EP2172635A1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf - Google Patents

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf Download PDF

Info

Publication number
EP2172635A1
EP2172635A1 EP08105481A EP08105481A EP2172635A1 EP 2172635 A1 EP2172635 A1 EP 2172635A1 EP 08105481 A EP08105481 A EP 08105481A EP 08105481 A EP08105481 A EP 08105481A EP 2172635 A1 EP2172635 A1 EP 2172635A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
cylinder head
exhaust
cylinders
coolant jacket
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP08105481A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2172635B1 (de
Inventor
Kai Kuhlbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Priority to EP08105481.9A priority Critical patent/EP2172635B1/de
Priority to CN2009101777242A priority patent/CN101713349B/zh
Priority to US12/565,948 priority patent/US8061131B2/en
Publication of EP2172635A1 publication Critical patent/EP2172635A1/de
Priority to US13/300,709 priority patent/US8800525B2/en
Priority to US14/448,495 priority patent/US9470133B2/en
Priority to US15/268,842 priority patent/US20170002716A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2172635B1 publication Critical patent/EP2172635B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F01N13/107—More than one exhaust manifold or exhaust collector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/243—Cylinder heads and inlet or exhaust manifolds integrally cast together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B75/20—Multi-cylinder engines with cylinders all in one line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2470/00—Structure or shape of gas passages, pipes or tubes
    • F01N2470/14—Plurality of outlet tubes, e.g. in parallel or with different length
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B2075/1804—Number of cylinders
    • F02B2075/1812—Number of cylinders three
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B2075/1804—Number of cylinders
    • F02B2075/1816—Number of cylinders four
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • 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 a method for operating an internal combustion engine with a cylinder head of the aforementioned type having at least three cylinders.
  • internal combustion engine includes diesel engines, gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines.
  • Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which is used to form the individual cylinder d.
  • Combustion chambers are connected to each other, wherein bores are provided for connecting in the cylinder head and in the cylinder block.
  • bores are provided for connecting in the cylinder head and in the cylinder block.
  • As part of the assembly of the cylinder block and the cylinder head are arranged by stacking their mounting end faces in such a way to each other that the holes are aligned.
  • threaded bolts which are inserted and screwed into the bores of the cylinder head and the cylinder block, a connection is then made.
  • the cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons or the cylinder tubes.
  • the pistons are axially movable in the cylinder tubes and form together with the cylinder tubes and the cylinder head the combustion chambers of the internal combustion engine. Consequently, a combustion chamber is mitbe opinion each of a piston, a cylinder tube and the cylinder head and mitgestaltet.
  • a seal is usually arranged between the cylinder block and the cylinder head.
  • the cylinder head is usually used to hold the valve train.
  • an internal combustion engine requires control means and actuators to operate these controls.
  • To control the charge cycle 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 actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train.
  • valve train It is the task of the valve train to open the intake and exhaust ports of the combustion chamber in time or close, with a quick release of the largest possible flow cross sections is sought to keep the throttle losses in the incoming and outflowing gas flows low and the best possible filling of the Combustion chamber with fresh mixture or an effective ie To ensure complete removal of the exhaust gases. Therefore, in the prior art, combustors are also frequently and increasingly equipped with two or more inlet or outlet ports.
  • 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 a cylinder has two or more outlet openings, the exhaust lines of the outlet openings of a single cylinder are usually combined to form a partial exhaust gas line belonging to the cylinder, whereby the partial exhaust gas lines can then be combined to form a common total exhaust gas line or in groups to form two or more total exhaust gas lines.
  • the merger of exhaust pipes to one Total exhaust gas is referred to in the context of the present invention as the exhaust manifold.
  • the exhaust gases Downstream of a 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 exhaust gas turbocharger or the closest possible to the outlet of the engine it is on the one hand endeavored to arrange the exhaust gas turbocharger or the closest possible to the outlet of the engine to optimally use in this way the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, and a quick response of the turbocharger to ensure.
  • the way the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases are given little time to cool and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as soon as possible, especially after a cold start of the engine.
  • the exhaust pipes are merged within the cylinder head. This measure also allows the densest possible packaging of the drive unit.
  • a cylinder head, in which the exhaust pipes of the cylinder are brought together within the cylinder head, is also the subject of the present invention.
  • the cylinder head according to the invention also at least two cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least one cylinder, wherein the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group merge to form an integrated exhaust manifold within the cylinder head to form an overall exhaust gas line.
  • the cylinder head can additionally have cylinders that none Belong cylinder group, wherein a cylinder group may include only a single cylinder.
  • a cylinder head with integrated exhaust manifolds is thermally more heavily loaded than a conventional cylinder head, which is equipped with an external manifold, and therefore makes increased demands on the cooling.
  • 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 amount of heat dissipated from the surface of the internal combustion engine via radiation and heat conduction to the environment is not sufficient for efficient cooling, which is why cooling of the cylinder head is usually brought about deliberately by means of forced convection.
  • the cooling in the form of air cooling or liquid cooling.
  • the internal combustion engine is provided with a fan, wherein the heat dissipation takes place by means of guided over the surface of the cylinder head air flows.
  • the liquid cooling requires the equipment of the internal combustion engine or the cylinder head 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 must not be directed to the cylinder head surface as in the air cooling, to be dissipated.
  • the heat is already in the Inside 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.
  • Liquid cooling is of ever greater relevance, because the thermal load is even greater with supercharged engines compared to naturally aspirated engines.
  • Another object of the present invention is to provide a method of operating an internal combustion engine with a cylinder head of the above type and with at least three cylinders.
  • Embodiments in which the cylinder head has at least three cylinders are advantageous.
  • the merging of the exhaust gas lines from at least two cylinders to two total exhaust gas lines makes it possible inter alia to configure the cylinders in a suitable manner ie to group or separate from each other - for example, in such a way that the dynamic wave processes in the exhaust pipes of a cylinder group as little as possible disadvantageous influence. It should be on the one hand in the Do not weaken exhaust pipes spreading pressure waves. On the other hand, the cylinders of a cylinder group should preferably have the greatest possible offset with regard to their work processes, so that the cylinders combined in a cylinder group do not adversely influence one another when changing the charge, ie hinder them.
  • the grouping of the cylinder also provides more freedom in determining the timing of the valves of a cylinder, as may adversely affecting cylinders can be separated from each other in a suitable manner, namely preferably in such a way that the cylinder of a cylinder group as large as possible offset in terms of their work processes respectively.
  • the opening times of the valves, in particular the exhaust valves be extended or the closing time of the exhaust valves are delayed, without fear that the charge cycle of a cylinder, in particular the Vorlastaustalk a cylinder, for a backflow of exhaust gas through the Outlet opening of another cylinder in the combustion chamber ensures.
  • Investigations have shown that it is possible to exert considerable influence on the efficiency and pollutant emissions, in particular the carbon dioxide emissions (CO 2 ), via the valve timing.
  • the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group are brought together to form an integrated exhaust manifold within the cylinder head to form an overall exhaust gas line.
  • the length of the exhaust pipes is reduced by integration into the cylinder head.
  • the line volume d. H. reduces the exhaust volume of the exhaust pipes upstream of a possibly provided turbine, so that the response of a turbine arranged downstream of the manifold is improved.
  • the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of the exhaust system upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases is increased at the turbine inlet, which is why the enthalpy of the exhaust gases at the inlet of the turbine is higher.
  • Optionally provided exhaust aftertreatment systems achieve a required minimum operating temperature faster.
  • the grouping of the cylinders is particularly advantageous in connection with the inventive integration of the exhaust pipes into the cylinder head, since in this way the exhaust gas flows can be separated from each other at least up to the total exhaust gas lines.
  • the applied in the cylinder head according to the invention combination of cylinder grouping and integrated into the cylinder head Exhaust pipes thus results in the interaction of these two measures to a synergy effect that goes beyond the benefits of each individual measure for themselves.
  • the integration of the exhaust pipes according to the invention also allows the densest possible packaging of the drive unit.
  • the coolant jacket also extends between the two total exhaust gas lines. This includes in particular embodiments in which the coolant jacket an imaginary set around the two exhaust pipes total envelope d. H. Envelope passes through d. H. cuts.
  • the cylinder head is thermally particularly high load. This has several reasons.
  • the exhaust gas flows of the individual exhaust pipes must be more or less deflected in order to bring the exhaust pipes together to form an overall exhaust line.
  • the individual exhaust gas flows therefore have in this area - at least partially - a speed component, the is perpendicular to the walls of the exhaust pipe, whereby the heat transfer by convection and thus the thermal load of the cylinder head is additionally increased.
  • the cylinder head according to the invention is particularly suitable for supercharged internal combustion engines that require efficient and optimized cooling due to higher exhaust gas temperatures.
  • the first of the invention underlying subtask is solved, namely a cylinder head according to the preamble of claim 1 d.
  • H. provide the generic type, the liquid cooling is optimized and reliably prevents thermal overload of the cylinder head.
  • An internal combustion engine can also have two cylinder heads according to the invention, for example, if the cylinders are arranged distributed on two cylinder banks.
  • Embodiments are also feasible in which the exhaust pipes of all the cylinders of a cylinder head are not combined into two exhaust pipes, but only some of the cylinders arranged in the cylinder head are grouped in the manner according to the invention.
  • first cylinder group comprises the outer cylinder and the second cylinder group comprises the at least one inner cylinder.
  • a cylinder group according to the invention can also comprise only one cylinder, for example the second cylinder group the inner cylinder of a three-cylinder in-line engine.
  • the grouping of the three cylinders according to the embodiment in question ensures a symmetrical arrangement of the exhaust pipes in the cylinder head.
  • the firing order of the three cylinders is of subordinate importance in view of their configuration here, since completely independent of the configuration of the cylinder combined in a cylinder group two cylinders always both a short firing distance of 240 ° KW and have a long firing interval of 480 ° CA
  • first cylinder group comprises the two outer cylinders and the second cylinder group the two inner cylinders, wherein the exhaust pipes of the two outer cylinders of the first cylinder group to form a first integrated exhaust manifold within the Cylinder head to a first overall exhaust line and the exhaust pipes of the two inner cylinder of the second cylinder group within the cylinder head merge to form a second integrated exhaust manifold to a second total exhaust line.
  • This configuration of the cylinder takes into account the fact that the cylinders of a four-cylinder in-line engine are usually ignited in the order 1 - 3 - 4 - 2, wherein the cylinders beginning with an outer cylinder are numbered consecutively.
  • the proposed grouping of the cylinders ensures that the two cylinders of both the first and the second cylinder group have a firing interval of 360 ° CA.
  • the two cylinders of each cylinder group thus have the largest possible offset in terms of their work processes.
  • the offset allows a compact design of the cylinder head and at the same time ensures a sufficiently large distance of the total exhaust gas lines from each other. In this way remains - despite the compact design - enough space between the exhaust pipes total compared to embodiments in which the total exhaust gas lines along the longitudinal axis d. H. with view in the direction of the cylinder head longitudinal axis have no offset. This facilitates the arrangement of coolant channels in the cylinder head, in particular between the two total exhaust gas lines.
  • Embodiments of the cylinder head in which the total exhaust gas line of the second integrated exhaust manifold of the second cylinder group is arranged on the side of the first integrated exhaust manifold of the first cylinder group facing away from the mounting end side are advantageous. According to this embodiment, the exhaust manifolds of the cylinder groups are at least partially superimposed.
  • each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder.
  • Embodiments in which cylinder groups with at least two cylinders initially combine the exhaust lines of the at least two outlet openings of each cylinder into a partial exhaust line belonging to the cylinder are advantageous before these partial exhaust lines merge to form the overall exhaust line of this cylinder group.
  • the total travel distance of all exhaust pipes is thereby - further - shortened and the exhaust gas volume of the manifolds reduced.
  • the gradual merging of the exhaust pipes to an overall exhaust line also contributes to a more compact d. H. less voluminous design of the cylinder head and thus in particular to a weight reduction and a more effective packaging in the engine compartment.
  • Embodiments of the cylinder head in which the coolant jacket has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end side of the cylinder head, and an upper coolant jacket, which is arranged on the side of the exhaust pipes opposite the lower coolant jacket, are advantageous.
  • partial exhaust gas lines or total exhaust gas lines are referred to as exhaust pipe and not exclusively exhaust pipes that connect to the outlet port of a cylinder.
  • Embodiments of the cylinder head in which the lower coolant jacket has at least one inlet opening via which coolant can be supplied and the upper coolant jacket has at least one outlet opening via which the coolant can be discharged are advantageous.
  • Embodiments of the cylinder head are particularly advantageous in which at least one connection between the lower coolant jacket and the upper coolant jacket, which serves for the passage of coolant, is provided at a distance from the two exhaust manifolds on the side facing away from the at least two cylinders.
  • the at least one connection lies outside the integrated exhaust manifold and in the outer wall of the cylinder head, from which the total exhaust gas lines emerge.
  • the present embodiment of the cylinder head has at least one connection in the outer wall of the cylinder head, can flow through the coolant from the lower coolant jacket in the upper coolant jacket and / or vice versa.
  • connection is an opening or flow channel which connects the lower coolant jacket to the upper coolant jacket and through which a coolant flows.
  • cooling basically also takes place in the region of the outer wall of the cylinder head.
  • the conventional longitudinal flow of the coolant i. the coolant flow in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head is supplemented by a coolant transverse flow which runs transversely to the longitudinal flow and preferably approximately in the direction of the cylinder longitudinal axes.
  • the coolant flow passed through the at least one connection contributes significantly to the heat dissipation.
  • a suitable dimensioning of the cross section of the at least one connection can specifically influence the flow velocity of the coolant in the connection and thus the heat dissipation in the region of this at least one connection.
  • the cooling of the cylinder head can additionally and advantageously be improved by generating a pressure gradient between the upper and lower coolant jacket, which in turn increases the speed in the at least one connection, which leads to increased heat transfer due to convection.
  • Embodiments of the cylinder head in which the at least one connection is arranged adjacent to the region in which exhaust pipes lead to one are advantageous Merge the entire exhaust gas line.
  • the cylinder head is subject to particularly high thermal loads in this area, which is why cooling of this area is particularly advantageous.
  • Embodiments of the cylinder head in which the at least one connection is completely integrated in the outer wall are advantageous.
  • This embodiment is different from, for example, designs of the cylinder head in which an opening is provided in the outer wall, which serves to supply or discharge coolant into and out of the upper and lower coolant jacket. Such an opening is not a connection in the present sense.
  • the at least one connection can in the meantime be open to the outside via an access opening in the course of the production of the head, for example for removing a sand core.
  • the finished cylinder head has then according to the present embodiment at least one fully integrated in the outer wall connection, including a possibly provided access to the connection is to close.
  • embodiments of the cylinder head are also feasible, in which a coolant supply or coolant removal takes place in the region of the at least one connection, for which purpose a channel branches off from the at least one connection which emerges from the outer wall.
  • Embodiments of the cylinder head in which the distance between the at least one connection and an overall exhaust line is smaller than the diameter, preferably smaller than half the diameter of a cylinder, are advantageous, the distance being from the path between the outer wall of the overall exhaust line and the outer wall the connection results.
  • Embodiments of the cylinder head in which at least two connections are provided, which are arranged on opposite sides of the two exhaust gas lines, are advantageous.
  • a symmetrical arrangement of the at least two connections in the region of the outer wall takes into account the fact that the system of exhaust pipes integrated in the cylinder head preferably also symmetrically is trained. The mutually corresponding formation of the exhaust system and cooling thus also ensures a symmetrical temperature distribution in the cylinder head.
  • Embodiments of the cylinder head in which the at least two connections are connected to one another via a coolant jacket region which extends between the two overall exhaust gas lines are advantageous.
  • Embodiments of the cylinder head are advantageous in which at least one additional connection between the lower coolant jacket and the upper coolant jacket, which serves to pass coolant, is provided at a distance from the exhaust pipes on the side of an exhaust manifold facing the at least two cylinders.
  • a double-flow turbine is used to charge the internal combustion engine d. H.
  • the turbine of the turbocharger used has an inlet area with two inlet channels. If the exhaust pipes are grouped in such a way that the high pressures, in particular the Vorlastausst dealte can be obtained, a double-flow turbine is particularly suitable for a burst charge, which also high turbine pressure ratios can be achieved at low speeds.
  • the two total exhaust pipes are connected separately to each other with an inlet channel.
  • the merging of the two exhaust gas flows conducted in the total exhaust gas lines is optionally carried out downstream of the turbine, but in this case not upstream of the turbine.
  • An entire exhaust gas line already opens into an inlet channel of the turbine when the exhaust gas flow guided in the overall exhaust gas line essentially-preferably completely-arrives in the inlet channel assigned to the overall exhaust gas line.
  • Embodiments in which guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the twin-flow turbine are advantageous.
  • the vanes of the revolving impeller do not rotate vanes with a shaft of a turbine.
  • vanes are not only stationary but also completely immovable in the entrance area, i.e., they are stationary. rigidly fixed. If, on the other hand, a turbine with variable geometry is used, the guide vanes are indeed arranged stationary, but not completely immobile, but rotatable about their axis, so that the flow of the blades can be influenced.
  • Embodiments in which the twin-flow turbine is an axial turbine are advantageous.
  • the flow of the impeller blades takes place substantially axially, wherein "substantially axially” means that the velocity component in the axial direction is greater than the radial velocity component.
  • the velocity vector of the flow in the region of the impeller preferably runs parallel to the shaft or axis of the exhaust gas turbocharger, if the flow is exactly axial.
  • Embodiments of the cylinder head in which each overall exhaust gas line is connected to a turbine of an exhaust gas turbocharger are advantageous.
  • two parallel turbines or exhaust gas turbochargers are used to charge the internal combustion engine. This is a measure for improving the torque characteristic of a supercharged internal combustion engine.
  • the second object of the invention namely to provide a method for operating an internal combustion engine with a cylinder head of the aforementioned type and at least three cylinders, is achieved by a method which is characterized in that the at least three cylinders are operated in the manner that the cylinders of a cylinder group have the largest possible offset with regard to the work processes.
  • the initiation d. H. Initiation of the combustion can be carried out both by a spark ignition, for example by means of a spark plug, as well as by auto-ignition or compression ignition.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the sand core 1 for forming the integrated cylinder head according to a first embodiment, exhaust pipes 4a, 4b, 5, 6 ', 6 ".
  • FIG. 1 thus, the system of integrated in the cylinder head exhaust pipes 4a, 4b, 5, 6 ', 6 ", which is why the reference numerals for the exhaust pipes 4a, 4b, 5, 6', 6" are registered.
  • the sand core 1 or exhaust system shown is the exhaust pipes 4a, 4b, 5, 6 ', 6 "of a cylinder head of a four-cylinder in-line engine, in which the cylinders are arranged along the longitudinal axis of the cylinder head two outlet openings 3a, 3b equipped, with an exhaust pipe 4a, 4b connected to each outlet opening 3a, 3b.
  • the four cylinders are configured to form two groups of two cylinders each.
  • the first cylinder group comprises the two outer cylinders and the second cylinder group the two inner cylinders, wherein the exhaust pipes 4a, 4b of the two outer cylinders of the first cylinder group to form a first integrated exhaust manifold 2 'within the cylinder head to a first total exhaust pipe 6' and the exhaust pipes 4a, 4b of the two inner cylinders of the second cylinder group within the cylinder head to form a second integrated exhaust manifold 2 "to a second total exhaust line 6" merge.
  • the exhaust pipes 4a, 4b of each cylinder initially lead to a partial exhaust gas line 5 belonging to the cylinder, before the partial exhaust gas lines 5 of the cylinders of a cylinder group subsequently d. H. downstream to an overall exhaust line 6 ', 6 "merge.
  • the total exhaust line 6 "of the second integrated exhaust manifold 2" of the second cylinder group lies on the side facing away from the mounting end side of the first integrated exhaust manifold 2 '.
  • FIG. 2 shows the in FIG. 1 shown sand core 1 in a side view with a view in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head.
  • FIG. 1 shows the same reference numerals as in FIG. 1 for that reason, reference is otherwise made to FIG. 1 ,
  • the total exhaust line 6 "of the second integrated exhaust manifold 2" of the second cylinder group lies on the side facing away from the mounting end side of the first integrated exhaust manifold 2 'ie above the first exhaust manifold 2'.
  • FIG. 3 shows a perspective view of the sand core 7 for forming the cylinder head according to a first embodiment integrated coolant jacket 8.
  • the coolant jacket 8 comprises a lower coolant jacket 8a, which is arranged between the exhaust pipes and a mounting end face of the cylinder head, not shown, an upper coolant jacket 8b, which is arranged on the opposite side of the lower coolant jacket 8a exhaust pipes 5, and a central coolant jacket 8c , which is arranged between the total exhaust gas lines 6 ', 6 ", kinks inwards and thus follows the course of the second integrated exhaust manifold (see also FIG. 2 ).
  • two connections 9 which connect the lower coolant jacket 8a to the upper coolant jacket 8b and serve for the passage of coolant Total exhaust pipes 6 ', 6 "arranged and even connected to each other via the middle coolant jacket 8c.
  • the lower and upper coolant jacket 8a, 8b are not connected to one another over the entire area of the outer wall, but only over a partial area of the outer wall, namely adjacent to the overall exhaust gas lines 6 ', 6 " two compounds 9 are thus arranged adjacent to the area in which the cylinder head is thermally stressed particularly high.
  • the in the upper, lower and middle coolant jacket 8a, 8b, 8c adjusting longitudinal flows - in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head - are supplemented by the two transverse flows in the compounds 9 (see also FIG. 5 ).
  • two accesses 10 are provided in the region of the connections 9, which are closed after removal of the sand core 7, so that the connections 9 are completely integrated in the outer wall.
  • FIG. 4 shows the in FIG. 3 shown sand core 7 in a side view with a view in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head.
  • FIG. 4 shows the same reference numerals as in FIG. 3 for that reason, reference is otherwise made to FIG. 3 ,
  • an additional connection 11 between the lower coolant jacket 8a and the upper coolant jacket 8b is provided on the side facing the cylinders of the first exhaust manifold, which serves for the passage of coolant.
  • an additional access 12 for removing the sand core 7 and for processing the additional connection 11 is provided, which is closed again in the finished cylinder head.
  • FIG. 5 shows in a plan view the parts of in FIG. 3 shown sand core, which serve to form the lower and middle coolant jacket 8a, 8c, with a view in the direction of the cylinder longitudinal axes.
  • sand core which serve to form the lower and middle coolant jacket 8a, 8c, with a view in the direction of the cylinder longitudinal axes.
  • the flow directions of the coolant when flowing through the coolant jackets 8a, 8c are shown as arrows.
  • the coolant flows in a fan-shaped manner from the coolant inlets of the lower coolant jacket 8 a into the middle coolant jacket 8 c, namely through the two connections 9 in the outer wall and the additional connection 11.
  • FIG. 6 shows the in FIG. 3 shown sand core 7 in a side view with a view perpendicular to the longitudinal axis of the cylinder head.
  • FIG. 6 shows the in FIG. 3 shown sand core 7 in a side view with a view perpendicular to the longitudinal axis of the cylinder head.
  • the coolant flows from the outward coolant inlets 13 of the lower coolant jacket 8a along the longitudinal axis of the cylinder head to the connections 9 and vertically through these connections 9 into the middle and lower coolant jacket 8a, 8c.
  • the upper coolant jacket 8b also has two external coolant inlets 15, wherein the coolant leaves the coolant jacket 8 via the coolant outlet 14 or is removed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel (8) und mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung (3a, 3b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung (3a, 3b) eine Abgasleitung (4a, 4b) anschließt, und bei dem - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und - die Abgasleitungen (4a, 4b) der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (2', 2") innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung (6', 6") zusammenführen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf der oben genannten Art. Es soll ein Zylinderkopf der genannten Art bereitgestellt werden, dessen Flüssigkeitskühlung optimiert ist und eine thermische Überlastung des Zylinderkopfes sicher verhindert. Erreicht wird dies mit einem Zylinderkopf der oben genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass - der Kühlmittelmantel (8) sich auch zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen (6', 6") erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel und mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und bei dem
    • mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
    • die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf der oben genannten Art mit mindestens drei Zylindern.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
  • Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder d. h. Brennräume miteinander verbunden werden, wobei zum Verbinden im Zylinderkopf und im Zylinderblock Bohrungen vorgesehen sind. Im Rahmen der Montage werden der Zylinderblock und der Zylinderkopf durch Aufeinanderlegen ihrer Montage-Stirnseiten in der Weise zueinander angeordnet, daß die Bohrungen miteinander fluchten. Mittels Gewindebolzen, die in die Bohrungen des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks eingeführt und verschraubt werden, wird dann eine Verbindung hergestellt.
  • 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. Folglich wird ein Brennraum jeweils von einem Kolben, einem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf mitbegrenzt und mitgestaltet. Zur Abdichtung der Brennräume wird in der Regel zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf eine Dichtung angeordnet.
  • Der Zylinderkopf dient üblicherweise 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 Ventiltriebes 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 Brennkammern daher auch häufig und zunehmend mit zwei oder mehr Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen ausgestattet.
  • 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. Weist ein Zylinder zwei oder mehrere Auslaßöffnungen auf, werden die Abgasleitungen der Auslaßöffnungen eines einzelnen Zylinders in der Regel zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, wobei die Teilabgasleitungen dann zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden können. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
  • Stromabwärts eines Krümmers werden die Abgase dann gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
  • Dabei ist man zum einen bemüht, den bzw. die Abgasturbolader möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, 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 bzw. Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
  • Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, werden gemäß einem Lösungsansatz nach dem Stand der Technik die Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt. Diese Maßnahme gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit. Ein Zylinderkopf, bei dem die Abgasleitungen der Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt werden, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf sind zudem mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Der Zylinderkopf kann dabei zusätzlich Zylinder aufweisen, die keiner Zylindergruppe angehören, wobei eine Zylindergruppe auch nur einen einzelnen Zylinder umfassen kann.
  • Das gruppenweise Zusammenführen der Abgasleitungen d. h. das Vorsehen von zwei Gesamtabgasleitungen bietet unter anderem die Möglichkeit, zwei parallel angeordnete Abgasturbolader oder aber eine zweiflutige Turbine in vorteilhafter Weise mit Abgas zu versorgen, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
  • Ein Zylinderkopf mit integrierten Abgaskrümmern 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. Die von der Oberfläche der Brennkraftmaschine über Strahlung und Wärmeleitung an die Umgebung abgeführte Wärmemenge ist für eine effiziente Kühlung nicht ausreichend, weshalb in der Regel mittels erzwungener Konvektion gezielt eine Kühlung des Zylinderkopfes herbeigeführt wird.
  • Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmungen erfolgt.
  • Hingegen erfordert die Flüssigkeitskühlung 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.
  • Aufgrund der wesentlichen höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden, weshalb bei einem Zylinderkopf der vorliegenden Art eine Flüssigkeitskühlung eingesetzt wird d. h. im Zylinderkopf ein Kühlmittelmantel integriert wird.
  • Einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und einer Flüssigkeitskühlung offenbart beispielsweise die EP 1 722 090 A2 , wobei dieser europäischen Patentanmeldung die Aufgabe zugrunde liegt, einen möglichst kompakten Zylinderkopf bereitzustellen und nicht einen Zylinderkopf mit einer möglichst effizienten Kühlung.
  • So erweist sich die Kühlung des in der EP 1 722 090 A2 beschriebenen Zylinderkopfes in der Praxis auch als unzureichend, wobei insbesondere in dem Bereich, in dem die Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen, eine thermische Überlastung zu befürchten ist, die sich beispielsweise in Form von Materialabschmelzungen bemerkbar machen kann.
  • Um dies zu verhindern, wird bei einer Brennkraftmaschine, die mit einem Zylinderkopf gemäß der EP 1 722 090 A2 ausgestattet ist, immer dann eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der zusätzliche Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so daß die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt. Diese Vorgehensweise ist aber unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen. Insbesondere gestattet es die notwendige Anfettung nicht immer, die Brennkraftmaschine in der Weise zu betrieben, wie es beispielsweise für ein vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre.
  • Berücksichtigt man weiter, daß sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen hat und weiter vollzieht, wird ersichtlich, daß in der Praxis eine effiziente Flüssigkeitskühlung von immer größerer Relevanz ist, denn die thermische Belastung ist bei aufgeladenen Motoren im Vergleich zu Saugmotoren nochmals größer.
  • Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, dessen Flüssigkeitskühlung optimiert ist und eine thermische Überlastung des Zylinderkopfes sicher verhindert.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf der oben genannten Art und mit mindestens drei Zylindern aufzuzeigen.
  • Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch einen Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel und mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und bei dem
    • mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
    • die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
      und der dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • der Kühlmittelmantel sich auch zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen erstreckt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Zylinderkopf mindestens drei Zylinder aufweist.
  • Die Zusammenführung der Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu zwei Gesamtabgasleitungen gestattet es unter anderem, die Zylinder in geeigneter Weise zu konfigurieren d. h. zu gruppieren bzw. voneinander zu trennen - beispielsweise in der Art, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen einer Zylindergruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen. Dabei sollen sich zum einen die in den Abgasleitungen ausbreitenden Druckwellen nicht gegenseitig abschwächen. Zum anderen sollten die Zylinder einer Zylindergruppe vorzugsweise einen möglichst großen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse aufweisen, damit sich die in einer Zylindergruppe zusammengefaßten Zylinder nicht gegenseitig beim Ladungswechsel nachteilig beeinflussen d.h. behindern.
  • Wenn zu Beginn des Ladungswechsels eine Auslaßöffnung durch Betätigen eines Auslaßventil geöffnet wird, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgastrakt d. h. Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslaßöffnung in die Abgasleitung. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorlastausstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitungen mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt.
  • Hinsichtlich des Ladungswechsels ist es vorteilhaft, die Zylinder in der Art zu gruppieren, dass, wenn die mindestens eine Auslaßöffnung eines Zylinders einer Gruppe öffnet, die Auslaßöffnungen der anderen Zylinder dieser Gruppe geschlossen sind bzw. die Auslaßöffnungen der anderen Zylinder dieser Gruppe zu dem Zeitpunkt geschlossen sind, zu dem die Druckwelle bzw. der Vorlastausstoß des sich öffnenden Zylinders an der Auslaßöffnung eines anderen Zylinders ankommt bzw. erwartet wird. Auf diese Weise kann ein Rückströmen von Abgas durch die Auslaßöffnung in den Brennraum vermieden werden.
  • Die Gruppierung der Zylinder schafft auch mehr Freiheiten bei der Festlegung der Steuerzeiten der Ventile eines Zylinder, da sich gegebenenfalls nachteilig beeinflussende Zylindern in geeigneter Weise voneinander getrennt werden können, nämlich vorzugsweise in der Art, dass die Zylinder einer Zylindergruppe einen möglichst großen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse aufweisen. So können grundsätzlich die Öffnungszeiten der Ventile, insbesondere der Auslaßventile, verlängert werden bzw. die Schließzeit der Auslaßventile nach spät verschoben werden, ohne dass zu befürchten ist, dass der Ladungswechsel eines Zylinders, insbesondere der Vorlastausstoß eines Zylinders, für ein Rückströmen von Abgas durch die Auslaßöffnung eines anderen Zylinders in den Brennraum sorgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass über die Steuerzeiten der Ventile maßgeblich Einfluß genommen werden kann auf den Wirkungsgrad und die Schadstoffemissionen, insbesondere die Kohlendioxidemissionen (CO2).
  • Erfindungsgemäß werden die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt.
  • Wie bereits weiter oben erörtert wurde, ist man grundsätzlich bestrebt, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen und die Wege der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz zu gestalten. Um dies zu realisieren, ist die weitestgehende Integration der Abgasleitungen in den Zylinderkopf - wie bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf - zielführend.
  • Die Länge der Abgasleitungen wird durch eine Integration in den Zylinderkopf verringert. Zum einen wird dadurch das Leitungsvolumen d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts einer gegebenenfalls vorgesehenen Turbine verkleinert, so dass das Ansprechverhalten einer stromabwärts der Krümmer angeordneten Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht ist, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Gegebenenfalls vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme erreichen schneller eine erforderliche Mindestbetriebstemperatur.
  • Da sich die Leitungslängen der einzelnen Abgasleitungen durch eine Integration in den Zylinderkopf verkürzen, steigt grundsätzlich auch die Gefahr, dass sich die Zylinder gegenseitig beim Ladungswechsel behindern bzw. sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder nachteilig beeinflussen, was eigentlich vermieden werden sollte.
  • Insofern ist die Gruppierung der Zylinder insbesondere im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Integration der Abgasleitungen in den Zylinderkopf vorteilhaft, da auf diese Weise die Abgasströmungen zumindest bis hin zu den Gesamtabgasleitungen voneinander separiert werden können. Die bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf angewendete Kombination aus Zylindergruppierung und in den Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen führt somit im Zusammenwirken dieser beiden Maßnahmen zu einem Synergieeffekt, der über die Vorteile jeder einzelnen Maßnahme für sich hinausgeht.
  • Die erfindungsgemäße Integration der Abgasleitungen gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit.
  • Erfindungsgemäß erstreckt sich der Kühlmittelmantel auch zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen. Dies schließt insbesondere Ausführungsformen ein, bei denen der Kühlmittelmantel eine gedachte um die beiden Gesamtabgasleitungen gelegte Einhüllende d. h. Umhüllende durchtritt d. h. schneidet.
  • In dem Bereich, in dem Abgasleitungen - gegebenenfalls als Teilabgasleitungen - zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen und heißes Abgas - gegebenenfalls mehrerer Zylindergesammelt wird, ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet. Dies hat gleiche mehrere Gründe.
  • Zum einen passieren größere Abgasmengen die beiden Sammelstellen und die beiden Gesamtabgasleitungen, wohingegen eine einzelne Abgasleitung, die sich an die Auslaßöffnung eines Zylinders anschließt, lediglich mit dem Abgas bzw. einem Teil des Abgases eines Zylinders beaufschlagt wird. D. h. die absolute Menge an Abgas, die Wärme an den Zylinderkopf abgibt bzw. abgeben kann, ist hier am größten.
  • Zum anderen sind die Sammelstellen und die Gesamtabgasleitungen nahezu kontinuierlich mit heißen Abgasen beaufschlagt, wohingegen eine Abgasleitung eines Zylinders nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders d. h. bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine einmal innerhalb von zwei Kurbelwellenumdrehungen von heißem Abgas durchströmt wird.
  • Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, daß im Zustrombereich einer Gesamtabgasleitung d.h. im Bereich einer Sammelstelle die Abgasströmungen der einzelnen Abgasleitungen mehr oder weniger stark umgelenkt werden müssen, um die Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen zu können. Die einzelnen Abgasströmungen haben daher in diesem Bereich - zumindest teilweise - eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht auf den Wandungen der Abgasleitung steht, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion und folglich die thermische Belastung des Zylinderkopfes zusätzlich erhöht wird.
  • Aus den genannten Gründen ist es daher vorteilhaft, den Zylinderkopf in unmittelbarer Nähe zu den Gesamtabgasleitungen zu kühlen bzw. mit einer Flüssigkeitskühlung auszustatten, also den Kühlmittelmantel zumindest teilweise zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen anzuordnen.
  • Auf eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches - mit dem Ziel einer Absenkung der Abgastemperatur - kann somit weitestgehend bzw. vollständig verzichtet werden, was im Einzelfall von der Anzahl der Zylinder, der konkreten Ausbildung des Kühlmittelmantels und dergleichen abhängt. Dies erweist sich insbesondere bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine als vorteilhaft. Darüber hinaus ergeben sich mehr Freiheiten bei der Steuerung der Brennkraftmaschine, da eine mögliche Anfettung zur Absenkung der Abgastemperatur bzw. zum Schutz des Zylinderkopfes vor thermischer Überlastung im Rahmen der Motorsteuerung keine Berücksichtigung mehr finden muß.
  • Der erfindungsgemäße Zylinderkopf eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund höherer Abgastemperaturen eine effiziente und optimierte Kühlung erfordern.
  • Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich einen Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, dessen Flüssigkeitskühlung optimiert ist und eine thermische Überlastung des Zylinderkopfes sicher verhindert.
  • Eine Brennkraftmaschine kann auch zwei erfindungsgemäße Zylinderköpfe aufweisen, beispielweise, wenn die Zylinder auf zwei Zylinderbänke verteilt angeordnet sind. Es sind auch Ausführungsformen ausführbar, bei denen nicht die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, sondern nur einige der im Zylinderkopf angeordneten Zylinder in der erfindungsgemäßen Weise gruppiert sind.
  • Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen beschrieben.
  • Bei einem Zylinderkopf mit mindestens drei in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe den mindestens einen innenliegenden Zylinder umfaßt.
  • Diese Ausführungsform zeigt, dass eine Zylindergruppe erfindungsgemäß auch nur einen Zylinder umfassen kann, beispielsweise die zweite Zylindergruppe den innenliegenden Zylinder eines Drei-Zylinder-Reihenmotors.
  • Die Gruppierung der drei Zylinder entsprechend der in Rede stehenden Ausführungsform sorgt für eine symmetrische Anordnung der Abgasleitungen im Zylinderkopf. Die Zündfolge der drei Zylinder, üblicherweise 1 - 2 - 3, ist im Hinblick auf ihre Konfiguration vorliegend von untergeordneter Bedeutung, da völlig unabhängig von der Konfiguration der Zylinder die in einer Zylindergruppe zusammengefaßten beiden Zylinder immer sowohl einen kurzen Zündabstand von 240°KW als auch einen langen Zündabstand von 480°KW aufweisen.
  • Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfaßt, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der beiden innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines zweiten integrierten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Diese Konfiguration der Zylinder trägt dem Umstand Rechnung, dass die Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors in der Regel in der Reihenfolge 1 - 3 - 4 - 2 gezündet werden, wobei die Zylinder beginnend mit einem außenliegenden Zylinder der Reihe nach durchnumeriert sind. Die vorgeschlagene Gruppierung der Zylinder sorgt dafür, dass die beiden Zylinder sowohl der ersten als auch der zweiten Zylindergruppe einen Zündabstand von 360°KW aufweisen. Die zwei Zylinder jeder Zylindergruppe weisen somit den größtmöglichen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse auf.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die beiden Gesamtabgasleitungen der zwei Zylindergruppen bzw. der integrierten Abgaskrümmer entlang der Längsachse des Zylinderkopfes versetzt angeordnet sind.
  • Der Versatz ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes und sorgt gleichzeitig für einen ausreichend großen Abstand der Gesamtabgasleitungen voneinander. Auf diese Weise verbleibt - trotz kompakter Bauweise - genügend Bauraum zwischen den Gesamtabgasleitungen im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen die Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse d. h. mit Blick in Richtung der Zylinderkopflängsachse keinen Versatz aufweisen. Dies erleichtert die Anordnung von Kühlmittelkanälen im Zylinderkopf, insbesondere zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Gesamtabgasleitung des zweiten integrierten Abgaskrümmers der zweiten Zylindergruppe auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite des ersten integrierten Abgaskrümmers der ersten Zylindergruppe angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform liegen die Abgaskrümmer der Zylindergruppen zumindest teilweise übereinander.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
  • Wie bereits weiter oben erwähnt, ist es während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslaßöffnung je Zylinder vorteilhaft ist.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen bei Zylindergruppen mit mindestens zwei Zylindern zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen bevor diese Teilabgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung dieser Zylindergruppe zusammenführen. Die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen wird hierdurch - weiter - verkürzt und das Abgasvolumen der Krümmer verkleinert.
  • Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung trägt zudem zu einer kompakteren d. h. weniger voluminösen Bauweise des Zylinderkopfes und damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren Packaging im Motorraum bei.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Kühlmittelmantel 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. In diesem Zusammenhang werden auch Teilabgasleitungen oder Gesamtabgasleitungen als Abgasleitung bezeichnet und nicht ausschließlich Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnung eines Zylinders anschließen.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der untere Kühlmittelmantel über mindestens eine Eintrittsöffnung verfügt, über welche Kühlmittel zuführbar ist und der obere Kühlmittelmantel über mindestens eine Austrittsöffnung verfügt, über die Kühlmittel abführbar ist.
  • Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite der beiden Abgaskrümmer mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient. Die mindestens eine Verbindung liegt außerhalb der integrierten Abgaskrümmer und in der Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitungen austreten.
  • Die vorliegende Ausführungsform des Zylinderkopfes verfügt über mindestens eine Verbindung in der Außenwandung des Zylinderkopfes, durch die Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und/oder umgekehrt.
  • Bei der Verbindung handelt es sich um einen Durchbruch bzw. Durchflußkanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den ein Kühlmittel strömt.
  • Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels d.h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluß genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.
  • Vorteilhaft sind daher auch insbesondere Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der untere und der obere Kühlmittelmantel nicht über den gesamten Bereich der Außenwandung miteinander verbunden sind, sondern sich die mindestens eine Verbindung nur über einen Teilbereich der Außenwandung erstreckt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung gesteigert werden, was den Wärmeübergang durch Konvektion erhöht. Vorteile bietet dies auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit des Zylinderkopfes.
  • Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Wie bereits ausgeführt, ist der Zylinderkopf in diesem Bereich thermisch besonders hoch belastet, weshalb eine Kühlung dieses Bereichs besonders vorteilhaft ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine Verbindung vollständig in der Außenwandung integriert ist. Diese Ausführungsform grenzt sich beispielsweise gegenüber Bauformen des Zylinderkopfes ab, bei denen in der Außenwandung eine Öffnung vorgesehen ist, die dem Zuführen bzw. Abführen von Kühlmittel in den bzw. aus dem oberen und dem unteren Kühlmittelmantel dient. Eine derartige Öffnung stellt keine Verbindung im vorliegenden Sinne dar.
  • Dabei kann die mindestens eine Verbindung im Rahmen der Fertigung des Kopfes durchaus zwischenzeitlich via Zugangsöffnung nach außen hin offen sein, beispielsweise zur Entfernung eines Sandkerns. Der endgefertigte Zylinderkopf weist dann aber entsprechend der in Rede stehenden Ausführung mindestens eine vollständig in der Außenwandung integrierte Verbindung auf, wozu ein eventuell vorgesehener Zugang zur Verbindung zu verschließen ist.
  • Grundsätzlich sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes ausführbar, bei denen im Bereich der mindestens einen Verbindung eine Kühlmittelzufuhr bzw. Kühlmittelabfuhr erfolgt, wozu ein Kanal von der mindestens einen Verbindung abzweigt, der aus der Außenwandung austritt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und einer Gesamtabgasleitung kleiner ist als der Durchmesser, vorzugsweise kleiner ist als der halbe Durchmesser, eines Zylinders, wobei sich der Abstand aus der Wegstrecke zwischen der Außenwandung der Gesamtabgasleitung und der Außenwandung der Verbindung ergibt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen mindestens zwei Verbindungen vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten der beiden Gesamtabgasleitungen angeordnet sind. Eine symmetrische Anordnung der mindestens zwei Verbindungen im Bereich der Außenwandung trägt dem Umstand Rechnung, daß das im Zylinderkopf integrierte System von Abgasleitungen vorzugsweise auch symmetrisch ausgebildet ist. Die zueinander korrespondierende Ausbildung von Abgassystem und Kühlung sorgt somit auch für eine symmetrische Temperaturverteilung im Zylinderkopf.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens zwei Verbindungen miteinander verbunden sind über einen Kühlmittelmantelbereich, der sich zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen erstreckt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen auf der den mindestens zwei Zylindern zugewandten Seite eines Abgaskrümmers mindestens eine zusätzliche Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine verbunden sind, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einem Eintrittskanal der Turbine verbunden ist.
  • Vorliegend wird eine zweiflutige Turbine zur Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt d. h. die Turbine des eingesetzten Abgasturboladers verfügt über einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorlastausstöße erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
  • Die beiden Gesamtabgasleitungen werden getrennt voneinander jeweils mit einem Eintrittskanal verbunden. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine, aber vorliegend nicht stromaufwärts der Turbine. Eine Gesamtabgasleitung mündet bereits in einen Eintrittskanal der Turbine, wenn der in der Gesamtabgasleitung geführte Abgasstrom im Wesentlichen - vorzugsweise vollständig - in den der Gesamtabgasleitung zugeordneten Eintrittskanal gelangt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen im Eintrittsbereich der zweiflutigen Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet sind. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
  • Verfügt eine Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet d.h. starr fixiert. Wird hingegen eine Turbine mit variabler Geometrie eingesetzt, sind die Leitschaufeln zwar auch stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so daß auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluß genommen werden kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die zweiflutige Turbine eine Axialturbine ist.
  • Bei einer Axialturbine erfolgt die Anströmung der Laufradschaufeln im Wesentlichen axial, wobei "im Wesentlichen axial" bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades verläuft dabei vorzugsweise parallel zur Welle bzw. Achse des Abgasturboladers, falls die Anströmung exakt axial verläuft.
  • Die Verwendung einer Axialturbine macht die bei Radialturbinen zwingend erforderliche d. h. prinzipbedingt unumgängliche radiale Zuführung des Abgases mittels Spiral- oder Schneckengehäuse entbehrlich, wodurch der Druckverlust im Abgas gemindert und die Abgasenthalpie am Eintritt in die Turbine erhöht werden kann. Die Zuführung des Abgases mittels Spiral- oder Schneckengehäuse erfordert die mehrfache Umlenkung des Abgases bzw. der Abgasströmungen mit großen Richtungsänderungen, wobei jede Richtungsänderung einen Druckverlust in der Abgasströmung bedingt, weshalb dem Abgas an der Turbine weniger Energie entzogen werden kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jede Gesamtabgasleitung mit einer Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist. Vorliegend werden zwei parallel angeordnete Turbinen bzw. Abgasturbolader zur Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Dies ist eine Maßnahme zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine.
  • Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf der zuvor genannten Art und mindestens drei Zylindern aufzuzeigen, wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mindestens drei Zylinder in der Art betrieben werden, dass die Zylinder einer Zylindergruppe einen möglichst großen Versatz hinsichtlich der Arbeitsprozesse aufweisen.
  • Das für den erfindungsgemäßen Zylinderkopf Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die oben bereits gemachten Ausführungen Bezug genommen wird.
  • Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei dem die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder einer ersten Zylindergruppe zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der beiden innenliegenden Zylinder einer zweiten Zylindergruppe zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass abwechselnd bei einem außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe und einem innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe die Verbrennung initiiert wird.
  • Die Initiierung d. h. Einleitung der Verbrennung kann sowohl durch eine Fremdzündung, beispielsweise mittels Zündkerze, als auch durch Selbstzündung bzw. Kompressionszündung erfolgen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 bis 6 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    in einer perspektivischen Darstellung den Sandkern der im Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform integrierten Abgasleitungen,
    Fig. 2
    den in Figur 1 dargestellten Sandkern in einer Seitenansicht,
    Fig. 3
    in einer perspektivischen den Sandkern des im Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform integrierten Kühlmittelmantels,
    Fig. 4
    den in Figur 3 dargestellten Sandkern in einer Seitenansicht mit Blick in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes,
    Fig. 5
    Teile des in Figur 3 dargestellten Sandkerns in einer Draufsicht, und
    Fig. 6
    den in Figur 3 dargestellten Sandkern in einer Seitenansicht mit Blick senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes.
  • Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Sandkern 1 zur Ausbildung der im Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform integrierten Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6', 6". Figur 1 zeigt somit das System der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6', 6", weshalb auch die Bezugszeichen für die Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6', 6" eingetragen sind.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten Sandkern 1 bzw. Abgassystem handelt es sich um die Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6', 6" eines Zylinderkopfes eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, bei dem die Zylinder entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet sind. Jeder der vier Zylinder ist mit zwei Auslaßöffnungen 3a, 3b ausgestattet, wobei sich an jede Auslaßöffnung 3a, 3b eine Abgasleitung 4a, 4b anschließt.
  • Die vier Zylinder sind in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern bilden. Die erste Zylindergruppe umfaßt die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder, wobei die Abgasleitungen 4a, 4b der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten integrierten Abgaskrümmers 2' innerhalb des Zylinderkopfes zu einer ersten Gesamtabgasleitung 6' und die Abgasleitungen 4a, 4b der beiden innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines zweiten integrierten Abgaskrümmers 2" zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 6" zusammenführen.
  • Dabei führen die Abgasleitungen 4a, 4b jedes Zylinders zunächst zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung 5 zusammen, bevor die Teilabgasleitungen 5 der Zylinder einer Zylindergruppe anschließend d. h. stromabwärts zu einer Gesamtabgasleitung 6', 6" zusammenführen.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten Abgassystem sind die beiden Gesamtabgasleitungen 6', 6" der integrierten Abgaskrümmer 2', 2" entlang der Längsachse des Zylinderkopfes versetzt angeordnet. Die Gesamtabgasleitung 6" des zweiten integrierten Abgaskrümmers 2" der zweiten Zylindergruppe liegt dabei auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite des ersten integrierten Abgaskrümmers 2'.
  • Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten Sandkern 1 in einer Seitenansicht mit Blick in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes. Für dieselben Bauteile werden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf Figur 1.
  • Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, liegt die Gesamtabgasleitung 6" des zweiten integrierten Abgaskrümmers 2" der zweiten Zylindergruppe auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite des ersten integrierten Abgaskrümmers 2' d. h. oberhalb des ersten Abgaskrümmers 2'.
  • Figur 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Sandkern 7 zur Ausbildung des im Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform integrierten Kühlmittelmantels 8.
  • Der Kühlmittelmantel 8 umfaßt einen unteren Kühlmittelmantel 8a, der zwischen den Abgasleitungen und einer nicht dargestellten Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, einen oberen Kühlmittelmantel 8b, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel 8a gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen 5 angeordnet ist, und einen mittleren Kühlmittelmantel 8c, der zwischen den Gesamtabgasleitungen 6', 6" angeordnet ist, nach innen hin abknickt und damit dem Verlauf des zweiten integrierten Abgaskrümmers folgt (siehe auch Figur 2).
  • In der Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitungen 6', 6" austreten, sind zwei Verbindungen 9 vorgesehen, die den unteren Kühlmittelmantel 8a mit dem oberen Kühlmittelmantel 8b verbinden und dem Durchtritt von Kühlmittel dienen. Die beiden Verbindungen 9 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Gesamtabgasleitungen 6', 6" angeordnet und selbst über den mittleren Kühlmittelmantel 8c miteinander verbunden.
  • Der untere und der obere Kühlmittelmantel 8a, 8b sind nicht über den gesamten Bereich der Außenwandung miteinander verbunden, sondern nur über einen Teilbereich der Außenwandung hinweg und zwar benachbart zu den Gesamtabgasleitungen 6', 6". Die beiden Verbindungen 9 sind damit benachbart zu dem Bereich angeordnet, in dem der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet ist.
  • Die sich im oberen, unteren und mittleren Kühlmittelmantel 8a, 8b, 8c einstellenden Längsströmungen - in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes - werden durch die zwei Querströmungen in den Verbindungen 9 ergänzt (siehe auch Figur 5).
  • Zur Entfernung des Sandkerns 7 nach dem Gießen des Zylinderkopfes sind im Bereich der Verbindungen 9 zwei Zugänge 10 vorgesehen, die nach dem Entfernen des Sandkerns 7 verschlossen werden, so dass die Verbindungen 9 vollständig in der Außenwandung integriert sind.
  • Figur 4 zeigt den in Figur 3 dargestellten Sandkern 7 in einer Seitenansicht mit Blick in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes. Für dieselben Bauteile werden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 3 verwendet, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf Figur 3.
  • Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist auf der den Zylindern zugewandten Seite des ersten Abgaskrümmers eine zusätzliche Verbindung 11 zwischen dem unteren Kühlmittelmantel 8a und dem oberen Kühlmittelmantel 8b vorgesehen, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
  • Außerdem ist ein zusätzlicher Zugang 12 zur Entfernung des Sandkerns 7 und zur Bearbeitung der zusätzlichen Verbindung 11 vorgesehen, der beim endgefertigten Zylinderkopf wieder verschlossen ist.
  • Zu erkennen ist auch ein Kühlmitteleintritt 13 zur Zuführung von Kühlmittel in den unteren Kühlmittelmantel 8a und ein Kühlmittelaustritt 14 zum Abführen von Kühlmittel aus dem oberen Kühlmittelmantel 8b.
  • Figur 5 zeigt in einer Draufsicht die Teile des in Figur 3 dargestellten Sandkerns, die zur Ausbildung des unteren und mittleren Kühlmittelmantels 8a, 8c dienen, und zwar mit Blick in Richtung der Zylinderlängsachsen. Für dieselben Bauteile werden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 3 verwendet, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf Figur 3.
  • Die Strömungsrichtungen des Kühlmittels beim Durchströmen der Kühlmittelmäntel 8a, 8c sind als Pfeile eingezeichnet. Das Kühlmittel strömt fächerförmig von den Kühlmitteleintritten des unteren Kühlmittelmantels 8a in den mittleren Kühlmittelmantel 8c und zwar durch die beiden Verbindungen 9 in der Außenwandung und der zusätzlichen Verbindung 11.
  • Figur 6 zeigt den in Figur 3 dargestellten Sandkern 7 in einer Seitenansicht mit Blick senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes. Für dieselben Bauteile werden dieselben Bezugszeichen wie in den Figuren 3 und 4 verwendet, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf diese Figuren.
  • Das Kühlmittel strömt von den außengelegenen Kühlmitteleintritten 13 des unteren Kühlmittelmantels 8a entlang der Längsachse des Zylinderkopfes zu den Verbindungen 9 und vertikal durch diese Verbindungen 9 in den mittleren und unteren Kühlmittelmantel 8a, 8c.
  • Der obere Kühlmittelmantel 8b verfügt ebenfalls über zwei außenliegende Kühlmitteleintritte 15, wobei das Kühlmittel den Kühlmittelmantel 8 über den Kühlmittelaustritt 14 verläßt bzw. abgeführt wird.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Sandkern
    2'
    erster integrierter Abgaskrümmer
    2"
    zweiter integrierter Abgaskrümmer
    3a
    erste Auslaßöffnung
    3b
    zweite Auslaßöffnung
    4a
    erste Abgasleitung
    4b
    zweite Abgasleitung
    5
    Teilabgasleitung
    6'
    Gesamtabgasleitung
    6"
    Gesamtabgasleitung
    7
    Sandkern
    8
    Kühlmittelmantel
    8a
    unterer Kühlmittelmantel
    8b
    oberer Kühlmittelmantel
    8c
    mittlerer Kühlmittelmantel
    9
    Verbindung
    10
    Zugang
    11
    zusätzliche Verbindung
    12
    zusätzlicher Zugang
    13
    Kühlmitteleintritt
    14
    Kühlmittelaustritt
    15
    Kühlmitteleintritt
    KW
    Kurbelwinkel

Claims (14)

  1. Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel (8) und mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung (3a, 3b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung (3a, 3b) eine Abgasleitung (4a, 4b) anschließt, und bei dem
    - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
    - die Abgasleitungen (4a, 4b) der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (2', 2") innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung (6', 6'') zusammenführen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Kühlmittelmantel (8) sich auch zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen (6', 6'') erstreckt.
  2. Zylinderkopf nach Anspruch 1 mit mindestens drei in Reihe angeordneten Zylindern,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Zylindergruppe die außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe den mindestens einen innenliegenden Zylinder umfaßt.
  3. Zylinderkopf nach Anspruch 2 mit vier in Reihe angeordneten Zylindern,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfaßt, wobei die Abgasleitungen (4a, 4b) der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten integrierten Abgaskrümmers (2') innerhalb des Zylinderkopfes zu einer ersten Gesamtabgasleitung (6') und die Abgasleitungen (4a, 4b) der beiden innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines zweiten integrierten Abgaskrümmers (2") zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (6") zusammenführen.
  4. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Gesamtabgasleitungen (6', 6") der zwei Zylindergruppen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes versetzt angeordnet sind.
  5. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Gesamtabgasleitung (6'') des zweiten integrierten Abgaskrümmers (2'') der zweiten Zylindergruppe auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite des ersten integrierten Abgaskrümmers (2') der ersten Zylindergruppe angeordnet ist.
  6. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen (3a, 3b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
  7. Zylinderkopf nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei Zylindergruppen mit mindestens zwei Zylindern zunächst die Abgasleitungen (4a, 4b) der mindestens zwei Auslaßöffnungen (3a, 3b) jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung (5) zusammenführen bevor diese Teilabgasleitungen (5) zu der Gesamtabgasleitung (6', 6") der Zylindergruppe zusammenführen.
  8. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kühlmittelmantel (8) einen unteren Kühlmittelmantel (8a), der zwischen den Abgasleitungen (4a, 4b, 5, 6', 6") und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel (8b), der auf der dem unteren Kühlmittelmantel (8a) gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen (4a, 4b, 5, 6', 6'') angeordnet ist, aufweist.
  9. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beabstandet zu den Abgasleitungen (4a, 4b, 5, 6', 6") auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite der beiden Abgaskrümmer (2', 2") mindestens eine Verbindung (9) zwischen dem unteren Kühlmittelmantel (8a) und dem oberen Kühlmittelmantel (8b) vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
  10. Zylinderkopf nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens zwei Verbindungen (9) vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten der beiden Gesamtabgasleitungen (6', 6") angeordnet sind.
  11. Zylinderkopf nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens zwei Verbindungen (9) miteinander verbunden sind über einen Kühlmittelmantelbereich, der sich zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen (6', 6'') erstreckt.
  12. Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beabstandet zu den Abgasleitungen (4a, 4b, 5, 6', 6") auf der den mindestens zwei Zylindern zugewandten Seite eines Abgaskrümmers (2', 2") mindestens eine zusätzliche Verbindung (11) zwischen dem unteren Kühlmittelmantel (8a) und dem oberen Kühlmittelmantel (8b) vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens drei Zylindern,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens drei Zylinder in der Art betrieben werden, dass die Zylinder einer Zylindergruppe einen möglichst großen Versatz hinsichtlich der Arbeitsprozesse aufweisen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    abwechselnd bei einem außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe und einem innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe die Verbrennung initiiert wird.
EP08105481.9A 2008-10-02 2008-10-02 Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf Active EP2172635B1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08105481.9A EP2172635B1 (de) 2008-10-02 2008-10-02 Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf
CN2009101777242A CN101713349B (zh) 2008-10-02 2009-09-15 带双集成排气歧管的内燃发动机汽缸盖及发动机操作方法
US12/565,948 US8061131B2 (en) 2008-10-02 2009-09-24 Cylinder head for an internal combustion engine
US13/300,709 US8800525B2 (en) 2008-10-02 2011-11-21 Cylinder head for an internal combustion engine
US14/448,495 US9470133B2 (en) 2008-10-02 2014-07-31 Engine having integrated exhaust manifold with combined ducts for inside cylinders and outside cylinders
US15/268,842 US20170002716A1 (en) 2008-10-02 2016-09-19 Engine having integrated exhaust manifold with combined ducts for inside cylinders and outside cylinders

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08105481.9A EP2172635B1 (de) 2008-10-02 2008-10-02 Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP2172635A1 true EP2172635A1 (de) 2010-04-07
EP2172635B1 EP2172635B1 (de) 2018-12-12

Family

ID=40560133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP08105481.9A Active EP2172635B1 (de) 2008-10-02 2008-10-02 Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf

Country Status (3)

Country Link
US (4) US8061131B2 (de)
EP (1) EP2172635B1 (de)
CN (1) CN101713349B (de)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010012873A1 (de) * 2010-03-26 2012-08-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Zylinderkopf mit Abgaskrümmer sowie Abgasabströmanordnung
EP2497931A1 (de) * 2011-03-10 2012-09-12 Fiat Powertrain Technologies S.p.A. Zylinderkopf für Verbrennungsmotor mit integriertem Abgaskrümmer und in Krümmerteilen mündenden Abgasleitungsuntergruppen mit gegenseitiger Überlagerung und Distanzierung
EP2500558A1 (de) 2011-03-10 2012-09-19 Fiat Powertrain Technologies S.p.A. Zylinderkopf für Verbrennungsmotor mit integriertem Abgaskrümmer und in Krümmerteilen mündenden Abgasleitungsuntergruppen mit gegenseitiger Überlagerung und Distanzierung
DE102011116360A1 (de) * 2011-10-19 2013-04-25 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) Auslasssystem für einen Verbrennungsmotor, Verbrennungsmotor und Fahrzeug
EP2660452A1 (de) * 2012-05-03 2013-11-06 Ford Global Technologies, LLC Flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102012020381A1 (de) * 2012-10-18 2014-04-24 Volkswagen Aktiengesellschaft Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer
DE202015101748U1 (de) 2015-04-02 2015-04-23 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine
DE102015202491A1 (de) 2015-02-12 2016-08-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühlmittelmantel für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
DE102015205997A1 (de) 2015-04-02 2016-10-06 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102015205996A1 (de) 2015-04-02 2016-10-06 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene selbstzündende Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102008051130B4 (de) * 2008-10-10 2021-01-14 Audi Ag Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine
DE102015109728B4 (de) 2014-06-24 2022-05-12 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) System und verfahren zum thermischen management eines motors
DE102012215317B4 (de) 2011-09-07 2023-08-03 Ford Global Technologies, Llc Motorkühlsystem und Motorzylinderkopf mit integriertem Auspuffkrümmer

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2172635B1 (de) * 2008-10-02 2018-12-12 Ford Global Technologies, LLC Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf
EP2388463B1 (de) * 2010-05-17 2012-05-16 Fiat Powertrain Technologies S.p.A. Zylinderkopf für Verbrennungskraftmaschine, mit integriertem Abgaskrümmer
US8944018B2 (en) * 2010-07-14 2015-02-03 Ford Global Technologies, Llc Cooling strategy for engine head with integrated exhaust manifold
US8584628B2 (en) 2010-07-14 2013-11-19 Ford Global Technologies, Llc Engine with cylinder head cooling
EP2532869B1 (de) * 2011-06-10 2023-09-13 Ford Global Technologies, LLC Brennkraftmaschine mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern
US9157363B2 (en) 2012-08-21 2015-10-13 Ford Global Technologies, Llc Twin independent boosted I4 engine
JP5729367B2 (ja) * 2012-10-25 2015-06-03 トヨタ自動車株式会社 シリンダヘッドの冷却構造
US8935917B2 (en) 2013-01-28 2015-01-20 GM Global Technology Operations LLC Partially integrated exhaust manifold
US9133745B2 (en) * 2013-08-30 2015-09-15 GM Global Technology Operations LLC Split/dual plane integrated exhaust manifold for dual scroll turbo charger
JP2015059492A (ja) * 2013-09-18 2015-03-30 トヨタ自動車株式会社 シリンダヘッド
US9574522B2 (en) * 2014-08-27 2017-02-21 GM Global Technology Operations LLC Assembly with cylinder head having integrated exhaust manifold and method of manufacturing same
KR101795167B1 (ko) * 2015-11-20 2017-11-08 현대자동차주식회사 배기매니폴드 및 egr쿨러 일체형 실린더헤드
DE102016201166B3 (de) * 2016-01-27 2017-05-04 Ford Global Technologies, Llc Fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit gekühltem Zylinderkopf
KR101755505B1 (ko) * 2016-03-15 2017-07-07 현대자동차 주식회사 실린더 헤드용 워터자켓
JP6382879B2 (ja) * 2016-04-11 2018-08-29 本田技研工業株式会社 シリンダヘッドのウオータジャケット構造
JP6477587B2 (ja) 2016-05-02 2019-03-06 トヨタ自動車株式会社 内燃機関
JP6804938B2 (ja) * 2016-10-31 2020-12-23 ダイハツ工業株式会社 多気筒内燃機関のシリンダヘッド
FR3058473B1 (fr) * 2016-11-04 2019-07-12 Peugeot Citroen Automobiles Sa Culasse de moteur thermique
JP6958095B2 (ja) * 2017-08-10 2021-11-02 スズキ株式会社 内燃機関の補機取付構造
CN108019290A (zh) * 2017-12-04 2018-05-11 杨程日 水路排气集成式汽车发动机气缸盖
JP7062967B2 (ja) * 2018-01-23 2022-05-09 マツダ株式会社 多気筒エンジン
CN109339968B (zh) * 2018-08-23 2021-06-01 浙江吉利控股集团有限公司 一种具有集成排气结构的气缸盖
DE112019006640T5 (de) * 2019-01-10 2021-10-07 Mitsubishi Heavy Industries Engine & Turbocharger, Ltd. Motor und inverter-integrierte rotierbare elektrische maschine
US11098673B2 (en) 2019-11-27 2021-08-24 Cummins Inc. Cylinder head with integrated exhaust manifold
FR3105649B1 (fr) * 2019-12-19 2021-11-26 Valeo Equip Electr Moteur Machine électrique tournante refroidie
CN110985227A (zh) * 2019-12-24 2020-04-10 江铃控股有限公司 集成排气歧管的气缸盖、发动机及汽车

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR889855A (fr) * 1941-03-25 1944-01-21 Perfectionnements apportés aux moteurs à combustion interne
DE2508952A1 (de) * 1975-03-01 1976-10-21 Daimler Benz Ag Aus zylinderblock und zylinderkopf bestehendes zylindergehaeuse fuer eine vierzylinder-brennkraftmaschine
US5095704A (en) * 1988-01-11 1992-03-17 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Turbocharged engine
US20020026909A1 (en) * 2000-08-25 2002-03-07 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Multi cylinder internal combustion engine comprising a cylinder head internally defining exhaust passages
EP1722090A2 (de) 1998-12-01 2006-11-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Mehrzylinderkopf

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3457904A (en) * 1968-08-05 1969-07-29 Charles G Roberts Internal combustion engine with improved intake and exhaust
JPS5216580U (de) * 1974-12-26 1977-02-05
JPS5865562U (ja) * 1981-10-26 1983-05-04 日産自動車株式会社 デユアルマニホ−ルドの酸素センサ取付部構造
JPH0663453B2 (ja) * 1986-07-02 1994-08-22 トヨタ自動車株式会社 ２サイクル内燃機関
DE19510602C1 (de) * 1995-03-23 1996-04-11 Daimler Benz Ag Fächerartiger Abgaskrümmer für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen
JPH11182330A (ja) * 1997-12-18 1999-07-06 Nissan Motor Co Ltd 直噴火花点火式内燃機関
US6122911A (en) * 1998-09-28 2000-09-26 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Exhaust manifold pipe weld assembly
JP2003262120A (ja) * 2002-03-08 2003-09-19 Nissan Motor Co Ltd ４気筒エンジンの排気マニホールド
JP2006329128A (ja) * 2005-05-27 2006-12-07 Toyota Motor Corp 内燃機関の冷却構造
JP4337851B2 (ja) * 2006-08-28 2009-09-30 トヨタ自動車株式会社 シリンダヘッドの冷却水通路構造
JP4748081B2 (ja) * 2007-02-23 2011-08-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気装置
EP2003320B1 (de) * 2007-06-13 2017-10-11 Ford Global Technologies, LLC Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
KR100986061B1 (ko) * 2008-04-01 2010-10-07 현대자동차주식회사 배기 매니폴드와 실린더 헤드가 일체형으로 형성된 엔진
EP2172635B1 (de) * 2008-10-02 2018-12-12 Ford Global Technologies, LLC Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR889855A (fr) * 1941-03-25 1944-01-21 Perfectionnements apportés aux moteurs à combustion interne
DE2508952A1 (de) * 1975-03-01 1976-10-21 Daimler Benz Ag Aus zylinderblock und zylinderkopf bestehendes zylindergehaeuse fuer eine vierzylinder-brennkraftmaschine
US5095704A (en) * 1988-01-11 1992-03-17 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Turbocharged engine
EP1722090A2 (de) 1998-12-01 2006-11-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Mehrzylinderkopf
US20020026909A1 (en) * 2000-08-25 2002-03-07 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Multi cylinder internal combustion engine comprising a cylinder head internally defining exhaust passages

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008051130B4 (de) * 2008-10-10 2021-01-14 Audi Ag Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine
DE102010012873A1 (de) * 2010-03-26 2012-08-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Zylinderkopf mit Abgaskrümmer sowie Abgasabströmanordnung
EP2497931A1 (de) * 2011-03-10 2012-09-12 Fiat Powertrain Technologies S.p.A. Zylinderkopf für Verbrennungsmotor mit integriertem Abgaskrümmer und in Krümmerteilen mündenden Abgasleitungsuntergruppen mit gegenseitiger Überlagerung und Distanzierung
EP2500558A1 (de) 2011-03-10 2012-09-19 Fiat Powertrain Technologies S.p.A. Zylinderkopf für Verbrennungsmotor mit integriertem Abgaskrümmer und in Krümmerteilen mündenden Abgasleitungsuntergruppen mit gegenseitiger Überlagerung und Distanzierung
US8671904B2 (en) 2011-03-10 2014-03-18 Fiat Powertrain Technologies S.P.A. Cylinder head for an internal combustion engine, with integrated exhaust manifold and subgroups of exhaust conduits merging into manifold portions which are superimposed and spaced apart from each other
US8714128B2 (en) 2011-03-10 2014-05-06 Fiat Powertrain Technologies S.P.A. Cylinder head for an internal combustion engine, with integrated exhaust manifold and subgroups of exhaust conduits merging into manifold portions which are superimposed and spaced apart from each other
DE102012215317B4 (de) 2011-09-07 2023-08-03 Ford Global Technologies, Llc Motorkühlsystem und Motorzylinderkopf mit integriertem Auspuffkrümmer
DE102011116360A1 (de) * 2011-10-19 2013-04-25 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) Auslasssystem für einen Verbrennungsmotor, Verbrennungsmotor und Fahrzeug
US9261010B2 (en) 2012-05-03 2016-02-16 Ford Global Technologies, Llc Liquid-cooled internal combustion engine with a partially integrated exhaust manifold
EP2660452A1 (de) * 2012-05-03 2013-11-06 Ford Global Technologies, LLC Flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102012020381A1 (de) * 2012-10-18 2014-04-24 Volkswagen Aktiengesellschaft Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer
DE102012020381B4 (de) 2012-10-18 2019-10-10 Volkswagen Aktiengesellschaft Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer
DE102015109728B4 (de) 2014-06-24 2022-05-12 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) System und verfahren zum thermischen management eines motors
DE102015202491B4 (de) 2015-02-12 2022-03-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühlmittelmantel für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
DE102015202491A1 (de) 2015-02-12 2016-08-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühlmittelmantel für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
DE202015101748U1 (de) 2015-04-02 2015-04-23 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine
DE102015205996A1 (de) 2015-04-02 2016-10-06 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene selbstzündende Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102015205996B4 (de) 2015-04-02 2022-12-15 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen selbstzündenden Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine
DE102015205997A1 (de) 2015-04-02 2016-10-06 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Also Published As

Publication number Publication date
US9470133B2 (en) 2016-10-18
CN101713349B (zh) 2013-09-18
US20120060778A1 (en) 2012-03-15
US20170002716A1 (en) 2017-01-05
US8061131B2 (en) 2011-11-22
CN101713349A (zh) 2010-05-26
EP2172635B1 (de) 2018-12-12
US20140338314A1 (en) 2014-11-20
US8800525B2 (en) 2014-08-12
US20100083920A1 (en) 2010-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2172635B1 (de) Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf
EP2003320B1 (de) Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
EP2554820B1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei Turbinen und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2143926A1 (de) Kombination mit Zylinderkopf und Turbine
EP2503126B1 (de) Mit Waste-Gate-Turbinen ausgestattete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2246543B1 (de) Zylinderkopf mit zwei Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf
EP2503125B1 (de) Mit zwei Abgasturboladern ausgestattete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2146072A1 (de) Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf und Turbine
EP2532869B1 (de) Brennkraftmaschine mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern
EP2522843B1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit separaten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2770169B1 (de) Aufgeladene brennkraftmaschine mit zweiflutiger turbine und verfahren zum betreiben einer derartigen brennkraftmaschine
DE102008035957B4 (de) Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
DE102014201727A1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2660452A1 (de) Flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102009000214A1 (de) Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
DE102017202154A1 (de) Aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine
DE102011002554A1 (de) Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf und Turbine
DE102011002759A1 (de) Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
DE102013200255A1 (de) Brennkraftmaschine mit Frischluftkühlung
DE102010037378A1 (de) Zylinderkopf mit Turbine
DE202013100774U1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine
DE102014208703A1 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Turbinen und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102014201411A1 (de) Brennkraftmaschine mit gekühlter Turbine
DE102012200014A1 (de) Mehrzylinder-Brennkraftmaschine undVerfahren zum Betreiben einer derartigen Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
DE102009028632A1 (de) Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA MK RS

17P Request for examination filed

Effective date: 20101007

AKX Designation fees paid

Designated state(s): DE FR GB RO TR

17Q First examination report despatched

Effective date: 20150820

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20180725

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): DE FR GB RO TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502008016513

Country of ref document: DE

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: RO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20181212

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R097

Ref document number: 502008016513

Country of ref document: DE

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20190913

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: TR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20181212

P01 Opt-out of the competence of the unified patent court (upc) registered

Effective date: 20230620

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20230914

Year of fee payment: 16

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20230914

Year of fee payment: 16

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20230915

Year of fee payment: 16