Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse mit einem Strömungskanal, über den ein Einlass des Strömungsgehäuses mit einem ersten Auslass und einem zweiten Auslass verbunden ist, der in eine Abgasrückführleitung mündet, einem Zylinderkopf mit einem ersten Abgaskanal, der unmittelbar mit dem Einlass des Strömungsgehäuses verbunden ist, und einem zweiten Abgaskanal, der fluidisch mit einem Abgasauslasskanal verbunden ist, und in den der erste Auslass des Strömungsgehäuses mündet.

Abgassysteme bestehen üblicherweise aus den Abgaskanälen im Zylinderkopf sowie einem daran angeschlossenen Abgaskrümmer, in dem die einzelnen Abgaskanäle zusammengeführt werden. Vom Abgaskrümmer aus führt eine Abgasleitung zur Turbine eines Abgasturboladers, von dem aus die Abgasleitung, in der noch einige Aggregate zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind, nach außen geführt wird. Zusätzlich zweigt vor oder hinter der Turbine von der Abgasleitung eine Abgasrückführleitung ab, über die zur Schadstoffreduzierung Abgas zum Zylinder zurückgeleitet wird. Wird das Abgas vor der Turbine entnommen wird dies als Hochdruckabgasrückführung bezeichnet, bei Abnahme hinter der Turbine als Niederdruckabgasrückführung. Je nach Motorbauart sind auch Abgassysteme bekannt geworden, bei denen die Abgasrückführung im Hochdruckbereich nur ausgehend von einem der Zylinder vorgenommen wird. Durch diese Ausbildungen des Abgasbereiches wird jedoch häufig im Bereich des Motorraumes im Fahrzeug zu viel Bauraum benötigt. Um den vorhandenen Bauraum möglichst optimal zu nutzen, wird in der CN 209 53 673 U ein dreiteiliger Abgaskrümmer vorgeschlagen, der an den Zylinderkopf angeflanscht wird, wobei jedes Teil zwei Verbindungsöffnungen aufweist, durch die das Abgas des 6 Zylinder- Verbrennungsmotors in den Abgaskrümmer gelangt. Beide seitlichen Abgaskrümmerteile münden in den mittleren Teil des Abgaskrümmers, an dem zwei Ausgänge ausgebildet sind, die jeweils einer Zylindergruppe von drei Zylindern zugeordnet sind und die in eine Abgasauslassleitung münden. Die erste Gruppe an Zylindern ist im mittleren Abgaskrümmerteil zusätzlich mit einer weiteren Auslassöffnung verbunden, an der ein Abgasrückführventil befestigt werden kann und welche zu einer Hochdruckabgasrückführleitung führt.

Durch diese Ausgestaltung des Abgassystems ist zwar der benötigte Bauraum im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert, jedoch ist der Montageaufwand relativ groß.

Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Abgassystem zu schaffen, welches nicht nur einen geringen Bauraum benötigt, sondern auch bezüglich des Montageaufwands durch Verringerung der Anzahl an einzeln zu montierenden Bauteilen reduziert ist und eine zuverlässige Regelung des Abgasstroms ermöglicht. Dabei soll auch ein Austausch einzelner Komponenten, wie Abgasrückführventilen oder Abgasklappen ermöglicht werden, ohne den gesamten Abgaskrümmer ausbauen zu müssen oder Rückwirkungen auf einen Turbolader befürchten zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Abgassystem weist ein Strömungsgehäuse mit einem Strömungskanal auf. Dieser Strömungskanal beginnt an einem Einlass und mündet hinter einer Verzweigung in einen ersten Auslass und einen zweiten Auslass. Der Einlass ist direkt am Zylinderkopf befestigt und entsprechend mit einem ersten Abgaskanal im Zylinderkopf verbunden, in dem auch ein zweiter Abgaskanal ausgebildet ist, der wiederum zu einem Abgasauslasskanal führt, in dem auch eine Turbine eines Turboladers angeordnet sein kann. Mit diesem zweiten Abgaskanal ist der erste Auslass des Strömungsgehäuses verbunden, während der zweite Auslass des Strömungsgehäuses mit einer Abgasrückführleitung verbunden ist. Im Strömungskanal ist zusätzlich eine erste Klappe drehbar angeordnet und im Strömungsgehäuse gelagert, die fluidisch zwischen dem Einlass und dem ersten Auslass oder zwischen dem Einlass und dem zweiten Auslass im Strömungskanal angeordnet ist, und über einen Aktor bewegbar ist. Über diese Klappe kann somit entweder der Abgasweg zur Turbine oder zum Abgasrückführkanal gedrosselt beziehungsweise versperrt werden und somit eine Abgasmengenaufteilung in diese beiden Kanäle erfolgen. Für eine derartige Regelung muss somit kein zusätzliches Ventil montiert werden. Stattdessen wird eine Aufteilung in einem Gehäuse hergestellt, welches einfach erreichbar und austauschbar ist, ohne dass der Zylinderkopf oder der Abgaskrümmer demontiert werden müsste. Dies vermindert den Einfluss bei Wechsel des Ventils auf den Turbolader, so dass sonst notwendige zusätzliche Wartungsarbeiten an diesem entfallen.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der zweite Abgaskanal im Zylinderkopf ausgebildet ist, so dass das Abgas in den Zylinderkopf zurückgeführt wird, welches diesen zuvor durch den ersten Abgaskanal verlassen hat. Das Abgas kann dann weiter in einen normal aufgebauten Abgaskrümmer geführt werden, von wo aus es weiter zum Turbinengehäuse beziehungsweise zum Abgasauslasskanal gelangt. Für diese Zusammenführung muss entsprechend kein zusätzlicher Kanal vom ersten Auslass des Strömungsgehäuses vorgesehen beziehungsweise montiert werden. So ergibt sich vorteilhafterweise eine besonders einfache Befestigung, indem das Strömungsgehäuse am Zylinderkopf angeflanscht ist, wobei der Flansch den Einlass und den ersten Auslass des Strömungsgehäuses umgibt. Entsprechend muss das Strömungsgehäuse außer über diesen Flansch nur noch mit der Abgasrückführleitung verbunden werden, während die Verbindungen des Einlasses und des ersten Auslasses durch einen einzigen Montageschritt erfolgen.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine zweite Klappe im Strömungskanal drehbar angeordnet und im Strömungsgehäuse gelagert ist, wobei die erste Klappe zwischen dem Einlass und dem ersten Auslass im Strömungskanal angeordnet ist und die zweite Klappe zwischen dem Einlass und dem zweiten Auslass im Strömungskanal angeordnet ist. Entsprechend kann in dem einen Strömungsgehäuse sowohl die Menge des zum Saugrohr zurückgeführten Abgases als auch die Menge des zurück in den Zylinderkopf beziehungsweise zum Turbolader geführten Abgases geregelt werden.

Vorzugsweise sind mittels des Aktors, die erste Klappe und die zweite Klappe abhängig voneinander bewegbar. Da ohnehin das gesamte Abgas aus dem Zylinder abgeführt werden muss, kann der entstehende Abgasstrom präzise auf die beiden Auslässe je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine aufgeteilt werden.

Dabei wird in einer bevorzugten Ausbildung ein Aktorgehäuse einstückig mit dem Strömungsgehäuse ausgebildet, welches durch einen Deckel verschlossen wird. Das gesamte Strömungsgehäuse mit dem Aktor und den Klappen kann entsprechend vormontiert am Zylinderkopf befestigt werden und entsprechend ausgetauscht werden. Eine zusätzliche Befestigung eines Aktorgehäuses am Strömungsgehäuse entfällt, so dass die Montage vereinfacht wird. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn im Aktorgehäuse und/oder im Strömungsgehäuse ein Kühlkanal ausgebildet ist, über den die Klappen aber vor allem auch der Aktor gekühlt werden kann. Das heiße Abgas aus dem Zylinderkopf gelangt so nicht mit seiner hohen Temperatur in das Strömungsgehäuse und somit zum Aktor.

In einer bevorzugten Ausbildung ist der Kühlkanal zwischen dem Aktor und dem Strömungskanal angeordnet, wodurch der Aktor thermisch vom Strömungskanal getrennt wird und somit vor Überhitzung geschützt wird.

In einer alternativen Ausführung ist der Kühlkanal in einem Flanschbereich zwischen dem Zylinderkopf und dem Strömungsgehäuse ausgebildet, so dass ein deutlich verringerter Wärmestrom in das Strömungsgehäuse dringt. Insbesondere werden auf diese Weise die Wände des Strömungsgehäuses gekühlt und somit der Aktor geschützt.

Des Weiteren ist es vorteilhaft möglich, dass die erste Klappe unmittelbar gegenüberliegend zu einer Wand des Zylinderkopfes angeordnet ist, also lediglich einseitig gelagert ist. Auf eine zusätzliche Trennwand im Strömungsgehäuse kann so verzichtet werden.

Vorzugsweise mündet der erste Abgaskanal von einem Zylinder des Zylinderkopfes in das Strömungsgehäuse und der zweite Abgaskanal mündet in einen Abgaskrümmer, der einlassseitig mit den Auslässen des Zylinderkopfes verbunden ist, und auslassseitig fluidisch mit einem Eintritt eines Turbinengehäuses verbunden ist. Somit wird das aus dem Strömungsgehäuse kommende Abgas über den zweiten Abgaskanal zunächst mit dem Abgas aus den anderen Zylindern zusammengeführt und strömt anschließend zum Turbolader. Ein derartiges Abgassystem ist sehr einfach zu montieren. Das Strömungsgehäuse mit dem Einlass, dem Strömungskanal und den beiden Auslässen ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, so dass auch vorherige Montageschritte entfallen. Es ergibt sich entsprechend ein besonders einfacher Aufbau und eine leichte Austauschbarkeit.

Es wird somit ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, mit dem auf einfache Weise eine genaue Aufteilung des Abgasstroms aus einem Zylinder oder einer Zylindergruppe zum Abgasauslass oder in eine Hochdruckabgasrückführleitung erfolgt. Das gesamte Strömungsgehäuse ist einfach austauschbar, ohne dass der Turbolader oder die übrige Abgasanlage demontiert werden müssen. So können die Kosten bei der Herstellung und bei der Durchführung von Sevicemaßnahmen reduziert werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems für eine Verbrennungskraftmaschine ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines Strömungsgehäuses eines erfindungsgemäßen Abgassystems mit schraffiert dargestellten Zylinderkopfauslässen und teilweise aufgeschnittenem Strömungsgehäuse.

Das erfindungsgemäße Abgassystem besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Zylinderkopf 10 eines vierzylindrigen Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, an dem ein Strömungsgehäuse 12 und ein Abgaskrümmer 14 befestigt sind. Der Abgaskrümmer 14 weist vier Einlässe 16 auf, die mit vier Auslässen 18 des Zylinderkopfes 10 verbunden sind und sich im Bereich eines Auslasses 20 des Abgaskrümmers 14 zu einem Abgasauslasskanal 22 vereinen, in dem ein Turbinengehäuse 24 eines Turboladers 26 angeordnet ist. Der Zylinderkopf 10 weist einen fünften Auslass 18 auf, der mit einem Einlass 28 des Strömungsgehäuses 12 verbunden ist. Dieser Auslass 18 ist das Ende eines ersten Abgaskanals 30, der sich von einem vierten Zylinder 32 des Zylinderkopfes 10 aus zum Auslass 18 erstreckt. Im

Strömungsgehäuse 12 erstreckt sich ein Strömungskanal 34 vom Einlass 28 zu einem ersten Auslass 36, der mit einem zweiten Abgaskanal 38 im Zylinderkopf 10 verbunden ist, und der sich vom Auslass 36 des Strömungsgehäuses 12 beziehungsweise dem mit diesem korrespondierenden Eintritt des Zylinderkopfes 10 zu einem der vier Auslässe 18 des Zylinderkopfes 10 erstreckt, die mit dem Abgaskrümmer 14 verbunden sind, während die anderen drei Auslässe 18 jeweils direkt mit einem der anderen drei Zylinder 32 verbunden sind. Das

Strömungsgehäuse 12 ist direkt über einen Flansch 40 am Zylinderkopf 10 befestigt, so dass der erste Auslass 36 und der Einlass 28 in der gemeinsamen Flanschebene angeordnet sind.

Der Strömungskanal 34 im Strömungsgehäuse 12 weist eine Verzweigung 42 auf, so dass sich der Strömungskanal 34 auch zu einer um 90° zur Flanschebene versetzten Anschlussebene an der vom ersten Auslass 36 entfernten Seite des Strömungsgehäuses 12 erstreckt, wo er an einem zweiten Auslass 44 mündet. Dieser zweite Auslass 44 wird mit einer Abgasrückführleitung 46 verbunden, über die eine Flochdruckabgasrückführung zum Verbrennungsmotor durchgeführt werden kann.

Im Strömungsgehäuse 12 ist zwischen dem Einlass 28 und dem ersten Auslass 36 eine erste Klappe 48 drehbar angeordnet, über die ein freier Querschnitt des Strömungskanals 34 zum ersten Auslass 36 regelbar ist. Diese Klappe 48 besteht aus einer Welle 50, auf der ein Klappenkörper 52 mittels nicht sichtbaren Schrauben befestigt ist und die an einer vom Zylinderkopf 10 abgewandten Seite im Strömungsgehäuse 12 gelagert ist. Zwischen dem Klappenkörper 52 und dem Zylinderkopf 10 ist eine Wand 56 ausgebildet, die einen Teil der Auflagefläche des Flansches 40 bildet und den Einlass 28 vom ersten Auslass 36 trennt, wobei auf diese Wand 56 auch verzichtet werden könnte, wobei dann die Klappe 48 unmittelbar gegenüberliegend zu einer Wand 57 des Zylinderkopfes 10 angeordnet wäre.

Zwischen dem Einlass 28 und dem zweiten Auslass 44 ist im Strömungsgehäuse 12 auch noch eine zweite Klappe 58 drehbar angeordnet, über die ein freier Querschnitt des Strömungskanals 34 zum zweiten Auslass 44 geregelt wird. Auch diese Klappe 58 besteht aus einer Welle 60, auf der ein Klappenkörper 62 mittels Schrauben 64 befestigt ist und die an einer vom Zylinderkopf 10 abgewandten Seite im Strömungsgehäuse 12 gelagert ist.

Zwischen dem Klappenkörper 62 und dem Zylinderkopf 10 ist eine Wand 66 ausgebildet, die ebenfalls einen Teil der Auflagefläche des Flansches 40 bildet, den Einlass 28 vom zweiten Auslass 44 trennt und in der ein erster Kühlkanal 68 ausgebildet ist, der sich entlang der Flanschebene um den Einlass 28 und den ersten Auslass 36 erstreckt. Dieser Kühlkanal 68 ist als Nut in der Flanschfläche ausgebildet, welche durch den Zylinderkopf 10 verschlossen wird.

Die beiden Wellen 50, 60 sind über einen gemeinsamen Aktor 70 drehbar, der aus einem Elektromotor 72 und einem nachgeschalteten Getriebe 74 besteht, die in einem Aktorgehäuse 76 angeordnet sind, welches einstückig mit dem Strömungsgehäuse 12 ausgebildet ist und dessen offene Seite, von der aus der Elektromotor 72 und das Getriebe 74 montiert werden, durch einen Deckel 78 verschlossen wird. Dieser Deckel 78 kann auch zur Aufnahme einer Platine zur Steuerung dienen, und weist einen Stecker 80 auf. Eine Aufnahme 82 des Aktorgehäuses 76 für den Elektromotor 72 erstreckt sich über das Strömungsgehäuse 12 in Richtung des Zylinderkopfes 10, wobei zwischen dem Strömungskanal 34 und der Aufnahme 82 des Elektromotors 72 ein zweiter Kühlkanal 84 im Strömungsgehäuse 12 ausgebildet ist, über den der Elektromotor 72 thermisch vom Strömungskanal 34 abgeschirmt ist. Der erste Kühlkanal 68 ist über eine Kühlleitung 86 mit dem zweiten Kühlkanal 84 verbunden. Durch den ersten Kühlkanal 68 und den zweiten Kühlkanal 84 kann so effektiv eine Überhitzung des Aktors 70 vermieden werden, obwohl dieser im heißen Abgasbereich angeordnet ist.

Die beiden Klappenkörper 52, 62 sind derart über den Aktor 70 beziehungsweise das Getriebe 74 miteinander gekoppelt, dass ein Drehwinkelversatz von 90° zueinander besteht, so dass bei Betätigung immer eine gegensinnige Drehung vollzogen wird. Dies bedeutet, dass immer die eine Klappe 48 in gleichem Maß in eine Schließrichtung gedreht wird, wie die andere Klappe 58 in eine Öffnungsrichtung gedreht wird und umgekehrt. Entsprechend steht immer ein etwa gleicher Gesamtquerschnitt zur Durchströmung zur Verfügung, so dass der in den Einlass 28 einströmende Abgasstrom durch die beiden Klappen 48, 58 in Abhängigkeit der Stellung der beiden Klappen 48, 58 aufgeteilt wird, jedoch ohne dass ihm ein erhöhter Gesamtwiderstand entgegengesetzt wird. So kann der Abgasstrom, der in die Hochdruckabgasrückführleitung gelangt sowie der Abgasstrom der dem Turbolader zugeführt wird, sehr genau geregelt werden.

Bei Ausfall des Aktors oder Klemmen einer Klappe oder dergleichen, müssen, um einen Austausch vornehmen zu können, lediglich die beiden Flanschverbindungen zum Zylinderkopf und zur Abgasrückführleitung gelöst werden. Daraufhin kann das Strömungsgehäuse mit den Klappen und dem Aktor entnommen und gegebenenfalls komplett oder einzelne Teile ausgetauscht werden. Eine Rückwirkung eines derartigen Austauschs auf den Turbolader entfällt aufgrund der Anbindung zum Zylinderkopf, so dass sowohl die Erstmontage als auch folgende Servicemaßnahmen deutlich vereinfacht werden. Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So kann auch nur eine der beiden Klappen zur Regelung verwendet werden oder die beiden Klappen können separat betätigt werden. Auch die konstruktive Gestaltung des Strömungsgehäuses oder die Lagerung der Klappen kann abweichend gestaltet werden. Auch die Verwendung eines nicht elektromotorischen Aktors ist denkbar. Des Weiteren kann der erste Auslass gegebenenfalls auch mit dem Abgaskrümmer verbunden sein, wenn der zweite Abgaskanal im Abgaskrümmer ausgebildet wird. Weitere Varianten sind ebenfalls denkbar.