EP2077387A1

EP2077387A1 - Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasstroms einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2077387A1
Application number: EP08100147A
Authority: EP
Inventors: Ingo Lenz; Stefan Quiring; Richard Fritsche; Kai Kuhlbach; Martin Lutz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2028-01-07
Also published as: EP2077387B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms, der mittels einer Rückführleitung (7a, 7b) von einem Abgasmassenstrom abgezweigt wird, welcher aus mindestens einer Auslaßöffnung mindestens eines in einem Zylinderkopf (13) vorgesehenen Zylinders einer Brennkraftmaschine abgeführt wird, wobei der rückzuführende Abgasmassenstrom nach Verlassen des Zylinderkopfes (13) einer Kühlvorrichtung (15) zugeführt und gekühlt wird. Es soll ein vorteilhaftes Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms einer Brennkraftmaschine aufgezeigt werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der oben genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass als Kühlvorrichtung (15) ein Aggregat der Brennkraftmaschine verwendet wird, dem bereits mindestens eine weitere Aufgabe im Rahmen des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms, der mittels einer Rückführleitung von einem Abgasmassenstrom abgezweigt wird, welcher aus mindestens einer Auslaßöffnung mindestens eines in einem Zylinderkopf vorgesehenen Zylinders einer Brennkraftmaschine abgeführt wird, wobei der rückzuführende Abgasmassenstrom nach Verlassen des Zylinderkopfes einer Kühlvorrichtung zugeführt und gekühlt wird.
Um die zukünftigen Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik mit unterschiedlichen und gegebenenfalls mehreren Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
Darüber hinaus sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt steht dabei die Reduzierung der Stickoxidemissionen, welche insbesondere bei Dieselmotoren relevant sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuß, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse bzw. -verfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung bzw. von der Abgasseite auf die Ansaugseite zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei wie folgt: $x_{AGR} = m_{AGR} / (m_{AGR} + m_{Frischluft})$
wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischiuft die zugeführte und gegebenenfalls komprimierte Frischluft bzw. Ladeluft bezeichnet.
Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 50% bis 70% liegen können.
Die Leitung zur Rückführung des Abgases d. h. die Rückführleitung wird in der Regel von der Gesamtabgasleitung abgezweigt und zwar stromabwärts oder stromaufwärts eines in der Gesamtabgasleitung vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems bzw. stromabwärts oder stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers.
Aus dem Stand der Technik sind aber auch Konzepte bekannt, bei denen die Rückführleitung innerhalb des Zylinderkopfes vom Abgaskrümmer oder einer einzelnen Abgasleitung abzweigt, so dass die Abgriffsstelle zur Abgasrückführung im Zylinderkopf integriert ist. Ein Zylinderkopf mit einer derartigen Abgasrückführung ist beispielsweise Gegenstand der GB 2 370 073 A .
Nach dem Stand der Technik wird ein zusätzlicher Kühler bzw. eine Kühlvorrichtung in der Rückführleitung vorgesehen, durch welche die Rückführleitung hindurchführt und mit der das rückzuführende Abgas gekühlt wird.
Mittels der Kühlvorrichtung wird die Temperatur im heißen rückzuführenden Abgasmassenstrom gesenkt und damit die Dichte der Abgase gesteigert. Durch die Steigerung der Dichte wird das Volumen reduziert, was zu einer Abnahme der Strömungsverluste führt.
Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der angesaugten Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich auch gesenkt, weshalb die Kühlvorrichtung zu einer besseren Füllung der Brennräume bzw. der Zylinder mit Frischgemisch beiträgt.
Darüber hinaus nimmt die thermische Belastung eines stromabwärts der Kühlvorrichtung in der Rückführleitung vorgesehenen Ventils zur Steuerung der Rückführrate (AGR-Ventil) und/oder einer Dichtung ab, weshalb geringere Anforderungen an die Qualität des Ventils bzw. der Dichtung gestellt werden können.
Während ein nicht gekühlter Abgasmassenstrom im Einzelfall ein AGR-Ventil mit integrierter Kühlung, wie es beispielsweise in der EP 0 908 615 A2 beschrieben ist, erfordert, kann sich die Verwendung eines derartigen AGR-Ventils bei Kühlung des rückzuführenden Abgasmassenstroms als nicht notwendig erweisen.
Gegebenenfalls kann das AGR-Ventil aus weniger temperaturfesten und damit weniger kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden, als wenn der rückzuführende Abgasmassenstrom nicht gekühlt werden würde.
Bei den nach dem Stand der Technik verwendeten Kühlvorrichtung handelt es sich um benachbart zum Zylinderkopf angeordnete Wärmetauscher, in welche das rückzuführende Abgas via Rückführleitung eingeleitet wird und von dem aus das gekühlte rückzuführende Abgas wiederum mittels Rückführleitung in den Einlaßbereich bzw. auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine weitergeleitet wird.
Diese Vorgehensweise zur Kühlung des rückzuführenden Abgasmassenstroms weist gleich mehrere Nachteile auf. Zum einen muß ein zusätzliches Bauteil, nämlich die Kühlvorrichtung, bereitgestellt werden, was den Montagebedarf und die Herstellungskosten erhöht. Insbesondere die Notwendigkeit, Rückführleitungen zur Kühlvorrichtung hin und wieder von der Kühlvorrichtung weg zu verlegen, machen derartige Kühlvorrichtungen aufwendig.
Zum anderen vergrößert sich die Länge der Rückführleitung erheblich dadurch, dass die Rückführleitung zur Kühlvorrichtung hin und wieder von der Kühlvorrichtung weggeführt werden muß. Mit der Länge vergrößert sich auch das Volumen der Rückführleitung, wodurch sich das Ansprechverhalten der Abgasrückführung verschlechtert. Letzteres beeinflußt den instationären Betrieb der Brennkraftmaschine nachteilig.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms, der mittels einer Rückführleitung von einem Abgasmassenstrom abgezweigt wird, welcher aus mindestens einer Auslaßöffnung mindestens eines in einem Zylinderkopf vorgesehenen Zylinders einer Brennkraftmaschine abgeführt wird, wobei der rückzuführende Abgasmassenstrom nach Verlassen des Zylinderkopfes einer Kühlvorrichtung zugeführt und gekühlt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass als Kühlvorrichtung ein Aggregat der Brennkraftmaschine verwendet wird, dem bereits mindestens eine weitere Aufgabe im Rahmen des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Erfindungsgemäß wird für die Kühlung des rückzuführenden Abgasstromes ein bereits vorhandenes Bauteil verwendet d. h. ein Bauteil, welches ohnehin vorgesehen wird, auch wenn die Absicht, das rückzuführende Abgas zu kühlen, nicht bestehen würde, da dieses Bauteil - unbeschadet der Kühlung der Abgasrückführung - beim Betreib der Brennkraftmaschine Verwendung findet bzw. notwendig ist.
Als Bauteil bzw. Aggregat zur Kühlung des rückzuführenden Abgasstroms kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung d. h. gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren somit jedes Bauteil bzw. jede Bauteilgruppe verwendet werden, dem bzw. der bereits - neben der erfindungsgemäßen Aufgabe der Abgaskühlung - mindestens eine weitere Funktion d. h. Aufgabe hinsichtlich des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Insofern wird erfindungsgemäß kein zusätzliches und ausschließlich als Kühlvorrichtung dienendes Aggregat eingesetzt, sondern ein bereits vorhandenes und bereits für den Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliches Bauteil zur Kühlung bzw. als Kühlvorrichtung genutzt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird zur Kühlung des rückzuführenden Abgasstromes kein zusätzliches monofunktionales Bauteil bereitgestellt, so dass sich die Anzahl der Bauteile infolge der Kühlung der Abgasrückführung (AGR) nicht erhöht, was die Montage vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert.
Des weiteren gestattet das erfindungsgemäße Verfahren eine kompakte Bauweise der gesamten Antriebseinheit und damit ein möglichst dichtes Packaging im Motorraum, was als vorteilhaft anzusehen ist. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise verkürzt sich in der Regel auch die Länge der Rückführleitung erheblich, insbesondere, wenn als Kühlvorrichtung ein Bauteil verwendet wird, welches unmittelbar benachbart zum Zylinderkopf, zum Abgaskrümmer bzw. zur Abgriffsstelle der Abgasrückführung bzw. der Rückführleitung angeordnet ist.
Mit der Reduzierung der Leitungslänge nimmt auch das Volumen der Rückführleitung ab, weshalb sich das Ansprechverhalten der Abgasrückführung verbessert. Eine Brennkraftmaschine, bei welcher das rückzuführende Abgas unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens gekühlt wird, verfügt somit über eine Abgasrückführung mit verbessertem Ansprechverhalten und damit über ein grundsätzlich verbessertes instationäres Betriebsverhalten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms aufzuzeigen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom mittels Rückführleitung erneut dem Zylinderkopf zugeführt wird, wobei der Zylinderkopf als Kühlvorrichtung verwendet wird.
Der Zylinderkopf ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Aggregat der Brennkraftmaschine, dem bereits mindestens eine weitere Aufgabe im Rahmen des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Zusammen mit den im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohren und den in den Zylinderrohren geführten Kolben bildet der Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
Der Zylinderkopf dient häufig auch zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen und das Füllen des Brennraums d.h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft über die Einlaßöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlaß- und Auslaßöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden daher auch zunehmend zwei oder mehr Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen vorgesehen, mindestens aber eine Einlaßöffnung und mindestens eine Auslaßöffnung.
Die Einlaßkanäle, die zu den Einlaßöffnungen führen, und die Auslaßkanäle bzw. Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Zusammenführung der Abgasleitungen bis hin zu der Gesamtabgasleitung wird im allgemein und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bzw. Krümmer bezeichnet. Der Abgaskrümmer kann teilweise oder vollständig im Zylinderkopf integriert sein.
Stromabwärts des Krümmers werden die Abgase gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel d. h. einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet wird.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung des Zylinderkopfes in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der wesentlichen höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden, weshalb der thermisch hoch belastete Zylinderkopf vorzugsweise mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet wird.
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Die Wärme wird dabei im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird 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.
Gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform wird der rückzuführende Abgasmassenstrom mittels Rückführleitung erneut dem Zylinderkopf zugeführt, wobei der Abgasmassenstrom im Zylinderkopf gekühlt wird. Dabei gibt das Abgas Wärme an den Zylinderkopf, insbesondere an die im Zylinderkopf integrierte Flüssigkeitskühlung, ab, so dass der Zylinderkopf als Kühlvorrichtung verwendet wird bzw. dient. Die vom Abgas an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dann in dem außerhalb des Zylinderkopfes vorgesehenen Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben.
Ein zusätzlicher Abgaskühler d. h. ein zusätzlicher Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases ist somit nicht erforderlich.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel die Rückführleitung zumindest teilweise umgibt. Auf diese Weise wird das rückzuführende Abgas besonders effektiv gekühlt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom mittels Rückführleitung einem an den Zylinderkopf angrenzenden Bauteil zugeführt wird, wobei das angrenzende Bauteil als Kühlvorrichtung verwendet wird.
An den Zylinderkopf grenzen eine Vielzahl von Bauteilen d. h. Aggregate an, die eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliche Aufgabe wahrnehmen.
Als an den Zylinderkopf angrenzendes Bauteil wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Bauteil angesehen, welches abstandslos oder indirekt - beispielsweise nur durch eine Dichtung getrennt - an den Zylinderkopf angrenzt d.h. anschließt, mit dem Zylinderkopf verbunden ist und dem bereits - neben der erfindungsgemäßen Aufnahme der Rückführleitung - mindestens eine weitere Funktion d. h. Aufgabe hinsichtlich des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Insofern wird wieder ein bereits vorhandenes und bereits für den Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliches Bauteil zur Kühlung des rückzuführenden Abgasmassenstroms verwendet.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als angrenzendes Bauteil ein Bauteil verwendet wird, das eine Flüssigkeitskühlung aufweist. Wie bereits oben ausgeführt wurde, können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, bei der der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Bauteils geführten Luftströmung erfolgt. Je mehr Wärme dem Abgas entzogen wird, desto stärker kann die Temperatur im rückzuführenden Abgasstrom gesenkt werden, weshalb auch die Temperatur der Zylinderfrischladung deutlicher gesenkt werden kann bzw. in einem größeren Temperaturbereich beeinflußbar wird.
Vorteilhafterweise werden die die Flüssigkeitskühlung ausbildenden Wandungen des angrenzenden Bauteils möglichst großflächig ausgebildet, um den Wärmeübergang durch Konvektion zu erhöhen, was beispielsweise durch die Anordnung von Kühlrippen bzw. Kühlnoppen erfolgen kann. Die Kühlrippen bzw. Kühlnoppen können dabei sowohl auf der Kühlmittelseite als auch auf der Abgasseite angeordnet bzw. ausgebildet werden. Insbesondere Kühlrippen auf der Abgasseite sind vorteilhaft.
Gleiches gilt in analoger Weise für die Wandungen des in den Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantels, falls der Zylinderkopf als Kühlvorrichtung verwendet wird bzw. im allgemeinen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Flüssigkeitskühlung des angrenzenden Bauteils mit dem Kühlmittelmantel d. h. der Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes verbunden wird. Gemäß dieser Verfahrensvariante bilden die beiden Flüssigkeitskühlungen einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, so dass grundsätzlich nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und nur ein Wärmetauscher zur Abfuhr der Wärme an die Umgebung vorgesehen werden muß.
Vorteilhaft sind beispielsweise Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als angrenzendes Bauteil ein Kühlmittelgehäuse verwendet wird, das dem Zuführen von Kühlmittel in den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und/oder dem Abführen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes dient. Ein Kühlmittelgehäuse, mit welchem Kühlmittel in den Zylinderkopf hinein bzw. aus dem Zylinderkopf hinaus geführt wird, ist prinzipbedingt ein angrenzendes Bauteil, dessen Flüssigkeitskühlung mit der Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes verbunden ist.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Kühlmittelgehäuse ein Wasseraustrittsgehäuse verwendet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom innerhalb des Zylinderkopfes mittels Rückführleitung abgezweigt wird.
Gemäß dieser Verfahrensvariante wird die Abgriffsstelle zur Abgasrückführung in den Zylinderkopf integriert. Die in den Zylinderkopf integrierte Abgriffsstelle ermöglicht die einteilige Ausbildung von Krümmer und Rückführleitung d. h. die Vermeidung der Ausbildung und damit der Abdichtung einer kraftschlüssigen Verbindungsstelle zwischen Krümmer und Rückführleitung. Des weiteren führt die Integration der Abgriffsstelle zu einer Verringerung der Anzahl an Bauteilen und zu einer kompakteren Bauweise. Letzteres unterstützt auch das Bemühen, im Motorraum ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit zu erzielen. Zudem führt die Integration der Abgriffsstelle in den Zylinderkopf in der Regel zu einer Verkürzung der Rückführleitung mit den bereits weiter oben angesprochenen Vorteilen.
Einen Zylinderkopf mit einer im Zylinderkopf integrierten Abgriffstelle zur Abgasrückführung beschreibt beispielsweise die GB 2 370 073 A . Die Rückführleitung zweigt von einer Teilabgasleitung eines Zylinders mit zwei Auslaßöffnungen ab.
Die Auslaßkanäle bzw. Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Auslaßöffnungen eines einzelnen Zylinders werden dabei beispielsweise - wie in der GB 2 370 073 A offenbart - innerhalb des Zylinderkopfes zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, wobei diese Teilabgasleitungen dann außerhalb des Zylinders zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.
Der Abgaskrümmer kann aber auch vollständig in den Zylinderkopf integriert werden. Ein derartiger Zylinderkopf, bei dem sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt und die Abgasleitungen der Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, wobei die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen des Abgaskrümmers reduziert wird. Die Verwendung eines derartigen Zylinderkopfes führt des weiteren zu weniger Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.
Ein solcher Zylinderkopf wird vorzugsweise mit einer leistungsstarken Kühlung ausgestattet, da die thermische Belastung wesentlich höher ist als bei einem herkömmlichen Zylinderkopf, der mit einem zumindest teilweise externen Krümmer ausgestattet ist. Die leistungsstarke Kühlung bietet Vorteile bei der Kühlung des rückzuführenden Abgasmassenstromes, insbesondere, wenn der Zylinderkopf als Kühlvorrichtung verwendet wird.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom außerhalb des Zylinderkopfes mittels Rückführleitung abgezweigt wird.
Wird das Abgas stromabwärts des Abgaskrümmers abgezweigt, befindet sich die Abgriffsstelle zur Abgasrückführung in der Regel außerhalb des Zylinderkopfes. Die Rückführleitung muß dabei mit der Gesamtabgasleitung verbunden werden, beispielsweise mittels einer Flanschverbindung. Die Verbindungsstelle ist zum einen eine potentielle Leckagestelle für das unerwünschte Austreten von Abgasen, was hohe Anforderungen an die Dichtung impliziert. Zum anderen ist diese Verbindung durch die heißen Abgase thermisch hochbelastet, so dass an die Ausführung der Verbindung hohe Anforderungen gestellt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein in der Rückführleitung vorgesehenes AGR-Ventil, welches der Steuerung der Rückführrate dient, stromabwärts der Kühlvorrichtung in der Rückführleitung angeordnet wird.
Ein stromabwärts vorgesehenes AGR-Ventil wird thermisch weniger stark belastet, so dass gegebenenfalls auf eine Kühlung des AGR-Ventils verzichtet werden kann bzw. weniger temperaturfeste und damit kostengünstigere Werkstoffe zur Herstellung des Ventils verwendet werden können.
Vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, da eine Abgasrückführung und eine Aufladung häufig in Kombination miteinander zum Einsatz kommen und eine aufgeladene Brennkraftmaschine thermisch höher belastet ist, weil die Abgastemperaturen vergleichsweise hoch sind, so dass die Verwendung einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases besonders vorteilhaft und empfehlenswert ist.
Zudem ist die Bemessung d. h. Festlegung der Länge der Abgaskanäle bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen hinsichtlich des Verbrennungsprozesses von geringerer Bedeutung als bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen, so dass bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen die im allgemeinen kurze Länge eines - zumindest teilweise - im Zylinderkopf integrierten Krümmers keine negativen Auswirkungen auf die Leistung der Brennkraftmaschine hat.
Insofern ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, welche mit einem Zylinderkopf ausgestattet ist, der einen vollständig integrierten Abgaskrümmer aufweist.
Vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die mittels Abgasturboaufladung aufgeladen werden. Bei diesen Brennkraftmaschinen wird die Turbine eines Abgasturboladers in der Gesamtabgasleitung angeordnet, wodurch sich der Abgasdruck stromaufwärts der Turbine und damit auch der Abgasdruck im Krümmer erhöht, was das Druckgefälle zwischen Abgasseite und Ansaugseite erhöht und das Einströmen von Abgas in der Rückführleitung unterstützt, wenn davon ausgegangen wird, dass die Rückführleitung stromaufwärts der Turbine von der Gesamtabgasleitung bzw. dem Krümmer abzweigt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den Figuren 1 bis 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Zylinderkopfes in einer perspektivischen Darstellung mit Blick auf die Montagestirnseite,
Fig. 2a ein an den Zylinderkopf angrenzendes Bauteil in einer perspektivischen Darstellung mit Blick auf die Montagestirnseite, und
Fig. 2b das in Figur 2a dargestellte Bauteil in einer perspektivischen Darstellung mit Blick auf die der Montagestirnseite gegenüberliegende Seite des Bauteils.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des Zylinderkopfes 13 in einer perspektivischen Darstellung mit Blick auf die Montagestirnseite 14a, an welcher der Zylinderkopf 13 mit dem in den Figuren 2a, 2b dargestellten Bauteil verbunden wird bzw. an der dieses Bauteil an den Zylinderkopf 13 anschließt.
Der Zylinderkopf 13 weist zwei zur Montagestirnseite 14a hin offene Rückführleitungen 7a', 7b' für das rückzuführende Abgas auf. Die Rückführleitung 7a' zweigt innerhalb des Zylinderkopfes 13 vom zum Abführen der Abgase dienenden Abgaskrümmer ab und tritt aus dem Zylinderkopf 13 an der Montagestirnseite 14a aus, um den rückzuführenden Abgasmassenstrom zur Kühlung in das als Kühlvorrichtung dienende angrenzende Bauteil zu leiten.
Damit wird der rückzuführende Abgasmassenstrom nach Verlassen des Zylinderkopfes 13 einer Kühlvorrichtung 15 zugeführt und gekühlt.
Die zylinderkopfseitigen Rückführleitungen 7a', 7b' bilden einen Teil der vollständigen Rückführleitungen 7a, 7b, die sich erst im montierten Zustand aus der Kombination der zylinderkopfseitigen Rückführleitungen 7a', 7b' mit den zu diesen Rückführleitungen 7a', 7b' korrespondierenden bauteilseitigen Rückführleitungen 7a", 7b" zusammensetzen d. h. ergeben (siehe auch Figur 2a).
Eine erste Rückführleitung 7a, 7a' verläuft ausgehend von einem AGR-Ventil, welches an dem angrenzenden Bauteil befestigt wird, stromaufwärts, wohingegen die zweite Rückführleitung 7b, 7b' ausgehend vom AGR-Ventil stromabwärts führt (siehe auch Figuren 2a und 2b).
Der vom Abgaskrümmer innerhalb des Zylinderkopfes 13 abgezweigte und rückzuführende Abgasstrom strömt am Eintritt A in die Rückführleitung 7a, 7a' und verläßt diese Rückführleitung 7a, 7a' am Austritt B, um das AGR-Ventil zu passieren. Nach Durchströmen des AGR-Ventils tritt dieser Abgasstrom am Eintritt C in die zweite Rückführleitung 7b, 7b' ein, durchströmt diese und verläßt die Rückführleitung 7b, 7b' am Austritt D. Dabei wird der Abgasstrom gekühlt.
Der Zylinderkopf 13 ist mit einer Flüssigkeitskühlung 17a', 17b' ausgestattet und verfügt über zwei zylinderkopfseitige Kühlmittelkanäle 17a', 17b', welche die Montagestirnseite 14a durchstoßen und in das angrenzende Bauteil übergehen. Die Kühlmittelkanäle 17a', 17b' dienen dem Abführen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes 13 und gleichzeitig dem Zuführen von Kühlmittel in das angrenzende Bauteil.
Des weiteren ist eine Leitung 20' zur Entlüftung des Kurbelgehäuses in den Zylinderkopf 13 integriert, welche ebenfalls die Montagestirnseite 14a durchstößt und in das angrenzende Bauteil übergeht.
Figur 2a zeigt ein an den Zylinderkopf angrenzendes Bauteil 16 in einer perspektivischen Darstellung mit Blick auf die Montagestirnseite 14b. Figur 2b zeigt dieses Bauteil 16 ebenfalls in einer perspektivischen Darstellung, aber mit Blick auf die der Montagestirnseite 14b gegenüberliegende Seite des Bauteils 16.
Das in den Figuren 2a, 2b dargestellte Wasserauslaßgehäuse ist ein an den Zylinderkopf gemäß Figur 1 angrenzendes Bauteil 16, welches im montierten Zustand abstandslos bzw. indirekt über eine dazwischen liegende Dichtung an den Zylinderkopf angrenzt d. h. sich anschließt und mit dem Zylinderkopf verbunden wird, indem die Montagestirnseite 14b des Wasserauslaßgehäuses bündig auf die Montagestirnseite des Zylinderkopfes aufgelegt und verschraubt wird.
Neben der Aufnahme der Rückführleitung 7a, 7b zur Kühlung des rückzuführenden Abgasstroms hat das Wasserauslaßgehäuse die primäre Aufgabe, das Kühlmittel aus dem Zylinderkopf abzuführen d. h. den Kühlmittelabfluß aus dem Zylinderkopf zu steuern bzw. zu gewährleisten.
Insofern wird mit dem Wasserauslaßgehäuse ein Aggregat bzw. Bauteil 16 der Brennkraftmaschine als Kühlvorrichtung 15 verwendet, dem bereits eine weitere Aufgabe im Rahmen des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Das Wasserauslaßgehäuse weist zwei zur Montagestirnseite 14b hin offene Rückführleitungen 7a", 7b" für das rückzuführende Abgas auf. Diese gehäuseseitigen Rückführleitungen 7a", 7b" bilden einen Teil der vollständigen Rückführleitungen 7a, 7b, welche erst in Kombination mit den zylinderkopfseitigen Rückführleitungen 7a', 7b' ausgebildet werden (siehe auch Figur 1). Bezüglich des Strömungsverlaufs des rückzuführenden Abgases wird Bezug genommen auf die bereits weiter oben gemachten Ausführungen.
Das Wasserauslaßgehäuse verfügt über zwei gehäuseseitige Kühlmittelkanäle 17a", 17b", welche zur Montagestirnseite 14b hin offen sind und sich an die zylinderkopfseitigen Kühlmittelkanäle anschließen. Damit ist das Wasserauslaßgehäuse mit einer Flüssigkeitskühlung 17a", 17b" ausgestattet, welche mit der Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes kommuniziert d. h. verbunden ist.
Eine im Wasserauslaßgehäuse integrierte Leitung 20" zur Entlüftung des Kurbelgehäuses schließt sich an die im Zylinderkopf vorgesehene Entlüftungsleitung an und durchstößt die Montagestirnseite 14b.
Wie Figur 2b entnommen werden kann, weist das Wasserauslaßgehäuse eine Ausnehmung 19 zur Aufnahme eines Thermostats auf. Ein am Gehäuse vorgesehener Befestigungsflansch 18 dient dem Anschluß eines AGR-Ventils. Dabei strömt das rückzuführende Abgas vom Gehäuse am Eintritt 18a in das AGR-Ventil, durch das Ventil hindurch und am Austritt 18b in das Gehäuse zurück, in welchem es beim Durchströmen der zweiten Rückführleitung 7b erneut gekühlt wird.

Bezugszeichen

7a: Rückführleitung stromaufwärts des AGR-Ventil
7b: Rückführleitung stromabwärts des AGR-Ventil
7a': zylinderkopfseitige Rückführleitung stromaufwärts des AGR-Ventil
7b': zylinderkopfseitige Rückführleitung stromabwärts des AGR-Ventil
7a": bauteilseitige Rückführleitung stromaufwärts des AGR-Ventil
7b": bauteilseitige Rückführleitung stromabwärts des AGR-Ventil

13: Zylinderkopf
14a: Montagestirnseite des Zylinderkopfes
14b: Montagestirnseite des Wasserauslaßgehäuses
15: Kühlvorrichtung
16: angrenzendes Bauteil
17a': zylinderkopfseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes
17b': zylinderkopfseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes
17a": bauteilseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des angrenzenden Bauteils
17b": bauteilseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des angrenzenden Bauteils
18: Befestigungsflansch
18a: Eintritt AGR-Ventil
18b: Austritt AGR-Ventil
19: Ausnehmung
20': zylinderkopfseitige Leitung zur Entlüftung des Kurbelgehäuses
20": bauteilseitige Leitung zur Entlüftung des Kurbelgehäuses

A: Eintritt in die Rückführleitung 7a
B: Austritt aus der Rückführleitung 7a
C: Eintritt in die Rückführleitung 7b
D: Austritt aus der Rückführleitung 7b

Claims

Verfahren zur Kühlung eines rückzuführenden Abgasmassenstroms, der mittels einer Rückführleitung (7a, 7b) von einem Abgasmassenstrom abgezweigt wird, welcher aus mindestens einer Auslaßöffnung mindestens eines in einem Zylinderkopf (13) vorgesehenen Zylinders einer Brennkraftmaschine abgeführt wird, wobei der rückzuführende Abgasmassenstrom nach Verlassen des Zylinderkopfes (13) einer Kühlvorrichtung (15) zugeführt und gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlvorrichtung (15) ein Aggregat der Brennkraftmaschine verwendet wird, dem bereits mindestens eine weitere Aufgabe im Rahmen des Betriebs der Brennkraftmaschine zukommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rückzuführende Abgasmassenstrom mittels Rückführleitung (7a, 7b) erneut dem Zylinderkopf (13) zugeführt wird, wobei der Zylinderkopf (13) als Kühlvorrichtung (15) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (13) mit einem Kühlmittelmantel d. h. einer Flüssigkeitskühlung (17a', 17b') ausgestattet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rückzuführende Abgasmassenstrom mittels Rückführleitung (7a, 7b) einem an den Zylinderkopf (13) angrenzenden Bauteil (16) zugeführt wird, wobei dieses angrenzende Bauteil (16) als Kühlvorrichtung (15) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als angrenzendes Bauteil (16) ein Bauteil (16) verwendet wird, das eine Flüssigkeitskühlung (17a", 17b") aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühlung (17a", 17b") des angrenzenden Bauteils (16) mit der Flüssigkeitskühlung (17a', 17b') des Zylinderkopfes (13) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als angrenzendes Bauteil (16) ein Kühlmittelgehäuse verwendet wird, das dem Zuführen von Kühlmittel in den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes (13) und/oder dem Abführen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes (13) dient.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittelgehäuse ein Wasseraustrittsgehäuse verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rückzuführende Abgasmassenstrom innerhalb des Zylinderkopfes (13) mittels Rückführleitung (7a, 7b) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rückzuführende Abgasmassenstrom außerhalb des Zylinderkopfes (13) mittels Rückführleitung abgezweigt wird.