EP2172635B1 - Cylinder head for an internal combustion engine with two integrated exhaust manifolds and method to operate an internal combustion engine with such a cylinder head - Google Patents
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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,
- die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- 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, und
- 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.
- at least two cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least one cylinder,
- combine the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group to form an integrated exhaust gas manifold within the cylinder head, in each case to form an overall exhaust gas line,
- the entire exhaust line of the second integrated exhaust manifold of the second cylinder group is arranged on the side facing away from the mounting end side of the first integrated exhaust manifold of the first cylinder group, and
- the coolant jacket has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket which is arranged on the side of the exhaust pipes opposite the lower coolant jacket.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf der oben genannten Art mit mindestens drei Zylindern.Furthermore, 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.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines, gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines.
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.Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which are connected to form the individual cylinders ie combustion chambers with each other, wherein 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 Align holes with each other. By means of threaded bolts which are inserted and screwed into the bores of the cylinder head and the cylinder block, a connection is then made.
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.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 mitbegrenzt each of a piston, a cylinder tube and the cylinder head and mitgestaltet. To seal the combustion chambers, a seal is usually arranged between the cylinder block and the cylinder head.
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.The cylinder head is usually used to hold the valve train. In order to control the charge cycle, an internal combustion engine requires control means and actuators to operate these controls. As part of the charge exchange, the expulsion of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber d. H. the suction of the fresh mixture or the fresh air through the inlet openings. 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.
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.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.
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.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 generally 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 overall 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.
Stromabwärts eines Krümmers werden die Abgase dann gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.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.
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.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. On the other hand, 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.
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.In this context, it is therefore fundamentally endeavored to minimize the thermal inertia of the portion of the exhaust pipe between exhaust port on the cylinder and exhaust aftertreatment system or between exhaust port on the cylinder and turbocharger or turbine, which can be achieved by reducing the mass and the length of this section.
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.In order to achieve the aforementioned objects, according to a prior art approach, 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.
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.In 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.
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.The groupwise merging of the exhaust pipes d. H. the provision of two total exhaust lines offers, inter alia, the possibility of supplying two exhaust gas turbochargers arranged in parallel or a double-flow turbine advantageously with exhaust gas, as will be discussed below.
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.However, 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.
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.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. In order to keep the thermal load of the cylinder head within limits, 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.
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.In principle, it is possible to carry out the cooling in the form of air cooling or liquid cooling. In the air 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.
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.By contrast, 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. In this case, the mechanically and thermally highly stressed cylinder head is weakened by the introduction of the coolant channels on the one hand in its strength. On the other hand, the heat must not be directed to the cylinder head surface as in the air cooling, to be dissipated. The heat is already in the 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.
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.Due to the significantly higher heat capacity of liquids much larger amounts of heat can be dissipated with a liquid cooling, which is why in a cylinder head of the present type, a liquid cooling is used d. H. in the cylinder head, a coolant jacket is integrated.
Einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die
Den Zylinderkopf eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, bei dem die Abgasleitungen der vier Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines gemeinsamen integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen offenbart die deutsche Offenlegungsschrift
Einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und einer Flüssigkeitskühlung offenbart beispielsweise die
So erweist sich die Kühlung des in der
Um dies zu verhindern, wird bei einer Brennkraftmaschine, die mit einem Zylinderkopf gemäß der
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.Taking into account that a development towards small, supercharged engines has taken place and continues, it can be seen that in practice efficient liquid cooling is of ever greater relevance, since the thermal load is even greater with supercharged engines compared to naturally aspirated engines ,
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.Against the background of the above, it is an object of the present invention to provide 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.
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.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.
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,
- die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- 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, und
- 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,
und der dadurch gekennzeichnet ist, dass - der Kühlmittelmantel sich auch als mittlerer Kühlmittelmantel zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen erstreckt.
- at least two cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least one cylinder,
- combine the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group to form an integrated exhaust gas manifold within the cylinder head, in each case to form an overall exhaust gas line,
- the entire exhaust line of the second integrated exhaust manifold of the second cylinder group is arranged on the side facing away from the mounting end side of the first integrated exhaust manifold of the first cylinder group, and
- the coolant jacket has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket, which is arranged on the side of the exhaust pipes opposite the lower coolant jacket,
and which is characterized in that - the coolant jacket also extends as a middle coolant jacket between the two total exhaust lines.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Zylinderkopf mindestens drei Zylinder aufweist.Embodiments in which the cylinder head has at least three cylinders are advantageous.
Die Gesamtabgasleitung des zweiten integrierten Abgaskrümmers der zweiten Zylindergruppe ist erfindungsgemäß auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite des ersten integrierten Abgaskrümmers der ersten Zylindergruppe angeordnet. Demgemäß liegen die Abgaskrümmer der Zylindergruppen zumindest teilweise übereinander.The total exhaust line of the second integrated exhaust manifold of the second cylinder group is arranged according to the invention on the side facing away from the mounting end side of the first integrated exhaust manifold of the first cylinder group. Accordingly, the exhaust manifolds of the cylinder groups are at least partially superimposed.
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.The combination of the exhaust gas lines of at least two cylinders to two total exhaust gas lines makes it possible inter alia to configure the cylinders in a suitable manner d. H. to group or separate from each other - for example, in such a way that affect the dynamic wave processes in the exhaust pipes of a cylinder group as little disadvantageous. On the one hand, the pressure waves propagating in the exhaust pipes should not weaken each other. 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 each other during the charge cycle, that is to say in the cylinder group. hinder.
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.When, at the beginning of the charge cycle, an exhaust port is opened by operating an exhaust valve, the combustion gases flow due to the high pressure level prevailing in the cylinder towards the end of the combustion and the associated high pressure level high pressure difference between combustion chamber and exhaust tract ie exhaust pipe at high speed through the outlet opening in the exhaust pipe. This pressure-driven flow process is accompanied by a high pressure spike, also referred to as preload output, propagating along the exhaust pipes at the speed of sound.
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.With regard to the change of charge, it is advantageous to group the cylinders in such a way that when the at least one exhaust port of one cylinder of one group opens the exhaust ports of the other cylinders of that group are closed or the exhaust ports of the other cylinders of that group are closed at that time are to which the pressure wave or the Vorlastausstoß the opening cylinder arrives at the outlet port of another cylinder or expected. In this way, a return flow of exhaust gas through the outlet opening into the combustion chamber can be avoided.
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).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 the way that the cylinder of a cylinder group as large as possible offset in terms of their work processes exhibit. Thus, in principle, 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 Vorlastausstoß 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.
Erfindungsgemäß werden die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt.According to the invention, 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.
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.As has already been discussed above, it is always desirable to arrange the turbine of an exhaust gas turbocharger as close to the outlet of the internal combustion engine and the ways of the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems possible short. To realize this, the most extensive integration of the exhaust pipes in the cylinder head - as in the inventive cylinder head - expedient.
The length of the exhaust pipes is reduced by integration into the cylinder head. On the one hand, this reduces the line volume, ie the exhaust gas volume of the exhaust pipes, upstream of an optionally provided turbine, so that the response of a turbine arranged downstream of the manifold is improved. On the other hand, 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.
As shorten the line lengths of the individual exhaust pipes by integration into the cylinder head, in principle, the risk that the cylinder impede each other in the charge cycle or adversely affect the dynamic wave processes in the exhaust pipes of the cylinder, which should actually be avoided.
In this respect, 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 combination of cylinder grouping and exhaust gas lines integrated into the cylinder head in the cylinder head according to the invention thus results in the synergy effect of these two measures, which goes beyond the advantages of each individual measure.
The integration of the exhaust pipes according to the invention also allows the densest possible packaging of the drive unit.
Erfindungsgemäß erstreckt sich der Kühlmittelmantel auch als mittlerer Kühlmittelmantel 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.According to the invention, the coolant jacket also extends as a middle coolant jacket between the two total exhaust gas lines. This includes in particular embodiments in which the Coolant jacket an imaginary placed around the two total exhaust lines envelope ie envelope passage ie cuts.
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.In the area in which exhaust pipes - possibly as partial exhaust gas lines - merge to form an overall exhaust gas line and hot exhaust gas - possibly several cylinders is collected, the cylinder head is thermally particularly high load. This has several reasons.
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.On the one hand, larger quantities of exhaust gas pass through the two collection points and the two total exhaust gas lines, whereas a single exhaust gas line, which adjoins the outlet opening of a cylinder, is acted upon only by the exhaust gas or a part of the exhaust gas of a cylinder. Ie. the absolute amount of exhaust gas that can give off heat to the cylinder head is the largest here.
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.On the other hand, the collection points and the total exhaust gas lines are almost continuously exposed to hot exhaust gases, whereas an exhaust pipe of a cylinder d only during the charge cycle of the respective cylinder. H. in a four-stroke internal combustion engine is once flowed through within two crankshaft revolutions of hot exhaust gas.
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.In addition, it should be noted that in the upstream area of an overall exhaust line, i. In the area of a collection point, the exhaust gas flows of the individual exhaust gas lines must be more or less deflected in order to be able to combine the exhaust gas lines to form an overall exhaust gas line. The individual exhaust gas flows therefore have in this area - at least partially - a speed component which is perpendicular to the walls of the exhaust pipe, whereby the heat transfer by convection and consequently the thermal load of the cylinder head is additionally increased.
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.For the reasons mentioned, it is therefore advantageous to cool the cylinder head in the immediate vicinity of the entire exhaust gas lines or to equip it with liquid cooling, ie to arrange the coolant jacket at least partially between the two total exhaust gas lines.
Erfindungsgemäß weist 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, auf. In diesem Zusammenhang werden auch Teilabgasleitungen oder Gesamtabgasleitungen als Abgasleitung bezeichnet und nicht ausschließlich Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnung eines Zylinders anschließen.According to the invention, the coolant jacket has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket, which is arranged on the side of the exhaust pipes opposite the lower coolant jacket. In this context, also 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.
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.On an enrichment of the fuel-air mixture - with the aim of lowering the exhaust gas temperature - can thus be largely eliminated or completely, depending in each case on the number of cylinders, the specific design of the coolant jacket and the like. This proves to be particularly advantageous in terms of fuel consumption and the emission behavior of the internal combustion engine. In addition, there are more freedom in the control of the internal combustion engine, since a possible enrichment to lower the exhaust gas temperature or to protect the cylinder head from thermal overload in the context of engine control no longer needs to be considered.
Der erfindungsgemäße Zylinderkopf eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund höherer Abgastemperaturen eine effiziente und optimierte Kühlung erfordern.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.
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.Thus, 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.
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.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.
Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden.But are particularly advantageous embodiments in which the exhaust pipes of all cylinders of the cylinder head are combined within the cylinder head to two total exhaust pipes.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen beschrieben.Further advantageous embodiments of the cylinder head according to the invention are described in connection with the subclaims.
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.In a cylinder head having at least three cylinders arranged in series, embodiments are advantageous in which the first cylinder group comprises the outer cylinder and the second cylinder group comprises the at least one inner cylinder.
Diese Ausführungsform zeigt, dass eine Zylindergruppe erfindungsgemäß auch nur einen Zylinder umfassen kann, beispielsweise die zweite Zylindergruppe den innenliegenden Zylinder eines Drei-Zylinder-Reihenmotors.This embodiment shows that 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.
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.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, usually 1 - 2 - 3, 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
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.In a cylinder head with four cylinders arranged in series, embodiments are advantageous in which the 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.
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.This configuration of the cylinders 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, the cylinders being numbered consecutively beginning with an external cylinder. 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.
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.Advantageous embodiments of the cylinder head, in which the two total exhaust gas lines of the two cylinder groups and the integrated exhaust manifold along the longitudinal axis of the cylinder head are arranged offset.
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.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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.Advantageous embodiments of the cylinder head, in which each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder.
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.As already mentioned above, it is a primary goal during the expulsion of the exhaust gases in the context of the charge exchange to release the largest possible flow cross sections as quickly as possible to ensure effective discharge of the exhaust gases, which is why the provision of more than one outlet port per cylinder is advantageous.
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.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.
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.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.
Vorteilhaft sind 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.Advantageous 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 coolant can be discharged.
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.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.
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.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.
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.The connection is an opening or flow channel which connects the lower coolant jacket to the upper coolant jacket and through which a coolant flows.
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.On the one hand, cooling basically also takes place in the region of the outer wall of the cylinder head. On the other hand, 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. In particular, 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.
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.Particularly advantageous embodiments of the cylinder head, in which the lower and the upper coolant jacket are not connected to each other over the entire area of the outer wall, but also the at least one connection extends only over a portion of the outer wall in particular. As a result, the flow velocity in the at least one connection can be increased, which increases the heat transfer by convection. This also offers advantages in terms of the mechanical strength of the cylinder head.
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.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.
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.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. As already stated, the cylinder head is subject to particularly high thermal loads in this area, which is why cooling of this area is particularly advantageous.
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.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.
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.In the process, 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. However, 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.
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.In principle, 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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.Advantageous embodiments of the cylinder head, in which the two total exhaust gas lines are connected to a twin-flow turbine, wherein in each case an entire exhaust gas line is connected to an inlet channel of the turbine.
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.In the present case, 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 Vorlastausstöße 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.
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.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.
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.Embodiments in which guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the twin-flow turbine are advantageous. In contrast to The vanes of the revolving impeller do not rotate vanes with a shaft of a 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.If a turbine has a fixed invariable geometry, the 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die zweiflutige Turbine eine Axialturbine ist.Embodiments in which the twin-flow turbine is an axial turbine are advantageous.
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.In an axial turbine, 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.
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.The use of an axial turbine makes the d in radial turbines mandatory. H. inherently unavoidable radial supply of the exhaust gas by means of spiral or screw housing dispensable, whereby the pressure loss in the exhaust gas can be reduced and the exhaust gas enthalpy can be increased at the entrance to the turbine. The supply of the exhaust gas by means of spiral or screw housing requires the multiple deflection of the exhaust gas or the exhaust gas flows with large changes in direction, each change in direction causes a pressure drop in the exhaust gas flow, which is why the exhaust gas at the turbine less energy can be withdrawn.
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.Embodiments of the cylinder head in which each overall exhaust gas line is connected to a turbine of an exhaust gas turbocharger are advantageous. In the present case, 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.
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.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.
Das für den erfindungsgemäßen Zylinderkopf Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die oben bereits gemachten Ausführungen Bezug genommen wird.What has been said for the cylinder head according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why reference is made to the statements already made above.
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.In a cylinder head with four cylinders arranged in series, in which the exhaust lines of the two outer cylinders of a first cylinder group merge into a first overall exhaust line and the exhaust lines of the two inner cylinders of a second cylinder group to form a second overall exhaust line, method variants are advantageous, which are characterized that combustion is initiated alternately in an outer cylinder of the first cylinder group and an inner cylinder of the second cylinder group.
Die Initiierung d. h. Einleitung der Verbrennung kann sowohl durch eine Fremdzündung, beispielsweise mittels Zündkerze, als auch durch Selbstzündung bzw. Kompressionszündung erfolgen.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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den
- 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.
- Fig. 1
- in a perspective view of the sand core of the cylinder head according to a first embodiment integrated exhaust pipes,
- Fig. 2
- the in
FIG. 1 shown sand core in a side view, - Fig. 3
- in a perspective view of the sand core of the coolant jacket integrated in the cylinder head according to a first embodiment,
- Fig. 4
- the in
FIG. 3 shown sand core in a side view looking in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head, - Fig. 5
- Parts of in
FIG. 3 shown sand core in a plan view, and - Fig. 6
- the in
FIG. 3 shown sand core in a side view with a view perpendicular to the longitudinal axis of the cylinder head.
Bei dem in
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.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
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.The
Bei dem in
Wie aus
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
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.In the outer wall of the cylinder head, from which the total
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.The lower and
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
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.To remove the sand core 7 after casting the cylinder head, two
Wie aus
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.In addition, an
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.Evident is also a
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.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
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.The coolant flows from the
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.The
- 11
- Sandkernsand core
- 2'2 '
- erster integrierter Abgaskrümmerfirst integrated exhaust manifold
- 2"2 '
- zweiter integrierter Abgaskrümmersecond integrated exhaust manifold
- 3a3a
- erste Auslaßöffnungfirst outlet opening
- 3b3b
- zweite Auslaßöffnungsecond outlet opening
- 4a4a
- erste Abgasleitungfirst exhaust pipe
- 4b4b
- zweite Abgasleitungsecond exhaust pipe
- 55
- TeilabgasleitungPart exhaust pipe
- 6'6 '
- GesamtabgasleitungTotal exhaust pipe
- 6"6 "
- GesamtabgasleitungTotal exhaust pipe
- 77
- Sandkernsand core
- 88th
- KühlmittelmantelCoolant jacket
- 8a8a
- unterer Kühlmittelmantellower coolant jacket
- 8b8b
- oberer KühlmittelmantelUpper coolant jacket
- 8c8c
- mittlerer Kühlmittelmantelmedium coolant jacket
- 99
- Verbindungconnection
- 1010
- ZugangAccess
- 1111
- zusätzliche Verbindungadditional connection
- 1212
- zusätzlicher Zugangadditional access
- 1313
- KühlmitteleintrittCoolant inlet
- 1414
- KühlmittelaustrittCoolant outlet
- 1515
- KühlmitteleintrittCoolant inlet
- KWKW
- Kurbelwinkelcrank angle
Claims (12)
- Cylinder head, which is connectable to a cylinder block on a mounting end face, with a coolant casing (8) at least partially integrated in the cylinder head and with at least two cylinders, each cylinder having at least one outlet port (3a, 3b) for discharging the exhaust gases out of the cylinder, and an exhaust gas line (4a, 4b) adjoining each outlet port (3a, 3b), and in which- at least two cylinders are configured in such a way that they form two groups, each with at least one cylinder,- the exhaust gas lines (4a, 4b) of the cylinders of each cylinder group converge in each case into one overall exhaust gas line (6', 6") within the cylinder head so as to form an integrated exhaust manifold (2', 2"),- the overall exhaust gas line (6") of the second integrated exhaust manifold (2") of the second cylinder group is arranged on that side of the first integrated exhaust manifold (2') of the first cylinder group which faces away from the mounting end face, and- the coolant casing (8) has a lower coolant casing (8a), which is arranged between the exhaust gas lines (4a, 4b, 5, 6', 6") and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant casing (8b), which is arranged on that side of the exhaust gas lines (4a, 4b, 5, 6', 6") which lies opposite the lower coolant casing (8a).characterized in that- the coolant casing (8) also extends as middle coolant casing (8c) between the two overall exhaust gas lines (6', 6").
- Cylinder head according to Claim 1, with at least three cylinders arranged in line, characterized in that the first cylinder group comprises the external cylinders and the second cylinder group comprises the at least one internal cylinder.
- Cylinder head according to Claim 2, with four cylinders arranged in line,
characterized in that
the first cylinder group comprises the two external cylinders and the second cylinder group comprises the two internal cylinders, the exhaust gas lines (4a, 4b) of the two external cylinders of the first cylinder group converging into a first overall exhaust gas line (6') within the cylinder head so as to form a first integrated exhaust manifold (2'), and the exhaust gas lines (4a, 4b) of the two internal cylinders of the second cylinder group converging into a second overall exhaust gas line (6") within the cylinder head so as to form a second integrated exhaust manifold (2"). - Cylinder head according to one of the preceding claims,
characterized in that
the two overall exhaust gas lines (6', 6") of the two cylinder groups are arranged offset along the longitudinal axis of the cylinder head. - Cylinder head according to one of the preceding claims,
characterized in that
each cylinder has at least two outlet ports (3a, 3b) for discharging the exhaust gases out of the cylinder. - Cylinder head according to Claim 5,
characterized in that,
in cylinder groups with at least two cylinders, the exhaust gas lines (4a, 4b) of the at least two outlet ports (3a, 3b) of each cylinder first converge into an exhaust gas subline (5) belonging to the cylinder, before these exhaust gas sublines (5) converge into the overall exhaust gas line (6', 6") of the cylinder group. - Cylinder head according to one of the preceding claims,
characterized in that
at least one connection (9) serving for the passage of coolant is provided, spaced apart from the exhaust gas lines (4a, 4b, 5, 6', 6"), between the lower coolant casing (8a) and the upper coolant casing (8b) on that side of the two exhaust manifolds (2', 2") which faces away from the at least two cylinders. - Cylinder head according to Claim 7,
characterized in that
at least two connections (9) are provided which are arranged on opposite sides of the two overall exhaust gas lines (6', 6"). - Cylinder head according to Claim 8,
characterized in that
the at least two connections (9) are connected to one another via a coolant casing region which extends between the two overall exhaust gas lines (6', 6"). - Cylinder head according to one of the preceding claims,
characterized in that
at least one additional connection (11) serving for the passage of coolant is provided, spaced apart from the exhaust gas lines (4a, 4b, 5, 6', 6"), between the lower coolant casing (8a) and the upper coolant casing (8b) on that side of an exhaust manifold (2', 2") which faces the at least two cylinders. - Method for operating an internal combustion engine having a cylinder head according to one of the preceding claims with at least three cylinders,
characterized in that
the at least three cylinders are operated in such a way that the cylinders of a cylinder group have as large an offset as possible in terms of the working processes. - Method according to Claim 11 for operating an internal combustion engine having a cylinder head according to one of Claims 3 to 10,
characterized in that
combustion is initiated alternately in an external cylinder of the first cylinder group and in an internal cylinder of the second cylinder group.
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