DE29924947U1

DE29924947U1 - Stroke piston combustion engine has coolant ducts in cast cylinder head and cylinder block with at least one duct formed by pipe cast at the same time

Info

Publication number: DE29924947U1
Application number: DE29924947U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2009-12-18

Abstract

The cylinder block (12) has several cylinders (14) each having a centre line and containing several pistons. A coolant pump moves the liquid coolant through the engine through coolant ducts (30a- 30c) which are formed in the cast cylinder head (24) and cylinder block with at least one of the ducts comprising a pipe which is cast at the same time and place as the cylinder head and cylinder block. The coolant duct extends over the length of the cylinder head in a direction running generally parallel to the centre line of the crankshaft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor mit in den Zylinderblock und Zylinderkopf gegossenen Kühlmittelkanälen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to a liquid-cooled internal combustion engine with cast in the cylinder block and cylinder head coolant channels according to the preamble of claim 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.The Liquid cooling of Internal combustion engines can be made with a higher efficiency, when the flow rates and the size of the flow channels exactly can be controlled. For example, in many engines, it is desirable to use coolant at very high speeds through the channels, for example at more than 5 meters per second, to increase the heat transfer coefficient. Unfortunately it is impossible, with conventional Procedure coolant channels with small Diameter to produce. In fact, those are commonly used in casting processes used sand cores not tight enough to pass through small channels cylinder heads and cylinder blocks to lead to be able to. As an alternative, coolant channels are known bored, but the for This drilling time required makes this option for mass production unattractive. On a motor machining line used by the Ford Motor Company, the pro Machine available standing residence time, for example less than half a minute, and drilling channels of any length would the Process of Engine production in an unbearable way more time consuming and thus make it more expensive.

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.An internal combustion engine according to the preamble of claim 1 is known from DE 691 05 633 T2 which also discloses a multi-cylinder engine in a series construction, in which a coolant pump circulates cooling fluid through a plurality of coolant passages in the cylinder head and cylinder block. These coolant channels are cast into the cylinder block and probably also into the cylinder head, obviously in a conventional manner by means of sand cores inserted into the mold, so that the coolant channels in the desired way there can receive widely varying and merging channel cross-sections, as a comparison of the 7 . 8th and 9 of the DE 691 05 633 T2 is apparent. Similar to the aforementioned manner, the cooling fluid flows through such coolant channels with widely varying, but generally quite large cross-sectional areas at a relatively low flow velocity, so that it would be desirable to obtain higher flow velocities and thus higher heat transfer coefficients to form coolant channels with smaller diameters.

Aus der EP 0 110 234 A1 ist 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.From the EP 0 110 234 A1 It is known to form a lubricant channel in a kingpin by pouring a tube. Said lubricant channel is formed by the tube, which is encapsulated by the cast matrix material. However, this document does not disclose it, beyond a lubricant channel of a kingpin and coolant channels in the cylinder head of an internal combustion engine by pouring a pipe, or where concrete with which course such a tube should be poured into a cylinder head.

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.Of the The present invention is therefore based on the problem of cooling a Cylinder head of an internal combustion engine through coolant channels with small diameters and thus high flow rates of the coolant achieve this without excessive manufacturing costs buy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hubkolbenverbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These The object is achieved by a Reciprocating internal combustion engine according to claim 1 solved. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

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.At least one of the coolant channels consists So from a tube that is preformed and during the casting of the Cylinder head is cast in place with. According to the invention at least one of the coolant channels in the cylinder head from a while pouring of the cylinder head into the cylinder head cast pipe, which is approximately parallel to the center line of the crankshaft between one Center lines of cylinder-containing center plane and row of exhaust valves and / or the series of intake valves over several Cylinder extends across.

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.The coolant channels in the cylinder head thus extend over the length of the cylinder head in a direction which is generally parallel to the center line of the crankshaft. At least one channel is generally positioned between a series of inlet valves and a center plane containing the centerlines of the cylinders. A second passage is generally positioned between the midplane and a row of exhaust valves located in the cylinder head. A third port may be positioned between the row of exhaust valves in an outermost part of the cylinder head. The channels may preferably include a plurality of arcuate segments so that they can be passed around the locations of the spark plugs or fuel injectors or other structural elements in the cylinder head, such as intake ports, exhaust ports and valve control parts. Finally, not only can the passages extend longitudinally in the general direction of the crankshaft centerline, but they can also include supplemental passages that generally extend transversely across the cylinder head and longitudinally connected parallel to the center line of the crankshaft extending channels.

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.It It is an advantage of the present invention that a cooling system with channels of relatively smaller diameter can be made, so that higher flow rates and higher heat transfer coefficients possible are while At the same time, the pressure drop through the coolant channels is not excessively increased. This is due to the fact that for training of channels according to the present In general, the preform used in the invention will generally be much smoother and the flow much less obstructed than with a relatively rougher channel the case that was made with a sand core.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Motor gemäß dieser Erfindung wesentlich schneller warmlaufen kann, wodurch unerwünschte Motorabgase minimiert werden.It Another advantage of the present invention is that a motor according to this Invention can warm up much faster, causing unwanted engine exhaust be minimized.

Weitere Vorteile sowie Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Leser dieser Beschreibung offensichtlich.Further Advantages as well as objects and features of the present invention be for the reader of this description obviously.

1 ist eine Schnittansicht eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 is a sectional view of an engine according to the present invention.

2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 FIG. 10 is an exploded perspective view of an engine according to the present invention. FIG.

3 ist eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt eines Zylinderkopfes eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 FIG. 12 is a schematic plan view of a portion of a cylinder head of an engine according to the present invention. FIG.

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 Kurbelwelle 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.According to 1 owns the engine 10 a block 12 with a plurality of cylinders formed therein 14 , The piston 16 is slidable in the cylinders 14 stored. The piston 16 is with the crankshaft 18 over the connecting rod 22 connected. At the cylinder block 12 attached cylinder heads 24 Close one end of the cylinder 14 from. The connecting rods 22 are with their lower end on the crankshaft 18 attached, according to 2 has a centerline. A variety of coolant channels 30a - 30c passes through the cylinder head 24 , The channel 30a extends over the length of the cylinder head 24 in a direction generally parallel to the centerline of the crankshaft 18 is. The channels 30a that in both cylinder heads of 1 are shown lying between a series of intake valves 32 and one the centerlines of the cylinders 14 containing median plane.

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.A second channel 30b that is in the cylinder head 24 is located between the center lines of the cylinder 14 containing center plane and a number of exhaust valves 34 ,

Ein dritter Kühlkanal 30c verläuft zwischen einer Reihe von Auslaßventilen 34 und einem äußersten Abschnitt 24a des Zylinderkopfes 24.A third cooling channel 30c runs between a number of exhaust valves 34 and an outermost section 24a of the cylinder head 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.The channel 30a does not have to be straight. According to 2 can the channel 30a around a variety of spark plugs 36 or a plurality of fuel injectors 38 be guided around. Because the channel 30a is preferably made by means of a tubular preform, which is clamped in a mold, and in place in the cylinder head 24 is poured, the channel can 30a have the illustrated shape, which consists of a plurality of curved segments. The one for the channel 30a as well as the channels 30b and 30c in 2 The curved segments shown provide the ability to provide a smooth, relatively smaller diameter, high heat transfer coefficient channel and the ability to make the channel because no sand core needs to be used.

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.A water valve (not shown) may be used to control the flow of coolant to the channel 30a during warm-up of the engine to reduce or prevent. In this way, the engine exhaust gases can be reduced because the operating temperature of the engine increases rapidly, as well as the operating temperature of a catalytic exhaust treatment device (not shown) that is normally used in motor vehicles.

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.Although 1 a suction channel injection nozzle 46 shows, goes out 2 , which shows direct-injection nozzles, clearly shows that a cooling system according to the present invention can be used on engines that operate with either conventional intake port injection or conventional direct injection of gasoline or other liquid or gaseous fuels into a combustion chamber of an engine.

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. 3 FIG. 10 illustrates an engine having a plurality of cylinders in the cylinder head. FIG 24 trained coolant channels 40a and 40b generally comprise tubular preforms cast in place during casting of the cylinder head. The channels 40a and 40b are generally parallel to the centerline of the crankshaft of the engine and are of a plurality of channels 42a and 42b and 44 cut across the cylinder head 24 extend so that the first and second set of channels are connected together. An advantage of the illustrated system is that channels according to 3 can be formed without castings must be made or drilled with sand core.

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.Although the invention was based on their be Preferred embodiments shown and described, but it will be clear to those skilled in the art that many changes and modifications can be made thereto without departing from the scope of the invention.

Claims

Reciprocating internal combustion engine, comprising: a cylinder block ( 12 ) with a plurality of cylinders ( 14 ), each of the cylinders ( 14 ) has a centerline; a variety of in the cylinders ( 14 ) displaceably mounted pistons ( 16 ); a crankshaft ( 18 ), which have a variety of connecting rods ( 22 ) with the pistons ( 16 ), the crankshaft ( 18 ) has a centerline; a cylinder head made by casting ( 24 ) attached to the cylinder block ( 12 ) to terminate one end of the cylinders and in which a series of inlet valves ( 32 ) and a number of exhaust valves ( 34 ) are provided; a coolant pump ( 26 ), which carries liquid coolant through the engine; and a plurality of coolant channels ( 30a -f; 40a , b) in the cylinder head ( 24 ) and the cylinder block ( 12 ); characterized in that at least one of the coolant channels ( 30a . 30b ) in the cylinder head ( 24 ) from a while casting the cylinder head ( 24 ) in the cylinder head ( 24 ) and is approximately parallel to the centerline of the crankshaft ( 18 ) between a center plane containing the center lines of the cylinders and the row of exhaust valves ( 34 ) and / or the series of intake valves ( 32 ) over several cylinders ( 14 ) extends.

A reciprocating internal combustion engine according to claim 1, further comprising a valve for controlling the flow of refrigerant in the at least one coolant passage (FIG. 30a . 30b ).

A reciprocating internal combustion engine as claimed in claim 1 or 2, wherein the coolant passages are generally one between a series of intake valves ( 32 ) and a central plane containing the center lines of the cylinder ( 30a ) and a generally between the center plane and a number of located in the cylinder head exhaust valves ( 34 ) positioned second channel ( 30b ), wherein the plurality of coolant channels ( 30a -f; 40a , b) preferably runs approximately parallel to the center line of the crankshaft.

A reciprocating internal combustion engine according to claim 3, further comprising a valve for controlling the flow of refrigerant in the first passage (16). 30a ), so that the amount of through the first channel ( 30a ) is reduced when the engine is running in the partial load range and / or when an operating temperature of the engine is below a predetermined threshold.

A reciprocating internal combustion engine according to claim 3 or 4, wherein said plurality of coolant passages comprises one between the row of exhaust valves and an outermost portion of the cylinder head ( 24 ) positioned third channel ( 30c ).

A reciprocating internal combustion engine according to claim 5, wherein a plurality of valves for controlling the flow of coolant in the first Channel, the second channel and the third channel are provided.

Reciprocating internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein the at least one coolant channel ( 30a . 30b ) comprises a plurality of bent segments.

Reciprocating internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein at least one coolant channel ( 30a . 30b ) is guided around the locations of a plurality of spark plugs mounted in the cylinder head.

Reciprocating internal combustion engine according to one of the preceding claims, wherein at least one coolant channel ( 30a . 30b ) about the locations of a plurality of fuel injectors (in the cylinder head) ( 46 ) is guided around.

A reciprocating internal combustion engine according to any one of the preceding claims, wherein a plurality of coolant passages ( 30a -f; 40a , b) out into the cylinder head ( 24 ) consists of cast-in pipes.

A reciprocating internal combustion engine according to claim 10, wherein said plurality of coolant passages ( 30a -f; 40a , b, 42a , b) a first plurality of channels ( 40a , b) extending over the length of the cylinder head ( 24 ) in a direction generally parallel to the centerline of the crankshaft and a second plurality of channels (Fig. 42a , b) extending generally across the cylinder head ( 24 ) so that the first and second sets of channels are interconnected.

A reciprocating internal combustion engine according to claim 11, wherein at least the first plurality of channels a channel having a plurality of curved segments.