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Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelmantel für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 172 635 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, sind ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zwei integrierten Abgaskrümmern, sowie Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf beschrieben. Diese europäische Patentanmeldung offenbart einen Zylinderkopf, der an einer Montagestirnseite mit einem Kurbelgehäuse verbindbar ist, mit einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel und mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, und bei dem
- – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sich zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden und
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Bei diesem bekannten Zylinderkopf strömt das Kühlmittel aus dem Kurbelgehäuse nach oben in den Zylinderkopf. Es sind im Wesentlichen vier Übergangsbohrungen vorgesehen, wobei zwei Übergangsbohrungen in einen unteren Kühlmittelmantel und zwei Übergangsbohrungen in einen oberen Kühlmittelmantel führen. Diese Übergangsbohrungen sind jeweils am ersten und am letzten Zylinder vorgesehen. Nach dem Übertritt aus dem Kurbelgehäuse in den zweiteiligen Kühlmittelmantel im Zylinderkopf durchströmt das Kühlmittel den Kühlmittelmantel jeweils im Bereich des Abgaskrümmers und von dort weiter zu einer Stirnseite des Zylinderkopfes, wo es aus dem Zylinderkopf wieder austritt.
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Aus dieser europäischen Patentanmeldung ist weiter ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf der oben genannten Art bekannt.
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Mit dem vorgeschlagenen Zylinderkopf soll ein Zylinderkopf der genannten Art bereitgestellt werden, dessen Flüssigkeitskühlung optimiert und eine thermische Überbelastung des Zylinderkopfes sicher verhindert ist.
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Nachteilig an der vorgestellten Ausgestaltung des Zylinderkopfes ist die sehr komplexe Kühlmittelführung.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2008 057 338 A1 die innere Kühlung eines Zylinderkopfes einer turbogeladenen Brennkraftmaschine bekannt. Der Brennkraftmaschinenzylinderkopf weist einen in den Zylinderkopf eingegossenen Abgaskrümmer auf. Ein Turbolader mit einem Turbinenkörper ist zur Montage direkt an der Abgasauslassmontagefläche des Abgaskrümmers ausgelegt. Ein Kühlwassermantel mit zwei Pegeln in dem Zylinderkopf weist separate Kühlmittelzuleitungen für den oberen und den unteren Kühlmittelmantel auf. Die Kühlmäntel erstrecken sich über und unter dem Abgasauslass und sind einwärts der Auslassmontagefläche verbunden, um die Metalltemperaturen der Montagefläche oder diejenigen des Turbolader-Abgaseinlassflansches zu verringern. Separate Kerne für den oberen und unteren Kühlmittelmantel sind an Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelauslassstellen an gegenüberliegenden Enden verbunden. Dazwischen befindliche Kernmarken-Verbindungselemente bilden einen Kanäle gesteuerten Durchfluss zwischen dem oberen und unteren Mantel und Auslassöffnungen in dem Zylinderkopf und integrierten Krümmer. Das verbesserte Kühlen in diesen Bereichen senkt Betriebstemperaturen in dem Zylinderkopf und macht einen separaten Abgaskrümmer unnötig.
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Nacheilig an diesem bekannten Stand der Technik sind die immens aufwändigen und komplexen Strömungsstrukturen für das Kühlmittel in dem Zylinderkopf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine deutlich vereinfachte Kühlung für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine darzustellen, die jedoch genau so effizient ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird in einem ersten Ausführungsbeispiel (1) für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein separater Kühlkreislauf (split cooling) mit zwei Kühlmittelmänteln (einem oberen und einen unteren Kühlmittelmantel bezüglich der Zylinder) und Diagonalströmung vorgeschlagen. 1 zeigt eine CAD-Darstellung des Erfindungsgegenstandes. Die Einströmung erfolgt von der Seite (Pfeil rechts oben), die Ausströmung erfolgt diagonal gegenüber nach unten (Pfeil links unten) in Richtung des Kurbelgehäuses. Das einströmende Kühlmedium strömt in Längs- und Querrichtung durch den Zylinderkopf und von dem unteren in den oberen Kühlmittelmantel.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel (2) wird für einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer und einem zweiflutigen Abgasendbereich ein separater Kühlkreislauf (split cooling) mit zwei Kühlmittelmänteln und Diagonalströmung vorgeschlagen. 2 zeigt ebenfalls eine CAD-Darstellung des Erfindungsgegenstandes. Die Einströmung erfolgt wieder von der Seite (Pfeil rechts oben), die Ausströmung erfolgt diagonal gegenüber nach unten (Pfeil links unten) in Richtung des Kurbelgehäuses. Das einströmende Kühlmedium strömt in Längs- und Querrichtung durch den Zylinderkopf und von dem unteren in den oberen Kühlmittelmantel.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 verbessert die gleichmäßige Kühlung nochmals.
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Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 3 und 4 vereinfachen die Herstellung der Kerne des Kühlmittelmantels und somit die Herstellung des Zylinderkopfes wesentlich.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und Anordnung der Kühlmitteleinströmöffnung und der Kühlmittelausströmöffnung sind weitere Kühlmittelübertritte vom Kurbelgehäuse zum Zylinderkopf nicht mehr notwendig, es wird lediglich gemäß Patentanspruch 5 zumindest eine Entlüftungsbohrung vorgesehen.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen in zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Aufsicht auf eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmittelmantels für ein erstes Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt eine Aufsicht auf eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmittelmantels für ein zweites Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden gelten in den 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt eine Aufsicht auf eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmittelmantels 1 für einen nicht dargestellten Zylinderkopf einer ebenfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine für ein erstes Ausführungsbeispiel. Die Brennkraftmaschine weist zumindest zwei Zylinder in Reihe in einem nicht dargestellten Kurbelgehäuse auf, wobei der Kühlmittelmantel 1 in einen unteren, zylindernahen Kühlmittelmantel 2 und einen oberen, zylinderfernen Kühlmittelmantel 3 aufgeteilt ist. Der untere Kühlmittelmantel 2 und der obere Kühlmittelmantel 3 sind über Kernlager 5 kühlmittelführend miteinander verbunden. Eine Auslassseite (Abführseite der Abgase) des Zylinderkopfes ist mit A, eine Einlassseite (Ansaugseite der Verbrennungsluft) mit E und eine Kurbelgehäuseseite (diese Seite wird auf dem Kurbelgehäuse verbaut) mit K beziffert.
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Eine Kühlmitteleinströmöffnung 6 ist rechts oben in 1 erkennbar, mit einer Kühlmitteleinströmrichtung, die durch einen Pfeil dargestellt ist. Eine Kühlmittelausströmöffnung 7 ist links unten in 1 dargestellt, wobei die Kühlmittelaustrittsrichtung wiederum durch einen Pfeil dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Kühlmitteleinströmöffnung 6 in den unteren Kühlmittelmantel 2 auf einer Stirnseite S des Zylinderkopfes und eine Kühlmittelausströmöffnung 7 diagonal gegenüber im Zylinderkopf vorgesehen, die sich in Richtung Kurbelgehäuse erstreckt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kühlmitteleinströmöffnung 6 auf der Auslassseite A und die Kühlmittelausströmöffnung 7 auf der Einlassseite E des Zylinderkopfes vorgesehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel, welches jedoch nicht ganz so gute Kühleigenschaften aufweist, können diese Seiten auch vertauscht sein.
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Bevorzugt ist im Bereich der Kühlmitteleinströmöffnung 6 ein Kernlager 5 vorgesehen, durch das das Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel 2 in den oberen Kühlmittelmantel 3 übertreten kann. Ferner sind bevorzugt zwischen den Abgasauslasskanälen 4 ebenfalls Kernlager 5 für den gleichen Zweck vorgesehen.
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In vorteilhafter Weise ist im unteren Kühlmittelmantel 2 kurbelgehäuseseitig K nun nur mehr zumindest eine Entlüftungsbohrung 8 vorgesehen, die bisher im Stand der Technik vollständig von Kühlmittel durchströmt wurde.
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Insgesamt ergibt sich mit dieser einfachen Diagonalströmung des Kühlmittels im Zylinderkopf ein äußerst robustes Kühlungskonzept zur Kühlung eines Zylinderkopfes, ohne dass komplexe Strömungsgeometrien vorherrschen würden. In vielen Versuchen hat sich der positive Effekt dieser erfindungsgemäßen Diagonalströmung als positiv herausgestellt.
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In diesem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Zylinder zu einem Abgasauslasskanal 4 innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt. Darüber hinaus handelt es sich im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel um eine vierzylindrige Brennkraftmaschine, das erfindungsgemäße diagonale Kühlkonzept kann jedoch von zwei Zylindern bis zu sechs Zylindern in Reihe Anwendung finden.
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2 zeigt eine Aufsicht auf ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Kühlmittelmantel 1 für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Bezüglich des Kühlmittelmantels 1 ist dieser wie in 1 in einen unteren Kühlmittelmantel 2 und einen oberen Kühlmittelmantel 3 mit ebenfalls diagonaler Durchströmung des Kühlmittels dargestellt.
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Einzig die Abgasauslasskanäle 4 sind in 2 in dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht innerhalb des Zylinderkopfes zusammengefasst, sondern werden als einzelne separate Abgasauslasskanäle 4 in Richtung eines nicht dargestellten Abgaskrümmers aus dem Zylinderkopf herausgeführt. Auch für diese Konfiguration hat sich die erfindungsgemäße Diagonalströmung hervorragend bewährt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmittelmantel
- 2
- unterer Kühlmittelmantel
- 3
- oberer Kühlmittelmantel
- 4
- Abgasauslasskanäle
- 5
- Kernlager
- 6
- Kühlmitteleineinströmöffnung
- 7
- Kühlmittelausströmöffnung
- 8
- Entlüftungsbohrung
- E
- Einlassseite
- A
- Auslassseite
- S
- Stirnseite
- K
- Kurbelgehäuseseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2172635 A1 [0002]
- DE 102008057338 A1 [0007]
