DE2756006C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für die Zylin­ derdecken des Zylinderkopfes einer mehrzylindrigen Hubkolben- Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Bei einem aus der DE-OS 15 76 698 bekannten Kühlsystem dieser Art wird die Kühlung des Zylinderkopfes mit einer zu der Anzahl der Zylinder proportionalen Anzahl von Teilströmen des Kühl­ fluids bewirkt, das für eine Kühlung des Zylinderblocks über zwei an seiner einen Stirnseite vorgesehene Einlaßbohrungen axial zugeleitet wird und aufeinanderfolgend an den einzel­ nen Zylindern der Reihenanordnung eine Aufteilung in diese dabei also achsparallel ausgerichteten und zu beiden Seiten der die Zylinderachsen aufnehmenden Mittelebene verlaufenden Teilströme erfährt. Diese das Kühlsystem des Zylinderblocks bildenden Teilströme erfahren im Zylinderkopf eine erneute Umlenkung, um eine zu der Hauptströmung des Kühlfluids im Zylinderblock korrespondierende zweite Hauptströmung zu er­ halten. Die im Zylinderkopf ausgebildete zweite Hauptströ­ mung des Kühlfluids ist entweder auf den Bereich der Zylinder­ decken beschränkt und dort zu der ersten Hauptströmung entge­ gengesetzt ausgerichtet, wobei die aus dem Zylinderblock zu­ geleiteten Teilströme zuerst über die volle Höhe eines jeweils zugehörigen Zylinderabschnittes ebenfalls achsparallel ausgerichtet bleiben und somit erst in den ein­ zelnen Zylinderdecken der Reihenanordnung diese erneute Um­ lenkung erfahren. Für eine alternative Ausbildung dieses be­ kannten Kühlsystems ist vorgesehen, die zweite Hauptströ­ mung des Kühlfluids im oberen Bereich der vorerwähnten Zylin­ derabschnitte des Zylinderkopfes mit einer gleichen Ausrich­ tung wie die im Zylinderblock aufrecht erhaltene Hauptströ­ mung auszubilden und am anderen Ende der Zy­ linderreihe ein erneute Umlenkung vorzusehen, um in diesem Fall eine dritte Hauptströmung des Kühlfluids zu erhalten, die wiederum nur auf die Zylinderdecken des Zylinderkopfes beschränkt und dort also zu den beiden anderen Hauptströ­ mungen des Kühlfluids entgegengesetzt ausgerichtet ist. Die bei diesem bekannten Kühlsystem somit vorgenommenen mehrfachen Umlenkungen von Teilströmen des Kühlfluids för­ dern das Entstehen von örtlichen Wärmestaus, die ihrerseits eine gleichmäßige Kühlung der Zylinderdecken sämtlicher Zy­ linder der Reihenanordnung behindern oder jedenfalls zu un­ terschiedlich großen Kühlraten an den einzelnen Zylindern führen können, was nachteilige Auswirkungen auf den Ver­ brennungsablauf des in jedem Zylinder gezündeten Luft- Brennstoff-Gemisches haben kann. Wenn nämlich an den wegen der Ein- und Auslaßventile insoweit besonders kritischen Zylinderdecken des Zylinderkopfes für keine genügende Wärme­ abführung vorgesorgt ist, dann kann der Verbrennungsablauf einem Oxidationsprozeß unterliegen, der zu einer Erhöhung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen führt. Die an den Zylinderdecken wirksame Kühlung des Zylinderkopfs er­ gibt daneben auch eine Einflußgröße auf die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine in der Relation zum Brennstoffver­ brauch, was somit bei diesem bekannten Kühlsystem ebenfalls nicht optimal ist.

Aus der DE-OS 20 61 762 ist daneben noch ein Kühlsystem für eine als ein Zweitakt-Schiffsmotor vorgesehene Brenn­ kraftmaschine bekannt, bei dem für eine Kühlung der Zylin­ derdecken des Zylinderkopfes eine durch eine Trennwand ge­ gen das Kühlsystem des Zylinderblocks abgetrennte Einsen­ kung in einem maßgeblichen Zylinderkopfdeckel ausgebildet ist, die durch eine Mittelwand in zwei längs verlaufende Strömungskanäle für das Kühlfluid unterteilt wird. Der An­ schluß an das Kühlsystem des Zylinderblocks ist dabei für den Anfang des einen Strömungskanals durch ein Thermostat­ ventil und ein Druckminderventil vermittelt, die somit nur beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur und/oder eines vorbestimmten Förderdruckes des Kühlfluids eine Kühlung der Zylinderdecken durch das dann die beiden Strömungskanäle im Gegenstrom hin zu einem Auslaßkanal des Zylinderkopfdeckels durchströmende Kühlfluid ermöglichen, während sonst das Kühl­ fluid über einen Auslaßkanal im Zylinderblock abgeleitet wird. Dieses bekannte Kühlsystem weist im übrigen noch die Besonder­ heit auf, daß bei ihm die im Zylinderblock verlaufenden Ab­ schnitte der in Reihe angeordneten Zylinder durch wellenför­ mig verlaufende Kühlbänder gekühlt werden, die in Strömungs­ kanälen mit im wesentlichen etwa halbzylindrischen Abschnit­ ten konzentrisch zu den Zylinderachsen und zu beiden Seiten von deren gemeinsamer Mittelebene zur Ausbildung kommen und an dem zu dem Auslaßkanal des Zylinderblocks bzw. zu den bei­ den Ventilen am Anfang des einen Strömungskanals im Zylinder­ kopfdeckel abgewandten Ende der Reihenanordnung eine Umlen­ kung erfahren, damit optimal auch für einen Zwischenraum zwi­ schen einer diese Umlenkung steuernden und damit auch die Strömungsrichtung des Kühlfluids umkehrenden Zylinderkopf­ dichtung und der vorerwähnten Trennwand gegen die Zylinder­ decken zwei ebenfalls entsprechend wellenförmig verlaufende Kühlbänder zu beiden Seiten der die Zylinderachsen aufneh­ menden Mittelebene erhalten werden. Der Abschluß der zur Ausbildung dieser weiteren Kühlbänder korrespondierend vor­ gesehenen Strömungskanäle durch die gegenüber den Zylinder­ decken des Zylinderkopfes wirksame Trennwand ergibt dabei je­ doch eine reichlich unvollkommene Wärmeabführung von den Zy­ linderdecken wenigstens bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Schaltpunkte des Thermostatventils und/oder des Druckminder­ ventils, wobei aber gleichzeitig feststeht, daß mit der dann erhaltenen nochmaligen Umkehrung der Strömungsrichtung des Kühlfluids zuerst für eine Strömung durch den einen Strömungs­ kanal und dann für eine Strömung durch den anderen Strömungs­ kanal des Zylinderkopfdeckels wieder eine erhöhte Gefahr zur Bildung von Wärmestaus besteht, was somit auch bei diesem Kühlsystem zu den vorhergehend näher erläuterten Nachteilen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für die Zylinderdecken des Zylin­ derkopfes einer mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftma­ schine für Kraftfahrzeuge derart auszubilden, daß mit der Zielsetzung einer Vergleichmäßigung der gesamten Kühlung des Zylinderkopfes eine verbesserte Wärmeabführung von den Zylinderdecken auch unter dem Gesichtspunkt erhalten wird, daß das Auftreten eines auch noch so minimalen Wärmestaus einen Oxidationsprozeß der Verbrennungsgase zu fördern ver­ mag und damit dann der Schadstoffanteil der Auspuffgase unterwünscht vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den Merkmalen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem erzielbaren Vor­ teile lassen sich im besonderen für eine V8-Hubkolben- Brennkraftmaschine nutzen und sind darin erkennbar, daß die wellenförmig verlaufenden Kühlbänder eine laminare Strömung des Kühlfluids längs der einzelnen Zylinderdecken der Reihenanordnung ergeben, die als Folge der im Vergleich zu dem Kühlsystem des Zylinderblocks aufrecht erhaltenen grös­ seren Strömungsgeschwindigkeit keine Wärmestaus entstehen läßt und damit auch eine entsprechend verbesserte Wärmeab­ führung ergibt. Als Folge davon ist es gleichzeitig möglich, die im Umlauf befindliche Menge des Kühlfluids zu verringern ohne damit eine nachteilige Auswirkung auf eine Vergleich­ mäßigung der Wärmeverteilung zu erhalten, insbesondere dann nicht, wenn für eine optimale Erzielbarkeit einer solchen vergleichmäßigten Wärmeverteilung noch die erfindungsgemäßen Merkmale gemäß den Patentansprüchen 2 bis 4 verwirklicht wer­ den.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht in einer teilweise geschnittenen Explosions­ darstellung eines Teils des Gehäuses einer Brennkraftmaschine, dessen Ge­ samtheit in Fig. 3 mit einem Quer­ schnitt gezeigt ist,

Fig. 2 eine Schemadarstellung der einzel­ nen Ströme des Kühlfluids, die für die Gesamtheit des Kühlsystems der Brennkraftmaschine kennzeichnend sind und

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Gehäuse einer mit dem Kühlsystem versehenen V8-Hubkolben-Brennkraftmaschine.

Das in Fig. 3 im Querschnitt gezeigte Gehäuse einer V8-Hubkol­ ben-Brennkraftmaschine umfaßt einen die V-Form bestimmenden Zylinderblock 11, mit dem zwei jeweils mit einem Zylinder­ kopf 9 zur Bereitstellung von Zylinderdecken ergänzte Zylin­ derreihen ausgebildet werden. Jede Zylinderreihe umfaßt vier Zylinder und ist durch zwei Kühlsysteme des zugeordneten Zy­ linderkopfes 9 und des Zylinderblocks 11 gekühlt, wobei die beiden Kühlsysteme einen in der Trennebene 43 von Zylinder­ kopf und Zylinderblock mittels einer Zylinderkopfdichtung 21 abgedichteten Anschluß aneinander aufweisen. Das Gehäuse der Brennkraftmaschine wird im übrigen vervollständigt mit einem Einlaßkrümmer 65, der zum Anflanschen eines Vergasers 67 und üblichem Luftfilter 68 ausgebildet ist, und zwei Auslaßkrüm­ mer 66, die einen abgedichteten Anschluß an die Ein- und Aus­ laßkanäle der daneben noch mit Führungsbohrungen für Ein- und Auslaßventile versehenen Zylinderköpfe 9 aufweist.

Die für die beiden Zylinderreihen vorgesehenen Kühlsysteme des Zylinderblocks 11 sind mit Strömungskanälen 10 a und 10 b gebildet, die als nutenförmige Aussparungen eine gegen die Trennebene 43 offene Ausbildung aufweisen. Wie insbesondere aus den Fig. 1 und 2 ableitbar ist, sind die beiden Strö­ mungskanäle 10 a, 10 b mit im wesentlichen etwa halbzylin­ drischen Abschnitten gebildet, die an jedem Zylinder eine koaxiale Innenwand 67 und eine koaxiale Außenwand 70 um­ fassen, so daß sich für die Strömungskanäle ein wellenför­ miger Verlauf jeweils zu beiden Seiten der die Zylinder­ achsen aufnehmenden Mittelebene ergibt, der am ersten und letzten Zylinder jeder Zylinderreihe ein Schließen zu einem nahezu vollständigen Zylinder erfährt. Weil die im übrigen zur Führung je eines Kolbens 69 vorgesehenen Innenwände 67 noch durch Stege 42 einstückig miteinander verbunden sind, welche benachbarte Zylinder gegeneinander abtrennen, werden folglich mit den Strömungskanälen 10 a, 10 b entsprechend wel­ lenförmig verlaufende Kühlbänder 15 und 16 erhalten, wenn dafür das Kühlfluid am einen Ende jeder Zylinderreihe über eine Zuleitung 17 zugeführt wird, um durch die mit der Zy­ linderkopfdichtung 21 abgedichteten Strömungskanäle im Sin­ ne der in Fig. 2 gezeigten Strömungspfeile zu strömen. Die Breite bzw. die Höhe der Kühlbänder 15, 16 stimmt dabei also überein mit der Tiefe der Strömungskanäle 10 a, 10 b, die für eine größere Effektivität der mit diesen Kühlbändern somit erhaltenen Mantelkühlung der einzelnen Zylinder zweckmäßig über mehr als die halbe Zylinderlänge reichen sollte. Die Ausbildung der Kühlbänder sollte daneben noch in der Ab­ stimmung auf die Strömungsgeschwindigkeit und den maßgebli­ chen Strömungsquerschnitt derart gewählt sein, daß für das Kühlfluid eine im wesentlichen laminare und somit weitgehend wirbelfreie Strömung erhalten wird, die außer für den Zylinder­ block 11 dann auch noch für die beiden Zylinderköpfe 9 er­ reichbar sein sollte.

Wie ebenfalls aus den Fig. 1 und 2 am Anschaulichsten ableit­ bar ist, ist auch das Kühlsystem der beiden Zylinderköpfe 9 an jeder Zylinderreihe mit zwei wellenförmig verlaufenden Kühlbändern 22, 23 gebildet, die durch eine Überleitung des Kühlfluids an dem der Zuleitung 17 abgewandten Ende jeder Zylinderreihe über Durchtrittsschlitze 18, 19 und 20 der Zy­ linderkopfdichtung 21 in entsprechend vorgesehenen Strömungs­ kanälen 46 und 47 zur Ausbildung kommen. Auch die Strömungs­ kanäle 46, 47 jedes Zylinderkopfes 9 weisen eine gegen seine Trennebene 43 offene Ausbildung auf und sind mit im wesent­ lichen etwa halbzylindrischen Abschnitten gebildet, wobei ihre somit für die Breite der Kühlbänder 22, 23 bestimmende Tiefe praktisch übereinstimmt mit der Länge bzw. Höhe eines korrespondierenden Zylinderabschnittes der Zylinderdecke des jeweils zugeordneten Zylinders. Das in die Strömungskanä­ le 46, 47 übergeleitete Kühlfluid strömt in Richtung der in Fig. 2 gezeigten Strömungspfeile hin zu einer jeweiligen Aus­ laßleitung 24, wobei für diese Strömung noch die im wesent­ lichen durch die Verhältnisse bei der Überleitung des Kühl­ fluids beeinflußte Besonderheit verwirklicht ist, daß dafür eine im Vergleich zu dem Kühlsystem des Zylinderblocks 11 größere Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben ist. Wegen die­ ser größeren Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids wird daher auch an den für eine Wärmeabführung besonders kriti­ schen Zylinderdecken der einzelnen Zylinder eine entspre­ chend wirksame Kühlung erhalten, wobei der mit den Kühlbän­ dern 15, 16 des Zylinderblocks 11 übereinstimmende Wellen­ verlauf der Kühlbänder 22, 23 der beiden Zylinderköpfe 9 ebenfalls eine weitgehend laminare und damit entsprechend wirbelfreie Strömung des Kühlfluids sicherstellt. Da für eine mögliche Wirbelbildung der Strömung die zwischen be­ nachbarten Zylindern vorhandenen Übergänge besonders kri­ tisch sind, ist dafür noch eine Überleitung von geringen Mengen des Kühlfluids aus dem Zylinderblock vorgesehen, indem die Zylinderkopfdichtung 21 an diesen Übergängen mit zusätzlichen Zuleitungen 26 bis 31 versehen ist. Mit dieser weiteren Überleitung des Kühlfluids wird dabei weniger eine verstärkte Wärmeabführung als vielmehr eine Unterstützung der in den Strömungskanälen 46, 47 aufrechterhaltenen lami­ naren Strömung des Kühlfluids bezweckt. Für eine ergänzende Wärmeabführung ist andererseits jedoch noch an jedem Zylin­ derkopf 9 oberhalb und im wesentlichen mittig zwischen den beiden Strömungskanälen 46, 47 ein mit einer durchgehenden Längsbohrung 8 gebildeter weiterer Strömungskanal vorgese­ hen, mit welchem folglich eine zu den Kühlbändern 22, 23 zu­ sätzliche Säule 52 des in einer separaten Zuleitung 32 über­ geleiteten Kühlfluids ausgebildet wird. Auch der mit der Längsbohrung 8 gebildete Strömungskanal weist einen Anschluß an die Auslaßleitung 24 auf, die an einen Kühler des Kraft­ fahrzeuges angeschlossen ist, von wo das Kühlfluid dann mit­ tels einer Pumpe wieder in die beiden Zuleitungen 17 des Kühlsystems des Zylinderblocks 11 gefördert wird.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß für eine Rea­ lisierung des vorbeschriebenen Kühlsystems an einer V8-Hub­ kolben-Brennkraftmaschine der Zylinderblock 11 aus Gußeisen und die beiden Zylinderköpfe 9 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden sollten, die zur Erzielung einer möglichst großen Effektivität der Wärmeabführung von den Zylinderdecken eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens etwa 0,28 cal/s cm°C aufweisen sollte. Wenn ein Kühlfluid mit einer Viskosität von etwa 0,81 cp bei 88°C verwendet wird, dann sollte weiter­ hin jede der beiden Längsbohrungen 8 eine Querschnittsfläche von etwa 3,55 cm² und jeder der beiden Strömungskanäle 46, 47 jedes Zylinderkopfes 9 eine Querschnittsfläche von etwa 3,88 cm² aufweisen, um damit dann für die Verhältnisse einer 5 l- Brennkraftmaschine mit einer mittleren Strömungsgeschwindig­ keit des Kühlfluids von etwa 305 bis 330 cm/s eine optimale Kühlung ohne die Gefahr einer Bildung von Wärmestaus zu er­ halten.

Claims (4)

1. Kühlsystem für die mit Führungsbohrungen für Ein- und Auslaßventile versehenen, in Reihe angeordneten Zylinderdecken des Zylinderkopfes einer mehrzylin­ drigen Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahr­ zeuge, mit zwei zu beiden Seiten der die Zylinder­ achsen aufnehmenden Mittelebene in der Zylinderkopf­ wand ausgebildeten Strömungskanälen, die einen mit einer Zylinderkopfdichtung abdichtbaren Anschluß an das Kühlsystem des Zylinderblocks aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungskanäle (46, 47) für eine Ausbildung von zwei entsprechend wellenförmig verlaufenden Kühlbändern (22, 23) mit im wesentlichen etwa halbzylindrischen Abschnitten gebildet sind, die eine gegen die Trenn­ ebene (43) des Zylinderkopfes (9) offene Ausbildung koaxial zu einem die Breite der Kühlbänder (22, 23) bestimmenden Zylinderabschnitt jeder Zylinderdecke aufweisen und für eine im Vergleich zu dem Kühlsy­ stem des Zylinderblocks (11) größere Strömungsge­ schwindigkeit des Kühlfluids angelegt sind.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb und im wesentlichen mittig zwischen den beiden Strö­ mungskanälen (46, 47) ein mit einer durchgehenden Längsbohrung (8) gebildeter weiterer Strömungskanal vorgesehen ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weite­ re Strömungskanal für eine im Vergleich zu den wellenförmigen Kühlbändern (22, 23) verlangsamte Strö­ mung des Kühlfluids angelegt ist.

4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Übergängen der im wesentlichen etwa halbzylindri­ schen Abschnitte der beiden seitlichen Strömungs­ kanäle (46, 47) zusätzliche Zuleitungen (26 bis 31) für geringe Mengen des Kühlfluids münden.