DE102004009112A1 - Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslasskanälen und einem Steg (2) zwischen zwei Auslasskanälen, der mit einem Kühlmittelkanal versehen ist, der mehrere parallel verlaufende Einzelkanäle (3) aufweist. Der Kühlmittelkanal ist als separate, insbesondere aus einem anderen Werkstoff als dem Gusswerkstoff des Zylinderkopfes hergestellte Einheit (4) im Zylinderkopf angeordnet. Der Kühlkanal ist als vorgefertigte Einheit (4) in den Zylinderkopf (1) eingegossen oder in den bearbeiteten Zylinderkopf (1) eingesetzt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
• Aus der DE 38 02 886 A1 ist ein Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bekannt, der zwei Auslassventile und einen Steg zwischen diesen beiden Auslassventilen aufweist. Dieser Steg wird von zwei Kühlmittelkanälen durchdrungen und über Kühlmittel gekühlt. Die beiden Kühlmittelkanäle sind gebohrt und kreuzen sich an ungefähr der engsten Stelle des Steges.
• Aus der DE 2 027 623 ist ebenfalls ein Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bekannt, der einen Kühlkanal im Bereich der Auslassventile aufweist. Dieser Kühlkanal ist zum Zwecke der besseren Verwirbelung des Kühlmittels mit einem Einsatz versehen, der durch eine turbulente Strömung einen besseren Wärmeübergang vom Zylinderkopf auf das Kühlmittel ermöglichen soll.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Kühlung im Steg zwischen zwei Gaswechselventilen im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zu verbessern und den Kühlmitteldurchfluß zu vergrößern.
• Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Der erfindungsgemäße Zylinderkopf zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlmittelkanal mehrere parallel verlaufende Einzelkanäle aufweist. Weiterhin ist der Kühlmittelkanal als separate Einheit im Zylinderkopf angeordnet, die insbesondere aus einem anderen Werkstoff als dem Gusswerkstoff des Zylinderkopfes hergestellt ist. Durch die Ausführung des Kühlkanals zur Kühlung des Steges zwischen zwei Ventilen in Form mehrerer paralleler Kanäle wird die wärmeabgebende Oberfläche gegenüber einem singulären Kanal mit gleichem Strömungsquerschnitt wesentlich vergrößert. Damit wird eine bessere Kühlung des hochbelasteten Bereiches im Steg zwischen zwei Auslassventilen erreicht, was zu einer besseren Haltbarkeit des Zylinderkopfes führt. Um einen parallelen Verlauf der Einzelströmungen zu gewährleisten müssen die Mitten der Einzelkanäle nicht zwangsläufig geometrisch parallel verlaufen, vielmehr kommt es auf einen parallelen Verlauf der Strömung an, das heißt der Eintritt der Kühlmittelströmung in die Einzelkanäle und der Austritt aus denselben erfolgt auf der jeweils gleichen Seite des Steges zwischen zwei benachbarten Ventilen oder gegebenenfalls zwischen einem Ventil und einem mittigen Schacht für einen Injektor oder eine Zündkerze. Da mehrere kleine Einzelkanäle gießtechnisch nur mit hohem Aufwand herzustellen sind, ist es von Vorteil, den aus Einzelkanälen zusammengesetzten Kühlmittelkanal separat herzustellen. Durch ein separates Herstellen erhält man die Möglichkeit, den Kühlmittelkanal aus einem anderen Werkstoff herzustellen, um kleinere Durchmesser oder einen besseren Wärmeübergang als bei Verwendung des Gusswerkstoffes des Zylinderkopf zu realisieren.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kühlmittelkanal als vorgefertigte Einheit in den Zylinderkopf eingegossen. Dadurch lassen sich beliebige Kanalformen, -durchmesser und Anordnungen der Einzelkanäle herstellen, ohne auf gießtechnische Belange Rücksicht nehmen zu müssen. Der Kühlmittelkanal wird als teilweise oder vollständig vorgefertigte Einheit in die Gießkerne des Zylinderkopfes eingesetzt und beim Gießvorgang mit Gussmaterial umgossen. Die vorgefertigte Einheit kann als Ganzes umgossen sein. Es ist ebenso möglich, mehrere Einzelkanäle über eine Haltevorrichtung, zum Beispiel in Form einer Brille, die die Einzelkanäle trägt, in den Zylinderkopf einzugießen, wodurch jeder Einzelkanal von Gussmaterial umgossen wird. In beiden Fällen ist darauf zu achten, dass der Wärmeübergang zwischen dem eingesetztem Kühlmittelkanal und dem Gussmaterial des Zylinderkopfes gewährleistet ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kühlmittelkanal als vorgefertigte Einheit in den bearbeiteten Zylinderkopf eingesetzt. Diese Art des Einbaus des Kühlmittelkanals ist einfacher zu gießen; die Gießkerne sind einfacher herzustellen, jedoch sind der Wärmeübergang und die Abdichtung des Kühlmittelkanals aufwändiger als ein Eingießen des Kühlmittelkanals.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Einzelkanäle durch mechanische Bearbeitung, Erodierung und/oder Laserbearbeitung hergestellt. Diese Art der Herstellung kann sowohl an der vorgefertigten Einheit vor Einguss bzw. Einbau in den Zylinderkopf, als auch in eingegossenem bzw. eingebautem Zustand durchgeführt werden. Ein vorheriges Anbringen der Einzelkanäle ist wesentlich einfacher durchzuführen als eine Bearbeitung im Zylinderkopf, jedoch besteht hierbei die Möglichkeit eines Verstopfens beim Gießvorgang, wodurch eine nachträgliche Kontrolle notwendig wird.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Einzelkanäle durch Metall-, Glas- oder Keramikrohre gebildet. Bei der Auswahl des Materials für die metallenen Einzelkanäle ist darauf zu achten, dass der Schmelzpunkt der Einzelkanäle höher liegt als der Schmelzpunkt des Gussmaterials des Zylinderkopfes. Beispielsweise bei Stahlröhren als Einzelkanäle, die in einem Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung eingegossen sind, ist dies der Fall. Glas- oder Keramikrohre haben ohnehin einen höheren Schmelzpunkt als das Zylinderkopfgussmaterial und eignen sich zum Einguss in einen Zylinderkopf. Die Metall-, Glas- oder Keramikrohre werden beim Gießen entweder durch den Sandkern des Kühlmittelraumes oder durch eine spezielle Haltevorrichtung gehalten, die gegebenenfalls mit in den Zylinderkopf eingegossen wird.
• Das erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslasskanälen und einem Steg zwischen zwei Auslasskanälen, der mit einem Kühlmittelkanal versehen ist, der mehrere parallel verlaufende Einzelkanäle aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Form und der Verlauf der Einzelkanäle durch Drähte gebildet werden, die nach Erkalten des die Drähte umgebenden Gussmaterials entfernt werden. Vor dem Gießen des Zylinderkopfes werden die Drähte entsprechend dem gewünschten Verlauf und entsprechend der gewünschten Anzahl in eine Haltevorrichtung im Gießkern oder direkt in den Gießkern eingelegt. Bei einem Werkstoff der Drähte, der eine größere Wärmeausdehnung als das umgebende Gussmaterial aufweist, ist es nach Abgießen und Erkalten des Zylinderkopfes einfach, die Drähte aus dem Zylinderkopf herauszuziehen. Bei einer Ummantelung der Drähte mit Salz oder einem ähnlichen Werkstoff lässt sich nach Erkalten des Gussteils das Salz mit Wasser auflösen, und die Drähte lassen sich unabhängig vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Drahtes oder des Zylinderkopfmaterials aus dem Zylinderkopf ziehen. Nach Entfernen der Drähte werden die dadurch entstandenen Hohlräume als Einzelkanäle zur besseren Stegkühlung verwendet.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Steg eines Zylinderkopfes mit mehreren erfindungsgemäßen Einzelkanälen in einer vorgefertigten Einheit und
• 2 einen Kern eines Kühlmittelraumes eines Zylinderkopfes mit mehreren erfindungsgemäßen Einzelkanälen.
• In 1 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Zylinderkopfes 1 einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine gezeigt. Der Querschnitt verläuft durch einen Steg 2 zwischen zwei nicht gezeigten Gaswechselventilen. Der Bereich, der beispielsweise zwischen zwei Auslassventilen angeordnet ist, ist einer besonders hohen Wärmebelastung ausgesetzt und bedarf einer intensiven Kühlung. Diese Kühlung erfolgt durch das Kühlmittel, das durch mehrere Einzelkanäle 3 durch den Steg 2 strömt. Diese Einzelkanäle 3 haben eine wesentlich größere Oberfläche als ein einziger theoretischer Kanal mit dem gleichen Strömungsquerschnitt und nehmen daher die Wärme aus dem Steg 2 besser auf bzw. leiten die Wärme besser ab. Durch die aufgrund des geringen Querschnittes turbulentere Strömung in den Einzelkanälen 3 gegenüber einem theoretischen Kanal mit gleichem Strömungsquerschnitt ist die Wärmeaufnahme in den Einzelkanälen zusätzlich verbessert.
• Der geringe Durchmesser der Einzelkanäle ist im Zylinderkopf schwer herzustellen, da mehrere kleine Bohrungen unmittelbar nebeneinander anzubringen wären. Aus diesem Grunde sind die Einzelkanäle 3 in einer vorgefertigten Einheit 4 angeordnet, die als Ganzes in den Steg 2 eingesetzt oder eingegossen ist. Diese vorgefertigte Einheit 4 lässt sich einfach außerhalb des Zylinderkopfes 1 aus einem beliebigen, für den Wärmeübergang und die Herstellung vorteilhaften Werkstoff herstellen. Beispielsweise werden in die vorgefertigte Einheit 4 aus Stahl die Einzelkanäle 3 gebohrt und anschließend wird die Einheit 4 in den Gießkern des Zylinderkopfes eingesetzt und mit Zylinderkopf-Gussmaterial umgossen. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung der beiden Materialien, die einen guten Wärmetransport von den Auslasskanälen über das Zylinderkopfgussmaterial des Steges 2 und die vorgefertigte Einheit 4 in das Kühlmittel in den Einzelkanälen 3 ermöglicht.
• In 2 ist ein Gießern 5 eines Kühlmittelraumes eines Zylinderkopfes mit mehreren erfindungsgemäßen Einzelkanälen 3 gezeigt. Der Gießkern 4 bildet im fertigen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine den Kühlmittelraum. Das Kühlmittel tritt durch Eintrittsöffnungen 6 in den Zylinderkopf und strömt durch die dünnen Einzelkanäle 3 zwischen den Öffnungen 7 für die nicht gezeigten Auslasskanäle in einen mittleren Bereich 8 und umströmt dort Öffnungen 9 für die nicht gezeigte Einspritzdüse und Einlassventile. Ein Anschlußbutzen 10 am Gießkern 5 dient einerseits zum Halten des Gießkernes während des Gießvorganges und andererseits gibt er beim fertig gegossenen Zylinderkopf eine Öffnung frei, durch die die Einzelkanäle 3 bearbeitet werden können. Die Herstellung der Einzelkanäle 3 erfolgt durch Einlegen von Drahtstücken in den Gießkern 5. Im Gießkern 5 werden die Drahtstücke, die die Einzelkanäle 3 formen, zwischen dem mittleren Bereich 8 und dem Bereich um den Anschlußbutzen 10 gespannt und gegebenenfalls durch eine nicht gezeigte Stützeinheit auf Abstand gehalten. Nach Erkalten des Gussteils werden die Drähte durch den Anschlußbutzen 10 aus dem Gussteil gezogen. Die sich dadurch bildenden Hohlräume stellen die Einzelkanäle 3 dar. Im Zuge der weiteren Bearbeitung des Zylinderkopfes wird die Öffnung des Anschlußbutzens 10 mit einem Deckel oder dergleichen verschlossen.

Claims (6)

1. Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslasskanälen und einem Steg zwischen zwei Auslasskanälen, der mit einem Kühlmittelkanal versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal als separate, insbesondere aus einem anderen Werkstoff als dem Gusswerkstoff des Zylinderkopfes hergestellte Einheit (4) im Zylinderkopf (1) angeordnet ist und mehrere parallel verlaufende Einzelkanäle (3) aufweist.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal als vorgefertigte Einheit (4) in den Zylinderkopf (1) eingegossen ist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal als vorgefertigte Einheit (4) in den bearbeiteten Zylinderkopf (1) eingesetzt ist.
4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkanäle (3) durch mechanische Bearbeitung, Erodierung und/oder Laserbearbeitung hergestellt sind.
5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkanäle (3) durch Metall-, Glas- oder Keramikrohre gebildet sind.
6. Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslasskanälen und einem Steg zwischen zwei Auslasskanälen, der mit einem Kühlmittelkanal versehen ist, der mehrere parallel verlaufende Einzelkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und der Verlauf der Einzelkanäle (3) durch Drähte gebildet werden, die einen nach Erkalten des die Drähte umgebenden Gussmaterials entfernt werden.