AT500628A2 - Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, mit zumindest einem Einlasskanal und zumindest zwei Auslasskanälen pro Zylinder mit zumindest einem an ein Feuerdeck grenzenden ersten Kühlraum und zumindest einem an den ersten Kühlraum grenzenden zweiten Kühlraum, wobei sich der zweite Kühlraum über mehrere Zylinder erstreckt.
Aus der WO 2005/042955 A2 ist ein Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt, welcher einen an ein Feuerdeck grenzenden ersten Kühlraum und einen an den ersten Kühlraum grenzenden zweiten Kühlraum aufweist, wobei erster und zweiter Kühlraum durch zumindest eine Übertrittsöffnung pro Zylinder miteinander strömungsverbunden sind.

   Der erste Kühlraum ist über zumindest eine erste Öffnung mit einem Kühlmantel des Zylindergehäuses verbindbar, der zweite Kühlraum weist an zumindest einer Stirnseite eine zweite Öffnung auf. Um die Kühlung in thermisch hoch beanspruchten Bereichen zu verbessern, ist zumindest eine erste Öffnung und zumindest eine Übertrittsöffnung im Bereich einer normal auf die Kurbelwelle ausgebildeten Motorquerebene zwischen zwei benachbarten Zylindern angeordnet, wobei im ersten Kühlraum jeweils im Bereich zwischen zwei Auslasskanalöffnungen von benachbarten Zylindern eine Längswand und zwischen den Auslasskanälen im Bereich der Auslasskanalöffnungen je eines Zylinders ein Kühlmittelkanal angeordnet ist. Der erste Kühlraum ist für alle Zylinder durchgehend ausgebildet.
Bei flüssigkeitsgekühlten Zylinderköpfen sind zwei verschiedene Strömungskonzepte bekannt.

   Bei Längsströmungskonzepten wird der Zylinderkopf im Wesentlichen in Längsrichtung von einem Zylinder zum benachbarten durchströmt. Dies ermöglicht eine optimale Kühlung der Ventilbrücken längs der Brennkraftmaschine. Nachteilig ist, das relativ hohe Druckverluste akkumulieren und dass die Temperatur des Kühlmittels vom ersten bis zum letzten Zylinder hin sukzessive ansteigt.
Zylinderköpfe mit Querströmungskonzepten weisen pro Zylinder einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt auf, so dass jeder Kühlraum in Querrichtung zur Motorlängsachse vom Kühlmittel durchströmt werden kann. Die Kühlräume der Zylinder werden hier parallel durchströmt, so dass nur geringe Druckverluste auftreten.

   Gleiches gilt für die Ventilbrücken längs des Motors, hier teilt sich der Kühlmittelstrom zwischen den Auslasskanälen üblicherweise in zwei Teile, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten limitiert sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Zuströmtemperatur des Kühlmittels für alle Zylinder gleich ist.

   Zylinderköpfe mit Querströmkühlung müssen mit einem Kühlmittelsammler ausgestattet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und die Kühlung bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass pro Zylinder zumindest ein erster Kühlraum vorgesehen ist und die ersten Kühlräume zweier benachbarter Zylinder voneinander getrennt sind, wobei jeder erste Kühlraum zumindest eine erste Öffnung und zumindest eine Übertrittsöffnung zum zweiten Kühlraum aufweist und der erste Kühlraum zwischen erster Öffnung und Übertrittsöffnung im Wesentlich in Längsrichtung des Zylinderkopfes durchströmt ist.
Dadurch, dass die ersten Kühlräume parallel durchströmt werden, sind die Zuströmtemperaturen des Kühlmittels für alle Zylinder ident und es treten nur geringe Druckverluste auf.

   Pro Zylinder ist in jedem ersten Kühlraum aber eine lokale Längsströmung ausgebildet. Dies wird dadurch erreicht, dass erste Öffnung und Übertrittsöffnung in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes voneinander beabstandet sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass erste Öffnung und Übertrittsöffnung des ersten Kühlraumes - im Grundriss betrachtet - bezüglich den Auslassventilsitzen diametral zueinander angeordnet sind.
Durch die lokale Längsströmung der ersten Kühlräume können die Ventilbrücken längs des Zylinderkopfes optimal gekühlt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der ersten Öffnung und einer Kühlpassage im Bereich der Auslassventilbrücke eine Leitrippe im ersten Kühlraum angeordnet ist, welche den direkten Durchfluss zwischen erster Öffnung und der Kühlpassage im Bereich der Auslassventilbrücke behindert.

   Durch Leitrippen kann der lokalen Längsströmung eine Querstromkomponente überlagert werden, so dass die Ventilbrücken zwischen den beiden Auslassventilsitzen optimal gekühlt werden können. Eine Feinabstimmung kann dadurch erreicht werden, dass die Leitrippe eine Bypassöffnung aufweist, welche einen definierten Durchfluss zwischen dem Eintritt und der Kühlpassage im Bereich der Auslassventilbrücke ermöglicht.
Weiters ist es möglich, dass zumindest zwei erste Öffnungen in den ersten Kühlraum einmünden, wobei vorzugsweise die beiden ersten Öffnungen beidseits der Leitrippe angeordnet sind.
Die Längsströmung um die thermisch hoch belasteten Ventilbrücken wird vorzugsweise jeweils nur auf einen Zylinder beschränkt.

   Bei Mehrzylinderbrenn kraftmaschinen mit zumindest vier Zylinder, zum Beispiel mit 6 oder 8 Zylindern, und/oder bei kompakten V-Motoren mit sehr kleinem Ventilwinkel ist aus Kostenund Herstellungsgründen (Kernsteifigkeit) auch eine Zusammenfassung von jeweils zwei Zylindern in einen ersten Kühlraum sinnvoll.
Der zweite Kühlraum umfasst Kühlbereiche unterhalb der Einlasskanäle und oberhalb der Auslasskanäle, welche thermisch wenig belastet werden. Um thermisch hoch belastete Bereiche ausreichend zu kühlen, ist es vorteilhaft, wenn der erste Kühlraum Kühlpassagen unterhalb der Auslasskanäle, sowie im Bereich der Ventilbrücken zwischen den Auslassventilsitzen umfasst.
Der zweite Kühlraum dient als Sammelraum für das aus den ersten Kühlräumen einströmende Kühlmittel.

   Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Höhe des zweiten Kühlraumes mindestens der Höhe des ersten Kühlraumes entspricht, wobei vorzugsweise der zweite Kühlraum ein- bis viermal so hoch ist wie der erste Kühlraum.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 die Kühlräume eines erfindungsgemässen Zylinderkopfes in einer Schrägansicht, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Kühlräume, Fig. 3 eine Seitenansicht der Kühlräume, Fig. 4 die Kühlräume im Schnitt gemäss der Linie IV-IV in Fig. 3 in einer ersten Ausführungsvariante und Fig. 5 die Kühlräume in einem Schnitt analog zu Fig. 4 in einer zweiten Ausführungsvariante.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen die kühlmittel befüllten Räume eines Zylinderkopfes 1. Der Zylinderkopf 1 weist einen auslassseitigen ersten Kühlraum 2 und einen einlassseitigen zweiten Kühlraum 3 auf.

   Mit Bezugszeichen 4 sind in den Brennraum mündende Einlasskanäle, mit Bezugzeichen 5 die Auslasskanäle bezeichnet.
Bezugszeichen I bezeichnet die Einlassseite, Bezugszeichen E die Auslassseite des Zylinderkopfes 1.
Der erste Kühlraum 2 ist über mehrere erste Eintrittsöffnungen 7 im Feuerdeck 6 des Zylinderkopfes 1 mit einem nicht weiter dargestellten Kühlmantel des Zylinderblockes verbunden. Über Ubertrittsöffnungen 8 im Zylinderkopf 1 ist der erste Kühlraum 2 mit dem zweiten Kühlraum 3 strömungsverbunden. Die Übertrittsöffnungen 8 werden durch im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufende Bohrungen gebildet. Mit Bezugszeichen 9 sind die Bereiche der Auslassventilsitze von nicht weiter dargestellten Auslassventilen bezeichnet.

   Erste und zweite Kühlräume 2, 3 sind durch eine im Wesentlichen in Längsrichtung des Zylinderkopfes 1 sich erstreckende Zwischenwand 12 im Bereich der Motorquerebene voneinander getrennt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der zweite Kühlraum 3 auf der Einlassseite E im Wesentlichen über dem ersten Kühlraum 2 angeordnet. Der zweite Kühlraum 3 weist einen im Wesentlichen "L"-förmigen Querschnitt auf, wobei der kürzere Schenkel 3a auf der Einlassseite I angeordnet ist und sich auf dieser Seite bis zum Feuerdeck 6 erstreckt. Zwischen dem ersten Kühlraum 2 und dem kürzeren Schenkel 3a des zweiten Kühlraumes 3 ist die Zwischenwand 12 angeordnet. Der längere Schenkel 3b des zweiten Kühlraumes 3 ist vom ersten Kühlraum 2 durch ein Zwischendeck 17 getrennt. Die Höhen h2, h3des ersten und zweiten Kühlraumes 2, 3 sind im Ausführungsbeispiel in etwa gleich ausgebildet.

   Die Höhe h3des zweiten Kühlraumes 3 kann aber bis zum Vierfachen der Höhe h2des ersten Kühlraumes 2 betragen.
Die ersten Kühlräume 2 zweier benachbarter Zylinder sind durch eine Trennwand 11 im Bereich der Motorquerebene 10 zwischen zwei Zylindern voneinander getrennt. Pro Zylinder mündet eine erste Öffnung 7 in den ersten Kühlraum 2 ein. Jeder erste Kühlraum 2 ist über jeweils eine Übertrittsöffnung 8 mit dem zweiten Kühlraum 3 verbunden. Erste Öffnung 7 und Übertrittsöffnung 8 sind dabei möglichst weit voneinander in Längsrichtung des Zylinderkopfes 1 beabstandet, wobei die erste Öffnung 7 neben einem Auslassventilsitz 9 und die Übertrittsöffnung 8 im Bereich der Motorquerebene 10 neben einem Einlasskanal 5 angeordnet ist. Auch die erste Öffnung 7 ist im Bereich der Motorquerebene 10 positioniert.

   Durch die zwischen erster Öffnung 7 und Übertrittsöffnung 8 angeordnete Trennwand 11 wird das Kühlmittel daran gehindert, am kürzesten Wege durch die nächste Übertrittsöffnung 8 in den zweiten Kühlraum 3 zu strömen. Vielmehr wird das durch die erste Öffnung 7 in den ersten Kühlraum 2 eintretende Kühlmittel in Längsrichtung des Zylinderkopfes 1 umgeleitet. Das Kühlmittel gelangt somit über die ersten Öffnungen 7 aus dem nicht weiter dargestellten Kühlmantel des Zylindergehäuses in den ersten Kühlraum 2 des Zylinderkopfes 1 und strömt gemäss den in den Fig. 4 und 5 eingezeichneten Pfeilen P entlang der Trennwand 11, umströmt den Auslasskanal 4 und gelangt durch den Kühlmittelkanal 13 über die heissen Ventilbrücken zwischen den Einlassventilsitzen und den Auslasskanalventilsitzen 9 in den Bereich der Zylindermitte 14.

   Das Kühlmittel strömt weiter über die Kühlpassage 13a zur Übertrittsöffnung 8 und in den darüber liegenden zweiten Kühlraum 3. Diesen verlässt das Kühlmittel wieder über eine zweite Öffnung 15.
Auf der äusseren Seite des ersten Kühlraumes 2 ist zwischen der ersten Öffnung 7 und dem Bereich der Auslassventilbrücke 20 zwischen den beiden Auslassven tilsitzen 9 eine Leitrippe 21 angeordnet, welche den Strömungsdurchfluss im Bereich der Auslassventilbrücke 20 zumindest behindert. Die Leitrippe 21 kann dabei eine Bypassöffnung 22 für eine geringe genau definierte Menge an Kühlmittel aufweisen. Durch diese Bypassöffnungen 22 kann der definierte Kühlmittelstrom P<1>zu einer Kühlpassage 13a im Bereich der heissen Auslassventilbrücke 20 zwischen den Auslassventilsitzen 9 strömen, wie mit Pfeil P' angedeutet ist.

   Auf diese Weise wird die heisse Auslassventilbrücke 20 gekühlt.
Anstelle oder zusätzlich zur Bypassöffnung 22 kann auch eine weitere erste Öffnung 7a für in den ersten Kühlraum 2 eintretendes Kühlmittel vorgesehen sein, wie in der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsvariante angedeutet ist.

   Das Kühlmittel strömt über die weitere erste Öffnung 7a und die Kühlpassage 13a über den thermisch kritischen Bereich der Auslassventilbrücke 20 zwischen den Auslassventilsitzen 9.
Das Kühlmittel tritt somit in den auslassseitigen ersten Kühlraum 2 ein und wird danach direkt zum kritischsten Kühlbereich zwischen den Auslasskanälen 4 zu den zufolge der Dehnungsbehinderung in Motorlängsrichtung rissanfälligen Kühlpassagen 13 und 13a und zum Bereich eines mittig angeordneten Injektors geführt, was eine optimale Wärmeabfuhr aus den heissesten Bereichen des Zylinderkopfes 1 ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Kühlraumanordnung ist, dass bei der Gussfertigung die Gusskerne für die Auslasskanäle 4 - ähnlich den Gusskernen für die Einlasskanäle 5 - von oben eingelegt werden können.

   Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden zuerst der Kern für den ersten Kühlraum 2, dann die Kerne für die Auslasskanäle 4 und dann der Kern für den zweiten Kühlraum 3 und zuletzt die Kerne für die Einlasskanäle 4 in den - nicht weiter dargestellten - Kernkasten eingesetzt.

Claims (12)

PATENTAN SPRUCHE

1. Zylinderkopf (1) für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, mit zumindest einem Einlasskanal (5) und zumindest zwei Auslasskanälen (4) pro Zylinder (1) mit zumindest einem an ein Feuerdeck grenzenden ersten Kühlraum (2) und zumindest einem an den ersten Kühlraum (2) grenzenden zweiten Kühlraum (3), wobei sich der zweite Kühlraum (3) über mehrere Zylinder erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinder zumindest ein erster Kühlraum (2) vorgesehen ist und die ersten Kühlräume (2) zweier benachbarter Zylinder voneinander getrennt sind, wobei jeder erste Kühlraum (2) zumindest eine erste Öffnung (7) und zumindest eine Ubertrittsöffnung (8) zum zweiten Kühlraum (3) aufweist und der erste Kühlraum (2) zwischen erster Öffnung (7) und Ubertrittsöffnung (8) im Wesentlich in Längsrichtung des Zylinderkopfes (1) durchströmt ist.

2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kühlraume (2) parallel durchströmt sind.

3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h3) des zweiten Kühlraumes (3) mindestens der Höhe (h2) des ersten Kühlraumes (2) entspricht, wobei vorzugsweise der zweite Kühlraum (3) ein- bis viermal so hoch ist wie der erste Kühlraum (2).

4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlraum (3) Kühlbereiche unterhalb der Einlasskanäle (5) und oberhalb der Auslasskanäle (4) umfasst.

5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlraum (2) Kühlpassagen unterhalb der Auslasskanäle (4), sowie im Bereich der Ventilbrücken zwischen den Auslassventilsitzen (9) umfasst.

6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass erste Öffnung (7) und Ubertrittsöffnung (8) des ersten Kühlraumes (2) - im Grundriss betrachtet - bezüglich den Auslassventilsitzen (9) diametral zueinander angeordnet sind.

7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ubertrittsöffnung (8) zwischen erstem und zweitem Kühlraum (2, 3) im Bereich zumindest eines Einlasskanals (5) und die erste Öffnung (7) in den ersten Kühlraum (2) im Bereich zumindest eines Auslasskanals (4) angeordnet ist.

8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Öffnung (7) und einer Kühlpassage (13a) im Bereich der Auslassventilbrücke (20) eine Leitrippe (21) im ersten Kühlraum (2) angeordnet ist, welche den direkten Durchfluss zwischen erster Öffnung (7) und der Kühlpassage (13a) im Bereich der Ventilbrücke (20) zwischen den beiden Auslassventilsitzen (9) behindert.

9. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitrippe (21) eine Bypassöffnung (22) aufweist, welche einen definierten Durchfluss zwischen der ersten Öffnung (7) und der Kühlpassage (13a) im Bereich der Auslassventilbrücke (20) ermöglicht.

10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei erste Öffnungen (7, 7a) in den ersten Kühlraum (2) einmünden, wobei vorzugsweise die beiden ersten Öffnungen (7, 7a) beidseits der Leitrippe (21) angeordnet sind.

11. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsströmung im ersten Kühlraum (2) auf einen Zylinder beschränkt ist.

12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils ein erster Kühlraum (2) über zumindest einem Zylinder, vorzugsweise für Zylinderzahlen grösser fünf über zwei Zylinder, erstreckt.

2005 11 04 Fu/Sc <EMI ID=7.1>

Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk

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