AT510857A4

AT510857A4 - Flüssigkeitsgekühlte brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT510857A4
Application number: AT1082011A
Authority: AT
Inventors: Robert Dr Poeschl; Manfred Breitenberger
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-07-15
Also published as: WO2012101014A1; CN103597194A; CN103597194B; RU2013139538A; US8939116B2; DE112012000592A5; US20140020639A1; AT510857B1; RU2580570C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (10), mit einem Zylinderkopf (3), in welchem ein an ein Feuerdeck (18) grenzender unterer Teilkühlraum (7) und ein mit diesem überzumindest eine Hauptüberströmöffnung (8) strömungsverbundener oberer Teilkühlraum (6) angeordnet ist. Um die Wärmeabfuhr aus thermisch kritischen Bereichen des Feuerdecks zu verbessern und die Festigkeit des Zylinderkopfes (3) zu erhöhen, ist vorgesehen, dass zwischen dem oberen Teilkühlraum (6) und dem unteren Teilkühlraum (7) zumindest ein Zuströmkanal (11), vorzugsweise zumindest ein Zuströmkanal (11) pro Zylinder (10), angeordnet ist, welcher mit dem unteren Teilkühlraum (7), vorzugsweise in einem zentralen Bereich (13) des Zylinders (10), strömungsverbunden ist.

Description

56137

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit einem Zylinderkopf, in welchem ein an ein Feuerdeck grenzender unterer Teilkühlraum und ein mit diesem über zumindest eine Hauptüberströmöffnung strömungsverbundener oberer Teilkühlraum angeordnet ist.

Aus der AT 501 008 A2 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Kurbelgehäuse bekannt, wobei der Zylinderkopf einen unteren und einen oberen Teilkühlraum aufweist, und wobei die beiden Teilkühiräume durch ein Zwischendeck voneinander getrennt sind. Das Kühlmittel strömt von einem Kühlraum aus dem Kurbelgehäuse in den unteren Teilkühlraum und gelangt über einen ringförmigen Strömungsübertritt zwischen dem Zwischendeck und einer Aufnahmehülse für einen zentralen Bauteil in den oberen Teilkühlraum, von welchem das Kühlmittel über eine seitliche Austrittsöffnung in einen Kühlmittelsammeiraum strömt.

Ein ähnlicher Zylinderkopf ist aus der AT 005 939 Ul bekannt. Dieser Zylinderkopf ist aber für eine umgekehrte Kühlmittelströmung konzipiert. Das Kühlmittel strömt vom oberen Teilkühlraum über eine ringförmige Übertrittsöffnung zwischen dem Zwischendeck und einer Aufnahmehülse für einen zentralen Bauteil in den unteren Teilkühlraum und wird über Übertrittsöffnungen in den Kühlraum des Kurbelgehäuses geführt. Bei Zylinderköpfen, welche vom unteren Teilkühlraum zum oberen Teilkühlraum durchströmt werden, ist die Kühlung von thermisch kritischen Bereichen des Feuerdeckes in Folge von Strömungsablösungen nicht ausreichend.

Weiters ist aus der AT 503 182 A2 eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Zylindergehäuse für zumindest einen Zylinder und zumindest einem Zylinderkopf bekannt. Dabei ist der obere Teilkühiraum über Steigkanäle mit dem Kühlraum des Kurbelgehäuses strömungsverbunden. Das Kühlmittel gelangt vom Kühlraum des Kurbelgehäuses über die Steigkanäle direkt in den oberen Teilkühlraum und strömt über eine ringförmige Übertrittsöffnung zwischen dem Zwischendeck und einer Aufnahmehülse für einen zentralen Bauteil in den unteren Teilkühlraum. Das Kühlmittel verlässt den unteren Teilkühlraum über seitliche Austrittsöffnungen.

Bekannte Zylinderköpfe haben den Nachteil, dass durch die ringförmige Übertrittsöffnung zwischen dem oberen und dem unteren Teilkühlraum das Zwischendeck im Bereich der Zylindermitte zum Feuerdeck nur unwesentlich abgestützt ist, wodurch relativ große Durchbiegungen auftreten können und dadurch die Dauerhaltbarkeit des Zylinderkopfes beeinträchtigt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine optimale Kühlung von thermisch hoch beanspruchten Bereichen des Feuerdeckes zu gewährleisten und die Steifigkeit des Zylinderkopfes zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zwischen dem oberen Teilkühlraum und dem unteren Teilkühlraum zumindest ein Zuströmkanal, vorzugsweise zumindest ein Zuströmkanal pro Zylinder, angeordnet ist, welcher mit dem unteren Teilkühlraum, vorzugsweise in einem zentralen Bereich des Zylinders, strömungsverbunden ist. Dies ermöglicht es, dass Kühlmittel in einem zentralen Bereich von oben in den unteren Teilkühlraum einströmen zu lassen, wodurch thermisch kritische Bereiche des Feuerdecks direkt angeströmt werden. Dies verbessert die Wärmeabfuhr im Bereich der Auslassventilsitze und der Ventilbrücken entscheidend, so dass thermische Spannungen vermindert werden können.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Zuströmkanal in einem zentralen Bereich, vorzugsweise im Bereich der Zylinderachse, über zumindest eine vorzugsweise ringförmige oder ringsegmentförmige Eintrittsöffnung mit dem unteren Teiikühlraum strömungsverbunden ist. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Kühlmittelzufuhr, welche durch lokale Variation der radialen Ausdehnung der ringförmige Eintrittsöffnung an die lokalen thermischen Anforderungen der nachfolgenden Ventilbrückenpassagen angepasst werden kann. Der vorzugsweise geschlossene Ringraum umgibt einen in den Brennraum mündenden Bauteil, zum Beispiel ein Kraftstoffeinspritzventil.

Das Kühlmittel wird von einem zentralen Bereich des unteren Teilkühlraumes über speichenartige Kanäle im Bereich der Ventilbrücken nach außen geführt und umströmt in Umfangsrichtung die Auslass- und Einlasskanäle im Bereich der Ventilsitze. Über die Hauptüberströmöffnung wird das Kühlmittel in den oberen Teiikühlraum geleitet, zumindest eine zweite Überströmöffnung ermöglicht eine Feinabstimmung der Massenströme zwischen den einzelnen Ventilbrücken. Nach Durchströmen des oberen Teilkühiraumes verlässt das Kühlmittel den Zylinderkopf durch eine Austrittsöffnung im Bereich einer ersten Zylinderkopflängsseite. Die Hauptübertrittsöffnung ist idealer Weise im Bereich der Auslassventilbrücken, vorzugsweise im Bereich einer der Austrittsöffnung abgewandten zweiten Zylinderkopflängsseite angeordnet angeordnet.

Eine einfache Kanalführung lässt sich erzielen, wenn der Zuströmkanal hakenartig geformt und gusstechnisch hergestellt ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Zuströmkanal zumindest abschnittsweise im wesentlichen normal zur Zylin- derachse ausgebildet Ist und vorzugsweise mit einem im wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgebildeten Zuführkanal strömungsverbunden ist, welcher von zumindest einer Übertrittsöffnung im Feuerdeck ausgeht.

Der Zuströmkanal ist durch eine Trennwand vom oberen Teilkühlraum getrennt.

Um Durchbiegungen der unteren Trennwand möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn der Ringraum an einen Aufnahmeputzen für den zentralen Bauteil grenzt, wobei der Aufnahmeputzen mit dem Feuerdeck und der unteren Trennwand verbunden ist. Der Aufnahmeputzen fungiert somit als zentrales Abstützelement für die untere Trennwand. Dadurch kann die Steifigkeit des Zylinderkopfes im zentralen Bereich und somit sowohl die thermische, als auch die strukturelle Robustheit erhöht werden.

Um das Befüllen des Kühlsystems mit Kühlmittel zu erleichtern, ist vorgesehen, dass zwischen dem Zuströmkanal und dem oberen Teilkühlraum zumindest ein Entgasungsübertritts angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Entgasungsübertritts im Bereich der ersten Zylinderkopflängsseite oder im Bereich des Aufnahmebutzens angeordnet ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer geschnittenen Schrägansicht,Fig. 2 einen Zylinderkopf dieser Brennkraftmaschine in einer geschnitten Schrägansicht und Fig. 3 einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine in einer weiteren geschnittenen Schrägansicht.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Zylindergehäuse 2 und einen Zylinderkopf 3 auf. Zur Kühlung ist ein Kühlsystem 4 mit einer Kühlflüssigkeit vorgesehen, welche einen Kühlmantel 5 im Zylindergehäuse 2 und obere sowie untere Teilkühlräume 6, 7 im Zylinderkopf 3 durchströmen. Der obere Teilkühlraum 6 und der untere Teilkühlraum 7 sind dabei über eine Hauptüberströmöffnung 8 pro Zylinder 10 miteinander strömungsverbunden. Im Zylinderkopf 3 ist ein hakenförmiger Zuströmkanal 11 angeordnet, welcher von einer Übertrittsöffnung 12 im Bereich einer ersten Längsseite 3a im Feuerdeck 18 ausgeht und zwischen dem unteren Teilkühlraum 7 und dem oberen Teilkühlraum 6 radial in einen zentralen Bereich 13 des Zylinders 10 geführt ist. Im zentralen Bereich 13 ist ein Aufnahmebutzen 14 für eine Auffiahmehülse 25 zur Aufnahme eines in den Brennraum 15 mündenden Bauteiles angeordnet, wobei sich der Aufnahmebutzen 14 zwischen der den oberen Teilkühlraum 6 vom unteren Teilkühlraum 7 trennenden untere Trennwand 17 und dem an das Zylindergehäuse 2 grenzenden Feuerdeck 18 erstreckt. Der Zuströmkanal 11 ist durch eine obere Trennwand 16 vom oberen Teilkühlraum 6 getrennt, welche durch die untere Trennwand 17 gebildet sein kann. Zwischen dem Zuströmkanal 11 und dem unteren Teilkühlraum 7 ist eine ringförmige Eintrittsöffnung 19 vorgesehen, deren Ringraum mit 19a bezeichnet ist. Mit Bezugszeichen 20 ist ein Entgasungsübertritt zwischen dem Zuströmkanal 11 und dem oberen Teilkühlraum 6 bezeichnet.

Das Kühlmittel strömt gemäß den Pfeilen S vom Kühlraum 5 des Zylindergehäuses 2 über den Zuströmkanal 11 und die ringförmige Eintrittsöffnung 19 in den unteren Teilkühlraum 7 und wird zwischen den Ein- und Auslasskanälen Im Bereich der Ventilbrücken über radiale Kanäle 21 nach außen geführt. Nach Umströmen der Ein- und Auslasskanäle, welche in Fig. 2 mit IN und EX bezeichnet sind, gelangt das Kühlmittel in den vorzugsweise außen um die Ein- und Auslasskanäle geschlossenen Ringraum 22 und weiter über vorzugsweise ein Hauptüberströmöffnung 8 im Bereich der zweiten Längsseite 3b des Zylinderkopfes 1 in den oberen Teilkühlraum 6. Nach Durchquerung des oberen Teilkühlraumes 6 strömt das Kühlmittel durch einen Kühlmittelaustritt 23 an der ersten Zylinderkopflängsseite 3a aus dem Zylinderkopf 3 und mündet in einen Kühlmittelsammler 24.

Dadurch, dass der Aufnahmeputzen 14 fest mit der unteren Trennwand 17 und dem Feuerdeck 18 verbunden ist, werden durch Biegungen der unteren Trennwand 17 und des Feuerdecks 18 verringert und die Festigkeit des Zylinderkopfes 3 erhöht. Die zentrale Zuströmung des Kühlmittels durch den Zuströmkanal 11 von der Seite des oberen Teilkühlraumes 6 in den unteren Teilkühlraum 7 - unter direkter Anströmung von thermisch kritischen Bereichen des Feuerdecks 18 - ermöglicht eine optimale Kühlung, insbesondere der thermisch hochbeanspruchten Bereiche um die Auslassventilbrücken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (10), mit einem Zylinderkopf (3), in welchem ein an ein Feuerdeck (18) grenzender unterer Teilkühlraum (7) und ein mit diesem über zumindest eine Hauptüberströmöffnung (8) strömungsverbundener oberer Teilkühlraum (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen Teilkühlraum (6) und dem unteren Teilkühlraum (7) zumindest ein Zuströmkanal (11), vorzugsweise zumindest ein Zuströmkanal (11) pro Zylinder (10), angeordnet ist, welcher mit dem unteren Teilkühlraum (7), vorzugsweise in einem zentralen Bereich (13) des Zylinders (10), strömungsverbunden ist.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) in einem zentralen Bereich (13), vorzugsweise im Bereich einer Zylinderachse, über zumindest eine vorzugsweise ringförmige oder ringsegmentförmige Eintrittsöffnung (19) mit dem unteren Teilkühlraum (7) strömungsverbunden ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) mit einem vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Zylinderachse (10a) ausgebildeten Zuführkanal (11a) strömungsverbunden ist, welcher von zumindest einer Übertrittsöffnung (12) im Feuerdeck (18) ausgeht.
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) hakenartig geformt ist.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) zumindest abschnittsweise im wesentlichen normal zur Zylinderachse (10a) ausgebildet ist.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zuströmkanal (11) und dem oberen Teilkühlraum (6) eine obere Trennwand (16) angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnahmeputzen (14) für einen zentralen Bauteil mit dem Feuerdeck (18) und einer unteren Trennwand (17) verbunden ist.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (19) durch einen Ringraum (19a) gebildet ist, welcher vorzugsweise den Aufnahmeputzen (14) für den zentralen Bauteil zumindest teilweise umgibt.
9. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teilkühlraum (6) mit zumindest einem Kühlmittelaustritt (23) verbunden ist, wobei vorzugsweise pro Zylinder (10) eine im Bereich einer ersten Zylinderkopflängsseite (3a) angeordneter Kühlmittelaustritt (23) vorgesehen ist.
10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptüberströmöffnung (8) zwischen dem unteren Teilkühlraum (7) und dem oberen Teilkühlraum (6) Im Bereich einer dem Kühlmittelaustritt (23) abgewandten zweiten Zylinderkopflängsseite (3b) angeordnet ist.

11. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Hauptüberströmöffnung (8) zwischen dem unteren Teilkühlraum (7) und dem oberen Teilkühlraum (6) im Bereich zumindest eines radialen Kanals (21) zwischen zweier Auslasska-näle angeordnet ist.

12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zuströmkanal (11) und dem oberen Teilkühlraum (6) zumindest ein Entgasungsübertritt (20) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Entgasungsübertritt (20) im Bereich der ersten Zylinderkopflängsseite (3a) oder im Bereich des Aufnahmebutzens (14) angeordnet ist.

Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk A-1150 Wien, Mariahilfer GQrtal 39/17 Tel.; (+431) 892 99 33-0 Fax: (+43 1) 892 89 333 *a*«*"· twi^Ht»K»Kai mrst 2011 01 27 Fu/St

-3b NACHGEREICHT 4/[ΑΛΑ ζ>

nachgereicht Λ ος2>?~ 1 56137vlp Aktenz.: 2Α Α 108/2011 Klasse: F 02 F (neue)PATENTANSPRÜCHE 1. Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (10), mit einem Zylinderkopf (3), in welchem ein an ein Feuerdeck (18) grenzender unterer Teilkühlraum (7) und ein mit diesem über zumindest eine Hauptüberströmöffnung (8) strömungsverbundener oberer Teilkühlraum (6) angeordnet ist, wobei zwischen dem oberen Teilkühlraum (6) und dem unteren Teilkühlraum (7) zumindest ein Zuströmkanal (11), vorzugsweise zumindest ein Zuströmkanal (11) pro Zylinder (10), angeordnet ist, welcher mit dem unteren Teilkühlraum (7), strömungsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) in einem zentralen Bereich (13), vorzugsweise im Bereich einer Zylinderachse, über zumindest eine vorzugsweise ringförmige oder ringsegmentförmige Eintrittsöffnung (19) mit dem unteren Teilkühlraum (7) strömungsverbunden ist. 2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) mit einem vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Zylinderachse (10a) ausgebildeten Zuführkanal (11a) strömungsverbunden ist, welcher von zumindest einer Übertrittsöffnung (12) im Feuerdeck (18) ausgeht. 3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) hakenartig geformt ist. 4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (11) zumindest abschnittsweise im wesentlichen normal zur Zylinderachse (10a) ausgebildet ist. 5. Brenn kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zuströmkanal (11) und dem oberen Teilkühlraum (6) eine obere Trennwand (16) angeordnet ist. 6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnahmeputzen (14) für einen zentralen Bauteil mit dem Feuerdeck (18) und einer unteren Trennwand (17) verbunden ist. NACHGEREICHT Λαόΐ'Ζ- 2 7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (19) durch einen Ringraum (19a) gebildet ist, welcher vorzugsweise den Aufnahmeputzen (14) für den zentralen Bauteil zumindest teilweise umgibt. 8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teilkühlraum (6) mit zumindest einem Kühlmittelaustritt (23) verbunden ist, wobei vorzugsweise pro Zylinder (10) eine im Bereich einer ersten Zyiinderkopflängsseite (3a) angeordneter Kühlmittelaustritt (23) vorgesehen ist. 9. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptüberströmöffnung (8) zwischen dem unteren Teilkühlraum (7) und dem oberen Teilkühlraum (6) im Bereich einer dem Kühlmittelaustritt (23) abgewandten zweiten Zyiinderkopflängsseite (3b) angeordnet ist. 10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Hauptüberströmöffnung (8) zwischen dem unteren Teilkühlraum (7) und dem oberen Teilkühlraum (6) im Bereich zumindest eines radialen Kanals (21) zwischen zweier Auslasskanäie angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zuströmkanal (11) und dem oberen Teilkühlraum (6) zumindest ein Entgasungsübertritt (20) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Entgasungsübertritt (20) im Bereich der ersten Zyiinderkopflängsseite (3a) oder im Bereich des Aufnahmebutzens (14) angeordnet ist. 2011 10 20 Fu/St NACHGEREICHT I