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Die Erfindung betrifft eine 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 einer Kurbelwelle in mindestens zwei Kurbelwellenlagern,
- - mindestens einer weiteren Welle, die in mindestens zwei Wellenlagern gelagert ist, und
- - einem ölführende Leitungen umfassenden Ölkreislauf zur Versorgung von mindestens zwei Lagern mit Öl, bei der
- - mindestens eine erste Wärmeleitung vorgesehen ist, die zwischen einem Lager und einem thermisch höher belasteten Bereich der Brennkraftmaschine verläuft, der zumindest in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine höhere Temperatur aufweist als das Lager.
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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. verbunden sind. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben eine entsprechende Anzahl an Zylinderrohren auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird 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 des Ventiltriebes.
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Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Dabei weist die obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme der Ölwanne, d. h. der unteren Kurbelgehäusehälfte, eine Flanschfläche auf. In der Regel wird zur Abdichtung der Ölwanne bzw. des Kurbelgehäuses gegenüber der Umgebung eine Dichtung in der bzw. an der Flanschfläche vorgesehen. Die Verbindung erfolgt häufig durch eine Verschraubung.
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Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen, die in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Kurbelwelle wird im Bereich der Kurbelwellenzapfen, die entlang der Kurbelwellenachse beabstandet zueinander angeordnet und in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind, gelagert. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit dem Kurbelgehäuse, d. h. den Kurbelgehäusehälften ausgebildet werden. Zwischen der Kurbelwelle und den Lagern können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.
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Im montierten Zustand ist jeder Lagersattel mit dem korrespondierenden Lagerdeckel verbunden. Jeweils ein Lagersattel und ein Lagerdeckel bilden - gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Lagerschalen als Zwischenelemente - eine Bohrung zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens. Die Bohrungen werden üblicherweise mit Motoröl, d. h. Schmieröl versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und dem dazugehörigen Kurbelwellenzapfen bei umlaufender Kurbelwelle - ähnlich einem Gleitlager - ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet. Alternativ kann ein Lager auch einteilig ausgebildet sein, beispielsweise bei einer gebauten Kurbelwelle.
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Zur Versorgung der Kurbelwellenlager mit Öl ist eine Pumpe zur Förderung von Motoröl zu den mindestens zwei Kurbelwellenlagern vorgesehen, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt.
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Zur Ausbildung der sogenannten Hauptölgalerie wird häufig ein Hauptversorgungskanal vorgesehen, der entlang der Längsachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Der Hauptversorgungskanal kann oberhalb oder unterhalb der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnet sein oder auch auf gleicher Höhe, insbesondere in die Kurbelwelle integriert werden.
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Die ölführenden Leitungen des Ölkreislaufs führen durch den Zylinderblock und gegebenenfalls durch den Zylinderkopf, können auch mehrmals aus dem Block bzw. Kopf austreten und wieder eintreten und können anstatt bzw. zusätzlich zu den Kurbelwellenlagern weitere Lager mit Öl versorgen, beispielsweise die Lager einer Nockenwelle, die in der Regel in einer zweiteiligen sogenannten Nockenwellenaufnahme gelagert ist. Die bereits hinsichtlich der Kurbelwellenlagerung gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise. Auch die Nockenwellenaufnahme ist üblicherweise mit Schmieröl zu versorgen, wozu eine Versorgungsleitung vorzusehen ist, die bei obenliegenden Nockenwellen bis in den Zylinderkopf reicht und nach dem Stand der Technik häufig mit der Hauptölgalerie verbunden ist und durch den Zylinderblock hindurchführt.
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Weitere Lager können beispielsweise die Lager einer Pleuelstange oder die Lager einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle sein.
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Die Reibung in den mit Öl zu versorgenden Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle, hängt maßgeblich von der Viskosität und damit von der Temperatur des bereitgestellten Öls ab und trägt zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei.
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Grundsätzlich ist man bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Neben einer verbesserten, d. h. effektiveren Verbrennung steht dabei auch die Reduzierung der Reibleistung im Vordergrund der Bemühungen. Ein verminderter Kraftstoffverbrauch trägt zudem auch zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen bei.
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Hinsichtlich der Reduzierung der Reibleistung sind eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, bei denen das Öl nach einem Kaltstart mittels Heizvorrichtung aktiv erwärmt wird. Die Heizvorrichtung selbst verbraucht aber wiederum Kraftstoff und trägt damit in kontraproduktiver Weise zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch bei. Andere Konzepte sehen vor, das im Betrieb erwärmte Motoröl in einem isolierten Behältnis zu speichern, so dass bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine bereits erwärmtes Öl zur Verfügung steht. Nachteilig an der letztgenannten Vorgehensweise ist, dass das im Betrieb erwärmte Öl zeitlich nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur gehalten werden kann, weshalb meistens ein erneutes Erwärmen des Öls in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erforderlich wird.
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Hinsichtlich der Reduzierung der Reibleistung muss berücksichtigt werden, dass dem Öl beim Durchströmen des unmittelbar nach einem Kaltstart noch nicht warmen Kurbelgehäuses zusätzlich Wärme entzogen wird, so dass die Erwärmung des Öls für sich ohne weitere Maßnahmen nicht zielführend sein kann.
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Selbst wenn das Öl nach einem Kaltstart mittels Heizvorrichtung erwärmt wird oder im bereits erwärmten Zustand aus einem isolierten Behältnis heraus gefördert wird, kühlt das warme Öl auf dem Weg zu den Lagern in den ölführenden Leitungen des Ölkreislaufs infolge der noch nicht aufgeheizten Motorstruktur wieder ab, so dass den Lagern kein spürbar wärmeres Öl zur Verfügung steht bzw. gestellt wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2015 211 549 A1 beschreibt ein Konzept, bei dem eine Wärmeleitung vorgesehen wird, die zwischen einem Kurbelwellenlager und einem thermisch höher belasteten Bereich der Brennkraftmaschine verläuft und Wärme in das Lager eintragen kann (siehe auch
1).
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Der thermisch höher belastete Bereich der Brennkraftmaschine ist ein Bereich, der sich in der Warmlaufphase schneller aufheizt, zumindest in der Warmlaufphase eine höhere Temperatur aufweist als das Lager und daher als Wärmequelle dienen kann. Bedingt durch die Temperaturdifferenz zwischen dem thermisch höher belasteten Bereich, beispielsweise dem Stegbereich zwischen zwei benachbarten Zylindern, und dem mit Wärme zu versorgenden Lager gelangt Wärme von einem heißeren Bereich der Brennkraftmaschine in das Lager und damit in das Öl, weshalb sich das Öl im Lager nach einem Kaltstart schneller erwärmt. Das wärmere Öl weist eine geringere Viskosität auf und führt zu einer Reduzierung der Reibleistung des Lagers.
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Nachteilig an dem in der
DE 10 2015 211 549 A1 beschriebenen Konzept ist, dass die Wärmemenge, welche über die Wärmeleitung abgeführt und in das Lager eingebracht wird, durch die maximal zulässige Lagertemperatur, die bei einem Kurbelwellenhauptlager 80°C bis 130°C betragen kann, beschränkt ist. Die Übertragungsleistung der Wärmeleitung muss nämlich in der Weise eingestellt werden, dass das Lager bei Volllast der Brennkraftmaschine nicht überhitzt. Das Potential des Konzepts lässt sich daher nicht voll ausschöpfen; insbesondere nicht in der Warmlaufphase. Das Motoröl könnte nämlich ohne die Beschränkung, welche sich aus der Volllastreglementierung ergibt, nach einem Kaltstart deutlich schneller erwärmt werden, wenn die Übertragungsleistung der Wärmeleitung in Hinblick auf die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eingestellt werden könnte.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Reibleistung optimiert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine 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 einer Kurbelwelle in mindestens zwei Kurbelwellenlagern,
- - mindestens einer weiteren Welle, die in mindestens zwei Wellenlagern gelagert ist, und
- - einem ölführende Leitungen umfassenden Ölkreislauf zur Versorgung von mindestens zwei Lagern mit Öl, bei der
- - mindestens eine erste Wärmeleitung vorgesehen ist, die zwischen einem Lager und einem thermisch höher belasteten Bereich der Brennkraftmaschine verläuft, der zumindest in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine höhere Temperatur aufweist als das Lager,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - mindestens eine zweite Wärmeleitung vorgesehen ist, die zwischen dem Lager und einem thermisch weniger belasteten Bereich der Brennkraftmaschine verläuft, der zumindest zeitweise eine niedrigere Temperatur aufweist als das Lager.
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Gegenüber dem Stand der Technik verfügt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nicht nur über mindestens eine erste Wärmeleitung, die Wärme in das Lager einträgt, sondern zusätzlich auch über mindestens eine zweite Wärmeleitung, die wieder Wärme aus dem Lager abführen kann.
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Die erste Wärmeleitung sorgt für eine Wärmekopplung zwischen dem Lager und einer Wärmequelle. Als Wärmequelle dient ein thermisch höher belasteter Bereich der Brennkraftmaschine, d. h. ein Bereich, der thermisch höher belastet ist, sich in der Warmlaufphase schneller aufheizt und daher zumindest in der Warmlaufphase eine höhere Temperatur aufweist als das zugehörige Lager. Getrieben durch die Temperaturdifferenz zwischen dem thermisch höher belasteten Bereich und dem mit Wärme zu versorgenden Lager gelangt Wärme in das Lager.
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Die zweite Wärmeleitung sorgt für eine Wärmekopplung zwischen dem Lager und einem thermisch weniger belasteten Bereich der Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Kühlmittelmantel einer Flüssigkeitskühlung, der zumindest zeitweise eine niedrigere Temperatur aufweist als das Lager, vorzugsweise und zumindest im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine eine niedrigere Temperatur aufweist als das Lager.
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Unter Verwendung der zweiten Wärmeleitung lässt sich insbesondere überschüssige Wärme aus dem Lager abführen, so dass die Wärmemenge, welche über die erste Wärmeleitung aus dem thermisch höher belasteten Bereich abgeführt und in das Lager eingebracht wird, nicht beschränkt werden muss und erfindungsgemäß auch nicht beschränkt ist. Wird die maximal zulässige Lagertemperatur überschritten, lässt sich die Temperatur im Lager dadurch senken, dass überschüssige Wärme via zweiter Wärmeleitung wieder abgeführt wird.
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Die Übertragungsleistung der ersten Wärmeleitung muss nicht im Hinblick auf die Volllast der Brennkraftmaschine eingestellt und damit beschränkt werden. Vielmehr kann dem Bedürfnis in der Warmlaufphase Rechnung getragen werden, das Motoröl nach einem Kaltstart möglichst schnell erwärmen zu wollen.
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Erfindungsgemäß wird das Lager via erster Wärmeleitung schnellst möglich erwärmt, indem das Potential der ersten Wärmeleitung genutzt und die übertragende Wärmemenge erhöht bzw. nicht beschränkt wird.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts wird auch bei einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten Brennkraftmaschine, insbesondere bei einer im Volllastbetrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mehr Wärme aus dem thermisch höher belasteten Bereich abgeführt, wodurch die Motorkühlung unterstützt wird bzw. die Effizienz der Motorkühlung erhöht wird.
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Dadurch, dass die überschüssige Wärme aus dem Lager via einer zweiten Wärmeleitung in einen thermisch weniger belasteten Bereich der Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Kühlmittelmantel einer Flüssigkeitskühlung, eingebracht wird, wird die Erwärmung des thermisch weniger belasteten Bereichs bzw. Kühlmittels unterstützt und beschleunigt, wodurch das Warmlaufverhalten der Brennkraftmaschine weiter verbessert und die Reibleistung weiter reduziert wird. Die Erwärmung des Kühlmittels ist von besonderem Interesse, wenn während der Warmlaufphase eine No-Flow-Strategie zum Einsatz kommt und sich das Kühlmittel nicht dadurch erwärmen kann, dass es die sich erwärmende Motorstruktur durchströmt.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich der Reibleistung optimiert ist.
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Vorzugsweise wird die Wärme nicht direkt in das im Lager befindliche Öl eingebracht, sondern vielmehr in den Lagersattel und/oder den Lagerdeckel bzw. in eine als Zwischenelement dienende Lagerschale. Das Öl selbst wird dann indirekt über die das Lager bildende Struktur erwärmt.
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Ein Öl höherer Temperatur, welches mittels Heizvorrichtung erwärmt wird oder aus einem Isolierbehältnis heraus gefördert wird, würde auf dem Weg zum Lager in den ölführenden Leitungen des Ölkreislaufs stark abkühlen, so dass dem Lager kein spürbar wärmeres Öl zur Verfügung steht bzw. gestellt wird. Erfindungsgemäß wird die Wärme durch eine erste Wärmeleitung gezielt an der Stelle eingetragen und zur Verfügung gestellt, an der Bedarf besteht, nämlich im Lager selbst.
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Erfindungsgemäß wird sich der Umstand zunutze gemacht, dass die Brennkraftmaschine über Bereiche verfügt, die sich in der Warmlaufphase schneller aufheizen als das mindestens eine Lager bzw. das im Lager befindliche Öl, und die Brennkraftmaschine über thermisch weniger belastete Bereiche und thermisch höher belastete Bereiche verfügt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Ölkreislauf eine Pumpe zur Förderung des Öls vorgesehen ist, die via Versorgungsleitung mit einer Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Kurbelwellenlagern führen, verbunden ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne zum Sammeln des Motoröls vorgesehen ist, und die Pumpe aus der Ölwanne stammendes Motoröl via Versorgungsleitung zu der Hauptölgalerie fördert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Lager Lagerschalen umfasst. Die durch die Lagerschalen ausgebildete Bohrung wird mit Öl versorgt, wobei die Innenfläche der Bohrung ein Gleitlager bildet.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Lager ein Wälzlager ist. Ein Wälzlager umfasst neben den Wälzkörpern einen äußeren und einen inneren Ring, welche einen Käfig bilden, in dem die Wälzkörper beweglich lagern. Mittels Wärmeleitung wird dann vorzugsweise Wärme in den äußeren Ring und indirekt in das Öl eingetragen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Lager ein Kurbelwellenlager ist. Die Kurbelwellenlager sind im Hinblick auf die Reibleistung der Brennkraftmaschine von besonderer Relevanz.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine weitere Welle eine Nockenwelle ist, die im Zylinderkopf in mindestens zwei Lagern gelagert ist. Es wird Bezug genommen auf die eingangs gemachten Ausführungen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine weitere Welle eine Ausgleichswelle ist, die in mindestens zwei Lagern gelagert ist.
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Die infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile auftretenden Massenkräfte erfordern einen Massenausgleich. Insbesondere die oszillierenden Bauteile machen umfangreiche Maßnahmen zum Ausgleich der Massenkräfte erforderlich, nämlich die Anordnung von Ausgleichswellen, deren Lagerung und Antrieb, wohingegen die Massenkräfte infolge rotierender Massen in einfacher Weise mit durch auf der Kurbelwelle angeordneten Gegengewichten bzw. Unwuchten ausgeglichen werden können.
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Aus diesem Grund wird häufig im Kurbelgehäuse eine Trägerstruktur vorgesehen, welche die mindestens eine Ausgleichswelle für den Massenausgleich trägt.
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Die Lager, in denen die Nockenwelle bzw. die Ausgleichswelle gelagert ist, können Lager sein, die via Wärmeleitung mit einem thermisch höher belasteten Bereich bzw. einem thermisch weniger belasteten Bereich der Brennkraftmaschine verbunden sind. Dies ist aber nicht zwingend, da die beiden vorstehenden Ausführungsformen auch realisiert werden können bei einer Brennkraftmaschine, deren Kurbelwellenlager via Wärmeleitung mit einem thermisch höher belasteten Bereich bzw. einem thermisch weniger belasteten Bereich der Brennkraftmaschine verbunden sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der thermisch höher belastete Bereich ein Bereich des mindestens einen Zylinderkopfes ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine erste Wärmeleitung Material umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Zylinderkopfes.
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In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass der Zylinderkopf und auch der Zylinderblock einer modernen Brennkraftmaschine ein thermisch hochbelastetes Bauteil ist und sich während der Warmlaufphase vergleichsweise schnell aufheizt, d. h. sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzepts als Wärmequelle eignet.
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Vorteilhaft können daher ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der thermisch höher belastete Bereich ein Bereich des Zylinderblocks ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine erste Wärmeleitung Material umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Zylinderblocks.
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Bei Brennkraftmaschinen, die zum Abführen des Abgases aus dem mindestens einen Zylinder ein Abgasabführsystem umfassen, können Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen der thermisch höher belastete Bereich ein Bereich des Abgasabführsystems ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine erste Wärmeleitung Material umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Abgasabführsystems. Ein Abgasabführsystem ist regelmäßig aus mehreren Komponenten wie Krümmer, Katalysator und dergleichen aufgebaut, die wiederum aus unterschiedlichsten Materialien gefertigt sein können. Insofern ist vorliegend die Wärmeleitfähigkeit des Abgasabführsystems von Relevanz, die den Bereich des Abgasabführsystems kennzeichnet, der als thermisch höher belasteter Bereich anzusehen ist bzw. genutzt wird.
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Das Abgasabführsystem heizt sich auch nach einem Kaltstart vergleichsweise schnell auf. Die Abgasleitung, die sich an die Auslassöffnung eines Zylinders anschließt, ist zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und wird zusammen mit anderen Abgasleitungen zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt.
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Zunehmend häufig werden Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf gegebenenfalls vorgesehenen Flüssigkeitskühlung zu partizipieren und die Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind. Zudem verkürzt sich die Wegstrecke von der Auslassöffnung des Zylinders bis hin zu einem im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem bzw. einer im Abgasabführsystem vorgesehenen Turbine.
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Die Tatsache, dass das Abgasabführsystem ein thermisch hoch belastetes Bauteil ist, erweist sich vorliegend als vorteilhaft. Vorzugsweise setzt die erste Wärmeleitung im vorliegenden Zusammenhang an einem im Zylinderkopf integrierten Krümmerabschnitt an, so dass einerseits das Zylinderkopfmaterial als tragende Struktur fungiert und andererseits die Wärme des Abgases genutzt werden kann. Zudem verkürzt sich die Wegstrecke, die von der Wärmeleitung bis hin zum Lager zu überbrücken ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der thermisch höher belastete Bereich ein Bereich der Abgasrückführung ist. Die Abgasrückführung kann dabei extern, d. h. außerhalb des Zylinderkopfes, aber auch durch den Zylinderkopf verlaufen, so dass der thermisch höher belastete Bereich ein Bereich der Abgasrückführung und gleichzeitig ein Bereich des Zylinderkopfes sein kann.
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Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der thermisch höher belastete Bereich ein Bereich zwischen den mindestens zwei Zylindern ist. Der Bereich zwischen zwei Zylindern ist thermisch besonders hoch belastet. Die an dieser Stelle ausgebildete Bohrungsbrücke erwärmt sich schnell und weist hohe Temperaturen auf. Die Wärme kann prinzipbedingt nur schwer abgeführt werden, wobei die von den Brennrauminnenwänden der Zylinder gebildete Fläche zur Wärmeübertragung in die Brücke groß ist und vergleichsweise lange vom heißen Abgas beaufschlagt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Wärmeleitung ein Wärmerohr ist.
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Ein Wärmerohr ist ein Wärmeüberträger, der unter Ausnutzung der Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte ermöglicht. Es können große Wärmemengen via kleinen Querschnittsflächen transportiert werden. Zwei Bauformen von Wärmerohren lassen sich unterscheiden, nämlich die Heatpipe und der Zwei-Phasen-Thermosiphon. Das Funktionsprinzip beider Bauformen ist dasselbe, wobei der Unterschied im Transport des verwendeten Mediums besteht. Der Vorteil eines Wärmerohrs ist, dass kein zusätzliches Transportmittel, beispielsweise eine Förderpumpe, erforderlich ist.
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Wärmerohre umfassen ein vorzugsweise in Rohren hermetisch gekapseltes Volumen eines Arbeitsmediums, beispielsweise Wasser oder Ammoniak, wobei das Arbeitsmedium volumenmäßig zu einem kleinen Teil in flüssigem und zu einem größeren Teil in dampfförmigem Zustand vorliegt. Bei Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dadurch wird der Druck auf den flüssigen Teil unter Ausbildung eines geringen Druckgefälles innerhalb des Wärmerohrs erhöht. Der entstandene Dampf strömt in Richtung eines Kondensators, an dem der Dampf auskondensiert und die zuvor aufgenommene Wärme wieder abgibt. Das flüssige Arbeitsmedium kehrt beim Thermosiphon durch Schwerkraft und bei der Heatpipe durch Kapillarkräfte wieder zurück zu einem Verdampfer. Der Verdampfer wird an der Wärmequelle platziert, wohingegen der Kondensator erfindungsgemäß lagerseitig vorzusehen ist.
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Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist deutlich kleiner als der von Metallen. Es herrscht eine beinah konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs, so dass Übertragungsverluste nahezu vernachlässigbar sind. Wärmerohre können daher auch bei gleicher Übertragungsleistung kleiner dimensioniert werden als Metallleitungen.
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Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen mindestens eine Wärmeleitung eine Metallleitung ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Kühlmittel führende Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
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Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung in Grenzen zu halten, muss häufig ein Teil des in den Zylinderkopf bzw. in den Zylinderblock eingeleiteten Wärmestromes mittels Kühlung gezielt abgeführt werden.
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Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung. Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Kopfes bzw. Blocks mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Kopf bzw. Block führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme muss nicht an die Oberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Kopfes bzw. Blocks abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Zylinderblock zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Ist zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung ein integrierter Kühlmittelmantel vorgesehen, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der thermisch weniger belastete Bereich ein integrierter Kühlmittelmantel ist, so dass die mindestens eine zweite Wärmeleitung vorzugsweise in den integrierten Kühlmittelmantel mündet und zumindest bereichsweise mit Kühlmittel beaufschlagt ist. Im Einzelfall kann die zweite Wärmeleitung auch in unmittelbarer Nähe zum integrierten Kühlmittelmantel enden.
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Vorliegend wird überschüssige Wärme aus dem Lager mittels einer zweiten Wärmeleitung in das Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung eingebracht bzw. eingespeist, d. h. zur Erwärmung des Kühlmittels genutzt. Dadurch kann der Aufheizvorgang des Kühlmittels während der Warmlaufphase beschleunigt werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich diese Variante, falls während der Warmlaufphase eine No-Flow-Strategie angewendet wird und sich das Kühlmittel nicht dadurch erwärmen kann, dass es die sich erwärmende Motorstruktur durchströmt.
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Grundsätzlich kann nämlich 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 bzw. eingestellt wird, kann dadurch realisiert werden, dass die Zirkulation des Kühlmittels unterbunden wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock unabhängig voneinander gesteuert werden kann, insbesondere da die beiden Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen. Die Kühlmittelströme können dann in Abhängigkeit vom jeweiligen Warmlaufverhalten und den momentan vorliegenden Temperaturen und Zielen gesteuert werden.
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Die vorstehend dargelegte Kühlstrategie während der Warmlaufphase erweist sich im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Konzept als besonders vorteilhaft.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine erste Wärmeleitung ausgelegt und eingestellt ist, möglichst viel Wärme zu übertragen. Dann wird das Öl im Lager in der Warmlaufphase möglichst schnell erwärmt.
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Bei aufgeheizter Brennkraftmaschine wird gegebenenfalls mehr Wärme aus dem thermisch höher belasteten Bereich abgeführt als für das Lager erforderlich oder vorteilhaft ist. Dadurch wird aber grundsätzlich auch die Motorkühlung unterstützt, wobei die überschüssige Wärme wieder aus dem Lager via einer zweiten Wärmeleitung in einen thermisch weniger belasteten Bereich der Brennkraftmaschine abgeführt wird, beispielsweise in das Kühlmittel einer Flüssigkeitskühlung.
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Vorteilhaft sind auch daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine zweite Wärmeleitung ausgelegt und eingestellt ist, Wärme zu übertragen, sobald die Temperatur im Lager eine vorgebbare Grenztemperatur überschreitet.
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Die vorgegebene Grenztemperatur wird vorteilhafterweise durch die maximal zulässige Lagertemperatur bestimmt, die im Einzelfall und abhängig vom verwendeten Motoröl bei einem Kurbelwellenhauptlager 80°C bis 130°C betragen kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine erste Wärmeleitung und/oder die mindestens eine zweite Wärmeleitung im Zylinderkopf und/oder im Zylinderblock integriert sind. Dann dient der Zylinderkopf bzw. der Zylinderblock als tragende Struktur für die Leitung und als Schutzhülle für die Leitung. Zudem verkürzen sich die Wege zwischen dem Lager und dem thermisch höher belasteten Bereich bzw. dem Lager und dem thermisch weniger belasteten Bereich.
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Die Wärmeleitung kann auch durch die Flüssigkeitskühlung verlaufen, so dass die Wärmeleitung zumindest abschnittsweise mit Kühlmittel beaufschlagt ist.
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Verläuft die mindestens eine erste Wärmeleitung durch die Flüssigkeitskühlung, entzieht das bei aufgeheizter Brennkraftmaschine zirkulierende Kühlmittel der ersten Wärmeleitung Wärme, die dann nicht mehr in das Lager eingetragen werden kann bzw. wird. Zu diesem Zeitpunkt wird auch regelmäßig weniger Wärme benötigt, da das Öl im Lager bei aufgeheizter Brennkraftmaschine in der Regel Betriebstemperatur erreicht hat. Einer Überhitzung des Öls und damit einer beschleunigten Alterung des Öls wird dadurch zusätzlich entgegen gewirkt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung schematisch und im Querschnitt den Zylinderblock einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Lager zur Aufnahme einer Kurbelwelle, und
- 2 in einer perspektivischen Darstellung schematisch und im Querschnitt den Zylinderblock einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem Lager zur Aufnahme einer Kurbelwelle.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung schematisch und im Querschnitt den Zylinderblock 1 einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Lager 2 zur Aufnahme einer Kurbelwelle.
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Der als obere Kurbelgehäusehälfte dienende Zylinderblock 1 verfügt zur Lagerung der Kurbelwelle über mindestens zwei Lager 2, von denen in 1 ein halbes Lager 2 dargestellt ist. Die Aufnahme 3 dient als Lagerdeckel 3 zur Aufnahme der Kurbelwelle. Als Zwischenelement zwischen Lagerdeckel 3 und Kurbelwelle ist eine Lagerschale 2a vorgesehen, die eine Hälfte eines Gleitlagers 2 bildet. Zur Versorgung des Lagers 2 mit Öl ist ein Ölkreislauf mit mehreren ölführenden Leitungen vorgesehen (nicht dargestellt).
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Eine erste Wärmeleitung 4a verläuft zwischen dem Lager 2 und einem thermisch höher belasteten Bereich 6 des Zylinderblocks 1. Der thermisch höher belastete Bereich 6 ist vorliegend ein Bereich 6a zwischen zwei benachbarten Zylindern 1a, in dem eine sogenannte Bohrungsbrücke 1b ausgebildet wird, die sich während der Warmlaufphase schnell erwärmt und hohe Temperaturen aufweist. Wärme wird mittels erster Wärmeleitung 4a von der Bohrungsbrücke 1b zur Lagerschale 2a geleitet, um das im Lager 2 befindliche Öl zu erwärmen.
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Zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung 5 verfügt der Zylinderblock 1 über einen integrierten Kühlmittelmantel 5a, welcher die Zylinderbohrung 1a ummantelt.
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2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung schematisch und im Querschnitt den Zylinderblock 1 einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Lager 2 zur Aufnahme einer Kurbelwelle. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform nach dem Stand der Technik erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zum Stand der Technik verfügt der Zylinderblock 1 über zwei weitere Wärmeleitungen 4b, sogenannte zweite Wärmeleitungen 4b, die zwischen dem Lager 2 und einem thermisch weniger belasteten Bereich 7 verlaufen. Als thermisch weniger belasteter Bereich 7 dient vorliegend jeweils der Kühlmittelmantel 5a der Flüssigkeitskühlung 5, der zumindest zeitweise eine niedrigere Temperatur aufweist als das Lager 2.
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Unter Verwendung der zweiten Wärmeleitungen 4b lässt sich überschüssige Wärme aus dem Lager 2 abführen, so dass die Wärmemenge, welche über die erste Wärmeleitung 4a aus dem thermisch höher belasteten Bereich 6 abgeführt und in das Lager 2 eingebracht wird, nicht beschränkt werden muss, um eine Überhitzung des Lagers 2 sicher zu vermeiden. Wird die maximal zulässige Lagertemperatur überschritten, lässt sich die Temperatur im Lager 2 dadurch senken, dass überschüssige Wärme mittels der zweiten Wärmeleitungen 4b wieder abgeführt wird.
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Die überschüssige Wärme aus dem Lager 2 wird zum Erwärmen eines thermisch weniger belasteten Bereichs genutzt, nämlich dem Kühlmittelmantel 5a bzw. dem Kühlmittel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderblock
- 1a
- Zylinderbohrung, Zylinder
- 1b
- Bohrungsbrücke
- 2
- Lager, Kurbelwellenlager
- 2a
- Lagerschale
- 3
- Aufnahme, Lagerdeckel
- 4a
- erste Wärmeleitung
- 4b
- zweite Wärmeleitung
- 5
- Flüssigkeitskühlung
- 5a
- Kühlmittelmantel
- 6
- thermisch höher belasteter Bereich
- 6a
- Bereich zwischen benachbarten Zylindern
- 7
- thermisch weniger belasteter Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015211549 A1 [0020, 0022]
