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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock, bei der
- – der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser erste Kühlmittelmantel einlassseitig eine erste Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist, und
- – der Zylinderblock mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine zweite Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und beispielsweise in der
DE 697 07 980 T2 beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Daher werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, denn die thermische Belastung der Motoren nimmt stetig zu. Dies ist auch dadurch bedingt, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen und mit dem Ziel eines möglichst dichten Packaging immer mehr Komponenten in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock integriert werden, wodurch die thermische Belastung der Motoren, d. h. der Brennkraftmaschinen, wächst. Zunehmend häufig wird der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung zu partizipieren und den Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind.
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Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Der mindestens eine Kühlmittelmantel wird einlassseitig via Zuführöffnung mit Kühlmittel versorgt, das nach Durchströmen des Zylinderkopfes auslassseitig den Kühlmittelmantel via Abführöffnung verlässt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise via Abführöffnung aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
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Wie der Zylinderkopf kann auch der Zylinderblock mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist aber das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
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Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr sehr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
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Zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs sind die auslassseitigen Abführöffnungen, aus welchen das Kühlmittel aus den Kühlmittelmänteln austritt, mit den einlassseitigen Zuführöffnungen, die der Versorgung der Kühlmittelmäntel mit Kühlmittel dienen, verbunden bzw. zumindest verbindbar, wozu eine Leitung oder mehrere Leitungen vorgesehen werden müssen.
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Diese Leitungen müssen keine Leitungen im eigentlichen Sinne sein, sondern können abschnittsweise auch in den mindestens einen Zylinderkopf oder den Zylinderblock integriert sein. In der Regel verlaufen die Leitungen aber außerhalb des Zylinderkopfes bzw. Zylinderblocks, wobei ein ausgedehntes Leitungssystem, häufig in Gestalt von Schläuchen und Rohrstücken, ausgebildet wird und zwar nicht nur, um die auslassseitigen Abführöffnungen mit den einlassseitigen Zuführöffnungen zu verbinden, sondern auch, um unterschiedlichste Komponenten in den Kühlmittelkreislauf einzubinden, beispielsweise die Kühlmittelpumpe, den Wärmetauscher bzw. den Radiator, einen Ölkühler, einen Ladeluftkühler, eine Kühlvorrichtung für rückzuführendes Abgas, eine Fahrgastinnenraumheizung und/oder dergleichen. Ein Beispiel für eine derartige Leitung ist eine Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen.
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Die Leitungen, insbesondere die Schläuche und Rohrstücke des ausgebildeten Leitungssystems, erhöhen den Raumbedarf der Kühlung und damit des Antriebsaggregats im Motorraum deutlich. Vorteilhaft wäre es, die Anzahl der Leitungen sowie die Gesamtleitungslänge zu reduzieren und möglichst viele Leitungen möglichst umfangreich in andere Bauteile zu integrieren, um dadurch den Raumbedarf des Leitungssystems zu verringern, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren sowie den Montageaufwand zu mindern. Auch das Gewicht und die Kosten, beispielsweise die Bereitstellungskosten und die Montagekosten, könnten gesenkt werden. Insbesondere die Integration von Leitungen in andere Bauteile macht eine Montage und Verbindungselemente entbehrlich und eliminiert die Gefahr einer Leckage.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Leitungssystems der Kühlung optimiert ist, insbesondere kompakt ist und ein möglichst dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum des Fahrzeuges gewährleistet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock, bei der
- – der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser erste Kühlmittelmantel einlassseitig eine erste Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist, und
- – der Zylinderblock mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine zweite Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen mit den Zuführöffnungen via einer modularen Baugruppe zumindest verbindbar sind, wobei diese Baugruppe benachbart zu einer kurzen Stirnseite des mindestens einen Zylinderkopfes angeordnet ist und eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, eine der ersten Zuführöffnung zugeordnete erste Zuführanschlussstelle, eine der zweiten Zuführöffnung zugeordnete zweite Zuführanschlussstelle, eine der ersten Abführöffnung zugeordnete erste Abführanschlussstelle und eine der zweiten Abführöffnung zugeordnete zweite Abführanschlussstelle umfasst,
- – die erste Abführanschlussstelle mit der zweiten Zuführanschlussstelle zumindest verbindbar ist, und
- – die zweite Zuführöffnung und die zweite Abführöffnung in dem mindestens einen Zylinderkopf ausgebildet sind.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über eine Baugruppe, die der Verbindung der Abführöffnungen mit den Zuführöffnungen dient und die Montage der Brennkraftmaschine insbesondere dadurch vereinfacht, dass mittels der vorgefertigten vormontierten Baugruppe eine vereinfachte und schnellere Ausbildung des Kühlmittelkreislaufs erfolgen kann.
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Zahlreiche Leitungsabschnitte sind zumindest teilweise in die Baugruppe integriert, beispielsweise die Leitung, welche von dem mindestens einen integrierten Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes zur Pumpe führt, oder die Leitung, welche zur zweiten Zuführöffnung des mindestens einen im Zylinderblock integrierten Kühlmittelmantels führt, bzw. die Leitung, die von der zweiten Abführöffnung des blockzugehörigen Kühlmittelmantels zur Pumpe führt.
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Erfindungsgemäß weist die Baugruppe mehrere Anschlussstellen auf, die den Zuführöffnungen und Abführöffnungen der Kühlmittelmäntel zugeordnet, d. h. zugewiesen sind, und mit diesen verbunden werden. Wie im Weiteren noch beschrieben wird, zeichnen sich eine Vielzahl von vorteilhaften Ausführungsformen der Brennkraftmaschine dadurch aus, dass die Verbindungen der Baugruppe und somit der Pumpe mit den Öffnungen allein durch die Anschlussstellen gebildet, d. h. realisiert werden, gegebenenfalls unter Verwendung von Zwischenelementen wie Dichtelementen, aber ohne Verwendung von Schläuchen, Rohrstücken oder dergleichen. Dadurch vereinfacht sich die Montage erheblich, denn mit der Montage der Baugruppe an der Brennkraftmaschine wird gleichzeitig der Kühlkreislauf mit ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise hat gleich mehrere Vorteile. Zum einen entfallen Montageschritte bei der Ausbildung des Kühlkreislaufs, aber auch Verbindungselemente, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden. Mit den Verbindungselementen entfällt auch das Erfordernis, ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorsehen zu müssen. Ein dichtes Packaging der Antriebseinheit durch eine kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine wird dadurch möglich.
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Zum anderen können der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock mit nur einem Stellelement gesteuert werden, da alle zugehörigen Leitungen räumlich benachbart durch die Baugruppe hindurchführen.
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Dadurch, dass die erste Abführanschlussstelle mit der zweiten Zuführanschlussstelle verbunden ist bzw. verbindbar ist, vorzugsweise innerhalb der Baugruppe bzw. via in der Baugruppe integriertem Leitungsstück, wird ein serielles Durchströmen der Kühlmittemäntel, bei dem zuerst der Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und anschließend der Kühlmittelmantel des Zylinderblocks durchströmt werden, realisiert. Damit wird der Zylinderblock von bereits im Zylinderkopf vorerwärmten Kühlmittel durchströmt, d. h. dem Zylinderblock im Zylinderkopf erwärmtes Kühlmittel zurückgeführt.
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In vorteilhafter Weise sind die zweite Zuführöffnung und die zweite Abführöffnung in dem mindestens einen Zylinderkopf ausgebildet. Die Kühlmittelmäntel des flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes und des flüssigkeitsgekühlten Zylinderblocks sind miteinander verbunden. Es erfolgt ein Kühlmittelaustausch zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock. Der im Zylinderblock integrierte Kühlmittelmantel wird via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt.
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Im Rahmen der Montage werden der Kopf und der Block an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden, wodurch die Zylinder, d. h. die Brennräume der Brennkraftmaschine ausgebildet werden. Die zweite Zuführöffnung und die zweite Abführöffnung werden vorteilhafterweise benachbart zu dieser Montage-Stirnseite im Zylinderkopf angeordnet, um die Versorgung des Blocks mit Kühlmittel via Zylinderkopf zu vereinfachen und die entsprechenden Leitungen zu verkürzen.
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Die Baugruppe der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht ein serielles Durchströmen der Kühlmittemäntel, wobei in vorteilhafter Weise zuerst der Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und anschließend der Kühlmittelmantel des Zylinderblocks durchströmt werden. Diese Vorgehensweise zeichnet sich durch kurze Leitungen im Kühlkreislauf aus.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich des Leitungssystems der Kühlung optimiert ist, die kompakt ist und ein möglichst dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum des Fahrzeuges gewährleistet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden näher beschrieben.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Baugruppe an dem mindestens einen Zylinderkopf befestigt ist.
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Diese Ausführungsform trägt zu einer Verkürzung der Länge der Leitung bei, die zu der Zuführöffnung des im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantels führt, bzw. der Leitung, die sich an die Abführöffnung dieses Kühlmittelmantels anschließt. Vorteile gleicher Art ergeben sich auch, falls der im Zylinderblock integrierte Kühlmittelmantel via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Baugruppe eine Gehäusestruktur umfasst. Diese Gehäusestruktur ist vorzugsweise monolithisch ausgebildet, beispielsweise als einteiliges Gussteil, und kann zum einen als Trägerstruktur für Elemente und Komponenten dienen und zum anderen der Befestigung der Baugruppe selbst, d. h. der Befestigung an der Brennkraftmaschine bzw. am Zylinderkopf.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die erste Abführöffnung in dem mindestens einen Zylinderkopf ausgebildet ist. Dies trägt zu einer Verkürzung der Leitungslängen bei, insbesondere falls die Baugruppe an dem mindestens einen Zylinderkopf befestigt ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die erste Abführanschlussstelle unmittelbar an die erste Abführöffnung anschließt. Vorteilhaft ist diese Ausführungsform, da weitere Elemente wie Schläuche und Rohrstücke nicht erforderlich sind, um die Verbindung zwischen der Baugruppe und damit der Pumpe und der Abführöffnung herzustellen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Zuführanschlussstelle unmittelbar an die zweite Zuführöffnung anschließt.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Abführanschlussstelle unmittelbar an die zweite Abführöffnung anschließt.
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Hinsichtlich der beiden vorstehenden Ausführungsformen ergeben sich dieselben Vorteile wie im Zusammenhang mit dem unmittelbaren Anschluss der ersten Abführanschlussstelle an die erste Abführöffnung beschrieben. Vorteilhaft ist der unmittelbare Anschluss einer Anschlussstelle an die dazugehörige, d. h. die zugeordnete Öffnung, weil infolgedessen weitere Elemente wie Schläuche und Rohrstücke nicht notwendig sind, um die Verbindung zwischen der Baugruppe und damit der Pumpe und der Abführöffnung herzustellen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die erste Abführanschlussstelle, die zweite Abführanschlussstelle und/oder die zweite Zuführanschlussstelle die Gestalt eines zylinderförmigen Stutzens aufweisen und einteilig mit der Gehäusestruktur der Baugruppe sind.
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Umfasst die Baugruppe eine Gehäusestruktur, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Kühlmittelpumpe auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite der Baugruppe angeordnet und an der Gehäusestruktur der Baugruppe befestigt ist. Eine derartige Anordnung und Befestigung der Pumpe lässt auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite in vorteilhafter Weise genügend Platz und Raum für die Anordnung von Anschlussstellen, für das Ausbilden von Leitungen zwischen diesen Anschlussstellen und den Kühlmittelmänteln und für das Vorsehen von Befestigungen der Baugruppe am Zylinderkopf.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Kühlmittelpumpe mit einem als Antrieb dienenden Zugmitteltrieb ausgestattet ist, der auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der Baugruppe angeordnet ist.
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Zugmitteltriebe haben sich für den Antrieb von Nebenaggregaten der Brennkraftmaschine als vorteilhaft erwiesen, beispielsweise für den Antrieb der Ölpumpe, der Kühlmittelpumpe, der Lichtmaschine und dergleichen. Für den Antrieb können Riemenantriebe oder Kettenantriebe verwendet werden, wobei die verschiedenen Antriebe unter dem Begriff des Zugmitteltriebs zusammengefasst, d. h. subsumiert werden.
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Der Zugmitteltrieb soll unter möglichst geringen Energieverlusten und mit möglichst wenig Wartungsaufwand durch Nachspannen ein großes Drehmoment von einer Antriebswelle, beispielsweise der Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, auf die Nebenaggregate, vorliegend die Pumpe, übertragen. Um das Antriebsmittel unter Spannung zu halten und damit einen möglichst sicheren und verschleißfreien Antrieb zu gewährleisten, ist vorzugsweise an geeigneter Stelle des Antriebs eine Spannvorrichtung vorzusehen.
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Die Anordnung des Zugmitteltriebs auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der Baugruppe schützt den Zugmitteltrieb vor dem Eindringen von Fremdkörpern. Die Gehäusestruktur wird vorzugsweise mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Zugmitteltriebs versehen, die den Zugmitteltrieb ähnlich einem Kettenkasten schützt und eine einwandfreie Funktion sicherstellt.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen die Kühlmittelpumpe elektrisch angetrieben ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Pumpe zur Förderung des Kühlmittels variabel steuerbar ist. Dann besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Kühlmitteldurchsatz mittels Förderdruck zu beeinflussen bzw. zu steuern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Baugruppe eine Vakuumpumpe umfasst. Die Vakuumpumpe kann beispielsweise zur Unterstützung einer Lenkung oder im Zusammenhang mit einem Bremskraftverstärker genutzt werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusestruktur der Baugruppe ein Gehäuse für die Vakuumpumpe zumindest mit ausbildet. Das Gehäusesegment für die Vakuumpumpe versteift die Gehäusestruktur der Baugruppe zusätzlich, wobei die integrale Ausbildung mit der Gehäusestruktur eine separate Befestigung der Vakuumpumpe an der Baugruppe entbehrlich macht, d. h. entfallen lässt. Es ergeben sich auch Vorteile bei der Montage.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen eine im Zylinderkopf gelagerte Nockenwelle als Antrieb für die Vakuumpumpe dient. Die in der Regel mittels Kurbelwelle in Drehung versetzte und häufig im Zylinderkopf oben gelagerte Nockenwelle eignet sich schon wegen der räumlichen Nähe in vorteilhafter Weise für den Antrieb der Vakuumpumpe, wobei vorzugsweise eine direkte mechanische Koppelung der Nockenwelle mit einer Welle der Vakuumpumpe vorzusehen ist, beispielsweise eine formschlüssige, kraftschlüssige oder stoffschlüssige Wellenverbindung. Eine Verbindung in Gestalt einer Gelenkwellenverbindung ist eine mögliche Ausführungsform.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der Zugmitteltrieb ein mit der Vakuumpumpe angetriebenes Antriebsrad umfasst, welches via Zugmittel mit einem auf einer Welle der Kühlmittelpumpe angeordneten Abtriebsrad gekoppelt ist. Dabei ist im Antrieb der Vakuumpumpe ein Rad vorgesehen, welches mit der Vakuumpumpe angetrieben wird und im Zugmitteltrieb als Antriebsrad für die Kühlmittelpumpe dient.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusestruktur ein zusätzliches dosenartiges Gehäusesegment umfasst. Wie das bereits beschriebene Gehäuse für die Vakuumpumpe versteift jedes weitere Gehäusesegment die Gehäusestruktur der Baugruppe zusätzlich. In dem dosenartigen Gehäusesegment kann beispielsweise eine Kraftstoffpumpe oder ein Nockenwellenversteller aufgenommen bzw. untergebracht werden. Die integrale Ausbildung des Gehäusesegments mit der Gehäusestruktur macht eine separate Befestigung der jeweiligen Komponente entbehrlich und reduziert den Materialeinsatz und damit auch das Gewicht und die Kosten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusestruktur zur Aufnahme mindestens eines Proportionalventils mindestens eine erste Ausnehmung aufweist.
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Der Hintergrund dieser Ausführungsform ist, dass es nicht das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung ist, der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine möglichst große Wärmemenge zu entziehen. Vielmehr wird eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt, die neben der Volllast auch den Betriebsmodi der Brennkraftmaschine Rechnung trägt, in denen es vorteilhafter ist, der Brennkraftmaschine weniger bzw. möglichst wenig Wärme zu entziehen.
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Um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, kann eine zügige Erwärmung des Motoröls, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
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Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d. h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird. Insofern ist die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ein Beispiel für einen Betriebsmodus, in dem es vorteilhaft ist, der Brennkraftmaschine möglichst wenig, vorzugsweise keine Wärme zu entziehen.
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Bei einer Brennkraftmaschine, die sowohl einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock aufweist, so wie die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist es vorteilhaft, den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock unabhängig voneinander steuern zu können, insbesondere da die beiden Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen. Es wäre vorteilhaft, den Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf und den Kühlmittelstrom durch den Zylinderblock zu Beginn der Warmlaufphase zu unterbinden, so dass das Kühlmittel nicht fließt, sondern in den Leitungen und dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks steht, wodurch die Erwärmung des Kühlmittels und die Aufheizung der Brennkraftmaschine beschleunigt werden, die Erwärmung des Motoröls vorangetrieben und die Reduzierung der Reibleistung unterstützt werden würde.
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Die in Rede stehende Ausführungsform verfügt über ein Proportionalventil zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung, welches auslassseitig oder einlassseitig angeordnet ist und sowohl den Kühlmittelfluss durch den Zylinderkopf als auch der Kühlmittelfluss durch den Zylinderblock steuert. Mittels eines einzigen Stellelements wird eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung bzw. bedarfsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine realisiert. Dadurch verringern sich die Kosten, das Gewicht und der Raumbedarf der Steuerung. Die Anzahl der Bauteile reduziert sich, wodurch sich grundsätzlich die Bereitstellungskosten und die Montagekosten vermindern. Das Stellelement kann beispielsweise als drehbare Walze mit auf der Mantelfläche angeordneten Öffnungen ausgebildet sein.
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Das beispielsweise mittels Motorsteuerung aktiv gesteuerte Proportionalventil gestattet grundsätzlich eine kennfeldgesteuerte Betätigung des Ventils und damit auch eine an den momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasste Kühlmitteltemperatur, beispielsweise bei niedrigeren Lasten eine höhere Kühlmitteltemperatur als bei hohen Lasten. Durch ein mittels Motorsteuerung gesteuertes Proportionalventil können die Kühlmittelströme durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock und damit die entzogenen Wärmemengen bedarfsgerecht eingestellt, d. h. gesteuert werden.
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Das Proportionalventil bzw. das dazugehörige Stellelement kann unterschiedliche Arbeitspositionen einnehmen, beispielsweise eine für die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geeignete Arbeitsposition, in der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf, aber nicht durch den Zylinderblock strömt. Der thermisch besonders beanspruchte Zylinderkopf wird dabei von Kühlmittel durchströmt und gekühlt. Vorzugsweise kann durch Verstellen des Stellelementes innerhalb der Arbeitsposition die Durchflussmenge und damit die dem Zylinderkopf entzogene Wärmemenge eingestellt werden.
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Durch Überführen des Proportionalventils in eine andere Arbeitsposition wird dann zusätzlich der Zylinderblock für das Kühlmittel freigegeben und Kühlmittel strömt durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock. Vorzugsweise kann durch Verstellen des Stellelements innerhalb der Arbeitsposition die Durchflussmenge und damit die dem Zylinderblock entzogene Wärmemenge eingestellt werden.
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Die beiden vorstehenden Arbeitspositionen werden vorzugsweise durch eine weitere Position, nämlich eine Ruheposition, ergänzt, in der auch die Kühlung des Zylinderkopfes deaktiviert ist, d. h. der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf vollständig unterbunden wird.
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Das Verstellen des Proportionalventils erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer ermittelten Zylinderkopftemperatur Tcyl.-head bzw. Zylinderblocktemperatur Tcyl.-block. Auf diese Weise kann sowohl der Zylinderkopf als auch der Zylinderblock bedarfsgerecht temperiert bzw. gekühlt werden.
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Ein Proportionalventil optimiert die Steuerung der Kühlung und gestattet grundsätzlich eine Einflussnahme auf den Wärmehaushalt der Brennkraftmaschine in der Warmlaufphase und auf den Wärmehaushalt der aufgeheizten Brennkraftmaschine.
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Um eine funktionsfähige Kühlung auch bei Ausfall des Proportionalventils zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung ein selbsttätig temperaturabhängig steuerndes Ventil vorzusehen, welches häufig auch als Thermostatventil bezeichnet wird. Ein derartiges Thermostatventil weist ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element auf, wobei eine durch das Ventil führende Leitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Element versperrt wird oder mehr oder weniger freigegeben wird.
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Das Thermostatventil stellt einen Kühlmittelfluss und damit eine ausreichende Kühlung auch bei defektem Proportionalventil sicher.
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Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusestruktur zur Aufnahme mindestens eines Thermostatventils mindestens eine zweite Ausnehmung aufweist.
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Vorteilhaft können Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zwei integrierte und miteinander verbundene Kühlmittelmäntel aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch in einer perspektivischen Darstellung die modulare Baugruppe einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit Blick auf die Rückseite, und
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1b schematisch in einer perspektivischen Darstellung die in 1a dargestellte modulare Baugruppe in der Einbauposition mit Blick auf die Vorderseite.
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1a zeigt schematisch in einer perspektivischen Darstellung die modulare Baugruppe 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit Blick auf die Rückseite 1a, welche in der Einbauposition der Baugruppe 1 dem Zylinderkopf 2 zugewandt ist (siehe auch 1b). 1b zeigt die in 1a dargestellte modulare Baugruppe 1 in der Einbauposition mit Blick auf die Vorderseite 1b.
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Die modulare Baugruppe 1 ist Teil des Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine und dient dem Verbinden der Abführöffnungen 5a der im Zylinderkopf 2 und Zylinderblock 3 integrierten Kühlmittelmäntel mit den Zuführöffnungen 4a, wozu die Baugruppe 1 benachbart zu einer kurzen Stirnseite des Zylinderkopfes 2 angeordnet ist (siehe auch 1b).
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Die dargestellte Baugruppe 1 umfasst eine Gehäusestruktur 7 und auf ihrer Rückseite 1a eine erste Abführanschlussstelle 5a`, eine zweite Zuführanschlussstelle 4b` und eine zweite Abführanschlussstelle 5b`, wobei die Anschlussstellen 4b`, 5a`, 5b` die Gestalt zylinderförmiger Stutzen aufweisen und einteilig mit der Gehäusestruktur 7 der Baugruppe 1 ausgebildet sind.
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Das aus dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes 2 via erster Abführöffnung 5a austretende Kühlmittel tritt via der ersten Abführanschlussstelle 5a` in die Baugruppe 1 ein, wird anschließend innerhalb der Baugruppe 1 via integriertem Leitungsstück zur zweiten Zuführanschlussstelle 4b` geleitet, von der aus das Kühlmittel – vorliegend via Zylinderkopf 2 – dem Kühlmittelmantel des Zylinderblocks 3 zugeführt wird. Nach Durchströmen des Kühlmittelmantels des Zylinderblocks 3 tritt das Kühlmittel via zweiter Abführanschlussstelle 5b` wieder in die Baugruppe 1 ein. Folglich werden der Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes 2 und der Kühlmittelmantel des Zylinderblocks 3 seriell durchströmt, wobei der Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes 2 zuerst und anschließend der Kühlmittelmantel des Zylinderblocks 3 durchströmt wird.
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Die Baugruppe 1 umfasst auch eine Vakuumpumpe 10, deren Welle 10b von einer im Zylinderkopf 2 gelagerten Nockenwelle antrieben wird (nicht dargestellt). Die Gehäusestruktur 7 der Baugruppe 1 bildet einen Teil des Gehäuses 10a der Vakuumpumpe 10 mit aus. Die integrale Ausbildung des Gehäuses 10a mit der Gehäusestruktur 7 macht eine separate Befestigung entbehrlich.
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Zur Förderung des Kühlmittels ist eine Kühlmittelpumpe 9 vorgesehen, die auf der Vorderseite 1b der Baugruppe 1, d. h. auf der dem Zylinderkopf 2 abgewandten Seite der Baugruppe 1 angeordnet und mit ihrem Gehäuse 9a an der Gehäusestruktur 7 der Baugruppe 1 befestigt ist.
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Die Kühlmittelpumpe 9 wird mittels Zugmitteltrieb 11 angetrieben, der auf der dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite der Baugruppe 1, d. h. auf der Rückseite 1a, angeordnet ist. Der Zugmitteltrieb 11 umfasst ein mit der Vakuumpumpe 10 angetriebenes und auf der Welle 10b der Vakuumpumpe 10 angeordnetes Antriebsrad 11a, welches via Zugmittel 11c, vorliegend ein Riemen 11c, mit einem auf der Welle 9b der Kühlmittelpumpe 9 angeordnetem Abtriebsrad 11b gekoppelt ist. Zur Aufnahme des Zugmitteltriebs 11 verfügt die Gehäusestruktur 7 über eine kastenartige Ausnehmung 7d.
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Des Weiteren umfasst die Gehäusestruktur 7 ein dosenartiges Gehäusesegment 7c, welches die Gehäusestruktur 7 zusätzlich versteift und eine Kraftstoffpumpe oder einen Nockenwellenversteller aufnehmen kann.
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Zudem weist die Gehäusestruktur 7 zur Aufnahme eines Proportionalventils 8a eine erste Ausnehmung 7a und zur Aufnahme eines Thermostatventils 8b eine zweite Ausnehmung 7b auf. Beide Ventile 7a, 8a dienen der Steuerung der Kühlmittelströme. So ist es beispielsweise möglich, das Kühlmittel bei Umgehung eines Wärmetauschers der Kühlmittelpumpe 9 via Kurzschlussleitung 12 direkt zu zuführen. Dargestellt ist auch ein Teilstück der vom Wärmetauscher kommenden Kühlmittelleitung 13.
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Wie aus 1b ersichtlich, ist die Baugruppe 1 in der Einbauposition am Zylinderkopf 2 befestigt. Die Baugruppe 1 verfügt auf ihrer Vorderseite 1b über eine erste Zuführanschlussstelle 4a`, die an der Kühlmittelpumpe 9 platziert ist und via einem Rohrstück mit der ersten Zuführöffnung 4a des im Zylinderkopf 2 integrierten Kühlmittelmantels in Verbindung steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- modulare Baugruppe
- 1a
- Rückseite
- 1b
- Vorderseite
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Zylinderblock
- 4a
- erste Zuführöffnung
- 4a`
- erste Zuführanschlussstelle
- 4b`
- zweite Zuführanschlussstelle
- 5a
- erste Abführöffnung
- 5a`
- erste Abführanschlussstelle
- 5b`
- zweite Abführanschlussstelle
- 6
- Montagestirnseite
- 7
- Gehäusestruktur
- 7a
- erste Ausnehmung
- 7b
- zweite Ausnehmung
- 7c
- dosenartiges Gehäusesegment
- 7d
- kastenartige Ausnehmung
- 8a
- Proportionalventil
- 8b
- Thermostatventil
- 9
- Kühlmittelpumpe
- 9a
- Gehäuse für die Kühlmittelpumpe
- 9b
- Welle der Kühlmittelpumpe
- 10
- Vakuumpumpe
- 10a
- Gehäuse für die Vakuumpumpe
- 10b
- Welle der Vakuumpumpe
- 11
- Zugmitteltrieb
- 11a
- Antriebsrad
- 11b
- Abtriebsrad
- 11c
- Zugmittel, Riemen
- 12
- Kurzschlussleitung
- 13
- vom Wärmetauscher kommende Kühlmittelleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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