DE10047080B4

DE10047080B4 - Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10047080B4
Application number: DE2000147080
Authority: DE
Inventors: Manfred Kloft
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: DE10047080A1

Abstract

Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, beistehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse (1) und einem Zylinderkopf (2), die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste (12) gefördert wird und nachfolgend über jeweils mindestens einen Kanal in Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerleiste (12) entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse (1) angeordnet und über einen Verteilerkanal (13) mit einem Kühlmittelmantel (14) der Zylinderlaufbuchsen verbunden ist, wobei der Kühlmittelmantel (14) einen Übergangskanal (15) aufweist, der mit einem, im Zylinderkopf (2) ausgestalteten Austrittskanal (21) in Wirkverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse und einem Zylinderkopf, die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste gefördert wird und nachfolgend über jeweils mindestens einen Kanal in die Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes strömt.
Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch begründete Forderungen zu beachten, wobei insbesondere eine Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission angestrebt wird. Eine wesentliche Komponente ist hierbei die Kühlung der Brennkraftmaschine. So bewirken z. B. überdimensionierte Kühlmittelkanäle mit großen Kühlmittelmengen eine Erhöhung der Masse und eine lange Warmlaufphase. Deshalb müssen für die konstruktive Ausgestaltung der Kühlmittelführung zahlreiche Parameter beachtet werden, um eine funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Aus DE 196 37 122 C1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf bekannt. Die Kühlmittelführung zwischen diesen beiden Baugruppen erfolgt für jeden Zylinder über vier Zulaufkanäle, die unmittelbar neben der Brennraumwand verlaufen. Somit ergeben sich neben einem hohen gusstechnischen Aufwand zusätzliche Aufwendungen für eine funktionssichere Abdichtung. Weiterhin ist nachteilig, dass das Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf mit einem einheitlichen Temperaturniveau betrieben werden. Demzufolge können die konkreten thermischen Belastungen dieser Baugruppen, die sich beispielsweise in der Warmlaufphase erheblich unterscheiden, nicht genügend berücksichtigt werden. Eine in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine funktionsgerechte Kühlung ist nicht möglich.
Bei der in DE 36 03 674 A1 beschriebenen Brennkraftmaschine ist im Übergangsbereich von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf ein Zuführungskanal für das Kühlmittel ausgestaltet, der in Längsrichtung des Zylinderblockes verläuft und die Funktion einer Verteilerleiste hat. Das Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe zunächst in die Verteilerleiste gefördert und strömt von hier über Kanäle zu den Zylinderlaufbuchsen und zum Zylinderkopf. Durch die Verteilerleiste ergibt sich gegenüber der oben erläuterten DE 196 37 122 C1 ein verminderter Fertigungsaufwand und eine verbesserte Abdichtung. Allerdings werden auch bei DE 36 03 674 A1 das Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf mit einem einheitlichen Temperaturniveau beitrieben. Somit wird eine in allen Betriebszuständen funktionsgerechte Kühlung ebenfalls nicht erreicht.
Ein Kühlsystem mit zwei voneinander getrennten Kreisläufen für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf wird in DE 44 07 984 A1 beschrieben. Durch Anwendung dieser technischen Lösung kann ein unterschiedliches Temperaturniveau zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf realisiert werden. Somit ist es grundsätzlich möglich, das Zylinderkurbelgehäuse mit höheren Temperaturen als den Zylinderkopf zu betreiben, so dass eine bessere Ölviskosität, geringere Wandwärmeverluste und eine verminderte Kolbenreibung erzielt werden. Diese Parameter verbessern letztlich den Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine. Allerdings erfordert DE 44 07 984 A1 einen erheblichen konstruktiven Aufwand: Im Zylinderkurbelgehäuse ist ein erstes Kanalsystem vorgesehen, das nach oben durch eine Trennwand begrenzt ist. Oberhalb dieser Trennwand ist ein zweites Kanalsystem ausgestaltet, das mit einem weiteren Kanalsystem im Zylinderkopf verbunden ist. Die verschiedenen Kanalsysteme sind mit einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe verbunden und weisen ferner zahlreiche Kanäle bzw. Leitungen für mehrfache Verbindungen untereinander auf. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Kühlmitteldurchsatz zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf weitgehend durch die Geometrie dieser Baugruppen festgelegt ist. Für eine effektive Fertigung von Brennkraftmaschinen ist es zweckmäßig, die Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf für Verschiedene Motorvarianten zu modifizieren. Mit DE 44 07 984 A1 ist diese Forderung zumindest bezüglich des Kühlmitteldurchsatzes kaum zu realisieren.
Die GB 851 049 A zeigt ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse und einem Zylinderkopf, die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste gefördert wird und nachfolgend über einen Kanal in die Kühlmittelräume des Zylinderkopfes strömt. Aus dem Zylinderkopf strömt ein Teil des Kühlmittels durch einen Kanal in die Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses. Die Verteilerleiste ist entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse angeordnet. Der Kühlmittelmantel der Zylinderlaufbuchsen weist einen Übergangskanal auf, der mit einem im Zylinderkopf ausgestalteten Austrittskanal in Wirkverbindung steht.
Die DE 27 56 006 A1 zeigt einen Kühlmittelmantel für ein Zylinderkurbelgehäuse mit einem Übergangskanal, der einem Verteilerkanal gegenüber liegt, wobei die Strömung des Kühlmittels durch entsprechend dimensionierte Durchgangsöffnungen in einer Zylinderkopfdichtung eingestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen mit zwei voneinander getrennten Kreisläufen für das Zylinderkurbelgehäuse und den Zylinderkopf zu schaffen, mit dem unterschiedliche Kühlmittelströme und Kühlmitteltemperaturen in diesen beiden Baugruppen realisiert werden können. Dies soll durch Regelung der jeweiligen Kühlmitteldurchsätze erreicht werden. Das zu schaffende Kühlsystem soll bei Verwendung gleicher Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf mit geringem konstruktiven Aufwand für unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze modifiziert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Verteilerleiste entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse ausgestaltet ist und über einen Verteilerkanal mit dem Kühlmittelmantel der Zylinderlaufbuchsen verbunden ist, wobei der Kühlmittelmantel einen Übergangskanal aufweist, der mit einem, im Zylinderkopf ausgestalteten Austrittskanal in Wirkverbindung steht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.
Mit diesem Kühlsystem wird aufgrund der unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen im Zylinderkurbelgehäuse und im Zylinderkopf eine weitgehende Anpassung der verfügbaren Kühlleistung an den tatsächlichen Kühlbedarf erreicht. Somit ist in allen Betriebszuständen eine funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine möglich. Dies führt zu einer Verminderung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Rohemission von CO- und HC-Komponenten. Als weiterer Vorteil wird die Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine verkürzt. Schließlich können jeweils gleiche Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf mit geringem konstruktiven Aufwand für unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze modifiziert, werden, so dass sich die Fertigungskosten von Motorenbaureihen reduzieren lassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1: ein Zylinderkurbelgehäuses mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem in perspektivischer Darstellung
2: einen Zylinderkopf mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem in perspektivischer Darstellung
3: eine Gestaltungsvariante einer Zylinderkopfdichtung für die in 1 und 2 gezeigten Baugruppen
In der Zeichnung ist ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit vier Zylindern dargestellt. Die Brennkraftmaschine besteht aus einem Zylinderkurbelgehäuse 1 und einem Zylinderkopf 2. Zylinderkurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2 werden in an sich bekannter Weise mittels Schraubverbindung zu einer Baueinheit zusammengefügt, wobei zwischen diesen beiden Baugruppen eine Zylinderkopfdichtung 3 angeordnet wird. Am Zylinderkurbelgehäuse 1 ist ein Flansch 11 zur Befestigung einer – in der Zeichnung allerdings nicht näher dargestellten – Kühlmittelpumpe ausgestaltet. Das Kühlmittel wird von der Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste 12 gefördert. Die Verteilerleiste 12 ist im Zylinderkurbelgehäuse 1 integriert und verläuft in diesem entlang einer Längsseite. Über einen Verteilerkanal 13 ist die Verteilerleiste 12 mit dem Kühlmittelmantel 14 der Zylinderlaufbuchsen verbunden. Dieser Verteilerkanal 13 kann an verschiedenen Abschnitten ausgestaltet werden. Vorzugsweise wird er jedoch mit lediglich geringem Abstand zur Kühlmittelpumpe angeordnet, damit das Kühlmittel unmittelbar nach dem Einströmen in das Zylinderkurbelgehäuse 1 auf die Strömungspfade von Verteilerleiste 12 und Kühlmittelmantel 14 aufgeteilt wird. Eine solche Ausgestaltung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei ist der Verteilerkanal 13 im Bereich des „ersten” Zylinders I der Brennkraftmaschine ausgestaltet.
Der Kühlmittelmantel 14 der Zylinderlaufbuchsen weist einen Übergangskanal 15 auf. Auch dieser Übergangskanal 15 kann an verschiedenen Abschnitten ausgestaltet werden. Er wird jedoch vorzugsweise mit großem Abstand zum Verteilerkanal 13 angeordnet, damit das Kühlmittel zunächst an allen Zylinderlaufbuchsen vorbeigeführt wird. Eine solche Ausgestaltung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei ist der Übergangskanal 15 im Bereich des „n-ten” Zylinders ausgestaltet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel der Zylinder IV ist. Unabhängig von der konkreten Anordnung und konstruktiven Ausgestaltung steht der Übergangskanal 15 in jedem Fall mit einem Austrittskanal 21 im Zylinderkopf 2 in Wirkverbindung. Sofern z. B. der Übergangskanal 15 im Bereich des „n-ten” Zylinders IV ausgestaltet ist, muss folglich auch der Austrittskanal 21 im Bereich dieses „n-ten” Zylinders IV angeordnet werden.
Von der Verbindungsstelle mit dem Übergangskanal 15 ausgehend, verläuft der Austrittskanal 21 als separater Kanal ohne Verbindung zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes 2. Der Austrittskanal 21 mündet mit seiner Stirnseite 22, die dem Übergangskanal 15 entgegengesetzt angeordnet ist, in einer Stirnfläche 23 des Zylinderkopfes 2. In der Stirnfläche 23 mündet außerdem ein Kanal 24, der mit dem Kühlmittelraum des Zylinderkopfes 2 verbunden ist und folglich als Sammelkanal 24 für das aus dem Zylinderkopf 2 strömende Kühlmittel wirksam wird. Die Stirnfläche 23 ist vorzugsweise als Flanschfläche für ein Thermostatgehäuse ausgestaltet, so dass die Mündungsquerschnitte 22 und 24 unmittelbar mit einem oder mit zwei – in der Zeichnung allerdings nicht dargestellten – Thermostatventil(en) verbunden werden können. Das Kühlmittel kann somit, nachdem es die getrennten Kühlmittelabschnitte von Zylinderkurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2 passiert hat, über das Thermostatgehäuse in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden.
Die Zylinderkopfdichtung 3 weist mehrere Öffnungen auf. Für die Verbindungselemente zwischen Zylinderkurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2 sind z. B. Öffnungen 31 vorgesehen. Durch Öffnungen 32 kann das Kühlmittel aus der Verteilerleiste 12 in den Kühlmittelraum des Zylinderkopfes 2 strömen. Hierbei können gemäß 2 und 3 im Bereich eines jeden Zylinders vom „ersten” bis „n-ten” Zylinder I bis IV beispielsweise zwei derartige Öffnungen 32 vorgesehen werden. Unabhängig von der Anzahl und Anordnung stehen die Öffnungen 32 mit Kanälen 25 im Zylinderkopf 2 in Wirkverbindung. Über diese Kanäle 25 gelangt das Kühlmittel in die eigentlichen Kühlmittelräume des Zylinderkopfes 2. Während die bisher beschriebene Konstruktion der Zylinderkopfdichtung 3 weitgehend üblich ist, weist sie eine weitere und im vorliegenden Sachverhalt wesentliche Ausgestaltung auf:
Im Abschnitt, der nach erfolgter Montage zwischen dem Übergangskanal 15 und dem Austrittskanal 21 angeordnet ist, hat die Zylinderkopfdichtung 3 eine weitere Öffnung 33. Mit dieser Öffnung 33 wird der Strömungsquerschnitt zwischen dem Übergangskanal 15 und dem Austrittskanal 21 festgelegt. Die geometrische Kontur der Öffnung 33 bestimmt also direkt den Kühlmitteldurchsatz im Zylinderkurbelgehäuse 1 und demzufolge indirekt das Verhältnis der Kühlmitteldurchsätze zwischen Zylinderkurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2. Somit ist es möglich, bei Verwendung gleicher Grundkörper von Zylinderkurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2 durch lediglich unterschiedliche Zylinderkopfdichtungen 3 völlig unterschiedliche Kühlmitteldurchsätze in diesen beiden Baugruppen zu erreichen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Öffnung 33 in der Zylinderkopfdichtung 3 eine solche Kontur aufweist, dass das Kühlmittel aus der Verteilerleiste 12 mit einem Volumenanteil von 50–20% zum Kühlmittelmantel 14 des Zylinderkurbelgehäuses 1 und mit einem Volumenanteil von 50–80% zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes 2 aufgeteilt wird. Der Durchsatz von Kühlmittel kann mit zwei unterschiedlich ausgelegten Thermostatventilen mit unterschiedlichen Temperaturen erfolgen. Somit kann das Zylinderkurbelgehäuse 1 mit einer etwa 20 bis 30°C höheren Kühlmitteltemperatur als der Zylinderkopf 2 beitrieben werden. In dessen Folge werden im Zylinderkurbelgehäuse 1 eine bessere Ölviskosität, geringere Wandwärmeverluste und eine verminderte Kolbenreibung erzielt, während sich im Zylinderkopf 2 eine bessere Kühlung der besonders wärmegefährdeten Bereiche (Auslassventile usw.) ergibt. Mit dem vorgeschlagenen Kühlsystem werden demzufolge mehrere Motorparameter vorteilhaft verändert, die letztlich den Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine verbessern.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkurbelgehäuse
11: Flansch für Kühlmittelpumpe
12: Verteilerleiste
13: Verteilerkanal
14: Kühlmittelmantel der Zylinderlaufbuchsen
15: Übergangskanal
2: Zylinderkopf
21: Austrittskanal
22: Mündungsquerschnitt des Austrittskanals
23: Stirnfläche/Flanschfläche für Thermostatventil
24: Mündungsquerschnitt des Sammelkanals vom Kühlmittelraum des Zylinderkopfes
25: Kühlmittelkanal
3: Zylinderkopfdichtung
31: Öffnung für Verbindungselemente
32: Öffnung für Kühlmittelstrom zum Zylinderkopf
33: Öffnung am Übergang von Übergangskanal und Austrittskanal
I: „erster” Zylinder
IV: „n-ter” (vierter) Zylinder

Claims

Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, beistehend aus einem Zylinderkurbelgehäuse (1) und einem Zylinderkopf (2), die von einem Kühlmittel durchströmt werden, das von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe zunächst in eine Verteilerleiste (12) gefördert wird und nachfolgend über jeweils mindestens einen Kanal in Kühlmittelräume des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerleiste (12) entlang einer Längsseite am Zylinderkurbelgehäuse (1) angeordnet und über einen Verteilerkanal (13) mit einem Kühlmittelmantel (14) der Zylinderlaufbuchsen verbunden ist, wobei der Kühlmittelmantel (14) einen Übergangskanal (15) aufweist, der mit einem, im Zylinderkopf (2) ausgestalteten Austrittskanal (21) in Wirkverbindung steht.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (13) im Bereich des ersten Zylinders (I) angeordnet ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangskanal (15) im Zylinderkurbelgehäuse (1) und der zugeordnete Austrittskanal (21) im Zylinderkopf (2) im Bereich des letzten Zylinders (IV) angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Strömungsquerschnitt zwischen dem Übergangskanal (15) und dem Austrittskanal (21) durch die geometrische Kontur einer, in diesem Bereich angeordneten Öffnung (33) einer Zylinderkopfdichtung (3) festlegbar ist.
Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfdichtung (3) in ihrem, der Verteilerleiste (12) zugeordneten Abschnitt jeweils im Bereich eines jeden Zylinders vom ersten (I) bis letzten Zylinder (IV) Durchgangsöffnungen (32) für das Kühlmittel aufweist, die mit Kanälen (25) zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes (2) in Wirkverbindung stehen.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (33) in der Zylinderkopfdichtung (3) eine solche geometrische Kontur aufweist, dass das Kühlmittel aus der Verteilerleiste (12) mit einem Volumenanteil von 50–20% zum Kühlmittelmantel (14) des Zylinderkurbelgehäuses (1) und mit einem Volumenanteil von 50–80% zum Kühlmittelraum des Zylinderkopfes (2) aufgeteilt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal (21) mit seiner, dem Übergangskanal (15) entgegengesetzten Stirnseite in einer Stirnfläche (23) des Zylinderkopfes (2) mündet, an der ein weiterer, mit dem Kühlmittelraum des Zylinderkopfes (2) verbundener Kanal (24) mündet.
Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (23) des Zylinderkopfes (2) als Flanschfläche für ein Thermostatgehäuse ausgestaltet ist, wobei die Mündungsquerschnitte (22; 24) der Kühlmittelleitungen von Zylinderkurbelgehäuse (1) und Zylinderkopf (2) mit einem oder zwei Thermostatventil(en) verbindbar sind.