DE10048582A1

DE10048582A1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10048582A1
Application number: DE2000148582
Authority: DE
Inventors: Manfred Kloft; Jan Gaertner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-30
Filing date: 2000-09-30
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2020-10-01
Also published as: DE10048582B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Vierventil-Zylinderkopf, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum ein Kühlmittelraum ausgestaltet ist, der die Einlass- und Auslasskanäle sowie den Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil zumindest teilweise umgibt. Es wird die Aufgabe gelöst, einen solchen Zylinderkopf zu schaffen, der eine verbesserte Brennraumkühlung im Zylinderkopf gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen gewährleistet. Dies soll durch eine definierte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den wärmegefährdeten Bereichen erreicht werden. Die Aufgabe wird gelöst, indem jeder Kühlmittelraum (1) mindestens einen senkrechten Zuführkanal (7) aufweist, der an seiner Einlassseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslassseite in einen, quer zum Zylinderkopf verlaufenden unteren Abschnitt (1¶u¶) des Kühlmittelraumes (1) übergeht, der den Aufnahmeschacht (6) für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil und die Auslasskanäle (3) teilweise umgibt und der an seiner, der Verteilerleiste gegenüberliegenden Seite einen Überströmkanal (11) aufweist, über den dieser untere Abschnitt (1¶u¶) mit dem oberen Abschnitt (1¶o¶) des Kühlmittelraumes (1) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Vierventil-Zylinderkopf, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum ein Kühlmittelraum ausgestaltet ist, der die Einlass- und Auslasskanäle sowie den Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil zumindest teilweise umgibt und der einen Zuführkanal für das Kühlmittel aufweist, wobei das einströmende Kühlmittel zunächst in einem begrenzten und nach oben geschlossenen Abschnitt geführt wird, bevor es in die oberen Bereiche des Kühlmittelraumes strömen kann.

Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch begründete Forderungen zu beachten, wobei insbesondere eine Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission angestrebt wird. Eine wesentliche Komponente ist hierbei die Kühlung der Brennkraftmaschine. So bewirken z. B. überdimensionierte Kühlmittelkanäle mit großen Kühlmittelmengen niedrige Kühlmittelgeschwindigkeiten und damit eine geringe Wärmeabfuhr. Konventionelle Wasserräume werden im überwiegenden Teil mit Strömungsgeschwindigkeiten weit unter 1 m/s durchströmt. Für die konstruktive Ausgestaltung der Kühlmittelführung müssen jedenfalls zahlreiche Parameter beachtet werden, um eine funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine realisieren zu können.

Aus DE 196 37 122 C1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt. Im Zylinderkopfgehäuse sind Kühlmittelräume vorgesehen, die mit der Kühlmittelführung des Kurbelgehäuses verbunden sind. Durch eine brennraumbezogene Aufteilung dieser Kühlmittelräume ist eine weitgehend gleichmäßige Wärmeabführung für alle Zylinder möglich. Allerdings weisen die Kühlmittelräume ein relativ großes Volumen auf. Das Kühlmittel sucht physikalisch bedingt grundsätzlich den Weg des geringsten Strömungswiderstandes. Deshalb wird mit dieser technischen Lösung eine zwangsläufig gerichtete Kühlung der besonders warmen Zonen im Zylinderkopf nicht erreicht. Ein weiterer Nachteil ist die konstruktive Ausgestaltung der Verbindung zwischen der Kühlmittelführung im Zylinderkurbelgehäuse und im Zylinderkopf. Diese erfolgt für jeden Kühlmittelraum im Zylinderkopf über vier Zulaufkanäle, die unmittelbar neben der Brennraumwand verlaufen. Dies erfordert neben einem hohen gusstechnischen Aufwand zusätzliche Aufwendungen für eine funktionssichere Abdichtung.

Bei der in DE 36 03 674 A1 beschriebenen Brennkraftmaschine ist im Übergangsbereich von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf ein Zuführungskanal für das Kühlmittel ausgestaltet, der in Längsrichtung des Zylinderblockes verläuft und die Funktion einer Verteilerleiste hat. Das Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe zunächst in diese Verteilerleiste gefördert und strömt von hier über Bohrungen zu den Zylinderlaufbuchsen und zum Zylinderkopf. Im Zylinderkopf strömt das Kühlmittel quer zur Längsrichtung des Zylinderblockes bis zu einem Austrittskanal, der ebenso wie die Verteilerleiste in Längsrichtung des Zylinderblockes verläuft und dieser gegenüberliegt. Mit einer derartigen Querstromkühlung kann das Kühlmittel näher an die besonders warmen Bereiche im Zylinderkopf (Auslassventil usw.) geführt werden. Nachteilig sind jedoch die groß demissionierten Wasserräume im Zylinderkopf. Das Kühlmittel sucht auch hier den Weg des geringsten Strömungswiderstandes, so dass auch mit DE 36 03 674 A1 keine gerichtete, intensive Kühlung der besonders warmen Zonen im Zylinderkopf erreicht wird.

In DE 195 08 113 A1 wird ein flüssigkeitsgekühlter Vierventil-Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine beschrieben. Im Zylinderkopfgehäuse sind für jeden Brennraum Einlass- und Auslasskanäle, ein Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil sowie ein Kühlmittelraum ausgestaltet. Die jeweiligen Kühlmittelräume umgeben zumindest teilweise die Einlasskanäle, die Auslasskanäle und die Aufnahmeschächte. Jeder Kühlmittelraum weist eine Zuführbohrung für das Kühlmittel auf. Allerdings enthält diese Druckschrift keinen Hinweis, wie das Kühlmittel in die Zuführbohrung gelangt. Oberhalb der Austrittsöffnung der Zuführbohrung ist eine Sperrwand angeordnet, an der das einströmende Kühlmittel zunächst geführt wird. Das Kühlmittel kann also nicht den Weg des geringsten Strömungswiderstandes wählen, sondern unterliegt einer gerichteten Strömungsbewegung. DE 195 08 113 A1 beruht auf der Überlegung, das einströmende Kühlmittel zunächst zwangsweise in einem begrenzten und nach oben geschlossenen Kanal zu führen, bevor es in die oberen Bereiche des Kühlmittelraumes gelangen kann. Mit einer solchen Ausgestaltung kann grundsätzlich eine verstärkte Kühlung von besonders hitzegefährdeten Bereichen erreicht werden. Diese Möglichkeit ist jedoch gemäß den Darlegungen in der Druckschrift auf eine verstärkte Kühlung des rohrförmigen Aufnahmeschachtes für die Zündkerze bzw. Einspritzdüse beschränkt. Hingegen wird eine verstärkte Kühlung von Einlass- und Auslasskanälen oder Brennraumboden nicht erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf mit insbesondere vier Ventilen zu schaffen, der eine verbesserte Brennraumkühlung im Zylinderkopf gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen gewährleistet. Dies soll durch eine definierte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den wärmegefährdeten Bereichen erreicht werden.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem jeder Kühlmittelraum mindestens einen senkrechten Zuführkanal aufweist, der an seiner Einlassseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslassseite in einen, quer zum Zylinderkopf verlaufenden unteren Abschnitt des Kühlmittelraumes übergeht, der den Aufnahmeschacht für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil und die Auslasskanäle teilweise umgibt und der an seiner, der Verteilerleiste gegenüberliegenden Seite einen Überströmkanal aufweist, über den dieser untere Abschnitt mit dem oberen Abschnitt des Kühlmittelraumes verbunden ist. Der Überströmkanal befindet sich im Steg zwischen den beiden Auslassventilen und damit an der heißesten Stelle des Brennraumes. Weitere Überströmkanäle sind um den Aufnahmeschacht der Zündkerze bzw. Einspritzdüse herum angeordnet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Mit der vorgeschlagenen Konstruktion ist eine gerichtete und somit intensive Kühlung der Aufnahmeschächte für die Zündkerze bzw. Einspritzdüse, der Einlass- und Auslasskanäle sowie des Brennraumbodens möglich. Demzufolge wird eine Präzisionskühlung geschaffen, mit der die besonders wärmegefährdeten Bereiche an Vierventil-Zylinderköpfen gezielt gekühlt werden. Dadurch kann die Klopfempfindlichkeit verringert und damit mehrere Parameter (z. B. Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission) und letztlich der Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine verbessert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kühlmittelraum für beispielsweise drei Zylinder in perspektivischer Darstellung

Fig. 2 den Kühlmittelraum gemäß Fig. 1 in Seitenansicht, von links aus betrachtet

Fig. 3 den Kühlmittelraum im Bereich eines Brennraumes, vom Zylinderkurbelgehäuse aus betrachtet

Fig. 4 den Kühlmittelraum gemäß Fig. 3 in perspektivischer Darstellung

Fig. 5 den Kühlmittelraum gemäß Fig. 3, von der Zylinderblock-Längsseite aus betrachtet

In der Zeichnung ist die Kontur eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlmittelraumes 1 dargestellt. Hierbei ist zu beachten, dass diese räumlichen Konturen am Zylinderkopf nicht als Material vorhanden sind, sondern den Hohlraum zur Aufnahme des Kühlmittels bilden. Die Darstellungen entsprechen also z. B. der Kontur eines Gusskerns, der notwendig ist, um einen entsprechend gestalteten Kühlmittelraum 1 herstellen zu können. Dieser Kühlmittelraum 1 ist in einem, nicht näher dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ausgestaltet. Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt des Kühlmittelraumes 1 für drei Zylinder, wobei lediglich am mittleren Zylinder ein Einlasskanal 2 und ein Auslasskanal 3 dargestellt sind.

Die konkrete Arbeitsweise und Konstruktion der Brennkraftmaschine ist im vorliegenden Sachverhalt relativ unerheblich. Wesentlich ist allerdings, dass der vorgeschlagene Kühlmittelraum 1 vorzugsweise für Brennkraftmaschinen geeignet ist, die vier Ventile pro Zylinder aufweisen. In Fig. 1 sind lediglich die Schächte 4 und 5 zur Aufnahme der beiden Auslassventile dargestellt, während die Schächte zur Aufnahme der Einlassventile nicht näher dargestellt sind. Im Zylinderkopfgehäuse ist außerdem für jeden Brennraum ein Aufnahmeschacht 6 für eine Zündkerze bzw. für ein Einspritzventil ausgestaltet. Auch die konkrete Anordnung und Konstruktion der Aufnahmeschächte für die Ventile und die Zündkerze bzw. das Einspritzventil sind im vorliegenden Sachverhalt weitgehend unerheblich. Wesentlich ist jedoch, dass diese Baugruppen zumindest teilweise vom Kühlmittelraum 1 umgeben sind.

Der gesamte Kühlmittelraum 1 ist brennraumbezogen aufgeteilt, d. h., im Bereich eines jeden Zylinders ist ein jeweils gleichartig ausgestalteter (Teil-)Kühlmittelraum 1 vorgesehen. Jeder (Teil-) Kühlmittelraum 1 weist jeweils einen unteren Abschnitt 1 _u und einen oberen Abschnitt 10 auf. Im unteren Abschnitt 1 _u wird eine gezielte Kühlung der besonders wärmegefährdeten Bereiche realisiert. Hingegen dient der obere Abschnitt 1 _o überwiegend zur Sammlung des Kühlmittels und führt dieses einem Thermostat zu.

Jeder Kühlmittelraum 1 weist in seinem unteren Abschnitt 1 _u mindestens einen senkrechten Zuführkanal 7 auf, der an seiner Einlasseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht. Diese Verteilerleiste, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist, kann verschiedenartig ausgestaltet werden. Beispielsweise kann sie längs am Zylinderkurbelgehäuse oder am Zylinderkopf angeordnet werden. Ebenso ist es möglich, die Verteilerleiste als zusammenfügbare Baugruppe auszugestalten, von der jeweils ein Segment am Zylinderkurbelgehäuse und am Zylinderkopf angeordnet sind. Hierbei wird erst durch Montage dieser beiden Baugruppen eine funktionswirksame Verteilerleiste geschaffen.

Unabhängig von der konkreten Gestaltung der Verteilerleiste mündet der senkrechte Zuführkanal 7 an seiner Auslassseite in den unteren Abschnitt 1 _u des Kühlmittelraumes 1, der quer zum Zylinderkopf verläuft. Dieser untere Abschnitt 1 _u - der in Fig. 3 als schraffierte Fläche dargestellt ist - umgibt teilweise den Aufnahmeschacht 6 für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil und die Auslasskanäle 3. An seiner, der Verteilerleiste gegenüberliegenden Seite weist der untere Abschnitt 1 _u einen Überströmkanal 11 auf, über den er mit dem oberen Abschnitt 1 _o des Kühlmittelraumes 1 verbunden ist. In Fig. 2 ist der Strömungsverlauf des Kühlmittels vom Zuführkanal 7 zum Überströmkanal 11 mit einer gestrichelten Linie stilisiert. Alternativ zur Ausgestaltung von lediglich einem Zuführkanal 7 können auch zwei senkrechte Zuführkanäle 7 und 8 vorgesehen werden, die beide in den unteren Abschnitt 1 _u des Kühlmittelraumes 1 übergehen. Eine solche Konstruktion ist in der Zeichnung dargestellt.

Der Überströmkanal 11 ist zwischen den beiden Auslasskanälen 3 angeordnet. Zusätzlich zum Überströmkanal 11 können weitere Überströmkanäle zwischen dem unteren 1_u und dem oberen Abschnitt 1 _o im Bereich um den Aufnahmeschacht 6 für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil angeordnet werden. Hierbei werden vorzugsweise zwei oder vier solcher Kanäle vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel wird letztere Variante gezeigt, es sind vier Überströmkanäle 15; 16; 17 und 18) ausgestattet. Durch die geometrischen Konturen der jeweiligen Überströmkanäle wird das Strömungsverhalten des Kühlmittels bestimmt. Hierbei ist es zweckmäßig, dass das Verhältnis der jeweils engsten Stelle vom Querschnitt des (Haupt-)Überströmkanals 11 zur Summe der Querschnitte der (Neben-)Überströmkanäle 15; 16; 17; 18 einen Wert von etwa 0,7-1,5 hat.

In Fig. 5 ist mit dem Bezugszeichen 12 die bauliche Trennung zwischen dem unteren Abschnitt 1 _u und dem oberen Abschnitt 1 _o des Kühlmittelraumes 1 gekennzeichnet. Dieses Bauteil 12 ist als Material vorhanden, während die anderen Bezugszeichen - wie bereits oben erläutert - jeweils Elemente des Hohlraumes zur Aufnahme von Kühlmittel bezeichnen. Die bauliche Trennung 12 wird derart bogenförmig verlaufend angeordnet, dass sich definierte Strömungsquerschnitte im unteren Abschnitt 1 _u in Brennraumnähe ergeben. Gleichzeitig werden durch die bogenförmige Kontur der baulichen Trennung 12 die Querschnitte der (Neben-)Überströmkanäle 15-18 festgelegt.

Durch die vorgeschlagene konstruktive Ausgestaltung gelangt das Kühlmittel erst nach vollständiger Durchströmung des unteren Abschnittes 1 _u in den oberen Abschnitt 10 des Kühlmittelraumes 1. Somit wird eine gezielte Anströmung der wärmegefährdeten Bereiche des Zylinderkopfes mit Kühlmittel gewährleistet, wobei hohe Strömungsgeschwindigkeiten und große Kühlmitteldurchsätze realisierbar sind. Dadurch wird eine intensive Kühlung der Aufnahmeschächte für die Zündkerze bzw. Einspritzdüse, der Einlass- und Auslasskanäle sowie des Brennraumbodens und in deren Folge eine in jedem Betriebszustand funktionsgerechte Kühlung des Zylinderkopfes erreicht. Nachdem das Kühlmittel den oberen Abschnitt 1 _o im Kühlmittelraum 1 passiert hat, strömt es in einen Kanal 13, der an einer stirnseitigen Flanschfläche 14 des Zylinderkopfes ausgestaltet ist. Von hier wird das Kühlmittel in an sich bekannter Weise über einen Thermostat in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeführt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Kühlmittelraum

1 _u

unterer Abschnitt des Kühlmittelraumes

1

1 _o

oberer Abschnitt des Kühlmittelraumes

1

2

Einlasskanal

3

Auslasskanal

4

Aufnahmeschacht für erstes Auslassventil

5

Aufnahmeschacht für zweites Auslassventil

6

Aufnahmeschacht für Zündkerze bzw. Einspritzventil

7

erster senkrechter Zuführkanal

8

zweiter senkrechter Zuführkanal

11

Überströmkanal

12

bauliche Trennung zwischen dem unteren und oberen Abschnitt des Kühlmittelraumes

13

Kanal für Kühlmittelaustritt

14

Flanschfläche am Zylinderkopf

15

Überströmkanal

16

Überströmkanal

17

Überströmkanal

18

Überströmkanal

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Vierventil-Zylinderkopf, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum ein Kühlmittelraum ausgestaltet ist, der die Einlass- und Auslasskanäle sowie den Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil zumindest teilweise umgibt und der einen Zuführkanal für das Kühlmittel aufweist, wobei das einströmende Kühlmittel zunächst in einem begrenzten und nach oben geschlossenen Abschnitt geführt wird, bevor es in die oberen Bereiche des Kühlmittelraumes strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlmittelraum (1) mindestens einen senkrechten Zuführkanal (7) aufweist, der an seiner Einlassseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslassseite in einen, quer zum Zylinderkopf verlaufenden unteren Abschnitt (1 _u) des Kühlmittelraumes (1) übergeht, der den Aufnahmeschacht (6) für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil und die Auslasskanäle (3) teilweise umgibt und der an seiner, der Verteilerleiste gegenüberliegenden Seite einen Überströmkanal (11) aufweist, über den dieser untere Abschnitt (1 _o) mit dem oberen Abschnitt (1 _o) des Kühlmittelraumes (1) verbunden ist.

2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlmittelraum (1) zwei senkrechte Zuführkanäle (7; 8) aufweist, die beide in den unteren Abschnitt (1 _o) des Kühlmittelraumes (1) übergehen.

3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (11) zwischen den beiden Auslasskanälen (3) angeordnet ist.

4. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem unteren Abschnitt (1 _u) und dem oberen Abschnitt (1 _o) des Kühlmittelraumes (1) im Bereich um den Aufnahmeschacht (6) für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil weitere Überströmkanäle (15; 16; 17; 18) ausgestaltet sind.

5. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der jeweils engsten Stelle vom Querschnitt des Überströmkanals (11) zur Summe der Querschnitte der Überströmkanäle (15; 16; 17; 18) 0,7-1,5 beträgt.

6. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Trennung (12) zwischen dem unteren Abschnitt (1 _u) und dem oberen Abschnitt (1 _o) des Kühlmittelraumes (1) derart bogenförmig verlaufend angeordnet ist, dass sich definierte Strömungsquerschnitte im unteren Abschnitt (1 _u) in Brennraumnähe und definierte Querschnitte der Überströmkanäle (15; 16; 17; 18) ergeben.

7. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (1 _o) des Kühlmittelraumes (1) in einen Kanal (13) mündet, der an einer stirnseitigen Flanschfläche (14) des Zylinderkopfes ausgestaltet und mit einem Thermostat verbunden ist.