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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Zylinder mit mindestens einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung und an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- - der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser mindestens eine zylinderkopfzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist,
- - zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnung mit der Zuführöffnung verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelsteuereinheit ausgestattet ist, und
- - eine Pumpe zur Förderung von Motoröl dient und zwar via Versorgungsleitung zu mindestens einem Verbraucher innerhalb eines Ölkreislaufs.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Daher werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, denn die thermische Belastung der Motoren nimmt stetig zu. Dies ist auch dadurch bedingt, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen und mit dem Ziel eines möglichst dichten Packaging immer mehr Komponenten in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock integriert werden, wodurch die thermische Belastung der Motoren, d.h. der Brennkraftmaschinen, wächst. Zunehmend häufig wird der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung zu partizipieren und den Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind.
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Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d.h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Der mindestens eine Kühlmittelmantel wird einlassseitig via Zuführöffnung mit Kühlmittel versorgt, das nach Durchströmen des Zylinderkopfes auslassseitig den Kühlmittelmantel via Abführöffnung verlässt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise via Abführöffnung aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
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Wie der Zylinderkopf kann auch der Zylinderblock mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist aber das thermisch höher belastete Bauteil, da der Zylinderkopf im Gegensatz zu dem Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Zylinderkopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre bzw. Zylinderbohrungen. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
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Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr sehr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
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Zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs ist die auslassseitige Abführöffnung, aus welcher das Kühlmittel austritt, mit der einlassseitigen Zuführöffnung, die der Versorgung des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel dient, verbindbar bzw. verbunden, wozu eine Leitung oder mehrere Leitungen vorgesehen werden können. Diese Leitungen müssen keine Leitungen im eigentlichen Sinn sein, sondern können abschnittsweise auch in den Zylinderkopf, Zylinderblock oder ein anderes Bauteil integriert sein. Ein Beispiel für eine derartige Leitung ist eine Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen.
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Es ist nicht das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine möglichst große Wärmemenge zu entziehen. Vielmehr wird eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt, die neben der Volllast auch den Betriebsmodi der Brennkraftmaschine Rechnung trägt, in denen es vorteilhafter ist, der Brennkraftmaschine weniger bzw. möglichst wenig Wärme zu entziehen.
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Um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, kann eine zügige Erwärmung des Motoröls, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Konzepte bekannt, mit denen die Reibleistung durch schnelle Erwärmung des Motoröls gemindert werden kann. Das Öl kann beispielsweise mittels externer Heizvorrichtung aktiv erwärmt werden, wobei die Heizvorrichtung aber zusätzlich Kraftstoff verbraucht, was einer Minderung des Kraftstoffverbrauchs entgegensteht. Andere Konzepte sehen vor, dass im Betrieb erwärmte Motoröl in einem isolierten Behältnis zu speichern und bei einem Neustart zu nutzen, wobei das im Betrieb erwärmte Öl zeitlich nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur gehalten werden kann. Gemäß einem weiteren Konzept wird ein kühlmittelbetriebener Ölkühler in der Warmlaufphase zweckentfremdet und zum Erwärmen des Öls genutzt, was aber wiederum eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels voraussetzt.
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Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d.h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
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Insofern ist die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ein Beispiel für einen Betriebsmodus, in dem es vorteilhaft ist, der Brennkraftmaschine möglichst wenig, vorzugsweise keine Wärme zu entziehen.
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Eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung, bei der zum Zweck der schnellen Aufheizung der Brennkraftmaschine der Wärmeentzug nach einem Kaltstart vermindert wird, kann durch Einsatz eines selbsttätig temperaturabhängig steuernden Ventils realisiert werden, welches im Stand der Technik häufig auch als Thermostatventil bezeichnet wird. Ein derartiges Thermostatventil weist ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element auf, wobei eine durch das Ventil führende Verbindungsleitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Element versperrt wird oder - mehr oder weniger - freigegeben wird.
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Bei einer Brennkraftmaschine, die sowohl einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock aufweist, ist es vorteilhaft, den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock unabhängig voneinander und vorzugsweise stufenlos steuern zu können, insbesondere da die beiden Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen. Diesbezüglich wäre es zielführend, den Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf und den Kühlmittelstrom durch den Zylinderblock jeweils mit einem eigenen Thermostatventil mit unterschiedlichen Öffnungstemperaturen zu steuern. Zu Beginn der Warmlaufphase würde das Kühlmittel nicht fließen, sondern in den Leitungen und dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks stehen, wodurch die Erwärmung des Kühlmittels und die Aufheizung der Brennkraftmaschine beschleunigt werden, die Erwärmung des Motoröls vorangetrieben und die Reduzierung der Reibleistung unterstützt werden würde.
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Aus Komfortgründen kann es, insbesondere nach einem Kaltstart, vorteilhaft bzw. wünschenswert sein, eine kühlmittelbetriebene Fahrzeuginnenraumheizung via Heizkreislaufleitung mit im Zylinderkopf und/oder Zylinderblock vorerwärmtem Kühlmittel zu versorgen.
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Aus dem Stand der Technik sind Ausführungsformen bekannt, bei denen auslassseitig oder einlassseitig ein sogenanntes Proportionalventil zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, welches sowohl den Kühlmittelfluss durch den Zylinderkopf als auch den Kühlmittelfluss durch den Zylinderblock mittels eines einzelnen Stellelements steuert und mit dem eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung bzw. bedarfsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine realisiert werden kann. Die Kosten, das Gewicht und der Raumbedarf der Steuerung verringern sich. Die Anzahl der Bauteile reduziert sich, wodurch sich grundsätzlich die Bereitstellungskosten und die Montagekosten vermindern. Das Stellelement kann beispielsweise als drehbare Walze mit auf der Mantelfläche angeordneten Öffnungen ausgebildet sein, wobei in dem das Stellelement aufnehmenden Ventilgehäuse mehrere Eingänge und Ausgänge für das Kühlmittel vorgesehen sind.
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Das beispielsweise mittels Motorsteuerung aktiv gesteuerte Proportionalventil gestattet grundsätzlich eine kennfeldgesteuerte Betätigung und damit auch eine an den momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasste Kühlmitteltemperatur, beispielsweise bei niedrigeren Lasten eine höhere Kühlmitteltemperatur als bei hohen Lasten und damit einen geringeren Wärmentzug im Teillastbetrieb. Durch ein mittels Motorsteuerung gesteuertes Proportionalventil können die Kühlmittelströme durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock und damit die entzogenen Wärmemengen bedarfsgerecht eingestellt, d.h. gesteuert werden.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Kaltstartverhaltens bzw. des Warmlaufens verbessert ist und bei der insbesondere eine schnellere Aufheizung des Motoröls realisiert werden kann, so dass sich die Reibleistung mindern lässt.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Zylinder mit mindestens einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung und an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- - der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser mindestens eine zylinderkopfzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist, - zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnung mit der Zuführöffnung verbunden ist, wobei der Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelsteuereinheit ausgestattet ist, und
- - eine Pumpe zur Förderung von Motoröl dient und zwar via Versorgungsleitung zu mindestens einem Verbraucher innerhalb eines Ölkreislaufs,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - der Ölkreislauf ein Leitungssystem mit mindestens einer Leitung aufweist, wobei mindestens eine Leitung des Leitungssystems in einem zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantel angeordnet ist, in der Art, dass diese mindestens eine Leitung zumindest abschnittsweise vollumfänglich von Kühlmittel ummantelt ist.
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Um eine schnellere Aufheizung des Motoröls nach einem Kaltstart bzw. während des Warmlaufens zu realisieren, verfügt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine über einen Wärmetauscher, mit welchem Wärme vom Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs in das Motoröl des Ölkreislaufs eingetragen werden kann. Dabei wird der Effekt genutzt, dass sich das Kühlmittel einer Brennkraftmaschine regelmäßig schneller erwärmt als das Motoröl.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird gebildet von einem Leitungssystem, welches mindestens eine Leitung aufweist und mit dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine fluidisch in Verbindung steht. Folglich wird dieses Leitungssystem von aus dem Ölkreislauf stammenden Motoröl durchströmt.
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Mindestens eine Leitung des Leitungssystems ist in einem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine platziert und zwar in der Weise, dass diese mindestens eine Leitung zumindest abschnittsweise vollumfänglich von Kühlmittel ummantelt ist, wodurch der Wärmeübergang gefördert wird.
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Die Anordnung des Leitungssystems im Kühlmittelmantel sollte grundsätzlich in der Art erfolgen, dass eine möglichst große wärmeübertragende Fläche geschaffen wird und eine möglichst große Wärmemenge vom Kühlmittel auf das Motoröl übertragen werden kann.
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Letzteres kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass das Leitungssystem an einer Stelle des Zylinderkopfes platziert wird, an welcher nach einem Kaltstart schneller höhere Temperaturen erreicht werden als an anderen Stellen des Zylinderkopfes, der regelmäßig kein gleichförmiges Aufheizverhalten zeigt, sondern vielmehr eine sehr inhomogene Temperaturverteilung in der Warmlaufphase aufweist.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich des Kaltstartverhaltens bzw. des Warmlaufens verbessert ist und bei der insbesondere eine schnellere Aufheizung des Motoröls realisiert werden kann, so dass sich die Reibleistung mindern lässt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei wird unter anderem deutlich gemacht, wie die Leitungen des Leitungssystems vorzugsweise zueinander angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das Leitungssystem eine Vielzahl von Leitungen umfasst.
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Eine Vielzahl von Leitungen bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Leitungen, mindestens drei Leitungen oder mindestens vier Leitungen, insbesondere aber fünf oder mehr Leitungen, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Leitungen. Ein Leitungssystem kann aber auch zwölf oder mehr, fünfzehn oder mehr oder zwanzig oder mehr Leitungen umfassen.
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Mit der Anzahl der Leitungen nimmt auch die wärmeübertragende Fläche zu, d.h. die Fläche, die von außen mit Kühlmittel beaufschlagt wird. Eine größere Fläche ermöglicht eine höhere Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung; bei zirkulierendem Kühlmittel eine höhere Wärmeübertragung infolge Konvektion.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mehrere Leitungen eine gleiche Ausrichtung aufweisen.
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Mehrere Leitungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Leitungen, in der Regel aber mindestens drei, vier oder mehr bis hin zu einem ganzen Bündel an Leitungen.
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Eine gleiche Ausrichtung der Leitungen ermöglicht die Anordnung mehrerer Leitungen auf möglichst kleinem Volumen, d.h. die Realisierung einer möglichst großen wärmeübertragenden Fläche bei gleichzeitig möglichst kleinem Volumen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mehrere Leitungen zueinander beabstandet angeordnet sind.
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Der Abstand der Leitungen soll einen Durchfluss von Kühlmittel zwischen die Leitungen ermöglichen und damit die Wärmeübertragung verbessern, insbesondere erhöhen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mehrere Leitungen fluidisch miteinander verbunden sind. Dann können diese Leitungen unter Verwendung einer einzelnen Leitung mit Motoröl versorgt werden.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mehrere Leitungen zu einer gemeinsamen Leitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mehrere Leitungen unter Verwendung einzelner Zwischenelemente miteinander verbunden sind und eine zusammenhängende Struktur ausbilden.
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Die Zwischenelemente verleihen der Struktur eine gewisse Steifigkeit und definierte Abmessungen. Beides ist vorteilhaft. Zum einen sollte die Struktur eine gewisse Steifigkeit und damit Dauerhaltbarkeit aufweisen, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Struktur von Kühlmittel umströmt wird und vereinzelt auch Kavitation auftreten kann, insbesondere in Bereichen von hoher thermischer Belastung. Zum anderen muss die Struktur in den Kühlmittelmantel eingebracht werden, d.h. montiert werden, weshalb definierte Abmessungen bevorzugt werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Zwischenelemente rippenartig ausgebildet sind.
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Die rippenartige Ausbildung der Zwischenelemente unterstützt den Wärmübergang vom Kühlmittel in die Struktur und von der Struktur in das Motoröl.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Zwischenelemente stegartig ausgebildet sind.
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Stegartige Zwischenelemente zielen weniger auf den Wärmeübergang und mehr auf die Steifigkeit der Struktur.
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Bei Verwendung von Zwischenelemente können Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen jeweils zwei benachbarte Leitungen unter Verwendung von zwei oder mehr Zwischenelementen miteinander sind, wobei benachbarte Zwischenelemente beabstandet zueinander angeordnet sind. Der Abstand der Zwischenelemente soll einen Durchfluss von Kühlmittel zwischen die Leitungen ermöglichen und damit die Wärmeübertragung verbessern, insbesondere erhöhen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Leitung des Leitungssystems in einem Bereich des zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantels angeordnet ist, der sich benachbart zu dem Abgasabführsystem erstreckt.
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Ebenso wie der Zylinderkopf erwärmt sich das in einem zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantel befindliche Kühlmittel nach einem Kaltstart nicht gleichmäßig, so dass sich während des Warmlaufens eine sehr inhomogene Temperaturverteilung im Kühlmittel einstellen kann.
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Um nach einem Kaltstart eine möglichst große Wärmemenge vom Kühlmittel auf das Motoröl übertragen zu können, sollte die Anordnung des Leitungssystems im Kühlmittelmantel grundsätzlich an einer Stelle erfolgen, an der nach einem Kaltstart schnell hohe Kühlmitteltemperaturen erreicht werden, beispielsweise benachbart zum Abgasabführsystem. Aus diesem Grunde eignet sich auch die Anordnung des Leitungssystems in einem auslassseitig im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlmittelmantel.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehenden Gründen auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Leitung des Leitungssystems in einem Bereich des zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantels angeordnet ist, der sich entlang einer Abgasleitung erstreckt.
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Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit dem Zylinderblock verbindbar ist, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine Zylinderkopf einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.
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Bei einem Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer erweist sich ein Kühlmittelmantel, der einen unteren Kühlmittelmantel und einen oberen Kühlmittelmantel umfasst als besonders vorteilhaft. Dieses Konzept ermöglicht eine effektive Kühlung und eine hohe Wärmeabfuhr.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine gemäß einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach einem Kaltstart und/oder in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unter Verwendung der Kühlmittelsteuereinheit eine No-Flow-Strategie hinsichtlich des mindestens einen Zylinderkopfes realisiert wird, gemäß der das Kühlmittel in dem mindestens einen zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantel nicht zirkuliert, sondern steht.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, wird eine möglichst zügige Erwärmung des Motoröls angestrebt. Einer schnellen Erwärmung des Motoröls wird Vorschub geleistet durch eine schnelle Aufheizung des Kühlmittels. Letzteres wird dadurch unterstützt, dass mittels No-Flow-Strategie das im Zylinderkopf befindliche Kühlmittel schneller erhitzt wird, wodurch wiederum die Wärmeübertagung vom Kühlmittel auf das Motoröl gesteigert wird. Das Kühlmittel in dem mindestens einen zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantel zirkuliert dabei nicht.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen nach einem Kaltstart und/oder in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine No-Flow-Strategie hinsichtlich des Leitungssystems realisiert wird, gemäß der das Motoröl im Leitungssystem nicht zirkuliert, sondern steht.
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Vorliegend zirkuliert das Motoröl in dem Leitungssystem nicht. Eine Überhitzung des Motoröls und damit eine thermische Alterung, insbesondere eine Verkokung, sind dennoch nicht zu befürchten, da das Kühlmittel unter keinen Betriebsbedingungen die dafür erforderlichen sehr hohen Temperaturen erreicht.
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Vorteilhaft sind auch Verfahrensvarianten, bei denen nach einem Kaltstart und/oder in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unter Verwendung der Pumpe eine No-Flow-Strategie hinsichtlich des Ölkreislaufs realisiert wird, gemäß der das Motoröl im Ölkreislauf nicht zirkuliert, sondern steht. Es gilt das für die vorherig beschriebene Verfahrensvariante Gesagte.
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Vorliegend wird die Förderung des Öls im gesamten Ölkreislauf eingestellt, indem die Pumpe zur Förderung des Motoröls deaktiviert wird. Die vorherige Verfahrensvariante stellt hingegen auf eine No-Flow-Strategie des Leitungssystems ab.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die No-Flow-Strategie hinsichtlich des Leitungssystems bzw. die No-Flow-Strategie hinsichtlich des Ölkreislaufs beendet wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels eine vorgebbare Kühlmitteltemperatur überschreitet. Dann kann mittels im Leitungssystem zirkulierendem Motoröl Wärme aus dem Kühlmittel abgeführt werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen die No-Flow-Strategie wieder angewendet wird, sobald die Temperatur des Motoröls eine vorgebbare Öltemperatur überschreitet. Dadurch wird vermieden, dass weiter hohe Wärmemengen in das Motoröl eingetragen werden.
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Die beiden letztgenannten Verfahrensvarianten eignen sich insbesondere zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, die auf Betriebstemperatur aufgeheizt ist, und kommen nach einem Kaltstart und/oder in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine weniger häufig zur Anwendung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a, 1 b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a schematisch ein Fragment eines flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine im Querschnitt,
- 1b schematisch das in den Kühlmittelmantel des in 1a dargestellten Zylinderkopfes implementierte Leitungssystem im Querschnitt, und
- 2 schematisch das in den Kühlmittelmantel des in 1a dargestellten Zylinderkopfes implementierte Leitungssystem in einer perspektivischen Darstellung.
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1a zeigt schematisch ein Fragment eines flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine im Querschnitt. Die Brennkraftmaschine umfasst zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung diesen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 1, der an seiner Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist (nicht dargestellt).
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Der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf 1 verfügt über einen integrierten Kühlmittelmantel 2, der mit Kühlmittel 2b aus dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine versorgt wird. Des Weiteren ist der Zylinderkopf 1 mit Abgasleitungen 6a ausgestattet, die sich an die Auslassöffnungen der Zylinder anschließen, um die Abgase via Abgasabführsystem 6 aus den Zylindern abzuführen. Sowohl der Kühlmittelmantel 2 als auch die Abgasleitungen 6a des Abgasabführsystems 6 werden von Wandungen 1a des Zylinderkopfes 1 begrenzt und mit ausgebildet.
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Vorliegend ist der Kühlmittelmantel 2 ein oberer Kühlmittelmantel 2a, der auf der dem Zylinderblock abgewandten Seite der Abgasleitungen 6a angeordnet ist, d.h. oberhalb des Abgaskrümmers.
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Ein Leitungssystem 4 ist vorgesehen, welches mit dem Ölkreislauf 3 der Brennkraftmaschine verbunden ist und von diesem Ölkreislauf 3 mit Motoröl 3a versorgt wird. Dieses Leitungssystem 4 umfasst mehrere Leitungen 4a, die im oberen Kühlmittelmantel 2a des Zylinderkopfes 1 angeordnet sind und zwar in der Art, dass diese Leitungen 4a zumindest abschnittsweise vollumfänglich von Kühlmittel 2b ummantelt sind.
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Das Leitungssystem 4 ist in einem Bereich des zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantels 2, 2a angeordnet, der sich benachbart zum Abgasabführsystem 6 befindet, und damit in einem Bereich der thermisch hoch beansprucht ist. An dieser Stelle erreicht das Kühlmittel 2b nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine schneller höhere Temperaturen, wodurch der Aufheizeffekt des Motoröls 3a mittels Kühlmittel 2b unterstützt wird.
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1b zeigt schematisch dieses in den Kühlmittelmantel 2, 2a des Zylinderkopfes 1 gemäß 1a implementierte Leitungssystem 4 im Querschnitt.
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Die Leitungen 4a des Leitungssystems 4 weisen die gleiche Ausrichtung auf und verlaufen parallel und zueinander beabstandet.
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Die Leitungen 4a sind paarweise unter Verwendung von Zwischenelementen 5 miteinander verbunden und bilden eine zusammenhängende - vorliegend regelmäßige - Struktur aus.
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Die dargestellte Struktur stellt sicher, dass die Motoröl 3a führenden Leitungen 4a möglichst großflächig von Kühlmittel 2b des Kühlmittelmantels 2 ummantelt sind und umströmt werden können.
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2 zeigt schematisch das in den Kühlmittelmantel 2, 2a des Zylinderkopfes 1 gemäß 1a implementierte Leitungssystem 4 in einer perspektivischen Darstellung.
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Die dargestellten Leitungen 4a führen zu einer gemeinsamen Leitung 4b zusammen, so dass die Leitungen 4a fluidisch miteinander verbunden sind und unter Verwendung der gemeinsamen Leitung 4b mit Motoröl versorgt werden können. Zu erkennen ist die rippenartige Ausbildung der Zwischenelemente 5.
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Die Zwischenelemente 5 verlaufen stegartig zwischen zwei benachbarten Leitungen 4a. Jeweils zwei benachbarte Leitungen 4a sind unter Verwendung von drei Zwischenelementen 5 miteinander verbunden, wobei die Zwischenelemente 5 zueinander beabstandet angeordnet sind. Der Abstand der Zwischenelemente 5 soll den Durchfluss von Kühlmittel 2b zwischen die Leitungen 4a ermöglichen und damit die Wärmeübertragung erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 1a
- Wandung des Zylinderkopfes, Zylinderkopfmaterial
- 2
- Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes, zylinderkopfzugehöriger Kühlmittelmantel
- 2a
- oberer Kühlmittelmantel
- 2b
- Kühlmittel
- 3
- Ölkreislauf
- 3a
- Motoröl
- 4
- Leitungssystem
- 4a
- Leitung
- 4b
- gemeinsame Leitung
- 5
- Zwischenelement
- 6
- Abgasabführsystem
- 6a
- Abgasleitung
