DE19503961A1

DE19503961A1 - Zylinderblock für flüssigkeitsgekühlten Motor

Info

Publication number: DE19503961A1
Application number: DE19503961A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Noda; Tsuyoshi Masuda; Yutaka Matayoshi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2015-02-08
Also published as: DE19503961C2; US5542381A

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderblock für einen flüssig keitsgekühlten Motor, und mehr im einzelnen die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit in einem Zylinderblock.

Die Kühlung eines flüssigkeitsgekühlten Mehrzylindermotors wird im allgemeinen durchgeführt durch Bilden eines Kühlwas sermantels außerhalb der Zylinderwände, die den Zylinder bil den, und Zirkulieren einer Kühlflüssigkeit durch einen zwi schen diesen Wänden gebildeten Kühlkanal.

In einem Zylinderblock, der durch einen kleinen Abstand ge trennte zylindrische Motorzylinder umfaßt, bekannt als siame sischer Zylinderblock, sind benachbarte Zylinderwände mitein ander verbunden, und so werden Vertiefungen oder Rinnen in dem Kühlkanal an den Seiten der Verbindungen gebildet.

Ein horizontaler Schnitt des Kühlflüssigkeits-Zirkulationska nals erscheint daher als eine Mehrzahl von Bögen, die durch die Ausbauchung der Zylinder gebildet werden, wobei diese Bö gen durch Vertiefungen verbunden sind. Bei den Punkten, wo diese Vertiefungen gelegen sind, ist der Kühlflüssigkeitska nal unter einem spitzen Winkel gebogen, und da diese Biegun gen das glatte Strömen der Kühlflüssigkeit behindern, sind sie vom Standpunkt der Wärmeabstrahlung unerwünscht. Fig. 16 zeigt die Verteilung der Kühlflüssigkeits-Strömungsmenge oder -geschwindigkeit und die Verteilung der Wärmeübertragungsge schwindigkeit unter diesen Bedingungen. Es ist ersichtlich, daß dort, wo die Vertiefungen 6 gelegen sind, die Strömungs geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit kleiner ist und die Wär meübertragungsgeschwindigkeit ebenfalls kleiner ist.

Tokkai Hei 4-136461, veröffentlicht durch das japanische Pa tentamt in 1992, schlägt vor, die Breite des Kühlwasserman tels bei der Mitte entlang seiner Länge zu vermindern, um auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit durch die Vertiefungen zu erhöhen.

In diesem Fall variiert jedoch der Querschnittsbereich des Kühlwassermantels stark, was erhöhten Widerstand gegen die Flüssigkeitsströmung und eine erhöhte Belastung der die Kühl flüssigkeit zirkulierenden Wasserpumpe verursacht.

Da der Zylinderblock im allgemeinen aus einer Gußeisenkon struktion besteht, wird außerdem die Dicke des Einsatzes, der während dem Gießprozeß zum Bilden des Kanals verwendet wird, kleiner an Punkten, bei denen der Querschnitt des Kanals eine große Veränderung erfährt. Die Festigkeit des Einsatzes neigt daher dazu, unzureichend zu sein, und macht das Gießen schwierig.

Das Hauptziel der Erfindung besteht deshalb darin, das Zylin derkühlungsverhalten zu verbessern, ohne wesentliche Änderun gen an der Kanalquerschnittsfläche vorzunehmen.

Um das genannte Ziel zu erreichen, schafft die Erfindung einen flüssigkeitsgekühlten Motorzylinderblock mit einer Mehrzahl von Zylindern, die in Reihe angeordnet sind, wobei die Zylinder gebildet werden durch Zylinderwände, bei denen benachbarte Zylinderwände miteinander verbunden sind, und mit einem Kühlwassermantel, der durch eine Kühlwassermantelwand gebildet wird, welche den äußeren Umkreis der Zylinderwände derart überdeckt, daß ein Kanal für Kühlflüssigkeit gebildet wird durch die Kühlwassermantelwand und die Zylinderwände in der zu den Achsen der Zylinder senkrechten Richtung. Der Zy linderblock umfaßt ferner eine Führungsrippe, die wirksam bei der Seite des Zentrums eines Zylinders innerhalb des Kanals so vorgesehen ist, daß sie einen Strom der Kühlflüssigkeit vertikal aufteilt. Die Führungsrippe umfaßt zwei Führungs glieder, die sich in Aufwärts- und Abwärtsrichtung von ihren Stromaufenden erstrecken, welche in einer im wesentlichen zentralen Position in der vertikalen Breite des Kanals gele gen sind.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Führungsrippe eine V-Gestalt auf, deren Spitze durch die Stromaufenden der Füh rungsglieder gebildet wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist die Führungs rippe eine Bogengestalt auf, wobei die Zentren des Bogens durch die Stromaufenden der Führungsglieder gebildet werden.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Füh rungsrippe in einem einstückigen Aufbau mit der Kühlwasser mantelwand ausgebildet, und es besteht ein Zwischenraum zwi schen der Führungsrippe und der Zylinderwand.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist zwischen den Stromaufenden der Führungsglieder eine Öffnung vorgese hen, durch die Kühlflüssigkeit passieren kann.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung sind die Füh rungsglieder zu einer Bogengestalt in der Aufwärts- und Ab wärtsrichtung gebogen.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird der Zylin derblock durch Gießen gebildet, ein Schlackenabstichloch ist in der Kühlwassermantelwand vorgesehen, und eine Führungs rippe ist in einem einstückigen Aufbau ausgebildet mit einem Stöpsel, der das Loch abdichtet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines Zy linderblocks gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine horizontale Schnittansicht des Zylinderblocks;

Fig. 3 eine Schnittansicht des Zylinderblocks entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht des Zylinderblocks entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teiles eines Kühlflüssigkeitskanals gemäß dem Er findung, welche die Strömungsgeschwindigkeitsver teilung und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeits verteilung der Kühlflüssigkeit zeigt;

Fig. 6 eine der Fig. 5 ähnliche Ansicht, welche aber die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und die Wärme übertragungsgeschwindigkeitsverteilung der Kühl flüssigkeit zeigt, wenn eine kleinere Führungsrippe verwendet wird;

Fig. 7 eine der Fig. 5 ähnliche Ansicht, welche aber die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und die Wärme übertragungsgeschwindigkeitsverteilung der Kühl flüssigkeit mit einer bogenförmigen Führungsrippe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Zylinderblocks gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 eine Schnittansicht des Zylinderblocks entlang der Linie 9-9 in Fig. 8;

Fig. 10 eine Schnittansicht eines Zylinderblocks gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Stöpsels und einer Führungsrippe gemäß der vierten Ausführungs form der Erfindung;

Fig. 12 eine Schnittansicht eines Zylinderblocks gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine vertikale Schnittansicht des Zylinderblocks;

Fig. 14 eine Seitenansicht einer Führungsrippe gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 15 eine Seitenansicht einer Führungsrippe gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teiles eines herkömmlichen Kühlflüssigkeitskanals, welche die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeitsverteilung der Kühlflüssigkeit zeigt; und

Fig. 17 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teiles eines anderen herkömmlichen Kühlflüssig keitskanals, welche die Strömungsgeschwindigkeits verteilung und die Wärmeübertragungsgeschwindig keitsverteilung der Kühlflüssigkeit zeigt.

Wie in Fig. 2 der Zeichnung gezeigt, ist ein Zylinderblock 1 mit vier Zylindern versehen, die in Reihe angeordnet und in kleinen Abständen voneinander beabstandet sind. Eine Zylin derwand 2, die jeden Zylinder bildet, weist eine zylindrische Gestalt auf. Um die Gesamtlänge so weit wie möglich zu ver mindern, ist die Zylinderwand 2 jedes Zylinders mit dem be nachbarten Zylinder so verbunden, daß ein "siamesischer" Zy linderblock gebildet wird. Eine Vertiefung 6, welche in Gestalt einer vertikalen Auskehlung oder Rinne geformt ist, wird außerhalb einer Verbindungsstelle 7 zwischen jeder Zy linderwand 2 und einer benachbarten Zylinderwand 2 gebildet.

Der Zylinderblock 1 umfaßt einen Kühlwassermantel 3, der eine Kühlflüssigkeit um jede Zylinderwand 2 herum zirkuliert. Der Kühlwassermantel 3 weist eine Wand 4 im wesentlichen parallel zu der Zylinderwand 2 auf, wobei ein Kanal zum Zirkulieren von Kühlflüssigkeit zwischen der Wand 4 und der Zylinderwand 2 gebildet wird. Der Vertikalschnitt dieses Kanals nimmt da her aufgrund der Ausbauchung der durch die Vertiefungen 6 verbundenen Zylinderwände 2 die Form von Bögen an.

Der Kühlwassermantel 3 umfaßt einen Einlaß 5 und einen Auslaß 9, wie in Fig. 3 gezeigt, und in Fig. 1 gezeigte Führungs rippen 10 sind innerhalb des Kanals des Kühlwassermantels 3 vorgesehen. Die Führungsrippen 10 sind neben dem mittleren Teil des Zylinders gelegen und weisen einen V-förmigen Quer schnitt auf, wobei die Spitze, bei der die beiden Seiten 12, 13 des "V" einander treffen, ein Stromaufende 11 bilden, und die Enden der beiden Seiten 12, 13 Stromabenden 12a, 13a bil den. Die Führungsrippen 10 sind in einem einstückigen Aufbau mit der Zylinderwand 2 und der Wand 4 gegossen.

Kühlflüssigkeit von einer nicht gezeigten Wasserpumpe strömt von dem Einlaß 5 aus in den Kühlwassermantel 3, wird außer halb des Zylinderblocks 1 von dem Auslaß 9 abgegeben über den Kanal zwischen der Zylinderwand 2 und der Wand 4, und wird über einen nicht gezeigten Kühler rezirkuliert.

Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, wird der Kühlflüssig keitsstrom in dem Kühlwassermantel 3 durch die Führungsrippen 10 aufgeteilt in einen oberen Teil und einen unteren Teil, wobei die beiden Stromteile sich in der Nähe der Vertiefungen 6 vereinigen und ein Teil des Stromes ein Paar Wirbelbecken zwischen den Führungsrippen 10 und den Vertiefungen 6 bildet.

Fig. 5a zeigt Simulationsdaten, welche die Strömungsge schwindigkeit von Kühlflüssigkeit analysieren, die in dem Kühlwassermantel 3 strömt. Aus den Daten ist zu ersehen, daß aufgrund der Wirbelbeckenströmung, die in der Kühlflüssigkeit durch die Führungsrippen 10 verursacht wird, die Strömungsge schwindigkeit der in den Vertiefungen 6 strömenden Kühlflüs sigkeit erhöht wird.

Fig. 5b zeigt Simulationsdaten, welche die Wärmeübertra gungsgeschwindigkeit innerhalb des Kühlwassermantels 3 analy sieren. Aus den Daten ist zu ersehen, daß die Wärmeabstrah lung von den Vertiefungen 6 zu der Kühlflüssigkeit durch Vor sehen der Führungsrippen 10 gefördert wird. Diese Zunahme ab gestrahlter Wärme von den Vertiefungen 6 zu der Kühlflüssig keit verhindert, daß die Temperatur der Verbindungsstellen 7 der Zylinderwände 2 über die anderer Teile steigt, und macht die Temperaturverteilung der Zylinderwände 2 gleichförmig.

Die Fig. 6a und 6b zeigen Simulationsdaten, welche die Strömungsgeschwindigkeit und die Wärmeübertragungsgeschwin digkeit analysieren in dem Fall, in dem die Führungsrippen 10 kleiner ausgeführt sind. Für die Strömungsgeschwindigkeit und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit in den oberen und unte ren Teilen der Vertiefungen 6 besteht die Neigung, aufgrund der geringeren Größe der Führungsrippen 10 abzunehmen.

In dem Zylinderblock 1 gemäß der Erfindung ist die in Fig. 4 gezeigte Kanalweite L₁ des Kühlwassermantels 3 nicht in der Mitte entlang seiner Länge vermindert. Daher besteht kein er höhter Strömungswiderstand, keine Notwendigkeit, die Dicke des Einsatzes, der den Kühlwassermantel 3 während dem Gießen des Zylinderblocks 1 bildet, örtlich zu vermindern, folglich keine Spannungskonzentration in einem Teil des Einsatzes wäh rend dem Gießen.

Die Fig. 7a und 7b zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die bogenförmige Führungsrippen 17 verwendet. Ge mäß dieser Ausführungsform wird ebenfalls eine Wirbelbecken strömung in der gekühlten Flüssigkeit verursacht, und da die Strömungsgeschwindigkeit der gekühlten Flüssigkeit in den Vertiefungen 6 erhöht ist, wird die Wärmeabstrahlung aus den Vertiefungen 6 gefördert.

Fig. 17 zeigt Simulationsdaten, welche die Strömungsge schwindigkeit und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit für Führungsrippen 18 analysieren, die in der Gestalt von Säulen anders als in der Erfindung geformt sind. In diesem Fall zeigt sich, daß die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Vertiefungen 6 strömenden Kühlflüssigkeit nicht erhöht wird, da keine Wirbelbeckenströmung durch die Führungsrippen 18 in der Kühlflüssigkeit verursacht wird, und die Wärmeabstrahlung von den Vertiefungen 6 zu der Kühlflüssigkeit nicht verbes sert wird. Eine Konstruktion, in der säulenförmige Glieder in dem Kühlwassermantel vorgesehen sind, ist offenbart in Jikkai Sho 56-101442, veröffentlicht vom Japanischen Patentamt in 1981, obwohl diese Konstruktion nicht dafür vorgesehen ist, die Wärmeabstrahlung zu verbessern, sondern Vibration zu ver meiden.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Hier sind V-förmige Führungsrippen 20 nur mit der Kühlwassermantelwand 4 verbunden, wobei Zwischenräume 21 zwi schen den Führungsrippen 20 und den Zylinderwänden 2 vorgese hen sind. Aufgrund dieses Aufbaus werden die Zylinderwände 2, die zu den Führungsrippen 20 hinweisen, während dem Gießen nicht zu sehr gekühlt, so daß das Gießen des Zylinderblocks 1 leichter gemacht wird.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung, wobei sie eine Führungsrippe 27 in einem Stöpsel 26 zum Abdichten eines Schlackenabstichlochs 25 in der Wand 4 des Kühlwassermantels 3 zeigen.

Gemäß dieser Ausführungsform kann die Führungsrippe 27 vorge sehen werden, ohne eine Abwandlung an dem Einsatz vorzuneh men, der zum Bilden des Kühlwassermantels 3 verwendet wird.

Die Fig. 12 bis 14 zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform gezeigte Führungsrippen 30 weisen eine Gestalt auf, bei der die Stromaufkante der Führungsrippen 10 in der ersten Ausführungsform abgeschnitten worden ist. Anders ausgedrückt bestehen die Führungsrippen 30 aus einer oberen Seite 32 und einer unteren Seite 33, die in der Aufwärts- bzw. Abwärtsrichtung geneigt sind, und die sym metrisch angeordnet sind, wobei eine Öffnung 31 in der Strom aufkante beibehalten wird. Die obere Seite 32 und die untere Seite 33 sind mit der Zylinderwand 2 sowie mit der Wand 4 des Kühlwassermantels 3 verbunden und werden in einem einstücki gen Aufbau mit dem Zylinderblock 1 gegossen.

Gemäß dieser Ausführungsform strömt Kühlflüssigkeit durch die Öffnung 31 in dem Mittelteil der Führungsrippe 30, also ist eine geringere Veränderung in der Querschnittsfläche des Kühlwassermantels 3 vorhanden. Anders ausgedrückt ist, wie in Fig. 14 gezeigt, die Breite des Strömungsweges vermindert durch die Breite des oberen Seite 32 und der unteren Seite 33, wo die Führungsrippen 30 vorgesehen sind, im Vergleich zu der Breite A₁, wo die Führungsrippen 30 nicht vorgesehen sind. Die Breite bei dem Stromaufende beträgt A₂+A₃+A₄, bei dem Stromabende dagegen A₅+A₆+A₇, welche beide nicht sehr verschieden sind von A₁. Folglich besteht keine große Verän derung in der Querschnittsfläche des Kühlwassermantels 3, und der Widerstand gegen die Strömung von Kühlflüssigkeit wird klein gehalten.

Fig. 15 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung, die Führungsrippen 40 verwendet, welche durch Biegen der obe ren Seite 42 und der unteren Seite 43 zu einer Bogengestalt geformt sind. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Kühl flüssigkeit eine stärkere Strömungsgeschwindigkeitskomponente in der Aufwärts/Abwärtsrichtung auf entlang der oberen Seite 42 und der unteren Seite 43, wie durch den Pfeil in der Figur gezeigt. Eine starke Wirbelbeckenwirkung wird deshalb hinter den Führungsrippen 40 erzeugt, das heißt in der Nähe der Ver tiefungen 6.

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlter Motorzylinderblock (1) mit einer Mehrzahl von Zylindern, die in Reihe angeordnet sind, wobei die Zylinder gebildet werden durch Zylinderwände (2), bei denen benachbarte Zylinderwände (2) miteinander verbunden sind, und mit einem Kühlwassermantel (3), der durch eine Kühlwassermantelwand (4) gebildet wird, welche den äußeren Umkreis der Zylinderwände (2) derart überdeckt, daß ein Kanal für Kühlflüssigkeit gebildet wird durch die Kühlwassermantel wand (4) und die Zylinderwände (2) in der zu den Achsen der Zylinder senkrechten Richtung, gekennzeichnet durch eine Führungsrippe (10, 17, 20, 27, 31, 40), die wirksam bei der Seite des Zentrums eines Zylinders innerhalb des Kanals so vorgesehen ist, daß sie einen Strom der Kühlflüssigkeit vertikal aufteilt, wobei die Führungsrippe (10, 17, 20, 27, 31, 40) zwei Führungsglieder (12, 13, 32, 33, 42, 43) umfaßt, die sich in Aufwärts- und Abwärtsrichtung von ihren Stromaufenden er strecken, welche in einer im wesentlichen zentralen Position in der vertikalen Breite des Kanals gelegen sind.

2. Motorzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Führungsrippe (10) eine V-Gestalt aufweist, wo bei die Spitze (11) durch die Stromaufenden der Führungsrip pen (12, 13) gebildet wird.

3. Motorzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Führungsrippe (17) eine Bogengestalt aufweist, wobei die Zentren des Bogens durch die Stromaufenden der Füh rungsrippen (12, 13) gebildet werden.

4. Motorzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Führungsrippe (20) in einem einstückigen Aufbau mit der Kühlwassermantelwand (4) ausgebildet ist und ein Zwi schenraum (21) zwischen der Führungsrippe (20) und der Zylin derwand (2) vorhanden ist.

5. Motorzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß eine Öffnung (31) zwischen den Stromaufenden der Führungsglieder (32, 33) vorgesehen ist, durch die Kühlflüs sigkeit passieren kann.

6. Motorzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Führungsglieder (42, 43) zu einer Bogengestalt in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung gebogen sind.

7. Motorzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Zylinderblock (1) durch Gießen gebildet ist, ein Schlackenabstichloch (25) in der Kühlwassermantelwand (4) vorgesehen ist und eine Führungsrippe (27) in einem einstüc kigen Aufbau ausgebildet ist mit einem Stöpsel (26), der das Loch (25) abdichtet.