WO2017080636A1

WO2017080636A1 - "common-rail" wassermantel

Info

Publication number: WO2017080636A1
Application number: PCT/EP2016/001827
Authority: WO
Inventors: Andreas Boemer; Marco Jung
Original assignee: Deutz Aktiengesellschaft
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2017-05-18
Also published as: DK3374620T3; DE102015014514B4; US10954844B2; EP3374620A1; DE102015014514A1; US20180347443A1; EP3374620B1; ES2918500T3

Abstract

Beschrieben wird eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Zweikreiswasserkühlung, umfassend ein Kurbelgehäuse und wenigstens ein vor dem Kurbelgehäuse angeordnetes und mit diesem kommunizierendes Kühlmittel aufnehmendes Eintritts- und/oder Auslass-Rail, wenigstens einen Kühlmittel führenden Zylinderkopf und wenigstens ein nach dem und mit dem Zylinderkopf kommunizierendes Kühlmittel aufnehmendes Aus-lass- und/oder Einlass-Rail.

Description

„Common-Rail" Wassermantel

B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft eine Zweikreiswasserkühlung einer Brennkraftmaschine.

Derartige Brennkraftmaschinen sind z. B. aus der DE 196 28 762 A1 be- kannt, diese zeigt einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem gegossenen Zylinderblock mit einem Kühlwassermantel, einem Zylinderkopf mit Kühlwasserkanälen, einer gemeinsamen Flanschfläche zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock, sowie mit Kühlwasserführungen innerhalb des Zylinderblocks, die als Zuführ- oder Rückführkanäle ausgebildet sind, von denen mindestens eine Kühlwasserführung in die Flanschfläche mündet, wobei zwischen dem Kühlwassermantel und mindestens einer der Kühlwasserführungen eine Verbindung in Form eines von der Flanschfläche ausgehenden in den Zylinderblock eingegossenen Schlitzes besteht. Bei bisherigen bekannten Kühlwassermänteln wird das Wasser in unterschiedlicher Weise von der Pumpe zu den zu kühlenden Passagen im Kurbelgehäuse geleitet. Meist gibt es nur einen oder maximal zwei Eintritte in den Wassermantel des Kurbelgehäuses. Das Thermostat ist meist an einer Stirnseite des Zylinderkopfes angebracht. Dadurch entstehen ungleichmä- ßige Verteilungen des Wassers auf die einzelnen Zylinder, die nur durch angepasste Verkleinerungen der Durchtritte in der Zylinderkopfdichtung ausgeglichen werden können. Diese Durchtrittsverkleinerungen führen zu erhöhten Druckverlusten, erhöhter Pumpenleistung und damit letztendlich zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Das durch die Dichtungsdurchtritte vom Kurbelgehäuse in den Kopf strömende Wasser kann den Kopf nur auf einer Seite verlassen, wodurch eine stark unterschiedliche Wasserversorgung der einzelnen Bereiche im Kopf unvermeidbar ist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen zu schaffen, die Kühlmittelströme weitgehend verlustarm zu den Kühlstellen führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Zweikreiswasserkühlung, umfassend ein einen Wassermantel aufweisendes Kurbelgehäuse und wenigstens ein vor dem Kurbelgehäuse angeordnetes und mit diesem kommunizierendes, Kühlmittel aufnehmendes Eintritts- und/oder Auslass-Rail, wenigstens einen Kühlmittel führenden Zylinderkopf und wenigstens ein nach dem und mit dem Zylinderkopf kommunizierendes, Kühlmittel aufnehmendes Aus- lass- und/oder Einlass-Rail. Und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt.

Hierbei ist von Vorteil, dass der Kühlkreislauf einen geringen Druckverlust und eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels aufweist. Dies spart Pumpenleistung, erzeugt geringeren Zylinderverzug und sorgt für effektive Kühlwirkung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 : einen Standard Einkreis-Wasserkreislauf

Figur 2: „Common-RaN" Wassermantel, Einkreis-Wasserkreislauf

Figur 3: „Common-RaN" Wassermantel, Zweikreis-Wasserkreislauf

Figur 4: „Common-RaN" Wassermantel, Zweikreis-Wasserkreislauf mit Ölkühler im Einlass-Rail Figur 5: die Wasserführung im Kurbelgehäuse mit Strömungsleitschaufeln auf der Einlassseite

Figur 6: die Wasserführung im Kurbelgehäuse mit Strömungsleitschaufeln auf der Einlass- und Auslassseite

Figur 7: die Wasserführung zwischen den Ventilen

Figur 8: den Brennboden.

In Figur 1 wird beispielhaft ein Standard Einkreis-Wasserkreislauf dargestellt, mit Brennkraftmaschine 1 , die ein Kurbelgehäuse 2 und einen darauf befestigten Zylinderkopf 3 aufweist. Der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 weist eine Kühlmittelpumpe 4 auf, nach der in Strömungsrichtung des Kühlmittels ein Motorölkühler (MÖK) 5 angeordnet ist. In Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Motorölkühler (MÖK) 5 verzweigt sich der Kühlmittelstrom in den Abgasrückführung(AGR)s-Kühler 6 und das Kur- belgehäuse 2. Nachdem das Kühlmittel das Kurbelgehäuse 2 durchströmt hat, erreicht es den Zylinderkopf 3. Nachdem das Kühlmittel den Zylinderkopf 3 durchströmt hat, vereinigt es sich mit dem Teilstrom des Kühlmittels, der aus dem Abgasrückführung(AGR)s-Kühler 6 strömt. Dieser vereinigte Kühlmittelstrom erreicht nun den Thermostat 7, der den Kühlmittelstrom je nach Arbeitsstellung entweder direkt zur Kühlmittelpumpe 4 leitet oder den Umweg über den Kühler 8 nehmen lässt.

Figur 2 zeigt beispielhaft einen „Common-Rail" Wassermantel-Einkreis- Wasserkreislauf.

Vorteilhaft aus Kühlungssicht ist ein im Wesentlichen in Querrichtung strömender Wasserfluss im Kurbelgehäuse 2 und im Zylinderkopf 3.

Vor dem Eintritt ins Kurbelgehäuse ist ein Eintrittsvolumen („Common Rail") angebracht, in das das Wasser aus der Pumpe verlustarm einströmen kann. Aus diesem Rail werden die Wasserströme gleichmäßig zu den einzelnen Zylindern geleitet. Außerdem kann aus diesem Rail Wasser für andere Kühler wie z. B. AGR-Kühler und Motorölkühler bedarfsgerecht entnommen werden. Die jeweiligen Wassermengenströme können durch die Querschnitte angepasst werden. Das Rail sollte im Optimalfall konisch sein, um gleichmäßige Wassergeschwindigkeiten und verlustarme Wasserentnahmen zu ermöglichen. Nachdem das Wasser die Zylinderpassagen im Kurbelgehäuse quer durchströmt hat, strömt es durch die Zylinderkopf- dichtung auf der anderen Seite nach oben in den Kopf. Der Kopf wird anschließend ebenfalls quer durchströmt. Das Wasser strömt beim Verlassen des Kopf-Bereiches (im Idealfall auf der Seite der Auslasskanäle, um dort maximal zu kühlen) in ein zweites Volumen, das Auslass-Rail, das ebenfalls entsprechend den Wassermengen konisch geformt sein sollte. Von dort strömt das Wasser in üblicher Weise weiter zum Thermostat. Für einen Einkreis-Wasserkreislauf ist das schematisch in Figur 2 dargestellt.

Dargestellt wird die Brennkraftmaschine 1 , die ein Kurbelgehäuse 2 und einen darauf befestigten Zylinderkopf 3 aufweist. Der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 weist eine Kühlmittelpumpe 4 auf, nach der in Strömungsrichtung des Kühlmittels ein Einlass-Rail 9 angeordnet ist, wobei sich der Kühlmittelstrom in Strömungsrichtung in einen Motorölkühler (MÖK) 5 und einen Abgasrückführung(AGR)s-Kühler 6, die vor oder nach dem Einlass-Rail 9 angeordnet sind und in das Kurbelgehäuse 2 verzweigt. In Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Motorölkühler (MÖK) 5 und dem Abgasrückführung(AGR)s-Kühler 6 vereinigt sich der Kühlmittelstrom mit dem Kühlmittelteilstrom, der aus dem Auslass-Rail 10 austritt. Das Kühlmittel des aus dem Einlass-Rail 9 stammenden Teilstroms durchströmt das Kurbelgehäuse 2, nachdem es das Kurbelgehäuse 2 durch- strömt hat, erreicht es den Zylinderkopf 3. Nachdem das Kühlmittel den Zylinderkopf 3 durchströmt hat, strömt es in das Auslass-Rail 10. Dieser aus Auslass-Rail 10, MÖK 5 und AGR 6 stammende und vereinigte Kühlmittelstrom erreicht nun den Thermostat 7, der den Kühlmittelstrom je nach Arbeitsstellung entweder direkt zur Kühlmittelpumpe 4 leitet oder den Umweg über den Kühler 8 nehmen lässt.

Bei Verwendung eines Zweikreis-Wasserkreislaufs nach Figur 3 („Split Cooling") werden zwei getrennte Auslass-Rails verwendet, sodass die Kühlung des Kurbelgehäuses für schnelleres Aufwärmen des Motors mit einer geregelten Klappe abgeschaltet werden kann. Ein solches Schema ist in Figur 3 dargestellt.

Figur 3 offenbart einen„Common-RaM" Wassermantel - Zweikreis-Wasser- kreislauf mit„Split Cooling", (Fig. 3 + 4).

Vorteilhaft aus Kühlungssicht ist ein im Wesentlichen in Querrichtung strömender Wasserfluss im Kurbelgehäuse 2 und im Zylinderkopf 3 und die Abschaltbarkeit der Kurbelgehäusekühlung zur schnelleren Erwärmung des Motors.

In Figur 3 wird beispielhaft die Brennkraftmaschine 1 gezeigt, die ein Kurbelgehäuse 2 und einen darauf befestigten Zylinderkopf 3 aufweist. Der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 weist eine Kühlmittelpumpe 4 auf, nach der in Strömungsrichtung des Kühlmittels ein Einlass-Rail 9 angeordnet ist, wobei sich der Kühlmittelstrom in Strömungsrichtung in einen Motorölkühler (MÖK) 5 und einen Abgasrückführung(AGR)s-Kühler 6, die nach dem Einlass-Rail 9 angeordnet sind und in das Kurbelgehäuse 2 und den Zylinderkopf 3 verzweigt. In Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Motorölkühler (MÖK) 5 und dem Abgasrückführung(AGR)s-Kühler 6 vereinigt sich der Kühlmittelstrom mit dem Kühlmittelteilstrom, der aus dem Auslass-Rail 10 des Zylinderkopfs und dem Auslass-Rail 11 des Kurbelgehäuses austritt. Der aus dem Auslass-Rail 11 des Kurbelgehäuses austretende Teilstrom des Kühlmittels durchströmt eine geregelte Klappe 12, die mit der nicht dargestellten Motorsteuerung kommuniziert. Die geregelte Klappe 12 ist in der Lage, den aus dem Auslass-Rail 11 des Kurbelgehäuses stammenden Kühlmittelstrom mengenmäßig zu steuern oder zumindest ein- und auszuschalten. Der Durchflussbereich der geregelten Klappe liegt zwischen den Randbedingungen „voller Durchfluss" und „komplett ver- schlössen". Das Kühlmittel des aus dem Einlass-Rail 9 stammenden Teilstroms durchströmt einerseits das Kurbelgehäuse 2 und den Zylinderkopf 3. Nachdem das Kühlmittel das Kurbelgehäuse 2 durchströmt hat, erreicht es das Auslass-Rail 11. Nachdem der andere Teilstrom des Einlass-Rail- Kühlmittels den Zylinderkopf 3 durchströmt hat, strömt es in das Auslass- Rail 10 des Zylinderkopfs. Dieser aus Auslass-Rail 10, Auslass-Rail 1 1 , MÖK 5 und AGR 6 stammende und vereinigte Kühlmittelstrom erreicht nun den Thermostat 7, der den Kühlmittelstrom, je nach Arbeitsstellung, entweder direkt zur Kühlmittelpumpe 4 leitet oder den Umweg über den Kühler 8 nehmen lässt.

In beiden Fällen wird durch den„Common-Rail" Wassermantel eine besonders effektive, gleichmäßige und druckverlustarme Querstromkühlung von Kurbelgehäuse 2 und Zylinderkopf 3 möglich. Die Details müssten mit Hilfe von CFD-Berechnungen ausgelegt werden.

In Figur 4 wird ein „Common-Rail" Wassermantel mit Zweikreis-Wasserkreislauf und Ölkühler 13 im Einlass-Rail 9 dargestellt. Vorteilhaft aus Kühlungssicht ist ein im Wesentlichen in Querrichtung strömender Wasserfluss im Kurbelgehäuse 2 und im Zylinderkopf 3.

Fig. 4 zeigt beispielhaft die Brennkraftmaschine 1 , die ein Kurbelgehäuse 2 und einen darauf befestigten Zylinderkopf 3 aufweist. Der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 weist eine Kühlmittelpumpe 4 auf, nach der in Strömungsrichtung des Kühlmittels ein Einlass-Rail 9 angeordnet ist, wobei sich der Kühlmittelstrom in Strömungsrichtung in einen Motorölkühler (MÖK) 5 und einen Abgasrückführungs(AGR)s-Kühler 6, die nach dem Einlass-Rail 9 angeordnet sind und in das Kurbelgehäuse 2und den Zylin- derkopf 3 verzweigt. In Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Motorölkühler (MÖK) 5 und dem Abgasrückführungs(AGR)s-Kühler 6 vereinigt sich der Kühlmittelstrom mit dem Kühlmittelteilstrom, der aus dem Auslass- Rail 10 des Zylinderkopfs und dem Auslass-Rail 11 des Kurbelgehäuses austritt. Der aus dem Auslass-Rail 11 des Kurbelgehäuses austretende Teilstrom des Kühlmittels durchströmt eine geregelte Klappe 12, die mit der nicht dargestellten Motorsteuerung kommuniziert. Die geregelte Klappe 12 ist in der Lage, den aus dem Auslass-Rail 1 1 des Kurbelgehäuses stammenden Kühlmittelstrom mengenmäßig zu steuern. Der Durchflussbereich der geregelten Klappe liegt zwischen den Randbedingungen„voller Durch- fluss" und „komplett verschlossen". Das Kühlmittel des aus dem Einlass- Rail 9 stammenden Teilstroms durchströmt einerseits das Kurbelgehäuse 2 und den Zylinderkopf 3. Nachdem das Kühlmittel das Kurbelgehäuse 2 durchströmt hat, erreicht es das Auslass-Rail 11. Nachdem der andere Teilstrom des Einlass-Rail-Kühlmittels den Zylinderkopf 3 durchströmt hat, strömt es in das Auslass-Rail 10 des Zylinderkopfs. Dieser aus Auslass- Rail 10, Auslass-Rail 11 , MÖK 5 und AGR 6 stammende und vereinigte Kühlmittelstrom erreicht nun den Thermostat 7, der den Kühlmittelstrom je nach Arbeitsstellung entweder direkt zur Kühlmittelpumpe 4 leitet oder den Umweg über den Kühler 8 nehmen lässt.

Figur 5 zeigt beispielhaft die Wasserführung im Kurbelgehäuse 2 der sechszylindrigen Brennkraftmaschine 1 mit als Krallen ausgebildeten Strömungsleitschaufeln 14 auf der Einlassseite. Die Strömungsleischaufeln sind als Ersatz oder Ergänzung für die konische Form des Rails zu sehen. In Fig. 6 sind sie beispielhaft nicht konisch ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 1 weist in der Wassermantelführung krallenartige Strömungsleitschaufeln 14 auf. Die krallenartige Wassermantelführung weist eine individuelle Tiefe x(1-6) zwischen den Endspitzen der Strömungsleitschaufeln 14 auf. In Figur 5 ist zu sehen, dass die hier konisch ausgeführten Auslass- 10 und/oder Einlass- 9 Rails Bestandteil des Wassermantels sind. Die Strömung der Kühlflüssigkeit erfolgt innerhalb der Strömungsleitschaufeln nach oben in den Zylinderkopf 15. Die Tiefe x wird mittels CFD ausgelegt. Figur 6 zeigt die Wasserführung im Kurbelgehäuse 2 der in diesem Beispiel sechszylindrigen Brennkraftmaschine 1 mit als Krallen ausgebildeten Strömungsleitschaufeln 14 auf der Einlass- und Auslassseite. Die Brennkraftmaschine 1 weist in der Wassermantelführung krallenartige Strömungsleitschaufeln 14 auf, die sowohl auf der Einlass- als auch auf der Auslassseite angeordnet sind. Die krallenartige Wassermantelführung weist eine individuelle Tiefe a(1 -6), e(1-6) zwischen den Endspitzen der Strömungsleitschaufeln 14 auf. Damit kann eine gezielte und verlustarme Strömungsführung erreicht werden. In Figur 6 ist zu sehen, dass die Auslass- 10, 11 und/ oder Einlass- 9 Rails Bestandteil des Wassermantels sind. In Figur 7 wird die Wasserführung zwischen den Ventilen im Zylinderkopf 3 gezeigt. In Figur 7 wird die Wasserführung zwischen den Auslassventilen 15, den Einlassventilen 16 und dem Injektor 17 dargestellt. Der Hauptkühlwasserstrom erfolgt zwischen den heißen Auslasskanälen. Die Abstände a, b, c, d zwischen den Ventilen werden mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) ausgelegt.

Figur 8 zeigt den Brennboden 19 entlang der Schnittlinie A-A bzw. B-B zwischen den Ventilen 15, 16 im Zylinderkopf 3. Zur besseren Kühlung des Brennbodens 19 erfolgt eine Ausbeulung des Wassermantels nach unten mit individuell ausgelegten nasenartigen Strömungsleitschaufeln 18.

Bezugszeichen

1 Brennkraftmaschine

2 Kurbelgehäuse

3 Zylinderkopf

4 Kühlmittelpumpe

5 Motorölkühler (MÖK)

6 Abgasrückführung (AGR)

7 Thermostat

8 Kühler

9 Einlass-Rail

10 Auslass-Rail

1 1 Auslass-Rail

12 Geregelte Klappe

13 Ölkühler

14 Strömungsleitschaufeln

15 Auslassventil

16 Einlassventil

17 Injektor

18 Strömungsleitschaufeln

19 Brennboden

Claims

„Common-Rail" Wassermantel A N S P R Ü C H E

1. Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Zweikreiswasserkühlung, umfassend ein einen Wassermantel aufweisendes Kurbelgehäuse und wenigstens ein vor dem Kurbelgehäuse angeordnetes und mit diesem kommunizierendes Kühlmittel aufnehmendes Eintritts- und/oder Auslass- Rail, wenigstens einen Kühlmittel führenden Zylinderkopf und wenigstens ein nach dem und mit dem Zylinderkopf kommunizierendes Kühlmittel aufnehmendes Auslass- und/oder Einlass-Rail.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass das Einlass-Rail (9) derart ausgestaltet ist, dass es sowohl mit dem Kurbelgehäuse (2) als auch mit dem Zylinderkopf (3) kommuniziert.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das Eintritts-Rail (10, 11 ) konisch ausgeführt ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass das Auslass-Rail konisch ausgeführt ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermantelführung krallenartig ausgeführt ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die krallenartige Wassermantelführung Strömungsleitschaufeln (14) aufweist.

7. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die krallenartige Wassermantelführung eine individuelle Tiefe Xi , ai und aufweist.

8. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Auslass- ( 10, 1 1 ) und/oder Einlass- (9) Rails Bestandteil des Wassermantels sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass im Einlass-Rail (9) wenigstens ein AGR- Kühler (6) integriert ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasser-Hauptströmung zwischen den heißen Auslasskanälen hindurchströmt.

1 1 . Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass zum Brennboden (19) hin nasenartig ausgebeulte Strömungsleitschaufeln (18) zwischen den Ein- ( 16) und Auslass (15) -kanälen angeordnet sind.

12. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt.