EP2623759B1

EP2623759B1 - Brennkraftmaschine mit zumindest drei Zylindern

Info

Publication number: EP2623759B1
Application number: EP12194556.2A
Authority: EP
Inventors: Norbert Dembinski; Thomas Spiess; Roy Dille; Matthias Dr. Lepschi; Walter Nederegger; Attila Solymosi
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: EP2623759A1; DE102012200527A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest drei Zylindern mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 037 384 A1 , von der die vorliegenden Erfindung ausgeht, ist eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern bekannt. Die Brennkraftmaschine weist eine Einlass- und eine Auslassseite für den Ladungswechsel, sowie einen Stegbereich zwischen den Zylindern auf. Der Zylinderkopf und/oder das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine weisen einlassseitig einen ersten und auslassseitig einen zweiten, weitgehend parallel zu einer Längsachse der Brennkraftmaschine ausgerichteten Kühlmittelkanal auf. Die vorgeschlagene Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkanal im Stegbereich durch zumindest eine Bohrung mit dem zweiten Kühlmittelkanal Kühlmittel führend verbunden ist.
Eine öhnliche Anordnung wird in DE 10 2009 686 A1 gezeigt.
Durch die DE 10 2005 037 384 A1 ist es zwar bekannt, wie der Stegbereich einer Brennkraftmaschine im Betrieb besonders gut gekühlt werden kann, jedoch offenbart diese Offenlegungsschrift nichts darüber, wie mehrere hintereinander in Reihe angeordnete Zylinder entlang der Längsachse der Brennkraftmaschine gleichmäßig, d. h. mit einer geringen Temperaturdifferenz von Stegbereich zu Stegbereich gekühlt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie eine Brennkraftmaschine mit zumindest drei Zylindern in Richtung ihrer Längsachse gleichmäßig, d. h. mit einer geringen Temperaturdifferenz von Stegbereich zu Stegbereich gekühlt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine extrem gleichmäßige Temperaturverteilung entlang der Längsachse der Brennkraftmaschine von Stegbereich zu Stegbereich erzielt. Darüber hinaus wird der Dachbereich des Zylinderkopfes ebenfalls sehr gleichmäßig und effizient gekühlt. Dies unterstützt den Warmlauf der Brennkraftmaschine und führt somit zu einer optimierten Schmiermittelerwärmung durch einen hervorragenden Wärmetransfer aus den Heißzonen des Zylinderkopfes in Schmiermittel führende Strukturen des Grundmotors, wodurch die Reibleistung (Verlustleistung) in vorteilhafter Weise wesentlich reduziert wird, was wiederum zu einer deutlichen Kraftstoffersparnis im Warmlauf führt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 hat sich in Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 kann während des Warmlaufes die Kühlmittelzufuhr durch den Zylinderkopf reduziert oder gänzlich ausgeschaltet werden, was insbesondere für den Warmlauf der Brennkraftmaschine, wie oben bereits dargestellt, von Vorteil ist.
Die Ausführungsform gemäß der Patentansprüche 5 und 6 ist die Verwendung der Erfindung auch in einer Brennkraftmaschine der V-Bauart mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles schematisch in zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1: zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine quer zu einer Längsachse, mit eingezeichneter Kühlmittelführung.
Fig. 2: zeigt schematisch einen Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, mit eingezeichneter Kühlmittelführung,

Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 quer zu einer nicht dargestellten Längsachse, mit durch Pfeile eingezeichneter Kühlmittelführung. Die Brennkraftmaschine 1 weist zumindest drei Zylinder 2, 2', 2", dargestellt in Fig. 2, in einem Kurbelgehäuse 12 in einer Reihe angeordnet, auf. Die Längsachse ist definiert durch die in Reihe (Längsachse) angeordneten Zylinder 2, 2', 2". Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 einen Zylinderkopf 3 auf mit einer Einlass- 4 und einer Auslassseite 5, gekennzeichnet durch zwei Richturigspfelle. Auf der Einlassseite 4 strömt frische Verbrennungsluft in die Zylinder 2, 2', 2", die Abgase werden auf der Auslassseite 5 wieder abgeführt. Zwischen den Zylindern 2, 2', 2" ist jeweils vom Kurbelgehäuse 12 ein Stegbereich 6 ausgebildet, der die Zylinder 2, 2', 2" voneinander trennt.
Für das Kurbelgehäuse 12 sind ein erster und ein zweiter, weitgehend parallel zu der Längsachse der Brennkraftmaschine 1 ausgerichteter Kühlmittelkanal 7, 8 für ein Kühlmittel vorgesehen. In weiteren Ausführungsbeispielen können der erste und der zweite Kühlmittelkanal 7, 8 auch im Kurbelgehäuse 12 oder im Zylinderkopf 3 oder im Kurbelgehäuse 12 und im Zylinderkopf 3 gemeinsam oder auch als separate, außenliegende Kühlmittelkanäle 7, 8 ausgebildet sein. Weiter sind der erste und der zweite Kühlmittelkanal 7, 8 durch zumindest eine Stegbohrung 9, 9', im vorliegenden Fall zwei V-Bohrungen je Stegbereich 6, miteinander Kühlmittel führend verbunden.
Desweiteren ist der Zylinderkopf 3 quer und längs zur Längsachse von dem Kühlmittel durchströmbar, wobei mehr als 50% des Kühlmittels den Zylinderkopf 3 quer durchströmen. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird Kühlmittel von einem Kühlmittelzulaufkanal 11 zum ersten Kühlmittelkanal 7 gefördert. Ausgehend vom ersten Kühlmittelkanal 7 wird das Kühlmittel, wie oben dargestellt, durch den Zylinderkopf 3 gefördert.
Darüber hinaus strömt das Kühlmittel durch die Stegbohrungen 9, 9 vom ersten Kühlmittelkanal 7 zum zweiten Kühlmittelkanal 8. Ausgehend vom zweiten Kühlmittelkanal 8 strömt das Kühlmittel weiter zu einer nicht dargestellten Kühlmittelpumpe der Brennkraftmaschine 1.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Zylinderkopf von ca. 70% des Kühlmittels quer und zu ca. 30% längs durchströmt. Damit erfindungsgemäß eine gleichmäßige Temperierung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt, ist der erste Kühlmittelkanal 7 derart ausgeformt, dass ein Strömungsquerschnitt des ersten Kühlmittelkanals 7 in Strömungsrichtung des Kühlmittels kleiner und ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kühlmittelkanals 8 in Strömungsrichtung des Kühlmittels größer wird. Erkennbar ist dies in Fig. 2. Desweiteren ist in diesem Ausführungsbeispiel der erste Kühlmittelkanal 7 einlassseitig und der zweite Kühlmittelkanal 8 auslassseitig angeordnet. Auch eine gespiegelte Anordnung ist möglich.
Weiter kann durch die Stegbohrung 9, 9' und durch den Zylinderkopf 3 mindestens 50 % des insgesamt geförderten Kühlmittels quer zur Längsachse gefördert werden.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Stegbohrungen 9, 9' von dem Kühlmittel von der Einlassseite 4 zur Auslassseite 5 durchströmt. Hierdurch wird eine äußerst homogene Temperierung der Brennkraftmaschine erzielt. Auch eine gegenläufige Durchströmung mit Kühlmittel ist möglich, jedoch nicht ganz so effizient.
Desweiteren kann beispielsweise an dem Kühlmittelzulaufkanal 11, auf alle Fälle in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Kühlmittelpumpe und vor dem ersten Kühlmittelkanal 7, ein Drosselelement 10 für das Kühlmittel vorgesehen werden. Mit Hilfe dieses Drosselelementes 10 kann der Kühlmittelflüss durch den Zylinderkopf während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 reduziert öder vollständig abgeschaltet werden, so dass eine schnellstmögliche Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 möglich ist. Durch diese Maßnahme wird die innere Reibung der Brennkraftmaschine deutlich reduziert, wodurch die Schadstoffrohemissionen gesenkt und der Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühlmittelführung auch für eine Brennkraftmaschine 1 der V-Bauart mit zwei Zylinderreihen vorgesehen werden. Bevorzugt sind in diesem Ausführungsbeispiel die Auslassseiten 5 der zwei Zylinderreihen innerhalb des V, d. h. zwischen den Zylinderköpfen 3 angeordnet.
Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt durch die Brennkraftmaschine 1 mit dem schematisch eingezeichneten, erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf. Wie bereits beschrieben, strömt das Kühlmittel vom Kühlmittelzuläufkanal 11 in den ersten Kühlmittelkanal 7 und von dort hauptsächlich quer durch den Zylinderkopf 3 sowie durch die Stegbohrungen 9, 9'. Das Kühlmittel wird hierbei in den zweiten Kühlmittelkanal 8 gefördert und von dort weiter in Richtung der nicht dargestellten Kühlmittelpumpe. Der restliche Kühlmittelkreislauf wird hierbei nicht betrachtet.
Erfindungsgemäß wird der Strömungsquerschnitt des ersten Kühlmittelkanals 7 in Strömungsrichtung des Kühlmittels kleiner und der Strömungsquerschnitt des zweiten Kühlmittelkanals 8 in Strömungsrichtung des Kühlmittels größer. Diese Verringerung bzw. Vergrößerung der Strömungsquerschnitte kann linear, oder wie in Fig. 2 dargestellt, in Stufen erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verringert sich der Strömungsquerschnitt bzw. vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des ersten Kühlmittelkanals 7 und des zweiten Kühlmittelkanals 8 entsprechend der vier Zylinder um jeweils 25%. Bei mehr oder weniger Zylindern für eine Brennkraftmaschine 1 kann dieser Faktor jedoch entsprechend der Zylinderzahl abweichen.
Weiter weist die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 je Steg 6 zwei Stegbohrungen 9, 9' auf, in anderen Ausführungsbeispielen kann auch nur eine einzige Stegbohrung 9 je Steg 6 vorgesehen sein. Anstelle einer Stegbohrung 9, 9' kann beispielsweise auch ein Schlitz vorgesehen werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird somit eine äußerst homogene Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 gewährleistet. Während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine 1 ergibt sich eine optimierte Schmiermittelerwärmung durch den Wärmetransfer aus Heißzonen des Zylinderkopfes 3 in schmiermittelführende Strukturen des Grundmotors, was zu einer Reibleistungsreduzierung und somit Kraftstofferspamis führt. Weiter wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein bisher nicht genutztes Wärmepotential ausgereizt. Es werden alle kundenrelevanten Betriebszustände inklusive der Fahrgastraumheizung abgesichert. Weiter wird ein sicherer Bauteilschutz durch direktes Ansprechen signifikanter Faktoren der brennkraftmaschineninternen Funktionselemente erreicht. Schließlich wird der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf 3 erhöht, in der Form, dass ein küchler Kopf" und ein "heißer Fuß" vorliegen.

Bezugszeichenliste:

1.: Brennkraftmaschine
2, 2', 2": Zylinder
3.: Zylinderkopf 4. Einlassseife
5.: Auslassseite
6.: Stegbereich
7.: erster Kühlmittelkanal 8. zweiter Kühlmittelkanal
9, 9': Stegbohrung
10.: Drosselelement 11. Kühlmittelzulaufkanal
12.: Kurbelgehäuse

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit zumindest drei Zylindern (2, 2', 2") in Reihe in einem Kurbelgehäuse (12) und mit einem Zylinderkopf (3) mit einer Einlass- (4) und einer Auslassseite (5), sowie jeweils einem Stegbereich (6) zwischen den Zylindern (2, 2', 2"), wobei für den Zylinderkopf (3) und/oder das Kurbelgehäuse (12) ein erster und ein zweiter, weitgehend parallel zu einer Längsachse (1') der Brennkraftmaschine (1) angeordneter Kühlmittelkanal (7, 8) für ein Kühlmittel vorgesehen ist, wobei der erste und der zweite Kühlmittelkanal (7, 8) durch zumindest eine Stegbohrung (9, 9') mit einander Kühlmittel führend verbunden sind und wobei der Zylinderkopf (3) weitgehend quer und teilweise längs zur Längsachse (1') von dem Kühlmittel durchströmbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt des ersten Kühlmittelkanals (7) in Strömungsrichtung des Kühlmittels kleiner und ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kühlmittelkanals (8) in Strömungsrichtung des Kühlmittels größer wird, wobei durch die Stegbohrung (9, 9') und durch den Zylinderkopf (3) mindestens 50% des insgesamt geförderten Kühlmittels quer zur Längsachse (1') förderbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelkanal (7) einlassseitig und der zweite Kühlmittelkanal (8) auslassseitig angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stegbohrung (9, 9') von dem Kühlmittel von der Einlassseite (4) zur Auslassseite (5) durchströmbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass an einem Kühlmittelzufluss zu dem Zylinderkopf (3) ein Drosselelement (10) für das Kühlmittel vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine Brennkraftmaschine der V-Bauart mit zwei Zylinderreihen ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassseiten (5) der zwei Zylinderreihen im V angeordnet sind.