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Die Erfindung betrifft ein Kurbelgehäuse einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine, wobei das Kurbelgehäuse Zylinderlaufbahnen für Kolben aufweist, sowie das Kurbelgehäuse benachbart den Zylinderlaufbahnen, in oberen Totpunktbereichen der Kolben, Kühlmäntel aufweist, wobei der jeweilige Kühlmantel einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist, sowie der jeweilige Kühlmantel in eine Mehrzahl von umlaufenden Kühlkanälen unterteilt ist.
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Durch die Unterteilung der den Zylindern zugeordneten Kühlmäntel in eine Mehrzahl von Kühlkanälen wird eine große Wandfläche im Kurbelgehäuse geschaffen, die mit einem die Kühlmäntel durchströmenden Kühlmittel in Kontakt kommt. Hierdurch kann ein entsprechend hoher Wärmeübergang von dem Kurbelgehäuse auf das Kühlmittel erreicht werden. Dadurch kann gegebenenfalls ermöglicht werden, einen insgesamt verringerten Volumenstrom des Kühlmittels durch die Kühlmäntel zirkulieren zu lassen, ohne dass dadurch die Kühlleistung reduziert würde. Bei dem Kühlmittel handelt es sich üblicherweise um Kühlwasser.
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Insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes des jeweiligen Kolbens ist eine präzise, optimale Kühlung erforderlich. So wird im oberen Totpunkt die zyklische Hin-und-HerBewegung des in dem entsprechenden Zylinder geführten Kolbens umgekehrt und in dessen Nähe eine Verbrennung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Zylinder eingeleitet.
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Ein Kurbelgehäuse der eingangs genannten Art, das die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus der
DE 10 2016 125 619 A1 bekannt. Bei diesem weist der jeweilige Kühlmantel mehrere identische, als Ring ausgebildete Kühlkanäle auf. Die Ringe weisen somit einen identischen Innendurchmesser und einen identischen Außendurchmesser sowie eine identische Erstreckung in Richtung der Zylinderlängsachse auf. Die Kühlkanäle benachbarter Kühlmäntel sind miteinander verbunden, sodass das Kühlmittel von dem einen Kühlmantel in den anderen Kühlmantel gelangen kann. Hergestellt wird das Kurbelgehäuse mittels Gießen. Hierbei findet ein Kühlmantelkern Verwendung, der entsprechend der später hergestellten diversen Kühlmäntel, die miteinander verbunden sind, und deren Kühlmitteleinlässen und Kühlmittelauslässen gestaltet ist.
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In der
DE 10 2017 205 384 A1 ist ein Kurbelgehäuse einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine beschrieben, wobei dieses Kurbelgehäuse helixförmige Kühlkanäle aufweist, die die Zylinder umgeben. Die Kühlkanäle weisen vorzugsweise eine Breite von 4 mm und eine Höhe von 11 mm auf.
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Aus der
WO 2016/202330 A2 ist es bei einem Kurbelgehäuse einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine grundsätzlich bekannt, dass eine schmale Mantelgeometrie eines jeweiligen eine Zylinderlaufbahn umgebenden Kühlmantels vergleichsweise wenig Kühlmittel und eine relativ geringe Pumpleistung zum Fördern des Kühlmittels durch den jeweiligen Kühlmantel beansprucht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kurbelgehäuse der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass im Bereich der Kühlkanäle des jeweiligen Kühlmantels ein besonders gutes Wärmeübertragungsverhalten gewährleistet ist, bei hoher Steifigkeit des Kurbelgehäuses in dessen der Zylinderlaufbahn des jeweiligen Kühlmantels benachbarten Bereich.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Kurbelgehäuse, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei dem Kurbelgehäuse ist, betreffend den jeweiligen Kühlmantel, die Wandstärke zwischen dem jeweils dem oberen Totpunkt des Kolbens näheren Kühlkanal und der von diesem Kühlmantel umschlossenen Zylinderlaufbahn geringer als die Wandstärke zwischen dem jeweils dem oberen Totpunkt des Kolbens ferneren Kühlkanal und der von diesem Kühlmantel umschlossenen Zylinderlaufbahn. Ferner ist die Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals dieses Kühlmantels in Richtung der Zylinderlängsachse größer als in einer Radialrichtung bezüglich der Zylinderlängsachse.
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Die Wandstärke von mindestens zwei Kühlkanäle des jeweiligen Kühlmantels zur Zylinderlaufbahn des Zylinders ist unterschiedlich. Somit kann durch die unterschiedliche Restwandstärke zur Zylinderlaufbahn die Kühlwirkung verbessert bzw. reduziert werden. Dadurch, dass der jeweilige Kühlmantel mehrere Kühlkanäle aufweist, lässt sich eine Homogenisierung des Temperaturverlaufs über die Längserstreckung der Zylinderlaufbahn erreichen. Die geringe Höhe und Dicke des jeweiligen Kühlkanals ermöglicht mit einem relativ geringen Kühlmittelvolumen im Bereich des Brennraums der Brennkraftmaschine zu kühlen. Dies ermöglicht eine schnellere Aufheizung der Brennkraftmaschine, womit sich der Verbrauch und Emissionen verbessern. Durch die unterschiedlichen Wandstärken zwischen mindestens zwei Kühlkanälen des jeweiligen Kühlmantels und der Zylinderlaufbahn lässt sich eine weitere Temperaturhomogenisierung erreichen. So variiert die Kühlungseffizienz über der Höhe und kann dem gewünschten Wärmetransport aus dem Brennraum angepasst werden. Da mindestens zwei Kühlkanäle auf unterschiedlichen Durchmessern liegen und so entsprechend der Restwandstärke zur Zylinderlaufbahn angeordnet sind, lässt sich die Kühlwirkung verbessern bzw. reduzieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt, bezogen auf den oberen Totpunktbereich des jeweiligen Kolbens somit die Wandstärke der Kühlkanäle des jeweiligen Kühlmantels zur Zylinderlaufbahn dieses Zylinders von Kühlkanal zu Kühlkanal in Richtung des unteren Totpunktbereiches des Kolbens zu. Somit kann besonders bevorzugt durch die unterschiedliche Restwandstärke zur Zylinderlaufbahn die Kühlwirkung verbessert bzw. reduziert werden. Dadurch, dass der jeweilige Kühlmantel mehrere Kühlkanäle aufweist, lässt sich eine Homogenisierung des Temperaturverlaufs über die Längserstreckung der Zylinderlaufbahn erreichen. Die geringe Höhe und Dicke des jeweiligen Kühlkanals ermöglicht mit einem relativ geringen Kühlmittelvolumen im Bereich des Brennraums der Brennkraftmaschine zu kühlen. Dies ermöglicht eine schnellere Aufheizung der Brennkraftmaschine, womit sich der Verbrauch und Emissionen verbessern. Durch die unterschiedlichen Wandstärken zwischen den Kühlkanälen des jeweiligen Kühlmantels und der Zylinderlaufbahn lässt sich eine weitere Temperaturhomogenisierung erreichen. So variiert die Kühlungseffizienz über der Höhe und kann dem gewünschten Wärmetransport aus dem Brennraum angepasst werden. Insbesondere findet Berücksichtigung, dass die Verbrennung und der maximale Wärmeeintrag im oberen Totpunktbereich erfolgt und dort ein erhöhter Kühlungsbedarf besteht. Da die Kühlkanäle auf unterschiedlichen Durchmessern liegen und so entsprechend der Restwandstärke zur Zylinderlaufbahn angeordnet sind, lässt sich die Kühlwirkung verbessern bzw. reduzieren.
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Da die Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals des jeweiligen Kühlmantels in Richtung der Zylinderlängsachse des zugeordneten Zylinders größer ist als in einer Radialrichtung bezüglich dieser Zylinderlängsachse, somit ein relativ großes Höhen-Breiten-Verhältnis des jeweiligen Kühlkanals existiert, weist das Kurbelgehäuse in dessen der Zylinderlaufbahn des jeweiligen Kühlmantels benachbartem Bereich eine hohe Steifigkeit auf. Infolge der zwischen den einzelnen Kühlkanälen des jeweiligen Kühlmantels befindlichen Metallrippen des Kurbelgehäuses ergibt sich eine Versteifung der Zylinderbohrung, wodurch deren Belastbarkeit steigt, während sich der Bauteilverzug verringert.
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Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle des jeweiligen Kühlmantels einen rechteckigen Querschnitt auf. Kreisförmig oder oval ausgebildete Kühlkanäle werden gleichfalls als zweckmäßig angesehen. Diese Querschnittsformen gestatten einen günstigen Durchgang des Kühlmediums durch die Kühlkanäle.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kühlkanäle des jeweiligen Kühlmantels und/oder die Kühlkanäle der Kühlmäntel einen identischen Querschnitt aufweisen. Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass, betreffend den jeweiligen Kühlmantel, der Querschnitt des dem oberen Totpunkt des Kolbens jeweils näheren Kühlkanals geringer ist als der Querschnitt des dem oberen Totpunkt des Kolbens jeweils ferneren Kühlkanals. Der Querschnitt der Kühlkanäle des jeweiligen Kühlmantels nimmt somit von Kühlkanal zu Kühlkanal zu, ausgehend von dem dem oberen Totpunkt des Kolbens jeweils nächsten Kühlkanal zu dem zu diesem Kühlkanal jeweils ferneren Kühlkanal.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Wandstärke zwischen den Kühlkanälen des jeweiligen Kühlmantels und der von diesem Kühlmantel umschlossenen Zylinderlaufbahn 3 bis 5 mm beträgt.
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Die Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals des jeweiligen Kühlmantels beträgt in Richtung der Zylinderlängsachse vorzugsweise 3 bis 6 mm. Die Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals des jeweiligen Kühlmantels beträgt in Radialrichtung bezüglich der Zylinderlängsachse 2 bis 4,5 mm, bevorzugt 2,5 bis 5,0 mm.
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Vorzugsweise weist der jeweilige Kühlmantel vier bis sechs Kühlkanäle, insbesondere fünf Kühlkanäle auf.
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Bei Berücksichtigung dieser vorgenannten Maßangaben ergibt sich ein besonders günstiges Wärmeübertragungsverhalten auf das Kühlmedium bei vorteilhafter Versteifung der Zylinderbohrung.
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Der jeweilige Kühlmantel ist insbesondere derart gestaltet, dass der Kühlmediumeinlass diametral zum Kühlmediumauslass angeordnet ist. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Durchströmung der Ringabschnitte des jeweiligen Kühlkanals.
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Bei dem Kühlmedium handelt es sich insbesondere um Wasser.
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Die Kühlmäntel benachbarter Zylinder sind beispielsweise in Abstand voneinander, unabhängig voneinander angeordnet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle der Kühlmäntel benachbarter Zylinder miteinander verbunden sind. Die jeweilige Anordnung hängt von den räumlichen Gegebenheiten ab, insbesondere davon, wie viel Platz zwischen den Zylinderlaufbahnen benachbarter Zylinder vorhanden ist. Bei ausreichend Platz sind die Kühlmäntel benachbarter Zylinder vorzugsweise in Abstand voneinander, unabhängig voneinander angeordnet. Bei wenig Platz sind die Kühlkanäle der Kühlmäntel benachbarter Zylinder miteinander verbunden.
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Vorzugsweise weist der jeweilige Kühlmantel einen eigenen Kühlmediumeinlass und einen eigenen Kühlmediumauslass auf.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kurbelgehäuses, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der beschriebenen Weiterbildungen. Hierbei ist vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse mittels Gießen unter Verwendung von Kühlmantelkernen hergestellt wird. Der jeweilige Kühlmantelkern ist entsprechend den nach dem Gießen erzeugten Kühlkanälen und Kühlmitteleinlass sowie Kühlmittelauslass hergestellt, womit der Kühlmantelkern aufgrund der ringförmigen Kernstrukturen, die den Kühlkanälen entsprechen, eine erhöhte Steifigkeit aufweist, weil diese Kernabschnitte in Richtung der späteren Zylinderlängsachse eine größere Erstreckung aufweisen als in einer Radialrichtung bezüglich der Zylinderlängsachse. Dieser Kühlmantelkern für den Bereich des jeweiligen Kühlmantels ist somit recht stabil und kann einzeln gehandhabt werden oder aber zusammen mit einem Strukturkern, der andere Funktionalitäten im Kurbelgehäuse berücksichtigt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der jeweilige Kühlmantelkern in einem Strukturkern gelagert ist oder dieser Kühlmantelkern und dieser Strukturkern ein Teil bilden. Diese Komponente kann entweder unabhängig vor dem Gießen hergestellt und angeliefert werden oder aber unmittelbar vor dem Gießen hergestellt werden. Die beschriebene erhöhte Stabilität des Kühlmantelkerns erlaubt nicht nur, den Kühlmantelkern ortsunabhängig zu produzieren und erst dann an den Gießort zu verbringen, sondern auch die filigrane Kühlmantelstruktur herzustellen, ohne dass dies einer erhöhten Gefahr einer Beschädigung unterliegt.
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Insbesondere kann der Strukturkern zapfenförmige Bereiche aufweisen, die beim gegossenen Kurbelgehäuse Leerräume zum Verschrauben des Kurbelgehäuses bilden. Die Anbindung dieser zapfenförmigen Bereiche an den Kühlmantelkern kann zur weiteren Stabilität des Kühlmantelkerns beitragen.
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Die Herstellung der komplexen Kühlmantelkerne und/oder der Strukturkerne erfolgt insbesondere im 3D-Druck.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
- 1 einen Teilbereich eines Kurbelgehäuses einer mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine, mit im Bereich des jeweiligen Zylinders angeordnetem Kühlmantel, in einem Längsmittelschnitt, bezogen auf die gezeigten Zylinder,
- 2 eine Detaildarstellung des jeweiligen in 1 veranschaulichten Kühlmantels,
- 3 eine räumliche Ansicht des jeweiligen Kühlmantels,
- 4 bei der Herstellung des Kurbelgehäuses verwendete Kühlmantelkerne mit Strukturkernen .
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt einen Teilbereich eines Kurbelgehäuses 1 einer drei Zylinder 2 aufweisenden Brennkraftmaschine 3. Bei dieser handelt es sich um einen Boxermotor, der zwei Kurbelgehäusehälften für jeweils drei Zylinder aufweist.
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Das Kurbelgehäuse 1 weist Zylinderlaufbahnen 4 für nicht veranschaulichte Kolben auf. Ein Pfeil 5 veranschaulicht eine Kolbenbewegungsrichtung in Richtung eines oberen Totpunkts des Kolbens, sodass die Bewegungsrichtung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunkts entgegengesetzt zur Pfeilrichtung 5 ist.
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Das Kurbelgehäuse 1 weist benachbart den Zylinderlaufbahnen 4, in oberen Totpunktbereichen der Kolben, Kühlmäntel 6 auf, womit jedem Zylinder ein Kühlmantel 6 zugeordnet ist. Eine ebene Begrenzungsfläche 7 des Kurbelgehäuses 1, die senkrecht zu den Zylinderlängsachsen 8 verläuft, dient der Anlage eines nicht gezeigten Zylinderkopfes am Kurbelgehäuse 1.
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Wie zusätzlich der Darstellung der 2 und 3 zu entnehmen ist, weist der jeweilige Kühlmantel 6 einen Kühlmediumeinlass 9 und einen Kühlmediumauslass 10 auf. Der jeweilige Kühlmantel 6 weist eine Mehrzahl von umlaufenden, parallel zueinander und senkrecht zur Zylinderlängsachse 8 angeordnete Kühlkanäle 11, konkrete fünf Kühlkanäle pro Kühlmantel 6 auf.
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Wie insbesondere der Darstellung der 2 in vergrößerter Darstellung zu entnehmen ist, variiert der Abstand x des jeweiligen Kühlkanals 11 des jeweiligen Kühlmantels 6 zur Zylinderlaufbahn 4 dahingehend, dass dieses Maß x für den der Begrenzungsfläche 7 am nächsten liegende Kühlkanal 11 am geringsten ist und dieses Maß von Kühlkanal 11 zu Kühlkanal 11 sich vergrößert, bis zu dem Kühlkanal 11, der am weitesten von der Begrenzungsfläche 7 entfernt ist und demzufolge dieser Kühlkanal 11 das größte Abstandsmaß x zur Zylinderlaufbahn 4 aufweist. Der jeweilige Kühlkanal 11 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei das Maß a, somit die Erstreckung des Kühlkanals 11 in Richtung der Zylinderlängsachse 8 größer ist als das Maß b des Kühlkanals 11, somit die Erstreckung dieses Kühlkanals 11 in einer Radialrichtung bezüglich der Zylinderlängsachse 8.
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Bei den einen identischen Querschnitt aufweisenden Kühlkanälen 11 der drei veranschaulichten Kühlmäntel 6 beträgt die Wandstärke x, zwischen den Kühlkanälen 11 und der von diesen umschlossenen Zylinderlaufbahn 4, 2 bis 5 mm. Insbesondere beträgt die Wandstärke zwischen dem Kühlkanal 11, der am nächsten zur Begrenzungsfläche 7 angeordnet ist, und der Zylinderlaufbahn 4 3 bis 5 mm, während die Wandstärke zwischen dem am weitesten entfernte Kühlkanal 11 zur Zylinderlaufbahn 4 die Wandstärke 6 bis 8 mm beträgt. Das Maß a des jeweiligen Kühlkanals 11 beträgt insbesondere 3 bis 6 mm, das Maß b insbesondere 2 bis 4,5 mm, bevorzugt 2,5 bis 5 mm. Die Erstreckung des jeweiligen Kühlmantels 6 in Richtung der Zylinderlängsachse beträgt 30 bis 50 mm, entsprechend dem veranschaulichten Maß c.
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Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist jeder Kühlmantel 6 einen eigenständigen Kühlmediumeinlass 9 und Kühlmediumauslass 10 auf.
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4 zeigt bei einem Gießen des Kurbelgehäuses 1 verwendete Kernkomponenten. Es sind drei Komponenten vorgesehen. Jede Komponente ist identisch ausgebildet und weist einen Kühlmantelkern 12 und einen Strukturkern auf, der durch vier zapfenförmige Kerne 13 gebildet ist. Diese können in einer bevorzugten Ausführungsform miteinander verbunden sei oder in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Bestandteil eines größeren Strukturkerns sein (nicht dargestellt). Der Kühlmantelkern 12 und die zapfenförmigen Kerne 13 werden insbesondere mittels 3D-Druck hergestellt und können damit unabhängig voneinander gehandhabt werden. Beispielsweise wird über geeignete Steckansätze der Kühlmittelkern 12 mit den vier zapfenförmigen Kernen 13 zusammengesteckt. Es ergibt sich hierdurch ein stabiles Gesamtgebilde. Dies ist insbesondere beim Gießen des Kurbelgehäuses 1 von Vorteil.
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Die zapfenförmigen Kerne 13 sind insbesondere in Richtung parallel zur Zylinderlängsachse 8 angeordnet. Die beim Gießen im Bereich der Kerne 13 gebildeten Leerräume im Kurbelgehäuse dienen dem Durchstecken von Befestigungsmitteln zum Verbinden von Kurbelgehäusehälften 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelgehäuse
- 2
- Zylinder
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Zylinderlaufbahn
- 5
- Pfeil
- 6
- Kühlmantel
- 7
- Begrenzungsfläche
- 8
- Zylinderlängsachse
- 9
- Kühlmediumeinlass
- 10
- Kühlmediumauslass
- 11
- Kühlkanal
- 12
- Kühlmantelkern
- 13
- zapfenförmiger Kern
- x
- Maß
- a
- maß
- b
- Maß
- c
- Maß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016125619 A1 [0004]
- DE 102017205384 A1 [0005]
- WO 2016/202330 A2 [0006]
