AT522271A1 - Brennkraftmaschine mit zumindest einem zylinder - Google Patents

Brennkraftmaschine mit zumindest einem zylinder Download PDF

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AT522271A1 ATA50244/2019A AT502442019A AT522271A1 AT 522271 A1 AT522271 A1 AT 522271A1 AT 502442019 A AT502442019 A AT 502442019A AT 522271 A1 AT522271 A1 AT 522271A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (16), insbesondere mit einem Top-Down-Kühlsystem, mit einem an ein Zwischendeck (4) grenzenden, brennraumfernen ersten Teilkühlraum (2) und einem an ein Feuerdeck (5) grenzenden, brennraumnahen zweiten Teilkühlraum (3), wobei das Zwischendeck (4) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, und wobei im Bereich einer zentralen Aufnahme (10) für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung zumindest eine vorzugsweise ringförmige erste Übertrittsöffnung (11) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zentrale Aufnahme (10) konzentrisch zu einer Zylinderachse (16a) des Zylinders ausgebildet ist. Zur Verbesserung der Kühlung in thermisch hochbeanspruchten Teilen des Zylinderkopfes (1) ist vorgesehen, dass im Bereich zumindest einer Ventilbrücke (8a, 8b, 8c, 8d) zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen (7a, 7b, 7c, 7d) zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, insbesondere mit einem Top-Down-Kühlsystem, mit einem an ein Zwischendeck grenzenden, brennraumfernen ersten Teilkühlraum und einem an ein Feuerdeck grenzenden, brennraumnahen zweiten Teilkühlraum, wobei das Zwischendeck zwischen dem ersten Teilkühlraum und dem zweiten Teilkühlraum angeordnet ist, und wobei im Bereich einer zentralen Aufnahme für eine Einspritzoder Zündeinrichtung zumindest eine vorzugsweise ringförmige erste Übertrittsöffnung zwischen dem ersten Teilkühlraum und dem zweiten Teilkühlraum angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zentrale Aufnahme konzentrisch zu einer Zylinderachse des Zylinders ausgebildet ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung des Zylinderkopfes.
Als Top-Down-Cooling wird bei Zylinderköpfen mit zwei übereinander angeordneten Kühlräumen ein Kühlkonzept bezeichnet, bei dem das Kühlmittel vom oberen Kühlraum durch Übertrittsöffnungen in den unteren Kühlraum strömt, wobei der Kühlmitteleintritt im Bereich des oberen Kühlraumes und der Kühlmittelaustritt im
Bereich des unteren Kühlraumes angeordnet ist.
Zylinderköpfe, die nach dem Top-Down-Cooling-Konzept arbeiten, sind beispielsweise aus der US 10 047 660 B2, WO 2012/004340 A1 oder WO 2018/037368 A1 bekannt.
Die Druckschriften US 6 681 727 B2 und US 6 899 063 B2 beschreiben Zylinderköpfe mit einem oberen und einem unteren Kühlraum, welche durch ein Zwischendeck voneinander getrennt sind. Im Bereich der zentralen Aufnahmen für jeweils eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in den Zwischendecken Übertrittsöffnungen angeordnet, welche die beiden Kühlräume miteinander strömungsverbinden. Weiters ist jeweils im Zwischendeck pro Zylinder eine Entgasungsöffnung vorgesehen, um Dampfblasenansammlungen im unteren Kühlraum zu vermeiden. Jede Entgasungsöffnung befinden sich im Bereich einer Querebene durch die Zylinderachse radial außerhalb einer Ventilbrücke und ist von
der Zylinderachse weiter entfernt als die Achsen der Gaswechselventile.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung in thermisch hochbeanspruchten Teilen
des Zylinderkopfes zu verbessern.
Ausgehend von einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen zumindest eine zweite Übertrittsöffnung zwischen dem ersten Teilkühlraum und dem zweiten Teilkühlraum angeordnet ist.
Zumindest eine zweite Übertrittsöffnung ist vorteilhafterweise über einer lokalen Heißstelle (Hot Spot) des Feuerdecks angeordnet ist und bevorzugt auf diese gerichtet ist. Dadurch ist eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet. Als lokale Heißstelle wird ein thermisch beanspruchter Bereich des Feuerdecks mit lokalen Temperaturspitzen bezeichnet, also beispielsweise Ventilbrücken des Feuerdecks zwischen zwei Auslassventilen oder zwischen einem Auslassventil und einem
Einlassventil der Gaswechselventile.
Die separaten zweiten Übertrittsöffnungen ermöglichen eine gezielte Anströmung und damit eine verbesserte Kühlung in dem gewünschten Bereich.
Die zweite Übertrittsöffnung kann durch einen Gussvorgang oder in einem materialabtragenden Herstellungsschritt gefertigt sein. Für eine einfache Fertigung ist es vorteilhaft, wenn die zweite Übertrittsöffnung im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Top-Down-Kühlsystem wie oben beschrieben ein Kühlsystem verstanden, bei welchem bei Zylinderköpfen mit zwei übereinander angeordneten Kühlräumen das Kühlmittel vom oberen Kühlraum durch Übertrittsöffnungen in den unteren Kühlraum strömt, wobei der Kühlmitteleintritt im Bereich des oberen Kühlraumes und der Kühlmittelaustritt im
Bereich des unteren Kühlraumes angeordnet ist.
Der zweite Teilkühlraum grenzt also sowohl an Feuerdeck als auch an das Zwischendeck. Das Zwischendeck trennt folglich den ersten Teilkühlraum und den zweiten Teilkühlraum angeordnet, wobei diese durch die erste und zumindest eine zweite Übertrittsöffnung strömungsverbunden sind. Die erste Übertrittsöffnung ist insbesondere ringförmig ausgebildet und bevorzugt konzentrisch um die zentrale Aufnahme herum angeordnet. Das heißt, die erste Übertrittsöffnung erlaubt einen Strömungsübertritt zwischen dem ersten und zweiten Teilkühlraum im gesamten
Bereich radial um die zentrale Aufnahme.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung und der Zylinderachse 15% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 25%, besonders vorzugsweise etwa 20% des Durchmessers des Zylinders. Durch diesen Abstand ist einerseits eine besonders effiziente Kühlung und andererseits eine relativ einfache Fertigung des Zylinderkopfes möglich. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Durchmesser des Zylinders insbesondere ein Zylinderbohrungsdurchmesser verstanden. Die Übertrittsöffnungen sind zum Kühlwasserübertritt ausgebildet und angeordnet. Besonders bevorzugt beträgt ein Abstand eines Kühlwasserübertritts um die Hülse etwa 10% bis 20% des
Zylinderbohrungsdurchmessers.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung im Bereich einer ersten Ventilbrücke und zumindest eine weitere zweite Übertrittsöffnung im Bereich einer zweiten Ventilbrücke angeordnet ist. In einer Ausführung der Erfindung ist im Bereich einer ersten Ventilbrücke, im Bereich einer zweiten Ventilbrücke und im Bereich einer dritten Ventilbrücke, vorzugsweise auch im Bereich einer vierten Ventilbrücke jeweils zumindest eine zweite Übertrittsöffnung angeordnet. Dadurch ist ein gleichmäßiger Kühlmittelfluss und somit eine gleichmäßige sowie effiziente Kühlung von thermisch hoch belasteten
Bereichen möglich.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zumindest zwei zweite Übertrittsöffnungen von der Zylinderachse gleich weit entfernt sind. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Mitten von zumindest drei zweiten Übertrittsöffnungen auf einer Kreislinie um die Zylinderachse liegen, deren Durchmesser 30% bis 80%, vorzugsweise 35% bis 50%, besonders bevorzugt etwa 40% des Durchmessers des Zylinders beträgt. Simulationen im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass dadurch besonders effektive Strömungen und Kühlungen erreichbar sind.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung und der Zylinderachse geringer ist als der Abstand zwischen der Ventilachse eines benachbarten Gaswechselventils
und er Zylinderachse.
Das Verhältnis der Summe der Querschnitte der ersten Strömungsübertritte zur
Summe der Querschnitte der zweiten Strömungsübertritte ist grundsätzlich von
einer Anzahl der separaten Übertritte und/oder von unterschädlichen
Wärmeeinträgen in den Zylinderkopf abhängig.
Die Kühlung des Zylinderkopfes erfolgt, indem Kühlmittel in den ersten Teilkühlraum des Zylinderkopfes einströmt, zumindest ein Teil des Kühlmittels vom ersten Teilkühlraum über zumindest eine erste Übertrittsöffnung im Bereich der zentralen Aufnahme für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung in den zweiten Teilkühlraum strömt, und das Kühlmittel nach Durchströmen des zweiten Teilkühlraumes aus dem Zylinderkopf austritt. Erfindungsgemäß strömt zumindest ein weiterer Teil des Kühlmittels vom ersten Teilkühlraum über zumindest eine zweite Übertrittsöffnung im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei
benachbarten Gaswechselventilen in den zweiten Teilkühlraum.
Die zweiten Übertrittsöffnungen unterliegen im Vergleich zu gegossenen ersten Übertrittsöffnungen zwischen erstem Teilkühlraum und zweiten Teilkühlraum
weniger Toleranzeinflüssen.
Die genaue Position der zweiten Übertrittsöffnungen kann entsprechend den jeweiligen Kühlungsanforderungen an den jeweiligen Fall angepasst werden. Dabei ist es möglich, in den gewünschten Bereichen sehr hohe Turbulenzen zu generieren
und die Wärmeabfuhr zu verbessern.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der nicht einschränkenden Figuren näher
erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie I-I
in Fig. 3,
Fig. 2 das Detail II aus Fig. 1 und
Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Zylinderkopf 1, welcher für einen oder mehrere Zylinder 16 ausgebildet sein. In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils der Zylinderkopf 1 mit einem Zylinder 16 dargestellt.
Der mit einem Top-Down-Kühlsystem konzipierte Zylinderkopf 1 weist einen oberen, also brennraumfernen ersten Teilkühlraum 2 und einen unteren, also brennraumnahen zweiten Teilkühlraum 3 auf, wobei der erste Teilkühlraum 2 vom zweiten Teilkühlraum 3 durch ein Zwischendeck 4 voneinander getrennt sind. Der zweite Teilkühlraum 3 grenzt an das eine Brennraumdecke bildende Feuerdeck 5. Der an das Feuerdeck 5 grenzende Brennraum ist mit Bezugszeichen 17
angedeutet.
Im Feuerdeck 5 sind pro Zylinder 16 mehrere in den Brennraum 17 mündende Ventilöffnungen 6a, 6b, 6c, 6d für Gaswechselventile 7a, 7b, 7c, 7d angeordnet. Die Gaswechselventile 7a, 7b, 7c, 7d bilden Einlassventile zur Zufuhr von Luft oder einem Luft-Kraftstoffgemisch in den Brennraum und Auslassventile zur Abfuhr von Abgasen aus dem Brennraum 17. Zwischen den Ventilöffnungen 6a, 6b; 6b, 6c; 6c, 6d; 6d, 6a von benachbarten Gaswechselventilen 7a, 7b, 7c, 7d sind Ventilbrücken 8a, 8b, 8c, 8d angeordnet.
Im Bereich der Zylinderachse 16a weist der Zylinderkopf 1 ein beispielsweise durch eine eingesetzte Hülse gebildete zentrale Aufnahme 10 für eine Zündkerze oder eine Einspritzeinrichtung auf. Die zentrale Aufnahme 10 ist beispielsweise konzentrisch zur Zylinderachse 16a ausgebildet. Im Bereich der zentralen Aufnahme 10 ist zumindest eine erste Übertrittsöffnung 11 zwischen dem ersten Teilkühlraum 2 und dem zweiten Teilkühlraum 3 angeordnet ist, welche im Ausführungsbeispiel durch einen Ringspalt zwischen dem Zwischendeck 4 und der Aufnahme 10 gebildet ist.
Zusätzlich zur ersten Übertrittsöffnung 11 ist im Bereich zumindest einer, vorzugsweise jeder, Ventilbrücke 8a, 8b, 8c, 8d jeweils eine zweite Übertrittsöffnung 12a, 12b, 12c, 12d von der Zylinderachse 16a des Zylinders 16 beabstandet angeordnet. Die zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d sind parallel zur Zylinderachse 16a ausgebildet. Die Mitten 13a, 13b, 13c, 13d der zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d sind auf einer Kreislinie 14 um die Zylinderachse 16a angeordnet, deren Durchmesser d zwischen 30% bis 80%, beispielsweise 50%, des Durchmessers D des Zylinders 16 beträgt. Der Abstand a zwischen der Mitte 13a, 13b, 13c, 13d zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung 12a, 12b, 12c, 12d und der Zylinderachse 16a ist im Ausführungsbeispiel geringer
als der Abstand A zwischen einer Ventilachse 9a, 9b, 9c, 9d eines benachbarten
Gaswechselventils 7a, 7b, 7c, 7d und der Zylinderachse 16a. Mit anderen Worten sind die Mitten 13a, 13b, 13c, 13d der zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d im Ausführungsbeispiel näher an der Zylinderachse 16a angeordnet, als die
Ventilachsen 9a, 9b, 9c, 9d der nächstliegenden Gaswechselventile 7a, 7b, 7c, 7d.
Wie aus Fig. 2 deutlich zu entnehmen ist, ist zumindest eine zweite Übertrittsöffnung 12a, 12b, 12c, 12d auf eine Heißstelle 15 der nächstliegenden Ventilbrücke 8a, 8b, 8c, 8d des Feuerdecks 5 gerichtet. Die separaten zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d ermöglichen somit eine gezielte Anströmung und damit eine verbesserte Kühlung im gewünschten Bereich.
Wie durch die Pfeile S in den Fig. 1 und 2 angedeutet, strömt das flüssige Kühlmittel aus dem ersten Teilkühlraum 2 über die erste Übertrittsöffnung 11 und die zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d in den zweiten Teilkühlraum 3, und strömt radial entlang den Ventilbrücken 8a, 8b, 8c, 8d des Feuerdecks 5 nach außen, wobei Wärme von Heißstellen 15 thermisch hoch belasteter Bereiche
aufgenommen und abgeleitet wird.
Durch die individuell auf den jeweiligen Fall auslegbare Anordnung der zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d können in den gewünschten Bereichen sehr hohe Turbulenzen generiert werden und die Kühlung damit verbessert werden.
Ein weiter Vorteil ist, dass Strömungen S durch die zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen sind als die Strömung S durch die erste Übertrittsöffnung 11.

Claims (20)

  1. PATENTANSPRÜCHE
  2. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (16), insbesondere mit einem Top-Down-Kühlsystem, mit einem an ein Zwischendeck (4) grenzenden, brennraumfernen ersten Teilkühlraum (2) und einem an ein Feuerdeck (5) grenzenden, brennraumnahen zweiten Teilkühlraum (3), wobei das Zwischendeck (4) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, und wobei im Bereich einer zentralen Aufnahme (10) für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung zumindest eine vorzugsweise ringförmige erste Übertrittsöffnung (11) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zentrale Aufnahme (10) konzentrisch zu einer Zylinderachse (16a) des Zylinders ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumindest einer Ventilbrücke (8a, 8b, 8c, 8d) zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen (7a, 7b, 7c, 7d) zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet
  3. ist.
  4. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) über einer Heißstelle (15) des Feuerdecks (5) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) auf die Heißstelle (15) gerichtet
  5. ist.
  6. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) im Wesentlichen parallel zu der Zylinderachse (16a) angeordnet ist.
  7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) und der Zylinderachse (16a) 15% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 25%, besonders vorzugsweise etwa 20% des Durchmessers (D) des Zylinders (16) beträgt.
  8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit zumindest zwei Ventilbrücken (8a, 8b, 8c, 8d), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest
  9. 8
  10. eine zweite Übertrittsöffnung (12a) im Bereich einer ersten Ventilbrücke (8a) und zumindest eine weitere zweite Übertrittsöffnung (12b) im Bereich einer zweiten Ventilbrücke (8b) angeordnet ist.
  11. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer ersten Ventilbrücke (8a), im Bereich einer zweiten Ventilbrücke (8b) und im Bereich einer dritten Ventilbrücke (8c), vorzugsweise auch im Bereich einer vierten Ventilbrücke (8d), jeweils zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) angeordnet ist.
  12. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei zweite Übertrittsöffnungen (12a, 12b, 12c, 12d) von der
  13. Zylinderachse (16a) gleich weit entfernt sind.
  14. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitten (13a, 13b, 13c, 13d) von zumindest drei zweiten Übertrittsöffnungen (12a, 12b, 12c, 12d) auf einer Kreislinie (14) um die Zylinderachse (16a) liegen, deren Durchmesser (d) 30% bis 80%, vorzugsweise 35% bis 50%, besonders vorzugsweise etwa 40% des Durchmessers (D) des Zylinders (16)
  15. beträgt.
  16. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit zumindest zwei Ventilbrücken (8a, 8b, 8c, 8d), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) und der Zylinderachse (16a) geringer ist als der Abstand (A) zwischen der Ventilachse (9a, 9b, 9c, 9d) zumindest eines benachbarten Gaswechselventils (7a, 7b, 7c, 7d) und der Zylinderachse (163).
  17. Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Kühlmittel in den ersten Teilkühlraum (2) des Zylinderkopfes (1) einströmt, zumindest ein Teil des Kühlmittels vom ersten Teilkühlraum (2) über zumindest eine erste Übertrittsöffnung (11) im Bereich der zentralen Aufnahme (10) für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung in den zweiten Teilkühlraum (3) strömt, und wobei das Kühlmittel nach Durchströmen des zweiten Teilkühlraumes (3) aus dem Zylinderkopf (1) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Teil des Kühlmittels vom
  18. ersten Teilkühlraum (2) über zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a,
  19. 12b, 12c, 12d) im Bereich zumindest einer Ventilbrücke (8a, 8b, 8c, 8d) zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen (7a, 7b, 7c, 7d) in den zweiten Teilkühlraum (12a, 12b, 12c, 12d) strömt.
  20. 20.03.2019 FÜ
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