DE102006013885A1

DE102006013885A1 - Ventilkühleinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102006013885A1
Application number: DE102006013885A
Authority: DE
Inventors: Dieter Lachner; Johannes Hiry
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-03-25
Filing date: 2006-03-25
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-26
Also published as: DE102006013885B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilkühleinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine (10), bei der ein Kühlmedium Wärme von wenigstens einem Ventil (13) in einem Zylinderkopf (16) abführt. Wenigstens eine Ventileinrichtung (12) weist angrenzend an einen im Betrieb heißen Bereich (18) einen Kanal (17) auf, der in Strömungsverbindung mit heißem Abgas aus dem Brennraum (19) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilkühleinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Es ist bekannt, Ventile von Verbrennungskraftmaschinen zu kühlen. Dazu wird z.B. extern angesaugte Kühlluft über eine externe Energiequelle in Richtung Ventil geblasen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ventilkühleinrichtung sowie einer Ventilkühleinrichtung ohne externe Energiequelle.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 11 gelöst.
Neben ihren gattungsgemäßen Merkmalen weisen die Verbrennungskraftmaschine und die Ventilkühleinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Ventileinrichtung auf, die angrenzend an einen im Betrieb heißen Bereich einen Kanal aufweist, der in Strömungsverbindung mit heißem Abgas aus dem Brennraum steht. Vorteilhaft kann heißes Abgas in den Kanal gelangen und dort abgekühlt werden, mit geringerer Temperatur zum Ventil zurückströmen und Wärme vom heißen Bereich abführen. Der heiße Bereich ist üblicherweise die Zone von dem Ventilteller bis zum Übergang zum Ventilschaft. Durch die bewusste Kühlung von Ladungswechselventilen in Verbrennungskraftmaschinen kann eine bessere Wärmeabfuhr z.B. am Auslassventil ermöglicht werden. Dadurch ist eine höhere Abgastemperatur möglich, was wiederum thermodynamische Vorteile hat. Dadurch lässt sich die Anfettung des der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Kraftstoffs reduzieren und der Kraftstoffverbrauch senken. Alternativ können durch eine Temperaturabsenkung an Ventilen bei unveränderter Abgastemperatur kostengünstigere Bauteile aus einfacheren Werkstoffen oder mit einfacherer Bauart, z.B. Vollventile statt Hohlventile, eingesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise weist der Kanal einen Kühlraum auf, aus dem Wärme des Abgases abführbar ist. Dabei kann die Wärme besonders vorteilhaft durch eine Druckpulsation des Abgases beim Öffnen in einem Auslasstakt des Ventils in den Kühlraum einleitbar sein. Der Kanal ist vorzugsweise einseitig geschlossen. Dadurch bleibt das abgekühlte Abgas unter einem relativ hohen Druck.
In einer günstigen Ausgestaltung steht der Kühlraum in Wärmetauschverbindung mit einem Kühlmedium des Zylinderkopfs.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung steht der Kühlraum in Wärmetauschverbindung mit einem Kühlmedium außerhalb des Zylinderkopfs. Ebenso können das Kühlmedium des Zylinderkopfs, z.B. Kühlwasser, und das externe Kühlmedium, z.B. Kühlluft, auch zusammenwirken.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung weist der Kanal eine Düse auf, deren Strömungsrichtung auf den heißen Bereich gerichtet ist. Da der einseitig geschlossene Kanal den hohen Druck des Abgases bzw. seiner Druckwelle aufrechterhält, kann das abgekühlte Abgas durch die Düse gezielt auf den heißen Bereich strömen und diesen durch den druckbedingt hohen Volumenstrom abkühlen.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung umfasst ein Sekundärluftkanal im Zylinderkopf den Kühlraum. Dabei kann eine Anbindung des Sekundärluftkanals an einen Auslasskanal so ausgestaltet sein, dass eine Düsenwirkung auf den heißen Bereich des Ventils trifft. Damit kann ein in vielen Zylinderköpfen vorhandener, aus anderen Gründen benötigter Raum genutzt werden. Es können ebenso vorhandene andere Hohlräume im Zylinderkopf genutzt werden.
In einer günstigen Ausgestaltung verläuft der Kanal etwa senkrecht zu einem Ventilschaft der Ventileinrichtung.
Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur einen Ausschnitt eines Zylinderkopfs einer bevorzugten Verbrennungskraftmaschine als Teilschnitt.
Die Figur zeigt eine Ventilkühleinrichtung 11 für eine Verbrennungskraftmaschine 10, wie sie an einem Prüfstand Verwendung findet. Durch die Ventilkühleinrichtung 11 führt ein Kühlmedium Wärme von wenigstens einem Ventil 13 einer Ventileinrichtung 12 in einem Zylinderkopf 16 ab.
Ein Kanal 17, der etwa senkrecht zum Ventilschaft 13.1 des Ventils 13 verläuft, weist angrenzend zum Ventil 13 hin eine Düse 14 auf, die mit ihrer Strömungsrichtung auf einen im Betrieb heißen Bereich 18 gerichtet ist. Der vorzugsweise einseitig geschlossene Kanal 17 weist einen Kühlraum 15 auf, aus dem Wärme des Abgases abführbar ist. Der Kühlraum 15 steht z.B. in Wärmetauschverbindung mit einem Kühlmedium des Zylinderkopfs 16.
Der in der Figur gezeigte Zylinderkopf 16 weist vorzugsweise jeweils einen derartigen Kanal 17 pro Ventil 13 auf, deren Düsen 14 auf den heißen Bereich 18 des Ladungswechselventils 13 gerichtet sind. Es können auch mehr als eine Düse 14 je Ventil 13 vorgesehen sein.
Sobald das z.B. als Auslassventil dienende Ventil 13 öffnet, bewirkt die übliche Druckpulsation des heißen Abgases der befeuerten Verbrennungskraftmaschine 10 eine Druckwelle, die über die Düse 14 auch in den Kühlraum 15 läuft. Dort wird Wärme an die Umgebung bzw. ein Kühlmedium abgegeben. Das unter erhöhtem Druck stehende, abgekühlte Abgas strömt dann wieder über die Düse 14 auf den heißen Bereich 18 des Ventils 13 und kühlt diesen.
Bei Messungen der Auslassventiltemperatur bei befeuerter Verbrennungskraftmaschine 10 ergeben sich am Prüfstand mit der erfindungsgemäßen Ventilkühleinrichtung 11 eine Reduktion der Temperatur um bis zu 70 K. Wird der Kühlraum 15 entfernt und die Düse 14 z.B. durch eine Verschlussschraube ersetzt, zeigt sich bei Vergleichsmessungen deutlich höhere Auslassventiltemperatur.
Bei einem Zylinderkopf für den Serieneinsatz wird der Kanal der Ventilkühleinrichtung beim Gießen des Zylinderkopfes durch einen Gusskern gebildet. Der Kanal wird dabei so im Zylinderkopf angeordnet, dass er eine gute Anbindung an die im Zylinderkopf verlaufenden Kühlmittelkanäle aufweist. Zudem werden die Länge, der Querschnitt und die Ausrichtung im Zylinderkopf für eine maximal Kühlung optimiert. Die Düse kann vorteilhaft durch einen Schraubeinsatz gebildet werden, der bei der Bearbeitung des Zylinderkopfes eingesetzt wird.

10: Verbrennungskraftmaschine
11: Kühleinrichtung
12: Ventileinrichtung
13: Ventil
13.1: Ventilschaft
14: Düse
15: Kühlraum
16: Zylinderkopf
17: Kanal
18: heißer Bereich
19: Brennraum

Claims

Ventilkühleinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine (10), bei der ein Kühlmedium Wärme von wenigstens einem Ventil (13) in einem Zylinderkopf (16) abführt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ventileinrichtung (12) angrenzend an einen im Betrieb heißen Bereich (18) einen Kanal (17) aufweist, der in Strömungsverbindung mit heißem Abgas aus dem Brennraum (19) steht.
Ventilkühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) einen Kühlraum (15) aufweist, aus dem Wärme des Abgases abführbar ist.
Ventilkühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme durch eine Druckpulsation des Abgases beim Öffnen in einem Auslasstakt des Ventils (13) in den Kühlraum (15) einleitbar ist.
Ventilkühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (15) in Wärmetauschverbindung mit einem Kühlmedium des Zylinderkopfs (16) steht.
Ventilkühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) einseitig geschlossen ist.
Ventilkühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (15) in Wärmetauschverbindung mit einem Kühlmedium außerhalb des Zylinderkopfs (16) steht.
Ventilkühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) eine Düse (14) aufweist, deren Strömungsrichtung auf den heißen Bereich (18) gerichtet ist.
Ventilkühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sekundärluftkanal im Zylinderkopf (16) den Kühlraum (15) umfasst.
Ventilkühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anbindung des Sekundärluftkanals an einen Auslasskanal so ausgestaltet ist, dass eine Düsenwirkung auf den heißen Bereich (17) des Ventils (13) trifft.
Ventilkühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) etwa senkrecht zu einem Ventilschaft (13.1) der Ventileinrichtung (12) verläuft.
Verbrennungskraftmaschine mit einer Ventilkühleinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ventileinrichtung (12) angrenzend an einen im Betrieb heißen Bereich (18) einen Kanal (17) aufweist, der in Strömungsverbindung mit heißem Abgas aus dem Brennraum (19) steht.