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Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kühlmittelkreisläufe für Motorblöcke von Verbrennungskraftmaschinen sind bekannt. Aufgrund hoher Verbrennungstemperaturen in Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine ist deren Motorblock, bestehend aus einem Kurbelgehäuse, welcher Zylinder der Verbrennungskraftmaschine umfasst, und einem Zylinderkopf, welcher zum Ladungswechsel ausgebildete Ventile aufweist und mit dessen Hilfe die Brennräume ausgebildet sind, zur Kühlung üblicherweise von Kühlmittel durchströmbar ausgebildet.
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Es handelt sich um eine so genannte Wasserkühlung für im Kurbelgehäuse angeordnete Zylinder der Verbrennungskraftmaschine. Zur Kühlung ist jedem Zylinder ein Kühlmantel zugeordnet. Der Kühlmantel ist den Zylinder über dessen Umfang und im Wesentlichen entlang einer Zylinderlängsachse des Zylinders umfassend ausgebildet. Der Kühlmantel kann in Richtung der Zylinderlängsachse abschnittsweise, somit einzelne durchströmbare, durchströmbar miteinander verbundene Kühlringe aufweisend ausgebildet sein oder er ist in Form eines durchströmbaren Zylinders ausgeführt. Der Kühlmantel weist einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt auf, die einer Durchströmung des Kühlmantels dienen. Der Kühlmitteleintritt und der Kühlmittelaustritt sind mit einem Kreislaufabschnitt des Kühlmittelkreislaufes über ein Zulaufelement bzw. Ablaufelement verbunden.
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Es hat sich gezeigt, dass die thermische Belastung des Zylinders in einem dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeten Bereich höher ist als im vom Zylinderkopf abgewandten Bereich, welcher üblicherweise einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine zugewandt angeordnet ist. Somit ist eine effektive Kühlung, welche der über die Zylinderlängsachse unterschiedlich benötigten Kühlwirkung Rechnung trägt, insbesondere unter dem Gesichtspunkt einer Verbrauchsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine, angebracht.
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In Abhängigkeit der Anordnung des Zulaufelementes und/oder des Ablaufelementes relativ zu einem in Form einer Sammelleiste ausgebildeten Zulaufkanal bzw. Ablaufkanal sowie ihrer Formen wird ein dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeter Kühlmantelabschnitt nur gering von Kühlmittel durchströmt, während ein daran angrenzender weiter Kühlmantelabschnitt stark von Kühlmittel durchströmt wird, wie es insbesondere bei einer starken Umlenkung des Kühlmittels ausgehend vom Zulaufkanal oder in den Ablaufkanal in Erscheinung tritt.
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Die Druckschriften
DE 29 50 905 A1 ,
DE 10 2009 023 530 A1 und
WO 2015/043800 A1 offenbaren einen Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine, wobei je Zylinder ein Kühlmantel ausgebildet ist, welcher über eine Sammelleiste mit Kühlmittel gespeist wird, wobei die Sammelleiste in Richtung einer Zylinderachse tiefer angeordnet ist als der Kühlmantel.
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Aus der Patentschrift
US 5,386,805 A geht ein Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine hervor, wobei ein Kühlmantel eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine, Kühlmittelringe besitzt, die in Richtung einer Längsachse des Zylinders durchströmbar mit Hilfe eines sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Verbindungskanals miteinander verbunden sind.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 125 619 A1 offenbart ein Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlmantel mit einer Mehrzahl von Kühlringen, die in Längsrichtung eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine parallel angeordnet sind, und die über ein Zulaufelement mit Kühlmittel versorgt werden, wobei das Zulaufelement symmetrisch zu den Kühlringen angeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 102 25 062 A1 offenbart einen Kühlkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine, mit Kühlmittelkanälen einer Zylinderbuchse der Verbrennungskraftmaschine, wobei ein erster Kühlmittelkanal der Kühlmittelkanäle mit einer Gruppe Kühlmittelkanäle über ein Kühlmittelsteuerventil mit einer Kühlmittelpumpe in Durchflussverbindung stehen.
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Der Patentschrift
US 5,199,390 A kann ein Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine entnommen werden, wobei ringförmige Kühlmittelkanäle einer Zylinderbuchse mit einem sich in Richtung einer Längsachse der Zylinderbuchse erstreckenden Kühlmittelkanal durchströmbar verbunden sind, die ringförmigen Kühlmittelkanäle gruppenweise entlang der Längsachse über einem Umfang der Zylinderbuchse an unterschiedlichen Stellen durchströmbar mit dem sich in Richtung der Längsachse der Zylinderbuchse erstreckenden Kühlmittelkanal verbunden sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Kühlmittelkreislauf für einen Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Kühlmittelkreislauf ist für einen Motorblock bzw. Kurbelgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Das Kurbelgehäuse weist Zylinderlaufbahnen auf, wobei das Kurbelgehäuse mit Hilfe von Kühlkanälen des Kühlmittelkreislaufes kühlmitteldurchströmbar ausgebildet ist. Einem Zylinder des Kurbelgehäuses ist ein ihn zumindest über seinem Umfang umfassend ausgebildeter Kühlmantel des Kühlmittelkreislaufes zugeordnet, welcher einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt zur Durchströmung des Kühlmantels aufweist. Der Kühlmitteleintritt ist mit einem ersten Kreislaufabschnitt des Kühlkreislaufes und der Kühlmittelaustritt ist mit einem zweiten Kreislaufabschnitt des Kühlmittelkreislaufes durchströmbar verbunden. Ein Zulaufkanal des ersten Kreislaufabschnitts und/oder ein Ablaufkanal des zweiten Kreislaufabschnitts ist tiefer angeordnet ist als der Kühlmantel, und wobei zwischen dem ersten Kreislaufabschnitt und dem Kühlmitteleintritt ein durchströmbares Zulaufelement und zwischen dem zweiten Kreislaufabschnitt und dem Kühlmittelaustritt ein durchströmbares Ablaufelement angeordnet ist, und wobei der Kühlmantel aus zumindest zwei Kühlringen ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist zur effektiven Kühlung des Zylinders das Zulaufelement ausgehend von dem Zulaufkanal zur zumindest in axialer Richtung entlang einer Zylinderlängsachse des Zylinders gleichmäßigen Versorgung des Kühlmantels mit Kühlmittel ausgebildet, und/oder das Ablaufelement ist zur zumindest in axialer Richtung entlang der Zylinderlängsachse gleichmäßigen Entsorgung des Kühlmantels von Kühlmittel in einen Ablaufkanal des zweiten Kreislaufabschnitts ausgebildet, wobei ein dem Zuströmkanal zugewandt ausgebildeter erster Anschlussquerschnitt des Zulaufelementes zur gerichteten Anströmung eines einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine zugewandt ausgebildeten ersten Kühlmantelabschnitt des Kühlmantels in einem oberen Bereich des Kühlmantels angeordnet ist.
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Das heißt mit anderen Worten, dass über die axiale Erstreckung des Kühlmantels in Richtung der Zylinderachse der Kühlmantel mit Hilfe des Zulaufelementes und/oder des Ablaufelementes zumindest gleichmäßig versorgt und/oder entsorgt wird. Dadurch ist eine verbesserte Kühlwirkung insbesondere in dem Zylinderkopf nahen Bereich des Zylinders, welcher aufgrund von seiner Nähe zur einer zumindest teilweise im Zylinderkopf ausgebildeten Brennkammer besonders hitzebelastet ist, realisierbar.
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Eine darüber hinaus verbesserte Kühlwirkung lässt sich dadurch erreichen, dass der dem Zylinderkopf nahe Bereich des Kühlmantels, einen höheren Kühlmitteldurchsatz aufweist als ein dem Zylinderkopf entfernt angeordneter Bereich des Kühlmantels. Dies könnte bspw. bevorzugt dadurch erreicht werden, dass der Zulaufkanal einen dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeten ersten Kühlmantelabschnitt mit einem höheren Kühlmitteldurchsatz als einen an den ersten Kühlmantelabschnitt angrenzenden zweiten Kühlmantelabschnitt des Kühlmantels versorgend ausgebildet ist. So könnte bspw. der Zulaufkanal in axialer Richtung nahe dem ersten Kühlmantelabschnitt im Kurbelgehäuse ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufes ist eine in Richtung des Zylinderkopfs angeordnet ausgebildete Elementwandung des Zulaufelementes in einem ersten Wandabschnitt ausgehend vom ersten Anschlussquerschnitt gekrümmt und in einem zweiten Wandabschnitt, welcher zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem Kühlmantel, an den ersten Wandabschnitt angrenzend ausgebildet ist, nahezu waagerecht zur Zylinderachse ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass ausgehend von dem Anschlussquerschnitt, welcher durchströmbar mit dem Zulaufkanal verbunden ist, die Elementwandung gekrümmt, insbesondere in Richtung des Zylinderkopfes konvex gekrümmt ausgeführt ist. So kann das von „unten“ kommende Kühlmittel, welches für den ersten Kreislaufabschnitt, der eine Einlassseite des Kühlmittels in den Kühlmantel repräsentiert, relevant ist, über die Elementwandung an dieser entlang geführt werden ohne Ausbildung eines Hohlraumes zwischen der Elementwandung und dem Kühlmittel, wodurch Strömungsverluste reduziert werden. Von „unten“ strömt das Kühlmittel in das Zulaufelement ein, da der Zulaufkanal in Richtung der Zylinderachse tiefer liegend ausgebildet ist als das Zulaufelement.
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Die beiden Wandabschnitte sind zur bevorzugten Strömung des Kühlmittels gleich groß auszubilden, jedoch ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erste Wandabschnitt in radialer Richtung maximal gleich groß auszuführen wie der zweite Wandabschnitt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste Wandabschnitt in radialer Richtung größer auszuführen wie der zweite Wandabschnitt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufes ist das Ablaufelement einen dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeten ersten Kühlmantelabschnitt mit einem höheren Kühlmitteldurchsatz als einen an den ersten Kühlmantelabschnitt angrenzenden zweiten Kühlmantelabschnitt des Kühlmantels entsorgend ausgebildet, wodurch vorteilhaft ein verbesserter Kühlmittelablauf in den Ablaufkanal und damit ein gesteigerter Kühlmitteldurchsatz herbeiführbar ist.
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Ebenso lässt sich mit Hilfe einer bestimmten Anordnung der Anschlussquerschnitte zueinander ein gesteigerter Kühlmitteldurchfluss erzielen. Sofern ein erster Mittelpunkt des ersten Anschlussquerschnitts in Richtung der Zylinderlängsachse dem Zylinderkopf näher ausgebildet ist als ein zweiter Mittelpunkt des zweiten Anschlussquerschnitts, und/oder ein Mittelpunkt des dritten Anschlussquerschnitts in Richtung der Zylinderlängsachse vom Zylinderkopf weiter entfernt ausgebildet ist als ein Mittelpunkt des vierten Anschlussquerschnitts, kann ein trichterförmiges Zulaufelement und/oder ein trichterförmiges Ablaufelement realisiert werden, wobei, da bevorzugt der zweite Anschlussquerschnitt und/oder der dritte Anschlussquerschnitt größer ausgebildet ist als der erste Anschlussquerschnitt bzw. der vierte Anschlussquerschnitt, eine verzögerte Zuströmung zu dem vom Zylinderkopf abgewandt ausgebildeten Bereich des Kühlmantels bzw. eine verzögerte Abströmung aus diesem Bereich herbeigeführt werden, wodurch eine geringere Kühlwirkung in diesem Bereich als im Übrigen, d.h. oberen Bereich des Kühlmantels herbeigeführt ist.
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Eine weitere Steigerung des Kühlmitteldurchsatzes, insbesondere eine weitere Steigerung des Kühlmitteldurchsatzes im ersten Kühlmantelabschnitt des Kühlmantels, lässt sich mit Hilfe einer in Richtung des Zylinderkopf angeordnet ausgebildeten Elementwandung des Ablaufelementes erzielen, die in einem ersten Wandabschnitt ausgehend vom vierten Anschlussquerschnitt gekrümmt und in einem zweiten Wandabschnitt, welcher zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem Kühlmantel, an den ersten Wandabschnitt angrenzend ausgebildet ist, etwa waagerecht zur Zylinderachse ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass ausgehend von dem Kühlmantelaustritt, welcher durchströmbar mit dem Ablaufelement verbunden ist, die Elementwandung im ersten Wandabschnitt gekrümmt, insbesondere in Richtung des Zylinderkopfes konvex gekrümmt ausgeführt ist. So kann das von „oben“ kommende Kühlmittel, welches für den zweiten Kreislaufabschnitt, der eine Ausströmseite des Kühlmittels aus dem Kühlmantel repräsentiert, relevant ist, über die Elementwandung an dieser entlang ohne Ausbildung eines Hohlraumes zwischen der Elementwandung und dem Kühlmittel geführt werden. Der wesentliche Vorteil ist eine deutliche Reduzierung eines Druckverlustes im zweiten Kühlmantelabschnitt. Von „oben“ strömt das Kühlmittel aus dem Ablaufelement in den Ablaufkanal ein, da der Ablaufkanal in Richtung der Zylinderachse tiefer liegend ausgebildet ist als das Ablaufelement. Auch das Ablaufelement weist bevorzugt den ersten Wandabschnitt in radialer Richtung höchstens gleich groß auf wie den zweiten Wandabschnitt.
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Zur Herbeiführung einer weiteren verbesserten und insbesondere in Richtung der Zylinderachse vollständigen Anströmung des Kühlmantels ausgehend vom Zulaufelement und/oder zur verbesserten und insbesondere in Richtung der Zylinderachse vollständigen Abströmung des Kühlmittels aus dem Ablaufelement sind die Anschlussquerschnitte voneinander abweichend ausgebildet. So lässt sich bspw. im Zulaufelement eine Strömungsberuhigung vor Eintritt in den Kühlmantel herbeiführen, wodurch sich eine verbesserte Strömungslenkung in den Kühlmantel erzielen lässt. Das über den Kühlmantel in das Ablaufelement strömende Kühlmittel kann durch eine Querschnittsverkleinerung in Strömungsrichtung zur Beschleunigung angeregt werden, so dass das Kühlmittel eine höhere Austrittsgeschwindigkeit aufweist, wodurch eine effiziente Kühlung realisiert ist. Der grundsätzliche Vorteil von zumindest zwei voneinander abweichend ausgebildeten Anschlussquerschnitten ist in einer Beeinflussung einer Strömungsgeschwindigkeit stromab bzw. stromauf der Anschlussquerschnitte zu sehen. So kann in Abhängigkeit der unterschiedlichen Anschlussquerschnitte eine Drosselung und/oder eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Kühlmantel realisiert werden, wodurch sich in Abhängigkeit einer Form des Kühlmantels dessen Kühlwirkung entlang einer Zylinderlängsachse einstellen lässt.
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Der Kühlmantel ist aus zumindest zwei Kühlringen ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass der Kühlmantel in Richtung der Zylinderlängsachse abschnittsweise ausgebildet ist, wobei zwischen den zumindest zwei Kühlringen ein nicht von Kühlmittel durchströmter Abschnitt vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass eine Durchströmung der Kühlringe wesentlich schneller herbeigeführt kann, im Vergleich zu einem hohlzylinderförmig ausgeführten Kühlmantel, in welchem sich das Kühlmittel, verglichen mit dem Kühlmittel in den Kühlringen, träge verhält. Somit kann mit dem vorgeschlagenen Kühlmantel bereits mit einem geringeren gesamten Durchströmungsquerschnitt eine zumindest gleiche Kühlwirkung erzielt werden, da der Kühlmittelaustausch schneller erfolgt.
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Eine verbesserte Kühlwirkung lässt sich weiter dadurch erzielen, dass die Kühlringe ausgehend vom Zulaufelement unabhängig voneinander mit Kühlmittel versorgt sind. Das heißt, dass die Kühlringe des Kühlmantels nicht miteinander durchströmbar verbunden sind. Eine entsprechende Verbindung würde eine in Richtung der Zylinderlängsachse ausgebildete Strömung provozieren, welche einen negativen Einfluss auf die Kühlwirkung hat, da das entlang der Zylinderlängsachse strömende Kühlmittel bei seinem Eintritt in den nächstliegenden Kühlring aufgrund von Wandwärmeverlusten bereits eine reduzierte Kühlwirkung aufweist.
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Der erfindungsgemäße Kühlmittelkreislauf ist insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, welche in Form eines Boxermotors ausgestaltet ist. Der Boxermotor zeichnet sich durch seine geringe Bauhöhe aus, da die Zylinder als so genannte liegende Zylinder ausgeführt sind. Somit eignet er sich bevorzugt als Unterflurmotor oder Heckmotor.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
- 1 in einem Querschnitt ein Kurbelgehäuse eines Motorblocks einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Stand der Technik mit einem prinzipiellen Bearbeitungswerkzeug,
- 2 in einer perspektivischen Darstellung einen Kühlmantelkern mit Elementkernen des Kerneinsatzes gem. 1,
- 3 in einem Querschnitt einen Ausschnitt des Kurbelgehäuses mit einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf,
- 4 in einem Halbschnitt den Ausschnitt des Kurbelgehäuses mit dem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf als Rohteil zur Bearbeitung gemäß einem ersten Herstellungsverfahren,
- 5 in einem Halbschnitt den Ausschnitt des Kurbelgehäuses gem. 3 mit dem prinzipiellen Bearbeitungswerkzeug, und
- 6 in einem Halbschnitt den Ausschnitt des Kurbelgehäuses mit dem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf hergestellt in einem zweiten Herstellungsverfahren.
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In 1 ist ein Kurbelgehäuse 1 einer Verbrennungskraftmaschine 3 aufweisend einen Kühlmittelkreislauf 4 gemäß dem Stand der Technik illustriert. Das Kurbelgehäuse 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei Zylinder 5, welche in Richtung einer Längsachse 6 des Kurbelgehäuses 1 nebeneinander angeordnet sind. Der Zylinder 5 ist zur Aufnahme eines nicht näher dargestellten Kolbens ausgestaltet, welcher sich entlang einer Zylinderlängsachse 7 oszillierend bewegt. Ebenso könnte im Zylinder 5 auch eine nicht näher dargestellte Zylinderbüchse vorgesehen sein, in deren Hohlraum sich der Kolben bewegt. Mit Hilfe des Zylinderkopfes sind nicht näher dargestellter Brennräume der Zylinder 5 ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 3 ist in Form eines Boxermotors ausgebildet.
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Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 wird im Brennraum ein KraftstoffLuftgemisch unter Ausbildung hoher Temperaturen und hoher Drücke verbrannt. Zur Kühlung des Kurbelgehäuses 1 ist der Kühlmittelkreislauf 4 bestehend aus mehreren durchströmbar miteinander verbundenen Kühlkanälen 8 im Kurbelgehäuse 1 ausgebildet.
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Der Kühlmittelkreislauf 4 umfasst weiter für jeden Zylinder 5 einen Kühlmantel 9, welcher den Zylinder 5 über dessen Umfang umfassend ausgebildet ist. Die Kühlmäntel 9 sind parallel durchströmbar mit Hilfe der Kühlkanäle 8 im Kühlmittelkreislauf 4 ausgebildet. Ebenso könnten sie grundsätzlich auch seriell durchströmbar angeordnet sein.
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Ein den Kühlmittelkreislauf 4 durchströmendes Kühlmittel, bevorzugt in Form von Kühlwasser, tritt an einem nicht näher dargestellten Kreislaufeintritt des Kühlmittelkreislaufes 4 in diesen ein und durchströmt die Kühlkanäle 8 sowie die mit den Kühlkanälen 8 durchströmbar verbundenen Kühlmäntel 9 um danach aus einem nicht näher dargestellten Kreislaufaustritt aus dem Kühlkreislauf 4 auszutreten und vor seinem erneuten Eintritt in den Kühlkreislauf 4 in einem nicht näher dargestellten Kühler gekühlt zu werden.
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Der Kühlmantel 9 weist einen Kühlmitteleintritt 10 und einen im vorliegenden Ausführungsbeispiel diametral gegenüberliegend angeordneten Kühlmittelaustritt 11 zur Durchströmung des Kühlmantels 9 auf. Der Kühlmitteleintritt 10 ist mit einem ersten Kreislaufabschnitt 12 des Kühlkreislaufes 4 und der Kühlmittelaustritt 11 ist mit einem zweiten Kreislaufabschnitt 13 des Kühlmittelkreislaufes 4 durchströmbar verbunden, wobei die Kreislaufabschnitte 12, 13 Abschnitte der Kühlkanäle 8 sind.
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Zwischen dem ersten Kreislaufabschnitt 12 und dem Kühlmitteleintritt 10 ist ein durchströmbares Zulaufelement 14 ausgebildet, über welches Kühlmittel ausgehend vom Kühlkanal 8 und dem ersten Kreislaufabschnitt 12 in den Kühlmantel 9 strömen kann. Zur Umströmung und demgemäß zur Ausströmung aus dem Kühlmantel 9 ist zwischen dem zweiten Kreislaufabschnitt 13 und dem Kühlmittelaustritt 11 ein durchströmbares Ablaufelement 15 angeordnet, wobei das Kühlmittel über den Kühlmittelaustritt 11 in das Ablaufelement 15 und von dort in den zweiten Kreislaufabschnitt 13 strömen kann.
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Das Zulaufelement 14 weist einen dem ersten Kreislaufabschnitt 12 zugewandt angeordneten durchströmbaren ersten Anschlussquerschnitt 16 und einen dem Kühlmitteleintritt 10 zugewandt angeordneten durchströmbaren zweiten Anschlussquerschnitt 17 auf. Ebenso weist das Ablaufelement 15 einen dem Kühlmittelaustritt 11 zugewandt angeordneten durchströmbaren dritten Anschlussquerschnitt 18 und einen dem zweiten Kreislaufabschnitt 13 zugewandt angeordneten durchströmbaren vierten Anschlussquerschnitt 19 auf. Das heißt mit anderen Worten, dass die Anschlussquerschnitte 16, 17, 18, 19 den Kreislaufabschnitten 12, 13 bzw. dem Kühlmitteleintritt 10 und dem Kühlmittelaustritt 11 gegenüberliegend ausgebildet sind.
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Dem ersten Kreislaufabschnitt 12 ist ein Zulaufkanal 20 zugeordnet über den die einzelnen Kühlmäntel 9 mit Kühlmittel versorgt werden. Der Zulaufkanal 20 ist durchströmbar mit dem Kreislaufeintritt verbunden. Dem gegenüberliegend weist der zweite Kreislaufabschnitt 13 einen Ablaufkanal 21 auf, in den das Kühlmittel nach seiner Durchströmung der Kühlmäntel 9 einströmen und über den Kreislaufaustritt, welcher durchströmbar mit dem Ablaufkanal 21 verbunden ist, in den Kühler strömen kann.
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In 1 sind prinzipielle Strömungslinien 22 des in den Kühlmantel 9 einströmenden Kühlmittels sowie des aus dem Kühlmantel 9 auströmenden Kühlmittels eingezeichnet, und es ist erkennbar, dass ein erster Kühlmantelabschnitt 23 des Kühlmantels 9, welcher dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildet ist, einen geringeren Kühlmitteldurchsatz als ein an den ersten Kühlmantelabschnitt 23 angrenzenden zweiter Kühlmantelabschnitt 24.
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Des Weiteren ist mit Hilfe eines abgebildeten prinzipiellen Bearbeitungswerkzeugs 34, welches üblicherweise als spanendes Werkzeug, insbesondere in Form eines Fräsers ausgebildet ist, die Herstellung des an das Zulaufelement 14 angrenzenden Kühlkanals 8 sowie das Zulaufelement 14 selbst illustriert. Das Ablaufelement 15 und sein angrenzender Kühlkanal 8 werden in gleicher Weise hergestellt. Aufgrund der Form der Elemente 14, 15 ist das Bearbeitungswerkzeug 34, welches zur Bearbeitung des Kurbelgehäuses 1 klein und lang sein sollte, angewinkelt zu halten, wodurch eine aufwendige und kostenintensive Herstellung vorliegt.
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In 2 ist ein Kühlmittelkern 25 des Kühlmittelkreislaufes 4 gemäß dem Stand der Technik abgebildet, welcher zur Ausbildung des Kühlmantels 9, des Zulaufelementes 14 und des Ablaufelementes 15 ausgeführt ist.
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In den 3 bis 6 ist jeweils ein Ausschnitt des Kurbelgehäuses 1 aufweisend einen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf 4 abgebildet, wobei insbesondere der Kühlmantel 9, das Zulaufelement 14, der Kühlkanal 8 sowie der Zulaufkanal 20 erkennbar sind.
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Der Zulaufkanal 20 und der Ablaufkanal 21 sind relativ zu dem Kühlmantel 9 in Richtung der Zylinderlängsachse 7 tiefer angeordnet, das heißt mit anderen Worten vom Zylinderkopf weiter entfernt im Kurbelgehäuse 1 positioniert. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere sofern, wie es im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, ein nicht näher dargestellter Zylinderkopfkühlkreislauf des Zylinderkopfes aus dem Zulaufkanal 20 gespeist und/oder in den Ablaufkanal 21 abströmend ausgebildet ist, hierzu ist eine durchströmbare Verbindung 38 im Kurbelgehäuse 1 ausgestaltet, und insbesondere sofern die Verbrennungskraftmaschine 3 in Form eines Boxermotors ausgeführt ist, kein Übertritt von Kühlmittel aus dem Zulaufelement 14 oder dem Ablaufelement 15 in den Zylinderkopfkühlkreislauf erfolgen kann.
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Der Kühlmantel 9 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist in Form von mehreren in Richtung der Zylinderlängsachse 7 voneinander parallel beabstandete Kühlringe 26 ausgeführt. Ebenso könnte der Kühlmantel 9 auch in Form eines Hohlzylinders ausgeführt sein.
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Die Kühlringe 26 weisen jeweils einen Strömungsquerschnitt 27 auf, wobei mit Hilfe unterschiedlich großer Strömungsquerschnitte 27 der einzelnen Kühlringe 26 ebenfalls die bevorzugte Kühlung weiter verbessert herbeiführbar ist. Die Kühlringe 26 sind ausgehend vom Zulaufelement 14 voneinander unabhängig mit Kühlmittel versorgt. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Einspeisung des Kühlmittels in jeden einzelnen Kühlring 26 ausschließlich im Zulaufelement 14 erfolgt und die Kühlringe 26 vorzugsweise nicht durch bspw. Verbindungskanäle miteinander durchströmbar verbunden sind.
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Zur verbesserten Durchströmung des den Kühlmantel 9 durchströmenden Kühlmittels sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Anschlussquerschnitt 16 sowie der vierte Anschlussquerschnitt 19 kleiner ausgeführt als der zweite Anschlussquerschnitt 17 bzw. der dritte Anschlussquerschnitt 18. Dies hat den Vorteil, dass sich bereits aufgrund der Querschnittserweiterung eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Zulaufelement 14 zur verbesserten Verteilung im Kühlmantel 9 verringert, wohingegen sie sich im Ablaufelement 15 am vierten Anschlussquerschnitt 19 zur optimalen Ausströmung steigert.
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Das Zulaufelement 14 und das Ablaufelement 15 des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufes 4 sind in den vorgestellten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen identisch ausgebildet. Dies ist nicht zwingend notwendig, sondern dies kann von den Anforderungen an den Kühlkreislauf, insbesondere in Abhängigkeit einer Spitzenleistung der Verbrennungskraftmaschine entsprechend abweichend gestaltet werden.
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Wie in den 3 bis 6 illustriert, sind das Zulaufelement 14 und das Ablaufelement 15 in Richtung der Zylinderlängsachse 7 mit einem quasi trapezformartigen bzw. quaderformartigen Querschnitt ausgebildet, wobei jedoch eine dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildete erste Elementwandung 28 zumindest teilweise gekrümmt und eine der ersten Elementwandung 28 gegenüberliegend ausgebildete zweite Elementwandung 29 ebenfalls gekrümmt, insbesondere parabolformartig in Richtung der ersten Elementwandung 28 konvex gekrümmt ausgeführt ist, wodurch sich auf einfache Weise eine bevorzugte Anströmung des Kühlmantels 9 ergibt. Insbesondere ist das Zulaufelement 14 unmittelbar durchströmbar mit dem Zulaufkanal 20 verbunden. Das heißt mit anderen Worten, dass im Vergleich zum Stand der Technik gem. 1, der Kühlkanal 8 zwischen dem Zulaufkanal 20 und dem Zulaufelement 14 eliminiert ist, wodurch Unstetigkeiten der Elementwandungen 28, 29 vermieden sind. Dies führt zu einer verbesserten Strömungsführung des Kühlmittels, derart, dass im ersten Kühlmantelabschnitt 23 ein verbesserter Kühlmitteldurchsatz herbeigeführt ist.
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Zur weiteren verbesserten Kühlmittelversorgung des ersten Kühlmittelabschnitts 23 weist die erste Elementwandung 28 einen an den Zulaufkanal 20 angrenzend ausgebildeten ersten Wandabschnitt 32 und einen zwischen dem Kühlmantel 9 und dem ersten Wandabschnitt 32 ausgebildeten zweiten Wandabschnitt 33 auf, wobei der erste Wandabschnitt 32 ausgehend vom ersten Anschlussquerschnitt 16 gekrümmt, bevorzugt monoton steigend, und der zweite Wandabschnitt 33 waagerecht zur Zylinderachse 7 zur waagerechten Einströmung des Kühlmittels in den ersten Kühlmantelabschnitt 23 ausgebildet ist. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist der erste Wandabschnitt 32 in radialer Richtung gleich groß ausgebildet ist wie der zweite Wandabschnitt 33.
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Die zweite Elementwandung 29 ist sich in Richtung der ersten Elementwandung 28 konvex erstreckend, somit ebenfalls gekrümmt ausgebildet, wobei sie jedoch ausgehend vom ersten Anschlussquerschnitt 16 bis zum Kühlmitteleintritt 10 parabolformartig gekrümmt ausgeführt ist. Dies hat den Vorteil, dass ein Querschnitt des Zulaufelementes 14 im oberen Bereich, welcher an den ersten Kühlmantelabschnitt 23 angrenzend ausgebildet ist, größer ist als ein Querschnitt des Zulaufelementes 14 im unteren Bereich, welcher an den zweiten Kühlmantelabschnitt 24 angrenzend ausgeführt ist. Dadurch ist die Kühlmittelzufuhr im zweiten Kühlmantelabschnitt 24 aufgrund des geringeren Querschnittes bereits relativ zur Kühlmittelzufuhr im ersten Kühlmantelabschnitt 23 reduziert. Dies führt bereits zu einem gesteigerten Kühlmitteldurchsatz im ersten Kühlmantelabschnitt 23 und kann weiter gesteigert werden, indem das Ablaufelement 15 gemäß dem Zulaufelement 14 ausgebildet ist. Selbstredend ist das Ablaufelement 15 jedoch durchströmbar mit dem Kühlmittelaustritt 11 und dem Ablaufkanal 21 verbunden.
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Eine weitere Verbesserung der Anströmung des ersten Kühlmantelabschnitts 23 lässt sich erreichen, indem ein erster Mittelpunkt M1 des ersten Anschlussquerschnitts 16 in Richtung der Zylinderlängsachse 7 dem Zylinderkopf näher angeordnet ist als ein zweiter Mittelpunkt M2 des zweiten Anschlussquerschnitts 17. Das heißt mit anderen Worten, dass, wird bspw. ein so genannter stehender Motorblock 2 betrachtet, der erste Mittelpunkt M1 höher liegt als der zweite Mittelpunkt M2. Ebenso vorteilhaft ist eine entsprechende Anordnung der Anschlussquerschnitte 18, 19 des Ablaufelementes 15 derart, dass ein Mittelpunkt des dritten Anschlussquerschnitts 18 in Richtung der Zylinderlängsachse 7 vom Zylinderkopf weiter entfernt angeordnet ist als ein Mittelpunkt des vierten Anschlussquerschnitts 19.
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Zur effektiven Kühlung des Zylinders ist das Zulaufelement 14 ausgehend von dem Zulaufkanal 20, welcher in Richtung einer Zylinderlängsachse 7 des Zylinders 5 tiefer angeordnet ist als das Zulaufelement 14, zur zumindest in axialer Richtung entlang der Zylinderlängsachse 7 gleichmäßigen Versorgung des Kühlmantels 9 mit Kühlmittel ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Versorgung des Kühlmantels 9 über seine axiale Erstreckung ausgehend von seinem dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeten ersten Ende 30 hin zu seinem vom ersten Ende abgewandt ausgebildeten zweiten Ende 31 zumindest gleichmäßig ist, oder mit anderen Worten ein insbesondere gleichmäßiger Kühlmitteldurchsatz über die axiale Erstreckung des Kühlmantels 9 realisiert ist. Bevorzugt jedoch ist ein größerer Kühlmitteldurchsatz im ersten Kühlmantelabschnitt 23 als im zweiten Kühlmantelabschnitt 24 realisiert.
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Der zumindest gleichmäßige, insbesondere im ersten Kühlmantelabschnitt 23 gegenüber dem zweiten Kühlmantelabschnitt 24 höhere Kühlmitteldurchsatz kann besonders bevorzugt durch eine entsprechend angepasste Ausbildung des Ablaufelementes 15 erreicht werden, insbesondere dadurch, dass das Ablaufelement 15 gleich mit dem Zulaufelement 14 ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass das Ablaufelement 15 den dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeten ersten Kühlmantelabschnitt 23 mit einem höheren Kühlmitteldurchsatz als den an den ersten Kühlmantelabschnitt 23 angrenzenden zweiten Kühlmantelabschnitt 24 entsorgend ausgebildet ist.
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In 4 ist in einem Halbschnitt ein Ausschnitt des Kurbelgehäuses 1 mit dem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf im ersten Ausführungsbeispiel abgebildet, wobei das Kurbelgehäuse 1 sich im Rohteilzustand zur Bearbeitung gemäß einem ersten Herstellungsverfahren befindet. Das Zulaufelement 14 weist bereits eine Grundgeometrie des ersten Anschlussquerschnitts 16 auf, welcher eine Übergabestelle zwischen dem Zulaufkanal 20 und dem Zulaufelement 14 definiert. Beim Abguss des Rohteils ist zwischen dem Zulaufkanal 20 und dem Zulaufelement 14 eine Trennwand 36 ausgebildet, die in einem weiteren Herstellungsschritt mit Hilfe des Bearbeitungswerkzeugs 34, s. 5, welches bevorzugt als Fräser ausgeführt ist, entfernt wird. Somit ist eine durchströmbare Verbindung zwischen dem Zulaufkanal 20 und dem Zulaufelement 14 ausgebildet. Die Fräsbearbeitung kann nun mit relativ kurzen Bearbeitungswerkzeugen kostengünstig direkt von oben, d.h. ausgehend von einer dem Zylinderkopf zugewandt ausgebildeten Oberfläche 37 des Kurbelgehäuses 1 lotrecht erfolgen.
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In 5 ist das bearbeitete Kurbelgehäuse 1 abgebildet. In Abhängigkeit einer Führung des Bearbeitungswerkzeugs 34 ist ein Absatz 35 am ersten Anschlussquerschnitt 16 ausgebildet. Es ist erkennbar, dass das Bearbeitungswerkzeug 34 insbesondere parallel zur Zylinderlängsachse 7 geführt werden kann, wodurch insgesamt eine einfache und kostengünstige Herstellung des Kurbelgehäuses 1 ermöglicht ist. Selbstredend wird das Ablaufelement 15 gemäß dem Zulaufelement 14 hergestellt.
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Das Kurbelgehäuse 1 mit dem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf 4, welches in 6 abgebildet ist, ist in einem alternativen zweiten Herstellungsverfahren erzeugt. Es wird der Kühlmittelkern 25 des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes 4 mit einem nicht näher dargestellten Kern des Zulaufkanals 20 bspw. einstückig ausgebildet, oder der Kühlmittelkern 25 wird in eine Gussform zumindest an den Kern des Zulaufkanals 20 unmittelbar anschließend angelegt, derart, dass der erste Anschlussquerschnitt 16 bereits im Gießverfahren hergestellt wird. Dies ermöglicht eine optimale Gestaltung des Zulaufelementes 14. Des Weiteren kann im zweiten Herstellungsverfahren auf die anschließende spanende Bearbeitung verzichtet werden, wodurch sich das zweite Herstellungsverfahren durch geringere Verfahrensschritte auszeichnet im Vergleich zum ersten Herstellungsverfahren. Ein weiterer Vorteil des zweiten Herstellungsverfahrens ist darin zu sehen, dass der Kühlmittelkern 25 während des Abgusses positioniert und gehalten werden, wodurch Kernlager zur Halterung des Kühlmittelkerns 25 entfallen können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelgehäuse
- 2
- Motorblock
- 3
- Verbrennungskraftmaschine
- 4
- Kühlmittelkreislauf
- 5
- Zylinder
- 6
- Längsachse
- 7
- Zylinderlängsachse
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Kühlmantel
- 10
- Kühlmitteleintritt
- 11
- Kühlmittelaustritt
- 12
- Erster Kreislaufabschnitt
- 13
- Zweiter Kreislaufabschnitt
- 14
- Zulaufelement
- 15
- Ablaufelement
- 16
- Erster Anschlussquerschnitt
- 17
- Zweiter Anschlussquerschnitt
- 18
- Dritter Anschlussquerschnitt
- 19
- Vierter Anschlussquerschnitt
- 20
- Zulaufkanal
- 21
- Ablaufkanal
- 22
- Strömungslinie
- 23
- Erster Kühlmantelabschnitt
- 24
- Zweiter Kühlmantelabschnitt
- 25
- Kühlmittelkern
- 26
- Kühlring
- 27
- Strömungsquerschnitt
- 28
- Erste Elementwandung
- 29
- Zweite Elementwandung
- 30
- Erstes Ende
- 31
- Zweites Ende
- 32
- Erster Wandabschnitt
- 33
- Zweiter Wandabschnitt
- 34
- Bearbeitungswerkzeug
- 35
- Absatz
- 36
- Trennwand
- 37
- Oberfläche
- 38
- Verbindung
- M1
- erster Mittelpunkt
- M2
- zweiter Mittelpunkt
