AT506000B1

AT506000B1 - Brennkraftmaschine mit einem zylinderblock und einem zylinderkopf

Info

Publication number: AT506000B1
Application number: AT0023809A
Authority: AT
Inventors: Robert Dr Poeschl; Stephan Winkler; Witold Michta
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-12-15
Also published as: AT506000A3; US20100206251A1; DE102010000358A1; US8485144B2; AT506000A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf, wobei im Zylinderblock zumindest ein erster Kühlmantel (1) und im Zylinderkopf zumindest ein zweiter Kühlmantel (2) angeordnet ist und die Kühlmäntel (1, 2) von einer Kühlflüssigkeit im wesentlich in Längsrichtung der Brennkraftmaschine durchströmbar sind, und wobei sowohl der Zylinderblock, als auch der Zylinderkopf separate Zuflüsse (6, 8) und Abflüsse (7, 9) für die Kühlflüssigkeit aufweisen, welche mit dem jeweiligen Kühlmantel (1, 2) im Zylinderblock und Zylinderkopf kommunizieren. Um eine gleichmäßige Kühlung insbesondere von thermisch beanspruchten Bereichen des Zylinderkopfes zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Kühlmantel (1) des Zylinderblocks und dem zweiten Kühlmantel (2) des Zylinderkopfes zumindest ein Strömungsübertritt (10,11) angeordnet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT506 000B1 2010-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf, wobei im Zylinderblock zumindest ein erster Kühlmantel und im Zylinderkopf zumindest ein zweiter Kühlmantel angeordnet ist und die Kühlmäntel von einer Kühlflüssigkeit im wesentlich in Längsrichtung der Brennkraftmaschine durchströmbar sind, und wobei sowohl der Zylinderblock, als auch der Zylinderkopf separate Zuflüsse und Abflüsse für die Kühlflüssigkeit aufweisen, welche mit dem jeweiligen Kühlmantel im Zylinderblock und Zylinderkopf kommunizieren, wobei zwischen dem ersten Kühlmantel des Zylinderblocks und dem zweiten Kühlmantel des Zylinderkopfes zumindest ein Strömungsübertritt angeordnet ist.

[0002] Es ist bekannt, den Zylinderblock und den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine durch einen Kühlkreislauf zu kühlen, der in der Regel Wasser enthält, welches nach dem Durchlaufen des Motors zum Kühler geführt wird, um dort das Kühlwasser auf eine niedrigere Temperatur zu bringen. Hierbei ist es auch bekannt, im Kühlkreislauf eine Pumpe anzuordnen. Bei Brennkraftmaschinen hat es sich gezeigt, dass der Zylinderkopf stärker gekühlt werden muss, als der Zylinderblock, der bekanntlich thermisch weniger belastet ist. Dies wird bei bekannten Kühlsystemen nur dadurch berücksichtigt, dass man durch den Zylinderkopf verhältnismäßig viel Kühlflüssigkeit zu den thermisch kritischen Bereichen zwingt, indem man die gesamte Kühlmittelmenge aus dem Zylinderblock durch geometrisch eingeschränkte Durchtritte durch die Zylinderkopfdichtung durchfließen lässt, was zwangsweise zu hohen Druckabfällen führt.

[0003] Bei längsdurchströmten Kühlräumen im Zylinderkopf, welche mit den Kühlräumen des Zylinderblockes über Durchtritte verbunden sind, ergibt sich der Nachteil, dass der erste Zylinder schlechter gekühlt wird, als die Zylinder, welche im Zylinderkopf-Kühlkreislauf stromabwärts angeordnet sind, da der Kühlmantel des Zylinderkopfes als Sammelelement fungiert und die Akkumulation der Kühlmittelmenge mit jedem Zylinder zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten und damit einerseits zu besseren Kühlwirkungen führt, aber anderseits auch zunehmende Druckdifferenzen längs des Kühlmantels bedingt. Diese signifikante Druckdifferenz entlang des Motors, erfordert eine kompensierende, gegengerichtete, deutliche Abstufung der Durchtritte durch die Zylinderkopfdichtung wodurch sich zwangsweise sehr geringe Dimensionen der kleinsten Dichtungsdurchtritte ergeben, weshalb der Gesamtdruckabfall typischer weise sehr ungünstige Größenordnungen erreichen kann, um akzeptable Kühlbedingungen auch für den ersten Zylinder bereitzustellen. Weiters werden thermisch kritische Bereiche, die im wesentlichen quer zur Motorlängsrichtung orientiert sind, insbesondere im Bereich der Auslassventilsitze, zufolge der nicht vorhandenen Druckdifferenz quer zum Motor schlecht durchströmt, und nicht optimal gekühlt.

[0004] Weiters ist es bekannt, für Zylinderblock und Zylinderkopf separate Kühlkreisläufe einzusetzen. So ist etwa aus der DE 196 28 542 A1 ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Zylinderkopf durch einen ersten Kühlwasserkreislauf und der Zylinderblock durch einen zweiten Kühlwasserkreislauf gekühlt wird, wobei Zylinderkopf und Zylinderblock parallel durchströmt werden. Dadurch kann eine verbesserte Kühlung des Zylinderkopfes erreicht werden. Brennkraftmaschinen mit geteilten Kühlkreisläufen sind weiters auch aus den Veröffentlichungen JP 60 019 912 A2, JP 57 146 010 A2 oder US 4 370 950 A bekannt. Auch bei Brennkraftmaschinen mit geteilten Kühlkreisläufen werden thermisch kritische Bereiche, die im wesentlichen quer zur Motorlängsrichtung orientiert sind, zufolge der nicht vorhandenen Druckdifferenz quer zum Motor schlecht durchströmt und somit nicht optimal gekühlt.

[0005] Die Druckschriften JP 05-256131 A, US 2004/0079300 A1 und JP 63-016122 A offenbaren Brennkraftmaschinen mit einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf, wobei im Zylinderblock und im Zylinderkopf jeweils ein Kühlmantel angeordnet ist. Die Kühlmäntel im Zylinderkopf und im Zylinderblock weisen separate Zu- und Abflüsse auf und sind über zumindest einen Strömungsübertritt miteinander strömungsverbunden.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine gleichmäßige und optimale Kühlung bei akzeptablen 1/6 österreichisches Patentamt AT506 000 B1 2010-12-15

Druckabfällen und Minimierung von Parallelströmen zu erreichen.

[0007] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein zweiter Strömungsübertritt im Bereich einer zumindest eine Zylinderachse beinhaltenden zweiten Motorquerebene angeordnet ist, wobei der zweite Strömungsübertritt vorzugsweise zu einem Kühlbereich zwischen zwei Auslassventilssitzringen führt, wobei vorzugsweise der Strömungsübertritt im Bereich einer gemeinsamen Grenzfläche zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf, vorzugsweise im Bereich der Zylinderkopfdichtfläche, angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders gute Wärmeabfuhr aus thermisch kritischen Bereichen um die Auslasssitzringe.

[0008] Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zufluss- und Abflussöffnungen des Zylin-derblockes und/oder des Zylinderkopfes an gegenüberliegenden Enden des Zylinderblockes bzw. des Zylinderkopfes angeordnet sind.

[0009] Die Grundidee der Erfindung liegt somit in der Kombination der Vorteile der gleichförmigen Strömungs- und Kühlsituation durch Anwendung von zwei im Wesentlichen getrennten längsdurchströmten Kühlräumen (der erste Zylinder erhält etwa die gleiche Kühlmenge Menge wie der letzte Zylinder) und minimaler lokaler Kühlmittelversorgung der quer zur Hauptströmungsrichtung orientierten Strömungspassagen (z.B. zwischen Auslassventilsitzringen) durch die beispielsweise in der Zylinderkopfdichtung angeordneten Strömungsübertritte.

[0010] Um insbesondere den Zwischenzylinderbereich im Zylinderblock und den Zwickelbereich zwischen zwei benachbarten Zylindern im Zylinderkopf ausreichend zu kühlen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein erster Strömungsübertritt im Bereich einer ersten Motorquerebene zwischen zwei benachbarten Zylindern angeordnet ist.

[0011] Praktische Versuche haben gezeigt, dass eine deutliche Verbesserung der Kühlung erzielt werden kann, wenn die Querschnitte aller Strömungsübertritte so bemessen ist, dass maximal 20%, vorzugsweise höchstens 15% der gesamten dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf zugeführten Kühlflüssigkeit vom Motorblock in den Zylinderkopf überströmen, wobei vorzugsweise zumindest 10% der gesamten dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf zugeführten Kühlflüssigkeitsmenge vom Motorblock in den Zylinderkopf überströmen.

[0012] Eine gleichmäßige Kühlung über die gesamte Länge des Zylinderblockes lässt sich erreichen, wenn die Strömungsübertritte, vorzugsweise die zweiten Strömungsübertritte, unterschiedlich große Strömungsquerschnitte aufweisen, wobei die Strömungsquerschnitte der Strömungsübertritte im Bereich des ersten Endes kleiner sind, als im Bereich des zweiten Endes.

[0013] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0014] Es zeigen Fig. 1 einen Kühlmantel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht, Fig. 2 den Kühlmantel in einer Draufsicht, Fig. 3 den Kühlmantel in einer Schrägansicht in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2, Fig. 4 den Kühlmantel in einer Schrägansicht im Schnitt gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 2 und Fig. 5 eine Zylinderkopfdichtung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer Draufsicht.

[0015] Die Brennkraftmaschine weist einen ersten Kühlmantel 1 im Zylinderblock und einen zweiten Kühlmantel 2 im Zylinderkopf auf, wobei die beiden Kühlmänteln 1, 2 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 3 der Brennkraftmaschine zwischen einem ersten Ende 4 und einem zweiten Ende 5 durchströmt werden. Der erste Kühlmantel 1 des Zylinderblockes weist am ersten Ende 4 einen Zufluss 6 und im Bereich des zweiten Endes 5 einen Abfluss 7 auf. Weiters weist auch der zweite Kühlmantel 2 des Zylinderkopfes am ersten Ende 4 der Brennkraftmaschine einen Zufluss 8 und am zweiten Ende einen Abfluss 9 auf. Erster und zweiter Kühlmantel 1, 2 werden separat und im Wesentlichen parallel entsprechend den Pfeilen P durchströmt. Um einerseits eine gleichmäßige Kühlung aller Zylinder und andererseits eine gezielte Wärmeabfuhr von thermisch hoch beanspruchten Bereichen zu ermöglichen, wird ein kleiner Teilstrom von etwa 10 bis 20% der die Brennkraftmaschine basierenden gesamten Kühlflüssigkeitsmenge vom ersten Kühlmantel 1 in den zweiten Kühlmantel 2 geführt, wobei die Kühlflüssigkeit über erste und zweite Strömungsübertritte 10, 11 vom ersten Kühlmantel 1 in 2/6

Claims

österreichisches Patentamt AT506 000B1 2010-12-15 den zweiten Kühlmantel 2 gelangt. [0016] Die ersten Strömungsübertritte 10 sind dabei im Bereich von ersten Motorquerebenen 12 zwischen zwei Zylindern angeordnet, wobei im Bereich der ersten Motorquerebene 12 im Wesentlichen v-förmig angeordnete gebohrte Verbindungskanäle 10a vorgesehen sein können. Die ersten Strömungsübertritte 10 dienen dazu, um den Zwischenzylinderbereich im Zylinderblock und den zwickeiförmigen Bereich des Zylinderkopfes zwischen jeweils zwei Zylindern zu kühlen. [0017] Die zweiten Strömungsübertritte 11 sind jeweils im Bereich einer durch eine Zylinderachse 13 verlaufenden zweiten Motorquerebene 14 auf der Auslassseite angeordnet und dienen dazu, die Auslasssitzringe zu kühlen. Aufgrund der fehlenden Druckdifferenz quer zur Hauptströmungsrichtung (entlang der Zylinderachse 13) ist zur Durchströmung dieser Strömungspassage zwischen den Auslassventilsitzringen eine individuelle Versorgung dringend erforderlich. [0018] Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, weisen die zweiten Strömungsübertritte zylinderabhängig unterschiedlich große Strömungsquerschnitte auf, wobei die Strömungsquerschnitte im Bereich des ersten Endes 4 größer sind, als im Bereich des zweiten Endes 5 der Brennkraftmaschine. Die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte werden durch unterschiedlich große Öffnungen 11a in der Zylinderkopfdichtung 15 gebildet. Durch die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte der zweiten Strömungsübertritte 11 wird gewährleistet, dass der Zylinderkopf zwischen den ersten Ende 4 und den zweiten Ende 5 gleichmäßig gekühlt wird, so dass auch für den nahe dem Zufluss 9 angeordneten letzten Zylinder eine ausreichende Wärmeabfuhr sichergestellt wird. [0019] Die Kühlflüssigkeit gelangt entsprechend den Pfeilen P über die Zuflüsse 6, 8 in die Kühlmäntel 1, 2 des Zylinderblockes und des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine und durchströmt diese parallel zur Längsachse 3. Ein geringer Teil der Kühlflüssigkeit des ersten Kühlmantels 1 strömt über die ersten und zweiten Strömungsübertritte 10, 11 in den zweiten Kühlmantel entsprechend den Pfeilen P'. Über die Abflüsse 7 und 9 verlässt die Kühlflüssigkeit wieder den ersten Kühlmantel 1 bzw. den zweiten Kühlmantel 2. Patentansprüche 1. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf, wobei im Zylinderblock zumindest ein erster Kühlmantel (1) und im Zylinderkopf zumindest ein zweiter Kühlmantel (2) angeordnet ist und die Kühlmäntel (1, 2) von einer Kühlflüssigkeit im wesentlich in Längsrichtung der Brennkraftmaschine durchströmbar sind, und wobei sowohl der Zylinderblock, als auch der Zylinderkopf separate Zuflüsse (6, 8) und Abflüsse (7, 9) für die Kühlflüssigkeit aufweisen, welche mit dem jeweiligen Kühlmantel (1, 2) im Zylinderblock und Zylinderkopf kommunizieren, wobei zwischen dem ersten Kühlmantel (1) des Zylinderblocks und dem zweiten Kühlmantel (2) des Zylinderkopfes zumindest ein Strömungsübertritt (10, 11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Strömungsübertritt (11) im Bereich einer zumindest eine Zylinderachse (13) beinhaltenden zweiten Motorquerebene (14) angeordnet ist, wobei der zweite Strömungsübertritt (11) vorzugsweise zu einem Kühlbereich zwischen zwei Auslassventilssitzringen führt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsübertritt (10, 11) im Bereich einer gemeinsamen Grenzfläche zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf, vorzugsweise im Bereich der Zylinderkopfdichtfläche, angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflüsse (6, 8) und Abflüsse (7, 9) des Zylinderblockes und/oder des Zylinderkopfes an gegenüberliegenden Enden (4, 5) des Zylinderblockes bzw. des Zylinderkopfes angeordnet sind.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Strömungsübertritt (10) im Bereich einer ersten Motorquerebene (12) zwischen zwei benachbarten Zylindern angeordnet ist. 3/6 österreichisches Patentamt AT506 000 B1 2010-12-15
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte aller Strömungsübertritte (10, 11) so bemessen sind, dass maximal 20%, vorzugsweise höchstens 15% der gesamten dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf zugeführten Kühlflüssigkeit vom Motorblock in den Zylinderkopf überströmen.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte aller Strömungsübertritte (10, 11) so bemessen sind, zumindest 10% der gesamten dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf zugeführten Kühlflüssigkeitsmenge vom Motorblock in den Zylinderkopf überströmen.
7. Brennkraftmaschine nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsübertritte (10, 11), vorzugsweise die zweiten Strömungsübertritte (10, 11), unterschiedlich große Strömungsquerschnitte aufweisen, wobei die Strömungsquerschnitte der Strömungsübertritte (10, 11) im Bereich des ersten Endes (4) größer sind, als im Bereich des zweiten Endes (5).
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte durch unterschiedlich große Öffnungen (11a) in einer zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf angeordneten Zylinderkopfdichtung (15) gebildet.
9. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf, wobei dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf jeweils separat Kühlflüssigkeit zu - und von diesem abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass etwa 10 bis 20% der gesamten dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf zugeführten Kühlflüssigkeitsmenge vom Zylinderblock in den Zylinderkopf überströmt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6