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Die Erfindung betrifft ein Abgassystem eines Motors und insbesondere einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer, einen Motor, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Zylinderkopfes.
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In modernen Fahrzeugen ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem zum Abführen von Abgas, das im Inneren eines Motors durch Verbrennung entsteht, ausgestattet. Öffnungen sind in dem Zylinderkopf ausgebildet, um Abgas von einem Zylinder abzuführen. Das aus der Auslassöffnung des Zylinders abgeführte Abgas wird durch den Abgaskrümmer hindurch einem Katalysator zugeführt. Dabei können die Abgaskanäle unterschiedlicher Zylinder zusammengeführt und über einen Abgasauslass des Abgaskrümmers das Abgas in Richtung des Katalysators geleitet werden.
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In traditionellen Ausgestaltungen ist der Abgaskrümmer als eine separate Komponente hergestellt und beispielsweise mittels Bolzen oder dergleichen am Zylinderkopf montiert. Für eine kompaktere Ausgestaltung kann der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert sein. Dazu sind entsprechende Kanäle in dem Zylinderkopf gebildet. Die
DE 10 2008 058 852 A1 und die
DE 10 2009 001 542 A1 beschreiben Beispiele für Abgaskrümmer, die in den Zylinderkopf eines Motors integriert sind.
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Bei herkömmlichen Ausgestaltungen von derartigen Abgaskrümmern werden Kanäle, die mit unterschiedlichen Auslassöffnungen desselben Zylinders verbunden sind, so geführt, dass sie von den Auslassöffnungen im Wesentlichen symmetrisch zu einer Vereinigungsstelle verlaufen, an der sich die Kanäle, die die mit unterschiedlichen Auslassöffnungen desselben Zylinders verbunden sind, zu einem zusammengeführten Kanal vereinigen.
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7 zeigt ein Beispiel für eine Geometrie eines derartigen Abgaskrümmers 70. Mehrere Kanäle 71, 72 und 73, 74 sind jeweils mit unterschiedlichen Auslassöffnungen eines äußeren Zylinders verbunden. Die Kanäle 71, 72, die mit den Auslassöffnungen des ersten Zylinders verbunden sind, und die Kanäle 73, 74, die mit den Auslassöffnungen des vierten Zylinders verbunden sind, werden seitlich nebeneinander zu einer Vereinigungsstelle geführt, an der sich die Kanäle zu einem zusammengeführten Kanal vereinigen. Dabei verlaufen die Kanäle 71, 72 im Wesentlichen entlang gleich geformter und symmetrisch angeordneter Leitkurven. Die Kanäle 71, 72 verlaufen so, dass beide Kanäle 71, 72 jeweils auf demselben Höhenniveau gegenüber einer Referenzebene 75 geführt werden. Dies gilt entsprechend für die Kanäle 73, 74. An ihrer Vereinigungsstelle treffen die Kanäle 71 und 72 seitlich aufeinander. 8 illustriert die Kanalquerschnitte der Kanäle 71, 72 an der Vereinigungsstelle. Flächenmittelpunkte 76, 77 der Kanalquerschnitte der Kanäle 71, 72 weisen dieselbe Höhe gegenüber der Bezugsebene 75 auf, in der der Abgasauslass des Abgaskrümmers 70 liegen kann.
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Herkömmliche Ausgestaltungen von Abgaskrümmern können dazu führen, dass es starke Verwirbelungen in der Umgebung der Vereinigungsstelle gibt. Die sprunghafte Änderung des Kanalquerschnitts an der Vereinigungsstelle kann zu einer Strömungsablösung von der Außenwand führen. Dies kann den Durchflusswiderstand wesentlich erhöhen. Insbesondere kann für die Kanäle, die jeweils Abgas von einem äußeren Zylinder in Richtung des Abgasauslasses führen, der Durchflusswiderstand deutlich größer sein als für die entsprechenden Kanäle der inneren Zylinder.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgassystem, einen Motor, ein Fahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, bei welchen eine Charakteristik des Abgassystems im Hinblick auf den Durchflusswiderstand für Kanäle, die Abgas von äußeren Zylindern abführen, verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Erfindungsgemäß wird ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer bereitgestellt. Der Abgaskrümmer umfasst einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, die in dem Zylinderkopf gebildet sind, wobei der erste Kanal eine erste Öffnung und der zweite Kanal eine zweite Öffnung aufweist, die positioniert sind, um Abgase von unterschiedlichen Auslassöffnungen desselben Zylinders zu empfangen. Der erste Kanal erstreckt sich entlang einer ersten Leitkurve und der zweite Kanal erstreckt sich entlang einer zweiten Leitkurve. Die erste Leitkurve und die zweite Leitkurve sind unterschiedlich. Durch die Führung der Kanäle entlang unterschiedlicher Leitkurven kann eine wechselseitige Beeinflussung zwischen einer Strömung des ersten Kanals und einer Strömung des zweiten Kanals gering gehalten werden.
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Insbesondere kann erreicht werden, dass sich eine Strömung des ersten Kanals und eine Strömung des zweiten Kanals an einer Vereinigungsstelle, an der sich der erste Kanal und der zweite Kanal vereinigen, weitestgehend nicht beeinflussen.
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Eine geringe wechselseitige Beeinflussung der Strömungen kann durch die Kanalführung erreicht werden, indem die Ausbildung einer Sperrströmung unterbunden oder zumindest reduziert wird. Eine der Leitkurven kann einen größeren Krümmungsradius aufweisen als die andere der Leitkurven. Der erste Kanal und der zweite Kanal können so geführt sein, dass ein Strömungsfelds desjenigen Kanals, dessen Leitkurve einen kleineren Krümmungsradius aufweist (d. h. stärker gekrümmt ist), das Strömungsfeld des Kanals, dessen Leitkurve den größeren Krümmungsradius aufweist (d. h. weniger stark gekrümmt ist), nicht oder nur schwach einengt. An einer Vereinigungsstelle, an der sich der erste Kanal und der zweite Kanal vereinigen, kann die Kanalführung derart gewählt sein, dass ein Überlapp eines Strömungsfeldes des ersten Kanals und eines Strömungsfeldes des zweiten Kanals in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung kleiner oder maximal gleich 30% eines Querschnitts eines der Kanäle ist. Dadurch wird eine geringe wechselseitige Beeinflussung der Strömungen erreicht.
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Die erste Leitkurve und die zweite Leitkurve können asymmetrisch, insbesondere mit unterschiedlichen Steigungen und/oder unterschiedlichen Krümmungen, zu einer Vereinigungsstelle an der sich der erste Kanal und der zweite Kanal vereinigen, in dem Zylinderkopf verlaufen. Ein asymmetrischer Verlauf kann insbesondere dann vorliegen, wenn die erste Leitkurve und die zweite Leitkurve von der entsprechenden Öffnung des Zylinders so zur Vereinigungsstelle laufen, dass keine Symmetrieebene oder Symmetrieachse existiert, zu der die erste und zweite Leitkurve symmetrisch liegen. An der Stelle, an der die erste Leitkurve und die zweite Leitkurve aufeinandertreffen, kann eine Tangente an die erste Leitkurve einen Winkel mit einer Tangente an die zweite Leitkurve einschließen. Der Winkel zwischen der Tangente der ersten Leitkurve und der Tangente der zweiten Leitkurve an der Stelle, an der die ersten und zweiten Leitkurven aufeinandertreffen, kann mindestens 10° und höchstens 45° betragen.
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Die erste Leitkurve und die zweite Leitkurve können voneinander verschiedene Steigungen gegenüber einer Ebene, in der ein Abgasauslass des Abgaskrümmers liegt, aufweisen.
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Eine Querschnittsfläche des ersten Kanals und/oder des zweiten Kanals kann sich entlang der entsprechenden Leitkurve von einer Kreisform zu einer Ellipsenform verändern. Eine Exzentrizität der Ellipsenform kann sich entlang der entsprechenden Leitkurve ändern. Dadurch kann die Bildung von Verwirbelungen weiter verringert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer bereitgestellt. Der Abgaskrümmer umfasst einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, die in dem Zylinderkopf gebildet sind, wobei der erste Kanal eine erste Öffnung und der zweite Kanal eine zweite Öffnung aufweist, die positioniert sind, um Abgase von unterschiedlichen Auslassöffnungen desselben Zylinders zu empfangen. Der erste Kanal und der zweite Kanal sind so geführt, dass sie auf voneinander unterschiedlichen Höhenniveaus zu einer Vereinigungsstelle, an der sich der erste Kanal und der zweite Kanal vereinigen, in dem Zylinderkopf verlaufen.
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Bei einer derartigen Ausgestaltung wird durch die Zusammenführung des ersten Kanals und des zweiten Kanals auf unterschiedlichen Höhenniveaus erreicht, dass die äußeren Seitenwände der Kanäle länger eine Stützwirkung ausüben können. Eine Kanalführung wird möglich, bei der die in dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal geführten Strömungen schon vor dem Zusammentreffen weitgehend gleichgerichtet werden und sich gegenseitig weniger stark behindern. Dadurch kann der Durchflusswiderstand verringert werden. Der Volumenstrom kann entsprechend verbessert werden.
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Eine derartige Zusammenführung des ersten Kanals und des zweiten Kanals auf unterschiedlichen Höhenniveaus kann nur für die äußeren Zylinder, aber nicht für die inneren Zylinder verwendet werden. Auf diese Weise kann der Durchflusswiderstand gezielt für die Abgasströmung von den äußeren Zylindern zu einem Abgasauslass, beispielsweise einem Abgasflansch, des Abgaskrümmers verringert werden.
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Der erste Kanal und der zweite Kanal können wenigstens teilweise in dem Zylinderkopf übereinander geführt sein. Dadurch kann ein Abgaskrümmer mit kompakter Bauweise und verringertem Durchflusswiderstand verwirklicht werden. Wenigstens ein Abschnitt des ersten Kanals kann so angeordnet sein, dass er zwischen einem Abschnitt des zweiten Kanals und einer Bezugsebene positioniert ist, die beispielsweise durch den Abgasauslass, beispielsweise einen Abgasflansch, des Abgaskrümmers definiert ist.
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Ein Flächenmittelpunkt einer Querschnittsfläche des ersten Kanals und ein Flächenmittelpunkt einer Querschnittsfläche des zweiten Kanals können an der Vereinigungsstelle auf unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sein. Der Flächenmittelpunkt der Querschnittsfläche des ersten Kanals und der Flächenmittelpunkt der Querschnittsfläche des zweiten Kanals an der Vereinigungsstelle können unterschiedliche Höhen gegenüber einer Ebene aufweisen, in der ein Abgasauslass, beispielsweise ein Abgasflansch, des Abgaskrümmers liegt
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Nach der Vereinigungsstelle kann ein zusammengeführter Kanal in Richtung des Abgasauslasses des Abgaskrümmers weiterverlaufen, wobei der zusammengeführte Kanal einen Kanalquerschnitt aufweisen kann, dessen Form zwei miteinander überlappenden Ellipsen entspricht. Die Flächenmittelpunkte dieser beiden überlappenden Ellipsen können dabei auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sein.
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Der Zylinderkopf kann eine entsprechende Kombination von einem ersten Kanal und einem zweiten Kanal, die auf unterschiedlichen Höhenniveaus verlaufen, für beide äußere Zylinder aufweisen.
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Der Zylinderkopf kann aus einem Material bestehen, das Aluminium umfasst. Der Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer kann als Gussteil mit einem Aluminium-Gussverfahren hergestellt sein.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Motor angegeben, der einen Zylinder mit einer ersten Auslassöffnung und einer zweiten Auslassöffnung und einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer nach einem Ausführungsbeispiele umfasst, wobei die erste Öffnung des ersten Kanals an der ersten Auslassöffnung des Zylinders und die zweite Öffnung des zweiten Kanals an der zweiten Auslassöffnung des Zylinders positioniert ist.
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Der Abgaskrümmer kann einen einzigen Abgasauslass umfassen, beispielsweise einen Abgasflansch, über den Abgase von allen Zylindern des Motors über Kanäle in dem Zylinderkopf in Richtung eines Katalysators geleitet werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug angegeben, bei dem der Motor einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer nach einem Ausführungsbeispiel umfasst.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes mit integriertem Abgaskrümmer nach einem Ausführungsbeispiel angegeben, wobei der Zylinderkopf durch ein Gussverfahren hergestellt wird. Der Zylinderkopf kann in einem Aluminium-Gussverfahren hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen in einen Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht,
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2 eine isometrische Ansicht des Abgaskrümmers,
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3 eine isometrische Detailansicht von Kanälen des Abgaskrümmers, zur Veranschaulichung eines Strömungsfeldes,
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4 eine vergrößerte teilweise Draufsicht des Abgaskrümmers,
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5 eine Schnittansicht entlang einer in 4 dargestellten Linie V-V,
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6 eine schematische Blockdarstellung eines Fahrzeugs mit einem Abgaskrümmer nach einem Ausführungsbeispiel,
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7 eine isometrische Ansicht eines Abgaskrümmers nach dem Stand der Technik und
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8 eine Schnittansicht durch Kanäle des Abgaskrümmers von 7 an einer Vereinigungsstelle.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detailliert erläutert. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen dabei lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung und sind nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen.
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Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen ist nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Ausführung der vorliegenden Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
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1 zeigt eine Kanalstruktur eines Abgaskrümmers 2 nach einem Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht und 2 zeigt eine isometrische Ansicht der Kanalstruktur. Der Abgaskrümmer 2 kann in einen (in 1 nur schematisch angedeuteten) Zylinderkopf 1 derart integriert sein, dass die Kanäle des Abgaskrümmers in dem Zylinderkopf 1 gebildet sind. Der Zylinderkopf 1 mit den Kanälen des Abgaskrümmers kann als Gussteil, beispielsweise in einem Aluminium-Gussverfahren, hergestellt werden. Die Kanalstruktur des Abgaskrümmers 2 weist mehrere Kanäle auf. Zumindest jedem äußeren Zylinder sind dabei ein Paar von Kanälen 11, 12 oder von Kanälen 15, 16 zugeordnet. Eine erste Öffnung 13 eines ersten Kanals 11 kann mit einer ersten Auslassöffnung eines äußeren Zylinders, beispielsweise des ersten Zylinders, verbunden sein. Eine zweite Öffnung 14 eines zweiten Kanals 12 kann mit einer zweiten Auslassöffnung desselben äußeren Zylinders, beispielsweise des ersten Zylinders, verbunden sein. Die Positionen der Öffnungen 13, 14 der Kanäle 11, 12 kann der Position von Auslassöffnungen des Zylinders entsprechen, so dass die Öffnungen 13, 14 direkt an den Auslassöffnungen des Zylinders anliegen. Der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 werden an einer Vereinigungsstelle 21 zusammengeführt. Ein zusammengeführter Kanal 23 läuft von der Vereinigungsstelle 21 in Richtung eines Abgasauslasses 20, der als Abgasflansch. ausgestaltet sein kann, weiter. Der zusammengeführte Kanal 23 transportiert die Abgase, die von dem äußeren Zylinder an unterschiedlichen Auslassöffnungen abgegeben werden, führt diese in Richtung der Abgasöffnung 20 des Abgaskrümmers und lenkt sie dabei um. Der zusammengeführte Kanal 23 kann dabei mit weiteren Kanälen zusammengeführt werden. Der zusammengeführte Kanal 23 kann zumindest für eine vorgegebene Länge nach der Vereinigungsstelle 21 eine Form aufweisen, die der Außeneinhüllenden zweier überlappender Ellipsen entspricht. Dabei können die Flächenmittelpunkte der beiden Ellipsen unterschiedliche Höhen aufweisen.
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Wie unter Bezugnahme auf 3 bis 5 noch ausführlicher beschrieben wird, werden der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 entlang unterschiedlicher Leitkurven zu der Vereinigungsstelle 21 geführt. Der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 können in unterschiedlichen Höhenniveaus zu der Vereinigungsstelle 21 geführt werden. Der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 können wenigstens teilweise übereinander geführt sein, so dass ein Abschnitt des ersten Kanals 11 zwischen einem Abschnitt des zweiten Kanals 12 und einer Ebene liegt, in der der Abgasauslass 20 des Abgaskrümmers liegt. Insbesondere kann an der Vereinigungsstelle 21, an der sich der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 vereinigen, ein Abschnitt des ersten Kanals 11 zwischen dem zweiten Kanal 12 und der Ebene, in der der Abgasauslass 20 des Abgaskrümmers liegt, angeordnet sein. Dabei kann der Kanal, der zumindest abschnittsweise unterhalb des anderen Kanals geführt werden, jeweils der äußere der Kanäle sein, d. h. der Kanal 11 oder der Kanal 16.
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Eine entsprechende Kanalführung, bei der die Kanäle 15, 16, die mit unterschiedlichen Auslassöffnungen desselben Zylinders verbunden sind, entlang unterschiedlicher Leitkurven zu einer Vereinigungsstelle 22 geführt werden, kann auch für den anderen äußeren Zylinder, beispielsweise den vierten Zylinder, vorgesehen sein. Die Kanäle 15, 16 können mit einer Höhendifferenz zu der Vereinigungsstelle 22 geführt werden. Die Kanäle 15, 16 weisen Öffnungen 17, 18 auf, die mit Auslassöffnungen des entsprechenden Zylinders verbunden sind. Die Ausgestaltung und Wirkungsweise der Kanalführung der Kanäle 15, 16 für den anderen äußeren Zylinder kann identisch zur Ausgestaltung und Wirkungsweise der Kanalführung der Kanäle 11, 12 sein.
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Für die inneren Zylinder können jeweils ebenfalls zwei Kanäle 31, 32 oder zwei Kanäle 33, 34 vorgesehen sein, die Abgase von den Auslassöffnungen des entsprechenden Zylinders in Richtung der Abgasauslasses 20 des Abgaskrümmers 2 leiten. Andere Ausgestaltungen der Kanalführung können für die Kanäle, die Abgase von den inneren Zylindern leiten, gewählt werden. Die Kanäle für die inneren Zylinder müssen nicht die nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 bis 5 näher beschriebene Ausgestaltung aufweisen, bei der die demselben Zylinder zugeordneten Kanäle 11, 12 oder Kanäle 15, 16 auf unterschiedlichen Höhenniveaus geführt werden.
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Durch die Kanalführung, bei der die Kanäle 11, 12 entlang unterschiedlicher Leitkurven, teilweise übereinander und auf unterschiedlichen Höhenniveaus geführt werden, kann ein Strömungsfeld mit relativ geringer Verwirbelung im Bereich der Vereinigungsstelle 21 erzeugt werden. Dies gilt ebenso für die entsprechend ausgestalteten Kanäle 15, 16 für den anderen äußeren Zylinder. Bei der dargestellten Kanalstruktur des Abgaskrümmers 2 werden die Abgase aller Zylinder durch den Abgaskrümmer zu einer einzigen Abgasöffnung 20 des Abgaskrümmers geführt.
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3 zeigt schematisch ein Strömungsfeld 3 in der Umgebung einer Vereinigungsstelle, an der der erste Kanal 15 und der zweite Kanal 16 zusammengeführt werden. Ebenfalls schematisch dargestellt sind eine erste Auslassöffnung 27 und eine zweite Auslassöffnung 26 des Zylinders sowie die entsprechenden Ventile 6, 7. Im zusammengeführten Kanal 25 sind die Strömungen aus den Kanälen 15, 16 schon weitgehend gleichgerichtet und behindern sich somit weniger.
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Der Durchflusswiderstand kann im Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen der Kanalführung verringert werden. Der Volumenstrom kann erhöht werden.
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Durch die Führung der Kanäle entlang unterschiedlicher Leitkurven kann eine wechselseitige Beeinflussung zwischen einer Strömung des ersten Kanals 15 und einer Strömung des zweiten Kanals 16 gering gehalten werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass sich eine Strömung des ersten Kanals 15 und eine Strömung des zweiten Kanals 16 an der Vereinigungsstelle 22 nur schwach oder nicht beeinflussen. Der erste Kanal 15, dessen Leitkurve einen kleineren Krümmungsradius als die Leitkurve des zweiten Kanals 16 aufweist, erzeugt ein Strömungsfeld S1, das ein Strömungsfeld S2 des zweiten Kanals 16 an der Vereinigungsstelle 22 nur schwach oder gar nicht beeinflusst.
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An der Vereinigungsstelle 22 kann ein Überlapp des Strömungsfeldes S1 des ersten Kanals 15 und des Strömungsfeldes S2 des zweiten Kanals 16, gemessen in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung, kleiner oder maximal gleich 30% eines Querschnitts eines der Kanäle 15, 16 sein. Dadurch wird eine geringe wechselseitige Beeinflussung der Strömungen erreicht. Das Strömungsfeld 51 des ersten Kanals 15 bildet nur eine schwache Sperrströmung oder keine Sperrströmung für das Strömungsfeld S2 des zweiten Kanals 16.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann erreicht werden, dass sich ein Durchflusswiderstand für die Abführung von Abgas für die äußeren Zylinder einem Durchflusswiderstand der Abführung für die inneren Zylinder annähert. Ein Volumenstrom durch die Kanäle 11, 12 und die Kanäle 15, 16 kann verbessert werden. Das Entstehen von Sperrströmungen kann unterdrückt werden.
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4 illustriert beispielhaft die Führung der Kanäle 11, 12 entlang unterschiedlicher Leitkurven 41, 42 und auf unterschiedlichen Höhenniveaus. Der erste Kanal 11 erstreckt sich entlang einer ersten Leitkurve 41. Die erste Leitkurve 41 ist gekrümmt. Eine Querschnittsfläche des ersten Kanals 11 in einer Ebene jeweils senkrecht zur ersten Leitkurve 41 kann sich von einer Kreisform an der Öffnung 13 zu einer Ellipsenform ändern. An der Vereinigungsstelle 21 mit dem zweiten Kanal 12 kann die Querschnittsfläche 43 des ersten Kanals eine Ellipsenform aufweisen. Die Querschnittsfläche 43, bei der die Außenwand des ersten Kanals 11 die Außenwand des zweiten Kanals 12 erstmal berührt, weist einen Flächenmittelpunkt 45 auf. Der zweite Kanal 12 erstreckt sich entlang einer zweiten Leitkurve 42. Die zweite Leitkurve 42 ist gekrümmt. Eine Querschnittsfläche des zweiten Kanals 12 in einer Ebene jeweils senkrecht zur zweiten Leitkurve 42 kann sich von einer Kreisform an der Öffnung 14 zu einer Ellipsenform ändern. An der Vereinigungsstelle 21 mit dem ersten Kanal 11 kann die Querschnittsfläche 44 des zweiten Kanals 12 eine Ellipsenform aufweisen. Die Querschnittsfläche 44, bei der die Außenwand des zweiten Kanals 12 die Außenwand des ersten Kanals 11 erstmal berührt, weist einen Flächenmittelpunkt 46 auf. Eine erste Krümmungsachse, um die die erste Leitkurve 41 gekrümmt ist, kann von einer zweiten Krümmungsachse, um die die zweite Leitkurve 42 gekrümmt ist, verschieden sein. Es eine Verschiebung oder eine Asymmetrie der Kanäle 11, 12 zueinander erzeugt werden, die quer zu der ersten Krümmungsachse gerichtet ist.
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Die Kanäle 11, 12 sind auf unterschiedlichen Höhenniveaus in dem Zylinderkopf geführt. Entsprechend können der Flächenmittelpunkt 45 des Querschnitts des ersten Kanals 11 und der Flächenmittelpunkt 46 des Querschnitts des zweiten Kanals 12 auf unterschiedlichen Höhen gegenüber einer Referenzebene 40 liegen. Die Referenzebene 40 kann insbesondere durch die Horizontale im verbauten Zustand des Zylinderkopfes oder durch die Ebene, in der der Abgasauslass 20 des Abgaskrümmers angeordnet ist, definiert sein. Der Flächenmittelpunkt 45 des Querschnitts des ersten Kanals 11 kann in einer ersten Höhe 47 gegenüber der Referenzebene 40 positioniert sein. Der Flächenmittelpunkt 46 des Querschnitts des zweiten Kanals 12 kann in einer davon verschiedenen zweiten Höhe 48 gegenüber der Referenzebene 40 positioniert sein, die um eine Höhendifferenz 49 größer als die erste Höhe 47 ist. Die erste Höhe 48 des Flächenmittelpunkts 45 der Querschnittsfläche des ersten Kanals 11 an der Vereinigungsstelle 21 kann kleiner sein als die Höhe jedes Punkts der Querschnittsfläche 44 des zweiten. Kanals 12, d. h. der Flächenmittelpunkt 45 kann unterhalb aller Punkte der Querschnittsfläche 44 des zweiten Kanals 12 liegen. An der Vereinigungsstelle 21 können alle Punkte des Querschnitts 43 des ersten Kanals 11 tiefer, d. h. näher an der Referenzebene 40, angeordnet sein als alle Punkte des Querschnitts 44 des zweiten Kanals 12. Die erste Leitkurve 41 und die zweite Leitkurve 42 können an den Flächenmittelpunkten 45 und 46 unterschiedliche Steigungen aufweisen, entsprechend der unterschiedlichen Führung der Kanäle zur Vereinigungsstelle 21.
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Eine Exzentrizität, d. h. die Proportion und insbesondere das Verhältnis der beiden Halbachsen einer ellipsenförmigen Querschnittsfläche, der Querschnittsfläche des ersten Kanals 11 und des zweiten Kanals 12 von der entsprechenden Öffnung 13, 14 bis zu der Vereinigungsstelle 21 kann sich kontinuierlich ändern. Die Lage und Exzentrizität der ellipsenförmigen Querschnittsflächen wird dabei so gewählt, dass eine weitgehende Gleichrichtung der Strömungen in dem ersten Kanal 11 und dem zweiten Kanal 12 an der Vereinigungsstelle 21 erreicht ist. Die Querschnittsfläche des Kanals 11, 12 kann dabei von der jeweiligen Öffnungen 13, 14 bis zu der Vereinigungsstelle 21 konstant bleiben. Die Vereinigungsstelle 21 kann beispielsweise allgemein als die Stelle, an der sich die Außenflächen des ersten Kanals 11 und des zweiten Kanals 12 erstmals berühren, oder als derjenige Punkt, der sowohl auf der Außenflächen des ersten Kanals 11 als auch auf der Außenfläche des zweiten Kanals 12 positioniert ist und der den größten Abstand von der Referenzebene 40 aufweist, definiert sein.
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Auch in dem Bereich, in dem sich der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 vereinigen, kann ein Kanalquerschnitt die Form zweier sich überlappender Ellipsen aufweisen, ähnlich wie unten unter Bezugname auf 5 erläutert. Eine Schnittlinie der Außenfläche des Kanals kann der Außeneinhüllenden zweier miteinander überlappender Ellipsen entsprechen. Die sich überlappenden Ellipsen können die gleiche Fläche aufweisen. Ein Überdeckungsgrad der Ellipsen, der definiert ist als Quotient aus einer Schnittfläche der beiden Ellipsen und der Fläche der einzelnen Ellipse, kann sich kontinuierlich erhöhen. Kurz bevor die beiden Kanäle vollständig vereinigt sind, kann ein Überdeckungsgrad von 35% erreicht sein.
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Der zusammengeführte Kanal 23 kann zumindest in einem bestimmten Bereich nach der Zusammenführung der Kanäle 11, 12 einen Querschnitt aufweisen, der zwei miteinander überlappenden Ellipsen entspricht. Die Flächenmittelpunkte dieser sich überlappenden Ellipsen können ebenfalls in unterschiedlichen Höhen positioniert sein, wie in 5 illustriert.
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5 zeigt eine Schnittansicht des Abgaskrümmers 2 entlang einer Linie V-V in 4. Der zusammengeführte Kanal 23 weist eine Querschnittsfläche 50 auf. Die Querschnittsfläche 50 entspricht zwei miteinander überlappenden Ellipsen 51 und 52. Die Ellipse 51 weist einen Flächenmittelpunkt 53 auf, der in einer anderen Höhe liegt als ein Flächenmittelpunkt 54 der anderen Ellipse 52. Eine Exzentrizität der Ellipse 51 und/oder der Ellipse 52 kann sich entlang des zusammengeführten Kanals 23 ändern. Beispielsweise kann kurz nach der Vereinigungsstelle die Exzentrizität groß sein, so dass eine Ausbuchtung 24 gebildet wird. Dadurch kann der Durchflusswiderstand weiter verringert werden.
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6 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Fahrzeugs 60, das einen Abgaskrümmer nach einem Ausführungsbeispiel aufweist. Ein Motor 61 weist einen Abgaskrümmer 2 nach einem Ausführungsbeispiel auf. Der Abgaskrümmer 2 kann in einem Zylinderkopf integriert sein. Von der Abgasöffnung 20 des Abgaskrümmers werden die Abgase weiter zu einem (nur schematisch dargestellten) Katalysator 62 und zu einer Auspuffanlage geleitet.
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Abwandlungen der detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiele können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert sein. Beispielsweise kann die Kanalstruktur des Abgaskrümmers für die inneren Zylinder von der Kanalstruktur für die äußeren Zylinder verschieden sein. Der Abgaskrümmer weist zwar vorteilhaft nur einen Flansch zum Abgeben der Abgase in Richtung eines Auspuffsystems auf, kann aber auch mehrere entsprechende Öffnungen zum Ausgeben der Abgase aufweisen. Der Abgaskrümmer kann zusätzliche Kanäle für Fluide, beispielsweise Wasser oder Öl, umfassen.
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Verschiedene Wirkungen können durch den Abgaskrümmer nach Ausführungsbeispielen erzielt werden. Durch das Übereinanderführen von Kanälen, die Abgase von demselben Zylinder empfangen und in Richtung des Auspuffsystems weiterleiten, kann ein Strömungsfeld erreicht werden, bei dem sich die unterschiedlichen Strömungen weniger stark beeinflussen als bei herkömmlichen Kanalstrukturen. Der Durchflusswiderstand kann so für die äußeren Zylinder verringert werden.
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Die hier ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich als Beispiel zu verstehen, und die Erfindung kann auch anders als ausführlich beschrieben implementiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008058852 A1 [0003]
- DE 102009001542 A1 [0003]
