-
Die Erfindung betrifft ein Kurbelgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 9.
-
Dies betrifft zunächst allgemein ein Kurbelgehäuse mit einer Anzahl von mindestens einem Zylinder, für eine Brennkraftmaschine, wobei der Zylinder weiter aufweist: eine innerhalb eines Zylinderinnenraums angeordnete Zylinderlaufbuchse, und einen den Zylinderinnenraum verschließenden Zylinderkopf, wobei der Zylinderkopf ein Aufnahmemittel und ein einen Kühlmittelstrom führendes Kühlsystem mit Kühlraum aufweist. Ein Aufnahmemittel kann insbesondere als eine Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung gebildet sein.
So beschreibt
DE 32 268 80 A1 beschreibt ein zuvor genanntes allgemeines Kühlsystem für eine Kolben-Brennkraftmaschine, bei der im Zylinderblock der Brennkraftmaschine ein oberes, den Brennräumen zugeordnetes und ein davon getrenntes, unteres Kanalsystem ausgebildet ist, wobei das obere Kanalsystem Kühlmittel höherer Temperatur führt und am Zylinderblockausgang an Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung, Ölvorwärmung und Ansaugluftvorwärmung angeschlossen ist, und das kältere Kühlmittel des unteren Kanalsystems durch den Zylinderkopf durchgeleitet wird, bevor es im Kreislauf zum Kühler zurückfließt.
-
Kurbelgehäuse für Brennkraftmaschinen, insbesondere solche mit Kühlsystemen, sind allgemein bekannt.
-
WO 2016 / 027012 A1 beschreibt ein Zylindergehäuse einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Motorfahrzeug, wobei das Gehäuse Zylinder umfasst und eine erste Zylindergehäusekammer und eine zweite Zylindergehäusekammer, die ausgebildet sind einen Wärmetausch zwischen den Zylindern zu ermöglichen und ein Wärmetauscher-Fluid, und wobei die erste Zylindergehäusekammer und die zweite Zylindergehäusekammer auf beiden Seiten einer Ebene senkrecht zu den Achsen der Zylinder angeordnet sind.
-
DE 10 2016 113 035 A1 beschreibt einen Motor mit einem Zylinderblock mit einer Deckfläche und zumindest einer Zylinderlaufbuchse mit einer Zylinderachse, wobei der Block einen ersten Fluidmantel um die Laufbuchse, einen zweiten Fluidmantel um die Laufbuchse und einen dritten Fluidmantel um die Laufbuchse hat, und wobei der erste, zweite und dritte Fluidmantel strömungstechnisch voneinander unabhängig und voneinander entlang der Zylinderachse beabstandet sind.
-
DE 10 2005 031 243 B4 beschreibt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei in Richtung der Zylinderachse übereinander angeordneten, durch eine Trennwand voneinander getrennten Kühlmittelräumen, und zwar einem dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum und einem an diesen anschließenden oberen Kühlmittelraum, wobei das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum zum unteren Kühlmittelraum strömt, mit einem in einen Brennraum mündenden Bauteil, wobei im Bereich des Bauteiles zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen ausgebildet ist, wobei das Bauteil zumindest im Bereich der Trennwand von einem Kühleinsatz umgeben ist, und die Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen innerhalb des Kühleinsatzes ausgebildet ist, und wobei der Kühleinsatz zumindest eine axiale Öffnung in den unteren Kühlmittelraum in Richtung des Zylinderkopfbodens aufweist, und wobei eine Vielzahl von axialen Öffnungen über den Mantel des Kühleinsatzes verteilt angeordnet sind.
-
CN 103 953 453 A beschreibt einen Motorblock mit einem variablen Zylinder-ÖffnungsAbschnitt, bei dem die Durchflussrate in Abhängigkeit der Position der Zylinderlaufbuchse geändert wird, sodass die gesamte Temperatur der Zylinderlaufbuchse wirksam verbessert wird.
-
US 5 207 189 beschreibt ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, das eine Stauung eines Kühlmittels beseitigt, das in einer Mehrzahl von ringförmigen Passagen strömt, die zwischen einem Zylinderblock und einer Zylinderlaufbuchse entlang eines Umfangs einer äußeren Oberfläche der Zylinderlaufbuchse geformt werden.
-
Weiter beschreibt
AT 005 939 U1 für ein Kurbelgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit einer an ein Feuerdeck grenzenden Kühlraumanordnung, welche durch ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck ausgebildetes Zwischendeck in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse anschließenden oberen Teilkühlraum unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum durch zumindest eine Überströmöffnung strömungsverbunden sind.
-
Dieser Ansatz ist jedoch noch verbesserungswürdig, insbesondere hinsichtlich einer effizienten Kühlung. Diese Effizienz bezieht sich insbesondere auf eine relativ hohe Kühlleistung bei relativ geringem apparativen Aufwand. Der apparative Aufwand bezieht sich insbesondere auf das Gewicht, den Bauraum und/oder die Kosten der Kühlvorrichtung.
-
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, mindestens einen der oben genannten Nachteile zu beheben. Insbesondere soll eine effiziente Kühlung eines in einem Kurbelgehäuse angeordneten Zylinders ermöglicht werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kurbelgehäuse gemäß dem Anspruch 1.
-
Die Erfindung geht aus von einem Kurbelgehäuse mit einer Anzahl von mindestens einem Zylinder, für eine Brennkraftmaschine, wobei der Zylinder weiter aufweist: eine innerhalb eines Zylinderinnenraums angeordnete Zylinderlaufbuchse, und einen den Zylinderinnenraum verschließenden Zylinderkopf, wobei der Zylinderkopf eine Aufnahmemittel, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung und ein einen Kühlmittelstrom führendes Kühlsystem mit Kühlraum aufweist.
-
Erfindungsgemäß ist bei dem Kurbelgehäuse
- - ein im Kurbelgehäuse eingerichtetes Verteilsystem vorgesehen zum Aufteilen des Kühlmittelstroms in einen Primär-Teilstrom und mindestens einen Sekundär-Teilstrom, wobei
- - für den Primär-Teilstrom ein Hauptkanal und den Sekundär-Teilstrom eine quer zum Hauptkanal angeordnete und vom Hauptkanal abgehende Abzweigpassage im Kurbelgehäuse eingebracht ist.
-
Mit einer „quer zum Hauptkanal abgehenden Abzweigpassage“ ist vorliegend insbesondere eine die Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms wesentlich verändernde Anordnung der mindestens einen Abzweigpassage relativ zur Ausrichtung des Hauptkanals gemeint, insbesondere eine senkrechte Anordnung der mindestens einen Abzweigpassage relativ zur Ausrichtung des Hauptkanals. Eine Zündeinrichtung kann insbesondere als Zündkerze ausgebildet sein.
-
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass eine effizientere Kühlung eines Zylinders in einem Kurbelgehäuse eine wesentliche Verbesserung einer Brennkraftmaschine darstellt.
-
Dabei hat die Erfindung erkannt, dass mit einem vorhandenen Kühlmittelstrom eine noch höhere Kühlleistung erzielt werden kann, wenn dieser zum einen kühlbedarfsgerecht am Zylinder appliziert und zum anderen in geeigneter Weise aufgeteilt wird. Die Erfindung hat dabei erkannt, dass bestimmte Regionen des Zylinders besonders hoher Wärmeentwicklung ausgesetzt sind und somit einen erhöhten Kühlbedarf haben verglichen mit anderen Regionen. Zu solchen Regionen mit erhöhtem Kühlbedarf gehören insbesondere das Flammdeck des Zylinderkopfs sowie der sogenannte Top-Liner-Bereich, das heißt der obere, dem Zylinderkopf zugewandte Bereich der Zylinderlaufbuchse.
-
Durch eine kühlbedarfsgerechte Aufteilung des Kühlmittelstroms wird die Effizienz der Kühlung erhöht. Hierzu weist das Kurbelgehäuse ein Verteilsystem auf zum Aufteilen des Kühlmittelstroms in einen Primär-Teilstrom und mindestens einen Sekundär-Teilstrom. Auf diese Weise können unterschiedliche Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen, jeweils an einen individuellen Kühlbedarf angepassten Kühlmittelmengen, insbesondere Kühlmittelmassenströmen, gebildet werden.
-
Das Verteilsystem ist dabei ausgebildet, den Primär-Teilstrom in einem Hauptkanal zu führen und den mindestens einen Sekundär-Teilstrom über eine quer zum Hauptkanal angeordnete und vom Hauptkanal abgehende Abzweigpassage abzuzweigen, insbesondere um den Sekundär-Teilstrom einer Kühlzone der Zylinderlaufbuchse zwecks Kühlung zuzuführen. Das Verteilsystem kann als System von Bohrungen und Kanälen in das Kurbelgehäuse eingearbeitet sein.
-
Insbesondere können durch den mindestens einen Sekundär-Teilstrom gezielt eine oder mehrere einzelne Regionen der Zylinderlaufbuchse über entsprechend eine oder mehrere Kühlzonen separat versorgt werden.
-
Insgesamt kann die verbesserte Kühlung zu mehreren Vorteilen führen. Zum einen betrifft dies die Möglichkeit, aufgrund höherer Kühlleistung die Verbrennung innerhalb des Zylinders mit erhöhtem Energieumsatz durchzuführen, wodurch eine Leistungssteigerung bei gleichbleibendem Bauraum resultiert. Alternativ oder zusätzlich kann aufgrund der verbesserten Kühlleistung vorteilhaft ein leichterer und/oder kostengünstigerer Werkstoff zur Fertigung des Zylinderkopfs eingesetzt werden, wodurch Gewichts- und/oder Kostenvorteile bei der Herstellung des Motors resultieren. Insgesamt wird die inhomogene Verformung des Zylinders und insbesondere der Zylinderlaufbuchse aufgrund der verbesserten Kühlung sowie die thermisch bedingte Verformung ingesamt verringert, wodurch das Zusammenspiel zwischen der Zylinderlaufbuchse und der innerhalb der Zylinderlaufbuchse bewegten Teile, insbesondere Kolben und Kolbenringe, verbessert wird.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kühlsystem eine Zuführpassage aufweist zum Zuführen des Kühlmittelstroms entlang des Aufnahmemittels, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung, auf ein Flammdeck des Zylinderkopfes derart, dass auf dem Flammdeck eine Prall strömung entsteht.
-
Dies umfasst vorzugsweise eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Strömung des Kühlmittelstroms entlang des Flammdecks, insbesondere konkreter eine Änderung der Strömungsrichtung. Dies nutzt den Vorteil, dass die Kühlleistung gerade dann besonders hoch ist, wenn der Kühlmittelstrom im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Flammdecks und damit im Wesentlichen in einer radialen Ausrichtung geführt wird. Es ist also die Prallströmung, mithin die Wandlung der im Wesentlichen axialen Strömungsrichtung in eine im Wesentlichen radiale Strömungsrichtung der Strömung des Kühlmittelstroms, welche die Kühlleistung vorteilhaft verbessert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zuführpassage zum Zuführen des Kühlmittelstroms entlang des Aufnahmemittels, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung auf das Flammdeck ausgebildet ist derart, dass auf dem Flammdeck eine Prallströmung entsteht. Durch eine solche Prallströmung entstehen hohe, wandnahe Strömungsgeschwindigkeiten. Diese hohen, wandnahen Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen den Wärmeübergang, wodurch die Wärmeabfuhr aus dem Zylinder und insbesondere aus dem Flammdeck verbessert wird.
-
Hierdurch werden vorteilhaft die Anforderungen an das Material, aus dem der Zylinderkopf hergestellt wird, herabgesetzt. So kann zum Beispiel aufgrund der verbesserten Kühlung des Zylinderkopfes die Verbrennung im Zylinder bei erhöhtem Energieumsatz durchgeführt werden, was zu einer Leistungssteigerung des Motors führt. Alternativ oder zusätzlich kann durch die geringeren maximalen Temperaturen im Zylinderkopf ein kostengünstigerer und/oder leichterer Werkstoff für den Zylinderkopf bei der Herstellung verwendet werden.
-
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verteilsystem eine Anzahl von Verteilabschnitten aufweist, wobei ein Verteilabschnitt mit einer Abzweigpassage fluidführend verbunden ist. Auf diese Weise kann in einem Verteilabschnitt ein jeweiliger Sekundär-Teilstrom für eine diesem Verteilabschnitt zugeordnete Kühlzone abgezweigt werden.
-
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass ein Verteilabschnitt einen Querschnitt aufweist, der geringer ist als der Querschnitt eines in einer Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms davor angeordneten Verteilabschnitts. Insbesondere können eine Anzahl von zylindrisch ausgebildeten Verteilabschnitten konzentrisch auf einer Verteilerachse des Verteilsystems und axial benachbart angeordnet sein. Eine jeweilige Kühlzone ist über eine quer, insbesondere senkrecht, zur Verteilerachse verlaufende Abzweigpassage mit dem Verteilabschnitt fluidführend verbunden.
-
Aufgrund der sich in Strömungsrichtung verkleinernden Querschnitte der Verteilabschnitte entstehen somit Stufenabsätze. An einem solchen Stufenabsatz eines Verteilabschnitts wird die Strömung des Kühlmittelstroms von seiner Bewegung entlang der Verteilerachse abgelenkt, insbesondere gedrosselt und/oder verwirbelt. Im Ergebnis wird durch die geometrische Gestaltung die Fluidmenge beeinflusst, so dass die Stufe als Widerstand im Kühlmittelstrom fungiert. Der in einem Verteilabschnitt abgelenkte Teil des Kühlmittelstroms kann somit als Sekundär-Teilstrom vorteilhaft in die diesem Verteilabschnitt zugeordnete Kühlzone strömen. Je größer der Querschnittsunterschied zwischen einem bestimmten Verteilabschnitt und einem in Strömungsrichtung nachfolgenden Verteilabschnitt, desto größer ist der Widerstand und damit auch der abgelenkte Sekundär-Teilstrom und dementsprechend die Kühlleistung in der diesem bestimmten Verteilabschnitt zugeordneten Kühlzone.
-
Derjenige Anteil des Kühlmittelstroms, der am Ende des Verteilsystems noch im Hauptkanal vorhanden ist, das heißt der noch verbleibende Primär-Teilstrom, kann schließlich über eine Restpassage einem Restbereich der Zylinderlaufbuchse zwecks Kühlung zugeführt werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft durch Auslegung der Querschnittsfläche eines Verteilabschnitts die Kühlleistung für eine Kühlzone bestimmt werden.
-
Die hier beschriebene Stufengeometrie ist vorteilhaft, um eine gleichmäßige Versorgung sämtlicher an das Verteilsystem angeschlossenen Kühlzonen zu bewirken. Bei einer Geometrie des Verteilsystems ohne derartige Stufenform könnte der Kühlmittelstrom aufgrund seiner Strömungsdynamik größtenteils an den Abzweigpassagen vorbeiströmen und lediglich am Ende des Verteilsystems oder bei Hindernissen abgelenkt werden. Dies könnte zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Kühlleistung führen.
-
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Querschnitt rund ist. Eine runde Querschnittsfläche eines Verteilabschnitts ist unter relativ geringem fertigungstechnischen Aufwand, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen, herzustellen, da somit bei der Bearbeitung durch die konzentrischen Querschnitte entlang der Bohrachse (Tannenbaumbohrung) nur ein Arbeitsschritt notwendig ist.
-
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verteilsystem in der Strömungsrichtung hinter dem Zylinderkopf angeordnet ist. Dies beinhaltet, dass der Kühlmittelstrom zunächst im Kühlraum des Zylinderkopfes in einer Prallströmung auf das Flammdeck geleitet und im Anschluss zwecks Kühlung der Zylinderlaufbuchse mittels eines Verteilsystemes in einen Primär-Teilstrom und mindestens einen Sekundär-Teilstrom aufgeteilt wird. In einer solchen seriellen Anordnung der Kühlwasserführung kann zunächst der gesamte Kühlmittelstrom zur Kühlung des Zylinderkopfes (und insbesondere des Flammdecks), und im Anschluss der (bereits aufgewärmte) Kühlmittelstrom zur Kühlung der Zylinderlaufbuchse eingesetzt werden, wobei bei der Kühlung der Zylinderlaufbuchse durch das Verteilsystem noch eine Aufteilung, insbesondere zwischen einem Top-Liner-Bereich und Restbereich, vorgenommen werden kann. Somit kann eine Priorisierung in der (absteigenden) Reihenfolge: Zylinderkopf - Top-Liner-Bereich - Restbereich erfolgen.
-
Die Erfindung führt zu Lösung der Aufgabe auch auf eine Brennkraftmaschine des Anspruchs 9 mit einem Motor, wobei der Motor ein Kurbelgehäuse gemäß dem Konzept der Erfindung aufweist. Bei der Brennkraftmaschine werden die Vorteile des Kurbelgehäuses vorteilhaft genutzt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
-
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verteilsystem den mindestens einen Sekundär-Teilstrom einem zum Zylinderkopf näher gelegenen Top-Liner-Bereich der Zylinderlaufbuchse und den Primär-Teilstrom einem vom Zylinderkopf weiter entfernt gelegenen Restbereich der Zylinderlaufbuchse zuführt. Da insbesondere im Top-Liner-Bereich erwartungsgemäß höhere Temperaturen als im Restbereich der Zylinderlaufbuchse auftreten, ist eine Aufteilung des Kühlmittelstroms und eine gezielte Versorgung der mechanisch und/oder thermisch stärker beanspruchten Bereiche, insbesondere des Top-Liner-Bereichs, besonders vorteilhaft. Je nach Bedarf kann das Verteilsystem so ausgelegt und/oder eingestellt werden, dass dem Top-Liner-Bereich über den mindestens einen Sekundär-Teilstrom eine ausreichende Menge an Kühlmittel, insbesondere im Vergleich zum Restbereich der Zylinderlaufbuchse, zugeführt wird.
-
Bevorzugt ist weiter vorgesehen, dass die Abzweigpassage fluidführend mit einer Kühlzone der Zylinderlaufbuchse, insbesondere des Top-Liner-Bereichs, verbunden ist. Dies kann konkret beinhalten, dass innerhalb des Top-Liner-Bereichs unterschiedliche Kühlzonen ausgebildet sind, die jeweils mittels eines Sekundär-Teilstroms versorgt werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft selbst innerhalb des Top-Liner-Bereichs eine kühlbedarfsgerechte Versorgung verschiedener Regionen des Top-Liner-Bereichs vorgenommen werden. In Weiterbildungen kann beispielsweise eine ringförmige Anordnung von Kühlzonen, beispielsweise vier Kühlzonen, innerhalb der Zylinderlaufbuchse vorgesehen sein, wobei insbesondere eine jeweils weiter in Richtung des Zylinderkopfes liegende Kühlzone eine höhere Kühlleistung aufweist als eine weiter vom Zylinderkopf entfernt liegende Kühlzone. Auf diese Weise kann eine örtlich genaue und bedarfsgerechte Aufteilung der Kühlleistung innerhalb des Top-Liner-Bereichs vorgenommen werden.
-
Bevorzugt ist weiter vorgesehen, dass das Verteilsystem oder eine Verzweigung in der Strömungsrichtung vor dem Zylinderkopf angeordnet ist. Dies beinhaltet insbesondere, dass der Kühlmittelstrom in Strömungsrichtung vor dem Zylinderkopf aufgeteilt wird, und ein Teilstrom, insbesondere der Sekundär-Teilstrom, dem Top-Liner-Bereich der Zylinderlaufbuchse zugeführt wird. Ein weiterer Teilstrom, insbesondere der Primär-Teilstrom, wird hingegen zunächst dem Zylinderkopf - und insbesondere dem Flammdeck - zugeführt, und im Anschluss daran dem Restbereich der Zylinderlaufbuchse. In einer solchen, parallelen Anordnung der Kühlwasserführung erhält somit - verglichen mit der seriellen Anordnung - die Kühlung des Top-Liner-Bereichs eine höhere Priorität. Dies ist insbesondere der Fall, da eine Kühlung mit Kühlmittel erfolgt, das noch nicht für die Kühlung des Zylinderkopfes genutzt wurde. Überdies wirken sich die geringeren Druckverluste bei paralleler Anordnung weiter positiv auf die Gesamtleistung des Systems aus.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Zufuhrpassage, sowohl bei paralleler als auch bei serieller Anordnung, konzentrisch um das Aufnahmemittel angeordnet ist. Ein Aufnahmemittel kann insbesondere als eine Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung gebildet sein. Dies führt dazu, dass der Kühlmittelstrom das Aufnahmemittel umströmt, und dieses somit gleichmäßig am Außenumfang kühlt.
-
Insbesondere ist weiter vorgesehen, dass die Zufuhrpassage und das Aufnahmemittel, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, zusammen eine Düse mit einem ringförmigen Querschnitt bilden. Durch eine derartige Düse wird der Kühlmittelstrom insbesondere zu einem Freistrahl geformt, der sich beim Aufprall auf das Flammdeck in eine Prallströmung umwandelt. Eine derartige Umwandlung führt insbesondere zu einer Änderung einer im Wesentlichen axialen Bewegungsrichtung des Kühlmittelstroms entlang der Hauptachse in eine im Wesentlichen radiale Bewegungsrichtung des Kühlmittelstroms entlang der Oberfläche des Flammdecks.
-
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
- 1 einen Zylinder eines Kurbelgehäuses gemäß dem Konzept der Erfindung;
- 2A, B jeweils eine mögliche Anordnung von einem Zylinder, Kühlsystem und Verteilsystem;
- 3 eine detaillierte Ansicht eines Verteilsystems,
- 4 eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse gemäß dem Konzept der Erfindung.
-
1 zeigt einen Zylinder 100 gemäß dem Konzept der Erfindung. Der Zylinder 100 weist einen Zylinderinnenraum 120 auf, der in radialer Richtung von einer Zylinderlaufbuchse 140 begrenzt wird und in dem ein hier stark vereinfacht dargestellter, translatorisch entlang einer Hauptachse HA bewegbarer Kolben 122 aufgenommen werden kann. Die Zylinderlaufbuchse 140 kann in ein Kurbelgehäuse einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine 1000 eingesetzt sein. Zwecks Erzeugung einer Antriebsbewegung wird der Kolben 122 durch eine innerhalb des Zylinderinnenraums 120 durchgeführte Verbrennung auf- und abbewegt. Ein Zylinderkopf 160 schließt den Zylinder 100 auf einer oberen Seite, das heißt einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gegenüberliegenden Seite des Zylinders 100. Am Übergang zum Zylinderinnenraum 120 weist der Zylinderkopf 160 ein Flammdeck 164 auf, welches die Grenzoberfläche zu einem Brennraum 124 darstellt, in dem innerhalb des Zylinderinnenraums 120 die Verbrennung stattfindet. Das Flammdeck 164 bildet somit die dem Kolben 122 gegenüberliegende, stirnflächige Begrenzung des Brennraums 124. Der Zylinderkopf 160 weist ein Aufnahmemittel 162, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung 162 auf. Mittels eines Injektors 162.1 kann, insbesondere in Ausführungsformen, die in einem Dieselmotor eingesetzt werden, Brennstoff in den Brennraum 124 geführt werden.
-
Mittels einer Zündvorrichtung 162.2, welche insbesondere als Zündkerze ausgebildet sein kann, kann ein im Zylinderinnenraum 120 befindliches Gemisch gezündet werden. Dies ist insbesondere in Ausführungsformen der Fall, die in Gas- oder Benzinmotoren eingesetzt werden.
-
Das Aufnahmemittel 162 kann dabei ausgebildet sein, einen Injektor 162.1 oder eine Zündvorrichtung 162.2 aufzunehmen, oder bereits einteilig als Aufnahme mit integriertem Injektor 162.1 oder integrierter Zündvorrichtung 162.2 ausgebildet sein; es braucht somit nicht notwendigerweise das Aufnahmemittel 162 als ein separates Teil vorliegen sondern das Aufnahmemittel 162 kann schlicht als eine Aufnahme in einem Werkteil oder einer Einrichtung gebildet sein. Weiterhin weist der Zylinderkopf 160 ein Kühlsystem 170 mit einem im Wesentlichen als inneren Hohlraum ausgebildeten Kühlraum 166 auf. Vorliegend ist das Aufnahmemittel 162, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung rotationssymmetrisch um die Hauptachse HA angeordnet.
-
Weiter weist der Zylinderkopf 160 eine konzentrisch um das Aufnahmemittel 162 angeordnete Zuführpassage 210 auf. Die Zuführpassage 210 hat einen näherungsweise ringförmigen, jedoch in seinem Radius veränderlichen, insbesondere sich in axialer Richtung abschnittsweise verändernden Querschnitt und dient der Zuführung eines Kühlmittelstroms KS. Aufgrund des ringförmigen Querschnitts um das Aufnahmemittel 162 und insbesondere einer Verjüngung 212 bilden Zuführpassage 210 und Aufnahmemittel 162, das vorliegend als eine Hülse oder Buchse gebildet ist, eine Düse 214, welche den Kühlmittelstrom KS zu einer Prallströmung PS formt, die innerhalb des Kühlraums 166 auf dem Flammdeck 164 aufprallt. Die Prallströmung PS sorgt dafür, dass Kühlmittelstrom KS in einer wandnahen, sich radial ausbreitenden Strömung mit relativ hoher Geschwindigkeit entlang des Flammdecks 164 ausbreitet. Dies führt zu einer relativ hohen Wärmeübertragung. Das heißt, dass die vom Brennraum 124 aufgrund einer im Zylinder 100 stattfindenden Verbrennung über das Flammdeck 164 in den Kühlraum 166 übertragene Wärme effektiv vom Kühlmittelstrom KS aufgenommen und abgeführt wird. Der sich in Form der Prallströmung PS über das Flammdeck 164 ausbreitende Kühlmittelstrom KS wird im Anschluss über eine Abführpassage 220 aus dem Kühlraum 166 abgeführt und in ein Verteilsystem 240 geleitet.
-
Das Verteilsystem 240 teilt den Kühlmittelstrom KS, der im Zylinderkopf 160 bereits eine erste Wärmemenge aufgenommen hat, in einen Primär-Teilstrom K1 und mindestens einen Sekundär-Teilstrom K2 auf. Vorliegend werden vier Sekundär-Teilströme K2.1, K2.2, K2.3, K2.4 abgezweigt, die jeweils einer Kühlzone 142, 142.2, 142.3, 142.4 eines Top-Liner-Bereichs 142 der Zylinderlaufbuchse 140 zwecks Kühlung zugeführt werden. Der verbleibende Primär-Teilstrom K1, das heißt der nicht abgezweigte Teil des Kühlmittelstroms KS, wird einem, vorliegend unterhalb des Top-Liner-Bereich 142 liegenden Restbereich 144 zugeführt. „Unterhalb“ bedeutet in diesem Zusammenhang weiter vom Zylinderkopf in Richtung der Kurbelwelle entfernt liegend. Der Top-Liner-Bereich 142 ist diejenige Zone des Zylinderinnenraums 120, in dem erwartungsgemäß aufgrund der Verbrennung die höchsten Temperaturen auftreten. Daher ist für diesen Bereich gemäß dem Konzept der Erfindung mindestens ein separater Kühlkreislauf vorgesehen, der über den mindestens einen Sekundär-Teilstrom K2.1, K2.2, K2.3, K2.4 versorgt wird. Der Restbereich 144 ist dementsprechend eine Zone des Zylinderinnenraums 120, in dem - verglichen mit dem Top-Liner-Bereich - niedrigere Temperaturen auftreten. Daher kann dieser Bereich insbesondere mit einer niedrigeren spezifischen Kühlleistung gekühlt werden. Auch ist es beispielsweise möglich, den Restbereich 144 mit der gleichen absoluten Kühlleistung wie dem Top-Liner-Bereich 142 zu kühlen, jedoch den Restbereich 144 größer auszulegen, sodass die spezifische Kühlleistung im Restbereich 144 geringer ist.
-
Vorliegend ist der Top-Liner-Bereich 142 wiederum in die vier Kühlzonen 142, 142.2, 142.3, 142.4 aufgeteilt. Diese sind - aus Sicht der Hauptachse HA - axial benachbart innerhalb des Top-Liner-Bereichs 142 angeordnet. Jede Kühlzone 142, 142.2, 142.3, 142.4 ist als ringförmiger, innerhalb der Zylinderlaufbuchse 140 den Zylinderinnenraum 120 tangential umlaufender Kühlkanal ausgebildet, wobei die Kühlkanäle nicht als separat angeordnete und getrennte Kanäle ausgebildet sein müssen, sondern auch verschiedene Zonen eines Kühlraumes sein können, die teilweise oder vollständig fluidführend miteinander verbunden sein können. Jede Kühlzone 142, 142.2, 142.3, 142.4 wird über den jeweiligen Sekundär-Teilstrom K2.1, K2.2, K2.3, K2.4 versorgt. Über diese Aufteilung des Top-Liner-Bereichs 142 in einzelne Kühlzonen kann vorteilhaft eine noch genauere örtliche Beeinflussung der Kühlleistung erreicht werden. Insbesondere kann in einer Zone des Brennraums 124, in der eine höhere Temperaturentwicklung zu erwarten ist, eine entsprechend höhere Kühlleistung erreicht werden.
-
Zum Abzweigen der Sekundär-Teilströme K2.1 bis K2.4 weist das Verteilsystem 240 einen Hauptkanal 250 auf, der wiederum einen Grundabschnitt 242.0 mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche A0 sowie vier entlang einer Verteilerachse VA axial beabstandete, zylindrisch ausgeprägte Verteilabschnitte 242.1, 242.2, 242.3, 242.4 aufweist. Ein Verteilabschnitt 242.1, 242.2, 242.3, 242.4 weist jeweils einen Hohlraum mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche A1, A2, A3, A4 mit einem Radius R1, R2, R3, R4 auf, die kleiner ist als die Querschnittsfläche A0, A1, A2, A3 eines in Strömungsrichtung RS des Primär-Teilstroms K1 jeweils davorliegenden Grund- oder Verteilabschnitts 242.0, 242.1, 242.2, 242.3.
-
Von jedem Verteilabschnitt geht quer zur Verteilerachse VA, und insbesondere senkrecht zur Verteilerachse VA, jeweils eine Abzweigpassage 146, 146.2, 146.3, 146.4 ab, welche den jeweiligen Verteilabschnitt 242.1, 242.2, 242.3, 242.4 fluidführend mit der entsprechenden Kühlzone 142, 142.2, 142.3, 142.4 verbindet. Beispielsweise verbindet die erste Abzweigpassage 146 den ersten Verteilabschnitt 242.1 mit der ersten Kühlzone 142.
-
Aufgrund der axial benachbarten Anordnung der zylindrisch ausgebildeten Verteilabschnitte 242.1, 242.2, 242.3, 242.4 entstehen wegen der sich in Strömungsrichtung verkleinernden Radien ringförmige Stufenabsätze S1, S2, S3, S4 (siehe 3), an denen jeweils der sich entlang der Verteilerachse VA bewegende Kühlmittelstrom KS teilweise gedrosselt und/oder verwirbelt wird. Hierdurch wird bewirkt, dass der Kühlmittelstrom KS nicht an einer jeweiligen Abzweigpassage 146, 146.2, 146.3, 146.4 vorbeiströmt, sondern gezielt gedrosselt wird und somit als Sekundär-Teilstrom K2.1, K2.2, K2.3, K2.4 insbesondere der jeweiligen Abzweigpassage 146, 146.2, 146.3, 146.4 zugeführt wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft unter relativ geringem konstruktiven Aufwand eine gleichmäßige Verteilung der Kühlleistung auf unterschiedliche Kühlzonen 142, 142.2, 142.3, 142.4 erreicht. Alternativ ist neben einer gleichmäßigen Verteilung - über eine entsprechende Auslegung der Querschnittsflächen A1, A2, A3, A4 - auch eine gezielt ungleichmäßige Verteilung möglich, in der einer bestimmten Kühlzone oder einer bestimmten Anzahl von Kühlzonen 142, 142.2, 142.3, 142.4 eine größere oder kleinere Kühlmenge zugeführt wird als einer anderen Kühlzone oder Anzahl von Kühlzonen 142, 142.2, 142.3, 142.4. An den vierten Verteilabschnitt 242.4 ist eine Restpassage 230 angeschlossen, welche das Verteilsystem 240 fluidführend mit dem als ringförmigen, einen axialen Abschnitt des Zylinderinnenraums 120 tangential umlaufenden Restbereich 144 verbindet. Über die Restpassage 230 kann der verbleibende Primär-Teilstrom K1 dem Restbereich 144 zwecks Kühlung zugeführt werden. Generell können im Rahmen der Erfindung auch mehrere Bereiche als der Top-Liner-Bereich 142 und der Restbereich 144 unterschieden werden, indem weitere Bereiche berücksichtigt werden, welche jeweils mindestens eine Kühlzone aufweisen.
-
Die 2A und 2B zeigt jeweils eine mögliche, als Kühlvorrichtungen 200, 200' bezeichnete Anordnung der Kühlwasserführung. 2A zeigt dabei eine serielle Anordnung, 2B eine parallele Anordnung der Kühlwasserführung. Die in 2A gezeigte Kühlvorrichtung 200 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Weiterbildung. Eine Kühlmittelquelle 260 stellt hierbei ein Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, bereit, welches in Form eines Kühlmittelstrom KS in den Kühlraum 166 eines Zylinderkopfes 160 geführt wird. Dort kühlt der Kühlmittelstrom KS zunächst - wie in 1 gezeigt und hier nicht näher dargestellt - über eine Prallströmung PS auf das Flammdeck 164 des Zylinderkopfes 160. Im Anschluss daran wird der Kühlmittelstrom KS einem Verteilsystem 240 zugeführt, wo er in einen Primär-Teilstrom K1 und mindestens einen Sekundär-Teilstrom K2 aufgeteilt wird. Mit diesen Teilströmen K1, K2 werden jeweils ein Bereich einer Zylinderlaufbuchse 140 zwecks Kühlung versorgt. Der mindestens eine Sekundär-Teilstrom K2 wird hierbei einem Top-Liner-Bereich 142, und der Primär-Teilstrom K1 einem Restbereich 144 zugeführt. Im Anschluss daran werden die Teilströme K1, K2 einer Kühlmittelsenke 262 zugeführt.
-
Die in 2B dargestellte Anordnung einer Kühlvorrichtung 200' unterscheidet sich im Wesentlichen von der in 2A dargestellten Weiterbildung dadurch, dass ein Verteilsystem 240' zwischen der Druckmittelquelle 260 und einem Zylinderkopf 160' angeordnet ist. Alternativ kann anstelle des Verteilsystems 240' auch eine, beispielsweise eine als T-Stück oder dergleichen Verzweigung ausgebildete, Abzweigung 244 eingesetzt werden. Somit wird der Kühlmittelstrom KS bereits in zwei Teilströme K1, K2 aufgeteilt, bevor er dem Zylinderkopf 160' zugeführt wird. Ein Teilstrom K1, K2, insbesondere der abgezweigte Sekundär-Teilstrom K2, wird dabei über einen Zylinderkopf-Bypass 168 am Kühlraum 166' des Zylinderkopfes 160' vorbeigeführt, ohne Wärme von diesem abzuführen, das heißt praktisch ohne eine Kühlleistung zu entfalten. Der Primär-Teilstrom K1 hingegen wird, analog zu der in 2A gezeigten Weiterbildung, zwecks Kühlung in den Kühlraum 166' geführt, wo er insbesondere mittels einer hier nicht dargestellten Prallströmung PS auf das Flammdeck 164 auftrifft. Der über den Zylinderkopf-Bypass 168 geleitete und daher praktisch noch nicht zur Kühlung verwendete Sekundär-Teilstrom K2 wird im Anschluss an den Zylinderkopf-Bypass 168 dem Top-Liner-Bereich 142 der Zylinderlaufbuchse 140 zugeführt. Hier kann der Sekundär-Teilstrom K2 optional mit einem weiteren, hier nicht dargestellten Verteilsystem gemäß dem Konzept weiter aufgeteilt werden, um verschiedene Kühlzonen innerhalb des Top-Liner-Bereichs 142 zu versorgen, analog zu der in 1 gezeigten Weiterbildung. Der bereits zur Kühlung des Zylinderkopfes 160' verwendete Primär-Teilstrom K1 hingegen wird zur Kühlung des Restbereiches 144 ebendiesem zugeführt. Beide Teilströme K1, K2 werden im Anschluss an die jeweiligen Bereiche 142, 144 der Zylinderlaufbuchse 140 einer Kühlmittelsenke 262 zugeführt.
-
3 zeigt ausschnittsweise das Verteilsystem 240 im Detail. Insbesondere sichtbar sind hier die ringförmigen Stufenabsätze S1, S2, S3, S4, die jeweils an den Übergängen zwischen den Verteilabschnitten 242.1, 242.2, 242.3, 242.4 des Unterverteilers 242, sowie am Übergang des Verteilabschnitts 242.4 zur Restpassage 230, gebildet werden. So wird beispielsweise an dem Übergang zwischen dem ersten Verteilabschnitt 242.1 und dem zweiten Verteilabschnitt 242.2 der erste Stufenabsatz S1 gebildet. Analog wird an dem Übergang zwischen dem zweiten Verteilabschnitt 242.2 und dem dritten Verteilabschnitt 242.3 der zweite Stufenabsatz S2 gebildet, und an dem Übergang zwischen dem dritten Verteilabschnitt 242.3 und dem vierten Verteilabschnitt 242.4 der dritte Stufenabsatz S3 gebildet. Am Übergang des Verteilabschnitts 242.4 zur Restpassage 230 der vierte Stufenabsatz S4 gebildet.
-
Der durch das Verteilsystem 240 geführte Kühlmittelstrom KS wird an den Stufenabsätzen S1, S2, S3, S4 abgelenkt und jeweils einer Abzweigpassage 146, 146.2, 146.3, 146.4 zwecks Versorgung einer Kühlzone 142, 142.2, 142.3, 142.4 zugeführt. Über Auslegung der Größe einer ringförmigen Stufenfläche AS1, AS2, AS3, AS4 eines Stufenabsatzes S1, S2, S3, S4 kann der Massenstrom des an diesem Stufenabsatz S1, S2, S3, S4 abgezweigten Sekundär-Teilstroms K2.1, K2.2, K2.3, K2.4 beeinflusst werden. Wird beispielsweise die Stufenfläche AS2 des zweiten Stufenabsatzes S2 größer gewählt, so wird entsprechend ein größerer Anteil des Kühlmittelstroms KS an diesem zweiten Stufenabsatz S2 abgelenkt, und als zweiter Sekundär-Teilstrom K2.2 der zweiten Abzweigpassage 146 zugeführt, um die zweite Kühlzone 142 mit Kühlmittel zu versorgen.
-
4 zeigt eine Brennkraftmaschine 1000 mit einem Motor 700. Der Motor 700 weist ein Kurbelgehäuse 800 auf, welches wiederum eine Anzahl Z von acht - hier stark vereinfacht dargestellten - Zylindern 100 aufweist. Dabei weist jeder Zylinder 100 ein Verteilsystem 240 auf, welches jeweils gemäß dem Konzept der Erfindung einen hier nicht dargestellten Kühlmittelstrom in einen Primär-Kühlstrom und mindestens einen Sekundär-Kühlstrom aufteilt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Zylinder
- 120
- Zylinderinnenraum
- 122
- Kolben
- 140
- Zylinderlaufbuchse
- 142
- Top-Liner-Bereich der Zylinderlaufbuchse
- 142.1 - 142.4
- Kühlzone des Top-Liner-Bereichs
- 144
- Restbereich der Zylinderlaufbuchse
- 146, 146.1 - 146.4
- Erste bis vierte Abzweigpassage
- 160, 160'
- Zylinderkopf
- 162
- Aufnahmemittel, insbesondere Aufnahmehülse oder Aufnahmebuchse oder dergleichen umfassendes und/oder führendes Aufnahmemittel für eine in den Zylinder reichende Einrichtung oder Bauelement, insbesondere für einen Injektor oder eine Zündeinrichtung
- 162.1
- Injektor
- 162.2
- Zündeinrichtung
- 164
- Flammdeck
- 166, 166'
- Kühlraum
- 168
- Zylinderkopf-Bypass
- 170
- Kühl system
- 200, 200'
- Kühlvorrichtung
- 210
- Zuführpassage
- 212
- Verjüngung
- 214
- Düse
- 220
- Ausführpassage
- 230
- Restpassage
- 240, 240'
- Verteilsystem
- 242.0
- Grundabschnitt
- 242.1 - 242.4
- Verteilabschnitt
- 250
- Hauptkanal
- 260
- Kühlmittelquelle
- 262
- Kühlmittel senke
- 700
- Motor
- 800
- Kurbelgehäuse
- 1000
- Brennkraftmaschine
- A, A1-4
- Querschnitt, erster bis vierter Querschnitt
- AS, AS1 - AS4
- Stufenfläche, erste bis vierte Stufenfläche
- HA
- Hauptachse
- K1
- Primär-Teilstrom
- K2
- Sekundär-Teilstrom
- K2.1 - K2.4
- Erster bis vierter Sekundär-Teilstrom
- KS
- Kühlmittelstrom
- PS
- Prall strömung
- RS
- Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms
- S, S1 - S4
- Stufenabsatz, erster bis vierter Stufenabsatz
- VA
- Verteilerachse
- Z
- Anzahl von Zylindern
