Brennkraftmaschine mit einer Verbindungsanordnung für einen Zylinderkopf

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Verbindungsanordnung für einen Zylinderkopf, mit zumindest einem an zumindest eine Strömungsöffnung des Zylinderkopfes anschließenden luft- oder gasführenden Teil, insbesondere einem Abgaskrümmer oder einem Einlasskrümmer, wobei zwischen luft- oder abgasführendem Teil und Zylinderkopf zumindest ein Dichtungselement angeordnet ist.

Üblicherweise werden Einlass- oder Abgaskrümmer durch Schrauben oder Klemmvorrichtungen am Zylinderkopf befestigt, wobei pro Kanalöffnung bzw. zu befestigendem Bauteil zumindest eine Schraube oder Klemmvorrichtung vorgesehen sind . Diese Schrauben bzw. Klemmvorrichtungen sind vorwiegend in unmittelbarer Nähe zu den Kanalöffnungen angeordnet, um die, meist von der zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen eingebauten Dichtung benötigten, entsprechend hohen Anpresskräfte bei meist limitierter Bauteilsteifigkeit des Einlass- oder Abgaskrümmers erzeugen zu können. Dies schränkt aber die Konstruktionsfreiheiten stark ein, da die Schrauben zum An- und/oder Abbau von Einlass- bzw. Abgaskrümmer zugänglich sein müssen. Durch die nötigen Schrau- benfreigänge und den Arbeitsraum zum Ansetzen des Werkzeuges wird der Bauraum zur Platzierung der weiters benötigten Komponenten bzw. die gestalterische Freiheit der anzubauenden Komponenten nachteilig beeinflusst.

Die DE 10 2008 029 020 AI beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem einen integrierten Abgaskrümmer aufweisenden Zylinderkopf, an dem ein abgasführendes Aggregat mittels einer Klemmflanschvorrichtung montiert ist, wobei die Klemmflanschvorrichtung einen dem Zylinderkopf zugeordneten Zylinderflansch und einen dem Aggregat zugeordneten Aggregat-Flansch aufweist, wobei die Flansche in ihrer Flanschebene gegeneinander gedrückt sind. Um dies zu erreichen, ist mindestens eine in Richtung der Flanschebene montierte, den Zylinderflansch und den Aggregatflansch übergreifende, durch zumindest eine Schräge klemmend auf die beiden Flansche wirkende Spannbrücke vorgesehen. Die Spannbrücke ist über Schrauben direkt mit dem Zylinderkopf verschraubt.

Nachteilig ist, dass Gewindebohrungen am Zylinderkopf vorgesehen sein müssen, was einerseits den Herstellungsaufwand erhöht und andererseits die Gestaltungsfreiheit am Wassermantel einschränkt. - -

Weitere Klemmlösungen für die Befestigung von Abgaskrümmern an Zylinderköpfen sind aus den Veröffentlichungen DE 10 2007 002 825 AI, WO 09/003668 AI, DE 10 2004 010 815 AI, DE 10 2004 037 865 AI,

DE 102 51 771 AI, DE 44 30 339 AI, DE 195 10 718 AI, DE 196 53 908 AI, DE 42 05 454 AI oder DE 23 31 510 AI bekannt. Bei den meisten dieser Lösungen sind aber Schrauben zur Befestigung vorgesehen und relativ viel Montageraum erforderlich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine alternative Befestigungsmöglichkeit für einen an den Zylinderkopf anschließenden luft- oder gasführender Teil zu entwickeln, mit welcher der Montageaufwand verringert und Bauraum eingespart werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest eine Befestigungseinrichtung für den luft- oder gasführenden Teil räumlich getrennt zum Dichtungselement angeordnet ist, wobei vorzugsweise der luft- oder gasführende Teil nur am Zylinderblock befestigt ist. Es ist aber auch möglich, den luft- oder gasführenden Teil nur am Zylinderkopf oder teilweise am Zylinderblock und teilweise am Zylinderkopf zu befestigen.

Die Befestigungseinrichtung kann auch funktionell getrennt zum Dichtungselement angeordnet sein.

In Folge der Verformung des Dichtungselementes, des Zylinderkopfes und des luft- oder gasführenden Teils sind nur relativ geringe Klemmkräfte nötig.

Der luft- oder gasführende Teil ist vorzugsweise nur über zumindest ein Dichtungselement mit dem Zylinderkopf verbunden. Ein den luft- oder abgasführenden Teil bildender Abgaskrümmer bzw. Einlasskrümmer ist somit nur am Zylinderblock befestigt, beispielsweise angeschraubt. Der luft- oder gasführende Teil kann dabei beispielsweise durch einen Abgaskrümmer gebildet sein, welcher mit einem Gehäuse eines Abgasturboladers fest verbunden ist oder gemeinsam mit diesem aus einem Teil bestehen kann, wobei Abgaskrümmer und Abgasturbolader gemeinsam am Zylinderblock befestigt sind.

Vorzugsweise ist zwischen dem Zylinderkopf und dem luft- oder gasführenden Teil ein flexibles Dichtungselement angeordnet. Das Dichtungselement kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und zumindest abschnittsweise als Faltenbalg ausgebildet sein und/oder zumindest abschnittsweise im Anschlussbereich an den Zylinderkopf oder den luft- oder gasführenden Teil im Bereich zumindest einer äußeren Mantelfläche eine Kugelsegmentform oder eine Zylinderform aufweisen. - -

Ist das Dichtungselement mehrteilig ausgeführt, so kann es einen rohrförmigen Faltenbalgteil zwischen Kugelsegmentteilen oder zwischen Ringteilen im Anschlussbereich aufweisen, wobei die drei Teile gasdicht dauerhaft miteinander verbunden, beispielsweise verklebt, verlötet oder verschweißt sind . Jedes Dichtungselement ist an den Anschlussbereichen mit dem Zylinderkopf und/oder dem luft- oder gasführenden Teil verbunden, beispielsweise eingepresst. Die Kugelsegmentform ist so ausgelegt, dass die Dichtfunktion durch die Gaskraft innerhalb des Abgaskrümmers unterstützt wird .

Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann die Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit erhöht und eine strömungsgerechte Gestaltung der gasführenden Kanäle bei geringem Entwicklungsrisiko erzielt werden. Die räumliche und funktionelle Trennung des Dichtungselementes und der Befestigungsmittel ermöglicht eine Befestigung in der Nähe eines vibrationsempfindlichen Turboladers.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht;

Fig. 2 diese Brennkraftmaschine in einer stirnseitigen Ansicht;

Fig. 3 ein Dichtungselement gemäß Detail III in Fig . 2 in einer ersten

Ausführungsvariante;

Fig. 4 ein Dichtungselement gemäß Detail III in Fig . 2 in einer zweiten

Ausführungsvariante; und

Fig. 5 ein Dichtungselement gemäß Detail III in Fig. 2 in einer dritten

Ausführungsvariante der Erfindung .

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig . 1 und Fig . 2 zeigen eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock 1 und einem Zylinderkopf 2. Der Zylinderkopf 2 weist mehrere in den Figuren 3 bis 5 ersichtliche Gaswechselkanäle 3 auf, die im Bereich einer Längsseite 2a des Zylinderkopfes 2 in Strömungsöffnungen 3a münden bzw. von diesen ausgehen. Die Gaswechselkanäle 3 können Einlasskanäle oder Auslasskanäle sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Gaswechselkanäle durch Auslasskanäle gebildet. An die Gaswechselkanäle 3 ist ein luft- oder gasführender Teil 4 angeschlossen, welcher beispielsweise durch einen Sammler, entweder einem Einlasskrümmer oder einem Auslasssammler, oder ein anschließendes Aggregat, zum Beispiel einen Turbolader, gebildet sein kann. Im vorliegenden Beispiel ist - - der luft- oder gasführende Teil 4 durch einen Abgaskrümmer 5 gebildet, welcher fest mit dem Gehäuse eines Abgasturboladers 6 verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet ist. Mit T ist eine Abgasturbine und mit C ein Lader des Abgasturboladers 6 bezeichnet.

Der Abgaskrümmer 5 ist über Befestigungsmittel 7, beispielsweise Befestigungsschrauben 8, nur am Zylinderblock 1 fixiert. Am Zylinderkopf 2 erfolgt keine Befestigung des Abgaskrümmers 5. Diese Ausführung bedingt, dass der Abgaskrümmer 5 über ein flexibles oder ein flexibel beweglich verbautes starres Dichtungselement 9 mit den Gaswechselkanälen 3 verbunden ist. Ein solch ein flexibel wirkendes Dichtungselement 9 ist in den Fig . 3 bis Fig . 5 in verschiedenen Ausführungen dargestellt. Wesentlich ist, dass das Dichtungselement 9 Relativbewegungen zwischen Zylinderkopf 2 und Abgaskrümmer 5 ausgleichen kann. Das Dichtungselement 9 kann zumindest abschnittsweise die Form eines Kugelsegmentes oder eines Torus aufweisen.

In Fig. 3 ist ein einteiliges Dichtungselement 9 dargestellt, welches an beiden Enden kugelsegmentförmig gestaltete Anschlussbereiche 10, 11 aufweist, zwischen welchen ein Faltenbalg 19 ausgebildet sein kann. Das Dichtungselement 9 wird mittels leichtem Presssitz in die Strömungsöffnung 3a, 5a eingesetzt. Die Kugelsegmentform gestattet es, dass axiale, radiale und winkelige Verschiebungen durch das Dichtungselement 9 aufgenommen werden können.

Die Fig. 4 und Fig. 5 zeigen Dichtungselemente 9, welche aus drei Teilen gasdicht zusammengebaut sind. In Fig . 4 besteht das Dichtungselement 9 dabei aus einem mittleren Faltenbalgteil 12 und zwei Ringteilen 13, 14 in den Anschlussbereichen 10, 11 zum Anschluss des Dichtungselementes 9 an den Zylinderkopf 2 und den Abgaskrümmer 5. Die Ringteile 13, 14 werden dabei einerseits in den Zylinderkopf 2 eingepresst und andererseits auf den Abgaskrümmer 5 dauerhaft und gasdicht aufgepresst. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführung werden Kugelsegmentteile 15, 16 an den Anschlussbereichen 10, 11 an kugelförmige Bearbeitungsflächen 17, 18 im Zylinderkopf 2 bzw. im Abgaskrümmer 5 angepresst. Die Kugelform ist so ausgelegt, dass die Dichtfunktion durch die Gaskraft innerhalb des Abgaskrümmers 5 unterstützt wird.

Wesentlich ist, dass die Dicht- und die Befestigungsfunktion des Abgaskrümmers 5 voneinander getrennt werden. Der Abgaskrümmer 5 kann somit entfernt vom Dichtungselement 9 zwischen Abgaskrümmer 5 und Zylinderkopf 2 durch zumindest ein Befestigungsmittel 7 befestigt werden, wobei die für die Abgaskrümmerbefestigung erzeugte Schrauben kraft für die Erzeugung der notwendigen Dichtungspressung keine Rolle spielt. Die Dichtungspressung des Dichtungselementes 9 wird alleine durch die Form, Funktion und/oder Größe der Dichtung bzw. des - - für sie vordefinierten Raumes definiert. Die Dichtung muss alle entsprechenden thermischen und/oder durch Schwingungen hervorgerufene Verformungen und Verschiebungen des Abgaskrümmers 5 aufnehmen und/oder kompensieren können.

Durch die Entkoppelung von Befestigungs- und Dichtfunktion kann das Verhalten des Abgaskrümmers 5 hinsichtlich thermomechanischer Dauerfestigkeit verbessert werden. Es kommt somit zu reduzierter Rissbildung, da die Abgassammeirohre sich in zylinderkopfnähe frei zueinander bewegen können.

Weiters lassen sich die Befestigungsschrauben 8 in Bereiche verlegen, wo sie gut zugänglich sind, ohne die strömungsgünstige Form des Abgaskrümmers 5 zu beeinflussen. Insbesondere kann dabei die Gesamteinheit aus Abgaskrümmer 5 und Abgasturbolader 6 in einem Arbeitsschritt montiert werden. Weiters lassen sich die Befestigungsschrauben 8 in einen Bereich des Schwerpunktes des Abgassystems und/oder des Turboladers legen, um die Anregungen für Schwingungen zu minimieren, ohne dass eventuelle zusätzliche AbStützungen erforderlich wären.