AT526344A4 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf - Google Patents

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AT526344A4 ATA50649/2022A AT506492022A AT526344A4 AT 526344 A4 AT526344 A4 AT 526344A4 AT 506492022 A AT506492022 A AT 506492022A AT 526344 A4 AT526344 A4 AT 526344A4
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, mit einem an ein Feuerdeck (3) grenzenden unteren Kühlraum (4) und einem oberen Kühlraum (5), welcher durch ein Zwischendeck (6) vom unteren Kühlraum (4) getrennt ist, und welcher vom Feuerdeck (3) überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum (4), wobei der untere Kühlraum (4) und der obere Kühlraum (5) im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder (2) angeordneten Aufnahmehülse (8) für einen zentral in einen Brennraum (7) mündenden Bauteil (8) über zumindest einen durch eine Überströmöffnung (14) und die Aufnahmehülse (8) gebildeten ringförmigen Überströmkanal (9) im Zwischendeck (6) miteinander strömungsverbunden sind, wobei ein Durchmesser (D) der im Wesentlichen kreisförmigen Überströmöffnung (14) größer ist als ein äußerer Durchmesser (d) der Aufnahmehülse (8), mit einer Einlasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Einlassöffnungen (10E) und einer Auslasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Auslassöffnungen (10A). Um eine optimale Kühlung von thermisch kritischen Bereichen zu erzielen ist vorgesehen, dass die Überströmöffnung (14) exzentrisch in Bezug auf die Aufnahmehülse (8) angeordnet ist, wobei eine durch einen Mittelpunkt (M) der Überströmöffnung (14) verlaufende Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) von der Hülsenachse (8a) der Aufnahmehülse (8) beabstandet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, insbesondere mit mehreren Zylindern, mit einem mit einem an ein Feuerdeck grenzenden unteren Kühlraum und einem oberen Kühlraum, welcher durch ein Zwischendeck vom unteren Kühlraum getrennt ist, und welcher vom Feuerdeck überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum, wobei der untere Kühlraum und der obere Kühlraum im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder - vorzugsweise konzentrisch oder parallel zur Zylinderachse - angeordneten Aufnahmehülse für einen zentral in einen Brennraum mündenden Bauteil über zumindest einen durch eine Überströmöffnung und die Aufnahmehülse gebildeten ringförmigen Überströmkanal im Zwischendeck miteinander strömungsverbunden sind, wobei ein Durchmesser der im Wesentlichen kreisförmigen Überströmöffnung größer ist als ein äußerer Durchmesser der Aufnahmehülse, mit einer Einlasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum mündenden Einlassöffnungen und einer Auslasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum mündenden
Auslassöffnungen.
Als Top-Down-Kühlkonzept wird ein Kühlkonzept bezeichnet, bei dem zuerst der feuerdeckfernere obere Kühlraum und dann erst der feuerdecknahe untere
Kühlraum vom Kühlmittel durchströmt wird.
Aus der WO 2020/188071 A1 ist ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlsystem bekannt, welcher einen an ein Zwischendeck grenzenden oberen Kühlraum und einen an ein Feuerdeck grenzenden unteren Kühlraum aufweist. Im Bereich einer zentralen Aufnahmehülse für eine Einspritzoder Zündeinrichtung ist eine ringförmige Übertrittsöffnung zwischen dem oberen und dem unteren Kühlraum vorgesehen. Die Übertrittsöffnung ist konzentrisch zur
Aufnahmehülse ausgebildet.
Die DE 103 50 394 A1 beschreibt einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einer an ein Feuerdeck grenzenden Kühlraumanordnung, welche durch ein Zwischendeck in einen unteren Teilkühlraum und einen oberen Teilkühlraum unterteilt ist. Die beiden Teilkühlräume sind durch Überströmöffnungen im Bereich einer Aufnahmeöffnung für eine Hülse für eine
zentrale Kraftstoffeinspritzeinrichtung miteinander strömungsverbunden, welche als
Ausbuchtungen der Aufnahmeö$öffnung ausgebildet sind. Ähnliche Kühlanordnungen sind aus der EP 2998 555 A1, der EP 3 333 398 A1 oder der WO 2012/004340 A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es auf fertigungstechnisch einfache Weise eine optimale Kühlung von thermisch kritischen Bereichen des Zylinderkopfes zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Überströmöffnung exzentrisch in Bezug auf die Aufnahmehülse angeordnet ist, wobei eine durch einen Mittelpunkt der Überströmöffnung verlaufende Mittelachse der Überströmöffnung von der Hülsenachse der Aufnahmehülse beabstandet ist, wobei vorzugsweise die Mittelachse der Überströmöffnung und die Hülsenachse parallel zueinander angeordnet sind.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Hülsenachse und der Mittelachse der Überströmöffnung geringer als ein halber äußerer Durchmesser der Aufnahmehülse.
Um eine optimale Kühlung zu erzielen ist es vorteilhaft, wenn die Mittelachse der Überströmöffnung auf der Auslassseite angeordnet ist und/oder einer Auslassventilbrücke zwischen zwei Auslassöffnungen näher angeordnet ist als einer Einlassventilbrücke zwischen zwei Einlassöffnungen. Mit anderen Worten ist die exzentrische Überströmöffnung in Richtung der Auslassventilbrücke zwischen den
beiden Auslassventilen orientiert.
Die Überströmöffnung kann gusstechnisch und/oder durch spanende Bearbeitung
des Zwischendecks gebildet sein.
Durch die exzentrisch ausgebildete Überströmöffnung ergibt sich ein Überströmkanal mit exzentrischem Überströmquerschnitt, welcher auf der Auslassseite größer ist als auf der Einlassseite. Dadurch kann bei geringen
Kühlmittelmengen eine verbesserte Kühlung erzielt werden.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zwischendeck zumindest eine vorzugsweise gusstechnisch hergestellte lokale Zwischendeckerhöhung im Bereich der Überströmöffnung aufweist. Auf diese Weise wird die Kühlstrecke in Richtung der Zylinderachse verlängert und damit die
Kühlwasserströmung in Richtung des Feuerdecks verbessert. Weiters kann durch die Zwischendeckerhöhung die Struktursteifigkeit erhöht werden, indem sie eine vertikale Stützstruktur des Zylinderkopfes mit dem Zwischendeck verbindet. Die vertikale Stützstruktur verbindet innerhalb des Zylinderkopfes in vertikaler Richtung das Öldeck mit dem Feuerdeck. Die vertikale Stützstruktur erstreckt sich dabei zwischen den Ventilführungen und/oder den der Einlass- und Auslassöffnungen und der Überströmöffnung. Eine ähnliche Stützstruktur ist beispielsweise aus der
AT 522 060 B1 bekannt.
Vorteilhafterweise ist die Zwischendeckerhöhung ringförmig ausgebildet und konzentrisch um die Überströmöffnung angeordnet. Günstigerweise kann die Zwischendeckerhöhung zwischen den Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen und der Überströmöffnung angeordnet sein. Die Zwischendeckerhöhung liegt also ringförmig um die Aufnahmehülse zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen und der Überströmöffnung und ist in die vertikale Stützstruktur des Zylinderkopfes
eingebunden.
Um die Verluste beim Strömungsübertritt zwischen den beiden Kühlräumen zu vermindern ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Zwischendeckerhöhung auf einer an die Überströmöffnung grenzenden Innenseite im Bereich einer die dem
Zwischendeck abgewandten Oberseite eine Einlauffase aufweist.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überströmöffnung zumindest eine Ausbuchtung aufweist, wobei vorzugsweise die Ausbuchtung im Bereich einer Ventilbrücke angeordnet ist. Als Ausbuchtung ist hier eine von der Kreisform der Überströmöffnung nach außen abweichende Querschnittserweiterung zu verstehen. Dies ermöglicht es den Durchfluss der zwischen dem oberen Kühlraum und dem unteren Kühlraum übertretenden Kühlmittelmenge zu erhöhen
und damit die Wärmeabfuhr zu verbessern.
Der gesamte Übertrittsquerschnitt zum Kühlmittelübertritt zwischen dem oberen Kühlraum und dem unteren Kühlraum ergibt sich als Kombination von bearbeiteten und gegossenen Übertritten im Bereich der Aufnahmehülse, also durch die kreisförmige exzentrische Übertrittsöffnung und die zusätzlichen Ausbuchtungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer ersten Ausführungsvariante
in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in Fig. 2;
Fig. 2 diesen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1; und
Fig. 3 den Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 2.
Die Fign. 1 und 2 zeigen einen Zylinderkopf 1 für eine Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern 2 . Der Zylinderkopf 1 weist einen an ein Feuerdeck 3 grenzenden unteren Kühlraum 4 und einen vom Feuerdeck 3 beabstandeten oberen Kühlraum 5 auf, welcher durch ein Zwischendeck 6 vom unteren Kühlraum 4 getrennt ist. Die Begriffe „unten“ und „oben“ beziehen sich auf die in Fig. 1 ersichtliche Darstellung und nicht auf die tatsächliche Einbaulage der Brennkraftmaschine im Betrieb. Die tatsächliche Einbaulage des Zylinderkopfes 1
kann daher von der in Fig. 1 ersichtlichen Orientierung abweichen.
Der obere Kühlraum 5 ist vom Feuerdeck 3 überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum 4. Der untere Kühlraum 4 und der obere Kühlraum 5 sind im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder 2 beispielsweise konzentrisch und parallel zur Zylinderachse 2a angeordneten Aufnahmehülse 8 für einen zentral in einen Brennraum 7 mündenden Bauteil 80, wie beispielsweise eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündeinrichtung, über zumindest einen Überströmkanal 9 im Zwischendeck 6 miteinander strömungsverbunden. Der Zylinderkopf 1 weist zwei in den Brennraum 7 mündende Einlassöffnungen 10E für eine nicht weiter dargestellte Einlasskanalanordnung auf einer Einlassseite E des Zylinderkopfes 1 und zwei in den Brennraum 7 mündende Auslassöffnungen 10A für eine nicht weiter dargestellte Auslasskanalanordnung auf einer Auslassseite A des Zylinderkopfes 1 auf.
Zwischen den Einlassöffnungen 10E sind Einlassventilbrücken 11 und zwischen den Auslassöffnungen 10A Auslassventilbrücken 12 ausgebildet. Zwischen jeweils einer Einlassöffnung 9 und einer Auslassöffnung 10 befindet sich je eine Einlass/Auslassventilbrücke 13. Der untere Kühlraum 4 weist Im Bereich der Einlassventilbrücke 11, im Bereich der Auslassbrücke 12 und im Bereich der Einlass-/Auslassventilbrücken 13 je einen Brückenkanal 41, 42, 43 auf. Die Brückenkanäle 41, 42, 43 sind in Fig. 2 durch strichlierte Linien angedeutet.
Der Überströmkanal 9 zwischen dem oberen Kühlraum 5 und dem unteren Kühlraum 4 ist im Wesentlichen in Richtung der Zylinderachse 2a orientiert. Er wird durch eine im Zwischendeck 6 angeordnete im Wesentlichen kreisförmige Überströmöffnung 14 und die beispielsweise zylindrische äußere Mantelfläche 8b der Aufnahmehülse 8 gebildet. Die Überströmöffnung 14 kann gusstechnisch in den Zylinderkopf 1 eingeformt und/oder durch spanende Bearbeitung des Zwischendecks 6 gebildet sein.
Die Überströmöffnung 14 des Überströmkanals 9 ist exzentrisch in Bezug auf die Hülsenachse 8a der Aufnahmehülse 8 angeordnet. Der Überströmkanal 9 weist einen im Wesentlichen ringförmigen, exzentrischen Querschnitt auf. Der Durchmesser D der Überströmöffnung 9 ist größer als der äußere Durchmesser d der Aufnahmehülse 8. Eine durch den Mittelpunkt M der kreisförmigen Überströmöffnung 14 verlaufende Mittelachse 14a der Überströmöffnung 14 ist von der Hülsenachse 8a der Aufnahmehülse 8 beabstandet. Die Mittelachse 14a der Überströmöffnung 14 und die Hülsenachse 8a sind beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die Mittelachse 14a der Überströmöffnung 14 ist auf der Auslassseite A angeordnet. Mit anderen Worten ist die Mittelachse 14a näher zu der Auslassventilbrücke 12 zwischen den zwei Auslassöffnungen 10A angeordnet als zu der Einlassventilbrücke 11 zwischen den zwei Einlassöffnungen 10E. Der Abstand a zwischen der Hülsenachse 8a und der Mittelachse 14a ist dabei geringer als der halbe äußere Durchmesser d der Aufnahmehülse 8, insbesondere geringer als ein Viertel des äußeren Durchmessers d der Aufnahmehülse 8. Durch die exzentrisch angeordnete Überströmöffnung 14 ergibt sich ein exzentrisch geformter Überströmkanal 9, welcher auf der Auslassseite A einen größeren Querschnitt aufweist als auf der Einlassseite E (siehe Fig. 2).
Weiters kann zumindest eine beispielsweise gusstechnisch hergestellte Zwischendeckerhöhung 16 zwischen einer Einlassöffnung 10E und/oder einer Auslassöffnung 10A und der Überströmöffnung 14 angeordnet sein. Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführung, bei der eine ringförmig und konzentrisch um die Überströmöffnung 14 und die Aufnahmehülse 8 angeordnete Zwischendeckerhöhung 16 zwischen den Auslassöffnungen 10A bzw. Einlassöffnungen 10E und der Überströmöffnung 14 vorgesehen ist. Die Position der Zwischendeckerhöhung 16 ist durch strichlierte Linien in Fig. 2 angedeutet. Die Zwischendeckerhöhung 16 verbindet eine vertikale Stützstruktur 18 des
Zylinderkopfes 1 mit dem Zwischendeck 6. Dadurch kann die Struktursteifigkeit des Zylinderkopfes 1 erhöht werden. Die vertikale Stützstruktur 18 verbindet innerhalb des Zylinderkopfes 1 in vertikaler Richtung das Öldeck 19 mit dem Feuerdeck 4 und erstreckt sich zwischen den Ventilführungen und/oder den der Einlass- 10E und Auslassöffnungen 10A und der Überströmöffnung 14.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die Zwischendeckerhöhung 16 im
Ausführungsbeispiel auf einer an die Überströmöffnung 14 grenzenden Innenseite im Bereich einer die dem Zwischendeck 6 abgewandten Oberseite eine Einlauffase 17 auf, um die Strömungsverluste beim Strömungsübertritt zwischen dem oberen
Kühlraum 5 und dem unteren Kühlraum 4 zu minimieren.
Durch die Zwischendeckerhöhungen 16 wird die Kühlstrecke in Richtung der Zylinderachse 2a verlängert und die Kühlwasserströmung in Richtung des Feuerdecks 4 verbessert. Weiters wird durch die Zwischendeckerhöhung 16 die Struktursteifigkeit erhöht.
Die Überströmöffnung 14 kann zumindest eine Ausbuchtung 15 im Bereich einer Ventilbrücke, beispielsweise der Auslassventilbrücke 12, aufweisen, um den Durchfluss der zwischen dem oberen Kühlraum 5 und dem unteren Kühlraum 4 übertretenden Kühlmittelmenge zu erhöhen und damit die Wärmeabfuhr zu verbessern. Die Ausbuchtung 15 ist in Fig. 3 durch strichliert Linien angedeutet.
Zwischendeckerhöhung und vertikale Stützstruktur sind in Fig. 3 nicht dargestellt.
Der Zylinderkopf 1 weist ein sogenanntes Top-Down Kühlkonzept auf. Als TopDown-Kühlkonzept wird ein Kühlkonzept bezeichnet, bei dem zuerst der feuerdeckfernere obere Kühlraum 5 und dann erst der feuerdecknahe untere
Kühlraum 4 vom Kühlmittel durchströmt wird.
Die Kühlflüssigkeit strömt im Zylinderkopf 2 gemäß den Pfeilen P im oberen Kühlraum 5 radial Richtung Aufnahmehülse 8 und gelangt über den exzentrisch ausgebildeten Überströmkanal 9 in den unteren Kühlraum 4. Dabei wird die Aufnahmehülse 8 und der von der Aufnahmehülse 8 aufgenommene Bauteil 80 gekühlt. Das Kühlmittel strömt dabei durch die Brückenkanäle 41, 42, 43 des unteren Kühlraumes 4 radial nach außen, wobei die thermisch kritischen Bereiche der Auslassventilbrücke 12, aber auch die Einlassventilbrücke 11 und Einlass/Auslassventilbrücken 13 gekühlt werden (Fig. 1). Durch die exzentrische Form des
Überströmkanals 9 strömt wesentlich mehr Kühlmittel auf der Auslassseite A durch den Überströmkanal 9 vom oberen Kühlraum 5 in den unteren Kühlraum 4 als auf
der Einlassseite E.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, insbesondere mit mehreren Zylindern (2), mit einem an ein Feuerdeck (3) grenzenden unteren Kühlraum (4) und einem oberen Kühlraum (5), welcher durch ein Zwischendeck (6) vom unteren Kühlraum (4) getrennt ist, und welcher vom Feuerdeck (3) überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum (4), wobei der untere Kühlraum (4) und der obere Kühlraum (5) im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder (2) vorzugsweise konzentrisch oder parallel zur Zylinderachse (2a) angeordneten Aufnahmehülse (8) für einen zentral in einen Brennraum (7) mündenden Bauteil (8) über zumindest einen durch eine Überströmöffnung (14) und die Aufnahmehülse (8) gebildeten ringförmigen Überströmkanal (9) im Zwischendeck (6) miteinander strömungsverbunden sind, wobei ein Durchmesser (D) der im Wesentlichen kreisförmigen Überströmöffnung (14) größer ist als ein äußerer Durchmesser (d) der Aufnahmehülse (8), mit einer Einlasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Einlassöffnungen (10E) und einer Auslasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Auslassöffnungen (10A), dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) exzentrisch in Bezug auf die Aufnahmehülse (8) angeordnet ist, wobei eine durch einen Mittelpunkt (M) der Überströmöffnung (14) verlaufende Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) von der Hülsenachse (8a) der Aufnahmehülse (8) beabstandet ist, wobei vorzugsweise die Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) und die Hülsenachse (8a) parallel zueinander angeordnet sind.
    Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen der Hülsenachse (8a) und der Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) geringer ist als ein halber äußerer Durchmesser (d) der Aufnahmehülse (8), vorzugsweise geringer als ein Viertel des halben äußeren Durchmessers (d) der Aufnahmehülse (8).
    Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) des Überströmkanals (9) durch spanende
    Bearbeitung des Zwischendecks (6) gebildet ist.
    4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (6) zumindest eine Zwischendeckerhöhung (16) im Bereich der Überströmöffnung (14) aufweist.
    5. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise gusstechnisch hergestellte Zwischendeckerhöhung (16) zwischen Einlassöffnungen (10E), Auslassöffnungen (10A) und der Überströmöffnung (14) angeordnet ist.
    6. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischendeckerhöhung ringförmig ausgebildet und konzentrisch um die Überströmöffnung (9) angeordnet ist.
    7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischendeckerhöhung (16) auf einer an die Überströmöffnung (9) grenzenden Innenseite im Bereich einer die dem Zwischendeck (6) abgewandten Oberseite eine Einlauffase (17) aufweist.
    8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischendeckerhöhung (16) eine vertikale Stützstruktur (18) des Zylinderkopfes (1) mit dem Zwischendeck (6)
    verbindet.
    9. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) auf der Auslassseite (A) angeordnet ist und/oder einer Auslassventilbrücke (12) zwischen zwei Auslassöffnungen (10A) näher angeordnet ist als einer Einlassventilbrücke (11) zwischen zwei Einlassöffnungen (10E).
    10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) zumindest eine Ausbuchtung (15) aufweist, wobei vorzugsweise die Ausbuchtung (15) im
    Bereich einer Auslassventilbrücke (12) angeordnet ist.
    23.08.2022
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