EP0671552B1 - Kühlsystem für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Kühlsystem für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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EP0671552B1
EP0671552B1 EP95102644A EP95102644A EP0671552B1 EP 0671552 B1 EP0671552 B1 EP 0671552B1 EP 95102644 A EP95102644 A EP 95102644A EP 95102644 A EP95102644 A EP 95102644A EP 0671552 B1 EP0671552 B1 EP 0671552B1
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EP
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channel system
cylinder block
cylinder head
piston
cylinder
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Peter Dr. Ing. Zima
Dieter Dipl. Ing. Reitz
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Adam Opel GmbH
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Adam Opel GmbH
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    • F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means
    • F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/16—Cylinder liners of wet type
    • F02F1/163—Cylinder liners of wet type the liner being midsupported
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
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    • F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling
    • F02F2001/104—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling using an open deck, i.e. the water jacket is open at the block top face

Definitions

  • the invention relates to a cooling system for a liquid-cooled reciprocating piston internal combustion engine, the cylinder block and cylinder head of which coolant flows, which is conveyed by a pump and, after passing through the internal combustion engine, is guided in a closed circuit to a cooler, an upper one assigned to the combustion chambers of the cylinders in the cylinder block Channel system and a separate lower channel system adjacent to the crank mechanism are formed.
  • Such a cooling system is described in DE 32 26 880 A1.
  • this known cooling system there is another channel system located in the cylinder head above the upper channel system arranged in the cylinder block, which channel system is supplied with relatively cool coolant via a thermostatic valve via the lower channel system located in the cylinder block.
  • a thermostatic valve via the lower channel system located in the cylinder block.
  • the object of the invention is to provide a cooling system of the type mentioned, in which, while maintaining the advantages of such a system, a balanced temperature level also occurs around the combustion chambers, so that thermal stresses in this area can be largely avoided and that a targeted flow heat-sensitive areas in the vicinity of the cylinder head base plate is possible.
  • both the cylinder block and the cylinder head, including the cylinder block have a uniform temperature in the area of the combustion chambers of the internal combustion engine, so that undesired thermal stresses can be controlled.
  • several are distributed over the entire contact area between the cylinder block Passages and cylinder head arranged a targeted flow to the heat-sensitive areas, especially in the vicinity of the cylinder head base plate possible.
  • the portion of the cooling liquid located in the lower channel system ie close to the crank mechanism, absorbs a significantly smaller amount of heat than the upper channel system, namely the amount emitted via the cylinder walls; again the greater proportion of heat is present in the lower turning point of the reciprocating piston due to the length of time the reciprocating piston stays, so that this area is preferably particularly encompassed by the lower channel system.
  • the coolant should warm up quickly. This is done for the amount in the upper duct system, compared to the total amount by the proportion of the quantity in the lower duct system, in that the cooler is short-circuited in a manner known per se by a main thermostatic valve and a short-circuit line and the amount of heat arising around the combustion chambers is almost completely in the circulating Coolant remains.
  • the heat exchanger for heating is also in this circuit. Sufficiently heated coolant is therefore available for heating purposes very quickly after the engine is started.
  • the cooler is not included in the circuit until the operating temperature of the internal combustion engine has been reached, so that excess heat is then dissipated via the cooler.
  • the coolant located in the lower channel system is only included in the coolant circuit when the thermostatic valve at the outlet of this channel system opens, which happens when a temperature is reached that approximately corresponds to the operating temperature of the internal combustion engine, but is slightly below this.
  • the desired operating temperature is quickly reached there, despite the less heat being generated there.
  • An internal combustion engine 1 has a cylinder block 2 and a cylinder head 3.
  • the cylinder block 2 contains, next to the crank mechanism 4 located in it, a channel system 5 which is delimited at the top by a partition 6 which lies in a plane just below piston rings 7 of the reciprocating piston 8 located in the top dead center of the internal combustion engine 1.
  • Above the partition 6 there is still a sub-channel system 9 within the cylinder block 2, which forms an upper channel system 12 connected to a sub-channel system 10 in the cylinder head 3 via a plurality of passages 11 distributed over the cylinder head base plate.
  • This upper channel system 12 thus extends around the areas near the combustion chamber of both the cylinder head 3 and the cylinder block 2. It is connected to the lower channel system 5 located below the partition 6 only by a connecting line 13.
  • thermostatic valve 14 which closes the connecting line 13 as long as a cooling liquid in the lower channel system 5 has not reached a temperature close to the optimal operating temperature of the internal combustion engine 1.
  • Both the upper channel system 12 and the lower channel system 5 are supplied with coolant by a common pump 15.
  • a heat exchanger 23 provided for vehicle heating or the like, which is arranged parallel to the short-circuit line 20, is thus supplied with sufficiently heated coolant very quickly after the start of the internal combustion engine 1.
  • a drain 16 leads from the upper duct system 12 to a main thermostatic valve 17.
  • the main thermostatic valve 17 opens a line path 18 via a cooler 19 to the pump 15 at the operating temperature of the cooling liquid.
  • the partition 6 between the two channel systems 5 and 12 can, as can be seen in FIG. 2, be formed by a web made with the casting of the cylinder block 2.
  • a partition 6 is shown, which extends over an area 21, which corresponds approximately to the piston stroke, so that there are no coolant spaces in this area.
  • This version of the web is also made with the casting of the cylinder block 2.
  • a smaller amount of cooling liquid is required, so that the cooling liquid that is actually present is heated up to the operating temperature more quickly overall. The same advantageous effect occurs in an embodiment according to FIG.
  • FIG. 6 shows the arrangement of the thermostatic valve 14 in the connecting line 13 on the rear wall of the cylinder block 2.
  • the thermostatic valve 14 is inserted here from above into the connecting line 13 before the cylinder head 3 is attached.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Zylinderblock und Zylinderkopf von Kühlmittel durchströmt sind, das von einer Pumpe gefördert und nach Durchlauf durch die Brennkraftmaschine in einem geschlossenen Kreislauf zu einem Kühler geführt wird, wobei im Zylinderblock ein oberes den Brennräumen der Zylinder zugeordnetes Kanalsystem und ein davon getrenntes dem Kurbeltrieb benachbartes unteres Kanalsystem ausgebildet sind.
  • Ein derartiges Kühlsystem ist mit DE 32 26 880 A1 beschrieben. Bei diesem bekannten Kühlsystem liegt oberhalb des oberen im Zylinderblock angeordneten Kanalsystems ein weiteres im Zylinderkopf befindliches Kanalsystem, welches über das untere im Zylinderblock befindliche Kanalsystem über ein Thermostatventil mit relativ kühlem Kühlmittel versorgt wird. Eine Verbindung zwischen dem oberen im Zylinderblock angeordneten Kanalsystem und dem Kanalsystem im Zylinderkopf besteht neben der thermostatgeregelten Zuleitung nicht. Mit diesem Kühlsystem kann zwar die angestrebte unterschiedlich starke Kühlung des unteren Zylinderblockes und der Brennräume erreicht werden, und es steht auch relativ früh nach Start der Brennkraftmaschine erwärmtes Kühlmittel für Heizzwecke zur Verfügung. Es bilden sich im Bereich um die Brennräume der Zylinder aber auch zwei unterschiedliche Temperaturbereiche auf relativ hohem Temperaturniveau aus, nämlich einmal im oberen Bereich des Zylinderblockes im Unterbereich der Kolben und zum anderen im Bereich der Brennraumboden des Zylinderkopfes. Diese unterschiedlichen Temperaturbereiche in enger Nachbarschaft führen zu einer unerwünschten unterschiedlichen Wärmedehnung der dort befindlichen Materialien und zu von diesen ausgelösten Spannungen, die zwischen den beiden Temperaturbereichen von diesem Material, insbesondere durch eine Zylinderkopfdichtung, aufgenommen werden muß. Die damit auftretenden Dauerbelastungen reduzieren die Lebensdauer der dort befindlichen Bauteile. Nachteilig ist auch, daß der Zylinderkopf nur in seiner Längsrichtung vom Kühlmittel durchströmt wird, wodurch eine gezielte Anströmung wärmegefährdeter Bereiche in der Nähe der Zylinderkopfbodenplatte nicht möglich ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem unter Beibehaltung der durch ein solches System eintretenden Vorteile zusätzlich um die Brennräume ein ausgeglichenes Temperaturniveau eintritt, so daß Wärmespannungen in diesem Bereich weitestgehend vermieden werden können und daß eine gezielte Anströmung wärmegefährdeter Bereiche in Nähe der Zylinderkopfbodenplatte möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Merkmalen der weiteren Ansprüche dargestellt.
  • Damit ist im Bereich der Brennräume der Brennkraftmaschine sowohl den Zylinderblock als auch den Zylinderkopf einbeziehend eine einheitliche Temperatur vorhanden, so daß unerwünschte thermische Verspannungen beherrschbar bleiben. Gleichzeitig ist durch die unmittelbare Verbindung des Teilkanalsystemes des Zylinderblockes mit dem Teilkanalsystem des Zylinderkopfes über mehrere verteilt über die gesamte Berührungsfläche zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf angeordnete Durchlässe eine gezielte Anströmung der wärmegefährdeten Bereiche, insbesondere in Nähe der Zylinderkopfbodenplatte, möglich.
  • Da im Bereich des oberen Umkehrpunktes des Hubkolbens infolge der dort auftretenden Verweilzeit des Kolbens eine erhebliche Wärmemenge vom Kolben auf die Zylinderwand übertragen wird, ist es vorteilhaft, das obere Kanalsystem so weit nach unten in den Zylinderblock hineinzuziehen, daß von ihm der Bereich bis zur Höhe der Kolbenringe in OT-Stellung der Hubkolben mit umfaßt ist. Damit kann diese erhebliche Wärmemenge durch die im oberen Kanalsystem befindliche Kühlflüssigkeit aufgenommen werden, ebenso wie die Wärmemenge, welche im Zylinderkopf anfällt. Die durch das obere Kanalsystem zirkulierende Kühlflüssigkeit wird sich somit sehr schnell erwärmen und steht so auch relativ früh nach Start der Brennkraftmaschine für Heizzwecke, zum Beispiel zur Scheibenentfrostung, mit ausreichender Temperatur zur Verfügung.
  • Der im unteren Kanalsystem, also nahe des Kurbeltriebes, befindliche Anteil der Kühlflüssigkeit nimmt gegenüber dem oberen Kanalsystem eine wesentlich geringere Wärmemenge auf, nämlich die über die Zylinderwände abgegebene; wobei wiederum im unteren Umkehrpunkt der Hubkolben infolge der Verweildauer der Hubkolben der größere Wärmeanteil vorliegt, so daß vorzugsweise vom unteren Kanalsystem besonders dieser Bereich umfaßt ist.
  • Bei kalter Brennkraftmaschine soll sich die Kühlflüssigkeit schnell erwärmen. Das geschieht für die im oberen Kanalsystem befindliche, gegenüber der Gesamtmenge um den Anteil der im unteren Kanalsystem befindlichen reduzierten Menge dadurch, daß durch ein Hauptthermostatventil und eine Kurzschlußleitung in an sich bekannter Weise der Kühler kurzgeschlossen wird und die um die Brennräume anfallende Wärmemenge annähernd vollständig in der umlaufenden Kühlflüssigkeit verbleibt. In diesem Kreislauf befindet sich auch der Wärmetauscher für eine Heizung. Somit steht sehr schnell nach dem Start der Brennkraftmaschine ausreichend erwärmte Kühlflüssigkeit für Heizungszwecke zur Verfügung. Erst nach Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine wird der Kühler in den Kreislauf einbezogen, so daß dann überschüssige Wärme über den Kühler abgeführt wird.
  • Die im unteren Kanalsystem befindliche Kühlflüssigkeit wird erst dann in den Kühlmittelkreislauf einbezogen, wenn das Thermostatventil am Abfluß dieses Kanalsystems öffnet, was bei Erreichen einer Temperatur geschieht, die annähernd der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine entspricht, jedoch geringfügig unter dieser liegt.
  • Durch das Verweilen der Kühlflüssigkeit im unteren Kanalsystem wird auch dort die erwünschte Betriebstemperatur trotz der dort weniger anfallenden Wärmemenge schnell erreicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1:
    die schematisierte Ansicht einer Hubkolbenbrennkraftmaschine;
    Fig. 2:
    einen Schnitt entlang der Linie A - A in Figur 1;
    Fig. 3 bis Fig. 5:
    je eine vergrößerte Darstellung eines Schnittes durch eine Zylinderwand von Brennkraftmaschinen;
    Fig. 6:
    einen Schnitt durch die Wand am Zylinderblockende einer Brennkraftmaschine.
  • Eine Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 auf. Der Zylinderblock 2 enthält benachbart zu dem in ihm befindlichen Kurbeltrieb 4 ein Kanalsystem 5, welches nach oben hin durch eine Trennwand 6 begrenzt ist, die in einer Ebene dicht unterhalb von Kolbenringen 7 der in der Brennkraftmaschine 1 im oberen Totpunkt befindlichen Hubkolben 8 liegt. Oberhalb der Trennwand 6 befindet sich noch innerhalb des Zylinderblockes 2 ein Teilkanalsystem 9, welches mit einem Teilkanalsystem 10 im Zylinderkopf 3 über mehrere verteilt über die Zylinderkopfbodenplatte angeordnete Durchlässe 11 verbunden ein oberes Kanalsystem 12 bildet. Dieses obere Kanalsystem 12 erstreckt sich somit um die brennraumnahen Gebiete sowohl des Zylinderkopfes 3 als auch des Zylinderblockes 2. Es ist mit dem unterhalb der Trennwand 6 befindlichen unteren Kanalsystem 5 lediglich durch eine Verbindungsleitung 13 verbunden. In der Verbindungsleitung 13 befindet sich ein Thermostatventil 14, welches die Verbindungsleitung 13 verschließt, solange eine in dem unteren Kanalsystem 5 befindliche Kühlflüssigkeit nicht eine Temperatur nahe der optimalen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 1 erreicht hat. Sowohl das obere Kanalsystem 12 als auch das untere Kanalsystem 5 werden von einer gemeinsamen Pumpe 15 mit Kühlflüssigkeit versorgt. Ein für die Fahrzeugheizung oder dergleichen vorgesehener Wärmetauscher 23, der parallel zur Kurzschlußleitung 20 angeordnet ist, wird somit sehr schnell nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 mit ausreichend erwärmter Kühlflüssigkeit versorgt. Vom oberen Kanalsystem 12 führt ein Abfluß 16 zu einem Hauptthermostatventil 17. Das Hauptthermostatventil 17 gibt bei Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit einen Leitungsweg 18 über einen Kühler 19 zur Pumpe 15 frei. Wenn die Kühlflüssigkeit die Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, dann verschließt das Hauptthermostatventil 17 den Leitungsweg 18 und gibt dafür eine Kurzschlußleitung 20 unter Umgehung des Kühlers 19 direkt zur Pumpe 15 frei. Die Trennwand 6 zwischen den beiden Kanalsystemen 5 und 12 kann, wie in Figur 2 ersichtlich, durch einen mit dem Guß des Zylinderblockes 2 hergestellten Steg gebildet sein. In Figur 3 ist eine Trennwand 6 dargestellt, welche sich über einen Bereich 21, der in etwa dem Kolbenhub entspricht, erstreckt, so daß sich in diesem Bereich keine Kühlmittelräume befinden. Diese Ausführung des Steges ist ebenfalls mit dem Guß des Zylinderblockes 2 hergestellt. Bei dieser Ausführung wird eine geringere Menge an Kühlflüssigkeit benötigt, so daß die tatsächlich vorhandene Kühlflüssigkeit insgesamt schneller auf Betriebstemperatur erwärmt wird. Der gleiche vorteilhafte Effekt tritt bei einer Ausführung gemäß Figur 4 ein, bei welcher die Trennwand 6 durch einen in den Zylinderblock 2 in an sich bekannter Weise eingesetzen Einsatz aus Kunststoff oder dergleichen gebildet ist. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich dadurch ein vereinfachtes Gußteil für den Zylinderblock 2. Bei der Ausführung nach Figur 5 ist die Trennwand 6 durch einen Bund an einer nassen Zylinderlaufbüchse 22 gebildet. Dadurch kann das Gußteil für den Zylinderblock 2 weiter vereinfacht werden. Figur 6 zeigt die Anordnung des Thermostatventils 14 in der Verbindungsleitung 13 an der Rückwand des Zylinderblockes 2. Das Thermostatventil 14 ist hier vor dem Aufsetzen des Zylinderkopfes 3 von oben her in die Verbindungsleitung 13 eingesetzt. Es ist jedoch ebenso möglich, das Thermostatventil 13 durch ein Fenster an der Rückwand des Zylinderblockes 2 einzusetzen.

Claims (4)

  1. Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine (1), deren Zylinderblock (2) und Zylinderkopf (3) von Kühlmittel durchströmt sind, das von einer Pumpe (15) gefördert und nach Durchlauf durch die Brennkraftmaschine (1) in einem geschlossenen Kreislauf zu einem Kühler (19) geführt wird, wobei im Zylinderblock (2) ein oberes den Brennräumen der Zylinder zugeordnetes Teilkanalsystem (9) und ein davon getrenntes, dem Kurbeltrieb (4) benachbartes unteres Kanalsystem (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Teilkanalsystem (9) des Zylinderblockes (2) zum Zylinderkopf (3) hin offen ist und mit Kühlflüssigkeitsräumen im Zylinderkopf (3) ein einheitliches oberes Kanalsystem (12) bildet, wobei die im Zylinderkopf (3) befindlichen Kühlflüssigkeitsräume vom Teilkanalsystem (9) im Zylinderblock (2) durch mehrere über die Zylinderkopfbodenplatte verteilte Durchlässe (11) mit Kühlflüssigkeit versorgt werden.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche obere Kanalsystem (12) nach unten in Richtung Kurbeltrieb (4) bis zur Höhe der Kolbenringe (7) bei in OT-Stellung befindlichen Hubkolben (8) der Brennkraftmaschine (1) geführt ist.
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere im Zylinderblock (2) befindliche Kanalsystem (5) den Bereich des unteren Kolbenumkehrpunktes umfaßt.
  4. Kühlsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das untere im Zylinderblock (2) befindliche Kanalsystem (5) sowie das obere einheitliche im Zylinderblock (2) und im Zylinderkopf (3) befindliche Kanalsystem (12) von einer gemeinsamen Pumpe (15) mit Kühlflüssigkeit beschickt werden und der Abfluß des unteren im Zylinderblock (2) befindlichen Kanalsystems (5) über eine ein annähernd bei Betriebstemperatur öffnendes Thermostatventil (14) enthaltende Verbindungsleitung (13) in das obere Kanalsystem erfolgt und der Abfluß (14) des oberen Kanalsystems (5) in an sich bekannter Weise über ein Hauptthermostatventil (17) zu einem Kühler (19) und von diesem zur Pumpe (15) geführt ist, wobei durch das Hauptthermostatventil (17) bei einer Kühlmitteltemperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (1) eine Kurzschlußleitung (20) zwischen Hauptthermostatventil (17) und Pumpe (15) freigegeben und gleichzeitig der Leitungsweg über den Kühler (19) verschlossen ist.
EP95102644A 1994-03-10 1995-02-24 Kühlsystem für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0671552B1 (de)

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EP0671552A1 EP0671552A1 (de) 1995-09-13
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