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Die
Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige
Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelraum
zwischen einem Zylinderkopfboden und einem darüber liegenden Zylinderkopfdach,
mit den Kühlmittelraum
durchsetzenden Gaswechselkanälen,
die von Ventilöffnungen
innerhalb eines Brennraumabschnittes im Zylinderkopfboden ausgehen
und in Seitenwänden
des Zylinderkopfes ausmünden,
ferner mit einer Kühlbohrung für jeden
Brennraumabschnitt, die aus zwei im wesentlich innerhalb der Ebene
des Zylinderkopfbodens liegenden Kühlbohrungsabschnitten besteht,
die sich jeweils von einer Seitenwand des Zylinderkopfes aus in
Richtung Brennraummitte in einen von Gaswechselkanälen begrenzten
Stegbereich erstrecken und im Stegbereich miteinander verbunden
sind und die eine Eintrittsöffnung
für Kühlmittel
und eine Austrittsöffnung
für den Übertritt
des Kühlmittels
in den Kühlmittelraum
aufweisen, gemäß den Merkmalen
aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus
der
DE 15 76 726 A1 ist
ein gattungsgemäßer wassergekühlter Zylinderkopf
bekannt. Um insbesondere eine gute Kühlung des Stegbereiches zwischen
den Gaswechselkanälen
zu erreichen, sind die V-förmig
verlaufenden Kühlbohrungen
mit einer eigenen Eintrittsöffnung
an getrennte Übertrittsöffnungen
angeschlossen und münden
an ihrer V- Spitze
in einen Kühlkanal,
der sich zwischen den Gaswechselkanälen erstreckt und danach in
den Kühlmittelraum
ausmündet.
Damit außerdem
andere Bereiche des Zylinderkopfes gekühlt werden können, besitzen
die Übertrittsöffnungen
zusätzliche
Strömungsbohrungen,
von denen aus das Kühlmittel
gezielt zum Einspritzdüsengehäuse oder
den Auslasskanälen
gelenkt werden kann.
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Von
Nachteil ist, das die gesamte Kühlmittelmenge
ausschließlich
durch Kühlbohrungen
in den Kühlmittelraum
des Zylinderkopfes eingeleitet wird. Durch die begrenzten Querschnitte
der Kühlbohrungen
ist damit nur eine gute Kühlung
in bestimmten örtlichen
Bereich möglich;
nicht jedoch eine großflächige Kühlung im
gesamten Kühlmittelraum.
Ein derartiges Kühlsystem
ist daher nur für
niedrig belastete und großvolumige
Brennkraftmaschinen geeignet.
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Weiterhin
aus der
DE 38 02 886
A1 ein wassergekühlter
Zylinderkopf bekannt, bei dem zur Kühlung eines jeden Brennraumabschnittes
X-förmig
orientierte Kühlbohrungen
von einer Seitenfläche
des Zylinderkopfes aus sich zwischen den Auslasskanälen hindurch
erstrecken und etwa in Brennraummitte seitlich zwischen den Auslass-
und Einlasskanälen ausmünden. Bei
diesem Kühlsystem
wir die Kühlung ebenfalls
durch den Querschnitt der Kühlbohrungen bestimmt.
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Bei
den bekannten Kühlsystemen
ist von Nachteil, dass die Kühlung
des Zylinderkopfes von der Durchflussmenge an Kühlmittel durch die Kühlbohrungen
abhängt.
Da im Hinblick auf eine kompakte Bauweise die Querschnitte der Kühlbohrungen, insbesondere
im Stegbereich nicht beliebig groß gewählt werden können, ist
die Kühlleistung
durch eine begrenzte Durchflussmenge beschränkt, oder es ist eine größere Pumpleistung
erforderlich um eine höhere Kühlmittelmenge
mit einem höheren
Kühlmitteldruck
durch die Kühlbohrungen
zu fördern.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass die Austrittsöffnungen
der Kühlbohrungen
in Zonen des Kühlmittelraumes
münden,
in denen noch ein relativ hohes Druckniveau vorliegt, wodurch die
Strömungsgeschwindigkeit
in den Kühlbohrungen
beeinträchtigt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim gattungsgemäßen Zylinderkopf
die Kühlbohrungen
derart zu gestalten, dass eine optimale Kühlung des Stegbereiches zwischen
den Gaswechselkanälen
mit geringer Förderleistung
und hoher Kühlmitteldurchsatzmenge
erreicht wird.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die
Kühlbohrungen
gemäß der Erfindung dienen
ausschließlich
der Kühlung
des Stegbereiches zwischen den Gaswechselkanälen sowie von im Stegbereich
angeordneter Einrichtungen, wie Glühkerzen und Kraftstoffinjektoren;
während
alle übrigen
Elemente des Zylinderkopfes getrennt hiervon durch eine Hauptkühlmittelmenge
gekühlt
werden.
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Durch
die Erfindung ergibt sich eine einzige V-förmige Kühlbohrung mit einer gemeinsamen
Eintritts- und Austrittsöffnung,
die durch ihre V-Form platzsparend ist und deshalb für eine optimale
Kühlung
des Stegbereiches geeignet ist. Außerdem kann bei dieser Art
der Kühlbohrung
die Austrittsöffnung entfernt
vom Stegbereich in einer Zone des Kühlmittelraumes mit einem niedrigen
Druckniveau angeordnet werden. Eine derartige Lage der Austrittsöffnung führt zu einem
optimalen Druckgefälle
zwischen der Eintritts- und der Austrittsöffnung, durch das relativ hohe
Strömungs geschwindigkeiten
in der Kühlbohrung
erzielt werden können,
was die Kühlung
ebenfalls verbessert.
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Bei
flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen
wird normalerweise das im Kühler
rückgekühlte Kühlmittel
in den Kühlmittelmantel
des Zylindergehäuses
gefördert.
Dabei tritt das Kühlmittel
auf einer Eintrittsseite der Zylinder ein, umströmt diese und wird danach von
der Austrittsseite des Kühlmittelmantels
aus durch mindestens eine Übertrittsöffnung im
Zylinderkopf in den dortigen Kühlmittelraum
gefördert.
Der Übertritt
in den Zylinderkopf erfolgt dabei meistens von der Auslassseite
her.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die Kühlbohrung
im Zylinderkopfboden auf der Einlassseite angeordnet ist. Dadurch
steht die Eintrittsöffnung
mit der Eintrittsseite im Kühlmittelmantel
des Zylinderblockes in Verbindung, und es gelangt somit Kühlmittel
mit einer niedrigeren Temperatur als auf der Austrittsseite in die
Kühlbohrung,
wodurch die Kühlwirkung
nochmals verbessert wird.
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Eine
besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit
in der Kühlbohrung
wird erreicht, wenn die Austrittsöffnung mit Abstand vom Stegbereich
außerhalb
des Brennraumabschnittes auf der Einlassseite in den Kühlmittelraum
mündet.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung anhand
eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer Teildarstellung den Zylinderkopf mit den erfindungsgemäßen Kühlbohrungen
in einer Ansicht auf den Zylinderkopfboden;
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2 von
der Kühlbohrung
den Kühlbohrungsabschnitt
mit der Eintrittsöffnung
in einer vergrößerten Schnittdarstellung
gemäß dem Schnitt
II-II aus 1;
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3 von
der Kühlbohrung
den Kühlbohrungsabschnitt
mit der Austrittsöffnung
in einer vergrößerten Schnittdarstellung
gemäß dem Schnitt III-III
aus 1.
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Der
in den Fig. teilweise dargestellte Zylinderkopf 1 weist
einen Zylinderkopfboden 2 auf, der von Gehäusewänden begrenzt
ist, von denen eine Stirnwand 3 und die beiden Seitenwänden 4 und 5 dargestellt
sind. Zusammen mit dem Zylinderkopfboden 2 schließen die
Gehäusewände einen
Kühlmittelraum 6 ein,
der von einem darüber
liegenden nicht gezeigten Nockenwellenraum durch eine Zylinderkopf
decke getrennt ist.
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Der
Zylinderkopfboden 2 enthält Brennraumabschnitte 7, 8,
die durch strichpunktierte Linien markiert sind. Innerhalb eines
jeden Brennraumabschnittes 7, 8 sind zwei Einlassöffnungen 9, 10 für die Einlassventile,
zwei Auslassöffnungen 11, 12 für die Auslassventile,
eine im Zentrum gelegene Bohrung 13 für einen Einspritzinjektor oder
eine Zündkerze
und eine Aufnahmebohrung 14 für beispielsweise eine Glühkerze angeordnet.
Dabei haben die Ventilöffnungen
innerhalb der Brennraumabschnitte 7, 8 eine Lage,
gemäß der die
Einlassöffnungen 9, 10 auf
der einen Seite einer Längsmittelachse 15 und
die Auslassöffnungen 11, 12 auf
deren anderen Seite angeordnet sind.
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Von
den Einlassöffnungen 9, 10 gehen
Einlasskanäle 16, 17 und
von den Auslassöffnungen 11, 12 Auslasskanäle 18, 19 aus,
welche den Kühlmittelraum 6 in
Richtung der Seitenwände 4, 5 durchqueren
und von denen die Einlasskanäle 16, 17 in
der Seitenwand 4 und Auslasskanäle in der Seitenwand 5 münden.
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Gemäß 2 sitzt
der Zylinderkopf 1 auf einem Zylindergehäuse 20 auf
und deckt mit seinen Brennraumabschnitten die im Zylindergehäuse angeordneten
Zylinder ab, wobei 2 im Einzeln zeigt, wie der
Brennraumabschnitt 7 einen Zylinder 21 abdeckt.
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Der
Zylinder 21 ist von einem Kühlmittelmantel 22 umgeben,
in den auf einer Eintrittsseite 22a Kühlmittel aus einem Kühler gefördert wird,
das nach Umströmen
des Zylinders 21 auf einer Austrittsseite 22b den
Kühlmittelmantel 22 durch
eine Übertrittsöffnung 23 im
Zylinderkopfboden 2 verlässt und in den Kühlmittelraum 6 im
Zylinderkopf 1 überströmt.
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Die Übertrittsöffnung 23 ist
im Zylinderkopfboden 2 unterhalb der Auslasskanäle 18, 19 angeordnet,
die als bogenförmiger
Schlitz den Brennraumabschnitt 7 außen mit Abstand umgibt. Die
gleiche Anordnung ergibt sich für
alle weiteren Brennraumabschnitte.
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Von
der Übertrittsöffnung 23 aus
durchströmt das
Kühlmittel
den Kühlmittelraum 6 im
wesentlich in Zylinderkopfquerrichtung und kühlt dabei die Brennraumabschnitte 7, 8 sowie
sämtliche
Einbauten einschließlich
der zwischen den Einlasskanälen 16, 17 liegenden
Stegbereiche 24 und der zwischen den Auslasskanälen 18, 19 liegenden
Stegbereiche 25. Etwa nach Umströmung der Einlassöffnungen 9, 10 ändert die
Kühlmittel-Strömung ihre
Richtung und geht von einer Querströmung in eine Längsströmung über, so
dass in den Bereichen des Kühlmittelraumes 6,
der von den Einlasskanälen 16, 17 durchquert wird,
im wesentlichen eine Längsströmung vorherrscht.
Dabei wird die Längsströmung von
der Austrittsöffnung
verursacht, die auf der den Übertrittsöffnungen 23 gegenüberliegenden
Seite des Kühlmittelraumes 6 in
der nicht dargestellten weiteren Stirnseite des Zylinderkopfes 1 vorgesehen
ist und durch welche das Kühlmittel
den Zylinderkopf 1 in Richtung eines Kühlers verlässt.
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Die
Hauptkühlung
des Zylinderkopfes 1 wird von der durch die Übertrittsöffnungen 23 in
den Kühlmittelraum 6 einströmenden Hauptkühlmittelmenge geleistet.
Wichtig ist dabei, dass die hochbelasteten Stegbereiche 24 und 25 intensiv
gekühlt
werden, um Rissbildung zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung
wird zur optimalen Kühlung
des Stegbereiches 24 eine V-förmige Kühlbohrung 26 vorgeschlagen.
Die V-förmige
Kühlbohrung 26 besteht
aus zwei Kühlbohrungsabschnitten 26a und 26b,
die von der Seitenwand 4 aus in der Ebene des Zylinderkopfbodens 2 verlaufend
eingebracht sind. Die beispielsweise durch Bohren hergestellten
Kühlbohrungsabschnitte 26a und 26b verlaufen
dabei so schräg
zu einander, dass sie sich im Stegbereich 24 zwischen den
Einlassöffnungen 9, 10 mit
einem möglichst
kleinen Abstand von der Aufnahmebohrung 14 entfernt in
einer Spitze 27 treffen. Die Kühlbohrung 26 ist getrennt
vom Hauptkühlmittelstrom über eine
Eintrittsöffnung 28 im
Bohrungsabschnitt 26a unmittelbar an den Kühlmittelmantel 22 auf
dessen Eintrittsseite 22a angeschlossen. Des weiteren ist
im Bohrungsabschnitt 26b eine Austrittsöffnung 29 vorgesehen, über welche
die Kühlbohrung 26 mit
dem Kühlmittelraum 6 im
Bereich der Einlasskanäle 16, 17 bzw.
der sich ausbildenden Längsströmung verbunden
ist. Damit das Kühlmittel
durch die Kühlbohrung 26 strömen kann,
sind die Kühlbohrungsabschnitte
im Bereich der Seitenwand 4 durch Stopfen nach außen verschlossen.
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Der
Stegbereich 24 wird somit getrennt vom Hauptkühlmittelstrom
durch einen Kühlmittel-Teilstrom
gekühlt,
der unmittelbar aus dem Kühlmittelmantel 22 abgezweigt
wird und der nach Durchströmen
der Kühlbohrung 26 durch
die Austrittsöffnung 29 dem
Hauptkühlmittelstrom
im Kühlmittelraum 6 beigemischt
wird. Dabei erfolgt die Abzweigung des Teilstromes auf der Eintrittsseite 22a des
Kühlmittelmantels 22 und
damit aus einem Bereich in dem unmittelbar aus dem Kühler kommendes
Kühlmittel
vorliegt, und das damit eine niedrigere Temperatur aufweist als
das an der Austrittsseite 22b in den Kühlraum 6 überströmende Kühlmittel.
Dadurch kann der Stegbereich 24 mit Kühlmittel gekühlt werden,
das eine niedrigere Temperatur besitzt als das mit dem Hauptkühlstrom
durch den Kühlmittelraum 6 strömende Kühlmittel.
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Neben
der Kühlmitteltemperatur
ist für
eine optimale Kühlung
des Stegbereiches 24 die Durchflussmenge an Kühlmittel
durch die Kühlbohrung 26 von
Bedeutung, die unter anderem abhängig
ist vom Druckunterschied zwischen der Eintrittsöffnung 28 und der
Austrittsöffnung 29.
Die Eintrittsöffnung 28 liegt
im Bereich der Eintrittsseite 22a und wird somit vom Kühlmitteldruck
auf der Eintrittsseite 22a beeinflusst. Da auf der Eintrittsseite 22a das
Kühlmittel
in das Kühlsystem
eintritt, liegt dort ein relativ hoher Kühlmitteldruck vor. Die Austrittsöffnung 29 hat
Verbindung zum Kühlmittelraum 6 und
zwar in einem abströmigen
Bereich, von dem aus das Kühlmittel
das Kühlsystem
verlässt
und in dem ein niedrigeres Druckniveau vorherrscht. Somit befindet
sich die Eintrittsöffnung 28 und
die Austrittsöffnung 29 in
Bereichen des Kühlsystems,
zwischen denen weitgehend das größte Druckgefälle gegeben
ist. Auf Grund dieser Druckverhältnisse
wird ein sehr hoher Kühlmitteldurchsatz
durch die Kühlbohrung 22 erreicht.
Dies führt
insgesamt zu einer optimalen Kühlung
des Stegbereiches 24 durch Förderung einer sehr hohen Kühlmittelmenge
mit einer relativ niedrigen Kühlmitteltemperatur
durch die Kühlbohrung 22.
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Gemäß 1 wird
die Eintrittsöffnung 28 durch
eine den Brennraumabschnitt 7, 8 mit Abstand außen bogenförmig umgebende
Ausnehmung gebildet, welche von dem Bohrungsabschnitt 22a gekreuzt
wird. Andere Ausführungen
der Eintrittsöffnung 28 sind
denkbar.
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Ebenfalls
ist im Rahmen der Erfindung ist die Anordnung Kühlbohrung 28 nicht
nur auf die Kühlung des
Stegbereiches 24 beschränkt,
sondern es ist jede andere Verwendung der Kühlbohrung zur Kühlung des
Zylinderkopfes 1 sowie Teilen davon ist denkbar.
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Auch
ist die Erfindung nicht auf die Verwendung einer V-förmigen Kühlbohrung beschränkt, sondern
es sind auch Abwandlungen, wie zum Beispiel eine U-förmige oder
eine geschwungene Ausbildung der Kühlbohrung 26 denkbar.