AT520322B1 - Zylinderkopf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern - insbesondere vier Zylinder in Reihe - und je zumindest einem Auslassventil (6) mit integriertem Abgaskrümmer (4), der zur Kühlung zumindest einen oberen Kühlmantel und einen unteren Kühlmantel (14) aufweist, wobei der obere Kühlmantel im Wesentlichen über Auslasskanälen (5), die mit den Auslassventil (6) strömungsverbunden sind, angeordnet ist und der untere Kühlmantel (14) im Wesentlichen unter Auslasskanälen (5) angeordnet ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Kühlung. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Kühlmantel (14) einen ersten Bereich (16) und einen zweiten Bereich (17) aufweist, wobei erster Bereich (16) und zweiter Bereich (17) im Wesentlichen unabhängige Strömungsabschnitte bilden und durch eine Wand (15) voneinander getrennt sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern - insbesondere vier Zylinder in Reihe - und je zumindest einem Auslassventil mit integriertem Abgaskrümmer, der zur Kühlung zumindest einen oberen Kühlmantel und einen unteren Kühlmantel aufweist, wobei der obere Kühlmantel im Wesentlichen über Auslasskanälen, die mit dem Auslassventil strömungsverbunden sind, angeordnet ist und der untere Kühlmantel im Wesentlichen unter Auslasskanälen angeordnet ist und zumindest ein Kühlmantel einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei erster Bereich und zweiter Bereich im Wesentlichen unabhängige Strömungsabschnitte bilden und durch eine Wand voneinander getrennt sind.

[0002] Zur Kühlung von Auslasskanälen einer Brennkraftmaschine sind üblicherweise Kühlmäntel im Zylinderkopf und im Zylinderblock vorgesehen. Zur Bildung von solchen Kühlmänteln werden Kerne in die Gussform eingelegt, die als Platzhalter dienen und von dem Gussmaterial umschlossen werden. Die Kühlmäntel bilden Kühlmittelkreisläufe, wobei als Kühlmittel üblicherweise Wasser eingesetzt wird. Die Wärme aus dem Brennraum wird vom Wasser abtransportiert und an anderer Stelle, außerhalb des Zylinderkopfes oder des Zylinderblockes abgegeben.

[0003] Die Richtungsangaben oben und unten sollen nicht auf eine bestimmte Verwendungslage hinweisen, sondern nur dem leichteren Verständnis dienen. Mit der Angabe oben ist eine von einem Zylinder in Richtung Zylinderkopf gehende Richtung zu verstehen. Mit unten ist eine dem entgegengesetzte Richtung zu verstehen.

[0004] Aus der US 2011/0315098 A1 ist ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer bekannt. Zur Herstellung dieses Zylinderkopfes sind zwei separate Kerne für Wasserräume vorgesehen. Durch einen ersten Kern wird ein oberer Wasserraum freigehalten und durch einen zweiten Kern ein unterer Wasserraum.

[0005] Die DE 10 2013 221 231 A1 zeigt ebenfalls einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer. Auch hier sind zwei Kerne zur Herstellung der Wasserräume vorgesehen. Wiederum ist zur Bildung des oberen und des unteren Wasserraums je ein Kem vorgesehen. Die Kerne sind dabei je einteilig.

[0006] Nachteilig daran ist insbesondere, dass bei Abführung des Kühlmittels aus dem Zylinderkopf weiter zu z.B. einer Kabinenheizung aufgrund der dort benötigten geringen Kühlmittelmenge die Strömungsgeschwindigkeiten im Zylinderkopf sehr klein sind und es zu Stagnation insbesondere in thermisch kritischen Bereichen kommen kann. Auch die Kühlung der Abgasstränge auf dem Weg zur Auslassöffnung kann nicht optimal sichergestellt werden.

[0007] Aus der EP 2388463 A1 ist ein integrierter Abgaskrümmer mit einem oberen und unteren Kühlmantel gezeigt. Dabei weist einer der Kühlmäntel zwei voneinander unabhängige Bereiche auf. Durch das Vorsehen dieser unabhängigen Bereiche ist jedoch die Fertigung erschwert, da diese Bereiche einzeln durch Gusskerne eingeformt werden müssen. Darüber hinaus wird das Erreichen von der geforderten Genauigkeit durch die Fertigung erschwert.

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu verhindern und einen Zylinderkopf anzugeben, der eine ausreichende Wärmeabfuhr zulässt.

[0009] Diese Aufgabe wird durch einen eingangs erwähnten Zylinderkopf erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste Bereich und der zweite Bereich über zumindest einen Verbindungskanal verbindbar sind, der mit einem Deckel verschlossen ist.

[0010] Dadurch ist eine einfachere Fertigung erreichbar. Dies wird ebenfalls durch ein Verfahren erzielt, bei dem nach dem Guss zumindest ein Verbindungskanal zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich mit einem Deckel verschlossen wird. Die Deckel bestehen beispielsweise aus Stahl. Der Verbindungskanal ergibt sich, wenn die Kerne beim Einlegen zur leichteren Handhabung miteinander verbunden sind.

[0011] Dadurch lassen sich im ersten Bereich je Zylinder Kreisströmungen vom Zylinderblock in den Zylinderkopf, um die Auslasskanäle und zurück in den Zylinderblock realisieren, die mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Wärme an den Auslasskanälen abtransportieren.

[0012] Dadurch sind die Strömungsquerschnitte von erstem und zweitem Bereich reduziert und dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit im jeweiligen Bereich. Der Wärmetransport wird in der Folge verbessert und Überhitzung und dadurch verursachtes Materialversagen kann vermieden werden.

[0013] Der gleiche Vorteil ergibt sich bei einem Verfahren zur Fertigung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern - insbesondere vier Zylinder in Reihe -und je zumindest einem Auslassventil, wobei zur Bildung eines oberen und eines unteren Kühlmantels ein unterer Kühlmantelkern und ein oberer Kühlmantelkern eingelegt werden, und zur Bildung der Auslasskanäle werden Auslasskanalkerne eingelegt. Dabei entsteht der Vorteil dadurch, dass ein Kühlmantelkern als Einzelkern ausgebildet ist, wobei der Einzelkern zwei Abschnitte zur Bildung eines ersten Bereiches und eines zweiten Bereiches aufweist und die zwei Bereiche zwei unabhängige Strömungsabschnitte bilden und der Einzelkern zur Bildung eines Kühlmantels eingelegt werden.

[0014] Ein besonders einfach aufgebauter Zylinderkopf ergibt sich, wenn sich der erste Bereich und der zweite Bereich im Wesentlichen entlang einer Ebene parallel zu einer Zylinderkopfdichtungsebene erstrecken.

[0015] Für die Abfuhr der Wärme ist es besonders günstig, wenn der untere Kühlmantel den ersten Bereich und den zweiten Bereich aufweist, oder wenn das Verfahren vorsieht, dass der untere Kühlmantelkern zwei Bereiche aufweist und zur Bildung des unteren Kühlmantels der Kühlmantelkern eingelegt werden.

[0016] Um vor allem die Kühlung von thermisch hoch belasteten Bereichen gezielt sicherzustellen, ist es günstig, wenn der erste Bereich im Wesentlichen im Bereich von Auslasskanälen von zumindest einem ersten Zylinder angeordnet ist, und dass sich der zweite Bereich über einen Bereich von Auslasskanälen von zumindest einem zweiten Zylinder erstreckt und/oder wenn sich der zweite Bereich über einen Flanschbereich des Zylinderkopfes erstreckt.

[0017] Der thermisch kritisch belastete Flanschbereich kann so gezielt und mit größeren Strömungsgeschwindigkeiten vom Kühlmittel umströmt werden und die thermische Belastung auf die Materialansammlung in diesem Bereich kann reduziert werden. Stagnation und die damit verbundene zusätzliche thermische Belastung kann damit verhindert werden.

[0018] Die gleichen Vorteile ergeben sich, wenn der Einzelkern mit dem ersten Abschnitt im Wesentlichen um Auslasskanalkerne von einem ersten Zylinder und mit dem zweiten Abschnitt im Wesentlichen um Auslasskanalkerne von zumindest einem zweiten Zylinder eingelegt wird und der zweite Abschnitt über einen Flanschbereich des Zylinderkopfes reicht. Je nach Querschnittsverlauf von dem zweiten Zylinder, der außen angeordnet ist, zu dem Flanschbereich mit einer Ausbuchtung, können die zur Heizung geleitete, beziehungsweise in Kreisströmung in den Zylinderblock rückgeführte Kühlmittelmenge und die benötigten Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt werden.

[0019] Um das Einpassen des Deckels zu erleichtern und den Gießvorgang zu vereinfachen, ist es günstig, wenn nach dem Guss zumindest ein Verbindungskanal zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich maschinell nachbearbeitet wird.

[0020] Um einen geringen Austausch zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich zuzulassen, ist es vorteilhaft, wenn im Bereich des zumindest einen Deckels ein Umgehungskanal vorgesehen ist und wenn dieser Umgehungskanal neben dem Verbindungskanal in die Wand entlang eines Aufnahmesitzes eines inneren Deckels zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich gebohrt wird. Der Umgehungskanal kann entweder mitgegossen oder im Nachhinein durch beispielsweise Bohren hergestellt werden.

[0021] Um die Abwärme von den Auslasskanälen nutzen zu können, ist es von Vorteil, wenn der zweite Bereich mit einer Heizung zur Wärmeabgabe verbunden ist. Dadurch kann die Men ge des Kühlmittels, das zur Heizung transportiert wird, genau an die Temperaturverhältnisse im zweiten Bereich angepasst werden.

[0022] Wenn der erste Bereich mit einem Kühlmantel im Zylinderblock strömungsverbunden ist, entsteht eine günstige Zirkulation des Kühlmittels.

[0023] In der Folge wird die Erfindung anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen: [0024] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer Seitenansicht; [0025] Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie ll-ll in Fig. 1; [0026] Fig. 3 einen unteren Kühlmantel des Zylinderkopfes in einer Schrägansicht von oben; [0027] Fig. 4 den unteren Kühlmantel in einer Schrägansicht von unten; [0028] Fig. 5 den unteren Kühlmantel in einerweiteren Schrägansicht; und [0029] Fig. 6 den unteren Kühlmantel in einer Ansicht von unten.

[0030] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine gezeigt. Eine Oberseite 2 des Zylinderkopfes 1 ist von nicht gezeigten Zylindern abgewandt. Eine Unterseite 3 des Zylinderkopfs 1 ist den Zylindern zugewandt. An der Unterseite 3 des Zylinderkopfes 1 verläuft eine Zylinderkopfdichtungsebene A, wobei die Zylinderkopfdichtungsebene A eine Normalebene auf Drehachsen der Zylinder darstellt. Unter dem Zylinderkopf 1 ist an der Zylinderkopfdichtungsebene A eine Zylinderkopfdichtung und anschließend ein Zylinderblock mit den Zylindern angeordnet. Die Zylinder begrenzen mit dem Zylinderkopf und jeweils einem Kolben einen Brennraum in dem Kraftstoff explosionsartig verbrannt wird.

[0031] Nähere Details des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes 1 sind in dem in Fig. 2 gezeigten Schnitt zu erkennen. Der Zylinderkopf 1 weist einen integrierten Abgaskrümmer 4 auf, wobei Auslasskanäle 5 von zwei inneren Zylindern in der Schnittebene gemäß Linie ll-ll zusammengeführt werden. Die Auslasskanäle 5 sind über Auslassventile 6 jeweils mit einem Brennraum des jeweiligen Zylinders strömungsverbunden. Dabei sind vier Zylinder in Reihe angeordnet und jedem Zylinder sind zwei Auslassventile 6 zugeordnet. Der Abgaskrümmer 4 führt das Abgas auf einer Auslassseite 8 aus dem Zylinderkopf 1. An einer Einlassseite 7 wird über Einlasskanäle 9 Gas in die Brennräume eingebracht.

[0032] Der Zylinderkopf 1 weist an der Auslassseite 8 einen Flanschbereich 10 auf. Über diesen Flanschbereich 10 ist der Zylinderkopf 1 beispielsweise mit dem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers zu dem das Abgas geleitet wird verbunden. In dem Flanschbereich 10 sind um den integrierten Abgaskrümmer 4 zwei Deckel 11 angeordnet, die von außen in einem Verbindungskanal 12 angeordnet werden und diesen verschließen. Zur Umgehung eines Deckels dient ein Umgehungskanal 13.

[0033] Durch einen in den Fig. 3 bis 6 gezeigten unteren Kühlmantel 14 ist die Kontur eines unteren Kühlmantelkerns vorgegeben. Der untere Kühlmantel 14 ist im Wesentlichen ein zerklüfteter Hohlraum im Zylinderkopf 1. Er ist durch eine Wand 15 in einen ersten Bereich 16 und einen zweiten Bereich 17 geteilt.

[0034] Der erste Bereich 16 reicht über drei erste Zylinder und der erste Bereich 16 des unteren Kühlmantels 14 ist mit einem Kühlmantel im Zylinderblock oder einem unteren Kühlmantel verbunden. Pfeile 18 stellen die möglichen Strömungen des Kühlmittels dar. Der zweite Bereich 17 reicht von einem zweiten Zylinder über den Flanschbereich 10. Die Strömung des zweiten Bereichs 17 geht in Richtung einer Heizung. Die Wärme wird von dem zweiten Bereich 17 abtransportiert und an die Heizung abgegeben, wodurch die Wärme sinnvoll genutzt werden kann.

[0035] Verbindungskanäle 12 zwischen dem ersten Bereich 16 und dem zweiten Bereich 17 werden mithilfe von Deckeln 11 verschlossen. Wobei jeder Deckel 11 einen inneren Deckel 11a und einen äußeren Deckel 11b aufweist. Der innere Deckel 11a trennt den ersten Bereich 16 von dem zweiten Bereich 17 und der zweite Bereich 17 wird durch den äußeren Deckel 11b zur Umgebung des Zylinderkopfes 1 abgeschlossen. Der erste Bereich 16 und der zweite Bereich 17 sind somit zwei voneinander im Wesentlichen unabhängige Strömungsabschnitte. Durch den Umgehungskanal 13 (Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 6) sind der erste Bereich 16 und der zweite Bereich 17 miteinander verbunden. Der Umgehungskanal 13 bildet einen Bypass über den bei Bedarf kleine Mengen des Kühlmittels strömen können, wobei der Umgehungskanal 13 einen kleinen Strömungsquerschnitt im Vergleich zu dem Verbindungskanal 12 aufweist. Es ist in der gezeigten Ausführung nur ein Verbindungskanal 12 mit einem Umgehungskanal 13 umgangen. Für den zweiten Verbindungskanal 12 ist kein Umgehungskanal 13 vorgesehen. Der Umgehungskanal 13 ist dabei dem zweiten Zylinder, dessen Auslasskanäle 5 vom zweiten Bereich 17 gekühlt werden näher angeordnet.

[0036] Für die Auslasskanäle 5 sind im unteren Kühlmantel 14 Zwischenräume 19 vorgesehen. Die Auslasskanäle 5 in den Zwischenräumen 19 werden den Pfeilen 18 entsprechend von Kühlmittel umströmt.

[0037] Der zweite Bereich 17 weist zwischen den zwei Deckeln 11 im Flanschbereich 10 eine Ausbuchtung 20 (Fig. 3 bis Fig. 6) um den integrierten Abgaskrümmer 4 (Fig. 2) auf. Der erste Bereich 16 und der zweite Bereich 17 liegen beide zumindest teilweise in einer Ebene B, die parallel zur Zylinderkopfdichtungsebene A angeordnet ist. Das heißt, dass der untere Kühlmantel 14 die Ebene B im ersten Bereich 16 und im zweiten Bereich 17 zumindest je einmal durchdringt.

[0038] Zur Herstellung des Zylinderkopfes 1 wird eine Gussform bereitgestellt, die im Wesentlichen die Außenkontur des Zylinderkopfes 1 im Negativ aufweist. Innenbereiche, wie die Auslasskanäle 5 und der integrierte Abgaskrümmer 4 werden durch Kerne gebildet. Dazu werden Auslasskanalkerne usw. in die Gussform eingelegt. Der untere Kühlmantelkern weist einen ersten Abschnitt, der den ersten Bereich 16 des unteren Kühlmantels 14 abbildet, und einen zweiten Abschnitt, der den zweiten Bereich 17 des unteren Kühlmantels 14 abbildet, auf. Der untere Kühlmantelkern wird ebenfalls in die Gussform eingelegt. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt, welche einen Einzelkern bilden, sind durch einen Kernabschnitt für den Verbindungskanal 12 miteinander verbunden. Durch diesen Kernabschnitt kann in einem weiteren Schritt der Verbindungskanal 12 maschinell nachbearbeitet werden. Ein oberer Kühlmantel wird durch Einlegen und "Umgießen" eines unteren Kühlmantelkerns gebildet.

[0039] Nach fertiggestelltem Guss beziehungsweise nach dem Ausformen wird der Zylinderkopf I weiter bearbeitet. Unter anderem werden die Verbindungskanäle 12 maschinell bearbeitet und der Umgehungskanal 13 wird beispielsweise durch Bohren ausgehoben. Insbesondere kann der Umgehungskanal 13 als exzentrische Bohrung ausgebildet werden.

[0040] Nach der Bearbeitung der Verbindungskanäle 12 werden sie mit Deckeln 11, die jeweils einen inneren Deckel 11a und einen äußeren Deckel 11b aufweisen, verschlossen.

[0041] Es kann in einer anderen Ausführung auch jeweils ein Deckelpaar anstatt einem Deckel II vorgesehen sein, bei dem innerer Deckel 11a und äußerer Deckel 11b voneinander getrennt sind und einzeln eingebaut werden.

[0042] In weiteren Ausführungen ist es möglich, dass eine andere Anzahl (unterschiedlich von zwei) an Verbindungskanälen 12 zwischen erstem Bereich 16 und zweitem Bereich 17 vorgesehen ist.

[0043] Auch die mögliche Anzahl der Umgehungskanäle 13 beschränkt sich nicht auf die in den Figuren gezeigte.

Claims (13)

Patentansprüche

1. Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern - insbesondere vier Zylinder in Reihe - und je zumindest einem Auslassventil (6) mit integriertem Abgaskrümmer (4), der zur Kühlung zumindest einen oberen Kühlmantel und einen unteren Kühlmantel (14) aufweist, wobei der obere Kühlmantel im Wesentlichen über Auslasskanälen (5), die mit dem Auslassventil (6) strömungsverbunden sind, angeordnet ist und der untere Kühlmantel (14) im Wesentlichen unter Auslasskanälen (5) angeordnet ist und zumindest ein Kühlmantel (14) einen ersten Bereich (16) und einen zweiten Bereich (17) aufweist, wobei erster Bereich (16) und zweiter Bereich (17) im Wesentlichen unabhängige Strömungsabschnitte bilden und durch eine Wand (15) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (16) und der zweite Bereich (17) über zumindest einen Verbindungskanal (12) verbindbar sind, der mit einem Deckel (11) verschlossen ist.

2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Bereich (16) und der zweite Bereich (17) im Wesentlichen entlang einer Ebene (B) parallel zu einer Zylinderkopfdichtungsebene (A) erstrecken.

3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kühlmantel (14) den ersten Bereich (16) und den zweiten Bereich (17) aufweist.

4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (16) im Wesentlichen im Bereich von Auslasskanälen (5) von zumindest einem ersten Zylinder angeordnet ist, und dass sich der zweite Bereich (17) über einen Bereich von Auslasskanälen (5) von zumindest einem zweiten Zylinder erstreckt.

5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Bereich (17) über einen Flanschbereich (10) des Zylinderkopfes (1) erstreckt.

6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zumindest einen Deckels (11) ein Umgehungskanal (13) vorgesehen ist.

7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (17) mit einer Heizung zur Wärmeabgabe verbunden ist.

8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (16) mit einem Kühlmantel im Zylinderblock strömungsverbunden ist.

9. Verfahren zur Fertigung eines Zylinderkopfes (1) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern - insbesondere vier Zylinder in Reihe - und je zumindest einem Auslassventil (6), wobei zur Bildung eines unteren Kühlmantels (14) und eines oberen Kühlmantels ein unterer Kühlmantelkern und ein oberer Kühlmantelkern eingelegt werden, zur Bildung der Auslasskanäle (5) werden Auslasskanalkerne eingelegt und ein Kühlmantelkern als Einzelkern ausgebildet ist, der zwei Abschnitte zur Bildung eines ersten Bereiches und eines zweiten Bereiches aufweist und die zwei Bereiche zwei unabhängige Strömungsabschnitte bilden und der Einzelkern zur Bildung eines Kühlmantels (14) eingelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Guss zumindest ein Verbindungskanal (12) zwischen erstem Bereich (16) und zweitem Bereich (17) mit einem Deckel (11) verschlossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kühlmantelkern zwei Bereiche aufweist und zur Bildung des unteren Kühlmantels (14) der Kühlmantelkern eingelegt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelkern derart eingelegt wird, dass der erste Abschnitt im Wesentlichen um Auslasskanalkerne von einem ersten Zylinder eingelegt wird, und dass der zweite Abschnitt im Wesentlichen um Aus-lasskanalkerne von zumindest einem zweiten Zylinder eingelegt wird und über einen Flanschbereich (10) des Zylinderkopfes (1) reicht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Guss zumindest ein Verbindungskanal (12) zwischen erstem Bereich (16) und zweitem Bereich (17) maschinell nachbearbeitet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zumindest einen Deckels (11) ein Umgehungskanal (13) neben dem Verbindungskanal (12) in eine Wand (15) zwischen erstem Bereich (16) und zweitem Bereich (17) gebohrt wird. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen