DE102008015002B4

DE102008015002B4 - Kühlung des Zylinderkopfes und des Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008015002B4
Application number: DE102008015002.9A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Reustle; Manfred Batzill; Günter Vogelezang
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: FR2928970A1; KR20090100285A; FR2928970B1; KR101043467B1; DE102008015002A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) und einem Kurbelgehäuse (3), wobei die Brennkraftmaschine in Längsrichtung von Zylinderkopf (1) und Kurbelgehäuse (3) nebeneinander angeordnete Zylinder aufweist, der Zylinderkopf (1) Einlasskanäle für Verbrennungsluft und Auslasskanäle für Abgas sowie Sitzringe für Einlass- und Auslassventile aufweist, wobei im Bereich der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile Heißstellen (7) im Zylinderkopf (1) gebildet sind, sowie im Zylinderkopf (1) und im Kurbelgehäuse (3) Strömungskanäle für eine Kühlflüssigkeit gebildet sind, wobei die Kühlflüssigkeit vollständig dem Zylinderkopf (1) zugeführt, Kühlflüssigkeit in Querrichtung (X) des Zylinderkopfs (1) gefördert und ein Teil der Kühlflüssigkeit dem Kurbelgehäuse (3) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit vollständig (Kühlwasserstrom A) dem Zylinderkopf (1) im Bereich der Heißstellen (7) zugeführt wird, derart, dass die komplette Kühlflüssigkeit (Kühlwasserstrom A) zu den Heißstellen (7) im Zylinderkopf (1) geleitet wird, wobei die Einleitung der Kühlflüssigkeit in Querrichtung des Zylinderkopfes (1) auf der Seite der Auslassventile erfolgt, wobei erst nach der Kühlung der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile, also nach den Heißstellen (7) im Zylinderkopf (1), eine Aufteilung der Kühlflüssigkeit auf den Zylinderkopf (1) und das Kurbelgehäuse (3) erfolgt, derart, dass von dort ein Teil (Kühlwasserstrom B) der Kühlflüssigkeit von den Heißstellen (7) durch den Zylinderkopf (1) in dessen Querrichtung (X) gefördert wird und der verbleibende Teil (Kühlwasserstrom C) der Kühlflüssigkeit dem Kurbelgehäuse (3) zugeleitet wird, wobei der Teil (Kühlwasserstrom (B) der Kühlflüssigkeit, der von den Heißstellen (7) durch den Zylinderkopf (1) in dessen Querrichtung (X) gefördert wird, in den Bereich der Sitzringe für die Einlassventile gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Kurbelgehäuse, wobei die Brennkraftmaschine in Längsrichtung von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse nebeneinander angeordnete Zylinder aufweist, der Zylinderkopf Einlasskanäle für Verbrennungsluft und Auslasskanäle für Abgas sowie Sitzringe für Einlass- und Auslassventile aufweist, wobei im Bereich der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile Heißstellen im Zylinderkopf gebildet sind, sowie im Zylinderkopf und im Kurbelgehäuse Strömungskanäle für eine Kühlflüssigkeit gebildet sind, wobei die Kühlflüssigkeit vollständig dem Zylinderkopf zugeführt, Kühlflüssigkeit in Querrichtung des Zylinderkopfs gefördert und ein Teil der Kühlflüssigkeit dem Kurbelgehäuse zugeleitet wird.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 697 07 980 T2 bekannt. Dort wird das Kühlwasser vollständig dem Zylinderkopf zugeführt und danach eine anteilige Menge an Kühlflüssigkeit zum Kurbelgehäuse weitergeleitet. Die Kühlflüssigkeit wird in den Zylinderkopf einlassseitig in Querrichtung des Zylinderkopfs gefördert, wobei ein Teil des Kühlwassers nach der Auslassventilseite des Zylinderkopfes zum Kurbelgehäuse abgezweigt wird.
Eine Längsdurchströmung des Zylinderkopfes mit Kühlflüssigkeit ist in den Druckschriften US 3 358 654 A , DE 42 10 627 A1 , DE 102 19 481 A1 und DE 102 27 582 A1 sowie DE 12 20 203 A beschrieben.
Eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Durchführung eines Abwärmetransfers ist aus der DE 102 44 829 A1 bekannt. Hierbei wird eine Kühlflüssigkeit über eine Pumpe einem Sammelkanal zugeführt der in einem Kurbelgehäuse ausgebildet ist. Von dort gelangt ein größerer Teil der Kühlflüssigkeit in einen Heißwandwärmetauschabschnitt eines Zylinderkopfs und ein verbleibender Teil der Kühlflüssigkeit in einen Warmwandwärmetauschabschnitt des Zylinderkopfes. Ein Teil des Heißwandwärmetauschabschnitts des Kühlwassers wird dem Kurbelgehäuse zugeführt, um den Zylinderbereich zu kühlen. Von dort wird dieser Teil der Flüssigkeit aus dem Kurbelgehäuse abgeführt. Der verbleibende Teil der dem Heißwandwärmetauschabschnitt zugeordneten Kühlflüssigkeit vereinigt sich mit dem Teil der Kühlflüssigkeit, der dem Warmwandwärmetauschabschnitt zugeordnet ist und wird aus dem Zylinderkopf abgeführt. Die aus dem Zylinderkopf und dem Kurbelgehäuse abgeführten Teilströme des Kühlwassers werden zusammengeführt und einem Kühler zugeführt, der die Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine zuleitet.
Nachteilig ist bei den bekannten Brennkraftmaschinen, dass keine optimale Kühlung des Zylinders im Bereich der dortigen Heißstellen, die somit thermisch besonders hoch beansprucht sind, erfolgt. Es wird überdies nur ein Teil der Kühlflüssigkeit diesen Heißstellen zugeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu bilden, dass die Kühlung der thermisch hoch belasteten Bereiche des Zylinderkopfs verbessert ist.
Gelöst wird die Aufgabe bei einer Brennkraftmaschine der eingangsgenannten Art dadurch, dass dieselbe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die Kühlflüssigkeit aufgeteilt, um sowohl den Zylinderkopf als auch das Kurbelgehäuse zu kühlen. Diese Aufteilung erfolgt aber nicht vor dem Eintritt in den Zylinderkopf, sondern es wird die komplette Kühlflüssigkeit zu den Heißstellen im Zylinderkopf geleitet und erst dann die Aufteilung des Kühlwassers vorgenommen. Hierdurch kann eine optimierte Kühlung der Heißstellen erzielt werden. Bei diesen handelt es sich insbesondere um die Bereiche der Auslassventile und der Sitzringe für die Auslassventile im Zylinderkopf.
Erfindungsgemäß erfolgt die Einleitung der Kühlflüssigkeit in Querrichtung des Zylinderkopfes auf der Seite der Auslassventile. Nach Kühlung der Auslassventile und der Sitzringe für die Auslassventile wird die Aufteilung der Kühlflüssigkeit auf den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse vorgenommen. Vorzugsweise sind für das Kurbelgehäuse 0 % bis 30 % oder ca. 15 % bis 20 % der Menge der Kühlflüssigkeit vorgesehen. Die anteilmäßige Verteilung auf Zylinderkopf und Kurbelgehäuse wird über die entsprechende Dimensionierung der jeweiligen Querschnitte eingestellt.
Der Teil der Kühlflüssigkeit, der von den Heißstellen durch den Zylinderkopf in dessen Querrichtung gefördert wird, wird in den Bereich der Sitzringe für die Einlassventile gefördert.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Brennkraftmaschine sind im Zylinderkopf bzw. im Kurbelgehäuse Ablenkeinrichtungen zum Ablenken des Teilstroms der Kühlflüssigkeit in das Kurbelgehäuse ausgebildet.
Die benachbart des Zylinderkopfes angeordneten Bereiche des Kurbelgehäuses sind gleichfalls thermisch sehr hoch belastet. Um dort eine optimale Kühlung des Kurbelgehäuses zu gewährleiten, ist vorgesehen, dass der durch das Kurbelgehäuse geleitete Teilstrom der Kühlflüssigkeit in Querrichtung des Kurbelgehäuses gefördert wird. Ein Teil dieses Teilstroms wird insbesondere benachbart dem Zylinderkopf in Querrichtung des Kurbelgehäuses durch dieses geleitet. Zum Ablenken des Teilstroms der Kühlflüssigkeit im Kurbelgehäuse in dessen Querrichtung sind im Kurbelgehäuse Ablenkeinrichtungen ausgebildet. Diese Ablenkeinrichtungen sind vorzugsweise als im Zylinderkopf gusstechnisch ausgebildete Ablenkrippen gestaltet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung und der Zeichnung selbst.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung erläutert und in der nachfolgenden Beschreibung näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine für den Bereich von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse mit veranschaulichtem Kühlkonzept dieser Teile der Brennkraftmaschine,
2 für das Kühlkonzept der Brennkraftmaschine den Kreislauf der Kühlflüssigkeit,
3 in einem Schnitt durch den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse ein Detail aus 1 zur Verdeutlichung der Ablenkung des Teilstromes der Kühlflüssigkeit vom Zylinderkopf in das Kurbelgehäuse.

1 dient der Veranschaulichung des Querstrom-Kühlkonzepts bei der Brennkraftmaschine. Bei dieser Brennkraftmaschine handelt es sich um einen Boxermotor. In 1 sind dessen beide Zylinderköpfe 1 und die mit diesen verbundene, somit zwischen den Zylinderköpfen 1 angeordnete Kurbelgehäuseeinheit 2 veranschaulicht. Diese Kurbelgehäuseeinheit 2 weist die beiden Kurbelgehäusehälften 3 auf, wobei die jeweilige Kurbelgehäusehälfte mit dem diesem zugewandten Zylinderkopf 1 verbunden ist. Die Trennebene zwischen jeweiligem Zylinderkopf 1 und mit diesem verbundenen Kurbelgehäuse 3 verläuft senkrecht zur Blattebene der Figur durch die jeweilige Linie 4. In der Kurbelgehäuseeinheit 2 ist eine Ausnehmung 5 für die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gebildet.
Das Kühlkonzept ist für die Bereiche von Zylinderkopf 1 und Kurbelgehäuse 3, auf die jeweilige Seite des Boxermotors bezogen, identisch. Insofern reicht es aus, nachfolgend nur die erfindungsgemäße Kühlung der Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinderkopfes 1 und des mit diesem verbundenen Kurbelgehäuses 3 zu erläutern:

Über eine in 1 nicht näher veranschaulichte Pumpe, die im Bereich 6 des einen Kurbelgehäuses 3 angeordnet ist, wird Kühlflüssigkeit, wobei es sich um Kühlwasser handelt, gemäß den beiden Kühlwasserströmen A den beiden Zylinderköpfen 1 zugeleitet. Bei einer Fördermenge der Pumpe von 100 % wird jedem Zylinderkopf 1 die Hälfte der Kühlwassermenge zugefördert; dies ist durch die Angabe „50 %“ in 1 verdeutlicht. Der Kühlwasserstrom A wird dem Zylinderkopf 1 vollständig zugeführt und in Querrichtung X des Zylinderkopfes 1 gefördert. Der Kühlwasserstrom A wird dem Zylinderkopf 1 im Bereich der durch die Bezugsziffer 7 verdeutlichten Heißstellen zugeführt, wobei diese Heißstellen im Bereich der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile im Zylinderkopf 1 gebildet sind. Nach dem Passieren dieser Heißstellen wird der Kühlwasserstrom A aufgeteilt in einen Kühlwasserstrom B und einen Kühlwasserstrom C. Die Menge des Kühlwasserstroms B beträgt ungefähr 80 % der Menge des Kühlwasserstroms A, so dass die Menge des Kühlwasserstrom C ungefähr 20 % der Menge des Kühlwasserstroms A beträgt. Somit wird der Kühlwasserstrom A, der ausgehend von der Wasserpumpe aufgrund der Aufteilung auf die beiden Zylinderköpfe 1 des Boxermotors 50 % beträgt, aufgeteilt in den Kühlwasserstrom B mit 40 % und den Kühlwasserstrom C mit 10 %. Der Kühlwasserstrom B wird durch den Zylinderkopf 1 in dessen Querrichtung gefördert, in den Bereich der Sitzringe für die Einlassventile der Brennkraftmaschine. Der Kühlwasserstrom C wird in das Kurbelgehäuse 3 geleitet und gleichfalls in Querrichtung X durch das Kurbelgehäuse 3 gefördert.

3 veranschaulicht die gerichtete Führung des Kühlwasserstroms C nach dem Passieren der Heißstellen 7 zunächst senkrecht zur Trennebene gemäß der Linie 4 zwischen Zylinderkopf 1 und Kurbelgehäuse 3 aufgrund der Ausbildung der Strömungskanäle im Zylinderkopf 1 sowie das anschließende gerichtete Umlenken des Kühlwasserstroms C um etwa 90° mittels im Kurbelgehäuse 3 gusstechnisch ausgebildeter Ablenkrippen 8. Demzufolge werden beide Kühlwasserströme B und C in Querrichtung von Zylinderkopf 1 bzw. Kurbelgehäuse 3 gefördert, wobei durch die Anordnung der Ablenkrippen 8 der Kühlwasserstrom C im Wesentlichen benachbart des Zylinderkopfs 1 durch das Kurbelgehäuse 3 gefördert wird und somit besonders günstig die thermisch hoch belasteten Bereiche des Kurbelgehäuses 3 benachbart des Zylinderkopfs 1 gekühlt werden.
Bei den genannten Heißstellen 7 handelt es sich um die Bereiche der Auslassventile und die Sitzringe der Auslassventile, die im Zylinderkopf 1 gebildet sind.
2 zeigt in schematischer Darstellung das durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verwirklichte Kühlkonzept:

Über die Pumpe 9 werden die beiden gleichen Kühlwasserströme A den beiden Zylinderköpfen zugeführt, wobei jedem Zylinderkopf 1 und dem diesem Zylinderkopf 1 zugeordneten Kurbelgehäuse 3 drei Zylinder zugeordnet sind. Es handelt sich somit bei der Brennkraftmaschine um einen Sechszylinder-Boxermotor handelt. Der Kühlwasserstrom A wird vollständig dem Zylinderkopf im Bereich der Heißstellen zugeführt, veranschaulicht durch die sich aufgrund der drei Zylinder ergebenden drei gleichen, aus dem Kühlwasserstrom A hervorgehenden Kühlwasserteilströme A', die im Bereich der Auslassventile 10 geführt sind. Der jeweilige Kühlwasserteilstrom A' teilt sich hinter der Heißstelle in einen Kühlwasserteilstrom B', der durch den Zylinderkopf in dessen Querrichtung gefördert wird und einen Kühlwasserteilstrom C', der dem Kurbelgehäuse zugeleitet wird und, hier durch den Vollkreis des Kühlwasserteilstroms C' veranschaulicht, den Zylinder im Bereich der Zylinderwandung kühlt. Der jeweilige Kühlwasserstrom B', der in Querrichtung durch den Zylinderkopf 1 geführt ist, kühlt das Einlassventil 11 und den diesem zugeordneten Ventilsitzring.

Der Kühlwasserteilstrom A' ist so aufgeteilt, dass der Kühlwasserteilstrom B' 80 % hiervon und der Kühlwasserteilstrom C' 20 % vom Kühlwasserteilstrom A' beträgt.
Der Kühlwasserteilstrom B' und der Kühlwasserteilstrom C' vereinigen sich in Kurbelgehäuse 3 zum Kühlwasserstrom D. Dieser Kühlwasserstrom D gelangt entweder bei geöffnetem Thermostat 12 unmittelbar zur Pumpe 9 zurück, um direkt dem Zylinderkopf 1 wieder zugefördert zu werden oder aber, bei geschlossenem Thermostat 12, wird das erwärmte Kühlwasser mittels unterschiedlichster Aggregate gekühlt, beispielsweise durch Zuführen von Kühlwasserteilströmen E und F über eine Heizung 13 für den Fahrzeuginnenraum oder einen Kühler 14 des Fahrzeugs, um dann zur Pumpe 9 zwecks Zuführung des gekühlten Kühlwassers zu den Zylinderköpfen 1 weitergeleitet zu werden.
Das beschriebene erfindungsgemäße Querstrom-Kühlkonzept ermöglicht somit eine für alle Zylinder gleichmäßige und optimierte Kühlung der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile der Brennkraftmaschine, ferner der Einlasskanäle und der dort angeordneten Einlassventile sowie Sitzringe für diese, schließlich im Bereich des Brennraums angeordneter Zündkerzen, Injektoren für die Benzindirekteinspritzung sowie des Kurbelgehäuses. 100 % des Kühlwasserstromes werden zuerst an den Heißstellen im Auslassventil/-Sitzringbereich im Zylinderkopf vorbeigeleitet und danach die Verteilung auf den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse im Verhältnis von ungefähr 80 %/20 % vorgenommen. Es erfolgt eine verbesserte Kühlung des Kurbelgehäuses im Bereich des Deckkerns durch eine gerichtete Einströmung mittels einer Umlenkrippe im oberen heißen Kurbelgehäuse-Deckbereich. Es lässt sich eine hohe Kernsteifigkeit des Zylinderkopfs erzielen. Aufgrund der gerichteten großen Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit im Bereich der thermisch hoch belasteten Bereiche von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse ergibt sich ein optimaler Wärmeübergang. Das Kühlkonzept ermöglicht eine stabile Auslegung des Gesamtkühlsystems bezüglich Hubraumvarianten.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2: Kurbelgehäuseeinheit
3: Kurbelgehäuse
4: Linie
5: Ausnehmung
6: Bereich
7: Heißstelle
8: Ablenkrippe
9: Pumpe
10: Auslassventil
11: Einlassventil
12: Thermostat
13: Heizung
14: Kühler
A: Kühlwasserstrom
A': Kühlwasserteilstrom
B: Kühlwasserstrom
B': Kühlwasserteilstrom
C: Kühlwasserstrom
C': Kühlwasserteilstrom
D: Kühlwasserstrom
X: Querrichtung

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) und einem Kurbelgehäuse (3), wobei die Brennkraftmaschine in Längsrichtung von Zylinderkopf (1) und Kurbelgehäuse (3) nebeneinander angeordnete Zylinder aufweist, der Zylinderkopf (1) Einlasskanäle für Verbrennungsluft und Auslasskanäle für Abgas sowie Sitzringe für Einlass- und Auslassventile aufweist, wobei im Bereich der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile Heißstellen (7) im Zylinderkopf (1) gebildet sind, sowie im Zylinderkopf (1) und im Kurbelgehäuse (3) Strömungskanäle für eine Kühlflüssigkeit gebildet sind, wobei die Kühlflüssigkeit vollständig dem Zylinderkopf (1) zugeführt, Kühlflüssigkeit in Querrichtung (X) des Zylinderkopfs (1) gefördert und ein Teil der Kühlflüssigkeit dem Kurbelgehäuse (3) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit vollständig (Kühlwasserstrom A) dem Zylinderkopf (1) im Bereich der Heißstellen (7) zugeführt wird, derart, dass die komplette Kühlflüssigkeit (Kühlwasserstrom A) zu den Heißstellen (7) im Zylinderkopf (1) geleitet wird, wobei die Einleitung der Kühlflüssigkeit in Querrichtung des Zylinderkopfes (1) auf der Seite der Auslassventile erfolgt, wobei erst nach der Kühlung der Auslassventile und der Sitzringe der Auslassventile, also nach den Heißstellen (7) im Zylinderkopf (1), eine Aufteilung der Kühlflüssigkeit auf den Zylinderkopf (1) und das Kurbelgehäuse (3) erfolgt, derart, dass von dort ein Teil (Kühlwasserstrom B) der Kühlflüssigkeit von den Heißstellen (7) durch den Zylinderkopf (1) in dessen Querrichtung (X) gefördert wird und der verbleibende Teil (Kühlwasserstrom C) der Kühlflüssigkeit dem Kurbelgehäuse (3) zugeleitet wird, wobei der Teil (Kühlwasserstrom (B) der Kühlflüssigkeit, der von den Heißstellen (7) durch den Zylinderkopf (1) in dessen Querrichtung (X) gefördert wird, in den Bereich der Sitzringe für die Einlassventile gefördert wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein prozentualer Anteil von ca. 0 % bis 30 % der Kühlflüssigkeit durch das Kurbelgehäuse (3) gefördert wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (1) und/oder im Kurbelgehäuse (3) Ablenkeinrichtungen gestaltet sind, zum Ablenken des Teilstroms (C) der Kühlflüssigkeit in das Kurbelgehäuse (3).
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kurbelgehäuse Ablenkeinrichtungen (8) gestaltet sind, zum Ablenken des Teilstroms (C) der Kühlflüssigkeit in Querrichtung (X) des Kurbelgehäuses (3).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtungen (8) im Kurbelgehäuse (3) als gusstechnisch im Kurbelgehäuse (3) ausgebildete Ablenkrippen (8) gestaltet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Kurbelgehäuse (3) geleitete Teilstrom (C) der Kühlflüssigkeit in Querrichtung (X) des Kurbelgehäuses (3) gefördert wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein wesentlicher Teil des durch das Kurbelgehäuse (3) geförderten Teilstroms (C) der Kühlflüssigkeit in dem dem Zylinderkopf (1) benachbarten Bereich des Kurbelgehäuses (3) gefördert wird.