DE10244829A1

DE10244829A1 - Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine sowie Verfahren zur Durchführung eines Abwärmetransfers

Info

Publication number: DE10244829A1
Application number: DE2002144829
Authority: DE
Inventors: Werner Lugs
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, insbesondere in einer Ausführungsform als Vier-Taktmotor mit wenigstens zwei in Reihe angeordneten Zylindern. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auch auf ein Verfahren zur Durchführung eines Brennraum-Abwärmetransfers unter Einsatz eines flüssigen, insbesondere wasserenthaltenden Kühlmediums. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, durch welche neben einer zuverlässigen Ableitung der während des Regelbetriebs der Brennkraftmaschine anfallenden Abwärme eine zeitliche Verkürzung einer Motorwarmlaufphase und eine Verringerung der hierbei auftretenden Emissionen erreicht wird. Erfindungsgemäß wird eine Brennkraftmaschine geschaffen, mit einem Zylinderkurbelgehäuse, welches einen, in Zuordnung zu wenigstens einem Zylinder, darin ausgebildeten Kühlwassermantel aufweist, einem Zylinderkopf, der mit dem Zylinderkurbelgehäuse gekoppelt ist und in Zuordnung zu dem Zylinder eine Brennraum-Bodenwandung bereitstellt, die durch Gaswechselkanäle durchsetzt ist, einem in dem Zylinderkurbelgehäuse unter Einschluss des Kühlwassermantels ausgebildeten Block-Kühlsystem und einem in dem Zylinderkopf ausgebildeten Kopf-Kühlsystem, wobei das Kopfkühlsystem in einen Heißwandwärmetauschabschnitt, der sich im Bereich der brennraumnahen Kopfwandung erstreckt und in einen Warmwandwärmetauschabschnitt, der sich in einem Bereich geringerer Temperaturbelastung erstreckt, unterteilt ist, und das ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, insbesondere in einer Ausführungsform als Vier-Taktmotor mit wenigstens zwei in Reihe angeordneten Zylindern. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auch auf ein Verfahren zur Durchführung eines Abwärmetransfers aus einem brennraumnahen Wandungsbereich eines Zylinderkopfes unter Einsatz eines flüssigen, insbesondere wasserenthaltenden Kühlmediums.

Aus DE 199 38 614 A1 ist ein Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor bekannt, der zwei zueinander parallel angeordnete Kühlmittelsysteme und einen Verteiler zum Aufteilen eines Kühlmittelstromes auf die beiden parallelen Kühlmittelsysteme aufweist. Die Kühlmittelsysteme sind derart ausgebildet, dass eines der beiden dem Abwärmetransfer aus einem Zylinderkopf und das andere der beiden Kühlmittelsysteme dem Abwärmetransfer aus einem Motorblockbereich dient. Die, durch die beiden Kühlmittelsysteme geführten Kühlmittelströme werden nach Durchlauf durch den Zylinderkopf bzw. durch das Zylinderkurbelgehäuse zu einem Kühlmittelhauptstrom zusammengefasst, der thermostatgesteuert über einen Umgebungswärmetauscher (Kühler) geleitet wird oder an diesen zumindest teilweise vorbei geleitet wird. Durch die derart, vorgenommene Aufteilung des Kühlmittelstromes in parallele Teilströme, wird es möglich, den Kühlmittelzustrom auf die im Zylinderkopfbereich und im Zylinderkurbelgehäusebereich jeweils anfallende Abwärme einzustellen.

Aus DE 34 40 504 C2 ist ein Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine bekannt, der ebenfalls für den Zylinderkopfbereich und den Zylinderkurbel-Gehäusebereich von einander getrennte Kühlmittelsysteme bereitstellt, wobei die beiden Kühlmittelsysteme über Ventilanordnungen selektiv parallel oder seriell von einem Kühlmittel durchströmt werden.

Aus EP 08 16 651 B1 ist ein Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Kopf-Kühlsystem und einem in Reihe hierzu angeordneten Blockkühlsystem. Über eine im Zylinderkopfbereich abzweigende Abzweigungsleitung ist es möglich, einen Kühlmedium-Teilstrom abzuzweigen und diesen unter Umgehung des Block-Kühlsystems einem Umgebungswärmetauscher (Kühler) zuzuführen.

Aus EP 10 52 394 A2 ist eine flüssigkeitsgekühlte, mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, die einen mit einem Zylinder-Kurbelghäuse lösbar gekoppelten Zylinderkopf aufweist, wobei in dem Zylinderkopf diesen quer zur Nockenwellen-Achse durchströmende Kühlkanäle ausgebildet sind, die über kurbelgehäuseseitig ausgebildete Kühlmittelzuleitungsabschnitte in den Kühlmittelkreislauf eingebunden sind.

Aus DE 196 28 542 A1 ist ein Kühlmittelsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, das einen zu einem Motorblock-Kühlsystemabschnitt parallel angeordneten Kopf-Kühlsystemabschnitt umfasst. Die dem jeweiligen Motor-Kühlsystemabschnitt zufließenden Fluidströme können in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur gesteuert werden.

Aus DE 100 47 080 A1 ist ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem eine Zuleitung des Kühlfluides zu einem Zylinderkopf-Kühlsystemabschnitt über einen kurbelgehäuseseitig vorgesehenen Rinnenabschnitt erfolgt, wobei der Rinnenabschnitt über eine Zylinderkopfdichtung an den zylinderkopfseitigen Kühlsystemabschnitt angrenzt, und in der Zylinderkopfdichtung Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, durch deren Querschnitt der Strömungswiderstand des Fluidweges abgestimmt ist.

Durch die Aufteilung des Motorkühlsystems in ein Kopfkühlsystem und in ein Blockkühlsystem, und insbesondere durch die separate Anströmung dieser beiden Kühlsysteme wird es möglich, den Kühlwasserstrom bedarfsgerecht auf den jeweiligen Abwärmeeintrag abzustimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine sowie ein Abwärme-Transferverfahren zu schaffen, wodurch neben einer zuverlässigen Ableitung der während des Regelbetriebs der Brennkraftmaschine anfallenden Abwärme, eine zeitliche Verkürzung der Motorwarmlaufphase und ein verbessertes Emissionsverhalten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse, das in Zuordnung zu einem Zylinder einen darin ausgebildeten Kühlmantel aufweist, einem Zylinderkopf, der mit dem Zylinderkurbelgehäuse gekoppelt ist und in Zuordnung zu dem Zylinder eine Brennraum-Bodenwandung bereitstellt, die durch Gaswechselkanäle durchsetzt ist, einem in dem Zylinderkurbelgehäuse unter Einschluss des Kühlmantels ausgebildeten Block-Kühlsystem und einem in dem Zylinderkopf ausgebildetem Kopfkühlsystem, wobei das Kopfkühlsystem einen Heißwand-Wärmetauschabschnitt aufweist, der sich im Bereich der Brennraum-Bodenwandung erstreckt und ferner einen Warmwand-Wärmetauschabschnitt aufweist, der sich im Bereich geringerer Temperaturbelastung erstreckt, und das Kopfkühlsystem und das Blockkühlsystem derart gekoppelt sind, dass während der Motor-Warmlaufphase, und vorzugsweise auch nach deren Abschluss insbesondere bei geringer Motorlast eine Anströmung des Kühlmantels des Block-Kühlsystems überwiegend über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt erfolgt.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den hohen Wärmeeintrag in einen Zylinderkopf im Bereich der brennraumnahen Bodenwandung und der darin verlaufenden Ventilstege zur Erzielung von gegenüber konventionellen Kühlsystemen erhöhten Zylinderwandtemperaturen, insbesondere im Kolben-Laufflächenbereich zu verwenden.

Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine derart ausgebildet, dass generell während der Motor-Warmlaufphase, und auch nach deren Abschluss zumindest bei geringer Motorlast eine Anströmung des Kühlmantels des Block-Kühlsystems überwiegend über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt erfolgt.

Hierdurch wird es möglich, bereits kurz nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine die brennraumnahe Zylinderkopfwandung und die Zylinderlaufflächenwandung auf ein betriebstemperaturnahes Temperaturniveau zu bringen und hierdurch sowohl unter emissionstechnischen Gesichtspunkten sowie auch im Hinblick auf einen hohen mechanischen Wirkungsgrad günstige Betriebsbedingungen zu schaffen. Ferner wird es durch die erfindungsgemäße Lösung auch möglich, bereits während der Warmlaufphase die Temperaturdifferenzen zwischen der bodennahen Wandung des Zylinderkopfes und dem oberen Büchsenbereich des jeweiligen Zylinders zu reduzieren.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Unterteilung des Kopfkühlsystems in einen Heißwand-Wärmetauschabschnitt und in einen Warmwand-Wärmetauschabschnitt wird es möglich, über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt ein hinsichtlich des darin eingeschlossenen Kühlmittels kleinvolumiges Wärmetransfersystem bereit zu stellen, durch welches eine zuverlässige Kühlung der brennraumnahen Wandungsabschnitte des Zylinderkopfes sichergestellt ist, bei der anfänglich nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge an das Kühlmittel übergeht, so dass die brennraumnahen Wandungsabschnitte des Zylinderkopfes und der Bereich der oberen Blockwandung schnell auf optimale Betriebstemperatur erwärmt werden können. Der für den Wärmetransfer im oberen Büchsenabschnitt maßgebliche Kühlmantel und der mit diesem kurzwegig kommunizierende, für den lokalen Warmetransfer aus der zylindernahen Bodenwandung vorgesehene Heißwand-Wärmetauschabschnitt, bilden ein kleinvolumiges Hochtemperatur-Wärmetauschsystem das sich durch eine geringe Trägheit auszeichnet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zylinderkopf derart ausgebildet, dass eine Aufteilung des dem Zylinderkopf zufließenden Fluidstromes in den Heißwand-Wärmetauschabschnitt und in den Warmwand-Wärmtauschabschnitt erst in dem Zylinderkopf, oder bei Einspeisung in den Zylinderkopf erfolgt. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, beide Wärmetauschabschnitte des Kopfkühlsystems gemeinsam über einen an den Zylinderkopf herangeführten Leitungsabschnitt mit Kühlmittel zu versorgen.

Vorzugsweise erstreckt sich der Heißwand-Wärmetauschabschnitt im brennraumnahen Bereich der Zylinderkopf-Bodenplatte derart, dass dieser die in den Ventilstegbereich eingeleitete Wärme aufnimmt. Hierdurch wird während des Warmlaufes eine rasche Erwärmung der den Heißwand-Wärmetauscherabschnitt bildenden Wandungsabschnitte und in weiterer Folge eine Aufheizung des den Heißwand-Wärmetauscherabschnitt durchströmenden Fluidstromes auf ein gegenüber dem restlichen Kühlkreislauf erhöhtes Temperaturniveau ermöglicht.

Der Warmwand-Wärmtausch abschnitt verläuft vorzugsweise derart, dass dieser überwiegend einen Wärmestrom aus den thermisch weniger stark belasteten Strukturbereichen des Zylinderkopfes aufnimmt. Der Warmwand-Wärmetauschabschnitt ist dabei vorzugsweise derart an den Wandungsbereich der Auslasskanäle herangeführt, dass dieser eine Ableitung der Wärme aus diesem Bereich ermöglicht.

Zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderkurbelgehäuse sind vorzugsweise Fluidverbindungsabschnitte vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass überwiegend der aus dem Heißwand-Wärmetauschabschnitt abfließende Fluid-Teilstrom in den Kühlmantel im Zylinderkurbelgehäuse eintritt.

Im zylinderkopfnahen Bereich des Motorblockes ist vorzugsweise ein Sammelkanal ausgebildet, von dem aus im Bereich jedes Zylinders Verbindungen zum Zylinderkopf bestehen. Über diesen Sammelkanal wird es möglich, das Kühlfluid derart gleichmäßig auf mehrere Zylinderkopfbereiche verteilt in den Zylinderkopf einzuspeisen, dass sich im Falle einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine für sämtliche Zylinderbereiche jeweils hinreichend ähnliche, oder zumindest einer gewünschten Kühlcharakteristik entsprechende Anströmungsbedingungen ergeben. Durch Abstimmung der Kanalgeometrie des Sammelkanales, oder auch durch jeweils zylinderbezogene Abstimmung des Übergangsbereiches aus dem Sammelkanal in den Heiß- und in den Warmwandkanal wird es möglich, den Kühlfluiddurchsatz durch das Kopfkühlsystem zu beeinflussen. Die Abstimmung des Durchflussverhaltens des Übergangsbereiches kann insbesondere durch geeignete Dimensionierung der Durchtrittsquerschnitte, durch Drosselstellen, oder anderweitige die Strömung, insbesondere den Strömungswiderstand betreffende Maßnahmen erfolgen.

Bei Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit in Reihe, oder entlang einer Zylinderbank abfolgend angeordneten Zylindern befindet sich der Sammelkanal vorzugsweise auf der Seite des Auslasskrümmers. Hierdurch wird es möglich, über das den Sammelkanal durchströmende Kühlfluid den auf der Seite der Auslasskanäle zum Block hin abfließenden Wärmestrom aufzunehmen. Hierdurch ergibt sich insbesondere für den Motorblock eine gleichmäßigere Temperaturverteilung.

In vorteilhafter Weise ist auf einer dem Sammelkanal gegenüberliegenden Motor-Längsseite ein erster zentraler Austrittsabschnitt vorgesehen, zur Ableitung hauptsächlich des über den Warmwandwandwärmetauschabschnitt geleiteten Fluidteilstromes. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Querdurchspülung des Zylinderkopfes erreicht. Der erste zentrale Austrittsabschnitt ist vorzugsweise an dem Zylinderkopf ausgebildet.

Zur Ableitung des über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt in den Kühlwassermantel eingespeisten Teilstromes ist vorzugsweise im mittleren bis unteren Büchsenbereich unterhalb des Sammelkanals ein zweiter zentraler Austrittsabschnitt vorgesehen. Die über die beiden Austrittsabschnitte abgeleiteten Teilströme werden nach ihrer Zusammenführung vorzugsweise thermostatgesteuert einem Kühler zugeführt. Zur Zusammenführung der Teilströme ist vorzugsweise eine Mengenteilereinrichtung vorgesehen, welche das Verhältnis der die beiden Austrittsabschnitte passierenden Durchflußmengen vorzugsweise temperaturabhängig einstellt. Die Mengenteilereinrichtung kann Ventil- oder Drosselorgane umfassen und sowohl abhängig von Motorlast und -drehzahl kennfeldspezifisch angesteuert als auch lediglich in Abhängigkeit von Temperatur- und/oder Motorlastgrenzwerten zwischen zwei Stellungen umgeschaltet werden.

Es ist möglich, über eine Thermostateinrichtung den zusammengefaßten Fluidstrom selektiv teilweise oder zur Gänze durch den Kühler hindurch oder an diesem vorbei zu leiten.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Abzweigeinrichtung vorgesehen zur Abzweigung des überwiegend über den Warmwand- Wärmetauscherabschnitt geführten Teilstromes, der ein gegenüber dem über den Heißwand- Wärmetauscherabschnitt geführten Teilstrom ein geringeres Temperaturniveau aufweist, zu einem Motoröl/Wasser-Wärmetauscher, wodurch eine effiziente Ölkühlung erreicht wird. Mittels einer ebenfalls vorgesehenen weiteren Abzweigung zu einem Heizungs- Wärmetauscher wird es möglich, entweder unter Einbeziehung eines vergleichsweise geringen Kühlmittelvolumens nur die aus dem Zylinderkopf in das Kühlmittel eingeleitete Abwärme oder durch Umschaltung der Mengenteilereinrichtung die aus Zylinderkopf und Motorblock in das Kühlmittel eingeleitete Wärme zur Aufheizung des Fahrgastinnenraumes zu nutzen.

Die eingangs angegebene Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zur Durchführung eines Abwärmetransfers bei einer Brennkraftmaschine mittels eines Kühlmittelstroms, der durch zylinderkopfseitig und blockseitig ausgebildete Kühlkanäle geleitet wird, wobei der Kühlmittelstrom im Bereich des Zylinderkopfes in einen Heißwand-Kühlstrom und in einen Warmwand-Kühlstrom aufgeteilt wird und im Rahmen einer Motor-Warmlaufphase die blockseitigen Kühlkanäle, oder zumindest der obere Büchsenbereich der Zylinder, überwiegend durch den, durch die Heißwandkühlstrecke geleiteten Teilstrom gespeist werden.

Vorzugsweise erfolgt gegen Ende oder nach Abschluss der Motorwarmlaufphase der Kühlmittelzufluss zu den blockseitigen Kühlkanälen auch über die zylinderkopfseitig ausgebildeten Warmwand-Wärmetauschabschnitte. Dadurch wird es möglich, nach Erwärmung des Büchsenbereiches auch für Betriebszustände mit besonders hoher thermischer Belastung eine ausreichende Wärmeableitung sicherzustellen. Die Umleitung des über den Warmwand-Abschnitt des Kopfes geleiteten Teilstromes kann thermostatgesteuert erfolgen. Es ist möglich, einen entsprechenden Überbrückungsquerschnitt selektiv zu öffnen, oder zum Beispiel eine Ableitungseinrichtung zu sperren, so dass der über den Warmwand-Abschnitt geleitete Teilstrom in den Kühlwassermantel der Büchsen gelangt.

Vorzugsweise wird die Zuflusstemperatur zu den blockseitig ausgebildeten Kühlkanälen durch temperaturabhängig abgestimmte Einstellung der Kühlfluidzuflüsse über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt und den Warmwand-Wärmetauschabschnitt abgestimmt. Durch temperaturabhängige Einstellung der Kühlmittelteilströme wird in vorteilhafter Weise die Wärmetauschleistung im Bereich des Heißwand-Wärmetauschabschnittes und des Warmwand-Wärmetauschabschnittes eingestellt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt: Eine Systemdarstellung zur Erläuterung des Aufbaues einer erfindungsgemäßen, flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sowie des hierbei zur Anwendung kommenden Abwärmetransferverfahrens.
Die Systemdarstellung zeigt eine, in eine Kühfkreisanordnung 1 und eine Schmierkreisanordnung 2 eingebundene Brennkraftmaschine 3.
Die Brennkraftmaschine 3 umfasst ein Zylinderkurbelgehäuse 4 und einen mit diesem abdichtend über eine Zylinderkopfdichtung 5a gekoppelten Zylinderkopf 5, welcher in Zuordnung zu einem Zylinder 6 eine Brennraumbodenwandung 7 bereitstellt, die durch hier nicht näher dargestellte Gaswechselkanäle durchsetzt ist. Die Zylinderkopfdichtung 5a ist mit mehreren Durchgangsöffnungen versehen, durch welche Fluidverbindungen zwischen einen kopfseitigen Kühlsystemabschnitt und einem blockseitigen Kühlsystemabschnitt bereitgestellt sind.
Der in dem Zylinderkurbelgehäuse 4 aufgenommene Zylinder 6 ist von einem Kühlwassermantel 8 umgeben. Der Kühlwassermantel bildet Teil eines in dem Zylinderkurbelgehäuse ausgebildeten Block-Kühlsystemes. Der Zylinder 6 kann integral mit dem Zylinderkurbelgehäuse 4 ausgebildet sein oder in Form einer Laufbuchse in dem Zylinderkurbelgehäuse abdichtend aufgenommen sein, wobei der Kühlwassermantel 8 zumindest den oberen d.h. den zylinderkopfnahen Büchsenbereich des Zylinders 6 im Bereich der den Kolben radial abstützenden Zylinderzonen kühlt.
In dem Zylinderkopf 5 ist in Form darin ausgebildeter Kavernen ein Kopfkühlsystem vorgesehen, das einen Heißwandwärmetauschabschnitt und einen Warmwandwärmetauschabschnitt 10 aufweist.
Der Heißwand Wärmetauschabschnitt 9 umfasst Fluidleitungsabschnitte, die sich nahe der Brennraumbodenwandung 7 erstrecken und damit der Ableitung der in diese Brennraumbodenwandung 7 sowie insbesondere die darin ausgebildeten Ventilstege eingeleiteten Wärme dienen.
Der Warmwandwärmetauschabschnitt 10 dient der Ableitung der Wärme aus den thermisch weniger stark belasteten Strukturbereichen des Zylinderkopfes 5.
Das, jenes in dem Zylinderkopf 5 ausgebildete, den Heißwandwärmetauschabschnitt 9 und dem Warmwandwärmetausuchabschnitt 10 umfassende Kopfkühlsystem, und das in dem Zylinderkurbelgehäuse ausgebildete Block-Kühlsystem sind derart gekoppelt, dass eine Kühlwassereinspeisung in den Kühlwassermantel 8 überwiegend über den Heißwandwärmetauschabschnitt 9 erfolgt. Der Zylinderkopf 5 ist derart ausgebildet, dass ein dem Zylinderkopf 5 über eine Kühlwasserpumpe 11 zufließender Fluidstrom im Bereich des Zylinderkopfes – oder an diesem – in einen den Heißwandwärmetauschabschnitt 9 durchströmenden Teilstrom und in einen den Warmwandwärmetauschabschnitt 10 durchströmenden Teilstrom aufgeteilt wird.
Während der Heißwandwärmetauschabschnitt 9 wie bereits angegeben sich im brennraumnahen Bereich der Zylinderkopf-Bodenwandung 7 erstreckt, dient der Warmwandwärmetauschabschnitt 10 überwiegend der Kühlung thermisch weniger stark belasteter Zylinderkopfstrukturbereiche. Obgleich hier nicht näher dargestellt, umfasst der Warmwandwärmtauschabschnitt 10 einen Kühlmittelkanalabschnitt zur Ableitung der in den Zylinderkopf 5 im Bereich der Auslasskanäle eingeleiteten Abwärme. Zwischen dem Zylinderkopf 5 und dem Zylinderkurbelgehäuse 4 sind beispielsweise die Kopfdichtung 5a durchsetzende Fluidverbindungsabschnitte bereitgestellt, so dass der Kühlwassermantel 8 überwiegend aus dem, aus dem Heißwandwärmetauschabschnitt abfließenden Teilstrom gespeist wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im zylinderkopfnahen Blockbereich ein über die Kühlwasserpumpe 11 durch einen Fluidhauptstrom gespeister Sammelkanal 12 ausgebildet, von dem aus im Bereich jedes Zylinders der Brennkraftmaschine Verbindungen zum Zylinderkopf 5 bestehen. Der Sammelkanal 12 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel auf einer den Einlasskanälen abgewandten Seite des Zylinderkurbelgehäuses 4. Hierdurch wird es möglich, über das, durch den Sammelkanal 12 geleitete Kühlmedium bereits Abwärme aufzunehmen, die über die Auslaßkanäle in die, dem Zylinderkurbelgehäuse 4 zugewandten Strukturabschnitte des Zylinderkopfes gelangt.
Die Ableitung des über den Warmwandwärmetauschabschnitt 10 geführten Fluidstromes erfolgt über einen ersten zentralen Austrittsabschnitt 13, der auf einer dem Sammelkanal 12 abgewandten Seite an dem Zylinderkopf 5 ausgebildet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen wie ersichtlich auch Fluidverbindungen zwischen den Leitungsquerschnitten des Heißwandwärmetauschabschnitts 9 und dem Warmwandwärmetauschabschnitt 10 bzw. dem ersten zentralen Austrittsabschnitt 13. Über diese Fluidverbindungswege ist es möglich, aus dem Heißwandwärmetauschabschnitt 9 Kühlfluid unter Umgehung des Kühlwassermantels 8 abzuleiten. An dem Zylinderkurbelgehäuse 4 ist ein zweiter zentraler Austrittsabschnitt 14 vorgesehen, über welchen das kopfseitig in den Kühlwassermantel 8 eingespeiste Kühlfluid aus dem Kühlwassermantel 8 abgeleitet werden kann. Dieser zweite zentrale Austrittsabschnitt 14 ist derart angeordnet, dass die Ableitung des eingespeisten Teilstromes aus dem Büchsenbereich derart erfolgt, dass zulässige Büchsentemperaturwerte im Motor-Vollastbereich sicher eingehalten werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der zweite zentrale Austrittsabschnitt 14 auf der Seite des Sammelkanales 12 und zwar unterhalb desselben.
Die Ableitung des Kΰhlfluidteilstromes aus dem Kühlwassermantel 8 erfolgt über eine Mengenteilereinrichtung 15, die zugleich eine Zusammenführung des aus dem ersten zentralen Austrittsabschnitt 13 abgeleiteten Fluidstromes mit dem aus dem Kühlwassermantel 8 abgeleiteten Fluidteilstromes zu einem, einem Kühler 16 zufließenden Fluidstrom ermöglicht.
Die Mengenteilereinrichtung 15 arbeitet vorzugsweise last- drehzahl- und/oder temperabhängig und stellt dabei die Fluidströme derart ein, dass über diese kein unzulässig hoher Wärmetransfer aus der Brennkraftmaschine 3 erfolgt. Durch die Mengenteilereinrichtung kann insbesondere erreicht werden, dass nach Abschluss der Motorwarmlaufphase in den folgenden Motorbetriebszuständen relativ geringe Temperaturschwankungen beim Eintritt des Kühlfluides in eine zur weiteren Regelung der Kühlfluidableitung vorgesehene Thermostateinrichtung 17 ergeben. Die Thermostateinrichtung 17 kann in diesem Fall in an sich bekannter Weise ein Wachs-Stellelement umfassen, durch das in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlfluides entsprechend große Kühlmitteldurchgangskanäle bereitgestellt werden. Über die Thermostateinrichtung 17 ist es weiterhin möglich, den Kühler 16 zu überbrücken, so dass eine Wärmeableitung über den Kühler 16 erst erfolgt, wenn der Bedarf nach einer über die anderweitige Wärmeableitung hinausgehenden Wärmeableitung über den Kühler 16 besteht.
Über den, aus dem ersten zentralen Austrittsabschnitt 13 aus dem Zylinderkopf 5 abgeleiteten Fluidstrom ist es möglich, eine Heizungseinrichtung 18 beispielsweise zur Beheizung eines Fahrgastraumes zu betreiben. Weiterhin ist es möglich, über den abgezweigten Fluidstrom auch eine Temperierung des Motoröles über einen Motoröl/Wasserwärmetauscher 19 vorzunehmen. Während der Motorwarmlaufphase kann über den Motoröl/Wasserwärmetauscher das Motoröl erwärmt werden. Bei Erreichen der Betriebstemperatur kann über den Motoröl/Wasserwärmetauscher 19 die Öltemperatur begrenzt und dabei Wärme aus der Schmierkreisanordnung 2 in die Kühlkreisanordnung 1 übertragen werden.
Durch die vorangehend beschriebene Einbindung einer Brennkraftmaschine 3 in eine Kühlkreisanordnung 1 wird es möglich, den zylinderkopfnahen Büchsenbereich des Zylinders 6 durch einen brennraumnahe geführten Kühlmittelstrom zu erwärmen. Die Umwälzung des Kühlmittels kann bereits mit einer einzigen Wasserpumpe 11 erfolgen. Diese Wasserpumpe 11 kann elektrisch regelbar oder in an sich bekannter Weise mechanisch angetrieben sein. Im letzteren Fall ist vorzugsweise ein Bypass 20 vorgesehen, der beispielsweise über ein Sperrorgan 21 selektiv vorzugsweise über eine elektronische Motorregelung absperrbar ist, so dass eine bedarfsorientierte Fördermengenregelung gewährleistet ist.
Die Aufteilung des Kühlmittelstromes auf den Zylinderkopf 5 und das Zylinderkurbelgehäuse 4 kann last- drehzahl- und/oder temperaturabhängig über den Mengenteiler 15 erfolgen. Dieser Mengenteiler 15 kann ebenfalls über ein elektronisches Motorsteuersystem angesteuert werden. Die Mengenteilereinrichtung 15 kann derart ausgebildet sein, dass diese eine weitgehend stufenlose Einstellung der zu- bzw. abfließenden Fluidströme ermöglicht.
Es ist auch möglich, die Mengenteilereinrichtung 15 derart auszubilden, dass diese beispielsweise über umschaltbare Stellglieder, insbesondere Klappen in vorbestimmten Schaltstellung betrieben werden kann, so dass Mengenstromverhältnisse für den Schwachlast-, den Mittellast-, und den Volllastbereich bereitstellbar sind. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufteilung des, dem Zylinderkopf 5 zufließenden Kühlmittelstromes und die beim Warmlauf weitgehend gedrosselte bzw. im Stationärbetrieb weitgehend separate Ableitung eines in dem Zylinderkopf 5 stärker aufgeheizten Fluidteilstromes wird es möglich, die Motorwarmlaufphase zu verkürzen und insbesondere auch bei Schwachlastbetrieb eine hohe Betriebstemperatur im Kolbenkontaktflächenbereich des Kurbelgehäuses zu erreichen.
Durch die Minimierung des im thermisch höher belasteten Bereich der Brennkraftmaschine umgewälzten Kühlmittelvolumens kann eine raschere Erwärmung der Brennkraftmaschine erreicht werden, ohne dass sich hierbei Nachteile bei der Bereitstellung eines erwärmten Kühlfluides für die Heizeinrichtung 18 ergeben. Es ist einerseits möglich, die Fluidumwälzung über den Heißwandwärmetauschabschnitt 9 und den Kühlwassermantel 8 solange zu drosseln, bis im zylinderkopfnahen Büchsenbereich des Zylinders 6 sowie im Bereich der Brennraumbodenwandung 7 optimale Betriebstemperaturen herrschen, wobei die aus dem Zylinderkopf in das Kühlmittel abgeführte Wärme permanent für Heizzwecke zur Verfügung steht. Sollte dies nicht ausreichen, kann durch entsprechende Mengenteilereinstellung der Rücklauf aus dem Zylinderkopf 5 in den Mengenteiler 15 versperrt werden, so daß das gesamte den Zylinderkopf 5 durchströmende Kühlmittel anschließend durch das Zylinderkurbelgehäuse 4 gefördert wird und hier zusätzliche Wärme aufnimmt. Durch die Kühlmitteleinleitung in den Zylinderkopf 5 über den Sammelkanal 12 können günstige Temperaturverteilungen erreicht werden, da die Anströmung der sich über den jeweiligen Zylindern befindenden Zylinderkopfabschnitte durch Kühlfluidfraktionen erfolgt die beim Eintritt in den jeweiligen Zylinderkopfbereich kaum Temperaturunterschiede und Druckunterschiede aufweisen.

1: Kühlwasseranordnung
2: Schmierkreisanordnung
3: Brennkraftmaschine
4: Zylinderkurbelgehäuse
5: Zylinderkopf
5a: Zylinderkopfdichtung
6: Zylinder
7: Brennraumbodenwandung
8: Kühlwassermantel
9: Heißwandwärmetauschabschnitt
10: Warmwandwärmetauschabschnitt
11: Kühlwasseranordnung
12: Sammelkanal
13: erster zentraler Austrittsabschnitt
14: zweiter zentraler Austrittsabschnitt
15: Kühlwasseranordnung
16: Kühler
17: Thermostateinrichtung
18: Heizeinrichtung
19: Motoröl-Wärmetauscher
20: Bypass
21: Sperrorgan

Claims

Brennkraftmaschine mit: – einem Zylinderkurbelgehäuse in welchem, in Zuordnung zu wenigstens einem darin vorgesehenen Zylinder, ein Kühlwassermantel ausgebildet ist, – einem Zylinderkopf, der mit dem Zylinderkurbelgehäuse gekoppelt ist und in Zuordnung zu dem Zylinder eine Brennraum-Bodenwandung bereitstellt, die durch Gaswechselkanäle durchsetzt ist, – einem in dem Zylinderkurbelgehäuse unter Einschluss des Kühlwassermantels ausgebildeten Block-Kühlsystem und – einem in dem Zylinderkopf durch darin ausgebildete Kühlmittelräume ausgebildeten Kopf-Kühlsystem, wobei – das Kopfkühlsystem in einen Heißwandwärmetauschabschnitt, der sich im Bereich der brennraumnahen Kopfwandung erstreckt und in einen Warmwandwärmetauschabschnitt, der sich in einem Bereich geringerer Temperaturbelastung erstreckt, unterteilt ist, und – das Kopfkühlsystem und das Block-Kühlsystem derart gekoppelt sind, dass zumindest im Rahmen einer Motor-Warmlaufphase eine Kühlwassereinspeisung in den Kühlwassermantel überwiegend über den Heißwandwärmetauschabschnitt erfolgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf derart ausgebildet ist, dass der dem Zylinderkopf zufließende Fluidstrom in dem Zylinderkopf, oder an diesem in einen den Heißwandwärmetauschabschnitt durchströmenden Teilstrom und in den, den Warmwandwärmetauschabschnitt durchströmenden Teilstrom aufgeteilt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißwandwärmetauschabschnitt sich im brennraumnahen Bereich des Zylinderkopfbodens in Nachbarschaft zu den Ventilstegen erstreckt, zur Ableitung von Wärme aus dem Ventilstegbereich.
Brennkraftmaschine einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwandwärmetauschabschnitt der Kühlung thermisch weniger stark belasteter Zylinderkopf-Strukturbereiche dient.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwandwärmetauschabschnitt der Ableitung der Wärme im Bereich der Auslasskanäle dient.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderkurbelgehäuse Fluidverbindungsabschnitte bereitgestellt sind, solcherart, dass überwiegend der dem Heißwandwärmetauschabschnitt zufließende Teilstromabschnitt in den Kühlwassermantel im Zylinderkurbelgehäuse eintritt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im zylinderkopfnahen Blockbereich ein Sammelkanal ausgebildet ist, von dem aus im Bereich jedes Zylinders Verbindungen zum Zylinderkopf bestehen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit in Reihe oder in einer Bank angeordneten Zylindern, der Sammelkanal sich auf der Seite der Auslasskanäle der Brennkraftmaschine befindet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster zentraler Austrittsabschnitt vorgesehen ist zur Ableitung hauptsächlich des über den Warmwandwärmetauschabschnitt geleiteten Fluidteilstromes auf einer dem Sammelkanal gegenüberliegenden Motor-Längsseite.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zentrale Austrittsabschnitt an dem Zylinderkopf ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter zentraler Austrittsabschnitt vorgesehen ist, zur Ableitung des über den Heißwandwärmetauschabschnitt in den Kühlwassermantel eingespeisten Teilstromes im mittleren bis unteren Büchsenbereich unterhalb des Sammelkanals.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mengenteilereinrichtung vorgesehen ist, zur Zusammenführung der aus dem Zylinderkopf und dem Zylinderkurbelgehäuse abfließenden Teilströme.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermostateinrichtung vorgesehen ist, zur selektiven Zuleitung des zusammengefassten Fluidstromes zu einem Kühler.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels der Thermostateinrichtung der Kühler überbrückbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Abzweigungseinrichtung vorgesehen ist, zur Abzweigung des überwiegend über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt geführten Teilstromes in einen Heizungskreislauf, insbesondere zu einem Motoröl/Wasser-Wärmetauscher oder einem Heizungs-Wärmetauscher, während einer Motor-Aufwärmphase.
Verfahren zur Durchführung eines Abwärmetransfers bei einer Brennkraftmaschine mittels eines Kühlmittelstroms, der durch zylinderkopfseitig und blockseitig ausgebildete Kühlkanäle geleitet wird, wobei der Kühlmittelstrom im Bereich des Zylinderkopfes in einen Heißwand-Kühlstrom und in einen Warmwand-Kühlstrom aufgeteilt wird und im Rahmen einer Motor-Warmlaufphase die blockseitigen Kühlkanäle überwiegend durch den, Heißwandkühlstrom gespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass gegen Ende oder nach Abschluss der Motorwarmlaufphase der Kühlmittelzufluss zu den blockseitigen Kühlkanälen auch durch den Warmwand-Kühlstrom erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflusstemperatur zu den blockseitig ausgebildeten Kühlkanälen durch temperaturabhängig abgestimmte Einstellung der Kühlfluidzuflüsse über den Heißwand-Wärmetauschabschnitt und den Warmwand-Wärmetauschabschnitt eingestellt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschleistung im Bereich des Heißwand-Wärmetauschabschnittes und des Warmwand-Wärmetauschabschnittes durch temperaturabhängige Einstellung der Kühlmittelteilströme eingestellt wird.