EP2385229B1 - Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung - Google Patents

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EP2385229B1
EP2385229B1 EP10161879.1A EP10161879A EP2385229B1 EP 2385229 B1 EP2385229 B1 EP 2385229B1 EP 10161879 A EP10161879 A EP 10161879A EP 2385229 B1 EP2385229 B1 EP 2385229B1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
coolant jacket
combustion engine
cylinder head
oil
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP10161879.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2385229A1 (de
Inventor
Kai Kuhlbach
Jan Mehring
Bernd Steiner
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Filing date
Publication date
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Priority to CN201110082410.1A priority patent/CN102235224B/zh
Priority to US13/099,702 priority patent/US8601987B2/en
Priority to US13/253,817 priority patent/US8621865B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/165—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control characterised by systems with two or more loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P2003/008—Liquid cooling the liquid being water and oil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F01P2003/024—Cooling cylinder heads

Definitions

  • An internal combustion engine of the type mentioned is used as a drive for motor vehicles.
  • the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines, d. H. Internal combustion engines operated by a hybrid combustion process.
  • Internal combustion engines have a cylinder head and a cylinder block which are used to form the individual cylinders, d. H. Combustion chambers are connected to each other at their mounting end faces.
  • the cylinder head is usually used to hold the valve train. It is the task of the valve drive to release the inlet and outlet openings of the combustion chamber in time or to close.
  • an internal combustion engine requires controls and actuators to operate the controls.
  • the expulsion of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber, ie the intake of the fresh mixture or the fresh air, via the inlet openings takes place.
  • globe valves are used as control members that perform an oscillating lifting movement during operation of the internal combustion engine and thus release and close the inlet and outlet ports.
  • the required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train.
  • a valve actuator often includes a camshaft on which a plurality of cams are disposed. Basically, a distinction is made between an underlying camshaft and an overhead camshaft. In this case, reference is made to the parting plane, d. H. Mounting surface, between cylinder head and cylinder block. If the camshaft is above the mounting surface, it is an overhead camshaft, otherwise a camshaft below. Overhead camshafts are preferably stored in the cylinder head.
  • a so-called camshaft receiving is provided with at least two bearings
  • the bearings are usually made in two parts and each include a bearing saddle and connectable to the bearing saddle bearing cap.
  • the camshaft is in the region of the shaft journals, which are arranged spaced apart along the camshaft axis to each other and are usually formed as thickened shaft shoulders stored. It can be formed as separate components or integrally with the camshaft receiving bearing cap and bearing saddles. Between the camshaft and the bearings bearing shells can be arranged as intermediate elements.
  • each bearing saddle When assembled, each bearing saddle is connected to the corresponding bearing cap.
  • Each one bearing saddle and a bearing cap form - possibly in cooperation with bearing shells as intermediate elements - a bore for receiving a pin.
  • the holes are usually with engine oil, d. H. Lubricating oil supplied, so that ideally forms between the inner surface of each hole and the associated pin with rotating camshaft - similar to a plain bearing - a viable lubricating film.
  • a bearing may also be formed in one piece, for example in a built camshaft.
  • a pump for the delivery of engine oil, wherein the pump via the supply line, the Nockenwellenaufiiahme, from the channels to the at least two camps, supplied with engine oil.
  • the supply line leads to the state of the art of the pump through the cylinder block for camshaft receiving and thereby passes the so-called Hauptöl mode.
  • a main supply channel is often provided in the cylinder block, which is aligned along the longitudinal axis of the crankshaft.
  • the main supply channel can be arranged above or below the crankshaft in the crankcase or integrated into the crankshaft. From the main oil gallery channels lead to the bearings of the crankshaft.
  • the proposed pump itself is supplied according to the prior art via suction, which leads from an oil pan to the pump, coming from the oil pan engine oil and must have a sufficiently large flow, d. H. ensure a sufficiently high delivery volume, and for a sufficiently high oil pressure in the supply system, d. H. Oil circulation, especially in the main oil gallery, provide.
  • camshaft and the crankshaft or the associated bearings, d. H. Images are referred to in the context of the present invention as a consumer, since they need to fulfill and maintain their function engine oil or consume, d. H. must be supplied with engine oil.
  • Further consumers may be, for example, the bearings of a connecting rod or an optional balancing shaft. Also consumer in the above sense is also a peak oil cooling, which the piston crown for the purpose of cooling by means of nozzles from below, d. H. crankcase side, wetted with engine oil and thus oil needs, d. H. must be supplied with oil.
  • a hydraulically operable camshaft phaser or other valve train components for example, for hydraulic valve clearance, also have a need for engine oil and require an oil supply.
  • the friction in the consumers to be supplied with oil depends significantly on the viscosity and thus of the temperature of the oil provided and contributes to the fuel consumption of the internal combustion engine.
  • rapid heating of the engine oil and rapid heating of the internal combustion engine are expedient.
  • the comparatively rapid heating of the engine oil during the warm-up phase of the internal combustion engine ensures a correspondingly rapid decrease in viscosity and thus a reduction in the friction or friction power, in particular in the oil-supplied bearings.
  • Both an external heater and an insulated container lead to an additional space requirement in the engine compartment and are detrimental to a dense packaging of the drive unit.
  • Cylinder head to assist the warming of the engine oil after a cold start, d. H. accelerate.
  • the design of the internal combustion engine is determined by the cooling and not by the fastest possible heating of the engine oil.
  • the heat released during combustion by the exothermic, chemical conversion of the fuel is partly dissipated via the walls delimiting the combustion chamber to the cylinder head and the cylinder block and partly via the exhaust gas flow to the adjacent components and the environment.
  • a portion of the introduced into the cylinder head heat flow must be withdrawn from the cylinder head again.
  • the amount of heat dissipated from the surface of the internal combustion engine to the environment by radiation and heat conduction is not sufficient for efficient cooling, which is why cooling of the cylinder head is usually brought about deliberately by means of forced convection.
  • the cooling in the form of air cooling or liquid cooling.
  • the internal combustion engine is provided with a fan, wherein the heat dissipation takes place by means of a guided over the surface of the cylinder head air flow.
  • the liquid cooling requires the equipment of the internal combustion engine or the cylinder head and / or the cylinder block with a coolant jacket, ie the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the structure.
  • the mechanically and thermally highly stressed cylinder head is weakened by the introduction of the coolant channels on the one hand in its strength.
  • the heat must not be directed to the cylinder head surface as in the air cooling, to be dissipated. The heat is already in the interior of the cylinder head to the coolant, usually mixed with additives added water.
  • the coolant is thereby by means of a pump arranged in the cooling circuit promoted so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is removed in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again.
  • Water has the advantage over other coolants that it is non-toxic, readily available and inexpensive and also has a very high heat capacity, which is why water is suitable for the removal and removal of very large amounts of heat, which is generally considered advantageous.
  • Modern internal combustion engines are also often charged by means of exhaust gas turbocharger or compressor and increasingly have integrated exhaust manifolds in the cylinder head. These measures result in that the cylinder head and the cylinder block are thermally loaded higher than in a conventional internal combustion engine, which is why increased cooling requirements must be met.
  • the cylinder head has at least two coolant jackets.
  • the cylinder head may, for example, on the outlet side, a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket, which is arranged on the opposite side of the lower coolant jacket exhaust pipes.
  • the cooling should protect the internal combustion engine, in particular the cylinder head, reliably against thermal overload and preferably be so efficient that it can be dispensed with enrichment ( ⁇ ⁇ 1) at high exhaust gas temperatures.
  • enrichment ⁇ ⁇ 1
  • more fuel is injected than can be burned at all with the amount of air provided, and the additional fuel is also heated and vaporized, so that the temperature of the combustion gases decreases.
  • this procedure is considered to be disadvantageous from an energetic point of view, in particular with regard to the fuel consumption of the internal combustion engine, and with regard to the pollutant emissions.
  • enrichment does not always allow the engine to be operated in the manner required, for example, for a proposed exhaust aftertreatment system.
  • the engine should be removed by cooling no more heat than absolutely necessary because the heat extraction or the amount of heat extracted has an influence on the efficiency of the internal combustion engine.
  • more than a quarter of the energy used is added to the coolant, i. H. usually to the cooling water, the liquid cooling discharged and discharged unused to the environment.
  • the cylinder head of the internal combustion engine according to the invention has two independent coolant circuits, each comprising at least one coolant jacket and in particular can be operated with different coolants and preferably operated.
  • This embodiment or design of the liquid cooling allows a demand-based cooling of the inlet side on the one hand and the outlet side on the other hand, and independently of each other and according to the respective requirement profile.
  • the at least one coolant jacket of the one circuit on the outlet side and the at least one coolant jacket of the other circuit are arranged on the inlet side, so that different cooling capacities can be realized for the inlet side and the outlet side and not only by using different coolants. Rather, the pump power of each circuit can be independently selected and adjusted and thus also the coolant flow rate, d. H. the delivery volume. In this way, influence can be taken on the flow rate, which decisively co-determines the heat transfer by convection.
  • the internal combustion engine according to the invention allows the use of oil as the coolant for the inlet side and the use of water as a coolant for the thermally higher or thermally highly loaded exhaust side of the cylinder head.
  • Oil has a lower heat capacity compared to water, whereby the cooling performance on the inlet side can be significantly reduced compared to a use of water as a coolant.
  • the inventive design of the liquid cooling system offers the possibility of extracting only as much heat from the cylinder head on the inlet side as is actually required to prevent overheating, whereas the inlet side according to the prior art is more strongly cooled due to the uniform use of water as the coolant as this is actually required, since the design of the cooling takes place in view of the thermally stressed outlet side.
  • the internal combustion engine according to the invention is thus optimized in terms of cooling. The efficiency of the internal combustion engine is increased by the liquid cooling according to the invention.
  • the use of oil as a coolant for the at least one inlet-side coolant jacket has a further advantage. If the inlet-side coolant jacket forms the oil circuit of the internal combustion engine, which supplies oil to consumers via the supply line, then the engine oil heats up faster after a cold start.
  • the oil then flows through the inlet-side coolant jacket, when passing through the cylinder head, whose very own function is the presently desired heat transfer.
  • the inlet-side coolant jacket is used for heating the oil during the warm-up phase and according to its original function for cooling the cylinder head with warmed-up internal combustion engine. In both cases, the inlet-side coolant jacket serves the heat input into the oil.
  • the heat that is introduced on the inlet side into the coolant after a cold start, in the internal combustion engine according to the invention advantageously provides for a rapid heating of the oil and thus improves the performance of the internal combustion engine
  • the heat, which according to the prior art in the than Coolant serving cooling water is introduced, discharged unused.
  • the latter heat transfer even precludes rapid heating of the oil.
  • the heating of the oil during the warm-up phase is delayed, since a warm-up of the internal combustion engine is counteracted and thus also a heating of the oil when passing the cylinder head or cylinder block.
  • the inlet-side coolant jacket proves to be extremely suitable with regard to the heating of the oil during the warm-up phase in principle.
  • the coolant jacket-in particular in comparison to a conduit- has a large surface area, which increases the heat transfer due to convection.
  • the cylinder head, in which the coolant jacket is integrated thermally particularly high load, which promotes the heat input into the engine oil during the warm-up phase due to the relatively large temperature difference or temperature gradient.
  • the at least one outlet-side coolant jacket belongs to a cooling water circuit
  • the at least one inlet-side coolant jacket belongs to an oil circuit
  • the inventively designed engine proves to be particularly advantageous during the warm-up phase, in particular after a cold start.
  • the oil flows through the oil circuit belonging to the inlet side coolant jacket of the cylinder head, which heats up comparatively quickly due to the expiring combustion processes, which can be entered immediately after the start of larger amounts of heat in the oil.
  • the oil provided to the consumers is thus heated faster.
  • Higher temperature heated oil has lower viscosity, which lowers engine friction and improves efficiency. As a result, by heating the oil, the fuel consumption of the internal combustion engine is noticeably reduced, in particular after a cold start.
  • the essential advantage of the procedure according to the invention over concepts in which the oil is actively heated by means of a heating device consists in the comparatively simple construction of the oil heating according to the invention. In principle, no additional components are required, in particular no external heating device. With the heater also eliminates the conditional by such a device fuel consumption.
  • a coolant jacket to be provided for the formation of a liquid cooling system is assigned to an already existing oil circuit, in order to be able to heat the oil more quickly during warming up.
  • Embodiments of the internal combustion engine in which the cooling water circuit does not comprise an inlet-side coolant jacket are advantageous. Ie. the inlet side of the cylinder head is exclusively oil-cooled, which is why the heat is not dissipated unused with the cooling water.
  • This embodiment or design of the liquid cooling ensures that the heat removed from the cylinder head inlet side heat is used exclusively and completely for heating the engine oil and is not dissipated unused on the cooling water to the environment. As a result, the heat balance of the internal combustion engine is further optimized.
  • the at least one cylinder head is connected to a mounting end face with a cylinder block, which serves as an upper crankcase half for receiving a crankshaft in at least two camps and with a serving as a lower crankcase oil pan, which is provided for collecting and storing of engine oil, is connected on the side facing away from the cylinder head, wherein a pump is provided for conveying the engine oil via supply line to at least one consumer within the oil circuit.
  • the oil supplied to the at least one consumer in the inlet-side coolant jacket, which is part of the oil circuit, is heated, which is advantageous in particular after a cold start and noticeably reduces the frictional loss of the internal combustion engine.
  • the at least one cylinder head and the cylinder block are connected to each other as part of the assembly at their mounting end faces, that is screwed together usually by means of threaded bolts.
  • a seal is often placed between the cylinder block and the cylinder head.
  • the cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons or the cylinder tubes.
  • the piston of each cylinder is axially movably guided in a cylinder tube and defines together with the cylinder tube and the cylinder head the combustion chamber of a cylinder.
  • the piston head forms a part of the combustion chamber inner wall and seals together with the piston rings the combustion chamber against the cylinder block or the crankcase, so that no combustion gases or combustion air enter the crankcase and no oil enters the combustion chamber.
  • the piston serves to transfer the gas forces generated by the combustion to the crankshaft.
  • the piston is articulated by means of a piston pin with a connecting rod, which in turn is movably mounted on the crankshaft.
  • crankshaft mounted in the crankcase receives the connecting rod forces, wherein the oscillating stroke movement of the piston is transformed into a rotating rotational movement of the crankshaft.
  • a part of the energy transmitted to the crankshaft is generally used to drive auxiliary equipment such as the oil pump and the alternator or serves to drive the camshaft and thus the actuation of the valve train.
  • the upper crankcase half is formed by the cylinder block.
  • the crankcase is supplemented by the lower half of the crankcase, which can be mounted on the upper crankcase half and serves as an oil sump.
  • the oil pan is used to collect and store the engine oil and is part of the oil circuit.
  • the oil pan serves as a heat exchanger for lowering the oil temperature at warmed up internal combustion engine.
  • the oil contained in the oil sump is cooled by heat conduction and convection by means of air flow past the outside.
  • At least two bearings are provided in the crankcase.
  • this bearing or the bearing of the crankcase what has been said in connection with the camshaft bearing applies analogously, for which reason reference is made to the corresponding explanations.
  • embodiments of the internal combustion engine in which the supply line opens into a main oil gallery from the channels to the are advantageous at least two bearings of the crankshaft to supply the at least two bearings with engine oil.
  • the bearings of the crankshaft are supplied with oil which is heated in the inlet-side coolant jacket, which significantly reduces the friction in the bearings and has an advantageous effect on the warm-up behavior of the internal combustion engine.
  • Embodiments of the internal combustion engine in which the supply line passes through the cylinder head upstream of the main oil gallery are advantageous, preferably through the inlet-side coolant jacket of the cylinder head.
  • the supply line of the oil circuit passes through the cylinder head or through the inlet-side coolant jacket before this line opens downstream into the main oil gallery.
  • the oil is heated in the cylinder head and only then used to lubricate the bearings of the crankshaft. While the prior art engine oil flows from the main oil gallery to the cylinder head, in the present case, it is directed from the cylinder head to the main oil gallery, which reduces friction in the bearings and reduces fuel consumption.
  • Embodiments of the internal combustion engine in which the supply line of the oil circuit downstream of the pump first passes through the cylinder head before this supply line enters the cylinder block are advantageous.
  • This embodiment utilizes the fact that the cylinder head is subjected to high thermal loads, in particular thermally loaded higher than the cylinder block, so that the heating of the oil, i. the increase in the oil temperature at a flow through the cylinder head is more pronounced than when flowing through the cylinder block.
  • the cylinder head heats up faster due to the ongoing combustion processes, especially compared to the cylinder block.
  • the embodiment in question ie the proposed flow guide, ensures that the crankshaft bearings are supplied with preheated oil more quickly and, in particular, prevents the heat entering the cylinder head upstream of the cylinder block from being removed from the heat.
  • the supply line first through the cylinder block and then, d. H. downstream, passes through the cylinder head, preferably through the inlet side coolant jacket.
  • Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the supply line leads from the inlet-side coolant jacket to the camshaft receptacle for supplying the camshaft bearing with oil.
  • the at least one cylinder head is connected to a mounting end face with a cylinder block having at least one coolant jacket to form a liquid cooling.
  • a thermally highly loaded component In addition to the cylinder head and the cylinder block is a thermally highly loaded component, so it may be necessary or advantageous to equip the cylinder block to form a liquid cooling with a coolant jacket. This can be particularly advantageous if less temperature-resistant materials are to be used or in supercharged internal combustion engines, which are thermally stressed higher than naturally aspirated engines.
  • embodiments are advantageous, for example, in which the at least one coolant jacket of the cylinder block belongs to the cooling water circuit.
  • Water is characterized by a high heat capacity, which is why when using water as a coolant larger amounts of heat can be dissipated.
  • oil as a coolant has the advantage that it is not corrosive, rather even offers corrosion protection and unlike water with - in particular moving - components can easily come into contact without the functioning of the engine would be at risk ,
  • oil is fed anyway via supply line through the cylinder block, d. H. supplied to the block to supply the consumers, in particular the crankshaft, with oil.
  • embodiments are advantageous in which the at least one coolant jacket of the cylinder block is arranged upstream of the at least one coolant jacket of the cylinder head.
  • Which arrangement of the block and head or flow direction of the coolant is to be preferred depends on the individual case, in particular also on which coolant is used or on which cooling circuit the coolant jacket of the block belongs.
  • the at least one inlet-side coolant jacket is located on the cylinder block facing side of the intake system. This leaves enough space on the side facing away from the block of the cylinder head, for example, to arrange a camshaft holder, and leads to a compact design.
  • the at least one outlet-side coolant jacket lies on the side facing the cylinder block. This leaves enough space on the side facing away from the block of the cylinder head, for example, to arrange a camshaft holder, and leads to a compact design.
  • embodiments are advantageous, which are characterized in that at least two outlet-side coolant jackets are provided, with a lower coolant jacket between the mounting end face and the at least one exhaust pipe is arranged and an upper coolant jacket is arranged on the opposite side of the lower coolant jacket of the at least one exhaust pipe.
  • a first, lower coolant jacket is located on the cylinder block facing side of the Abgasabriossystems, while a second, upper coolant jacket is arranged on the side facing away from the cylinder block of Abgasabriossystems.
  • connection is provided between the lower coolant jacket and the upper coolant jacket, which serves for the passage of coolant.
  • the at least one compound lies on the side of the elbow facing away from the cylinders.
  • the cooling of the cylinder head can additionally and advantageously be improved by generating a pressure gradient between the upper and lower coolant jacket, whereby the speed in the at least one connection is increased, which leads to an increased heat transfer due to convection.
  • the lower and the upper coolant jacket can be connected to each other over their entire width or only in sections, i. over a portion of the coolant jackets.
  • the flow velocity in the at least one compound can be influenced and thus the heat transfer by convection.
  • the at least one connection is preferably arranged adjacent to the region in which the exhaust pipes merge to form the overall exhaust gas line, wherein the distance between the at least one connection and the total exhaust gas line is preferably smaller than the diameter or half the diameter of a cylinder. The distance is determined by the distance between the outer wall of the entire exhaust line and the outer wall of the connection.
  • embodiments are advantageous in which the exhaust gas lines of at least two cylinders merge within the cylinder head to form an integrated exhaust manifold to form an overall exhaust gas line.
  • the exhaust gases Downstream of the manifold, the exhaust gases are then optionally supplied to the turbine of an exhaust gas turbocharger and / or one or more exhaust aftertreatment systems.
  • the turbine As close to the outlet of the internal combustion engine, in order to make optimum use of the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases and to ensure a rapid response of the turbocharger.
  • the way the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases little time Cooling is granted and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as quickly as possible, especially after a cold start of the engine.
  • Embodiments of the cylinder head with, for example, four cylinders arranged in series, in which the exhaust pipes of the outer cylinder and the exhaust pipes of the inner cylinder are each combined to form an overall exhaust line, are also cylinder heads of the type in question.
  • each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder.
  • Embodiments in which first the exhaust gas lines of the at least two outlet openings of each cylinder merge to form a partial exhaust gas line associated with the cylinder before the partial exhaust gas lines of at least two cylinders merge to form an overall exhaust gas line are advantageous.
  • the total travel distance of all exhaust pipes is thereby further shortened.
  • the gradual merging of the exhaust pipes to an overall exhaust line also contributes to a more compact, d. H. less voluminous design of the cylinder head and thus in particular to a weight reduction and more effective packaging in the engine compartment.
  • each cylinder has an outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder.
  • Embodiments in which the internal combustion engine is a supercharged internal combustion engine, preferably an internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger, are advantageous.
  • FIG. 1 shows in a slightly salaried plan view, the sand cores 1, 7 of the coolant jackets 2, 8 of two separate coolant circuits, as they are integrated according to a first embodiment in the cylinder head of an internal combustion engine.
  • a coolant jacket 8 are arranged in the cylinder head outlet side, wherein the two The outlet-side coolant jackets 2a, 2b belong to a cooling water circuit and the inlet-side coolant jacket 8 is part of a separate oil circuit.
  • the two coolant circuits namely the cooling water circuit on the one hand and the cooling oil circuit on the other hand, are separated.
  • each cylinder outlet side two exhaust ports for discharging the exhaust gases from the cylinders and inlet side two inlet ports for supplying fresh air to the cylinders, wherein each Outlet opening an exhaust pipe and connected to each inlet port an intake.
  • the exhaust pipes of the three cylinders lead together within the cylinder head to form an integrated exhaust manifold to an overall exhaust line (not shown).
  • the cylinder head is connected to a cylinder block at a mounting end.
  • the outlet-side cooling water circuit comprises two outlet-side coolant jackets 2a, 2b, of which a lower coolant jacket 2a between the mounting end face and the integrated exhaust manifold is disposed and an upper coolant jacket 2b on the lower coolant jacket 2a opposite side of the exhaust manifold. Consequently, the manifold is located between the lower coolant jacket 2a and the upper coolant jacket 2b and is covered over a large area by these coolant jackets 2a, 2b.
  • the cooling water circuit does not include an inlet side coolant jacket.
  • connection 2c between the lower coolant jacket 2a and the upper coolant jacket 2b are provided, which serve for the passage of cooling water, wherein in the plan view FIG. 1 only one connection 2c is visible.
  • the two connections 2c are arranged adjacent to the overall exhaust gas line, ie to the region of the manifold at which the exhaust gas lines merge and the cylinder head is subjected to a particularly high thermal load.
  • accesses are provided, which also serve as Sandkern Aln 3, 9 during the casting process.
  • the accesses are closed after casting.
  • Such accesses can, however, in principle also be used in the context of liquid cooling for the supply or removal of coolant to the coolant jackets or circuits.
  • the entrances to the outlet-side coolant shells 2a, 2b are provided in the region of the two connections 2c, via which the lower coolant jacket 2a and the upper coolant jacket 2b communicate with one another.
  • cooling water flows 4 and cooling oil flows 10 are formed on the side facing the mounting end, which are aligned substantially parallel to the cylinder longitudinal axes.
  • cooling oil flows 5 are formed on the side facing the mounting end, which are aligned substantially parallel to the cylinder longitudinal axes.
  • the associated coolant outflows 5, 11 run essentially parallel to the crankshaft longitudinal axis.
  • For venting the cooling water circuit is a vent line. 6
  • FIG. 2 shows in a side view the in FIG. 1 shown sand cores 1, 7 with a view towards the crankshaft longitudinal axis. It should only be supplementary to FIG. 1 For that reason, reference is made to FIG. 1 , The same reference numerals have been used for the same components.
  • FIG. 2 It can be seen that on the side facing the mounting end side two cooling water inflows 4 enter the lower coolant jacket 2a of the cooling water circuit and two cooling oil inflows 10 in the inlet side cooling jacket 8 of the oil circuit and that the inflows 4, 10 are substantially parallel to the cylinder longitudinal axes.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder umfassend
    • mindestens einen Zylinderkopf, und
    • eine Flüssigkeitskühlung, die mindestens zwei im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmäntel aufweist, wobei jeder Zylinder auslaßseitig mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase und einlaßseitig mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist.
  • Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.
  • Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderkopf und einen Zylinderblock, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden.
  • Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlaß- und Auslaßöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu verschließen.
  • Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft, über die Einlaßöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlaß- und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
  • Eine Ventilbetätigungseinrichtung umfaßt häufig eine Nockenwelle, auf der eine Vielzahl von Nocken angeordnet ist. Grundsätzlich wird zwischen einer untenliegenden Nockenwelle und einer obenliegenden Nockenwelle unterschieden. Dabei wird Bezug genommen auf die Trennebene, d. h. Montagefläche, zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock. Liegt die Nockenwelle oberhalb der Montagefläche handelt es sich um eine obenliegende Nockenwelle, andernfalls um eine untenliegende Nockenwelle. Obenliegende Nockenwellen werden vorzugsweise im Zylinderkopf gelagert.
  • Zur Aufnahme und Lagerung einer Nockenwelle im Zylinderkopf wird eine sogenannte Nockenwellenaufnahme mit mindestens zwei Lagern vorgesehen, wobei die Lager in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Nockenwelle wird im Bereich der Wellenzapfen, die entlang der Nockenwellenachse beabstandet zueinander angeordnet und in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind, gelagert. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit der Nockenwellenaufnahme ausgebildet sein. Zwischen der Nockenwelle und den Lagern können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.
  • Im montierten Zustand ist jeder Lagersattel mit dem korrespondierenden Lagerdeckel verbunden. Jeweils ein Lagersattel und ein Lagerdeckel bilden - gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Lagerschalen als Zwischenelemente - eine Bohrung zur Aufnahme eines Zapfens. Die Bohrungen werden üblicherweise mit Motoröl, d. h. Schmieröl, versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und dem dazugehörigen Zapfen bei umlaufender Nockenwelle - ähnlich einem Gleitlager - ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet. Alternativ kann ein Lager auch einteilig ausgebildet sein, beispielsweise bei einer gebauten Nockenwelle.
  • Zur Versorgung der Lager mit Öl ist eine Pumpe zur Förderung von Motoröl vorgesehen, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung die Nockenwellenaufiiahme, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern führen, mit Motoröl versorgt. Dabei führt die Versorgungsleitung nach dem Stand der Technik von der Pumpe durch den Zylinderblock zur Nockenwellenaufnahme und passiert dabei die sogenannte Hauptölgalerie.
  • Zur Ausbildung der Hauptölgalerie wird häufig ein Hauptversorgungskanal im Zylinderblock vorgesehen, der entlang der Längsachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Der Hauptversorgungskanal kann oberhalb oder unterhalb der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse angeordnet sein oder auch in die Kurbelwelle integriert werden. Von der Hauptölgalerie führen Kanäle zu den Lagern der Kurbelwelle.
  • Die vorgesehene Pumpe selbst wird nach dem Stand der Technik via Saugleitung, die von einer Ölwanne zur Pumpe führt, mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl versorgt und muß einen ausreichend großen Förderstrom, d. h. ein ausreichend hohes Fördervolumen, sicherstellen und für einen ausreichend hohen Öldruck im Versorgungssystem, d. h. Ölkreislauf, insbesondere in der Hauptölgalerie, sorgen.
  • Die Nockenwelle und die Kurbelwelle bzw. die dazugehörigen Lager, d. h. Aufnahmen, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Verbraucher bezeichnet, da diese zur Erfüllung und Aufrechterhaltung ihrer Funktion Motoröl brauchen bzw. verbrauchen, d. h. mit Motoröl versorgt werden müssen.
  • Weitere Verbraucher können beispielsweise die Lager einer Pleuelstange oder einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle sein. Ebenfalls Verbraucher im vorgenannten Sinne ist auch eine Spitzölkühlung, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mittels Düsen von unten, d. h. kurbelgehäuseseitig, mit Motoröl benetzt und somit Öl braucht, d. h. mit Öl versorgt werden muß.
  • Ein hydraulisch betätigbarer Nockenwellenversteller oder andere Ventiltriebsbauteile, beispielsweise zum hydraulischen Ventilspielausgleich, haben ebenfalls einen Bedarf an Motoröl und bedürfen einer Ölversorgung.
  • Kein Verbraucher im vorgenannten Sinn ist ein in der Versorgungsleitung vorgesehener Ölfilter oder Ölkühler. Zwar werden auch diese Komponenten des Ölkreislaufs mit Motoröl versorgt. Prinzipbedingt bringt aber ein Ölkreislauf die Verwendung dieser Komponenten mit sich, die ausschließlich Aufgaben, d. h. Funktionen haben, welche das Öl als solches betreffen, wohingegen ein Verbraucher erst den Ölkreislauf notwendig macht.
  • Die Reibung in den mit Öl zu versorgenden Verbrauchern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle, hängt maßgeblich von der Viskosität und damit von der Temperatur des bereitgestellten Öls ab und trägt zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei.
  • Grundsätzlich ist man bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Neben einer verbesserten, d.h. effektiveren, Verbrennung steht dabei eben auch die Reduzierung der Reibleistung im Vordergrund der Bemühungen. Ein verminderter Kraftstoffverbrauch trägt zudem auch zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen bei.
  • Hinsichtlich einer Reduzierung der Reibleistung sind eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend. Die vergleichsweise schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.
  • Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Konzepte bekannt, bei denen das Öl mittels externer Heizvorrichtung aktiv erwärmt wird. Die Heizvorrichtung ist aber im Hinblick auf den Kraftstoffeinsatz ein zusätzlicher Verbraucher, was der Zielsetzung, den Kraftstoffverbrauch zu mindern, zu wider läuft.
  • Andere Konzepte sehen vor, das im Betrieb erwärmte Motoröl in einem isolierten Behältnis zu speichern und bei Bedarf, beispielsweise einem erneuten Start der Brennkraftmaschine, zu nutzen. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass das im Betrieb erwärmte Öl zeitlich nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur gehalten werden kann, weshalb ein Erwärmen des Öls in der Regel während des Betriebs der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
  • Sowohl eine externe Heizvorrichtung als auch ein isoliertes Behältnis führen zu einem zusätzlichen Bauraumbedarf im Motorraum und sind einem möglichst dichten Packaging der Antriebseinheit abträglich.
  • Abgesehen von den vorstehend genannten Vorrichtungen, die zusätzliche Kosten verursachen und einen zusätzlichen Raumbedarf haben, kann eine vorteilhafte Auslegung des Ölkreislaufs, insbesondere eine geeignete Führung der Versorgungsleitung durch den Zylinderblock bzw.
  • Zylinderkopf, die Erwärmung des Motoröls nach einem Kaltstart unterstützen, d. h. beschleunigen.
  • Im Zusammenhang mit dem Ölkreislauf und der gewünschten schnellen Erwärmung des Öls nach einem Kaltstart muß grundsätzlich berücksichtigt werden, dass der Zylinderkopf und der Zylinderblock thermisch hochbelastete Bauteile sind, die eine Kühlung erfordern, und der Wärmehaushalt der Brennkraftmaschine primär durch diese Kühlung dominiert wird, d. h. die Auslegung der Brennkraftmaschine durch die Kühlung und nicht durch die möglichst schnelle Erwärmung des Motoröls bestimmt wird.
  • Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muß ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden. Die von der Oberfläche der Brennkraftmaschine durch Strahlung und Wärmeleitung an die Umgebung abgeführte Wärmemenge ist für eine effiziente Kühlung nicht ausreichend, weshalb in der Regel mittels erzwungener Konvektion gezielt eine Kühlung des Zylinderkopfes herbeigeführt wird.
  • Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmung erfolgt.
  • Hingegen erfordert die Flüssigkeitskühlung die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Konstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
  • Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr sehr großer Wärmmengen eignet, was im Allgemeinen als vorteilhaft angesehen wird.
  • Aufgrund der höheren Wärmekapazität einer Flüssigkeit gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung.
  • Moderne Brennkraftmaschinen werden zudem häufig mittels Abgasturbolader bzw. Kompressor aufgeladen und weisen zunehmend im Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer auf. Diese Maßnahmen führen dazu, dass der Zylinderkopf und der Zylinderblock thermisch höher belastet sind als bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine, weshalb erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind.
  • Aus den genannten Gründen wird bei einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung häufig mindestens ein Kühlmittelmantel im Zylinderkopf integriert.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt der Zylinderkopf über mindestens zwei Kühlmittelmäntel. Der Zylinderkopf kann beispielsweise auslaßseitig einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweisen.
  • Die Kühlung sollte die Brennkraftmaschine, insbesondere den Zylinderkopf, sicher vor einer thermischen Überlastung schützen und vorzugsweise derart effizient sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) bei hohen Abgastemperaturen verzichtet werden kann. Bei einer Anfettung wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der zusätzliche Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt. Diese Vorgehensweise ist aber unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen. Insbesondere gestattet es die Anfettung nicht immer, die Brennkraftmaschine in der Weise zu betreiben, wie es beispielsweise für ein vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre.
  • Andererseits sollte der Brennkraftmaschine durch Kühlung nicht mehr Wärme entzogen werden als unbedingt erforderlich, da der Wärmeentzug bzw. die entzogene Wärmemenge Einfluß hat auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Nach dem Stand der Technik wird mehr als ein Viertel der eingesetzten Energie an das Kühlmittel, d. h. in der Regel an das Kühlwasser, der Flüssigkeitskühlung abgegeben und ungenutzt an die Umgebung abgeführt.
  • Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die sowohl hinsichtlich der Kühlung als auch hinsichtlich der Reibleistung optimiert ist.
  • Eine derartige Brennkraftmaschine wird in JP58035221 gezeigt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1.
  • Der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt über zwei voneinander unabhängige Kühlmittelkreisläufe, die jeweils mindestens einen Kühlmittelmantel umfassen und insbesondere mit unterschiedlichen Kühlmitteln betrieben werden können und vorzugsweise betrieben werden.
  • Diese Ausgestaltung bzw. Ausbildung der Flüssigkeitskühlung gestattet eine bedarfsgerechte Kühlung der Einlaßseite einerseits und der Auslaßseite andererseits und zwar unabhängig voneinander und entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil.
  • Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Kühlmittelmantel des einen Kreislaufs auslaßseitig und der mindestens eine Kühlmittelmantel des anderen Kreislaufs einlaßseitig angeordnet, so dass für die Einlaßseite und die Auslaßseite unterschiedliche Kühlleistungen realisiert werden können und zwar nicht nur durch den Einsatz unterschiedlicher Kühlmittel. Vielmehr kann die Pumpenleistung jedes Kreislaufs unabhängig voneinander gewählt und eingestellt werden und damit auch der Kühlmitteldurchsatz, d. h. das Fördervolumen. Hierdurch kann Einfluß auf die Durchflußgeschwindigkeit genommen werden, die den Wärmeübergang durch Konvektion maßgeblich mitbestimmt.
  • Auf diese Weise kann dem Zylinderkopf einlaßseitig weniger Wärme und auslaßseitig mehr Wärme entzogen werden.
  • Insbesondere gestattet die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine die Verwendung von Öl als Kühlmittel für die Einlaßseite und die Verwendung von Wasser als Kühlmittel für die thermisch höher bzw. thermisch hoch belastete Auslaßseite des Zylinderkopfes.
  • Öl hat eine im Vergleich zu Wasser geringere Wärmekapazität, wodurch die Kühlleistung einlaßseitig gegenüber einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel spürbar vermindert werden kann. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Flüssigkeitskühlung bietet die Möglichkeit, dem Zylinderkopf einlaßseitig nur so viel Wärme zu entziehen, wie es tatsächlich erforderlich ist, um eine Überhitzung zu verhindern, wohingegen die Einlaßseite nach dem Stand der Technik aufgrund der einheitlichen Verwendung von Wasser als Kühlmittel stärker gekühlt wird als dies eigentlich erforderlich ist, da die Auslegung der Kühlung im Hinblick auf die thermisch stärker beanspruchte Auslaßseite erfolgt. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist damit hinsichtlich der Kühlung optimiert. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird durch die erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlung erhöht.
  • Darüber hinaus hat die Verwendung von Öl als Kühlmittel für den mindestens einen einlaßseitigen Kühlmittelmantel einen weiteren Vorteil. Bildet der einlaßseitige Kühlmittelmantel den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine, welcher via Versorgungsleitung Verbraucher mit Öl versorgt, mit aus, erwärmt sich das Motoröl nach einem Kaltstart schneller.
  • Das Öl durchströmt dann nämlich beim Passieren des Zylinderkopfes den einlaßseitigen Kühlmittelmantel, dessen ureigenste Funktion die vorliegend gewünschte Wärmeübertragung ist. Der einlaßseitige Kühlmittelmantel wird dabei zur Erwärmung des Öls während der Warmlaufphase genutzt und entsprechend seiner originären Funktion zur Kühlung des Zylinderkopfes bei warmgelaufener Brennkraftmaschine. In beiden Fällen dient der einlaßseitige Kühlmittelmantel dem Wärmeeintrag in das Öl.
  • Während die Wärme, die nach einem Kaltstart einlaßseitig in das Kühlmittel eingebracht wird, bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise für eine schnelle Erwärmung des Öls sorgt und damit das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert, wird die Wärme, die nach dem Stand der Technik in das als Kühlmittel dienende Kühlwasser eingebracht wird, ungenutzt abgeführt. Letztgenannter Wärmeübergang steht einer schnellen Erwärmung des Öls sogar entgegen. Die Erwärmung des Öls während der Warmlaufphase verzögert sich dabei, da einem Warmlaufen der Brennkraftmaschine entgegengewirkt wird und damit auch einer Aufheizung des Öls beim Passieren des Zylinderkopfes bzw. Zylinderblocks.
  • Der einlaßseitige Kühlmittelmantel erweist sich im Hinblick auf die Erwärmung des Öls während der Warmlaufphase prinzipbedingt als überaus geeignet. Zum einen verfügt der Kühlmittelmantel - insbesondere im Vergleich zu einer Leitung - über eine große Oberfläche, was den Wärmeübergang infolge Konvektion erhöht. Zum anderen ist der Zylinderkopf, in den der Kühlmittelmantel integriert ist, thermisch besonders hoch belastet, was den Wärmeeintrag in das Motoröl während der Warmlaufphase aufgrund des vergleichsweise großen Temperaturunterschieds bzw. Temperaturgefälles fördert.
  • Aus den vorstehend genannten Gründen sind somit insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört.
  • Die erfindungsgemäß ausgestaltete Brennkraftmaschine erweist sich während der Warmlaufphase, insbesondere nach einem Kaltstart, als besonders vorteilhaft. Nach einem Stillstand des Fahrzeuges, d. h. bei einem Neustart der Brennkraftmaschine, durchströmt das Öl den zum Ölkreislauf gehörenden einlaßseitigen Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes, der sich infolge der ablaufenden Verbrennungsprozesse vergleichsweise schnell erwärmt, wodurch bereits unmittelbar nach dem Start größere Wärmemengen in das Öl eingetragen werden können. Das für die Verbraucher bereitgestellte Öl wird folglich schneller erwärmt.
  • Erwärmtes Öl bzw. Öl einer höheren Temperatur weist eine geringere Viskosität auf, was die Reibleistung der Brennkraftmaschine senkt und den Wirkungsgrad verbessert. Infolgedessen wird durch das Erwärmen des Öls der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine spürbar reduziert, insbesondere nach einem Kaltstart.
  • Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird - wie ausführlich dargelegt - die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die sowohl hinsichtlich der Kühlung als auch hinsichtlich der Reibleistung optimiert ist.
  • Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gegenüber Konzepten, bei denen das Öl mittels Heizvorrichtung aktiv erwärmt wird, besteht in dem vergleichsweise einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Ölerwärmung. Es sind grundsätzlich keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, insbesondere keine externe Heizvorrichtung. Mit der Heizvorrichtung entfällt auch der durch eine derartige Vorrichtung bedingte Kraftstoffmehrverbrauch. Erfindungsgemäß wird ein zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung vorzusehender Kühlmittelmantel einem ohnehin vorhandenen Ölkreislauf zugeordnet, um das Öl beim Warmlaufen schneller erwärmen zu können.
  • Mit Hinblick auf Konzepte, bei denen im Betrieb erwärmtes Motoröl in einem isolierten Behältnis gespeichert und bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine zur Versorgung der Verbraucher genutzt wird, muß berücksichtigt werden, dass das im Betrieb erwärmte Öl zeitlich nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur gehalten werden kann und auch dieses Konzept, wenn auch keinen zusätzlichen Kraftstoff, dann doch zusätzliche Bauteile benötigt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kühlwasserkreislauf keinen einlaßseitigen Kühlmittelmantel umfaßt. D. h. die Einlaßseite des Zylinderkopfes wird ausschließlich ölgekühlt, weshalb die Wärme nicht ungenutzt mit dem Kühlwasser abgeführt wird.
  • Diese Ausführungsform bzw. Ausgestaltung der Flüssigkeitskühlung stellt sicher, dass die dem Zylinderkopf einlaßseitig entzogene Wärme ausschließlich und vollständig zur Erwärmung des Motoröls verwendet wird und nicht ungenutzt über das Kühlwasser an die Umgebung abgeführt wird. Dadurch wird der Wärmehaushalt der Brennkraftmaschine weiter optimiert.
  • Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist, der als obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme einer Kurbelwelle in mindestens zwei Lagern dient und mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die zum Sammeln und Bevorraten von Motoröl vorgesehen ist, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, wobei eine Pumpe vorgesehen ist zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu mindestens einem Verbraucher innerhalb des Ölkreislaufs.
  • Vorliegend wird das dem mindestens einen Verbraucher zugeführte Öl im einlaßseitigen Kühlmittelmantel, der Teil des Ölkreislaufs ist, erwärmt, was insbesondere nach einem Kaltstart vorteilhaft ist und die Reibleistung der Brennkraftmaschine spürbar vermindert.
  • Wie bereits einleitend erwähnt, werden der mindestens eine Zylinderkopf und der Zylinderblock im Rahmen der Montage an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden, d.h. in der Regel mittels Gewindebolzen miteinander verschraubt. Zur Abdichtung der Brennräume wird häufig zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf eine Dichtung angeordnet.
  • Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
  • Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
  • Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, wobei die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert wird. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird in der Regel zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung des Ventiltriebes.
  • Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs. Darüber hinaus dient die Ölwanne als Wärmetauscher zur Absenkung der Öltemperatur bei warmgelaufener Brennkraftmaschine. Das in der Ölwanne befindliche Öl wird dabei durch Wärmeleitung und Konvektion mittels an der Außenseite vorbeigeführter Luftströmung gekühlt.
  • Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen. Für diese Lager bzw. die Lagerung des Kurbelgehäuses gilt das im Zusammenhang mit der Nockenwellenlagerung Gesagte in analoger Weise, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung in eine Hauptölgalerie mündet, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern der Kurbelwelle führen, um die mindestens zwei Lager mit Motoröl zu versorgen.
  • Gemäß dieser Ausführungsform werden die Lager der Kurbelwelle mit Öl versorgt, das im einlaßseitigen Kühlmittelmantel erwärmt wird, was die Reibung in den Lagern deutlich vermindert und sich vorteilhaft auf das Warmlaufverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung stromaufwärts der Hauptölgalerie durch den Zylinderkopf hindurchführt, vorzugsweise durch den einlaßseitigen Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes.
  • Die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs führt durch den Zylinderkopf hindurch bzw. durch den einlaßseitigen Kühlmittelmantel bevor diese Leitung stromabwärts in die Hauptölgalerie mündet. Das Öl wird vorliegend im Zylinderkopf erwärmt und erst dann zur Schmierung der Lager der Kurbelwelle eingesetzt. Während das Motoröl nach dem Stand der Technik von der Hauptölgalerie zum Zylinderkopf strömt, wird es vorliegend vom Zylinderkopf zur Hauptölgalerie geleitet, was die Reibung in den Lagern vermindert und den Kraftstoffverbrauch reduziert.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe zunächst durch den Zylinderkopf hindurchführt bevor diese Versorgungsleitung in den Zylinderblock eintritt.
  • Diese Ausführungsform nutzt den Umstand, dass der Zylinderkopf thermisch hoch belastet ist, insbesondere thermisch höher belastet ist als der Zylinderblock, so dass die Erwärmung des Öls, d.h. der Anstieg der Öltemperatur bei einem Durchströmen des Zylinderkopfes deutlicher ausfällt als beim Durchströmen des Zylinderblocks.
  • Nach einem Kaltstart erwärmt sich der Zylinderkopf infolge der ablaufenden Verbrennungsprozesse schneller, insbesondere im Vergleich zum Zylinderblock. Die in Rede stehende Ausführungsform, d. h. die vorgeschlagene Strömungsführung, gewährleistet, dass die Kurbelwellenlager schneller mit vorerwärmten Öl versorgt werden und verhindert insbesondere, dass dem in den Zylinderkopf eintretenden Öl stromaufwärts im Zylinderblock Wärme entzogen wird.
  • Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Versorgungsleitung zunächst durch den Zylinderblock und anschließend, d. h. stromabwärts, durch den Zylinderkopf hindurchführt, vorzugsweise durch den einlaßseitigen Kühlmittelmantel.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Versorgung der Nockenwellenlager mit Öl die Versorgungsleitung vom einlaßseitigen Kühlmittelmantel zur Nockenwellenaufnahme führt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist.
  • Neben dem Zylinderkopf ist auch der Zylinderblock ein thermisch hoch belastetes Bauteil, so dass es erforderlich bzw. vorteilhaft sein kann, auch den Zylinderblock zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelmantel auszustatten. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn weniger temperaturfeste Werkstoffe eingesetzt werden sollen oder bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die thermisch höher belastet sind als Saugmotoren.
  • Bei Brennkraftmaschinen mit einem Zylinderblock, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist, sind beispielsweise Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks dem Kühlwasserkreislauf angehört. Wasser zeichnet sich durch eine hohe Wärmekapazität aus, weshalb bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel größere Wärmemengen abgeführt werden können.
  • Wasser hat - wie bereits erwähnt - gegenüber anderen Kühlmitteln des weiteren den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist.
  • Bei Brennkraftmaschinen mit einem Zylinderblock, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist, können auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks dem Ölkreislauf angehört.
  • Gegenüber der Verwendung von Wasser hat Öl als Kühlmittel den Vorteil, dass es nicht korrosiv ist, vielmehr sogar einen Korrosionsschutz bietet und im Gegensatz zu Wasser mit - insbesondere sich bewegenden - Bauteilen ohne weiteres in Kontakt kommen kann, ohne dass die Funktionstüchtigkeit der Brennkraftmaschine gefährdet wäre.
  • Darüber hinaus wird Öl ohnehin via Versorgungsleitung durch den Zylinderblock geführt, d. h. dem Block zugeführt, um die Verbraucher, insbesondere die Kurbelwelle, mit Öl zu versorgen.
  • Mit der Ausstattung des Zylinderblocks mit einem Kühlmittelmantel zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung unter Verwendung von Motoröl als Kühlmittel kann die Erwärmung des Öls während der Warmlaufphase weiter beschleunigt werden.
  • Bei Brennkraftmaschinen der vorstehend genannten Art mit einem Zylinderblock, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks stromaufwärts des mindestens einen Kühlmittelmantels des Zylinderkopfes angeordnet ist.
  • Aber auch Ausführungsformen, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks stromabwärts des mindestens einen Kühlmittelmantels des Zylinderkopfes angeordnet ist, können vorteilhaft sein.
  • Welche Anordnung von Block und Kopf bzw. Strömungsrichtung des Kühlmittels zu bevorzugen ist, hängt vom Einzelfall ab, insbesondere auch davon, welches Kühlmittel verwendet wird bzw. welchem Kühlkreislauf der Kühlmittelmantel des Blocks angehört.
  • Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist und sich an jede Einlaßöffnung eine Ansaugleitung anschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel zwischen der Montage-Stirnseite und der mindestens einen Ansaugleitung angeordnet ist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform liegt der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel auf der dem Zylinderblock zugewandten Seite des Ansaugsystems. Dies läßt genügend Bauraum auf der dem Block abgewandten Seite des Zylinderkopfes, beispielsweise zur Anordnung einer Nockenwellenaufnahme, und führt zu einer kompakten Bauweise.
  • Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel zwischen der Montage-Stirnseite und der mindestens einen Abgasleitung angeordnet ist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform liegt der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel auf der dem Zylinderblock zugewandten Seite. Dies läßt genügend Bauraum auf der dem Block abgewandten Seite des Zylinderkopfes, beispielsweise zur Anordnung einer Nockenwellenaufnahme, und führt zu einer kompakten Bauweise.
  • Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass mindestens zwei auslaßseitige Kühlmittelmäntel vorgesehen sind, wobei ein unterer Kühlmittelmantel zwischen der Montage-Stirnseite und der mindestens einen Abgasleitung angeordnet ist und ein oberer Kühlmittelmantel auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Abgasleitung angeordnet ist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform liegt ein erster, unterer Kühlmittelmantel auf der dem Zylinderblock zugewandten Seite des Abgasabführsystems, während ein zweiter, oberer Kühlmittelmantel auf der dem Zylinderblock abgewandten Seite des Abgasabführsystems angeordnet ist.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen, bei denen mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient. Vorzugsweise liegt die mindestens eine Verbindung auf der den Zylindern abgewandten Seite des Krümmers.
  • Durch das Vorsehen einer Verbindung kann eine sehr effiziente Kühlung ausgebildet werden, wie sie thermisch hochbelastete Brennkraftmaschinen erfordern, beispielsweise aufgeladene Brennkraftmaschinen, die mit einem integrierten Abgaskrümmer ausgestattet sind.
  • Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und dem unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
  • Der untere und der obere Kühlmittelmantel können dabei über ihre gesamte Breite miteinander verbunden sein oder aber auch nur abschnittweise, d.h. über einen Teilbereich der Kühlmittelmäntel. Dadurch können die Strömungsgeschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung beeinflußt werden und damit der Wärmeübergang durch Konvektion.
  • Die mindestens eine Verbindung ist bei einem integrierten Krümmer vorzugsweise benachbart zu dem Bereich angeordnet, in dem die Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der Gesamtabgasleitung vorzugsweise kleiner ist als der Durchmesser bzw. der halbe Durchmesser eines Zylinders. Der Abstand bestimmt sich aus der Wegstrecke zwischen der Außenwandung der Gesamtabgasleitung und der Außenwandung der Verbindung.
  • Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Stromabwärts des Krümmers werden die Abgase dann gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
  • Dabei ist man zum einen bemüht, die Turbine möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
  • In diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasturbolader zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
  • Zielführend dabei ist die Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf. Diese Maßnahme gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit.
  • Ausführungsformen des Zylinderkopfes mit beispielsweise vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei denen die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden, sind ebenfalls Zylinderköpfe der in Rede stehenden Art.
  • Vorteilhaft sind aber Ausführungsformen des Kopfes, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen, Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist. Während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ist es ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslaßöffnung vorteilhaft ist.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen bevor die Teilabgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen wird hierdurch weiter verkürzt. Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung trägt zudem zu einer kompakteren, d. h. weniger voluminösen, Bauweise des Zylinderkopfes und damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren Packaging im Motorraum bei.
  • Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen sein, bei denen jeder Zylinder eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist, vorzugsweise eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • Fig. 1
    in einer leicht angestellten Draufsicht die Sandkerne der im Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung integrierten Kühlmittelmäntel einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
    Fig. 2
    in einer Seitenansicht die in Figur 1 dargestellten Sandkerne mit Blick in Richtung Kurbelwellenlängsachse.
  • Figur 1 zeigt in einer leicht angestellten Draufsicht die Sandkerne 1, 7 der Kühlmittelmäntel 2, 8 zweier voneinander getrennter Kühlmittelkreisläufe, wie sie gemäß einer ersten Ausführungsform im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine integriert werden.
  • Mit den Sandkernen 1, 7 veranschaulicht Figur 1 auch grob die im fertigen Zylinderkopf integrierten Teilstücke der beiden Kühlkreisläufe, nämlich die entsprechenden Kühlmittelmäntel 2, 8, weshalb die Sandkerne 1, 7 auch die Bezugszeichen für die dazugehörigen Kühlmittelmäntel 2, 8 tragen.
  • Zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung werden im Zylinderkopf auslaßseitig zwei Kühlmittelmäntel 2a, 2b und einlaßseitig ein Kühlmittelmantel 8 angeordnet, wobei die zwei auslaßseitigen Kühlmittelmäntel 2a, 2b einem Kühlwasserkreislauf angehören und der einlaßseitige Kühlmittelmantel 8 Teil eines separaten Ölkreislaufs ist. Die beiden Kühlmittelkreisläufe, nämlich der Kühlwasserkreislauf einerseits und der Kühlölkreislauf andererseits, sind voneinander getrennt.
  • Es handelt sich vorliegend um die Sandkerne 1, 7 eines Zylinderkopfes eines Drei-Zylinder-Reihenmotors, bei dem jeder Zylinder auslaßseitig zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus den Zylindern und einlaßseitig zwei Einlaßöffnungen zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern aufweist, wobei sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung und an jede Einlaßöffnung eine Ansaugleitung anschließt. Die Abgasleitungen der drei Zylinder führen innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammen (nicht dargestellt). Der Zylinderkopf wird an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden.
  • Gemäß Figur 1 ist der einlaßseitige Kühlmittelmantel 8 des Ölkreislaufs zwischen der Montage-Stirnseite und den Ansaugleitungen angeordnet. Der auslaßseitige Kühlwasserkreislauf umfaßt zwei auslaßseitige Kühlmittelmäntel 2a, 2b, von denen ein unterer Kühlmittelmantel 2a zwischen der Montage-Stirnseite und dem integrierten Abgaskrümmer angeordnet ist und ein oberer Kühlmittelmantel 2b auf der dem unteren Kühlmittelmantel 2a gegenüberliegenden Seite des Abgaskrümmers. Folglich liegt der Krümmer zwischen dem unteren Kühlmittelmantel 2a und dem oberen Kühlmittelmantel 2b und wird von diesen Kühlmittelmänteln 2a, 2b großflächig umhüllt. Der Kühlwasserkreislauf umfaßt keinen einlaßseitigen Kühlmittelmantel.
  • Auf der den Zylindern abgewandten Seite des Abgaskrümmers, auf der auch die Gesamtabgasleitung aus dem Zylinderkopf austritt, sind zwei Verbindungen 2c zwischen dem unteren Kühlmittelmantel 2a und dem oberen Kühlmittelmantel 2b vorgesehen, die dem Durchtritt von Kühlwasser dienen, wobei in der Draufsicht nach Figur 1 nur eine Verbindung 2c sichtbar ist.
  • Die beiden Verbindungen 2c sind benachbart zur Gesamtabgasleitung angeordnet, d. h. zu dem Bereich des Krümmers, an dem die Abgasleitungen zusammenführen und der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet.
  • Zur Entfernung der Sandkerne 1, 7 nach dem Gießen des Zylinderkopfes sind Zugänge vorgesehen, die während des Gießvorganges auch als Sandkernstützen 3, 9 dienen. Die Zugänge werden nach dem Gießen verschlossen. Derartige Zugänge können aber grundsätzlich auch im Rahmen der Flüssigkeitskühlung für die Zufuhr bzw. Abfuhr von Kühlmittel zu den Kühlmittelmänteln bzw. Kreisläufen verwendet werden.
  • Die Zugänge zu den auslaßseitigen Kühlmittelmänteln 2a, 2b sind im Bereich der beiden Verbindungen 2c vorgesehen, über welche der untere Kühlmittelmantel 2a und der obere Kühlmittelmantel 2b miteinander kommunizieren.
  • Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind auf der der Montage-Stirnseite zugewandten Seite Kühlwasserzuflüsse 4 und Kühlölzuflüsse 10 ausgebildet, die im Wesentlichen parallel zu den Zylinderlängsachsen ausgerichtet sind. Die dazugehörigen Kühlmittelabflüsse 5, 11 verlaufen hingegen im Wesentlichen parallel zur Kurbelwellenlängsachse. Zur Entlüftung des Kühlwasserkreislaufs dient eine Entlüftungsleitung 6.
  • Figur 2 zeigt in einer Seitenansicht die in Figur 1 dargestellten Sandkerne 1, 7 mit Blick in Richtung Kurbelwellenlängsachse. Es soll nur ergänzend zu Figur 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf Figur 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass auf der der Montage-Stirnseite zugewandten Seite zwei Kühlwasserzuflüsse 4 in den unteren Kühlmittelmantel 2a des Kühlwasserkreislaufs eintreten und zwei Kühlölzuflüsse 10 in den einlaßseitigen Kühlmantel 8 des Ölkreislaufs und dass die Zuflüsse 4, 10 im Wesentlichen parallel zu den Zylinderlängsachsen verlaufen.
  • Deutlich zu erkennen ist, dass der untere und der obere Kühlmittelmantel 2a, 2b nicht über die gesamte Länge des von ihnen umhüllten Krümmers miteinander verbunden sind. Die Entlüftungsleitung 6 verläuft im höchst gelegenen Abschnitt des Kühlwasserkreislaufs.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Sandkern des Kühlwasserkreislaufs
    2
    Kühlmittelmantel des Kühlwasserkreislaufs
    2a
    unterer Kühlmittelmantel
    2b
    oberer Kühlmittelmantel
    2c
    Verbindung
    3
    Sandkernstütze
    4
    Kühlwasserzufluß
    5
    Kühlwasserabfluß
    6
    Entlüftungsleitung
    7
    Sandkern des Kühlölkreislaufs
    8
    Kühlmittelmantel des Kühlölkreislaufs
    9
    Sandkernstütze
    10
    Kühlölzufluß
    11
    Kühlölabfluß

Claims (14)

  1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder umfassend
    - mindestens einen Zylinderkopf, und
    - eine Flüssigkeitskühlung, die mindestens zwei im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmäntel (2, 8) aufweist, wobei jeder Zylinder auslaßseitig mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase und einlaßseitig mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist, wobei im Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel (2) auslaßseitig und mindestens ein Kühlmittelmantel (8) einlaßseitig angeordnet ist und diese mindestens zwei Kühlmittelmäntel (2, 8) voneinander getrennt sind und unterschiedlichen separaten Kühlmittelkreisläufen angehören,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel (2) einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel (8) einem Ölkreislauf angehört.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkreislauf keinen einlaßseitigen Kühlmittelmantel umfaßt.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist, der als obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme einer Kurbelwelle in mindestens zwei Lagern dient und mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die zum Sammeln und Bevorraten von Motoröl vorgesehen ist, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, wobei eine Pumpe vorgesehen ist zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu mindestens einem Verbraucher innerhalb des Ölkreislaufs.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung in eine Hauptölgalerie mündet, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lagern der Kurbelwelle führen, um die mindestens zwei Lager mit Motoröl zu versorgen.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung stromaufwärts der Hauptölgalerie durch den Zylinderkopf hindurchführt.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung des Ölkreislaufs stromabwärts der Pumpe zunächst durch den Zylinderkopf hindurchführt bevor diese Versorgungsleitung in den Zylinderblock eintritt.
  7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Zylinderblock, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks dem Kühlwasserkreislauf angehört.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Zylinderblock, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks dem Ölkreislauf angehört.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9 mit einem Zylinderblock, der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen Kühlmittelmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelmantel des Zylinderblocks stromaufwärts des mindestens einen Kühlmittelmantels des Zylinderkopfes angeordnet ist.
  11. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist und sich an jede Einlaßöffnung eine Ansaugleitung anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel (8) zwischen der Montage-Stirnseite und der mindestens einen Ansaugleitung angeordnet ist.
  12. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel (2) zwischen der Montage-Stirnseite und der mindestens einen Abgasleitung angeordnet ist.
  13. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden ist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei auslaßseitige Kühlmittelmäntel (2a, 2b) vorgesehen sind, wobei ein unterer Kühlmittelmantel (2a) zwischen der Montage-Stirnseite und der mindestens einen Abgasleitung angeordnet ist und ein oberer Kühlmittelmantel (2b) auf der dem unteren Kühlmittelmantel (2a) gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Abgasleitung angeordnet ist.
  14. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens zwei Zylindern, bei denen sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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