DE102016100411A1

DE102016100411A1 - Hubkolbenvorrichtung sowie Brennkraftmaschine mit einer solchen Hubkolbenvorrichtung

Info

Publication number: DE102016100411A1
Application number: DE102016100411.1A
Authority: DE
Inventors: Paulo Urzua Torres; Michael Henn; Martin Bier
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-13

Abstract

Eine Hubkolbenvorrichtung, insbesondere eine Hubkolbenvorrichtung einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Zylinder (18) ausbildenden Gehäuse und einem beweglich in dem Zylinder (18) gelagerten Kolben (20), bei der das Gehäuse einen den Zylinder (18) zumindest teilweise umgebenden Kühlmantel ausbildet, in dessen Wandungen ein Kühlmitteleinlass (56) und ein Kühlmittelauslass (58) ausgebildet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel mittels eines oder mehrerer Trennwände (54) in eine Mehrzahl von Kühlkanälen (50, 52) unterteilt ist. Durch die Trennwände (54), die in den den Kühlmantel ausbildenden Hohlraum des Gehäuses hineinragen, kann die (Wand-)Fläche, die mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt, im Vergleich zu konventionellen Kühlmänteln deutlich erhöht werden, wodurch wiederum ein Wärmeübergang von dem Gehäuse auf das Kühlmittel verbessert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenvorrichtung mit einem einen Zylinder ausbildenden Gehäuse und einem beweglich in dem Zylinder gelagerten Kolben, wobei das Gehäuse einen den Zylinder zumindest teilweise umgebenden Kühlmantel ausbildet, in dessen Wandungen ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Hubkolbenvorrichtung.
Derartige Brennkraftmaschinen werden zumeist mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt, die, gefördert durch mindestens eine Kühlmittelpumpe, in einem den Kühlmantel integrierenden Kühlsystem der Brennkraftmaschine zirkuliert. Durch die zirkulierende Kühlflüssigkeit kann Wärmeenergie von der Brennkraftmaschine zu mindestens einem Umgebungswärmetauscher abgeführt werden, in dem die Wärmeenergie dann an beispielsweise die Umgebungsluft abgegeben wird.
Die meisten bekannten Brennkraftmaschinen weisen Kühlmäntel auf, die die einzelnen Zylinder bezüglich des Umfangs zumindest teilweise und bezüglich der Längserstreckung im Wesentlichen vollständig umgeben. Eine Integration des Kühlmitteleinlasses erfolgt bei den meisten bekannten Brennkraftmaschinen im Bereich des oberen Totpunkts, in dem die zyklische Hin-und-her-Bewegung des in dem entsprechenden Zylinder geführten Kolbens umgekehrt wird und in dessen Nähe eine Verbrennung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in dem Zylinder eingeleitet wird, während eine Integration des Kühlmittelauslasses in der Nähe des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung vorgesehen ist. Mittels eines solchen Kühlmantels kann den lokalen, entlang der Längserstreckungen des oder der Zylinder variierenden Kühlleistungsanforderungen nicht in optimaler Weise gerecht werden, weil es bei einer ausreichenden Dimensionierung des Kühlsystems einschließlich des Kühlmantels hinsichtlich der Kühlleistungsanforderung im Bereich des oberen Totpunkts der Kolbenbewegung, die dort wegen der dort primär ablaufenden Verbrennungsprozesse am höchsten ist, zu einer „Überkühlung“, d.h. einer zu starken Kühlung, in dem darunter liegenden Bereichen führen kann. Eine zu geringe Temperatur einer Zylinderwand führt jedoch häufig zu einer relativ hohen Viskosität eines die Reibung der Relativbewegung zwischen der Zylinderwand und dem dazugehörigen Kolben verringernden Schmiermittels und damit zu vergleichsweise hohen Reibungsverlusten sowie einem entsprechend hohen Verschleiß im Betrieb der Brennkraftmaschine.
In der Veröffentlichung „Water Jacket Spacer for Improvement of Cylinder Bore Temperature Distribution" von Matsutani et al. (SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2005-01-1156) ist beschrieben, dass für eine möglichst geringe Reibung über den gesamten Hub eines Kolbens in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine die Temperatur der Zylinderwand in einem den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung umfassenden Bereich (ausgehend von dem oberen Ende des Zylinders) bis zu einem Maximalwert ansteigen sollte, wobei dieser Maximalwert dann über den weiteren Verlauf der Längserstreckung, d.h. bis zumindest zum unteren Totpunkt der Kolbenbewegung, möglichst konstant bleiben sollte. Um dies zu erreichen soll in demjenigen Abschnitt der Längserstreckung des Zylinders, in dem eine möglichst konstante Temperatur für die Zylinderwand realisiert werden soll, ein den freien Strömungsquerschnitt gezielt verringernder Einsatz in einen im Übrigen konventionell ausgebildeten Kühlmantel eingesetzt werden.
Eine andere Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung der Kühlwirkung für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine ist aus der Veröffentlichung „Analysis of Piston Friction – Effects of Cylinder Bore Temperature Distribution and Oil Temperature" von Kimura et al. (SAE 2011-01-1746) bekannt. Darin ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, deren Zylinder jeweils von drei separaten, bezüglich der Längserstreckung voneinander beabstandeten Kühlmänteln umgeben sind, durch die, über Ventile gesteuert, in Abhängigkeit von dem lokalen Kühlleistungsbedarf unterschiedliche Volumenströme des Kühlmittels gefördert werden können.
Weiterhin ist aus der DE 86 28 188 U1 eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der für die Zylinder jeweils ausschließlich in den Bereichen beider Totpunkte der Kolbenbewegungen Kühlmäntel vorgesehen sind.
Allgemein bekannt ist weiterhin, dass die Zylinder einer Brennkraftmaschine jeweils von einer sogenannten Zylinderlaufbuchse begrenzt sein können, die wiederum jeweils in einer dazugehörigen Laufbuchsenöffnung eines Zylindergehäuses aufgenommen sind. Derartige Zylinderlaufbuchsen können als sogenannte „nasse“ Zylinderlaufbuchsen ausgebildet sein, deren Außenwandungen mit den Wandungen der dazugehörigen Laufbuchsenöffnungen jeweils einen Ringspalt begrenzen, der als Kühlmantel dient. Solche nasse Laufbuchsen kommen bislang hauptsächlich bei LKW-Motoren und Großmotoren zum Einsatz.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einer im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Kühlwirkung anzugeben. Insbesondere sollte ein möglichst optimaler Wärmeübergang von den die Zylinder begrenzenden Wänden auf das in einem Kühlmantel strömende Kühlmittel erreicht werden.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 9 gelöst, die eine Kolbenvorrichtung gemäß dem Patentanspruchs 1 umfasst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung und der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Dementsprechend ist bei einer Hubkolbenvorrichtung, die ein einen Zylinder ausbildendes Gehäuse und einen beweglich in dem Zylinder gelagerten Kolben umfasst, wobei das Gehäuse weiterhin einen den Zylinder zumindest teilweise umgebenden Kühlmantel ausbildet, in dessen Wandungen ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass ausgebildet sind, erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlmantel mittels eines oder mehrerer Trennwände in eine Mehrzahl von Kühlkanälen unterteilt ist.
Durch die Trennwände, die in den den Kühlmantel ausbildenden Hohlraum des Gehäuses hineinragen, kann die (Wand-)Fläche, die mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt, im Vergleich zu konventionellen Kühlmänteln deutlich erhöht werden, wodurch wiederum ein Wärmeübergang von dem Gehäuse auf das Kühlmittel verbessert werden kann. Dadurch kann gegebenenfalls ermöglicht werden, einen verringerten Volumenstrom des Kühlmittels durch den Kühlmantel zirkulieren zu lassen, ohne dass dadurch die Kühlleistung reduziert würde. Ein verringerter Volumenstrom des Kühlmittels kann zu einer verringerten Förderleistung für eine zur Förderung des Kühlmittels vorgesehene Arbeitsmaschine (Pumpe bei einer bevorzugten Verwendung einer Kühlflüssigkeit oder Verdichter bei einer ebenfalls denkbaren Verwendung eines Kühlgases als Kühlmittel) führen, was sich positiv auf sowohl die Kosten als auch das Gewicht der Arbeitsmaschine und damit einer eine solche Arbeitsmaschine umfassenden erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung auswirken kann. Gleiches gilt für eine eine solche Hubkolbenvorrichtung umfassende, erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Sofern wie üblich bei einer solchen Brennkraftmaschine die zur Förderung des Kühlmittels vorgesehene Arbeitsmaschine durch die Brennkraftmaschine selbst (beziehungsweise einen Verbrennungsmotor davon) angetrieben wird, kann die erfindungsgemäß erzielbare verringerte Förderleistung zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führen. Der erfindungsgemäß erzielbare relativ geringe Volumenstrom des Kühlmittels kann sich zudem indirekt positiv auf das Gewicht der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auswirken. Dies gilt nicht nur wegen des entsprechend verringerten Eigengewichts des Kühlmittels, was insbesondere bei der bevorzugten Verwendung einer Kühlflüssigkeit relevant ist, sondern auch wegen der im Vergleich zu einem konventionellen Kühlmantel verringerten strukturellen Schwächung des Gehäuses infolge des insgesamt kleineren Kühlmantels sowie der stabilisierend wirkenden Trennwände, die somit auch im geringeren Maße durch strukturelle Verstärkungsmaßnahmen ausgeglichen werden muss.
Die Kühlkanäle (einer, einzelne oder alle) können (zumindest teilweise entlang ihres Verlaufs) vorzugsweise vollumfänglich (bezogen auf ihre jeweiligen Querschnitte) geschlossen ausgebildet sein. Möglich ist aber auch eine teilweise offene Ausgestaltung der Kühlkanäle in der Art von Rinnen, so dass innerhalb des Kühlmantels ein Übertritt von Kühlmittel zwischen den Kühlkanälen über die Trennwände erfolgen kann.
Um den durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erzielbaren Vorteil möglichst optimal auszunutzen sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass die (bezüglich einer Längsachse des Zylinders radial ausgerichteten) Strömungsquerschnitte der Kühlkanäle möglichst klein ausgebildet sind. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Strömungsquerschnitt mindestens eines, einzelner oder vorzugsweise aller Kühlkanäle kleiner als die Öffnungsquerschnitte sowohl des Kühlmitteleinlasses als auch des Kühlmittelauslasses ist. Sofern der Strömungsquerschnitt eines oder mehrerer der Kühlkanäle entlang seines Verlaufs variiert, soll dies für (jeweils) den größten Strömungsquerschnitt gelten. Eine zu kleine Dimensionierung der Strömungsquerschnitte der Kühlkanäle sollte jedoch ebenfalls vermieden werden, weil sich diese dahingehend negativ auswirken kann, dass dadurch der Strömungswiderstand für das Kühlmittel (zu stark) ansteigt, wodurch zumindest der Vorteil einer vergleichsweise geringen Förderleistung für das Kühlmittel kompensiert oder überkompensiert werden könnte. Vorzugsweise sollte daher vorgesehen sein, dass der (kleinste) Strömungsquerschnitt der Kühlmittelkanäle ≥ 4 mm² beträgt. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der/die Strömungsquerschnitt(e) zwischen 4 mm² und 100 mm², insbesondere zwischen 4 mm² und 25 mm², beträgt/betragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass zumindest eine, vorzugsweise alle der jeweils zwei Kühlkanäle separierenden Trennwände in die bezüglich des Zylinders proximal gelegene Wandung des Kühlmantels integriert (d.h. integral in diesen ausgebildet) ist/sind. Auf diese Weise kann ein möglichst ungehinderter und damit optimaler Wärmeübergang von dem Zylinder auf das Kühlmittel realisiert werden.
Für eine möglichst einfache und damit kostengünstige Herstellbarkeit des in mehrere Kühlkanäle unterteilten Kühlmantels kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Zylinder zumindest teilweise von der Innenseite einer Zylinderlaufbuchse (die einen Teil des Gehäuses darstellt) ausgebildet ist, wobei die Zylinderlaufbuchse auf ihrer Außenseite die Trennwand/Trennwände ausbildet. Eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann insbesondere ermöglichen, zur Ausbildung der Kühlkanäle vorgesehene Rillen spanend oder auf andere materialabtragende Weise bei guter Zugänglichkeit in die Außenseite der Zylinderlaufbuchse einzubringen. Die Trennwand/Trennwände sind dann durch das zwischen den Rillen verbleibende Material ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung kann vorgesehen sein, dass der Kühlmantel entlang der Längserstreckung des Zylinders nur abschnittsweise, d.h. in einem oder mehreren Abschnitten, vorgesehen ist oder die Kühlkanäle entlang der Längserstreckung des Zylinders ungleichförmig ausgebildet sind. Dadurch kann eine entlang der Längserstreckung des Zylinders ungleichförmige Kühlwirkung realisiert werden, die an den unterschiedlichen Wärmeübergang aus dem Zylinder in das Gehäuse möglichst optimal angepasst werden kann.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer solchen Hubkolbenvorrichtung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle (zumindest abschnittsweise) nur in einem den oberen Totpunkt einer zyklischen Bewegung des Kolbens umfassenden Abschnitt vorgesehen sind oder die Kühlkanäle derart ausgebildet sind, dass die (mittlere) Kühlwirkung in dem den oberen Totpunkt umfassenden Drittel der Längserstreckung des Zylinders größer als in dem mittleren Drittel und/oder dem unteren Drittel ist. Dadurch kann eine ausreichende Kühlung des den Zylinder umgebenden Gehäuses in dem oberen Drittel, in dem der Wärmeübergang infolge der dort primär stattfindenden Verbrennungsprozesse regelmäßig am höchsten sein kann, gewährleistet werden, während eine zu starke Kühlung der Zylinderwandung in den anderen Abschnitten vermieden wird. Auf diese Weise kann in diesen anderen Abschnitten eine hinsichtlich einer Reibungsverringerung möglichst optimal wirkende Einstellung der Viskosität eines zwischen der Zylinderwandung und einer Außenfläche des Kolbens wirkenden Schmiermittels erfolgen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass in Umfangsrichtung des Zylinders versetzt angeordnet sind. Der Versatz soll sich dabei zumindest auf die Zentren der Öffnungsquerschnitte des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses beziehen. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Versatz 180° beträgt. Eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Kühlmantel lediglich in einem Abschnitt bezüglich der Längserstreckung des Zylinders, insbesondere in einem den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung umfassenden oder diesem nahe gelegenen Abschnitt, vorgesehen ist, weil auf diese Weise sichergestellt werden kann, dass das Kühlmittel den Kühlmantel auch weitgehend vollständig durchströmt und folglich möglichst keine Totwassergebiete ausgebildet werden.
Weiterhin bevorzugt kann für eine solche Hubkolbenvorrichtung dann noch vorgesehen sein, dass der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass bezogen auf die Längsrichtung des Zylinders auf der gleichen Höhe angeordnet sind. Dabei soll sich die „gleiche Höhe“ zumindest auf die Öffnungsquerschnitte insgesamt und vorzugsweise auf die Zentren der Öffnungsquerschnitte beziehen. Eine Weiterbildung einer solchen Hubkolbenvorrichtung kann dann noch vorsehen, dass der/die Öffnungsquerschnitt(e) des Kühlmitteleinlasses und/oder des Kühlmittelauslasses sich über die gesamte Länge (bezogen auf die Längserstreckung des Zylinders) des Kühlmantels erstreckt/erstrecken. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Kühlflüssigkeit möglichst gleichmäßig auf sämtliche der Kühlkanäle verteilt wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Hubkolbenvorrichtung kann zudem vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle nicht direkt miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können Strömungsverluste, die beim Überströmen von Kühlmittel zwischen den Kühlkanälen auftreten würden, vermieden werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Hubkolbenvorrichtung kann nicht zur Verbesserung einer Brennkraftmaschine dienen, sondern beliebiger Hubkolbenvorrichtungen sowie solche integrierender Vorrichtungen, bei denen eine Kühlung durch ein aktives Abführen von Wärmeenergie, die aus dem Zylinder in das Gehäuse übergeht, relevant ist. Dies kann beispielsweise bei Kolbenverdichtern der Fall sein.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt in teilweise vereinfachter Darstellung:
1: in einem Querschnitt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltung;
2: in einer perspektivischen Ansicht eine Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine gemäß der 1;
3: eine zu der Zylinderlaufbuchse gemäß der 2 alternative Ausgestaltung einer Zylinderlaufbuchse zur Verwendung in beispielsweise einer Brennkraftmaschine gemäß der 1;
4: in einem perspektivischen Querschnitt einen Teil einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltung; und
5: in einer perspektivischen Ansicht eine Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine gemäß der 4.
Die 1 zeigt in einem Querschnitt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltung.
Diese Brennkraftmaschine umfasst ein mehrteiliges Gehäuse. In einem ersten Gehäuseteil dieses Gehäuses, das nachfolgend als Zylindergehäuse 10 bezeichnet wird, sind ein oder mehrere durchgehende, zylindrische Laufbuchsenöffnungen ausgebildet, wobei in jede der Laufbüchsenöffnungen im Bereich des oberen Endes ein Kühlmitteleinlasskanal 12 mündet und im Bereich des unteren Endes ein Kühlmittelauslasskanal 14 daraus abgeht. Weiterhin ist in jeder der Laufbuchsenöffnungen jeweils eine Zylinderlaufbuchse 16 angeordnet, deren Innenseite einen Zylinder 18, d.h. eine zylindrische Öffnung, ausbildet, innerhalb dessen ein Kolben 20 beweglich gelagert ist. Mittels jeweils eines Pleuels 22 ist jeder der Kolben 20 mit einem Kurbelzapfen 24 einer Kurbelwelle 26 verbunden, die drehbar innerhalb des Gehäuses der Brennkraftmaschine gelagert ist. Hierfür weist das Gehäuse einen zweiten Gehäuseteil, nachfolgend als Kurbelgehäuse 28 bezeichnet, auf, der sich an die Unterseite des Zylindergehäuses 10 anschließt. An die Unterseite des Kurbelgehäuses 28 wiederum schließt sich ein dritter Gehäuseteil, die Ölwanne 30, an, in der ein Reservoir an (flüssigem) Schmiermittel vorgehalten sein kann.
Eine Bewegung der Kolben 20 entlang ihrer Längsachsen 32 beziehungsweise der Längsachsen 32 der dazugehörigen Zylinder 18 wird mittels der Pleuel 22 und mittels der dezentral bezüglich der Rotationsachse 34 der Kurbelwelle 26 angeordneten Lagerungen der Pleuel 22 auf den dazugehörigen Kurbelzapfen 24 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 26 übersetzt, wobei diese Koppelung der Kolben 20 an die Kurbelwelle 26 zudem dafür sorgt, dass sich die Bewegungsrichtungen der Kolben 20 immer dann ändern, wenn die dazugehörigen Kurbelzapfen 24 mit ihren Längs- beziehungsweise Rotationsachsen 60 die jeweiligen Längsachsen 32 der Zylinder 18 beziehungsweise Kolben 20 kreuzen. Die dazugehörigen Stellungen der Kolben 20 werden als oberer Totpunkt (gekennzeichnet durch die weitestmögliche Entfernung der einzelnen Kolben 20 von der Kurbelwelle 26) und als unterer Totpunkt (gekennzeichnet durch die weitestmöglich an die Kurbelwelle 26 angenäherte Position der einzelnen Kolben 20) bezeichnet.
Ein Antrieb der Kolben 20 und damit der Brennkraftmaschine erfolgt durch die gezielte Verbrennung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in Brennräumen 38, die jeweils von der Oberseite eines Kolbens 20, einem Abschnitt des dazugehörigen Zylinders 18 sowie einem von einem Zylinderkopf 36, der sich an das obere Ende des Zylindergehäuses 10 anschließt, ausgebildeten Brennraumdach begrenzt ist. Die Initiierung eines solchen Verbrennungsprozesses erfolgt für jeden der Brennräume 38 in der (zeitlichen) Nähe des oberen Totpunkts der jeweiligen Kolbenbewegung infolge einer Fremdzündung mittels nicht dargestellter Zündkerzen (insbesondere bei einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine als Ottomotor) oder einer Selbstzündung infolge einer insbesondere sich aus einer relativ hohen Verdichtung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches ergebenden ausreichenden Temperaturerhöhung (insbesondere bei einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine als Dieselmotor). Dazu wird der Kraftstoff über jeweils einen Injektor 40 und das Frischgas, bei dem es sich ausschließlich oder insbesondere um Luft handeln kann, mittels Einlassventilen 42 gesteuert in die Brennräume 38 eingebracht. Das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches erzeugte Abgas wird anschließend über Auslassventile 44 gesteuert aus den Brennräumen 38 abgeführt. Eine Betätigung der Einlassventile 42 und der Auslassventile 44 kann in bekannter Weise über eine oder mehrere Nockenwellen (nicht dargestellt) erfolgen, die beispielsweise über einen sogenannten Steuertrieb von der Kurbelwelle 26 angetrieben sein können.
Wie sich insbesondere aus der 2 ergibt, sind in die zylindrischen Außenseiten der Zylinderlaufbuchsen 16 eine Vielzahl von Rillen, d.h. längliche Vertiefungen, eingebracht. Jeweils eine in sich geschlossen umlaufende Rille an den längsaxialen Enden jeder der Zylinderlaufbuchsen 16, die nachfolgend als Dichtungsrille 46 bezeichnet wird, dient der Aufnahme eines Dichtrings (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines konventionellen O-Rings, wodurch ein Kühlmantel, der in dem Bereich zwischen diesen Dichtringen ausgebildet ist und dabei einerseits von der Außenseite einer Zylinderlaufbuchse 16 und der Wandung der dazugehörigen Laufbuchsenöffnung des Zylindergehäuses 10 begrenzt ist, abgedichtet ist. Der Kühlmantel ist in Summe von den weiteren Rillen (alle Rillen außer den Dichtungsrillen 46), die in die Außenseiten der Zylinderlaufbuchsen 16 eingebracht sind, ausgebildet. Dies sind bei jeder Zylinderlaufbuchse 16 jeweils eine auf Höhe des Kühlmitteleinlasskanals 12 und eines von diesem ausgebildeten Kühlmitteleinlasses 56 sowie jeweils eine auf der Höhe des Kühlmittelauslasskanals 14 und eines von diesem ausgebildeten Kühlmittelauslasses 58 angeordnete, in sich geschlossen umlaufende Rille, die nachfolgend als Verteilerrille 48 bezeichnet wird und die im Vergleich zu den anderen Rillen eine relativ große Breite aufweist. In dem Bereich zwischen diesen Verteilerrillen 48 sind weiterhin eine Vielzahl von spiralförmig und parallel bzw. in einem konstanten Abstand zueinander verlaufenden Rillen, die nachfolgend als Führungsrillen 50 bezeichnet werden, vorgesehen, die alle in die beiden Verteilerrillen 48 auslaufen, d.h. aus diesen abgehen oder in diese münden. Durch die Trennwände 54, die zwischen den Führungsrillen 50 ausgebildet sind, wird der Kühlmantel in eine Mehrzahl von Kühlkanälen unterteilt.
Kühlmittel, das über den Kühlmitteleinlasskanal 12 zugeführt und über den Kühlmitteleinlass 56, d.h. die Einlassöffnung, die den Übergang zwischen den Kühlmitteleinlasskanal 12 und dem Kühlmantel darstellt, in den Kühlmantel eintritt, verteilt sich zunächst primär innerhalb der auf Höhe des Kühlmitteleinlasses 56 angeordneten Verteilerrille 48 und strömt dann aus dieser Verteilerrille 48 in die Führungsrillen 50. In den Führungsrillen 50 wird das Kühlmittel dann in einer spiralförmig verlaufenden Strömung bis in die auf der Höhe des Kühlmittelauslasses 58, d.h. derjenigen Auslassöffnung, die den Übergang zwischen dem Kühlmittelauslasskanal 14 und dem Kühlmantel darstellt, angeordnete Verteilerrille 48 geführt. Aus dieser Verteilerrille 48 wird das Kühlmittel dann über den Kühlmittelauslasskanal 14 abgeführt.
Bei der Durchströmung der Kühlkanäle darstellenden Verteilerrillen 48 und der Führungsrillen 50 nimmt das Kühlmittel Wärmeenergie auf, die zunächst aus den Brennräumen 38 auf das Material der Zylinderlaufbuchsen 16 übergegangen ist und anschließend auf das in den Kühlmänteln strömende Kühlmittel übergeht. Dadurch wird die gewünschte Kühlung der Brennräume 38 und des Gehäuses der Brennkraftmaschine erreicht. Die aufgenommene Wärmeenergie wird von dem Kühlmittel in einem nicht dargestellten Umgebungswärmetauscher, der ebenso wie die Kühlmäntel und die Kühlmitteleinlasskanäle 12 sowie die Kühlmittelauslasskanäle 14 in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert sind, an ein weiteres Kühlmedium, insbesondere Umgebungsluft, abgeführt. Das Kühlmittel kann dann wieder über die Kühlmitteleinlasskanäle 12 in die Kühlmäntel der Brennkraftmaschine rezirkuliert werden.
Durch die Trennwände 54, die die Kühlkanäle, d.h. die Verteilerrille 48 sowie die Führungsrillen 50, voneinander separieren, wird die Wandfläche, die in Summe bei der Durchströmung des Kühlmantels mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt und damit auch die Kühlwirkung, im Vergleich zu einem konventionellen Kühlmantel, der von einer einen Zylinder zumindest teilweise umgebende Öffnung mit insbesondere konstanter Öffnungsbreite ausgebildet ist, deutlich erhöht.
In der 3 ist eine Zylinderlaufbuchse 16 dargestellt, die alternativ zu der in der 2 dargestellten Zylinderlaufbuchse 16 bei beispielsweise einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 eingesetzt werden kann. Diese unterscheidet sich von der Zylinderlaufbuchse 16 gemäß der 2 insbesondere dadurch, dass neben spiralförmig umlaufenden Führungsrillen 50 auch parallel zu der Längsachse 32 des von dieser Zylinderlaufbuchse 16 ausgebildeten Zylinders 18 verlaufende Führungsrillen 52 vorgesehen sind. Die spiralförmig umlaufenden Führungsrillen 50 und die parallel verlaufenden Führungsrillen 52 kreuzen sich dabei und gehen somit ineinander über, wodurch eine Rautenform für die den Kühlmantel in die einzelnen Kühlkanäle unterteilenden Trennwände 54 ausgebildet wird. Durch die sich kreuzenden Führungsrillen 50, 52 kann das Kühlmittel zwischen diesen überströmen, wodurch sich im Vergleich zu der Zylinderlaufbuchse 16 gemäß der 2 eine andersartige Verteilung des Kühlmittels über dem Umfang sowie in Längsrichtung der Zylinderlaufbuchsen 16 ergibt. Dieses Überströmen des Kühlmittels zwischen den Führungsrillen 50, 52 ermöglicht auch, bei der Zylinderlaufbuchse 16 gemäß der 3 auf Verteilerrillen 48, wie sie bei der Zylinderlaufbuchse 16 gemäß der 2 vorgesehen sind, zu verzichten und dennoch eine ausreichend gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf das gesamte Volumen des Kühlmantels beziehungsweise der Kühlkanäle zu erreichen.
Die in der 4 dargestellte zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine unterscheidet sich von derjenigen gemäß der 1 hauptsächlich in der Ausgestaltung der Kühlmäntel sowie der Anordnungen der Kühlmittelauslasskanäle 14. Bei dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die von den Kühlmittelauslasskanälen 14 ausgebildeten Kühlmittelauslässe 58 jeweils auf derselben Höhe (bezogen auf die Längsrichtungen der Zylinder 18 beziehungsweise der Zylinderlaufbuchsen 16) wie die von den Kühlmitteleinlasskanälen 12 ausgebildeten Kühlmitteleinlässe 56 angeordnet sind, dabei jedoch um 180° bezogen auf die Umfangsrichtungen der Zylinder 18 zueinander versetzt sind und diese sich somit bezogen auf die Längsachsen 32 der Zylinder 18 jeweils einander gegenüber liegen. Weiterhin sind die Kühlmäntel jeweils lediglich in denjenigen Abschnitten bezogen auf ihre Längserstreckungen, in denen auch die Kühlmitteleinlässe 56 und die Kühlmittelauslässe 58 vorgesehen sind, ausgebildet. Gebildet werden die Kühlmäntel jeweils von in sich geschlossen umlaufenden, parallel zueinander verlaufenden Führungsrillen 62, die alle über jeweils einen Abschnitt ihrer Längserstreckung (Erstreckung in Umfangsrichtung) mit dem dazugehörigen Kühlmitteleinlass 56 sowie über einen anderen Abschnitt ihrer Längserstreckung mit dem dazugehörigen Kühlmittelauslass 58 in fluidleitender Verbindung stehen. Eine direkte Verbindung zwischen den einzelnen Führungsrillen 62 und damit Kühlmittelkanälen des Kühlmantels ist in diesem Fall nicht vorgesehen, kann jedoch ebenso vorgesehen sein.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 4 (die Zylinderlaufbuchsen 16 gemäß der 5 aufweist) erfolgt eine aktive Kühlung der Zylinderlaufbuchsen 16 sowie der von diesen ausgebildeten Zylindern 18 somit lediglich in einem Bereich in der Nähe des jeweiligen oberen Totpunkts der Bewegungen der Kolben 20. Dies ist vorgesehen, weil dort im Betrieb der Brennkraftmaschine primär Wärmeenergie erzeugt wird, die abgeführt werden soll, um die Temperaturen in den Brennräumen 38 und den angrenzenden Bauteilen auf zulässige Werte zu begrenzen. In dem jeweils übrigen Abschnitt der Zylinderlaufbuchsen 16 (bezüglich der jeweiligen Längserstreckung) kann dagegen der Übergang von Wärmeenergie aus den Zylindern 18 in die Zylinderlaufbuchsen 16 und von dort in die übrigen Teile des Gehäuses der Brennkraftmaschine so gering sein, dass auf eine aktive Kühlung verzichtet werden kann. Dies kann insbesondere bei einer Ausgestaltung der Zylinderlaufbuchsen 16 und/oder des Zylindergehäuses 10 aus relativ gut Wärme leitenden Werkstoffen der Fall sein, wodurch die übergehenden Wärmeenergie auch ohne aktive Kühlung ausreichend sicher abgeführt werden kann. In jedem Fall kann durch eine solche Ausgestaltung eine „Überkühlung“ dieser Abschnitte der Zylinderlaufbuchsen 16 vermieden werden, die zu einer relativ hohen Viskosität eines Schmiermittels, das zwischen den Außenflächen der Kolben 20 und den Begrenzungswänden der Zylinder 18 angeordnet ist, und damit zu relativ hohen Reibungsverlusten führen könnte.
Eine ähnliche, über der Längserstreckung der Zylinderlaufbuchsen 16 beziehungsweise der von diesen ausgebildeten Zylindern 18 unterschiedliche Kühlwirkung kann auch bei einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 mit Zylinderlaufbuchsen 16, die denjenigen gemäß den 2 oder 3 ähneln, erreicht werden, indem die Kühlkanäle, d.h. die Führungsrillen 50, 52, ungleichförmig ausgebildet werden. Dies kann insbesondere über eine variierende Breite und/oder Tiefe der Kühlkanäle erreicht werden. Ebenfalls könnte vorgesehen sein, dass bei einer der Zylinderlaufbuchse gemäß der 3 ähnelnden Zylinderlaufbuchse die parallel verlaufenden Führungsrillen 52 lediglich in einem mittigen und/oder unteren Abschnitt (beispielsweise das untere und/oder mittlere Drittel bezüglich der Längserstreckung) vorgesehen sind, während in einem oberen Abschnitt (beispielsweise das obere Drittel) lediglich spiralförmig umlaufende Führungsrillen 50 vorgesehen sind. Aufgrund des längeren Weges, den das Kühlmittel für die Durchströmung des oberen Abschnitts im Vergleich zu dem mittleren und/oder unteren Abschnitt zurücklegen muss, kann eine höhere Kühlwirkung in dem oberen Abschnitt im Vergleich zu der Kühlwirkung in dem mittleren und/oder unteren Abschnitt realisiert werden.
Bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen sind für die einzelnen Zylinder 18 separate Kühlmäntel vorgesehen, die nicht direkt miteinander verbunden sind. Möglich ist aber auch eine direkte Verbindung der Kühlmäntel oder eine integrale Ausgestaltung eines Kühlmantels für mehrere oder alle der Zylinder 18. Auf diese Weise kann auch ermöglicht werden, eine gegenüber der Anzahl der Zylinder 18 reduzierte Anzahl an Kühlmitteleinlässen 56 und Kühlmittelauslässen 58 vorzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Zylindergehäuse
12: Kühlmitteleinlasskanal
14: Kühlmittelauslasskanal
16: Zylinderlaufbuchse
18: Zylinder
20: Kolben
22: Pleuel
24: Kurbelzapfen
26: Kurbelwelle
28: Kurbelgehäuse
30: Ölwanne
32: Längsachse des Kolbens/Zylinders
34: Rotationsachse der Kurbelwelle
36: Zylinderkopf
38: Brennraum
40: Injektor
42: Einlassventil
44: Auslassventil
46: Dichtungsrille
48: Verteilerrille (Kühlkanal)
50: spiralförmig umlaufende Führungsrille (Kühlkanal)
52: parallel zur Längsachse verlaufende Führungsrille (Kühlkanal)
54: Trennwand
56: Kühlmitteleinlass
58: Kühlmittelauslass
60: Längsachse/Rotationsachse eines Kurbelzapfens
62: parallel umlaufende Führungsrille (Kühlkanal)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 8628188 U1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Water Jacket Spacer for Improvement of Cylinder Bore Temperature Distribution“ von Matsutani et al. (SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2005-01-1156) [0004]
„Analysis of Piston Friction – Effects of Cylinder Bore Temperature Distribution and Oil Temperature“ von Kimura et al. (SAE 2011-01-1746) [0005]

Claims

Hubkolbenvorrichtung mit einem einen Zylinder (18) ausbildenden Gehäuse und einem beweglich in dem Zylinder (18) gelagerten Kolben (20), wobei das Gehäuse einen den Zylinder (18) zumindest teilweise umgebenden Kühlmantel ausbildet, in dessen Wandungen ein Kühlmitteleinlass (56) und ein Kühlmittelauslass (58) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel mittels eines oder mehrerer Trennwände (54) in eine Mehrzahl von Kühlkanälen (48, 50, 52, 62) unterteilt ist.
Hubkolbenvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt mindestens eines, vorzugsweise aller Kühlkanäle (48, 50, 52, 62) kleiner als die Öffnungsquerschnitte des Kühlmitteleinlasses (56) und des Kühlmittelauslasses (58) ist.
Hubkolbenvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, vorzugsweise alle der jeweils zwei Kühlkanäle (48, 50, 52, 62) separierenden Trennwände (54) in die bezüglich des Zylinders (18) proximal gelegene Wandung des Kühlmantels integriert ist/sind.
Hubkolbenvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (18) zumindest teilweise von der Innenseite einer Zylinderlaufbuchse (16) ausgebildet ist, wobei die Zylinderlaufbuchse (16) auf ihrer Außenseite die Trennwand/Trennwände (54) ausbildet.
Hubkolbenvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel entlang der Längserstreckung des Zylinders (18) nur abschnittsweise vorgesehen ist oder die Kühlkanäle (48, 50, 52, 62) entlang der Längserstreckung des Zylinders (18) ungleichförmig ausgebildet sind.
Hubkolbenvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleinlass (56) und der Kühlmittelauslass (58) in Umfangsrichtung des Zylinders (18) versetzt angeordnet sind.
Hubkolbenvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleinlass (56) und der Kühlmittelauslass (58) bezogen auf die Längsachse (32) des Zylinders (18) auf der gleichen Höhe angeordnet sind.
Hubkolbenvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (48, 50, 52, 62) nicht direkt miteinander verbunden sind.
Brennkraftmaschine mit einer Hubkolbenvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine mit einer Hubkolbenvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder einem der von Anspruch 5 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel nur in einem den oberen Totpunkt einer zyklischen Bewegung des Kolben umfassenden Abschnitt vorgesehen sind oder die Kühlkanäle (48, 50, 52, 62) derart ausgebildet sind, dass die Kühlwirkung in dem den oberen Totpunkt umfassenden Drittel der Längserstreckung des Zylinders (18) größer als in dem mittleren Drittel und/oder dem unteren Drittel ist.