EP1698770B1 - Getrennte Zylinderkopf-Kühlung - Google Patents

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EP1698770B1
EP1698770B1 EP05101700.2A EP05101700A EP1698770B1 EP 1698770 B1 EP1698770 B1 EP 1698770B1 EP 05101700 A EP05101700 A EP 05101700A EP 1698770 B1 EP1698770 B1 EP 1698770B1
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EP
European Patent Office
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cooling
cooling area
cylinder head
internal combustion
combustion engine
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EP05101700.2A
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English (en)
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Ingo Lenz
Richard Fritsche
Kai Kuhlbach
Carsten Weber
Jan Mehring
Martin Lutz
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
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    • F01P3/00—Liquid cooling
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    • F01P2003/028—Cooling cylinders and cylinder heads in series
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    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P2007/146—Controlling of coolant flow the coolant being liquid using valves

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1, with at least one cylinder head for completing at least one combustion chamber, the inlet side at least one inlet channel and the outlet side at least one outlet channel is assigned, wherein the cylinder head is associated with a flowed through by a coolant cooling system.
  • the EP 1 375 857 A1 discloses a cooling device for an internal combustion engine, the device comprising a plurality of cooling cells of the cylinder head of the engine, which are separated from each other and can flow through a cooling liquid.
  • first and second means for controlling the flow rate which are each connected to at least one first cooling cell of the cylinder head and at least one second cooling cell of the cylinder head.
  • the first and second flow rate control means are capable of controlling the amount of cooling liquid flowing through each first and every second cooling cell, respectively.
  • the two cooling cells are separated from each other and arranged one above the other, which extends in parallel and in the longitudinal direction over the entire length of the cylinder block of the engine. It can be provided more cooling cells of any shape and in optimal distribution for cooling the cylinder head.
  • FR 2 845 420 and their divisional application, FR 2 856 426 each deal with a cooling circuit for an internal combustion engine with a flow control device. Both documents merely disclose the possibility of equipping the cylinder head and the engine block with one cooling circuit each.
  • the EP 1 283 345 A2 deals with a cylinder head cooling structure for an internal combustion engine, wherein a central region of the cylinder head, so the Area of the cylinder head, which is exposed to particularly high thermal loads better to be cooled.
  • inlet openings are disclosed, which are connected to the cooling jacket of the cylinder block.
  • the DE 198 03 885 A1 relates to a refrigeration cycle arrangement for a liquid-cooled internal combustion engine, wherein the internal combustion engine in the cylinder head and in the crankcase each controlled separately with separately conveyed by a single pump coolant flows through cooling channels, and the as needed in the cylinder head cooling jacket pump on the suction side with a controlled via a 3-way valve / regulated bypass line to a connected thereto via a flow line and a return line heat exchanger in an outer cooling circuit is connected, the crankcase cooling jacket via a controllable valve with the outer cooling circuit is separately connectable upon reaching a predetermined temperature in / on the crankcase.
  • the suction side connected to a drain of a arranged in the bypass line 3-way thermostat pump is the delivery side with an outlet side longitudinal channel of the cooling jacket in the inlet side to a longitudinal channel transversely flowed cylinder head in combination.
  • the inlet side longitudinal channel is connected via a connecting line to the bypass line and the heat exchanger supply line.
  • At least the crankcase cooling jacket can be directly or indirectly connected to the outer cooling circuit via a one-way or multi-way valve controlled by means of an electronic control unit.
  • the DE 41 00 459 C2 discloses a cylinder head of a liquid cooled internal combustion engine having in-line cylinders comprised of a casting having a cooling space defined by side outer walls, the cylinder head bottom, and a spaced overhead cylinder head mid deck and an over this from the cylinder head center deck to the lid parting plane surrounded by outer walls enclosed control chamber with extending through the refrigerator, from orifices in the combustion chamber side portion of the cylinder head floor to the lateral outer walls valve channels and a cooling chamber and the control chamber parallel to the cylinder axis passing through approximately cylindrical chamber for a Spark plug or injector and with molded into the lateral support walls support columns for receiving the cylinder head bolts.
  • the cylinder bank has a through-cooling compartment divided by vertical double ribs attached to the cylinder head floor and both sides of the cylinder head bolt support columns into sections substantially interspersed only with exhaust ports, intake ports and spark plug bosses for a cylinder, and the coolant flow through the double ribs in each case a main cooling flow which flows through a cooling space section, starting from at least one passage opening from the engine block, below the outlet ducts, transversely to the engine longitudinal axis, and cools the outside of the double ribs, and one auxiliary cooling flow, starting from at least one each Through opening from the engine block, which flows through the double-ribbed spaces approximately parallel to the cylinder axes and thereby cools the inner sides of the double ribs, and wherein main and secondary cooling streams combine at the top of the double ribs un d open into a below the inlet channels longitudinal coolant collecting channel.
  • a cooling device in a cylinder head of a water-cooled multi-cylinder internal combustion engine is in DE OS 38 38 953 disclosed comprising a plurality of partitions disposed between the cylinders and water jacket formed in a cylinder head, a plurality of candle insertion tubes vertically disposed above the substantially central portions of the associated cylinders, a plurality of coolant inlet ports disposed on one side of the plug-in tubes, and a cooling water outlet port disposed on the other side of the plug-in tubes; a plurality of walls projecting from the partitions toward the plug-in tubes, and wherein each wall has a lower protruding part having a relatively small width in the vicinity of a wall of the cylinder head above a combustion chamber formed in each cylinder and an upper protruding part having a relatively large width.
  • the first, second, and third cooling channels are each independently connected at one end to the cooling jacket of the cylinder block to individually receive coolant, with three parallel flows of the coolant through the first, second, and third cooling channels having a triple distribution of flow rates corresponding to the predetermined flow rates. relative sizes of the flow resistance of the first, second and third cooling channel are made possible.
  • the cylinder head and an associated exhaust manifold are currently performed as two separate parts.
  • the disadvantage here is that at partial and full load of the engine increased heat input into the cylinder head and the associated cooling system results.
  • the invention has for its object to improve an internal combustion engine of the type mentioned with simple means that a well-regulated and thus optimized heat balance of the engine, in particular the cylinder head, which also has a reduced fuel consumption and reduced emissions result, is reached.
  • the object is achieved by an internal combustion engine with the features of claim 1.
  • the internal combustion engine has at least one cylinder head for completing at least one combustion chamber, the inlet side at least one inlet channel and the outlet side associated with at least one outlet channel is, wherein the cylinder head is associated with a coolant flowing through a cooling system, wherein the cooling system of the cylinder head at least two cooling regions with a first cooling region, which is flowed through by a first coolant flow, and with a second cooling region, which is flowed through by a second coolant flow , and wherein the cooling system controls are assigned such that the separate coolant streams in the respective cooling areas are controlled separately.
  • the control element is adjustable so that the first cooling region flows through coolant in a first part of a warm-up phase and in a second part of the warm-up phase when a catalyst has reached its operating temperature, the first cooling region flowing through the at least one outlet channel, and the second cooling area is assigned to the remainder of the cylinder head, with a central control unit correspondingly activating and / or actuating the control element in the different temperature ranges of the internal combustion engine.
  • the outlet channel is in the context of the invention, a gas outlet.
  • the corresponding control element is adjustable so that the required coolant flow, according to the invention abuts a suppressed coolant flow to the first cooling area.
  • the control element is adjustable in such a way that a correspondingly higher coolant flow flows through the first cooling region.
  • the first cooling area is arranged on the outlet side or exhaust side according to the invention, wherein the second cooling area in the context of the invention is assigned to the rest of the cylinder head, ie the respective combustion chamber and the inlet side.
  • the cylinder head has a plurality of outlet channels, which are combined to form a main strand, wherein the first cooling region is assigned to the main strand.
  • This advantageous embodiment is based on the finding that the cylinder head with its exhaust manifold can be combined in one unit. If both components, so the cylinder head and the exhaust manifold, executed as a unit, thereby the weight of the engine can be reduced, while the warm-up time can be shortened.
  • the exhaust ports are combined in the cylinder head to a main strand
  • the first cooling area is completely separated from the second cooling area, wherein the control elements are each arranged on an inlet side of the respective cooling area in a respective inlet line, so that the cooling system in the cylinder head has completely separate coolant circuits.
  • the separate coolant flows in the respective cooling regions can be correspondingly controlled by means of the respective control element assigned to the respective inlet line. This results in a volume flow control / or. control of the respective coolant flow at the inlet side of the respective cooling area.
  • the first cooling area is completely separated from the second cooling area, wherein the control elements are each arranged on an outlet side of the respective cooling area in outlet ducts, so that the cooling system in the cylinder head has completely separate coolant circuits.
  • the separate coolant streams in the respective cooling regions can be correspondingly controlled by means of the respective control element assigned to the respective outlet line. This results in a volume flow control / or. control of the respective coolant flow at the outlet side of the respective cooling area.
  • the first cooling area within the cylinder head is separated from the second cooling area, wherein the control elements are each arranged on an inlet side of the respective cooling area in the respective inlet line.
  • the two cooling areas on a common outlet, so that it can be dispensed with a second outlet.
  • the first cooling region within the cylinder head is separated from the second cooling region, wherein the control elements are each arranged on an outlet side of the respective cooling region in a respective outlet conduit, wherein both cooling regions through a common inlet conduit with the coolant be supplied.
  • the two cooling regions on a common inlet line so that it can be dispensed with a second inlet line.
  • manufacturing costs of the internal combustion engine are reduced since only one common for both cooling areas inlet line is provided.
  • By controlling the controls there are corresponding pressure differences in the individual cooling areas, so that a separate control of the coolant flows can be achieved.
  • the controls are preferably designed as continuously adjustable valves, in particular as a thermostat. It is also possible, however, that in particular the controls assigned to the second cooling area are preferably configured as cost-effective flap valves, which only permit an entry or an exhibition.
  • the first cooling area within the cylinder head is separated from the second cooling area, an outlet line of the second cooling area discharging in an outlet line of the first cooling area, and wherein an inlet line common to both cooling areas is assigned a continuously adjustable control element, and wherein the second cooling area, a further control element is arranged in its outlet conduit, which can be configured as a continuously adjustable control element, or preferably as a flap valve, which allows only an arrival or exhibition.
  • the first cooling area is separated within the cylinder head from the second cooling area, wherein an outlet of the second cooling area in an outlet of the first cooling area opens, and wherein the outlet of the second cooling area is assigned a control that is as continuously adjustable Control element, or preferably as a flap valve, which allows only an arrival or exhibition, can be configured, and wherein in the outlet of the first cooling area, a continuously adjustable control is arranged, both cooling areas are supplied via a common inlet line with the coolant.
  • FIG. 1 shows a cylinder head 1 shown schematically.
  • the cylinder head 1 terminates in a known manner from a combustion chamber, not shown.
  • the combustion chamber inlet and outlet channels for supplying air or a fuel-air mixture or discharge of combusted fuel-air mixture are assigned as exhaust gas, which in FIG. 1 are not shown.
  • the cylinder head 1 is associated with a cooling system 2 through which a coolant flows.
  • the cooling system 2 of the cylinder head 1 has two cooling regions 3, 4 with a first cooling region 3, through which a first coolant flow (arrow 6) flows, and with a second cooling region 4, through which a second coolant flow (arrow 7) flows.
  • the first cooling area 3 is assigned to the exhaust passage or exhaust channels, the second cooling area 4 being assigned to the remainder of the cylinder head 1, that is to say to the combustion space and the intake passage (s).
  • the cylinder head 1 has a plurality of outlet channels, which are combined within the cylinder head 1 to form a main strand.
  • the internal combustion engine may be, for example, a series engine or a V-engine. In a V-engine, of course, two cylinder heads 1 are provided.
  • the cooling system or the cooling areas 3, 4 are assigned control elements 8 and 9, respectively, such that the separate coolant flows in the respective cooling areas 3, 4 can be regulated separately from one another.
  • the control element 8 assigned to the exhaust-side cooling region 3 and the second cooling region 4 is in each case preferably designed as a continuously adjustable valve, in particular as a thermostat, wherein a control element 9 assigned to the second cooling region 4 can preferably be designed as a flap valve which permits only one inlet or outlet ,
  • the control 9 is in the FIGS. 1 to 4 not shown. In these embodiments, only controls 8 are shown, which are each replaced by controls 9.
  • the cooling system of the cylinder head 1 is separable by means of a thermostat or the like from a cooling system of a cylinder block associated with the cylinder head 1.
  • the two cooling areas 3, 4 each have an inlet line 12 on their inlet side 11 and an outlet line 14 on their outlet side 13 opposite the inlet side 11.
  • the inlet conduit 12 is associated with a control 8, wherein in contrast to in the in FIG. 2 illustrated embodiment, the controls 8 are each associated with the outlet 14.
  • both cooling areas 3.4 are completely separated from each other within the cylinder head 1, so that the cooling system has completely separate coolant circuits within the cylinder head 1.
  • the complete separation can be seen by means of a partition wall 16 shown in principle, which extends continuously from the inlet side 11 to the outlet 13.
  • a volume flow control or control of the coolant flows 6, 7 on the inlet side 11 is effected.
  • the volume flow control or control takes place the coolant flows 6, 7 in the embodiment according to FIG. 2 at the outlet 13.
  • the two cooling areas 3, 4 are separated within the cylinder head 1, so that a common outlet duct 17 (FIG. FIG. 3 ) or a common inlet line 18 (FIG. FIG. 4 ) is provided.
  • a second cooling area 4 associated control element 9 may be configured as a flap valve, which is controllable between an on-off position.
  • the partition wall 16 shown in principle extends according to the embodiment according to FIG. 3 from the inlet side 11 to just before the outlet side 13, wherein the partition wall 16 shown in principle in FIG. 4 extends from the outlet side 13 toward the inlet side 11 and ends just before the inlet side 11.
  • a separation of the two cooling area 3, 4 is achieved within the cylinder head 1, wherein the two cooling areas 3, 4 according to the embodiment of the Figures 1 and 2 are completely separated from each other.
  • the exhaust gas side is not cooled, so that a catalyst is led to operating temperature more quickly, as this the uncooled exhaust gases are supplied.
  • the exhaust gas side is cooled according to the invention.
  • the first part of the warm-up phase of the internal combustion engine is achieved by the lack of cooling that the downstream catalyst always receives exhaust gases with the required high temperature to convert harmful exhaust gas components.
  • the exhaust-gas-side region or the first cooling region 3 is cooled particularly intensively. The recovered energy (heat) is supplied to the internal combustion engine, so that it warms up faster, thereby reducing friction losses in the warm-up phase.
  • the principle shown partition 16 in the FIGS. 5 and 6 extends from the outlet side 13 in the direction of the inlet side 11 and terminates short of the inlet side 11.
  • a common inlet line 22 is provided for both cooling region 3 and 4, which in the embodiment according to FIG. 5 a control 8 is assigned.
  • On the outlet side is the two cooling areas 3, 4 each associated with an outlet 23 and 24, wherein the outlet conduit 23 of the second cooling area 4 in the outlet conduit 24 of the first cooling area 3 opens.
  • the outlet conduit 23 of the second cooling area 4 is in both examples ( FIGS. 5 and 6 ) each assigned a control 9.
  • a control 8 associated with that in the selected Representation is arranged above the junction of the outlet conduit 23 in the outlet conduit 24.
  • control element 8 and the controls 8 and 9 are assigned to the respective inlet and outlet ducts 12,14, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24 based on the illustrated embodiments of the FIGS. 1 to 6 limited. It is possible that the controls 8 and 9 are reversed on the inlet and outlet side.
  • the partition wall 16 may extend from the outlet side to just before the inlet end ending or be executed continuously.
  • Conceivable in the embodiments of the Figures 1 and 2 is, for example, a cross arrangement of the respective controls 8 and 8 and 9.
  • FIGS. 3 and 4 It would be possible to associate the respective common inlet and outlet line 18 and 17, a control 8 or 9, in which case a control element 8 or 9 would be arranged only in an inlet or outlet line 19 and 21 of the associated cooling area 3 or 4 ,
  • FIGS. 7 to 23 Conceivable embodiments are in the FIGS. 7 to 23 shown.
  • One coolant flow direction is for everyone FIGS. 1 to 23 represented by the arrow 26.
  • FIGS. 9 and 10 are another embodiment of the FIG. 4 shown, wherein here also a cross arrangement of the control elements 8 and 9 is provided.
  • FIGS. 11 and 12 is a crossover to the embodiment according to FIG. 3 shown.
  • FIG. 13 is a variant too FIG. 6 shown, in which a control 8 and 9 seen in the flow direction 26 is disposed below the junction of the outlet conduit 23 in the outlet conduit 24, wherein a further control element 8 or 9 is arranged above the junction.
  • FIGS. 14 and 15 is in each case a further embodiment of the in FIG. 3 shown example.
  • an inlet line branches off from the other.
  • the other control element 8 or 9 as viewed in the flow direction 26, is arranged above the branching in the inlet line, in which the first control element 8 or 9 is arranged.
  • FIGS. 16 and 17 are in turn variants of the embodiment according to FIG. 2 ,
  • an outlet opens in the other outlet conduit, wherein the outlet conduit is seen in the flow direction 26 is assigned a control 8 or 9 above the junction, wherein the other control 8 or 9 is arranged in the outflowing outlet.
  • FIG. 17 is, in reference to FIG. 15 , the second control 8 and 9 arranged in the flow direction 26 seen below the junction.
  • FIGS. 18 and 19 show variants of the embodiment according to FIG. 1 ,
  • the two separate inlet lines branch off from a common inlet line.
  • the common inlet line is associated with a control 8 and 9, wherein the other control 8 or 9 is associated with an outlet.
  • the FIGS. 18 and 19 show here a cross arrangement of the respective outlet line associated control 8 and 9 respectively.
  • FIGS. 20 and 21 is again a variant of the embodiment according to FIG. 1 shown.
  • the respectively in the FIGS. 20 and 21 illustrated embodiment corresponds to the embodiments of the FIGS. 14 and 15 , wherein the partition wall in contrast to the respectively in the FIGS. 14 and 15 illustrated example is configured throughout.
  • FIGS. 22 and 23 refer to.
  • the two outlet lines open into a common outlet line, which is associated with a control 8 and 9 respectively.
  • the other control 8 and 9 is respectively associated with an inlet conduit, wherein when looking at the FIGS. 22 and 23 a cross arrangement can be seen on the inlet side.
  • an internal combustion engine is made available, which has a well controllable and thus optimized heat balance, which also reduced fuel consumption and emissions can be achieved.
  • An internal combustion engine is provided which has a coolant flow 6 or 7, which can be controlled separately in an exhaust gas area and in the remaining area of the cylinder head 1 independently of each other.
  • control elements 8, in particular the control element 9 are connected to a central control unit, which in particular activates and / or actuates the control element 9 in the different temperature ranges of the internal combustion engine.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, mit zumindest einem Zylinderkopf zum Abschluß zumindest eines Brennraumes, dem einlaßseitig zumindest ein Einlaßkanal und auslaßseitig zumindest ein Auslaßkanal zugeordnet ist, wobei dem Zylinderkopf ein von einem Kühlmittel durchströmtes Kühlsystem zugeordnet ist.
  • Derartige Verbrennungsmotoren sind bekannt.
  • Die EP 1 375 857 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von Kühlzellen des Zylinderkopfes des Motors umfasst, die voneinander getrennt sind und von einer Kühlflüssigkeit durchflossen werden können. Es sind erste und zweite Mittel zur Regelung der Durchflussmenge vorgesehen, die jeweils an mindestens eine erste Kühlzelle des Zylinderkopfes und an mindestens eine zweite Kühlzelle des Zylinderkopfes angeschlossen sind. Die ersten und zweiten Mittel zur Regelung der Durchflussmenge sind in der Lage, die Menge an Kühlflüssigkeit zu regeln, die jeweils durch jede erste und jede zweite Kühlzelle fließt. Die beiden Kühlzellen sind voneinander getrennt und übereinander angeordnet, wobei diese sich parallel und in Längsrichtung auf die gesamte Länge des Zylinderblocks des Motors erstreckt. Es können weitere Kühlzellen beliebiger Form und in optimaler Verteilung zur Kühlung des Zylinderkopfes vorgesehen werden.
  • Die FR 2 845 420 und deren Teilanmeldung, FR 2 856 426 beschäftigen sich jeweils mit einem Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor mit einer Regeleinrichtung für den Durchfluss. Dabei offenbaren beide Druckschriften lediglich die Möglichkeit, den Zylinderkopf und dem Motorblock mit jeweils einem Kühlkreislauf auszustatten.
  • Die EP 1 283 345 A2 befasst sich mit einer Zylinderkopf-Kühlstruktur für eine Brennkraftmaschine, wobei ein zentraler Bereich des Zylinderkopfes, also der Bereich des Zylinderkopfes, welcher ganz besonders hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist besser gekühlt werden soll. Zudem sind Einströmöffnungen offenbart, welche mit dem Kühlmantel des Zylinderblocks verbunden sind.
  • Die DE 198 03 885 A1 betrifft eine Kühlkreisanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine,
    wobei die Brennkraftmaschine im Zylinderkopf und im Kurbelgehäuse jeweils gesteuert gesondert mit von einer einzigen Pumpe gefördertem Kühlmittel gesondert durchströmte Kühlkanäle umfaßt, und
    die bedarfsweise in den Zylinderkopf-Kühlmantel fördernde Pumpe ansaugseitig mit einer über ein 3-Wege-Ventil gesteuerten/geregelten Bypaßleitung zu einem mit dieser über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung verbundenen Wärmetauscher in einem äußeren Kühlkreis in Verbindung steht, wobei
    der Kurbelgehäuse-Kühlmantel über eine steuerbares Ventil mit dem äußeren Kühlkreis gesondert verbindbar ist bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur im/am Kurbelgehäuse.
  • Die ansaugseitig mit einem Ablauf eines in der Bypaßleitung angeordneten 3-Wege-Thermostaten verbundene Pumpe steht förderseitig mit einem auslaßseitigen Längskanal des Kühlmantels im zu einem einlaßseitigen Längskanal quer durchströmten Zylinderkopf in Verbindung. Der einlaßseitige Längskanal ist über eine Verbindungsleitung mit der Bypaßleitung und der Wärmetauscher-Vorlaufleitung verbunden. Zumindest der Kurbelgehäuse-Kühlmantel ist über ein mittels einer elektronischen Steuereinheit kennfeldgesteuertes Ein- oder Mehr-Wege-Ventil mit dem äußeren Kühlkreis mittel- oder unmittelbar verbindbar.
  • Die DE 41 00 459 C2 offenbart einen Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit in Reihe angeordneten Zylindern, bestehend aus einem Gußstück mit einem von seitlichen Außenwänden, dem Zylinderkopfboden und einem mit Abstand darüber liegenden Zylinderkopfmitteldeck begrenzten Kühlraum und einem über diesem vom Zylinderkopfmitteldeck bis zur Deckeltrennebene reichenden von Außenwänden umschlossenen Steuerraum mit durch den Kühlraum, von Mündungsöffnungen im Brennraum seitigen Abschnitt des Zylinderkopfbodens bis zu den seitlichen Außenwänden verlaufenden Ventilkanälen und einer den Kühlraum und den Steuerraum parallel zur Zylinderachse durchsetzenden etwa zylindrischen Kammer für eine Zündkerze oder Einspritzdüse und mit in die seitlichen Stützwände eingeformten Stützsäulen zur Aufnahme der Zylinderkopfschrauben. Die Zylinderreihe weist einen durchgehenden Kühlraum auf, der durch senkrechte, an den Zylinderkopfboden sowie beiderseits an die Stützsäulen für die Zylinderkopfschrauben angebrachte Doppelrippen in Abschnitte unterteilt ist, die im Wesentlichen nur von Auslaßkanälen, Einlaßkanälen und Zündkerzenbutzen für einen Zylinder durchsetzt sind, und wobei der Kühlmittelstrom durch die Doppelrippen in je einen Hauptkühlstrom, der einen Kühlraumabschnitt, ausgehend von mindestens einer Durchtrittsöffnung aus dem Motorblock, unter den Auslaßkanälen, quer zur Motorlängsachse, durchströmt und die Außenseite der Doppelrippen kühlt, und je einen Nebenkühlstrom, der, ausgehend von mindestens je einer weiteren Durchtrittsöffnung aus dem Motorblock, die von den Doppelrippen umschlossenen Räume etwa parallel zu den Zylinderachsen durchströmt und dabei die Innenseiten der Doppelrippen kühlt, und wobei sich Haupt- und Nebenkühlströme an der Oberkante der Doppelrippen vereinen und in einen unter den Einlaßkanälen längs verlaufenden Kühlmittel-Sammelkanal münden.
  • Eine Kühlvorrichtung in einem Zylinderkopf einer wassergekühlten Mehrzylinder-Brennkraftmaschine ist in der DE OS 38 38 953 offenbart, umfassend
    eine Mehrzahl von Trennwänden, die zwischen den Zylindern und in einem Zylinderkopf gebildeten Wassermantel angeordnet sind,
    eine Mehrzahl von Kerzeneinsetzrohren, die vertikal oberhalb der im Wesentlichen zentral liegenden Teile der zugeordneten Zylinder angeordnet sind,
    eine Mehrzahl von Kühlmitteleinlaßöffnungen, die auf einer Seite der Kerzeneinsatzrohre angeordnet sind, und eine Kühlwasserauslaßöffnung, die auf der anderen Seite der Kerzeneinsatzrohre angeordnet ist,
    eine Mehrzahl von Wänden, die von den Unterteilungen in Richtung zu den Kerzeneinsatzrohren vorstehen, und
    wobei jede Wand einen unteren vorspringenden Teil mit einer relativ kleinen Breite in der Nähe einer Wand des Zylinderkopfes oberhalb einer Brennkammer, die in jedem Zylinder gebildet wird, und einen oberen vorspringenden Teil mit einer relativ großen Breite hat.
  • Die US 4,730,579 bezieht sich auf einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, der an einem Zylinderblock befestigt ist und mit diesem zusammen eine Vielzahl von Brennräumen begrenzt, die in Reihe angeordnet sind, wobei der Zylinderkopf einen Kühlmantel aufweist und wobei der Zylinderkopf:
    • mit einer Vielzahl von Einlaßkanälen, die jeweils in einen ersten Halbseitenabschnitt der Brennräume münden, um Einlaßluft oder Kraftstoff/Luftgemisch zuzuführen,
    • mit einer Vielzahl von Auslaßkanälen, die jeweils in einen zweiten Halbseitenabschnitt der Brennräume münden, der dem ersten Halbseitenabschnitt gegenüberliegt, um Verbrennungsgase auszulassen,
    • mit einem ersten Kühlkanal, der entlang der Reihe der Vielzahl von Brennräumen, daran nacheinander vorbeiführend in der Nähe der Einlaßkanäle auf einer Seite angeordnet ist, die zentralen Deckenabschnitten der Brennräume gegenüberliegt,
    • mit einem zweiten Kühlkanal, der entlang der Reihe der Vielzahl von Brennräumen, daran nacheinander vorbeiführend in der Nähe der Auslaßkanäle, auf einer den zentralen Deckenabschnitten der Brennräume gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, und
    • mit einem dritten Kühlkanal, der entlang der Reihe der Vielzahl von Brennräumen, daran nacheinander vorbeiführend in der Nähe der zentralen Deckenabschnitte der Brennräume angeordnet ist,
    ausgebildet ist.
  • Der erste, zweite und dritte Kühlkanal ist jeweils unabhängig an einem Ende mit dem Kühlmantel des Zylinderblocks so verbunden, daß er individuell Kühlmittel aufnimmt, wobei drei parallele Strömungen des Kühlmittels durch den ersten, zweiten und dritten Kühlkanal mit einer Dreifachverteilung der Strömungsraten entsprechend den vorbestimmten, relativen Größen des Strömungswiderstandes des ersten, zweiten und dritten Kühlkanals ermöglicht sind.
  • Zur Ableitung der entstehenden Verbrennungsgase werden der Zylinderkopf und ein zugeordneter Abgaskrümmer zurzeit als zwei getrennte Teile ausgeführt. Nachteilig hierbei ist, daß sich bei Teil- und Volllast des Verbrennungsmotors ein erhöhter Wärmeeintrag in den Zylinderkopf und das zugeordnete Kühlsystem ergibt. Insbesondere bei kühlmittelseitig längs durchströmtem Zylinderkopf bedeutet dies eine ungleiche Temperaturverteilung zwischen Auslaß- und Einlaßseite. Wird der Verbrennungsmotor kaum belastet (Stau, Stop and Go, Schubbetrieb während einer länger andauernden Berg-Abfahrt) kommt es zu einem höheren Wärmeaustrag aus dem Abgas vor dem Katalysator. Kühlt infolgedessen der Katalysator zu sehr ab, werden schädliche Abgaskomponenten nur noch unzureichend konvertiert.
  • Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahin gehend zu verbessern, daß ein gut regelbarer und damit optimierter Wärmehaushalt des Verbrennungsmotors, insbesondere des Zylinderkopfes, der zudem einen verringerten Kraftstoffverbrauch und reduzierte Emissionen zur Folge hat, erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Verbrennungsmotor hat zumindest einen Zylinderkopf zum Abschluß zumindest eines Brennraumes, dem einlaßseitig zumindest ein Einlaßkanal und auslaßseitig zumindest ein Auslaßkanal zugeordnet ist, wobei dem Zylinderkopf ein von einem Kühlmittel durchströmtes Kühlsystem zugeordnet ist, wobei das Kühlsystem des Zylinderkopfes zumindest zwei Kühlbereiche mit einem ersten Kühlbereich, der von einem ersten Kühlmittelstrom durchströmt wird, und mit einem zweiten Kühlbereich, der von einem zweiten Kühlmittelstrom durchströmt wird, bildet, und wobei dem Kühlsystem Steuerelemente derart zugeordnet sind, dass die separaten Kühlmittelströme in den jeweiligen Kühlbereichen getrennt voneinander steuerbar sind. Erfindungsgemäß ist das Steuerelement so verstellbar ist, dass der erste Kühlbereich in einem ersten Teil einer Warmlaufphase kühlmittelströmungsfrei und in einem zweiten Teil der Warmlaufphase, wenn ein Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, von Kühlmittel durchströmt ist, wobei der erste Kühlbereich dem zumindest einem Auslaßkanal, und der zweite Kühlbereich dem Rest des Zylinderkopfes zugeordnet ist, wobei eine zentrale Steuereinheit das Steuerelement in den unterschiedlichen Temperaturbereichen des Verbrennungsmotors entsprechend ansteuert und/oder betätigt.
  • Damit wird ein Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, der jeweils einen in einem Abgasbereich und im restlichen Bereich des Zylinderkopfes separat, unabhängig voneinander regelbaren Kühlmittelstrom aufweist. Der Auslaßkanal ist im Sinne der Erfindung ein Gasauslaßkanal.
  • Durch die getrennt steuerbaren Kühlmittelströme in den jeweiligen Kühlbereichen wird vorteilhaft erreicht, daß nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine erheblich verkürzte Warmlaufzeit erzielt wird, wobei bei warmem Motor im Teil- bis Volllastbetrieb eine verbesserte Wärmegleichverteilung zwischen beiden Kühlbereichen des jeweiligen Zylinders erreichbar ist. In Niedriglastsituationen (Stop&Go, Stau, Schubbetrieb bei Berg-Abfahrten) ergeben sich erheblich geringere Abgaswärmeverluste (Wärmedurchgang durch Abgaskanäle in den Kühlkreislauf), wodurch eine Abkühlung des Katalysators verringert wird, weswegen schädliche Abgaskomponenten jederzeit hinreichend konvertiert werden können. Bei Volllast kann das Abgas gezielt gekühlt werden, wodurch der Anfettungsbedarf zum Bauteilschutz reduziert bzw. vermindert werden kann. Hierdurch sinkt zudem der Kraftstoffverbrauch.
  • Um zu erreichen, daß sich der Katalysator des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart schneller aufwärmt, oder wenn der Verbrennungsmotor im Niedriglastbereich betrieben wird, ist das entsprechende Steuerelement derart verstellbar, daß der erforderliche Kühlmittelstrom, erfindungsgemäß ein unterbundener Kühlmittelstrom an dem ersten Kühlbereich anliegt. Wird der Verbrennungsmotor dagegen im Teil- bzw. Volllastbereich betrieben, ist das Steuerelement derart verstellbar, daß ein entsprechend höherer Kühlmittelstrom durch den ersten Kühlbereich strömt.
  • Der erste Kühlbereich ist im Sinne der Erfindung auslaßseitig bzw. abgasseitig angeordnet, wobei der zweite Kühlbereich im Sinne der Erfindung dem Rest des Zylinderkopfes, also dem jeweiligen Brennraum und der Einlaßseite zugeordnet ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Zylinderkopf mehrere Auslaßkanäle aufweist, die zu einem Hauptstrang zusammengefaßt sind, wobei der erste Kühlbereich dem Hauptstrang zugeordnet ist.
  • Dieser vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Zylinderkopf mit seinem Abgaskrümmer in einer Einheit zusammengefaßt werden kann. Werden beide Komponenten, also der Zylinderkopf und der Abgaskrümmer, als eine Einheit ausgeführt, kann hierdurch das Gewicht des Verbrennungsmotors verringert werden, wobei gleichzeitig die Warmlaufzeit verkürzt werden kann. Dabei werden die Auslaßkanäle in dem Zylinderkopf zu einem Hauptstrang zusammengefaßt
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist zweckmäßig vorgesehen, daß der erste Kühlbereich vollständig von dem zweiten Kühlbereich getrennt ist, wobei die Steuerelemente jeweils auf einer Einlaßseite des jeweiligen Kühlbereiches in einer jeweiligen Einlaßleitung angeordnet sind, so daß das Kühlsystem im Zylinderkopf vollständig getrennte Kühlmittelkreisläufe aufweist. Hierbei können die separaten Kühlmittelströme in den jeweiligen Kühlbereichen mittels des jeweils der jeweiligen Einlaßleitung zugeordneten Steuerelementes entsprechend gesteuert werden. Hierbei ergibt sich eine Volumenstromregelung/bzw. -steuerung des jeweiligen Kühlmittelstromes an der Einlaßseite des jeweiligen Kühlbereiches. Zweckmäßigerweise kann aber auch vorgesehen sein, daß der erste Kühlbereich vollständig von dem zweiten Kühlbereich getrennt ist, wobei die Steuerelemente jeweils auf einer Auslaßseite des jeweiligen Kühlbereiches in Auslaßleitungen angeordnet sind, so daß das Kühlsystem im Zylinderkopf vollständig getrennte Kühlmittelkreisläufe aufweist. Hierbei können die separaten Kühlmittelströme in den jeweiligen Kühlbereichen mittels des jeweils der jeweiligen Auslaßleitung zugeordneten Steuerelementes entsprechend gesteuert werden. Hierbei ergibt sich eine Volumenstromregelung/bzw. -steuerung des jeweiligen Kühlmittelstromes an der Auslaßseite des jeweiligen Kühlbereiches.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist günstigerweise vorgesehen, daß der erste Kühlbereich innerhalb des Zylinderkopfes von dem zweiten Kühlbereich getrennt ist, wobei die Steuerelemente jeweils auf einer Einlaßseite des jeweiligen Kühlbereiches in der jeweiligen Einlaßleitung angeordnet sind. Hierbei ergibt sich eine Volumenstromregelung/bzw. -steuerung des jeweiligen Kühlmittelstromes an der Einlaßseite des jeweiligen Kühlbereiches. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung weisen die beiden Kühlbereiche eine gemeinsame Auslaßleitung auf, so daß auf eine zweite Auslaßleitung verzichtet werden kann. Hierdurch werden Herstellungskosten des Verbrennungsmotors reduziert, da lediglich eine für beide Kühlbereiche gemeinsame Auslaßleitung vorgesehen ist. Durch die Steuerung der Steuerelemente ergeben sich entsprechende Druckunterschiede in den einzelnen Kühlbereichen, so daß eine separate Steuerung der Kühlmittelströme erreichbar ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zweckmäßig vorgesehen, daß der erste Kühlbereich innerhalb des Zylinderkopfes von dem zweiten Kühlbereich getrennt wird, wobei die Steuerelemente jeweils auf einer Auslaßseite des jeweiligen Kühlbereiches in einer jeweiligen Auslaßleitung angeordnet sind, wobei beide Kühlbereiche durch eine gemeinsame Einlaßleitung mit dem Kühlmittel versorgt werden. Hierbei ergibt sich vorteilhaft eine Volumenstromregelung/ bzw. -steuerung der Kühlmittelströme an der Auslaßseite der jeweiligen Kühlbereiche. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung weisen die beiden Kühlbereiche eine gemeinsame Einlaßleitung auf, so daß auf eine zweite Einlaßleitung verzichtet werden kann. Hierdurch werden Herstellungskosten des Verbrennungsmotors reduziert, da lediglich eine für beide Kühlbereiche gemeinsame Einlaßleitung vorgesehen ist. Durch die Steuerung der Steuerelemente ergeben sich entsprechende Druckunterschiede in den einzelnen Kühlbereichen, so daß eine separate Steuerung der Kühlmittelströme erreichbar ist.
  • Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Steuerelemente bevorzugt als kontinuierlich verstellbare Ventile, insbesondere als Thermostat ausgestaltet sind. Möglich ist aber auch, daß insbesondere die dem zweiten Kühlbereich zugeordneten Steuerelemente bevorzugt als kostengünstige Klappenventile ausgestaltet sind, die nur eine An- oder Ausstellung zulassen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist günstigerweise vorgesehen, daß der erste Kühlbereich innerhalb des Zylinderkopfes von dem zweiten Kühlbereich getrennt ist, wobei eine Auslaßleitung des zweiten Kühlbereichs in einer Auslaßleitung des ersten Kühlbereichs mündet, und wobei einer beide Kühlbereiche gemeinsamen Einlaßleitung ein kontinuierlich verstellbares Steuerelement zugeordnet ist, und wobei dem zweiten Kühlbereich ein weiteres Steuerelement in seiner Auslaßleitung angeordnet ist, das als kontinuierlich verstellbares Steuerelement, oder bevorzugt als Klappenventil, welches nur eine An- oder Ausstellung zuläßt, ausgestaltet sein kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der erste Kühlbereich innerhalb des Zylinderkopfes von dem zweiten Kühlbereich getrennt ist, wobei eine Auslaßleitung des zweiten Kühlbereiches in einer Auslaßleitung des ersten Kühlbereiches mündet, und wobei der Auslaßleitung des zweiten Kühlbereiches ein Steuerelement zugeordnet ist das als kontinuierlich verstellbares Steuerelement, oder bevorzugt als Klappenventil, welches nur eine An- oder Ausstellung zuläßt, ausgestaltet sein kann, und wobei in der Auslaßleitung des ersten Kühlbereiches ein kontinuierlich verstellbares Steuerelement angeordnet ist, wobei beide Kühlbereiche über eine gemeinsame Einlaßleitung mit dem Kühlmittel versorgt werden.
  • Mittels der beiden zuletzt genannten vorteilhaften Ausgestaltungen ist eine kombinierte Einlauf-Ablauf-Regelung bzw. -Steuerung des Kühlmittelstromes durch den Zylinderkopf in seinen jeweiligen Kühlbereichen erreichbar.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
    • Figuren 1 bis 6
    Prinzipskizzen getrennter Kühlkreisläufe in einem Zylinderkopf, und
    Figuren 7 bis 23
    weitere Ausführungsbeispiele.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
  • Figur 1 zeigt einen schematisch dargestellten Zylinderkopf 1. Der Zylinderkopf 1 schließt in bekannterweise einen nicht dargestellten Brennraum ab. Dem Brennraum sind Einlaß- und Auslaßkanäle zur Zuführung von Luft bzw. eines Kraftstoff-Luft-Gemisches bzw. Abführung verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches als Abgas zugeordnet, welche in Figur 1 nicht dargestellt sind. Dem Zylinderkopf 1 ist ein von einem Kühlmittel durchströmtes Kühlsystem 2 zugeordnet.
  • Das Kühlsystem 2 des Zylinderkopfes 1 weist zwei Kühlbereiche 3, 4 mit einem ersten Kühlbereich 3, der von einem ersten Kühlmittelstrom (Pfeil 6) durchströmt wird und mit einem zweiten Kühlbereich 4 auf, der von einem zweiten Kühlmittelstrom (Pfeil 7) durchströmt wird.
  • Der erste Kühlbereich 3 ist abgasseitig dem bzw. den jeweiligen Auslaßkanälen zugeordnet, wobei der zweite Kühlbereich 4 dem Rest des Zylinderkopfes 1, also dem Brennraum und dem bzw. den Einlaßkanälen zugeordnet ist. In der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung weist der Zylinderkopf 1 mehrere Auslaßkanäle auf, die innerhalb des Zylinderkopfes 1 zu einem Hauptstrang zusammengefaßt sind. Selbstverständlich kann der Zylinderkopf 1 mehrere Brennräume abschließen, wobei der Verbrennungsmotor beispielsweise ein Reihenmotor oder ein V-Motor sein kann. Bei einem V-Motor sind natürlich zwei Zylinderköpfe 1 vorgesehen.
  • Dem Kühlsystem bzw. den Kühlbereichen 3, 4 sind Steuerelemente 8 bzw. 9 derart zugeordnet, daß die separaten Kühlmittelströme in den jeweiligen Kühlbereichen 3, 4 separat voneinander regelbar sind.
  • Das dem abgasseitigen Kühlbereich 3 und dem zweiten Kühlbereich 4 zugeordnete Steuerelement 8 ist jeweils bevorzugt als kontinuierlich verstellbares Ventil, insbesondere als Thermostat ausgestaltet, wobei ein dem zweiten Kühlbereich 4 zugeordnetes Steuerelement 9 bevorzugt als Klappenventil ausgestaltet sein kann, welches nur eine An- oder Ausstellung zuläßt. Das Steuerelement 9 ist in den Figuren 1 bis 4 nicht dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen sind lediglich Steuerelemente 8 dargestellt, wobei diese jeweils durch Steuerelemente 9 ersetzbar sind.
  • Das Kühlsystem des Zylinderkopfes 1 ist mittels eines Thermostates oder dergleichen von einem Kühlsystem eines dem Zylinderkopf 1 zugeordneten Zylinderblocks trennbar.
  • In den Figuren 1 und 2 weisen die beiden Kühlbereiche 3, 4 auf ihrer Einlaßseite 11 jeweils eine Einlaßleitung 12 und auf ihrer zur Einlaßseite 11 gegenüberliegenden Auslaßseite 13 jeweils eine Auslaßleitung 14 auf.
  • In der in Figur 1 dargestellten Ausführung ist jeweils der Einlaßleitung 12 ein Steuerelement 8 zugeordnet, wobei im Unterschied dazu in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Steuerelemente 8 jeweils der Auslaßleitung 14 zugeordnet sind.
  • Bei beiden Ausführungsbeispielen sind beide Kühlbereiche 3,4 innerhalb des Zylinderkopfes 1 vollständig voneinander getrennt, so daß das Kühlsystem vollständig getrennte Kühlmittelkreisläufe innerhalb des Zylinderkopfes 1 aufweist. Die vollständige Trennung ist mittels einer prinzipiell dargestellten Trennwand 16 erkennbar, die sich durchgehend von der Einlaßseite 11 zur Auslaßseite 13 erstreckt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 wird mittels der Steuerelemente 8 eine Volumenstromregelung bzw. -steuerung der Kühlmittelströme 6, 7 an der Einlaßseite 11 bewirkt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Volumenstromregelung bzw. -steuerung der Kühlmittelströme 6, 7 bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 an der Auslaßseite 13.
  • In einer weiteren Ausgestaltung nach den Figuren 3 und 4 werden die beiden Kühlbereiche 3, 4 innerhalb des Zylinderkopfes 1 getrennt, so daß eine gemeinsame Auslaßleitung 17 (Figur 3) bzw. eine gemeinsame Einlaßleitung 18 (Figur 4) vorgesehen ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 weist der jeweilige Kühlbereich 3, 4 jeweils eine Einlaßleitung 19 mit diesen zugeordneten Steuerelementen 8 auf. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 dagegen sind die Steuerelemente 8 den jeweiligen Auslaßleitungen 21 zugeordnet. Natürlich kann auch bei diesen Ausführungsbeispielen, wie bereits zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 beschrieben, ein dem zweiten Kühlbereich 4 zugeordnetes Steuerelement 9 als Klappenventil ausgestaltet sein kann, welches zwischen einer An-Aus-Stellung steuerbar ist.
  • Die prinzipiell dargestellte Trennwand 16 erstreckt sich gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 von der Einlaßseite 11 bis kurz vor die Auslaßseite 13, wobei sich die prinzipiell dargestellte Trennwand 16 in Figur 4 von der Auslaßseite 13 in Richtung zur Einlaßseite 11 erstreckt und kurz vor der Einlaßseite 11 endet. Damit wird eine Trennung der beiden Kühlbereich 3, 4 innerhalb des Zylinderkopfes 1 erreicht, wobei die beiden Kühlbereiche 3, 4 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 komplett voneinander getrennt sind.
  • Hierbei ergibt sich ein Kühlmittelstrom (Pfeil 6 bzw. 7) aufgrund von Differenzdrücken in den jeweiligen Kühlbereichen 3 bzw. 4. Schließt sich das Steuerelement 8 bzw. das Thermostat des ersten Kühlbereiches 3, um beispielsweise einen Kühlmittelstrom (Pfeil 6) in dem ersten Kühlbereich 3 zu unterbinden oder zu reduzieren, kann sich das Steuerelement 8 bzw. 9 öffnen, so daß das Kühlmittel aufgrund der Druckunterschiede in den beiden Kühlbereichen 3 bzw. 4 hauptsächlich durch den zweiten Kühlbereich 4 strömt.
  • Dies kann beispielsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder bei dessen Niedriglastbetrieb wünschenswert sein. In einem ersten Teil der Warmlaufphase wird die Abgasseite nicht gekühlt, so daß ein Katalysator schneller auf Betriebstemperatur geführt wird, da diesem die ungekühlten Abgase zugeführt werden. In dem folgenden zweiten Teil der Warmlaufphase, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Abgasseite erfindungsgemäß gekühlt. In dem ersten Teil der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors wird durch die fehlende Kühlung erreicht, daß der nachgeschaltete Katalysator stets Abgase mit der erforderlich hohen Temperatur erhält, um schädliche Abgasbestandteile zu konvertieren. Im zweiten Teil der Warmlaufphase wird der abgasseitige Bereich bzw. der erste Kühlbereich 3 besonders intensiv gekühlt. Die gewonnene Energie (Wärme) wird dem Verbrennungsmotor zugeführt, so daß sich dieser schneller aufwärmt, wodurch sich Reibungsverluste in der Warmlaufphase verringern.
  • Bei einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors dagegen wird die Abgasseite durch vollständiges Öffnen des Steuerelementes 8 bzw. 9 hinreichend gekühlt, wobei selbstverständlich auch der Rest des Zylinderkopfes 1 hinreichend gekühlt wird. Dies gilt selbstverständlich auch für die Ausführungsbeispiele zu den Figuren 1 und 2.
  • Wie bei dem Ausführungsbeispiel zu den Figuren 3 und 4, sind die beiden Kühlbereiche 3, 4 in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 innerhalb des Zylinderkopfes 1 getrennt. Die prinzipiell dargestellte Trennwand 16 in den Figuren 5 und 6 erstreckt sich von der Auslaßseite 13 in Richtung zur Einlaßseite 11 und endet kurz vor der Einlaßseite 11. Hierbei ist eine gemeinsame Einlaßleitung 22 für beide Kühlbereich 3 bzw. 4 vorgesehen, der bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ein Steuerelement 8 zugeordnet ist. Auslaßseitig ist den beiden Kühlbereichen 3, 4 jeweils eine Auslaßleitung 23 bzw. 24 zugeordnet, wobei die Auslaßleitung 23 des zweiten Kühlbereiches 4 in der Auslaßleitung 24 des ersten Kühlbereiches 3 mündet. Der Auslaßleitung 23 des zweiten Kühlbereiches 4 ist bei beiden Beispielen (Figuren 5 und 6) jeweils ein Steuerelement 9 zugeordnet.
  • In der in Figur 6 dargestellten beispielhaften Ausführung ist der Auslaßleitung 24 des ersten Kühlbereiches 3 ein Steuerelement 8 zugeordnet, daß in der gewählten Darstellung oberhalb der Einmündung der Auslaßleitung 23 in die Auslaßleitung 24 angeordnet ist.
  • Die Zuordnung des Steuerelementes 8 bzw. der Steuerelemente 8 bzw. 9 zu den jeweiligen Ein- und Auslaßleitungen 12,14, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24 ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1 bis 6 beschränkt. Möglich ist, daß die Steuerelemente 8 bzw. 9 ein- und auslaßseitig vertauscht werden. Die Trennwand 16 kann sich sowohl von der Auslaßseite bis kurz vor der Einlaßseite endend erstrecken als auch oder durchgehend ausgeführt sein. Denkbar bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 ist beispielsweise eine Überkreuzanordnung der jeweiligen Steuerelemente 8 bzw. 8 und 9. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 3 und 4 wäre es möglich, der jeweils gemeinsamen Ein- bzw. Auslaßleitung 18 bzw. 17 ein Steuerelement 8 oder 9 zuzuordnen, wobei dann ein Steuerelement 8 oder 9 lediglich in einer Ein- bzw. Auslaßleitung 19 bzw. 21 des zugeordneten Kühlbereiches 3 oder 4 angeordnet wäre.
  • Denkbare Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 7 bis 23 dargestellt. Eine Kühlmittelfließrichtung ist für alle Figuren 1 bis 23 mittels des Pfeils 26 dargestellt.
  • In Abwandlung der Figuren 1 und 2 ist bei dem jeweiligen Ausführungsbeispiel zu den Figuren 7 und 8 jeweils eine Überkreuzanordnung der Steuerelemente 8 bzw. 9 dargestellt. In den Figuren 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu der Figur 4 dargestellt, wobei hier ebenfalls eine Überkreuzanordnung der Steuerelemente 8 bzw. 9 vorgesehen ist. Bei den Ausführungsbeispielen zu den Figuren 11 und 12 ist eine Überkreuzvariante zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 dargestellt. In Figur 13 ist eine Variante zu Figur 6 dargestellt, bei der ein Steuerelement 8 bzw. 9 in Fließrichtung 26 gesehen unterhalb der Einmündung der Auslaßleitung 23 in die Auslaßleitung 24 angeordnet ist, wobei ein weiteres Steuerelement 8 bzw. 9 oberhalb der Einmündung angeordnet ist.
  • In den Figuren 14 und 15 ist jeweils eine weitere Ausführung zu dem in Figur 3 dargestellten Beispiel dargestellt. Hierbei zweigt eine Einlaßleitung von der anderen ab. In Figur 14 ist ein Steuerelement 8 bzw. 9 in Fließrichtung 26 gesehen unterhalb der Abzweigung angeordnet, wobei das andere Steuerelement 8 bzw. 9 der Abzweigleitung zugeordnet ist. In Figur 15 dagegen ist das andere Steuerelement 8 bzw. 9 in Fließrichtung 26 gesehen oberhalb der Abzweigung in der Einlaßleitung angeordnet, in der das erste Steuerelement 8 bzw. 9 angeordnet ist.
  • Die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 16 und 17 sind wiederum Varianten zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2. Hierbei mündet eine Auslaßleitung in der anderen Auslaßleitung, wobei der Auslaßleitung in Fließrichtung 26 gesehen oberhalb der Einmündung ein Steuerelement 8 bzw. 9 zugeordnet ist, wobei das andere Steuerelement 8 bzw. 9 in der einmündenden Auslaßleitung angeordnet ist. In Figur 17 ist, in Anlehnung an Figur 15, das zweite Steuerelement 8 bzw. 9 in Fließrichtung 26 gesehen unterhalb der Einmündung angeordnet.
  • Die Figuren 18 und 19 zeigen Varianten zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1. Die beiden getrennt Einlaßleitungen zweigen von einer gemeinsamen Einlaßleitung ab. Der gemeinsamen Einlaßleitung ist ein Steuerelement 8 bzw. 9 zugeordnet, wobei das andere Steuerelement 8 bzw. 9 einer Auslaßleitung zugeordnet ist. Die Figuren 18 und 19 zeigen hierbei eine Überkreuzanordnung des der jeweiligen Auslaßleitung zugeordneten Steuerelementes 8 bzw. 9.
  • In den Figuren 20 und 21 ist wieder eine Variante zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 dargestellt. Das jeweils in den Figuren 20 und 21 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 14 und 15, wobei die Trennwand im Unterschied zu dem jeweils in den Figuren 14 und 15 dargestellten Beispiel durchgehend ausgestaltet ist.
  • Eine weitere Variante zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist den Figuren 22 und 23 zu entnehmen. Die beiden Auslaßleitungen münden in einer gemeinsamen Auslaßleitung, der ein Steuerelement 8 bzw. 9 zugeordnet ist. Das andere Steuerelement 8 bzw. 9 ist jeweils einer Einlaßleitung zugeordnet, wobei bei Betrachtung der Figuren 22 und 23 eine Überkreuzanordnung an der Einlaßseite zu entnehmen ist.
  • Mittels der vorgenannten lediglich beispielhaften Ausführungsbeispiele wird ein Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, der einen gut regelbaren und damit optimierten Wärmehaushalt aufweist, wodurch zudem verringerte Kraftstoffverbräuche und Emissionen erreicht werden können. Es wird ein Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, der jeweils einen in einem Abgasbereich und im restlichen Bereich des Zylinderkopfes 1 separat, unabhängig voneinander regelbaren Kühlmittelstrom 6 bzw. 7aufweist.
  • Die Steuerelemente 8, insbesondere das Steuerelement 9 stehen erfindungsgemäß mit einer zentralen Steuereinheit in Verbindung stehen, die insbesondere das Steuerelement 9 in den unterschiedlichen Temperaturbereichen des Verbrennungsmotors entsprechend ansteuert und/oder betätigt.
  • Weiter ist es möglich weitere Kühlbereiche, beispielsweise einen dritten Kühlbereich im Zylinderkopf und/oder einen Blockwassermantel parallel oder in Serie zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechend zu versorgen.

Claims (10)

  1. Verbrennungsmotor mit zumindest einem Zylinderkopf (1) zum Abschluß zumindest eines Brennraumes, dem einlaßseitig zumindest ein Einlaßkanal und auslaßseitig zumindest ein Auslaßkanal zugeordnet ist, wobei dem Zylinderkopf (1) ein von einem Kühlmittel durchströmtes Kühlsystem (2) zugeordnet ist, wobei das Kühlsystem (2) des Zylinderkopfes (1) zumindest zwei Kühlbereiche (3, 4) mit einem ersten Kühlbereich (3), der von einem ersten Kühlmittelstrom (Pfeil 6) durchströmt wird, und mit einem zweiten Kühlbereich (4), der von einem zweiten Kühlmittelstrom (Pfeil 7) durchströmt wird, bildet, und wobei dem Kühlsystem (2) Steuerelemente (8, 9) derart zugeordnet sind, daß die separaten Kühlmittelströme (Pfeile 6, 7) in den jeweiligen Kühlbereichen (3, 4) getrennt voneinander steuerbar sind
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Steuerelement (8, 9) so verstellbar ist, dass der erste Kühlbereich (3) in einem ersten Teil einer Warmlaufphase kühlmittelströmungsfrei und in einem zweiten Teil der Warmlaufphase, wenn ein Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, von Kühlmittel durchströmt ist, und wobei der erste Kühlbereich (3), dem zumindest einem Auslaßkanal, und der zweite Kühlbereich (4) dem Rest des Zylinderkopfes (1) zugeordnet ist, wobei eine zentrale Steuereinheit das Steuerelement (8, 9) in den unterschiedlichen Temperaturbereichen des Verbrennungsmotors entsprechend ansteuert und/oder betätigt.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Zylinderkopf (1) mehrere Auslaßkanäle aufweist, die zu einem Hauptstrang zusammengefaßt sind.
  3. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Kühlbereich (3) vollständig von dem zweiten Kühlbereich (4) getrennt ist, wobei die Steuerelemente (8, 9) jeweils auf einer Einlaßseite (11) des jeweiligen Kühlbereiches (3, 4) in einer jeweiligen Einlaßleitung (12) angeordnet sind, so daß das Kühlsystem (2) im Zylinderkopf (1) zwei vollständig getrennte Kühlmittelkreisläufe aufweist.
  4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Kühlbereich (3) vollständig von dem zweiten Kühlbereich (4) getrennt ist, wobei die Steuerelemente (8, 9) jeweils auf einer Auslaßseite (13) des jeweiligen Kühlbereiches (3, 4) in einer jeweiligen Auslaßleitung (14) angeordnet sind, so daß das Kühlsystem (2) im Zylinderkopf (1) zwei vollständig getrennte Kühlmittelkreisläufe aufweist.
  5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Kühlbereich (3) innerhalb des Zylinderkopfes (1) von dem zweiten Kühlbereich (4) getrennt ist, wobei die Steuerelemente (8, 9) jeweils auf einer Einlaßseite (11) des jeweiligen Kühlbereiches (3, 4) in einer jeweiligen Einlaßleitung (19) angeordnet sind.
  6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Kühlbereich (3) innerhalb des Zylinderkopfes (1) von dem zweiten Kühlbereich (4) getrennt ist, wobei die Steuerelemente (8, 9) jeweils auf einer Auslaßseite (13) des jeweiligen Kühlbereiches (3, 4) in einer jeweiligen Auslaßleitung (21) angeordnet sind.
  7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Kühlbereich (3) innerhalb des Zylinderkopfes von dem zweiten Kühlbereich (4) getrennt ist, wobei eine Auslaßleitung (23) des zweiten Kühlbereiches (4) in einer Auslaßleitung (24) des ersten Kühlbereiches (3) mündet, und wobei einer beiden Kühlbereichen (3, 4) gemeinsam zugeordneten Einlaßleitung (22) ein kontinuierlich verstellbares Steuerelement (8) zugeordnet ist, und wobei dem zweiten Kühlbereich (4) in seiner Auslaßleitung (23) ein weiteres Steuerelement (9) zugeordnet ist.
  8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Kühlbereich (3) innerhalb des Zylinderkopfes von dem zweiten Kühlbereich (4) getrennt ist, wobei eine Auslaßleitung (23) des zweiten Kühlbereiches (4) in einer Auslaßleitung (24) des ersten Kühlbereiches (3) mündet, und wobei der Auslaßleitung (23) des zweiten Kühlbereiches (4) ein Steuerelement (9) und der Auslaßleitung (24) des ersten Kühlbereiches (3) ein kontinuierlich verstellbares Steuerelement (8) zugeordnet ist, und wobei beide Kühlbereiche (3, 4) über eine gemeinsame Einlaßleitung (22) mit dem Kühlmittel versorgt werden.
  9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Steuerelement (8) ein kontinuierlich verstellbares Ventil, vorzugsweise ein Thermostat ist.
  10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Steuerelement (9) bevorzugt ein Klappenventil ist, das nur eine An- oder Ausstellung zuläßt.
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