AT521945A1

AT521945A1 - Brennkraftmaschine mit einem Kühlflüssigkeitsmantel

Info

Publication number: AT521945A1
Application number: ATA51064/2018A
Authority: AT
Inventors: Berger Robert; Blaindorfer Gerd
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-15
Also published as: WO2020107052A1; CN216278185U; AT521945B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Kühlflüssigkeitsmantel (6), der eine zwischen einer Zylinderkopfdichtebene (12) und einem Kurbelraum (7) angeordnete Zylinderanordnung (3) mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Zylindern (4) zumindest teilweise umgibt und durch eine Abtrennung (9) in einen kurbelraumfernen ersten Mantelabschnitt (10) und einen kurbelraumnahen zweiten Mantelabschnitt (11) unterteilt ist, wobei die Abtrennung (9) durch ein Einlegeelement (90) gebildet ist, das in den Kühlflüssigkeitsmantel (6) eingelegt ist. Um eine Kühlstruktur (5) bereitzustellen, die einfach zu fertigen ist, und mit der Leckageströmungen vermieden werden können, ist vorgesehen, dass das Einlegeelement (90) einen ersten Schenkel (91) und einen gegenüber dem ersten Schenkel (91) unter einem Winkel verlaufenden zweiten Schenkel (92) aufweist, wobei vorzugsweise das Einlegeelement (90) einen im Wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweist..

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlflüssigkeitsmantel, der eine zwischen einer Zylinderkopfdichtebene und einem Kurbelraum angeordnete Zylinderanordnung mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Zylindern zumindest teilweise umgibt und durch eine Abtrennung in einen kurbelraumfernen ersten Mantelabschnitt und einen kurbelraumnahen zweiten Mantelabschnitt unterteilt ist, wobei die Abtrennung durch ein Einlegeelement

gebildet ist, das in den Kühlflüssigkeitsmantel eingelegt ist.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, um Zylinderanordnungen von Brennkraftmaschinen während des Betriebs effizient zu

kühlen.

Beispielsweise offenbart die DE 33 109 57 A1 einen Zylinderblock mit einem Wassermantel, wobei eine Trennwand den Wassermantel in einen oberen Bohrungsabschnitt und einen unteren Bohrungsabschnitt unterteilt. Die Trennwand steigt kontinuierlich an (das heißt verläuft in Relation zu einer Zylinderkopfdichtebene schräg) und weist Öffnungen auf, über die der obere Bohrungsabschnitt mit dem unteren Bohrungsabschnitt gekoppelt ist. Die Herstellung einer derart geformten Trennwand in dem Wassermantel ist aufwendig und kostspielig. Die Verbindung zwischen oberem und unterem Bohrungsabschnitt bewirkt unkontrollierte Strömungsübertritte und verhindert eine optimale und auf die räumlichen Anforderungen abgestellte Kühlung der Brennkraftmaschine.

Die AT 15665 U1 offenbart eine Kühlungsstruktur für eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlflüssigkeitsmantel um eine Zylinderanordnung, wobei der Kühlflüssigkeitsmantel durch eine Abtrennung in einen oberen Mantelabschnitt und einen unteren Mantelabschnitt unterteilt ist. Die Abtrennung ist durch ein ebenes Einlegeelement gebildet, welches in den Kühlflüssigkeitsmantel eingelegt ist und auf einem umlaufenden Absatz zwischen dem unteren und dem oberen Mantelabschnitt aufliegt. Eine ähnliche Abtrennung zwischen einem unteren und einem oberen Mantelabschnitt eines Kühlflüssigkeitsmantels ist aus der Veröffentlichung

JP H 11294 254 A bekannt.

Die WO 2008/010584 A1, US 7,032,547 A und die EP 3 239 507 A1 zeigen jeweils eine Abtrennung zwischen einem unteren und einem oberen Mantelabschnitt,

welche über Abstandhalter am Boden des Kühlflüssigkeitsmantels abgestützt ist.

Die EP3239508 A1 offenbart einen Abstandhalter, welcher über Gummielemente zwischen den Wänden des Kühlflüssigkeitsmantels angeordnet ist.

Die WO 08/016127 A1 zeigt ein Trennwandelement für einen Kühlflüssigkeitsmantel mit einem flexiblen Lippenelement zur Abdichtung an einer inneren Wand des

Kühlflüssigkeitsmantels.

Weitere Abtrennungen eines Kühlflüssigkeitsmantels zwischen einem unteren und einem oberen Mantelabschnitt sind aus den Veröffentlichungen JP 2000 345 838 A, JP 2005 315 118 A2, oder EP 1 930 564 A1 bekannt.

Bekannte Abtrennungen haben den Nachteil eines relativ hohen Herstellungsaufwandes und/oder einer mangelhaften Trennung zwischen dem unteren und oberen Mantelabschnitt, sodass Leckageströmungen zwischen der Abtrennung und der Wand des Kühlflüssigkeitsmantels nicht ausgeschlossen werden können, welche die Kühlung nachteilig beeinflussen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlflüssigkeitsmantel bereitzustellen, der einfach zu fertigen ist, und mit dem

Leckageströmungen vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Einlegeelement einen ersten Schenkel und einen gegenüber dem ersten Schenkel unter einem Winkel verlaufenden zweiten Schenkel aufweist, wobei vorzugsweise das Einlegeelement einen im

Wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, die Abtrennung in dem Kühlflüssigkeitsmantel erst nachträglich, das heißt, nachdem der Gussteil gefertigt wurde, durch Einlegen des Einlegeelements durchzuführen. Insbesondere bewirken die in Bezug zueinander geneigten Schenkel im eingelegten Zustand des Einlegeelements eine Klemmwirkung gegen einander gegenüberliegenden Wänden des Kühlflüssigkeitsmantels. Mit einem V-förmigen Querschnitt wird ein

Verklemmen des Einlegeelements ermöglicht, so dass keine weiteren Vorkehrungen zur Montage notwendig sind. Unter V-förmig wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein im Wesentlichen winkeliger Übergang zwischen erstem und zweitem Schenkel verstanden, der auch eine herstellungsbedingte Abrundung aufweisen kann. Auch eine Ausführung mit U-förmigem Querschnitt im weitesten

Sinn ist daher möglich.

Ein „oberer“ erster Mantelabschnitt ist dabei kurbelgehäusefern bzw. feuerdecknah ausgebildet. Ein „unterer“ zweiter Mantelabschnitt ist dagegen kurbelgehäusenah bzw. feuerdeckfern angeordnet. Der erste Mantelabschnitt dient zur Kühlung des heißen oberen Zylinderbereichs, welcher dem Feuerdeck benachbart ist, und der zweite Mantelabschnitt zur Kühlung des kühleren unteren Zylinderbereichs, welcher

an den Kurbelraum grenzt.

Unter Kühlflüssigkeitsmantel ist in der vorliegenden Beschreibung jenes Volumen zu verstehen, in dem sich im Betrieb die Kühlflüssigkeit (insbesondere Wasser, gegebenenfalls mit geeigneten Zusätzen) befindet bzw. in dem sie zirkuliert. Der Kühlflüssigkeitsmantel ist als Hohlraum, der die Zylinderanordnung umgibt, in einem Gussteil bzw. Block gebildet. Bevorzugt ist das Einlegeelement einstückig ausgeführt und weist - vorzugsweise mit Ausnahme des Kühlflüssigkeitsübertrittes - eine geschlossene (ring- bzw. „mehrring“-artige) Kontur auf. Die Kontur folgt

dabei vorteilhafterweise dem Verlauf der Zylinderwände.

Der zum Beispiel im Zylinderblock ausgebildete Kühlflüssigkeits- bzw. Wassermantel wird somit durch das Einlegeelement in einen unteren und einen oberen Bereich aufgeteilt. Der Kühlflüssigkeitsmantel kann somit in einem einteiligen Gusskern (Zylinderblock) als „Open-Deck“-Konfiguration ausgebildet sein. Das Einlegeelement übernimmt die Funktion einer Trennwand bzw. einer Blende. Durch die Abtrennung können zwei Kühlflüssigkeitsräume bevorzugt mit unterschiedlichen Temperaturniveaus ausgebildet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Einlegeelement können somit separate Kühlstrategien für den ersten und den zweiten Mantelabschnitt sehr einfach umgesetzt werden. Dabei können unterschiedliche Temperaturniveaus im Zylinderkopf und im Zylinderblock erreicht werden. Während beispielsweise beim Aufwärmvorgang eine Kühlung im ersten Mantelabschnitt und damit nahe dem Zylinderkopf erfolgt, kann eine

Durchströmung des zweiten Mantelabschnittes noch unterdrückt werden, um ein

rascheres Aufheizen des Zylinderblocks zu erreichen und damit die Reibung zu reduzieren. Es sind auch Varianten denkbar, wo die beiden Mantelabschnitte überhaupt von verschiedenen Temperaturkreisen beschickt werden. Um die Herstellung zu erleichtern ist es vorteilhaft, wenn der untere zweite Mantelabschnitt und zumindest ein Teil des oberen ersten Mantelabschnittes in einem vorzugsweise einteiligen Gussteil ausgebildet sind. Dies hebt den Vorteil des Einlegeteils besonders gut hervor. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der untere Mantelabschnitt und zumindest ein Teil des oberen Mantelabschnittes in einem Zylinderblock ausgebildet sind.

Vorzugsweise ist der Querschnitt des Einlegeelements konvex in Bezug auf den zweiten Mantelabschnitt bzw. konkav in Bezug auf den ersten Mantelabschnitt ausgebildet. Dies bedeutet, dass die beiden Schenkel des Einlegeelementes sich nach oben öffnen. Mit anderen Worten ist in diesem Ausführungsbeispiel die offene Seite des V-förmigen Querschnitts dem Feuerdeck bzw. der Zylinderkopfdichtebene zugewandt, während die geschlossene Seite bzw. die Spitze des den Querschnitt bildenden „V“ in Richtung des Kurbelraums zeigt. Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der erste Schenkel und der zweite Schenkel einen Winkel zwischen etwa 60° und 120° - vorzugsweise etwa 90° - aufspannen. Dies ermöglicht es das Einlegeelement in den Kühlflüssigkeitsmantel von der Seite des offenen Feuerdecks bzw. von der Seite der Zylinderkopfdichtebene einzulegen. Vorzugsweise ist eine durch die Verschneidung des ersten und zweiten Schenkels gebildete Bezugsebene des Einlegeelements normal zur axialen Erstreckung der Zylinder der Zylinderanordnung ausgebildet. Mit anderen Worten ist die durch das Einlegeelement definierte Bezugsebene senkrecht zu einer Zylinderlängsachse orientiert. Dadurch bleibt die Höhe des jeweiligen Mantelabschnittes entlang des gesamten Umfanges konstant, wodurch dem in axialer Richtung verlaufenden Temperaturgradienten Rechnung getragen und eine gleichmäßige Wärmeabfuhr durch das insbesondere im kurbelraumfernen ersten Mantelabschnitt strömende

Kühlmittel erzielt wird.

Vorzugsweise weist der Kühlflüssigkeitsmantel zumindest einen Kühlflüssigkeitseintritt und zumindest einen Kühlflüssigkeitsaustritt auf, wobei der erste Mantelabschnitt den Kühlflüssigkeitseintritt, vorzugsweise benachbart zu bzw. im Bereich einer Zylinderkopfdichtebene der Brennkraftmaschine aufweist und/oder der zweite Mantelabschnitt den Kühlflüssigkeitsaustritt aufweist. Damit lässt sich

das Kühlmittel gezielt dem thermisch höher belasteten Bereich nahe der Zylinderkopfdichtebene zuführen und dann weiterleiten zum kurbelraumnahen Teil, der weniger stark gekühlt werden muss.

In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Mantelabschnitt und der zweite Mantelabschnitt über einen - vorzugsweise durch das Einlegeelement gebildeten - Kühlflüssigkeitsübertritt miteinander strömungsverbunden sind. Der erste Mantelabschnitt kann dabei den Kühlflüssigkeitseintritt aufweisen, welcher vorzugsweise im Bereich des Zylinderkopfdichtebene - also nahe dem Feuerdeck bzw. angrenzend an das Feuerdeck - der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist dabei der zweite Mantelabschnitt einen Kühlflüssigkeitsaustritt auf, welcher im Bereich einer Schmalseite der Zylinderanordnung angeordnet ist. Die Kühlflüssigkeit gelangt dabei über den Kühlmitteleintritt in den ersten Mantelabschnitt, strömt durch den Kühlflüssigkeitsübertritt im Einlegeelement in den zweiten Mantelabschnitt und verlässt den zweiten Mantelabschnitt durch den Kühlflüssigkeitsaustritt.

Um Kurzschlussströmungen zu vermeiden und zu erreichen, dass das Kühlmittel möglichst alle Zylinder umströmt, ist es vorteilhaft, wenn in dem ersten Mantelabschnitt und/oder in dem zweiten Mantelabschnitt entlang des Umfanges zumindest eine Kühlflüssigkeitssperre vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Kühlflüssigkeitssperre zwei Bereiche eines Mantelabschnitts voneinander trennt. Günstigerweise werden dabei zwei Bereiche des ersten Mantelabschnitts

voneinander getrennt.

Unter „Umfang“ ist hier der Umfang des Kühlflüssigkeitsmantels, der sich zumindest teilweise um die Zylinderanordnung erstreckt, zu verstehen. Mit anderen Worten ist also entlang des Verlaufes des Kühlflüssigkeitsmantels rund um die Zylinderanordnung zumindest eine Kühlflüssigkeitssperre vorgesehen.

Dadurch kann ein definierter Kühlkreis innerhalb eines Mantelabschnittes geschaffen werden. Beispielsweise kann die Kühlflüssigkeitssperre (zum Beispiel im ersten oder zweiten Mantelabschnitt) zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit angeordnet werden, um ein (einmaliges) Umströmen der Zylinderanordnung zu bewirken, bevor das Kühlmittel den

Mantelabschnitt wieder verlässt.

Besonders günstig ist es, wenn zumindest eine Kühlflüssigkeitssperre im Bereich des Kühlflüssigkeitsübertrittes, vorzugsweise direkt angrenzend an den Kühlflüssigkeitsübertritt, angeordnet ist.

Eine besonders gute Umströmung aller Zylinder lässt sich erzielen, wenn der Kühlflüssigkeitseintritt auf einer dem Kühlflüssigkeitsübertritt abgewandten ersten Seite der Kühlflüssigkeitssperre in den ersten Mantelabschnitt einmündet, wobei günstigerweise der Kühlflüssigkeitseintritt direkt angrenzend an die Kühlflüssigkeitssperre auf der ersten Seite der Kühlflüssigkeitssperre angeordnet ist. Der Kühlflüssigkeitsübertritt ist günstigerweise auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Kühlflüssigkeitssperre, vorzugsweise direkt

angrenzend an die Kühlflüssigkeitssperre, angeordnet.

In einer einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeitssperre durch ein Trennwandelement gebildet ist, welches vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgebildet ist und/oder sich über die gesamte Höhe des ersten Mantelabschnittes erstreckt. Um Teile einzusparen und Fertigung und Montage zu vereinfachen, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Trennwandelement einteilig mit dem Einlegeelement ausgebildet ist, wobei vorzugsweise das Trennwandelement als durch einen Biegevorgang abgewinkelter bzw. umgebogener Bereich des Einlegeelementes

ausgebildet ist.

Um bei einer Zylinderanordnung, die zumindest eine Zylinderreihe mit mehreren in Reihe angeordneten Zylindern aufweist, wobei ein erster äußerer Zylinder und ein zweiter äußerer Zylinder an unterschiedlichen Enden der Zylinderanordnung angeordnet sind, eine bestmögliche Wärmeabfuhr und gleichmäßige Kühlung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn ein Kühlflüssigkeitseintritt in den Kühlflüssigkeitsmantel im Bereich des ersten äußeren Zylinders und ein Kühlflüssigkeitsaustritt aus dem Kühlflüssigkeitsmantel im Bereich des zweiten

äußeren Zylinders angeordnet ist.

Packagingmäßig - also in Bezug auf eine kompakte und raumsparende Anordnung ist es hinsichtlich der anderen Komponenten der Brennkraftmaschine von Vorteil, wenn ein Kühlflüssigkeitseintritt in den Kühlflüssigkeitsmantel im Bereich einer Längsseite der Zylinderanordnung angeordnet ist. Des Weiteren ist es günstig,

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wenn ein Kühlflüssigkeitsaustritt aus dem Kühlflüssigkeitsmantel im Bereich einer

Schmalseite der Zylinderanordnung angeordnet ist.

Vorzugsweise ist das Einlegeelement aus einem Werkstoff mit zumindest einer der folgenden Eigenschaften gefertigt: Nichtmetallischer Werkstoff; Werkstoff mit isolierender Wirkung, der den ersten Mantelabschnitt gegenüber dem zweiten Mantelabschnitt thermisch isoliert; elastisches Material, insbesondere Federstahl oder Kunststoff oder ein Verbundmaterial. Das Einlegeelement kann also auch aus einem anderen Material gefertigt sein als der den Zylinderblock bildende Gussteil. Um ein einfaches Einlegen zu ermöglichen ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn das Einlegeelement aus einem elastischen Material, beispielsweise aus Federstahl oder Blech besteht. Günstigerweise kann auch ein Verbundmaterial, also aus Stahl und Gummi oder Kunststoff und Gummi verwendet werden, wobei zum Beispiel die

Verbundmaterialien in Schichten angeordnet sein können.

Wenn eine thermische Trennung zwischen dem unteren und dem oberen Abschnitt erwünscht ist, ist es vorteilhaft, wenn das Einlegeelement aus einem beispielsweise nichtmetallischen - Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit (bzw. geringem Wärmeleitkoeffizienten) gebildet ist, als der Zylinderblock, sodass das Einlegeelement den oberen und unteren Mantelabschnitt nicht nur gegeneinander abdichtet, sondern auch thermisch voneinander isoliert. Beispielsweise kann das Einlegeelement aus Kunststoff oder aber auch aus Keramik - beispielsweise aus einer auf Titancarbid-Verbindung basierenden elastischen Keramik - bestehen.

Das Einlegeelement kann im Kühlflüssigkeitsmantel auf oder zwischen entsprechenden Strukturen aufliegen bzw. eingezwängt sein. Beispielsweise könnte das Einlegeelement zwischen den Wänden des Kühlflüssigkeitsmantels fixiert bzw. eingezwängt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Einlegeelement an eine

Struktur angeklebt werden. Das Einlegeelement kann auch austauschbar sein.

Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass im zweiten Mantelabschnitt zumindest ein Stützelement angeordnet ist, auf welchem das Einlegeelement aufliegt, oder welches fest mit dem Einlegeelement verbunden ist. Insbesondere kann das Stützelement einstückig mit dem Einlegeelement ausgebildet sein. Über das Stützelement wird das Einlegeelement im zweiten Mantelabschnitt beispielsweise am Boden des zweiten Mantelabschnittes - abgestützt.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Herstellung in einer Open-Deck-Konfiguration ein Kühlflüssigkeitsmantel im Zylinderblock gegossen wird, der in einem vom Zylinderkopf abgewandten Bereich einen schmäleren Durchmesser aufweist als nahe dem Zylinderkopf, so dass sich am Übergang zwischen diesen Durchmessern ein Absatz ergibt. Vorzugsweise ist der Übergang zwischen dem vom Zylinderkopf abgewandten Bereich und dem dem Zylinderkopf naheliegenden Bereich als - vorzugsweise umlaufender - Absatz ausgeführt. Auf diesem Absatz wird das Einlegeelement (Blende bzw. Trennwand) eingelegt, das den Kühlflüssigkeitsmantels des Zylinderblocks räumlich in einen oberen ersten und einen unteren zweiten Mantelabschnitt teilt. Das Einlegeelement liegt somit zumindest teilweise auf dem Absatz auf. Der Absatz kann integral in dem Gussteil bzw. Zylinderblock geformt sein, in dem der Kühlflüssigkeitsmantel ausgebildet ist, Für die Auflage bzw. Positionierung des Einlageelementes sind hier keine weiteren Strukturen oder Maßnahmen erforderlich.

Günstigerweise ist der Querschnitt des zweiten Mantelabschnittes kleiner ist als der Querschnitt des ersten Mantelabschnittes. Wenn der Übertritt zwischen unterem und oberen Mantelabschnitt abrupt und nicht verlaufend ausgeführt ist, ergibt sich automatisch ein Absatz für das Auflegen des Einlageelementes.

In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einlegeelement den ersten und den zweiten Mantelabschnitt nicht nur räumlich teilt, sondern voneinander vollständig hydraulisch trennt, wobei das Einlegeelement dichtend an den Wänden des Kühlflüssigkeitsmantels des Zylinderblocks anliegt. Der erste Mantelabschnitt ist in dieser Ausführung gegenüber dem unteren Mantelabschnitt also vollständig abgedichtet. Der erste Mantelabschnitt und der zweite Mantelabschnitt können dabei jeweils einen gesonderten Kühlflüssigkeitseintritt und/oder Kühlflüssigkeitsaustritt aufweisen. Dadurch können Bereiche des Zylinderblockes bzw. Zylinderkopfes unabhängig voneinander und unterschiedlich stark gekühlt

werden.

Dadurch können in den jeweiligen Mantelabschnitten - entsprechend den Erfordernissen bzw. abgestimmt auf die Betriebsart und/oder -phase unterschiedliche Kühlstrategien gefahren werden, wobei die strömungsmechanische Beeinflussung überhaupt wegfällt und die gegenseitige thermische Kopplung

minimiert wird. Der erste Mantelabschnitt und der zweite Mantelabschnitt können

somit separat mit Kühlwasser beschickt werden, das von einer gemeinsamen

Pumpe oder von gesonderten Pumpen stammen kann.

Vom oberen ersten Mantelabschnitt kann das Kühlmittel zum Beispiel einlassseitig weiter in den Zylinderkopf geschickt werden, kann von dort auslassseitig wieder zurück in den Zylinderblock gelangen und über eine Austrittsöffnung den Kühlflüssigkeitsmantel verlassen. Der untere zweite Mantelabschnitt wird dabei separat beschickt: Hier strömt das Kühlmittel entweder auf einer Seite zu und auf der gegenüberliegenden Seite ab, oder es sind Zu- und Ablauföffnung nebeneinander angeordnet, wobei aber eine Flüssigkeitssperre dazwischen vorgesehen ist, so dass die Kühlflüssigkeit nach Zuführung einmal die Zylinderanordnung umströmt und dann wieder abläuft. Ohne Beschränkung der erfinderischen Funktion sind auch andere Zu- und Ablauflösungen möglich.

Im Grunde können mit der Erfindung auf einfache und kostengünstige Art und Weise zwei geteilte Temperaturniveaus bzw. ein geteilter Kühlkreis - in einem einteilig gegossenen Zylinderblock, aber durch das blendenförmige Einlegeelement unterteilt - erreicht werden.

In den beschriebenen Varianten ist günstigerweise vorgesehen, dass der Kühlflüssigkeitsmantel in einer zylinderkopfseitig offenen Konfiguration ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der Zylinderblock und der darin ausgeführte Kühlflüssigkeitsmantel auf der einer Zylinderkopfdichtebene zugewandten Seite offen ausgeführt ist und also bei bestimmungsgemäßer Verwendung durch die Zylinderkopfdichtung bzw. den Zylinderkopf verschlossen wird. Der obere erste Mantelabschnitt ist somit dem Zylinderkopf zugewandt. Durch die offene Konfiguration kann der Einlegeteil auch problemlos eingelegt werden. Dies kann zum Beispiel von oben bzw. von Seiten des Zylinderkopfes erfolgen, bevor dieser montiert wird. Der obere Mantelabschnitt kann in ein im Zylinderkopf ausgebildetes

Kühlvolumen übergehen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Darin

zeigen

Fig. 1 einen Zylinderblock einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer

axonometrischen Darstellung,

Fig. 2 den Zylinderblock in einem Längsschnitt durch einen Zylinder,

Fig. 3 ein Einlegeelement der Kühlungsstruktur des Zylinderkopfes in einer

axonometrischen Darstellung,

Fig. 4 den Zylinderblock in einer Draufsicht,

Fig. 5 den Zylinderblock in einem Schnitt gemäß der Linie V - V in Fig. 4,

Fig. 6 den Zylinderblock in einem Schnitt gemäß der Linie VI - VI in Fig. 4,

Fig. 7 den Zylinderblock in einem Schnitt gemäß der Linie VII - VII in Fig. 4 und

Fig. 8 den Zylinderblock in einem Schnitt gemäß der Linie VIII - VIII in Fig. 7,

Fig. 1 zeigt einen Zylinderblock 1 einer Brennkraftmaschine 2 mit einer Zylinderanordnung 3 mit mehreren in Reihe angeordneten Zylindern 4, wobei der Zylinderblock 1 eine Kühlungsstruktur 5 mit einem Kühlflüssigkeitsmantel 6 aufweist. Der Zylinderblock 1 kann integral mit einem einen Kurbelraum 7 bildenden Kurbelgehäuse 8 geformt oder separat dazu ausgebildet sein. Der Kühlflüssigkeitsmantel 6 umgibt die Zylinder 4 und ist durch eine Abtrennung 9 in einen oberen ersten Mantelabschnitt 10 und einen unteren zweiten Mantelabschnitt 11 unterteilt. Die Abtrennung 9 wird durch ein Einlegeelement 90 gebildet, das in

den Kühlflüssigkeitsmantel 6 eingelegt ist.

Der Kühlflüssigkeitsmantel 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer zylinderkopfseitig, also zu einer Zylinderkopfdichtebene 12 hin, offenen Konfiguration („open-deck“) ausgebildet und zusammen mit dem Zylinderblock 1

gegossen.

Das Einlegeelement 90 trennt den ersten Mantelabschnitt 10 räumlich vom zweiten Mantelabschnitt 11, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Das Einlegeelement 90 weist dabei einen V-förmigen Querschnitt mit einem ersten Schenkel 91 und einem dazu abgewinkelten zweiten Schenkel 92 auf, wobei der erste Schenkel 91 und der zweite Schenkel 92 - im eingebauten Zustand - einen Winkel ß zwischen etwa 60° und 120° - vorzugsweise etwa 90° - aufspannen. Der erste Schenkel 91 verläuft

damit unter einem Winkel ß gegenüber dem zweiten Schenkel 92. Insbesondere ist

im ausgebauten Zustand die Erstreckung des Einlegeelements 90 in einer radialen Richtung hinsichtlich der Zylinderanordnung 3 größer als im eingebauten Zustand, so dass sich eine Klemmwirkung gegen einander gegenüberliegende Wände des Kühlflüssigkeitsmantels 6 ergibt. Das Einlegeelement 90 kann so einfach und ohne Spezialwerkzeug im Kühlflüssigkeitsmantel 6 montiert werden.

Das Einlegeelement 90 wird dabei in den nach oben - also zur Zylinderkopfdichtebene 12 hin - offenen Kühlflüssigkeitsmantel 6 so eingelegt, dass die konvexe Seite - insbesondere eine durch die Verschneidung der beiden Schenkel gebildete Außenkante - dem Kurbelraum zugewandt ist. Die Außenkante 93 des Einlegeelementes 90 ist durch die Verschneidung der beiden Schenkel 91, 92 gebildet. Eine Bezugsebene £ des Einlegeelementes 90, die durch die Außenkante 93 verläuft, ist dabei im Wesentlichen normal zu der Zylinderachse 4a

positioniert.

Günstigerweise ist der Anstand a (siehe Fig. 3) zwischen den Endkanten 91a, 92a der beiden Schenkel 91, 92 des Einlegeelementes 90 im demontierten, also noch nicht in den Kühlflüssigkeitsmantel 6 eingelegten Zustand etwas größer als die größte Breite b des Kühlflüssigkeitsmantels 6 (siehe Fig. 2), gemessen zwischen zwei einander zugewandten Wänden 6a, 6b des Kühlflüssigkeitsmantels 6. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlflüssigkeitsmantel 6 über seinen gesamten Umfang und über seine gesamte Höhe mit annähernd gleicher Breite b ausgeführt. Beim Einsetzen des Einlegeelementes 90 in den Kühlflüssigkeitsmantel 6 werden die Endkanten 91a, 92a des ersten Schenkels 91 und des zweiten Schenkels 92 elastisch gegen die Wände 6a, 6b des Kühlflüssigkeitsmantels 6 gepresst, wodurch einerseits das Einlegeelement 90 elastisch zwischen den Wänden 6a, 6b eingeklemmt und fixiert wird. Andererseits bewirken die elastisch gegen Wände 6a, 6b gepressten Endkanten 91a, 92a eine Trennung und Abdichtung des ersten Mantelabschnitts 10 vom zweiten Mantelabschnitt 11. Das Einlegeelement 90 ist bevorzugt aus einem elastischem Material, beispielsweise aus einem nichtmetallischen Werkstoff bzw. einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Kunststoff oder Keramik, gebildet.

Wie in Fig. 3 deutlich gezeigt ist, ist das Einlegeelement 90 in Umfangrichtung nicht geschlossen ausgeführt, sondern weist einen Kühlflüssigkeitsübertritt 94 auf,

welcher - im eingebauten Zustand - den ersten Mantelabschnitt 10 des

Kühlflüssigkeitsmantels 6 mit dem zweiten Mantelabschnitt 11 strömungsverbindet. Der Kühlflüssigkeitsübertritt 94 ist dabei durch eine Ausnehmung im Einlegeelement 90, oder - wie aus Fig. 3 hervorgeht - durch einen umgebogenen Abschnitt 95 des Einlegeelementes 90 gebildet. Der umgebogene Abschnitt 95 bildet damit ein normal zur Bezugsebene & nach oben - also parallel zur Zylinderachse 4a in Richtung der Zylinderkopfdichtebene 12 wegstehendes Trennwandelement 97, das als Kühlflüssigkeitssperre 96 fungiert, welche zwei Bereiche des ersten Mantelabschnitts 10 voneinander trennt. Das Trennwandelement 97 erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Höhe 10a des

ersten Mantelabschnittes 10.

Die Kühlungsstruktur 5 weist im Ausführungsbeispiel einen Kühlflüssigkeitseintritt 13 und einen Kühlflüssigkeitsaustritt 14 auf, welche in den Zylinderblock 1 eingeformt sind. Der Kühlflüssigkeitseintritt 13 mündet in den ersten Mantelabschnitt 10 im Bereich der Zylinderkopfebene 12 und ist beispielsweise an einer Längsseite 1a des Zylinderblocks 1 im Bereich eines ersten äußeren Zylinders 41 angeordnet. Dies ermöglicht eine recht kompakte Konfiguration. Der Kühlflüssigkeitsaustritt 14 geht vom zweiten Mantelabschnitt 11 aus und ist im Bereich eines zweiten äußeren Zylinders 42 beispielsweise an einer Schmalseite 1b des Zylinderblocks 1 angeordnet. Durch die Abstimmung der Anordnungen des Kühlflüssigkeitseintrittes 13 und des Kühlflüssigkeitsaustrittes 14 wird ein möglichst vollständiges Umströmen der Zylinder 4 und damit eine optimale Wärmeabfuhr

sichergestellt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, mündet der Kühlflüssigkeitseintritt 13 auf einer dem Kühlflüssigkeitsübertritt 94 abgewandten ersten Seite 15 der Kühlflüssigkeitssperre 96 in den ersten Mantelabschnitt 10 ein, wobei der Kühlflüssigkeitseintritt 13 direkt angrenzend an die Kühlflüssigkeitssperre 96 auf der ersten Seite 15 der Kühlflüssigkeitssperre 96 angeordnet ist. Der Kühlflüssigkeitsübertritt 94 ist auf einer der ersten Seite 15 abgewandten zweiten Seite 16 der Kühlflüssigkeitssperre

96 direkt angrenzend an diese angeordnet.

In einer durch strichlierte Linien in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass im Übergangsbereich zwischen dem ersten Mantelabschnitt 10 und dem zweiten Mantelabschnitt 11 ein umlaufender Absatz 99 ausgebildet ist,

auf dem das Einlegeelement 90 auf- bzw. anliegt. Der Absatz 99 kann dabei

dadurch entstehen, dass der Querschnitt des zweiten Mantelabschnittes 11 kleiner

ist als der Querschnitt des ersten Mantelabschnittes 10.

In einer weiteren Ausführungsvariante, dargestellt durch strichlierte Elemente in Fig. 3, ist vorgesehen, dass im zweiten Mantelabschnitt 11 zumindest ein oder mehrere Stützelemente angeordnet sind, auf welchen das Einlegeelement 90 aufliegt, oder welches fest mit dem Einlegeelement 90 verbunden ist. Durch das Stützelement 98 kann bei der Montage das Einlegeelement 90 lagerichtig im Kühlflüssigkeitsmantel 6 positioniert werden, da sich die Stützelemente 98 am kurbelraumseitigen Boden des Kühlflüssigkeitsmantel 6 abstützen.

Die Kühlflüssigkeit strömt gemäß den Pfeilen S durch den Kühlflüssigkeitseintritt 13 in den oberen ersten Mantelabschnitt 10. Durch die Kühlflüssigkeitssperre 96 wird eine Kurzschlussströmung zum Kühlflüssigkeitsübertritt 94 verhindert. Das Kühlmittel strömt daher entsprechende den Pfeilen S unter Umströmung aller Zylinder 4 der Zylinderanordnung 3 in Umfangrichtung entlang des ersten Mantelabschnittes 10 zum Kühlflüssigkeitsübertritt 94 und weiter in den unteren zweiten Mantelabschnitt 11 des Kühlflüssigkeitsmantels 6 (siehe Fig. 6). Hier teilt sich der Kühlmittelstrom auf, wie in Fig. 8 durch die Pfeile S angedeutet ist, wobei ein Teil auf dem kurzen Weg und ein anderer auf dem langen Weg im zweiten Mantelabschnittes 11 die Zylinder 4 der Zylinderanordnung 3 umströmt und den

zweiten Mantelabschnitt 11 durch den Kühlflüssigkeitsaustritt 14 verlässt.

Der Eintritt des Kühlmittels in den ersten Mantelabschnitt 10 erfolgt also nahe der Zylinderkopfdichtebene 12 bzw. nahe den heißen Zonen der Zylinder 4, der Austritt im unteren zweiten Mantelabschnitt 11. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlmittel bei relativ geringer Temperatur in den besonders heißen Bereichen der Zylinderanordnung 3 noch viel Wärme aufnehmen kann und erst danach die

kühleren, bzw. weniger kritischen Bereiche durchströmt.

Die Anordnungen des Kühlflüssigkeitseintritts 13, des Kühlflüssigkeitsaustritts 14 und des Kühlflüssigkeitsübertritts 94 werden derart abgestimmt, dass Einströmung, Übertritt und Austritt des Kühlmittels nach möglichst vollständiger Umströmung der Zylinder 4 erfolgt; im Idealfall sind der Kühlmitteleintritt 13 und der Kühlmittelaustritt 14 einander gegenüberliegend angeordnet, um eine maximale

Umströmung zu erreichen.

Durch die Kühlflüssigkeitssperre 96 wird eine definierte Strömungsrichtung durch das im Einlegeelement 90 integrierte Trennwandelement 97 vorgegeben. Durch das Anordnen des Trennwandelements 97 direkt neben dem Kühlmitteleintritt 13 wird verhindert, dass sich Ruhezonen bilden, in denen das Kühlmittel stagniert. Dadurch, dass der Kühlflüssigkeitsübertritt 94 in den zweiten Mantelabschnitt 11 direkt neben dem Trennwandelement 10 vorgesehen ist, wird das Kühlmittel gezwungen, die Zylinder 4 einmal komplett zu umströmen, so dass eine bestmögliche Wärmeabfuhr ohne Druckverlust bzw. ohne Bildung von Stagnationszonen ermöglicht wird. Der Übertritt in den zweiten Mantelabschnitt 11 erfolgt somit annähernd im Bereich des Kühlmitteleintritts 13 und damit praktisch gegenüberliegend dem Kühlmittelaustritt 14, so dass auch im zweiten Mantelabschnitt 11 eine praktisch vollständige Umströmung der Zylinder 4 bewirkt wird. Das Vorsehen des normal zur Bezugsebene eg stehenden Trennwandelements 97 ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Kühlflüssigkeitssperre 96, da das Einlegeelement 90 einfach

an einer Stelle aufgeschnitten und umgebogen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Brennkraftmaschine (2) mit einem Kühlflüssigkeitsmantel (6), der eine zwischen einer Zylinderkopfdichtebene (12) und einem Kurbelraum (7) angeordnete Zylinderanordnung (3) mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Zylindern (4) zumindest teilweise umgibt und durch eine Abtrennung (9) in einen kurbelraumfernen ersten Mantelabschnitt (10) und einen kurbelraumnahen zweiten Mantelabschnitt (11) unterteilt ist, wobei die Abtrennung (9) durch ein Einlegeelement (90) gebildet ist, das in den Kühlflüssigkeitsmantel (6) eingelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (90) einen ersten Schenkel (91) und einen gegenüber dem ersten Schenkel (91) unter einem Winkel verlaufenden zweiten Schenkel (92) aufweist, wobei vorzugsweise das Einlegeelement (90) einen im Wesentlichen

V-förmigen Querschnitt aufweist.

Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (91) und der zweite Schenkel (92) des Einlegeelements (90) einen Winkel (ß) zwischen etwa 60° und 120° - vorzugsweise etwa 90° -

aufspannen.

Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Einlegeelements (90) konvex in Bezug auf den

zweiten Mantelabschnitt (11) ausgebildet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitsmantel (6) zumindest einen Kühlflüssigkeitseintritt (13) und zumindest einen Kühlflüssigkeitsaustritt (14) aufweist, wobei der erste Mantelabschnitt (10) den Kühlflüssigkeitseintritt (13), vorzugsweise benachbart zu einer Zylinderkopfdichtebene (12) der Brennkraftmaschine (2) aufweist und/oder der zweite Mantelabschnitt (11) den Kühlflüssigkeitsaustritt (14) aufweist.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mantelabschnitt (10) und der zweite Mantelabschnitt (11) über einen - vorzugsweise durch das Einlegeelement (90) gebildeten - Kühlflüssigkeitsübertritt (94) miteinander strömungsverbunden sind.

11.

16

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Mantelabschnitt (10) und/oder in dem zweiten Mantelabschnitt (11) entlang des Umfanges zumindest eine Kühlflüssigkeitssperre (96) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Kühlflüssigkeitssperre (96) zwei Bereiche eines Mantelabschnittes (10, 11)

voneinander trennt.

Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühlflüssigkeitssperre (96) im Bereich des Kühlflüssigkeitsübertrittes (94), vorzugsweise angrenzend an den

Kühlflüssigkeitsübertritt (94), angeordnet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitssperre (96) durch ein Trennwandelement (97) gebildet ist, welches vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse (4a) ausgebildet ist und/oder sich über die gesamte Höhe (10a) des ersten Mantelabschnittes (10) erstreckt.

Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwandelement (97) einteilig mit dem Einlegeelement (90) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise das Trennwandelement (97) als ein durch einen Biegevorgang umgebogener Abschnitt (95) des Einlegeelementes (90)

ausgebildet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitseintritt (13) auf einer dem Kühlflüssigkeitsübertritt (94) abgewandten ersten Seite (15) der Kühlflüssigkeitssperre (96) in den ersten Mantelabschnitt (10) einmündet, wobei vorzugsweise der Kühlflüssigkeitseintritt (13) angrenzend an die Kühlflüssigkeitssperre (96) auf der ersten Seite (15) der Kühlflüssigkeitssperre (96) angeordnet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitsübertritt (94) auf einer der ersten Seite (15) abgewandten zweiten Seite (16) der Kühlflüssigkeitssperre (96), vorzugsweise direkt

angrenzend an die Kühlflüssigkeitssperre (96), angeordnet ist.

13.

14.

15.

16.

17.

17

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Zylinderanordnung (3) zumindest eine Zylinderreihe aufweist, wobei ein erster äußerer Zylinder (4b) und ein zweiter äußerer Zylinder (4c) an unterschiedlichen Enden der Zylinderreihe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlflüssigkeitseintritt (13) in den Kühlflüssigkeitsmantel (6) im Bereich des ersten äußeren Zylinders (4b) und ein Kühlflüssigkeitsaustritt (14) aus dem Kühlflüssigkeitsmantel (6) im Bereich

des zweiten äußeren Zylinders (4c) angeordnet sind.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlflüssigkeitseintritt (13) in den Kühlflüssigkeitsmantel (6) im Bereich einer Längsseite (3a) der Zylinderanordnung (3) angeordnet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlflüssigkeitsaustritt (14) aus dem Kühlflüssigkeitsmantel (6) im Bereich einer Schmalseite (3b) der Zylinderanordnung (3) angeordnet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeelement (90) aus einem Werkstoff mit zumindest einer der folgenden Eigenschaften gefertigt ist: nichtmetallischer Werkstoff; Werkstoff mit isolierender Wirkung, der den ersten Mantelabschnitt (10) gegenüber dem zweiten Mantelabschnitt (11) thermisch isoliert; elastisches Material, insbesondere Federstahl oder Kunststoff oder ein Verbundmaterial.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Verschneidung des ersten Schenkels (91) und zweiten Schenkels (92) gebildete Bezugsebene (eg) des Einlegeelements (90) normal zur axialen Erstreckung der Zylinder (10) der

Zylinderanordnung (3) ausgebildet ist.

Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen dem ersten Mantelabschnitt (10) und dem zweiten Mantelabschnitt (11) ein -

vorzugsweise umlaufender - Absatz (99) ausgebildet ist, auf der/dem das

Einlegeelement (90) zumindest teilweise aufliegt.

18. Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Mantelabschnitt (11) zumindest ein Stützelement (98) angeordnet ist, auf welchem das Einlegeelement (90)

aufliegt, oder welches fest mit dem Einlegeelement (90) verbunden ist.

19. Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitsmantel (6) in einer zylinderkopfseitig offenen Konfiguration ausgebildet ist.

30.11.2018 FÜ