DE10047080B4 - Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, beistehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse (1) und einem Zylinderkopf (2), die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste (12) gefördert wird und nachfolgend über jeweils mindestens einen Kanal in Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerleiste (12) entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse (1) angeordnet und über einen Verteilerkanal (13) mit einem Kühlmittelmantel (14) der Zylinderlaufbuchsen verbunden ist, wobei der Kühlmittelmantel (14) einen Übergangskanal (15) aufweist, der mit einem, im Zylinderkopf (2) ausgestalteten Austrittskanal (21) in Wirkverbindung steht.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse und einem Zylinderkopf, die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste gefördert wird und nachfolgend über jeweils mindestens einen Kanal in die Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes strömt.
- Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch begründete Forderungen zu beachten, wobei insbesondere eine Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission angestrebt wird. Eine wesentliche Komponente ist hierbei die Kühlung der Brennkraftmaschine. So bewirken z. B. überdimensionierte Kühlmittelkanäle mit großen Kühlmittelmengen eine Erhöhung der Masse und eine lange Warmlaufphase. Deshalb müssen für die konstruktive Ausgestaltung der Kühlmittelführung zahlreiche Parameter beachtet werden, um eine funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
- Aus
DE 196 37 122 C1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf bekannt. Die Kühlmittelführung zwischen diesen beiden Baugruppen erfolgt für jeden Zylinder über vier Zulaufkanäle, die unmittelbar neben der Brennraumwand verlaufen. Somit ergeben sich neben einem hohen gusstechnischen Aufwand zusätzliche Aufwendungen für eine funktionssichere Abdichtung. Weiterhin ist nachteilig, dass das Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf mit einem einheitlichen Temperaturniveau betrieben werden. Demzufolge können die konkreten thermischen Belastungen dieser Baugruppen, die sich beispielsweise in der Warmlaufphase erheblich unterscheiden, nicht genügend berücksichtigt werden. Eine in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine funktionsgerechte Kühlung ist nicht möglich. - Bei der in
DE 36 03 674 A1 beschriebenen Brennkraftmaschine ist im Übergangsbereich von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf ein Zuführungskanal für das Kühlmittel ausgestaltet, der in Längsrichtung des Zylinderblockes verläuft und die Funktion einer Verteilerleiste hat. Das Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe zunächst in die Verteilerleiste gefördert und strömt von hier über Kanäle zu den Zylinderlaufbuchsen und zum Zylinderkopf. Durch die Verteilerleiste ergibt sich gegenüber der oben erläutertenDE 196 37 122 C1 ein verminderter Fertigungsaufwand und eine verbesserte Abdichtung. Allerdings werden auch beiDE 36 03 674 A1 das Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf mit einem einheitlichen Temperaturniveau beitrieben. Somit wird eine in allen Betriebszuständen funktionsgerechte Kühlung ebenfalls nicht erreicht. - Ein Kühlsystem mit zwei voneinander getrennten Kreisläufen für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf wird in
DE 44 07 984 A1 beschrieben. Durch Anwendung dieser technischen Lösung kann ein unterschiedliches Temperaturniveau zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf realisiert werden. Somit ist es grundsätzlich möglich, das Zylinderkurbelgehäuse mit höheren Temperaturen als den Zylinderkopf zu betreiben, so dass eine bessere Ölviskosität, geringere Wandwärmeverluste und eine verminderte Kolbenreibung erzielt werden. Diese Parameter verbessern letztlich den Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine. Allerdings erfordertDE 44 07 984 A1 einen erheblichen konstruktiven Aufwand: Im Zylinderkurbelgehäuse ist ein erstes Kanalsystem vorgesehen, das nach oben durch eine Trennwand begrenzt ist. Oberhalb dieser Trennwand ist ein zweites Kanalsystem ausgestaltet, das mit einem weiteren Kanalsystem im Zylinderkopf verbunden ist. Die verschiedenen Kanalsysteme sind mit einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe verbunden und weisen ferner zahlreiche Kanäle bzw. Leitungen für mehrfache Verbindungen untereinander auf. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Kühlmitteldurchsatz zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf weitgehend durch die Geometrie dieser Baugruppen festgelegt ist. Für eine effektive Fertigung von Brennkraftmaschinen ist es zweckmäßig, die Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf für Verschiedene Motorvarianten zu modifizieren. MitDE 44 07 984 A1 ist diese Forderung zumindest bezüglich des Kühlmitteldurchsatzes kaum zu realisieren. - Die
GB 851 049 A - Die
DE 27 56 006 A1 zeigt einen Kühlmittelmantel für ein Zylinderkurbelgehäuse mit einem Übergangskanal, der einem Verteilerkanal gegenüber liegt, wobei die Strömung des Kühlmittels durch entsprechend dimensionierte Durchgangsöffnungen in einer Zylinderkopfdichtung eingestellt wird. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen mit zwei voneinander getrennten Kreisläufen für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf zu schaffen, mit dem unterschiedliche Kühlmittelströme und Kühlmitteltemperaturen in diesen beiden Baugruppen realisiert werden können. Dies soll durch Regelung der jeweiligen Kühlmitteldurchsätze erreicht werden. Das zu schaffende Kühlsystem soll bei Verwendung gleicher Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf mit geringem konstruktiven Aufwand für unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze modifiziert werden können.
- Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Verteilerleiste entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse ausgestaltet ist und über einen Verteilerkanal mit dem Kühlmittelmantel der Zylinderlaufbuchsen verbunden ist, wobei der Kühlmittelmantel einen Übergangskanal aufweist, der mit einem, im Zylinderkopf ausgestalteten Austrittskanal in Wirkverbindung steht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.
- Mit diesem Kühlsystem wird aufgrund der unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen im Zylinderkurbelgehäuse und im Zylinderkopf eine weitgehende Anpassung der verfügbaren Kühlleistung an den tatsächlichen Kühlbedarf erreicht. Somit ist in allen Betriebszuständen eine funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine möglich. Dies führt zu einer Verminderung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Rohemission von CO- und HC-Komponenten. Als weiterer Vorteil wird die Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine verkürzt. Schließlich können jeweils gleiche Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf mit geringem konstruktiven Aufwand für unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze modifiziert, werden, so dass sich die Fertigungskosten von Motorenbaureihen reduzieren lassen.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
-
1 : ein Zylinderkurbelgehäuses mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem in perspektivischer Darstellung -
2 : einen Zylinderkopf mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem in perspektivischer Darstellung -
3 : eine Gestaltungsvariante einer Zylinderkopfdichtung für die in1 und2 gezeigten Baugruppen - In der Zeichnung ist ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit vier Zylindern dargestellt. Die Brennkraftmaschine besteht aus einem Zylinderkurbelgehäuse
1 und einem Zylinderkopf2 . Zylinderkurbelgehäuse1 und Zylinderkopf2 werden in an sich bekannter Weise mittels Schraubverbindung zu einer Baueinheit zusammengefügt, wobei zwischen diesen beiden Baugruppen eine Zylinderkopfdichtung3 angeordnet wird. Am Zylinderkurbelgehäuse1 ist ein Flansch11 zur Befestigung einer – in der Zeichnung allerdings nicht näher dargestellten – Kühlmittelpumpe ausgestaltet. Das Kühlmittel wird von der Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste12 gefördert. Die Verteilerleiste12 ist im Zylinderkurbelgehäuse1 integriert und verläuft in diesem entlang einer Längsseite. Über einen Verteilerkanal13 ist die Verteilerleiste12 mit dem Kühlmittelmantel14 der Zylinderlaufbuchsen verbunden. Dieser Verteilerkanal13 kann an verschiedenen Abschnitten ausgestaltet werden. Vorzugsweise wird er jedoch mit lediglich geringem Abstand zur Kühlmittelpumpe angeordnet, damit das Kühlmittel unmittelbar nach dem Einströmen in das Zylinderkurbelgehäuse1 auf die Strömungspfade von Verteilerleiste12 und Kühlmittelmantel14 aufgeteilt wird. Eine solche Ausgestaltung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei ist der Verteilerkanal13 im Bereich des „ersten” ZylindersI der Brennkraftmaschine ausgestaltet. - Der Kühlmittelmantel
14 der Zylinderlaufbuchsen weist einen Übergangskanal15 auf. Auch dieser Übergangskanal15 kann an verschiedenen Abschnitten ausgestaltet werden. Er wird jedoch vorzugsweise mit großem Abstand zum Verteilerkanal13 angeordnet, damit das Kühlmittel zunächst an allen Zylinderlaufbuchsen vorbeigeführt wird. Eine solche Ausgestaltung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei ist der Übergangskanal15 im Bereich des „n-ten” Zylinders ausgestaltet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel der ZylinderIV ist. Unabhängig von der konkreten Anordnung und konstruktiven Ausgestaltung steht der Übergangskanal15 in jedem Fall mit einem Austrittskanal21 im Zylinderkopf2 in Wirkverbindung. Sofern z. B. der Übergangskanal15 im Bereich des „n-ten” ZylindersIV ausgestaltet ist, muss folglich auch der Austrittskanal21 im Bereich dieses „n-ten” ZylindersIV angeordnet werden. - Von der Verbindungsstelle mit dem Übergangskanal
15 ausgehend, verläuft der Austrittskanal21 als separater Kanal ohne Verbindung zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes2 . Der Austrittskanal21 mündet mit seiner Stirnseite22 , die dem Übergangskanal15 entgegengesetzt angeordnet ist, in einer Stirnfläche23 des Zylinderkopfes2 . In der Stirnfläche23 mündet außerdem ein Kanal24 , der mit dem Kühlmittelraum des Zylinderkopfes2 verbunden ist und folglich als Sammelkanal24 für das aus dem Zylinderkopf2 strömende Kühlmittel wirksam wird. Die Stirnfläche23 ist vorzugsweise als Flanschfläche für ein Thermostatgehäuse ausgestaltet, so dass die Mündungsquerschnitte22 und24 unmittelbar mit einem oder mit zwei – in der Zeichnung allerdings nicht dargestellten – Thermostatventil(en) verbunden werden können. Das Kühlmittel kann somit, nachdem es die getrennten Kühlmittelabschnitte von Zylinderkurbelgehäuse1 und Zylinderkopf2 passiert hat, über das Thermostatgehäuse in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden. - Die Zylinderkopfdichtung
3 weist mehrere Öffnungen auf. Für die Verbindungselemente zwischen Zylinderkurbelgehäuse1 und Zylinderkopf2 sind z. B. Öffnungen31 vorgesehen. Durch Öffnungen32 kann das Kühlmittel aus der Verteilerleiste12 in den Kühlmittelraum des Zylinderkopfes2 strömen. Hierbei können gemäß2 und3 im Bereich eines jeden Zylinders vom „ersten” bis „n-ten” ZylinderI bisIV beispielsweise zwei derartige Öffnungen32 vorgesehen werden. Unabhängig von der Anzahl und Anordnung stehen die Öffnungen32 mit Kanälen25 im Zylinderkopf2 in Wirkverbindung. Über diese Kanäle25 gelangt das Kühlmittel in die eigentlichen Kühlmittelräume des Zylinderkopfes2 . Während die bisher beschriebene Konstruktion der Zylinderkopfdichtung3 weitgehend üblich ist, weist sie eine weitere und im vorliegenden Sachverhalt wesentliche Ausgestaltung auf:
Im Abschnitt, der nach erfolgter Montage zwischen dem Übergangskanal15 und dem Austrittskanal21 angeordnet ist, hat die Zylinderkopfdichtung3 eine weitere Öffnung33 . Mit dieser Öffnung33 wird der Strömungsquerschnitt zwischen dem Übergangskanal15 und dem Austrittskanal21 festgelegt. Die geometrische Kontur der Öffnung33 bestimmt also direkt den Kühlmitteldurchsatz im Zylinderkurbelgehäuse1 und demzufolge indirekt das Verhältnis der Kühlmitteldurchsätze zwischen Zylinderkurbelgehäuse1 und Zylinderkopf2 . Somit ist es möglich, bei Verwendung gleicher Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse1 und Zylinderkopf2 durch lediglich unterschiedliche Zylinderkopfdichtungen3 völlig unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze in diesen beiden Baugruppen zu erreichen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Öffnung33 in der Zylinderkopfdichtung3 eine solche Kontur aufweist, dass das Kühlmittel aus der Verteilerleiste12 mit einem Volumenanteil von 50–20% zum Kühlmittelmantel14 des Zylinderkurbelgehäuses1 und mit einem Volumenanteil von 50–80% zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes2 aufgeteilt wird. Der Durchsatz von Kühlmittel kann mit zwei unterschiedlich ausgelegten Thermostatventilen mit unterschiedlichen Temperaturen erfolgen. Somit kann das Zylinderkurbelgehäuse1 mit einer etwa 20 bis 30°C höheren Kühlmitteltemperatur als der Zylinderkopf2 beitrieben werden. In dessen Folge werden im Zylinderkurbelgehäuse1 eine bessere Ölviskosität, geringere Wandwärmeverluste und eine verminderte Kolbenreibung erzielt, während sich im Zylinderkopf2 eine bessere Kühlung der besonders wärmegefährdeten Bereiche (Auslassventile usw.) ergibt. Mit dem vorgeschlagenen Kühlsystem werden demzufolge mehrere Motorparameter vorteilhaft verändert, die letztlich den Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine verbessern. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zylinderkurbelgehäuse
- 11
- Flansch für Kühlmittelpumpe
- 12
- Verteilerleiste
- 13
- Verteilerkanal
- 14
- Kühlmittelmantel der Zylinderlaufbuchsen
- 15
- Übergangskanal
- 2
- Zylinderkopf
- 21
- Austrittskanal
- 22
- Mündungsquerschnitt des Austrittskanals
- 23
- Stirnfläche/Flanschfläche für Thermostatventil
- 24
- Mündungsquerschnitt des Sammelkanals vom Kühlmittelraum des Zylinderkopfes
- 25
- Kühlmittelkanal
- 3
- Zylinderkopfdichtung
- 31
- Öffnung für Verbindungselemente
- 32
- Öffnung für Kühlmittelstrom zum Zylinderkopf
- 33
- Öffnung am Übergang von Übergangskanal und Austrittskanal
- I
- „erster” Zylinder
- IV
- „n-ter” (vierter) Zylinder
Claims (8)
- Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, beistehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse (
1 ) und einem Zylinderkopf (2 ), die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste (12 ) gefördert wird und nachfolgend über jeweils mindestens einen Kanal in Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerleiste (12 ) entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse (1 ) angeordnet und über einen Verteilerkanal (13 ) mit einem Kühlmittelmantel (14 ) der Zylinderlaufbuchsen verbunden ist, wobei der Kühlmittelmantel (14 ) einen Übergangskanal (15 ) aufweist, der mit einem, im Zylinderkopf (2 ) ausgestalteten Austrittskanal (21 ) in Wirkverbindung steht. - Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (
13 ) im Bereich des ersten Zylinders (I ) angeordnet ist. - Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangskanal (
15 ) im Zylinderkurbelgehäuse (1 ) und der zugeordnete Austrittskanal (21 ) im Zylinderkopf (2 ) im Bereich des letzten Zylinders (IV ) angeordnet sind. - Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Strömungsquerschnitt zwischen dem Übergangskanal (
15 ) und dem Austrittskanal (21 ) durch die geometrische Kontur einer, in diesem Bereich angeordneten Öffnung (33 ) einer Zylinderkopfdichtung (3 ) festlegbar ist. - Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfdichtung (
3 ) in ihrem, der Verteilerleiste (12 ) zugeordneten Abschnitt jeweils im Bereich eines jeden Zylinders vom ersten (I ) bis letzten Zylinder (IV ) Durchgangsöffnungen (32 ) für das Kühlmittel aufweist, die mit Kanälen (25 ) zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes (2 ) in Wirkverbindung stehen. - Kühlsystem nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (
33 ) in der Zylinderkopfdichtung (3 ) eine solche geometrische Kontur aufweist, dass das Kühlmittel aus der Verteilerleiste (12 ) mit einem Volumenanteil von 50–20% zum Kühlmittelmantel (14 ) des Zylinderkurbelgehäuses (1 ) und mit einem Volumenanteil von 50–80% zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes (2 ) aufgeteilt wird. - Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal (
21 ) mit seiner, dem Übergangskanal (15 ) entgegengesetzten Stirnseite in einer Stirnfläche (23 ) des Zylinderkopfes (2 ) mündet, an der ein weiterer, mit dem Kühlmittelraum des Zylinderkopfes (2 ) verbundener Kanal (24 ) mündet. - Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (
23 ) des Zylinderkopfes (2 ) als Flanschfläche für ein Thermostatgehäuse ausgestaltet ist, wobei die Mündungsquerschnitte (22 ;24 ) der Kühlmittelleitungen von Zylinderkurbelgehäuse (1 ) und Zylinderkopf (2 ) mit einem oder zwei Thermostatventil(en) verbindbar sind.
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DE10047080A1 (de) | 2002-04-18 |
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