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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder,
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme mindestens eines Kolbens,
- - jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch den zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse translatorisch verschiebbar ist, und
- - der Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume, miteinander verbindbar bzw. miteinander verbunden sind. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
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Der Zylinderkopf dient zur Aufnahme der Steuerorgane und bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme der Ventiltriebe im Ganzen. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die mindestens eine Auslassöffnung und das Füllen des Brennraums über die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden. Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderbuchsen eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird entlang der Zylinderlängsachse axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
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Die Kolben dienen der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist jeder Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung der Ventiltriebe.
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Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse regelmäßig durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte.
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Der Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ist ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil, wobei die Anforderungen an den Zylinderblock zunehmen. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig - mittels Abgasturboauflader oder mechanischem Lader - aufgeladen werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, d. h. Wirkungsgrad zu verbessern. Dadurch steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine sicher verhindern.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks geführten Luftströmung erfolgt.
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Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grunde werden Brennkraftmaschinen zunehmend mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine Flüssigkeitskühlung, wobei zumindest der Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist.
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Eine Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel, der das Kühlmittel durch den Zylinderblock führt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel beispielsweise in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet ist, wieder entzogen.
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Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Blockoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderblocks 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 aus dem Inneren des Zylinderblocks abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderblocks wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
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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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Wie der Zylinderblock kann auch der Zylinderkopf mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist regelmäßig 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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Die Ausstattung des Zylinderblocks mit einer Flüssigkeitskühlung und mindestens einem Kühlmittelmantel, führt bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik zu großen Temperaturgradienten im Block, insbesondere im Stegbereich, d. h. in dem Bereich zwischen zwei benachbarten Zylindern, der auch als Bohrungsbrücke bezeichnet wird. Bedingt ist dies auch dadurch, dass die Konzipierung der Kühlung nach dem Stand der Technik nicht bedarfsgerecht, sondern vielmehr im Hinblick auf das Herstellungsverfahren des Zylinderblocks erfolgt, der regelmäßig im Gießverfahren hergestellt wird, wodurch die Anordnung und Formgebung der Kühlmittelmäntel stark beeinflusst ist und limitiert wird.
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Die großen Temperaturunterschiede im Zylinderblock resultieren in einem mehr oder weniger großen thermischen Verzug des Zylinderrohres eines Zylinders. Dieser sogenannte Bohrungsverzug hat in der Praxis mehrere nachteilige Effekte.
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Um den Bohrungsverzug zu verringern, werden nach dem Stand der Technik Schlitze und/oder kleinere Bohrungen durch spanabhebende Bearbeitung des Zylinderblocks im Stegbereich eingebracht. Diese Maßnahme führt aber nur zu einer geringfügigen Verbesserung, da nicht der gesamte Bereich zwischen zwei benachbarten Zylindern bearbeitet werden kann. Zudem wird der hoch beanspruchte Block in seiner Festigkeit und Dauerhaltbarkeit geschwächt.
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Damit der Kolben im Zusammenwirken mit dem Zylinderrohr und den Kolbenringen den Brennraum trotz Bohrungsverzug effektiv gegenüber dem Kurbelgehäuse abdichten kann, werden die Vorspannkräfte der Ringe nach dem Stand der Technik erhöht, wodurch aber in nachteiliger Weise die Reibung bzw. Reibleistung der Brennkraftmaschine ebenfalls erhöht wird.
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Grundsätzlich ist man bemüht, die Reibleistung einer Brennkraftmaschine zu minimieren, um den Kraftstoffverbrauch und damit auch die Schadstoffemissionen zu mindern.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des thermisch bedingten Bohrungsverzugs im Zylinderblock verbessert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder,
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme mindestens eines Kolbens,
- - jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch den zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse translatorisch verschiebbar ist, und
- - der Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - der Zylinderblock zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelkanal ausgestattet ist, wobei mindestens ein Kühlmittelkanal unter Ausbildung von Schleifen entlang der Zylinderlängsachse und beabstandet zum Zylinderrohr mäandert, und
- - die Dichte der Schleifen in Richtung des mindestens einen Zylinderkopfes zunimmt.
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Der Zylinderblock einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt im Gegensatz zum Stand der Technik nicht über einen großflächigen Kühlmittelmantel, welcher das mindestens eine Zylinderrohr zumindest bereichsweise bedeckt bzw. umschließt und das Herstellen mittels Gießen gestattet.
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Vielmehr wird zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mindestens ein Kühlmittelkanal im Zylinderblock vorgesehen bzw. integriert. Dabei wird mindestens ein Kühlmittelkanal um ein Zylinderrohr herumgeführt und zwar in der Weise, dass dieser Kanal unter Ausbildung von Schleifen entlang der Zylinderlängsachse und beabstandet zum Zylinderrohr mäandert. Der Kanal umschlingt das Zylinderrohr über einen Winkel γ. Diese Ausgestaltung der Flüssigkeitskühlung, bei der entsprechend dem tatsächlichen Kühlbedarf Kanäle durch den Zylinderblock geführt werden können, wird durch das Herstellen des Blocks unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens ermöglicht, bei dem der Zylinderblock schichtweise aufgebaut wird.
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Folglich kann auch dem Umstand Rechnung getragen werden, dass ein Zylinderblock im Stegbereich thermisch besonders hoch belastet ist und die thermische Belastung grundsätzlich in Richtung des Zylinderkopfes zunimmt, d. h. entlang der Zylinderlängsachse zum Zylinderkopf hin ansteigt.
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Erfindungsgemäß nimmt daher auch die Dichte der Schleifen in Richtung des mindestens einen Zylinderkopfes zu. Als Schleife wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Kanalabschnitt bezeichnet, der zwei Schenkel und ein diese zwei Schenkel verbindendes Zwischenstück umfasst, wobei die Schenkel regelmäßig quer zur Zylinderlängsachse verlaufen und das Zwischenstück regelmäßig parallel zur Zylinderlängsachse verläuft. Für das Kühlmittel ergibt sich insofern eine Hauptförderrichtung entlang der Zylinderlängsachse; auf den Zylinderkopf zu bzw. vom Zylinderkopf weg.
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Nimmt die Dichte der Schleifen zu, bedeutet dies, dass die Anzahl an Schleifen bzw. die Anzahl der die Schleifen ausbildenden Kanalabschnitte pro Wegstrecke in Richtung der Zylinderlängsachse zunimmt. Mit zunehmender Dichte der Schleifen sind die schenkelartigen Kanalabschnitte weniger weit voneinander beabstandet, wodurch die Kühlleistung ebenfalls zunimmt.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich des thermisch bedingten Bohrungsverzugs im Zylinderblock verbessert ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Kühlmittelkanal unter Ausbildung von u-förmigen Schleifen entlang der Zylinderlängsachse und beabstandet zum Zylinderrohr mäandert.
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Die u-förmige Gestaltung der Schleifen trägt dem Umstand Rechnung, dass eine Schleife erfindungsgemäß zwei Schenkel und ein diese zwei Schenkel verbindendes Zwischenstück umfasst. Vorzugsweise verlaufen die Schenkel quer zur Zylinderlängsachse und das Zwischenstück erstreckt sich parallel zur Zylinderlängsachse.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Kühlmittelkanal unter Ausbildung von Schleifen entlang der Zylinderlängsachse und beabstandet zum Zylinderrohr mäandert und das Zylinderrohr dabei mit einem Winkel γ umschlingt.
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Bei der Festlegung der Größe des Umschlingungswinkels γ muss die mittels Flüssigkeitskühlung angestrebte Zielsetzung berücksichtigt werden, insbesondere auch, in welchem Bereich des Zylinderblocks ein Kanal angeordnet wird und welche Möglichkeiten dieser Bereich bietet bzw. welche Erfordernisse die thermische Belastung in diesem Bereich von der Kühlung verlangt.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≤ 360°. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein Kanal das Zylinderrohr vollständig, d. h. vollumfänglich umschlingen.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≤ 270°. Diese Ausführung eignet sich beispielsweise für einen außenliegenden Zylinder eines Reihenmotors, wobei der Kanal vorwiegend auf der vom benachbarten innenliegenden Zylinder abgewandten Seite angeordnet ist bzw. verläuft.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≤ 180°. Diese Ausführung eignet sich beispielsweise für einen innenliegenden Zylinder eines Reihenmotors, wobei der Kanal zwischen den zwei Bohrungsbrücken mit den benachbarten Zylindern angeordnet ist bzw. verläuft. Gleiches gilt auch für die folgende Ausführungsform.
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Vorteilhaft können nämlich in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≤ 90°. Diese Ausführung eignet sich darüber hinaus auch für die Kühlung einer Bohrungsbrücke, d. h. für die Kühlung des Bereichs zwischen benachbarten Zylindern, der thermisch besonders hoch belastet ist und daher auch den größten Kühlbedarf aufweist. Gleiches gilt auch für die folgende Ausführungsform.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≤ 60°. Auch diese Ausführung eignet sich für die Kühlung der Bohrungsbrücke zwischen zwei benachbarten Zylindern.
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Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern können daher auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen mindestens ein integrierter Kühlmittelkanal zwischen zwei benachbarten Zylindern im Stegbereich verläuft und mäandert.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen zwei integrierte Kühlmittelkanäle zwischen zwei benachbarten Zylindern im Stegbereich verlaufen und mäandern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der Zylinderblock zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens zwei integrierten Kühlmittelkanälen ausgestattet ist. Dann kann ein Zylinder einer Mehr-Zylinder-Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren Kühlmittelkanälen versehen werden, beispielsweise einem Kanal, der im Stegbereich mäandert und einen kleineren Umschlingungswinkel γ aufweist, und einem Kanal, der das Zylinderrohr außerhalb des Stegbereichs über einen größeren Winkel γ umfänglich umschlingt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei integrierte Kühlmittelkanäle über eine separate eigenständige Kühlmittelversorgung verfügen. Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass unterschiedliche Bereiche des Blocks einen unterschiedlich großen Kühlbedarf aufweisen.
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Eine separate eigenständige Kühlmittelversorgung ermöglicht beispielsweise einen höheren Kühlmitteldurchsatz durch einen Kanal, der im Stegbereich mäandert, und einen weniger hohen Kühlmitteldurchsatz durch einen Kanal, der das Zylinderrohr außerhalb des Stegbereichs umschlingt. Neben einer Variation des Kühlmitteldurchsatzes lässt sich auch eine unterschiedliche Kühlmitteltemperatur realisieren, gegebenenfalls ein unterschiedliches Kühlmittel verwenden; beispielsweise Wasser und Öl.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr eines Zylinders als Zylinderbohrung des Zylinderblocks ausgebildet ist.
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Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr eines Zylinders eine Zylinderbuchse ist, die in den Zylinderblock eingesetzt ist.
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Die beiden vorstehenden Ausführungsformen unterscheiden sich dadurch, dass der Kolben einmal direkt im Zylinderblock aufgenommen und gelagert wird, wozu eine Zylinderbohrung dient, und ein anderes Mal eine Buchse zur Aufnahme des Kolbens vorgesehen ist, wobei diese Buchse im Block aufgenommen wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bildet der Begriff Zylinderrohr den Gattungsbegriff, unter den die Bezeichnungen bzw. Ausführungsformen Zylinderbohrung und Zylinderbuchse subsumiert werden können.
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Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zylinderblock mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt wird, bei dem der Zylinderblock schichtweise aufgebaut wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Zylinderblock zumindest auch mittels 3D-Drucken hergestellt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1, 2, 3a und 3b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung schematisch die im Zylinderblock integrierten Kühlmittelkanäle von zwei benachbarten Zylindern einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
- 2 in einer Draufsicht schematisch den Zylinderblock mitsamt Kühlmittelkanälen einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
- 3a in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Zylinderrohre von zwei benachbarten Zylindern einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik, und
- 3b in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Zylinderrohre von zwei benachbarten Zylindern einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung schematisch die im Zylinderblock 1 integrierten Kühlmittelkanäle 5 von zwei benachbarten Zylindern 3 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Jeder Zylinder 3 ist mit zwei Kühlmittelkanälen 5 ausgestattet, von denen jeweils ein Kanal 5 das Zylinderrohr 2 außerhalb des Stegbereichs über einen größeren Winkel γ nahezu vollumfänglich umschlingt und ein anderer Kanal 5 im Stegbereich zwischen den Zylindern 3 mäandert und einen kleineren Umschlingungswinkel γ aufweist.
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Folglich sind insgesamt vier Kühlmittelkanäle 5 vorgesehen, von den zwei zwischen den Zylindern 3, d. h. im Stegbereich, mäandern. Die Kühlmittelkanäle 5 sind miteinander verbunden und werden über eine gemeinsame Kühlmittelversorgung 6 mit Kühlmittel versorgt. Der im Stegbereich verlaufende Kanal 5 eines Zylinders 3 zweigt von dem anderen zylinderzugehörigen Kühlmittelkanal 5 ab.
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Die Kühlmittelkanäle 5 mäandern unter Ausbildung von Schleifen jeweils entlang der Zylinderlängsachse 7 und beabstandet zum Zylinderrohr 2, wobei die Dichte der Schleifen in Richtung des nicht dargestellten Zylinderkopfes, d. h. in Richtung des oberen Bildrandes jeweils zunimmt.
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Die Schleifen sind u-förmig ausgebildet. Eine Schleife umfasst zwei schenkelartige Kanalabschnitte, die quer zur Zylinderlängsachse 7 verlaufen und via Zwischenstück miteinander verbunden sind, wobei das Zwischenstück halbkreisförmig ausgebildet ist und eine Wegstrecke parallel zur Zylinderlängsachse 7 überbrückt. Mit zunehmender Dichte der Schleifen sind die schenkelartigen Kanalabschnitte weniger weit voneinander beabstandet, wodurch die Kühlleistung zunimmt. Für das Kühlmittel ergibt sich eine Hauptförderrichtung entlang der Zylinderlängsachsen 7.
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2 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Zylinderblock 1 mitsamt Kühlmittelkanälen 5 einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Es handelt sich um den Zylinderblock 1 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, bei dem die vier Zylinder 3 entlang der Längsachse 8 des Zylinderblocks 1 in Reihe angeordnet sind.
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Die beiden außenliegenden Zylinder 3 sind jeweils mit zwei Kühlmittelkanälen 5a, 5b ausgestattet, von denen jeweils ein erster Kanal 5a das Zylinderrohr 2 auf der vom benachbarten innenliegenden Zylinder 3 abgewandten Seite außerhalb des Stegbereichs über einen größeren Winkel γ ≈ 270° umschlingt und ein zweiter Kanal 5b im Stegbereich zwischen den Zylindern 3 mäandert und einen kleineren Umschlingungswinkel γ ≈ 60° aufweist.
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Die beiden innenliegenden Zylinder 3 sind jeweils mit vier Kühlmittelkanälen 5a, 5b ausgestattet. Zwei erste Kanäle 5a sind beidseits des Zylinders 3 zwischen den zwei Bohrungsbrücken mit den benachbarten Zylindern 3 angeordnet und mäandern außerhalb des Stegbereichs jeweils über einen Winkel γ ≈ 95°. Zwei zweite Kanäle 5b mäandern jeweils im Stegbereich, d. h. in der Bohrungsbrücke des Zylinders 3 mit einem benachbarten Zylinder 3, und weisen einen kleineren Umschlingungswinkel γ ≈ 60° auf.
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Es sind zwei eigenständige Kühlmittelversorgungen 6a, 6b vorgesehen, wobei die ersten Kühlmittelkanäle 5a und die zweiten Kühlmittelkanäle 5b separat mit Kühlmittel versorgt werden.
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Dies ist beispielhaft für den linken außenliegenden Zylinder 3 dargestellt. Der erste außerhalb des Stegbereichs verlaufende Kanal 5a wird mittels einer ersten Kühlmittelversorgung 6a mit Kühlmittel versorgt, wohingegen die zweite Kühlmittelversorgung 6b die zweiten im Stegbereich zwischen den Zylindern 3 mäandernden Kanäle 5b mit Kühlmittel versorgt.
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Charakteristische Betriebsgrößen der Kühlmittelversorgung 6a, 6b, wie Kühlmitteldurchsatz und Kühlmitteltemperatur, können kanalspezifisch und damit auch bedarfsgerecht gewählt und eingestellt werden.
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Die separate Kühlmittelversorgung 6a, 6b ermöglicht insbesondere einen höheren Kühlmitteldurchsatz durch die zweiten Kanäle 5b, die im thermisch hoch belasteten Stegbereich mäandern, und einen weniger hohen Kühlmitteldurchsatz durch den ersten Kanal 5a, der den Zylinder 3 außerhalb des Stegbereichs umschlingt.
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3a zeigt in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Zylinderrohre 2' von zwei benachbarten Zylindern einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik.
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Deutlich zu erkennen ist der thermische Bohrungsverzug der Zylinderrohre 2', der in Richtung des Zylinderkopfes, d. h. nach oben hin, zunimmt und ein effektives Abdichten der Brennräume erschwert bzw. hohe Vorspannkräfte für die Kolbenringe erfordert.
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3b zeigt in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Zylinderrohre 2 von zwei benachbarten Zylindern einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit Kühlmittelkanälen, die unter Ausbildung von Schleifen entlang der Zylinderlängsachse und beabstandet zum Zylinderrohr 2 mäandern und deren Dichte in Richtung des Zylinderkopfes zunimmt, vermindert den thermische Bohrungsverzug der Zylinderrohre 2 signifikant.
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Bezugszeichen
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- 1
- Zylinderblock
- 2
- Zylinderrohr
- 2'
- Zylinderrohr nach dem Stand der Technik
- 2a
- Zylinderrohr eines außenliegender Zylinders
- 2b
- Zylinderrohr eines innenliegender Zylinders
- 3
- Zylinder
- 3a
- außenliegender Zylinder
- 3b
- innenliegender Zylinder
- 4
- Steg, Bohrungsbrücke
- 5
- Kühlmittelkanal
- 5a
- erster Kühlmittelkanal
- 5b
- zweiter Kühlmittelkanal
- 6
- Kühlmittelversorgung
- 6a
- erste Kühlmittelversorgung, Kühlmittelversorgung des ersten Kühlmittelkanals
- 6b
- zweite Kühlmittelversorgung, Kühlmittelversorgung des zweiten Kühlmittelkanals
- 7
- Zylinderlängsachse
- 8
- Längsachse des Zylinderblocks
- γ
- Umschlingungswinkel
