DE102020114484B3

DE102020114484B3 - Kühlvorrichtung für flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine sowie Kraftfahrzeug mit flüssigkeitsgekühlter Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102020114484B3
Application number: DE102020114484.9A
Authority: DE
Inventors: Tamás Somogyi
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2040-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (18) für eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine (12) eines Kraftfahrzeugs (10). Die Kühlvorrichtung (18) umfasst einen von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal (20), wobei an einer Innenseite (28) des Kühlkanals (20) mehrere strömungsbeeinflussende Elemente (30) angeordnet sind. Jedes der Elemente (30) ist von sechs Seitenflächen (32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f) begrenzt. In einem undurchströmten Zustand des Kühlkanals (20) ist eine jeweilige erste Seitenfläche (32a) jedes der Elemente (30) angepasst an die Innenseite (28) des Kühlkanals (20) konvex gekrümmt und sind jeweils fünf Seitenflächen (32b, 32c, 32d, 32e, 32f) jedes der Elemente (30) ungekrümmt. Jedes der Elemente (30) ist über die jeweilige erste Seitenfläche (32a) unmittelbar an der Innenseite (28) des Kühlkanals (20) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Kühlkanal, durch welchen in einem durchströmten Zustand ein Kühlfluid entlang einer Hauptströmungsrichtung strömt. Zusätzlich sind an einer Innenseite des Kühlkanals mehrere strömungsbeeinflussende Elemente angeordnet. Zusätzlich ist jedes der Elemente über eine jeweilige erste Seitenfläche unmittelbar an der Innenseite des Kühlkanals angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine.
Es ist allgemein bekannt, mittels einer Kühlvorrichtung Wärme eines Verbrennungsmotors abzuführen. Dies ist erforderlich, da beispielsweise Wärme eines heißen Gases von einem Brennraum und/oder einem Zylinder an den Verbrennungsmotor bildende Komponenten, bspw. einen Zylinderkopf, ein Kurbelgehäuse und/oder eine Zylinderkopfdichtung abgegeben wird. Als Kühlfluid kann beispielsweise ein Kühlgas (z.B. Luft) oder eine Kühlflüssigkeit (z.B. Wasser-Glykol-Mischung) eingesetzt werden. Durch eine effiziente Kühlung kann insbesondere ein durch Überhitzung bedingter Schaden an dem Verbrennungsmotor bzw. dessen Komponenten begrenzt oder verhindert werden.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten bekannt, um einen Wärmeübergang zwischen einem zu kühlenden Kühlobjekt und einem Kühlfluid zu verbessern. Hierzu kann mittels zumindest eines strömungsbeeinflussenden Elements, das in einem Kühlkanal angeordnet ist, eine Oberfläche des Kühlobjekts vergrößert und/oder eine Turbulenz (Verwirbelung) in einem Kühlmittelstrom erzeugt oder erhöht werden.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2010 027 A1 eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlkanal, der mindestens ein strömungsbeeinflussendes Element (z.B. Lamelle, Verengung, Blende oder perforiertes Blech) aufweist.
Die DE 3632 160 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem zwischen einem Zylinder und einem Kurbelgehäuse angeordneten Kühlraum, wobei an einer Außenseite Turbulenzbleche aufgeschoben sind. Die Turbulenzbleche umfassen Turbolatoren, die durch Einstechen und Auswölben einzelner Abschnitte der Turbulenzbleche geformt sein können.
Aus der DE 197 44 449 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Turbulenz im Kühlwasser bekannt, das durch Wasserkanäle eines Zylinders eines Verbrennungsmotors fließt. Die Vorrichtung umfasst einen Innen- und Außenring eines Stahlgehäuses, die eine ringförmige Kammer begrenzen, und eine Mehrzahl an Druckeinrichtungen, die radial an dem Innenring montiert sind. Jede der Druckeinrichtungen ist mittels eines Drucks eines durch die Kammer fließenden Motoröls in einander entgegengesetzte Richtungen radial bewegbar.
Der nächstliegende Stand der Technik der US 5 000 464 A offenbart eine Kühlvorrichtung für eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit mehreren an der Innenseite eines Kühlkanals strömungsbeeinflussenden Elementen. Ähnliches offenbart die US 5 022 662 A .
Die DE 10 2018 102 713 A1 offenbart ein Kühlkanal mit turbulenzerzeugenden Elementen.
Die US 2008/0308083 A1 und die WO 2010/110665 A1 offenbarten jeweils Elemente zur Erzeugung von Turbulenzen.
Die bekannten und genannten Lösungen ermöglichen durch eine jeweilige konstruktive Maßnahme eine Beeinflussung eines Kühlfluidstroms. Derartige Maßnahmen umfassen jedoch komplexe Bauteile, deren Konstruktion und/oder Einbau in einen Kühlkanal aufwendig sein kann.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art alternativ auszugestalten, sodass ein flüssigkeitsgekühlter Verbrennungsmotor besonders effizient zu kühlen ist. Zusätzlich ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in eine Auslegung einer Kühlvorrichtung, insbesondere eines Kühlkanals, eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors von dessen Bauteilen (Komponenten) vorgegeben ist. Diese umfassen beispielsweise einen Zylinderkopf, ein Kurbelgehäuse und/oder eine Zylinderkopfdichtung. Hierbei kann insbesondere ein Fertigungsverfahren und/oder eine Geometrie zumindest eines der Bauteile sowie deren Anordnung in einem Verbund die Auslegung der Kühlvorrichtung beeinflussen. Um eine Effizienz der Kühlvorrichtung zu erhöhen, kann eine strömungsbeeinflussende Maßnahme an dem Kühlkanal vorgenommen werden. Allerdings kann diese eine aufwendige und komplizierte Montage sowie einen erhöhten Bauraumbedarf zur Folge haben. Dem kann durch die Erfindung entgegengewirkt werden.
Durch die Erfindung ist hierzu eine Kühlvorrichtung für eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Kühlkanal. In einem durchströmten Zustand strömt ein Kühlfluid durch den Kühlkanal entlang einer Hauptströmungsrichtung. Dabei handelt es sich bei dem Kühlkanal um einen länglichen Hohlkörper, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Durchmesser ist. Der Kühlkanal kann beispielsweise als ein Rohr und/oder ein Schlauch ausgestaltet sein. Durch den Kanal kann das Kühlfluid geleitet werden, d.h. das Kühlfluid fließt durch diesen hindurch. Das Kühlfluid weist bei einem derartigen Strömungsvorgang (Transport) eine Strömung auf, die eine gerichtete Bewegung des Kühlfluids umfasst. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen Strömungsvorgang, bei welchem der Kühlkanal vollständig von dem Kühlfluid ausgefüllt ist. Die Strömung kann beispielsweise anhand eines Volumenstroms und/oder eines Geschwindigkeitsprofils beschrieben werden. Eine maßgebliche Richtung der Strömung kann mit der Hauptströmungsrichtung angegeben sein. Die Hauptströmungsrichtung verläuft insbesondere parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des Kühlkanals. Beim Durchströmen des Kühlkanals kann das Kühlfluid zusätzlich mit einem Druck, insbesondere mit einem Überdruck, beaufschlagt werden. Eine den Kühlkanal begrenzende Wand kann beispielsweise aus Metall (z.B. Gusseisen, Stahl) und/oder aus Kunststoff gefertigt sein. Mittels des Kühlfluids wird Wärme von einem zu kühlenden Kühlobjekt abgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann bei Bedarf Wärme zugeführt werden. Bei dem Kühlfluid kann es sich in der Regel um ein Gemisch aus Wasser und einem Frost- und/oder einem Korrosionsschutzmittel handeln (z.B. Wasser-Glykol-Mischung), wobei das Kühlfluid auch als Kühlflüssigkeit bezeichnet werden kann. Durch die Kühlflüssigkeit kann ein besonders gleichmäßiger Wärmetransport realisiert werden und ein Temperaturunterschied und somit Verzug zwischen einzelnen das zu kühlende Kühlobjekt bildenden Bauteilen geringgehalten werden. Zusätzlich können Betriebsgeräusche gemindert werden. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Kühlfluid um Luft handeln, das entlang des Kühlkanals das Kühlobjekt kanalisiert umfließt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Luft im Vergleich zu der Kühlflüssigkeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht gefriert und bei hohen Temperaturen nicht überkocht.
An einer Innenseite des Kühlkanals sind mehrere strömungsbeeinflussende Elemente angeordnet. Somit kann die Strömung mittels der mehreren strömungsbeeinflussenden Elemente innerhalb des Kühlkanals verändert und angepasst werden. Die Elemente können beispielsweise als Bleche oder Platten ausgebildet sein. Dadurch kann eine Oberfläche des Kühlobjekts vergrößert und/oder eine Turbulenz in dem Kühlfluid erzeugen oder erhöht werden. Bei einer Zunahme der Oberfläche kann eine Kontaktfläche des Kühlobjekts mit dem Kühlfluid vergrößert sein. Die Turbulenz gibt eine Verwirbelung innerhalb des Kühlfluids an, d.h. ein dreidimensionales Strömungsfeld mit einer zeitlich und räumlich scheinbar zufällig variierenden Komponente. Die mehreren strömungsbeeinflussenden Elemente sind hierzu innerhalb des Kühlkanals an der Innenseite positioniert, insbesondere befestigt. Dabei können der Kühlkanal und die strömungsbeeinflussenden Elemente aus einem selben Werkstoff und/oder aus voneinander unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein. Eine Anordnung der strömungsbeeinflussenden Elemente kann beispielsweise bereits im Zuge einer Fertigung des Kühlkanals und/oder zu einem späteren Zeitpunkt realisiert sein.
Jedes der Elemente ist von sechs Seitenflächen begrenzt. Somit ist jedes der Elemente als ein Hexaeder, d.h. ein Polyeder, ausgebildet. In einem undurchströmten Zustand ist eine jeweilige erste Seitenfläche jedes der Elemente angepasst an die Innenseite des Kühlkanals konvex gekrümmt und sind jeweils fünf Seitenflächen jedes der Elemente ungekrümmt. Das bedeutet, dass bis auf eine jeweilige, d.h. die jeweilige erste Seitenfläche, sämtliche Seitenflächen eben sind. Lediglich die jeweilige erste Seitenfläche weicht von einem geraden, d.h. ebenen Verlauf ab. Die jeweilige erste Seitenfläche ist dabei konvex, d.h. eine gerade Strecke zwischen zwei beliebig wählbaren Punkten der jeweiligen ersten Seitenfläche befindest sich komplett innerhalb des jeweilige der Elemente. Dabei ist eine Krümmung der jeweiligen ersten Seitenfläche komplementär zu einer Krümmung der Innenseite des Kühlkanals, sodass diese räumlich zueinander passen, d.h. einander ergänzen. Dies ist erforderlich, da jedes der Elemente über die jeweilige erste Seitenfläche unmittelbar an der Innenseite des Kühlkanals angeordnet ist. Die beiden Zustände durchströmt und undurchströmt geben in diesen Zusammenhang an, inwiefern das Kühlfluid durch den Kühlkanal geleitet wird oder darauf verzichtet wird.
Durch eine derartige Ausgestaltung der strömungsbeeinflussenden Elemente ergibt sich der Vorteil, dass diese besonders einfach und formschlüssig innerhalb des Kühlkanals angeordnet sein können. Ein Montageaufwand kann hierbei geringgehalten werden. Aufgrund bekannter Vorteile des Einsatzes von strömungsbeeinflussenden Elementen in dem Kühlkanal, kann dadurch beispielsweise eine Leistungsdichte des Verbrennungsmotors erhöht, eine Kompressionswärme und eine Klopfneigung reduziert werden. Auch kann durch den Einsatz derart ausgestalteter strömungsbeeinflussender Elemente eine hohe Wärmetransportfähigkeit des Kühlfluids bei einer kompakten Bauweise der Kühlvorrichtung realisiert werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass in dem durchströmten Zustand jeweils zumindest vier der jeweils fünf Seitenflächen jedes der Elemente durch das den Kühlkanal durchströmende Kühlfluid elastisch und/oder plastisch verformt sind. Eine Verformung beschreibt in diesem Zusammenhang eine Formänderung (Deformation) infolge eines Einwirkens einer äußeren Kraft. Diese Kraft kann von dem den Kühlkanal durchströmenden Kühlfluid aufgebracht werden. Die Verformung kann dabei reversibel (elastisch) sein, d.h. umkehrbar oder zeitlich begrenzt (bspw. solange die Kraft wirkt). Alternativ oder zusätzlich kann die Verformung irreversibel (plastisch) sein, d.h. unumkehrbar oder dauerhaft. Eine Art und/oder ein Ausmaß der Verformung kann von einer Elastizität und/oder einer Plastizität des jedes der Elemente bildenden Werkstoff vorgegeben sein. Insbesondere findet eine Verformung zumindest teilweise entlang der Hauptströmungsrichtung statt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein von einer Geometrie jedes der Elemente vorgegebener Strömungswiderstand in Abhängigkeit von der Strömung variabel ist. Dadurch kann die Strömung besonders flexibel beeinflusst werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die erste Seitenfläche jedes der Elemente eine jeweilige Längserstreckungsrichtung aufweist. Die jeweilige Längserstreckungsrichtung jedes der Elemente und die Hauptströmungsrichtung schließen einen Winkel zwischen 10 und 70 Grad, insbesondere zwischen 40 und 50 Grad, ein. Hierbei beschreibt die jeweilige Längserstreckungsrichtung der ersten Seitenfläche eine erste Richtung parallel zu zwei Seitenkanten, die länger ist als eine zweite Richtung parallel zu zwei weiteren Seitenkanten ist, wobei die die erste Richtung und die zweite Richtung normal zueinander orientiert sind. Die jeweilige Längserstreckungsrichtung und die Hauptströmungsrichtung beschreiben zwei in einer Ebene liegende Strahlen (Halbgeraden), die von einem gemeinsamen Anfangspunkt (Schnittpunkt) begrenzt sind. Eine relative Lage der beiden Strahlen zueinander wird durch den Winkel vorgegeben. Der Winkel beträgt zwischen 10 und 70 Grad, insbesondere zwischen 40 und 50 Grad. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Vielzahl an Elementen in dem Kühlkanal angeordnet werden kann, wobei aufgrund einer Abweichung zwischen der Längserstreckungsrichtung und der Hauptströmungsrichtung die Verwirbelung begünstigt werden kann. Insbesondere können bei der abgewickelten Innenseite des Kühlkanals auch zumindest zwei der Elemente entlang der Längserstreckungsrichtung parallel zueinander angeordnet sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die jeweilige erste Seitenfläche jedes der Elemente einen jeweiligen Flächenschwerpunkt aufweist. Der jeweilige Flächenschwerpunkt beschreibt einen jeweiligen Schwerpunkt der jeweiligen ersten Seitenfläche, der mathematisch einer Mittelung aller Punkte innerhalb der Fläche entspricht. Der jeweilige Flächenschwerpunkt von zumindest zwei der mehreren Elemente ist auf einer radial zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Ebene angeordnet. Somit sind zumindest zwei der mehreren Elemente derart zueinander positioniert, dass der jeweilige Flächenschwerpunkt der jeweiligen ersten Seitenfläche in der Ebene liegt. Diese Ebene kann den Kühlkanal an der Innenseite schneiden, wobei auf einem darauf resultierenden Schnittkreis der jeweilige Flächenschwerpunkt liegt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Vielzahl an Elementen in dem Kühlkanal insbesondere in mehreren parallelen Ebenen angeordnet werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ein Abschnitt des Kühlkanals durch zumindest fünf, vorzugsweise acht, der Elemente verjüngt ist. Somit verkleinern die in dem Kühlkanal angeordneten Elemente den normal zur Hauptströmungsrichtung orientierten Abschnitt. Der Abschnitt weist also eine Einschnürung in Form der zumindest fünf, vorzugsweise acht, Elemente Elemente auf. Im Vergleich zu einem weiteren Abschnitt in einem von den zumindest drei Elementen abweichenden Abschnitt des Kühlkanals ist der verjüngte Abschnitt verringert. Insbesondere können die Elemente vergleichbar zu einem mehrere Leitschaufeln aufweisendes Leitrad einer Turbine ausgebildet sein. Eine Projektion des verjüngten Abschnitts in Hauptströmungsrichtung umfasst einen Zentralabschnitt und an der Innenseite des Kühlkanals zwischen je zwei benachbarten Elementen jeweils ein Kurvensegment. Als Kurvensegment im Sinne der Erfindung wird jene Fläche bezeichnet, die jeweils von einem Kreisbogen der Innenseite des Kühlkanals und zwei Seitenkanten zweier benachbarter Elemente begrenzt wird. Jedes Kurvensegment gibt einen zwischen zwei benachbarten Elementen und der Innenseite verfügbaren durchströmbaren Bereich an. Der Zentralabschnitt ist in der Projektion um einen Mittelpunkt des Kühlkanals ist drehsymmetrisch ausgebildet. Der Zentralabschnitt kann auf sich selbst abgebildet werden, wenn man ihn um einen Drehwinkel um den zentralen Mittelpunkt dreht. Der Drehwinkel ist von einer Anzahl der Elemente definiert, die eine Kennzahl („Zähligkeit“) der Rotationssymmetrie angibt. Zusätzlich weist der Zentralabschnitt eine kreisförmig angeordnete Verzahnung mit einem Keilwinkel kleiner 90 Grad auf. Eine Form des Zentralabschnitts, insbesondere die Verzahnung, ähnelt einem Umriss eines Sägeblatts oder eines einfachen Windrads. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass anhand der der geometrischen Ausgestaltung des Zentralabschnitts und der Kurvensegmente eine spezifische Strömungscharakteristik vorgegeben werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform hierzu sieht vor, dass in dem Abschnitt des Kühlkanals zumindest zwei benachbarte Elemente einander zumindest bereichsweise überlappen. Somit überlagern sich zumindest zwei benachbarte Elemente abschnittsweise. Liegen beispielsweise die zumindest drei Elemente vor, dann kann eine erste Seite eines ersten der Elemente oberhalb des zweiten Elements und eine zur ersten Seite entgegengesetzte Seite unterhalb des dritten Elements sein. Dadurch kann dort vorteilhafterweise die Verwirbelung des Kühlfluids einfach verstärkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass jedes der Elemente als eine Platte ausgebildet ist. Jedes der Elemente kann als ein flächiges Bauteil vorliegen, das jeweils die Platte darstellt. Eine jeweilige der jeweils fünf Seitenflächen ist dabei als eine Plattenunterseite und eine jeweilige weitere der jeweils fünf Seitenflächen als eine Plattenoberseite ausgebildet. Ferner grenzen die eine jeweilige und die jeweilige weitere der jeweils fünf Seitenflächen jeweils an die jeweilige erste Seitenfläche an und sind jeweils größer als davon abweichende der sechs Seitenflächen. Somit ist jedes der Elemente weder über die Plattenoberseite noch die Plattenunterseite den dem Kühlkanal befestigt. Vorteilhafterweise kann eine besonders große Oberfläche jedes der Elemente, d.h. insbesondere der Plattenoberseite und/oder der Plattenunterseite, für die Strömungsbeeinflussung eingesetzt werden. Insbesondere kann eine erste Kantenlänge jeder der sechs Seitenflächen zwischen 2 und 4 Millimeter und eine zweite Kantenlänge von vier der sechs Seitenflächen zwischen 0,1 und 1,0 Millimeter, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6 Millimeter, betragen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass jedes der Elemente aus einem Metallwerkstoff und/oder einem Elastomerwerkstoff gebildet ist. Jedes der Elemente ist somit aus dem Metallwerkstoff und/oder dem Elastomerwerkstoff gefertigt. Beispielsweise kann der Metallwerkstoff ein Gussmetall oder Stahl umfassen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Elemente robust sind. Der Elastomerwerkstoff kann beispielsweise ein Vulkanisat von Natur- und/oder Synthesekautschuk sein. Der Elastomerwerkstoff kann vorteilhafterweise elastisch und strapazierfähig sein.
Durch die Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug mit einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Personenbus oder ein Motorrad ausgestaltet. Die Verbrennungskraftmaschine kann das Kraftfahrzeug antreiben, wobei durch innere Verbrennung von Treibstoff eine mechanische Arbeit verrichtet wird. Hierzu umfasst die Verbrennungskraftmaschine einen Zylinderkopf, ein Kurbelgehäuse und eine Zylinderkopfdichtung. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Kühlvorrichtung. Bei der Kühlvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Der Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse weisen einen jeweiligen Kühlkanalabschnitt auf, wobei die Zylinderkopfdichtung die beiden Kühlkanalabschnitte zu einem Kühlkanal der Kühlvorrichtung fluiddicht miteinander verbindet. In einem durchströmten Zustand strömt das Kühlfluid durch den Kühlkanal von dem Kurbelgehäuse zu dem Zylinderkopf. Des Weiteren sind an einer Innenseite des Kühlkanals mehrere strömungsbeeinflussenden Elemente angeordnet.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor aufweist, dessen Leistungsdichte aufgrund bekannter Vorteile des Einsatzes von strömungsbeeinflussenden Elementen in dem Kühlkanal, erhöht, eine Kompressionswärme und eine Klopfneigung reduziert werden können. Auch kann durch den Einsatz derart ausgestalteter strömungsbeeinflussenden Elemente eine hohe Wärmetransportfähigkeit des Kühlfluids bei einer kompakten Bauweise der Kühlvorrichtung und daher der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass jedes der Elemente in dem Kühlkanal in einem Bereich der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist jedes der Elemente in dem Kühlkanal in dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt des Zylinderkopfes und/oder des Kurbelgehäuses angeordnet. Somit können die Elemente in einem Abschnitt des Kühlkanals mit hoher thermischer Belastung angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Turbulenz selektiv bei Bedarf erhöht werden kann. Dazu ist es erforderlich, jedes der Elemente direkt in dem Abschnitt oder entlang einer Hauptströmungsrichtung stromauf und/oder stromab zu positionieren. Die mehreren Elemente können dabei jeweils als ein separates Bauteil vorliegen und/oder in die Verbrennungskraftmaschine integriert sein, wobei jedes der Elemente als Teil der Zylinderkopfdichtung und/oder des Zylinderkopfes und/oder des Kurbelgehäuses ausgebildet sein kann.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine;
2 eine Wärmebilddarstellung eines Kühlkanals der Verbrennungskraftmaschine;
3 eine Wärmebilddarstellung des Kühlkanals der Verbrennungskraftmaschine mit strömungsbeeinflussenden Elementen;
4 ausschnittsweise eine Darstellung des Kühlkanals mit den strömungsbeeinflussenden Elementen;
5 eine Schnittdarstellung des Kühlkanals mit den strömungsbeeinflussenden Elementen; und
6 eine perspektivische Schnittdarstellung des Kühlkanals mit den strömungsbeeinflussenden Elementen.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
Die 1 zeigt beispielhaft ein Kraftfahrzeug 10 mit einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine 12. Die Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst einen Zylinderkopf 14 und ein Kurbelgehäuse 16. Beim Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 12 entsteht Wärme, die mit einer Kühlvorrichtung 18 abgeführt wird.
Die 2 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in der 1 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine Wärmebilddarstellung eines Kühlkanals 20 der Verbrennungskraftmaschine 12. Der Kühlkanal 20 umfasst zwei Kühlkanalabschnitte 22, 24, d.h. einen Kühlkanalabschnitt 22 in dem Zylinderkopf 14 und einen Kühlkanalabschnitt 24 in dem Kurbelgehäuse 16. Eine Zylinderkopfdichtung 26 verbindet beide Kühlkanalabschnitte 22, 24 zu dem Kühlkanal 20 fluiddicht miteinander. In einem durchströmten Zustand strömt ein Kühlfluid durch den Kühlkanal 20 von dem Kurbelgehäuse 16 zu dem Zylinderkopf 14 entlang einer Hauptströmungsrichtung S, die mit einem Pfeil angedeutet ist und parallel zur z-Richtung verläuft.
Aus dem Durchströmen des Kühlkanals 20 resultiert ein Wärmeübergangskoeffizient α in W/(m²·K). Dieser beschreibt eine Intensität eines Wärmeübergangs an einer Grenzfläche, d.h. von dem Kühlfluid an einer Innenseite 28 des Kühlkanals 20. Der Wärmeübergangskoeffizient α ist dabei abhängig von einer Strömungsgeschwindigkeit, einer Strömungsart (laminar oder turbulent), von einer Geometrie des Kühlkanals 20 und einer Oberflächenbeschaffenheit der Innenseite 28. Bei der in der 2 dargestellten Wärmebilddarstellung des Kühlkanalabschnitts 22 kann der Wärmeübergangskoeffizient 20.602 W/(m²·K) betragen.
Die 3 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in der 1 und der 2 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine Wärmebilddarstellung des Kühlkanals 20 der Verbrennungskraftmaschine 12, wobei an der Innenseite 28 des Kühlkanals 20 acht strömungsbeeinflussende Elemente 30 angeordnet sind. Die Elemente 30 sind dabei in einem Bereich der Zylinderkopfdichtung 26 positioniert. Alternativ oder zusätzlich können die Elemente 30 auch in dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt 22, 24 des Zylinderkopfes 14 und des Kurbelgehäuses 16 angeordnet sein. Jedes der Elemente 30 kann dabei aus einem Metallwerkstoff und alternativ oder zusätzlich einem Elastomerwerkstoff gebildet sein. Der Übersicht halber ist nur eines der Elemente 30 mit einem Bezugszeichen versehen.
Eine durch die Elemente 30 erzeugte Turbulenz und vergrößerte Oberfläche der Innenseite 28 des Kühlkanals 20 kann dabei den Wärmeübergangskoeffizienten α im Vergleich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform auf 22.151 W/(m²·K) erhöhen und dadurch effizienter Wärme abführen.
Die 4 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1 bis 3 gezeigten und beschriebenen Komponenten einen Ausschnitt IV-IV des Kühlkanals 20 mit den strömungsbeeinflussenden Elementen 30 im Bereich der Zylinderkopfdichtung 26. Jedes der Elemente ist von sechs Seitenflächen 32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f begrenzt ist. Der Übersicht halber weisen lediglich ausgewählte der Elemente 30 jeweils die Bezugszeichen der Seitenflächen 32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f auf. Die jeweilige erste Seitenfläche 32a jedes der Elemente 30 ist angepasst an die Innenseite 28 des Kühlkanals 20 konvex gekrümmt und jeweils fünf Seitenflächen 32b, 32c, 32d, 32e, 32f jedes der Elemente 30 sind in einem undurchströmten Zustand ungekrümmt. Dabei ist jedes der Elemente 30 über die jeweilige erste Seitenfläche 32a unmittelbar an der Innenseite 28 des Kühlkanals 20 angeordnet.
Insbesondere kann jedes der Elemente 30 als eine Platte ausgebildet sein. Dabei ist die Seitenfläche 32e als eine Plattenunterseite und die Seitenfläche 32f als eine Plattenoberseite ausgebildet. Die Plattenunterseite und die Plattenoberseite, d.h. Seitenflächen 32e, 32f, grenzen jeweils an die jeweilige erste Seitenfläche 32a und sind jeweils größer als die davon abweichende Seitenflächen 32a, 32b, 32c, 32d.
Die erste Seitenfläche 32a jedes der Elemente 30 weist eine jeweilige Längserstreckungsrichtung L auf. Diese schließt mit der Hauptströmungsrichtung S einen Winkel zwischen 10 und 70 Grad, insbesondere zwischen 40 und 50 Grad, ein.
Durchströmt das Kühlfluid den Kühlkanal 20, d.h. in einem durchströmten Zustand des Kühlkanals 20, können jeweils zumindest vier der jeweils fünf Seitenflächen 32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f jedes der Elemente 30 durch das den Kühlkanal durchströmende Kühlfluid elastisch und/oder plastisch verformt sein.
Die 5 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1 bis 4 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine Schnittdarstellung V-V des in 3 dargestellten Kühlkanals 20. Ein gezeigter Abschnitt 34 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S parallel zur z-Richtung ist durch die acht Elemente 30 verjüngt. Eine Projektion des verjüngten Abschnitts 34 in Hauptströmungsrichtung S umfasst einen Zentralabschnitt 36, der um einen Mittelpunkt M des Kühlkanals 20 drehsymmetrisch ausgebildet ist und eine kreisförmig angeordnete Verzahnung mit einem Keilwinkel kleiner 90 Grad aufweist. Des Weiteren weist der Abschnitt 34 acht an der Innenseite 28 des Kühlkanals 20 jeweilige zwischen zwei benachbarten Elementen 30 angeordnete Kurvensegmente 38 auf. Der 5 kann auch entnommen werden, dass sich in zumindest zwei benachbarte Elemente 30 einander zumindest bereichsweise überlappen.
Die 6 zeigt unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den in den 1 bis 5 gezeigten und beschriebenen Komponenten eine perspektivische Schnittdarstellung VI-VI des in 3 dargestellten Kühlkanals 20. Die jeweilige erste Seitenfläche 32a jedes der Elemente 30 weist einen jeweiligen Flächenschwerpunkt F auf, wobei der jeweilige Flächenschwerpunkt F von zumindest zwei der mehreren Elemente 30 auf einer radial zur Hauptströmungsrichtung S verlaufenden Ebene angeordnet ist. Diese Ebene kann den Kühlkanal 20 an der Innenseite 28 schneiden, wobei auf einem darauf resultierenden Schnittkreis K der jeweilige Flächenschwerpunkt F liegt.
Bei der Auslegung des Kühlkanals 20 sind insbesondere eine gießbare Geometrie, Bauteile der Verbrennungskraftmaschine 12 (Zylinderkopf 14, Kurbelgehäuse 16, Zylinderkopfdichtung 26, Abgasturbolader), Kosten und eine konstruktive Umsetzung (z.B. Position der Auslass-, Ölkanälen oder Schrauben) zu berücksichtigen. Eine Kühlleistung kann durch eine gesteigerte Turbulenz erhöht werden. Hierzu kann man sogenannte „Mischer“ (Elemente 30) verwenden. Dadurch kann die Kühlleistung bei einer unveränderten Kühlkanalgeometrie und/oder Kühlfluidmenge erhöhen. Dies kann insbesondere den Bereichen mit einem erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten α (Vgl. die 2 und die 3) entnommen werden. Die „Mischer“ (Elemente 30) können beispielsweise in einer separaten Hülse angeordnet sein. Dabei kann eine Geometrie, z.B. eine Flügelanzahl oder eine Flügelmasse variiert werden. Des Weiteren können die „Mischer“ (Elemente 30) in der Zylinderkopfdichtung 26 positioniert werden. Dabei gibt eine Größe der Zylinderkopfdichtung 26 die Geometrie vor. Alternativ oder zusätzlich können die „Mischer“ (Elemente 30) als Guss realisiert sein.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie Mischer (strömungsbeeinflussende Elemente 30) in dem Kühlkanal 20 bereitgestellt werden kann.

Claims

Kühlvorrichtung (18) für eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine (12) eines Kraftfahrzeugs (10), umfassend - einen Kühlkanal (20), wobei - in einem durchströmten Zustand ein Kühlfluid durch den Kühlkanal (20) entlang einer Hauptströmungsrichtung (S) strömt, wobei - an einer Innenseite (28) des Kühlkanals (20) mehrere strömungsbeeinflussende Elemente (30) angeordnet sind, - jedes der Elemente (30) über eine jeweilige erste Seitenfläche (32a) unmittelbar an der Innenseite (28) des Kühlkanals (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - jedes der Elemente (30) von sechs Seitenflächen (32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f) begrenzt ist, wobei - in einem undurchströmten Zustand eine jeweilige erste Seitenfläche (32a) jedes der Elemente (30) angepasst an die Innenseite (28) des Kühlkanals (20) konvex gekrümmt ist und jeweils fünf Seitenflächen (32b, 32c, 32d, 32e, 32f) jedes der Elemente (30) ungekrümmt sind.
Kühlvorrichtung (18) nach Anspruch 1, wobei in dem durchströmten Zustand jeweils zumindest vier der jeweils fünf Seitenflächen (32b, 32c, 32d, 32e, 32f) jedes der Elemente (30) durch das den Kühlkanal (20) durchströmende Kühlfluid elastisch und/oder plastisch verformt sind.
Kühlvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Seitenfläche (32a) jedes der Elemente (30) eine jeweilige Längserstreckungsrichtung (L) aufweist, wobei - die jeweilige Längserstreckungsrichtung (L) jedes der Elemente und die Hauptströmungsrichtung (S) einen Winkel zwischen 10 und 70 Grad, insbesondere zwischen 40 und 50 Grad, einschließen.
Kühlvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die jeweilige erste Seitenfläche (32a) jedes der Elemente (30) einen jeweiligen Flächenschwerpunkt (F) aufweist, wobei - der jeweilige Flächenschwerpunkt (F) von zumindest zwei der mehreren Elemente (30) auf einer radial zur Hauptströmungsrichtung (S) verlaufenden Ebene angeordnet ist.
Kühlvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (S) ein Abschnitt (34) des Kühlkanals (20) durch zumindest fünf, vorzugsweise acht, der Elemente (30) verjüngt ist, wobei - eine Projektion des verjüngten Abschnitts (34) in Hauptströmungsrichtung (S) einen Zentralabschnitt (36) und an der Innenseite (28) des Kühlkanals (20) zwischen je zwei benachbarten der Elemente (30) jeweils ein Kurvensegment (38) umfasst, wobei - der Zentralabschnitt (36) um einen Mittelpunkt (M) des Kühlkanals (20) drehsymmetrisch ausgebildet ist und eine kreisförmig angeordnete Verzahnung mit einem Keilwinkel kleiner 90 Grad aufweist.
Kühlvorrichtung (18) nach Anspruch 5, wobei in dem Abschnitt (34) des Kühlkanals (20) zumindest zwei benachbarte Elemente (30) einander zumindest bereichsweise überlappen.
Kühlvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - jedes der Elemente (30) als eine Platte ausgebildet ist, wobei - eine jeweilige der jeweils fünf Seitenflächen (32b, 32c, 32d, 32e, 32f) als eine Plattenunterseite und eine jeweilige weitere der jeweils fünf Seitenflächen (32b, 32c, 32d, 32e, 32f) als eine Plattenoberseite ausgebildet ist, wobei - die eine jeweilige und die jeweilige weitere der jeweils fünf Seitenflächen (32b, 32c, 32d, 32e, 32f) jeweils an die jeweilige erste Seitenfläche (32a) angrenzt und jeweils größer als davon abweichende der sechs Seitenflächen (32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f) sind.
Kühlvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Elemente (30) aus einem Metallwerkstoff und/oder einem Elastomerwerkstoff gebildet ist.
Kraftfahrzeug (10), umfassend eine flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschine (12) mit - einer Kühlvorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - einem Zylinderkopf (14) und einem Kurbelgehäuse (16) mit einem jeweiligen Kühlkanalabschnitt (22, 24), wobei - eine Zylinderkopfdichtung (26) die beiden Kühlkanalabschnitte (22, 24) zu dem Kühlkanal (20) fluiddicht miteinander verbindet, wobei - in dem durchströmten Zustand das Kühlfluid durch den Kühlkanal (20) von dem Kurbelgehäuse (16) zu dem Zylinderkopf (14) strömt, wobei - an der Innenseite (28) des Kühlkanals (20) die mehreren strömungsbeeinflussenden Elemente (30) angeordnet sind.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 9, wobei jedes der Elemente (30) in dem Kühlkanal (20) wie folgt angeordnet ist: - in einem Bereich der Zylinderkopfdichtung (26) und/oder - in dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt (22, 24) des Zylinderkopfes (14) und/oder des Kurbelgehäuses (16).