DE19938275B4

DE19938275B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19938275B4
Application number: DE19938275A
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl.-Ing. Kremer; Harald Marquardt; Erhard Dipl.-Ing. Rau
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: DE19938275A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer durch Zündkerzen (1) betriebenen Fremdzündung. Die Zündkerzen (1) sind mit einer Zündrail (2) elektrisch verbunden, die eine Stützschiene (3) und auf der Stützschiene (3) angeordnete Elektronikkomponenten (4) umfaßt. Zur Verdichtung von Verbrennungsluft ist ein Lader (7) vorgesehen. Zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft ist ein ein Kühlmittel (25) enthaltender Niedertemperatur-Kühlmittel-Kreislauf (26) angeordnet, welcher einen Ladeluftkühler (27), einen Kühlmittelkühler (30), je eine den Ladeluftkühler (27) und den Kühlmittelkühler (30) strömungsleitend verbindende Vorlaufleitung (31) und Rücklaufleitung (32) sowie eine in der Vorlaufleitung (31) oder Rücklaufleitung (32) angeordnete Kühlmittelpumpe (33) umfaßt. Ein Kühlkanal (34) ist mit der Stützschiene (3) wärmeleitend verbunden, wobei der Kühlkanal (34) durch mindestens ein Teilstück der Vorlaufleitung (31) oder der Rücklaufleitung (32) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.

Allgemein ist der Betrieb von Brennkraftmaschinen mit der Erzeugung von Verlustwärme verbunden, die die Brennkraftmaschine und seine Anbauteile thermisch belastet. Die Abgasanlage der Brennkraftmaschine und insbesondere ein Lader zur Verdichtung von Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine erreichen beim Betrieb hohe Temperaturen und beaufschlagen dadurch die übrigen Teile der Brennkraftmaschine mit Strahlungswärme.

Bei einer neuen Generation von Brennkraftmaschinen sind die Zündkerzen mit einer in Form einer länglichen Schiene ausgebildeten Zündrail elektrisch verbunden. Die Zündrail umfaßt eine Stützschiene und darauf angeordnete Elektronikkomponenten, wie Klopfsensoren und/oder Steuerungs- bzw. Regelungseinheiten für die Zündung. Die Zündrail samt ihrer wärmeempfindlichen Elektronikkomponenten liegt funktionsbedingt nahe bei den Zündkerzen und damit auch im Wärmestrahlungsbereich der Abgasanlage und des Laders. Für die Zündrail stellt sich daher das Problem einer geeigneten Kühlung, da die darauf angebrachten Elektronikkomponenten wegen ihrer Temperaturempfindlichkeit durch thermische Belastung in ihrer Lebensdauer erheblich eingeschränkt oder sogar zerstört werden können.

Um thermischen Problemen bei Brennkraftmaschinen, insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug entgegenzutreten, sind dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, die im wesentlichen aus einem motorinternen Wasser- oder ölkühlkreislauf, aus Luft- oder Strahlungskühlern sowie verschiedenen Kombinationen daraus bestehen.

Zur Kühlung der Zündrail ist der motorinterne Wasser- oder ölkühlkreislauf jedoch nur bedingt geeignet, da diese Kühlkreisläufe auf einem Temperaturniveau betrieben werden, welches die elektronischen Komponenten auf der Zündrail gefährden oder mindestens in ihrer Lebensdauer einschränken können. Da beide Kühlkreisläufe üblicherweise durch Pumpen betrieben werden, die ihrerseits mittelbar durch die Brennkraftmaschine selbst angetrieben sind, werden diese Kühlkreisläufe beim Abstellen der Brennkraftmaschine nicht weiter aktiv in Zirkulation gehalten. Die heißen Teile des Laders und der Abgasanlage beaufschlagen dann die Zündrail jedoch weiterhin mit Strahlungswärme, was zu Schädigung oder Zerstörung der elektronischen Komponenten führen kann.

Ein Luftkühler ist für die Kühlung der Zündrail ebenfalls nur bedingt geeignet, da eine entsprechende Kühlluftführung, eine Kühlverrippung und ein Kühlgebläse einen hohen konstruktiven Aufwand und auch Platzbedarf erfordern. Bei Verzicht auf ein Kühlgebläse ist die Kühlwirkung in hohem Maße von der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges abhängig, was bei langsamer Fahrt nach vorausgegangener Fahrt mit hoher Leistung und deshalb hoher Wärmeentwicklung zu einer hohen Wärmestrahlungsbelastung der Zündrail führt, ohne dieser eine geeignete Kühlung entgegensetzen zu können. Ein Strahlungskühler ist wenig geeignet, da er prinzipbedingt eine große Strahlungsfläche aufweist, der eine entsprechend kühlere Fläche zur Aufnahme der abgege benen Strahlungswärme gegenübersteht. Die räumliche Nähe zu den heißen Teilen des Laders und der Abgasanlage führt jedoch zu dem Problem, daß wenig kühlere Fläche im Bereich der Zündrail vorhanden ist und sogar die Gefahr besteht, daß die Strahlungsfläche des Strahlungskühlers Wärme aufnimmt, anstatt sie abzugeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einer Zündrail zu schaffen, bei der eine wirkungsvolle Kühlung der Zündrail gegeben ist.

Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine solche Brennkraftmaschine weist einen Lader zur Verdichtung der Verbrennungsluft auf, der beim Verdichtungsvorgang die Verbrennungsluft unerwünscht erwärmt. Der ebenfalls vorgesehene Niedertemperatur-Kühlmittel-Kreislauf (NT-KM-Kreislauf) zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft und damit zur Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Brennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem Ladeluftkühler und einem Kühlmittelkühler, die über je eine Vorlaufleitung und Rücklaufleitung strömungsleitend verbunden sind. Durch eine in der Vorlaufleitung oder Rücklaufleitung angeordnete Kühlmittelpumpe wird ein im NT-KM-Kreislauf zirkulierendes Kühlmittel gefördert. Der Ladeluftkühler und der Kühlmittelkühler sind räumlich voneinander getrennt, damit der Kühlmittelkühler, typischerweise in der Frontschürze des Kraftfahrzeuges, optimal einem Kühlluftstrom ausgesetzt ist und der Ladeluftkühler zwischen dem Lader und den in die Brennkraftmaschine führenden Einlaßkanälen so angeordnet werden kann, daß der Strömungsweg der Verbrennungsluft zur Vermeidung von Druckverlust möglichst kurz gehalten ist. Ein solcher NT-KM-Kreislauf arbeitet auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau als der zylinderblockseitige Kühlmittelkreislauf.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die temperaturbelastete Zündrail dadurch zu kühlen, daß ein oder mehrere Kühlkanäle vorgesehen sind, die mit der Stützschiene der Zündrail wärmeleitend verbunden sind, und daß mindestens ein Teilstück der im NT-KM-Kreislauf konstruktionsbedingt schon vorhandenen Vorlaufleitung oder Rücklaufleitung oder je ein Teilstück von Vorlaufleitung und Rücklaufleitung dabei den oder die Kühlkanäle bilden, durch die das Kühlmittel mit dem vorteilhaften niedrigen Temperaturniveau strömt. Dadurch wird mit einfachen Mitteln eine wirkungsvolle Kühlung der Zündrail und ihrer elektronischen Komponenten erreicht.

Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die als Kolbenmotoren mit Zylindern in Reihenanordnung oder mit V- bzw. Boxeranordnung zweier Reihen von Zylindern ausgebildet sind, bilden die Zündkerzen eine geradlinige Reihe, so daß auch die Zündrail vorteilhaft in Form einer geraden Schiene ausgebildet ist. Die Anordnung eines oder mehrerer Kühlkanäle parallel zur Längsachse der Zündrail erlaubt eine Fertigung mit einfachen Mitteln, indem eine Kühlschiene vorgesehen ist, in die durch eine Tieflochbohrung ein Kühlkanal eingebracht ist. Ist die Kühlschiene als Strangpreßprofil ausgebildet, kann der Kühlkanal vorzugsweise bei der Herstellung des Halbzeuges gleich mit eingebracht werden. Zu Verringerung des Fertigungsaufwandes können die Stützschiene und die Kühlschiene vorteilhaft einteilig ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausbildung ist der Kühlkanal durch eine Längsseite der Stützschiene und einer im Querschnitt wannenförmigen Kühlrinne ausgebildet, die in Richtung der Längsseite der Stützschiene offen ist und die mit dieser Längsseite kühlmitteldicht verbunden ist. Dadurch wird der Kühlkanal von der Kühlwanne und der Stützschiene so umschlossen, daß das Kühlmittel mit der Längsseite der Stützschiene direkt in Kontakt steht und dadurch ein guter Wärmeübergang gegeben ist.

Die Kühlmittelpumpe des NT-KM-Kreislaufes ist vorzugsweise elektrisch betrieben und nach Abstellen der Brennkraftmaschine selbständig nachlaufend. Da nach Abstellen der Brennkraftmaschine und vorausgegangenem Betrieb derselben unter hoher Last die heißen Teile der Abgasanlage und des Laders die Zündrail noch über eine längere Zeit mit Wärmestrahlung belasten, kann durch die genannte Ausbildung der Kühlmittelpumpe der Kühlkreislauf unabhängig von der Brennkraftmaschine betrieben und eine Kühlung der Zündrail bis zum Abkühlen der Wärmestrahlungsquelle sichergestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
1 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einem Ausschnitt einer Querschnittsdarstellung,
3 und 4 je eine Variante des Ausführungsbeispieles nach 2
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel, wobei die Brennkraftmaschine sechs in einer Reihe angeordnete Zylinder 11 aufweist. In jeden Zylinder 11 ragt je eine Zündkerze 1, die mit einer Zündrail 2 elektrisch verbunden ist. Die Zylinder 11 werden über das miteinander strömungsleitend verbundene Ansaugrohr 22, die Ladeluftleitung 23 und die Einlaßkanäle 24 mit Verbrennungsluft versorgt. Zur Verdichtung der Verbrennungsluft ist ein Lader 17 vorgesehen, der ein Kolbenkompressor, ein Rootsgebläse oder dgl. sein kann und im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Abgas-Torbolader ist. Der Verdichter 18 des Laders 17 ist zwischen dem Ansaugrohr 22 und der Ladeluftleitung 23 angeordnet. Zur Abführung der bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgase ist eine Abgasanlage 12 vorgesehen. Sie besteht aus mit den Zylindern 11 verbundenen Auslaßkanälen 13, einer Abgassammelleitung 14 und einer Abgasleitung 16. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Abgassammelleitung 14 und der Abgasleitung 16 eine Turbine 21 des Laders 17 angeordnet. Zum Antrieb des Verdichters 18 mittels der Turbine 21 sind beide über eine Welle 20 drehmomentübertragend miteinander verbunden.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist auf die Darstellung des Kühlmittelkreises für den Zylinderblock verzichtet worden.
Zur Kühlung der durch den Verdichtungsprozeß im Lader 17 erwärmten Verbrennungsluft ist ein Niedertemperatur-Kühlmittel-Kreislauf 26 vorgesehen. Er umfaßt einen Ladeluftkühler 27, einen Kühlmittelkühler 30, je eine den Ladeluftkühler 27 und den Kühlmittekühler 30 strömungsleitend verbindende Vorlaufleitung 31 und Rücklaufleitung 32 sowie eine in der Vorlaufleitung 31 oder Rücklaufleitung 32 angeordnete Kühlmittelpumpe 33. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kühlmittelpumpe 33 in der Vorlaufleitung 31 angeordnet. Der Ladeluftkühler 27 ist in der Ladeluftleitung 23 zur Kühlung der erwärmten Ladeluft angeordnet. Im NT-KM-Kreislauf 26 ist ein Kühlmittel 25 zum Transport der aus der Verbrennungsluft entnommenen Wärmeenergie vom Ladeluftkühler 27 zum Kühlmittelkühler 30 enthalten. Zur Abfuhr der vom Kühlmittel 25 im Ladeluftkühler 27 aufgenommenen Wärmeenergie ist der Kühlmittelkühler 30 so angeordnet, daß er einem durch den Pfeil 24 dargestellten Kühlluftstrom ausgesetzt ist. Das Kühlmittel 25 besteht im wesentlichen aus einem Glykol/Wasser-Gemisch, dem vorzugsweise mit Korosionsschutzmittel zugesetzt wird.
Zur Kühlung der eine Stützschiene 3 umfassenden Zündrail 2 ist ein mit der Stützschiene 3 wärmeleitend verbundener Kühlkanal 34 vorgesehen,wobei der Kühlkanal 34 durch mindestens ein Teilstück der Vorlaufleitung 31 oder der Rücklaufleitung 32 gebildet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Kühlkanäle 34 vorgesehen, die durch je ein Teilstück der Vorlaufleitung 31 und der Rücklaufleitung 32. gebildet sind. Die Zündrail 2 ist in Form einer geraden Schiene mit einer Längsachse 35 ausgebildet. Die Kühlkanäle 34 sind im wesentlichen parallel zueinander und zur Längsachse 35 der Stützschiene 3 angeordnet.
Die Kühlmittelpumpe 33 ist bevorzugt elektrisch betrieben und zur Kühlung der auch nach Abstellen der Brennkraftmaschine über einen bestimmten Zeitraum weiterhin wärmebelasteten Zündrail selbständig nachlaufend.
Nach 2 umfaßt die Zündrail 2 eine Stützschiene 3 und darauf angeordnet Elektronikkomponenten 4. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elektronikkomponenten 4 durch eine Abdeckkappe 5 geschützt, welche über Schrauben 6 mit der Stützschiene 3 verbunden sind. Die Zündkerze 1 ist über ein Adapterstück 10 mit der Zündrail 2 elektrisch verbunden. Die Abgasanlage 12 und die heißen Teile des als Abgasturbolader ausgebildeten Laders 17 belasten die Zündrail 2 durch Wärmestrahlung. Der Verdichter 18 ist zur Leitung der erwärmten Verbrennunsgluft zum Ladeluftkühler 27 mit diesem über eine nicht dargestellte Ladeluftleitung 23 zwischen der Verdichteröffnung 19 und der Kühleröffnung 28 strömungsleitend verbunden.
Zur Kühlung der Zündrail 2 ist eine Kühlschiene 7 vorgesehen, die mit der Stützschiene 3 wärmeleitend verbunden ist. Die Kühlschiene 7 kann mit der Stützschiene 3 verklebt sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemeinsam mit der Abdeckkappe 5 mittels Schrauben 6 mit der Stützschiene 3 verbunden. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Stützschiene 3 und der Kühlschiene 7 kann auf der Kontaktfläche zwischen beiden eine Wärmeleitpaste aufgebracht sein. Die Kühlschiene 7 umfaßt zwei Kühlkanäle 34, die durch je ein Teilstück der Vorlaufleitung 31 und der Rücklaufleitung 32 gebildet sind. Zur Unterstützung der Kühlleistung sind an der Kühlschiene 7 im Bereich der Kühlkanäle 34 je eine Kühlnase 8 vorgesehen. Die Kühlschiene 7 kann ein Frästeil sein und besteht aus einem gut wärmeleitfähigen Material. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist sie als im Strangpreß- oder Extrusionsverfahren hergestelltes Aluminium-Profil ausgebildet. Die Kühlkanäle 34 können durch Tieflochbohrungen in die Kühlschiene 7 eingebracht sein und haben in einer solchen Ausführung einen kreisförmigen Querschnitt. Beim gezeigten Aluminium-Profil sind die Kühlkanäle 34 während des Herstellungsprozesses in die Kühlschiene 7 eingebracht. Dieser Fertigungsvorgang erlaubt auch spezielle Gestaltungen der Kühlkanäle 34, z.B. mit einem sternförmigen Querschnitt zur Vergrößerung der Kontaktfläche und damit Verbesserung des Wärmeübergangs zu dem in den Kühlkanälen 34 strömenden Kühlmittel 25.
3 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels nach 2, bei dem die Kühlschiene 7 und die Stützschiene 3 einteilig ausgebildet sind. In seinen übrigen Merkmalen und Bezugszeichen entspricht die gezeigte Variante dem Ausführungsbeispiel nach 2.
4 zeigt eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels nach 2, bei dem nur ein Kühlkanal 34 zur Kühlung der Zündrail 2 vorgesehen ist, der durch ein Teilstück der Vorlaufleitung 31 (1) gebildet sein kann und hier durch ein Teilstück der Rücklaufleitung 32 gebildet ist, da hier das Temperatur-Niveau des Kühlmittels 25 am niedrigsten ist. Der Kühlkanal 34 wird durch eine Längsseite 36 der Stützschiene 3 und durch eine in Richtung der Längsseite 36 offene, im Querschnitt wannenförmige Kühlrinne 9 gebildet, die mit der Längsseite 36 kühlmitteldicht, z.B. durch Verklebung verbunden ist. Die Kühlrinne 9 kann ein abgewinkeltes Blechteil sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Aluminium-Strangpreß-Profil.

Claims

Brennkraftmaschine mit einer durch Zündkerzen (1) betriebenen Fremdzündung, mit einer mit den Zündkerzen (1) elektrisch verbundenen, eine Stützschiene (3) und auf der Stützschiene (3) angeordnete Elektronikkomponenten (4) umfassenden Zündrail (2), mit einem Lader (17) zur Verdichtung von Verbrennungsluft, mit einem ein Kühlmittel (25) enthaltenden Niedertemperatur-Kühlmittel-Kreislauf (26) zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft, welcher einen Ladeluftkühler (27), einen Kühlmittelkühler (30), je eine den Ladeluftkühler (27) und den Kühlmittelkühler (30) strömungsleitend verbindende Vorlaufleitung (31) und Rücklaufleitung (32) sowie eine in der Vorlaufleitung (31) oder Rücklaufleitung (32) angeordnete Kühlmittelpumpe (33) umfaßt, sowie mit mindestens einem mit der Stützschiene (3) wärmeleitend verbundenen Kühlkanal (34), wobei der Kühlkanal (34) durch mindestens ein Teilstück der Vorlaufleitung (31) oder der Rücklaufleitung (32) gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündrail (2) in Form einer geraden Schiene mit einer Längsachse (35) ausgebildet ist, und daß der Kühlkanal (34) im wesentlichen parallel zur Längsachse (35) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kühlkanäle (34) mit der Stützschiene (3) wärmeleitend verbunden sind, welche durch je ein Teilstück der Vorlaufleitung (31) und der Rücklaufleitung (32) gebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kühlkanäle (34) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen Kühlkanal (34) umfassende Kühlschiene (7) vorgesehen ist, die mit der Stützschiene (3) wärmeleitend verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschiene (7) im Bereich des Kühlkanals (34) eine Kühlnase (8) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschiene (7) mit der Stützschiene (3) verschraubt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündrail (2) eine Abdeckkappe (5) aufweist, und daß die Abdeckkappe (5) und die Kühlschiene (7) mittels durch die Stützschiene (3) hindurchgeführte Schrauben (6) mit der Stützschiene (3) verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschiene (7) und die Stützschiene (3) einteilig, ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschiene (7) aus einem gut wärmeleitfähigen Material und insbesondere als Aluminium-Strangpreß-Profil ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (34) durch eine Längsseite (36) der Stützschiene (3) sowie durch eine in Richtung der Längsseite (36) offene und mit der Längsseite (36) kühlmitteldicht verbundene Kühlrinne (9) gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelpumpe (33) elektrisch angetrieben und eine Vorrichtung vorgesehen ist, durch die nach Abstellen der Brennkraftmaschine nach vorgegebenen Kriterien die Kühlmittelpumpe (33) selbständig nachläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader (17) ein Abgas-Turbolader ist.