Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer für Downsizing-Konzepte

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Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer für Downsizing-Konzepte

Kuhlbach, Kai / Mehring, Jan / Borrmann, Dirk / Friedfeld, Rainer

Für kleine und mittelgroße Fahrzeuge auf dem europäischen Markt ist das Erreichen der vorgeschriebenen CO2-Zielwerte durch den Einsatz von neuen ottomotorischen Brennverfahren oder Downsizing-Konzepte möglich. Vor diesem Hintergrund wurden die Aspekte der Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf untersucht und hinsichtlich der verschiedenen funktionalen Effekte sowie der Kosten bewertet. Kern der Konstruktion ist die vollständige Integration des üblicherweise separat ausgeführten Abgaskrümmers in den Aluminium-Zylinderkopf. Damit verbleibt nach dem Austritt aus dem Zylinderkopf eine einzige Rohrverbindung zur Turbine. Folgende Systemeffekte werden im Beitrag betrachtet: 1. Systemkosten, 2. Abgasemissionen, 3. Kraftstoffverbrauch, 4. Aufwärmverhalten, 5. Systemgewicht, 6. Komplexität, 7. Volllastverhalten. Die Integration der Abgasführung führt zu einem zusätzlichen Wärmeeintrag in den Zylinderkopf und damit zu gestiegenen thermomechanischen Belastungen, die für den Motor eine besondere Herausforderung darstellen. Die Beurteilung der Zylinderkopfkonstruktion unter Berücksichtigung der geänderten Belastung erfolgte, wie auch für andere Strukturbauteile, durch numerische Simulation auf Basis von CFD- (Computational Fluid Dynamics), FE- (Finite Elemente) und Netzwerkmethoden. Näher eingegangen wird auf die Strömungsberechnung, Temperaturberechnung sowie die Materialermüdungsberechnung. Es zeigt sich, dass bei gleichzeitiger Verbesserung der Attribute die Integration eine erhebliche Möglichkeit zur Kostenreduktion darstellt.