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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock und einer Schaltkulisse zur bedarfsgerechten Steuerung einer Flüssigkeitskühlung, bei der
- - die in einem Kühlmittelkreislauf angeordnete Schaltkulisse mindestens einen Eingang und mindestens drei Ausgänge für Kühlmittel aufweist,
- - zur Ausbildung des Kühlmittelkreislaufs eine Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, und eine den in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgehende Bypassleitung vorgesehen sind, und
- - die Schaltkulisse zwei walzenförmige Hohlzylinder aufweist und zur drehbaren koaxialen Lagerung und Aufnahme der Hohlzylinder ein Gehäuse,
wobei
- - ein zweiter Hohlzylinder drehbar in einem ersten Hohlzylinder gelagert ist, der in dem Gehäuse drehbar gelagert ist,
- - der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse in den zweiten Hohlzylinder mündet,
- - das Gehäuse zur Ausbildung der mindestens drei Ausgänge der Schaltkulisse mindestens drei Kanalabschnitte aufweist, und
- - jeder Hohlzylinder auf der Mantelfläche mindestens drei Öffnungen aufweist, wobei der mindestens eine Eingang durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit mindestens einem Ausgang zumindest verbindbar ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Schaltkulisse einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Schaltkulisse der eingangs genannten Art für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2006 055 536 A1 .
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Die
FR 2 827 361 A1 , die
DE 20 2013 102 963 U1 sowie die
DE 100 00 299 A1 behandeln ebenfalls die Steuerung eines Kühlmittelkreislaufs einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine unter Verwendung einer Ventil- bzw. Steuereinheit, wobei die Ventil- bzw. Kühlmittelsteuereinheiten jeweils nur ein Stellelement umfassen.
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Eine Schaltkulisse wird beispielsweise bei als Kraftfahrzeugantrieb dienenden Brennkraftmaschinen der genannten Art eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antrieb sverbindbare 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. Die thermische Belastung der Motoren nimmt stetig zu, weshalb Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden. 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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Verfügt die Brennkraftmaschine sowohl über einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch über einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, besteht die Möglichkeit, einen im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel via Zylinderblock mit Kühlmittel zu versorgen bzw. einen im Zylinderblock integrierten Kühlmittelmantel via Zylinderkopf mit Kühlmittel zu versorgen.
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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, verbindbar bzw. verbunden, wozu eine Leitung oder mehrere Leitungen vorgesehen werden können. Diese Leitungen müssen keine Leitungen im eigentlichen Sinn sein, sondern können abschnittsweise auch in den Zylinderkopf, Zylinderblock oder ein anderes Bauteil integriert sein. Ein Beispiel für eine derartige Leitung ist die Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher dem Kühlmittel Wärme entzieht. Ein weiteres Beispiel für eine Leitung zur Ausbildung des Kühlmittelkreislaufs ist die Bypassleitung, die den in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgeht.
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Es ist nicht das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung, 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 auch 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.
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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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Eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung, bei der zum Zweck der schnellen Aufheizung der Brennkraftmaschine der Wärmeentzug nach einem Kaltstart vermindert wird, kann durch Einsatz eines selbsttätig temperaturabhängig steuernden Ventils realisiert werden, welches im Stand der Technik häufig auch als Thermostatventil bezeichnet wird. Ein derartiges Thermostatventil weist ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element auf, wobei eine durch das Ventil führende Verbindungsleitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Element versperrt wird oder - mehr oder weniger - freigegeben wird.
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Bei einer Brennkraftmaschine, die sowohl einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock aufweist, kann es vorteilhaft sein, den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock unabhängig voneinander und vorzugsweise stufenlos zu steuern, insbesondere da die beiden Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen. Diesbezüglich wäre es zielführend, den Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf und den Kühlmittelstrom durch den Zylinderblock jeweils mit einem eigenen Thermostatventil mit unterschiedlichen Öffnungstemperaturen zu steuern. Zu Beginn der Warmlaufphase würde das Kühlmittel nicht fließen, sondern in den Leitungen und dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks stehen, 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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Der Einsatz von zwei oder mehr Thermostatventilen erhöht aber die Kosten der Steuerung, den Raumbedarf und das Gewicht. Darüber hinaus wird grundsätzlich eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt, mit der nicht nur die zirkulierende Kühlmittelmenge bzw. der Kühlmitteldurchsatz nach einem Kaltstart vermindert bzw. unterbunden, sondern vielmehr auf den Wärmehaushalt der Brennkraftmaschine im Allgemeinen Einfluss genommen werden kann.
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Aus Komfortgründen kann es, insbesondere nach einem Kaltstart, vorteilhaft bzw. wünschenswert sein, eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung via Heizkreislaufleitung mit im Zylinderkopf und/oder Zylinderblock vorerwärmtem Kühlmittel zu versorgen. Dabei entsteht ein Zielkonflikt, nämlich einerseits Kühlmittel im Zylinderkopf bzw. Zylinderblock vorzuwärmen, um der Heizung vorerwärmtes Kühlmittel zur Verfügung zu stellen, und andererseits den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock zu unterbinden bzw. zu reduzieren, um der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme zu entziehen.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte einer Flüssigkeitskühlung bekannt, bei denen auslassseitig oder einlassseitig ein sogenanntes Proportionalventil vorgesehen ist. Ein solches Proportionalventil kann sowohl den Kühlmittelfluss durch den Zylinderkopf als auch den Kühlmittelfluss durch den Zylinderblock mittels eines einzelnen Ventilkörpers steuern. Es dient der bedarfsgerechten Steuerung der Flüssigkeitskühlung bzw. der bedarfsgerechten Kühlung der Brennkraftmaschine. Die Kosten, das Gewicht und der Raumbedarf der Steuerung verringern sich. Die Anzahl der Bauteile reduziert sich, wodurch sich grundsätzlich die Bereitstellungskosten und die Montagekosten vermindern.
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Der Ventilkörper des Proportionalventils kann beispielsweise als drehbare hohle Walze mit zur Mantelfläche hin offenen Kühlmitteldurchlässen ausgebildet sein. Zur drehbaren Lagerung und Aufnahme der Walze dient ein Ventilgehäuse mit einer entsprechenden Anzahl an Kühlmitteldurchtrittskanälen, die durch Verdrehen der Walze mit Kühlmitteldurchlässen verbindbar sind bzw. in Deckung gebracht werden können. Ein Proportionalventil weist mindestens einen Eingang zum Eintritt von Kühlmittel und mindestens einen Ausgang zum Austritt von Kühlmittel auf.
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Ein beispielsweise mittels Motorsteuerung aktiv gesteuertes Proportionalventil gestattet grundsätzlich eine kennfeldgesteuerte Betätigung und damit auch eine an den momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasste Kühlmitteltemperatur, beispielsweise bei niedrigeren Lasten eine höhere Kühlmitteltemperatur als bei hohen Lasten und damit einen geringeren Wärmentzug im Teillastbetrieb. Durch ein mittels Motorsteuerung gesteuertes Proportionalventil können die Kühlmittel ströme durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock und damit die entzogenen Wärmemengen bedarfsgerecht eingestellt, d. h. gesteuert werden.
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Das Proportionalventil bzw. der dazugehörige Ventilkörper kann unterschiedliche Positionen einnehmen, beispielsweise eine für die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geeignete Position, in der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf, aber nicht durch den Zylinderblock strömt. Der thermisch besonders beanspruchte Zylinderkopf würde dabei von Kühlmittel durchströmt und gekühlt. Vorzugsweise kann durch Verstellen der Walze innerhalb dieser Position die Durchflussmenge und damit die dem Zylinderkopf entzogene Wärmemenge eingestellt werden.
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Durch Überführen des Proportionalventils in eine andere Position könnte dann zusätzlich der Zylinderblock für das Kühlmittel freigegeben werden und Kühlmittel strömt durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock. Vorzugsweise kann durch Verstellen der Walze innerhalb der Position die Durchflussmenge und damit die dem Zylinderblock entzogene Wärmemenge eingestellt werden.
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Die beiden vorstehenden Positionen können durch eine Vielzahl anderer Positionen ergänzt oder ersetzt werden, beispielsweise durch eine Position, in der auch die Kühlung des Zylinderkopfes deaktiviert ist, d. h. der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf vollständig unterbunden wird. Neben den Kühlkreisläufen für den Kopf und/oder den Block können weitere Kühlmittelkreisläufe mittels Proportionalventil gesteuert werden, deren Leitungen dann durch das Proportionalventil hindurchgeführt werden, beispielsweise der Kühlmittelkreislauf einer Ladeluftkühlung, der Kühlmittelkreislauf einer Kühlung einer Abgasrückführung, der Kühlmittelkreislauf einer kühlmittelbetriebenen Fahrzeuginnenraumheizung, der Kühlmittelkreislauf eines kühlmittelbetriebenen Ölkühlers, der Kühlmittelkreislauf eines flüssigkeitsgekühlten Abgasturboladers und/oder der Kühlmittelkreislauf via Rückführleitung bzw. Bypassleitung oder dergleichen.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Proportionalventile bekannt, bei denen die als Ventilkörper dienende Walze nicht nur verdrehbar, sondern mittels Verstellvorrichtung auch entlang der Verdrehachse translatorisch verschiebbar ist, wodurch die Verstellmöglichkeiten zunehmen. Jede mittels Verdrehen realisierte, d. h. eingestellte und einem bestimmten Verdrehwinkel zugeordnete Position eröffnet dabei durch zusätzliches Verschieben der Walze eine Vielzahl weiterer unterschiedlicher Positionen der Walze, so dass sich die Anzahl der möglichen Positionen der Walze um ein Vielfaches erhöht bzw. multipliziert.
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Die Verwendung eines Proportionalventils gestattet die Optimierung der Steuerung der Kühlung und die Einflussnahme sowohl auf den Wärmehaushalt der Brennkraftmaschine in der Warmlaufphase als auch auf den Wärmehaushalt der aufgeheizten Brennkraftmaschine.
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Als problematisch erweist sich in der Praxis jedoch eine Funktionsstörung bzw. ein Ausfall des Proportionalventils. Verunreinigungen im Kühlmittel, beispielsweise Sand und/oder andere Partikel, können sich zwischen dem Ventilgehäuse und der als Ventilkörper dienenden Walze ablagern und zu einem Verklemmen der Walze im Gehäuse führen, welches ein Verstellen der Walze im Gehäuse, d. h. ein Verdrehen und/oder ein Verschieben, nicht mehr zulässt. Eine solche Funktionsstörung kann zum Ausfall der Flüssigkeitskühlung führen in der Art, dass der Durchfluss von Kühlmittel durch den Zylinderkopf und/oder den Zylinderblock gemindert oder vollständig unterbunden wird, wodurch die Brennkraftmaschine thermisch überlastet und irreversibel geschädigt werden kann.
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Des Weiteren erweist es sich als schwierig, den Erfordernissen sämtlicher Kühlmittelkreisläufe mittels eines einzigen Proportionalventils gerecht zu werden, insbesondere gleichzeitig und in vollem Umfang. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nicht von einem Proportionalventil die Rede, sondern vielmehr von einer Schaltkulisse zur bedarfsgerechten Steuerung einer Flüssigkeitskühlung.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Schaltkulisse eine Optimierung der Steuerung der Kühlung gestattet und weniger anfällig ist für Funktionsstörungen, insbesondere für Funktionsstörungen, die durch Verunreinigungen wie Sand im Kühlmittel hervorgerufen werden können.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Schaltkulisse einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock und einer Schaltkulisse zur bedarfsgerechten Steuerung einer Flüssigkeitskühlung, bei der
- - die in einem Kühlmittelkreislauf angeordnete Schaltkulisse mindestens einen Eingang und mindestens drei Ausgänge für Kühlmittel aufweist,
- - zur Ausbildung des Kühlmittelkreislaufs eine Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, und eine den in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgehende Bypassleitung vorgesehen sind, und
- - die Schaltkulisse zwei walzenförmige Hohlzylinder aufweist und zur drehbaren koaxialen Lagerung und Aufnahme der Hohlzylinder ein Gehäuse,
wobei
- - ein zweiter Hohlzylinder drehbar in einem ersten Hohlzylinder gelagert ist, der in dem Gehäuse drehbar gelagert ist,
- - der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse in den zweiten Hohlzylinder mündet,
- - das Gehäuse zur Ausbildung der mindestens drei Ausgänge der Schaltkulisse mindestens drei Kanalabschnitte aufweist, und
- - jeder Hohlzylinder auf der Mantelfläche mindestens drei Öffnungen aufweist, wobei der mindestens eine Eingang durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit mindestens einem Ausgang zumindest verbindbar ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - mindestens zwei Ausgänge dem Zylinderblock zugeordnet sind, und/oder
- - mindestens zwei Ausgänge der Rückführleitung zugeordnet sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltkulisse werden die Verstellmöglichkeiten dadurch erweitert, dass in den walzenförmigen Hohlzylinder, der bereits vom herkömmlichen Proportionalventil her bekannt ist, ein weiterer zweiter walzenförmiger Hohlzylinder eingebracht wird, wobei die beiden Hohlzylinder in einem Gehäuse koaxial gelagert und drehbar aufgenommen sind.
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Die beiden Hohlzylinder können gegeneinander und jeder Hohlzylinder für sich gegenüber dem Gehäuse, d. h. im Gehäuse verdreht werden. Jede mittels Verdrehen des ersten Hohlzylinders realisierte Position eröffnet dabei durch Verdrehen des zweiten Hohlzylinders eine Vielzahl weiterer unterschiedlicher Schaltpositionen der Kulisse, so dass sich die Anzahl der möglichen Positionen um ein Vielfaches erhöht.
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Dies gestattet die Steuerung einer Vielzahl von Kühlmittelkreisläufen, wobei den Erfordernissen der verschiedenen Kreisläufe insbesondere gleichzeitig und möglichst umfänglich entsprochen werden kann. Insofern lässt sich die Steuerung der Kühlung mittels der erfindungsgemäßen Schaltkulisse deutlich verbessern bzw. optimieren.
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Zudem macht das erfindungsgemäße Vorsehen eines zweiten Hohlzylinders zusammen mit den dadurch zusätzlich geschaffenen Verdrehmöglichkeiten die Schaltkulisse und damit die Flüssigkeitskühlung weniger anfällig gegenüber Funktionsstörungen.
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Lagert sich beispielsweise ein Sandkorn oder ein anderer Partikel zwischen dem Gehäuse und dem ersten Hohlzylinder ein, in der Weise, dass der erste Hohlzylinder blockiert wird und nicht mehr verdreht werden kann, besteht bei der erfindungsgemäßen Schaltkulisse die Möglichkeit, den zweiten Hohlzylinder im Gehäuse gegenüber dem ersten Hohlzylinder zu verdrehen und unterschiedliche Schaltpositionen zu realisieren, d. h. anzufahren. Im Gegensatz zu Ausführungsformen mit herkömmlichen Proportionalventilen ist eine Steuerung der Kühlung mittels der erfindungsgemäßen Schaltkulisse weiterhin möglich, wenn auch in beschränkten Umfang.
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Lagert sich ein Sandkorn oder ein anderer Partikel zwischen den beiden Hohlzylindern ein, in der Weise, dass die beiden Hohlzylinder mechanisch gekoppelt und nicht mehr gegeneinander verdrehbar sind, besteht immer noch die Möglichkeit, beide Hohlzylinder zusammen, d. h. in Kombination miteinander im Gehäuse zu verdrehen und unterschiedliche Schaltpositionen zu realisieren, d. h. anzufahren. Eine Steuerung der Kühlung ist auch bei diesem Szenario weiterhin möglich.
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Die Wahrscheinlichkeit, dass die Steuerung der Flüssigkeitskühlung in der Art beeinträchtigt ist, dass der Durchfluss von Kühlmittel durch den Zylinderkopf und/oder den Zylinderblock gemindert oder vollständig unterbunden ist, wird spürbar gesenkt, wodurch eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine in der Regel vermieden werden kann, zumindest aber unwahrscheinlicher ist.
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Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Ausgänge dem Zylinderblock und/oder mindestens zwei Ausgänge der Rückführleitung zugeordnet. Das Vorsehen von mehr als einem Ausgang für ein zu kühlendes Bauteil bzw. einen Kühlmittelpfad schafft eine gewisse Redundanz. Die dadurch zusätzlich geschaffenen Verstellmöglichkeiten bzw. Positionen machen die Schaltkulisse und damit die Flüssigkeitskühlung weniger anfällig für Funktionsstörungen.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Schaltkulisse eine Optimierung der Steuerung der Kühlung gestattet und weniger anfällig ist für Funktionsstörungen, insbesondere für Funktionsstörungen, die durch Verunreinigungen wie Sand im Kühlmittel hervorgerufen werden können.
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Bei den mindestens drei Öffnungen eines Hohlzylinders handelt es sich um Kühlmitteldurchtritte, d. h. Kühlmitteldurchlässe, die das Innere eines Hohlzylinders mit dem Äußeren des Hohlzylinders verbinden. Diese Öffnungen können rund oder ellipsenförmig sein oder eine beliebige andere Kontur aufweisen, wobei der Durchmesser größer sein kann und vorzugsweise größer ist als die längenmäßige Erstreckung in Strömungsrichtung quer zum Durchmesser. Die mindestens drei Kanalabschnitte im Gehäuse müssen keine Leitungen bzw. Kanäle im eigentlichen Sinne sein. So kann es sich bei den Kanalabschnitten auch um Durchbrüche bzw. lochartige Bohrungen handeln. Für den Querschnitt der Kanalabschnitte gilt das bereits für die Kontur der Öffnungen Gesagte.
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Die erfindungsgemäßen Hohlzylinder müssen nicht an beiden Enden offen sein. Erfindungsgemäß handelt es sich auch dann um Hohlzylinder, falls ein Ende geschlossen ist oder beide Enden geschlossen sind.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei wird unter anderem deutlich werden, welche Schaltpositionen der Kulisse von Bedeutung sind.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens zwei Ausgänge dem Zylinderblock und/oder der Rückführleitung zugeordnet sind, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die mindestens zwei Ausgänge entlang der Drehachse der Hohlzylinder beabstandet zueinander angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse dem Zylinderblock zugeordnet ist.
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Wie eingangs bereits dargelegt, werden Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen, wodurch die thermische Belastung der Brennkraftmaschine steigt. Insofern kann es sinnvoll sein, wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, auch den Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung auszustatten und den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderblock unabhängig zu steuern, insbesondere unabhängig vom Zylinderkopf, da beide Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen. Zu Beginn und während der Warmlaufphase kann es aber vorteilhaft sein, den Kühlmittelstrom durch den Zylinderblock zu unterbinden bzw. zu vermindern, um die Erwärmung des Kühlmittels und damit die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu forcieren.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit dem mindestens einen dem Zylinderblock zugeordneten Ausgang verbindbar ist. Dann lässt sich der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderblock mittels Schaltkulisse steuern, d. h. vermindern, erhöhen und unterbinden.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse dem Zylinderkopf zugeordnet ist.
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Der Zylinderkopf ist thermisch höher belastet als der Block, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock eine geringere Bauteilmasse hat, mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind.
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Die Aufladung der Brennkraftmaschine und eine Integration des Abgaskrümmers in den Kopf erhöhen die thermische Belastung zusätzlich.
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Nach einem Kaltstart kann es aber vorteilhaft sein, die Kühlung des Zylinderkopfes zu deaktivieren, d. h. den Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf vollständig zu unterbinden, d. h. den mindestens einen dem Zylinderkopf zugeordneten Ausgang mittels Schaltkulisse zu versperren.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit dem mindestens einen dem Zylinderkopf zugeordneten Ausgang verbindbar ist.
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Wie bereits weiter oben für den Zylinderblock erwähnt, soll auch vorliegend der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit dem mindestens einen dem Zylinderkopf zugeordneten Ausgang verbindbar sein. D. h. Varianten, bei denen lediglich ein Hohlzylinder verdreht werden muss, um den Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf freizugeben, hingegen der andere Hohlzylinder in seiner aktuellen Position verharrt und nicht verdreht werden muss, sind bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Schaltkulisse möglich, insbesondere aber vorteilhaft. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn ein Hohlzylinder oder beide Hohlzylinder auf einem konkreten Umfang entlang ihrer Längsachse mehrere Öffnungen aufweisen, wobei sich vorzugsweise Öffnung an Öffnung umfänglich aneinander reiht. Auf diesem konkreten Umfang gibt der Hohlzylinder dann gewissermaßen den Eingang ständig frei, so dass ein Verdrehen des anderen Hohlzylinders ausreicht, um den Eingang mit einem Ausgang zu verbinden, so dass Kühlmittel strömt.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens ein Hohlzylinder auf einem konkreten Umfang entlang der Drehachse mehrere Öffnungen aufweist, wobei sich umfänglich Öffnung an Öffnung reiht.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen beide Hohlzylinder auf einem konkreten Umfang entlang der Drehachse mehrere Öffnungen aufweisen, die sich umfänglich aneinander reihen, wobei der konkrete Umfang des ersten Hohlzylinders und der konkrete Umfang des zweiten Hohlzylinders entlang der Drehachse beabstandet sind.
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Die beiden vorstehenden Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben und deutlich gemacht.
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Neben den Kühlkreisläufen für den Zylinderkopf und den Zylinderblock können weitere Kühlmittelkreisläufe mittels Schaltkulisse gesteuert werden, denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse zuzuordnen ist. Durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders werden diese Kühlmittelkreisläufe dann gesteuert, insbesondere aktiviert bzw. deaktiviert. Mittels Schaltkulisse können beispielsweise die Ladeluftkühlung, die Kühlung der Abgasrückführung, eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung, ein kühlmittelbetriebener Ölkühler und/oder ein flüssigkeitsgekühlter Abgasturbolader gesteuert werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse mit der Rückführleitung verbunden ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit der Rückführleitung verbindbar ist.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse mit der Bypassleitung verbunden ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders mit der Bypassleitung verbindbar ist.
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Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme kann dem Kühlmittel im Wärmetauscher der Rückführleitung entzogen werden oder aber das Kühlmittel wird am Wärmetauscher vorbei via Bypassleitung direkt auf die Einlassseite des Kühlmittelkreislaufs geführt, beispielsweise während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart. Eine anteilige Aufteilung ist ebenfalls realisierbar.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse mit der Rückführleitung verbunden ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders in eine Notlaufposition überführbar ist, in welcher der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse mit dem mindestens einen dem Zylinderblock zugeordneten Ausgang und dem mindestens einen mit der Rückführleitung verbundenen Ausgang der Schaltkulisse verbunden ist.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse mit der Rückführleitung verbunden ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders in eine Notlaufposition überführbar ist, in welcher der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse mit dem mindestens einen Ausgang der Schaltkulisse verbunden ist, der mit der Rückführleitung verbunden ist.
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Die Rückführleitung versorgt den Zylinderkopf mit Kühlmittel, gegebenenfalls den Zylinderkopf und den Zylinderblock, wobei dem Kühlmittel vorher Wärme im Wärmetauscher entzogen wird. Daher eigenen sich die beiden vorstehenden Ausführungsformen bzw. Schaltpositionen insbesondere als Notlaufposition, in der eine Kühlung des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks sichergestellt wird bzw. ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders in eine Ruheposition überführbar ist, in welcher der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse von den mindestens drei Ausgängen der Schaltkulisse getrennt ist. In der Ruheposition ist die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine vollumfänglich deaktiviert.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse mit der Bypassleitung verbunden ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders in eine erste Arbeitsposition überführbar ist, in welcher der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse von dem mindestens einen dem Zylinderblock zugeordneten Ausgang getrennt ist und mit dem mindestens einen mit der Bypassleitung verbundenen Ausgang der Schaltkulisse verbunden ist. Die erste Arbeitsposition eignet sich beispielsweise für die Warmlaufphase. Im weiteren Verlauf der Aufheizung der Brennkraftmaschine könnte dann durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders zusätzlich der mindestens eine dem Zylinderblock zugeordnete Ausgang freigegeben werden.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens ein Ausgang der Schaltkulisse mit der Rückführleitung verbunden ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders in eine zweite Arbeitsposition überführbar ist, in welcher der mindestens eine Eingang der Schaltkulisse von dem mindestens einen dem Zylinderblock zugeordneten Ausgang getrennt ist und mit dem mindestens einen mit der Rückführleitung verbundenen Ausgang der Schaltkulisse verbunden ist. Die zweite Arbeitsposition eignet sich für eine fortgeschrittene Warmlaufphase und kann sich beispielsweise an die erste Arbeitsposition anschließen. Im weiteren Verlauf der Aufheizung der Brennkraftmaschine könnte dann durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders zusätzlich der mindestens eine dem Zylinderblock zugeordnete Ausgang freigegeben werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen als Verstellvorrichtung zum Verdrehen der Hohlzylinder ein Aktuator vorgesehen ist, der ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element aufweist, wobei der Hohlzylinder in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Element verdrehbar ist. Das temperaturreaktive Element kann sich beispielsweise bei steigender Temperatur ausdehnen und bei abnehmender Temperatur wieder zusammenziehen und dabei den Hohlzylinder verdrehen. Gegebenenfalls ist ein Rückstellelement wie eine Feder vorzusehen. Das Verdrehen des Hohlzylinders erfolgt selbsttätig gesteuert.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen als Verstellvorrichtung zum Verdrehen des Hohlzylinders ein mittels Vakuum betätigbarer Aktuator vorgesehen ist, wobei der Hohlzylinder in Abhängigkeit vom Unterdruck im Vakuum gesteuert wird.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen, bei denen eine elektrische Verstellvorrichtung zum Verdrehen des Hohlzylinders vorgesehen ist. Dabei erfolgt das Verdrehen des Hohlzylinders nicht selbsttätig, sondern gezielt; beispielweise mittels Motorsteuerung.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen zur Steuerung der Verstellvorrichtung eine Motorsteuerung vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen ein Aktuator vorgesehen ist, mittels dem ein Hohlzylinder bei Auftreten einer Fehlfunktion in eine Notlaufposition überführbar ist.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Steuerung einer Schaltkulisse einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass durch unabhängiges Verdrehen der zwei Hohlzylinder mittels Aktuator eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung realisiert wird.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen bei Auftreten einer Fehlfunktion die Schaltkulisse durch Verdrehen mindestens eines Hohlzylinders in eine Notlaufposition überführt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a, 1b, 1c und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a schematisch die Abwicklung der Innenfläche des Gehäuses der Schaltkulisse einer ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine,
- 1b schematisch die Abwicklung der Mantelfläche des zweiten Hohlzylinders der Schaltkulisse der ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine,
- 1c schematisch die Abwicklung der Mantelfläche des ersten Hohlzylinders der Schaltkulisse der ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, und
- 2 die in den 1a, 1b und 1c dargestellten Abwicklungen in Kombination miteinander in einer Notlaufposition der Schaltkulisse.
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1a zeigt schematisch die Abwicklung der Innenfläche des Gehäuses der Schaltkulisse einer ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine.
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Die Verdrehrichtung der Hohlzylinder ist rechts mit einem Doppelpfeil kenntlich gemacht. Ein Verdrehen eines Hohlzylinders kommt einem Verschieben der Abwicklung der Innenfläche entlang des Doppelpfeils gleich. Entlang der Drehachse der Hohlzylinder, die quer zum Doppelpfeil verläuft, sind in fünf Reihen, d. h. in fünf Kolonnen 1, 2, 3, 4, 5 Ausgänge 6a, 6b, 6c, 6d, 6e angeordnet. Jede Kolonne erstreckt sich auf einem konkreten Umfang der Innenfläche des Gehäuses.
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Ein dem Zylinderblock zugeordneter Ausgang 6a der Schaltkulisse ist sowohl in der ersten Kolonne 1 als auch in der fünften Kolonne 5 vorgesehen. In der dritten Kolonne 3 sind zwei dem Zylinderkopf zugeordnete Ausgänge 6b angeordnet, wobei ein zylinderkopfzugeordneter Ausgang 6c mit einer Rückführleitung, via der Kühlmittel durch einen Wärmetauscher geleitet werden kann, und ein zylinderkopfzugeordneter Ausgang 6d mit einer den Wärmetauscher umgehenden Bypassleitung verbunden ist. Ein zweiter dem Zylinderkopf zugeordneter Ausgang 6b, 6c, der mit der Rückführleitung verbunden ist, ist in der vierten Kolonne 4 angeordnet. Eine Fahrzeuginnenraumheizung kann über einen in der zweiten Kolonne 2 angeordneten Ausgang 6e mit Kühlmittel versorgt werden.
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1b zeigt schematisch die Abwicklung der Mantelfläche des zweiten Hohlzylinders der Schaltkulisse der ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine.
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Der zweite Hohlzylinder weist eine Vielzahl von Öffnungen 8 auf. In der zweiten Kolonne 2 und in der fünften Kolonne 5 erstrecken sich mehrere Öffnungen 8, wobei sich Öffnung 8 an Öffnung 8 umfänglich aneinander reiht. Auf diesen konkreten Umfängen gibt der zweite Hohlzylinder den Eingang der Schaltkulisse quasi ständig frei, so dass ein Verdrehen des ersten Hohlzylinders ausreicht, um den Eingang der Schaltkulisse mit dem in der fünften Kolonne 5 angeordneten Ausgang 6a, welcher dem Zylinderblock zugeordnet ist, bzw. mit dem in der zweiten Kolonne 2 angeordneten Ausgang 6e, welcher der Fahrzeuginnenraumheizung zugeordnet ist, zu verbinden.
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Hingegen ist in der ersten Kolonne 1 und in der vierten Kolonne 4 jeweils nur eine Öffnung 8 vorgesehen. In der dritten Kolonne 3 findet sich nur eine Lücke.
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1c zeigt schematisch die Abwicklung der Mantelfläche des ersten Hohlzylinders der Schaltkulisse der ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine.
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Während der zweite Hohlzylinder in der ersten Kolonne 1 und in der vierten Kolonne 4 jeweils nur eine Öffnung 8 aufweist, erstrecken sich beim ersten Hohlzylinder in der ersten und vierten Kolonne 1, 4 mehrere Öffnungen 7, die sich umfänglich lückenlos aneinander reihen. Auf diesen konkreten Umfängen gibt der erste Hohlzylinder den Eingang der Schaltkulisse quasi ständig frei, so dass ein Verdrehen des zweiten Hohlzylinders ausreicht, um den Eingang der Schaltkulisse mit dem in der ersten Kolonne 1 angeordneten Ausgang 6a, welcher dem Zylinderblock zugeordnet ist, bzw. mit dem in der vierten Kolonne 4 angeordneten Ausgang 6b, 6c, welcher dem Zylinderkopf bzw. der Rückführleitung zugeordnet ist, zu verbinden.
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Hingegen ist in der dritten Kolonne 3 und in der fünften Kolonne 5 jeweils nur eine Öffnung 7 vorgesehen.
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2 zeigt die in den 1a, 1b und 1c dargestellten Abwicklungen in Kombination miteinander in einer Notlaufposition der Schaltkulisse.
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In der Notlaufposition gibt die Schaltkulisse sowohl den in der ersten Kolonne 1 als auch den in der fünften Kolonne 5 vorgesehenen, dem Zylinderblock zugeordneten Ausgang 6a frei, so dass Kühlmittel durch den Block strömt. Zudem werden die dem Zylinderkopf bzw. der Rückführleitung zugeordneten Ausgänge 6b, 6c der dritten und vierten Kolonne 3, 4 freigegeben, so dass Kühlmittel durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zirkuliert. Dem Kühlmittel wird in der Notlaufposition Wärme im Wärmetauscher der Rückführleitung entzogen.
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Bezugszeichen
- 1
- erste Kolonne
- 2
- zweite Kolonne
- 3
- dritter Kolonne
- 4
- vierter Kolonne
- 5
- fünfter Kolonne
- 6a
- ein dem Zylinderblock zugeordneter Ausgang der Schaltkulisse
- 6b
- ein dem Zylinderkopf zugeordneter Ausgang der Schaltkulisse
- 6c
- ein der Rückführleitung zugeordneter Ausgang der Schaltkulisse
- 6d
- ein der Bypassleitung zugeordneter Ausgang der Schaltkulisse
- 6e
- ein der Fahrzeuginnenraumheizung zugeordneter Ausgang der Schaltkulisse
- 7
- Öffnung auf der Mantelfläche des ersten Hohlzylinders
- 8
- Öffnung auf der Mantelfläche des zweiten Hohlzylinders
