DE102005031243B4

DE102005031243B4 - Kühleinsatz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005031243B4
Application number: DE102005031243.8A
Authority: DE
Inventors: Johann Wagner
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2025-07-02
Also published as: ATA11592004A; AT414157B; DE102005031243A1

Abstract

Zylinderkopf (2) für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei in Richtung der Zylinderachse (18) übereinander angeordneten, durch eine Trennwand (8) voneinander getrennten Kühlmittelräumen (4, 6), und zwar einem dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum (4) und einem an diesen anschließenden oberen Kühlmittelraum (6), wobei das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum (6) zum unteren Kühlmittelraum (4) strömt, mit einem in einen Brennraum (14) mündenden Bauteil (16), wobei im Bereich des Bauteiles (16) zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen (4, 6) ausgebildet ist, wobei das Bauteil (16) zumindest im Bereich der Trennwand (8) von einem Kühleinsatz (22) umgeben ist, und die Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen (4, 6) innerhalb des Kühleinsatzes (22) ausgebildet ist, und wobei der Kühleinsatz (22) zumindest eine axiale Öffnung (38) in den unteren Kühlmittelraum (4) in Richtung des Zylinderkopfbodens (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von axialen Öffnungen (38) über den Mantel des Kühleinsatzes (22) verteilt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei in Richtung der Zylinderachse übereinander angeordneten, durch eine Trennwand voneinander getrennten Kühlmittelräumen, und zwar einem dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum und einem an diesen anschließenden oberen Kühlmittelraum, wobei das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum zum unteren Kühlmittelraum strömt, mit einem in einen Brennraum mündenden Bauteil, wobei im Bereich des Bauteiles zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen ausgebildet ist, wobei das Bauteil zumindest im Bereich der Trennwand von einem Kühleinsatz umgeben ist, und die Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen innerhalb des Kühleinsatzes ausgebildet ist, und wobei der Kühleinsatz zumindest eine axiale Öffnung in den unteren Kühlmittelraum in Richtung des Zylinderkopfbodens aufweist.
Aus der AT 005 939 U1 ist ein Zylinderkopf mit zwei übereinander liegenden Kühlmittelräumen bekannt, welche im Bereich einer Aufnahmehülse für eine Einspritzeinrichtung über einen durch Hülse und Zylinderkopf gebildeten Ringraum miteinander strömungsverbunden sind. Das Kühlmittel strömt vom oberen Kühlmittelraum in den unteren Kühlmittelraum, wodurch thermisch kritische Bereich des Zylinderkopfbodens gekühlt werden können. Ein ähnlicher Zylinderkopf wird in der AT 258 045 B beschrieben.
Die DE 14 76 387 A1 offenbart einen Zylinderkopf für wassergekühlte, ventilgesteuerte Brennkraftmaschinen, wobei in einem Einsatzrohr ein Düsenhalter angeordnet ist. Zwischen dem Einsatzrohr und dem Düsenhalter ist ein Ringspalt ausgebildet, welcher axial in Richtung des Zylinderkopfbodens geöffnet ist. Kühlmittel strömt von einer Eintrittsöffnung des Zylinderkopfes in eine seitliche Eintrittsöffnung des Einsatzrohres in den Ringspalt und verlässt diesen nach axialer Durchströmung durch die Öffnung im Bereich des Zylinderkopfbodens.
In der EP 0 845 592 A1 wird ein Kühlelement für eine Einspritzdüse gezeigt, wobei das Kühlmittel über Kühlkanäle innerhalb des Kühlelementes zur Düsenkuppe und wieder von dieser weggeleitet wird. Dieses Kühlelement dient ausschließlich zur Kühlung der Düsenspitze. Eine Kühlung von thermisch kritischen Bereichen im Zylinderkopfboden kann damit nicht bewirkt werden.
Weiters sind aus den Veröffentlichungen DE 28 25 298 A1 und JP S63-12 816 A Zylinderköpfe für Brennkraftmaschinen bekannt, welche zwei in Richtung der Zylinderachse übereinander angeordnete Kühlmittelräume aufweisen, die durch eine Trennwand voneinander getrennt sind. Bei der DE 28 25 298 A1 ist dabei zwischen einem Oberteil und einem Unterteil des Zylinderkopfes eine Aufnahmebuchse für eine ein Einspritzventil umgebende Dichthülse angeordnet, welche die Strömungsverbindung zwischen den Kühlmittelräumen herstellt. Bei der JP S63-12 816 A erfolgt die Strömungsverbindung über ein in eine Verbindungsbohrung eingesetztes Einsatzrohr.
In der DE 11 86 684 B wird eine Abdichtung dünnwandiger, von Kühlmittel umströmter Mantelbüchsen in Zylinderköpfen beschrieben. An den Büchsen ist jeweils eine ringförmige Sicke eingedrückt, in die ein O-Ring eingelegt ist, um die Mantelbüchsen in ihren Einsatzbohrungen abzudichten.
Die DD 26 097 A3 beschreibt einen Zylinderkopf mit einem Kühlflüssigkeitskanal der in etwa in einer horizontalen Ebene zur Zylindermitte verläuft und dort in einen Ringraum mündet. Der Ringraum umschließt ein Düsenrohr und weist in Richtung des Zylinderkopfbodens eine ringförmige Öffnung auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise verbesserte Kühlung von thermisch kritischen Bereichen zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Vielzahl von axialen Öffnungen über den Mantel des Kühleinsatzes verteilt angeordnet sind, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der Kühleinsatz doppelwandig, vorzugsweise als Blechpressteil ausgebildet ist und die Strömungsverbindung zumindest abschnittsweise zwischen einer inneren und einer äußeren Wand des Kühleinsatzes gebildet ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf im Bereich des Zylinderkopfbodens einen Butzen zur Aufnahme des Bauteiles aufweist, dessen Höhenerstreckung in Richtung der Zylinderachse geringer ist als die Höhe des an den Zylinderkopfboden grenzenden unteren Kühlmittelraumes, wobei vorzugsweise der Kühleinsatz anschließend an den Butzen im Zylinderkopf angeordnet ist.
Der Kühlmittelstrom erfolgt von dem Zylinderkopfboden weiter entfernteren oberen Kühlmittelraum in den dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum. Der Kühleinsatz weist dabei im Bereich des oberen Kühlmittelraumes radiale Öffnungen auf, über welche das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum in den Kühleinsatz einströmen kann. Weiters ist vorgesehen, dass der Kühleinsatz zumindest eine axiale Öffnung in den unteren Kühlmittelraum in Richtung der Zylinderkopfdecke aufweist, wobei vorzugsweise die axiale Öffnung als Düse ausgebildet ist. Das Kühlmittel strömt über die Düse in den unteren Kühlmittelraum, wobei thermisch kritische Bereiche des Zylinderkopfbodens gekühlt werden. Eine besonders gute Kühlung des Zylinderkopfbodens lässt sich erreichen, wenn die Vielzahl von Düsen gleichmäßig über den vorzugsweise zylindrischen Mantel des Kühleinsatzes verteilt angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Düsen durch Ondulierungen der äußeren und/oder inneren Wand des Kühleinsatzes gebildet sind, wobei vorzugsweise die Ondulierungen im Blechpressverfahren hergestellt sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die radialen Öffnungen im Bereich des oberen Kühlmittelraums Eintrittsöffnungen und die axialen Öffnungen Austrittsöffnungen sind, wobei der Kühlmittelstrom vom oberen Kühlmittelraum durch die radialen Eintrittsöffnungen innerhalb des Kühleinsatzes und durch die axialen Austrittsdüsen in den unteren Kühlmittelraum gelangt, so dass nach dem Austreten des Kühlmittels aus den axialen Öffnungen thermisch kritische Bereiche des Zylinderkopfbodens umströmt werden.
Um unabhängig von der Ausrichtung der radialen Öffnungen des Kühleinsatzes ein unbehindertes Einströmen in den Kühleinsatz zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass im Bereich der radialen Öffnungen des Kühleinsatzes zwischen Kühleinsatz und Zylinderkopf ein Ringraum ausgebildet ist. Das Kühlmittel strömt über einen den oberen Kühlmittelraum darstellenden, vorzugsweise durch eine Bohrung gebildeten Kühlmittelzuführkanal in den Ringraum und wird durch diesen gleichmäßig über die radialen Öffnungen des Kühleinsatzes verteilt.
Eine einfache Fertigung des Kühleinsatzes ist möglich, wenn der Kühleinsatz zweiteilig ausgeführt ist und aus einem die äußere Wand bildenden ersten Teil und einem die innere Wand bildenden zweiten Teil besteht, wobei vorzugsweise die beiden Teile fest miteinander verbunden sind.
Um Leckagen im Bereich des Butzens zu vermeiden, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Kühleinsatz im Bereich des Butzen axial abgedichtet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem zweiten Teil und dem Butzen ein Dichtungsring angeordnet ist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Kühleinsatz radial an seinen dem Butzen abgewandten Ende bezüglich des Zylinderkopfes abgedichtet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Teil und dem Zylinderkopf ein Dichtungsring in einer vorzugsweise durch den ersten Teil gebildeten Ringnut angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der untere Kühlmittelraum, der obere Kühlmittelraum und vorzugsweise auch ein Aufnahmeschacht für den Bauteil durch einen einzigen Wassermantelkern geformt sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der untere Kühlmittelraum durch einen einteiligen Wassermantelkern gebildet ist, welcher vorzugsweise auch den Aufnahmeschacht und besonders vorzugsweise auch den Butzen zur Aufnahme des Bauteiles formt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein in einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf eingesetztes Kühlelement in einem Längsschnitt gemäß der Linie I-I in 2,
2 das Kühlelement in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in 1; und
3 das Kühlelement in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in 1.
Ein Zylinderkopf 2 für eine Brennkraftmaschine weist einen unteren Kühlmittelraum 4 und einen oberen Kühlmittelraum 6 auf, wobei die Kühlmittelräume 4, 6 durch eine Trennwand 8 voneinander getrennt sind. Der untere Kühlraum 4 grenzt an den Zylinderkopfboden 10.
Im Bereich des Zylinderkopfbodens 10 ist ein Butzen 12 zur Aufnahme eines in den Brennraum 14 mündenden Bauteil 16 vorgesehen, dessen Höhe h geringer ist, als die lichte Höhe H des unteren Kühlmittelraumes 4, in Richtung der Zylinderachse 18 gemessen. Vom Brennraum 14 aus betrachtet, endet dabei der Butzen 12 oberhalb der Auflagefläche 20 des Zylinderkopfes 2 für den Bauteil 16.
Der im Aufnahmeschacht 25 des Zylinderkopfes 2 angeordnete Bauteil 16 ist von einem Kühleinsatz 22 umgeben, welcher die ringförmige Freistellung 25 zwischen dem Bauteil 16 und der Trennwand 8 des Zylinderkopfes 2 ausfüllt. Der Kühleinsatz 22 ist hohl ausgeführt und bildet eine Strömungsverbindung zwischen dem oberen und dem unteren Kühlmittelraum 6, 4 aus. Der Kühleinsatz 22 weist im Bereich des oberen Kühlmittelraumes 6 radiale Öffnungen 24 auf, welche möglichst gleichmäßig am Umfang verteilt sind und Strömungseintritte in den Kühleinsatz 22 bilden. Um eine ungehinderte Kühlmittelzufuhr aus dem oberen Kühlmittelraum 6, unabhängig von der Ausrichtung der Eintrittsöffnungen 24, zu ermöglichen, ist im Bereich des oberen Kühlmittelraumes 6 zwischen dem Zylinderkopf 2 und dem Kühleinsatz 22 ein Ringraum 26 ausgebildet.
Der Kühleinsatz 22 ist doppelwandig ausgeführt und weist eine durch einen Teil 28 ausgebildete äußere Wand 29 und einen durch einen zweiten Teil 30 gebildete innere Wand 31 auf. Zwischen äußerer Wand 29 und innerer Wand 31 wird ein Hohlraum 32 aufgespannt, welcher die Strömungsverbindung zwischen dem oberen Kühlmittelraum 6 und dem unteren Kühlmittelraum 4 bildet. Der Kühleinsatz 22 ist auf den Butzen 12 aufgesetzt. In dem Butzen 12 zugewandten Endbereich weist der Kühleinsatz 22 durch Düsenschächte 36 gebildete axiale Öffnungen 38 auf, welche Strömungsauftritte aus dem Kühleinsatz 22 bilden. Dabei ist eine Vielzahl von Düsenschächten 36 gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet, wie aus 3 hervorgeht. Die Düsenschächte 36 werden bevorzugt durch Ondulierungen der äußeren Wand 29 gebildet und sind beispielsweise im Blechpressverfahren hergestellt.
Die Abdichtung des Kühleinsatzes 22 zum Butzen hin erfolgt beispielsweise über eine als O-Ring ausgebildete Dichtung 40, welche in einen beispielsweise durch die innere Wand 31 gebildeten Ringraum eingesetzt ist. Oberhalb des oberen Kühlmittelraumes 6 ist der Kühleinsatz 22 ebenfalls über eine beispielsweise als O-Ring ausgebildete Dichtung 42 gegenüber dem Zylinderkopf 2 abgedichtet, wobei die Dichtung 42 beispielsweise in einen durch die äußere Wand 29 geformten Ringraum eingelegt ist. Die Abdichtung über O-Ringe ist möglich, da diese durch die unmittelbare zum Kühlmittel vergleichsweise niederer Temperaturbelastung ausgesetzt sind.
Das Kühlmittel strömt aus dem oberen Kühlraum 6 durch die Eintrittsöffnungen 24 in den Hohlraum 32 und verlässt diesen über die Düsenschächte 36. Dabei wird das Kühlmittel entsprechend den Pfeilen S entlang des Butzens 12 in Richtung des Zylinderkopfbodens 10 geleitet, so dass thermisch kritische Stellen ausreichend gekühlt werden können.
Durch den Kühleinsatz 22 sind keine weiteren Führungsmaßnahmen für das Kühlmittel am Zylinderkopfboden 10 erforderlich.
Die Kühlmittelräume 4, 6 können mit einteiligen Wassermantelkernen geformt werden.
Durch den gegossenen Butzen 12 zur Aufnahme des Bauteils 16 entfallen die üblichen Probleme mit eingesetzten durchgehenden Hülsen (Abdichtung im Heißbereich, Mitherausziehen bei Demontage des Bauteils, sowie Undichtheit im Demontierten Zustand, erhöhter Platzbedarf und zusätzliche Spannungen im Bodenbereich, etc.).

Claims

Zylinderkopf (2) für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei in Richtung der Zylinderachse (18) übereinander angeordneten, durch eine Trennwand (8) voneinander getrennten Kühlmittelräumen (4, 6), und zwar einem dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum (4) und einem an diesen anschließenden oberen Kühlmittelraum (6), wobei das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum (6) zum unteren Kühlmittelraum (4) strömt, mit einem in einen Brennraum (14) mündenden Bauteil (16), wobei im Bereich des Bauteiles (16) zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen (4, 6) ausgebildet ist, wobei das Bauteil (16) zumindest im Bereich der Trennwand (8) von einem Kühleinsatz (22) umgeben ist, und die Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen (4, 6) innerhalb des Kühleinsatzes (22) ausgebildet ist, und wobei der Kühleinsatz (22) zumindest eine axiale Öffnung (38) in den unteren Kühlmittelraum (4) in Richtung des Zylinderkopfbodens (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von axialen Öffnungen (38) über den Mantel des Kühleinsatzes (22) verteilt angeordnet sind.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (2) im Bereich des Zylinderkopfbodens (10) einen Butzen (12) zur Aufnahme des Bauteiles (16) aufweist, dessen Höhe (h) in Richtung der Zylinderachse (18) geringer ist als die Höhe (H) des an den Zylinderkopfboden (10) grenzenden unteren Kühlmittelraumes (4).
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) anschließend an den Butzen (12) im Zylinderkopf (2) angeordnet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Öffnung (38) als Düse ausgebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Öffnung (38) als Düsenschacht (36) ausgebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von axialen Öffnungen (38) gleichmäßig über den Mantel des Kühleinsatzes (22) verteilt angeordnet sind.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Kühleinsatzes (22) zylindrisch ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen durch Ondulierungen einer äußeren und/oder inneren Wand (29, 31) des Kühleinsatzes (22) gebildet sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) zumindest eine radiale Öffnung (24) im Bereich des oberen Kühlmittelraumes (6) aufweist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der radialen Öffnungen (24) des Kühleinsatzes (22) zwischen Kühleinsatz (22) und Zylinderkopf (2) ein Ringraum (26) ausgebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Öffnungen (24) im Bereich des oberen Kühlmittelraums (6) Strömungseintritte und die axialen Öffnungen (38) Strömungsaustritte des Kühleinsatzes (22) sind, wobei der Kühlmittelstrom vom oberen Kühlmittelraum (6) durch die radialen Öffnungen (24) aus dem oberen Kühlmittelraum (6) in den Kühleinsatz (22) und durch die axialen Öffnungen (38) aus dem Kühleinsatz (22) in den unteren Kühlmittelraum (4) gelangt, so dass nach dem Austreten des Kühlmittels aus den axialen Öffnungen (38) thermisch kritische Bereiche des Zylinderkopfbodens (10) umströmt werden.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) doppelwandig ausgebildet ist und die Strömungsverbindung zumindest abschnittsweise zwischen der inneren und einer äußeren Wand (31, 29) des Kühleinsatzes (22) gebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) zweiteilig ausgeführt ist und aus einem die äußere Wand (29) bildenden ersten Teil (28) und einem die innere Wand (31) bildenden zweiten Teil (30) besteht.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (28, 30) fest miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) im Bereich des Butzens (12) axial abgedichtet ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Teil (30) und dem Butzen (12) eine Dichtung (40) angeordnet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) an seinen dem Butzen (12) abgewandten Ende bezüglich des Zylinderkopfes (2) radial abgedichtet ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 13 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Teil (28) und dem Zylinderkopf (2) eine Dichtung (42) in einer Ringnut angeordnet ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut durch den ersten Teil (28) gebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Kühlmittelraum (6) ein Kühlmittelzuführkanal ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzuführkanal zumindest teilweise durch eine Bohrung gebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kühlmittelraum (4) und/oder der obere Kühlmittelraum (6) und/oder ein Aufnahmeschacht (25) für den Bauteil (16) durch einen einzigen Wassermantelkern geformt sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kühlmittelraum (4) durch einen einteiligen Wassermantelkern gebildet ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der einteilige Wassermantelkern auch den Aufnahmeschacht (25) und/oder den Butzen (12) zur Aufnahme des Bauteiles (16) formt.