Brennkraftmaschine mit einem die Brennräume umgebenden Kühlmittelmantel

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren, in einem Zylinderkurbelgehäuse in einer Zylinderreihe nebeneinander angeordneten Brennräumen, die von einem gemeinsamen Kühlmittelmantel umgeben sind, der von einem durch einen Einlass zuführbaren und durch einen Auslass abführbaren Kühlmittel in zumindest zwei Teilströmen entlang verschiedener, an unterschiedlichen Seiten der Brennräume angeordneten Kühlmittelmantelabschnitten durchströmbar ist, die zwischen sich die Zylinderreihe einschließen.

Bei Brennkraftmaschinen ist es bekannt, eine Flüssigkeitskühlung der Zylinder durch

Anströmung eines Kühlmittels durch einen Kühlmittelmantel, der die Zylinder umgibt, bereitzustellen. Die Zylinder werden durch das vorbeigeführte Kühlmittel über einen Kontakt mit den Zylinderwänden gekühlt.

Aus dem Stand der Technik bekannte Systeme für eine Zylinderreihe leiten im Allgemeinen eine Kühlmittelströmung längs an den ausgerichteten Zylindern vorbei, von einem Ende der Zylinderreihe zum anderen, wie dies beispielsweise in der US 6 289 855 B1 beschrieben wird.

Die von dem Einlassende zu dem Auslassende des Mantels zunehmende Temperatur des Kühlmittels führt dazu, dass die Zylinder ungleichmäßig gekühlt werden, was dazu führen kann, dass sich bei hohen Motorbelastungen in der Nähe des Auslassendes Dampfblasen bilden.

Die DE 10 2005 018 364 A1 schlägt einen Kühlmantel vor, in dem ein Kühlmittel durch

Einlassgänge zu oberen Enden der Zylinder benachbart zu den Brennkammern befördert wird. Das Kühlmittel wird gleichmäßig an die Seitenströmungsschlitze entlang der Zylinder verteilt und strömt entlang der Zylinder axial abwärts zu kühleren unteren Enden, wo es in

Auslassgängen gesammelt wird und von dem Mantel ausgetragen wird. Der Kühlmantel ist vorzugsweise in Aufnahme- und Abgabeseiten der Zylinderreihe getrennt und mit getrennten Einlass- und Auslassgängen für jede Seite versehen. Die Gänge sind mit verschiedenen Strömungsdurchgängen ausgestattet, um jeden Zylinder mit einer gleichen und separaten Kühlmittelströmung, die gleiche Kühlmitteltemperaturen aufweist, zu versehen. Hierzu sind die Strömungseinlassgänge mit sich von dem ersten Zylinder an den Einlassenden der Gänge zu dem letzten Zylinder verringernden Strömungsquerschnittsflächen gebildet, um die Kühlmittelströmung von der Strömung durch den Kühlmantel gleich an die Zylinder zu verteilen. Umgekehrt sind die Strömungsauslassgänge mit größer werdenden

Strömungsquerschnittsflächen für die Auslassströmung von dem ersten Zylinder zu dem letzten Zylinder an den Austragsenden der Auslassgänge gebildet, um eine relativ konstante

Strömungsgeschwindigkeit bzw. einen relativ konstanten Strömungsdurchsatz des Kühlmittels in den Gängen beizubehalten. Die Strömungseinlassgänge und die Strömungsauslassgänge sind zwischen den Zylindern und durch Trennwände entlang der Mittellinie der Zylinderreihe an Längsenden der Gänge getrennt.

Die DE 103 57 340 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren, nebeneinander angeordneten Brennräumen, die von einem gemeinsamen Kühlmittelmantel umgeben sind. Dem Kühlmittelmantel ist ein Kühlmittelleitungselement in Form einer Sammelleiste zugeordnet, welches sich über mehrere Brennräume erstreckt und über das dem Kühlmittelmantel Kühlmittel zuführbar und bei Bedarf abführbar ist. Eine Verbindung zwischen Sammelleiste und

Kühlmittelmantel wird durch mehrere Kühlmitteldurchlässe realisiert. Um einen möglichst gleichmäßigen Wärmetransfer von und zu den jeweiligen Brennräumen bzw. deren Wandungen zu ermöglichen dient ein Strömungsleitelement zur Vergleichmäßigung einer durch die

Kühlmitteldurchlässe geführten Kühlmittelströmung, wobei zugleich die Strömung verzweigt wird. Das Strömungsleitelement bewirkt eine Reduzierung einzelner

Geschwindigkeitskomponenten der Kühlmittelströmung von der Sammelleiste in den

Kühlmittelmantel und folglich eine Umlenkung und Vergleichmäßigung der Strömung im

Kühlmittelmantel selbst.

Aus der DE 10 2012 021 065 A1 ist ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem Zylinder und mit einem den Zylinder zumindest bereichsweise umgebenden Wassermantel bekannt, der zum Kühlen des Zylinders von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist, wobei sich seitlich neben dem Wassermantel ein Wasserverteilerkanal erstreckt.

Die US 4,455,972 A beschreibt einen Zylinderblock mit einem Wasserkasten, wobei eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Wandung den Wasserkasten in einen oberen und einen unteren Abschnitt teilt. In Strömungsrichtung gesehen ist dabei die teilende Wandung derart schräg verlaufend ausgebildet, dass sich der obere Abschnitt verengt, wogegen sich der untere Abschnitt verbreitert.

Aus der EP 0 671 552 B1 ist ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein oberes, den Brennräumen der Zylinder zugeordnetes Teilkanalsystem zu einem Zylinderkopf hin offen ist und mit Kühlflüssigkeitsräumen im Zylinderkopf ein einheitliches oberes Kanalsystem bildet, wobei die im Zylinderkopf befindlichen Kühlflüssigkeitsräume vom

Teilkanalsystem im Zylinderblock durch mehrere, über eine Zylinderkopfbodenplatte verteilte Durchlässe mit Kühlflüssigkeit versorgt werden.

Aus der DE 32 47 663 C1 ist ein Zylinderblock für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei Kühlwasserhohlräume im Zylinderblock entsprechende im Zylinderblock ausgebildete Zylinder umgeben. Ein unterer Bereich der Kühlwasserhohlräume ist durch ein eingebrachtes, hitzebeständiges Kunststoffmaterial teilweise aufgefüllt. Dadurch ist der Zylinderblock an unterschiedliche Anforderungen bzgl. der Kühlverhältnisse nachträglich entsprechend anpassbar.

Die DE 24 17 925 C2 offenbart eine flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, wobei abgetrennt von einem die Zylinder umgebenden Wassermantel eine zusätzliche

Kühlmittelkammer vorgesehen ist, welche sich in Strömungsrichtung horizontal verengt und stromab in den Wassermantel mündet.

Aus der DE 41 40 772 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Stegen zwischen Zylindern eines Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese Stege sind zwischen zumindest im Bereich eines Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine zusammengegossen Zylindern angeordnet und weisen Kühlkanäle auf.

Die DE 198 12 831 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem im Zylinderblock ausgebildeten Fluidkanal. Um eine optimierte laminare Strömung des Kühlmittels über eine gesamte Länge eines Kühlkanales im Zylinderblock zu erreichen, ist der Boden des

Fluidkanales in Form einer gekrümmten Ebene mit mehreren aufeinander folgenden

Erhöhungen und dazwischen liegenden Senken ausgebildet.

Als nachteilig erweist sich bei diesem Stand der Technik, dass eine gleichmäßige Anstromung der Zylinderreihe entlang der beiden Seiten in der Praxis entsprechende Maßnahmen zur Beeinflussung der Strömung erfordern. Insbesondere werden die hierzu erforderlichen

Drosselungen der Strömung durch in Strömungsrichtung verringerten

Strömungsquerschnittsflächen oder durch spezielle Strömungsleitelemente erreicht, um die Kühlmittelströmung von der Strömung durch den Kühlmantel gleichmäßig auf die Brennräume zu verteilen und eine Vergleichmäßigung der Kühlmittelströmung zu realisieren. Hiermit sind jedoch zusätzliche Strömungsverluste verbunden. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die auftretenden Strömungsverluste gering sind und zugleich zumindest annähernd übereinstimmende Strömungsverhältnisse in den Teilströmen erreicht werden.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des

Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Brennkraftmaschine vorgesehen, bei welcher der Einlass auf einer ersten Seite und der Auslass auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet ist. Indem der Einlass und der Auslass auf unterschiedlichen Seiten in Bezug auf die Zylinderreihe und das Zylinderkurbelgehäuse angeordnet sind, wird in überraschend einfacher Weise eine Aufteilung des zugeführten Kühlmittels derart möglich, dass der in dem jeweiligen Teilstrom auftretende Gesamtströmungswiderstand im Wesentlichen

übereinstimmend ist. Bei Versuchen konnte so bereits nachgewiesen werden, dass der Volumenstrom ohne zusätzliche Strömungsleitelemente bei einer Aufteilung in zwei Teilströme nahezu übereinstimmt. Dadurch kann zugleich auf Drosselelemente bzw. Drosselstellen in den Kühlmittelmantelabschnitten verzichtet werden, sodass der insgesamt zwischen Einlass und Auslass auftretende Strömungsverlust auf ein Minimum reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wird jeder der Teilströme an gegenüberliegenden Enden der Zylinderreihe um den jeweils äußeren Brennraum herumgeführt, während beim Stand der Technik ein Teilstrom um die beiden äußeren Brennräume herumgeführt wird und somit einen wesentlich längeren Weg zurücklegt als der den Einlass und den Auslass direkt verbindende andere Teilstrom, welcher zum Ausgleich der unterschiedlichen Streckenlänge mit einer Drosselung ausgestattet ist.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Seite der Auslassseite den Verbrennungsgasen der Brennkraftmaschine und die zweite Seite der Saugseite den der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft zugeordnet ist, sodass das von der Wärme der Brennräume zunächst noch nicht erwärmte Kühlmittel zuerst auf die durch die

Verbrennungsabgase zusätzlich erhitzte Seite des Zylinderkurbelgehäuses trifft. Hierdurch wird die maximale Kühlwirkung auf der Seite der höheren Temperaturen bereitgestellt, um so den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Indem jeder Kühlmittelteilstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass sowohl einen

Kühlmittelmantelabschnitt auf der ersten Seite als auch einen Kühlmittelmantelabschnitt auf der zweiten Seite durchströmt, trifft der gesamte Kühlmittelstrom zunächst auf dieselbe Seite des Zylinderkurbelgehäuses und verteilt sich dort in zwei Teilströmen auf die den verschiedenen Brennräumen zugeordneten Kühlmittelmantelbereiche, während jeder Teilstrom anschließend auf die der ersten Seite abgewandte zweite Seite derselben Brennräume trifft.

Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die Längen der Teilströme zwischen Einlass und Auslass zumindest im Wesentlichen übereinstimmen, sodass bei einem im Übrigen symmetrischen Aufbau des Kühlmittelmantels sich nahezu übereinstimmende

Strömungswiderstände bzw. Strömungsverluste ergeben. Zusätzliche Drosselstellen sind somit verzichtbar.

Bei einer anderen, ebenfalls besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist dem Kühlmittelmantel ein Kühlmittelleitungselement mit einer Kühlmittelsammelleiste zugeordnet. Indem die Brennkraftmaschine eine Kühlmittelsammelleiste aufweist, die im Bereich des Einlasses mit dem Kühlmittelmantel verbunden ist, ist stets eine ausreichende Kühlmittelmenge verfügbar und es erfolgt entlang der vorzugsweise parallel zu der Zylinderreihe ausgerichteten Kühlmittelsammelleiste eine zusätzliche Kühlwirkung des Zylinderkurbelgehäuses.

Bevorzugt sind durch die Kühlmittelsammelleiste das Zylinderkurbelgehäuse und der

Zylinderkopf der Brennkraftmaschine durch die Kühlmittelsammelleiste gemeinsam mit dem Kühlmittel beaufschlagbar, wodurch ein sogenanntes Einkreissystem realisiert wird. Die Aufteilung der dem Zylinderkurbelgehäuse einerseits und dem Zylinderkopf andererseits zuzuführenden Kühlmittelmenge ist dabei vorzugsweise variabel aufteilbar, beispielsweise durch ein einstellbares Drosselelement. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung beispielsweise vorübergehend in Abhängigkeit erfasster Betriebsparameter auf den Zylinderkopf konzentriert werden.

Eine andere, ebenfalls besonders praxisrelevante Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird dadurch erreicht, dass zumindest einzelne Stege zwischen benachbarten Brennräumen mit einer die beiden Seiten verbindenden Durchbrechung, insbesondere horizontalen Bohrung, ausgestattet sind. Hierdurch gelingt es, auch die

Trennflächen zwischen den Brennräumen, die als Stege ausgeführt sind, mit dem Kühlmittel zu beaufschlagen. Die Durchbrechungen werden dabei aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Einlass und dem Auslass zuverlässig durchströmt und verlaufen insbesondere horizontal. Bei einer anderen, ebenfalls besonders sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung ist in einem außenseitigen Übergangsbereich zumindest eines Kühlmittel-Mantelabschnittes zwischen den beiden Seiten eines Brennraumes eine Drosselung vorgesehen, um den Strömungsanteil in der Durchbrechung in den Stegen zu erhöhen. Diese Drosselung kann beispielsweise auch einstellbar sein. Hierdurch strömt ein erhöhter Anteil des zugeführten Kühlmittels durch die Durchbrechungen in den Stegen, wodurch der Strömungswiderstand zwischen Einlass und Auslass zunimmt und bei einem Einkreissystem ein entsprechend erhöhter Anteil einem weiteren Kühlkreis zugeführt wird, der beispielsweise dem Zylinderkopf zugeordnet sein kann.

Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung erstreckt sich im Bereich zumindest eines Steges ein Durchtritt bis zu einem oberen Rand des Zylinderkurbelgehäuses. Dieser einen Bereich des Kühlmittelmantels bildende Durchtritt kann dann wahlweise ein Überströmen des Kühlmittels in den Bereich des Zylinderkopfes ermöglichen oder wird durch eine

entsprechende, das Zylinderkurbelgehäuse von dem Zylinderkopf trennende Dichtung verschlossen. In beiden Fällen erfolgt so die Kühlmittelbeaufschlagung über die gesamte Höhe der Brennräume, sodass insbesondere auch der dem Zylinderkopf zugewandte Abschnitt der Brennräume mit einer ausreichenden Kühlleistung beaufschlagt werden kann.

Vorzugsweise ist der Auslass in einem dem oberen Ebene des Zylinderkurbelgehäuses zugewandten Randbereich angeordnet, sodass der Auslass bei einer horizontalen oder gegenüber der Horizontalen lediglich geringfügig geneigten Orientierung der Zylinderreihe geodätisch höher liegt als der Einlass. Eingeschlossene Luft sammelt sich somit im Bereich des Auslasses und kann dort problemlos abgeführt werden. Alternativ kann selbstverständlich auch eine gesonderte Entlüftungsöffnung vorgesehen sein.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 einen Kühlmittelmantel einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine Variante des Kühlmittelmantels mit einer Stegkühlung;

Fig. 3 eine weitere Variante mit einem Durchtritt zu einem Zylinderkopf. Eine erfindungsgemäße, mit einem Kühlmittelmantel ausgestattete Brennkraftmaschine wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Die Brennkraftmaschine hat in dem lediglich exemplarisch dargestellten Beispiel eines Vierzylindermotors vier in einer Zylinderreihe nebeneinander angeordnete Brennräume 1 , die in einem nicht weiter dargestellten

Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die Brennräume 1 sind beiderseits der Zylinderreihe von einem gemeinsamen Kühlmittelmantel 2 umgeben. Dadurch gelangt das Kühlmittel von einer Kühlmittelsammelleiste 3 durch einen als Speisung

ausgeführten Einlass 4 umfangsseitig zu den nicht gezeigten, die Brennräume 1

einschließenden Wandungen, mit Ausnahme der durch Stege 5 gebildeten Zwischenwände zwischen benachbarten Brennräumen 1. Anschließend wird das Kühlmittel durch einen als Abzug dienenden Auslass 6 abgeführt. Unmittelbar hinter dem Einlass 4 teilt sich der zugeführte Kühlmittelstrom in zwei Teilströme, die die Zylinderreihe in einander

entgegensetzten Strömungsrichtungen 7, 8 umströmen und im Bereich des Auslasses 6 aufeinandertreffen. Indem der Einlass 4 an einer im Betrieb heißen Auslassseite 9 für die Verbrennungsgase der Brennkraftmaschine und der Auslass 6 an einer Saugseite 10 für die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluft angeordnet ist, wird der gesamte Kühlmittelstrom zunächst der relativ heißeren Seite des Zylinderkurbelgehäuses zugeführt. Hierdurch wird eine wesentliche Effizienzsteigerung bei der Kühlwirkung erreicht. Darüber hinaus stimmt die jeweilige Gesamtlänge der Kühlmittelteilströme zwischen dem Einlass 4 und dem Auslass 6, die dabei jeweils sowohl einen Kühlmittelmantelabschnitt auf der Auslassseite 9 als auch einen Kühlmittelmantelabschnitt auf der Saugseite 10 durchströmen, überein. Durch diese Anordnung ist eine sehr günstige Gleichverteilung der Strömung und der Drosselstellen in den Teilströmen, insbesondere bedingt durch die in dem Zylinderkurbelgehäuse vorgesehenen

Zylinderkopfschrauben, ohne eine zusätzliche Drosselung möglich.

Bei einer in Figur 2 gezeigten Variante sind zudem die Stege 5 zwischen den benachbarten Brennräumen 1 jeweils mit einer die Auslassseite 9 und die Saugseite 10 verbindenden, als horizontale Bohrung ausgeführten Durchbrechung 1 1 ausgestattet. Diese werden aufgrund des Druckgefälles des Kühlmittels zwischen der Kühlmittelsammelleiste 3 und dem Bereich des Auslasses 6 auf der kalten Saugseite 10 zuverlässig durchströmt. Durch eine zusätzliche Drosselung an den Stirnseiten des Kühlmittelmantels durch einen den freien

Strömungsdurchtritt beschränkenden Sperrkörper 12 kann der Volumenstrom gezielt durch die Durchbrechungen 1 1 gezwungen werden, wobei der Sperrkörper 12 zugleich die

gegebenenfalls erforderliche auslassseitige Drosselung ersetzt, welche genutzt wird, um bei einer Zweikreiskühlung dem Zylinderkopf einen ausreichenden Anteil des Kühlmittels zuführen zu können. Weiterhin ist in Figur 3 noch im Bereich der Stege 5 beispielhaft ein Durchtritt 13 dargestellt, der sich bis zu einem oberen Rand des Zylinderkurbelgehäuses erstreckt. Diese Variante ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass der Kühlmittelmantel 2 bis zu der dargestellten

Trennebene des Zylinderkurbelgehäuses und des Zylinderkopfes anströmbar ist. Diese

Variante ist vor allem auch dann von Vorteil, wenn die in Figur 2 gezeigte Durchbrechung 1 1 der Stege 5 zwischen den benachbarten Brennräumen 1 nicht möglich ist, jedoch aufgrund der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine eine erhöhte Kühlleistung erforderlich ist.

Bezugszeichenliste

Brennraum

Kühlmittelmantel

Kühlmittelsammelleiste

Einlass

Steg Auslass

Strömungsrichtung

Strömungsrichtung

Auslassseite

Saugseite Durchbrechung

Sperrkörper

Durchtritt