AT413860B - Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte mehrzylinder-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei durch Einlass- und oder Auslassventile gesteuerte Gaswechselkanäle pro Zylinder, mit einer an ein Feuerdeck grenzenden Kühlraumanordnung, welche durch ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck ausgebildetes Zwischendeck in einen feuer-5 deckseitigen unteren Teilkühlraum und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse anschließenden oberen Teilkühlraum unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum durch zumindest einen Überströmkanal pro Zylinder in Richtung der Zylinderachse im Bereich eines Einsatzrohres für eine vorzugsweise zentrale Kraftstoffeinspritzeinrichtung miteinander strömungsverbunden sind und der Überströmkanal durch das Einsatzrohr begrenzt ist, und wobei in io den unteren Teilkühlraum zumindest eine Zuflussöffnung pro Zylinder für das Kühlmittel einmündet und vom oberen Teilkühlraum zumindest eine Abflussöffnung für das Kühlmittel ausgeht, wobei der gusstechnisch hergestellte Überströmkanal zylinderkopfseitig zumindest durch eine Wand eines Gaswechselkanals begrenzt ist, wobei vorzugsweise die zylinderkopfseitigen Wände des Überströmkanals nur durch die Wände zumindest zweier Gaswechselkanäle gebil-15 det sind.

Insbesonders bei leistungsstarken Diesel-Brennkraftmaschinen mit hohem Wärmeeintrag reicht ein durchgehender Kühlraum für ein den Zylinderkopf in Längsrichtung durchströmendes Kühlmedium nicht aus, um eine ausreichende Kühlung des Feuerdecks zu gewährleisten. Mangel-20 hafter Wärmeaustrag aus dem Zylinderkopf kann aber zu Verzugserscheinungen, Undichtheiten sowie zu Rissen führen.

Die DE 102 02 661 A1 beschreibt einen Zylinderkopf für mehrere Zylinder mit einem unteren und einem oberen Teilkühlraum, wobei im unteren Teilkühlraum das Kühlmittel im Wesentlichen 25 quer zum Zylinderkopf strömt. Das Kühlmittel gelangt einerseits über einen ringförmigen Übertritt ins Einsatzrohr für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, und andererseits über seitliche Über-strömöffnungen im Bereich einer Seitenwand vom unteren Teilkühlraum in den oberen Teilkühlraum. Durch die Querstromkühlung im unteren Teilkühlraum kann eine gleichmäßige Kühlung der einzelnen Zylinder erreicht werden. Diese Anordnung hat allerdings den Nachteil, dass eine 30 gezielte Kühlung von thermisch kritischen Bereichen, beispielsweise von den Ventilstegen zwischen zwei Auslassventilen nicht möglich ist, und thermisch hoch beanspruchte Bereiche nur ungenügend gekühlt werden können. Auch aus der US 6,279,516 A ist ein Zylinderkopf mit einem ringförmigen Übertritt um ein Einsatzrohr zwischen unterem und oberem Kühlraum bekannt, wobei der Übertritt durch eine Bohrung gebildet wird. 35

Aus der CH 614 995 A ist ein Einzelzylinder-Zylinderkopf für eine Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, welcher einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum und einen oberen Teilkühlraum aufweist, wobei zwischen dem unteren und oberen Teilkühlraum eine Trennwand angeordnet ist. Die Kühlflüssigkeit wird einerseits über einen Speisestutzen ringförmigen Kühlkanälen um 40 die Ventilsitze und andererseits dem unteren Teilkühlraum zugeführt. Von den Kühlkanälen um die Ventilsitze strömt die Kühlflüssigkeit in einen zentralen Ringraum, der eine Buchse für eine Kraftstoffzuführeinrichtung umgibt. Von dort strömt das Kühlmedium in den oberen Teilkühlraum. Auf diese Weise sollen Feuerdeck und Ventilsitze unabhängig voneinander gekühlt werden. Auch die DE 24 60 972 A1 offenbart einen Einzelzylinder-Zylinderkopf mit zwei übereinan-45 der angeordneten Kühlflüssigkeitsräumen, welche durch Öffnungen miteinander verbunden sind. Für einen Zylinderkopf für mehrere Zylinder einer Brennkraftmaschine sind diese Konstruktionen allerdings nicht geeignet.

Aus der US 4,304,199 A ist ein Zylinderkopf für mehrere Zylinder einer Diesel-Brennkraft-50 maschine bekannt, welcher einen durch eine Trennwand in einen unteren und einen oberen Teilkühlraum getrennten Kühlraum aufweist. Unterer und oberer Teilkühlraum sind über eine sichelförmige Öffnung, welche die Mündung einer Einspritzdüse in Umfangsrichtung teilweise umgibt, miteinander strömungsverbunden. Das Kühlmittel strömt über Zuflussöffnungen im Feuerdeck vom Zylinderblock in den unteren Teilkühlraum und von dort über die sichelförmigen 55 Öffnungen weiter in den oberen Teilkühlraum. Der untere Teilkühlraum ist dabei für mehrere 3

AT 413 860 B benachbarte Zylinder durchgehend ausgeführt, so dass zumindest teilweise auch eine Längsströmung entsteht. Insbesondere bei hohem Wärmeeintrag aus dem Brennraum kann aber auch hier ein ausreichender Wärmeaustrag nicht gewährleistet werden. 5 Aus der EP 1 126 152 A2 ist ein Zylinderkopf mit einem unteren und einem oberen Teilkühlraum bekannt, wobei der Strömungsübertritt zwischen unterem und oberem Teilkühlraum durch einen ringförmigen Spalt zwischen einer Einspritzdüsenmanschette und einem Zwischendeck gebildet wird, wobei der gesamte Kühlmittelstrom durch diesen Spalt strömt. Auch diese Anordnung hat den Nachteil, dass eine gezielte Kühlung von thermisch kritischen Bereichen, bei-io spielsweise den Ventilstegen zwischen zwei Auslassventilen, nicht möglich ist und sogenannte "Hot Spots" nur ungenügend gekühlt werden.

Die JP 06-074041 A offenbart einen Zylinderkopf mit einem unteren und einem oberen Teilkühlraum und einer mittig angeordneten Einspritzdüsenmanschette. Direkt anschließend an die 15 Einspritzdüsenmanschette weist das Zwischendeck eine Überströmöffnung im Bereich der Stege zwischen zwei Auslasskanälen auf. Das in den unteren Teilkühlraum vom Zylinder strömende Kühlmittel strömt radial in Richtung der Zylinderachse und über die einzige Überströmöffnung in den oberen Teilkühlraum, ähnlich wie bei der EP 1 126 152 A2. Im unteren Teilkühlraum ist keine dominante Querströmung ausgeprägt. Es wird zwar der Bereich zwischen den 20 beiden Auslasskanälen gut gekühlt, andere thermisch hoch beanspruchte Bereiche hingegen, wie der Stegbereich zwischen Einlasskanäfen und Einspritzeinrichtung, werden nur unzureichend gekühlt.

Die GB 828 014 A beschreibt ein Kühlsystem für den Zylinderkopf einer Diesel-Brennkraft-25 maschine mit einem unteren und einem oberen Teilkühlraum, wobei der untere und obere Teilkühlraum im Bereich des Einsatzrohres für eine Einspritzdüse miteinander strömungsverbunden sind.

Die DE 35 16 453 A1 offenbart einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Mehrzylinder-30 Brennkraftmaschine, bei dem die den einzelnen Brennräumen zugeordneten Kühlwasserräume voneinander getrennt sind, so dass anstelle eines großen, alle Kühlwasserräume des Zylinderkopfes bildenden Gießkerns einzelne kleine Gießkerne verwendet werden können.

Die US 4,889,080 A zeigt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einer Anzahl an 35 Kühlwasserpassagen. Jede der Kühlwasserpassagen ist so angeordnet, dass das in einen ringförmigen Hohlraum um die Einspritzdüse eingespritzte Wasser drallförmig um eine äußere Wand zur Aufnahme der Einspritzdüse strömt.

Aus der JP 2000-310157 A ist ein Zylinderkopf für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit 40 einem Kühlraum bekannt, welcher sich um die Auslasskanäle und den Einspritzdüsenschacht erstreckt. Das Kühlmittel strömt über eine Kühlmittelbohrung aus dem Zylindergehäuse in einen unteren Kühlbereich des Kühlraumes und gelangt über einen zwischen Auslasskanal und Einspritzdüsenbulzen angeordneten Kühlkanal in einen oberen Kühlbereich des Kühlraumes. Thermisch hoch beanspruchte Bereiche etwa im Bereich der Stege zwischen den Gaswechsel-45 kanälen und der Einspritzeinrichtung im Bereich des Feuerdeckes werden nur unzureichend gekühlt.

Ferner ist aus der österreichischen Gebrauchsmusteranmeldung 741/2002 ein Zylinderkopf mit einem unteren und einem oberen Teilkühlraum bekannt, wobei Nebenüberströmöffnungen so zwischen Einsatzrohr und Gaswechselkanälen im Zwischendeck angeordnet sind, welche als gusstechnisch hergestellte Ausbuchtungen der Aufnahmebohrung für das Einsatzrohr ausgebildet sind. Diese Nebenüberströmöffnungen sind allerdings relativ schwierig zu fertigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf fertigungstechnisch möglichst einfache Weise bei einem 55 Zylinderkopf der eingangs genannten Art, die Kühlung zu verbessern. 4

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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Überströmkanal in Strömungsrichtung durch Stege in vorzugsweise vier Teilkanäle unterteilt ist und dass die Stege als Führung für das Einsatzrohr ausgebildet sind. Zwischen den Gaswechselkanälen und dem Einsatzrohr, insbesondere innerhalb eines durch die Ventilachsen der Gaswechselventile aufgespannten 5 Bereiches, ist der Zylinderkopf zwischendecklos ausgeführt, wodurch die Überströmöffnung sehr einfach durch einen eingesetzten Gusskern hergestellt werden kann.

Das Kühlmittel strömt im unteren Kühlraum durch radiale Strömungskanäle zwischen jeweils zwei Gaswechselkanälen in den Bereich des Einsatzrohres. Dadurch dass der Überströmkanal io in Strömungsrichtung durch Stege in vorzugsweise vier Teilkanäle unterteilt ist, kann eine genau definierte Kühlung zwischen den Gaswechselkanälen erreicht werden. Durch den Querschnitt der Strömungskanäle und der Teilkanäle kann der Durchfluss für jeden Ventilstegbereich exakt voreingestellt werden. 15 Vorzugsweise liegt das Einsatzrohr an zumindest einem Steg an.

In bestimmten Ausführungsformen des Zylinderkopfes kann ein Kühlmittelstrom zwischen zwei benachbarten Teilkanälen vorteilhaft für die Kühlung von thermisch kritischen Bereichen sein. Um dies zu ermöglichen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvarianten vorgesehen, 20 dass zumindest zwei benachbarte Teilkanäle über eine Verbindungsöffnung miteinander strömungsverbunden sind, wobei vorzugsweise die Verbindungsöffnung durch einen Spalt zwischen Einsatzrohr und Steg gebildet ist.

Um eine besonders gute Wärmeabfuhr aus thermisch kritischen Bereichen des Feuerdeckes, 25 insbesondere der Ventilstege zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen zu ermöglichen, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass im Bereich des Strömungskanals zwischen zwei Gaswechselkanälen eine mit dem Zwischendeck verbundene Strömungsleitwand angeordnet ist, welche das radial in Richtung des Überströmkanals im unteren Kühlraum strömende Kühlmittel zum Feuerdeck umlenkt. 30

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linier l-l in Fig. 2, Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie ll-ll in Fig. 1, Fig. 3 den Zylin-35 derkopf in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 1, Fig. 4 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1, Fig. 5 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 2, Fig. 6 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 2, Fig. 7 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie Vll-Vll in Fig. 2 und Fig. 8 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie Vlll-Vlll in Fig. 2. 40

Der einstückig für mehrere Zylinder A, B, C ausgebildete Zylinderkopf 1 weist eine an ein brennraumseitiges Feuerdeck 2 grenzende Kühlraumanordnung 3 auf, welche durch ein Zwischendeck 4 in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum 5 und einen in Richtung der Zylinderachse 6 anschließenden oberen Teilkühlraum 7 unterteilt ist. Das Zwischendeck 4 weist pro 45 Zylinder A, B, C zumindest einen Überströmkanal 9 in der Nähe eines in Fig. 1 und 6 durch strichlierte Linien angedeuteten Einsatzrohres 10 auf, welches der Aufnahme einer nicht weiter dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung dient. Die Überströmkanäle 9 werden in einfacher Weise gusstechnisch hergestellt, wobei der Zylinderkopf 1 in einem durch die Ventilachsen 24a, 25a aufgespannten Raumbereich 27 zwischendecklos ausgeführt ist. Der Überströmkanal 9 so wird somit überwiegend durch die Wände 16a, 17a der Gaswechselkanäle 16, 17 und durch das Einsatzrohr 10 begrenzt. Wie den Fig. 2, 3 zu entnehmen ist, weist der Überströmkanal 9 einen im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt auf und wird in Strömungsrichtung mittels der Stege 26 in Teilkanäle 9a, 9b, 9c, 9d unterteilt. Die Stege 26 sind dabei an die Wände 16a, 17a der Gaswechselkanäle 16, 17 angeformt, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Die Stege 26 können als 55 Führungen für das Einsatzrohr 10 ausgebildet sein und das Einsatzrohr 10 seitlich abstützen.

Claims (5)

1. 5 AT 413 860 B Alternativ dazu kann zwischen den Stegen 26 und dem Einsatzrohr 10 auch eine beispielsweise durch einen Spalt s gebildete Verbindungsöffnung 28 ausgebildet sein, wodurch ein Kühlmittelaustausch zwischen den einzelnen Teilkanälen 9a, 9b, 9c, 9d ermöglicht wird. Mit Bezugszeichen 16b, 17b sind Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen der Einlass- bzw. Auslasskanäle 16, 17 bezeichnet. Um auch bei kippender Brennkraftmaschine ein Entlüften und Abströmen von Dampfblasen aus dem unteren Teilkühlraum 5 zu ermöglichen, ist pro Zylinder A, B, C zumindest eine Entlüftungsbohrung 8 zwischen der Motorlängsebene 23 und einer Seitenwand 1a, 1b des Zylinderkopfes 1 vorgesehen. Eine optimale Kühlung der thermisch hoch beanspruchten Bereiche der Ventilstege 30, 31 zwischen Einlasskanälen 16 und der Aufnahmeöffnung 20 im Feuerdeck 2 einerseits und den Auslasskanälen 17 und der Aufnahmebohrung 20 andererseits wird durch in Richtung des Feuerdeckes 2 gezogenen Strömungsleitwände 32 des Zwischendeckes 4 erreicht. Das Kühlmedium fließt durch Zuflussöffnungen 13 im Bereich der Seitenwände 1a, 1b des Zylinderkopfes 1 im Wesentlichen in Querrichtungen entsprechend den FTeilen S in den unteren Teilkühlraum 5 (Fig. 4). Dabei werden die Bereiche um die Ventilsitze 14 der Hubventile und um die Aufnahmeöffnung 20 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung umströmt und optimal gekühlt. Das Kühlmedium strömt durch radiale Strömungskanäle 33a, 33b, 33c in Richtung des Einsatzrohres 10. Um eine optimale Kühlung der Ventilstege 30, 31 zwischen den zwei Einlassventilen 24 und der zwei Auslassventilen 25, sowie zwischen den Ein- und Auslassventilen 16, 17 zu ermöglichen, wird das Kühlmittel durch die Strömungsleitwände 32 in Richtung des Feuerdeckes 2 geleitet, wobei sich durch die Querschnittsverminderung die Durchflussgeschwindigkeit erhöht. Danach strömt das Kühlmittel durch die Teilkanäle 9a, 9b, 9c, 9d der Überströmkanäle 9 in den oberen Teilkühlraum 7 und durchströmt den für alle Zylinder A, B, C einheitlich durchgehend ausgebildeten oberen Teilkühlraum 7 in der Längsrichtung des Zylinderkopfes 1. Durch zumindest eine beispielsweise an einer Stirnseite des Zylinderkopfes 1 angeordnete Abflussöffnung 14 verlässt das Kühlmittel den Zylinderkopf 1. Alternativ dazu kann für den oberen Teilkühlraum 7 auch eine Sammelleiste für das austretende Kühlmittel vorgesehen sein. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind im unteren Teilkühlraum 5 unterbrochene Zwischenwände 12 vorgesehen, welche auch im unteren Teilkühlraum 5 einen Kühlmittelaustausch zwischen zwei benachbarten Zylindern A, B, C ermöglichen. Die Zwischenwände 12 sind jeweils im Bereich einer Motorquerebene 22 des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Patentansprüche: 1. Zylinderkopf (1) für eine flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei durch Einlass- und oder Auslassventile (24, 25) gesteuerte Gaswechselkanäle (16, 17) pro Zylinder (A, B, C), mit einer an ein Feuerdeck (2) grenzenden Kühlraumanordnung (3), welche durch ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck (2) ausgebildetes Zwischendeck (4) in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum (5) und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse (6) anschließenden oberen Teilkühlraum (7) unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum (5, 7) durch zumindest einen Überströmkanal (9) pro Zylinder (A, B, C) in Richtung der Zylinderachse (6) im Bereich eines Einsatzrohres (10) für eine vorzugsweise zentrale Kraftstoffeinspritzeinrichtung miteinander strömungsverbunden sind und der Überströmkanal (9) durch das Einsatzrohr (10) begrenzt ist, und wobei in den unteren Teilkühlraum (5) zumindest eine Zuflussöffnung (13) pro Zylinder (A, B, C) für das Kühlmittel einmündet und vom oberen Teilkühlraum (7) zumindest eine Abflussöffnung (14) für das Kühlmittel ausgeht, wobei der gusstechnisch hergestellte Überströmkanal (9) zylinderkopfseitig zumindest durch eine Wand (16a, 17a) eines Gaswechselkanals (16, 17) 6 AT 413 860 B begrenzt ist, wobei vorzugsweise die zylinderkopfseitigen Wände des Überströmkanals (9) nur durch die Wände (16a, 17a) zumindest zweier Gaswechselkanäle (16, 17) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (9) in Strömungsrichtung durch Stege (26) in vorzugsweise vier Teilkanäle (9a, 9b, 9c, 9d) unterteilt ist und dass die Stege 5 (26) als Führung für das Einsatzrohr (10) ausgebildet sind.
2. 2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (9) im Wesentlichen ein sternförmiges Profil aufweist. io 3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzrohr (10) an zumindest einem Steg (26) anliegt.
3. 4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei benachbarte Teilkanäle (9a, 9b, 9c, 9d) über eine Verbindungsöffnung (28) mit- 15 einander strömungsverbunden sind, wobei vorzugsweise die Verbindungsöffnung (28) durch einen Spalt (s) zwischen Einsatzrohr (10) und Steg (26) gebildet ist.
4. 5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen jeweils zwei Gaswechselkanälen (16, 17) im unteren Teilkühlraum (5) ein radialer Strömungskanal 20 (33a, 33b, 33c, 33d) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Strö mungskanals (33a, 33b, 33c, 33d) zwischen zwei Gaswechselkanälen (16, 17) eine mit dem Zwischendeck (4) verbundene Strömungsleitwand (32) angeordnet ist, welche das radial in Richtung des Überströmkanals (9) im unteren Teilkühlraum (5) strömende Kühlmittel zum Feuerdeck (2) umlenkt. 25
5. 6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines durch die Ventilachsen (24a, 25a) der Gaswechselventile (24, 25) aufgespannten Bereiches (27) der Zylinderkopf (1) zwischendecklos ausgeführt ist. 30 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 55