DE19961092B4

DE19961092B4 - Verbrennungsmotor mit Hochleistungs-Kühlsystem

Info

Publication number: DE19961092B4
Application number: DE19961092A
Authority: DE
Inventors: Curtis Bevan Dearborn Heights Collie; Michael Joseph Belleville Schrader
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: DE19961092A1; US6158400A

Abstract

Hubkolbenverbrennungsmotor, welcher folgendes umfaßt:
einen Zylinderblock (12) mit einer Vielzahl von Zylindern (14), wobei jeder der Zylinder (14) eine Mittellinie aufweist;
eine Vielzahl von in den Zylindern (14) verschieblich gelagerten Kolben (16);
eine Kurbelwelle (18), die über eine Vielzahl von Pleuelstangen (22) mit den Kolben (16) verbunden ist, wobei die Kurbelwelle (18) eine Mittellinie aufweist;
einen durch Gießen hergestellten Zylinderkopf (24), der an dem Zylinderblock (12) befestigt ist, um ein Ende der Zylinder abzuschließen, und in dem eine Reihe von Einlaßventilen (32) und eine Reihe von Auslaßventilen (34) vorgesehen sind;
eine Kühlmittelpumpe (26), die flüssiges Kühlmittel durch den Motor führt; und
eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen (30a–f; 40a, b) in dem Zylinderkopf (24) und dem Zylinderblock (12);
dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens einer der Kühlmittelkanäle (30a, 30b) im Zylinderkopf (24) aus einem beim Gießen des Zylinderkopfs (24) in den Zylinderkopf (24) eingegossenen Rohr besteht...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor mit in den Zylinderblock und Zylinderkopf gegossenen Kühlmittelkanälen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Flüssigkeitskühlung von Verbrennungsmotoren kann mit einem höheren Wirkungsgrad erfolgen, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten und die Größe der Strömungskanäle genau gesteuert werden können. Bei vielen Motoren ist es beispielsweise wünschenswert, Kühlmittel mit recht hohen Geschwindigkeiten durch die Kanäle zu leiten, beispielsweise mit mehr als 5 Metern pro Sekunde, um den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen. Leider ist es nicht möglich, mit herkömmlichen Verfahren Kühlmittelkanäle mit kleinem Durchmesser herzustellen. In der Tat sind die üblicherweise bei Gießverfahren verwendeten Sandkerne nicht fest genug, um kleine Kanäle durch Zylinderköpfe und Zylinderblöcke führen zu können. Als Alternative werden Kühlmittelkanäle bekanntlich gebohrt, aber die für dieses Bohren erforderliche Zeit macht diese Option für eine Massenproduktion unattraktiv. Auf einer von der Ford Motor Company verwendeten Motorbearbeitungsstraße beträgt die pro Maschine zur Verfügung stehende Verweilzeit beispielsweise weniger als eine halbe Minute, und das Bohren von Kanälen beliebiger Länge würde den Prozeß der Motorenfertigung in untragbarer Weise zeitaufwendiger und damit teurer gestalten.

Ein Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 691 05 633 T2 bekannt, die ebenfalls einen Mehrzylindermotor in Reihenbauweise zeigt, bei dem eine Kühlmittelpumpe Kühlfluid durch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen im Zylinderkopf und Zylinderblock zirkuliert. Diese Kühlmittelkanäle sind in den Zylinderblock und wohl auch in den Zylinderkopf eingegossen, und zwar offensichtlich in herkömmlicher Weise mittels in die Gußform eingelegten Sandkernen, so dass die Kühlmittelkanäle in der dort gewünschten Weise stark variierende und ineinander übergehende Kanalquerschnitte erhalten können, wie dies aus einem Vergleich der 7, 8 und 9 der DE 691 05 633 T2 ersichtlich ist. Ähnlich der zuvor genannten Weise strömt das Kühlfluid durch solche Kühlmittelkanäle mit stark variierenden, insgesamt jedoch recht großen Querschnittsflächen mit relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit, so dass es wünschenswert wäre, um höhere Strömungsgeschwindigkeiten und damit höhere Wärmeübergangskoeffizienten zu erhalten, Kühlmittelkanäle mit geringeren Durchmessern auszubilden.

Aus der EP 0 110 234 A1 is es bekannt, einen Schmiermittelkanal in einem Achsschenkelbolzen durch Eingießen eines Rohres auszubilden. Der genannte Schmiermittelkanal wird von dem Rohr, das vom Gußmatrixmaterial umgossen wird, gebildet. Diese Schrift offenbart es jedoch nicht, über einen Schmiermittelkanal eines Achsschenkelbolzens hinaus auch Kühlmittelkanäle im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors durch Eingießen eines Rohres auszubilden, oder wo konkret mit welchem Verlauf ein solches Rohr in einem Zylinderkopf eingegossen werden sollte.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, die Kühlung eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors durch Kühlmittelkanäle mit kleinen Durchmessern und damit hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels zu erreichen, ohne dies durch übermäßige Fertigungskosten zu erkaufen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hubkolbenverbrennungsmotor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Wenigstens einer der Kühlmittelkanäle besteht also aus einem Rohr, das vorgeformt ist und während des Gießens des Zylinderkopfs an Ort und Stelle mit eingegossen wird. Erfindungsgemäß besteht wenigstens einer der Kühlmittelkanäle im Zylinderkopf aus einem beim Gießen des Zylinderkopfs in den Zylinderkopf eingegossenen Rohr, das sich etwa parallel zur Mittellinie der Kurbelwelle zwischen einer die Mittellinien der Zylinder enthaltenden Mittelebene und der Reihe von Auslaßventilen und/oder der Reihe von Einlaßventilen über mehrere Zylinder hinweg erstreckt.

Die Kühlmittelkanäle in dem Zylinderkopf erstrecken sich also über die Länge des Zylinderkopfes in einer Richtung, die im allgemeinen parallel zur Mittellinie der Kurbelwelle ist. Wenigstens ein Kanal ist im allgemeinen zwischen einer Reihe von Einlaßventilen und einer die Mittellinien der Zylinder enthaltenden Mittelebene positioniert. Ein zweiter Kanal ist im allgemeinen zwischen der Mittelebene und einer in dem Zylinderkopf befindlichen Reihe von Auslaßventilen positioniert. Ein dritter Kanal kann zwischen der Reihe von Auslaßventilen in einem äußersten Teil des Zylinderkopfes positioniert sein. Die Kanäle können vorzugsweise eine Vielzahl von gebogenen Segmenten umfassen, so daß sie um die Stellen der Zündkerzen oder Kraftstoffeinspritzdüsen oder um andere bauliche Elemente in dem Zylinderkopf wie zum Beispiel Einlaßkanäle, Auslaßkanäle und Ventilsteuerungsteile herumgeführt werden können. Schließlich können die Kanäle nicht nur in Längsrichtung in der allgemeinen Richtung der Mittellinie der Kurbelwelle verlaufen, sondern auch Zusatzkanäle umfassen, die im allgemeinen quer über den Zylinderkopf verlaufen und mit den in Längsrichtung oder parallel zur Mittellinie der Kurbelwelle verlaufenden Kanälen verbunden sind.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Kühlsystem mit Kanälen von relativ kleinerem Durchmesser hergestellt werden kann, so daß höhere Strömungsgeschwindigkeiten und höhere Wärmeübergangskoeffizienten möglich sind, während gleichzeitig der Druckabfall durch die Kühlmittelkanäle nicht über Gebühr erhöht wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die für die Ausbildung von Kanä len gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Vorform im allgemeinen viel glatter sein wird und die Strömung viel weniger behindert als dies bei einem relativ rauheren Kanal der Fall sein wird, der mit einem Sandkern hergestellt wurde.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Motor gemäß dieser Erfindung wesentlich schneller warmlaufen kann, wodurch unerwünschte Motorabgase minimiert werden.

Weitere Vorteile sowie Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Leser dieser Beschreibung offensichtlich.
1 ist eine Schnittansicht eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt eines Zylinderkopfes eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 1 besitzt der Motor 10 einen Block 12 mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten Zylindern 14. Der Kolben 16 ist verschieblich in den Zylindern 14 gelagert. Der Kolben 16 ist mit der Kurbelwelle 18 über die Pleuelstange 22 verbunden. An dem Zylinderblock 12 befestigte Zylinderköpfe 24 schließen ein Ende der Zylinder 14 ab. Die Pleuelstangen 22 sind mit ihrem unteren Ende an der Kur belwelle 18 befestigt, die gemäß 2 eine Mittellinie besitzt. Eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 30a–30c verläuft durch den Zylinderkopf 24. Der Kanal 30a erstreckt sich über die Länge des Zylinderkopfes 24 in einer Richtung, die im allgemeinen parallel zur Mittellinie der Kurbelwelle 18 ist. Die Kanäle 30a, die in beiden Zylinderköpfen von 1 gezeigt sind, liegen zwischen einer Reihe von Einlaßventilen 32 und einer die Mittellinien der Zylinder 14 enthaltenden Mittelebene.
Ein zweiter Kanal 30b, der sich in dem Zylinderkopf 24 befindet, verläuft zwischen der die Mittellinien der Zylinder 14 enthaltenden Mittelebene und einer Reihe von Auslaßventilen 34.
Ein dritter Kühlkanal 30c verläuft zwischen einer Reihe von Auslaßventilen 34 und einem äußersten Abschnitt 24a des Zylinderkopfes 24.
Der Kanal 30a muß nicht gerade sein. Gemäß 2 kann der Kanal 30a um eine Vielzahl von Zündkerzen 36 oder eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen 38 herumgeführt sein. Weil der Kanal 30a vorzugsweise mit Hilfe einer rohrförmigen Vorform hergestellt wird, die in eine Gießform eingespannt ist, und an Ort und Stelle in dem Zylinderkopf 24 gegossen wird, kann der Kanal 30a die veranschaulichte Form aufweisen, die aus einer Vielzahl von gebogenen Segmenten besteht. Die für den Kanal 30a sowie die Kanäle 30b und 30c in 2 dargestellten gebogenen Segmente bieten die Möglichkeit, einen glatten Kanal mit relativ kleinerem Durchmesser und einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten bereitzustellen, und die Möglichkeit zur Herstellung des Kanals, weil kein Sandkern verwendet werden muß.
Ein Wasserventil (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um den Zustrom von Kühlmittel zu dem Kanal 30a während des Warmlaufens des Motors zu vermindern oder zu unterbinden. Auf diese Weise können die Motorabgase vermindert werden, weil die Betriebstemperatur des Motors rasch ansteigt, wie auch die Betriebstemperatur einer katalytischen Abgasbehandlungsvorrichtung (nicht dargestellt), die normalerweise bei Kraftfahrzeugen verwendet wird.
Wenngleich 1 eine Saugkanal-Einspritzdüse 46 zeigt, geht aus 2, die Direkteinspritzdüsen zeigt, eindeutig hervor, daß ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung bei Motoren verwendet werden kann, die entweder mit einer herkömmlichen Saugkanaleinspritzung oder einer herkömmlichen Direkteinspritzung von Benzin oder anderen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen in einen Brennraum eines Motors arbeiten.
3 veranschaulicht einen Motor, bei dem eine Vielzahl von in dem Zylinderkopf 24 ausgebildeten Kühlmittelkanälen 40a und 40b im allgemeinen rohrförmige Vorformen umfassen, die während des Gießens des Zylinderkopfes an Ort und Stelle gegossen werden. Die Kanäle 40a und 40b verlaufen im allgemeinen parallel zu der Mittellinie der Kurbelwelle des Motors und werden von einer Vielzahl von Kanälen 42a und 42b und 44 geschnitten, die quer über den Zylinderkopf 24 verlaufen, so daß der erste und zweite Satz von Kanälen miteinander verbunden wird. Ein Vorteil des dargestellten Systems liegt darin, daß Kanäle gemäß 3 ausgebildet werden können, ohne daß Gußteile mit Sandkern hergestellt oder gebohrt werden müssen.
Die Erfindung wurde zwar anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben, doch wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet klar sein, daß viele Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Hubkolbenverbrennungsmotor, welcher folgendes umfaßt: einen Zylinderblock (12) mit einer Vielzahl von Zylindern (14), wobei jeder der Zylinder (14) eine Mittellinie aufweist; eine Vielzahl von in den Zylindern (14) verschieblich gelagerten Kolben (16); eine Kurbelwelle (18), die über eine Vielzahl von Pleuelstangen (22) mit den Kolben (16) verbunden ist, wobei die Kurbelwelle (18) eine Mittellinie aufweist; einen durch Gießen hergestellten Zylinderkopf (24), der an dem Zylinderblock (12) befestigt ist, um ein Ende der Zylinder abzuschließen, und in dem eine Reihe von Einlaßventilen (32) und eine Reihe von Auslaßventilen (34) vorgesehen sind; eine Kühlmittelpumpe (26), die flüssiges Kühlmittel durch den Motor führt; und eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen (30a–f; 40a, b) in dem Zylinderkopf (24) und dem Zylinderblock (12); dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kühlmittelkanäle (30a, 30b) im Zylinderkopf (24) aus einem beim Gießen des Zylinderkopfs (24) in den Zylinderkopf (24) eingegossenen Rohr besteht und sich etwa parallel zur Mittellinie der Kurbelwelle (18) zwischen einer die Mittellinien der Zylinder enthaltenden Mittelebene und der Reihe von Auslaßventilen (34) und/oder der Reihe von Einlaßventilen (32) über mehrere Zylinder (14) hinweg erstreckt.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, des weiteren umfassend ein Ventil zum Steuern des Kühlmittelstromes in dem wenigstens einen Kühlmittelkanal (30a, 30b).
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlmittelkanäle einen im allgemeinen zwischen einer Reihe von Einlaßventilen (32) und einer die Mittellinien des Zylinders enthaltenden Mittelebene positionierten ersten Kanal (30a) und einen im allgemeinen zwischen der Mittelebene und einer Reihe von in dem Zylinderkopf befindlichen Auslaßventilen (34) positionierten zweiten Kanal (30b) umfassen, wobei die Vielzahl von Kühlmittelkanälen (30a– f; 40a, b) vorzugsweise etwa parallel zur Mittellinie der Kurbelwelle verläuft.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 3, des weiteren umfassend ein Ventil zum Steuern des Kühlmittelstromes in dem ersten Kanal (30a), so daß die Menge des durch den ersten Kanal (30a) strömenden Kühlmittels reduziert wird, wenn der Motor im Teillastbereich läuft und/oder wenn eine Betriebstemperatur des Motors unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Vielzahl von Kühlmittelkanälen einen zwischen der Reihe von Auslaßventilen und einem äußersten Teil des Zylinderkopfes (24) positionierten dritten Kanal (30c) umfaßt.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei eine Vielzahl von Ventilen zum Steuern des Kühlmittelstromes in dem ersten Kanal, dem zweiten Kanal und dem dritten Kanal vorgesehen sind.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Kühlmittelkanal (30a, 30b) eine Vielzahl von gebogenen Segmenten umfaßt.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Kühlmittelkanal (30a, 30b) um die Stellen einer Vielzahl von in dem Zylinderkopf angebrachten Zündkerzen herumgeführt wird.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Kühlmittelkanal (30a, 30b) um die Stellen einer Vielzahl von in dem Zylinderkopf angebrachten Kraftstoffeinspritzdüsen (46) herumgeführt ist.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen (30a–f; 40a, b) aus in den Zylinderkopf (24) eingegossenen Rohren besteht.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 10, bei dem die Vielzahl von Kühlmittelkanälen (30a–f; 40a, b, 42a, b) eine erste Vielzahl von Kanälen (40a, b) umfassen, die sich über die Länge des Zylinderkopfes (24) in einer zur Mittellinie der Kurbelwelle im allgemeinen parallelen Richtung erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Kanälen (42a, b), die sich im allgemeinen quer über den Zylinderkopf (24) erstrecken, so daß der erste und der zweite Satz von Kanälen miteinander verbunden sind.
Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 11, bei dem die erste Vielzahl von Kanälen wenigstens einen Kanal mit einer Vielzahl von gebogenen Segmenten umfaßt.