DE102014220852B4

DE102014220852B4 - Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit zusätzlicher Kühlung und Verfahren zur Kühlung einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014220852B4
Application number: DE102014220852.1A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Kai Kuhlbach; Clemens Verpoort
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: DE102014220852A1

Abstract

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (1), der mindestens zwei Zylinder (2) aufweist, bei der- zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens ein Kühlmittelmantel (9), der zu einem Kühlmittel führenden Kühlmittelkreislauf gehört, in dem mindestens einen Zylinderkopf (1) integriert ist,- jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslassöffnung (4b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (4) aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4b) eine Abgasleitung (4a) anschließt,- jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlassöffnung (3b) zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem (3) aufweist,- die Abgasleitungen (4a) von mindestens zwei Zylindern (2) innerhalb des Zylinderkopfes (1) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers an einer Sammelstelle des Abgasabführsystems (4) zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und- stromaufwärts der Sammelstelle mindestens eine Öffnung (5) im Abgasabführsystem (4) vorgesehen ist, an die sich stromaufwärts eine Druckluftversorgungsleitung (6) anschließt und die dem Einbringen von Luft in das Abgasabführsystem (4) zwecks Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes (1) dient, wobei die mindestens eine Öffnung (5) in einer Abgasleitung (4a) des Abgasabführsystems (4) vorgesehen ist, die in dem mindestens einen Zylinderkopf (1) integriert ist, und- mindestens ein Abgasturbolader, der einen im Ansaugsystem (3) angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem (4) angeordnete Turbine umfasst, vorgesehen ist, wobei die Turbine stromabwärts der Sammelstelle im Abgasabführsystem (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass- der Verdichter mit einer Abblaseleitung ausgestattet ist, die stromabwärts des Verdichters aus dem Ansaugsystem (3) abzweigt, wobei in der Abblaseleitung ein Absperrelement zur Steuerung des Abblasens angeordnet ist und, dass die Druckluftversorgungsleitung (6) von der Abblaseleitung stromabwärts des Absperrelements abzweigt und die Druckluftversorgungsleitung (6) der mindestens einen Öffnung (5) zum abgasseitigen Ende hin einen spitzen Winkel a mit der jeweiligen Abgasleitung (4a) bildet mit a < 45°.

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Begrenzung und Verringerung der thermischen Belastung einer derartigen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Brennkraftmaschinen der genannten Art werden als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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.
Brennkraftmaschinen verfügen über mindestens einen Zylinderkopf, der zur Ausbildung der mindestens zwei Zylinder, d. h. Brennräume, mit einem Zylinderblock verbunden wird. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen der Luft, über die Einlassöffnungen der mindestens zwei Zylinder. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Der Zylinderkopf dient zur Aufnahme der Steuerorgane und bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme des gesamten Ventiltriebs. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden. Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, d. h. die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen, was die konstruktive Auslegung des Zylinderkopfes wesentlich mit beeinflusst. Verfügt die Brennkraftmaschine über eine Flüssigkeitskühlung, wird mindestens ein Kühlmittelmantel in dem mindestens einen Zylinderkopf integriert, der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf hindurchführt.
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass der mindestens eine Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil ist. Die Anforderungen an den Zylinderkopf nehmen dabei weiter zu. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen - mittels Abgasturboauflader oder mechanischem Lader - aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration des Abgaskrümmers, steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine sicher verhindern.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmung erfolgt.
Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grunde werden Brennkraftmaschinen zunehmend mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
Eine Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des mindestens einen Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet ist, wieder entzogen.
In der Regel erfolgt die Auslegung der Motorkühlung, und zwar unabhängig davon, ob sie als Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung ausgebildet ist, in Hinblick auf den maximal auftretenden Kühlbedarf. Das Ergebnis dieser Vorgehensweise ist eine Motorkühlung, die in Hinblick auf den normalen Fahrbetrieb, d. h. in Hinblick auf den im Mittel auftretenden Kühlbedarf, überdimensioniert ist.
Um die Überhitzung der Brennkraftmaschine sicher zu verhindern, wird die Kühlleistung der Motorkühlung auf Betriebszustände mit sehr hohem bzw. maximalen Kühlbedarf ausgelegt, die sich durch hohe Lasten bei gleichzeitig niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten auszeichnen, also im Hinblick auf Betriebsbedingungen wie sie beispielsweise bei Beschleunigungs- und Bergfahrten auftreten, um auch unter widrigsten Bedingungen die angeforderte Kühlleistung liefern zu können. Unter derartigen Bedingungen hat die Motorkühlung eine sehr große Wärmemenge zu bewältigen, d. h. abzuführen, ohne dass die für die Wärmeabfuhr erforderliche Luftströmung zur Verfügung steht.
Die Auslegung der Motorkühlung im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Szenario führt zu unverhältnismäßig groß dimensionierten, d. h. überdimensionierten Kühlungen. Als Folge wird das Gebläse einer Luftkühlung bzw. der Wärmetauscher, d. h. der Kühler einer Flüssigkeitskühlung, sehr groß dimensioniert und dass, obwohl dies für den normalen Fahrbetrieb nicht erforderlich ist, d. h. abgesehen von wenigen extremen Fahrsituation eigentlich entbehrlich wäre.
Insbesondere führt eine derartige Auslegung bei einer Flüssigkeitskühlung zu einem übermäßig großen Kühler, der nur noch schwer im Front-End-Bereich eines Fahrzeuges unterzubringen ist.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang insbesondere, dass der Kühler nicht beliebig vergrößert werden kann, da in der Regel weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, vorgesehen werden müssen, um einen sicheren, störungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten bzw. den Betrieb der Brennkraftmaschine zu optimieren, und ein übergroßer Kühler die übrigen Wärmetauscher in Anordnung und Dimensionierung stark limitiert.
Im Folgenden werden einige Beispiele für weitere Wärmetauscher genannt und beschrieben, um die Problematik zu verdeutlichen.
Die infolge der Verbrennung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird nicht nur an die den Brennraum begrenzenden Wandungen, den Abgasstrom und gegebenenfalls an das Motorkühlmittel, sondern teilweise auch an das Motoröl abgegeben. Zur Einhaltung der maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabfuhr über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht, so dass ein zusätzlicher Ölkühler vorzusehen ist.
Auf der Ansaugseite einer Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet, der die Temperatur der angesaugten Luft senkt und damit die Dichte der Zylinderfrischladung steigert. Auf diese Weise trägt ein Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft bzw. mit Frischgemisch bei. Üblicherweise werden aufgeladene Brennkraftmaschinen mit einem Ladeluftkühler ausgestattet.
Neben dem Ladeluftkühler weisen Brennkraftmaschinen häufig weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, auf.
Moderne Brennkraftmaschinen werden zunehmend mit einer Abgasrückführung (AGR) ausgestattet. Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine, wird als zielführend angesehen, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, insbesondere die Grenzwerte für Stickoxidemissionen. Da die Bildung der Stickoxide hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Brennungsverfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln, wobei die Abgasrückführung ein Mittel ist zur Reduzierung der Temperaturen.
Mit zunehmender Abgasrückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR / (m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte und gegebenenfalls komprimierte Frischluft bzw. Ladeluft bezeichnet.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 50% bis 70% liegen können.
Zur Realisierung derart hoher Rückführraten ist eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, zwingend erforderlich, um die Dichte des rückgeführten Abgases zu steigern. Die Brennkraftmaschine ist daher mit einer zusätzlichen Kühlvorrichtung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases auszustatten.
Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird.
Ein weiterer Wärmetauscher ist der Klimakondensator einer Klimaanlage, die üblicherweise nach dem Kaltdampfprozess arbeitet. Die Temperatur des dem Fahrgastraum zugeführten Luftstroms wird beim Umströmen eines Verdampfers abgesenkt, wobei dem Luftstrom ein den Verdampfer innen durchströmendes Kältemittel die Wärme entzieht und dabei selbst verdampft.
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, das moderne Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl an Wärmetauschern ausgestattet sind, die ausnahmslos zur Erfüllung ihrer Funktion mit einer ausreichend großen wärmeübertragenden Fläche ausgebildet werden müssen, was bei der Dimensionierung und Anordnung der einzelnen Wärmetauscher im Front-End-Bereich aufgrund des begrenzten Raumangebots häufig problematisch ist, d. h. zu Konflikten führt.
Nach dem Stand der Technik werden Kühler daher bereits in Reihe, beabstandet zueinander und sich teilweise überdeckend angeordnet. Gegebenenfalls werden Strömungsleitbleche eingesetzt, um den Luftstrom durch den Motorraum zu führen.
In diesem Zusammenhang kommt dem Kühler der Motorkühlung eine besondere Bedeutung zu, da dieser Kühler für einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine unverzichtbar ist und große Wärmemengen zu bewältigen hat.
Um den Wärmetauschern der Kühlsysteme, d. h. den Kühlvorrichtungen, auch im Stillstand, d. h. bei stehendem Kraftfahrzeug, oder bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen ausreichend hohen Luftmassenstrom bereitzustellen, werden einige Kühlsysteme moderner Kraftfahrzeugantriebe mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, die ein Lüfterrad antreiben, d. h. in Drehung versetzen. Die Lüftermotoren werden in der Regel elektrisch betrieben und können den Wärmeübergang in den Wärmetauschern grundsätzlich in jedem beliebigen Betriebspunkt unterstützen. Die Steuerung derartiger Lüftermotoren erfolgt mittels Motorsteuerung.
Nichtsdestotrotz sind weitere Maßnahmen erforderlich, um die thermische Belastung einer Brennkraftmaschine auch unter widrigsten Bedingungen zu begrenzen.
Um eine thermische Überlastung einzelner Komponenten der Brennkraftmaschine zu vermeiden, wird nach dem Stand der Technik häufig immer dann eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der überschüssige Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt. Diese Vorgehensweise ist aber unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen.
Die Abgastemperaturen können grundsätzlich auch durch eine Abmagerung (λ > 1) des Kraftstoff-Luft-Gemisches verringert werden. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie bei einer Anfettung. Während bei der Anfettung (λ < 1) zu viel Kraftstoff eingespritzt wird, wird bei einer Abmagerung weniger Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge verbrannt werden könnte, d. h. es wird mehr Luft bereitgestellt als zur Verbrennung des Kraftstoffes erforderlich ist, wobei die überschüssige Luft am Verbrennungsprozess teilnimmt, d. h. mit erwärmt wird. Dadurch sinkt die Temperatur der Verbrennungsgase ebenfalls. Die Temperaturabsenkung infolge Abmagerung fällt deutlich geringer aus als bei einer Anfettung, weil die überschüssige Luft im Gegensatz zum überschüssigen Kraftstoff nicht verdampft werden muss.
Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist mindestens eine Öffnung im Abgasabführsystem vorgesehen, an die sich stromaufwärts eine Druckluftversorgungsleitung anschließt und die dem Einbringen von Luft in das Abgasabführsystem zwecks Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes dient.
Vorrichtungen zum Einbringen von Kühlluft beschreiben die der Erfindung nächst kommende DE 198 47 477A1 und die deutsche Offenlegungsschrift DE 14 76 554 A.
Die DE 15 76 779 A befasst sich mit einer Verbrennungskraftmaschine bei der Frischluft zur Nachverbrennung der brennbaren Abgasbestandteile in den Auspuffstutzen eingeleitet wird, wobei die Austrittsöffnungen mindestens eines Frischluftkanals die Auslassventile der Zylinder peripher umgeben.
Die WO 2009 / 122 221A1 bezieht sich auf ein Verfahren und geeignete Anordnungen zur Durchführung einer lokalen Kühlung der Umgebung eines Auslassventils und seines entsprechenden Ventilsitzes in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und vorzugsweise in einem Dieselmotor mit niedriger oder mittlerer Drehzahl. Das Verfahren besteht in der Einspritzung eines geeigneten Kühlmediums über mindestens eine Auslassdüse in den Brennraum des Motors, genauer gesagt in den Raum vor dem Ventilsitz des Auslassventils. Die Einspritzung erfolgt zu einem genau festgelegten Zeitpunkt, kurz vor dem Beginn der Öffnung des Auslassventils. Auf diese Weise wird eine Dampfwolke in der Nähe des Auslassventilsitzes im Brennraum gebildet. Diese Wolke aus inerten Dämpfen ist der erste gasförmige Inhalt des Brennraums, der durch die sehr enge Öffnung, die sich zwischen Auslassventil und Sitz bildet, in den ersten Momenten der Öffnungsbewegung des Auslassventils aus dem Brennraum entweicht. Die Auslassdüsen können entweder auf dem Auslassventil oder auf dem Ventilsitz oder auf dem Zylinderkopf angeordnet sein.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die über eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Kühlung verfügt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Begrenzung und Verringerung der thermischen Belastung einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf, der mindestens zwei Zylinder aufweist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Aufgezeigt wird eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf, der mindestens zwei Zylinder aufweist, bei der

- zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens ein Kühlmittelmantel, der zu einem Kühlmittel führenden Kühlmittelkreislauf gehört, in dem mindestens einen Zylinderkopf integriert ist,
- jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem aufweist,
- die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers an einer Sammelstelle des Abgasabführsystems zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- stromaufwärts der Sammelstelle mindestens eine Öffnung im Abgasabführsystem vorgesehen ist, an die sich stromaufwärts eine Druckluftversorgungsleitung anschließt und die dem Einbringen von Luft in das Abgasabführsystem zwecks Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes dient, wobei die mindestens eine Öffnung in einer Abgasleitung des Abgasabführsystems vorgesehen ist, die in dem mindestens einen Zylinderkopf integriert ist, und
- mindestens ein Abgasturbolader, der einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, vorgesehen ist, wobei die Turbine stromabwärts der Sammelstelle im Abgasabführsystem angeordnet ist,

Es wird Luft gezielt in das Abgasabführsystem eingebracht, um den mindestens einen Zylinderkopf und damit die Brennkraftmaschine zu kühlen und die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes herabzusetzen. Die in eine heiße Abgasleitung eingeblasene Luft legt sich strömungstechnisch bedingt an die die Abgasleitung begrenzende Wandung, welche vom Zylinderkopf zumindest mit ausgebildet wird, an und bildet auf diese Weise eine filmartige Isolierung, welche die heißen Abgase vom Zylinderkopfmaterial fernhält.
Die Druckluftversorgungsleitung bildet vorliegend mit der Mittelachse der Abgasleitung, d. h. mit dem mittleren Stromfaden der durch die Abgasleitung führenden Abgasströmung einen spitzen Winkel a, wodurch ein Einbringen der Luft in die Abgasleitung entlang den Innenwandungen erfolgt und die Ausbildung eines filmartigen Luftschleiers an den Innenwandungen des Abgasabführsystems und damit die Ausbildung einer Isolierung bzw. Wärmebarriere unterstützt wird.
Die erfindungsgemäße Schleierkühlung entzieht dem Zylinderkopf nicht nur Wärme durch Konvektion. Vielmehr verhindert bzw. erschwert der Luftschleier den direkten Wärmeeintrag vom heißen Abgas in den Zylinderkopf, wodurch die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes a priori verringert, d. h. herabgesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zeichnet sich folglich dadurch aus, dass der Wärmeeintrag in den Zylinderkopf durch Schaffen einer Wärmebarriere vermindert bzw. erschwert wird. Der verringerte Wärmeeintrag in den Zylinderkopf entlastet eine gegebenenfalls vorgesehene Kühlung der Brennkraftmaschine, d. h. die Motorkühlung. Dies gestattet insbesondere den Kühler der Motorkühlung kleiner zu dimensionieren.
Auf eine Anfettung bei Abgastemperaturen, die nach dem Stand der Technik einen zusätzlichen Kühlbedarf indizieren, kann verzichtet werden. Dies führt zu einer qualitativen Verbesserung der Kühlung insgesamt, da unnötige Anfettungen unterbleiben, was überaus vorteilhaft ist, denn unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen ist eine Anfettung nachteilig. Insbesondere gestattet eine Anfettung es nicht immer, die Brennkraftmaschine wunschgemäß bzw. in der Weise zu betreiben, wie es beispielsweise für ein vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre.
Ungeachtet des vorstehend Gesagten kann auch bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Anfettung erfolgen, d. h. durchgeführt werden, beispielsweise eine Anfettung zur Absenkung der Abgastemperatur zum Schutz eines Abgasnachbehandlungssystems oder einer Turbine vor Überhitzung, aber auch als zusätzliche Kühlmaßnahme in extremen Fahrsituationen mit maximalem Kühlbedarf.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die über eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Kühlung verfügt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend bzw. vollständig, aus Aluminium gefertigt ist. Dies bringt insbesondere Gewichtsvorteile mit sich.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Wie bereits erwähnt, führen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu der Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Bei mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist man grundsätzlich bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um den Weg der heißen Abgase zum Turbinenlaufrad möglichst kurz und das Leitungsvolumen stromaufwärts des Turbinenlaufrades klein zu halten. Die weitestgehende Integration der Abgasleitungen bzw. des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf ist dabei zielführend.
Die Länge der Abgasleitungen wird durch eine Integration in den Zylinderkopf verringert. Zum einen wird dadurch das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts einer Turbine verkleinert, so dass das Ansprechverhalten dieser Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht ist, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Gegebenenfalls vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme erreichen schneller eine erforderliche Mindestbetriebstemperatur.
Die Integration des Abgaskrümmers führt grundsätzlich zu einer kompakteren Bauweise der Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum. Zudem ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung. Eine Vereinfachung der Montage und eine Gewichtsreduzierung der Brennkraftmaschine sind weitere Vorteile. Eine Fertigung des Abgaskrümmers aus temperaturfestem Material entfällt, da an der erfindungsgemäßen Luftschleierkühlung bzw. einer gegebenenfalls im Zylinderkopf integrierten Flüssigkeitskühlung partizipiert werden kann.
Wie oben erwähnt weist der Abgasturbolader einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine auf, wobei die Turbine stromabwärts der Sammelstelle im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Ein Abgasturbolader umfasst einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart umgehen zu können.
Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Schwierigkeiten bereitet häufig die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird häufig ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise dadurch, dass mehrere Lader - Abgasturbolader und/oder mechanische Lader - parallel und/oder in Reihe angeordnet vorgesehen werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Druckluftversorgungsleitung stromabwärts des Verdichters aus dem Ansaugsystem abzweigt.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der Verdichter mit einer Abblaseleitung ausgestattet ist, die stromabwärts des Verdichters aus dem Ansaugsystem abzweigt, zweigt die Druckluftversorgungsleitung von der Abblaseleitung ab, wie oben erwähnt.
Erfindungsgemäß wird die Luft gegen den im Abgasabführsystem herrschenden Abgasgegendruck in das Abgasabführsystem eingebracht. Zu berücksichtigen ist dabei auch die während des Ladungswechsels im Abgasabführsystem ablaufende Gasdynamik mitsamt Vorauslassstößen.
Das für das Einbringen der Luft notwendige Druckgefälle wird vorliegend unter Verwendung des Verdichters des Abgasturboladers generiert, d. h. es wird ohnehin schon unter Druck gesetzte und zur Verfügung stehende Luft genutzt. Auf einen zusätzlichen Kompressor zur Speisung der Druckluftversorgungsleitung kann somit verzichtet werden.
Nichtsdestotrotz kann bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen ein zusätzlicher Kompressor bzw. ein andersartiges Druckluftreservoir zur Speisung der Druckluftversorgungsleitung vorgesehen bzw. genutzt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen in mindestens einer Abgasleitung mindestens zwei zueinander beabstandete Öffnungen vorgesehen sind.
Zur Ausbildung eines filmartigen und als Isolierung bzw. Wärmebarriere dienenden Luftschleiers ist es vorteilhaft, zwei oder mehrere Öffnungen vorzusehen. Mehrere Öffnungen erleichtern das Einbringen der Luft in der Weise, dass die die Abgasleitung begrenzende, vom Zylinderkopf mit ausgebildete Wandung großflächig, vorzugsweise vollumfänglich mit Luft benetzt wird und beaufschlagt ist. Idealerweise wird eine das Abgas umgebende Luftröhre bzw. Luftröhrenströmung ausgebildet.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind in diesem Zusammenhang folglich Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die mindestens zwei Öffnungen entlang eines Umfangs der Abgasleitung zueinander beabstandet angeordnet sind.
Ebenfalls aus den vorstehenden Gründen sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens drei Öffnungen ringförmig um die Abgasleitung zueinander beabstandet angeordnet sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens drei Öffnungen ringförmig um die mindestens eine Auslassöffnung mindestens eines Zylinders zueinander beabstandet angeordnet sind. Dann wird die zu der mindestens einen Auslassöffnung gehörende Abgasleitung von Anfang an, d. h. ausgehend von der Wärmequelle, nämlich dem Brennraum, gekühlt bzw. mittels Schleierkühlung vor einem zu hohen Wärmeeintrag geschützt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes zur Auslassöffnung hin zunimmt.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens einen Auslassöffnung eines Zylinders ein Auslassventil zugeordnet ist, welches in der Schließstellung in einem Ventilsitz gelagert ist und die Auslassöffnung verschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die mindestens drei Öffnungen im Bereich des Ventilsitzes angeordnet sind, wobei das Auslassventil die mindestens drei Öffnungen in der Schließstellung verschließt. Dann fungiert das Auslassventil gleichzeitig als Absperrelement, welches der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schleierkühlung dient. Es ergeben sich Synergieeffekte, da bei geöffnetem Auslassventil einerseits heiße Abgase in das Abgasabführsystem abgeführt werden und andererseits der dann vorliegende Kühlbedarf direkt befriedigt wird, da durch das Öffnen des Auslassventils gleichzeitig und bedarfsgerecht die Schleierkühlung aktiviert wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Druckluftversorgungsleitung der mindestens einen Öffnung zum abgasseitigen Ende hin einen spitzen Winkel a mit der jeweiligen Abgasleitung bildet mit a < 25 °, vorzugsweise mit a < 15°. Die Druckluftversorgungsleitung bildet vorliegend mit der Mittelachse der Abgasleitung, d. h. mit dem mittleren Stromfaden der durch die Abgasleitung führenden Abgasströmung einen sehr spitzen Winkel a, so dass ein nahezu tangentiales Einbringen der Luft in die Abgasleitung realisiert wird, wodurch die Ausbildung eines filmartigen Luftschleiers an den Innenwandungen des Abgasabführsystems und damit die Ausbildung einer Isolierung bzw. Wärmebarriere unterstützt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen in der Druckluftversorgungsleitung ein Absperrelement angeordnet ist.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Kühlung ist es nicht gewollt und auch nicht vorteilhaft, dass die Kühlung unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine möglichst große Wärmemenge aufnimmt. Vielmehr wird grundsätzlich eine bedarfsgerechte Steuerung der Kühlung angestrebt, die den unterschiedlichen Betriebsmodi einer Brennkraftmaschine Rechnung trägt und berücksichtigt, dass es vorteilhaft sein kann, der Brennkraftmaschine weniger Wärme zu entziehen, beispielsweise in der Warmlaufphase. Zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs ist nämlich eine zügige Erwärmung des Motoröls zwecks Reduzierung der Reibleistung, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend. Eine Erwärmung des Motoröls bedingt eine Abnahme der Viskosität des Öls und sorgt auf diese Weise für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle. Das Motoröl kann grundsätzlich dadurch beschleunigt erwärmt werden, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird, wodurch die Aufheizung der Brennkraftmaschine forciert wird.
Aus den vorstehend genannten Gründen ist es daher vorteilhaft, in der Druckluftversorgungsleitung ein Absperrelement anzuordnen. Das Absperrelement dient der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Schleierkühlung und ermöglicht damit eine bedarfsgerechte Kühlung.
Verschiedene Ausführungsformen hingegen benötigen kein zusätzliches Absperrelement in der Druckluftversorgungsleitung. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen der Verdichter eines Abgasturboladers mit einer Abblaseleitung ausgestattet ist, in der bereits ein Absperrelement zur Steuerung des Abblasens angeordnet ist, zweigt, wie oben erwähnt, die Druckluftversorgungsleitung von der Abblaseleitung stromabwärts dieses Absperrelements ab, so dass die Druckluftversorgungsleitung nur mit Luft gespeist wird, falls die Abblaseleitung durch Öffnen des zugehörigen Absperrelements zwecks Ladeluftabblasung freigegeben wird bzw. ist.
Ist die mindestens eine Öffnung im Bereich des Ventilsitzes angeordnet, fungiert das zugehörige Auslassventil auch als Absperrelement, das die Druckluftversorgungsleitung via Öffnung mit dem Abgasabführsystem verbindet und vom Abgasabführsystem trennt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Öffnung als Düse, d. h. düsenartig, ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Öffnung in einem Teil des Abgasabführsystems vorgesehen ist, der in dem mindestens einen Zylinderkopf integriert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Druckluftversorgungsleitung zumindest teilweise in dem mindestens einen Zylinderkopf integriert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Öffnung in einer Abgasleitung des Abgasabführsystems vorgesehen ist, die in dem mindestens einen Zylinderkopf integriert ist.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Begrenzung und Verringerung der thermischen Belastung einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10, das dadurch gekennzeichnet ist, dass stromaufwärts der Sammelstelle mittels Druckluftversorgungsleitung Luft via der mindestens einen Öffnung in das Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine eingebracht wird, um den mindestens einen Zylinderkopf zu kühlen.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die hinsichtlich der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
Vorteilhafterweise wird die Luft in Abhängigkeit von der Last und/oder von der Drehzahl der Brennkraftmaschine via der mindestens einen Öffnung in das Abgasabführsystem zwecks Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes eingebracht.
Vorteilhaft sind auch Verfahrensvarianten, bei denen

- eine Temperatur T ermittelt wird, und
- Luft via der mindestens einen Öffnung in das Abgasabführsystem eingebracht wird, falls die Temperatur T eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz,up übersteigt mit T ≥ T_Grenz,up.

Die Temperatur kann eine Bauteiltemperatur, eine Abgastemperatur oder eine Kühlmitteltemperatur sein. Als Entscheidungsgrundlage für die Kühlung des Zylinderkopfes dient die ermittelte Temperatur.
Vorteilhaft ist es, die Temperatur T rechnerisch zu bestimmen. Die rechnerische Bestimmung der Temperatur T erfolgt beispielsweise mittels Simulation, bei der aus dem Stand der Technik bekannte Modelle, beispielsweise dynamische Wärmemodelle und kinetische Modelle zur Bestimmung der während der Verbrennung generierten Reaktionswärme, verwendet werden. Als Eingangssignale für die Simulation werden vorzugsweise Betriebsparameter der Brennkraftmaschine verwendet, die schon vorliegen, d. h. in anderem Zusammenhang ermittelt werden.
Die Simulationsrechnung zeichnet sich dadurch aus, dass keine weiteren Bauteile, insbesondere keine Sensoren, vorgesehen werden müssen, um die Temperatur zu bestimmen, was hinsichtlich der Kosten günstig ist. Nachteilig hingegen ist, dass es sich bei der auf diese Weise ermittelten Temperatur lediglich um einen Schätzwert handelt, was die Qualität der Steuerung bzw. Regelung der Schleierkühlung mindern kann.
Vorteilhaft ist es daher auch, die Temperatur T messtechnisch mittels Sensor direkt zu erfassen.
Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen die Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung ausgestattet wird und die mittels Sensor erfasste Temperatur T als Eingangsgröße bereitgestellt wird.
Ob eine Temperatur T rechnerisch bestimmt oder messtechnisch mittels Sensor erfasst wird, hängt auch von der Art der Temperatur ab. Die messtechnische Erfassung einer Abgastemperatur T_exhaust ist häufig schwierig, da im Betrieb der Brennkraftmaschine sehr hohe Temperaturen im Abgas erreicht werden können. Die messtechnische Erfassung einer Zylinderkopftemperatur T_cyl hingegen bereitet keinerlei Schwierigkeiten. Ein Zylinderkopf weist auch bei warmgelaufener Brennkraftmaschine vergleichsweise moderate Temperaturen auf und bietet zudem eine Vielzahl von Möglichkeiten, d. h. verschiedene Stellen, zur Anordnung eines Sensors, ohne dass die Funktionstüchtigkeit der Brennkraftmaschine beeinträchtigt werden würde.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen

- eine Temperatur T_cyl des mindestens einen Zylinderkopfes ermittelt wird, und
- Luft via der mindestens einen Öffnung in das Abgasabführsystem eingebracht wird, falls die Zylinderkopftemperatur T_cyl eine vorgebbare obere Grenztemperatur T_Grenz,up übersteigt mit T_cyl ≥ T_Grenz,up.

Vorliegend erfolgt eine Kühlung in Abhängigkeit von der Zylinderkopftemperatur T_cyl. Damit wird direkt auf die zu kühlende Brennkraftmaschine bzw. den zu kühlenden Zylinderkopf abgestellt und damit auf das Bauteil, welches unmittelbar Gegenstand des Verfahrens zur Kühlung ist. Ob eine Kühlung vorgenommen wird oder nicht, wird anhand der momentan vorliegenden Temperatur des Zylinderkopfes T_cyl entschieden.
Zur Abschätzung der Zylinderkopftemperatur T_cyl kann auch eine andere Bauteiltemperatur, insbesondere eine Zylinderblocktemperatur, herangezogen werden, welche beispielsweise messtechnisch mittels Sensor erfasst oder mittels Simulationsrechnung rechnerisch bestimmt wird. Gemäß dieser Variante wird die Temperatur des Zylinderkopfes indirekt - unter Verwendung einer anderen Temperatur - ermittelt.
Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine besteht des Weiteren die Möglichkeit, die Zylinderkopftemperatur T_cyl unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels zu ermitteln, d. h. abzuschätzen.
Vorteilhaft ist es, die Zylinderkopftemperatur T_cyl an der Stelle des Kopfes zu ermitteln, an der eine sehr hohe bzw. die maximale Kopftemperatur erreicht bzw. erwartet wird.
Es kann auch eine Zylinderkopftemperatur T_cyl an einer Stelle erfasst werden, um die Temperatur T_cyl an anderer Stelle des Kopfes zu ermitteln, d. h. abzuschätzen, und zwar für eine Stelle, auf die sich die vorgegebene Grenztemperatur bezieht. Diese Vorgehensweise, d. h. die Temperatur an der einen Stelle messtechnisch zu erfassen und die Grenztemperatur für eine andere Stelle vorzugeben, ist grundsätzlich möglich, erfordert aber die Transformation der Temperatur zum Vergleich.
Die Verwendung der Zylinderkopftemperatur T_cyl als Entscheidungskriterium für das Kühlen zeichnet sich dadurch aus, dass genau die Temperatur zur Steuerung bzw. Regelung der Kühlung verwendet wird, die im Rahmen der Kühlung begrenzt bzw. verringert werden soll, nämlich die Zylinderkopftemperatur T_cyl.
Nichtsdestotrotz könnte auch eine Abgastemperatur überwacht und ermittelt werden und als Indiz für eine erforderliche Kühlung herangezogen werden, um eine Überhitzung der Brennkraftmaschine zu vermeiden und die Zylinderkopftemperatur T_cyl zu begrenzen.
Vorteilhaft sind daher auch Verfahrensvarianten, bei denen

- eine Abgastemperatur T_exhaust im Abgasabführsystem ermittelt wird, und
- Luft via der mindestens einen Öffnung in das Abgasabführsystem eingebracht wird, falls die Abgastemperatur T_exhaust eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz,up übersteigt mit T_exhaust ≥ T_Grenz,up.

Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, wie der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, kann es vorteilhaft sein,

- eine Kühlmitteltemperatur T_coolant der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine zu ermitteln, und
- Luft via der mindestens einen Öffnung in das Abgasabführsystem einzubringen, falls die Kühlmitteltemperatur T_coolant eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz,up übersteigt mit T_coolant ≥ T_Grenz,up.

Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen

- die Temperatur T ermittelt wird, und
- Luft via der mindestens einen Öffnung nur dann in das Abgasabführsystem eingebracht wird, falls die Temperatur T eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz,up übersteigt mit T ≥ T_Grenz,up und für eine vorgebbare Zeitspanne Δ_tup größer ist als diese Grenztemperatur T_Grenz,up.

Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Einbringen von Luft soll ein zu häufiges bzw. übereiltes Aktivieren der Schleierkühlung vermeiden helfen, insbesondere eine Aktivierung der Schleierkühlung, wenn beispielweise die Zylinderkopftemperatur T_cyl nur kurz eine vorgebbare obere Grenztemperatur T_Grenz,up überschreitet und dann wieder fällt bzw. um die vorgegebene Grenztemperatur schwankt, ohne dass das Überschreiten eine Kühlung rechtfertigen würde.
Mit dieser Vorgehensweise kann angemessen auf Szenarien reagiert werden, bei denen die Zylinderkopftemperatur T_cyl nur kurz über die Grenztemperatur T_Grenz,up steigt und dann wieder fällt bzw. um die vorgegebene Grenztemperatur schwankt.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in die Luft vor Einbringen in das Abgasabführsystem eine Flüssigkeit eingebracht wird. Die Flüssigkeit wird mit dem Luftstrom als Trägermedium in das Abgasabführsystem eingebracht, wobei die Flüssigkeit erwärmt und verdampft wird, wodurch die Abgastemperatur gesenkt wird.
Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Wasser 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 Aufnahme großer Wärmemengen eignet.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Luft in die Abgasleitung eingebracht wird, wenn sich ein der Abgasleitung zugeordnetes Auslassventil in der Schließstellung befindet. Dann ist der Abgasgegendruck in der Abgasleitung niedriger.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine gemäß der 1 erläutert. Hierbei zeigt:

1 schematisch ein Fragment eines Zylinderkopfes einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.

1 zeigt schematisch ein Fragment eines Zylinderkopfes 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
Dargestellt ist ein Zylinder 2 einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine im Querschnitt. Der Zylinderkopf 1 weist zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung einen integrierten Kühlmittelmantel 9 auf, der zu einem Kühlmittel führenden Kühlmittelkreislauf gehört.
Der Zylinder 2 verfügt über eine Einlassöffnung 3b zum Zuführen von Luft, an die sich stromaufwärts eine zu einem Ansaugsystem 3 gehörende Ansaugleitung 3a anschließt. Der Zylinder 2 verfügt des Weiteren über eine Auslassöffnung 4b zum Abführen der Abgase aus dem Brennraum 2 via einem Abgasabführsystem 4, wobei sich an die Auslassöffnung 4b stromabwärts eine Abgasleitung 4a anschließt.
Die Abgasleitungen 4a der Zylinder 2 führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers an einer Sammelstelle des Abgasabführsystems 4 zu einer Gesamtabgasleitung zusammen (nicht dargestellt).
Der Auslassöffnung 4b des Zylinders 2 ist ein Auslassventil 7 zugeordnet, welches einen Ventilschaft 7a und einen am brennraumseitigen Ende des Schaftes 7a angeordneten Ventilteller 7b umfasst. In der dargestellten Schließstellung des Ventils 7 wird der Ventilteller 7b in einem Ventilsitz 8 gelagert, der vorliegend von einem im Zylinderkopf 1 vorgesehenen Ventilsitzring 8 gebildet wird.
Im Bereich nahe des Ventilsitzringes 8 sind mehrere Öffnungen 5 vorgesehen, die ringförmig um die Abgasleitung 4a und damit um die Auslassöffnung 4b zueinander beabstandet angeordnet sind, an die sich stromaufwärts Druckluftversorgungsleitungen 6 anschließen und die dem Einbringen von Luft in das Abgasabführsystem 4 zwecks Kühlung des Zylinderkopfes 1 dienen. Damit sind stromaufwärts der Sammelstelle Öffnungen 5 im Abgasabführsystem 4 vorgesehen.
Die Druckluftversorgungsleitungen 6 bilden jeweils mit der Mittelachse der Abgasleitung 4a, d.h. mit dem mittleren Stromfaden der durch die Abgasleitung 4a führenden Abgasströmung einen spitzen Winkel a, wodurch ein Einbringen der Luft in die Abgasleitung 4a entlang den Innenwandungen erfolgt und die Ausbildung eines filmartigen Luftschleiers 10 an den Innenwandungen des Abgasabführsystems 4 und damit die Ausbildung einer Isolierung bzw. Wärmebarriere unterstützt wird. Die Schleierströmung 10 ist kenntlich gemacht durch kleine Pfeile. Die Mittelachse der Abgasleitung 4a fällt vorliegend mit der Längsachse des Ventilschaftes 7a zusammen.
Bezugszeichen

1: Zylinderkopf
2: Zylinder, Brennraum
3: Ansaugsystem
3a: Ansaugleitung
3b: Einlassöffnung
4: Abgasabführsystem
4a: Abgasleitung
4b: Auslassöffnung
5: Öffnung
6: Druckluftversorgungsleitung
7: Auslassventil
7a: Ventilschaft
7b: Ventilteller
8: Ventilsitzring, Ventilsitz
9: Flüssigkeitskühlung, Kühlmittelmantel
10: filmartiger Luftschleier, Schleierströmung
a: Winkel zwischen dem abgasseitigen Ende der Druckluftversorgungsleitung und der Abgasleitung
Tcoolant: Kühlmitteltemperatur
Tcyl: Zylinderkopftemperatur
Texhaust: Abgastemperatur
TGrenz,up: vorgebbare obere Grenztemperatur
Δtup: vorgebbare Mindestzeitspanne für das Überschreiten von T_Grenz,up

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (1), der mindestens zwei Zylinder (2) aufweist, bei der - zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens ein Kühlmittelmantel (9), der zu einem Kühlmittel führenden Kühlmittelkreislauf gehört, in dem mindestens einen Zylinderkopf (1) integriert ist, - jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslassöffnung (4b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (4) aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4b) eine Abgasleitung (4a) anschließt, - jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlassöffnung (3b) zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem (3) aufweist, - die Abgasleitungen (4a) von mindestens zwei Zylindern (2) innerhalb des Zylinderkopfes (1) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers an einer Sammelstelle des Abgasabführsystems (4) zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und - stromaufwärts der Sammelstelle mindestens eine Öffnung (5) im Abgasabführsystem (4) vorgesehen ist, an die sich stromaufwärts eine Druckluftversorgungsleitung (6) anschließt und die dem Einbringen von Luft in das Abgasabführsystem (4) zwecks Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes (1) dient, wobei die mindestens eine Öffnung (5) in einer Abgasleitung (4a) des Abgasabführsystems (4) vorgesehen ist, die in dem mindestens einen Zylinderkopf (1) integriert ist, und - mindestens ein Abgasturbolader, der einen im Ansaugsystem (3) angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem (4) angeordnete Turbine umfasst, vorgesehen ist, wobei die Turbine stromabwärts der Sammelstelle im Abgasabführsystem (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Verdichter mit einer Abblaseleitung ausgestattet ist, die stromabwärts des Verdichters aus dem Ansaugsystem (3) abzweigt, wobei in der Abblaseleitung ein Absperrelement zur Steuerung des Abblasens angeordnet ist und, dass die Druckluftversorgungsleitung (6) von der Abblaseleitung stromabwärts des Absperrelements abzweigt und die Druckluftversorgungsleitung (6) der mindestens einen Öffnung (5) zum abgasseitigen Ende hin einen spitzen Winkel a mit der jeweiligen Abgasleitung (4a) bildet mit a < 45°.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Abgasleitung (4a) mindestens zwei zueinander beabstandete Öffnungen (5) vorgesehen sind.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Öffnungen (5) entlang eines Umfangs der Abgasleitung (4a) zueinander beabstandet angeordnet sind.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Öffnungen (5) ringförmig um die Abgasleitung (4a) zueinander beabstandet angeordnet sind.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Öffnungen (5) ringförmig um die mindestens eine Auslassöffnung (4b) mindestens eines Zylinders (2) zueinander beabstandet angeordnet sind.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, bei der der mindestens einen Auslassöffnung (4b) eines Zylinders (2) ein Auslassventil (7) zugeordnet ist, welches in der Schließstellung in einem Ventilsitz (8) gelagert ist und die Auslassöffnung (4b) verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Öffnungen (5) im Bereich des Ventilsitzes (8) angeordnet sind, wobei das Auslassventil (7) die mindestens drei Öffnungen (5) in der Schließstellung verschließt.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversorgungsleitung (6) der mindestens einen Öffnung (5) zum abgasseitigen Ende hin einen spitzen Winkel a mit der jeweiligen Abgasleitung (4a) bildet mit a < 25°.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (5) als Düse ausgebildet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversorgungsleitung (6) zumindest teilweise in dem mindestens einen Zylinderkopf (1) integriert ist.
Verfahren zur Begrenzung und Verringerung der thermischen Belastung einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Sammelstelle mittels Druckluftversorgungsleitung (6) Luft via der mindestens einen Öffnung (5) in das Abgasabführsystem (4) der Brennkraftmaschine eingebracht wird, um den mindestens einen Zylinderkopf (1) zu kühlen.