AT513262B1

AT513262B1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT513262B1
Application number: ATA50059/2013A
Authority: AT
Inventors: Christof Dipl Ing Knollmayr; Mario Dipl Ing Fh Brunner
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-03-15
Also published as: DE102014100841A1; AT513262A4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (11), mit zumindest einem Ventilsitzring (2) für ein Hubventil, wobei der Ventilsitzring (2) von einem zumindest teilweise Zylinderkopf (1) eingeformten ringförmigen Kühlkanal (10) umgeben ist, wobei sich der Kühlkanal (10) um einen Winkelbereich (a) von mindestens 280°, vorzugsweise mindestens 300°, um den Ventilsitzring (2) zwischen einem Eintritt (3) und einem Austritt (4) für ein Kühlmittel erstreckt, und wobei Eintritt (3) und Austritt (4) auf der selben Seite des Zylinders (11) angeordnet sind und zwischen dem Eintritt (3) und dem Austritt (4) ein Trennbereich (6) ausgebildet ist. Um lokal thermisch hochbeanspruchte Bereiche zwischen dem Eintritt (3) und dem Austritt (4) zu vermeiden, ist vorgesehen, dass der Trennbereich (6) eine Drosselstelle (7) für eine definierte Kurzschlussströmung (S') zwischen Eintritt (3) und Austritt (4) aufweist.

Description

Merreicfcischts jeteiätiat AT513 262 B1 2014-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit zumindest einem Ventilsitzring für ein Hubventil, wobei der Ventilsitzring von einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf eingeformten ringförmigen Kühlkanal umgeben ist, wobei sich der Kühlkanal um einen Winkelbereich von mindestens 280°, vorzugsweise mindestens 300°, um den Ventilsitzring zwischen einem Eintritt und einem Austritt für ein Kühlmittel erstreckt, und wobei Eintritt und Austritt auf der selben Seite des Zylinders angeordnet sind und zwischen dem Eintritt und dem Austritt ein Trennbereich ausgebildet ist.

[0002] Aus der DE 10 2011 009 513 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Ventilsitzringen für zwei Hubventile pro Zylinder bekannt, wobei je der Ventilsitzring von einem teilweise in den Zylinderkopf eingeformten ringförmigen Kühlkanal umgeben ist. Der Kühlkanal erstreckt sich über einen Winkel von 180° bzw. etwa 210° zwischen einem Eintritt und einem Austritt, wobei Eintritt und Austritt auf unterschiedlichen Seiten des Ventilsitzringes angeordnet sind. Zwischen dem Eintritt und dem Austritt ist ein durch den Zylinderkopf gebildeter Trennbereich ausgebildet.

[0003] Die CH 272 380 A1 beschreibt eine Ventileinrichtung an Brennkraftmaschinen, wobei für die Ventileinrichtung ein Ventilsitzring mit einem Kühlkanal vorgesehen ist, welcher sich um einen Winkel von mindestens 280° zwischen einem Eintritt und einem Austritt erstreckt, wobei zwischen dem Eintritt und dem Austritt ein durch den Zylinderkopf gebildeter Trennbereich vorgesehen ist.

[0004] Weiters sind aus den Veröffentlichungen JP S57-15918 U und JP S55-94422 U Brennkraftmaschinen mit zumindest einem Zylinder bekannt, wobei zumindest ein Ventilsitzring für ein Hubventil vorgesehen ist, welcher von einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf eingeformten ringförmigen Kühlkanal umgeben ist. Der Kühlkanal erstreckt sich jeweils um einen Winkelbereich von mindestens 280° zwischen einem Einlass und einem Austritt für ein Kühlmittel. Zwischen dem Eintritt und dem Austritt ist ein durch einen separaten Teil gebildeter Trennbereich angeordnet.

[0005] Aus der WO 08/059108 A ist ein in einem Zylinderkopf angeordneter Ventilsitzring für eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, wobei im Ventilsitzring ein umlaufender Kühlkanal angeordnet ist, welcher sich zwischen einem Eintritt und einem Austritt für ein Kühlmittel erstreckt.

[0006] Die CH 272 380 B beschreibt eine Ventileinrichtung einer Brennkraftmaschine mit eingesetztem Ventilsitzring für ein Tellerventil, wobei der Ventilsitzring von einem umlaufenden Kühlkanal umgeben ist, welcher sich zwischen einem Eintritt und einem Austritt erstreckt. Zwischen dem Eintritt und dem Austritt ist ein Trennbereich für das Kühlmittel ausgebildet, welcher eine Kurzschlussströmung zwischen Eintritt und Austritt unterbindet.

[0007] Nachteilig ist, dass der Trennbereich zwischen Eintritt und Austritt eine ungekühlte Wärmebrücke bildet und es dadurch zur lokalen Überhitzungen und thermischen Spannungen kommen kann, insbesondere, wenn der Trennbereich nahe des thermisch hochbelasteten Steges zwischen zwei Auslassventilen positioniert ist.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine gleichmäßigere Kühlung des Ventilsitzringes zu ermöglichen.

[0009] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Trennbereich eine Drosselstelle für eine definierte Kurzschlussströmung zwischen Eintritt und Austritt aufweist, wobei der Querschnitt der Drosselstelle zwischen 1% und 10% des maximalen Querschnitts des Kühlkanals beträgt.

[0010] Durch die definierte Drosselstelle kommt es zu einer beabsichtigten Leckageströmung zwischen dem Eintritt und dem Austritt im Trennbereich, wodurch zuverlässig ein lokales Hitzemaximum am Ventilumfang zwischen dem Eintritt und dem Austritt verhindert werden kann.

[0011] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Drosselstelle durch eine definierte Engestelle 1 /6

österreichisch» pi!:«stot AT513 262B1 2014-03-15 zwischen dem Zylinderkopf und dem Ventilsitzring ausgebildet ist.

[0012] Der Eintritt steht dabei mit gegossenen oder gebohrten Eintrittskanälen, der Austritt mit gegossenen oder gebohrten Austrittskanälen des Zylinderkopfes in Strömungsverbindung.

[0013] Dabei kann vorgesehen sein, dass der Eintritt mit einer Druckquelle im Zylinderkopf und der Austritt mit einer Drucksenke im Zylinderblock verbunden ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass der Eintritt mit einer Druckquelle im Zylinderblock und der Austritt mit einer Drucksenke im Zylinderkopf verbunden ist.

[0014] In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkanal des Ventilsitzringes vom Kühlsystem des restlichten Zylinderkopfes getrennt ist. Dadurch ist es möglich, andere Drücke oder Kühlmedien zur Kühlung des Ventilsitzringes zu verwenden als beispielsweise zur Kühlung des Zylinderkopfes. Insbesondere kann dabei der Einritt und der Austritt mit dem Schmierölsystem der Brennkraftmaschine verbunden sein.

[0015] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0016] Es zeigen [0017] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer Schrägansicht, [0018] Fig. 2 den Zylinderkopf in einer Seitenansicht, [0019] Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 1, [0020] Fig. 4 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3, [0021] Fig. 5 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 3 und [0022] Fig. 6 das Detail VI aus Fig. 3.

[0023] Die Figuren zeigen einen Zylinderkopf 1 für zumindest einen Zylinder 11 einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem durch ein Hubventil gebildeten Auslassventil (dessen Achse 9 angedeutet ist) mit, wobei zumindest pro Auslassventil ein Ventilsitzring 2 im Zylinderkopf angeordnet, beispielsweise eingepresst ist. Der in den Zylinderkopf 1 eingepresste oder eingeklebte Ventilsitzring 2 ist von einem in den Zylinderkopf 1 eingeformten, beispielsweise eingefrästen ringförmigen Kühlkanal 10 für ein Kühlmittel umgeben, welcher sich zwischen einem Eintritt 3 und einem Austritt 4 über einen Winkelbereich α von mindestens 280°, beispielsweise 300°, um den Ventilsitzring 2 erstreckt. Der Eintritt 3 steht dabei mit einem Eintrittskanal 3a, der Austritt 4 mit einem Austrittskanal 4a in Verbindung, wobei Eintrittskanal 3a und Austrittskanal 4a durch von einer Seitenfläche 1a des Zylinderkopfes 1 ausgehende parallele Bohrungen gebildet sind. Eintritte und Austritte 4 befinden sich somit - in einer Draufsicht auf den Zylinder 11 betrachtet - nebeneinander auf derselben Seite 11a des Zylinders 11. Die Bohrungen werden nachträglich im Bereich der Seitenwand 1a durch Stopfen 3b, 4b verschlossen. Die Eintritte 3 befinden sich in einem dem Steg 5 zwischen zwei Ventilsitzringen 2 benachbarten Bereich, die Austritte 4 in einem dem Steg 5 entfernteren Bereich. Die Eintrittskanäle 3a und Austrittskanäle 4a sind im Ausführungsbeispiel parallel zueinander ausgebildet, dies erleichtert die Herstellung durch Bohren.

[0024] Zwischen dem Einritt 3 und dem Austritt 4 befindet sich ein Trennbereich 6. Dieser Trennbereich 6 ist im Ausführungsbeispiel durch eine Wandanhäufung im Zylinderkopf 1 gebildet und verhindert, dass das Kühlmittel auf direktem und kurzem Wege vom Eintritt 3 zum Austritt 4 strömt, ohne den Ventilsitzring 2 zu umströmen. Bei herkömmlichen Anordnungen ist der Trennbereich flüssigkeitsdicht und unterbindet praktisch jede Leckageströmung zwischen Eintritt 3 und Austritt 4. Dies hat allerdings den Nachteil, dass es zwischen dem Eintritt 3 und dem Austritt 4 zu einem "Hot Spot" kommen kann, insbesondere wenn der Trennbereich 6 nahe dem thermisch hoch beanspruchten Steg 5 zwischen zwei Auslassventilen angeordnet ist.

[0025] Um punktuelle Überhitzungen des Trennbereiches 6 zu vermeiden, ist im Trennbereich eine Drosselstelle 7 vorgesehen, wobei der Querschnitt der Drosselstelle 7 zwischen 1% und 10% des max. Querschnittes des ringförmigen Kühlkanals 10 beträgt. Durch die Drosselstelle 7 2/6

feerrecsise·*;; fiSlKiiäfSt AT513 262B1 2014-03-15 kommt es zu einer in Fig. 6 durch den strichlierten Pfeil S' angedeuteten Leckargeströmung zwischen dem Eintritt 3 und dem Austritt 4, während die Hauptströmung S den Ventilsitzring 2 entsprechend dem zwischen Eintritt 3 und Austritt 4 aufgespannten Winkelbereich α von etwa 300° umströmt. Die Leckageströmung bewirkt eine ausreichende Kühlung des Trennbereiches 6.

[0026] Im Ausführungsbeispiel kann der Eintritt 3 und der Eintrittkanal 3a mit einer Druckquelle im an den Zylinderkopf 1 angeflanschten und (in Fig. 2 angedeuteten) Zylinderblock 12 über eine vertikale Bohrung 3c verbunden sein. Der Austritt 4 und der Austrittskanal 4a ist über eine vertikale Bohrung 4c mit dem Kühlmantel 8 des Zylinderkopfes 1 strömungsverbunden. Die vertikale Bohrung 4c kann von der Seite der Zylinderkopfdichtfläche 1b gebohrt sein und durch einen Stopfen 4b' verschlossen werden.

[0027] Alternativ dazu sind auch Ausführungen möglich, bei denen der Eintritt 3a mit einer Druckquelle im Zylinderkopf 1 und der Austritt 4 mit einer Drucksenke im Zylinderblock 12 verbunden ist. Weiters ist es auch möglich den Kühlkreislauf für die Kühlkanäle 10 zur Kühlung der Ventilsitzringe 2 getrennt vom Kühlkreislauf des Zylinderkopfes 1 auszubilden. Somit können zur Kühlung des Zylinderkopfes 1 und zur Kühlung der Ventilsitzringe 2 verschiedene Kühlmedien, beispielsweise Kühlwasser einerseits und Schmieröl andererseits, verwendet werden. 3/6

Claims

föt« tarnt AT513 262 B1 2014-03-15 Patentansprüche 1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit zumindest einem Ventilsitzring (2) für ein Hubventil, wobei der Ventilsitzring (2) von einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf (1) eingeformten ringförmigen Kühlkanal (10) umgeben ist, wobei sich der Kühlkanal (10) um einen Winkelbereich (a) von mindestens 280°, vorzugsweise mindestens 300°, um den Ventilsitzring (2) zwischen einem Eintritt (3) und einem Austritt (4) für ein Kühlmittel erstreckt, und wobei Eintritt (3) und Austritt (4) auf der selben Seite des Zylinders angeordnet sind und zwischen dem Eintritt (3) und dem Austritt (4) ein Trennbereich (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich (6) eine Drosselstelle (7) für eine definierte Kurzschlussströmung (S') zwischen Eintritt (3) und Austritt (4) aufweist, wobei der Querschnitt der Drosselstellte (7) zwischen 1% und 10% des maximalen Querschnitts des Kühlkanals (10) beträgt.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) des Ventilsitzringes (2) vom Kühlsystem des restlichen Zylinderkopfes (1) getrennt ist.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) und der Austritt (4) mit einem Schmierölsystem verbunden ist.
4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) bzw. Austritt (4) mit im Zylinderkopf (1) eingeformten, vorzugsweise gebohrten oder gegossenen Eintritts- bzw. Austrittskanälen (3a, 4a) verbunden ist.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (7) durch eine definierte Engestelle zwischen dem Zylinderkopf (1) und dem Ventilsitzring (2) ausgebildet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritte (3) in einem Steg (5) zwischen zwei Ventilsitzringen (2) benachbarten Bereich und die Austritte (4) in einem dem Steg (5) entfernteren Bereich angeordnet sind.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) mit einem vorzugsweise gebohrten Eintrittskanal (3a) und der Austritt (4) mit einem vorzugsweise gebohrten Austrittskanal (4a) in Verbindung steht, wobei der Eintrittskanal (3a) und der Austrittskanal (4a) je Ventilsitzring (2) parallel zueinander, vorzugsweise voneinander beabstandet, angeordnet sind.
8. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Zylinderkopf (1) mit einem Zylinderblock (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) mit einer Druckquelle im Zylinderkopf (1) und der Austritt (4) mit einer Drucksenke im Zylinderblock (12) verbunden ist.
9. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Zylinderkopf (1) mit einem Zylinderblock (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) mit einer Druckquelle im Zylinderblock und der Austritt (4) mit einer Drucksenke im Zylinderkopf (1) verbunden ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6