DE69816619T2

DE69816619T2 - Brennkraftemaschine

Info

Publication number: DE69816619T2
Application number: DE69816619T
Authority: DE
Inventors: Sassan Etemad
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: EP1000236B1; SE9702055D0; WO1998054455A1; JP2002501586A; SE9702055L; DE69816619D1; SE509077C2; EP1000236A1; AU7793998A; US6202603B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor umfassend einen Zylinderblock mit mindestens zwei Zylindern und mindestens zwei Auslassventilen pro Zylinder, einen Schlitz in dem Zylinderblock zwischen jedem Paar von Zylindern, und ein Kühlsystem, das eine Einlassöffnung für Kühlflüssigkeit, gebildet in dem Zylinderblock, eine Auslassöffnung für Kühlflüssigkeit, gebildet in einem Zylinderkopf, ein Begrenzungselement, das in dem Zylinderblock angeordnet ist und das meiste des Kühlwasserstroms zur Einlassseite des Zylinderblocks führt, und Kühlflüssigkeitskanäle in dem Zylinderkopf, die hauptsächlich auf eine Auslassseite des Zylinderkopfs gelegen sind, aufweist.
Ein Verbrennungsmotor mit einem derartigen Kühlsystem ist bereits in US-A-5,558,048 offenbart worden. Die Kühlflüssigkeit wird in den Zylinderblock gefördert und wird zu der Einlassseite des Zylinderblocks mittels eines Begrenzungselements geführt. Die Kühlflüssigkeit passiert die Zylinder in dem Zylinderblock und weiter über eine Öffnung zu dem Zylinderkopf. Allerdings wird der Kühlflüssigkeit ebenso erlaubt, durch Schlitze zu strömen, die zwischen jedem Zylinder gebildet sind. Jeder Schlitz kommuniziert mit einem Kühlflüssigkeitskanal, der sich nach außen zwischen jedem Zylinder in dem Zylinderkopf öffnet.
Bei Verbrennungsmotoren mit Kühlsystemen dieser Art gibt es oftmals eine unzureichende Kühlung des Bereichs zwischen den Auslassventilsitzen für jeden Zylinder in dem Zylinderkopf, da die Geometrie des Zylinderkopfes oftmals derart aufgebaut ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit im Bereich zwischen den Auslassventilsitzen gering ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zufriedenstellendes Kühlen des Bereichs zwischen den Auslassventilsitzen in dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein lokal gesteuertes Kühlen des Bereichs zwischen den Auslassventilsitzen eines Verbrennungsmotors verfügbar zu machen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zufriedenstellenden Kühlflüssigkeitsstrom durch die Schlitze zwischen jedem Paar von Zylindern bereitzustellen, um hierdurch ein zufriedenstellendes und gleichmäßiges Kühlen von Zylindern und Zylinderlaufbuchsen zu erzeugen und hierdurch einer Verformung des Zylinders und der Laufbuchsen entgegenzuwirken.
Gemäß der Erfindung werden diese und weitere Aufgaben durch die Tatsache gelöst, dass die Kühlflüssigkeitskanäle sich in den Zylinderkopf in einem Bereich zwischen den Auslassventilsitzen für jeden Zylinder öffnen.
Ein Verbrennungsmotor mit einem derartigen Kühlsystem erzeugt ein zufriedenstellendes und gleichmäßiges Kühlen der Zylinder und der Zylinderlaufbuchsen, und gleichzeitig wird ein zufriedenstellendes Kühlen des Zylinderkopfes in dem Bereich zwischen den Auslassventilsitzen erhalten, was es unter anderem einfacher macht, eine stoichometrische Verbrennung bei hoher Belastung zu erzielen.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, wobei:
1 zeigt einen Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt eine Zylinderkopfdichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 zeigt einen Zylinderblock gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 zeigt eine teilweise Ansicht eines Zylinderkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 zeigt einen schematischen Umriss dessen, wie Kühlflüssigkeit in einem Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt,
6 zeigt einen schematischen Umriss dessen, wie Kühlflüssigkeit in einem Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt;
7 zeigt einen schematischen, perspektivischen Umriss dessen, wie Kühlflüssigkeit in einem Verbrennungsmotor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt,
8 zeigt eine teilweise Ansicht dessen, wie ein Loch in einer Zylinderkopfdichtung mit einem Kühlflüssigkeitskanal in einem Zylinderkopf gemäß der ersten Ausführungsform zusammenwirkt, und
9 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht der Verteilung der Kühlflüssigkeit in dem Zylinderblock eines Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1–3 zeigen einen Zylinderblock 1 mit einem zugehörigen Zylinderkopf 2 und einer zugehörigen Zylinderkopfdichtung 4 zum Bilden eines Verbrennungsmotors 6. Der Verbrennungsmotor 6 gemäß der gezeigten, veranschaulichenden Ausführungsform ist mit fünf Zylindern 8 in einer Reihe ausgelegt. Die Zylinder 8 sind mit eins bis fünf (I–V) nummeriert, wobei Zylinder Nummer eins (I) ganz links und Zylinder Nummer fünf (V) ganz rechts in 3 gelegen ist. Jeder Zylinder 8 ist mit zwei Einlassventilen 10 und zwei Auslassventilen 12 ausgestattet, die mit jeweiligen Ventilsitzen 14, 16 in dem Zylinderkopf 2 zusammenwirken. Ein Kühlflüssigkeitskanal 18a bis 18e öffnet sich nach außen zwischen den Auslassventilsitzen 16 für jeden Zylinder 8. Die Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e erzeugen eine Strömungsverbindung für Kühlflüssigkeit 20 zwischen dem Zylinderblock 1 und dem Zylinderblock 2. Gemäß der in 1 veranschaulichten Ausführungsform besitzen die Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e dieselbe Querschnittsfläche in Bezug zueinander. In der gezeigten Ausführungsform ist ebenso ein zentrales Loch 21 in jedem Zylinder 8 gebildet, welches Loch für eine Zündkerze (nicht gezeigt) vorgesehen ist.
Zwischen dem Zylinderblock 1 und dem Zylinderkopf 2 ist eine Zylinderkopfdichtung 4 angeordnet, die mit einer Anzahl von Löchern 22a bis 22e ausgestattet ist, die dazu vorgesehen sind, mit den Kühlflüssigkeitskanälen 18a bis 18e in dem Zylinderkopf 2 zusammen zu wirken. Die Löcher 22a bis 22e besitzen unterschiedliche Querschnitte, um einen lokal gesteuerten Kühlflüssigkeitsstrom in dem jeweiligen Kanal 18a bis 18e zu erzeugen und somit im wesentlichen denselben Volumenstrom durch all die Kanäle 18a bis 18e zu erhalten. Dies wird ausführlicher unten beschrieben. Ein weiteres Loch 24 für Kühlwasser ist in der Dichtung 4 des Zylinders Nummer fünf (V) angeordnet, um es der Kühlflüssigkeit 20 zu ermöglichen, um Zylinder Nummer fünf (V) zu strömen und hierdurch eine gleichmäßige Strömung von Kühlflüssigkeit um diesen Zylinder (V) zu erzeugen. An Zylinder Nummer eins (I) gibt es ebenso ein Loch 26 in der Dichtung, welches Loch 26 sicherstellt, dass jegliche Luftblasen in der Kühlflüssigkeit 20 von dem Zylinderblock 1 abgeführt werden.
3 zeigt, wie Schlitze 28 in einer Trennwand 30 angeordnet sind, die zwischen jedem benachbarten Zylinder 8 angeordnet ist. Die Breite der Schlitze 28 beträgt etwa 1 mm, und sie besitzen eine Tiefe von etwa 20 mm. Der Zweck der Schlitze 28 ist es, die Zylinder 8 und die in den Zylindern 8 angeordneten Zylinderlaufbuchsen 32 von Spannungen in der Längsrichtung des Verbrennungsmotors 6 zu befreien, welche Spannungen unter anderem aus einer Wärmeentwicklung in dem Verbrennungsmotor 6 entstehen. Falls die Spannungen zu groß werden, können die Zylinder 8 und die Laufbuchsen 32 verformt und unrund werden, was unter anderem zu einer erhöhten Reibung zwischen Kolben (nicht gezeigt) und Laufbuchse 32 und zu einem erhöhten Ölverbrauch führt, was zu erhöhten Emissionen führt. Die Verformung der Zylinder 8 und der Laufbuchsen 32 führt ebenso zu einem Gaslecken zwischen Kolben und Laufbuchse, sogenanntem Vorbeiströmen ("blow-by"), und ebenso zu erhöhten Vibrationen und Leistungsverlust. Um die thermischen Spannungen in den Zylindern 8 und den Laufbuchsen 32 weiter zu vermindern, wird Kühlflüssigkeit 20 durch die Schlitze 28 gefördert.
3 zeigt ebenso, wie ein Begrenzungselement 34 in dem Zylinderblock 1 nahe einer Einlassöffnung 36 für die Kühlflüssigkeit 20 angeordnet ist. Das Begrenzungselement 34 kann beispielsweise aus einer gebogenen Platte bestehen, die bevorzugt derart geformt ist, dass sie einen möglichst geringen Druckabfall in der Kühlflüssigkeit 20 verursacht. Das Begrenzungselement 34 kann ebenso aus einer in dem Zylinderblock 1 gegossenen Einheit bestehen. Der Zweck des Begrenzungselements 34 ist es, den Hauptkühlflüssigkeitsstrom zu einer Einlassseite 38 des Zylinderblocks 1 zu führen. Die Einlassseite 38 bedeutet hier diejenige Seite des Zylinders 8, auf welcher die Einlassventile 10 gelegen sind, und Hauptstrom bedeutet hier mindestens 75% des Stroms. Das Begrenzungselement wird bevorzugt mindestens 90% des Kühlflüssigkeitsstroms zu der Einlassseite 38 des Zylinderblocks 1 führen.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform, in welcher jeder Zylinder 8 eines Verbrennungsmotors 6 mit drei Auslassventilen 12 und zwei Einlassventilen 10 ausgestattet ist. Gemäß dieser Ausführungsform öffnen sich die Kühlflüssigkeitskanäle 18a nach außen zwischen jeweiligen Paaren von Auslassventilen 12 in dem Zylinderkopf 2.
5 zeigt einen schematischen Umriss dessen, wie Kühlflüssigkeit 20 in einem Verbrennungsmotor 6 gemäß der Erfindung strömt. Die Kühlflüssigkeit 20 wird in dem Zylinderblock 1 durch die Einlassöffnung 36 unter Druck geführt, der mittels einer Kühlflüssigkeitspumpe (nicht gezeigt) erhalten wird. Das meiste des Kühlflüssigkeitsstroms wird danach durch das Begrenzungselement 34 in der Richtung zu der Einlassseite 38 des Motors 6 geführt. Die Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e, welche die Kühlflüssigkeit 20 zu dem Zylinderkopf 2 führen, sind hauptsächlich auf einer Auslassseite 40 des Zylinderblocks 1 gelegen, was bedeutet, dass der Druck der Kühlflüssigkeit 20 auf der Auslassseite 40 niedriger und auf der Einlassseite 38 höher ist. Auslassseite 40 bedeutet hier diejenige Seite der Zylinder 8, auf welcher die Auslassventile 12 gelegen sind. Dies führt dazu, dass die Kühlflüssigkeit 20 danach strebt, zu der Auslassseite 40 zu strömen. Da die Schlitze 28 sich von der Einlassseite 38 zu der Auslassseite 40 erstrecken, wird der Druckunterschied der Kühlflüssigkeit 20 zwischen der Einlassseite 38 und der Auslassseite 40 die Kühlflüssigkeit 20 veranlassen, in den Schlitzen 28 in der Richtung zu der Auslassseite 40 zu strömen. Der Druck auf der Einlassseite 38 fällt schrittweise in der Richtung zu dem Zylinder Nummer fünf (V) ab. Um im wesentlichen denselben Volumenstrom in all den Schlitzen 28 zu erhalten, sind die Löcher 22a bis 22e, die in der Zylinderkopfdichtung 4 gebildet sind und die mit den Kühlflüssigkeitskanälen 18a bis 18e in dem Zylinderkopf zusammenwirken, mit unterschiedlichen Querschnitten gebildet. Das der Einlassöffnung 36 für die Kühlflüssigkeit 20 an nahesten gelegene Loch 22a besitzt den geringsten Querschnitt. Der Lochquerschnitt nimmt dann schrittweise zu und ist bei Zylinder Nummer fünf (V) am größten. Wie in 5 gezeigt ist ein weiteres Loch 24 bei Zylinder Nummer fünf (V) angeordnet, wie oben beschrieben. Anstelle des Bildens der Löcher 22a bis 22e in der Zylinderkopfdichtung 4 mit unterschiedlichen Querschnitten können die Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e selbst mit unterschiedlichen Querschnittsflächen ausgelegt sein. Die Löcher 22a bis 22e in der Zylinderkopfdichtung 4 können ebenso im wesentlichen denselben Querschnitt und Form besitzen, und der Querschnitt und die Form der Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e in dem Bereich des Zylinderkopfes benachbart zu der Zylinderkopfdichtung 4.
6 zeigt, wie Kühlflüssigkeit 20 in dem Zylinderkopf 2 strömt. Die Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e öffnen sich nach außen in einem Bereich zwischen den Auslassventilsitzen 16 für jeden Zylinder 8, und die Kühlflüssigkeit 20 verlässt den Zylinderkopf 2 mittels einer Auslassöffnung 42.
7 ist ein schematischer, perspektivischer Umriss, der zeigt, wie Kühlflüssigkeit 20 in einem Verbrennungsmotor 6 gemäß der Erfindung strömt. Nachdem die Kühlflüssigkeit 20 die Kühlflüssigkeitskanäle 18a bis 18e in dem Zylinderkopf 2, die sich nach außen in dem Bereich zwischen den Auslassventilsitzen 16 öffnen, passiert hat, strömt die Kühlflüssigkeit 20 zu einer Auslassöffnung 42 in dem Zylinderkopf 2.
8 zeigt im Detail, wie ein Loch 22c in der Zylinderkopfdichtung 4 mit einem Kühlflüssigkeitskanal 18c in dem Zylinderkopf 2 zusammenwirkt. Das Loch 22c besitzt einen geringeren Querschnitt als die Querschnittsfläche des Kühlflüssigkeitskanals 18c, was bedeutet, dass ein gesteuerter Volumenstrom der Kühlflüssigkeit 20 in dem Kühlflüssigkeitskanal 18c erhalten wird. Die durchgezogene Linie 44 gibt die Position des Zylinders 8 an, und die zwei gestrichelten Kreise 46 geben die Position der Auslassventile 12 an.
9 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Verteilung der Kühlflüssigkeit 20 in dem Zylinderblock 1 eines Verbrennungsmotors 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Pfeil P₁ zeigt, wo die Kühlflüssigkeit 20 in die Einlassöffnung 36 zu dem Zylinderblock 1 eintritt. Der Hauptkühlflüssigkeitsstrom wird durch das Begrenzungselement 34 geführt, welches die Kühlflüssigkeit 20 zum Zylinder Nummer eins (I) leitet, wie durch Pfeil P₂ gezeigt. Pfeil P₃ zeigt, dass ein kleinerer Teil des Kühlflüssigkeitsstroms unter dem Begrenzungselement 34 passiert. Dies dient zum Sicherstellen einer zufriedenstellenden Kühlung des Zylinders Nummer eins (I). Die Kühlflüssigkeit 20, die in den Kühlflüssigkeitskanälen 18a bis 18e strömt, ist ebenso in 9 gezeigt.
Die Einlass- und Auslassöffnungen 36, 42 für die Kühlflüssigkeit können ebenso an anderen Orten in dem Zylinderblock 1 bzw. dem Zylinderkopf 2 gelegen sein, als in der Ausführungsform in den Figuren gezeigt.
Ein Fünfzylinder-Reihenmotor ist in der Ausführungsform gemäß den Figuren gezeigt. Allerdings kann das Kühlsystem gemäß der Erfindung auf irgendeinen Verbrennungsmotor vom Kolbentyp angewendet werden, wie in einem V-Motor. Der Verbrennungsmotor kann ebenso vom sogenannten "open-deck" und "closed-deck" Typ sein, sowohl mit sogenannten Nasslaufbuchsen als auch mit sogenannten Trockenlaufbuchsen, und kann ebenso vom Monoblocktyp sein.

Claims

Verbrennungsmotor, umfassend einen Zylinderblock (1) mit mindestens zwei Zylindern (8) und mindestens zwei Auslassventilen (12) pro Zylinder (8), einen Schlitz (28) in dem Zylinderblock (1) zwischen jedem Paar von Zylindern (8), und ein Kühlsystem, das eine Einlassöffnung (36) für Kühlflüssigkeit (20), gebildet in dem Zylinderblock (1), und eine Auslassöffnung (42) für Kühlflüssigkeit (20), gebildet in einem Zylinderkopf (2), ein Begrenzungselement (34), das in dem Zylinderblock (1) angeordnet ist, und das meiste des Kühlwasserstroms zur Einlassseite des Zylinderblocks (1) führt, und Kühlflüssigkeitskanäle (18a–18e) in dem Zylinderkopf (2), die hauptsächlich auf einer Auslassseite (40) des Zylinderkopfs (2) gelegen sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitskanäle (18a–18e) sich in dem Zylinderkopf (2) in einem Bereich zwischen den Auslassventilsitzen (16) für jeden Zylinder (8) öffnen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (36) für Kühlflüssigkeit (20) in dem Zylinderblock (1) und die Auslassöffnung (42) für Kühlflüssigkeit (8) in dem Zylinderkopf (2) an ein und demselben Ende des Verbrennungsmotors (6) gelegen sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (36) für Kühlflüssigkeit (20) in dem Zylinderblock (1) und die Auslassöffnung (42) für Kühlflüssigkeit (8) in dem Zylinderkopf (2) an unterschiedlichen Enden des Verbrennungsmotors (6) gelegen sind.
Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitskanäle (18a–18e), die sich nach außen zwischen den Auslassventilsitzen (16) in dem Zylinderkopf (2) öffnen, im wesentlichen dieselbe Querschnittsfläche in Bezug zueinander besitzen.
Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zylinderkopfdichtung (4) zwischen dem Zylinderblock (1) und dem Zylinderkopf (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) eine Anzahl von Löchern (22a–22e) mit unterschiedlichen Querschnittsflächen aufweist, die dazu vorgesehen sind, mit den Kühlflüssigkeitskanälen (18a–18e) in dem Zylinderkopf (2) zusammen zu wirken.
Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitskanäle (18a–18e) in dem Zylinderkopf (2) unterschiedliche Querschnittsflächen in Bezug zueinander besitzen.
Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (34) derart ausgelegt ist, dass mehr als 75%, bevorzugt mehr als 90% des Kühlflüssigkeitsstroms durch das Begrenzungselement (34) zu der Einlassseite (38) des Zylinderblocks (1) geführt wird.