DE102005050510A1 - Cylinder head for a water-cooled internal combustion engine comprises a coolant channel having a flow cross-section which is constant in the flow direction of the coolant from an inlet opening up to a collection channel - Google Patents

Cylinder head for a water-cooled internal combustion engine comprises a coolant channel having a flow cross-section which is constant in the flow direction of the coolant from an inlet opening up to a collection channel Download PDF

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Abstract

Cylinder head comprises a coolant channel (4) having a flow cross-section which is constant in the flow direction of the coolant from an inlet opening (5) up to a collection channel (6). Preferred Features: The coolant channel is molded from gas exchange inlet valves in the shape of spectacles. The coolant channel has a coolant-guiding surface which has no edges.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a cylinder head for a water-cooled internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1.

Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 28 682 A1 aus. In dieser ist ein Zylinderkopf für eine mehrzylindrige, wassergekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben. Der Zylinderkopf weist zwei, an einer Längsseite einer Zylinderreihe in Längsrichtung nebeneinander liegende Auslassventile und an der anderen Längsseite mindestens ein Einlassventil auf. Weiter wird dem Zylinderkopf vom Zylinderkurbelgehäuse aus Kühlwasser über einen Einströmkanal zugeführt. Der Einströmkanal erstreckt sich im Wesentlichen symmetrisch zu einer zwischen den Auslassventilen verlaufenden Quermittelebene des Zylinderkopfes und besitzt einen in Längsrichtung der Zylinderreihe länglichen Querschnitt, wobei das Kühlwasser von dem Einströmkanal auf der Seite der Auslassventile quer durch den Zylinderkopf zu einem Kühlwassersammelkanal auf der Seite der Einlassventile strömt. In der DE 103 28 682 A1 wird vorgeschlagen, dass sich der Einströmkanal von einem Bereich, der sich an eine Zylinderkopfdichtung anschließt und zu dieser senkrecht verläuft, über eine sanfte Biegung von etwa 65° einer Stegbohrung in einen Ventilsitzbereich zwischen Auslasskanälen erstreckt und mindestens in der Biegung eine geringe radiale Höhe besitzt. Seine Breite ist in Längsrichtung der Zylinderreihe und durch seitlich angeordnete, nach innen vorspringende Rippen so bemessen, dass die Kühlwasserströmung einen Bereich des Ventilsitzbereichs, der mit einem symmetrisch zur Quermittelebene liegenden Bereich des benachbarten Auslasskanals einen sich zur Stegbohrung hin verjüngenden Trichter bildet.It starts from the German publication DE 103 28 682 A1 out. In this, a cylinder head for a multi-cylinder, water-cooled reciprocating internal combustion engine is described. The cylinder head has two, on a longitudinal side of a row of cylinders in the longitudinal direction adjacent exhaust valves and on the other longitudinal side at least one inlet valve. Further, the cylinder head is supplied from the cylinder crankcase cooling water via an inflow channel. The inflow passage extends substantially symmetrically to a transverse center plane of the cylinder head extending between the exhaust valves and has a longitudinal cross-section of the cylinder bank, the cooling water flowing from the intake valve side exhaust passage across the cylinder head to a cooling water intake passage on the intake valve side , In the DE 103 28 682 A1 It is proposed that the inflow channel extend from a region adjacent to and perpendicular to a cylinder head gasket, via a gentle bend of about 65 ° of a land bore into a valve seat region between exhaust passages and have a small radial height at least in the bend. Its width is dimensioned in the longitudinal direction of the cylinder row and by laterally arranged, inwardly projecting ribs such that the cooling water flow forms a region of the valve seat region which forms a funnel tapering towards the web bore with a region of the adjacent outlet channel lying symmetrically to the transverse center plane.

Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung werden die auslassseitigen Ventilsitzbereiche sehr gut gekühlt, was jedoch auch zu einer starken Abkühlung des Abgases während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine führt. Nachteilig hierbei ist das verspätete Anspringen des Katalysators, bzw. der verspätete Beginn der Abgasreinigung.By the proposed embodiment will be the outlet side valve seat areas very well cooled, which also leads to a strong cooling of the exhaust gas during the Warm-up phase of the internal combustion engine leads. The disadvantage here is the belated one Starting the catalyst, or the delayed start of the exhaust gas purification.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie für einen gattungsgemäßen Zylinderkopf eine gute Kühlung erzielbar ist, ohne ein frühes Anspringen des Katalysators zu verhindern.task The present invention is to show a measure as for a generic cylinder head a good cooling achievable without an early one To prevent the onset of the catalyst.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Strömungsquerschnitt des Kühlmittelkanals in Strömungsrichtung des Kühlmittels von der Einströmöffnung bis zum Sammelkanal im Wesentlichen konstant bleibt.These The object is achieved by the Characteristics in the characterizing part of patent claim 1 achieved in that the flow cross section of the coolant channel in the flow direction of the coolant from the inlet opening to the Collection channel remains substantially constant.

Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird eine sehr gezielte und gleichmäßige Kühlung des Zylinderkopfes erreicht. Aufgrund der geringen Umspülung der Einlasskanäle wird die Ansaugluft nur minimal aufgeheizt, womit der Füllgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird, d.h. Leistung und Drehmoment der Brennkraftmaschine werden gesteigert.By the proposed embodiment according to claim 2 becomes a very targeted and even cooling of the Cylinder head reached. Due to the low flushing of the Inlet channels is the intake air heated only minimally, whereby the degree of filling of the Internal combustion engine is improved, i. Power and torque the internal combustion engine are increased.

Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 wird der Strömungswiderstand wesentlich verringert, wodurch die Kühlmittelpumpe kleiner dimensioniert werden kann, was wiederum zu einer Kraftstoffersparnis führt.By the embodiment according to claim 3 becomes the flow resistance significantly reduced, whereby the coolant pump dimensioned smaller which in turn leads to fuel savings.

Bei der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird in vorteilhafter Weise auch die Gaswechselventilschaftführung mitgekühlt.at the embodiment according to claim 4, the gas exchange valve stem guide is advantageously also cooled.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele in zwei Figuren näher erläutert.in the The following is the invention with reference to two preferred embodiments closer in two figures explained.

1 zeigt die Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantel für ein erstes Ausführungsbeispiel; 1 shows the top view of a three-dimensionally illustrated coolant jacket for a first embodiment;

2 zeigt die Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantel für ein zweites Ausführungsbeispiel. 2 shows the top view of a three-dimensionally illustrated coolant jacket for a second embodiment.

Die 1 und 2, in denen für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen gelten, zeigen jeweils eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines Kühlmittelkanals 4 – entsprechend einem Sandkern zur Herstellung eines Kühlmittelkanals – für einen Zylinder in einem Zylinderkopf mit zwei Gaswechseleinlass- und zwei Gaswechselauslassventilen einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine.The 1 and 2 , in which the same reference numerals apply to identical elements, in each case a plan view of a section of a coolant channel 4 - According to a sand core for producing a coolant channel - for a cylinder in a cylinder head with two Gaswechseleinlass- and two Gaswechselauslassventilen a multi-cylinder internal combustion engine.

Der Kühlmittelkanal 4 in 1 weist eine Auslassseite 1 sowie eine Einlassseite 2 auf, die jeweils durch einen Pfeil, ausgehend von einer Brennkraftmaschinenlängsachse 3, gekennzeichnet sind. Auslassseitig weist der Kühlmittelkanal 4 eine Einströmöffnung 5 auf, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine von einem geodätisch unter dem Zylinderkopf angeordneten, nicht dargestellten Kurbelgehäuse mit Kühlmittel gespeist wird. Nach dem Eintritt in den Zylinderkopf ist der Kühlmittelkanal 4 in drei separate Einzelkanäle aufgeteilt, die brillenförmig zwei nicht dargestellte Gaswechselauslassventil sitzringe umfassen. In Richtung der Auslassseite 1, in Strömungsrichtung nach den Gaswechselauslassventilen, vereinen sich die drei separaten Einzelkanäle wieder und umfassen eine ebenfalls nicht dargestellte, zwischen den Gaswechselventilen angeordnete Zündeinrichtung. In Strömungsrichtung nach der Zündeinrichtung ist der Kühlmittelkanal 4 wieder in drei Einzelkanäle aufgeteilt, die ebenfalls brillenförmig zwei nicht dargestellte Gaswechseleinlassventilsitzringe umfassen. Weiter in Strömungsrichtung münden die drei Einzelkanäle in einen Sammelkanal 6, der sich einlassseitig entlang der Brennkraftmaschinenlängsachse 3 erstreckt. Erfindungsgemäß ist ein Strömungsquerschnitt des Kühlmittelkanals 4 in Strömungsrichtung des Kühlmittels von der Einströmöffnung 5 bis zum Sammelkanal 6 im Wesentlichen konstant.The coolant channel 4 in 1 has an outlet side 1 as well as an inlet side 2 on, each by an arrow, starting from an engine longitudinal axis 3 , Marked are. On the outlet side, the coolant channel 4 an inflow opening 5 on, which is arranged during operation of the internal combustion engine of a geodetically arranged under the cylinder head, crankcase, not shown, with coolant. After entering the cylinder head is the coolant channel 4 divided into three separate individual channels, the spectacle-like two gas exchange, not shown, gasket seat rings include. In the direction of the exhaust side 1 , in the flow direction after the gas exchange outlet valves, the three separate individual channels reunite and include a likewise not shown, arranged between the gas exchange valves ignition device. In the direction of flow after the ignition device is the coolant channel 4 again divided into three individual channels, which also eyeglass-shaped two gas exchange inlet valve seat rings, not shown, include. Next in the flow direction, the three individual channels open into a collecting channel 6 , the inlet side along the engine longitudinal axis 3 extends. According to the invention, a flow cross-section of the coolant channel 4 in the flow direction of the coolant from the inflow opening 5 to the collection channel 6 essentially constant.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmittelkanals 4. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Kühlmittelkanal 4 in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach der Einströmöffnung 5 im Bereich der Gaswechselauslassventile gegabelt, und bildet eine geodätisch über der ersten Brille angeordnete zweite Brille um die Gaswechselauslassventile. Somit strömt in diesem zweiten Ausführungsbeispiel das Kühlmittel nicht nur um die Gaswechselauslassventilsitzringe, sondern kühlt auch die auslassseitigen Gaswechselventilschaftführungen. Die geodätisch höher angeordnete zweite Brille mündet kurz vor der Zündeinrichtung wieder in die geodätisch tiefer angeordnete erste Brille. Die einlassseitige Ausformung des Kühlmittelkanals 4 entspricht im weiteren Verlauf dem ersten Ausführungsbeispiel. Erfindungsgemäß weist auch das zweite Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt von der Einströmöffnung 5 bis zum Sammelkanal 6 auf. 2 shows a second embodiment of a coolant channel according to the invention 4 , In contrast to the first embodiment, the coolant channel 4 in the flow direction of the coolant after the inflow opening 5 bifurcated in the gas exchange outlet valves, and forms a geodetically arranged on the first pair of glasses around the gas exchange outlet valves. Thus, in this second embodiment, the coolant not only flows around the gas exchange outlet valve seating rings, but also cools the outlet side gas exchange valve stem guides. The geodetically higher arranged second glasses opens shortly before the ignition again in the geodetically lower arranged first glasses. The inlet-side shaping of the coolant channel 4 corresponds to the further course of the first embodiment. According to the invention, the second embodiment also has a substantially constant flow cross-section from the inflow opening 5 to the collection channel 6 on.

Der Kühlmittelkanal 4 ist grundsätzlich derart ausgeformt, dass der Sammelkanal 6 immer den geodätisch höchsten Bereich aufweist, wobei der Kühlmittelkanal 4 von der Auslassseite 1 zur Einlassseite 2 bis in den Sammelka nal 6 eine Steigung von ca. 2° aufweist. Dieser stetige Anstieg von der Einlassseite 1 zur Auslassseite 2 dient der Entlüftung des Kühlmittelkanals 4 im Zylinderkopf. Diese Ausformung des Kühlmittelkanals 4 gilt auch für Zylinderköpfe von schräg eingebauten Brennkraftmaschinen.The coolant channel 4 is basically formed such that the collecting channel 6 always has the geodetically highest range, wherein the coolant channel 4 from the outlet side 1 to the inlet side 2 to the collection box 6 has a slope of about 2 °. This steady increase from the inlet side 1 to the outlet side 2 serves to vent the coolant channel 4 in the cylinder head. This shape of the coolant channel 4 also applies to cylinder heads of obliquely installed internal combustion engines.

In weiteren Ausführungsbeispielen können anstelle einer einzigen Einströmöffnung 5 auch mehrere Einströmöffnungen 5 vorgesehen sein. Darüber hinaus ist die Innenoberfläche, d. h. die kühlmittelführende Oberfläche des Kühlmittelkanals 4 im Wesentlichen gussrau und kantenfrei, wodurch ein Strömungswiderstand im Kühlmittelkanal 4 stark reduziert ist. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung wird eine gezielte Kühlung an den wichtigsten Stellen des Zylinderkopfes erreicht. Durch die ebenfalls brillenförmige Umspülung der Gaswechseleinlassventile wird die angesaugte Ansaugluft nur minimal aufgeheizt, wodurch ein besserer Füllgrad für die Brennkraftmaschine erzielt wird. Hierdurch werden Leistung und Drehmoment der Brennkraftmaschine erhöht. Durch die geringe Benetzung des Auslasskanals mit Kühlmittel wird insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine geringe Abkühlung des Abgases erzielt, wodurch ein Katalysator schneller anspringt und somit früher mit seine katalytische Wirkung einsetzt. Weiter ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung das Gesamtkühlmittelvolumen verringert, wodurch die Brennkraftmaschine eine kürzere Warmlaufphase erhält. Diese Verringerung des Kühlmittelvolumens führt weiter auch zu einem geringeren Gesamtgewicht der Brennkraftmaschine.In further embodiments, instead of a single inflow opening 5 also several inflow openings 5 be provided. In addition, the inner surface, ie the coolant-carrying surface of the coolant channel 4 essentially gussrau and edge-free, creating a flow resistance in the coolant channel 4 is greatly reduced. The proposed embodiment, a targeted cooling is achieved at the most important points of the cylinder head. Due to the likewise spectacle-shaped flushing of the gas exchange inlet valves, the sucked intake air is heated only minimally, whereby a better degree of filling for the internal combustion engine is achieved. As a result, power and torque of the internal combustion engine are increased. Due to the low wetting of the outlet channel with coolant, a low cooling of the exhaust gas is achieved, in particular in the warm-up phase of the internal combustion engine, whereby a catalyst starts faster and thus uses earlier with its catalytic effect. Further, the overall coolant volume is reduced by the inventive design, whereby the internal combustion engine receives a shorter warm-up phase. This reduction of the coolant volume also leads to a lower total weight of the internal combustion engine.

11
Auslassseiteoutlet
22
Einlassseiteinlet side
33
BrennkraftmaschinenlängsachseEngine longitudinal axis
44
KühlmittelkanalCoolant channel
55
Einströmöffnunginflow
66
Sammelkanalcollecting duct

Claims (4)

Zylinderkopf für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine, mit zwei in einer Auslassseite (1) des Zylinderkopfes angeordneten Gaswechselauslassventilen und zwei in einer Einlassseite (2) des Zylinderkopfes angeordneten Gaswechseleinlassventilen, die jeweils längs einer Brennkraftmaschinenlängsachse (3) angeordnet sind und einer zwischen den Gaswechselventilen angeordneten Zündeinrichtung, wobei ein Kühlmittelkanal (4) mit zumindest einer auslassseitigen, zu einem geodätisch unter dem Zylinderkopf angeordneten Kurbelgehäuse offenen Einströmöffnung (5) und einem einlassseitigen sich in Richtung der Brennkraftmaschinenlängsachse erstreckenden Sammelkanal (6) vorgesehen ist und wobei bei einem strömenden Kühlmittel ausgehend von der Einströmöffnung (5) zuerst die Gaswechselauslassventile brillenförmig umströmbar, anschließend die Zündeinrichtung ringförmig umströmbar und anschließend die Einlassseite (2) in den Sammelkanal (6) durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt des Kühlmittelkanals (4) in Strömungsrichtung des Kühlmittels von der Einströmöffnung (5) bis zum Sammelkanal (6) im Wesentlichen konstant ist.Cylinder head for a water-cooled internal combustion engine, with two in an exhaust side ( 1 ) of the cylinder head arranged Gaswechselauslassventilen and two in an inlet side ( 2 ) of the cylinder head arranged gas exchange inlet valves, each along an engine longitudinal axis ( 3 ) are arranged and arranged between the gas exchange valves ignition device, wherein a coolant channel ( 4 ) with at least one outlet-side, to a geodetically arranged under the cylinder head crankcase inlet opening ( 5 ) and an inlet side in the direction of the engine longitudinal axis extending collecting channel ( 6 ) is provided and wherein at a flowing coolant from the inlet opening ( 5 ) the gas exchange outlet valves can be flowed around in a spectacle like shape, then the ignition device can be flowed around annularly and then the inlet side ( 2 ) in the collecting channel ( 6 ) is flowed through, characterized in that a flow cross-section of the coolant channel ( 4 ) in the flow direction of the coolant from the inlet opening ( 5 ) to the collecting channel ( 6 ) is substantially constant. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (4) um die Gaswechseleinlassventile brillenförmig ausgeformt ist.Cylinder head according to claim 1, characterized in that the coolant channel ( 4 ) is spectacle-shaped around the gas exchange inlet valves. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Kühlmittelkanal (4) eine kühlmittelführende Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlmittelführende Oberfläche im Wesentlichen gussrau und kantenfrei ist.Cylinder head according to claim 1 or 2, wherein the coolant channel ( 4 ) has a coolant-carrying surface, characterized in that the coolant-carrying surface is substantially gussrau and edge-free. Zylinderkopf nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (4) stromab der Einströmöffnung (5) an jedem Gaswechselauslassventil gegabelt ausgeformt und geodätisch oberhalb des Kühlmittelkanals (4) um die Gaswechselauslassventile ein zweites Mal brillenförmig ausgeformt ist und stromab der Gaswechselauslassventile vor der Zündeinrichtung in den Kühlmittelkanal (4) mündet.Cylinder head according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the coolant channel ( 4 ) downstream of the inflow opening ( 5 ) formed at each gas exchange outlet valve bifurcated and geodetically above the coolant channel ( 4 ) is formed around the gas exchange outlet valves for a second spectacle shape and downstream of the gas exchange outlet valves in front of the ignition device in the coolant channel ( 4 ) opens.
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