AT523181A4 - Kühlsystem für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (100) für eine Brennkraftmaschine (20), die Zylinderkopf (21), Zylinderblock (22) und mehrere Zylinder (23) aufweist, wobei zumindest ein im Zylinderkopf (21) angeordneter Kopfkühlmantel (K), der mit mindestens einem Kühlmitteleintritt (1) und zumindest einem Kopfkühlmittelaustritt (10) strömungsverbunden ist, und im Zylinderblock (22) angrenzend an den Zylinderkopf (21) ein oberer Blockkühlmantel (11) und auf einer vom Zylinderkopf (21) abgewandten Seite des oberen Blockkühlmantels (11) ein unterer Blockkühlmantel (15) vorgesehen sind, wobei der obere Blockkühlmantel (11) mit einem ersten Blockkühlmittelaustritt (14) und der untere Blockkühlmantel (15) mit einem zweiten Blockkühlmittelaustritt (17) strömungsverbunden oder strömungsverbindbar ist und der untere Blockkühlmantel (15) und/oder der obere Blockkühlmantel (11) mit dem Kopfkühlmantel (K) über zumindest einen Strömungsverbindungskanal (8a, 16, 29) strömungsverbunden oder strömungsverbindbar sind, wobei zur Steuerung der Kühlmittelströmung durch das Kühlsystem (100) dem Kopfkühlmittelaustritt (10), dem ersten Blockkühlmittelaustritt (14) und dem zweiten Blockkühlmittelaustritt (17) je ein schaltbares Ventilelement (25, 26, 27) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, die zumindest einen Zylinderkopf, zumindest einen Zylinderblock und mehrere Zylinder aufweist, ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems sowie eine Brennkraftmaschine mit

einem derartigen Kühlsystem.

Es ist bekannt, Zylinderblock und -kopf einer Brennkraftmaschine unterschiedlich zu kühlen, indem sie auf unterschiedliche Weise mit Kühlmittel durchströmt werden. Damit kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass Zylinderblock und Zylinderkopf je nach Betriebs- bzw. Lastzustand unterschiedlich stark thermisch belastet sind. In den Zylinderkopf erfolgt Wärmeeintrag vor allem über Feuerdeck bzw. Brennraumwand und die Auslasskanäle, in den Zylinderblock insbesondere durch einen Übertrag von Verbrennungswärme in die brennraumnahe Zylindermantelfläche. Durch unterschiedliche Kühlmittelführung kann beispielsweise erreicht werden, dass in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine der Zylinderblock noch nicht gekühlt und damit rascher auf Betriebstemperatur gebracht wird. Dieses Ziel wird im Stand der Technik dadurch erreicht, dass Kühlmäntel im Zylinderblock und im Zylinderkopf voneinander getrennt werden und

unterschiedlich durchströmbar sind.

Aus der AT 514793 B1 der Anmelderin ist beispielsweise ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen von Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel im Zylinderkopf und einen von Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel im Zylinderblock aufweist. Dabei ist die allgemeine Strömungsrichtung vom Zylinderkopf in Richtung des Zylinderblockes, was üblicherweise als „Top-DownCooling“ bezeichnet wird. Des Weiteren ist eine Durchströmung in Querrichtung von einer Auslassseite zu einer Einlassseite vorgesehen. Dies wird durch eine Verteilleiste oder einen Sammelraum erreicht, von dem aus das Kühlmittel zur Einlassseite strömt. Die Durchströmung der beiden Kühlmäntel wird durch Ventile gesteuert. Nachteilig an dieser Lösung ist insbesondere, dass der Zylinderblock entweder gar nicht oder zu stark gekühlt wird und damit nicht alle Betriebs- und Lastzustände adressierbar sind.

Die EP 2 562 379 A1 beschreibt einen getrennten Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Zylinderkopfwassermantel und ein

Motorblockwassermantel vorgesehen sind. Über ein Steuerelement kann ein

Kühlmittel entweder einem Kühler oder dem Motorblockwassermantel zugeführt werden. Die dafür erforderliche relativ große Anzahl an externen Leitungen zwischen Zylinderkopfwassermantel und Zylinderblockwassermantel führt dazu, dass ein großes Kühlmittelvolumen benötigt wird. Außerdem ist auch hier nur ein Umschalten zwischen einer Zylinderblockkühlung und keiner Zylinderblockkühlung

möglich.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem mit verbessertem Kühl-

und Aufheizverhalten bereit zu stellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein eingangs genanntes Kühlsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein im Zylinderkopf angeordneter Kopfkühlmantel, der mit mindestens einem Kühlmitteleintritt und zumindest einem Kopfkühlmittelaustritt strömungsverbunden ist, und im Zylinderblock angrenzend an den Zylinderkopf ein oberer Blockkühlmantel und auf einer vom Zylinderkopf abgewandten Seite des oberen Blockkühlmantels ein unterer Blockkühlmantel vorgesehen sind, wobei der obere Blockkühlmantel mit einem ersten Blockkühlmittelaustritt und der untere Blockkühlmantel mit einem zweiten Blockkühlmittelaustritt strrömungsverbunden oder strömungsverbindbar ist und der untere Blockkühlmantel und/oder der obere Blockkühlmantel mit dem Kopfkühlmantel über zumindest einen Strömungsverbindungskanal strömungsverbunden oder strömungsverbindbar sind, wobei zur Steuerung der Kühlmittelströmung durch das Kühlsystem dem Kopfkühlmittelaustritt, dem ersten Blockkühlmittelaustritt und dem zweiten Blockkühlmittelaustritt je ein Ventilelement zugeordnet ist.

Dadurch ist auch eine einfache Abstufung der Kühlmittelleistung möglich. Beispielsweise kann über eine vorgebbare Grenztemperatur der Brennkraftmaschine oder des Kühlmittels eine Steuerung des Kühlsystems realisiert werden. Es wird durch diese Anordnung auf einfache Weise ein Betrieb in mehreren unterschiedlichen Betriebsmodi möglich, die die verschiedenen Betriebs- und Lastzustände der Brennkraftmaschine und die damit verbundenen thermischen Bedingungen berücksichtigen können.

Durch das Vorsehen dezidierter Ventilelemente können die Kühlmäntel im Zylinderblock bedarfsgerecht aktiviert oder deaktiviert werden, wobei der

Kopfkühlmantel im Zylinderkopf stets von der vollen Kühlmittelmenge

durchströmbar ist. Somit kann eine ausreichende Wärmeabfuhr aus den thermisch hochbelasteten Bereichen um die Auslassventile an einem Feuerdeck in jedem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gewährleistet werden.

Um den im Zylinderblock zwischen benachbarten Zylindern die thermisch besonders belasteten Bereich ausreichend zu kühlen ist in einer Variante zumindest ein im Zylinderblock verlaufender Stegkühlungskanal vorgesehen, der in einem Stegbereich zwischen benachbarten Zylindern angeordnet ist, wobei der Stegkühlungskanal vorzugsweise mit einem v-förmigen Verlauf ausgebildet ist. Die Wärme kann somit ausreichend aus diesem Bereich abtransportiert werden und

thermischen Schäden kann vorgebeugt werden.

Mit anderen Worten ist in einer normal zu einer Zylinderlängsebene orientierten Trennebene zwischen zwei benachbarten Zylindern, dem sogenannten Stegbereich, ein Stegführungskanal angeordnet. Der Stegführungskanal hat dabei vorzugweise einen v-förmigen Verlauf, nimmt also von einem Anfangspunkt, der nahe dem Zylinderkopf angeordnet ist, einen abfallenden Verlauf bis zu einem am weitesten vom Zylinderkopf entfernten Punkt, von dem er ansteigend bis zu einem Endpunkt ausgeführt ist, der wieder etwa den gleichen Abstand zum Zylinderkopf aufweist wie der Anfangspunkt.

Günstigerweise ist der Stegkühlungskanal als Teil des oberen Blockkühlmantels ausgeführt und strömungsverbindet einen auslassseitigen Teil des oberen Blockkühlmantels mit einem einlassseitigen Teil des oberen Blockkühlmantels. Dadurch lässt sich eine Durchströmung der Brennkraftmaschine, insbesondere des Zylinderblocks, in Querrichtung realisieren. Die Strömung verläuft unter anderem entlang den Wänden zum Brennraum, was eine bessere Kühlung des Brennraums

mit sich bringt.

Um den thermisch besonders hoch belasteten Brennraumbereich nahe dem Feuerdeck bzw. der Zylinderkopfdichtung gezielt kühlen zu können, umschließt vorteilhafterweise der obere Blockkühlmantel in Zylinderrandbereichen zumindest teilweise ringförmig. Der Zylinderrandbereich ist dabei derjenige Bereich, der im Zylinderblock von einer Zylinderachse gesehen in radialer Richtung an eine Zylinderbohrung bzw. eine darin angeordnete Zylinderlaufbuchse anschließt. Der Zylinderrandbereich reicht vom Zylinder bzw. der Zylinderbohrung bis etwa zum

1,50-fachen des Zylinderdurchmessers bzw. des Bohrungsdurchmessers des

Zylinders, vorzugsweise bis zum 1,35-fachen des Durchmessers. Die derart entstehenden Kühlräume werden hier auch als Ringkühlung bezeichnet, da eine im Wesentlichen ringförmige Anordnung entsteht. Der obere Blockkühlmantel weist vorzugsweise in axialer Richtung der Zylinder gesehen eine Höhe zwischen 10% bis 30% eines Bohrungsdurchmessers eines Zylinders auf. Mit anderen Worten reicht der obere Blockkühlmantel von einer dem Zylinderkopf zugewandten Oberseite des Zylinderblocks in den Zylinderblock hinein, wobei die Höhe in axialer Richtung der Zylinder gesehen zwischen 10% bis 30% eines Bohrungsdurchmessers eines Zylinders beträgt.

Zur Realisierung eines vorteilhaften Kühlverfahrens ist in einer Variante ein erstes Ventilelement an dem Kopfkühlmittelaustritt des Kopfkühlmantels vorgesehen, das zumindest zwischen einer geöffneten ersten Ventilstellung, einer geschlossenen zweiten Ventilstellung, vorzugsweise zwischen einer geöffneten ersten Ventilstellung, einer geschlossenen zweiten Ventilstellung und einer gedrosselten

dritten Ventilstellung schaltbar ist.

Um noch flexibler auf die Anforderungen an die Kühlung reagieren zu können, ist in einer weiteren Ausführungsvariante ein zweites Ventilelement an dem ersten Blockkühlmittelaustritt des oberen Blockkühlmantels vorgesehen, das zumindest zwischen einer geschlossenen ersten Ventilstellung und einer geöffneten zweiten

Ventilstellung schaltbar ist.

Eine weitere Flexibilität ergibt sich, wenn ein drittes Ventilelement an dem zweiten Blockkühlmittelaustritt des unteren Blockkühlmantels vorgesehen ist, das zumindest zwischen einer geschlossenen ersten Ventilstellung und einer zweiten

geöffneten Ventilstellung schaltbar ist.

Durch Kombination dieser drei Ventilelemente in verschiedenen Ventilstellungen sind unterschiedliche Schaltstellungen realisierbar, die verschiedenen Betriebsmodi des Kühlsystems entsprechen. Dadurch lässt sich das Kühlsystem an

unterschiedlichste Last- und Betriebszustände der Brennkraftmaschine anpassen.

Um die Strömungsverhältnisse zu verbessern und thermisch hoch belastete Bereiche zielgerichtet kühlen zu können erstreckt sich der obere Blockkühlmantel zwischen Einlass- und Auslassseite der Brennkraftmaschine und an zumindest

einem Übergang zwischen Einlass- und Auslassseite ist zumindest ein

Drosselabschnitt vorgesehen. Unter einem Drosselabschnitt ist hier ein Bereich zu verstehen, in dem sich ein Querschnitt bzw. Strömungsquerschnitt des Kühlmantels gegenüber dem Querschnitt eines stromaufwärts und/oder stromabwärts

anschließenden Bereichs verringert.

Günstigerweise ist je ein Drosselabschnitt an einer Stirnseite des Zylinderblocks, vorzugsweise zwischen einem Zylinder und der Stirnseite, und an einer der Stirnseite gegenüberliegenden Seite des Zylinderblocks, vorzugsweise zwischen einem Zylinder und der der Stirnseite gegenüberliegenden Seite des Zylinderblocks, angeordnet. In einer Variante verringert sich in dem Drosselabschnitt ein offener Querschnitt des oberen Blockkühlmantels auf 15% oder weniger des Querschnitts

stromauf- und/oder stromabwärts des Drosselabschnitts.

In einer besonders günstigen Ausführung ist zwischen dem oberen Blockkühlmantel und dem unteren Blockkühlmantel eine durchgehende Gusswand vorgesehen. Mit anderen Worten sind der obere und der untere Blockkühlmantel innerhalb des Zylinderblocks durch eine Gusswand vollständig voneinander getrennt. Dadurch wird die Herstellung erleichtert und Leckagen und unkontrollierte

Kühlmittelübertritte im Zylinderblock können verhindert werden.

Durch diese Anordnung wird das Kühlen der kritischsten Passagen einer Brennkraftmaschine ermöglicht. Vor allem durch die Gusswand können neue Wege in der Fertigung derartiger Brennkraftmaschinen beschritten werden und die Fertigung vereinfacht werden, da Fertigungsschritte (Einlegen und Fügen von Kühlmanteltrennelementen) eingespart werden können. Weiters kann eine optimale Trennung der Strömungsverhältnisse im oberen und unteren Kühlmantel

sichergestellt werden.

In einer Variante des Kühlsystem ist der Kopfkühlmantel überwiegend an der Auslassseite der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei der Kühlmitteleintritt in eine entlang der Auslassseite verlaufende, im Zylinderkopf angeordnete Verteilleiste einmündet, die mit einem ebenfalls entlang der Auslassseite verlaufenden Hauptkühlmantel des Kopfkühlmantels strömungsverbunden ist, aus dem das Kühlmittel über den Kopfkühlmittelaustritt wieder aus dem Zylinderkopf austritt, wobei die Verteilleiste weiter vom Zylinderblock entfernt ist als der Hauptkühlmantel. Mit anderen Worten strömt das Kühlmittel in eine Verteilerleiste

im Zylinderkopf und von dort in Richtung des Zylinderblocks in einen

Hauptkühlmantel und tritt von dort - zumindest teilweise, je nach Betriebsmodus des Kühlsystems - über den Kopfkühlmittelaustritt aus dem Zylinderkopf aus. Damit ergibt sich ein sog. „Top-Down-Cooling“, das Kühlmittel wird also vollständig dem Zylinderkopf zugeführt und beströmt von dort die thermisch besonders belasteten Bereiche, z.B. die Brennraumdecke bzw. das Feuerdeck, die Auslassventile samt Ventilbrücken bzw. -stegen und - gegebenenfalls - den Zylinderblock. Wenn dabei der Kühlmitteleintritt an einer Stirnseite des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine angeordnet ist, können neben günstigen Strömungsverhältnisse auch Vorteile beim Packaging erzielt werden, da

die Leitungsverläufe platzsparend gewählt werden können.

In einer weiteren Variante ist entlang der Auslassseite der Brennkraftmaschine eine Auslasssammelleiste zwischen einem Hauptkühlmantel des Kopfkühlmantels und dem Kopfkühlmittelaustritt vorgesehen, die mit dem Hauptkühlmantel und dem Kopfkühlmantelaustritt strömungsverbunden ist, wobei vorzugsweise der Hauptkühlmantel zumindest einen in einem Ventilsteg zwischen Auslassventilen verlaufenden Kühlsteg aufweist und der Kühlsteg über Kühlbohrungen mit der

Auslasssammelleiste verbunden ist.

Vorteile bei der Kühlung, insbesondere hinsichtlich einer Querströmung zwischen Auslass- und Einlassseite lassen sich erreichen, wenn der obere Blockkühlmantel über eine entlang der Einlassseite verlaufende Einlasssammelleiste mit dem ersten Blockkühlmittelaustritt verbunden ist. Vorzugsweise ist dabei die Einlasssammelleiste im Zylinderkopf angeordnet und es sind entsprechende

Verbindungen vom oberen Blockkühlmantel zur Einlasssammelleiste vorgesehen.

Es ist günstig, insbesondere aus Packaging-Gründen, wenn die Verteilleiste und/oder die Auslasssammelleiste und/oder die Einlasssammelleiste im

Zylinderkopf angeordnet ist/sind.

Die Auslass- und Einlasssammelleiste und die Verteilleiste können sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblockes erstrecken. Damit lässt sich eine Verteilung von Kühlmittel und Kühlmittelströmung über die gesamte Länge des Zylinderkopfes und -blockes erzielen.

Um die Strömungsverhältnisse vorteilhaft zu beeinflussen und eine Fertigung von Zylinderkopf und -block sowie Zu- und Ableitung von Kühlmittel möglichst zu

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vereinfachen, ist in einer Variante des Kühlsystems vorgesehen, dass zumindest der Kühlmitteleintritt und/oder zumindest der Kopfkühlmittelaustritt und/oder zumindest der erste Blockkühlmittelaustritt und/oder zumindest der zweite

Blockkühlmittelaustritt im Zylinderkopf angeordnet sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Betreiben eines beschriebenen Kühlsystems erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch Variieren der Ventilelemente zwischen zumindest drei Schaltstellungen, in denen sich jedes Ventilelement jeweils entweder in einer geöffneten ersten Ventilstellung oder einer geschlossenen zweiten Ventilstellung oder einer gedrosselten dritten Ventilstellung befindet, das Kühlsystem zumindest in einem ersten Betriebsmodus, in dem nur der Kopfkühlmantel von Kühlmittel durchströmt wird, oder einem zweiten Betriebsmodus, in dem der Kopfkühlmantel und der obere Blockkühlmantel von Kühlmittel durchströmt werden, oder einem dritten Betriebsmodus, in dem der Kopfkühlmantel, der obere Blockkühlmantel und der untere Blockkühlmantel von Kühlmittel durchströmt werden, betrieben wird. Unter einer gedrosselten Ventilstellung ist dabei eine Stellung eines Ventils zu verstehen, bei der ein Durchflussquerschnitt gegenüber einer geöffneten Stellung reduziert ist, ein Durchfluss von Kühlmittel aber noch möglich ist.

Die unterschiedlichen Betriebsmodi erlauben eine bestmögliche Anpassung der Kühlung an Betriebs- und Lastzustand der Brennkraftmaschine. Der erste Betriebsmodus kommt vorzugsweise bei kalter Brennkraftmaschine zum Einsatz, WO einerseits die entstehende Wärme aus dem Zylinderkopf abgeführt werden muss, andererseits aber die Kühlung des Zylinderblocks möglichst reduziert ist, um ein rasches Aufheizen zu ermöglichen. Der zweite Betriebsmodus kommt vorzugsweise zum Erreichen des normalen laufenden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zum Einsatz während der dritte Betriebsmodus bei hoher Last

bzw. starker Erwärmung der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.

Bei den genannten Betriebsmodi ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass

° in einer ersten Schaltstellung für den ersten Betriebsmodus das erste Ventilelement in die geöffnete erste Ventilstellung gebracht wird und sich das zweite und das dritte Ventilelement in der geschlossenen zweiten Ventilstellung befinden;

° in einer zweiten Schaltstellung für den zweiten Betriebsmodus das erste Ventilelement vorzugsweise in die gedrosselte dritte Ventilstellung gebracht wird, das zweite Ventilelement in die geöffnete erste Ventilstellung gebracht wird und sich das dritte Ventilelement in der geschlossenen zweiten Ventilstellung befindet, und

° in einer dritten Schaltstellung für den dritten Betriebsmodus das erste Ventilelement in die geschlossene zweite Ventilstellung gebracht wird und sich das zweite und das dritte Ventilelement in der geöffneten ersten Ventilstellung befinden.

im ersten Betriebsmodus in der ersten Schaltstellung, die vorzugsweise bei kalter Brennkraftmaschine und/oder kaltem Kühlmittel eingestellt wird, das erste Ventil geöffnet ist und das zweite Ventil sowie das dritte Ventil geschlossen sind.

Es ist vorteilhaft, wenn im dritten Betriebsmodus in der dritten Schaltstellung, die vorzugsweise bei heißer Brennkraftmaschine und/oder heißem Kühlmittel eingestellt wird, das erste Ventil geschlossen ist, das zweite Ventil geöffnet ist und das dritte Ventil geöffnet ist.

Um besser auf die Strömungsverhältnisse einwirken zu können, ist günstigerweise vorgesehen, dass im ersten Betriebsmodus in der ersten Schaltstellung ein

Übertrittsventil geschlossen ist.

Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn im zweiten Betriebsmodus und/oder im dritten Betriebsmodus in der zweiten/dritten Schaltstellung das Übertrittsventil

geöffnet ist.

Bei allen Schaltstellungen und in allen Betriebsmodi wird der Kopfkühlmantel vom gesamten Kühlmittelstrom durchströmt. Stromabwärts des Kopfkühlmantels ist das erste Ventilelement angeordnet, welches in einer geöffneten ersten Ventilstellung den Abfluss des Kühlmittels durch den Kopfkühlmittelaustritt ermöglicht, gleichzeitig sind ein zweites Ventilelement stromabwärts des oberen Blockkühlmantels und ein drittes Ventilelement stromabwärts des unteren Blockkühlmantels im Zylinderblock gesperrt und der Abfluss wird verhindert. Somit wird das gesamte Kühlmittel direkt einer Rücklaufleitung des Kühlsystems

zugeführt.

Bewegt sich das erste Ventilelement in die gedrosselte dritte Stellung und wird gleichzeitig das zweite Ventilelement in die geöffnete erste Ventilstellung gebracht, wird ein Teilstrom des Kühlmittels in den oberen Blockkühlmantel des Zylinderblockes geleitet. Das dritte Ventilelement verbleibt in der geschlossenen zweiten Ventilstellung. Nach Durchströmung des oberen Blockkühlmantels verlässt das Kühlmittel die Brennkraftmaschine teilweise durch den Kopfkühlmittelaustritt, teilweise durch den ersten Blockkühlmittelaustritt.

In der dritten Schaltstellung ist das erste Ventilelement in der geschlossenen zweiten Ventilstellung und vollständig verschlossen. Das zweite und das dritte Ventilelement sind in der geöffneten ersten Ventilstellung und vollständig geöffnet. Ein Teil des Kühlmittelstroms verlässt die Brennkraftmaschine nach Durchströmen des oberen Blockkühlmantels durch den ersten Blockkühlmittelaustritt und ein verbleibender Teil des Kühlmittelstroms verlässt die Brennkraftmaschine nach Durchströmen des unteren Blockkühlmantels durch den zweiten Blockkühlmittelaustritt.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine eingangs genannte Brennkraftmaschine gelöst. Vorteilhafterweise sind dabei der Zylinderkopf und/oder der Zylinderblock als Aluminiumguss ausgeführt. Durch das beschriebene Kühlsystem bzw. -verfahren kann die Kühlung in einer Brennkraftmaschine so zielgerecht gesteuert und die Wärme so effizient abgeführt werden, dass ein erweiterter Einsatz von Aluminiumguss bei der Herstellung der Brennkraftmaschine möglich ist. Dadurch kann das Gewicht der Brennkraftmaschine reduziert werden, was zum Senken von Treibstoffverbrauch und Emissionen führt. Der Zylinderkopf und/oder der Zylinderblock kann günstigerweise auch als ein anderer Leichtmetallguss und/oder mit Legierungszusätzen ausgeführt sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert. Darin

zeigen:

Fig. 1 Kühlmäntel eines erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer ersten Schrägansicht;

Fig. 2 die Kühlmäntel in einer zweiten Schrägansicht;

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die Kühlmäntel in einer Seitenansicht von einer Auslassseite;

die Kühlmäntel in einer Draufsicht;

die Kühlmäntel in einer Seitenansicht von einer Stirnseite gesehen;

eine Schnittansicht der Kühlmäntel entlang der Linie VI-VI in Fig. 4;

eine Schnittansicht der Kühlmäntel entlang Linie VII-VII in Fig. 4;

eine Schnittansicht der Kühlmäntel entlang Linie VIII-VIII in Fig. 4;

eine Schrägansicht der Kühlmäntel mit Kühlmittelströmung durch die

Kühlmäntel in einer ersten Schaltstellung;

eine weitere Schrägansicht der Kühlmäntel mit Kühlmittelströmung

durch die Kühlmäntel in der ersten Schaltstellung;

eine Schrägansicht mit Kühlmittelströmung durch die Kühlmäntel in einer zweiten Schaltstellung;

eine weitere Schrägansicht der Kühlmäntel mit Kühlmittelströmung durch die Kühlmäntel in der zweiten Schaltstellung;

eine Schrägansicht mit Kühlmittelströmung durch die Kühlmäntel in einer dritten Schaltstellung;

eine weitere Schrägansicht der Kühlmittelströmung durch die Kühlmäntel in der dritten Schaltstellung;

eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Draufsicht;

eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der Linie XVI-XVI in Fig. 15;

eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der Linie XVII-XVII in Fig. 15;

Fig. 18 eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der Linie XVIIIXVIII in Fig. 15;

Fig. 19 ein Zylinderblock der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer

Draufsicht;

Fig. 20 eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der Linie XX-XX in Fig. 17;

Fig. 21 eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der Linie XXI-XXI in Fig. 20;

Fig. 22 eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der

Linie XXII-XXII in Fig. 17; und

Fig. 23 eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine entlang der Linie XXIII-XXIIT in Fig. 17.

Fign. 1 bis 14 zeigen verschiedene Aspekte eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 100 während in den Fign. 15 bis 23 eine Brennkraftmaschine 20 mit einem derartigen Kühlsystem 100 dargestellt ist. Die Brennkraftmaschine 20 weist dabei einen Zylinderkopf 21, einen daran anschließenden Zylinderblock 22 und mehrere Zylinder 23 auf, die im Wesentlichen im Zylinderblock 22 ausgebildet und durch den Zylinderkopf 21 auf einer Seite verschlossen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 20 vier Zylinder 23 auf, wobei je einer als äußerer Zylinder an einer Stirnseite S der Brennkraftmaschine 20 und an einer der Stirnseite abgewandten Seite S‘ der Brennkraftmaschine 20 angeordnet ist. Dazwischen sind zwei mittige Zylinder angeordnet. Im Zylinderblock 22 sind die mittigen Zylinder untereinander und jeweils zu den äußeren Zylindern durch einen Zylindersteg 28 (siehe z.B. Fig. 19 und Fig. 22 bzw. Fig. 16, wo ein Schnitt durch eine Brennkraftmaschine 20 im Bereich des Zylinderstegs 28 dargestellt ist)

voneinander getrennt.

Zylinderkopf 21 und Zylinderblock 22 sind mit nicht dargestellten Zylinderkopfschrauben verbunden; die dafür vorgesehenen Ausnehmungen sind in

den Figuren mit Bezugszeichen 6 versehen.

Zwischen Zylinderkopf 21 und Zylinderblock 22 befindet sich eine Trennebene T (siehe z.B. Fign. 16 bis 18), in der beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung (nicht dargestellt) angeordnet ist. Eine Längsachse L (siehe z.B. Fig. 4, Fig. 19 oder

Fig. 23) der Brennkraftmaschine 20 bzw. des Zylinderkopfes 21 und Zylinderblocks 22 verläuft im Wesentlichen parallel zur Trennebene T und normal zu den Zylinderachsen 23a (siehe z.B. Fig. 17 und Fig. 22); eine Längsebene LL wird durch die Längsachse L und die Zylinderachsen 23a aufgespannt. In Fig. 22 liegt die Längsebene LL beispielsweise in der Blattebene während sie in Fig. 19 durch die Längsachse L normal zur Blattebene verläuft.

Fig. 1 zeigt in einer Schrägansicht ein Kühlsystem 100 mit einem Kopfkühlmantel K, einem oberen Blockkühlmantel 11 und einem unteren Blockkühlmantel 15. Der Kopfkühlmantel K befindet sich im Zylinderkopf 21 (siehe z.B. Fig. 16) während die Blockkühlmäntel 11, 15 sich im Zylinderblock 22 befinden.

Der obere Blockkühlmantel 11 ist dabei unmittelbar anschließend an den Zylinderkopf 21 bzw. an die Trennebene T ausgeführt während der untere Blockkühlmantel 15 auf einer vom Zylinderkopf 21 bzw. dem Kopfkühlmantel K

abgewandten Seite des oberen Blockkühlmantels 11 angeordnet ist.

Der Kopfkühlmantel K ist mit mindestens einem Kühlmitteleintritt 1, einem Kopfkühlmittelaustritt 10, dem oberen Blockkühlmantel 11 und dem unteren Blockkühlmantel 15 strömungsverbunden bzw. strömungsverbindbar. Zur Verbindung mit den Blockkühlmänteln 11, 15 sind zumindest Strömungsverbindungskanäle 8a, 16, 29 vorgesehen. Der obere Blockkühlmantel 11 ist mit einem ersten Blockkühlmittelaustritt 14 strömungsverbunden bzw. strömungsverbindbar, der untere Blockkühlmantel 15 ist mit einem zweiten

Blockkühlmittelaustritt 17 strömungsverbunden bzw. strömungsverbindbar.

Dem Kopfkühlmantel K wird über den Kühlmitteleintritt 1 ein Kühlmittel von einer nicht näher gezeigten Wasserpumpe zugeführt. Als Kühlmittel können dabei Wasser, Glykol, Öl, Mischungen daraus oder mit anderen Zusätzen verwendet

werden.

Der Kühlmitteleintritt 1 befindet sich an einer Stirnseite S des Zylinderkopfes 21. Stromabwärts des Kühlmitteleintritts 1 ist eine entlang der Auslassseite A der Brennkraftmaschine 20 verlaufende Verteilleiste 2 vorgesehen. Die Verteilleiste 2

verläuft im Wesentlichen parallel zur Längsebene LL (siehe z.B. Fig. 4) bzw. parallel zur Trennebene T. Von der Verteilleiste 2 führt je Zylinder 23 eine Zuleitung 3 zu einem Hauptkühlmantel 4. Die Zuleitung 3 verläuft dabei jeweils im Wesentlichen im rechten Winkel zur Längsachse L. Die Verteilleiste 2 hat vom Kühlmitteleintritt 1 weg einen kleiner werdenden Strömungsquerschnitt, um über die ganze Länge des Zylinderkopfes 21 eine gleichmäßige Versorgung der Zuleitungen 3 mit Kühlmittel

sicherzustellen.

Der Hauptkühlmantel 4 erstreckt sich im Wesentlichen über von den Zylindern 23 ausgehenden Auslasskanälen 4a, die den Zylinderkopf 21 besonders thermisch belasten. Während Fig. 1 nur die im Kühlmantel 100 vorgesehenen Ausnehmungen zeigt ist in Fig. 18 und Fig. 21 jeweils ein Auslasskanal 4a zu erkennen. Ein zwischen den Auslasskanälen 4a verlaufender Ventilsteg 7 (siehe z.B. Fig. 15 bzw. Fig. 17, wo ein Schnitt durch eine Brennkraftmaschine 20 im Bereich des Ventilstegs 7 dargestellt ist), der im Wesentlichen in einer normal zur Längsachse L durch die Zylinderachse 23 verlaufende Ebene (Ventilstegebene 70; siehe z.B. Fig. 4, Fig. 15 und Fig. 20, wo die Ventilstegebene 70 beispielhaft jeweils bei einem Zylinder 23 eingezeichnet ist) liegt wird durch einen in dem Ventilsteg 7 verlaufenden Kühlsteg 7a mit Kühlmittel versorgt, wobei je Zylinder 23 ein derartiger Kühlsteg 7a vorgesehen ist. Der Kühlsteg 7a umgibt ebenfalls Aufnahmebereiche für Einspritzdüsen oder Zündkerzen, die mit Bezugszeichen 5 gekennzeichnet sind.

Fig. 17 und Fig. 22 zeigen derartige Aufnahmebereiche 5, Einspritzdüsen sind nicht dargestellt. Mit anderen Worten ist zwischen zwei Auslasskanälen 4a ein

Kühlsteg 7a mit dem Aufnahmebereich 5 für die Einspritzdüse verbunden und reicht zum Hauptkühlmantel 4 im Zylinderkopf 21.

Zwischen den Auslassventilen bzw. den Auslasskanälen 4a ist ausgehend vom Kühlsteg 7a ebenfalls in der Ventilstegebene 70 je Zylinder 23 eine Kopfkühlbohrung 8 vorgesehen, die von der jeweiligen Zylinderachse 23 wegführend zur Auslassseite A hin verläuft und im Wesentlichen parallel zur Trennebene T zwischen Zylinderkopf 21 und Zylinderblock 22 ausgeführt ist.

Über die Kopfkühlbohrung 8 erfolgt eine Strömungsverbindung mit einer Auslasssammelleiste 9. Die Auslasssammelleiste 9 verläuft so wie die Verteilleiste 2

entlang der Auslassseite A der Brennkraftmaschine 20 und im Wesentlichen parallel!

zur Längsebene LL bzw. parallel zur Trennebene T und ist mit dem Kopfkühlmittelaustritt 10 strömungsverbunden, der an der Stirnseite S des Zylinderkopfes 21 bzw. der Brennkraftmaschine 20 angeordnet ist.

Die Auslasssammelleiste 9 befindet sich näher am Zylinderblock 22 bzw. an der Trennebene T zwischen Zylinderkopf 21 und Zylinderblock 22 angeordnet als die Verteilleiste 2 und als der Hauptkühlmantel 4. Mit anderen Worten ist die Sammelleiste 9 zwischen Hauptkühlmantel 4 und Trennebene T angeordnet, die Zylinderkopf 21 und Zylinderblock 22 der Brennkraftmaschine 20 voneinander

trennt.

Die Kopfkühlbohrung 8 reicht von außen vom Zylinderkopf 21 an der Auslassseite A bis zum Kühlsteg 7a. Dabei wird die bei der Herstellung der Kopfkühlbohrung 8 entstehende Verbindung zwischen Auslasssammelleiste 9 und Umgebung des Zylinderkopfs 21 für einen ordnungsgemäßen Betrieb durch einen Stopfen (nicht dargestellt) verschlossen.

Vom Aufnahmebereich 5 ist der Kühlsteg 7a in einer Richtung parallel zur Trennebene T um die Auslasskanäle 4a - insbesondere im Bereich der thermisch besonders belasteten Ventilsitze - herumführend geformt und reicht bis zu einer in einer normal zur Längsachse L durch die Zylinderstege 28 verlaufenden Ebene im Bereich der Zylinderstege 28 (Zylinderstegebene 280; siehe z.B. Fig. 4, Fig. 15 und Fig. 22, wo die Zylinderstegebene 280 beispielhaft jeweils bei einem Zylinder 23 eingezeichnet ist). Dort erfolgt einerseits eine Verbindung zum Kühlsteg 7a des benachbarten Zylinders 23, andererseits zum Hauptkühlmantel 4. Zusätzlich sind erste Strömungsverbindungskanäle 8a vorgesehen, die nahe dem Zylindersteg 28 den Kühlsteg 7a mit der Auslasssammelleiste 9 verbinden und andererseits eine Verbindung vom Kopfkühlmantel K zum oberen Blockkühlmantel 11 herstellen, was weiter unten näher erläutert wird. Ähnlich wie die Kopfkühlbohrung 8 verlaufen die ersten Strömungsverbindungskanäle 8a von der jeweiligen Zylinderachse 23 wegführend zur Auslassseite A hin, sind allerdings geneigt zur Trennebene T ausgeführt. Mit anderen Worten ist das näher der Längsebene LL angeordnete Ende der ersten Strömungsverbindungskanäle 8a weiter von der Trennebene T entfernt als das näher an der Auslassseite A angeordnete Ende der ersten

Strömungsverbindungskanäle.

Der Kopfkühlmantel K umfasst damit einen Hauptkühlmantel 4, Kühlstege 7a sowie Kopfkühlbohrungen 8 und ist über eine Verteilleiste 2 mit einem Kühlmitteleintritt 1 strömungsverbunden bzw. über eine Auslasssammelleiste 9 mit einem Kopfkühlmittelaustritt 10. Die Strömungsverbindungen zum oberen 11 und unteren Blockkühlmantel 15 werden weiter unten beschrieben.

Wie oben beschrieben weist der an der Trennebene T an den Zylinderkopf 21 anschließende Zylinderblock 22 einen oberen Blockkühlmantel 11 und einen

unteren Blockkühlmantel 15 auf.

Der obere Blockkühlmantel 11 ist unmittelbar an die Trennebene T anschließend angeordnet und erstreckt sich von der Trennebene T weg in einer Richtung parallel zu den Zylinderachsen 23a in den Zylinderblock 22 hinein. Der obere Blockkühlmantel 11 ist zum Zylinderkopf 22 hin offen ausgeführt, die Abdichtung gegenüber dem Zylinderkopf 21 erfolgt z.B. über eine nicht näher dargestellte Zylinderkopfdichtung.

Der obere Blockkühlmantel 11 ist im Wesentlichen als Ringkühlung ausgeführt, indem er in Zylinderrandbereichen die Zylinder 23 zumindest teilweise umschließt. Als Zylinderrandbereich ist dabei derjenige Bereich zu verstehen, der im Zylinderblock 22 von einer Zylinderachse 23a gesehen in radialer Richtung an einen Zylinder 23, also eine Zylinderbohrung bzw. eine darin angeordnete Zylinderlaufbuchse, anschließt. Der Zylinderrandbereich reicht vom Zylinder 23 bzw. der Zylinderbohrung bis etwa zum 1,50-fachen des Zylinderdurchmessers bzw. des Bohrungsdurchmessers B (siehe z.B. Fig. 19) des Zylinders 23, vorzugsweise bis zum 1,35-fachen des Durchmessers. Die äußeren Zylinder 23 werden bis zu einem Winkel von etwa 300° umschlossen, nämlich von der Stirnseite S bzw. der von der Stirnseite abgewandten Seite S‘ bis zum Zylindersteg 28. Die mittleren Zylinder 23 werden an der Einlass- E und Auslassseite A jeweils von zwischen den Zylinder 23 beiderseits begrenzenden

Zylinderstegen 28 mit einem Winkel von etwa 120° umschlossen.

In einer Richtung entlang einer Zylinderachse 23a weist der obere Blockkühlmantel 11 eine Höhe H1 zwischen 10% bis 30% des Bohrungsdurchmessers B der Zylinder 23 auf. Damit werden insbesondere die an den Brennraum des Zylinders 23 angrenzenden Bereiche des Zylinderblocks 22 effizient gekühlt.

An der Stirnseite S und der der Stirnseite abgewandten Seite S‘ im Bereich der Längsebene LL ist im oberen Blockkühlmantel 11 am Übergang zwischen Auslass- A und Einlassseite E je zumindest ein Drosselabschnitt D ausgeführt, um eine Strömungsbeeinflussung für bestmögliche Kühlergebnisse zu erreichen. Insbesondere in der Draufsicht in Fig. 4 sind die Drosselabschnitte D erkennbar, die zwischen Auslass- A und Einlassseite E im oberen Blockkühlmantel 11 den Strömungsquerschnitt verringern. Der offene Querschnitt Q des oberen Blockkühlmantels 11 ist im Bereich der Drosselabschnitte D auf etwa 15% reduziert, das entspricht einer Drosselung von 85%. Mit anderen Worten ist in den Drosselabschnitten D der Querschnitt des oberen Blockkühlmantels 11 auf 15% des offenen Querschnitts Q stromauf- und stromabwärts vom Drosselabschnitt D

verringert.

Die Beschickung des oberen Blockkühlmantels 11 mit Kühlmittel erfolgt durch Strömungsverbindung mit dem Kopfkühlmantel K. Dazu sind einerseits die oben bereits beschriebenen ersten Strömungsverbindungskanäle 8a vorgesehen, die Kühlmittel von seitlich des Kühlstegs 7a in den oberen Blockkühlmantel 11 zuführen. Zweite Strömungsverbindungskanäle 29 (siehe Fig. 6, Fig. 17 und

Fig. 18) beschicken den oberen Blockkühlmantel 11 aus der Auslasssammelleiste 9 mit Kühlmittel. Der obere Blockkühlmantel 11 wird also aus dem Kopfkühlmantel K über erste 8a und zweite Strömungsverbindungskanäle 29, die sich auf der Auslassseite der Brennkraftmaschine 20 befinden, mit Kühlmittel versorgt.

Neben der beschriebenen Ringkühlung, die aus dem Kopfkühlmantel K gespeist wird, weist der obere Blockkühlmantel 11 Stegkühlungskanäle 12 auf, die zur Kühlung der Zylinderstege 28 zwischen benachbarten Zylindern 23 vorgesehen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stegkühlungskanäle 12 v-förmig ausgeführt und werden durch zwei schräg im Zylindersteg 28 von der Trennebene T ausgehende Bohrungen gebildet. Diese Bohrungen nehmen jeweils auf der EinlassE und Auslassseite ihren Ausgang und verlaufen in Richtung der Längsebene LL abfallend, ihr Abstand zur Trennebene T nimmt also zu, je näher sie der Längsebene LL kommen. Der Schnittpunkt der beiden Bohrungen stellt den tiefsten Punkt der Stegkühlungskanäle 12 dar; die Tiefe H2 (siehe Fig. 16), bei der sich die beiden Bohrungen schneiden, also der Abstand zur Trennebene T, beträgt zwischen

35% bis 50% des Bohrungsdurchmessers B der Zylinderbohrung der Zylinder 23.

Die Stegkühlungskanäle 12 verbinden also einen auslassseitigen Teil des oberen Blockkühlmantels 11 mit einem einlassseitigen Teil. Damit sind im oberen Blockkühlmantel 11 Auslass- A und Einlassseite E im Bereich der Stirnseite S und der von der Stirnseite abgewandten Seite S‘ Drosselabschnitte D vorgesehen, im Bereich der Zylinderstege 28 zwischen benachbarten Zylindern 23 sind

Stegkühlungskanäle 12 mit im Wesentlichen v-förmigem Verlauf angeordnet.

Einlassseitig ist der obere Blockkühlmantel 11 mit einer Einlasssammelleiste 13 und über diese Einlasssammelleiste mit dem ersten Blockkühlmittelaustritt 14 strömungsverbunden. Dabei ist die Einlasssammelleiste 13 im Zylinderkopf 21 angeordnet und über Übertrittskanäle 30 mit dem oberen Blockkühlmantel 11 im Zylinderblock 22 verbunden. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sammelleiste 13 im Zylinderblock 22 angeordnet.

Diese Einlasssammelleiste 13 ist entlang der Einlassseite E angeordnet. Der erste Blockkühlmittelaustritt 14 ist an der Stirnseite S der Brennkraftmaschine 20

angeordnet.

Der untere Blockkühlmantel 15 ist ähnlich dem oberen Blockkühlmantel 11 rund um die Zylinder 23 verlaufend angeordnet. Der Bereich der Zylinderstege 28 ist freigelassen. Hier weist der untere Blockkühlmantel 15 im dargestellten Ausführungsbeispiel keine Verbindung zwischen Auslass- A und Einlassseite E auf. Der untere Blockkühlmantel 15 ist an seinem unteren, von der Trennebene T abgewandten Ende wellenförmig ausgebildet. Dabei weist der untere Blockkühlmantel 15 im Bereich der Zylinderstege 28 und an der Stirnseite S bzw. der von der Stirnseite abgewandten Seite S‘ die größte Ausdehnung in Richtung

parallel der Zylinderachsen 23a auf.

Der untere Blockkühlmantel 15 wird ebenfalls aus dem im Zylinderkopf 21 befindlichen Kopfkühlmantel K mit Kühlmittel beschickt. Dazu ist ein dritter Strömungsverbindungskanal 16 vorgesehen, der an die Auslasssammelleiste 9 anschließt und über die Trennebene T im Bereich der von der Stirnseite abgewandten Seite S‘ im Bereich der Längsebene LL mit dem unteren Blockkühlmantel 15 verbunden ist.

Der untere Blockkühlmantel 15 weist einen zweiten Blockkühlmittelaustritt 17 auf, der an der Stirnseite S der Brennkraftmaschine 20 angeordnet ist. Kühlmittel, das

über den dritten Strömungsverbindungskanal 16 in den unteren Blockkühlmantel 15 eintritt, durchströmt diesen in Richtung entlang der Längsachse L vollständig, bevor es an der Stirnseite S der Brennkraftmaschine 20 wieder austritt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Blockkühlmittelaustritt 17 am Zylinderkopf 21 angeordnet und mit dem unteren Blockkühlmantel 15 über einen Steigkanal 24 verbunden. In einer nicht dargestellten Variante kann der zweite Blockkühlmittelaustritt 17 auch am Zylinderblock 22 angeordnet sein.

Die Figuren 6 bis 8 zeigen Schnittansichten entlang der Linien VI-VI, VII-VII und VIII-VIII in Fig. 4. Dabei werden Schnittflächen durch die Kühlmäntel dargestellt.

Der obere 11 und untere Blockkühlmantel 15 sind im Zylinderblock 22 durch eine horizontale und/oder gekrümmte Gusswand G vollständig voneinander getrennt. Im Gegensatz zu Lösungen aus dem Stand der Technik müssen also keine Einlegeteile vorgesehen werden, die eine Trennung der Blockkühlmäntel 11, 15 sicherstellen. Diese Gusswand G wird beim Herstellungsvorgang durch die eingelegten Kerne zur Bildung des unteren Blockkühlmantels 15 und zur Bildung des oberen Blockkühlmantels 11 gebildet. Die Kerne zur Fertigung der Brennkraftmaschine durch Guss und die in einem nachfolgenden Schritt angebrachten Bohrungen weisen im Wesentlichen dieselbe Form auf wie die dargestellten Kühlmäntel in den

Figuren 1 bis 14.

Den Kühlmittelaustritten 10, 14, 17 sind jeweils Ventilelemente 25, 26, 27 zugeordnet, um verschiedene Betriebsmodi des Kühlsystems 100 einstellen zu können. Die Ventilelemente 25,2 6, 27 sind in den Fign. 1, 9, 11 und 13 schematisch dargestellt und anschließend an die Kühlmittelaustritte 10, 14, 17 positioniert. In einer realen Umsetzung können die Ventilelemente 25, 26, 27 als Thermostatventile ausgeführt und direkt an den Kühlmittelaustritten 10, 14, 17 oder über Leitungen davon entfernt angeordnet sein. Die Darstellung in den Figuren dient der Erläuterung der Funktion.

Dem Kopfkühlmittelaustritt 10 ist ein erstes Ventilelement 25 zugeordnet, dem ersten Blockkühlmittelaustritt 14 ein zweites Ventilelement 26 und dem zweiten Blockkühlmittelaustritt 17 ein drittes Ventilelement 27. Die Ventilelemente 25, 26, 27 sind jeweils zumindest zwischen einer geöffneten ersten Ventilstellung und einer geschlossenen zweiten Ventilstellung schaltbar. Zumindest das erste Ventilelement

25 ist auch in eine gedrosselte dritte Ventilstellung schaltbar, bei der ein

Durchflussquerschnitt freigebbar ist, der zwischen einem vollständig geschlossenen und vollständig geöffneten Ventilelement liegt. In nachfolgend nicht weiter beschriebenen Ausführungsbeispielen können auch das zweite und/oder das dritte

Ventilelement mit einer gedrosselten dritten Ventilstellung schaltbar sein.

Fig. 9 bis Fig. 14 zeigen die Kühlmittelströmung durch das Kühlsystem 100 in drei Schaltstellungen der Ventilelemente 25, 26, 27, die jeweils einem Betriebsmodus entsprechen. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist dabei durch Pfeile angedeutet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Strömungsverläufe nur teilweise dargestellt sind.

Das gesamte Kühlmittelvolumen gelangt über den Kühlmitteleintritt 1 in den Kopfkühlmantel K. Über die Verteilleiste 2 wird das Kühlmittel über die Zuleitungen 3 in den Hauptkühlmantel 4 über den Auslasskanälen 4a und die zu kühlenden

Bereichen zugeführt.

Der Kopfkühlmantel K wird unabhängig von den Schaltstellungen immer

durchströmt.

Fig. 9 und Fig. 10 zeigen die Strömungsverhältnisse in einem ersten Betriebsmodus. In der zugehörigen ersten Schaltstellung ist das erste Ventilelement 25 in der geöffneten ersten Ventilstellung und das zweite 26 und das dritte Ventilelement 27 in der geschlossenen zweiten Ventilstellung. Das erste

Ventilelement 25 ist damit voll geöffnet.

Das Kühlmittel wird mit einer nicht dargestellten Kühlmittelpumpe durch den Kühlmitteleintritt 1 in die Verteilleiste 2 und entlang der Auslassseite A von der Stirnseite S in Richtung der von der Stirnseite abgewandten Seite S‘ der Brennkraftmaschine 20 gefördert. Über die Zuleitungen 3 strömt das Kühlmittel in den Hauptkühlmantel 4 des Kopfkühlmantels 4, der sich über den Auslasskanälen befindet. Über die Kühlstege 7a zwischen den Auslassventilen und die zwischen benachbarten Zylindern 23 angeordneten Kopfkühlmantelteile strömt das Kühlmittel in Richtung der Längsebene LL und kühlt den Aufnahmebereich 5 sowie die Ventilsitzbereiche der Auslassventile (dieser Verlauf ist nur für den äußeren Zylinder 23 an der Stirnseite S dargestellt, findet aber bei allen Zylindern 23 so statt). Über die Kopfkühlbohrung 8 sowie die ersten Strömungsverbindungskanäle 8a strömt das Kühlmittel zur Auslasssammelleiste 9 und von dort über den

Kopfkühlmittelaustritt 10 an der Stirnseite S aus dem Zylinderkopf 21 heraus. Das gesamte Kühlmittelvolumen verlässt durch diesen Kopfkühlmittelaustritt 10 das Kühlsystem 100, wie in Fig. 9 und Fig. 10 dargestellt ist. Das Kühlmittel strömt also in der Verteilleiste 2 entlang der Längsachse L von der Stirnseite S zur von der Stirnseite abgewandten Seite S‘ und in der Auslasssammelleiste 9 von der der Stirnseite abgewandten Seite S‘ zur Stirnseite und über die Zuleitungen 3, den Hauptkühlmantel 4, Kühlstege 7a, Kopfkühlbohrungen 8 und erste Strömungsverbindungskanäle 8a von einer Auslassseite A in Richtung einer Einlassseite E und wieder zurück zur Auslassseite A quer durch den Zylinderkopf 21. Da die Verteilleiste 2 weiter von der Trennebene T angeordnet ist als die Kopfkühlbohrungen 8 bzw. die Auslasssammelleiste 9 ergibt sich eine sog. „TopDown“-Durchströmung des Zylinderkopfs 21 in Richtung des Brennraums und des

thermisch hoch belasteten Feuerdecks.

Da sich das zweite 26 und das dritte Ventilelement 27 in der geschlossenen zweiten Schaltstellung befinden, strömt durch den gesperrten Abfluss aus dem oberen 11 und dem unteren Blockkühlmantel 15 kein Kühlmittel vom Kopfkühlmantel K in die Blockkühlmäntel, wodurch nur der Kopfkühlmantel K im Zylinderkopf 21 vom Kühlmittel durchströmt wird. Das gesamte Kühlmittel gelangt aus dem Kopfkühlmantel K über die Sammelleiste 9 zum Kopfkühlmittelaustritt 10 des Zylinderkopfs 21.

Die erste Schaltstellung für den ersten Betriebsmodus kommt insbesondere bei

kalter Brennkraftmaschine 20 und/oder kaltem Kühlmittel zur Anwendung.

In einer zweiten Schaltstellung für den zweiten Betriebsmodus wird der obere Blockkühlmantel 11 in einer zweiten Schaltstellung gemäß Fig. 11 und Fig. 12 dazugeschaltet. Das erste Ventilelement 25 befindet sich dazu in der gedrosselten dritten Ventilstellung, das zweite Ventilelement 26 ist auf die geöffnete erste Ventilstellung geschaltet und das dritte Ventilelement 27 befindet sich in der

geschlossenen zweiten Ventilstellung.

Dadurch wird der Kopfkühlmittelaustritt 10 aus dem Zylinderkopf 21 gedrosselt und der erste Blockkühlmittelaustritt 14 aus der Einlasssammelleiste 13 des oberen Blockkühlmantels 11 voll geöffnet. Das Kühlmittel strömt durch die ersten Strömungsverbindungskanäle 8a und die zweiten Strömungsverbindungskanäle 29

in den oberen Blockkühlmantel 11 und über die Drosselabschnitte D und die

Stegkühlungskanäle 12 quer durch den Zylinderblock 22 von der Auslass- A zur

Einlassseite E.

Aufgrund der gedrosselten dritten Schaltstellung des ersten Ventilelements 25 strömt das Kühlmittel also nicht mehr vollständig durch den Kopfkühlmantel K sondern teilweise auch durch den oberen Blockkühlmantel 11.

Diese zweite Schaltstellung ist einem zweiten Betriebsmodus bei wärmerer

Brennkraftmaschine 20 und/oder wärmerem Kühlmittel zugeordnet.

Volle Kühlwirkung des Kühlsystems 100 ergibt sich bei einer dritten Schaltstellung für einen dritten Betriebsmodus. Dabei sind der Kopfkühlmantel K, der obere Blockkühlmantel 11 und der untere Blockkühlmantel 15 aktiviert, wie in Fig. 13 und Fig. 14 gezeigt ist. Dazu wird das erste Ventilelement 25 am Kopfkühlmittelaustritt 10 in die geschlossene zweite Ventilstellung gebracht und das zweite Ventilelement 26 am ersten Blockkühlmittelaustritt 14 und das dritte Ventilelement 27 am zweiten Blockkühlmittelaustritt 17 an der Stirnseite S sind in der geöffneten ersten

Ventilstellung und damit voll geöffnet.

Das Kühlmittel strömt aus dem Kopfkühlmantel K in der vorher beschriebenen Weise in den oberen Blockkühlmantel und über den dritten Strömungsverbindungskanal 16 an der der Stirnseite S abgewandten Seite S‘ der Brennkraftmaschine 20 in den unteren Blockkühlmantel 15. Im unteren Blockkühlmantel 15 durchströmt es den Zylinderblock 22 in Längsrichtung von der der Stirnseite abgewandten Seite S‘ zur Stirnseite S, wo es über den Steigkanal 24

zum zweiten Blockkühlmittelaustritt 17 gelangt.

In der beschriebenen dritten Schaltstellung ergibt sich in der Auslasssammelleiste 9 im Zylinderkopf 21 eine Strömungsumkehr (siehe Fig. 13). Das Kühlmittel tritt nicht mehr über den ersten Kopfkühlmittelaustritt 10 aus dem Zylinderkopf 21 aus, um beispielsweise zu einem nicht näher gezeigten Thermomanagementmodul weiterzuströmen, sondern in der Auslasssammelleiste 9 von der Stirnseite S in Längsrichtung zur der Stirnseite abgewandten Seite S‘ zum dritten Strömungsverbindungskanal 16, wo es vom Zylinderkopf 21 in den unteren Blockkühlmantel 15 des Zylinderblocks 22 geführt wird. In diesem Betriebsmodus

erfolgt der Austritt des Kühlmittelstroms über den ersten 14 und den zweiten

Blockkühlmittelaustritt 17 je nach Anordnung der Blockkühlmittelaustritte 14, 17 am Zylinderkopf 21 wie dargestellte oder am Zylinderblock 22.

Die dritte Schaltstellung ist einem dritten Betriebsmodus bei heißer Brennkraftmaschine 20 und/oder heißem Kühlmittel zugeordnet. Im dritten Betriebsmodus wird die Brennkraftmaschine 20 voll gekühlt. Für alle Schaltstellungen gilt: Das gesamte Kühlmittel durchströmt den Kopfkühlmantel K des Zylinderkopfes 21, durch die Schaltstellungen der Ventilelemente 25, 26, 27 werden - optional in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels - der obere Blockkühlmantel 11 im Zylinderblock 22 von einem Teil des in den Kopfkühlmantel K eintretenden Kühlmittels durchströmt und/oder der untere Blockkühlmantel 15 im Zylinderblock 22 von einem Teil des in den Kopfkühlmantel K eintretenden Kühlmittels durchströmt.

In den Fig. 15 bis 23 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 20 gezeigt. Diese weist einen Zylinderkopf 21 und einen Zylinderblock 22 für jeweils mehrere Zylinder 23, sowie ein Kühlsystem 100 zur Verwendung mit einem flüssigen Kühlmittel auf. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser, Wasser mit einem Zusatz oder jedes andere geeignete Kühlmittel bilden. Im Zylinderkopf 21 ist der Kopfkühlmantel K angeordnet, welcher zur Kühlung thermisch-kritischer Bereiche im Zylinderkopf 21 dient. Der Zylinderblock 22 weist den oberen 11 und den unteren Blockkühlmantel 15 auf, welche mit dem Kopfkühlmantel K strömungsverbunden sind. Der Kopfkühlmantel K ist mit dem Kühlmitteleintritt 1

und dem Kopfkühlmittelaustritt 10 des Zylinderkopfes 21 strömungsverbunden.

Neben dem Kopfkühlmantel K, dem oberen 11 und dem unteren Blockkühlmantel 15 im Zylinderblock 22 weist das Kühlsystem beispielsweise weiters eine nicht näher gezeigte Kühlmittelpumpe, das z.B. als Thermostatventil ausgebildete erste Ventilelement 25, das z.B. als Thermostatventil ausgebildete zweite Ventilelement 26 sowie das z.B. als Thermostatventil ausgebildete dritte Ventilelement 27, einen nicht näher gezeigten Radiator, eine nicht näher gezeigte Innenraumheizung, einen nicht näher gezeigten Expansionstank und einen nicht näher gezeigten Ölkühler auf.

Das Kühlsystem 100 weist die sich in Längsrichtung des Zylinderblockes 22 bzw. des Zylinderkopfes 21 erstreckenden Auslass- 9 und Einlasssammelleiste 13 auf,

wobei die Einlasssammelleiste 13 entweder im Zylinderblock 22 oder im

Zylinderkopf 21 angeordnet sein kann. In der gezeigten Ausführung ist die

Einlasssammelleiste 13 im Zylinderkopf 21 angeordnet.

Unter Längsrichtung der Brennkraftmaschine 20 ist hier eine Richtung parallel zu einer Kurbelwellenachse zu verstehen, dabei ist die Längsrichtung entlang einer Längsachse L (siehe Fig. 23) orientiert. Unter Querrichtung der Brennkraftmaschine 20 wird eine etwa normal zur Kurbelwellenachse bzw. der Längsachse L und normal zu einer Zylinderachse 23a orientierte Richtung

verstanden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Kühlsystem (100) für eine Brennkraftmaschine (20), die zumindest einen Zylinderkopf (21), zumindest einen Zylinderblock (22) und mehrere Zylinder (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein im Zylinderkopf (21) angeordneter Kopfkühlmantel (K), der mit mindestens einem Kühlmitteleintritt (1) und zumindest einem Kopfkühlmittelaustritt (10) strömungsverbunden ist, und im Zylinderblock (22) angrenzend an den Zylinderkopf (21) ein oberer Blockkühlmantel (11) und auf einer vom Zylinderkopf (21) abgewandten Seite des oberen Blockkühlmantels (11) ein unterer Blockkühlmantel (15) vorgesehen sind, wobei der obere Blockkühlmantel (11) mit einem ersten Blockkühlmittelaustritt (14) und der untere Blockkühlmantel (15) mit einem zweiten Blockkühlmittelaustritt (17) strömungsverbunden oder strömungsverbindbar ist und der untere Blockkühlmantel (15) und/oder der obere Blockkühlmantel (11) mit dem Kopfkühlmantel (K) über zumindest einen Strömungsverbindungskanal (8a, 16, 29) strömungsverbunden oder strömungsverbindbar sind, wobei zur Steuerung der Kühlmittelströmung durch das Kühlsystem (100) dem Kopfkühlmittelaustritt (10), dem ersten Blockkühlmittelaustritt (14) und dem zweiten Blockkühlmittelaustritt (17) je ein schaltbares Ventilelement (25, 26,

   27) zugeordnet ist.

   Kühlsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein im Zylinderblock (22) verlaufender Stegkühlungskanal (12) vorgesehen ist, der in einem Zylindersteg (28) zwischen benachbarten Zylindern (23) angeordnet ist, wobei der Stegkühlungskanal (12) vorzugsweise mit einem vförmigen Verlauf ausgebildet ist.

   Kühlsystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegkühlungskanal (12) als Teil des oberen Blockkühlmantels (11) ausgeführt ist und einen auslassseitigen Teil des oberen Blockkühlmantels (11) mit einem

   einlassseitigen Teil des oberen Blockkühlmantels (11) strömungsverbindet.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Blockkühlmantel (11) in Zylinderrandbereichen die Zylinder

   (23) zumindest teilweise ringförmig umschließt, wobei vorzugsweise der obere

   Blockkühlmantel (11) in axialer Richtung der Zylinder (23) gesehen eine Höhe (H1) zwischen 10% bis 30% eines Bohrungsdurchmessers (D) der Zylinder (23) aufweist.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ventilelement (25) an dem Kopfkühlmittelaustritt (10) des Kopfkühlmantels (K) vorgesehen ist, das zumindest zwischen einer geöffneten ersten Ventilstellung und einer geschlossenen zweiten Ventilstellung, vorzugsweise zwischen einer geöffneten ersten Ventilstellung, einer geschlossenen zweiten Ventilstellung und einer gedrosselten dritten

   Ventilstellung schaltbar ist.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Ventilelement (26) an dem ersten Blockkühlmittelaustritt (14) des oberen Blockkühlmantels (11) vorgesehen ist, das zumindest zwischen einer geschlossenen ersten Ventilstellung und einer geöffneten zweiten

   Ventilstellung schaltbar ist.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Ventilelement (27) an dem zweiten Blockkühlmittelaustritt (17) des unteren Blockkühlmantels (15) vorgesehen ist, das zumindest zwischen einer geschlossenen ersten Ventilstellung und einer zweiten

   geöffneten Ventilstellung schaltbar ist.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der obere Blockkühlmantel (11) zwischen Einlass- (E) und Auslassseite (A) erstreckt und an zumindest einem Übergang zwischen Eingangs- (E) und Auslassseite (A) zumindest ein Drosselabschnitt (D) vorgesehen ist.

   Kühlsystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Drosselabschnitt (D) an einer Stirnseite (S) des Zylinderblocks (22), vorzugsweise zwischen einem Zylinder (23) und der Stirnseite (S), und an einer von der Stirnseite (S) abgewandten Seite (S‘) des Zylinderblocks (22), vorzugsweise zwischen einem Zylinder (23) und der von der Stirnseite (S)

   abgewandten Seite (S‘) des Zylinderblocks (22), angeordnet ist.

   11.

   12.

   13.

   14.

   26

   Kühlsystem (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Drosselabschnitt (D) ein offener Querschnitt (Q) des oberen Blockkühlmantels (11) auf 15% oder weniger des Querschnitts stromauf-

   und/oder stromabwärts des Drosselabschnitts (D) verringert.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen Blockkühlmantel (11) und dem unteren Blockkühlmantel (15) eine durchgehende Gusswand (G) vorgesehen

   ist.

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfkühlmantel (K) überwiegend an der Auslassseite (A) angeordnet ist, wobei der Kühlmitteleintritt (1) in eine entlang der Auslassseite (A) verlaufende, im Zylinderkopf (21) angeordnete Verteilleiste (2) einmündet, die mit einem ebenfalls entlang der Auslassseite (A) verlaufenden Hauptkühlmantel (4) des Kopfkühlmantels (K) strömungsverbunden ist, aus dem das Kühlmittel über den Kopfkühlmittelaustritt (10) wieder aus dem Zylinderkopf (21) austritt, , wobei die Verteilleiste (2) weiter vom Zylinderblock (22) entfernt ist als der Hauptkühlmantel (4).

   Kühlsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Auslassseite (A) der Brennkraftmaschine (20) eine Auslasssammelleiste (9) zwischen einem Hauptkühlmantel (4) des Kopfkühlmantels (K) und dem Kopfkühlmittelaustritt (10) vorgesehen ist, die mit dem Hauptkühlmantel (4) und dem Kopfkühlmittelaustritt (10) strömungsverbunden ist, wobei vorzugsweise der Hauptkühlmantel (4) zumindest einen in einem Ventilsteg (7) zwischen Auslassventilen verlaufenden Kühlsteg (7a) aufweist und der Kühlsteg (7a) über Kopfkühlbohrungen (8) mit der Auslasssammelleiste (9) verbunden ist.

   Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Blockkühlmantel (11) über eine entlang der Einlassseite (E) verlaufende Einlasssammelleiste (13) mit dem ersten Blockkühlmittelaustritt (14) verbunden ist.

   15. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kühlmitteleintritt (1) und/oder zumindest der Kopfkühlmittelaustritt (10) und/oder zumindest der erste Blockkühlmittelaustritt (14) und/oder zumindest der zweite Blockkühlmittelaustritt (17) im Zylinderkopf (21) angeordnet sind.

   16. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variieren der Ventilelemente (25, 26, 27) zwischen zumindest drei Schaltstellungen, in denen sich jedes Ventilelement (25,2 6, 27) jeweils entweder in einer geöffneten ersten Ventilstellung oder einer geschlossenen zweiten Ventilstellung oder einer gedrosselten dritten Ventilstellung befindet, das Kühlsystem (100) zumindest in einem ersten Betriebsmodus, in dem nur der Kopfkühlmantel (K) von Kühlmittel durchströmt wird, oder einem zweiten Betriebsmodus, in dem der Kopfkühlmantel (K) und der obere Blockkühlmantel (11) von Kühlmittel durchströmt werden, oder einem dritten Betriebsmodus, in dem der Kopfkühlmantel (K), der obere Blockkühlmantel (11) und der untere

   Blockkühlmantel (15) von Kühlmittel durchströmt werden, betrieben wird.

   17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass

   e in einer ersten Schaltstellung für den ersten Betriebsmodus das erste Ventilelement (25) in die geöffnete erste Ventilstellung gebracht wird und sich das zweite (26) und das dritte Ventilelement (27) in der

   geschlossenen zweiten Ventilstellung befinden;

   e in einer zweiten Schaltstellung für den zweiten Betriebsmodus das erste Ventilelement (25) vorzugsweise in die gedrosselte dritte Ventilstellung gebracht wird, das zweite Ventilelement (26) in die geöffnete erste Ventilstellung gebracht wird und sich das dritte Ventilelement (27) in der geschlossenen zweiten Ventilstellung befindet, und

   e in einer dritten Schaltstellung für den dritten Betriebsmodus das erste Ventilelement (25) in die geschlossene zweite Ventilstellung gebracht wird und sich das zweite (26) und das dritte Ventilelement (27) in der geöffneten ersten Ventilstellung befinden.

   18. Brennkraftmaschine (20) mit einem Kühlsystem (100) nach einem der

   Ansprüche 1 bis 15.

   19. Brennkraftmaschine (20) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (21) und/oder der Zylinderblock (22) als Aluminiumguss ausgeführt sind.

   2020 02 18 WR/BU