DE69105633T2

DE69105633T2 - Kühlungsanlage für Brennkraftmaschinen.

Info

Publication number: DE69105633T2
Application number: DE69105633T
Authority: DE
Inventors: Malcolm James Clough
Original assignee: Jaguar Cars Ltd
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Priority date: 1990-06-02
Filing date: 1991-05-20
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2011-05-21
Also published as: JP3096090B2; EP0461765B1; US5076217A; GB9012364D0; EP0461765A1; DE69105633D1; JPH04231655A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Motorkühlanlagen und insbesondere Kühlanlagen für Verbrennungsmotoren.
In herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird, wie es z.B. in der EP- A-0 203 531 offenbart ist, dem Motorblock Kühlmittel an der Vorderseite zugeführt und geht über Durchgangslöcher durch den Zylinderkopf hindurch, die mit jedem der Zylinder verbunden sind. Diese Durchgangslöcher müssen korrekt bemessen sein, um überall im Motor eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen. In solchen Anlagen tritt das Kühlmittel normalerweise an der Vorderseite des Zylinderkopfs aus und folglich werden die Kühlmittelgeschwindigkeiten an der Rückseite des Zylinderkopfs geringer sein als diejenigen an der Vorderseite, weil sich zur Vorderseite des Motors hin Kühlmittel sammelt. Um die Temperatur der Komponenten wirksam zu steuern, sollte das Kühlmittel direkt zu den Bereichen geführt werden, die den größten Wärmestrom ausgesetzt sind. Dies sind für einen Pultdachmotor mit vier Ventilen pro Zylinder der Zündkerzenbereich und die Auslaß- und Binlaßventilstege. Folglich müssen zum herkömmlichen Kühlen die geringeren Durchflußmengen an der Rückseite des Zylinderkopfs gegeben sein, ohne andere Kühleffekte, wie den Austritt von Kühlmittel zwischen den Auslaßventilstegen aus den Durchgangslöchern zu gefährden.
In solchen Anlagen wird normalerweise ein Querstromverfahren angewendet, bei dem Teile des Kühlmittelstroms separat zu jedem Zylinder gerichtet sind. Folglich müssen entweder große Gesamtdurchflußmengen oder sehr kleine Durchgangsabmessungen angewendet werden, um die Temperaturen der Komponenten über die Kühlmittelgeschwindigkeit zu steuern. Dabei gibt es Beschränkungen der Größe der Pumpe, die verwendet werden kann, um das Kühlmittel zirkulieren zu lassen, und folglich ist es wünschenswert, daß geringe Kühlmitteldurchgangsabmessungen angewendet werden. Solche Durchgänge mit geringen Abmessungen müssen jedoch gegossen oder maschinell bearbeitet werden, was bezüglich der Kernsteifigkeit des Wassermantels oder der Kosten beides nicht wünschenswert ist.
Gemäß der US-A-4 175 503 ist im wesentlichen der gesamte Kühlmittelstrom durch eine Vielzahl von Kühlmitteldurchgängen, die in Längsrichtung des Zylinderkopfs verlaufen, von einem Ende des Zylinderkopfs zu dem anderen geführt. In dieser Weise können konstante Durchflußmengen in den Durchgängen erreicht werden, so daß die Zylinder an der Vorder- und Rückseite des Zylinderkopfs gleichmäßiger gekühlt werden, wodurch die Temperaturdifferenz von der Vorder- zur Rückseite des Zylinderkopfs signifikant reduziert wird. Bei diesen Anlagen wird jedoch Kühlmittel, das durch an die wärmeren Teile des Zylinderkopfs angrenzende Durchgänge, z.B. die Auslaßkanäle, strömt, in einem größeren Maße erwärmt, als Kühlmittel, das in an die kühleren Teile des Zylinderkopfs angrenzenden Durchgängen, z.B. in den Einlaßkanälen, strömt. Ein Ergebnis davon wird eine signifikante transversale Temperaturdifferenz über dem Zylinderkopf sein.
EP-A-0 365 404 offenbart eine Kühlanlage, in welcher Kühlmittel direkt von der Pumpe durch einen ersten Längsdurchgang von einem Ende zum anderen durch den Zylinderkopf strömt. Dann wird Kühlmittel von dem Motorblock durch einen zweiten Längsdurchgang durch den Zylinderkopf zurückgeführt. Weil das Kühlmittel direkt aus der Pumpe signifikant kühler sein wird als das von dem Zylinderkopf zurückkommende, wird diese Anlage wiederum unter signifikanten transversalen Temperaturdifferenzen leiden. Querverbindungsgänge verbinden die ersten und zweiten Längsdurchgänge. Die Querverbindungsgänge sollen jedoch Kühlmittel zu Zwischenstücken des Zylinderkopfs leiten, und der Kühlmittelstrom durch diese Querverbindungsgänge wird sich nicht signifikant auf die transversalen Temperaturdifferenzen auswirken.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Anlage zur Kühlung von einem zum anderen Ende des Zylinderkopfs, die eine verbesserte transversale Temperaturverteilung in dem Zylinderkopf liefern wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Kühlanlage für einen Motor, der einen Zylinderblock, der eine Vielzahl von Zylindern bildet, und einen Zylinderkopf aufweist, der an den Zylinderblock angebaut ist, eine Pumpe auf, die einen Auslaß hat, der an einem Ende des Motors mit einem Kühlmantel des Zylinderblocks verbunden ist, wobei der Kühlmantel des Zylinderblocks mit einem Kühlmantel des Zylinderkopfs am anderen Ende des Motors verbunden ist, und ein Auslaß aus dem Kühlmantel des Zylinderkopfs an dem einen Ende des Motors vorgesehen ist, wobei der Kühlmantel des Zylinderkopfs eine Vielzahl an Durchgängen bildet, die sich in Längsrichtung des Zylinderkopfs erstrecken, wobei die Durchgänge so angeordnet sind, daß sie Kühlmittel zu verschiedenen Teilen des Kopfteils eines jeden Zylinders leiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge zwischen den Zylindern ineinander übergehen.
Die Strömung des Kühlmittels von einem Ende zum anderen durch den Kühlmantel des Zylinderkopfs in der vorab beschriebenen Erfindung wird eine bessere Steuerung der Kühlmittelgeschwindigkeiten überall im Motor und insbesondere in dem Zylinderkopf ermöglichen, und es wird, weil das gesamte Kühlmittel an den Zylindern vorbeiströmt, eine verbesserte Temperaturverteilung über jeden Zylinderteil und außerdem über der Länge des Zylinderkopfs erreicht, im Vergleich mit derjenigen der herkömmlichen Bauart. Überdies können hohe Geschwindigkeiten erreicht werden, ohne Durchgänge mit einer sehr kleinen Querschnittsfläche zu verwenden, weil der ganze Kühlmittelstrom durch den Kühlmantel des Zylinderkopfs hindurchströmt. Obwohl der Pumpdruck in derartigen Kühlanlagen hoch sein wird, weil es da nur einen Verbindungsdurchgang zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf gibt, im Gegensatz zu zwei oder mehr Durchgangslöchern pro Zylinder in herkömmlichen Kühlanlagen, gibt es da weniger Dichtungsprobleme zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf. Das Ineinanderübergehen der Durchgänge in dem Zylinderkopf erlaubt eine Übertragung von Wärme in dem Kühlmittelstrom, wodurch wiederum die Temperaturverteilung verbessert wird.
Vorzugsweise dringt Kühlmittel durch einen einzelnen Überleitungskanal in den Kühlmantel des Zylinderkopfs ein, wobei sich der Überleitungskanal in eine Vielzahl von Durchgängen teilt, die Kühlmittel leiten zu:
a) der Unterseite der Auslaßkanäle, wobei der Brennraum und die Auslaßkanäle gekühlt werden;
b) der Oberseite der Auslaßkanäle, wobei die Auslaßkanäle und die Auslaßventilführungsvorsprünge gekühlt werden;
c) der Unterseite der Einlaßkanäle, wobei der Brennraum gekühlt wird; und
d) jeder Seite des Zündkerzenvorsprungs.
Durch Querverbindungsgänge, welche die Durchgänge, die sich in Längsrichtung von einem zum anderen Ende des Zylinderkopfs erstrecken, verbinden, kann eine Kühlung zwischen den Auslaßventilsitzen und, wenn nötig, den Einlaßventilsitzen erreicht werden. Der Kühlmittelstrom durch diese Querverbindungsgänge kann gefördert werden, indem in den Längsdurchgängen geeignete Beschränkungen vorgesehen werden.
Der Zylinderblock benötigt weniger Kühlmittel als der Zylinderkopf und folglich wird in dem Kühlmantel des Zylinderblocks eine geringere Kühlmittelströmung benötigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Kühlmantel des Zylinderblocks zusätzlich an dem anderen Ende des Motors über eine Umgehungsleitung direkt mit dem Auslaß der Pumpe verbunden sein. Durch diese Einrichtung wird überschüssiges Kühlmittet durch die Umgehungsleitung an dem Kühlmantel des Zylinderblocks vorbeigeleitet. Die Umgehungsleitung kann außerhalb des Motors liegen oder kann ein in den Zylinderblock gegossener integrierter Kanal sein. Das Verhältnis von Kühlmittel, das durch den Block und durch die Umgehungsleitung strömt, kann durch eine feste oder variable Begrenzung gesteuert werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 graphisch einen Motor mit einer Kühlanlage gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 im Schnitt den Kühlmantel des Zylinderblocks des in Fig. 1 gezeigten Motors zeigt;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 das Kühlmittelströmungsschema des Zylinderkopfs für einen Zylinder des in Fig. 1 gezeigten Motors zeigt;
Fig. 5 ein schematisches Detail des in Fig. 4 gezeigten Kühlmittelströmungsschema zeigt;
Fig. 6 graphisch eine Schnittansicht des Zylinderkopfs mit dem Kühlmittelströmungsschema zeigt; und
Fig. 7 bis 11 Schnitte des Zylinderkopfs entlang der Linien A-E aus Fig. 6 zeigen.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Verbrennungsmotor 10 einen Zylinderblock 11 mit einem daran angeschraubten Zylinderkopf 12. Eine motorbetriebene Kühlmittelpumpe 13 hat einen Einlaß 14 für Kühlmittel, der in herkömmlicher Weise mit einem (nicht gezeigten) Kühler verbunden ist. Der Auslaß 15 von der Pumpe 13 ist an der Vorderseite des Motors 10 durch einen Einlaß 17 mit dem Kühlmantel 16 des Zylinderblocks 11 und mit einer Umgehungsleitung 18 verbunden, wobei sich die Umgehungsleitung 18 über die Länge des Motors 10 erstreckt.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, sind in Bohrungen 21 in dem Zylinderblock 11 Zylinderlaufbuchsen 20 angeordnet. Der obere Bereich 22 einer jeden Laufbuchse 20 ist von dem Zylinderblock 11 beabstandet, um eine ringförmige Kammer 23 darum zu schaffen, wobei die ringförmigen Kammern 23 miteinander in Verbindung stehen, um einen Durchgang von dem Einlaß 17 an der Vorderseite des Motors 10 zu einem Auslaß 24 an der Rückseite des Motors 10 zu schaffen. Alternativ kann der Kühlmantel des Zylinderblocks von Durchgängen gebildet sein, die in den Block selbst gegossen sind.
Der Auslaß 24 von dem Kühlmantel 16 an der Rückseite des Motors 10 ist mit der Umgehungsleitung 18 und dann über einen Durchgangskanal 25 und einem Einlaß 26 an der Rückseite des Motors 10 mit einem Kühlmantel 27 des Zylinderkopfs 12 verbunden.
In der Umgehungsleitung 18 ist stromabwärts von deren Verbindung mit dem Auslaß 24 ein Regulierventil 30 angeordnet. Das Regulierventil 30 kann durch eine geeignete Einrichtung z.B. einen Thermostat an dem Auslaß 24 gesteuert sein, um die Durchflußmenge von Fluid durch die Umgehungsleitung 18 und folglich den Kühlmantel 16 zu steuern.
Wie in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt ist, umfaßt der Kühlmantel 27 des Zylinderkopfs 12 eine Reihe von sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgängen 35 bis 39, durch welche Kühlmittel von dem Einlaß 26 an der Rückseite des Motors 10 zu einem Auslaß 40 an der Vorderseite des Motors 10 an jedem Zylinder 41 vorbeiströmen wird.
Das in den Fig. 4 bis 6 gezeigte Strömungsschema ist für eine Pultdach-Zylinderanordnung mit vier Ventilen. Der Durchgang 35 führt Kühlmittel um die Außenseite der Auslaßkanäle 42; der Durchgang 36 führt Kühlmittel zwischen die Auslaßkanäle 42 und den Zündkerzenvorsprung 43; der Durchgang 37 führt Kühlmittel zwischen den Zündkerzenvorsprung 43 und die Einlaßkanäle 44; der Durchgang 38 führt Kühlmittel um die Außenseite der Einlaßkanäle 44; und der Durchgang 39 führt, wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist, Kühlmittel über das Oberteil des Auslaßkanals 42 hinweg und um die Auslaßventilführungen 45. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, gehen die Durchgänge 35 bis 38 zwischen den Zylindern 41 in einen einzigen Durchgang über.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist zwischen den Durchgängen 35 und 36 über den Steg 47 zwischen den Auslaßkanälen 42 ein Querverbindungsgang 46 vorgesehen. Ein weiterer Querverbindungsgang 48 kann gegebenenfalls ebenso zwischen den Durchgängen 37 und 38 über den Steg 49 zwischen den Einlaßkanälen 44 vorgesehen sein.
Wie in Fig. 6 und den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt ist, ist die Querschnittsfläche des Durchgangs 35 stromabwärts von dem Verbindungsgang 46 reduziert, während die Querschnittsfläche des Durchgangs 36 stromabwärts von dem Verbindungsgang 46 vergrößert ist, um eine Kühlmittelströmung durch den Verbindungsgang 46 zu bewirken. Auf die Durchgänge 37 und 38 würde eine ähnliche Methode angewendet, wenn ein Querverbindungsgang 48 eingeschlossen wäre.
Ein weiterer Vorteil der Kühlanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß die Abwesenheit von Durchgangslöchern zwischen jedem Zylinder es ermöglicht, die Bolzenvorsprünge 50 nach innen zu versetzen und auch zu verlängern, um durch gebohrte oder gegossene Löcher 51 Mittel zum Abfließenlassen des Schmieröls aus dem Ventiltrieb bereitzustellen. Das Versetzen der Bolzenvorsprünge 50 in dieser Weise nach innen, wird das erforderliche Kühlmittelvolumen reduzieren und ebenfalls den Zylinderkopf versteifen.
Der Auslaß 40 aus dem Kühlmantel des Zylinderkopfs 12 an der Vorderseite des Motors 10 ist über den (nicht gezeigten) Kühler in herkömmlicher Weise mit dem Einlaß 14 der Pumpe 13 verbunden und zwischen dem Auslaß 40 und dem Einlaß 14 der Pumpe 13 kann eine thermostatisch gesteuerte Umgehungsleitung vorgesehen sein, um den Kühler zu umgehen, bis die Kühlmitteltemperatur ihre Betriebstemperatur erreicht.

Claims

1. Kühlanlage für einen Motor (10), der einen Zylinderblock (11), der eine Vielzahl an Zylindern (41) bildet, und einen Zylinderkopf (12) aufweist, der an den Zylinderblock (11) angebaut ist, wobei die Kühlanlage eine Pumpe (13) aufweist, die einen Auslaß (15) hat, der an einem Ende des Motors (10) mit einem Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) verbunden ist, wobei der Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) mit einem Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) am anderen Ende des Motors (10) verbunden ist, und ein Auslaß (40) aus dem Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) an dem einen Ende des Motors (10) vorgesehen ist, wobei der Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) eine Vielzahl an Durchgängen (35, 36, 37, 38, 39) bildet, die sich in Längsrichtung des Zylinderkopfes (12) erstrecken, wobei die Durchgänge (35, 36, 37, 38, 39) so angeordnet sind, daß sie Kühlmittel zu verschiedenen Teilen des Kopfteils eines jeden Zylinders (41) leiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (35, 36, 37, 38) zwischen den Zylindern (41) ineinander übergehen.

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) gebildeten Durchgänge (35, 36, 37, 38, 39) Kühlmittel an die Unterseite der Auslaßkanäle, die Oberseite der Auslaßkanäle, die Unterseite des Einlaßkanals und/oder jede Seite des Zündkerzenvorsprungs leiten.

3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Querverbindungsgang (46) zwei der sich längs erstreckenden Durchgänge (35, 36) miteinander verbindet.

4. Kühlanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der längs verlaufenden Durchgänge (35, 36) auf jeder Seite des Querverbindungsganges (46) verändert werden, um eine Kühlmittelströmung in dem Querverbindungsgang (46) zu induzieren.

5. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) mit dem Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) mittels eines einzelnen Überleitungskanals (25) verbunden ist.

6. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) zusätzlich an dem anderen Ende des Motors (10) direkt mit dem Auslaß (15) der Pumpe (13) über eine Umgehungsleitung (18) verbunden ist.

7. Kühlanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsleitung (18) als integraler Bestandteil des Zylinderblocks (11) ausgebildet ist.

8. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinderlaufbuchsen (20) in Bohrungen (21) in dem Zylinderblock (11) angeordnet sind, wobei der Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) von ringförmigen Kammern (23) um die oberen Teile (22) der Zylinderlaufbuchsen (20) gebildet werden, wobei die ringförmigen Kammern (23) miteinander verbunden sind, um einen Durchgang von dem Einlaß (17) an einem Ende des Motors (10) zu einem Auslaß (24) an dem anderen Ende des Motors (10) zu schaffen.

9. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) mit der Umgehungsleitung (18) und dann über einen Überleitungsgang (25) mit dem Kühlmantel (27) des Zylinderkopfes (12) verbunden ist.

10. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (30) in der Umgehungsleitung (18) vorgesehen ist, um die Durchflußmengen des Kühlmittels durch die Umgehungsleitung (18) und den Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) zu regulieren.

11. Kühlanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum Regulieren der Durchflußmenge durch die Umgehungsleitung (18) und den Kühlmantel (16) des Zylinderblocks (11) verstellbar ist.

12. Kühlanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum Regulieren der Durchflußmenge des Kühlmittels durch die Umgehungsleitung (18) in Strömungsrichtung unterhalb einer Verbindung des Kühlmantels (16) des Zylinderblocks (11) mit der Umgehungsleitung (18) angeordnet ist.