DE102023002467A1

DE102023002467A1 - Exhaust manifold, cylinder head and method for designing exhaust manifolds

Info

Publication number: DE102023002467A1
Application number: DE102023002467.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bey; Maximilian Dunker; Nils Büchau
Original assignee: FEV Europe GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: FEV Europe GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2022-07-08
Filing date: 2023-06-19
Publication date: 2024-01-11
Also published as: DE102022117130A1

Abstract

Ein Abgaskrümmer 1 für eine Verbrennungskraftmaschine weist innenliegend einen Abgaskanal 10, 15 und davon außenliegend ein Kühlmittelkanal 50, 52 zur Kühlung von Abgas des Abgaskanals 10, 15 auf. Ein Isolationspalt 40, 42 ist derart zwischen dem Abgaskanal 10, 15 und dem Kühlmittelkanal 50, 52 angeordnet, dass der Wärmefluss der Kühlung durch den Isolationspalt 40, 42 stattfindet.An exhaust manifold 1 for an internal combustion engine has an exhaust duct 10, 15 on the inside and a coolant duct 50, 52 on the outside for cooling exhaust gas from the exhaust duct 10, 15. An insulation gap 40, 42 is arranged between the exhaust duct 10, 15 and the coolant duct 50, 52 such that the heat flow for cooling takes place through the insulation gap 40, 42.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer, einen Zylinderkopf, der mit einem Abgaskrümmer integriert ist und ein Verfahren zur konstruktiven Auslegung von Abgaskrümmern.The present invention relates to an exhaust manifold, a cylinder head that is integrated with an exhaust manifold and a method for the structural design of exhaust manifolds.

Bei Abgaskrümmem und/oder Zylinderköpfen von Verbrennungskraftmaschinen ist bekannt, dass im Abgaskanal Beschichtungen zum Einsatz kommen können, um bei erhöhten Temperaturen korrosionsbeständige Oberflächen zu schaffen und eine thermische Isolation zu bewirken. WO 2013/045018 A2 zeigt hierzu einen entsprechenden Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer. Aus DE 10 2019 116 894 A1 ist bekannt, dass Zylinderköpfe in einer additiven Verfahrensweise hergestellt werden können. Und aus DE 10 2007 026 123 B4 ist bekannt, dass ein Abgaskrümmer in einen Zylinderkopf eingegossen werden kann.In the case of exhaust manifolds and/or cylinder heads of internal combustion engines, it is known that coatings can be used in the exhaust duct in order to create corrosion-resistant surfaces at elevated temperatures and to provide thermal insulation. WO 2013/045018 A2 shows a corresponding cylinder head with an integrated exhaust manifold. Out of DE 10 2019 116 894 A1 It is known that cylinder heads can be manufactured using an additive process. And from DE 10 2007 026 123 B4 It is known that an exhaust manifold can be cast into a cylinder head.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das Kaltstartverhalten eines Motors zu verbessern und damit die Abgasemissionen zu reduzieren und gleichzeitig auch unter Volllast eine möglichst hohe Abgastemperatur zur Verfügung zu stellen, sodass eine hohe Turbinenleistung erzielt werden kann und dass eine Abgasnachbehandlung optimal funktioniert.The object of the present invention is to improve the cold start behavior of an engine and thus reduce exhaust emissions and at the same time to provide the highest possible exhaust gas temperature even under full load, so that a high turbine output can be achieved and that exhaust gas aftertreatment works optimally.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is solved with the features of the independent claims. Advantageous further training is the subject of the dependent claims.

Bei einem Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine ist innenliegend ein Abgaskanal und außen davon ein Isolationsspalt angeordnet. Außenliegend von dem Isolationsspalt ist ein Kühlmittelkanal zur Kühlung von Abgas des Abgaskanals angeordnet, wobei Isolationspalt derart zwischen dem Abgaskanal und dem Kühlmittelkanal angeordnet ist, dass der Wärmefluss der Kühlung durch den Isolationspalt stattfindet. Insbesondere kann der Wärmefluss der Kühlung mittels der Kühlmittelkanäle ausschließlich durch den Isolationsspalt stattfinden. Herkömmlich werden Kühlmittelkanäle vor allem derart ausgelegt, dass unter Volllastbedingung des Motors eine effektive und ausreichende Kühlung stattfindet. Das führt herkömmlich zum Ergebnis, dass die Kühlmittelkanäle unmittelbar benachbart zu dem Fließkanal des Abgases angeordnet sind. Aufgrund der Masse der Kühlmittelkanäle ergibt sich bei einem Kaltstart eine Verzögerung bei der Erwärmung des Abgases auf Betriebstemperatur, was die Abgas- und Verbrauchswerte bei dem Kaltstart verschlechtert. Der Isolationsspalt sorgt dafür, dass die Masse, die unmittelbar mit dem Fließkanal des Abgases (einstückig) verbunden ist, stark reduziert ist. Nachfolgend erläuterte Stege, die den Isolationsspalt überbrücken, sind in ihrer Anzahl, Lage und Dicke optimiert und sorgen dafür, dass einerseits bei dem Kaltstart die Wärmeableitung aus dem Abgas reduziert wird. Andererseits wird über sie bei Volllast die Wärme abgeleitet und so für eine ausreichend gute Kühlung gesorgt. Durch das Konzept ergibt sich eine hohe Abgastemperatur beim Kaltstart und ferner eine hohe Abgastemperatur unter Volllast im Vergleich zu integriertem Krümmer ohne Isolation. Zudem ergibt sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf hohem Temperaturniveau und dadurch geringere Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen. Zudem wird die Masse des Zylinderkopfes geringer, was einen kleineren Bauraum ermöglicht. Durch die Integration von dem Abgaskrümmer mit dem Zylinderkopf hat man weniger Dichtstellen und damit weniger Fehlermöglichkeiten der Leckage. In anderen Worten: Weniger Schraubverbindungen sind gut für die mechanische Festigkeit.In an exhaust manifold for an internal combustion engine, an exhaust gas duct is arranged on the inside and an insulation gap is arranged on the outside. A coolant channel for cooling exhaust gas from the exhaust gas channel is arranged on the outside of the insulation gap, with the insulation gap being arranged between the exhaust gas channel and the coolant channel in such a way that the heat flow of the cooling takes place through the insulation gap. In particular, the heat flow for cooling by means of the coolant channels can take place exclusively through the insulation gap. Conventionally, coolant channels are designed primarily in such a way that effective and sufficient cooling takes place under full engine load conditions. This usually leads to the result that the coolant channels are arranged immediately adjacent to the flow channel of the exhaust gas. Due to the mass of the coolant channels, there is a delay in the heating of the exhaust gas to operating temperature during a cold start, which worsens the exhaust gas and consumption values during a cold start. The insulation gap ensures that the mass that is directly connected to the flow channel of the exhaust gas (in one piece) is greatly reduced. The webs explained below, which bridge the insulation gap, are optimized in terms of their number, position and thickness and ensure that, on the one hand, the heat dissipation from the exhaust gas is reduced during a cold start. On the other hand, the heat is dissipated at full load, thus ensuring sufficiently good cooling. The concept results in a high exhaust gas temperature during cold start and also a high exhaust gas temperature under full load compared to an integrated manifold without insulation. In addition, there is an even temperature distribution at a high temperature level and therefore lower stresses due to different thermal expansions. In addition, the mass of the cylinder head is reduced, which enables a smaller installation space. By integrating the exhaust manifold with the cylinder head, there are fewer sealing points and therefore fewer opportunities for leakage errors. In other words: fewer screw connections are good for mechanical strength.

Vorteilhafterweise kann der Anteil der Oberflächen der Abgaskanäle denen unmittelbar ein Kühlmittelkanal zugeordnet ist, mindestens 50% und insbesondere mindestens 70% der Gesamtoberfläche der Abgaskanäle sein und bei diesem Anteil findet kein Wärmefluss der Kühlung statt, ohne dass der Wärmefluss durch den Isolationsspalt stattfindet. Der Isolationsspalt muss nicht zwingend an sämtlichen Oberflächen des Abgaskanals vorgesehen sein, da bereits bei einem Anteil von 50% tritt ein wesentlicher Effekt auftritt. Bspw. muss ein Isolationsspalt nicht bei dem Abgasrückführkanal zur Anwendung kommen, da die Temperaturanforderungen an ein rückgeführtes Abgas in den Frischluftstrang nicht hoch sind.Advantageously, the proportion of the surfaces of the exhaust ducts to which a coolant duct is directly assigned can be at least 50% and in particular at least 70% of the total surface area of the exhaust ducts and in this proportion there is no heat flow for cooling without the heat flow taking place through the insulation gap. The insulation gap does not necessarily have to be provided on all surfaces of the exhaust duct, as a significant effect already occurs at a proportion of 50%. For example, an insulation gap does not have to be used in the exhaust gas recirculation channel since the temperature requirements for a recirculated exhaust gas into the fresh air line are not high.

In einer alternativen Formulierung der Erfindung wird ein Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, bei dem innenliegend ein Abgaskanal und davon außen ein Isolationsspalt angeordnet sind. Dabei ist außenliegend von dem Isolationsspalt ein Kühlmittelkanal angeordnet. Insbesondere ist der Kühlmittelkanal aufgrund von räumlichen Entfernungen unmittelbar dem Abgaskanal zugeordnet. Die räumliche Zuordnung des Kühlmittelkanals zu dem Abgaskanal ergibt sich z.B. daraus, dass der Abstand zu anderen Abgaskanälen oder zu kühlenden Komponenten größer ist als zu dem ersten Abgaskanal. Der Isolationsspalt und der Kühlmittelkanal sind jeweils bevorzugt umlaufend um den Abgaskanal. Insbesondere kann der Aufbau derart sein, dass bei einem Schnitt quer zur Abgaskanallängsachse zunächst der Isolationsspalt und an der Stelle des Schnitts außen liegend vom Isolationsspalt ein Kühlmittelkanal angeordnet ist. Der Isolationsspalt ist insbesondere umlaufend um die Auslasskanäle der einzelnen Zylinder und/oder um einen gemeinsamen Krümmerabschnitt angeordnet, in dem sich die Auslasskanäle mehrerer Zylinder vereinigen. Die Lage ist insbesondere derart, dass ein radialer Vektor von der Abgasmittelkanalinie durch den Isolationsspalt und den zugeordneten Kühlmittelkanal führt. Auch kann der Aufbau derart sein, dass bei sämtlichen Kühlmittelkanälen der Auslasskanäle radial innen liegend von dem Kühlmittelkanal stets ein Isolationsspalt angeordnet ist. Ein ähnlicher Zusammenhang kann bei dem Krümmerabschnitt gegeben sein, dass zumindest auf der Hälfte der Länge des Krümmerabschnitts bei den Kühlmittelkanälen radial innen liegend ein Isolationsspalt vorgesehen ist.In an alternative formulation of the invention, an exhaust manifold for an internal combustion engine is provided, in which an exhaust gas duct is arranged on the inside and an insulation gap is arranged on the outside. A coolant channel is arranged on the outside of the insulation gap. In particular, the coolant channel is assigned directly to the exhaust gas channel due to spatial distances. The spatial assignment of the coolant channel to the exhaust channel results, for example, from the fact that the distance to other exhaust channels or components to be cooled is greater than to the first exhaust channel. The insulation gap and the coolant channel are each preferably circumferential around the exhaust gas channel. In particular, the structure can be such that, in the case of a cut transverse to the longitudinal axis of the exhaust duct, first the insulation gap is arranged and, at the point of the cut, a coolant channel is arranged on the outside of the insulation gap. The insulation gap is in particular arranged circumferentially around the outlet channels of the individual cylinders and/or around a common manifold section, in which the exhaust ports of several cylinders come together. The position is in particular such that a radial vector leads from the exhaust gas channel line through the insulation gap and the associated coolant channel. The structure can also be such that an insulation gap is always arranged radially on the inside of the coolant channel for all coolant channels of the outlet channels. A similar connection can be given in the manifold section in that an insulation gap is provided radially on the inside of the coolant channels at least on half the length of the manifold section.

Insbesondere ist vorteilhaft, wenn der Abgaskrümmer einstückig mit dem Zylinderkopf ausgeführt ist, wenn das Material, das zwischen dem Abgaskanal und dem Isolationsspalt liegt, einstückig als ein Abschnitt des Materials des Zylinderkopfs ausgebildet ist.It is particularly advantageous if the exhaust manifold is designed in one piece with the cylinder head if the material that lies between the exhaust duct and the insulation gap is formed in one piece as a section of the material of the cylinder head.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Abgaskrümmer für eine Verbrennungskraftmaschine zumindest zwei Auslasskanäle aufweisen, die mit Isolationsspalten versehen sind, die mantelförmig um die Auslasskanäle gelegt sind. Dabei vereinigen sich die Isolationsspalte in einem Krümmerabschnitt des Abgaskrümmers zu einem gemeinsamen mantelförmigen Isolationsspalt um den Krümmerabschnitt. Insbesondere kann die Vereinigung spalt-, unterbrechungs- und/oder absatzfrei sein. Hierdurch wird eine gute Isolation von den Auslasskanälen und dem Krümmerabschnitt gegenüber dem Rest vom Abgaskrümmer und/oder dem Rest vom Zylinderkopf erzielt. Die Auslasskanäle können Auslasskanäle desselben Zylinders sein und sind insbesondere Auslasskanäle von unterschiedlichen Zylindern.Alternatively or additionally, an exhaust manifold for an internal combustion engine can have at least two outlet channels which are provided with insulation gaps which are placed in the form of a jacket around the outlet channels. The insulation gaps in a manifold section of the exhaust manifold unite to form a common jacket-shaped insulation gap around the manifold section. In particular, the association can be free of gaps, interruptions and/or paragraphs. This achieves good insulation of the exhaust ports and the manifold section from the rest of the exhaust manifold and/or the rest of the cylinder head. The exhaust ports can be exhaust ports of the same cylinder and are in particular exhaust ports of different cylinders.

Vorteilhaft ist ferner, wenn bei einem Abgaskrümmer ein Fließkanal für das Abgas als eine gewölbte flächige Wand ausgeführt ist, die eine weitgehend gleichmäßige Wanddicke aufweist, die insbesondere 5 mm +/- 2 mm beträgt. Insbesondere kann diese Wand auslasskanalseitig einstückig als Teil des Zylinderkopfs beginnen und an einem abstromseitigen Flansch enden und im dazwischen liegenden Bereich im Wesentlichen keine Träger-, Führungs- und/oder Haltestrukturen umfassen, die einen Durchmesser oder Länge einer Querschnittsfläche von mehr als 5 mm aufweisen. Durch diese Ausgestaltung wird eine Materialanhäufung bei dem Abgaskanal vermieden, was bei einem Kaltstart die Wärmeabfuhr reduziert und somit die Erwärmung des Abgases für die Abgasaufbereitung beschleunigt.It is also advantageous if, in an exhaust manifold, a flow channel for the exhaust gas is designed as a curved, flat wall which has a largely uniform wall thickness, which is in particular 5 mm +/- 2 mm. In particular, this wall can start in one piece on the exhaust channel side as part of the cylinder head and end at a downstream flange and, in the area in between, essentially not include any support, guide and / or holding structures that have a diameter or length of a cross-sectional area of more than 5 mm. This configuration avoids an accumulation of material in the exhaust duct, which reduces heat dissipation during a cold start and thus accelerates the heating of the exhaust gas for exhaust gas treatment.

Insbesondere kann der Isolationsspalt als eine ununterbrochene und zumindest teilumlaufende Umhüllung von Abgaskanälen ab dem Auslassventil eines Zylinders, und insbesondere sämtlicher Zylinder, über eine Zusammenführung in einen gemeinsamen Krümmerkanal und bis zum abstromseitigen Flansch, insbesondere für einen Abgasturboladers, ausgeführt sein. Bevorzugt ist die ununterbrochene Umhüllung bei allen Abgaskanälen gegeben. Ferner ist bevorzugt die ununterbrochene Umhüllung über den gesamten Abgassammelkanal ausgeführt, dabei kann die Umhüllung bei Abschnitten des Abgassammelkanals, die beabstandet sind vom Abgasturbolader reduziert sein.In particular, the insulation gap can be designed as an uninterrupted and at least partially circumferential covering of exhaust ducts from the exhaust valve of a cylinder, and in particular all cylinders, via a merging into a common manifold duct and up to the downstream flange, in particular for an exhaust gas turbocharger. Preferably, uninterrupted covering is provided for all exhaust ducts. Furthermore, the uninterrupted covering is preferably carried out over the entire exhaust gas collection channel; the covering can be reduced in sections of the exhaust gas collecting channel that are spaced apart from the exhaust gas turbocharger.

Konkret kann eine Vielzahl von Stegen im Isolationsspalt radial innen liegende und außen liegende Oberflächen des Isolationsspalts miteinander verbinden, um so den Wärmeübergang des Abgases an ein Kühlmittel und/oder die mechanische Festigkeit des Abgaskrümmers zu verbessern. Insbesondere wird die Festigkeit und Lage des Fließkanals, der radial innen liegend ist und innerhalb dessen das Abgas fließt, verbessert. Durch die gezielte Auslegung der Gitterstruktur der Stege kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf einem hohen Temperaturniveau erzielt werden. Dadurch kann der in das Kühlwasser abgegebene Wärmestrom im Vergleich zu einem nicht isolierten integrierten Abgaskrümmer um 11% reduziert werden. Durch die Integration des Abgaskrümmers verkürzen sich die Strömungswege des Abgases bis zur Abgasturbine, die Abgasströmung kann durch große Radien im Krümmer verbessert und die thermische Masse, die im Kaltstart aufgeheizt werden muss, kann reduziert werden. Darüber hinaus ergibt sich durch die Integration des Abgaskrümmers ein deutlicher Bauraumvorteil im Vergleich zu einem externen Krümmer. Durch die Verwendung eines isolierten integrierten Abgaskrümmers lassen sich daher insbesondere für den Dieselmotor die Vorteile im Kaltstartverhalten nutzen und gleichzeitig kann durch die Isolation unter Volllast eine hohe Abgastemperatur sichergestellt werden. Die Fertigung geschieht bevorzugt mit einer additiven Herstellung, da die beschriebene Isolation mittels Gitterstrukturen bei konventionellen Herstellungsverfahren nur mir sehr großem Aufwand realisierbar ist.Specifically, a plurality of webs in the insulation gap can connect radially inner and outer surfaces of the insulation gap with one another in order to improve the heat transfer of the exhaust gas to a coolant and/or the mechanical strength of the exhaust manifold. In particular, the strength and position of the flow channel, which is located radially on the inside and within which the exhaust gas flows, is improved. Through the targeted design of the grid structure of the webs, an even temperature distribution at a high temperature level can be achieved. This allows the heat flow released into the cooling water to be reduced by 11% compared to a non-insulated integrated exhaust manifold. By integrating the exhaust manifold, the flow paths of the exhaust gas to the exhaust gas turbine are shortened, the exhaust gas flow can be improved through large radii in the manifold and the thermal mass that has to be heated up during a cold start can be reduced. In addition, the integration of the exhaust manifold results in a significant installation space advantage compared to an external manifold. By using an insulated integrated exhaust manifold, the advantages in cold start behavior can be used, especially for diesel engines, and at the same time a high exhaust gas temperature can be ensured under full load due to the insulation. Manufacturing is preferably done using additive manufacturing, since the described insulation using lattice structures can only be achieved with great effort using conventional manufacturing processes.

Insbesondere können mindestens 80% und bevorzugt mindestens 90% der säulenartigen oder stegartigen Verbindungen an ihren engsten Stellen einen Durchmesser von weniger als 2 mm, aufweisen. Dies gilt, wenn der Abgaskrümmer auf eine Verbrennungskraftmaschine von 120kW ausgelegt ist, und der Durchmesser bei anderen Verbrennungskraftmaschinen proportional ist. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen können alle der stegartigen Verbindungen den genannten Durchmesser aufweisen. Hierdurch werden übermäßig große Wärmebrücken vermieden.In particular, at least 80% and preferably at least 90% of the column-like or web-like connections can have a diameter of less than 2 mm at their narrowest points. This applies if the exhaust manifold is designed for an internal combustion engine of 120kW and the diameter is proportional to other internal combustion engines. In particularly preferred embodiments, all of the web-like connections can have the diameter mentioned. This avoids excessively large thermal bridges.

Konkret kann die Summe der Querschnittsflächen der säulen- oder stegartigen Verbindungen pro Fläche der Abgaskanaloberfläche benachbart zu den Auslassventilen kleiner sein als benachbart zum abstromseitigen Flansch. Alternativ oder zusätzlich kann die Summe der Querschnittsflächen der säulen- oder stegartigen Elemente pro Fläche der Abgaskanaloberfläche benachbart zum abstromseitigen Flansch höher sein, als im Krümmerabschnitt entfernt zu dem abstromseitigen Flansch. Dies ist das Ergebnis einer Optimierung in Bezug auf gleichmäßige Wärmeübertragung von dem Abgas in das Kühlwasser. Bspw. ist benachbart zu den Auslassventilen die Abgastemperatur besonders hoch, so dass mehr Wärme durch die Stege übertragen wird, so dass deren Anzahl niedriger sein kann.Specifically, the sum of the cross-sectional areas of the column- or web-like connections per area of the exhaust duct surface adjacent to the exhaust valves must be smaller than adjacent to the downstream flange. Alternatively or additionally, the sum of the cross-sectional areas of the column- or web-like elements per area of the exhaust duct surface adjacent to the downstream flange can be higher than in the manifold section away from the downstream flange. This is the result of optimization in terms of uniform heat transfer from the exhaust gas into the cooling water. For example, the exhaust gas temperature is particularly high adjacent to the exhaust valves, so that more heat is transferred through the webs, so that their number can be lower.

In einem Verfahren zur Auslegung eines Abgaskrümmers mit einem innen liegendem Abgaskanal und einem Kühlmittelkanalsystem, welches verteilt um den Abgaskanal angeordnet ist und mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht, wird der thermische Widerstand der Isolationsschicht, und insbesondere der Materialanteil von Stegen innerhalb des Isolationsspalts derartig angepasst, dass sich an unterschiedlichen Stellen des Kühlmittelsystems jeweils eine gleichmäßige Wärmeübertragung in das Kühlmittel ergibt, und/oder dass es zu einem gleichmäßigen Wärmeübergang innerhalb der Isolationsschicht kommt und/oder dass mechanische Belastungen des Abgaskrümmers aufgrund von thermischen Dehnungen abhängig vom Kalt-/Warmzustand des Motors reduziert werden. Mischformen der Optimierung sind mit umfasst. Durch die Optimierung wird ein Gleichgewicht gegensätzlicher Forderungen erreicht. Nämlich einerseits der Anforderung, dass die thermisch wirksame Gesamtmasse des Abgaskanals möglichst gering ist. Die thermisch wirksame Gesamtmasse setzt sich zusammen aus der unmittelbaren Masse des Abgaskanals, zusammen mit Wärmebrücken, über die die Wärme an benachbarte Strukturen abgeleitet werden kann. Und andererseits aus der Anforderung der Eignung, dass bei Vollastbedingungen der Abgasstrom ausreichend gekühlt werden kann. Hierfür ist eine gute Wärmeübertragung vom Abgas in das Kühlmittel vorteilhaft.In a method for designing an exhaust manifold with an internal exhaust duct and a coolant duct system, which is arranged distributed around the exhaust duct and with an insulation layer in between, the thermal resistance of the insulation layer, and in particular the material proportion of webs within the insulation gap, is adjusted in such a way that there is a uniform heat transfer into the coolant at different points in the coolant system, and/or that there is a uniform heat transfer within the insulation layer and/or that mechanical loads on the exhaust manifold due to thermal expansion are reduced depending on the cold/warm state of the engine . Mixed forms of optimization are included. Through optimization, a balance of conflicting demands is achieved. Namely, on the one hand, the requirement that the thermally effective total mass of the exhaust duct is as low as possible. The thermally effective total mass is made up of the immediate mass of the exhaust duct, together with thermal bridges through which the heat can be dissipated to neighboring structures. And on the other hand, from the suitability requirement that the exhaust gas flow can be sufficiently cooled under full load conditions. Good heat transfer from the exhaust gas into the coolant is advantageous for this.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von den Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen integrierten Zylinderkopf 2 mit einem Abgaskrümmer 1,
2 eine perspektivische Ansicht des Gegenstands der 1, und
3 eine Teilansicht einer Isolationsschicht.

The invention is described below using the figures as an example. Show it:

1 a section through an integrated cylinder head 2 with an exhaust manifold 1,
2 a perspective view of the subject matter 1 , and
3 a partial view of an insulation layer.

1 zeigt einen Schnitt durch einen oberen Bereich eines Zylinderkopfs 2 mit einem integrierten Abgaskrümmer 1. Linksseitig sind pro Zylinder zwei Einlasskanäle 20 gezeigt. Für die Einlassventile sind entsprechende einlassseitige Ventilführungen 22 vorgesehen. Auslassseitig sind ebenfalls Ventilführungen 12 gezeigt und über die entsprechenden Ventile wird das Verbrennungsgas in Auslasskanäle 10 geleitet. Die Auslasskanäle 10 der einzelnen Zylinder vereinigen in einen Krümmerabschnitt 15 des Abgaskrümmers 1. Der Hauptteil des Abgases wird zu einem abstromseitigen Flansch 62 geleitet, der insbesondere mit einem Abgasturbolader verbunden wird und hierüber wird das Abgas einer Abgasnachbehandlung zugeführt. Ein kleinerer Teil des Abgases wird über einen Kanal der Abgasrückführung 60 auf die Frischluftseite des Zylinderkopfs 2 geleitet, um dort in die Frischluft eingeleitet zu werden. Ferner sind Bohrungen 30 für Injektoren gezeigt, die in axialer Verlängerung der Zylinder des darunter angeordneten Motorblocks liegen. 1 shows a section through an upper region of a cylinder head 2 with an integrated exhaust manifold 1. Two inlet channels 20 are shown per cylinder on the left side. Corresponding inlet-side valve guides 22 are provided for the inlet valves. Valve guides 12 are also shown on the outlet side and the combustion gas is directed into outlet channels 10 via the corresponding valves. The outlet channels 10 of the individual cylinders combine into a manifold section 15 of the exhaust manifold 1. The main part of the exhaust gas is directed to a downstream flange 62, which is connected in particular to an exhaust gas turbocharger and through this the exhaust gas is fed to an exhaust gas aftertreatment. A smaller part of the exhaust gas is directed via a channel of the exhaust gas recirculation 60 to the fresh air side of the cylinder head 2 in order to be introduced into the fresh air there. Furthermore, bores 30 are shown for injectors, which are in the axial extension of the cylinders of the engine block arranged underneath.

Die Auslasskanäle 10 beginnen benachbart zu den Auslassventilen und werden nachfolgend zusammen mit dem Krümmerabschnitt 15 als Abgaskanäle 10, 15 bezeichnet. Die Abgaskanäle 10, 15 weisen jeweils einen Fließquerschnitt auf, der durch die Innenkontur eines Fließkanal 16 definiert wird. Der Fließkanal 16 ist als eine dünne Wand ausgebildet, die eine weitgehend gleichbleibend gleichmäßige Wandstärke aufweist. Die Wandstärke kann insbesondere 2 mm aufweisen. Radial außerhalb des Fließkanals 16 ist ein Isolationsspalt 40, 42 angeordnet. Mit dem Bezugszeichen 42 wird der Isolationsspalt um die einzelnen Auslasskanäle 10 bezeichnet und mit 40 der Isolationsspalt um den Krümmerabschnitt 15. Die Isolationsspalte 40 und 42 gehen spalt- und/oder absatz- und/oder abstandslos ineinander über. So ist der Fließkanal 16 grundsätzlich eine einzige Struktur gleicher Wanddicke, die freistehend ist, aber bei einem abstromseitigen Flansch 62 mit einer Tragstruktur des Zylinderkopfs 2 verbunden ist, sowie auch bei einem Übergang 16a in den Zylinderkopf 2. Zudem ist der Fließkanal 16 durch Stege 70 mit einer äußeren Struktur verbunden, die später im Detail beschrieben wird.The exhaust channels 10 begin adjacent to the exhaust valves and are hereinafter referred to together with the manifold section 15 as exhaust channels 10, 15. The exhaust channels 10, 15 each have a flow cross section that is defined by the inner contour of a flow channel 16. The flow channel 16 is designed as a thin wall which has a largely uniform wall thickness. The wall thickness can in particular be 2 mm. An insulation gap 40, 42 is arranged radially outside the flow channel 16. The reference number 42 denotes the insulation gap around the individual outlet channels 10 and 40 denotes the insulation gap around the manifold section 15. The insulation gaps 40 and 42 merge into one another without gaps and/or steps and/or distances. The flow channel 16 is basically a single structure of the same wall thickness, which is free-standing, but is connected to a support structure of the cylinder head 2 with a downstream flange 62, as well as with a transition 16a into the cylinder head 2. In addition, the flow channel 16 is through webs 70 associated with an external structure, which will be described in detail later.

Die Schraffur der 1 zeigt, dass benachbart zu den Injektorschachten 30 eine relativ große Materialanhäufung vorgesehen ist. So sind dort zwar die Ventilführungen 22 und Kühlbohrungen 32 sowie einige Kavitäten 31 vorgesehen, aber der Materialanteil ist ca. 50%. Diese Materialanhäufung ist notwendig, um die Verbrennungsdrücke von den darunter liegenden Zylindern aufnehmen zu können. Zudem sind in diesem Bereich Kühlmittelkanäle 52, die radial außen liegend von den Isolationsspalten 42 um die Auslasskanäle 10 liegen. Ebenso sind Kühlmittelkanäle 50 um den Krümmerabschnitt 15 angeordnet. Diese Kühlmittelkanäle 50 sind an außen liegenden Oberflächen des Abgaskrümmers 1. Sie haben insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt und eine gleichmäßige Wandstärke, so dass sie von außen wie umlaufende Rippen erscheinen, wie dies in 2 ersichtlich ist.The hatching of the 1 shows that a relatively large accumulation of material is provided adjacent to the injector shafts 30. The valve guides 22 and cooling holes 32 as well as some cavities 31 are provided there, but the material content is approx. 50%. This accumulation of material is necessary to absorb the combustion pressures from the cylinders below. In addition, there are coolant channels 52 in this area, which are located radially outside of the insulation gaps 42 around the outlet channels 10. Likewise, coolant channels 50 are arranged around the manifold section 15. These coolant channels 50 are on external surfaces of the exhaust manifold 1. In particular, they have a circular cross section and a uniform wall thickness, so that from the outside they appear like circumferential ribs, as shown in 2 is visible.

2 zeigt auch, wie der Abgaskrümmer 1 als ein einstückiges integriertes Teil mit dem Zylinderkopf 2 ausgeführt ist. So ist eine plane Oberseite erkennbar, an der eine Nockenwellenebene montierbar ist. An der gegenüber liegenden Seite wird der integrierte Abgaskrümmer 1, 2 mit einem Motorblock über Schraubverbindung 19 verbunden. 2 also shows how the exhaust manifold 1 is designed as a one-piece integrated part with the cylinder head 2. A flat top side can be seen on which a camshaft level can be mounted. On the opposite side, the integrated exhaust manifold 1, 2 is connected to an engine block via a screw connection 19.

3 zeigt das Volumen der Isolationsspalte 40 und 42, wobei das umgebende Material ausgeblendet ist. Rechts ist die Hälfte des Auslasses an den Abgasturbolader gezeigt. Als ein rohrförmiger Abschnitt ist linksseitig davon der Isolationsspalt 40 um den Krümmerabschnitt 15 gezeigt. Ferner sind Isolationsspalten 42 von den Auslasskanälen 10 von zwei Zylindern erkennbar. Über eine Vielzahl von Stegen 70 ist der Fließkanal 16 mit einer davon radial außen liegenden Struktur verbunden, in der die Kühlmittelkanäle 50, 52 eingebunden sind. Die Größe der Verbindungsstege und/oder deren Anzahl ist derart optimiert, dass eine möglichst effektive und gleichmäßige Wärmeableitung aus den Kühlmittelkanälen 50, 52 ermöglicht wird. Dabei kann insbesondere die Optimierung derart ausgelegt sein, dass ein möglichst gleichmäßig hohes Temperaturniveau an den Kühlmittelkanälen anliegt. Dabei wird insbesondere die Bedingung unter Volllast betrachtet. In 3 ist ein Ergebnis der Optimierung erkennbar. So ist in einem rechten Bereich 40a des Isolationsspalts 40, also benachbart zum Hauptauslass (also turboladerseitig) eine höhere Dichte der Stege 70 erkennbar, als bei Bereichen 40b, die davon entfernt sind. Im rechten Bereich 40a sind die Auslasskanäle 10 von mehr Zylindern in einen Kanal zusammengeführt als links davon und somit muss in diesem Bereich 40a mehr Wärme von dem Abgas abgeführt werden. 3 shows the volume of the isolation gaps 40 and 42 with the surrounding material hidden. Half of the outlet to the exhaust gas turbocharger is shown on the right. The insulation gap 40 around the bend section 15 is shown as a tubular section on the left side of it. Furthermore, insulation gaps 42 from the exhaust channels 10 of two cylinders can be seen. The flow channel 16 is connected via a plurality of webs 70 to a structure lying radially on the outside thereof, in which the coolant channels 50, 52 are integrated. The size of the connecting webs and/or their number is optimized in such a way that heat dissipation from the coolant channels 50, 52 is as effective and uniform as possible. In particular, the optimization can be designed in such a way that the highest possible temperature level is applied to the coolant channels. In particular, the condition under full load is considered. In 3 a result of the optimization can be seen. In a right area 40a of the insulation gap 40, i.e. adjacent to the main outlet (i.e. on the turbocharger side), a higher density of the webs 70 can be seen than in areas 40b that are away from it. In the right area 40a, the outlet channels 10 of more cylinders are merged into one channel than to the left of it and therefore more heat must be dissipated from the exhaust gas in this area 40a.

Die Kühlmittelkanäle 50 und 52 sind als ein Kanalsystem ausgebildet, das fluidal von den Isolationsspalten 40 und 42 getrennt ist. Vorstehend wurde die Erfindung in Bezug auf einen Zylinderkopf 2 mit einer Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern beschrieben. Dabei ist die Anzahl der Zylinder nicht erfindungsrelevant und die Erfindung ist auch auf Verbrennungskraftmaschinen mit einem Zylinder anwendbar.The coolant channels 50 and 52 are designed as a channel system that is fluidly separated from the insulation gaps 40 and 42. The invention has been described above with reference to a cylinder head 2 with an internal combustion engine with four cylinders. The number of cylinders is not relevant to the invention and the invention can also be applied to internal combustion engines with one cylinder.

Der Zylinderkopf 2 ist einstückig ein Teil mit dem Abgaskrümmer 1 und diese Kombination wird bevorzugt in einem additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck) hergestellt. Dabei wird der Isolationsspalt zwischen den Abgaskanälen 10, 15 derart optimiert, dass die Erwärmungsbedingungen bei einem Kaltstart möglichst unmittelbar sind. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass Massenanhäufungen, die Teil des Fließkanals 16 des Abgases sind, möglichst reduziert sind. Massenanhäufungen sind nämlich beim Motorstart kalt und für deren Erwärmung wird dem Abgas Wärme entzogen, so dass sie bei dem Motorstart einen Kühleffekt bewirken, der seinerseits dazu führt, dass die Temperatur des Abgases bei der Abgasaufbereitung sich nicht schnell auf Betriebsbedingungen erwärmt, und so sind die Abgas- und Verbrauchswerte bei diesen Startbedingungen nicht im Idealbereich. Andererseits wird auch ein gewisser thermischer Übergang von dem Fließkanal 16 zu dem Kühlmedium benötigt. Dieser Übergang geschieht durch den Isolationsspalt 40, 42, der zu diesem Zweck mit den Stegen 70 versehen sind. Die Größe und Lage und Anzahl der Stege wird über eine Simulation bestimmt. Dabei wird zunächst eine thermische Simulation mit einer vollständigen Luftspaltisolierung um den integrierten Krümmer durchgeführt. Durch die Verwendung realitätsnaher Randbedingungen auf der Auslass- und der Kühlwasserseite werden dadurch die Stellen erkennbar, die oberhalb der maximal zulässigen Temperatur liegen und an diesen Stellen werden die Stege 70 eingebracht oder deren Anzahl und/oder Durchmesser erhöht. Anschließend kann eine erneute thermische Simulation durchgeführt werden, um eventuelle weitere Hotspots zu identifizieren. Dieses Vorgehen kann iterativ angewendet werden, bis die gewünschte Temperatur über dem gesamten integrierten Abgaskrümmer erreicht ist.The cylinder head 2 is a one-piece part with the exhaust manifold 1 and this combination is preferably produced using an additive manufacturing process (3D printing). The insulation gap between the exhaust ducts 10, 15 is optimized in such a way that the heating conditions during a cold start are as immediate as possible. This happens in particular because mass accumulations, which are part of the flow channel 16 of the exhaust gas, are reduced as much as possible. Mass accumulations are cold when the engine is started and to heat them up, heat is removed from the exhaust gas, so that they cause a cooling effect when the engine is started, which in turn means that the temperature of the exhaust gas during exhaust gas treatment does not warm up quickly to operating conditions, and so they are Exhaust gas and consumption values are not in the ideal range under these starting conditions. On the other hand, a certain thermal transition from the flow channel 16 to the cooling medium is also required. This transition occurs through the insulation gap 40, 42, which is provided with the webs 70 for this purpose. The size, position and number of the webs are determined via a simulation. First, a thermal simulation is carried out with complete air gap insulation around the integrated manifold. By using realistic boundary conditions on the outlet and cooling water side, the points that are above the maximum permissible temperature can be identified and the webs 70 are introduced at these points or their number and/or diameter is increased. A new thermal simulation can then be carried out to identify any further hotspots. This procedure can be applied iteratively until the desired temperature is reached across the entire integrated exhaust manifold.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2013045018 A2 [0002]
DE 102019116894 A1 [0002]
DE 102007026123 B4 [0002]

Claims

Exhaust manifold (1) for an internal combustion engine, in which an exhaust duct (10, 15) is arranged on the inside and a coolant duct (50, 52) on the outside thereof for cooling exhaust gas from the exhaust duct (10, 15), characterized in that an insulation gap (40 , 42) arranged between the exhaust duct (10, 15) and the coolant duct (50, 52) in such a way that the heat flow for cooling takes place through the insulation gap (40, 42).

Exhaust manifold (1) according to Claim 1 , wherein the proportion of the surfaces of the exhaust ducts to which a coolant duct is directly assigned is at least 50% and in particular at least 70% of the total surface area of the exhaust ducts and in this proportion there is no heat flow for cooling without the heat flow through the insulation gap (40, 42). takes place.

Cylinder head (2) or exhaust manifold (1) according to Claim 1 or 2 , wherein the exhaust manifold (1) is designed in one piece with the cylinder head (2), and wherein the material that lies between the exhaust duct (10, 15) and the insulation gap (40, 42) is integrally formed as a section of the material of the cylinder head ( 2) is trained.

Exhaust manifold (1) for an internal combustion engine with at least two outlet channels (10), and with insulation gaps (42) which are placed in the form of a jacket around the outlet channels (10), the insulation gaps (42) being in the manifold section (15) of the exhaust manifold (1). combine to form a common jacket-shaped insulation gap (40) around the manifold section (15), in particular the combination being free of gaps, interruptions and/or offsets.

Exhaust manifold (1) according to one of the preceding claims, wherein for the exhaust gas a flow channel (16) is designed as a curved flat wall which has a largely uniform wall thickness, which is in particular 2 mm, this wall being integral on the exhaust channel side as part of the cylinder head (2) begins and ends at a downstream flange (62), in particular for an exhaust gas turbocharger, and in the area in between does not include any support, guide and/or holding structures which have a diameter or length of a cross-sectional area of more than 5 mm.

Exhaust manifold (1) according to one of the preceding claims, wherein the insulation gap (40, 42) acts as an uninterrupted and at least partially circumferential covering of exhaust channels (10, 15) from the exhaust valve of a cylinder, and in particular all cylinders, via a merging into a common manifold channel (15) and up to the downstream flange (62), in particular for an exhaust gas turbocharger.

Exhaust manifold (1) according to one of the preceding claims, wherein in the insulation gap (40, 42) a plurality of webs (70) connect radially inner and outer surfaces of the insulation gap (40, 42) with one another, so as to limit the heat transfer of the exhaust gas To improve coolant and/or the mechanical strength of the exhaust manifold.

Exhaust manifold (1) according to Claim 7 , wherein at least 80% and preferably at least 90% of the column-like or web-like connections have a diameter of less than 2 mm, preferably less than 1.5 mm, at their narrowest points if the exhaust manifold is designed for an internal combustion engine of 120 kW and the diameter is is proportional to other internal combustion engines.

Exhaust manifold (1) according to one of the preceding claims, wherein the sum of the cross-sectional areas of the column- or web-like elements per area of the exhaust duct surface (16) adjacent to the exhaust valves be smaller than adjacent to the downstream flange (62) and / or wherein the sum of Cross-sectional areas of the column- or web-like elements per area of the exhaust duct surface (16) adjacent to the downstream flange (62) must be higher than in the manifold section away from the downstream flange.

Method for designing an exhaust manifold (1) with an internal exhaust duct (10, 15) and a coolant duct system (50, 52), which is arranged distributed around the exhaust duct (10, 15) and with an insulation layer in between, in particular an insulation gap ( 40, 42), wherein the thermal resistance of the insulation layer, and in particular a material content of webs within the insulation gap (40, 42), is adjusted such that: - There is a uniform heat transfer into coolant at different points in the coolant system (50, 52), and/or - that there is a uniform heat transfer within the insulation layer and/or - that mechanical loads on the exhaust manifold due to thermal expansion are reduced depending on the cold/warm state of the engine.