AT514560A4 - Zylinderkopf - Google Patents

Abstract

Zylinderkopf mit einem Gewinde (2) für eine Zündvorrichtung, insbesondere eine Zündkerze, und einem Kühlkreislauf (3), welcher wenigstens eine Kühlkavität (4) aufweist, wobei der Zylinderkopf durch Fördern von Kühlmedium durch den Kühlkreislauf (3) im Betrieb kühlbar ist, wobei im Kühlkreislauf (3) eine weitere Kühlkavität (5) mit einer Innenwandung (6) und einer der Innenwandung (6) im Wesentlichen gegenüberliegenden Eintrittsöffnung (7) vorgesehen ist und ein durch die Eintrittsöffnung (7) eintretender Kühlmediumsstrom (J1) durch die Innenwandung (6) so ablenkbar ist, dass der Kühlmediumsstrom (J1) zumindest teilweise um das Gewinde (2) herum führt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit den Merkmalen desOberbegriffs des Anspruchs 1 sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchenZylinderkopf.

Da das Zündkerzengewinde eines Zylinderkopfs relativ nah an dem Bereich ist, andem im Verbrennungsmotor durch die Zündung einige der höchsten Temperaturenauftreten, wird das Zündkerzengewinde relativ starken thermischen Belastungenausgesetzt. Da es im Vergleich zu den umliegenden Strukturen außerdem teilweiserecht filigran ausgeführt ist, kann die Notwendigkeit einer Kühlung desZündkerzengewindes entstehen. Dies gilt insbesondere für Gasmotoren mit einemVorkammersystem, in welchem ein gut entzündliches Brennstoff-Luft-Gemisch zurZündung eines sehr mageren Brennstoff-Luft-Gemisches in einerHauptbrennkammer verbrannt wird.

Es gibt verschiedene Schriften im Stand der Technik, die dieses Problem behandeln.Zunächst wäre die DE 699 26 065 T2 zu nennen. Durch die Erweiterung einergroßen Kühlkavität gepaart mit einer speziellen Formgebung der Erweiterung wirdversucht, Kühlmedium nahe an das Zündkerzengewinde zu bringen. Nachteilig isthierbei, dass keine gerichtete Strömung nahe dem Zündkerzengewinde ausgebildetwerden kann. Die Kühlwirkung für das Zündkerzengewinde ist in dieser Schrift alsobeschränkt, da das Abführen von erwärmtem Kühlmedium lediglich durch Konvektionund ähnliche Prozesse vonstatten geht. Ähnliches gilt für die EP 1 128 034 A2.

Ein weiterer Ansatz zur Kühlung des Zündkerzengewindes stammt aus derWO 2011/041805 A1. Dort wird vorgeschlagen, einen separaten Kühlkreislaufanzulegen, welcher nur zur Kühlung der Zündkerze und insbesondere desZündkerzengewindes vorgesehen ist. Es ist dadurch sogar möglich, ein für diespeziellen Zwecke der Kühlung des Zündkerzengewindes besser geeignetesKühlmedium - zum Beispiel Öl - zu verwenden. Dies ist aber eine sehr aufwändigeLösung, da es zum Einen eine vom restlichen Kühlkreislauf des Zylinderkopfsseparate Pumpe erfordert und zum Zweiten, weil der zusätzliche Kühlkreislauf fastvollständig in der Zündkerzenhülse angelegt sein muss. Falls also eine gerichteteStrömung in der Nähe des Zündkerzengewindes ausgebildet werden soll, zieht dies einen erheblichen Fertigungsaufwand für das Anlegen der Kühlkanäle in derZündkerzenhülse nach sich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf sowie einen Verbrennungsmotor miteinem derartigen Zylinderkopf bereitzustellen, welche eine effektive Kühlung desZündkerzengewindes bei moderatem Fertigungsaufwand erlauben.

Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1sowie durch einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Zylinderkopf gelöst.

Dies geschieht, indem im Kühlkreislauf eine weitere Kühlkavität mit einerInnenwandung und einer der Innenwandung im Wesentlichen gegenüberliegendenEintrittsöffnung vorgesehen ist, wobei ein durch die Eintrittsöffnung eintretenderKühlmediumsstrom durch die Innenwandung so ablenkbar ist, dass derKühlmediumsstrom zumindest teilweise um das Gewinde herum führt.

Insbesondere liegt ein Teil der Erfindung darin, dass die weitere Kühlkavität Teil desohnehin vorhandenen Kühlkreislaufs zur Kühlung des Zylinderkopfes ist, das heißtdie Kühlung ist im gewöhnlichen Betrieb durch den Kühlkreislauf des Zylinderkopfesim Wesentlichen gegeben.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine weitere, das Gewindeumgebende Kühlkavität vorgesehen ist, in welcher eine gerichtete Zwangsströmunginduziert wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigenAnsprüchen definiert.

Um eine möglichst gleichmäßige bzw. symmetrische Kühlung des Gewindes zuermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass der Kühlmediumsstrom durch dieInnenwandung in zwei Teilströme aufspaltbar ist, welche in gegenläufigem Sinnzumindest teilweise um das Gewinde herum führen. Der Effekt der symmetrischenKühlung kann verstärkt werden, indem der Kühlmediumsstrom durch eine

Außenwandung der weiteren Kühlkavität so ablenkbar ist, dass er vollständig um dasGewinde herum führt.

Eine möglichst symmetrische Kühlung des Gewindes kann vorteilhaft sein, da aus zugroßen Temperaturunterschieden resultierende thermische Spannungen zu Rissenund Brüchen führen können.

Ein einfaches Abführen des Kühlmediums kann erreicht werden, indem dieTeilströme durch die Außenwandung so ablenkbar sind, dass sie zu einemaustretenden Kühlmediumsstrom zusamengefasst werden bzw. indem, eineAustrittsöffnung zum Austritt des Kühlmediumsstroms aus der weiteren Kühlkavitätvorgesehen ist. Für eine einfache Fertigung kann es vorteilhaft sein, dass die Geometrie derInnenwandung und/oder der Außenwandung im Wesentlichen der Mantelfläche einesZylinders entspricht.

Der bereits beschriebene Effekt der symmetrischen Kühlung des Gewindes kannoptimiert werden, indem die weitere Kühlkavität im Wesentlichen ringförmigausgebildet ist.

Eine weitere Anpassung der weiteren Kühlkavität an die Form des Gewindes kanndadurch erreicht werden, dass die weitere Kühlkavität einen im Wesentlichenpolygonalem, vorzugsweise im Wesentlichen rechteckigen, Querschnitt aufweist. Für eine besonders einfache Fertigung kann vorgesehen sein, die weitereKühlkavität durch eine Nut eines Inserts zusammen mit einer Zündkerzenhülse zubilden, da es eine relative einfache Fertigung eines gekrümmten, insbesondereringförmigen, Kanals erlaubt.

Dadurch dass, zur Einbindung der weiteren Kühlkavität in den Kühlkreislaufwenigstens eine Bohrung in der Zündkerzenhülse vorgesehen ist, welche mit derEintrittsöffnung und/oder der Austrittsöffnung verbunden ist, kann eine komplexebzw. aufwändige Gestaltung der Zündkerzenhülse vermieden werden. Für eine besonders effektive Kühlung des Gewindes kann vorgesehen sein, dass einAbstand der weiteren Kühlkavität zum Gewinde weniger als 40 mm, bevorzugtweniger als 20 mm und besonders bevorzugt weniger als 10 mm, beträgt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Figuren sowie derdazugehörigen Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1a eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen

Zylinderkopf in einer Ebene, welche eine Zylinderachse enthält,Fig. 1b eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zur

Zylinderachse,

Fig. 2a eine schematische Anordnung der weiteren Kühlkavität im Kühlkreislauf sowie

Fig. 2b eine weitere Ausführungsform einer Anordnung der weiteren Kühlkavität im Kühlkreislauf.

In Figur 1a ist die weitere Kühlkavität 5 zu erkennen. Sie wird durch ein Insert 10zusammen mit der Zündkerzenhülse 12 gebildet. In dieser Ausführungsform ist dasInsert 10 zwischen der Zündkerzenhülse 12 und dem Bauteil, welches dieVorkammer 21 beinhaltet, verpresst.

Die weitere Kühlkavität 5 weist eine in einer Nut 11 des Inserts 10 ausgebildeteInnenwandung 6 sowie eine von der Zündkerzenhülse 12 gebildete Außenwandung8 auf. Die wenigstens eine Kühlkavität 4 ist in diesem Fall durch eine ersteKühlkavität 15 und eine zweite Kühlkavität 16 ausgebildet, wobei die zweiteKühlkavität 16 schematisch in den Figuren 2a und 2b dargestellt ist. Die Verbindungder wenigstens einen Kühlkavität 4 mit der weiteren Kühlkavität 5 geschieht durchvier Bohrungen 13 in der Zündkerzenhülse 12. Diese sind so angelegt, dass sie imdemontierten Zustand der Zündkerzenhülse 12 leicht herzustellen sind.

Zunächst gibt es zwei Längsbohrungen 13a, welche parallel zu einer ZylinderachseX verlaufen und jeweils eine Verbindung zwischen der ersten Kühlkavität 15 und derzweiten Kühlkavität 16 hersteilen. Zwei Schrägbohrungen 13b schaffen die

Eintrittsöffnung 7 sowie die Austrittsöffnung 9 und verbinden diese mit den vorherbeschriebenen Längsbohrungen 13a. Die Winkelstellung (bezüglich derZylinderachse X) der Schrägbohrungen 13b ermöglicht die Herstellung derselben,dadurch dass bei demontiertem Insert 10 die untere Öffnung der Zündkerzenhülse12 für Bohrer zugänglich ist. Letztlich wird mithilfe von Stopfen 14 jeweils dieVerbindung zwischen Längsbohrung 13a und erster Kühlkavität 15 bzw. zweiterKühlkavität 16 unterbrochen.

Da im Betrieb ein Druckunterschied zwischen der ersten Kühlkavität 15 und derzweiten Kühlkavität 16 besteht, bildet sich ein in die weitere Kühlkavität 9eintretender Kühlmediumsstrom J1 sowie ein austretender Kühlmediumsstrom J4aus.

In dieser Ausführungsform wird Wasser als Kühlmedium verwendet. Dies ist aber fürdie Erfindung nicht wesentlich.

Die Strömungssituation wird anhand von Figur 1b besser verdeutlicht. Sie zeigtschematisch die weitere Kühlkavität 5, welche durch das Insert 10 und dieZündkerzenhülse 12 gebildet wird. Schematisch ist weiterhin das Gewinde 2angedeutet.

Durch die Innenwandung 6 wird der eintretende Kühlmediumsstrom J1 in die zweiTeilströme J2 und J3 aufgeteilt, welche in gegenläufigem Sinn durch die weitereKühlkavität 5 treten. Die Außenwandung 8 hält die Teilströme J2 und J3 auf einer imWesentlichen kreisförmigen Bahn und führt diese zu einem austretendenKühlmediumsstrom J4 zusammen.

Figur 2a zeigt schematisch den gesamten Kühlkreislauf 3 für die Ausführungsformaus Figur 1a und 1b. Mittels einer Pumpe 18 wird das Kühlmedium - in diesem FallWasser - durch einen Kühler 19 gefördert. Es tritt zunächst in die Hauptkühlkavität17 und dann in die erste Kühlkavität 15 ein. Von dort gelangt das Kühlmedium aufzwei parallel geschalteten Wegen zur zweiten Kühlkavität 16, wobei einmal einedirekte Verbindung vorgesehen ist und einmal eine Verbindung, welche durch die weitere Kühlkavität 5 führt. Aus der zweiten Kühlkavität 16 gelangt das Kühlmediumzurück zur Pumpe 18.

Die in Figur 2b dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Figur2a dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Kühlmedium nach derHauptkühlkavität 17 aufgespalten wird. Ein Teilstrom führt direkt zur erstenKühlkavität 15, ein zweiter Teilstrom führt durch die weitere Kühlkavität 5.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier dargelegten Ausführungsbeispielebeschränkt. Beispielsweise ist es möglich, dass vorliegende Konzept auch beiZylinderköpfen ohne Vorkammern einzusetzen.

Innsbruck, am 24. September, 2013

Claims (14)

1. Patentansprüche: 1. Zylinderkopf mit einem Gewinde (2) für eine Zündvorrichtung, insbesondereeine Zündkerze, und einem Kühlkreislauf (3), welcher wenigstens eineKühlkavität (4) aufweist, wobei der Zylinderkopf durch Fördern von Kühlmediumdurch den Kühlkreislauf (3) im Betrieb kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet,dass im Kühlkreislauf (3) eine weitere Kühlkavität (5) mit einer Innenwandung (6) und einer der Innenwandung (6) im Wesentlichen gegenüberliegendenEintrittsöffnung (7) vorgesehen ist, wobei ein durch die Eintrittsöffnung (7)eintretender Kühlmediumsstrom (J1) durch die Innenwandung (6) so ablenkbarist, dass der Kühlmediumsstrom (J1) zumindest teilweise um das Gewinde (2)herum führt.
2. 2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derKühlmediumsstrom (J1) durch die Innenwandung (6) in zwei Teilströme (J2, J3)aufspaltbar ist, welche in gegenläufigem Sinn zumindest teilweise um dasGewinde (2) herum führen.
3. 3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass derKühlmediumsstrom (J1) durch eine Außenwandung (8) der weiteren Kühlkavität (5) so ablenkbar ist, dass er vollständig um das Gewinde (2) herum führt.
4. 4. Zylinderkopf nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieTeilströme (J2, J3) durch die Außenwandung (8) so ablenkbar sind, dass sie zueinem austretenden Kühlmediumsstrom (J4) zusamengefasst werden.
5. 5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dasseine Austrittsöffnung (9) zum Austritt des Kühlmediumsstroms (J1, J2, J3, J4)aus der weiteren Kühlkavität (5) vorgesehen ist.
6. 6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dassdie Geometrie der Innenwandung (6) und/oder der Außenwandung (8) imWesentlichen der Mantelfläche eines Zylinders entspricht.
7. 7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassdie weitere Kühlkavität (5) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.
8. 8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dassdie weitere Kühlkavität (5) einen im Wesentlichen polygonalem, vorzugsweiseim Wesentlichen rechteckigen, Querschnitt aufweist.
9. 9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dassdie weitere Kühlkavität (5) durch eine Nut (11) eines Inserts (10) zusammen miteiner Zündkerzenhülse (12) gebildet ist.
10. 10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dasszur Einbindung der weiteren Kühlkavität (5) in den Kühlkreislauf (3) wenigstenseine Bohrung (13) in der Zündkerzenhülse (12) vorgesehen ist, welche mit derEintrittsöffnung (7) und/oder der Austrittsöffnung (9) verbunden ist.
11. 11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass ein Abstand der weiteren Kühlkavität (5) zum Gewinde weniger als 40mm, bevorzugt weniger als 20 mm und besonders bevorzugt weniger als 10mm, beträgt.
12. 12. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass der Zylinderkopf über eine erste Kühlkavität (15) und eine zweiteKühlkavität (16) verfügt, wobei die Eintrittsöffnung (7) mit der ersten Kühlkavität (15) und die Austrittsöffnung (9) mit der zweiten Kühlkavität (16) verbunden ist.
13. 13. Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. 14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass derVerbrennungsmotor über eine Hauptkühlkavität (17) zur Kühlung desMotorblocks verfügt, wobei die Eintrittsöffnung (7) mit der Hauptkühlkavität (17)und die Austrittsöffnung (9) mit der wenigstens einen Kühlkavität (4) verbundenist.