embodiment of the combination with a view of the mounting end face 8 of the cylinder head. 2
  • Each of the four cylinders 7 is provided with two inlet openings 22 and two outlet openings 21, with an exhaust pipe for discharging the exhaust gases adjoining each outlet opening 21.
  • the exhaust pipes lead within the cylinder head 2 to form an exhaust manifold 16 together to form an exhaust manifold 16.
  • the in FIG. 1 shown cylinder head 2 thus has a fully integrated exhaust manifold. 4
  • housing 5 which serves for cooling Wegnddem exhaust gas and integrally formed with the cylinder head 2 housing segment 9, 9a having an opening 10 which is closed during assembly by means of a lid to form the complete housing 5 ,
  • the housing 5 or housing segment 9, 9a is - spaced from the cylinders 7 - arranged on the side of the cylinder 7, which faces the exhaust manifold 4, ie on the exhaust side, and there below a formed by the manifold 4 balcony-like projection that is on the Side of the exhaust manifold 4, which faces the mounting end face 8.
  • the end face 11 of the housing opening 10 lies with the mounting end face 8 in a plane.
  • This embodiment of the opening 10 allows the machining of the mounting end face 8 of the head 2 and the end face 11 of the opening 10 in one operation and an advantageous sealing of the housing 5 by means of an extended cylinder head gasket.
  • FIG. 1 can also be seen the control member 17, with which the amount is set to recirculating exhaust gas.
  • the control member 17 is designed as a pivotable flap and arranged upstream of the housing 5, wherein the flap in the position shown closes the inlet for the exhaust gas into the housing 5. After flowing through the housing 5, the recirculated and cooled exhaust gas exits through an exit 20 from the housing 5 again.
  • FIG. 2 shows in a perspective view a section of the in FIG. 1 shown cylinder head 2 with a view of the mounting end face 8 of the cylinder head 2 and the open formed in the cylinder head 2 integrated housing segment 9, 9a.
  • FIG. 1 It should only be supplementary to FIG. 1 For that reason, reference is otherwise made to the description of FIG. 1 , The same reference numerals have been used for the same components.
  • an open trained housing segment 9, 9a allows the arrangement of cooling fins 6 in the interior of the housing 5, whereby the heat transfer and thus the cooling capacity of serving as an EGR cooler housing 5 are increased.
  • the ribs 6 protrude from the housing 5 bounding walls and in the present case of the wall of the housing 5, the exhaust manifold 4 and thus the arranged between the manifold 4 and housing 5 lower coolant jacket (not shown - see FIG. 3 ) is facing.
  • the main flow direction of the exhaust gas to be recirculated extends in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head 2.
  • FIG. 3 shows in a perspective view the in FIG. 1 shown cylinder head 2 partially cut so that the structure of the exhaust manifold 4, the integrated EGR tap and the return line 18 can be seen.
  • FIGS. 1 and 2 It should only be complementary to the FIGS. 1 and 2 For that reason, reference is otherwise made to the description of FIGS. 1 and 2 , The same reference numerals have been used for the same components.
  • a line 18 is integrated, which branches off from the integrated in the cylinder head 2 exhaust manifold 4.
  • the return line 18 branches off from a partial exhaust gas line 15 of the manifold 4 and that of the partial exhaust gas line 15 of an outer cylinder.
  • the return line 18 is rectilinear and connects to the partial exhaust gas line 15, forming a funnel-shaped inlet region.
  • the diameter of the return line 18 at the junction in the direction of partial exhaust gas line 15 increases. The influx of exhaust gas is thereby simplified.
  • the return line 18 leads into the housing 5 or the housing segment 9, 9a.
  • the line 18 can be introduced as a result of the open housing segment 9, 9a by drilling from the outside.
  • the cylinder head 2 is provided with a coolant jacket 12 having a lower coolant jacket 14 disposed between the exhaust pipes 15 of the manifold 4 and the mounting end 8 of the cylinder head 2, and an upper coolant jacket 13 facing the lower coolant jacket 14 Side of the exhaust pipes 15, ie, the manifold 4 is arranged, wherein these two coolant jackets 13, 14 are preferably interconnected by means of passages (not shown).
  • the lower coolant jacket 12, 14 is thus located between the exhaust manifold 4 and the housing 5, which is advantageous in terms of the simultaneous cooling of the exhaust gas both in the manifold 4 and in the housing 5.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a second embodiment of the combination 1 in a side view.
  • the housing 5 is partially integrated in the cylinder head 2 and partially in the cylinder block 3. This allows the formation of an EGR cooler high cooling capacity with a correspondingly large-sized housing. 5
  • the housing 5 is again arranged on the side of the cylinder, which faces the exhaust manifold 4.
  • the housing 5 comprises a housing segment 9, 9a formed integrally with the cylinder head 2, which is open to the mounting end side, and a housing segment 9, 9b formed integrally with the cylinder block 3, which is open to the mounting end face, the two Housing segments 9a, 9b correspond to each other and form the housing 5 in the assembled state of the combination 1.
  • FIGS. 5a . 5b . 5c show in a perspective view a detail of the cylinder head 2 of a third embodiment of the combination with a view of the open formed in the cylinder head 2 integrated housing segment 9, 9a and a control member 17 in different positions.
  • a slider 23 is used as a control member 17 which comprises a piston 25 which is arranged at the end of a translationally displaceable rod.
  • the slider 23 not only serves to adjust the recirculation rate, but can also release a bypass line 24, which branches off from the return line 18 upstream of the housing 5.
  • the slide 23 occupy four working positions, which are briefly described and explained below.
  • FIG. 5a shows the slider 23 in a first position in which the return line 18 is released and the bypass line 24 is closed. The entire recirculated exhaust gas flows through the housing 5 in this position of the slide 23 and is cooled.
  • FIG. 5b shows the slider 23 in a second position in which the return line 18 is closed. In this position of the slide 23, no exhaust gas is returned.
  • FIG. 5c shows the slide 23 in a third position, in which both the return line 18 and the bypass line 24 are released. In this position of the slide 23, the entire recirculated exhaust gas is recycled uncooled, bypassing the housing 5 in the inlet region of the internal combustion engine.
  • both the return line and the bypass line are released and the exhaust gas to be recirculated simultaneously opens the inlet 19 into the housing.
  • the guide for the slide on the side of the bypass line would be extended, so that the piston of the slide would come to lie in the fourth working position to the right of the open bypass line.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kombination (1) mit Zylinderkopf (2) und Zylinderblock (3) und einem zumindest teilweise im Zylinderkopf (2) integrierten Kühlmittelmantel (12) für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (7), bei der - der Zylinderkopf (2) an einer Montage-Stirnseite (8) mit dem Zylinderblock (3) verbindbar ist, - jeder Zylinder (7) mindestens eine Auslaßöffnung (21) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (7) aufweist, - sich an jede Auslaßöffnung (21) eine Abgasleitung anschließt, - die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern (7) unter Ausbildung eines zumindest teilweise im Zylinderkopf (2) integrierten Abgaskrümmers (4) zu einer Gesamtabgasleitung (16) zusammenführen, und - ein von Abgas durchströmbares Gehäuse (5) vorgesehen ist, welches zur Kühlung von rückzuführendem Abgas dient. Es soll eine Kombination (1) der genannten Art bereitgestellt werden, welche zur Ausbildung einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung dient und mit der die aus dem Stand der Technik - im Zusammenhang mit der Kühlung des rückzuführenden Abgases - bekannten Nachteile überwunden werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kombination (1) der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse (5) zumindest teilweise integral mit der Kombination (1) ausgebildet ist, so dass zumindest Teile des Gehäuses (5) und die Kombination (1) ein monolithisches Bauteil bilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kombination mit Zylinderkopf und Zylinderblock und einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der
    • der Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit dem Zylinderblock verbindbar ist,
    • jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist,
    • sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt,
    • die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
    • ein von Abgas durchströmbares Gehäuse vorgesehen ist, welches zur Kühlung von rückzuführendem Abgas dient.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Kombination.
  • Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder d. h. Brennräume an einer Montage-Stirnseite 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 der Zylinder 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.
  • 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. Weisen die Zylinder mehr als eine Auslaßöffnung auf, werden die Abgasleitungen eines einzelnen Zylinders 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 zur Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen 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 der Abgaskrümmer nach dem Stand der Technik zumindest teilweise 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, weist einen vollständig im Zylinderkopf integrierten Krümmer auf.
  • 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 und des Zylinderblocks 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 bzw. Blocks 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.
  • Ein Zylinderkopf mit zumindest teilweise integriertem Abgaskrümmer ist thermisch hoch belastet, insbesondere, wenn die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist, weshalb nach dem Stand der Technik in der Regel eine Flüssigkeitskühlung gewählt wird und ein Kühlmittelmantel im Zylinderkopf integriert wird.
  • Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung (AGR) ausgestattet. 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 d. h. -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 bei Dieselmotoren auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich und bei Ottomotoren zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch Reduzierung der Drosselverluste.
  • Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen - insbesondere im Schichtladebetrieb direkteinspritzender Brennkraftmaschinen - zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 50% bis 70% liegen können.
  • Zur Realisierung dieser hohen Rückführraten ist eine Kühlung des rückzuführenden Abgases d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung zwingend erforderlich. Die Dichte des rückgeführten Abgases nimmt infolge der Kühlung zu.
  • Eine Brennkraftmaschine, die im Einlaßbereich mit mindestens einer Ansaugleitung zur Versorgung der Zylinder mit Frischluft bzw. Frischgemisch und einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase ausgestattet ist, weist zur Rückführung des Abgases in der Regel mindestens eine Leitung auf, die aus dem Abgasabführsystem abzweigt, in den Einlaßbereich wieder einmündet und auch als Abgasrückführleitung bezeichnet wird.
  • In der Abgasrückführleitung ist in der Regel aus den oben genannten Gründen eine externe Kühlvorrichtung vorgesehen, mit der die Temperatur im heißen Abgasstrom gesenkt wird, wodurch die Dichte der Abgase erhöht wird. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch ebenfalls gesenkt, wodurch die Kühlvorrichtung der Abgasrückführung zu einer besseren Füllung des Brennraums beiträgt. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung verwendet.
  • Zur Realisierung einer Flüssigkeitskühlung verfügt die Kühlvorrichtung über einen Einlaß und einen Auslaß für die Kühlflüssigkeit, wobei die Kühlflüssigkeit die Abgasrückführleitung, welche das Abgas durch die Kühlvorrichtung hindurchführt, vorzugsweise einem Kühlmittelmantel ähnlich umgibt bzw. umströmt. Das Kühlmittel bzw. die Kühlflüssigkeit entzieht dem Abgasstrom die Wärme dabei nach dem Prinzip eines Wärmetauschers und zwar sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion. Im Kühlmittelkreislauf ist zur Förderung eine Pumpe angeordnet, so dass das Kühlmittel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise abgeführt.
  • Die Notwendigkeit, das rückzuführende Abgas zur Realisierung hoher Rückführraten kühlen zu müssen, führt nach dem Stand der Technik zu dem Erfordernis, eine externe Kühlvorrichtung vorsehen zu müssen, was mit nicht unerheblichen Kosten verbunden ist.
  • Zudem steht eine externe Kühlvorrichtung dem grundsätzlichen Ziel entgegen, im Motorraum ein möglichst dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit zu realisieren. Zu berücksichtigen ist dabei insbesondere, dass zwei Kreisläufe, nämlich ein Kühlmittelkreislauf und ein Kreislauf für die Abgasrückführung, unter Einbeziehung der Kühlvorrichtung auszubilden sind, wobei zur Förderung des Kühlmittels eine Pumpe und zur Wärmeabfuhr ein Wärmetauscher vorzusehen sind. Die einzelnen Aggregate müssen mit Leitungen, Rohren bzw. Schläuchen miteinander verbunden werden.
  • Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kombination gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welche zur Ausbildung einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung dient und mit der die aus dem Stand der Technik - im Zusammenhang mit der Kühlung des rückzuführenden Abgases - bekannten Nachteile überwunden werden.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verwendungen einer derartigen Kombination aufzuzeigen.
  • Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine Kombination mit Zylinderkopf und Zylinderblock und einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der
    • der Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit dem Zylinderblock verbindbar ist,
    • jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist,
    • sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt,
    • die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
    • ein von Abgas durchströmbares Gehäuse vorgesehen ist, welches zur Kühlung von rückzuführendem Abgas dient,
    und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • das Gehäuse zumindest teilweise integral mit der Kombination ausgebildet ist, so dass zumindest Teile des Gehäuses und die Kombination ein monolithisches Bauteil bilden.
  • Die erfindungsgemäße Kombination verfügt über einen in der Kombination integrierten AGR-Kühler in Gestalt eines zumindest teilweise mit der Kombination monolithisch ausgebildeten Gehäuses, was gegenüber dem Stand der Technik d. h. einer externen Kühlvorrichtung mehrere Vorteile hat. Das Gehäuse kann dabei zumindest teilweise oder vollständig im Zylinderkopf, im Zylinderblock oder in der Kombination aus Zylinderkopf und Zylinderblock integriert sein.
  • Zum einen ermöglicht die Integration des Gehäuses d. h. der Kühlvorrichtung in die Kombination ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
  • Zum anderen führt die Integration des Gehäuses bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise zu weiteren Synergieeffekten. Der im Zylinderkopf bzw. Zylinderblock integrierte Kühlmittelmantel kühlt vorliegend nicht nur den thermisch hoch belasteten Zylinderkopf bzw. Block, sondern auch das monolithisch mit der Kombination ausgebildete Gehäuse und damit das durch dieses Gehäuse im Rahmen der AGR rückgeführte Abgas.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Kühlung des rückzuführenden Abgases unter Verwendung des Kühlmittelkreislaufs der Kombination, weshalb der AGR-Kühler bzw. das Gehäuse nicht mit einer eigenen separaten Kühlmittelzuführöffnung bzw. -abführöffnung ausgestattet werden muß. Die Leitung zum Zuführen bzw. Abführen des Kühlmittels in das bzw. aus dem Gehäuse sowie die üblicherweise dabei vorzusehenden Dichtungen entfallen ebenfalls mit dem Erfordernis, einen eigenständigen Kühlmittelkreislauf ausbilden zu müssen. Die Anzahl der Bauteile, sowie der Montageaufwand nehmen damit erheblich ab.
  • Die erfindungsgemäße Kombination bietet aber auch Kostenvorteile, da der AGR-Kühler d. h. das Gehäuse bereits bei der Herstellung des Zylinderkopfrohlings und/oder des Zylinderblockrohlings, der bzw. die in der Regel im Gußverfahren hergestellt werden, mitberücksichtigt werden kann, was gegebenenfalls durch geeignete Erweiterung bzw. Modifikation bestehender Gußformen realisiert wird und gegebenenfalls durch die Anordnung geeigneter Kerne. Neben den geringeren Herstellungskosten führt die Verringerung der Anzahl an Bauteilen zu einer Reduzierung sowohl der Bereitstellungskosten als auch der Montagekosten, wobei mit den Montageschritten, die erfindungsgemäß entfallen, auch die im Zusammenhang mit diesen Montageschritten möglichen Montagefehler obsolet sind.
  • Die vorgeschlagene Kombination löst folglich - wie oben dargelegt - die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine Kombination bereitzustellen, die zur Ausbildung einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung dient und mit der die aus dem Stand der Technik - im Zusammenhang mit der Kühlung des rückzuführenden Abgases - bekannten Nachteile überwunden werden.
  • Das Gehäuse verfügt über einen Eintritt, um das rückzuführende Abgas dem Gehäuse zu zuführen, und weist einen Austritt auf, um das im Gehäuse gekühlte Abgas aus dem Gehäuse in Richtung Ansaugseite abzuführen.
  • Vorzugsweise ist zur Einstellung der Rückführrate ein Steuerorgan, beispielsweise ein Ventil, ein Schieber oder eine Klappe, vorzusehen. Dieses Steuerorgan kann sowohl stromaufwärts des Gehäuses als auch stromabwärts des Gehäuses angeordnet werden, wobei ein stromabwärts vorgesehenes Steuerorgan thermisch weniger stark belastet wird, so dass gegebenenfalls auf eine separate Kühlung des Steuerorgans verzichtet werden kann bzw. weniger temperaturfeste und damit kostengünstigere Werkstoffe zur Herstellung des Steuerorgans verwendet werden können.
  • Ein stromaufwärts des Gehäuses angeordnetes Steuerorgan ermöglicht hingegen nicht nur die Einstellung der Rückführrate, sondern auch die Umgehung des Gehäuses d. h. des AGR-Kühlers bei Ausführungsformen der Kombination, bei denen stromaufwärts des Gehäuses eine Bypaßleitung von der Rückführleitung abzweigt, mit der das rückzuführende heiße Abgas bei Umgehung des Gehäuses d. h. AGR-Kühlers in den Einlaßbereich bzw. auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine geleitet wird. Eine Ausführungsform der Kombination mit Bypaßleitung wird im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben und näher erläutert.
  • Das Steuerorgan kann vollständig oder teilweise in den Zylinderkopf bzw. in den Zylinderblock integriert werden, was eine Nutzung der Flüssigkeitskühlung zum Kühlen des Steuerorgans grundsätzlich ermöglicht, oder aber auch von außen am Zylinderkopf bzw. Block angeordnet bzw. befestigt werden.
  • Neben dem erfindungsgemäßen als Kühlvorrichtung dienenden Gehäuse kann ein zweiter AGR-Kühler vorgesehen werden, der dann entweder gemäß dem Stand der Technik extern angeordnet wird oder aber wiederum erfindungsgemäß als Gehäuse zumindest teilweise in die Kombination integriert wird. Zwei AGR-Kühler können hilfreich sein bzw. erforderlich werden, falls zwei Rückführleitungen vorgesehen werden, beispielweise für eine Hochdruck-AGR und eine Niederdruck-AGR.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Kombination werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Gehäuse zumindest teilweise integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet ist, so dass zumindest Teile des Gehäuses und der Zylinderkopf ein monolithisches Bauteil bilden.
  • Da der Zylinderkopf in der Regel thermisch höher belastet ist als der Zylinderblock, verfügt dieser über eine Kühlung entsprechend hoher Kühlleistung, was vorteilhaft ist, wenn - wie erfindungsgemäß - die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine zur Kühlung des rückzuführenden Abgases herangezogen wird.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen das Gehäuse beabstandet zu den mindestens zwei Zylindern auf der dem Abgaskrümmer zugewandten Seite angeordnet ist. Das Gehäuse wird vorliegend auf der Abgasseite des Zylinderkopfes d. h. auf der Abgasseite der Brennkraftmaschine vorgesehen, was eine Vielzahl von Vorteilen bietet beispielsweise gegenüber einer Anordnung des Gehäuses auf der Ansaugseite d. h. im Einlaßbereich des Zylinderkopfes.
  • Zum einen verkürzt sich für das rückzuführende Abgas, das dem Abgasabführsystem entnommen wird, der Weg zum Gehäuse d. h. zur Kühlvorrichtung, was die Zuführung des Abgases zum Gehäuse vereinfacht, insbesondere die Zuführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Gehäuse mündet, deutlich verkürzt. Dies erweist sich insbesondere im Zusammenwirken mit anderen technischen Merkmalen als vorteilhaft, beispielsweise bei Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Rückführleitung innerhalb des Zylinderkopfes vom Abgaskrümmer abzweigt d. h. die Abgriffstelle im Zylinderkopf integriert ist.
  • Zum anderen wird der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf in der Regel auf der Abgasseite intensiver gekühlt als auf der Einlaßseite, da der Kopf - prinzipbedingt - auf der Abgasseite durch die heißen Abgase thermisch höher belastet wird als auf der Einlaßseite. Der Kühlmittelmantel ist daher auf der Abgasseite des Zylinderkopfes in der Regel großflächiger bzw. großvolumiger ausgebildet, damit die für die Kühlung der Abgasseite erforderliche Kühlleistung realisiert werden kann.
  • Insofern ist es vorteilhaft, das Gehäuse gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform auf der Seite des Krümmers anzuordnen, um dem rückzuführenden durch das Gehäuse strömenden Abgas mittels der hier zur Verfügung stehenden Kühlung bzw. Kühlleistung die erforderliche Wärmemenge entziehen zu können.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Kombination, bei denen das Gehäuse auf der Seite des Abgaskrümmers angeordnet ist, die von der Montage-Stirnseite abgewandt ist. Dabei befindet sich das Gehäuse oberhalb des Abgaskrümmers, der auch bei vollständiger Integration in den Zylinderkopf einen balkonartigen Vorsprung ausbildet. Das Gehäuse kann dabei in vorteilhafter Weise oberhalb dieses Balkons angeordnet bzw. ausgebildet werden. Eine derartige Anordnung des Gehäuses erweist sich auch im Hinblick auf die Kühlung als vorteilhaft, wenn oberhalb des Krümmers zwischen dem Krümmer und dem Gehäuse ein oberer Kühlmittelmantel ausgebildet d. h. vorgesehen wird, mit welchem sowohl dem Abgas im Krümmer als auch dem durch das Gehäuse strömenden Abgas Wärme entzogen werden kann.
  • Vorteilhaft sind aber ebenfalls Ausführungsformen der Kombination, bei denen das Gehäuse auf der Seite des Abgaskrümmers angeordnet ist, die der Montage-Stirnseite zugewandt ist.
  • In analoger Weise zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform befindet sich nun das Gehäuse unterhalb des Abgaskrümmers bzw. unterhalb eines gegebenenfalls von dem Krümmer ausgebildeten balkonartigen Vorsprungs. Eine ausreichende Kühlung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass unterhalb des Krümmers zwischen dem Krümmer und dem Gehäuse ein unterer Kühlmittelmantel ausgebildet d. h. vorgesehen wird, mittels welchem dem Abgas sowohl im Krümmer als auch im Gehäuse Wärme entzogen wird.
  • Darüber hinaus hat die Anordnung des Gehäuses auf der der Montage-Stirnseite zugewandten Seite des Abgaskrümmers den zusätzlichen Vorteil, dass das Gehäuse bis in den Bereich des Zylinderblocks hinein erweitert werden bzw. sich erstrecken kann. Diese Maßnahme kann sich insbesondere dann als zielführend bzw. hilfreich erweisen, wenn eine ausreichend hohe Kühlleistung zu realisieren ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen sich der Kühlmittelmantel auch zwischen dem Gehäuse und dem zumindest teilweise integrierten Abgaskrümmer erstreckt. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, hat eine derartige Ausbildung des Kühlmittelmantels den Vorteil einer unmittelbar benachbarten und daher sehr effizienten Kühlung, bei der die dem Abgas entzogene Wärme über eine vergleichsweise kurze Wegstrecke zum Kühlmittelmantel geleitet wird, um vom Kühlmittel aufgenommen und abgeführt zu werden. Zudem wird einer thermischen Überbeanspruchung der zwischen Gehäuse und Krümmer befindlichen Zylinderkopfwandungen entgegengewirkt.
  • Die zwischen Gehäuse und Kühlmittelmantel bzw. zwischen Krümmer und Kühlmittelmantel befindliche Zylinderkopfwandung bildet eine vorteilhaft kurze Wärmebrücke.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen das Gehäuse ein integral mit dem Zylinderkopf ausgebildetes Gehäusesegment umfaßt, welches eine Öffnung aufweist, die mittels eines Deckels zur Ausbildung des Gehäuses abgedeckt ist. Ein im demontierten Zustand offenes d. h. mit einer Öffnung versehenes Gehäuse erleichtert die Ausbildung des Gehäuseinneren, insbesondere bei der Herstellung mittels Gußverfahren. Der Aufbau der Gießform wird erheblich vereinfacht. So können beispielsweise Gußkerne leicht entfernt, aber auch Rippen, wie sie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorzusehen sind, in einfacher Weise in das Gehäuse eingebracht werden.
  • Das mit einer Öffnung ausgestattete Gehäusesegment wird dann im Rahmen der Montage zur Ausbildung des vollständigen Gehäuses mit einem Deckel verschlossen. Eine Abdichtung des Gehäuses kann - falls erforderlich - mit einer Dichtung, die zwischen dem Gehäusesegment und dem Deckel anzuordnen ist, realisiert werden.
  • Die vorgeschlagene Ausführungsform mit offen ausgebildetem Gehäusesegment gestattet es zudem, nur durch eine geringfügige Modifikation der Gießform sowohl erfindungsgemäße Kombinationen mit AGR-Kühler d. h. mit Gehäuse als auch herkömmliche Kombinationen ohne Gehäuse auszubilden, und dadurch die Vielfalt einer bestimmten Motorenserie d. h. Motorenfamilie unter Inkaufnahme geringer Mehrkosten zu erhöhen.
  • Ist das Gehäuse dabei auf der Seite des Abgaskrümmers angeordnet, die der Montage-Stirnseite zugewandt ist, sind Ausführungsformen der Kombination vorteilhaft, bei denen die Stirnseite der Öffnung und die Montage-Stirnseite in einer Ebene liegen. Diese Ausführungsform der Kombination bzw. Öffnung ermöglicht die Bearbeitung bzw. Nachbearbeitung der Montage-Stirnseite des Kopfes und der Stirnseite der Öffnung in einem Arbeitsgang, was die Herstellungskosten verringert. Darüber hinaus kann bei dieser Ausführungsform des Gehäuses bzw. der Kombination der Zylinderblock als Deckel dienen.
  • Eine mögliche Abdichtung des Gehäuses erfolgt vorteilhafter Weise mittels einer erweiterten Zylinderkopfdichtung. Das Einbringen einer Dichtung ist aber nicht obligatorisch, sondern lediglich fakultativ, solange gewährleistet werden kann, dass das Gehäuse gasdicht ist.
  • Eine erweiterte Zylinderkopfdichtung ist insbesondere dann bei der Abdichtung des Gehäuses vorteilhaft, wenn sich das Gehäuse vom Zylinderkopf bis in den Zylinderblock hinein erstreckt, wie dies bei der nachstehend beschriebenen Ausführungsform vorgesehen ist. In diesem Fall stellt die Verwendung einer erweiterten Zylinderkopfdichtung insbesondere sicher, dass die Stirnseite jeder Gehäusehälfte mit der jeweils dazugehörigen Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes bzw. Zylinderblocks in einer Ebene liegt, was im Hinblick auf die Fertigung eine erhebliche Vereinfachung darstellt.
  • Neben den oben beschriebenen Ausführungsformen, bei denen das Gehäuse zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert ist, sind auch Ausführungsformen der Kombination vorteilhaft, bei denen das Gehäuse vollständig in die Kombination integriert ist in der Art, dass das Gehäuse teilweise integral mit dem Zylinderkopf und teilweise integral mit dem Zylinderblock ausgebildet ist.
  • Diese Ausführungsform gestattet die Ausbildung eines AGR-Kühlers hoher Kühlleistung mit einem entsprechend groß dimensionierten Gehäuse. Der im Vergleich zum Zylinderkopf größere Zylinderblock bietet hierfür die erforderlich Masse bzw. das erforderliche Bauteilvo lumen.
  • Auch bei dieser Ausführungsform der Kombination ist das Gehäuse vorzugsweise auf der Seite der Zylinder anzuordnen, die dem Abgaskrümmer zugewandt ist. Die Gründe sind die bereits weiter oben Genannten, insbesondere die auf dieser Seite vorhandene Kühlung und die vergleichsweise kurze Strecke, welche das Abgas bis zum Eintritt in das Gehäuse zurückzulegen hat.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Kombination, bei denen das Gehäuse sowohl ein integral mit dem Zylinderkopf ausgebildetes Gehäusesegment umfaßt, welches zur Montage-Stirnseite hin offen ist, als auch ein integral mit dem Zylinderblock ausgebildetes Gehäusesegment, welches zur Montage-Stirnseite hin offen ist, wobei die beiden Gehäusesegmente zueinander korrespondieren und im montierten Zustand der Kombination das Gehäuse ausbilden.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Kombination, bei denen das Gehäuse ein integral mit dem Zylinderblock ausgebildetes Gehäusesegment umfaßt, welches eine Öffnung aufweist, die mittels eines Deckels zur Ausbildung des Gehäuses abgedeckt ist.
  • Ist das Gehäuse dabei auf der Seite des Abgaskrümmers angeordnet, die der Montage-Stirnseite zugewandt ist, sind Ausführungsformen der Kombination vorteilhaft, bei denen die Stirnseite der Öffnung und die Montage-Stirnseite in einer Ebene liegen.
  • Hinsichtlich der beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen wird Bezug genommen auf die Erläuterungen, welche weiter oben im Zusammenhang mit Kombinationen gemacht wurden, bei denen ein zumindest teilweise im Zylinderkopf integriertes Gehäuse ein offenes Gehäusesegment umfaßt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen innerhalb des Gehäuses mindestens eine Rippe angeordnet ist, die von den das Gehäuse begrenzenden Wandungen hervorsteht. Das Vorsehen von Rippen erhöht die Oberfläche der Innenwandung des Gehäuses und damit den Wärmeübergang sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination über einen vollständig im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer verfügt.
  • Die vollständige Integration des Krümmers unterstützt die Bemühungen, den Zylinderkopf bzw. die Antriebseinheit möglichst kompakt auszuführen. Zudem wird die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitungen zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasturbolader weiter verringert, da die Masse und die Länge der relevanten Abgasleitungen verringert werden. Das Ansprechverhalten einer Turbine und das Betriebsverhalten eines Abgasnachbehandlungssystems werden verbessert.
  • Darüber hinaus verfügt ein Zylinderkopf mit vollständig integriertem Abgaskrümmer aufgrund der hohen thermischen Belastung über einen vergleichsweise voluminösen Kühlmittelmantel, der auch für die Kühlung des durch das Gehäuse hindurchgeführten Abgases genutzt werden kann.
  • Vorzugsweise wird ein Kühlmittelmantel in den Zylinderkopf eingebracht, der einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen des Krümmers und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen d. h. des Krümmers angeordnet ist, aufweist, wobei diese beiden Kühlmittelmäntel vorzugsweise mittels Durchgängen miteinander verbunden sind.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist. Wie bereits eingangs erwähnt, soll während des Ladungswechsels ein möglichst großer Strömungsquerschnitt schnell freigegeben werden, um ein effektives d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen, bevor die Teilabgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen. Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen verkürzt die Gesamtlänge aller vorhandenen Abgasleitungen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen eine das Abgas zum Gehäuse führende Rückführleitung innerhalb des Zylinderkopfes vom Abgaskrümmer abzweigt.
  • Gemäß dieser Variante wird die Abgriffstelle zur Abgasrückführung in den Zylinderkopf integriert. Die in den Zylinderkopf integrierte Abgriffstelle ermöglicht die einteilige Ausbildung von Krümmer und Rückführleitung d. h. die Vermeidung der Ausbildung und damit der Abdichtung einer Verbindungsstelle zwischen Krümmer und Rückführleitung, wie sie bei einem externen Abgriff obligatorisch ist. Das rückzuführende Abgas kann dem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Gehäuse zugeleitet werden, ohne dass es den Zylinderkopf verlassen muß d. h. aus diesem heraus geleitet wird, was die Gefahr einer Leckage bis hin zum Gehäuse vollständig eliminiert. Des Weiteren führt die Integration der Abgriffstelle zu einer Verringerung der Anzahl an Bauteilen und zu einer kompakteren Bauweise.
  • Zudem führt die Integration der Abgriffstelle in den Zylinderkopf in der Regel zu einer Verkürzung der Rückführleitung. Mit der Reduzierung der Leitungslänge nimmt auch das Volumen der Rückführleitung ab, weshalb sich das Ansprechverhalten der Abgasrückführung verbessert. Die Brennkraftmaschine verfügt somit über eine Abgasrückführung mit verbessertem Ansprechverhalten und damit über ein grundsätzlich verbessertes instationäres Betriebsverhalten.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas von einer Teilabgasleitung abzweigt. Würde die Rückführleitung von der Abgasleitung einer einzelnen Auslaßöffnung abzweigen, wäre ein deutlich ausgeprägteres Rückströmen der aus den anderen Auslaßöffnungen abgeführten Abgasanteile erforderlich, was sich aber nicht realisieren läßt, so dass hohe Rückführraten nicht realisiert werden könnten. Zudem wäre eine starke Pulsation zu beobachten.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas von der Gesamtabgasleitung abzweigt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Rückführleitung unter Ausbildung eines trichterförmigen Eintrittsbereichs an den Krümmer anschließt, was das Einströmen des Abgases in die Rückführleitung erleichtert.
  • Die Rückführleitung kann - 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.
  • Vorteilhaft sind - auch aus den zuvor genannten Erwägungen - Ausführungsformen der Kombination, 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 von außen ausgebildet werden.
  • Zudem kann ein geradliniger Verlauf dazu dienen, die Länge der Rückführleitung zu verkürzen und damit das Volumen der Leitung und die Kerbwirkung auf den Zylinderkopf zu verkleinern.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen die Leitung zur Rückführung von Abgas außenliegend an den integrierten 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. Eine derartig verlaufende Rückführleitung schränkt zudem die Auslegung der Zylinderkopfkonstruktion bezüglich anderer Erfordernisse bzw. Funktionen möglichst wenig ein.
  • Aus den gleichen Gründen sind auch bei Brennkraftmaschine mit drei und mehr Zylindern Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen - bei Abgriff aus einer Teilabgasleitung - die Leitung zur Rückführung von Abgas von der Teilabgasleitung eines außenliegenden Zylinders abzweigt.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Rückführleitung außerhalb des Zylinderkopfes vom Abgaskrümmer bzw. der Gesamtabgasleitung abzweigt, beispielsweise zur Ausbildung einer Niederdruck-AGR, bei der die Rückführleitung stromabwärts einer im Abgassystem vorgesehenen Turbine abzweigt. Die Rückführleitung muß dabei mit dem Abgasabführsystem 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 zu stellen sind.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen stromaufwärts des Gehäuses eine Bypaßleitung von der Rückführleitung abzweigt, mit der das rückzuführende Abgas bei Umgehung des Gehäuses in den Einlaßbereich der Brennkraftmaschine geleitet wird. Diese Ausführungsform gestattet die Rückführung von heißen d. h. nicht gekühlten Abgasen, was unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein kann.
  • Vorteilhaft ist die Verwendung einer Kombination nach einer der zuvor genannten Arten insbesondere bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, da die Abgasrückführung und die Aufladung häufig kombiniert eingesetzt werden.
  • Zudem ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine thermisch höher belastet als ein vergleichbarer Saugmotor, weshalb der Zylinderkopf einer aufgeladenen Brennkraftmaschine in der Regel mit einer Flüssigkeitskühlung bzw. einem Kühlmittelmantel hoher Kühlleistung ausgestattet wird, der dann erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise auch zur Kühlung des rückzuführenden Abgases verwendet werden kann.
  • Des Weiteren sind die Abgastemperaturen bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen höher, so dass eine Kühlung des rückzuführenden Abgases insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen erforderlich ist, um hohe Rückführraten zu realisieren.
  • Vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Kombination insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die mittels Abgasturboaufladung aufgeladen werden.
  • Bei diesen Brennkraftmaschinen wird die Turbine eines 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 - vorausgesetzt die Rückführleitung zweigt stromaufwärts der Turbine vom Krümmer bzw. der Gesamtabgasleitung ab. Auf diese Weise können hohe Rückführraten realisiert werden.
  • Bei Entnahme des Abgases stromabwärts der Turbine im Rahmen einer Niederdruck-AGR wird das rückzuführende Abgas stromaufwärts des dazugehörigen Verdichters in die Ansaugleitung eingeleitet, wodurch beim Durchströmen des Verdichters eine gute Durchmischung der angesaugten Frischluft mit dem rückgeführten Abgas erfolgt, was insbesondere bei hohen Rückführraten vorteilhaft ist zur Ausbildung einer homogenen Zylinderfrischladung.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 4 und 5a, 5b und 5c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    in einer perspektivischen Darstellung den Zylinderkopf einer ersten Ausführungsform der Kombination mit Blick auf die Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes,
    Fig. 2
    in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt des in Figur 1 gezeigten Zylinderkopfes mit Blick auf die Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes und das offen ausgebildete im Zylinderkopf integrierte Gehäusesegment,
    Fig. 3
    in einer perspektivischen Darstellung den in Figur 1 gezeigten Zylinderkopf teilweise geschnitten,
    Fig. 4
    in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform der Kombination in einer Seitenansicht,
    Fig. 5a
    in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt des Zylinderkopfes einer dritten Ausführungsform der Kombination mit Blick auf das offen ausgebildete im Zylinderkopf integrierte Gehäusesegment und einem Steuerorgan in einer ersten Position,
    Fig. 5b
    in einer perspektivischen Darstellung den in Figur 5a gezeigten Zylinderkopf der Kombination mit dem Steuerorgan in einer zweiten Position, und
    Fig. 5c
    in einer perspektivischen Darstellung den in Figur 5a gezeigten Zylinderkopf der Kombination mit dem Steuerorgan in einer dritten Position.
  • Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Zylinderkopf 2 einer ersten Ausführungsform der Kombination mit Blick auf die Montage-Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2.
  • Dargestellt ist der Zylinderkopf 2 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors. Jeder der vier Zylinder 7 ist mit zwei Einlaßöffnungen 22 und zwei Auslaßöffnungen 21 ausgestattet, wobei sich an jede Auslaßöffnung 21 eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase anschließt. Die Abgasleitungen führen innerhalb des Zylinderkopfes 2 unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 4 zu einer Gesamtabgasleitung 16 zusammen. Der in Figur 1 dargestellte Zylinderkopf 2 verfügt somit über einen vollständig integrierten Abgaskrümmer 4.
  • Es ist ein Gehäuse 5 vorgesehen, welches zur Kühlung von rückzuführendem Abgas dient und ein integral mit dem Zylinderkopf 2 ausgebildetes Gehäusesegment 9, 9a umfaßt, welches eine Öffnung 10 aufweist, die im Rahmen der Montage mittels eines Deckels zur Ausbildung des vollständigen Gehäuses 5 verschlossen wird.
  • Das Gehäuse 5 bzw. Gehäusesegment 9, 9a ist - beabstandet zu den Zylindern 7 - auf der Seite der Zylinder 7 angeordnet, die dem Abgaskrümmer 4 zugewandt ist, d. h. auf der Abgasseite, und dort unterhalb eines vom Krümmer 4 ausgebildeten balkonartigen Vorsprungs d. h. auf der Seite des Abgaskrümmers 4, die der Montage-Stirnseite 8 zugewandt ist.
  • Die Stirnseite 11 der Gehäuseöffnung 10 liegt mit der Montage-Stirnseite 8 in einer Ebene. Diese Ausführung der Öffnung 10 ermöglicht die Bearbeitung der Montage-Stirnseite 8 des Kopfes 2 und der Stirnseite 11 der Öffnung 10 in einem Arbeitsgang und eine vorteilhafte Abdichtung des Gehäuses 5 mittels einer erweiterter Zylinderkopfdichtung.
  • In Figur 1 ebenfalls zu erkennen ist das Steuerorgan 17, mit welchem die Menge an rückzuführendem Abgas eingestellt wird. Vorliegend ist das Steuerorgan 17 als verschwenkbare Klappe ausgebildet und stromaufwärts des Gehäuses 5 angeordnet, wobei die Klappe in der dargestellten Position den Eintritt für das Abgas in das Gehäuse 5 verschließt. Nach Durchströmen des Gehäuses 5 tritt das rückzuführende und gekühlte Abgas durch einen Austritt 20 aus dem Gehäuse 5 wieder aus.
  • Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt des in Figur 1 gezeigten Zylinderkopfes 2 mit Blick auf die Montage-Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2 und das offen ausgebildete im Zylinderkopf 2 integrierte Gehäusesegment 9, 9a.
  • Es soll nur ergänzend zu Figur 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf die Beschreibung der Figur 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Wie aus Figur 2 ersichtlich, gestattet ein offen ausgebildetes Gehäusesegment 9, 9a die Anordnung von Kühlrippen 6 im Inneren des Gehäuses 5, wodurch der Wärmeübergang und damit die Kühlleistung des als AGR-Kühler dienenden Gehäuses 5 erhöht werden. Die Rippen 6 stehen von den das Gehäuse 5 begrenzenden Wandungen hervor und zwar vorliegend von der Wandung des Gehäuses 5, die dem Abgaskrümmer 4 und damit dem zwischen Krümmer 4 und Gehäuse 5 angeordneten unteren Kühlmittelmantel (nicht dargestellt - siehe Figur 3) zugewandt ist. Die Hauptströmungsrichtung des rückzuführenden Abgases erstreckt sich in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes 2.
  • Figur 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den in Figur 1 gezeigten Zylinderkopf 2 teilweise geschnitten, so dass der Aufbau des Abgaskrümmers 4, die integrierte AGR-Abgriffstelle sowie die Rückführleitung 18 zu erkennen sind.
  • Es soll nur ergänzend zu den Figuren 1 und 2 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf die Beschreibung der Figuren 1 und 2. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Wie aus Figur 3 ersichtlich, führen die Abgasleitungen jedes Zylinders zunächst zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung 15 zusammen, bevor die vier Teilabgasleitungen 15 der vier Zylinder zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Zur Rückführung von Abgas ist in den Zylinderkopf 2 eine Leitung 18 integriert, die von dem im Zylinderkopf 2 integrierten Abgaskrümmer 4 abzweigt. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform zweigt die Rückführleitung 18 von einer Teilabgasleitung 15 des Krümmers 4 ab und zwar von der Teilabgasleitung 15 eines außenliegenden Zylinders.
  • Die Rückführleitung 18 verläuft geradlinig und schließt unter Ausbildung eines trichterförmigen Eintrittsbereichs an die Teilabgasleitung 15 an. Dabei nimmt der Durchmesser der Rückführleitung 18 an der Verbindungsstelle in Richtung Teilabgasleitung 15 zu. Das Einströmen von Abgas wird dadurch vereinfacht.
  • Ausgehend von der Teilabgasleitung 15 führt die Rückführleitung 18 in das Gehäuse 5 bzw. das Gehäusesegment 9, 9a. Die Leitung 18 kann infolge des offen ausgebildeten Gehäusesegmentes 9, 9a mittels Bohren von außen eingebracht werden.
  • Die als Steuerorgan 17 dienende Klappe ist am Übergang von Rückführleitung 18 und Gehäuse 5 angeordnet und versperrt in der dargestellten Position den Eintritt 19 in das Gehäuse 5.
  • Der Zylinderkopf 2 ist mit einem Kühlmittelmantel 12 ausgestattet, der einen unteren Kühlmittelmantel 14, der zwischen den Abgasleitungen 15 des Krümmers 4 und der Montage-Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2 angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel 13, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel 14 gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen 15 d. h. des Krümmers 4 angeordnet ist, aufweist, wobei diese beiden Kühlmittelmäntel 13, 14 vorzugsweise mittels Durchgängen miteinander verbunden sind (nicht ersichtlich).
  • Der untere Kühlmittelmantel 12, 14 befindet sich damit zwischen dem Abgaskrümmer 4 und dem Gehäuse 5, was vorteilhaft im Hinblick auf die gleichzeitige Kühlung des Abgases sowohl im Krümmer 4 als auch im Gehäuse 5 ist.
  • Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform der Kombination 1 in einer Seitenansicht. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 5 teilweise im Zylinderkopf 2 und teilweise im Zylinderblock 3 integriert. Dies gestattet die Ausbildung eines AGR-Kühlers hoher Kühlleistung mit einem entsprechend groß dimensionierten Gehäuse 5.
  • Das Gehäuse 5 ist wieder auf der Seite der Zylinder angeordnet, die dem Abgaskrümmer 4 zugewandt ist. Das Gehäuse 5 umfaßt ein integral mit dem Zylinderkopf 2 ausgebildetes Gehäusesegment 9, 9a, welches zur Montage-Stirnseite hin offen ist, und ein integral mit dem Zylinderblock 3 ausgebildetes Gehäusesegment 9, 9b, welches zur Montage-Stirnseite hin offen ist, wobei die beiden Gehäusesegmente 9a, 9b zueinander korrespondieren und im montierten Zustand der Kombination 1 das Gehäuse 5 ausbilden.
  • Die Figuren 5a, 5b, 5c zeigen in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt des Zylinderkopfes 2 einer dritten Ausführungsform der Kombination mit Blick auf das offen ausgebildete im Zylinderkopf 2 integrierte Gehäusesegment 9, 9a und einem Steuerorgan 17 in verschiedenen Positionen.
  • Es sollen nur die Unterschiede zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf die Beschreibung der Figuren 1 und 2. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im Unterschied zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform wird vorliegend ein Schieber 23 als Steuerorgan 17 verwendet, der einen Kolben 25 umfaßt, welcher am Ende einer translatorisch verschiebbaren Stange angeordnet ist. Der Schieber 23 dient nicht nur der Einstellung der Rückführrate, sondern kann darüber hinaus eine Bypaßleitung 24, die stromaufwärts des Gehäuses 5 von der Rückführleitung 18 abzweigt, freigeben bzw. verschließen. Dabei kann der Schieber 23 vier Arbeitspositionen einnehmen, die im Folgenden kurz beschrieben und erläutert werden.
  • Figur 5a zeigt den Schieber 23 in einer ersten Position, in der die Rückführleitung 18 freigegeben und die Bypaßleitung 24 verschlossen ist. Das gesamte rückzuführende Abgas durchströmt in dieser Position des Schiebers 23 das Gehäuse 5 und wird gekühlt.
  • Figur 5b zeigt den Schieber 23 in einer zweiten Position, in der die Rückführleitung 18 verschlossen ist. In dieser Position des Schiebers 23 wird kein Abgas zurückgeführt.
  • Figur 5c zeigt den Schieber 23 in einer dritten Position, in der sowohl die Rückführleitung 18 als auch die Bypaßleitung 24 freigegeben sind. In dieser Position des Schiebers 23 wird das gesamte rückzuführende Abgas ungekühlt unter Umgehung des Gehäuses 5 in den Einlaßbereich der Brennkraftmaschine zurückgeführt.
  • In einer vierten - nicht dargestellten - Position des Schiebers, werden sowohl die Rückführleitung als auch die Bypaßleitung freigegeben und dem rückzuführenden Abgas gleichzeitig der Eintritt 19 in das Gehäuse eröffnet. Hierfür wäre lediglich die Führung für den Schieber auf Seiten der Bypaßleitung zu verlängern, so dass der Kolben des Schiebers in der vierten Arbeitsposition rechts von der geöffneten Bypaßleitung zu liegen käme.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Kombination
    2
    Zylinderkopf
    3
    Zylinderblock
    4
    Abgaskrümmer
    5
    Gehäuse
    6
    Kühlrippe
    7
    Zylinder
    8
    Montage-Stirnseite
    9
    Gehäusesegment
    9a
    integral mit dem Zylinderkopf ausgebildetes Gehäusesegment
    9b
    integral mit dem Zylinderblock ausgebildetes Gehäusesegment
    10
    Gehäuseöffnung
    11
    Stirnseite der Gehäuseöffnung
    12
    Kühlmittelmantel
    13
    oberer Kühlmittelmantel
    14
    unterer Kühlmittelmantel
    15
    Teilabgasleitung
    16
    Gesamtabgasleitung
    17
    Steuerorgan
    18
    Leitung zur Rückführung von Abgas, Rückführleitung
    19
    Eintritt in das Gehäuse
    20
    Austritt aus dem Gehäuse
    21
    Auslaßöffnung
    22
    Einlaßöffnung
    23
    Schieber
    24
    Bypaßleitung
    25
    Kolben

Claims (13)

  1. Kombination (1) mit Zylinderkopf (2) und Zylinderblock (3) und einem zumindest teilweise im Zylinderkopf (2) integrierten Kühlmittelmantel (12) für eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern (7), bei der
    - der Zylinderkopf (2) an einer Montage-Stirnseite (8) mit dem Zylinderblock (3) verbindbar ist,
    - jeder Zylinder (7) mindestens eine Auslaßöffnung (21) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (7) aufweist,
    - sich an jede Auslaßöffnung (21) eine Abgasleitung anschließt,
    - die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern (7) unter Ausbildung eines zumindest teilweise im Zylinderkopf (2) integrierten Abgaskrümmers (4) zu einer Gesamtabgasleitung (16) zusammenführen, und
    - ein von Abgas durchströmbares Gehäuse (5) vorgesehen ist, welches zur Kühlung von rückzuführendem Abgas dient,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Gehäuse (5) zumindest teilweise integral mit der Kombination (1) ausgebildet ist, so dass zumindest Teile des Gehäuses (5) und die Kombination (1) ein monolithisches Bauteil bilden.
  2. Kombination (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) zumindest teilweise integral mit dem Zylinderkopf (2) ausgebildet ist, so dass zumindest Teile des Gehäuses (5) und der Zylinderkopf (2) ein monolithisches Bauteil bilden.
  3. Kombination (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) beabstandet zu den mindestens zwei Zylindern (7) auf der dem Abgaskrümmer (4) zugewandten Seite angeordnet ist.
  4. Kombination (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) auf der Seite des Abgaskrümmers (4) angeordnet ist, die von der Montage-Stirnseite (8) abgewandt ist.
  5. Kombination (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) auf der Seite des Abgaskrümmers (4) angeordnet ist, die der Montage-Stirnseite (8) zugewandt ist.
  6. Kombination (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelmantel (12) sich auch zwischen dem Gehäuse (5) und dem zumindest teilweise integrierten Abgaskrümmer (4) erstreckt.
  7. Kombination (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) ein integral mit dem Zylinderkopf (2) ausgebildetes Gehäusesegment (9, 9a) umfaßt, welches eine Öffnung (10) aufweist, die mittels eines Deckels zur Ausbildung des Gehäuses (5) abgedeckt ist.
  8. Kombination (1) nach Anspruch 7, bei der das Gehäuse (5) auf der Seite des Abgaskrümmers (4) angeordnet ist, die der Montage-Stirnseite (8) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (11) der Öffnung (10) mit der Montage-Stirnseite (8) in einer Ebene liegt.
  9. Kombination (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) vollständig in die Kombination (1) integriert ist in der Art, dass das Gehäuse (5) teilweise integral mit dem Zylinderkopf (2) und teilweise integral mit dem Zylinderblock (3) ausgebildet ist.
  10. Kombination (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) sowohl ein integral mit dem Zylinderkopf (2) ausgebildetes Gehäusesegment (9a) umfaßt, welches zur Montage-Stirnseite (8) hin offen ist, als auch ein integral mit dem Zylinderblock (3) ausgebildetes Gehäusesegment (9b), welches zur Montage-Stirnseite (8) hin offen ist, wobei die beiden Gehäusesegmente (9a, 9b) zueinander korrespondieren und im montierten Zustand der Kombination (1) das Gehäuse (5) ausbilden.
  11. Kombination (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (5) mindestens eine Rippe (6) angeordnet ist, die von den das Gehäuse (5) begrenzenden Wandungen hervorsteht.
  12. Verwendung einer Kombination (1) nach einem der vorherigen Ansprüche für eine aufgeladene Brennkraftmaschine.
  13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mittels Abgasturbolaufladung aufgeladen wird.
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