AT514560B1 - 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

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Oberbe¬griffs des Anspruchs 1 sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Zylinderkopf.

[0002] Da das Zündkerzengewinde eines Zylinderkopfs relativ nah an dem Bereich ist, an demim Verbrennungsmotor durch die Zündung einige der höchsten Temperaturen auftreten, wirddas Zündkerzengewinde relativ starken thermischen Belastungen ausgesetzt. Da es im Ver¬gleich zu den umliegenden Strukturen außerdem teilweise recht filigran ausgeführt ist, kann dieNotwendigkeit einer Kühlung des Zündkerzengewindes entstehen. Dies gilt insbesondere fürGasmotoren mit einem Vorkammersystem, in welchem ein gut entzündliches Brennstoff-Luft-Gemisch zur Zündung eines sehr mageren Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Hauptbrenn¬kammer verbrannt wird.

[0003] 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 einer großen Kühlkavi¬tät gepaart mit einer speziellen Formgebung der Erweiterung wird versucht, Kühlmedium nahean das Zündkerzengewinde zu bringen. Nachteilig ist hierbei, dass keine gerichtete Strömungnahe dem Zündkerzengewinde ausgebildet werden kann. Die Kühlwirkung für das Zündkerzen¬gewinde ist in dieser Schrift also beschränkt, da das Abführen von erwärmtem Kühlmediumlediglich durch Konvektion und ähnliche Prozesse vonstatten geht. Ähnliches gilt für dieEP 1 128 034 A2.

[0004] Ein weiterer Ansatz zur Kühlung des Zündkerzengewindes stammt aus derWO 2011/041805 A1. Dort wird vorgeschlagen, einen separaten Kühlkreislauf anzulegen, wel¬cher nur zur Kühlung der Zündkerze und insbesondere des Zündkerzengewindes vorgesehenist. Es ist dadurch sogar möglich, ein für die speziellen Zwecke der Kühlung des Zündkerzen¬gewindes besser geeignetes Kühlmedium - zum Beispiel Öl - zu verwenden. Dies ist aber einesehr aufwändige Lösung, da es zum Einen eine vom restlichen Kühlkreislauf des Zylinderkopfsseparate Pumpe erfordert und zum Zweiten, weil der zusätzliche Kühlkreislauf fast vollständig inder Zündkerzenhülse angelegt sein muss. Falls also eine gerichtete Strömung in der Nähe desZündkerzengewindes ausgebildet werden soll, zieht dies einen erheblichen Fertigungsaufwandfür das Anlegen der Kühlkanäle in der Zündkerzenhülse nach sich.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf sowie einen Verbrennungsmotor miteinem derartigen Zylinderkopf bereitzustellen, welche eine effektive Kühlung des Zündkerzen¬gewindes bei moderatem Fertigungsaufwand erlauben.

[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowiedurch einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Zylinderkopf gelöst.

[0007] Dies geschieht, indem im Kühlkreislauf eine weitere Kühlkavität mit einer Innenwandungund einer der Innenwandung im Wesentlichen gegenüberliegenden Eintrittsöffnung vorgesehenist, wobei ein durch die Eintrittsöffnung eintretender Kühlmediumsstrom durch die Innenwan¬dung so ablenkbar ist, dass der Kühlmediumsstrom zumindest teilweise um das Gewinde her¬um führt.

[0008] Insbesondere liegt ein Teil der Erfindung darin, dass die weitere Kühlkavität Teil desohnehin vorhandenen Kühlkreislaufs zur Kühlung des Zylinderkopfes ist, das heißt die Kühlungist im gewöhnlichen Betrieb durch den Kühlkreislauf des Zylinderkopfes im Wesentlichen gege¬ben.

[0009] Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine weitere, das Gewinde umge¬bende Kühlkavität vorgesehen ist, in welcher eine gerichtete Zwangsströmung induziert wird.

[0010] Dadurch dass, zur Einbindung der weiteren Kühlkavität in den Kühlkreislauf wenigstenseine Bohrung in der Zündkerzenhülse vorgesehen ist, welche mit der Eintrittsöffnung und/odereiner Austrittsöffnung zum Austritt des Kühlmediumsstroms aus der weiteren Kühlkavität ver¬bunden ist, wird des Weiteren eine komplexe bzw. aufwändige Gestaltung der Zündkerzenhülse vermieden.

[0011] Durch eine derartige Austrittöffnung kann ein einfaches Abführen des Kühlmediumserreicht werden.

[0012] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprü¬chen definiert.

[0013] Um eine möglichst gleichmäßige bzw. symmetrische Kühlung des Gewindes zu ermögli¬chen, kann es vorgesehen sein, dass der Kühlmediumsstrom durch die Innenwandung in zweiTeilströme aufspaltbar ist, welche in gegenläufigem Sinn zumindest teilweise um das Gewindeherum führen. Der Effekt der symmetrischen Kühlung kann verstärkt werden, indem der Kühl¬mediumsstrom durch eine Außenwandung der weiteren Kühlkavität so ablenkbar ist, dass ervollständig um das Gewinde herum führt.

[0014] Eine möglichst symmetrische Kühlung des Gewindes kann vorteilhaft sein, da aus zugroßen Temperaturunterschieden resultierende thermische Spannungen zu Rissen und Brü¬chen führen können.

[0015] Für eine einfache Fertigung kann es vorteilhaft sein, dass die Geometrie der Innenwan-dung und/oder der Außenwandung im Wesentlichen der Mantelfläche eines Zylinders ent¬spricht.

[0016] Der bereits beschriebene Effekt der symmetrischen Kühlung des Gewindes kann opti¬miert werden, indem die weitere Kühlkavität im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.

[0017] Eine weitere Anpassung der weiteren Kühlkavität an die Form des Gewindes kanndadurch erreicht werden, dass die weitere Kühlkavität einen im Wesentlichen polygonalem,vorzugsweise im Wesentlichen rechteckigen, Querschnitt aufweist.

[0018] Für eine besonders einfache Fertigung kann vorgesehen sein, die weitere Kühlkavitätdurch eine Nut eines Inserts zusammen mit einer Zündkerzenhülse zu bilden, da es eine relati¬ve einfache Fertigung eines gekrümmten, insbesondere ringförmigen, Kanals erlaubt.

[0019] Für eine besonders effektive Kühlung des Gewindes kann vorgesehen sein, dass einAbstand der weiteren Kühlkavität zum Gewinde weniger als 40 mm, bevorzugt weniger als 20mm und besonders bevorzugt weniger als 10 mm, beträgt.

[0020] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Figuren sowie derdazugehörigen Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen: [0021] Fig. 1a eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer

Ebene, welche eine Zylinderachse enthält, [0022] Fig. 1b eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zur Zylinderachse, [0023] Fig. 2a eine schematische Anordnung der weiteren Kühlkavität im Kühlkreislauf sowie [0024] Fig. 2b eine weitere Ausführungsform einer Anordnung der weiteren Kühlkavität im Kühlkreislauf.

[0025] In Figur 1a ist die weitere Kühlkavität 5 zu erkennen. Sie wird durch ein Insert 10 zu¬sammen mit der Zündkerzenhülse 12 gebildet. In dieser Ausführungsform ist das Insert 10zwischen der Zündkerzenhülse 12 und dem Bauteil, welches die Vorkammer 21 beinhaltet,verpresst.

[0026] Die weitere Kühlkavität 5 weist eine in einer Nut 11 des Inserts 10 ausgebildete Innen¬wandung 6 sowie eine von der Zündkerzenhülse 12 gebildete Außenwandung 8 auf. Die we¬nigstens eine Kühlkavität 4 ist in diesem Fall durch eine erste Kühlkavität 15 und eine zweiteKühlkavität 16 ausgebildet, wobei die zweite Kühlkavität 16 schematisch in den Figuren 2a und2b dargestellt ist. Die Verbindung der wenigstens einen Kühlkavität 4 mit der weiteren Kühlkavi¬tät 5 geschieht durch vier Bohrungen 13 in der Zündkerzenhülse 12. Diese sind so angelegt,dass sie im demontierten Zustand der Zündkerzenhülse 12 leicht herzustellen sind.

[0027] Zunächst gibt es zwei Längsbohrungen 13a, welche parallel zu einer Zylinderachse Xverlaufen und jeweils eine Verbindung zwischen der ersten Kühlkavität 15 und der zweitenKühlkavität 16 hersteilen. Zwei Schrägbohrungen 13b schaffen die Eintrittsöffnung 7 sowie dieAustrittsöffnung 9 und verbinden diese mit den vorher beschriebenen Längsbohrungen 13a. DieWinkelstellung (bezüglich der Zylinderachse X) der Schrägbohrungen 13b ermöglicht die Her¬stellung derselben, dadurch dass bei demontiertem Insert 10 die untere Öffnung der Zündker¬zenhülse 12 für Bohrer zugänglich ist. Letztlich wird mithilfe von Stopfen 14 jeweils die Verbin¬dung zwischen Längsbohrung 13a und erster Kühlkavität 15 bzw. zweiter Kühlkavität 16 unter¬brochen.

[0028] Da im Betrieb ein Druckunterschied zwischen der ersten Kühlkavität 15 und der zweitenKühlkavität 16 besteht, bildet sich ein in die weitere Kühlkavität 9 eintretender Kühlmedi¬umsstrom J1 sowie ein austretender Kühlmediumsstrom J4 aus.

[0029] In dieser Ausführungsform wird Wasser als Kühlmedium verwendet. Dies ist aber für dieErfindung nicht wesentlich.

[0030] Die Strömungssituation wird anhand von Figur 1b besser verdeutlicht. Sie zeigt schema¬tisch die weitere Kühlkavität 5, welche durch das Insert 10 und die Zündkerzenhülse 12 gebildetwird. Schematisch ist weiterhin das Gewinde 2 angedeutet.

[0031] Durch die Innenwandung 6 wird der eintretende Kühlmediumsstrom J1 in die zwei Teil¬ströme J2 und J3 aufgeteilt, welche in gegenläufigem Sinn durch die weitere Kühlkavität 5treten. Die Außenwandung 8 hält die Teilströme J2 und J3 auf einer im Wesentlichen kreisför¬migen Bahn und führt diese zu einem austretenden Kühlmediumsstrom J4 zusammen.

[0032] Figur 2a zeigt schematisch den gesamten Kühlkreislauf 3 für die Ausführungsform ausFigur 1a und 1b. Mittels einer Pumpe 18 wird das Kühlmedium - in diesem Fall Wasser - durcheinen Kühler 19 gefördert. Es tritt zunächst in die Hauptkühlkavität 17 und dann in die ersteKühlkavität 15 ein. Von dort gelangt das Kühlmedium auf zwei parallel geschalteten Wegen zurzweiten Kühlkavität 16, wobei einmal eine direkte Verbindung vorgesehen ist und einmal eineVerbindung, welche durch die weitere Kühlkavität 5 führt. Aus der zweiten Kühlkavität 16 ge¬langt das Kühlmedium zurück zur Pumpe 18.

[0033] Die in Figur 2b dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Figur 2adargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Kühlmedium nach der Hauptkühlkavität 17aufgespalten wird. Ein Teilstrom führt direkt zur ersten Kühlkavität 15, ein zweiter Teilstrom führtdurch die weitere Kühlkavität 5.

[0034] Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele be¬schränkt. Beispielsweise ist es möglich, dass vorliegende Konzept auch bei Zylinderköpfenohne Vorkammern einzusetzen.

Claims (12)

1. Patentansprüche 1. Zylinderkopf mit einem Gewinde (2) für eine Zündvorrichtung, insbesondere eine Zündker¬ze, und einem Kühlkreislauf (3), welcher wenigstens eine Kühlkavität (4) aufweist, wobeider Zylinderkopf durch Fördern von Kühlmedium durch den Kühlkreislauf (3) im Betriebkühlbar ist und im Kühlkreislauf (3) eine weitere Kühlkavität (5) mit einer Innenwandung (6)und einer der Innenwandung (6) im Wesentlichen gegenüberliegenden Eintrittsöffnung (7)vorgesehen ist, wobei ein durch die Eintrittsöffnung (7) eintretender Kühlmediumsstrom(J1) durch die Innenwandung (6) so ablenkbar ist, dass der Kühlmediumsstrom (J1) zu¬mindest teilweise um das Gewinde (2) herum führt, dadurch gekennzeichnet, dass zurEinbindung der weiteren Kühlkavität (5) in den Kühlkreislauf (3) wenigstens eine Bohrung(13, 13a, 13b) in der Zündkerzenhülse (12) vorgesehen ist, welche mit der Eintrittsöffnung (7) und/oder einer Austrittsöffnung (9) zum Austritt des Kühlmediumsstroms (J1, J2, J3, J4)aus der weiteren Kühlkavität (5) verbunden ist.
2. 2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmediumsstrom(J1) durch die Innenwandung (6) in zwei Teilströme (J2, J3) aufspaltbar ist, welche in ge¬genläufigem Sinn zumindest teilweise um das Gewinde (2) herum führen.
3. 3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmedi¬umsstrom (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 die Teilströme (J2,J3) durch die Außenwandung (8) so ablenkbar sind, dass sie zu einem austretendenKühlmediumsstrom (J4) zusamengefasst werden.
5. 5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ge¬ometrie der Innenwandung (6) und/oder der Außenwandung (8) im Wesentlichen der Man¬telfläche eines Zylinders entspricht.
6. 6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weite¬re Kühlkavität (5) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.
7. 7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weite¬re Kühlkavität (5) einen im Wesentlichen polygonalem, vorzugsweise im Wesentlichenrechteckigen, Querschnitt aufweist.
8. 8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weite¬re Kühlkavität (5) durch eine Nut (11) eines Inserts (10) zusammen mit einer Zündkerzen¬hülse (12) gebildet ist.
9. 9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ab¬stand der weiteren Kühlkavität (5) zum Gewinde weniger als 40 mm, bevorzugt weniger als20 mm und besonders bevorzugt weniger als 10 mm, beträgt.
10. 10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zy¬linderkopf über eine erste Kühlkavität (15) und eine zweite Kühlkavität (16) verfügt, wobeidie Eintrittsöffnung (7) mit der ersten Kühlkavität (15) und die Austrittsöffnung (9) mit derzweiten Kühlkavität (16) verbunden ist.
11. 11. Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. 12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbren¬nungsmotor über eine Hauptkühlkavität (17) zur Kühlung des Motorblocks verfügt, wobeidie Eintrittsöffnung (7) mit der Hauptkühlkavität (17) und die Austrittsöffnung (9) mit derwenigstens einen Kühlkavität (4) verbunden ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen