EP2077387A1 - Method for cooling a recirculated exhaust gas flow of an internal combustion engine - Google Patents
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- F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
Definitions
- the invention relates to a method for cooling a recirculating exhaust gas mass flow, which is diverted by means of a return line of an exhaust gas mass flow, which is discharged from at least one outlet of at least one provided in a cylinder head cylinder of an internal combustion engine, wherein the recirculated exhaust gas mass flow fed after leaving the cylinder head of a cooling device and is cooled.
- state-of-the-art internal combustion engines are equipped with different and optionally several exhaust aftertreatment systems.
- the exhaust gas recirculation ie the return of combustion gases from the exhaust pipe into the intake pipe or from the exhaust gas side to the intake side targeted, in which the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with increasing exhaust gas recirculation rate.
- Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range.
- the line for returning the exhaust gas d. H. the return line is usually branched off from the entire exhaust line, namely downstream or upstream of an exhaust aftertreatment system provided in the entire exhaust line, or downstream or upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger.
- an additional cooler or a cooling device is provided in the return line through which passes the return line and with which the recirculated exhaust gas is cooled.
- the temperature is lowered in the hot recirculating exhaust gas mass flow and thus increases the density of the exhaust gases.
- the density is reduced, resulting in a decrease in flow losses.
- the thermal load of a downstream of the cooling device provided in the return line valve for controlling the return rate (EGR valve) and / or a seal decreases, so lower quality requirements of the valve or the seal can be made.
- the EGR valve can be made of less temperature-resistant and thus less expensive materials than if the recirculated exhaust gas mass flow would not be cooled.
- cooling device used in the prior art is arranged adjacent to the cylinder head heat exchanger, in which the recirculated exhaust gas is introduced via return line and forwarded from which the cooled recirculated exhaust gas in turn by means of return line in the inlet region or on the intake side of the internal combustion engine becomes.
- This procedure for cooling the recirculated exhaust gas mass flow has several disadvantages.
- an additional component namely the cooling device, must be provided, which increases the mounting requirement and the manufacturing costs.
- the need to move return lines to the cooling device now and then away from the cooling device make such cooling devices consuming.
- the length of the return line increases considerably in that the return line to the cooling device now and then has to be led away from the cooling device. With the length, the volume of the return line increases, whereby the response of the exhaust gas recirculation worsened. The latter adversely affects the transient operation of the internal combustion engine.
- This object is achieved by a method for cooling a recirculating exhaust gas mass flow, which by means of a return line of an exhaust gas mass flow is branched off, which is discharged from at least one outlet of at least one provided in a cylinder head cylinder of an internal combustion engine, wherein the recirculating exhaust gas mass flow is fed and cooled after leaving the cylinder head of a cooling device, and which is characterized in that a unit of the internal combustion engine is used as a cooling device , which already has at least one additional task in the context of the operation of the internal combustion engine.
- an already existing component is used for the cooling of the exhaust gas flow to be recirculated d.
- each component or each group of components is used, the one or more already - in addition to the object of the exhaust gas cooling according to the invention - at least one further function d.
- the inventive method allows a compact design of the entire drive unit and thus the densest possible packaging in the engine compartment, which is considered to be advantageous.
- the length of the return line is also shortened as a rule, in particular if a component is used as the cooling device, which component is immediately adjacent to the cylinder head Exhaust manifold or the Abgriffsstelle the exhaust gas recirculation or the return line is arranged.
- An internal combustion engine in which the exhaust gas to be recirculated is cooled using the method according to the invention, thus has an exhaust gas recirculation with improved response and thus a fundamentally improved transient operating behavior.
- the object underlying the invention is thus achieved, namely to show a method for cooling a recirculated exhaust gas mass flow, with which the disadvantages known from the prior art are overcome.
- the cylinder head is within the meaning of the present invention, an aggregate of the internal combustion engine, which already has at least one additional task in the context of the operation of the internal combustion engine.
- the cylinder head forms the combustion chambers of the internal combustion engine.
- the cylinder head is often used to hold the valve train.
- an internal combustion engine requires control means and actuators to operate these controls.
- the expulsion of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber that is done Sucking the fresh mixture or the fresh air through the inlet openings.
- four-stroke engines almost exclusively lift valves are used as control members that perform an oscillating lifting movement during operation of the internal combustion engine and thus release the inlet and outlet ports and close.
- the required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train.
- the inlet ducts leading to the inlet openings and the outlet ducts or exhaust ducts adjoining the outlet openings are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art.
- the exhaust pipes of the cylinders are usually combined to form an overall exhaust gas line.
- the merging of the exhaust pipes to the entire exhaust line is referred to in general and in the context of the present invention as exhaust manifold or manifold.
- the exhaust manifold may be partially or fully integrated in the cylinder head.
- the exhaust gases Downstream of the manifold, the exhaust gases are optionally supplied to the turbine of an exhaust gas turbocharger and / or one or more exhaust aftertreatment systems.
- the thermally highly loaded cylinder head is preferably equipped with a liquid cooling.
- the liquid cooling requires the equipment of the cylinder head with a coolant jacket d. H. the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the cylinder head construction.
- the heat is emitted inside the cylinder head to the coolant, usually mixed with additives added water.
- the coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is removed in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again.
- the exhaust gas mass flow to be recirculated is fed again by means of return line to the cylinder head, wherein the exhaust gas mass flow is cooled in the cylinder head.
- the exhaust gas releases heat to the cylinder head, in particular to the liquid cooling integrated in the cylinder head, so that the cylinder head is used or used as a cooling device.
- the heat given off by the exhaust gas to the coolant is then released into the environment in the heat exchanger provided outside the cylinder head.
- Embodiments in which the coolant jacket integrated in the cylinder head at least partially surrounds the return line are advantageous. In this way, the recirculated exhaust gas is cooled particularly effectively.
- Embodiments of the method in which the exhaust gas mass flow to be recirculated is fed by means of a return line to a component adjacent to the cylinder head are advantageous, the adjacent component being used as a cooling device.
- any component is considered which adjoins the cylinder head without spacing or indirectly, for example separated only by a gasket. connects, is connected to the cylinder head and the already - in addition to the recording of the return line according to the invention - at least one further function d. H. Task with regard to the operation of the internal combustion engine.
- Embodiments of the method in which a component which has liquid cooling is used as the adjacent component are advantageous.
- substantially greater amounts of heat can be dissipated with liquid cooling than with air cooling, in which heat is removed by means of an air flow guided over the surface of the component.
- the more heat is removed from the exhaust gas the stronger the temperature in the recirculating exhaust gas flow can be reduced, which is why the temperature of the cylinder fresh charge can be lowered significantly or can be influenced in a wider temperature range.
- the walls of the adjacent component forming the liquid cooling system are formed as large as possible in order to increase the heat transfer by convection, which can be done for example by the arrangement of cooling fins or cooling knobs.
- the cooling ribs or cooling knobs can be arranged or formed both on the coolant side and on the exhaust side.
- cooling fins on the exhaust side are advantageous.
- Embodiments of the method in which the liquid cooling of the adjacent component is connected to the coolant jacket, ie the liquid cooling of the cylinder head, are advantageous.
- this variant of the method form the two Liquid cooling a common coolant circuit, so that basically only one pump for conveying the coolant and only one heat exchanger must be provided for dissipating the heat to the environment.
- Embodiments of the method are advantageous, for example, in which a coolant housing which serves to supply coolant to the coolant jacket of the cylinder head and / or to discharge coolant from the coolant jacket of the cylinder head is used as adjoining component.
- a coolant housing, with which coolant is guided into and out of the cylinder head, is inherently an adjoining component whose fluid cooling is connected to the liquid cooling of the cylinder head.
- the tapping point for exhaust gas recirculation is integrated into the cylinder head.
- the integrated into the cylinder head tapping point allows the one-piece design of manifold and return line d. H. the avoidance of training and thus the sealing of a non-positive connection point between the manifold and return line.
- the integration of the tapping point leads to a reduction in the number of components and to a more compact design. The latter also supports the effort to achieve as dense as possible a packaging of the drive unit in the engine compartment.
- the integration of the tap point in the cylinder head usually leads to a shortening of the return line with the already mentioned above advantages.
- a cylinder head with a built-in cylinder head tapping point for exhaust gas recirculation describes, for example, the GB 2 370 073 A ,
- the return line branches off from a partial exhaust gas line of a cylinder with two outlet openings.
- the outlet channels or exhaust pipes, which adjoin the outlet openings are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art.
- the exhaust pipes of the outlet openings of a single cylinder are, for example - as in the GB 2 370 073 A disclosed - merged within the cylinder head to a cylinder associated with the partial exhaust gas line, these partial exhaust gas lines are then merged outside the cylinder into a single overall exhaust gas line.
- the exhaust manifold can also be fully integrated into the cylinder head.
- a cylinder head in which connects to each outlet opening an exhaust pipe and merge the exhaust pipes of the cylinder within the cylinder head to an overall exhaust line, characterized by a very compact design, the total distance of the exhaust pipes of the exhaust manifold is reduced.
- the use of such a cylinder head also leads to fewer components and consequently to a reduction in costs, in particular the assembly and deployment costs.
- Such a cylinder head is preferably equipped with a powerful cooling, since the thermal load is much higher than in a conventional cylinder head, which is equipped with an at least partially external manifold.
- the powerful cooling offers advantages in the cooling of the recirculating exhaust gas mass flow, in particular when the cylinder head is used as a cooling device.
- the Abgriffsstelle exhaust gas recirculation is usually outside of the cylinder head.
- the return line must be connected to the entire exhaust line, for example by means of a flange connection.
- the joint is on the one hand a potential leakage point for the unwanted escape of exhaust gases, which implies high demands on the seal.
- this connection is thermally highly loaded by the hot exhaust gases, so that high demands are placed on the execution of the connection.
- Embodiments of the method in which an EGR valve provided in the return line and which serves to control the return rate are arranged downstream of the cooling device in the return line are advantageous.
- a downstream provided EGR valve is thermally less heavily loaded, so that optionally can be dispensed with cooling of the EGR valve or less temperature-resistant and thus cheaper materials can be used to produce the valve.
- the use of the method according to the invention is advantageous, in particular, in a supercharged internal combustion engine, since exhaust gas recirculation and charging are frequently used in combination and a supercharged internal combustion engine is subject to a higher thermal load, because the exhaust gas temperatures are comparatively high, so that the use of a cooling device for cooling the recirculated exhaust gas is particularly advantageous and recommended.
- the dimensioning d. H Determining the length of the exhaust ducts in supercharged internal combustion engines with respect to the combustion process of lesser importance than uncharged internal combustion engines, so that in turbocharged internal combustion engines, the generally short length of a - at least partially - integrated in the cylinder head manifold has no negative impact on the performance of the internal combustion engine.
- the inventive method is particularly advantageous in a supercharged internal combustion engine, which is equipped with a cylinder head having a fully integrated exhaust manifold.
- the use of the method according to the invention is advantageous in particular in internal combustion engines which are charged by means of turbocharging.
- the turbine of an exhaust gas turbocharger is arranged in the overall exhaust line, thereby increasing the exhaust pressure upstream of the turbine and thus the exhaust pressure in the manifold, which increases the pressure gradient between the exhaust side and suction side and supports the flow of exhaust gas in the return line, if assumed is that the return line upstream of the turbine branches off from the entire exhaust line or the manifold.
- FIG. 1 shows an embodiment of the cylinder head 13 in a perspective view with a view of the mounting end face 14a, on which the cylinder head 13 with the in the FIGS. 2a, 2b is shown connected to the component or to this component to the cylinder head 13 connects.
- the cylinder head 13 has two return lines 7a ', 7b' open to the assembly end face 14a for the exhaust gas to be recirculated.
- the return line 7a ' branches off inside the cylinder head 13 from the exhaust manifold for discharging the exhaust gases, and exits from the cylinder head 13 at the mounting face 14a to guide the exhaust mass flow to be recirculated to the adjoining component serving as the cooling device.
- the cylinder-head-side return lines 7a ', 7b' form part of the complete return lines 7a, 7b, which only in the assembled state from the combination of the cylinder head-side return lines 7a ', 7b' with the component-side return lines 7a 'corresponding to these return lines 7a', 7b '. , 7b "put together ie result (see also FIG. 2a ).
- a first return line 7a, 7a ' runs upstream from an EGR valve which is attached to the adjacent component, whereas the second return line 7b, 7b' leads downstream from the EGR valve (see also FIGS FIGS. 2a and 2b ).
- the exhaust gas flow branched off and returned from the exhaust manifold within the cylinder head 13 flows at the inlet A into the return line 7a, 7a 'and leaves this return line 7a, 7a' at the outlet B to pass the EGR valve. After flowing through the EGR valve, this exhaust gas stream enters the second return line 7b, 7b 'at the inlet C, flows through it and leaves the return line 7b, 7b' at the outlet D. In this case, the exhaust gas stream is cooled.
- the cylinder head 13 is equipped with a liquid cooling 17a ', 17b' and has two cylinder-side coolant channels 17a ', 17b', which pierce the mounting end face 14a and pass into the adjacent component.
- the coolant channels 17a ', 17b' are used for discharging coolant from the coolant jacket of the cylinder head 13 and at the same time supplying coolant into the adjacent component.
- a line 20 'for venting the crankcase is integrated into the cylinder head 13, which also pierces the mounting end face 14a and merges into the adjacent component.
- FIG. 2a shows a component 16 adjacent to the cylinder head in a perspective view with a view of the mounting end face 14b.
- FIG. 2b shows this component 16 also in a perspective view, but with a view of the mounting end face 14b opposite side of the component 16th
- FIGS. 2a, 2b illustrated water outlet is a to the cylinder head according to FIG. 1 adjacent component 16, which adjoins in the mounted state without distance or indirectly via an intermediate seal to the cylinder head ie adjoins and is connected to the cylinder head by the mounting end face 14b of the Wasserauslrawgephaseuses placed flush on the mounting end face of the cylinder head and bolted.
- the water outlet In addition to receiving the return line 7a, 7b for cooling the recirculating exhaust gas flow, the water outlet has the primary task to dissipate the coolant from the cylinder head d. H. To control or ensure the coolant outflow from the cylinder head.
- an aggregate or component 16 of the internal combustion engine is used as a cooling device 15 with the water outlet, which already has a further task in the context of the operation of the internal combustion engine.
- the water outlet housing has two return lines 7a “, 7b” for the exhaust gas to be returned, which are open towards the assembly end face 14b. These housing-side return lines 7a “, 7b” form part of the complete return lines 7a, 7b, which are formed only in combination with the cylinder head-side return lines 7a ', 7b' (see also FIG FIG. 1 ). With regard to the flow path of the exhaust gas to be recirculated, reference is made to the statements already made above.
- the water outlet housing has two housing-side coolant channels 17a ", 17b", which are open to the mounting end face 14b and connect to the cylinder head side coolant channels.
- the Wasserauslrawgephase with a liquid cooling 17a ", 17b” is equipped, which communicates with the liquid cooling of the cylinder head d. H. connected is.
- An integrated in the water outlet housing line 20 "for venting the crankcase connects to the provided in the cylinder head vent line and pierces the mounting end face 14b.
- FIG. 2b can be removed, the water outlet on a recess 19 for receiving a thermostat.
- An attachment flange 18 provided on the housing serves to connect an EGR valve. At this time, the exhaust gas to be recirculated flows from the housing at the inlet 18a into the EGR valve, back through the valve, and back into the housing at the outlet 18b, where it is cooled again as it flows through the second return pipe 7b.
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Abstract
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.The invention relates to a method for cooling a recirculating exhaust gas mass flow, which is diverted by means of a return line of an exhaust gas mass flow, which is discharged from at least one outlet of at least one provided in a cylinder head cylinder of an internal combustion engine, wherein the recirculated exhaust gas mass flow fed after leaving the cylinder head of a cooling device and is cooled.
Um die zukünftigen Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik mit unterschiedlichen und gegebenenfalls mehreren Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.In order to comply with the future limit values for pollutant emissions, state-of-the-art internal combustion engines are equipped with different and optionally several exhaust aftertreatment systems.
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.In addition, however, further action is required. The focus is on the reduction of nitrogen oxide emissions, which are particularly relevant for diesel engines. Since the formation of nitrogen oxides requires not only an excess of air but also high temperatures, a concept for reducing nitrogen oxide emissions is to develop combustion processes with lower combustion temperatures.
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 xAGR bestimmt sich dabei wie folgt:
Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 50% bis 70% liegen können.In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which can be on the order of x AGR ≈ 50% to 70%.
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.The line for returning the exhaust gas d. H. the return line is usually branched off from the entire exhaust line, namely downstream or upstream of an exhaust aftertreatment system provided in the entire exhaust line, or downstream or upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger.
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
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.According to the prior art, an additional cooler or a cooling device is provided in the return line through which passes the return line and with which the recirculated exhaust gas is cooled.
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.By means of the cooling device, the temperature is lowered in the hot recirculating exhaust gas mass flow and thus increases the density of the exhaust gases. By increasing the density, the volume is reduced, resulting in a decrease in flow losses.
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.The temperature of the cylinder fresh charge, which occurs in the mixture of fresh air sucked with the recirculated exhaust gases, is consequently also lowered, which is why the cooling device contributes to a better filling of the combustion chambers or the cylinder with fresh mixture.
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.In addition, the thermal load of a downstream of the cooling device provided in the return line valve for controlling the return rate (EGR valve) and / or a seal decreases, so lower quality requirements of the valve or the seal can be made.
Während ein nicht gekühlter Abgasmassenstrom im Einzelfall ein AGR-Ventil mit integrierter Kühlung, wie es beispielsweise in der
Gegebenenfalls kann das AGR-Ventil aus weniger temperaturfesten und damit weniger kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden, als wenn der rückzuführende Abgasmassenstrom nicht gekühlt werden würde.Optionally, the EGR valve can be made of less temperature-resistant and thus less expensive materials than if the recirculated exhaust gas mass flow would not be cooled.
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.In the cooling device used in the prior art is arranged adjacent to the cylinder head heat exchanger, in which the recirculated exhaust gas is introduced via return line and forwarded from which the cooled recirculated exhaust gas in turn by means of return line in the inlet region or on the intake side of the internal combustion engine becomes.
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.This procedure for cooling the recirculated exhaust gas mass flow has several disadvantages. On the one hand, an additional component, namely the cooling device, must be provided, which increases the mounting requirement and the manufacturing costs. In particular, the need to move return lines to the cooling device now and then away from the cooling device, make such cooling devices consuming.
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.On the other hand, the length of the return line increases considerably in that the return line to the cooling device now and then has to be led away from the cooling device. With the length, the volume of the return line increases, whereby the response of the exhaust gas recirculation worsened. The latter adversely affects the transient operation of the internal combustion engine.
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.Against the background of the above, it is the object of the present invention to provide a method for cooling a recirculating exhaust gas mass flow according to the preamble of claim 1, with which the known from the prior art disadvantages are overcome.
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.This object is achieved by a method for cooling a recirculating exhaust gas mass flow, which by means of a return line of an exhaust gas mass flow is branched off, which is discharged from at least one outlet of at least one provided in a cylinder head cylinder of an internal combustion engine, wherein the recirculating exhaust gas mass flow is fed and cooled after leaving the cylinder head of a cooling device, and which is characterized in that a unit of the internal combustion engine is used as a cooling device , which already has at least one additional task in the context of the operation of the internal combustion engine.
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.According to the invention, an already existing component is used for the cooling of the exhaust gas flow to be recirculated d. H. a component which is provided anyway, even if the intention to cool the recirculated exhaust gas, would not exist, because this component - without prejudice to the cooling of the exhaust gas recirculation - in the operation of the internal combustion engine is used or necessary.
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.As a component or aggregate for cooling the recirculating exhaust gas flow d in the present invention. H. Thus, according to the method according to the invention, each component or each group of components is used, the one or more already - in addition to the object of the exhaust gas cooling according to the invention - at least one further function d. H. Task with regard to the operation of the internal combustion engine.
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.In this respect, according to the invention no additional and serving exclusively as a cooling device unit is used, but used an existing and already required for the operation of the internal combustion engine component for cooling or as a cooling device.
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.In contrast to the prior art, no additional monofunctional component is provided for cooling the recirculating exhaust gas flow, so that the number of components due to the cooling of the exhaust gas recirculation (EGR) does not increase, which simplifies the assembly and reduces the manufacturing cost.
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.Furthermore, the inventive method allows a compact design of the entire drive unit and thus the densest possible packaging in the engine compartment, which is considered to be advantageous. As a result of the procedure according to the invention, the length of the return line is also shortened as a rule, in particular if a component is used as the cooling device, which component is immediately adjacent to the cylinder head Exhaust manifold or the Abgriffsstelle the exhaust gas recirculation or the return line is arranged.
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.With the reduction of the line length and the volume of the return line decreases, which is why the response of the exhaust gas recirculation improves. An internal combustion engine, in which the exhaust gas to be recirculated is cooled using the method according to the invention, thus has an exhaust gas recirculation with improved response and thus a fundamentally improved transient operating behavior.
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.With the method according to the invention, the object underlying the invention is thus achieved, namely to show a method for cooling a recirculated exhaust gas mass flow, with which the disadvantages known from the prior art are overcome.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the method are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom mittels Rückführleitung erneut dem Zylinderkopf zugeführt wird, wobei der Zylinderkopf als Kühlvorrichtung verwendet wird.Advantageous embodiments of the method in which the recirculated exhaust gas mass flow is fed by means of return line again to the cylinder head, wherein the cylinder head is used as a cooling device.
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.The cylinder head is within the meaning of the present invention, an aggregate of the internal combustion engine, which already has at least one additional task in the context of the operation of the internal combustion engine.
Zusammen mit den im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohren und den in den Zylinderrohren geführten Kolben bildet der Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.Together with the cylindrical tubes provided in the cylinder block and the pistons guided in the cylinder tubes, the cylinder head forms the combustion chambers of the internal combustion engine.
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.The cylinder head is often 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 change of charge, the expulsion of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber that is done Sucking 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 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.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 d. H. To ensure complete removal of the exhaust gases. Therefore, according to the prior art, increasingly two or more inlet or outlet openings are provided, but at least one inlet opening and at least one outlet opening.
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.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. The exhaust pipes of the cylinders are usually combined to form an overall exhaust gas line. The merging of the exhaust pipes to the entire exhaust line is referred to in general and in the context of the present invention as exhaust manifold or manifold. The exhaust manifold may be partially or fully integrated in the cylinder head.
Stromabwärts des Krümmers werden die Abgase gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.Downstream of the manifold, the exhaust gases are optionally supplied to the turbine of an exhaust gas turbocharger and / or one or more exhaust aftertreatment systems.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel d. h. einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet wird.Advantageous embodiments of the method, in which the cylinder head with a coolant jacket d. H. a liquid cooling is equipped.
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.In principle, it is possible to carry out the cooling of the cylinder head in the form of air cooling or liquid cooling. Due to the significantly higher heat capacity of liquids compared to air can with the liquid cooling much larger amounts of heat are dissipated, which is why the thermally highly loaded cylinder head is preferably equipped with a liquid cooling.
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.The liquid cooling requires the equipment of the cylinder head with a coolant jacket d. H. the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the cylinder head construction. The heat is emitted inside the cylinder head to the coolant, usually mixed with additives added water. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is removed in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again.
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.According to the embodiment in question, the exhaust gas mass flow to be recirculated is fed again by means of return line to the cylinder head, wherein the exhaust gas mass flow is cooled in the cylinder head. In this case, the exhaust gas releases heat to the cylinder head, in particular to the liquid cooling integrated in the cylinder head, so that the cylinder head is used or used as a cooling device. The heat given off by the exhaust gas to the coolant is then released into the environment in the heat exchanger provided outside the cylinder head.
Ein zusätzlicher Abgaskühler d. h. ein zusätzlicher Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases ist somit nicht erforderlich.An additional exhaust gas cooler d. H. an additional heat exchanger for cooling the exhaust gas is therefore not required.
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.Embodiments in which the coolant jacket integrated in the cylinder head at least partially surrounds the return line are advantageous. In this way, the recirculated exhaust gas is cooled particularly effectively.
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.Embodiments of the method in which the exhaust gas mass flow to be recirculated is fed by means of a return line to a component adjacent to the cylinder head are advantageous, the adjacent component being used as a cooling device.
An den Zylinderkopf grenzen eine Vielzahl von Bauteilen d. h. Aggregate an, die eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliche Aufgabe wahrnehmen.To the cylinder head a plurality of components that is to aggregates, which perform a required for the operation of the internal combustion engine task.
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.As a component adjacent to the cylinder head, within the scope of the present invention, any component is considered which adjoins the cylinder head without spacing or indirectly, for example separated only by a gasket. connects, is connected to the cylinder head and the already - in addition to the recording of the return line according to the invention - at least one further function d. H. Task with regard to the operation of the internal combustion engine.
Insofern wird wieder ein bereits vorhandenes und bereits für den Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliches Bauteil zur Kühlung des rückzuführenden Abgasmassenstroms verwendet.In this respect, an already existing and already required for the operation of the internal combustion engine component for cooling the recirculating exhaust gas mass flow is used again.
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.Embodiments of the method in which a component which has liquid cooling is used as the adjacent component are advantageous. As has already been explained above, substantially greater amounts of heat can be dissipated with liquid cooling than with air cooling, in which heat is removed by means of an air flow guided over the surface of the component. The more heat is removed from the exhaust gas, the stronger the temperature in the recirculating exhaust gas flow can be reduced, which is why the temperature of the cylinder fresh charge can be lowered significantly or can be influenced in a wider temperature range.
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.Advantageously, the walls of the adjacent component forming the liquid cooling system are formed as large as possible in order to increase the heat transfer by convection, which can be done for example by the arrangement of cooling fins or cooling knobs. The cooling ribs or cooling knobs can be arranged or formed both on the coolant side and on the exhaust side. In particular, cooling fins on the exhaust side are advantageous.
Gleiches gilt in analoger Weise für die Wandungen des in den Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantels, falls der Zylinderkopf als Kühlvorrichtung verwendet wird bzw. im allgemeinen.The same applies analogously to the walls of the integrated in the cylinder head coolant jacket, if the cylinder head is used as a cooling device or in general.
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.Embodiments of the method in which the liquid cooling of the adjacent component is connected to the coolant jacket, ie the liquid cooling of the cylinder head, are advantageous. According to this variant of the method form the two Liquid cooling a common coolant circuit, so that basically only one pump for conveying the coolant and only one heat exchanger must be provided for dissipating the heat to the environment.
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.Embodiments of the method are advantageous, for example, in which a coolant housing which serves to supply coolant to the coolant jacket of the cylinder head and / or to discharge coolant from the coolant jacket of the cylinder head is used as adjoining component. A coolant housing, with which coolant is guided into and out of the cylinder head, is inherently an adjoining component whose fluid cooling is connected to the liquid cooling of the cylinder head.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Kühlmittelgehäuse ein Wasseraustrittsgehäuse verwendet wird.Particularly advantageous embodiments of the method, in which a water outlet housing is used as the coolant housing.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom innerhalb des Zylinderkopfes mittels Rückführleitung abgezweigt wird.Advantageous embodiments of the method in which the recirculated exhaust gas mass flow is diverted within the cylinder head by means of return line.
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.According to this variant of the method, the tapping point for exhaust gas recirculation is integrated into the cylinder head. The integrated into the cylinder head tapping point allows the one-piece design of manifold and return line d. H. the avoidance of training and thus the sealing of a non-positive connection point between the manifold and return line. Furthermore, the integration of the tapping point leads to a reduction in the number of components and to a more compact design. The latter also supports the effort to achieve as dense as possible a packaging of the drive unit in the engine compartment. In addition, the integration of the tap point in the cylinder head usually leads to a shortening of the return line with the already mentioned above advantages.
Einen Zylinderkopf mit einer im Zylinderkopf integrierten Abgriffstelle zur Abgasrückführung beschreibt beispielsweise die
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
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.The exhaust manifold can also be fully integrated into the cylinder head. Such a cylinder head, in which connects to each outlet opening an exhaust pipe and merge the exhaust pipes of the cylinder within the cylinder head to an overall exhaust line, characterized by a very compact design, the total distance of the exhaust pipes of the exhaust manifold is reduced. The use of such a cylinder head also leads to fewer components and consequently to a reduction in costs, in particular the assembly and deployment costs.
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.Such a cylinder head is preferably equipped with a powerful cooling, since the thermal load is much higher than in a conventional cylinder head, which is equipped with an at least partially external manifold. The powerful cooling offers advantages in the cooling of the recirculating exhaust gas mass flow, in particular when the cylinder head is used as a cooling device.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der rückzuführende Abgasmassenstrom außerhalb des Zylinderkopfes mittels Rückführleitung abgezweigt wird.However, embodiments of the method in which the recirculated exhaust gas mass flow is diverted outside the cylinder head by means of a return line are also advantageous.
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.If the exhaust branched off downstream of the exhaust manifold, the Abgriffsstelle exhaust gas recirculation is usually outside of the cylinder head. The return line must be connected to the entire exhaust line, for example by means of a flange connection. The joint is on the one hand a potential leakage point for the unwanted escape of exhaust gases, which implies high demands on the seal. On the other hand, this connection is thermally highly loaded by the hot exhaust gases, so that high demands are placed on the execution of the connection.
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.Embodiments of the method in which an EGR valve provided in the return line and which serves to control the return rate are arranged downstream of the cooling device in the return line are advantageous.
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.A downstream provided EGR valve is thermally less heavily loaded, so that optionally can be dispensed with cooling of the EGR valve or less temperature-resistant and thus cheaper materials can be used to produce the valve.
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.The use of the method according to the invention is advantageous, in particular, in a supercharged internal combustion engine, since exhaust gas recirculation and charging are frequently used in combination and a supercharged internal combustion engine is subject to a higher thermal load, because the exhaust gas temperatures are comparatively high, so that the use of a cooling device for cooling the recirculated exhaust gas is particularly advantageous and recommended.
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.In addition, the dimensioning d. H. Determining the length of the exhaust ducts in supercharged internal combustion engines with respect to the combustion process of lesser importance than uncharged internal combustion engines, so that in turbocharged internal combustion engines, the generally short length of a - at least partially - integrated in the cylinder head manifold has no negative impact on the performance of the internal combustion engine.
Insofern ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, welche mit einem Zylinderkopf ausgestattet ist, der einen vollständig integrierten Abgaskrümmer aufweist.In this respect, the inventive method is particularly advantageous in a supercharged internal combustion engine, which is equipped with a cylinder head having a fully integrated exhaust manifold.
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.The use of the method according to the invention is advantageous in particular in internal combustion engines which are charged by means of turbocharging. In these internal combustion engines, the turbine of an exhaust gas turbocharger is arranged in the overall exhaust line, thereby increasing the exhaust pressure upstream of the turbine and thus the exhaust pressure in the manifold, which increases the pressure gradient between the exhaust side and suction side and supports the flow of exhaust gas in the return line, if assumed is that the return line upstream of the turbine branches off from the entire exhaust line or the manifold.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den
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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 inFigur 2a dargestellte Bauteil in einer perspektivischen Darstellung mit Blick auf die der Montagestirnseite gegenüberliegende Seite des Bauteils.
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Fig. 1 an embodiment of the cylinder head in a perspective view with a view of the mounting end face, -
Fig. 2a a component adjacent to the cylinder head in a perspective view with a view of the mounting end face, and -
Fig. 2b this inFIG. 2a shown component in a perspective view with a view of the mounting end side opposite side of the component.
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.The
Damit wird der rückzuführende Abgasmassenstrom nach Verlassen des Zylinderkopfes 13 einer Kühlvorrichtung 15 zugeführt und gekühlt.Thus, the recirculating exhaust gas mass flow after leaving the
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
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
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.The exhaust gas flow branched off and returned from the exhaust manifold within the
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.The
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.Furthermore, a line 20 'for venting the crankcase is integrated into the
Das in den
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.In addition to receiving the
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.In this respect, an aggregate or component 16 of the internal combustion engine is used as a cooling device 15 with the water outlet, which already has a further task in the context of the operation of the internal combustion engine.
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
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.The water outlet housing has two housing-
Eine im Wasserauslaßgehäuse integrierte Leitung 20" zur Entlüftung des Kurbelgehäuses schließt sich an die im Zylinderkopf vorgesehene Entlüftungsleitung an und durchstößt die Montagestirnseite 14b.An integrated in the water
Wie
- 7a7a
- Rückführleitung stromaufwärts des AGR-VentilReturn line upstream of the EGR valve
- 7b7b
- Rückführleitung stromabwärts des AGR-VentilReturn line downstream of the EGR valve
- 7a'7a '
- zylinderkopfseitige Rückführleitung stromaufwärts des AGR-VentilCylinder-head-side return line upstream of the EGR valve
- 7b'7b '
- zylinderkopfseitige Rückführleitung stromabwärts des AGR-VentilCylinder head side return line downstream of the EGR valve
- 7a"7a "
- bauteilseitige Rückführleitung stromaufwärts des AGR-VentilComponent-side return line upstream of the EGR valve
- 7b"7b "
- bauteilseitige Rückführleitung stromabwärts des AGR-VentilComponent-side return line downstream of the EGR valve
- 1313
- Zylinderkopfcylinder head
- 14a14a
- Montagestirnseite des ZylinderkopfesMounting front side of the cylinder head
- 14b14b
- Montagestirnseite des WasserauslaßgehäusesMounting end face of the water outlet housing
- 1515
- Kühlvorrichtungcooler
- 1616
- angrenzendes Bauteiladjacent component
- 17a'17a '
- zylinderkopfseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des ZylinderkopfesCylinder-head-side coolant channel, liquid cooling of the cylinder head
- 17b'17b '
- zylinderkopfseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des ZylinderkopfesCylinder-head-side coolant channel, liquid cooling of the cylinder head
- 17a"17a "
- bauteilseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des angrenzenden Bauteilscomponent-side coolant channel, liquid cooling of the adjacent component
- 17b"17b "
- bauteilseitiger Kühlmittelkanal, Flüssigkeitskühlung des angrenzenden Bauteilscomponent-side coolant channel, liquid cooling of the adjacent component
- 1818
- Befestigungsflanschmounting flange
- 18a18a
- Eintritt AGR-VentilInlet EGR valve
- 18b18b
- Austritt AGR-VentilOutlet EGR valve
- 1919
- Ausnehmungrecess
- 20'20 '
- zylinderkopfseitige Leitung zur Entlüftung des KurbelgehäusesCylinder-head-side pipe for venting the crankcase
- 20"20 "
- bauteilseitige Leitung zur Entlüftung des KurbelgehäusesComponent-side line for venting the crankcase
- AA
- Eintritt in die Rückführleitung 7aEntry into the return line 7a
- BB
- Austritt aus der Rückführleitung 7aExit from the return line 7a
- CC
-
Eintritt in die Rückführleitung 7bEntry into the
return line 7b - DD
-
Austritt aus der Rückführleitung 7bExit from the
return line 7b
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