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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die gattungsbildende
DE 10 2016 100 411 A1 schlägt eine Hubkolbenvorrichtung sowie eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Hubkolbenvorrichtung vor. Die Hubkolbenvorrichtung weist ein einen Zylinder ausbildendes Gehäuse und einen beweglich in dem Zylinder gelagerten Kolben auf, wobei das Gehäuse einen den Zylinder zumindest teilweise umgebenden Kühlmantel ausbildet, in dessen Wandungen ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass ausgebildet sind. Dabei ist der Kühlmantel mittels eines oder mehrerer Trennwände in eine Mehrzahl von Kühlkanälen unterteilt.
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Die
JP H04 - 295 164 A beschreibt eine Kühlvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer in einem Zylinder angeordneten Brennkammer, die die Kühlleistung in Richtung eines oberen Teils einer Zylinderlaufbuchse in der Nähe der Brennkammer durch gleichmäßige Verteilung allmählich erhöht.
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Die
DE 10 2017 106 065 A1 beschreibt ein Zylinderrohr für eine Hubkolbenmaschine. Das Zylinderrohr beinhaltet ein Gehäuse, eine Laufbuchse zur Aufnahme eines Kolbens der Hubkolbenmaschine, Stege und einen Wassermantel. Dabei ist die Laufbuchse innerhalb des Gehäuses und koaxial zum Gehäuse angeordnet, und der Wassermantel ist zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse angeordnet. Die Stege sind zwischen der Laufbuchse und dem Gehäuse angeordnet und mit der Laufbuchse und/oder dem Gehäuse verbunden. Der Wassermantel weist durch die Stege eine vergrößerte Oberfläche auf, und eine an das im Wassermantel fließende Kühlmittel übertragene Wärmemenge könne vorteilhaft erhöht werden.
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Eine Brennkraftmaschine wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und beispielsweise in der
DE 10 2017 106 065 A1 , der
US 5 261 357 A sowie der
US 2015 / 0 377 178 A1 beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, 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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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d.h. Brennräume, miteinander verbindbar bzw. miteinander verbunden sind. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
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Der Zylinderkopf dient zur Aufnahme der Steuerorgane und bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme der Ventiltriebe im Ganzen. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die mindestens eine Auslassöffnung und das Füllen des Brennraums über die mindestens eine Einlassöffnung jedes Zylinders. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden. Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen bzw. Zylinderbuchsen auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird entlang der Zylinderlängsachse axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt. Das Zylinderrohr wird entweder unter Verwendung einer in den Zylinderblock einsetzbaren Zylinderbuchse oder direkt durch den Zylinderblock selbst, nämlich die Zylinderbohrung, ausgebildet.
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Die Kolben dienen der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist jeder Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung der Ventiltriebe.
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Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse regelmäßig durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte.
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Der Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ist ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil, wobei die Anforderungen an den Zylinderblock zunehmen. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig - beispielsweise mittels Abgasturboauflader oder mechanischem bzw. elektrischem Lader - aufgeladen werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, d.h. Wirkungsgrad zu verbessern. Dadurch steigt sowohl die thermische als auch die mechanische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung und die übrigen Komponenten des Zylinderblocks zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die der thermischen und mechanischen Belastung gerecht werden.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks geführten Luftströmung erfolgt.
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Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grunde werden Brennkraftmaschinen zunehmend mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine Flüssigkeitskühlung, wobei zumindest der Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist.
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Eine Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel, der das Kühlmittel durch den Zylinderblock führt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel beispielsweise in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet ist, wieder entzogen.
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Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Blockoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderblocks 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 aus dem Inneren des Zylinderblocks abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderblocks wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
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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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Wie der Zylinderblock kann auch der Zylinderkopf mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist regelmäßig das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
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Die Ausstattung des Zylinderblocks mit einer Flüssigkeitskühlung und mindestens einem Kühlmittelmantel, führt bei einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik zu großen Temperaturgradienten im Block, insbesondere im Stegbereich, d.h. in dem Bereich zwischen zwei benachbarten Zylindern. Bedingt ist dies auch dadurch, dass die Konzipierung der Kühlung nach dem Stand der Technik nicht bedarfsgerecht, sondern vielmehr im Hinblick auf das Herstellungsverfahren des Zylinderblocks erfolgt, der regelmäßig im Gießverfahren hergestellt wird, wodurch die Anordnung und Formgebung der Kühlmittelmäntel stark beeinflusst ist und limitiert wird.
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Die großen Temperaturunterschiede im Zylinderblock resultieren in einem mehr oder weniger großen thermischen Verzug des Zylinderrohres eines Zylinders. Dieser sogenannte Bohrungsverzug hat in der Praxis mehrere nachteilige Effekte.
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Um den Bohrungsverzug zu verringern, werden nach dem Stand der Technik Schlitze und/oder kleinere Bohrungen durch spanabhebende Bearbeitung des Zylinderblocks im Stegbereich eingebracht. Diese Maßnahme führt aber nur zu einer geringfügigen Verbesserung, da nicht der gesamte Bereich zwischen zwei benachbarten Zylindern bearbeitet werden kann. Zudem wird der hoch beanspruchte Block in seiner Festigkeit und Dauerhaltbarkeit geschwächt.
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Damit der Kolben im Zusammenwirken mit dem Zylinderrohr und den Kolbenringen den Brennraum trotz Bohrungsverzug effektiv gegenüber dem Kurbelgehäuse abdichten kann, werden die Vorspannkräfte der Ringe nach dem Stand der Technik erhöht, wodurch aber in nachteiliger Weise die Reibung bzw. Reibleistung der Brennkraftmaschine ebenfalls erhöht wird.
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Grundsätzlich ist man aber bemüht, die Reibleistung einer Brennkraftmaschine zu minimieren, um den Kraftstoffverbrauch und damit auch die Schadstoffemissionen zu mindern.
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Idealerweise sollten sich der thermisch und der mechanisch bedingte Verzug derart wechselseitig beeinflussen bzw. ergänzen, dass das Zylinderrohr im Betrieb der Brennkraftmaschine die gewollte Gestalt bzw. Form annimmt und aufweist.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des thermisch und mechanisch bedingten Verzugs des Zylinderrohres verbessert ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, und
- - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme mindestens eines Kolbens, bei der
- - jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch den zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT unter Ausbildung eines Kolbenhubs s translatorisch verschiebbar ist, und
- - der Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist, wobei der Zylinderblock zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist,
wobei - - eine Wandung des zylinderzugehörigen Zylinderrohres mindestens einen Kühlmittelmantel zumindest bereichsweise mit begrenzt, in der Art, dass eine Außenseite des Zylinderrohres mit Kühlmittel beaufschlagt ist, und
- - diese Wandung mit mehreren Kühlrippen ausgestattet ist, wobei die Ausbildung dieser Kühlrippen entlang der Zylinderlängsachse uneinheitlich ist, so dass die Kühlleistung der Kühlrippen variiert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühlrippen entlang der Zylinderlängsachse variieren, in der Art, dass eine mit Kühlmittel beaufschlagte rippenzugehörige Oberfläche uneinheitlich ist, wobei
eine Erstreckung quer zur Zylinderlängsachse mindestens einer Kühlrippe auf einem Umfang um die Zylinderlängsachse herum variiert und
die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche ausgehend vom oberen Totpunkt OT entlang der Zylinderlängsachse hin zum unteren Totpunkt UT zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt und anschließend wieder abnimmt.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich des thermisch und mechanisch bedingten Verzugs des Zylinderrohres verbessert ist.
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Die Kühlmittel beaufschlagte Wandung eines Zylinderrohres der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt, wie oben beschrieben, über Kühlrippen, die entlang der Zylinderlängsachse angeordnet sind und deren Kühlleistung variiert. Es sind mehrere Kühlrippen vorgesehen, d.h. mindestens zwei Kühlrippen.
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Die uneinheitliche Ausbildung der Kühlrippen wird genutzt, um eine bedarfsgerechte Kühlung des Zylinderrohres zu realisieren; wie im Folgenden erläutert wird.
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In dem Abschnitt des Zylinderrohres, der dem Zylinderkopf zugewandt ist, erfolgt die Ausbildung der Kühlrippen in der Weise, dass die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum via Wandung in das Kühlmittel erleichtert und begünstigt wird. Es wird eine vergleichsweise große bzw. vergrößerte Kühlleistung angestrebt. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass dieser Bereich länger mit heißem Abgas beaufschlagt wird und infolgedessen thermisch besonders hoch belastet ist. Dieser Abschnitt des Zylinderrohres in der Nähe des oberen Totpunktes erfordert und erhält eine stärkere Kühlung als andere Abschnitte des Zylinderrohres. Eine große bzw. vergrößerte Kühlleistung kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass im oberen Abschnitt die Kühlrippen mit einer größeren wärmeübertragenden Oberfläche - beispielsweise länger - ausgebildet werden, wodurch sich die Kühlleistung vergrößern lässt.
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Ausgehend von diesem oberen Abschnitt in Richtung des unteren Totpunktes wird regelmäßig eine verminderte Kühlleistung angestrebt. Hierzu werden die Kühlrippen im mittleren Abschnitt mit einer kleineren wärmeübertragenden Oberfläche - beispielsweise kürzer - ausgebildet, wodurch sich die Kühlleistung vermindern lässt. Vorteilhaft ist dies, da der mittlere Abschnitt regelmäßig den Bereich des Zylinderrohres umfasst, in welchem der oszillierende Kolben seine höchste Geschwindigkeit erreicht und eine gute Schmierung erfordert. Eine verminderte Kühlleistung in diesem Bereich führt zu einem höher temperierten hochviskosen Öl auf der dem Kolben zugewandten Innenseite des Zylinderrohres, wodurch die Reibleistung in vorteilhafter Weise reduziert wird.
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Ausgehend vom mittleren Abschnitt in Richtung des unteren Totpunktes, d.h. im unteren Abschnitt, kann im Einzelfall dann wieder eine größere Kühlleistung bevorzugt sein. Die größere Kühlleistung bzw. Wärmeabfuhr berücksichtigt, dass der heiße Kolben bei seiner Richtungsumkehr im unteren Totpunkt langsam ist und daher vergleichsweise lange im untern Abschnitt verweilt.
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Mindestens zwei Kühlrippen sind hinsichtlich der Anordnung und/oder der Ausbildung uneinheitlich; nicht zwingend sämtliche Kühlrippen, die vorgesehen sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr einen oberen Abschnitt, einen mittleren Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist. Es wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen hinsichtlich der einzelnen Abschnitte.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Kühlleistung der Kühlrippen im mittleren Abschnitt geringer ist als die Kühlleistung der Kühlrippen im oberen Abschnitt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Kühlleistung der Kühlrippen im unteren Abschnitt größer ist als die Kühlleistung der Kühlrippen im mittleren Abschnitt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Kühlleistung der Kühlrippen im unteren Abschnitt geringer ist als die Kühlleistung der Kühlrippen im oberen Abschnitt.
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Wie bereits oben gesagt, variieren die Kühlrippen entlang der Zylinderlängsachse, in der Art, dass eine mit Kühlmittel beaufschlagte rippenzugehörige Oberfläche uneinheitlich ist.
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Mindestens zwei Kühlrippen variieren vorliegend bezüglich der Kühlmittel beaufschlagten rippenzugehörigen Oberfläche; nicht zwingend sämtliche Kühlrippen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche ausgehend vom oberen Totpunkt OT entlang der Zylinderlängsachse hin zum unteren Totpunkt UT abnimmt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche ausgehend vom oberen Totpunkt OT entlang der Zylinderlängsachse hin zum unteren Totpunkt UT zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche ausgehend vom oberen Totpunkt OT entlang der Zylinderlängsachse hin zum unteren Totpunkt UT zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt und anschließend wieder abnimmt.
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Die Kühlleistung einer Kühlrippe korreliert grundsätzlich mit der mit Kühlmittel beaufschlagten Oberfläche der Kühlrippe, so dass über die Oberfläche die Kühlleistung der Rippe eingestellt bzw. festgelegt werden kann. Durch Variation der rippenzugehörigen Oberflächen kann eine bedarfsgerechte Kühlung des Zylinderrohres realisiert werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Kühlrippen in einer Erstreckung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Zylinderlängsachse variieren. Vorliegend verfügen mindestens zwei Rippen über eine unterschiedliche Länge, d.h. über eine unterschiedliche Erstreckung quer zur Zylinderlängsachse. Diese Abmessung einer Rippe hat unmittelbar Einfluss auf die Größe der wärmeübertragenden Oberfläche.
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Mindestens zwei Kühlrippen variieren vorliegend in einer Erstreckung quer zur Zylinderlängsachse; nicht zwingend sämtliche Kühlrippen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Erstreckung quer zur Zylinderlängsachse mindestens einer Kühlrippe auf einem Umfang um die Zylinderlängsachse herum variiert.
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Mindestens eine Kühlrippe ist vorliegend auf einem Umfang um die Zylinderlängsachse herum uneinheitlich ausgebildet.
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Die folgenden drei Ausführungsformen behandeln jeweils die Anordnungsdichte der Kühlrippen entlang der Zylinderlängsachse. Wie bereits erläutert wurde, lässt sich die Kühlleistung der Rippen über die Anordnungsdichte einstellen bzw. festlegen. Durch Variation der Anordnungsdichte kann eine bedarfsgerechte Kühlung des Zylinderrohres realisiert werden.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen daher Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen eine Anordnungsdichte der Kühlrippen entlang der Zylinderlängsachse variiert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wandung als solche entlang der Zylinderlängsachse zumindest bereichsweise, d.h. abschnittsweise von gleichgroßer Wandstärke ist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wandung als solche entlang der gesamten Zylinderlängsachse von gleichgroßer Wandstärke ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr jedes Zylinders als Zylinderbohrung des Zylinderblocks ausgebildet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr jedes Zylinders eine Zylinderbuchse ist, die in den Zylinderblock eingesetzt ist.
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Die beiden vorstehenden Ausführungsformen unterscheiden sich dadurch, dass der Kolben einmal direkt im Zylinderblock aufgenommen und gelagert wird, wozu eine Zylinderbohrung dient, und ein anderes Mal eine Buchse zur Aufnahme des Kolbens vorgesehen ist, wobei diese Buchse im Block aufgenommen wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bildet der Begriff Zylinderrohr den Gattungsbegriff, unter den die Bezeichnungen bzw. Ausführungsformen Zylinderbohrung und Zylinderbuchse subsumiert werden können.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren aufgezeigt bei welchem, das Zylinderrohr mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt wird, bei dem das Zylinderrohr schichtweise aufgebaut wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das Verfahren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Zylinderrohr zumindest auch mittels 3D-Drucken hergestellt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten das Fragment eines Zylinderblocks einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine umfassend einen Kolben mitsamt Kurbeltrieb sowie einen Teil des Zylinderrohres, und
- 1b schematisch und in einem Querschnitt senkrecht zur Zylinderlängsachse das Zylinderrohr der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1a zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten das Fragment eines Zylinderblocks einer ersten Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine umfassend einen Kolben 1 mitsamt Kurbeltrieb 4 sowie einen Teil des Zylinderrohres 2.
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Das Zylinderrohr 2 des Zylinderblocks dient zur Aufnahme des Kolbens 1, wobei der Kolben 1 entlang der Zylinderlängsachse 3a zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT unter Ausbildung eines Kolbenhubs s translatorisch verschiebbar ist. Der Kolben 1 dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle, wozu der Kolben 1 mittels eines Kolbenbolzens und einer Pleuelstange gelenkig mit der Kurbelwelle verbunden ist. Der Kurbeltrieb 4 transformiert die oszillierende Hubbewegung des Kolbens 1 in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle.
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Der Brennraum 3b eines Zylinders 3 wird durch den zylinderzugehörigen Kolben 1, das Zylinderrohr 2 und den Zylinderkopf (nicht dargestellt) mit ausgebildet.
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Zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung ist der Zylinderblock mit einem integrierten Kühlmittelmantel 5 ausgestattet, wobei eine Wandung 2a des Zylinderrohres 2 den Kühlmittelmantel 5 derart mit begrenzt, dass eine Außenseite 2b des Zylinderrohres 2 mit Kühlmittel 5a beaufschlagt wird.
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Die Wandung 2a ist an der Außenseite 2b mit mehreren Kühlrippen 2c ausgestattet, wobei die Ausbildung dieser Kühlrippen 2c entlang der Zylinderlängsachse 3a uneinheitlich ist, in der Art, dass die Kühlleistung der Kühlrippen 2c variiert.
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Ausgehend vom oberen Totpunkt OT entlang der Zylinderlängsachse 3a hin zum unteren Totpunkt UT nimmt die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche der Rippen 2c zunächst ab, dann wieder zu und anschließend wieder ab. Diese Ausbildung bzw. Gestalt der Kühlrippen 2c führt zu einer bedarfsgerechten Kühlung des Zylinderrohres 2, wodurch der thermisch und mechanisch bedingte Verzug des Zylinderrohres 2 in vorteilhafter Weise beeinflusst werden.
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Im oberen Abschnitt des Zylinderrohres 2, der dem Zylinderkopf zugewandt ist, verfügen die Kühlrippen 2c über die größte Oberfläche. Dadurch wird die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum 3b in das Kühlmittel 5a begünstigt. Dieser Bereich des Zylinderrohres 2 ist thermisch besonders hoch belastet. Ausgehend vom oberen Totpunkt nimmt die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche der Rippen 2c zunächst ab.
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Im mittleren Abschnitt des Zylinderrohres 2 ist die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche am kleinsten. Die Kühlleistung ist infolgedessen geringer und es wird weniger Wärme abgeführt. Vorteilhaft ist dies im Hinblick auf die Schmierung des Kolbens 1 und damit hinsichtlich der Reibleistung.
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Ausgehend vom mittleren Abschnitt nimmt die mit Kühlmittel beaufschlagte Oberfläche entlang der Zylinderlängsachse 3a wieder zu, um anschließend zum unteren Totpunkt UT hin wieder abzunehmen. Die größere Oberfläche im unteren Abschnitt des Zylinderrohres 2 führt zu einer größeren Wärmeabfuhr. Der heiße Kolben 1 verweilt bei seiner Richtungsumkehr im unteren Totpunkt vergleichsweise lange.
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1b zeigt schematisch und in einem Querschnitt senkrecht zur Zylinderlängsachse 3a das Zylinderrohr 2 der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Ersichtlich ist, dass die Kühlrippen 2c in einer Erstreckung senkrecht zur Zylinderlängsachse 3a auf einem Umfang um die Zylinderlängsachse 3a herum variieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Zylinderrohr
- 2a
- Wandung des Zylinderrohrs
- 2b
- Außenseite des Zylinderrohrs
- 2c
- Kühlrippe des Zylinderrohrs
- 3
- Zylinder
- 3a
- Zylinderlängsachse
- 3b
- Brennraum
- 4
- Kurbeltrieb
- 5
- Kühlmittelmantel
- 5a
- Kühlmittel
- OT
- oberer Totpunkt
- UT
- unterer Totpunkt
- s
- Kolbenhub
