WO2016179618A1 - Flüssigkeitsgekühlte brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2016179618A1
WO2016179618A1 PCT/AT2016/050128 AT2016050128W WO2016179618A1 WO 2016179618 A1 WO2016179618 A1 WO 2016179618A1 AT 2016050128 W AT2016050128 W AT 2016050128W WO 2016179618 A1 WO2016179618 A1 WO 2016179618A1
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cylinder
cooling jacket
plane
internal combustion
engine
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PCT/AT2016/050128
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald PRAMBERGER
Robert Berger
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Avl List Gmbh
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    • 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 liquid-cooled internal combustion engine with at least one cylinder block having a plurality of cylinders, wherein the cooling jacket has a crank chamber facing bottom and a cylinder head sealing plane facing ceiling and the bottom - viewed in a side view of the cylinder block - has a wave-like course, said - Measured in each case in the direction of the cylinder axis - a first distance in the region of at least one first engine transverse plane between two adjacent cylinders is greater than a second distance of the bottom of the cooling jacket from the ceiling in the region of at least one cylinder axis containing second engine transverse plane.
  • cooling jackets of cylinder blocks are designed with the lowest possible volume, whereby the heating time of the internal combustion engines can be shortened.
  • the cooling jackets end - measured from the cylinder head plane - already in the range between half and full piston stroke. This ensures that the area of the cylinder liner is sufficiently cooled, in which the heat input takes place by combustion of the gas mixture.
  • the forming higher wall temperatures in thermally uncritical and therefore not cooled areas of the cylinder liner also allow a reduction in the piston friction.
  • the smaller cooling jackets also have a positive effect on the weight of the internal combustion engine.
  • 5,080,049 A shows such a cylinder block in which the bottom of the cooling jacket has a wave-like profile on one longitudinal side, wherein the distance of the bottom of the cooling jacket from the cylinder head sealing plane in the region of the cylinder head screw axes is the lowest.
  • WO 95/21323 A shows a similar solution. It discloses a cooling system of a two-stroke internal combustion engine with a plurality of cylinders, which are surrounded by a cooling jacket. The bottom of the cooling jacket is wave-shaped and is in fluid communication between two cylinders via U-shaped branch passages and vertical duct sections in the region of the engine transverse plane.
  • the disadvantage of this is in particular that when longitudinally flowed through cooling jackets, where even in the coolant supply half the mass flow is passed into the cylinder head, sufficient cooling of all cylinders in the cylinder block can not be satisfactorily ensured.
  • the structured bottom of the cooling jacket affects the coolant flow and prevents optimum and adequate cooling of the cylinder furthest away from the coolant inflow.
  • EP 1 066 459 B2 shows a solution in which the bottom of the cooling jacket of the cylinder block is curved with successive elevations and depressions therebetween, wherein the profile of the bottom in cross section represents in particular a sinusoid or cosine curve.
  • the disadvantage here in particular that it still comes to an unfavorable introduction of force through the cylinder head bolts.
  • the steadily increasing demands on the roundness of the cylinder liners for friction reduction and the boundary conditions with regard to lightweight construction and increasing power density can only be met inadequately with existing solutions.
  • US 5,080,049 A describes a cylinder block for an internal combustion engine with a plurality of cylinders, wherein the cylinders are surrounded by a cooling jacket.
  • the cooling jacket has a wave-like course on a longitudinal side of the cylinder block, the distance between the bottom of the cooling jacket and the cylinder head sealing plane being smaller in the region of a first engine transverse plane containing the cylinder head screw axes than in the region of a second engine transverse plane containing the cylinder axis.
  • a liquid-cooled internal combustion engine with a similarly shaped cooling jacket is also known from AT 504 983 Bl.
  • a cooling jacket for a crankcase is known, the bottom of which - as viewed in a side view - is wave-shaped.
  • the cooling jacket has a smaller distance from the cylinder head sealing plane in the region of a first engine transverse plane containing the cylinder axis than in the region of a second engine transverse plane between two cylinders. This is to improve the cooling of thermally highly stressed areas.
  • the cooling problem in the cylinder block area is further exacerbated.
  • the area between the cylinders is thermally particularly heavily loaded.
  • the flow through the cylinder block can be easily controlled so that a sufficient heat dissipation is ensured at the farthest from the coolant supply cylinder.
  • the object of the invention is to avoid the following disadvantages of the short cooling jacket, both straight and flat wavy course, namely:
  • the bottom of the cooling jacket in the region of the first engine transverse plane has at least one disposed in a first reference plane planar first portion, wherein preferably the first reference plane is formed substantially parallel to a cylinder head plane of the cylinder block.
  • the planar first section is designed to extend on both sides of a first engine transverse plane.
  • the bottom of the flat portion between the cylinders is designed to extend steeply upwards or starting from a flat portion in the area between the screws of the bottom in the free Zylin- derank Kunststoffsen Kunststoff (cylinder tube between the SSenbutzen) roof-shaped.
  • the cooling jacket can be formed open in the cylinder block upwards, with the cylinder head gasket and cylinder head form a ceiling.
  • a ceiling facing a cylinder head sealing plane may also be integrated in the cylinder block. This design applies to cylinder blocks with moderate temperatures and temperature deformations, but critical mechanical strength and cylinder tube deformation, such as aluminum open deck constructions with relatively low cooling jacket.
  • the invention is based on a structured bottom for a cooling jacket of a cylinder block, which is designed ascending in the direction of the cylinder head sealing surface from the region between the cylinders to the cylinder center.
  • the floor thus extends in the area between the cylinders at a greater distance to the cylinder head sealing surface than in the center of the cylinder.
  • the invention consists of a structured bottom for the cooling jacket of the cylinder block, which is carried out from the area between the cylinders to the cylinder center strongly ascending in the direction of the cylinder head sealing surface, much steeper than it was constructed in existing cylinder blocks.
  • the bottom thus extends in the area between the cylinders at a much greater distance to the cylinder head sealing surface than in the middle of the cylinder.
  • the bottom is essentially parallel to the cylinder head sealing surface and thus leveled, that is taking into account production-related inaccuracies.
  • planar region of the planar first section extends in the direction of a motor longitudinal axis running parallel to the crankshaft, essentially over a length of at least the diameter of a cylinder head screw to at most the diameter or the width of a cylinder head screw casing of the cylinder head.
  • said longitudinal extent of the flat first portion is independent of whether above the flat first portion actually a cylinder head bolt is arranged or not.
  • the plane first portion - measured in the direction of a motor axis extending parallel to the crankshaft longitudinal axis - have a length between 0.2 to 0.5 of the bore radius of an adjacent cylinder.
  • the first section is thus for example 20-50 percent of the bore radius of an adjacent cylinder.
  • the floor between at least a first engine transverse plane and a second engine transverse plane has at least one planar second portion which is arranged in a second reference plane, on the one hand inclined to the first and second engine transverse plane and on the other hand normal to one through the cylinder axes spanned motor longitudinal plane is arranged.
  • the plane second section can in a practical embodiment of the invention - measured in the direction of the motor longitudinal axis - for example, have a second length between 0.3 to 0.6 of the bore radius of an adjacent cylinder. The second section is thus for example 30-60 percent of the bore radius of an adjacent cylinder.
  • Particularly small deformations of the cylinders can be achieved if the second reference plane with the first reference plane at an angle of about 15 ° to 50 °, preferably about 30 ° to 45 °, includes.
  • the invention further provides that at least two second sections are arranged symmetrically with respect to the first engine transverse plane and / or second engine transverse plane.
  • the bottom of the cooling jacket of the cylinder block thus rises in the aforementioned angular range in the direction of the cylinder block.
  • Kopfdichtf laugh up to about the cylinder center and then drops at the same inclination from the next, flat first section in the adjacent intermediate area between two cylinders.
  • the transitions between the flat first sections and the rising planar second sections are rounded by casting and executed with a first transition radius.
  • a second transition radius is provided, which is large enough so that there are no stress concentrations.
  • the floor may be substantially flat, ie without curvature.
  • the cooling jacket can have three different heights, wherein a third distance of the floor from the ceiling in at least one end region of the cooling jacket - preferably in the region of an engine longitudinal plane spanned by the cylinder axes - is less than the first distance.
  • a third distance of the floor from the ceiling in at least one end region of the cooling jacket - preferably in the region of an engine longitudinal plane spanned by the cylinder axes - is less than the first distance.
  • the flat first section in a direction normal to the longitudinal axis of the cylinder block results in a more favorable, rounded region, which is favorable in terms of production and, moreover, enables good force introduction of the cylinder head bolts.
  • the bottom of the cooling jacket describes a load cone and thus allows a load transfer from the screw neck into the cylinder liner without Kraftum- line and thus with the greatest possible uniformity in the largest possible bushing area. This minimizes the negative influence of a low cooling jacket on the mechanical distortion of the cylinder liner.
  • the effect of the constriction of the cylinder liners is distributed over the height with the greatest possible uniformity.
  • the cooling effect of the cooling jacket is distributed over the largest possible area along the cylinder liner axis. This also minimizes the negative influence of a low cooling jacket on the vertical distortion of the cylinder liner and the thermal constriction of the cylinder liner.
  • the constriction of the cylinder liner is significantly reduced by the significantly increased level difference of the soil compared to existing design concepts due to a distribution over a larger barrel height.
  • no pronounced coolant flow can form through the structuring.
  • the locally poorer heat transfer leads to slightly higher temperatures in the conceptually coolest region of the cylinder liner and thus further reduces the constriction. (Below the cooling jacket, the wall temperature is closer to the higher oil temperature than the lower coolant temperature of the lower cooling jacket.)
  • FIG. 1 shows a cooling jacket of a cylinder block according to the invention in a
  • FIG. 4 shows a cooling jacket of a cylinder block according to the invention in an end view.
  • the figures show a cylinder liner surrounding cooling jacket 1 of a cylinder block not shown in detail an internal combustion engine with four cylinders 2.
  • the bottom 3 of the cooling jacket 1 is - as seen in Figure 1 and Fig. 2 - wave-shaped, so that the distance H of the bottom 3 of a ceiling 4 of the cooling jacket 1, viewed in the direction of a longitudinal axis 5 of the cylinder block, increases and decreases.
  • the ceiling 4 is located in the region of a cylinder head density plane 4a of the cylinder block.
  • the longitudinal axis 5 is formed for example by a not further illustrated crankshaft or a parallel thereto.
  • a first distance Hi in the region of a first engine transverse plane 8 extending between two cylinders 2-for example through the axles 6 of the cylinder head bolt holes 7 for the cylinder head bolts- is greater than a second distance H 2 in the region of a second engine transverse plane 10 each including a cylinder axis 9 ,
  • a third distance H 3 between the bottom 3 and the ceiling 4 of the cooling jacket 1 is lower than the first between the bottom 3 and the ceiling 4 of the cooling jacket 1, in particular in the region of an engine longitudinal plane 11 spanned by the cylinder axes 9 Distance Hi, greater than the second distance H 2 .
  • the third distance H 3 between the ceiling 4 and the bottom 3 in the frontal region 8 of the end face la, lb for example, about 50 to 80 percent of the first distance Hi between the ceiling 3 and the bottom 2 in the region of the first motor transverse plane 8 generates only low mechanical and thermal stresses in these areas.
  • the bottom 3 of the cooling jacket 1 in the region of the first motor transverse plane 8 has at least one in a first reference plane ⁇ . arranged planar first portion 12 on both sides of the first motor transverse plane 8 extending, wherein the first reference plane ⁇ . is formed parallel to the cylinder head density plane 4a of the cylinder block.
  • the first length Li of the first section 12 is ideally between the diameter d of a Zylinderkopfschrauben- bore 6 and the diameter or the width of a Zylinderkopfschrauben-.
  • the planar first section 12 has a first length U which lies between 0.2 to 0.5 (or 20 to 50 percent) of the bore radius R of an adjacent cylinder 2.
  • the bottom 3 has at least one planar second section 13, which is arranged in a second reference plane ⁇ 2 , which is inclined on one side to the first motor transverse plane 8 and to the second motor transverse plane 10 and on the other hand through the normal Cylinder axes 9 spanned motor longitudinal plane 11 is arranged.
  • the flat second section 13 has - measured in the direction of the motor longitudinal axis 5 - a second length L 2 between 0.3 to 0.6 (or 30 - 60 percent) of the bore radius R of an adjacent cylinder 2.
  • the second reference plane ⁇ 2 concludes with the first reference plane ⁇ . an angle ⁇ of about 15 ° to 50 °, preferably about 30 ° to 45 °, a.
  • the bottom 3 of the cooling jacket 1 of the cylinder block - as viewed in FIG. 2 - thus rises in the aforementioned angular range ⁇ in the direction of the cylinder head sealing surface 4a to approximately the middle of the cylinder or second engine transverse plane 10 and then falls below the same Inclination from the next, planar first portion 12 in the adjacent region of the first engine transverse plane 8 between two cylinders. 2
  • the transitions between the planar first sections 12 and the rising planar second sections 13 are rounded by casting and executed with a first transition radius ri.
  • a second transition radius r 2 is provided, which is large enough so that there are no stalls or turbulence in the coolant flow of the cooling jacket 1.
  • first transition radii ri and second transition radii r 2 between the first sections 12 and second sections 13 of the bottom 3 is substantially without any curvatures, ie even.
  • the bottom 3 of the cooling jacket 1 describes a load cone and thus allows a load transfer from the screw shafts into the cylinder liner without force diversion and thus with the greatest possible uniformity in the widest possible range of the cylinder liner. This minimizes the negative influence of a low cooling jacket on the mechanical distortion of the cylinder liner.
  • the effect of the constriction of the cylinder liners is distributed over the height with the greatest possible uniformity.
  • the cooling effect of the cooling jacket 1 can be distributed over the largest possible area along the cylinder liner axis. As a result, the negative influence of a low cooling jacket on the vertical distortion of the cylinder liner and the thermal constriction of the cylinder liner is minimized.
  • any stiffening rib which extends on the outer wall of the cylinder block in the direction of the cylinder axis which is also referred to as acoustic rib, can be better installed in the cylinder block structure and thus the delay of the cylinder liner can be reduced.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit zumindest einem einen Kühlmantel (1) aufweisenden Zylinderblock mit mehreren Zylindern (2), wobei der Kühlmantel (1) einen einem Kurbelraum zugewandten Boden (3) und eine einer Zylinderkopfdichtebene (4a) zugewandte Decke (4) aufweist und der Boden (3) - in einer Seitenansicht auf den Zylinderblock betrachtet - einen wellenartigen Verlauf aufweist, wobei - jeweils in Richtung der Zylinderachse (9) gemessen – ein erster Abstand (H2) im Bereich zumindest einer ersten Motorquerebene (8) zwischen zwei benachbarten Zylindern (2) größer ist als ein zweiter Abstand (H2) des Bodens (3) des Kühlmantels (1) von der Decke (4) im Bereich zumindest einer die Zylinderachse (9) beinhaltenden zweiten Motorquerebene (10). Um Zylinderverformungen zu minimieren wird vorgeschlagen, dass der Boden (3) des Kühlmantels (1) im Bereich der ersten Motorquerebene (8) zumindest einen in einer ersten Bezugsebene (ε1) angeordneten ebenen ersten Abschnitt (12) aufweist, wobei vorzugsweise die erste Bezugsebene (ε1) parallel zur Zylinderkopfdichtebene (4a) des Zylinderblockes ausgebildet ist. Damit ist - ausgehend von diesem ebenen Abschnitt - im Bereich zwischen den Schrauben der Boden (3) im freien Zylinderlaufbuchsenbereich (Zylinderrohr zwischen den Schraubenbutzen) dachförmig ausgeführt.

Description

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit zumindest einem einen Kühlmantel aufweisenden Zylinderblock mit mehreren Zylindern, wobei der Kühlmantel einen einem Kurbelraum zugewandten Boden und eine einer Zylinderkopfdichtebene zugewandte Decke aufweist und der Boden - in einer Seitenansicht auf den Zylinderblock betrachtet - einen wellenartigen Verlauf aufweist, wobei - jeweils in Richtung der Zylinderachse gemessen - ein erster Abstand im Bereich zumindest einer ersten Motorquerebene zwischen zwei benachbarten Zylindern größer ist als ein zweiter Abstand des Bodens des Kühlmantels von der Decke im Bereich zumindest einer die Zylinderachse beinhaltenden zweiten Motorquerebene.
Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen die Wassermäntel zur Büchsenkühlung im Zylinderblock sich über die gesamte Höhe der Zylinderlaufbuchse erstreckend auszuführen. Dies ermöglicht eine vollständige Büchsenkühlung bei nur geringem Büchsenverzug aufgrund thermischer Effekte während der Verbrennung. Da der Boden des Kühlmantels dabei in relativ großer Entfernung von der Zylinderkopfdichtebene angeordnet ist, haben Zylinderkopfschrauben hier keinen negativen Einfluss auf die Zylinderlaufbüchse. Außerdem weisen derartige Brennkraftma- schinenkeine keine direkte Anbindung der Gewindebereiche der Zylinderkopfschrauben an die Zylinderlaufbuchse auf.
Um strengen Emissionsgesetzen zu genügen, werden Kühlmäntel von Zylinderblöcken mit möglichst geringem Volumen ausgeführt, wodurch die Aufheizzeit der Brennkraftmaschinen verkürzt werden kann. Die Kühlmäntel enden dabei - von der Zylinderkopfebene aus gemessen - bereits im Bereich zwischen halbem und ganzem Kolbenhub. Damit wird erreicht, dass der Bereich der Zylinderlaufbuchse ausreichend gekühlt wird, in welchem der Wärmeeintrag durch Verbrennung des Gasgemisches erfolgt. Die sich ausbildenden höheren Wandtemperaturen in thermisch unkritischen und daher nicht gekühlten Bereichen der Zylinderlaufbuchse ermöglichen außerdem eine Reduktion der Kolbenreibung. Die kleineren Kühlmäntel wirken sich auch positiv auf das Gewicht der Brennkraftmaschine aus.
In konventioneller Weise eben ausgeführte Böden der Kühlmäntel von Zylinderblöcken führen zu folgenden Problemen : Aufgrund der Lasteinleitung der Zylinderkopfschrauben in den Zylinderblock im Laufbereich der Kolben kommt es zu Büchsenverzug und Festigkeitsproblemen. Die Lasteinleitung der Schraubenkräfte führt zu lokalen Spannungskonzentrationen im Boden des Kühlmantels. Auf- grund des unterschiedlichen Temperaturgradienten entlang der Längsachse der Zylinderlaufbuchse und der Anordnung des Bodens des Kühlmantels im Laufbereich des Kolbens kommt es zu einer mechanischen und thermischen Einschnürung der Laufbuchse, was zu einem Verzug der Laufbuchse und zu Belastbarkeitsproblemen führt. Um dieses Problem zu lösen ist es bekannt, den Boden des Kühlmantels strukturiert auszuführen. Beispielhaft zeigt die US 5,080,049 A einen derartigen Zylinderblock, bei dem der Boden des Kühlmantels auf einer Längsseite einen wellenartigen Verlauf aufweist, wobei der Abstand des Bodens des Kühlmantels von der Zylinderkopfdichtebene im Bereich der Zylinderkopf- schraubenachsen am geringsten ist.
Die WO 95/21323 A zeigt eine ähnliche Lösung. Sie offenbart ein Kühlsystem einer Zweitakt- Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, die von einem Kühlmantel umgeben sind. Der Boden des Kühlmantels ist wellenartig gestaltet und steht im Bereich der Motorquerebene zwischen zwei Zylindern über U-för- mige Zweigpassagen und vertikale Kanalabschnitte mit einem unteren Kühlmittelsammler in Strömungsverbindung.
Nachteilig daran ist insbesondere, dass bei längsdurchströmten Kühlmänteln, wo schon bei der Kühlmittelzuleitung der halbe Massenstrom in den Zylinderkopf geleitet wird, eine ausreichende Kühlung aller Zylinder im Bereich des Zylinderblocks nicht zufriedenstellend sichergestellt werden kann. Der strukturierte Boden des Kühlmantels beeinflusst die Kühlmittelströmung und verhindert ein optimales und ausreichendes adäquates Kühlen der vom Kühlmittelzufluss am weitesten entfernten Zylinder.
Es wurde bereits versucht, diese Probleme durch möglichst flachwellig strukturierte Kühlmantelböden zu beheben, um Strömungsabrisse zu verhindern. Beispielhaft sei dazu auf die DE 38 03 105 C2 verwiesen, wo am Boden des Kühlmantels halbzylindrische Vorsprünge vorgesehen sind, die in Bereichen zwischen einander benachbarten Zylindern liegen. Allerdings ergeben sich dadurch wieder die Probleme der problematischen Lasteinleitung durch die Zylinderkopfschrauben bzw. der thermischen Einschnürung durch zu abrupte Temperaturgradienten entlang der Büchsenlängsachse.
Die EP 1 066 459 B2 zeigt eine Lösung, bei der der Boden des Kühlmantels des Zylinderblocks gekrümmt mit aufeinander folgenden Erhöhungen und dazwischen liegenden Senken ausgeführt ist, wobei der Verlauf des Bodens im Querschnitt insbesondere eine Sinus- oder Kosinuskurve darstellt. Dadurch soll sich eine laminare Strömung des Kühlmediums über die gesamte Längserstreckung des Blockkühlmantels ergeben, um einen optimalen Abtransport der Wärmeenergie ohne turbulenzbedingte Verlustleistungen zu erreichen. Nachteilig ist hier insbesondere, dass es nach wie vor zu einer ungünstigen Krafteinleitung durch die Zylinderkopfschrauben kommt. Die stetig steigenden Anforderungen an die Rundheit der Zylinderbuchsen zur Reibungsreduktion sowie die Randbedingung hinsichtlich Leichtbau und zunehmender Leistungsdichte können mit den bestehenden Lösungen nur unzureichend erfüllt werden.
Die US 5,080,049 A beschreibt einen Zylinderblock für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei die Zylinder von einem Kühlmantel umgeben sind. Der Kühlmantel weist auf einer Längsseite des Zylinderblockes einen wellenartigen Verlauf auf, wobei der Abstand des Bodens des Kühlmantels von der Zylinderkopfdichtebene im Bereich einer die Zylinderkopfschraubenachsen beinhaltenden ersten Motorquerebene geringer ist, als im Bereich einer die Zylinderachse beinhaltenden zweiten Motorquerebene.
Eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem ähnlich geformten Kühlmantel ist auch aus der AT 504 983 Bl bekannt.
Weiters ist aus der CN 2 751 151 Y ein Kühlmantel für ein Kurbelgehäuse bekannt, dessen Boden - in einer Seitenansicht betrachtet - wellenartig geformt ist. Der Kühlmantel weist dabei im Bereich einer die Zylinderachse beinhaltenden ersten Motorquerebene einen geringeren Abstand von der Zylinderkopfdichtebene auf, als im Bereich einer zweiten Motorquerebene zwischen zwei Zylindern. Dadurch soll die Kühlung von thermisch hochbelasteten Bereichen verbessert werden.
Nachteilig ist allerdings auch hier, dass im Bereich der Zylinderkopfschrauben hohe mechanische Belastungen auftreten, was im Extremfall zu Rissbildungen führen kann. Insbesondere im Bereich der Randzylinder kann es zu relativ großen Zylinderverformungen kommen.
Durch die immer höheren spezifischen Leistungen der Brennkraftmaschinen wird das Kühlproblem im Zylinderblockbereich zusätzlich verschärft. Insbesondere der Bereich zwischen den Zylindern ist thermisch besonders stark belastet.
Die thermischen Ausdehnungen führen verstärkt zu Buchsenverformungen höherer Ordnungen, 4-te und 6-te, was bei niedrig belasteten Motoren kaum auftritt. Durch die Anwendung von Querstromkonzepten, die für eine ebenfalls nötige verbesserte Kühlung des Zylinderkopfes entwickelt wurde, kann die Durchströmung des Zylinderblockes leicht so gesteuert werden, dass eine ausreichende Wärmeabfuhr bei von der Kühlmittelzufuhr am entferntesten angeordneten Zylinder sichergestellt wird. Dadurch wird es möglich den Boden des Kühlmantels im Zylinderblock stärker zu strukturieren ohne auf die Strömung entlang des Bodens Rücksicht nehmen zu müssen. Aufgabe der Erfindung ist es, die folgenden Nachteile des kurzen Kühlmantels, sowohl bei geradem als auch flach wellenförmigem Verlauf, zu vermeiden, nämlich :
• die relativ konzentrierte Einschnürung der Zylinderlaufbuchse im Bereich der höchsten Kolbengeschwindigkeiten, im kalten und speziell im warmen Zustand;
• die konzentrierte Lasteinleitung der Schraubenkräfte in die Zylinderrohre, was Buchsenverformungen höherer Ordnungen horizontal und starker Gradienten vertikal hervorruft, sowie Festigkeitsprobleme verursachen kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Boden des Kühlmantels im Bereich der ersten Motorquerebene zumindest einen in einer ersten Bezugsebene angeordneten ebenen ersten Abschnitt aufweist, wobei vorzugsweise die erste Bezugsebene im Wesentlichen parallel zu einer Zylinderkopfebene des Zylinderblockes ausgebildet ist. Gemäß einer Variante der Erfindung ist der ebene erste Abschnitt beiderseits einer ersten Motorquerebene verlaufend ausbildet.
Mit anderen Worten wird also der Boden vom ebenen Abschnitt zwischen den Zylindern steil nach oben verlaufend ausgebildet bzw. wird ausgehend von einem ebenen Abschnitt im Bereich zwischen den Schrauben der Boden im freien Zylin- derlaufbuchsenbereich (Zylinderrohr zwischen den Schraubenbutzen) dachförmig ausgeführt. Der Kühlmantel kann dabei im Zylinderblock nach oben offen ausgebildet sein, wobei Zylinderkopfdichtung und Zylinderkopf eine Decke bilden. Alternativ kann auch eine einer Zylinderkopfdichtebene zugewandte Decke im Zylinderblock integriert sein. Anwendung findet dieses Design bei Zylinderblöcken mit moderaten Temperaturen und Temperaturverformungen, aber kritischer mechanischer Festigkeit und Zylinderrohrverformung, wie etwa Aluminium-Open- Deck-Konstruktionen mit relativ tiefem Kühlmantel .
Die Erfindung geht aus von einem strukturierten Boden für einen Kühlmantel eines Zylinderblocks, der vom Bereich zwischen den Zylindern zur Zylindermitte hin aufsteigend in Richtung der Zylinderkopfdichtfläche ausgeführt ist. Der Boden verläuft damit im Bereich zwischen den Zylindern mit größerem Abstand zur Zylinderkopfdichtfläche als in Zylindermitte.
Die Erfindung besteht also aus einem strukturierten Boden für den Kühlmantel des Zylinderblocks, der vom Bereich zwischen den Zylindern zur Zylindermitte hin stark aufsteigend in Richtung der Zylinderkopfdichtfläche ausgeführt ist, deutlich steiler als es bei existierenden Zylinderblöcken konstruiert wurde. Der Boden verläuft damit im Bereich zwischen den Zylindern mit wesentlich größerem Abstand zur Zylinderkopfdichtfläche als in Zylindermitte. Im ersten Abschnitt, also dem Bereich zwischen den Zylindern, wo sich die Zylin- derkopfschraubenbohrungen befinden, ist der Boden im Wesentlichen - das heißt unter Berücksichtigung von fertigungsbedingten Ungenauigkeiten - parallel zur Zylinderkopfdichtfläche und damit eben ausgeführt. Der ebene Bereich des ebenen ersten Abschnitts erstreckt sich dabei in Richtung einer parallel zur Kurbelwelle verlaufenden Motorlängsachse gemessen im Wesentlichen über eine Länge von mindestens dem Durchmesser einer Zylinderkopfschraube bis maximal dem Durchmesser bzw. der Breite eines Zylinderkopfschraubenbutzens des Zylinderkopfes.
Das bedeutet beispielsweise bei Verwendung einer M IO-Zylinderkopfschraube etwa 20 mm Butzendurchmesser. Grundsätzlich ist besagte Längserstreckung des ebenen ersten Abschnitts unabhängig davon, ob oberhalb des ebenen ersten Abschnitts tatsächlich eine Zylinderkopfschraube angeordnet ist oder nicht.
In einer Ausführung der Erfindung kann beispielsweise der ebene erste Abschnitt - in Richtung einer parallel zur Kurbelwelle verlaufenden Motorlängsachse gemessen - eine Länge zwischen 0,2 bis 0,5 des Bohrungsradius eines angrenzenden Zylinders aufweisen. Der erste Abschnitt beträgt damit beispielsweise 20 - 50 Prozent des Bohrungsradius eines angrenzenden Zylinders.
In Weiterführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Boden zwischen zumindest einer ersten Motorquerebene und einer zweiten Motorquerebene zumindest einen ebenen zweiten Abschnitt aufweist, welcher in einer zweiten Bezugsebene angeordnet ist, die einerseits geneigt zur ersten und zweiten Motorquerebene und andererseits normal zu einer durch die Zylinderachsen aufgespannten Motorlängsebene angeordnet ist. Der ebene zweite Abschnitt kann in einer praktischen Ausführung der Erfindung - in Richtung der Motorlängsachse gemessen - beispielsweise eine zweite Länge zwischen 0,3 bis 0,6 des Bohrungsradius eines angrenzenden Zylinders aufweisen. Der zweite Abschnitt beträgt damit beispielsweise 30 - 60 Prozent des Bohrungsradius eines angrenzenden Zylinders.
Besonders geringe Verformungen der Zylinder lassen sich erzielen, wenn die zweite Bezugsebene mit der ersten Bezugsebene einen Winkel von etwa 15° bis 50°, vorzugsweise etwa 30° bis 45°, einschließt.
Um eine homogene mechanische und thermische Belastung im Zylinderblock zu erreichen, sieht die Erfindung weiters vor, dass zumindest zwei zweite Abschnitte symmetrisch in Bezug zur ersten Motorquerebene und/oder zweiten Motorquerebene angeordnet sind.
Vom ebenen ersten Abschnitt ausgehend steigt der Boden des Kühlmantels des Zylinderblocks somit in dem genannten Winkelbereich in Richtung der Zylinder- kopfdichtf lache bis etwa zur Zylindermitte an und fällt dann unter gleicher Neigung ab bis zum nächsten, ebenen ersten Abschnitt im benachbarten Zwischenbereich zwischen zwei Zylindern.
Die Übergänge zwischen den ebenen ersten Abschnitten und den ansteigenden ebenen zweiten Abschnitten sind gusstechnisch verrundet und mit einem ersten Übergangsradius ausgeführt. Beim Übergang zwischen einem steil ansteigenden zweiten Abschnitt und einem anschließenden abfallenden zweiten Abschnitt ist ein zweiter Übergangsradius vorgesehen, welcher groß genug ist, damit es zu keinen Spannungskonzentrationen kommt. Mit Ausnahme dieser ersten und zweiten Übergangsradien zwischen den ersten und zweiten Abschnitten kann der Boden im Wesentlichen eben, also krümmungslos verlaufen.
Weiters kann im Rahmen der Erfindung der Kühlmantel drei verschiedene Höhen aufweisen, wobei ein dritter Abstand des Bodens von der Decke in zumindest einem stirnseitigen Bereich des Kühlmantels - vorzugsweise im Bereich einer durch die Zylinderachsen aufgespannten Motorlängsebene - geringer ist als der erste Abstand. Um im stirnseitigen Bereich des Zylinderblocks einerseits eine gute Wärmeabfuhr zu erreichen und andererseits möglichst geringe mechanische und thermische Spannungen zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn der dritte Abstand größer ist als der zweite Abstand.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich vom ebenen ersten Abschnitt in einer Richtung normal zur Längsachse des Zylinderblocks ein günstiger, abgerundeter Bereich, der fertigungstechnisch günstig ist, und darüber hinaus eine gute Krafteinleitung der Zylinderkopfschrauben ermöglicht.
Durch den ebenen Bodenbereich bei den Schraubenbutzen kann ein Teil der Schraubenkräfte direkt in den steifen Buchsenzwickelbereich geleitet werden.
Gleichzeitig wird ein größtmöglicher Abstand der Schrauben bzw. deren Gewinde vom Boden des Kühlmantels des Zylinderblocks ermöglicht.
Durch den daran anschließenden stark geneigten, aber nicht gekrümmten Boden, wird der andere Teil der Schraubenkräfte in den Boden und nicht direkt in die Zylinderlaufbuchse eingeleitet.
Dadurch kommt es zu einer Entlastung des Bodens des Kühlmantels, da die Krafteinleitung in die schrägen Flankenbereiche unterhalb der zweiten Abschnitte des Bodens umgelenkt wird.
Der Boden des Kühlmantels beschreibt einen Lastkegel und erlaubt damit eine Lasteinleitung von den Schraubenbutzen in die Zylinderlaufbuchse ohne Kraftum- leitung und damit mit größtmöglicher Gleichförmigkeit in einen größtmöglichen Laufbuchsenbereich. Dadurch wird der negative Einfluss eines niedrigen Kühlmantels auf den mechanischen Verzug der Zylinderlaufbuchse minimiert.
Damit wird die Zylinderlaufbuchsenverformung durch Schraubenkräfte im Vergleich zu bestehenden Designlösungen verringert.
Durch den konstant ansteigenden Verlauf des Bodens des Kühlmantels wird der Effekt der Einschnürung der Zylinderlaufbuchsen mit größtmöglicher Gleichmäßigkeit über die Höhe verteilt. Auch die Kühlwirkung des Kühlmantels wird über einen größtmöglichen Bereich entlang der Zylinderlaufbuchsenachse verteilt. Dadurch wird auch der negative Einfluss eines niedrigen Kühlmantels auf den vertikalen Verzug der Zylinderlaufbuchse und die thermische Einschnürung der Zylin- derlaufbuchses minimiert.
Durch die Erfindung wird die Einschnürung der Zylinderlaufbuchse durch den deutlich erhöhten Niveauunterschied des Bodens im Vergleich zu bestehenden Designkonzepten auf Grund einer Verteilung über eine größere Laufbuchsenhöhe entscheidend verringert. Entlang des Bodens kann sich keine ausgeprägte Kühlmittelströmung durch die Strukturierung ausbilden. Der dadurch lokal schlechtere Wärmeübergang führt zu leicht höheren Temperaturen in dem konzeptbedingt kühlsten Bereich der Zylinderlaufbuchse und verringert damit weiter die Einschnürung. (Unterhalb des Kühlmantels liegt die Wandtemperatur näher bei der höheren Öltemperatur als bei der niedrigeren Kühlmitteltemperatur des unteren Kühlmantels.)
Die leichte Erhöhung der Wandtemperatur im kühlsten Zylinderlaufbuchsenbe- reich hat darüber hinaus auch einen positiven Effekt auf die Kolben- und Kolbenringreibung, da die hydrodynamische Reibung auf Grund der temperaturbedingt geringeren Viskosität abnimmt.
Für die globale Kühlung des Zylinderblocks hat die Strömung im unteren Kühlmantel keinen entscheidenden Einfluss, da das aus dem Stand der Technik bekannte Querstromkonzept, welches für die Zylinderkopfkühlung bei hochbelasteten Motoren eingesetzt wird, eine gute Strömung im oberen Kühlmantel und zwischen den Zylindern bei Stegkühlung sicherstellt.
Durch die Erfindung ist auch im Zwischenzylinderbereich ein relativ großer, tiefreichender Strömungsquerschnitt ausgebildet, welcher zusammen mit dem ebenen Boden eine große Oberfläche für den Wärmeübergang bereitstellt. Dadurch kann auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten ausreichende Wärmeabfuhr erfolgen. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig.1 einen Kühlmantel eines erfindungsgemäßen Zylinderblocks in einer
Schrägansicht;
Fig.2 den Kühlmantel in einer Seitenansicht;
Fig.3 den Kühlmantel in einer Draufsicht; und
Fig.4 einen Kühlmantel eines erfindungsgemäßen Zylinderblocks in einer stirnseitigen Ansicht.
Die Figuren zeigen einen Zylinderlaufbuchsen umgebenden Kühlmantel 1 eines nicht weiter dargestellten Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern 2. Der Boden 3 des Kühlmantels 1 ist - wie in Fig.1 und Fig .2 ersichtlich - wellenartig geformt, sodass der Abstand H des Bodens 3 von einer Decke 4 des Kühlmantels 1, in Richtung einer Längsachse 5 des Zylinderblockes betrachtet, zu - und abnimmt. Die Decke 4 befindet sich dabei im Bereich einer Zylinder- kopfdichtebene 4a des Zylinderblocks. Die Längsachse 5 wird beispielsweise durch eine nicht weiterdargestellte Kurbelwelle oder eine Parallele dazu gebildet. Im Detail ist ein erster Abstand Hi im Bereich einer zwischen zwei Zylindern 2 - beispielsweise durch die Achsen 6 der Zylinderkopfschraubenbohrungen 7 für die Zylinderkopfschrauben - verlaufenden ersten Motorquerebene 8 größer, als ein zweiter Abstand H2 im Bereich einer jeweils ein Zylinderachse 9 beinhaltenden zweiten Motorquerebene 10.
Weiters ist jeweils im stirnseitigen (also nach außen gewandten) Bereich la, lb der Randzylinder - insbesondere im Bereich einer durch die Zylinderachsen 9 aufgespannten Motorlängsebene 11 - ein dritter Abstand H3 zwischen dem Boden 3 und der Decke 4 des Kühlmantels 1 geringer als der erste Abstand Hi, größer als der zweite Abstand H2. Der dritte Abstand H3 zwischen der Decke 4 und dem Boden 3 beträgt im stirnseitigen Bereich 8 der Stirnseite la, lb beispielsweise etwa 50 bis 80 Prozent des ersten Abstandes Hi zwischen der Decke 3 und dem Boden 2 im Bereich der ersten Motorquerebene 8. Dadurch werden in diesen Bereichen lediglich geringe mechanische und thermische Spannungen erzeugt.
Gemäß der Erfindung weist der Boden 3 des Kühlmantels 1 im Bereich der ersten Motorquerebene 8 zumindest einen in einer ersten Bezugsebene ε. angeordneten ebenen ersten Abschnitt 12 beidseits der ersten Motorquerebene 8 verlaufend auf, wobei die erste Bezugsebene ε. parallel zur Zylinderkopfdichtebene 4a des Zylinderblockes ausgebildet ist. Die erste Länge Li des ersten Abschnittes 12 liegt im Idealfall zwischen den Durchmesser d einer Zylinderkopfschrauben- bohrung 6 und dem Durchmesser bzw. der Breite eines Zylinderkopfschrauben- butzens. Im Ausführungsbeispiel weist der ebene erste Abschnitt 12 eine erste Länge U auf, welche zwischen 0,2 bis 0,5 (bzw. 20 - 50 Prozent) des Bohrungsradius R eines angrenzenden Zylinders 2 liegt.
Zwischen der ersten Motorquereben 8 und der zweiten Motorquerebene 10 weist der Boden 3 zumindest einen ebenen zweiten Abschnitt 13 auf, welcher in einer zweiten Bezugsebene ε2 angeordnet ist, die einerseits geneigt zur ersten Motorquerebene 8 und zur zweiten Motorquerebene 10 und andererseits normal zur durch die Zylinderachsen 9 aufgespannten Motorlängsebene 11 angeordnet ist. Der ebene zweite Abschnitt 13 weist - in Richtung der Motorlängsachse 5 gemessen - eine zweite Länge L2 zwischen 0,3 bis 0,6 (bzw. 30 - 60 Prozent) des Bohrungsradius R eines angrenzenden Zylinders 2 auf. Die zweite Bezugsebene ε2 schließt mit der ersten Bezugsebene ε. einen Winkel α von etwa 15° bis 50°, vorzugsweise etwa 30° bis 45°, ein.
Vom ebenen ersten Abschnitt 12 ausgehend steigt der Boden 3 des Kühlmantels 1 des Zylinderblocks - in Fig. 2 betrachtet - somit in dem genannten Winkelbereich α in Richtung der Zylinderkopfdichtfläche 4a bis etwa zur Zylindermitte bzw. der zweiten Motorquerebene 10 Zylindermitte an und fällt dann unter gleicher Neigung ab bis zum nächsten, ebenen ersten Abschnitt 12 im benachbarten Bereich der ersten Motorquerebene 8 zwischen zwei Zylindern 2.
Die Übergänge zwischen den ebenen ersten Abschnitten 12 und den ansteigenden ebenen zweiten Abschnitten 13 sind gusstechnisch verrundet und mit einem ersten Übergangsradius ri ausgeführt. Beim Übergang im Bereich der zweiten Motorquerebene 10 zwischen einem steil ansteigenden zweiten Abschnitt 13 und einem anschließenden abfallenden zweiten Abschnitt 13 ist ein zweiter Übergangsradius r2 vorgesehen, welcher groß genug ist, damit es zu keinen Strömungsabrissen oder Turbulenzen in der Kühlmittelströmung des Kühlmantels 1 kommt. Bis auf die ersten Übergangsradien ri und zweiten Übergangsradien r2 zwischen den ersten Abschnitten 12 und zweiten Abschnitten 13 verläuft der Boden 3 im Wesentlichen ohne jegliche Krümmungen, also eben.
Wie insbesondere aus den Fig. 1 und Fig. 2 hervorgeht, ergibt sich vom ebenen ersten Abschnitt 12 ausgehend in einer Richtung normal zur Längsachse 5 des Zylinderblocks ein abgerundeter Bereich, der fertigungstechnisch günstig gestaltet ist und eine gute Krafteinleitung der Zylinderkopfschrauben in den Zylinderblock erlaubt. Gleichzeitig wird ein größtmöglicher Abstand der Zylinderkopf- schraubenbohrungen 7 vom Boden 3 des Kühlmantels 1 des Zylinderblocks ermöglicht. Dadurch kommt es zu einer Entlastung des Bodens 3 des Kühlmantels 1, da die Krafteinleitung in die schrägen Flankenbereiche unterhalb der zweiten Abschnitte 13 des Bodens 3 umgelenkt wird. Der Boden 3 des Kühlmantels 1 beschreibt einen Lastkegel und erlaubt damit eine Lasteinleitung von den Schrau- benbutzen in die Zylinderlaufbuchse ohne Kraftumleitung und damit mit größtmöglicher Gleichförmigkeit in den größtmöglichen Bereich der Zylinderlaufbuchse. Dadurch wird der negative Einfluss eines niedrigen Kühlmantels auf den mechanischen Verzug der Zylinderlaufbuchse minimiert.
Durch den konstant ansteigenden Verlauf des Bodens 3 des Kühlmantels 1 wird der Effekt der Einschnürung der Zylinderlaufbuchsen mit größtmöglicher Gleichmäßigkeit über die Höhe verteilt. Ebenso wird kann die Kühlwirkung des Kühlmantels 1 über einen größtmöglichen Bereich entlang der Zylinderlaufbuchsen- achse verteilt werden. Dadurch wird auch der negative Einfluss eines niedrigen Kühlmantels auf den vertikalen Verzug der Zylinderlaufbuchse und die thermische Einschnürung der Zylinderlaufbuchse minimiert.
Durch die V- bzw. A-Form des Bodens 3 des Kühlmantels im Bereich der zweiten Motorquerebene 10 kann eine eventuell vorhandene, an der Außenwand des Zylinderblockes in Richtung der Zylinderachse verlaufende Versteifungsrippe, welche auch als Akustikrippe bezeichnet wird, besser in die Zylinderblockstruktur eingebaut werden und somit der Verzug der Zylinderlaufbuchse vermindert werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit zumindest einem einen Kühlmantel (1) aufweisenden Zylinderblock mit mehreren Zylindern (2), wobei der Kühlmantel (1) einen einem Kurbelraum zugewandten Boden (3) und eine einer Zylinderkopfdichtebene (4a) zugewandte Decke (4) aufweist und der Boden (3) - in einer Seitenansicht auf den Zylinderblock betrachtet - einen wellenartigen Verlauf aufweist, wobei - jeweils in Richtung der Zylinderachse (9) gemessen - ein erster Abstand (Hi) im Bereich zumindest einer ersten Motorquerebene (8) zwischen zwei benachbarten Zylindern
(2) größer ist als ein zweiter Abstand (H2) des Bodens
(3) des Kühlmantels (1) von der Decke
(4) im Bereich zumindest einer die Zylinderachse (9) beinhaltenden zweiten Motorquerebene (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (3) des Kühlmantels (1) im Bereich einer ersten Motorquerebene (8) zumindest einen in einer ersten Bezugsebene (ε.) angeordneten ebenen ersten Abschnitt (12) aufweist, wobei vorzugsweise die erste Bezugsebene (ει) parallel zur Zylinderkopfdichtebene (4a) des Zylinderblockes ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ebene erste Abschnitt (12) beidseits einer ersten Motorquerebene (8) verlaufend ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ebene erste Abschnitt (12) - in Richtung einer parallel zur Kurbelwelle verlaufenden Motorlängsachse (5) gemessen - eine Länge (Li) aufweist, welche mindestens dem Durchmesser (d) einer Zylinderkopfschrau- benbohrung (7) entspricht.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ebene erste Abschnitt (12) - in Richtung einer parallel zur Kurbelwelle verlaufenden Motorlängsachse
(5) gemessen - eine erste Länge (Li) aufweist, welche maximal dem Durchmesser bzw. der Breite eines Zylinderkopfschraubenbutzens de Zylinderblocks entspricht.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (3) zwischen zumindest einer ersten Motorquerebene (8) und einer zweiten Motorquerebene (10) zumindest einen ebenen zweiten Abschnitt (13) aufweist, welcher in einer zweiten Bezugsebene (ε2) angeordnet ist, die einerseits geneigt zur ersten Motorquerebene (8) und zweiten Motorquerebene (10), und andererseits normal zu einer durch die Zylinderachsen (9) aufgespannten Motorlängsebene (11) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ebene zweite Abschnitt (13) - in Richtung der Motorlängsachse (5) gemessen - eine zweite Länge (L2) zwischen 0,3 bis 0,6 des Bohrungsradius (R) eines angrenzenden Zylinders (2) aufweist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bezugsebene (ε2) mit der ersten Bezugsebene (ε.) einen Winkel (a) von etwa 15° bis 50°, vorzugsweise etwa 30° bis 45°, einschließt.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei zweite Abschnitte (13) symmetrisch in Bezug zur ersten Motorquerebene (8) und/oder zweiten Motorquerebene (10) angeordnet sind.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (1) zumindest drei verschiedene Abstände (Hi, H2, H3) zwischen Boden (3) und Decke (4) aufweist, wobei ein dritter Abstand (H3) des Bodens (3) von der Decke (4) in zumindest einem stirnseitigen Bereich (la, lb) des Kühlmantels (1) - vorzugsweise im Bereich einer durch die Zylinderachsen (9) aufgespannten Motorlängsebene (11) - geringer ist als der erste Abstand (Hi) .
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abstand (H3) größer ist als der zweite Abstand (H2).
2016 05 04
Fu
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