[0001] Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor bestehend aus
einem mehrere Zylinder umfassenden Motorblock und die Zylinder verschließenden Zylinderköpfen,
wobei jeder Zylinder von jeweils einem Kühlmantel umgeben ist und in jedem Zylinderkopf
mindestens ein separater Kühlraum vorgesehen ist, der über wenigstens einen Übergangskanal
mit dem Kühlmantel des zugeordneten Zylinders im Motorblock verbunden ist.
[0002] Zur Kühlung eines Verbrennungsmotors im laufenden Motorbetrieb wird dieser durch
ein geeignetes Kühlmittel durchströmt. Die in das Gussteil des Motorblocks eingesetzten
Zylinderhülsen werden durch einen die Zylinderhülsen umgebenden Kühlmantel von dem
Kühlmittel umströmt. Auch die Zylinderköpfe umfassen ein oder mehrere Kühlräume, um
die dort untergebrachten Ventile, Dichtungen, etc. zu kühlen. Das Kühlmittel wird
in der Regel durch eine externe Kühlpumpe durch die Kühlmäntel, Kühlräume und Kanäle
der einzelnen Zylinder gepumpt.
[0003] Ein mögliches Kühlkonzept für eine Verbrennungsmaschine ist aus der
EP 2 132 423 B1 bekannt. Der Strömungsverlauf gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in der
Figur 1 wiedergegeben. Jeder der insgesamt vier Zylinder des Motorblockes 1 ist über
einen Einzelzylinderkopf 3 verschlossen. Die Kühlmäntel der Zylinder sind mit dem
Bezugszeichen 2 gekennzeichnet. Ausgehend von einem gemeinsamen Kühlmittelverteilerraum
5 wird das Kühlmittel zunächst in Teilströme durch die einzelnen Kühlmäntel 2 der
Zylinder des Motorblocks 1 aufgeteilt. Von jedem Kühlmantel 2 strömt das Kühlmittel
über eine separate Steigleitung 6 in einen ersten und zweiten Teilkühlraum 7a, 7b
des jeweiligen Zylinderkopfes 3. Am Ende wird das Kühlmittel der Teilströme in einer
gemeinsamen Kühlmittelsammelkammer 8 gesammelt.
[0004] Idealerweise sollten die auf die einzelnen Zylinder verteilten Teilströme des Kühlmittels
identisch sein, und Druckverluste niedrig gehalten werden. Fertigungstoleranzen bei
dem Giessprozess zur Herstellung des Motorblockes 1 bzw. der Zylinderköpfe 3 bzw.
Zylinderkopfbank 200 führen jedoch zu geringfügigen und bereits anwendungsrelevanten
Abweichungen der tatsächlich vorliegenden Geometrieen der Kühlmäntel, Kühlräume und
Kühlkanäle, was zu asymmetrischen Teilströmen mit abweichenden Kühlmittelflussraten
führen kann. Ferner sind unter einer Inklusionsbetrachtung der Zuführung des Kühlmittels
in die Verteilkammer und der Abführung des Kühlmittels aus der Sammelkammer die den
einzelnen Zylindern zuzuordnenden Strömungspfade nicht identisch. Die Asymmetrien
erfordern insgesamt eine höhere Kühlmittelumwälzleistung, um die ausreichende Kühlung
aller Brennraumumgebungen sicherzustellen.
[0005] Abhilfe wurde bisher durch Modifikation der Zylinderkopfdichtungen geschaffen, die
in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnet sind. Diese enthalten unter
anderem Öffnungen für die Übergangskanäle 6, 9 des Kühlmittels zwischen Motorblock
1 und Zylinderkopf 3. Durch Anpassung der Dichtungselemente 4a, 4b in den Bereichen
der Kanäle 6, 9 lassen sich individuelle Strömungswiderstände realisieren, wodurch
letztendlich eine Flussratenangleichung der unterschiedlichen Kühlmittelteilströme
erreicht werden kann. Diese Maßnahme ist auch dann erforderlich, wenn die oberen oder
unteren Kühlräume 7a, 7b direkt miteinander in einer fluiden Verbindung stehen.
[0006] Nachteilig an der vorgeschlagenen Vorgehensweise ist jedoch, dass diese zunächst
eine aufwendige Analyse der Symmetrieeigenschaften des hergestellten Verbrennungsmotors
erforderlich macht. Zudem ist die Notwendigkeit zylinderindividueller Dichtungen nicht
unbedingt ökonomisch.
[0007] Gesucht wird daher nach einer Lösung, die gleichmäßige Kühlmittelströme durch den
Verbrennungsmotor gewährleistet, ohne die vorgenannten Nachteile in Kauf nehmen zu
müssen.
[0008] Gelöst wird diese Aufgabe durch einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor gemäß
den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgehend von dem gattungsgemäßen Verbrennungsmotor
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Übergangskanäle von wenigstens zwei Zylindern,
d.h. die die separaten Kühlräume pro Zylinder mit dem jeweiligen Kühlmantel des zugeordneten
Zylinders verbindenden Übergangskanäle über eine gemeinsame Druckausgleichkammer miteinander
verbunden sind. Durch die Druckausgleichskammer werden die Kühlmittelteilströme vor
dem Eintritt in die Kühlmäntel zusammengeführt, wodurch Abweichungen in den Kühlmittelflussraten
der Teilströme ausbalanciert werden können. Hierdurch wird erreicht, dass sich für
alle Teilströme identische oder nahezu identische Kühlmittelflussraten einstellen.
[0009] Die erfindungsgemäße Konstruktion verlangt keine Modifikation der Zylinderkopfdichtung,
stattdessen lassen sich idealerweise identische Dichtelemente für alle Zylinder eines
Verbrennungsmotors einsetzen, was letztendlich ein enormes Kosteneinsparpotential
bedeutet, dies umso mehr, da auf die zuvor genannte aufwendige Messanalyse verzichtet
werden kann.
[0010] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckausgleichkammer in den Motorblock integriert
ist. Insbesondere erstreckt sich diese in Längsrichtung des Motorblockes und legt
sich besonders bevorzugt tangential an die Kühlmäntel der Zylinder an. Die vom Kühlraum
des Zylinderkopfes ausgehenden Übergangskanäle münden folglich in die Druckausgleichskammer,
die unmittelbar mit den einzelnen Kühlmänteln der Zylinder des Verbrennungsmotorblockes
in Verbindung steht.
[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Strömungspfad
jedes einzelnen Zylinders von dem wenigstens einen Kühlraum des Zylinderkopfes zum
Kühlmantel des Zylinders. Demzufolge steht der Kühlmantel des Zylinders am Ende des
Strömungspfades, von dem das Kühlmittel letztendlich zurück zur Drucksenke gelangt.
[0012] Besonders bevorzugt ist es, wenn im Zylinderkopf pro Zylinder wenigstens zwei separate
Kühlräume vorgesehen sind. Idealerweise sind ein oberer sowie ein unterer Teilkühlraum
vorgesehen, wobei der untere Teilkühlraum bevorzugt im Bereich des Übergangsbereichs
zwischen Zylinderkopf und Motorblock liegt, d.h. im Bereich der Flammplatte.
[0013] Denkbar ist es, dass beide Kühlräume über wenigstens einen Verbindungskanal miteinander
verbunden sind. Besser ist die fluide Verbindung mittels wenigstens zwei Verbindungskanälen.
Mehrere Verbindungskanäle können sich durch unterschiedliche Durchmesser auszeichnen.
Bevorzugt dient ein Kanal mit größerem Durchmesser als Hauptverbindung zwischen den
einzelnen Teilkühlräumen. Der verbleibende Kanal mit geringerem Querschnitt dient
im wesentlichen zur Entlüftung während des Motorbetriebs. Das Vorsehen eines zweiten
Verbindungskanals hat ferner den Vorteil, dass die Bildung von Lufträumen beim initialen
Befüllen des Verbrennungsmotors mit Kühlflüssigkeit vermieden wird.
[0014] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zylinderkopf
wenigstens eines Zylinders derart ausgestaltet, dass eine durch den Zylinderkopf verlaufende
Abgasleitung zumindest abschnittsweise von den Kühlräumen des Zylinderkopfes vollständig
umgeben ist. Insbesondere wird dieser Abschnitt der Abgasleitung von dem oberen sowie
unteren Teilkühlraum sowie dem oder den die Teilräume verbindenden Verbindungskanal
oder Verbindungskanälen vollständig umgeben. Dadurch lässt sich die Wärmequelle in
Form der Abgasleitung im diesem Bereich der Zylinderkopfdichtung effektiv abschirmen.
[0015] Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise mit einer Verteilkammer ausgestattet, die
über einen Druckanschluss mit einer externen Druckquelle, beispielsweise einer Kühlmittelpumpe
verbindbar ist. Die Verteilkammer steht über ein oder mehrere Kanäle mit wenigstens
einem Kühlraum jedes Zylinderkopfes in Verbindung, sodass Kühlmittel aus der Verteilkammer
in jeden Zylinderkopf bzw. in wenigstens einen Kühlraum jedes Zylinderkopfes strömen
kann. Demzufolge wird der Kühlmittelstrom auf einzelne Teilströme aufgeteilt, wobei
das Kühlmittel jedes Teilstroms zunächst durch den Zylinderkopf und erst im Anschluss
in den Motorblock, d.h. Kühlmantel des Zylinders strömt. Gemäß bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung ist die Verteilkammer in den Motorblock integriert.
[0016] Weiterhin kann wenigstens eine Sammelkammer vorgesehen sein, in der die einzelnen
Teilströme der unterschiedlichen Zylinder enden, d.h. die einzelnen Kühlmäntel jedes
Zylinders sind über ein oder mehrere Kanäle mit der Sammelkammer verbunden. Diese
kann beispielsweise einen Niederdruckanschluss aufweisen, über den das Kühlmittel
dem extern des Verbrennungsmotors gelegenen Teil des Kühlkreislaufs zugeführt werden
kann. Auch die Sammelkammer kann vorzugsweise in den Motorblock integriert sein.
[0017] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind pro Zylinderkopf wenigstens
zwei Übergangskanäle vorgesehen, die parallel vom Zylinderkopf bzw. des wenigstens
einen Kühlraumes zur Druckausgleichkammer verlaufen. Die Ausprägung von zwei parallel
verlaufenden Übergangskanälen reduziert die Druckverluste. Der überragende Vorteil
dieser Massnahme sind die Vermeidung von Totgebieten der Kühlmittelströmung - ein
Gebiet in dem keine Bewegung von Kühlmittel erfolgt - und die Vermeidung von Rezirkulation
der Kühlmittelströmung - ein Gebiet, in dem zwar eine Kühlmittelbewegung vorliegt,
aber kein Austausch von Kühlmittel längs der Hauptströmungsrichtung vorliegt. Die
Vermeidung solcher Totgebiete und Rezirkulation sind wichtig, da an Zonen ihres Auftretens
nahezu kein Wärmeabtrag erfolgt.
[0018] Ferner ergeben sich durch das Vorsehen von zwei parallelen Übergangskanälen konstruktive
Vorteile hinsichtlich der erzielbaren Materialsteifigkeit des Zylinderkopfes. Denn
in dem Bereich zwischen den beiden parallel verlaufenden Übergangskanälen bleibt das
Vollmaterial erhalten und wird nicht durch eine durchgängige Aushöhlung geschwächt.
[0019] Gemäß einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Bypass
von wenigstens einem Kühlraum des Zylinderkopfes vorgesehen, der unmittelbar in der
Sammelkammer mündet und den Kühlmantel des Zylinders umgeht. Die Einrichtung einer
oder mehrerer Bypass-Leitungen kann die Gefahr von weiteren Stagnationszonen des Kühlmittelstromes
reduzieren. Unerwünschte Druckverluste können weiter eingedämmt werden.
[0020] Der Hauptströmungspfad des Kühlmittels teilt sich ausgehend von der Verteilkammer
auf die Teilströme für jeden Zylinder auf, die über den oberen Teilkühlraum des Zylinderkopfes
in den unteren Teilkühlraum geführt werden, von wo aus die Teilströme des Kühlmittel
wieder mittels der Druckausgleichkammer zusammengeführt werden. Das sich dort ansammelnde
Kühlmittel der Teilströme wird erneut auf einzelne Teilströme durch die Kühlmäntel
der einzelnen Zylinder aufgeteilt und am Ende in der Sammelkammer zusammengeführt.
Der realisierte Kühlströmungspfad wird als sogenannte Top-Down-Variante bezeichnet.
[0021] Eine alternative Strömungsführung nennt sich Bottom-Up-Variante. In dieser Ausgestaltung
verläuft der Hauptströmungspfad des Kühlmittels für jeden Teilstrom von der Verteilkammer
über den unteren Teilkühlraum in den oberen Teilkühlraum. Von dort aus wird das Kühlmittel
über den wenigstens einen Übergangskanal zur Druckausgleichskammer geführt, die das
Kühlmittel mit identischen Teilströmen auf die einzelnen Kühlmäntel der Zylinder verteilt.
Entsprechend der Bottom-Up-Variante werden die einzelnen Teilströme in der Sammelkammer
zusammengeführt.
[0022] Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich für die beide zuvor beschriebenen Varianten,
d.h. die Top-Down- bzw. Bottom-Up-Variante, eine Bauteilgleichheit hinsichtlich des
Motorblocks ergibt. Für die Wahl eines der oben genannten Kühlkonzepte ist daher lediglich
der Austausch des Zylinderkopfes notwendig, der Verbrennungsmotorblock kann unverändert
für beide Varianten eingesetzt werden.
[0023] Gemäß einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen
Zylinderköpfe zu einer Zylinderbank zusammengefasst, die vorteilhafter Weise als einziges
Gussteil gefertigt ist.
[0024] Zumindest ein Teil der separaten Kühlräume der Zylinderköpfe kann über eine separate
Entgasungsleitung miteinander verbunden sein. Insbesondere sind die oberen Teilkühlräume
über eine Entgasungsleitung miteinander verbunden. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft,
wenn diese Entgasungsleitung unmittelbar in die Zylinderköpfe bzw. die resultierende
Zylinderbank integriert ist. Mittels der Entgasungsleitung sollen Luftblasen gesammelt
und abgeführt werden. Zusätzlich liefert auch die Entgasungsleitung einen Beitrag
zur Symmetrierung der Teilströme, kann jedoch die erfindungswesentliche Funktion der
Druckausgleichkammer nicht ersetzen.
[0025] In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
der Kühlmantel wenigstens eines Zylinders in wenigstens zwei Kühlmantelabschnitte
aufgeteilt ist. Von besonderem Vorteil ist die Aufteilung in Längsrichtung gesehen
in einen unteren bzw. oberen Mantelabschnitt. Sinnvoll ist eine Parallelschaltung
der beiden Kühlmantelabschnitte mit der Druckausgleichskammer, um die klarerweise
unerwünschten Druckverluste zu reduzieren. Denkbar ist auch eine Parallelverbindung
der Kühlmantelabschnitte mit der stromabwärts folgenden Sammelkammer.
[0026] Besonders vorteilhaft ist ebenfalls eine direkte Fluidverbindung zwischen Kühlmänteln
benachbarter Zylinder. Hintergrund für eine derartige Überlegung ist, dass sich während
der Expansionsphase innerhalb eines Zylinders dessen Zylinderbuchse leicht bewegt.
Diese leichte Bewegung übt in Hinblick auf die vergleichsweise geringe Kühlmanteldicke
bereits eine deutliche Änderung der dortigen Volumenverhältnisse aus, was wiederum
zum Auftreten von Druckpulsationen innerhalb des dortigen Kühlmittelteilstroms führt
und damit ein Kavitationsrisiko auslöst. Mittels der besagten Fluiderbindung verteilen
sich diese Druckpulsationen auf die benachbarten Kühlmittelteilströme und reduzieren
damit die Ampituden der innerhalb eines Kühlmittelteilstromes auftretenden Druckpulsationen,
wodurch letztendlich auch das Risiko auftretender Kavitationen verringert werden kann.
[0027] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand von zwei
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine schematische Darstellung des Kühlmittelströmungspfades durch einen Verbrennungsmotor
nach dem Stand der Technik,
- Figur 2:
- eine schematische Darstellung der Kühlvolumina eines Motorblocks und einer Zylinderbank
des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
- Figur 3:
- eine schematische Darstellung der Kühlmittelströmungspfade durch den erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotor gemäß dem Top-Down-Konzept;
- Figur 4:
- eine Draufsicht auf einen Teilbereich des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
- Figur 5:
- eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse D-D gemäß Figur 4 durch den erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotor nach dem Top-Down-Konzept;
- Figur 6:
- eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse E-E gemäß Figur 4 durch den erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotor nach dem Top-Down-Konzept;
- Figur 7:
- eine weitere Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor nach
dem Top-Down-Prinzip;
- Figur 8:
- eine schematische Darstellung des Strömungspfadverlaufs eines alternativen erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors nach dem Bottom-Up-Konzept;
- Figur 9:
- eine Schnittdarstellung durch den Verbrennungsmotor nach dem Bottom-Up-Konzept entlang
der Schnittachse D-D gemäß Figur 4;
- Figur 10:
- eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse E-E gemäß Figur 4 durch den Verbrennungsmotor
nach dem Bottom-Up-Konzept und
- Figur 11:
- eine weitere Schnittdarstellung durch den Verbrennungsmotor gemäß dem Bottom-Up-Konzept.
[0028] Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor
vorgestellt, die eine gute Ausbalancierung der Kühlmittelteilströme durch die den
einzelnen Zylindern des Motors zuzuordneten Kühlmittelkammern, - kanäle und -mäntel
ermöglichen. Mittels Figur 2 soll zunächst die Ausbildung der Kühlmittelkammern, -kanäle
oder -mäntel am Beispiel eines 6 Zylinderreihenmotors veranschaulicht werden. Zwei
konkrete Ausführungsbeispiele werden dann anhand der Figuren 3 bis 7 bzw. 8 bis 11
aufgezeigt.
[0029] Figur 2 zeigt keine strukturellen Bestandteile des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
sondern veranschaulicht lediglich die im Motorbetrieb vorliegenden Kühlmittelvolumina
innerhalb des Motorblockes und der Zylinderkopfbank. Kanäle, Kühlräume und Kühlmäntel
werden in der Regel durch passende Ausnehmungen im Gussteil des Motorblockes bzw.
der Zylinderbank geschaffen. Der Kühlmantel für jeden Zylinder wird bspw. durch einen
größeren Durchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung für die Aufnahme der Zylinderhülse
geschaffen, so dass der resultierende Spalt das entsprechende Volumen bildet. Gezeigt
sind insgesamt sechs Zylindermäntel 10 in Reihe.
[0030] Jeder Kühlmantel 10 ist in einen oberen Teilmantel 11 und einen unteren Teilmantel
12 aufgeteilt, wobei das Volumen des oberen Teilkühlmantels 11 deutlich kleiner als
das Volumen des unteren Kühlmantels 12 ausfällt (vgl. Figur 2a). Eine längliche Sammelkammer
50 legt sich seitlich an die Kühlmäntel 10 einer Zylinderreihe des Motorblocks an
und ist mit beiden Kühlmantelteilen 11, 12 fluidisch in Parallelschaltung verbunden.
Auf der der Sammelkammer 50 gegenüberliegenden Zylinderseite befindet sich eine Druckausgleichskammer
60, die sich ebenfalls in Längsrichtung des Motorblocks entlang der Zylinderreihe
erstreckt. Auch diese Druckausgleichskammer 60 steht in fluider Verbindung mit dem
oberen und unteren Teilkühlmantel 11, 12.
[0031] Für jeden Zylinder befindet sich oberhalb der Kühlmäntel 10 im Zylinderkopf ein unterer
Teilkühlraum 20. Eine Detaildarstellung zeigt Figur 2c. Die vier kreisrunden Aussparungen
21 sind durch die im Zylinderkopf eingesetzten Ventile, insbesondere zwei Lufteinlass-
sowie zwei Abgasventile, bedingt, die von dem Kühlvolumen des Teilkühlraums 20 umspült
werden. Die mittige Ausnehmung 22 ist durch die im Zylinderkopf eingesetzte Hülse
eines Kraftstoffinjektors begründet.
[0032] Darüber liegend bzw. im Detail der Figur 2d zu entnehmen ist der obere Teilkühlraum
30 der Zylinderbank.
[0033] Mit dem Bezugszeichen 40 ist die Verteilkammer 40 bezeichnet (Fig. 2b). Diese erstreckt
sich zudem in Vertikalrichtung bis zum oberen Teilkühlraum 30, so dass das in der
Verteilkammer 40 enthaltene Kühlmittel in Teilströmen direkt in die oberen Teilkühlräume
30 der Zylinder gelangen kann. Es handelt sich demzufolge um ein Top-Down-Kühlkonzept,
dessen Bedeutung nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben wird.
Zudem sind fluide Verbindungen 70 zwischen den oberen Teilkühlräumen 30 erkennbar.
Der so entstehende Entlüftungskanal ist mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet.
[0034] Auf die einzelnen Verbindungen der Kühlmittelvolumina und den entsprechenden Strömungspfaden
soll im Folgenden anhand der konkreten Kühlkonzepte eingegangen werden. Das sogenannte
Top-Down-Konzept des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ist in Figur 3 exemplarisch
für einen 4-Zylindermotor dargestellt. Die Darstellung zeigt eine Zylinderreihe des
Motorblockes 100, deren Zylinderköpfe zu einer Zylinderkopfbank 200 zusammengefasst
sind. Der Einfachheit halber sind die Bezugszeichen nur für den ersten Zylinder angegeben,
die weiteren Zylinder sind jedoch identisch zum ersten Zylinder aufgebaut.
[0035] Ausgehend von der Verteilkammer 40, in die das Kühlmittel über einen externen Druckanschluss
41 gepumpt wird, wird das Kühlmittel auf einzelne Teilströme aufgeteilt, von denen
jeder über einen Kanal 31 direkt in den oberen Teilkühlraum 30 führt. Die Teilkühlräume
30 der Zylinderköpfe sind über den Entlüftungskanal 70 miteinander verbunden, wodurch
sich im Kühlmittel enthaltene Luftblasen sammeln und nach aussen befördern lassen.
Die Enden der Entlüftungsleitung sind endseitig mittels Kappen verschlossen bzw. mit
einem geeigneten Entlüftungsventil versehen.
[0036] Der Großteil des im oberen Teilkühlraum 30 jedes Zylinders enthaltenen Kühlmittels
strömt über einen Hauptstrompfad 28 in den unteren Teilkühlraum 20. Ein vergleichsweise
geringer Volumenanteil fliesst über die zusätzliche Fluidverbindung 27 zum unteren
Raum 20. Über die zweite Fluidverbindung 27 wird eine zusätzliche Entlüftung im Motorbetrieb
erreicht, zudem lässt sich dadurch die Gefahr unerwünschter Luftansammlungen im Kühlsystem
insbesondere während der Inbetriebnahme des Motors, d.h. beim Befüllen des Motors
mit Kühlmittel, reduzieren.
[0037] Die untere Teilkühlkammer 20 steht über zwei parallel verlaufende Übergangskanäle
25, 26 mit der Druckausgleichkammer 60 in Verbindung. Dadurch werden alle Teilströme
der einzelnen Zylinder in der Druckausgleichskammer 60 wieder zusammengeführt. Durch
das Vorhandensein und die Ausgestaltung dieser Druckausgleichkammer 60 wird eine gute
Balancierung des Kühlsystems erreicht, fertigungsbedingte Asymmetrien der Kanäle 28,
31 bzw. der Teilkühlräume 20, 30 werden ausgeglichen und für die Teilströme der Zylinder
ergeben sich annähernd identische Kühlmittelfliessraten. Es wird somit für alle Zylinder
eine weitgehend identische Kühlleistung erzielt, wodurch der Energiebedarf für das
Umwälzen des Kühlmittels sinkt. Eine Modifikation der Zylinderkopfdichtungen ist demnach
überflüssig. Auch kann bei dem vorgeschlagenen Strömungsverlauf ein gewisser Ausgleich
der Asymmetrien bereits durch den Entlüftungskanal 70 erreicht werden.
[0038] Stromabwärts von der Druckausgleichkammer 60 verteilt sich das Kühlmittel wieder
auf einzelne Teilströme für die einzelnen Zylinder und gelangt über die parallelen
Verbindungsleitungen 61, 62 zum oberen und unteren Teilmantel 11, 12 des Kühlmantels
10 der einzelnen Zylinder im Motorblock 100. Nach dem Umströmen der Zylinderhülse
gelangt das Kühlmittel zurück in die Sammelkammer 50, die das Kühlmittel über den
Druckanschluss 51 an den sich ausserhalb des Verbrennungsmotors gelegenen Teil des
Kühlmittelkreislauf abgibt. Die oberen und unteren Teilkühlmäntel 11, 12 werden vorteilhafterweise
parallel aus der Druckausgleichkammer 60 gespeist werden, da eine serielle Verbindung
zu deutlich erhöhten Druckverlusten führen würde, weil das gesamte zur Kühlung des
grossflächigen unteren Teilkühlmantels benötigte Kühlmittel den oberen Teilkühlmantel,
der einen wesentlich kleineren Strömungsquerschnitt aufweist, durchströmen müsste.
Und der vergleichsweise kleine Strömungsquerschnitt des oberen Teilkühlmantels weist
eine Längsausdehung des halben Durchmessers der Zylinderhülse auf.
[0039] Die unteren Kühlmäntel 12 benachbarter Zylinder sind fluidisch über den Kanal 13
miteinander verbunden, um die während der Expansionsphase hervorgerufenen Druckpulsationen
auf benachbarte Kühlmittelteilströme zu verteilen, um dem Entstehen von Kavitationschäden
entgegen zu wirken.
[0040] Ergänzend ist der untere Teilkühlraum 20 jedes Zylinders über einen Bypass Kanal
29 direkt mit der Sammelkammer 50 verbunden ist, wodurch ein geringerer Volumenanteil
des Teilstromes auf direktem Weg am Kühlmantel 10 vorbei in die Sammelkammer 50 gelangt.
Auch diese Maßnahme hilft die Gefahr von Totgebieten und Rezirkulation der Kühlmittelströmung
vermeiden, um primär eine zuverlässige und wirkungsvolle Kühlung zu errreichen und
sekundär eine Reduzierung der Druckverluste zu erzielen.
[0041] Die nachfolgenden Schnittdarstellungen der Figuren 5, 6 und 7 durch den Motorblock
100 und die Zylinderbank 200 zeigen die konkrete Ausprägung der einzelnen Kühlräume,
-mäntel bzw. Kühlkanäle. Die Schnittdarstellungen der Figuren 5 und 6 schneiden den
Motorblock auf Höhe eines Zylinders in unterschiedlichen Ebenen, die in der Figur
4 als die Schnittebenen D-D und E-E eingezeichnet sind.
[0042] Figur 5 zeigt einen Schnitt entlang der Achse D-D. In der zylindrischen Ausnehmung
des Motorblockes 100 ist die Zylinderhülse 101 eingesetzt. Der zwischen Ausnehmungswand
und Hülse liegende Spalt bildet den Kühlmantel, der die Zylinderhülse 101 vollständig
ummantelt. Die Ausnehmung im Gussteil des Motorblocks 100 weist in Längsrichtung unterschiedliche
Durchmesser auf, wodurch der obere sowie untere Teilkühlmantel 11, 12 ausgebildet
wird. Hierbei ist erkennbar, dass der untere Teilkühlmantel 12 in Zylinderlängsrichtung
deutlich länger ist und das Volumen des Teilkühlmantels 12 das Volumen des oberen
Teilkühlmantels 11 deutlich übersteigt. Ausserdem ist erkennbar, dass der untere Teilkühlmantel
12 eine deutlich grössere Querschnittsfläche aufweist als der obere Teilkühlmantel
11. Ferner ist erkennbar, dass die Druckausgleichkammer 60 ebenfalls innerhalb des
Motorblocks 100 ausgebildet ist und sich in Längsachse des Motorblocks 100 tangential
an den Ausnehmungen für die Zylinderhülsen 101 anlehnt.
[0043] Der auf dem Motorblock 100 aufgesetzte Zylinderkopf 200 weist den oberen sowie unteren
Teilkühlraum 20, 30 auf. Auch ist hier ein eingesetzter Injektor 201 erkennbar. Die
eingezeichneten Pfeile kennzeichnen die Strömungshauptrichtung des Kühlmittelflusses
eines einzelnen Zylinders. Demzufolge wird das Kühlmittel von der Verteilkammer 40
zum oberen Teilkühlraum 20 geleitet und strömt von dort aus über den Hauptkanal 28
weiter zum unteren Teilkühlraum 30. Gut zu erkennen ist die zweite Verbindungsleitung
27 zwischen oberen und unterem Teilkühlraum 20, 30, die einen deutlich geringeren
Durchmesser aufweist.
[0044] Über die Übergangskanäle 25, 26, von denen nur einer in der Schnittebene zu sehen
ist, gelangt das Kühlmittel in die Druckausgleichkammer 60 und von dort aus zu den
einzelnen Kühlteilmänteln 11, 12 strömt. Der Kreis auf der Längsachse der Zylinderhülse
101 symbolisiert die bestehende Fluidverbindung 13 des unteren Teilmantels 12 zu benachbarten
Kühlmänteln 10. Nicht zu sehen in der Schnittebene D-D ist die bestehende Verbindung
von den Kühlmänteln 11, 12 zur Sammelkammer 50. Ersichtlich ist diese allerdings in
Figur 6. Auch ist hier die notwendige Verbindung zwischen der Druckausgleichskammer
60 und den Kühlmänteln 11, 12 zu sehen.
[0045] Eine weitere Schnittdarstellung des erläuterten Kühlkonzeptes ist der Figur 7 zu
entnehmen. In dieser Ebene ist ein in Querrichtung durch die Zylinderkopfbank verlaufender
Abgaskanal eines Zylinders im Querschnitt zu sehen, wobei der Abgaskanal zumindest
abschnittsweise vollumfänglich durch den Kühlmittelstrom eines Zylinders umgeben ist.
Zur kühlenden Ummantelung des Abgaskanals 202 tragen der obere und untere Teilkühlraum
20, 30 sowie die entsprechenden Kanalverbindungen bei. Die Dichtung 203 verschliesst
den oberen Teilkühlraum 20 nach oben hin. Der Figur 7 ist ebenfalls die Bypass-Verbindung
29 aus dem unteren Teilkühlraum 20 zur Sammelkammer 50 zu entnehmen. Ebenso ist der
direkt in die Zylinderkopfbank integrierte Entlüftungskanal 70 zu sehen.
[0046] Ein alternatives Kühlkonzept für den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist den
Darstellungen der Figuren 8 bis 11 zu entnehmen. Der Einfachheit halber sind die Bezugszeichen
in der Darstellung der Figur 8 mit insgesamt vier Zylindern nur für den ersten Zylinder
angegeben, die weiteren Zylinder sind jedoch identisch zum ersten Zylinder aufgebaut.
Selbstverständlich ist auch dieses alternative Kühlkonzept auf Motoren mit einer anderen
Anzahl von Zylindern übertragbar, ebenfalls klarerweise unabhängig davon, ob es sich
um einen Reihen- oder V-Motor handelt. Anders als im Ausführungsbeispiel der Figuren
2 bis 7 gelangt das Kühlmittel von der Verteilkammer 50 nicht in den obere Teilkühlraum
30 der Zylinderkopfbank 200, sondern stattdessen zuerst in den unteren Teilkühlraum
20, von wo aus es weiter über die Verbindungskanäle 27, 28 zum oberen Teilkühlraum
30 gelangt. Dieser steht über einen einzigen Übergangskanal 25 mit der Druckausgleichkammer
60 in Verbindung, von diesem ausgehend wie im ersten Ausführungsbeispiel Teilströme
zu den einzelnen Zylindermänteln vorgesehen sind.
[0047] Auch in diesem Ausführungsbeispiel hat der untere Teilkühlraum 20 eine Bypass-Verbindung
29 mit der Sammelkammer 50, sodass durch diesen der Weg über den oberen Teilkühlraum
30 als auch den Kühlmantel 10 umgangen werden kann. Dieser Bypass weist ebenfalls
einen Abschnitt mit einem vergleichsweise kleinen Querschnitt. Jedoch liegt dieser
enge Querschnitt nur über eine sehr geringe Länge vor, wohingegen die Strömungspfade
an den querschnittsverengten Kühlteilmänteln eine um ein hohes Vielfaches grössere
Längenausdehnung aufweisen und einen entsprechend hohen Strömungswiderstand darstellen.
Die Figuren 9, 10 zeigen entsprechende Schnittdarstellungen entlang der Schnittachsen
D-D sowie E-E. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel und den Figuren 5 und 6
ist dabei erkennbar, dass die Ausführung des Motorblocks 100 identisch ist, jedoch
geringfügige Unterschiede im Zylinderkopf 200 notwendig sind. Für die Anwendung der
unterschiedlichen Kühlkonzepte bzw. Strömungsverläufe kann daher ein einheitlicher
Motorblock 100 zum Einsatz kommen, es sind lediglich individuelle Zylinderköpfe notwendig.
1. Flüssigkeitsgekühlter Verbrennungsmotor bestehend aus einem mehrere Zylinder umfassenden
Motorblock und die Zylinder verschließenden Zylinderköpfen, wobei jeder Zylinder von
jeweils einem Kühlmantel umgeben ist und in jedem Zylinderkopf mindestens ein separater
Kühlraum vorgesehen ist, der über wenigstens einen Übergangskanal mit dem Kühlmantel
des zugeordneten Zylinders verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Übergangskanäle von wenigstens zwei Zylindern über eine Druckausgleichkammer
miteinander verbunden sind.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichkammer im Motorblock integriert ist, wobei sich diese insbesondere
in Längsrichtung des Motorblockes erstreckt und tangential an die Kühlmäntel der Zylinder
anlegt.
3. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad des Kühlmittels für jeden Zylinder von dem wenigstens einen Kühlraum
des Zylinderkopfes zum Kühlmantel des Zylinders verläuft.
4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinderkopf mindestens zwei Kühlräume vorgesehen sind, idealerweise ein oberer
und ein unterer Teilkühlraum, die über wenigstens einen Verbindungskanal miteinander
verbunden sind, idealerweise über wenigstens zwei Verbindungskanäle, idealerweise
mit unterschiedlichen Durchmessern.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch den Zylinderkopf verlaufende Abgasleitung zumindest abschnittsweise
von den Kühlräumen des Zylinderkopfes, insbesondere des oberen und unteren Teilkühlraumes
sowie die Teilräume verbindenden Verbindungskanäle, vollständig umgeben ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine über einen Druckanschluss mit einer externen Druckquelle verbindbare Verteilkammer
vorgesehen ist, die mit wenigstens einem Kühlraum jedes Zylinderkopfes über mindestens
einen Kanal verbunden ist, so dass Kühlmittel aus der Verteilkammer in den wenigstens
einen Kühlraum strömen kann, wobei die Verteilkammer vorzugsweise in den Motorblock
integriert ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sammelkammer vorgesehen ist, die mit dem Kühlmantel jedes Zylinders
über ein oder mehrere Kanäle verbunden ist, so dass das Kühlmittel von jedem Kühlmantel
des Motorblockes in die Sammelkammer strömen kann, wobei die Sammelkammer vorzugsweise
in den Motorblock integriert ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinderkopf wenigstens zwei Übergangskanäle vorgesehen sind, die parallel vom
Zylinderkopf bzw. des wenigstens einen Kühlraumes zur Druckausgleichkammer verlaufen.
9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bypass von wenigstens einem Kühlraum des Zylinderkopfes, insbesondere
dem unteren Teilkühlraum, ausgeht und vorzugsweise in der Sammelkammer mündet, um
einen den Kühlmantel umgehenden Bypass-Strömungspfad zu schaffen.
10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptströmungspfad des Kühlmittels für jeden Zylinder von der Verteilkammer über
den obere Teilkühlraum in den unteren Teilkühlraum verläuft, von dort über den wenigstens
einen Übergangskanal zur Druckausgleichskammer führt, und von dieser aus über den
Kühlmantel in die Sammelkammer verläuft.
11. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptströmungspfad des Kühlmittels für jeden Zylinder von der Verteilkammer über
den unteren Teilkühlraum in den obere Teilkühlraum verläuft, von dort über den wenigstens
einen Übergangskanal zur Druckausgleichskammer führt und von dieser aus über den Kühlmantel
in die Sammelkammer verläuft.
12. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderköpfe eine Zylinderbank bilden, die als Gussteil gefertigt ist, wobei
zumindest ein Teil der separaten Kühlräume über eine in die Zylinderköpfe bzw. die
Zylinderbank integrierte Entgasungsleitung miteinander verbunden ist.
13. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente der Zylinderkopfdichtungen, welche durch die Teilströme des
Kühlmittelpfades zwischen Zylinderkopf und Motorblock passiert werden, für alle Zylinder
identisch ausgeführt sind.
14. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel in wenigstens zwei Teilkühlmäntel aufgeteilt ist, insbesondere einen
unteren und oberen Teilkühlmantel, wobei die Teilkühlmäntel parallel mit der Druckausgleichskammer
und/oder der Sammelkammer verbunden sind.
15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zwischen den Kühlmänteln benachbarter Zylinder besteht, insbesondere
zwischen den unteren Teilkühlmänteln benachbarter Zylinder.