AT515220A4 - Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine in Monoblock - Bauweise und Gießform zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Zylinderblock einer flüssigkeitsgekühlten mit mehreren von einem gemeinsamen Kühlmantel umgebenen Zylindern hat zwischen dem Kühlmantel (7) und den einzeln umströmten Zylindern einen ersten Kühlwasserraum ( 6) und über den Zylindern ( 4,5) einen mit diesem strömungsverbundenen zweiten Kühlwasserraum (19). Um eine reichliche und gleichmäßige Kühlung der Zylinderwände (4) zu erreichen, ist an den Längsseiten des Kühlmantels (7) ein Verteilerkanal (10) und ein Sammelkanal (11) angebracht, weist der den Verteilerkanal (10) vom ersten Kühlwasserraum ( 6) trennende Kühlmantel (7) den einzelnen Zylindern (4,5) zugeordnete erste Öffnungen (24) auf, und steht der Sammelkanal (11) über eine Reihe von zweiten Öffnungen (28) mit dem zweiten darüber angeordneten Kühlwasserraum ( 19) in Verbindung.

Description

ZYLINDERBLOCK EINER FLÜSSIGKEITSGEKÜHLTEN VERBREN¬NUNGSKRAFTMASCHINE IN MONOBLOCK - BAUWEISEUND GIESSFORM ZU DESSEN HERSTELLUNG

Gegenstand

Die Erfindung betrifft einen Zylinderblock einer flüssigkeitsgekühlten Verbren¬nungskraftmaschine in Monoblock - Bauweise mit mehreren in Reihe angeord¬neten und von einem gemeinsamen Kühlmantel umgebenen Zylindern, wobeizwischen dem Kühlmantel und den einzeln umströmten Zylindern ein ersterKühlwasserraum gebildet ist und über den Zylindern ein zweiter Kühlwasser¬raum angeordnet und mit dem ersten Kühlwasserraum strömungsverbunden ist.

Bei derartigen Verbrennungskraftmaschinen ist der Zylinderblock mit dem Zy¬linderkopf einstückig. Bei dieser Bauweise ist der Einbau von Zylinderbüchsennicht möglich. Sie erlaubt aber besonders intensive Kühlung und ist daher fürMotoren hoher Leistungsdichte geeignet. Bei Motoren mit mehreren Zylindernin Reihe ist möglichst gleich intensive Kühlung aller Zylinder erwünscht, aberschwierig zu erreichen.

Stand der Technik

Typischerweise erfolgt die Zufuhr des Kühlwassers bei Reihenmotoren von derStirnseite und es umströmt der Reihe nach die einzelnen Zylinder, wie etwa in der DE 10 2005 018 364 Al zu sehen. Wenn es beim hintersten Zylinder an¬kommt, ist seine Temperatur bereits wesentlich höher und seine Kühlwirkungdaher vermindert. Weil auch eine vertikale Strömung herrscht (etwa hinauf zumZylinderkopf) ist auch die Strömungsgeschwindigkeit - und damit der Wärme¬übergangskoeffizient variabel. Insgesamt bleibt so der hintere Zylinder wärmerals die vorhergehenden. Verstärkt wird dieser Effekt bei „siamesischer“ Anord¬nung der Zylinder ohne Zwischenraum.

Aus der DE 101 61 553 B4 ist eine nicht gattungsgemäße Verbrennungskraft¬maschine mit getrenntem Zylinderkopf und nassen Zylinderbüchsen bekannt,bei der obigem Problem dadurch abgeholfen ist, dass auf einer Längsseite derVerbrennungskraftmaschine übereinander ein Verteilerkanal und ein Sammel¬kanal großen Strömungsquerschnittes vorgesehen sind. Von diesem sind die ein¬zelnen Zylinder ungefähr gleichartig ange- und umströmt. Allerdings ist dieseStrömung, alleine schon - aber nicht nur - wegen der nassen Zylinderbüchsen,für eine intensive Kühlung nicht ausreichend. Der oberste und heißeste Bereichder Zylinderbüchsen ist nicht ausreichend umströmt und die einseitigen Über-strömöffnungen in den Zylinderkopf haben eine ungleichmäßige Temperaturver¬teilung am Umfang der Zylinderbüchse und im Zylinderkopf zur Folge. Schlie߬lich findet zwischen dem Verteilerkanal und dem unmittelbar darüber angeord¬neten Sammelkanal ein unerwünschter Wärmeübergang, ein thermischer Kurz¬schluss, statt.

Problem/Lösung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteilen abzuhelfen und die Be¬sonderheiten der Monoblock - Bauweise für eine reichliche und gleichmäßigeKühlung zu nutzen, bei möglichst einfacher Fertigung.

Erfindungsgemäß wird das mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. An¬spruchs erreicht. Von dem Verteilerkanal wird das Kühlwasser auf alle Zylinderhinsichtlich Geschwindigkeit, Druck und Temperatur, gleichmäßig verteilt. Da¬durch, dass der Sammelkanal auf der anderen Seite des Zylinderblocks angeord¬net ist, kein unerwünschter Wärmeübergang zwischen den beiden Kanälen.Durch die Anbringung der Kanäle an gegenüberliegenden Seiten können diesesich über die ganze Höhe des Zylinders erstrecken, sodass ein großer Strö¬mungsquerschnitt bei nur geringer Zunahme der Breite des Zylinderblocks reali¬siert werden kann und die ersten Öffnungen in den Kühlwasserraum sehr tiefangeordnet sein können. Die ersten Öffnungen zwischen Verteilerkanal undKühlwasserraum können groß dimensioniert und von beliebiger Form sein, weilsie beim Gießen des Zylinderblocks aus einem Kemteil entstehen. Dadurch, dassder Sammelkanal über eine Reihe von zweiten Öffnungen mit dem zweiten dar¬über angeordneten Kühlraum in Verbindung steht, ist auch die Strömung desKühlwassers im Kopfteil gleichmäßig.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Zylinderwände in ihrer unteren Regi¬on mit dem Kühlmantel verbunden und steht der die Zylinderwände umgebendeerste Kühlwasserraum nach oben hin mit dem zweiten Kühlwasserraum in Ver¬bindung. Dadurch gleichmäßige Umströmung der einzelnen Zylinder und Strö¬mung aufwärts entsprechend der nach oben zunehmenden Temperatur.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ragen die Zylinderwände zumindest stel¬lenweise über den Zylinderboden hinaus in den zweiten Kühlwasserraum und istzur Strömungsverbindung des ersten Kühlwasserraumes mit dem zweitenKühl wasserraum eine Anzahl horizontaler Verbindungsbohrungen vorgesehen.

In einer Variante sind die die Zylinderwände umgebenden ersten Kühlwasser-räume von oben angebohrt oder zumindest über einen Teil des Umfangs nach oben hin offen, sodass Zylinderwände und Zylinderböden besonders intensivgekühlt sind. Das Kühlwasser umströmt so die Zylinderwände rundum und ver¬tikal aufwärts direkt in den zweiten Kühlwasserraum hinauf.

Es ist von Vorteil, wenn der Verteilerkanal und der Sammelkanal einen großenStrömungsquerschnitt haben und nach oben bis zur Höhe des Zylinderbodensund weit nach unten reichen. So können die Kanäle der Außenkontur des Mo¬torblocks angepasst werden, was auch gusstechnische Vorteile bringt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung folgt der Kühlmantel in Drauf¬sicht der Kontur der Zylinderwände dergestalt, dass der die Zylinderwände um¬gebende erste Kühlwasserraum rundum die Zylinderwände gleich weit ist. Da¬durch werden die Zylinderwände ohne Wirbel, also mit minimalem Druckver¬lust, und hoher Geschwindigkeit an den Zylinderwänden entlang geführt, da¬durch besonders hoher Wärmeübergangskoeffizient.

Vorzugsweise ist der zweite Kühlwasserraum oben von einer in Strömungsrich¬tung aufwärts geneigten Deckwand begrenzt und ist von Gasauslasskanälendurchsetzt. Weil die Zylinderwände rundum aufwärts umströmt sind, nimmt dieströmende Menge im zweiten Kühlwasserraum nach der Seite des Sammelka¬nals hin zu. Die geneigte Deckwand bewirkt einen dem entsprechend zuneh¬menden Strömungsquerschnitt. Die den zweiten Kühlwasserraum durchsetzen¬den Gasauslasskanäle sind gut und zuletzt umströmt. So ist auch der besondersheiße Zylinderboden optimal gekühlt.

Vorzugsweise reicht der zweite Kühlwasserraum bis über den Sammelkanal undist über eine Anzahl von zweiten Öffnungen in der Deckwand des Sammelrau¬mes mit diesem strömungsverbunden. So können die zweiten Öffnungen beimGuss hergestellt werden und es ist eine ebene Außenwand möglich.

Die Erfindung handelt auch von einer Gießform, die die Herstellung eines erfin¬dungsgemäßen Zylinderblocks mit nur geringem Mehraufwand ermöglicht. Da¬bei können die meisten Kemteile einer Gießform für die Herstellung eines kon¬ventionellen Zylinderblockes ungeändert verwendet werden. Die erfindungsge¬mäßen Änderungen der betroffenen Kemteile bestehen darin, dass die demKühlwassermantel entsprechenden Kemteile über erste Kemhälse an einer Seitemit dem dem Verteilerkanal entsprechenden Kemteil und an der anderen Seitemit dem dem Sammelkanal entsprechenden Kemteil verbunden beziehungswei¬se mit ihm einstückig sind, wobei die Kemhälse auf einer Seite den ersten Öff¬nungen entsprechen, durch die der Verteilerkanal mit dem Kühl wasserraum strö¬mungsverbunden ist, und die Kemhälse auf der anderen Seite mittels Kemloch-verschlüssen abgeschlossen sind. Auf diese Weise entstehen die ersten Öffnun¬gen ohne jeglichen Mehraufwand, weil die Kemhälse für die Positionierung derdie Kanäle sowieso erforderlich sind. Die Kemhälse müssen nicht zylindrischsein, mit ihrer Kontur kann die Anströmung der Zylinderwände optimiert wer¬den.

Eine weitere erfindungsgemäße Abändemng besteht darin, dass der dem Sam¬melkanal entsprechende Kemteil über zweite Kemhälse mit dem dem zweitenKühlwasserraum entsprechenden Kemteil in Verbindung steht, wobei die zwei¬ten Kemhälse den zweiten Öffnungen entsprechen, durch die der zweiten Kühl¬wasserraum mit dem Sammelkanal strömungsverbunden ist. Die zweiten Kem¬hälse werden von der Trennebene der Gießform geschnitten.

Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen eines erfindungsgemäßenZylinderblocks und einer Gießform beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1: Einen Querschnitt nach I-I in Fig. 2 durch den Zylinderblock,

Fig. 2: Einen Hoerizontalschnitt nach II-II in Fig. 1,

Fig. 3: Die erfindungsgemäß abgeänderten Kemteileder Gießform, axonometrisch,

Fig. 4: Einen Schnitt nach III-III der Fig. 3.

Fig. 5: Eine Variante zu Fig. 1.

Beschreibung

In Fig. 1 ist der Zylinderblock summarisch mit 1 bezeichnet. Er umfasst einenZylinderteil 2 und einen mit ihm einstückigen Kopfteil 3. Der Zylinderteil 2 um¬fasst eine Anzahl von jeweils aus einer Zylinderwand 4 und einem Zylinderbo¬den 5 bestehenden Zylindern. Die Zylinderwände 4 sind gemeinsam von einemersten Kühlwasserraum 6 rundum umspült, welcher (6) seinerseits von einemKühlmantel 7 umgeben ist. Die Zylinderwände 4, der Kühlwasserraum 6 undder Kühlmantel 7 reichen an zumindest einer Stelle über den Zylinderboden 5hinaus und bilden dort jeweils eine Nase 8 mit horizontalen Austrittsöffnungen9. Das Wort Kühlwasser steht hier für jegliche Kühlflüssigkeit.

Der Kühlmantel 7 bildet die zylinderseitigen Seitenwände eines sich über dieLänge des Zylinderblocks 1 erstreckenden Kanals auf jeder Seite. Auf der inFig. 1 rechten Seite ist ein Verteilerkanal 10 und auf der anderen Seite ist einSammelkanal 11 gebildet. Beide Kanäle 10,11 sind unten von einer Fußwand 12begrenzt, welche die untere Region bildet, in der die Zylinderwände 4 in denKühlmantel 7 übergehen. Die Fußwand bildet eine ebene Fläche, mit der der Zy¬linderblock auf einem nicht dargestellten Kurbelgehäuse sitzt. Beide Kanäle10,11 sind oben, in der Höhe der Zylinderböden 5 von einer Plafondwand 14begrenzt. In Fig. 1 sind Zylinderböden 5 und Plafondwand 14 in derselben Ebe¬ne und miteinander einstückig. Nach außen sind die beiden Kanäle jeweils voneiner Seitenwand 15, 16 begrenzt. Der Verteilerkanal 10 ist über eine Anzahlerster Öffnungen 24 mit dem ersten Kühlwasserraum 6 strömungsverbunden.

Diese Öffnungen sind in Längsrichtung so verteilt, dass jeweils eine auf eineZylinderwand gerichtet ist. Ihre Höhe ist ungefähr in der Mitte der Zylinder¬wände 4, oder etwas höher oder tiefer. Ihre Kontur kann von der Kreisform ab¬weichen. Ihre Durchtrittsfläche kann von Zylinder zu Zylinder variieren. Dasdurch die Öffnungen 24 einströmende Kühlwasser umströmt die Zylinderwände4, strömt aufwärts und durch die Austrittsöffiiungen 9 in einen darüber liegen¬den zweiten Kühlwasserraum 19. Dazu sind in die Nasen 8 durchgehende hori¬zontale Bohrungen 17 eingebracht und mittels Kugeln 18 einseitig verschlos¬sen. So können die Bohrungen 17 am fertigen Gussstück von außen gebohrtwerden. Letzteres wird in Zusammenschau mit Fig. 2 deutlich. Über den Zylinderböden 5 und der Plafondwand 14 erstreckt sich über alle Zy¬linder der zweite Kühlwasserraum 19. Er überragt den Sammelkanal 11 und istseitlich von der Seitenwand 16 begrenzt. Oben ist er von einer Deckwand 20begrenzt, welche von der Seite über dem Sammelkanal 11 abwärts geneigt biszur Plafondwand 14 über dem Verteilerkanal 10 reicht. Der zweite Kühlwasser-raum 19 ist von Gaskanälen 21 (für Verbrennungsluft und Auspuffgas) durch¬setzt. In dem Raum 26 darüber befindet sich der nicht dargestellte Ventilmecha¬nismus. Die Plafondwand 14 ist über dem Sammelkanal 11 von einer Anzahlzweiter Öffnungen 28 durchbrochen, die die Strömungsverbindung zwischendem zweiten Kühlwasserraum 19 und dem Sammelkanal 11 hersteilen.

Im Kühlmantel 7 sind zwischen dem ersten Kühlwasserraum 6 und dem Sam¬melkanal 11 gusstechnisch bedingte Öffnungen durch Kemlochverschlüsse 30verschlossen. Ebensolche Kemlochverschlüsse 31 sind in den Seitenwänden 15,16 vorgesehen. An der Stirnseite des Verteilerkanals 10 und des Sammelkanals11 sind Anschlüsse 22,23 für den Zulauf beziehungsweise Ablauf des Kühlwas¬sers, somit zur Verbindung mit dem nicht dargestellten äußeren Kühlsystem(Umlaufpumpe, Wärmetauscher etc) vorgesehen.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die erfindungswesentlichen Kemteile für den Guss ei¬nes erfindungsgemäßen Zylinderblocks 1. Die übrigen Kemteile sind wie fürMotoren in Monoblock - Bauweise ohne die erfindungsgemäßen Merkmale üb¬lich. Der dem ersten Kühlwasserraum 6 entsprechende Kemteil ist mit 40 be¬zeichnet. Er ist beiderseits über eine Anzahl Kemhälse 41 mit dem dem Vertei¬lerkanal 10 entsprechenden Kemteil 42 und dem dem Sammelkanal 11 entspre¬chenden Kemteil 46 verbunden. Die Kemhälse 41 sind hier nur schematisch dar¬gestellt. Sie können die Kemteile 40,42,46 einstückig verbinden oder in entspre¬chende Ausnehmungen des jeweils anderen Kemteiles eingeführte Zapfen sein.

Die Kemhälse 41 bilden beim Guss die ersten Öffnungen 24, die die Strö¬mungsverbindung zwischen dem Verteilerkanal 10 und dem ersten Kühlwasser¬raum 6 hersteilen. An ihren Außenseiten haben die Kemteile 42,46 Kembutzen43, die zwecks Positionierung in entsprechende Ausnehmungen eines nicht dar¬gestellten Formkastens reichen. Die Innenkonturen 44 der Kemteile 42,46 sindder Form den Zylinderwänden 4 entsprechenden Kemteile 40 angepasst, sodassder erste Kühlwasserraum 6 entlang den Zylinderwänden 4 ungefähr gleich dickist.

Der dem zweiten, oberen, Kühlwasserraum 19 entsprechende Kemteil 48 sitztan der Trennebene 45 (siehe Fig. 4) auf den Kemteilen 40,46 auf, und zwar aufder Seite des Sammelkanals 11 mit zweiten Kemhälsen 49. Diesen (49) entspre¬chen nach dem Guss die zweiten Öffnungen 28 zur Verbindung der beidenKühlwasserräume 6,19. Ausnehmungen 50 im Kemteil 48 und aufwärts gerich¬tete Lappen 51 am Kemteil 40 bilden beim Guss die Nasen 8. Der dem Zylinde-rinnenraum entsprechende Kemteil 52 ist strichpunktiert angedeutet. Die Trenn¬ebene 45 ist hier vereinfachend als ebene Fläche dargestellt, ist unter Umständenaber dreidimensional.

Die Variante des erfindungsgemäßen Zylinderblocks in Fig. 5 unterscheidet sichvon der Ausfuhrungsform der Fig. 1 in der Strömungsverbindung zwischen demersten Kühl wasserraum 6 und dem zweiten Kühl wasserraum 19. Anstelle derNasen 8 mit den horizontal gebohrten Eintrittsöffnungen 9 der Fig. 1 sind dieEintrittsöffnungen 9A hier vertikale Bohrungen 17A, die von oben gebohrt unddann oben mittels Kugeln 18A verschlossen sind.

In einer weiteren Variante ist anstelle der als Bohrungen 17A ausgebildeten Ein¬trittsöffnungen 9A zu jedem Zylinder ein Ringspalt 9B ausgebildet, was in Fig. 5 angedeutet ist. Der Ringspalt 9B kann erstreckt sich über einen Teil des Um¬fangs oder sogar ganz rundum. Die Deckwand 20 braucht dann nicht durchbohrtzu werden und es sind keine Kugeln 18A erforderlich.

Claims (11)

1. Patentansprüche 1. Zylinderblock einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine inMonoblock - Bauweise mit mehreren in Reihe angeordneten und von einemgemeinsamen Kühlmantel umgebenen Zylindern, wobei zwischen dem Kühl¬mantel (7) und den einzeln umströmten Zylindern ein erster Kühlwasserraum (6)gebildet ist, und über den Zylindern (4,5) ein zweiter Kühlwasserraum (19) an¬geordnet und mit dem ersten Kühlwasserraum (6) strömungsverbunden ist, da¬durch gekennzeichnet, dass a) an den Längsseiten des Kühlmantels (7) in Längsrichtung an einer Seite einVerteilerkanal (10) und an der anderen Seite ein Sammelkanal (11) ange¬bracht ist, welche Kanäle (10,11) jeweils einen Anschluss (22,23) für einenäußeren Kühlkreislauf aufweisen, und b) dass der den Verteilerkanal (10) vom ersten Kühl wasserraum (6) trennendeKühlmantel (7) den einzelnen Zylindern (4,5) zugeordnete erste Öffnungen(24) aufweist, und c) dass der Sammelkanal (11) über eine Reihe von zweiten Öffnungen (28)mit dem zweiten darüber angeordneten Kühlwasserraum (19) in Verbin¬dung steht.
2. 2. Zylinderblock nach Anspruch 1, wobei die Zylinder jeweils aus einer Zy¬linderwand (4) und einem Zylinderboden (5) bestehen, dadurch gekennzeich¬net, dass die Zylinderwände (4) in ihrer unteren Region (12) mit dem Kühlman¬tel (7) verbunden sind und der die Zylinderwände (4) umgebende erste Kühl¬wasserraum (6) nach oben hin mit dem zweiten Kühl wasserraum (19) in Ver¬bindung steht.
3. 3. Zylinderblock nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylin¬derwände (4) zumindest stellenweise über den Zylinderboden (5) hinaus in denzweiten Kühl wasserraum (19) ragen und dass zur Strömungsverbindung des ers¬ten Kühlwasserraumes (6) mit dem zweiten Kühlwasserraum (19) eine Anzahlhorizontaler Austrittsöffiiungen (9) vorgesehen ist.
4. 4. Zylinderblock nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Zy¬linderwände (4) umgebenden erste Kühlwasserraum (6) zumindest über einenTeil des Umfangs (9B) nach oben hin offen ist.
5. 5. Zylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertei¬lerkanal (10) und der Sammelkanal (11) Kanäle mit großem Strömungsquer¬schnitt sind und nach oben bis zur Höhe des Zylinderbodens (5) reichen.
6. 6. Zylinderblock nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertei¬lerkanal (10) und der Sammelkanal (11) oben in einer Plafondwand (14) enden,die mit den Zylinderböden (5) koplanar ist.
7. 7. Zylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl¬mantel (7) in Draufsicht der Kontur der Zylinderwände (4) dergestalt folgt, dassder die Zylinderwände (4) umgebende erste Kühlwasserraum (6) rundum dieZylinderwände (4) gleich weit ist.
8. 8. Zylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwei¬te Kühlwasserraum (19) oben von einer in Strömungsrichtung aufwärts geneig¬ten Deckwand (20) begrenzt und von Gasauslasskanälen(21) durchsetzt ist.
9. 9. Zylinderblock nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass derzweite Kühlwasserraum (19) bis über den Sammelkanal (11) reicht und über ei¬ ne Anzahl von zweiten Öffnungen (28) in der Plafondwand (14) des Sammel¬raumes (11) mit diesem strömungsverbunden ist.
10. 10. Gießform für die Herstellung eines Zylinderblocks (1) mit einem einenKühlwasserraum (6) umschließenden Kühlmantel (7), an dessen Längsseiten inLängsrichtung an einer Seite ein Verteilerkanal (10) und an der anderen Seiteein Sammelkanal (11) angeordnet ist, welche Gießform aus einem Formkastenund einer Anzahl von Kemteilen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der demersten Kühlwasserraum (6) entsprechende Kemteil (40) über erste Kemhälse (41) an einer Seite mit dem dem Verteilerkanal (10) entsprechenden Kemteil (42) und an der anderen Seite mit dem dem Sammelkanal (11) entsprechendenKemteil (46) verbunden sind, wobei die ersten Kemhälse (41) auf einer Seiteersten Öffnungen (24) entsprechen, durch die der Verteilerkanal (10) mit demKühlwasserraum (6) strömungsverbunden ist.
11. 11. Gießform nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Sam¬melkanal (11) entsprechende Kemteil über zweite Kemhälse (49) mit dem demzweiten Kühlwasserraum (19) entsprechenden Kemteil (48) in Verbindungsteht, wobei die zweiten Kemhälse (49) den zweiten Öffnungen (28) entspre¬chen, durch die der zweiten Kühlwasserraum (19) mit dem Sammelkanal (11)strömungsverbunden ist.