AT6295U1

AT6295U1 - Zylinderkopf einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT6295U1
Application number: AT0020802U
Authority: AT
Inventors: Marko-Dejan Dipl Ing Vide
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2003-07-25
Also published as: DE10314906A1; DE10314906B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (2) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen (6) pro Zylinder (10), welche im geschlossenen Zustand jeweils auf einem Ventilsitz (5) aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz (5) von einem ringförmigen Wärmerohr (3, 4) umgeben ist. Um auf möglichst einfache Weise eine gleichmäßige Temperaturverteilung herzustellen ist vorgesehen, dass zumindest zwei Wärmerohre (3, 4) miteinander thermisch verbunden, vorzugsweise strömungsverbunden, sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen pro Zylinder, welche im geschlossenen Zustand jeweils auf ei- nem Ventilsitz aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz von einem ringförmigen
Wärmerohr umgeben ist.

Bei Brennkraftmaschinen werden die Bereiche der Mündungen von Einspritzein- richtungen in die Brennräume und der Ventilsitze besonders hoch thermisch be- ansprucht, da in diesen Bereichen häufig nicht genügend Bauraum für einen of- fenen Kühlmittelkanal zur Verfügung steht, um die entstehende Wärme ausrei- chend schnell abführen zu können. Diese hohen lokalen Wärmebelastungen ("hot spots") können ein Verformen dieser Stellen, Undichtheiten, Risse und eine Schädigung von benachbarten Funktionsteilen zur Folge haben, die zum Versa- gen der gesamten Maschine führen können.

Aus der DE 2 242 947 A1 ist ein Zylinderkopf bekannt, welcher im Bereich des Ventilsitzes ein Wärmerohr in Form einer ringförmigen Schleife aufweist, welche die Verdampferzone bildet. Das zulaufende Ende und das ablaufende Ende, die beide eine Kondensationszone bilden, sind parallel zueinander ausgerichtet. Das Wärmerohr ist im Zylinderkopf eingegossen, wobei die die Kondensationszone bildenden, radial weg verlaufenden Enden in die Umgebungsluft oder in das Kühlwasser des Zylinderkopfes hineinragen. Im Bereich des Überganges der Schleife in die parallelen Enden des Wärmerohres ist der Ventilsitz jedoch nur gering gekühlt, so dass eine gleichmässige Temperaturverteilung über den ge- samten Umfang des Ventilsitzes nicht gegeben ist.

Aus der DE 40 31 083 Cl ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher zur Kühlung des Ventilsitzes eines Ventiles ein Wärmerohr aufweist, des- sen Verdampferzone als ein axial an der Stelle des Ventilsitzes einsetzbarer Ven- tilsitzring ausgebildet ist, der entlang seines gesamtes Umfanges hohl ist. An den Ventilsitzring ist ein zu der Einsteckrichtung des Ventilsitzringes achsparallel aus- gerichtetes und die Kondensationszone bildendes, nach aussen abgeschlossenes Rohr angeordnet, dessen Hohlraum frei mit dem Hohlraum des Ventilsitzringes strömungsverbunden ist. Das Rohr, welches dichtend durch eine Einsteckberüh- rung einer Kühlkanalwandung des Zylinderkopfes hindurch gesteckt ist, ragt in den Kühlmittelkanal hinein. Auf diese Weise soll eine gleichmässige Kühlung des Ventilsitzringes gewährleistet werden.

Allerdings lässt sich dadurch nicht verhin- dern, dass heissere und kühlere Bereiche in der Zylinderkopfdecke auftreten (selbst, wenn alle Ventile diese Applikation besitzen), wodurch diese unterschied- liche Wärmedehnungen erfährt. Unterschiedliche Wärmedehnungen in der Zylin- derkopfdecke können wiederum zur Rissbildung führen.

Auch aus der US 3,822,680 A ist ein Ventilsitzring für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher durch ein Wärmerohr umgeben ist, um eine gleichmässige Tem- peraturverteilung im Ventilsitz zu erreichen. Durch das am Ventilsitzumfang lie- gende Wärmerohr wird zwar bei jedem Ventil eine Vergleichmässigung der Um- fangstemperaturen erreicht, eine Kühlung im engeren Sinn - sowohl der einzel- nen Ventilsitze, als auch der Zylinderkopfdecke - ist mit dieser bekannten An- ordnung jedoch nicht gegeben. Ein zusätzlicher Nachteil dieser bekannten Anord- nung ist die Tatsache, dass der Hohlraum, der das Wärmerohr bildet über einen
Presssitz ausgeführt ist. Eine solche Verbindung bietet bei Anwendung in Wär- merohren keinerlei Sicherheiten gegen Undichtheiten.

Der Angriff des Arbeits- mitteldampfes in einem Wärmerohr ist derart extrem, dass ein Versagen eines in dieser Weise aufgebauten Wärmerohres mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits nach einigen wenigen Minuten eintreten kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs erwähnten Art einerseits eine möglichst gleichmässige Temperaturverteilung am gesamten Um- fang jedes einzelnen Ventilsitzes und andererseits eine möglichst gleiche Tem- peratur aller Ventilsitze und eine möglichst gleichmässige Temperaturverteilung im Bereich der Zylinderkopfdecke zu erreichen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zumindest zwei Wärmerohre miteinander thermisch verbunden, vorzugsweise strömungsverbunden, sind. Da- durch, dass zumindest zwei ringförmige Wärmerohre miteinander strömungsver- bunden sind, wird ein selbstregelnder Temperaturausgleich von heisseren und kühleren Bereichen der Zylinderkopfdecke geschaffen. Zusätzlich ist neben dieser Temperaturvergleichmässigung eine echte Kühlwirkung gegeben. Die am Ventil- sitz bzw. dem Bereich der Einspritz- und/oder Zündvorrichtungen, sowie dem Zylinderkopfboden anfallende Wärmemenge wird über die Wärmerohre zum Mo- tor-Kühlmittelkreislauf, oder zum Motor-Schmierölkreislauf (oder zu beiden) ge- führt.

Dadurch wird neben einer Beschränkung der maximal erreichbaren Bau- teiltemperaturen (bei gegebener Leistung) durch eine aktive Kühlung auch ein deutlich verbessertes Warmlaufverhalten des Motors erreicht.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest zwei Ventilsitze jeweils von einem ringförmigen Wärmerohr umgeben sind und diese Wärmerohre miteinan- der strömungsverbunden sind. Auf diese Weise ist eine Temperaturableitung von heisseren Ventilsitzen zu kühleren Ventilsitzen möglich.

Bei einem Zylinderkopf mit zumindest einen in den Brennraum mündenden Bau- teil ist es zur Erzielung eines Temperaturausgleiches sehr vorteilhaft, wenn ein weiteres Wärmerohr um ein vorzugsweise zentral angeordnetes Bauteil, vor- zugsweise eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündeinrichtung, angeordnet ist.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest ein, einen Ventilsitz umge- bendes, Wärmerohr mit einem weiteren Wärmerohr strömungsverbunden ist.

Die Wärmerohre können über Verbindungskanäle miteinander verbunden sein.

Alternativ dazu ist es aber auch möglich, dass sich zumindest zwei benachbarte
Wärmerohre miteinander schneiden und somit eine brillen- oder achterförmige
Wärmerohranordnung entsteht. Dabei können auch mehrere dieser brillen- oder achterförmigen Wärmerohranordnungen miteinander strömungsverbunden sein bzw. aneinander gekoppelt sein. Die Wärmerohre werden bevorzugt zusammen mit dem Zylinderkopf gegossen (Salzkernmethode). Um das Entkernen zu er- leichtern und das Befüllen der Wärmerohre mit dem Arbeitsmedium zu ermögli- chen, ist vorgesehen, dass von jedem Wärmerohr mindestens ein, vorzugsweise mindestens zwei Füllungs- oder Entlüftungskanäle ausgehen. Diese Füllungs- oder Entlüftungskanäle können zur Wärmeabfuhr in den Kühlmittelkreislauf, in den Schmierölkreislauf und/oder in die Umgebung ragen.

Damit ist eine echte, aktive Kühlung jedes einzelnen Wärmerohrverbandes gewährleistet.

Die Erfindung eignet sich besonders gut dazu, um einen Temperaturausgleich zwischen Einlass- und Auslassseite zu schaffen. Um dies zu erreichen, ist vorge- sehen, dass die Wärmerohre von Ventilsitzen von zumindest einem Einlassventil und zumindest einem Auslassventil miteinander verbunden sind.

Eine besonders gute gleichmässige Temperaturverteilung der Zylinderkopfdecke lässt sich erreichen, wenn pro Zylinder die Wärmerohre aller Ventilsitze mitein- ander verbunden sind.

In weiterer Ausführung der Erfindung kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, dass die Wärmerohre von Ventilsitzen unterschiedlicher Zylinder miteinander verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich auch ein Temperaturausgleich der Zy- linderkopfdecken benachbarter Zylinder erreichen.

Obendrein gibt es einen Warmlaufeffekt: Wird die Wärmemenge, die ziemlich schnell (sofort nach dem Motorstart) in den beschriebenen Zylinderkopfbereichen vorhanden ist, über die Wärmerohre und die Füllungs- oder Entlüftungskanäle ins Kühlmittel und/oder Schmieröl geleitet, bedeutet dies, dass der Motor im Ver- gleich zu bekannten Brennkraftmaschinen schneller warm wird und somit rascher seine Betriebstemperatur erreicht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine Wärmerohranordnung eines erfindungsge- mässen Zylinderkopfes in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägan- sicht, Fig. 2 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht, Fig. 3 diese Wärmerohranordnung in einer Draufsicht, Fig. 4 eine Wärmerohranordnung in

einer zweiten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, Fig. 5 diese Wärme- rohranordnung in einer Seitenansicht, Fig. 6 diese Wärmerohranordnung in einer
Draufsicht, Fig. 7 eine Wärmerohranordnung in einer dritten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, Fig. 8 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht,
Fig. 9 diese Wärmerohransicht in einer Draufsicht, Fig. 10 eine Wärmerohranord- nung in einer vierten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, Fig. 11 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht, Fig.

12 diese Wärmerohranordnung in einer Draufsicht, Fig. 13 einen erfindungsgemässen Zylinderkopf mit einer Wärmerohranordnung gemäss den Fig. 1 bis 3 in einem Schnitt gemäss der Linie XIII - XIII in Fig. 3 und Fig. 14 einen Zylinderkopf mit einer Wärmerohranord- nung gemäss den Fig. 7 bis 9 in einem Schnitt nach der Linie XIV - XIV in Fig. 9.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszei- chen versehen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Wärmerohranordnung 1 für einen Zylinderkopf 2 ei- ner Brennkraftmaschine. Die Wärmerohranordnung 1 besteht aus mehreren ringförmigen Wärmerohren 3,4, welche miteinander strömungsverbunden sind.

Die Wärmerohre 3 sind dabei jeweils im Bereich der Ventilsitze 5 der Hubventile 6 im Zylinderkopf angeordnet, wie insbesondere aus Fig. 14 hervorgeht. Bei dem in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ventilsitze 5 durch Ventilsitz- ringe 5a gebildet.

Das ringförmige Wärmerohr 4 ist um einen zentralen Bauteil 12, beispielsweise eine Einspritzeinrichtung (siehe Fig. 13) angeordnet.

Bei den in den Fig. 1 bis 3,4 bis 6 und 10 bis 12 dargestellten Ausführungs- varianten sind die Wärmerohre 3 und 4 jeweils durch Verbindungskanäle 7 mit- einander strömungsverbunden. Die Verbindungskanäle 7 können aber auch ent- fallen, wenn benachbarte Wärmerohre 3 sich gegenseitig durchdringen bzw. schneiden, wie in den Fig. 7 bis 9 gezeigt ist. Dadurch entsteht ein brillen- bzw. achterförmiges Erscheinungsbild in der Draufsicht.

Die Wärmerohranordnung 1 wird zusammen mit dem Zylinderkopf 2 gegossen, wobei verlorene Kerne, beispielsweise Salzkerne, eingesetzt werden. Um die Entfernung der Salzkerne nach dem Giessen zu ermöglichen, weist jedes Wär- merohr 3,4 einen Füllungs- bzw. Entlüftungskanal 8a, 8b auf. Zumindest ein Fül- lungs- bzw. Entlastungskanal 8a, 8b kann zur Füllung des Wärmerohrmediums verwendet werden. Sämtliche Füllungs- bzw. Entlüftungskanäle 8a, 8b werden nach vorgenommener Füllung gasdicht verschlossen. Der Winkel a zwischen den Füllungs- bzw. Entlüftungskanälen 8a, 8b und einer Zylinderkopfdichtebene 9 kann zwischen 0 bis 90 betragen.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen Wärmerohranordnungen 1 für einen Zylinder 10 eines
Zylinderkopfes 2, bei der die Wärmerohre 3 von jeweils zwei Ventilsitzen 5 über Verbindungskanäle 7 miteinander verbunden sind. Somit kann beispielsweise der Ventilsitz 5 eines Einlassventiles 6a mit dem Ventilsitz 5 eines Auslassventiles 6b thermisch verbunden werden, wodurch ein Temperaturausgleich zwischen Ein- lass- und Auslassseite hergestellt wird. Die Wärmerohranordnungen 1 für zwei Ventilsitzpaare eines Zylinders 10 können ebenfalls über Verbindungskanäle 7 miteinander verbunden sein, wie in Fig. 4 durch strichlierte Linien angedeutet ist.

Auf diese Weise lässt sich ein guter Temperaturausgleich für die gesamte Zylin- derkopfdecke 11 eines Zylinders 10 des Zylinderkopfes 2, aber auch zwischen benachbarten Zylindern 10 schaffen.

Durch die gleichmässigere Temperaturverteilung am Zylinderkopfboden 11 wer- den Verzugserscheinungen des Zylinderkopfes 2 und damit Undichtheiten im Bereich der Ventilsitze 5 vermieden, was sich vorteilhaft auf die Standzeit der Hubventile 6 und Ventilsitzringe 5 sowie der Einspritzeinrichtung auswirkt. Zu- sätzlich wird durch die Vermeidung von lokalen Übertemperaturen ("hot spots") die Rissneigung des Zylinderkopfgusswerkstoffes herabgesetzt. Es kann also mit ein und demselben Zylinderkopfgusswerkstoff eine höhere Leistung des Motors realisiert werden. Oder - anders ausgedrückt - man kann die gleiche Leistung des Motors mit einem minderwertigeren (und damit in der Regel billigeren und/oder leichter bearbeitbaren) Zylinderkopfgusswerkstoff erreichen.

Darüber hinaus haben die beschriebenen Wärmerohre durch ihre sehr kleine thermische Trägheit auch im dynamischen Betrieb grosse Vorteile. Auftretende Temperatur- differenzen werden sehr viel schneller ausgeglichen, als über bekannte und bis jetzt verwendete Wärmeleitungsmechanismen allein.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Zylinderkopf (2) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen (6) pro Zylinder (10), welche im geschlossenen Zustand jeweils auf einem Ventilsitz (5) aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz (5) von einem ring- förmigen Wärmerohr (3,4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3,4) miteinander thermisch verbunden, vor- zugsweise strömungsverbunden, sind.
2. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest zwei Ventilsitze (5) jeweils von einem Wärmerohr (3) umgeben sind und diese Wärmerohre (3) miteinander thermisch, vorzugsweise strö- mungsverbunden, sind.
3. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Wärmerohr (4) um einen vorzugsweise zentral angeordneten Bauteil (12), vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündeinrich- tung, angeordnet ist.
4. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest ein einen Ventilsitz (5) umgebendes Wärmerohr (3) mit dem weiteren Wärmerohr (4) thermisch, vorzugsweise strömungsverbunden, ist.
5. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3,4) durch zumindest einen Verbindungskanal(7) miteinander verbunden sind.
6. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass sich zumindest zwei benachbarte Wärmerohre (3,4) mit- einander schneiden.
7. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Wärmerohre (3,4) zusammen mit dem Zylinderkopf ge- gossen sind.
8. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass von jedem Wärmerohr (3,4) zumindest ein, vorzugsweise zumindest zwei Füllungs- oder Entlüftungskanäle (8a, 8b) ausgehen.
9. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Wärmerohre (3,4) von Ventilsitzen (5) von zumindest einem Einlassventil (6a) und zumindest einem Auslassventil (6b) miteinan- der verbunden sind. <Desc/Clms Page number 7>
10. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass pro Zylinder (10) die Wärmerohre (3,4) aller Ventilsitze (5) miteinander verbunden sind.
11. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Wärmerohre (3,4) von Ventilsitzen (5) unterschiedlicher Zylinder (10) miteinander verbunden sind.
12. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3,4) eine brillen- oder ach- terförmige Wärmerohranordnung (1) bilden.
13. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu- mindest zwei brillen- oder achterförmigen Wärmerohranordnungen (3,4) miteinander verrbunden sind.