DE102016004576A1

DE102016004576A1 - Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgaskrümmers

Info

Publication number: DE102016004576A1
Application number: DE102016004576.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Böcking; Jürgen Friedrich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer (40) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem Führungselement (42), welches zumindest einen mit wenigstens einem Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) fluidisch verbindbaren und von Abgas aus dem Brennraum (14) durchströmbaren Abgaskanal und eine dem Abgaskanal abgewandte, außenseitige und mit Luft kontaktierbare Oberfläche (44) aufweist, wobei wenigstens ein Einspritzelement (46) vorgesehen ist, mittels welchem zumindest ein Teilbereich der Oberfläche (44) mit einer Kühlflüssigkeit (48) zum Kühlen des Führungselements (42) zumindest mittelbar beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgaskrümmers.
Ein solcher Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise bereits der DE 10 2005 062 186 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Abgaskrümmer umfasst wenigstens ein Führungselement, welches zumindest einen mit wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbindbaren und von Abgas aus dem Brennraum durchströmbaren Abgaskanal zum Führen des Abgases aufweist. Ferner weist das Führungselement eine dem Abgaskanal abgewandte, außenseitige und mit Luft kontaktierbare beziehungsweise mit Luft in Kontakt stehende Oberfläche auf. Die Oberfläche ist beispielsweise von Luft umgeben beziehungsweise von Luft umströmbar.
Ferner offenbart die WO 2011/045659 A1 einen Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Führungselement, welches wenigstens einen von Abgas durchströmbaren Abgaskanal und eine dem Abgaskanal abgewandte, außenseitige Oberfläche aufweist. Durch die Oberfläche ist ein Kühlkanal zumindest teilweise begrenzt, wobei der Kühlkanal von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Diese Kühlflüssigkeit kann in Kontakt mit der Oberfläche treten.
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bekannt, dass die Start- und Warmlaufphase einer Verbrennungskraftmaschine enormes Potential zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes birgt. Demnach liegt ein Fokus der Entwicklung zukünftiger Verbrennungsmotoren auf einem schnellen Aufheizen des Gesamtsystems durch eine Reduzierung der Wärmeabfuhr.
Bedingt durch den ungebrochenen Trend des Downsizings zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes von Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, mit verbrennungsmotorischem Antrieb steigen des spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Ottomotoren, immer weiter an. Ermöglicht wird dies unter anderem durch eine Aufladung der beispielsweise mit einer Direkteinspritzung ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine. Unter der Aufladung ist die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere deren Brennräume, mit verdichteter Luft zu verstehen, wobei die Aufladung beispielsweise mittels wenigstens eines Abgasturboladers erfolgen kann.
Darüber hinaus ist das Bestreben groß, das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere des Ottomotors, welches direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine hat, möglichst hoch auszuführen. So ist ein Verdichtungsverhältnis von ε = 10:1 für einen aufgeladenen Reihen-Vierzylinder-Ottomotor mit einer spezifischen Leistung von 100 Kilowatt pro Liter Hubraum heute keine Seltenheit mehr.
Mit steigenden Werten für das Verdichtungsverhältnis, das spezifische Drehmoment und die spezifische Leistung der Verbrennungskraftmaschine wächst der Bedarf wirkungsvoller Kühlungsmaßnahmen erheblich. Während ein hohes Verdichtungsverhältnis primär zu einem erhöhten Risiko für irreguläre Verbrennung – die sogenannte klopfende Verbrennung oder Vorentflammung – führt, wächst beim heutigen Stand der Technik mit der Steigerung von spezifischem Drehmoment und spezifischer Leistung der Bedarf, eine deutlich größere Wärmemenge aus dem jeweiligen Brennraum und dem Abgas abzuführen. Aus der daraus resultierenden Prämisse, die Wärmeabfuhr zur Darstellung hoher Motorlasten zu maximieren, ergibt sich ein Zielkonflikt zu dem oben genannten Bestreben, die Wärmeabfuhr während der Start- und Warmlaufphase zu minimieren.
Aktuelle Ottomotoren verfügen zur Optimierung der Start- und Warmlaufphase über ein Thermomanagement, das Technologien zur Steuerung des Kühlwasserwärmestroms, eine optimierte Applikation zur Kaltstartzwecken und viele weitere Maßnahmen umfasst. Eine weitere Möglichkeit, die Wärmeabfuhr der Verbrennungskraftmaschine zu minimieren, stellt der sogenannte luftspaltisolierte Krümmer (LSI) dar, welcher auch als luftspaltisolierter Abgaskrümmer bezeichnet wird. Ein solcher luftspaltisolierter Krümmer ist beispielsweise der DE 103 57 125 A1 als bekannt zu entnehmen. Zum Maximieren der Wärmeabfuhr ist bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren – insbesondere mit hoher spezifischer Leistung – eine Vielzahl an Möglichkeiten bekannt. Zum einen ist diesbezüglich ein Wärmetauscher, der von der verdichteten Verbrennungsluft durchströmt wird und dieser damit Wärme entzieht, bekannt. Letztere wird vom Wärmetauscher dann direkt an die Umgebung oder an ein den Wärmetauscher durchströmendes Kühlmedium eines Niedertemperaturkreislaufs abgegeben. Es wird folglich zwischen der sogenannten direkten und der indirekten Ladeluftkühlung unterschieden. Die Abkühlung der Verbrennungsluft reduziert das Risiko irrregulärer Verbrennung und erlaubt damit eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses. Aufgrund des verfügbaren Bauraums und der übertragbaren Wärmemenge sind der Wärmeabfuhr mittels Ladeluftkühler jedoch Grenzen gesetzt.
Zum anderen birgt das Motorkühlsystem noch erhebliches Potential zur Wärmeabfuhr, insbesondere bei hoher Motorleistung. Neben einer Optimierung der Umströmung des jeweiligen, beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraums mit Kühlwasser und einer verbesserten Wärmeabfuhr an die Umgebung sind beispielsweise gekühlte Ventilsitzringe – insbesondere auf der Auslassseite des Brennraums – beispielsweise der DE 101 225 81 A1 oder DE 43 28 904 A1 als bekannt zu entnehmen.
Eine weitere Möglichkeit zur Wärmeabfuhr stellt die Kühlung der Turbinen des Abgasturboladers mittels einer Flüssigkeit dar, wie sie beispielsweise der DE 20 2014 104 463 U1 als bekannt zu entnehmen ist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die vergleichsweise große Fläche des Abgaskrümmers zur Wärmeabfuhr zu nutzen. Eine Möglichkeit stellt die Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine dar, so dass die dem Abgas entnommene Wärme dem Motorkühlwasserkreislauf zugeführt wird. Dieser Ansatz ist beispielsweise aus der DE 10 2010 024 319 A1 bekannt. Eine ähnliche Möglichkeit stellt die Umströmung des Abgaskrümmers mit Kühlwasser durch eine dazu geeignete Vorrichtung dar. Der wassergekühlte Abgaskrümmer ist beispielsweise der DE 10 2013 006 527 A1 als bekannt zu entnehmen.
Alle oben genannten Lösungen zur Wärmeabfuhr zeichnen sich dadurch aus, dass sich aus der sehr hohen möglichen Wärmeabfuhr ein Zielkonflikt zur oben genannten reduzierten Wärmeabfuhr in der Start- und Warmlaufphase des Verbrennungsmotors ergibt.
Der DE 10 2014 018 318 A1 ist ein Abgaskrümmer für eine Abgasanlage eines Kraftwagens als bekannt zu entnehmen. Der Abgaskrümmer weist einen Luftspalt auf, welcher bedarfsgerecht mit Luft durchströmt werden kann und damit eine Wärmeabfuhr bei hoher Motorlast ermöglicht und gleichzeitig keine negativen Auswirkungen auf die Start- und Warmlaufphase des Verbrennungsmotors mit sich bringt. Nachteilig wirkt sich allerdings aus, dass die abführbare Wärmemenge aufgrund der Durchströmung mit Luft, die eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmekapazität aufweist, deutlich niedriger ist, als die eines mit Kühlwasser umströmten Abgaskrümmers. Folglich ist der Aufwand zur Steigerung des Luftdurchsatzes enorm.
Um trotz des Einsatzes verschiedener Kühlungsmaßnahmen die Überschreitung der bauteilspezifischen Grenztemperaturen bei hohen Lasten zu verhindern, ist heute eine Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gängige Praxis. Der zu Kühlungszwecken zusätzlich eingespritzte Kraftstoff führt aufgrund des Sauerstoffmangels zu einem erhöhten Schadstoffausstoß, der insbesondere durch die zukünftige Abgasgesetzgebung (Real-Driving-Emissions) als kritisch zu bewerten ist. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Anreicherung stellt die Verwendung höherwertiger Werkstoffe dar.
Eine weitere, sehr effektive Möglichkeit zur Kühlung der Verbrennungsluft und zur Absenkung der Prozesstemperatur – und damit der Abgastemperatur – stellt die Einspritzung eines Kühlmediums in die verdichtete Verbrennungsluft dar. Durch diese, grundsätzlich bereits bekannte Maßnahme wird der Verbrennungsluft durch die hohe spezifische Wärmekapazität und die Verdampfung des Kühlmediums, welches beispielsweise als Flüssigkeit ausgebildet ist, Wärme entzogen. Neben der Reduzierung des Risikos einer klopfenden Verbrennung kann darüber hinaus auf etwaige Vorentflammungen reagiert oder diesen vorgebeugt werden, wie es beispielsweise in der DE 10 2012 207 904 A1 beschrieben ist. Alle derzeit bekannten Wassereinspritzanlagen haben gemeinsam, dass dem Brennraum Wasser zugeführt werden muss, was negative Auswirkung auf die Dauerhaltbarkeit vieler Komponenten des Triebwerks haben kann. Des Weiteren kann Korrosion auftreten oder eine Verdünnung des Motoröls vorkommen, die weitere Folgeschäden nach sich ziehen kann. Darüber hinaus ist die Dauerhaltbarkeit von Wassereinspritzanlagen für den Einsatz in Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, noch nicht nachgewiesen. Weiterhin stellt die Bereitstellung einer hinreichenden Menge an Wasser eine große Herausforderung dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgaskrümmer der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgaskrümmers zu schaffen, so dass der oben genannte Zielkonflikt zwischen der Realisierung einer hinreichenden Wärmeabfuhr und der Realisierung einer vorteilhaften und insbesondere kurzen Start- und Warmlaufphase gelöst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgaskrümmer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um einen Abgaskrümmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich der eingangs beschriebene Zielkonflikt zwischen der Realisierung einer vorteilhaften Wärmeabfuhr, insbesondere aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine, und der Realisierung einer besonders vorteilhaften und insbesondere besonders kurzen Start- und Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine lösen lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Einspritzelement vorgesehen, mittels welchem zumindest ein Teilbereich der Oberfläche mit einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Führungselements zumindest mittelbar beaufschlagbar ist. Durch das Kühlen des Führungselements kann auch das das Führungselement durchströmende Abgas infolge eines Wärmeübergangs an das Führungselement und beispielsweise weiter von dem Führungselement an die Kühlflüssigkeit gekühlt werden, so dass das Abgas effektiv und effizient gekühlt werden kann.
Durch den Einsatz des Einspritzelements ist dabei eine bedarfsgerechte Kühlung des Führungselements und des Abgases darstellbar, da das Führungselement – im Gegensatz zu einer dauerhaften Flüssigkeitskühlung des Führungselements – nicht dauerhaft mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt steht, sondern das Führungselement kann beispielsweise lediglich zeitweise mittels des Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise während einer ersten Zeitspanne das mittels des Einspritzelements bewirkte Beaufschlagen des Führungselements, insbesondere dessen Oberfläche, mit der Kühlflüssigkeit unterbleiben kann, so dass das Führungselement, insbesondere die Oberfläche, lediglich mit der die Oberfläche umgebenden Luft in Kontakt steht. Hierdurch kann eine übermäßige Wärmeabfuhr von dem Führungselement und von dem Abgas vermieden werden, so dass das Führungselement sowie beispielsweise andere, in einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Komponenten besonders schnell erwärmt werden können. Dadurch kann die Start- und Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine besonders kurz gehalten werden. Während einer von der ersten Zeitspanne unterschiedlichen, zweiten Zeitspanne kann beispielsweise das Führungselement, insbesondere dessen Oberfläche, mittels des Einspritzelements mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden, so dass die Oberfläche mit der Kühlflüssigkeit benetzt wird. Hierdurch kann eine besonders hohe Menge an Wärme von dem Führungselement und dem Abgas abtransportiert werden, so dass übermäßige Temperaturen des Führungselements und insbesondere des Abgases und somit übermäßige Temperaturen von anderen, in der Abgasanlage angeordneten Komponenten vermieden werden können.
Zur Realisierung dieser bedarfsgerechten Beaufschlagung der Oberfläche des Führungselements umfasst das Einspritzelement beispielsweise wenigstens eine Ausspritzöffnung, über welche die Kühlflüssigkeit aus dem Einspritzelement ausgespritzt werden kann. Der Ausspritzöffnung ist beispielsweise wenigstens ein Schließelement zugeordnet, welches – insbesondere relativ zu einem Gehäuse des Einspritzelements – zwischen einer die Ausspritzöffnung fluidisch versperrenden Schließstellung und wenigstens einer die Ausspritzöffnung freigebenden Offenstellung bewegbar ist. Zum Bewegen des Schließelements, welches auch als Ventilelement bezeichnet wird, umfasst das Einspritzelement beispielsweise ein Stellglied, mittels welchem das Schließelement bewegbar ist. Das Stellglied ist dabei beispielsweise elektrisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch bewegbar und kann beispielsweise als Magnet, insbesondere Elektromagnet, ausgebildet sein, so dass das Einspritzelement beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist.
Insbesondere ist es mittels des Einspritzelements möglich, die in Kontakt mit der Oberfläche stehende Luft, welche die Oberfläche beispielsweise umgibt beziehungsweise umströmt, mit der Kühlflüssigkeit zu versetzen, so dass sich beispielsweise ein feiner Sprühnebel bildet, welcher die in Kontakt mit der Oberfläche stehende beziehungsweise die Oberfläche umströmende Luft und die aus dem Einspritzelement ausgespritzte Kühlflüssigkeit umfasst. Mittels dieses feinen Sprühnebels können die Oberfläche und somit das Führungselement und das das Führungselement durchströmende Abgas besonders gut und effektiv gekühlt werden.
Mit anderen Worten kann durch den Einsatz des Einspritzelements das Führungselement beziehungsweise der Abgaskrümmer insgesamt effektiv gekühlt werden, so dass übermäßig hohe Abgastemperaturen der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden können. Die Kühlung des Abgases erfolgt beispielsweise durch einen Wärmeübergang von dem das Führungselement durchströmenden Abgas an das Führungselement und weiter von dem Führungselement an die Kühlflüssigkeit, die infolge der Beaufschlagung des Führungselements, insbesondere der Oberfläche, mit der Kühlflüssigkeit die Oberfläche berührt. Dabei weist die Kühlflüssigkeit einen wesentlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten als die Luft auf, so dass durch das Beaufschlagen der Oberfläche mit der Kühlflüssigkeit eine effektive Kühlung des Führungselements und somit des Abgases realisierbar ist. Unterbleibt das Beaufschlagen der Oberfläche mit der Kühlflüssigkeit, so erfolgt kein oder ein nur geringer Wärmeübergang von dem Führungselement an die das Führungselement umgebende beziehungsweise umströmende Luft, so dass auch eine übermäßige Kühlung des das Führungselement durchströmenden Abgases unterbleibt. Hierdurch kann die Start- und Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine besonders kurz gehalten werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine in besonders kurzer Zeit auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur gebracht werden kann. Dadurch kann in besonders effizienter und somit wirkungsgradgünstiger beziehungsweise kraftstoffverbrauchs- und CO₂-emissionsarmer Betrieb realisiert werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist, eine bedarfsgerechte Wärmeabfuhr aus dem Abgas über die Oberfläche des Führungselements zu realisieren, indem die das Führungselement umgebende beziehungsweise umströmende Luft mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagt beziehungsweise befeuchtet wird. Dies erfolgt derart, dass mittels des Einspritzelements die Kühlflüssigkeit in die Luft eingebracht werden kann. Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich beispielsweise um Wasser, so dass eine besonders effektive Kühlung realisiert werden kann. Die vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität und die hohe Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit führen zu einer im Vergleich zur Luft signifikant verbesserten Kühlwirkung.
Das Einspritzelement wird auch als Gemischbildner bezeichnet, welches – wie zuvor beschrieben – die wenigstens eine oder mehrere Ausspritzöffnungen insbesondere in Form von feinen Düsen aufweist. Mittels der Ausspritzöffnung wird die Kühlflüssigkeit, insbesondere in der Nähe des Führungselements, und insbesondere unter Druck in Richtung des Führungselements ausgespritzt und dadurch beispielsweise zerstäubt. Hierdurch entsteht beispielsweise ein feiner Sprühnebel, insbesondere ein feiner Wassersprühnebel. Durch die Verdunstung des feinen Sprühnebels, insbesondere an der Oberfläche des Führungselements, wird dem Führungselement eine große Menge an Wärme entzogen, was zu einer signifikanten Reduzierung der Temperatur des Abgases führt.
Insbesondere ist es denkbar, dass der Abgaskrümmer als luftspaltisolierter Krümmer (LSI) ausgebildet ist, wie es beispielsweise in der DE 103 57 125 A1 beschrieben ist, deren Inhalt vollständig als Teil dieser Offenbarung anzusehen ist. Dabei weist der Abgaskrümmer wenigstens ein Gehäuseelement auf, welches zumindest einen Teilbereich des Führungselements umgibt und zumindest von dem Teilbereich beabstandet ist, wodurch zwischen dem Führungselement und dem Gehäuseelement ein durch das Führungselement und das Gehäuseelement jeweils zumindest teilweise begrenzter Spalt angeordnet ist. Der Spalt ist beispielsweise einerseits durch das Führungselement und andererseits durch das Gehäuseelement begrenzt, wobei der Spalt einerseits insbesondere durch die Oberfläche des Führungselements begrenzt ist. Dabei ist der Spalt von der zuvor genannten Luft durchströmbar, wie es beispielsweise in der DE 10 2014 018 318 A1 beschrieben ist, deren Inhalt vollständig als Teil dieser Offenbarung anzusehen ist.
Dabei ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die den Spalt, welcher auch als Luftspalt bezeichnet wird, durchströmende Luft mittels des Einspritzelements mit der Kühlflüssigkeit zu beaufschlagen, indem mittels des Einspritzelements die Kühlflüssigkeit in die Luft eingebracht wird. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Luft vor Eintritt in den Luftspalt mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagt wird. Mit anderen Worten ist die Flüssigkeit an wenigstens einer stromauf des Spalts angeordneten Stelle mittels des Einspritzelements in die dem Spalt zuzuführende Luft einbringbar, so dass die Luft bereits vor dem Eintritt in den Luftspalt mit der Kühlflüssigkeit versetzt ist. Dadurch erhöht die dem Luftstrom zugeführte und beispielsweise als Wasser ausgebildete Kühlflüssigkeit die abführbare Wärmemenge zur Reduzierung der Abgastemperatur signifikant.
Bedingt durch den Umstand, dass die beispielsweise als Wasser ausgebildete Kühlflüssigkeit nicht in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eindringt, sind die Ansprüche an die Qualität der Kühlflüssigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Wassereinspritzanlagen sehr gering. Bei der genutzten Kühlflüssigkeit muss es sich folglich nicht zwingend um demineralisiertes oder destilliertes Wasser handeln. Vielmehr ist sogar die Nutzung von Regenwasser, insbesondere gefiltertem Regenwasser, als die Kühlflüssigkeit denkbar, wobei das Regenwasser bei Niederschlägen von der Karosserie eines den erfindungsgemäßen Abgaskrümmer umfassenden Fahrzeugs aufgefangen und in einem Tank gesammelt werden kann.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Abgaskrümmers. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgaskrümmers sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt. Im Rahmen des Verfahrens wird die Kühlflüssigkeit mittels des Einspritzelements in die mit der Oberfläche in Kontakt stehenden beziehungsweise die Oberfläche umströmende Luft eingebracht, um dadurch eine bedarfsgerechte Kühlung des Führungselements und des Abgases zu realisieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Fahrzeug, mit wenigstens einem Einspritzelement, mittels welchem zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche eines Abgaskrümmers mit einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Abgaskrümmers zumindest mittelbar beaufschlagbar ist; und
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Fahrzeug in Form eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine 10 wird auch als Verbrennungsmotor bezeichnet und ist beispielsweise als Ottomotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein Zylindergehäuse 12 auf, durch welches wenigstens ein als Zylinder 14 ausgebildeter Brennraum gebildet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass vorliegend durch das Zylindergehäuse 12 eine Mehrzahl von Zylindern 14 gebildet ist. Dem jeweiligen Zylinder 14 ist ein Einspritzelement 16 zugeordnet, welches auch als Gemischbildner bezeichnet wird. Mittels des Einspritzelements 16 ist ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 in den jeweils zugeordneten Zylinder 14, insbesondere direkt, einbringbar, insbesondere einspritzbar.
Während ihres Betriebs saugt die Verbrennungskraftmaschine 10 Luft an, welche einen Ansaugtrakt 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmt. Mittels des Ansaugtrakts 18 wird die Luft in die Zylinder 14 geleitet. Dabei ist in dem Ansaugtrakt 18 ein Luftfilter 20 angeordnet, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft gefiltert wird. Die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft ist in 1 durch einen Pfeil 22 veranschaulicht.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst hierzu wenigstens einen Abgasturbolader 24, welcher einen in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Verdichter 26 umfasst. Mittels des Verdichters 26 wird die Luft verdichtet, so dass die Zylinder 14 mit der verdichteten Luft versorgt werden können. Dies wird auch als Aufladen bezeichnet, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 18 stromab des Verdichters 26 eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 28 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.
Die verdichtete und gekühlte Luft kann in die Zylinder 14 einströmen, so dass in den jeweiligen Zylindern 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Dieses jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Das Abgas kann aus den Zylindern 14 aus- und in einen Abgastrakt 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 einströmen, so dass der Abgastrakt 30 von dem Abgas durchströmbar ist. In dem Abgastrakt 30 ist eine Turbine 32 des Abgasturboladers 24 angeordnet. Die Turbine 32 ist von dem Abgas antreibbar, wobei der Verdichter 26 von der Turbine 32 antreibbar ist. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden, so dass ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisierbar ist.
Die insbesondere verdichtete Luft wird auch als Verbrennungsluft bezeichnet, welcher mittels des Ladeluftkühlers 28 Wärme entzogen wird, bevor die Verbrennungsluft eine im Ansaugtrakt 18 stromab des Ladeluftkühlers 28 angeordnete Drosselklappe 34 durchströmt und schließlich den Zylindern 14 zugeführt wird.
Nach der Verbrennung des jeweiligen Kraftstoff-Luft-Gemisches wird das Abgas eines jeden Zylinders 14 ausgeschoben und der Turbine 32 zugeführt. Somit kommt es zu einem durch einen Pfeil 36 veranschaulichten Abgasmassenstrom, welcher den Abgastrakt 30 durchströmt. Der Abgasmassenstrom wird schließlich ins Freie geleitet, nachdem der Abgasmassenstrom eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 des Abgastrakts 30 durchströmt hat. Der Abgastrakt 30 wird auch als Abgasanlage bezeichnet und dient dem Führen des Abgases.
In dem Abgastrakt 30 ist ein im Ganzen mit 40 bezeichneter Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Der Abgaskrümmer 40 umfasst wenigstens ein Führungselement 42, welches zumindest einen in 1 nicht näher dargestellten und mit den Zylindern 14 fluidisch verbundenen und demzufolge von dem Abgas aus den Zylindern 14 durchströmbaren Abgaskanal sowie eine dem Abgaskanal abgewandte, außenseitige und mit Luft kontaktierbare Oberfläche 44 aufweist. Dies bedeutet, dass Luft die Oberfläche 44 kontaktieren und dabei beispielsweise umströmen kann.
Um nun einerseits eine besonders effektive Kühlung des Abgases zu realisieren und somit übermäßige Temperaturen des Abgastrakts 30 zu vermeiden und andererseits die Start- und Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders kurz zu halten, ist wenigstens ein Einspritzelement 46 vorgesehen, mittels welchem zumindest ein Teilbereich der außenseitigen Oberfläche 44 mit einer Kühlflüssigkeit vorliegend in Form von Wasser 48 zumindest mittelbar beaufschlagbar ist. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass mittels des Einspritzelements 46 die die Oberfläche 44 umgebende beziehungsweise kontaktierende Luft mit dem Wasser 48 aus einem beispielsweise als Tank ausgebildeten Reservoir 50 befeuchtet werden kann. Hierzu ist das Einspritzelement 46 über wenigstens eine Leitung 52 fluidisch mit dem Reservoir 50 verbunden, so dass das Wasser 48 aus dem Reservoir 50 über die Leitung 52 zu dem Einspritzelement 46 geführt werden kann. Das Wasser 48 ist dabei in dem Reservoir 50 aufgenommen, welches zumindest teilweise mit dem Wasser 48 gefüllt ist.
Das Einspritzelement 46 ist beispielsweise eine Einspritzdüse, welche nicht notwendigerweise elektrisch ansteuerbar sein muss. In der Leitung 52 ist vorliegend eine Pumpe 54 angeordnet, mittels welcher das Wasser 48 aus dem Reservoir 50 zu dem Einspritzelement 46 gefördert werden kann beziehungsweise gefördert wird.
Das Einspritzelement 46 weist wenigstens eine beispielsweise in Überdeckung mit der Oberfläche 44 angeordnete Ausspritzöffnung auf, über welche das über die Leitung 52 zu dem Einspritzelement 46 geführte Wasser 48 aus dem Einspritzelement 46 ausgespritzt und insbesondere gegen die Oberfläche 44 gespritzt werden kann. Durch das Ausspritzen des Wassers 48 aus dem Einspritzelement 46 bildet sich ein feiner Sprühnebel 56. Mit anderen Worten wird das Wasser 48 mittels des Einspritzelements 46 in Richtung des Führungselements 42 und insbesondere der Oberfläche 44 zu dem feinen Sprühnebel 56 zerstäubt. Alternativ zur als Förderpumpe ausgebildeten Pumpe 54 ist der Einsatz eines Druckübersetzers denkbar.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass der Abgaskrümmer 40 als luftspaltisolierter Krümmer (LSI) ausgebildet ist. Hierbei umfasst der Abgaskrümmer 40 ein Gehäuseelement 58, welches zumindest einen Teilbereich des Führungselements 42 umgibt und von dem Teilbereich beabstandet ist, wodurch zwischen dem Führungselement 42 und dem Gehäuseelement 58 wenigstens ein Spalt 60 angeordnet ist, welcher – wie in 2 durch Pfeile 62 veranschaulicht – von Luft durchströmbar ist. Beispielsweise wird die Luft in den Spalt 60 gefördert. Der Feuchtigkeitsgehalt der den Spalt 60 durchströmenden Luft kann durch den mittels des Einspritzelements 46 bewirkbaren feinen Sprühnebel 56 vorliegend vor Eintritt in den Spalt 60 signifikant erhöht werden. Dies bedeutet, dass das Wasser 48 mittels des Einspritzelements 46 stromauf des Spalts 60 in die den Spalt 60 durchströmende Luft eingebracht wird. Die feuchte Luft durchströmt den Abgaskrümmer 40 beziehungsweise den Spalt 60 und erhöht die mögliche Wärmeabfuhr zur Reduzierung der Abgastemperatur.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 ist somit eine signifikante Reduzierung der Abgastemperaturen in Betriebsbereichen hoher Motorlast ohne negative Auswirkungen auf die Start- und Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 10 realisierbar. Der sich durch die deutliche Steigerung der Wärmeabfuhr ergebende, primäre Vorteil ist der sinkende oder entfallende Bedarf zur Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit Kraftstoff aus Bauteilschutzgründen. Dies hat eine signifikante Reduzierung der Schadstoffemissionen sowie des Kraftstoffverbrauchs – und damit der CO₂-Emissionen – zur Folge. Darüber hinaus können Brennkraftmaschinen mit weiter gesteigerter spezifischer Leistung entwickelt und damit das Downsizing für CO₂-Emissionen fortgesetzt werden. Ferner ergeben sich folgende Vorteile: geringer Wärmeeintrag ins Motorkühlwasser, der unter anderem zur Entlastung des Kühlsystems führt; Reduzierung beziehungsweise Entfall der Kraftstoffanreicherung zum Bauteilschutz bei hohen Lasten und damit Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs; Reduzierung der Schadstoffemissionen; und Potential zu weiterem Downsizing zur Senkung der CO₂-Emissionen.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylindergehäuse
14: Zylinder
16: Einspritzelement
18: Ansaugtrakt
20: Luftfilter
22: Pfeil
24: Abgasturbolader
26: Verdichter
28: Ladeluftkühler
30: Abgastrakt
32: Turbine
34: Drosselklappe
36: Pfeil
38: Abgasnachbehandlungseinrichtung
40: Abgaskrümmer
42: Führungselement
44: Oberfläche
46: Einspritzelement
48: Wasser
50: Reservoir
52: Leitung
54: Pumpe
56: Sprühnebel
58: Gehäuseelement
60: Spalt
62: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005062186 A1 [0002]
WO 2011/045659 A1 [0003]
DE 10357125 A1 [0008, 0025]
DE 10122581 A1 [0009]
DE 4328904 A1 [0009]
DE 202014104463 U1 [0010]
DE 102010024319 A1 [0011]
DE 102013006527 A1 [0011]
DE 102014018318 A1 [0013, 0025]
DE 102012207904 A1 [0015]

Claims

Abgaskrümmer (40) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem Führungselement (42), welches zumindest einen mit wenigstens einem Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) fluidisch verbindbaren und von Abgas aus dem Brennraum (14) durchströmbaren Abgaskanal und eine dem Abgaskanal abgewandte, außenseitige und mit Luft kontaktierbare Oberfläche (44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Einspritzelement (46) vorgesehen ist, mittels welchem zumindest ein Teilbereich der Oberfläche (44) mit einer Kühlflüssigkeit (48) zum Kühlen des Führungselements (42) zumindest mittelbar beaufschlagbar ist.
Abgaskrümmer (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzelement (46) wenigstens eine in Überdeckung mit der Oberfläche (44) angeordnete Ausspritzöffnung zum Spritzen der Kühlflüssigkeit (48) aus dem Einspritzelement (46) und gegen die Oberfläche (44) aufweist.
Abgaskrümmer (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (40) als luftspaltisolierter Abgaskrümmer ausgebildet ist und wenigstens ein Gehäuseelement (58) aufweist, welches zumindest einen Teilbereich des Führungselements (42) umgibt und von dem Teilbereich beabstandet ist, wodurch zwischen dem Führungselement (42) und dem Gehäuseelement (58) ein Spalt (60) angeordnet ist, welcher von der Luft durchströmbar ist.
Abgaskrümmer (40) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (48) an wenigstens einer stromauf des Spalts (60) angeordneten Stelle mittels des Einspritzelements (46) in die dem Spalt (60) zuzuführende Luft einbringbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgaskrümmers (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.