DE102007031350B4

DE102007031350B4 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf mit zwei Kühlmittelkanälen

Info

Publication number: DE102007031350B4
Application number: DE102007031350.2A
Authority: DE
Inventors: Georg Malek; Karl Treffler; Dr. Unger Harald; Thomas Schmiegelt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: DE102007031350A1

Abstract

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf eine separate Bodenplatte mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal (1) aufweist, sowie ein mit der Bodenplatte verbindbares Oberteil mit einem zweiten Kühlmittelkanal (2), wobei der erste Kühlmittelkanal (1) und der zweite Kühlmittelkanal (2) gemeinsam mit Kühlmittel durchströmbar sind und wobei der Zylinderkopf für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine einlassseitig zwei Gaswechseleinlass- (3) und auslassseitig zwei Gaswechselauslasskanäle (4) aufweist und wobei weitgehend mittig zwischen den Gaswechselkanälen (3, 4) eine Zündvorrichtung anordenbar ist, wobei zwischen den Gaswechseleinlasskanälen (3) eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Einspritzung von Brennstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und in und/oder an der Bodenplatte einlassseitig ein erster (5) und auslassseitig ein zweiter Kühlmittelzuführkanal (6) vorgesehen ist, die jeweils weitgehend in einer Längsrichtung (L) des Zylinderkopfes ausgerichtet sind, wobei sich der erste Kühlmittelkanal (1) einlassseitig ausgehend von dem ersten Kühlmittelzuführkanal (5) zuerst weitgehend, an einer Brennraumaußenseite um die Gaswechseleinlasskanäle (3) herum und anschließend geodätisch nach oben in den zweiten Kühlmittelkanal (2) erstreckt und weiter im Oberteil vorbei an der Zündeinrichtung und weiter weitgehend außen an den Gaswechselauslasskanälen (4) erstreckt und sich anschließend geodätisch nach unten an den Gaswechselauslasskanälen entlang durch die Bodenplatte hindurch in ein Kurbelgehäuse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass auslassseitig ein dritter Kühlmittelkanal (7) in der Bodenplatte vorgesehen ist, der sich ausgehend von dem zweiten Kühlmittelzuführkanal (6) weitgehend zwischen den Gaswechselauslasskanälen (4) hindurch, weiter um die Zündeinrichtung und um die Brennstoffeinspritzvorrichtung herum erstreckt und sich anschließend weitgehend zwischen den Gaswechseleinlasskanälen (3) geodätisch nach unten in das Kurbelgehäuse erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit zwei Kühlmittelkanälen für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 25 14 592 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt, der eine separate Bodenplatte mit einem ersten Kühlmittelkanal aufweist. Ein mit dem Bodenteil verbindbares Oberteil des Zylinderkopfes weist einen zweiten Kühlmittelkanal auf, wobei der erste und der zweite Kühlmittelkanal gemeinsam mit Kühlmittel durchströmbar sind. Einlassseitig und Auslassseitig weist der Zylinderkopf jeweils zwei Gaswechseleinlass- bzw. zwei Gaswechselauslasskanäle auf. Weitgehend zentrisch zwischen den Gaswechselkanälen ist eine Zündvorrichtung anordenbar.
Aus der US 5 699 760 A , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist ein gattungsbildender flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf bekannt.
Zum technischen Umfeld wird weiter auf die US 6 481 392 B1 , die WO 2007/051212 A2 , die DE 103 21 035 B3 und die WO 2007/033161 A1 hingewiesen.
Ein weiterer gattungsgemäßer flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 037 383 A1 bekannt. Der aus der DE 10 2005 037 383 A1 bekannte Zylinderkopf ist für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine vorgesehen.
Obwohl die aus dem Stand der Technik bekannten flüssigkeitsgekühlten Zylinderköpfe keine prinzipbedingten Nachteile aufweisen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders gute, direkte Kühlung zentraler Brennraumbereiche und anderer Heißzonen wie den Gaswechsel-Auslasskanälen und Gaswechsel-Ventilführungsbereichen der Gaswechsel-Auslasskanäle aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes wird eine besonders gute, direkte Kühlung zentraler Brennraumbereiche und anderer Heißzonen wie den GaswechselAuslasskanälen und Gaswechsel-Ventilführungsbereichen der Gaswechsel-Auslasskanäle erzielt.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird die Zündeinrichtung besonders gut um ihren gesamten Umfang gekühlt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 erlaubt die Verwendung eines separaten Gehäuses für den ersten und/oder den zweiten Kühlmittelzuführkanal. Hierbei können als Gehäusematerialien besonders leichte Materialien wie beispielsweise auch Kunststoffe zur Reduzierung des Brennkraftmaschinengewichts verwendet werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles in drei Figuren näher erläutert.

1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen ersten und einen dritten Kühlmittelkanal und einen ersten und einen zweiten Kühlmittelzuführkanal in einer Bodenplatte eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes, wobei schematisch eine Durchströmung des ersten und des zweiten Kühlmittelzuführkanals des und ersten und des dritten Kühlmittelkanals dargestellt ist.
2 zeigt eine Seitenansicht auf den ersten, einen zweiten und den dritten Kühlmittelkanal und den ersten und den zweiten Kühlmittelzuführkanal in der Bodenplatte und einen zweiten Kühlmittelkanal in einem Oberteil des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes, wobei schematisch eine Durchströmung des zweiten Kühlmittelzuführkanals und des dritten Kühlmittelkanals dargestellt ist.
3 zeigt eine Seitenansicht auf den ersten und den zweiten Kühlmittelkanal und den ersten und den zweiten Kühlmittelzuführkanal in der Bodenplatte, wobei schematisch eine Durchströmung des ersten Kühlmittelzuführkanals und des ersten und des zweiten Kühlmittelkanals dargestellt ist.

In den 1 bis 3 gelten für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung gilt für einen nicht explizit dargestellten flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf eine separate Bodenplatte mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal 1 aufweist, sowie ein mit der Bodenplatte verbindbares, separates Oberteil mit einem zweiten Kühlmittelkanal 2, wobei der erste Kühlmittelkanal 1 und der zweite Kühlmittelkanal 2 gemeinsam mit Kühlmittel durchströmbar sind und wobei der Zylinderkopf für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine einlassseitig zwei Gaswechseleinlass- 3 und auslassseitig zwei Gaswechselauslasskanäle 4 aufweist und wobei weitgehend mittig zwischen den Gaswechselkanälen 3, 4 eine Zündvorrichtung anordenbar ist und wobei zwischen den Gaswechseleinlasskanälen 3 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Einspritzung von Brennstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen ersten und einen zweiten Kühlmittelzuführkanal 5, 6 und den ersten und einen dritten Kühlmittelkanal 1, 7 in der Bodenplatte eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes, wobei schematisch durch (Richtungs-)Pfeile eine Durchströmungsrichtung des ersten und des zweiten Kühlmittelzuführkanals 5, 6 und des ersten und des dritten Kühlmittelkanals 1, 7 mit einem Kühlmittel dargestellt ist.
Die Kanäle 1, 5, 6, 7 und der in den 2 und 3 dargestellte zweite Kühlmittelkanal 2 in dem Oberteil des Zylinderkopfes, der im zusammengebauten Zustand des Zylinderkopfes mit dem ersten Kühlmittelkanal 1 einen einzigen, nicht gemeinsam bezifferten Kühlmittelkanal bildet, sind ein Teil eines Kühlmittelsystems eines Zylinderkopfes einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei in 1 nur ein Abschnitt für einen Zylinder dargestellt ist. Es wird darauf verwiesen, dass in 1 ausschließlich der Teil des Kühlmittelsystems, der sich in der brennraumnahen Bodenplatte befindet, dargestellt ist.
Auf einer Einlassseite des Zyliriderkopfes erstreckt sich der erste Kühlmittelzuführkanal 5 in einer Längsrichtung L des Zylinderkopfes. Ausgehend von dem ersten Kühlmittelzuführkanal 5 zweigen zwei erste Kühlmittelkanäle aus dem ersten Kühlmittelzuführkanal 5 in Richtung Zylinderkopfmitte ab und erstrecken sich bis zu den zwei Gaswechseleinlasskanälen 3 und anschließend beidseitig der Gaswechseleinlasskanäle 3 geodätisch nach oben. An zwei ersten Übertrittsstellen 8 findet der Übergang in das Oberteil statt, wobei im Oberteil der Kühlmittelkanal als zweiter Kühlmittelkanal 2 beziffert ist. Ersichtlich ist dies in den 2 und 3. Im Oberteil des Zylinderkopfes erstreckt sich der zweite Kühlmittelkanal 2 weiter um eine nicht dargestellte Brennstoffeinspritzvorrichtung, die zwischen den Gaswechseleinlasskanälen 3 angeordnet ist. Weiter erstreckt sich der zweite Kühlmittelkanal 2 zumindest einseitig um die Zündeinrichtung herum, um sich anschließend wieder geodätisch nach unten, durch zwei zweite Übertrittsstellen 9 zurück in die Bodenplatte zu erstrecken, wo der Übergang vom zweiten Kühlmittelkanal 2 wieder zum ersten Kühlmittelkanal 1 erfolgt. Von dort erstreckt sich der erste Kühlmittelkanal 1 durch zwei dritte Übertrittsstellen 10, zwei fünfte Übertrittsstellen 12 und zwei sechste, geodätisch unter den ersten Übertrittsstellen 8 angeordneten, in 3 erkennbaren Übertrittsstellen 13 weiter in ein Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine.
Auslassseitig ist der zweite Kühlmittelzuführkanal 6 in der Bodenplatte angeordnet, der sich ebenfalls in der Längsrichtung L des Zylinderkopfes erstreckt. Zwischen den Gaswechselauslasskanälen 4 zweigt der dritte Kühlmittelkanal 7 von dem zweiten Kühlmittelzuführkanal 6 in Richtung der nicht dargestellten Zündeinrichtung ab, weiter erstreckt er sich um die Zündeinrichtung herum um sich anschließend durch eine vierte Übertrittsstelle 11 geodätisch nach unten in das Kurbelgehäuse zu erstrecken.
2 zeigt eine Seitenansicht auf den ersten, den zweiten und den dritten Kühlmittelkanal 1, 2, 7 und den ersten und den zweiten Kühlmittelzuführkanal 5, 6 in der Bodenplatte, wobei schematisch eine Durchströmungsrichtung des zweiten Kühlmittelzuführkanals 6 und des dritten Kühlmittelkanals 7 mit dem Kühlmittel durch (Richtungs-)Pfeile dargestellt ist. Eine Trennebene zwischen dem Oberteil O und der Bodenplatte B, in der die ersten und zweiten Übertrittsstellen 8, 9 angeordnet sind, ist mit zwei Pfeilen O, B dargestellt.
Von dem zweiten Kühlmittelzuführkanal 6 kommend strömt das Kühlmittel in Richtung der nicht dargestellten Zündeinrichtung des Zylinderkopfes, um die Zündeinrichtung herum und schließlich durch die vierte Übertrittsstelle 11 geodätisch nach unten in das Kurbelgehäuse.
3 zeigt eine Seitenansicht auf den ersten und den,zweiten Kühlmittelkanal 1, 2 und den ersten und den zweiten Kühlmittelzuführkanal 5, 6 in der Bodenplatte, wobei eine Durchströmungsrichtung des ersten Kühlmittelzuführkanals 5 und des ersten und des zweiten Kühlmittelkanals 1, 2 mit Kühlmittel schematisch durch (Richtungs-)Pfeile dargestellt ist.
Das Kühlmittel strömt aus dem ersten Kühlmittelzuführkanal 5 in Richtung der Gaswechseleinlasskanäle 3, anschließend geodätisch nach oben, wo es an den Übertrittsstellen 8 in den zweiten Kühlmittelkanal 2 mündet, umströmt dort das nicht dargestellte Kraftstoffeinspritzventil und erstreckt sich weiter in Richtung Auslassseite, um dort durch die zweiten Übertrittsstellen 9 wieder zurück in die Bodenplatte, den ersten Kühlmittelkanal 1, zu strömen. Weiter strömt das Kühlmittel durch die dritten, fünften und sechsten Übertrittsstellen 10, 12, 13 geodätisch nach unten in das Kurbelgehäuse.
Der zweite Kühlmittelkanal 2 kann sich im Oberteil entweder nur einerseits um die Zündeinrichtung herum erstrecken oder die Zündeinrichtung radial vollständig umschließen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann sich auch nur ein einziger erster Kühlmittelkanal 1 vom ersten Kühlmittelzuführkanal 5 in die Bodenplatte 1 hinein erstrecken.
Ebenfalls in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass der erste und/oder der zweite Kühlmittelzuführkanal 5, 6 bei einem separaten, an die Bodenplatte anordenbaren Gehäuse angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlmittelzuführkanäle 5, 6 in einem leichten, beispielsweise aus Kunststoff gefertigten Gehäuse angeordnet sein können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht zwischen dem ersten, dem zweiten Kühlmittelkanal 1, 2 und dem dritten Kühlmittelkanal 7 keine Querverbindung. In anderen Ausführungsbeispielen können jedoch auch Kurzschlussströmungen für eine Feinoptimierung des Kühlmittelflusses vorgesehen werden. Weiter können Querverbindungen auch vorgesehen werden zur einfacheren Fertigung von Sandkernen für die Kühlmittelkanäle des Zylinderkopfes. Ein derartiger Sandkern mit Querverbindungen kann in vorteilhafter Weise auch einstückig ausgeführt werden.
In der Praxis dürften bei der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung dem zweiten Kühlmittelzuführkanal 6 und dem dritten Kühlmittelkanal 7 bezüglich einer Kühlungspriorisierung ein größeres Augenmerk zukommen als dem ersten Kühlmittelzuführkanal 5, sowie dem ersten und dem zweiten Kühlmittelkanal 1, 2. Hintergrund hierfür ist die Temperaturverteilung zwischen der heißen Auslassseite und der kühlen Einlassseite des Zylinderkopfes.
In anderen Worten ausgedrückt:
Der gesamte Kühlmittelstrom aus einem Kühler wird entsprechend der notwendigen (erforderlichen) Kühlungsintensität in zwei gleiche oder ungleiche Teilströme aufgeteilt. Der eine, z. B. der größere Teilstrom, wird auf die zentralen (heißen) Brennraumzonen geleitet. Dieser dient auch zur vollständigen Umfangskühlung von Zündeinrichtung und Injektor, bzw. Brennstoffeinspritzvorrichtung. Der zweite, z. B. der kleinere Teilstrom, wird über die Brennraumaußenbereiche auf die Gaswechsel-Auslasskanäle und Ventilführungsringbereiche der Gaswechsel-Auslassventile geleitet. Nach Durchströmung der Zylinderkopfbereiche werden die Teilströme über Sammelkanäle wieder zum Kühler geleitet. Im Falle einer bevorzugten integrierten Strömungsführung werden die Teilströme aus den zentralen Brennraumbereichen zum einlassseitigen Zylinderkühlkanal im Kurbelgehäuse geleitet. Die Teilströme aus den äußeren Brennraumbereichen werden zum auslassseitigen Zylinderkühlkanal im Zylinderkurbelgehäuse geleitet. Die beiden Ströme werden anschließend entweder über den vorderen Zylinderkopfbereich oder über separate Kühlmittelschläuche zum Kühlervorlauf geleitet.
Bezugszeichenliste

1.: erster Kühlmittelkanal
2.: zweiter Kühlmittelkanal
3.: Gaswechseleinlasskanal
4.: Gaswechselauslasskanal
5.: erster Kühlmittelzuführkanal
6.: zweiter Kühlmittelzuführkanal
7.: dritter Kühlmittelkanal
8.: erste Übertrittstelle
9.: zweite Übertrittstelle
10.: dritte Übertrittstelle
11.: vierte Übertrittstelle
12.: fünfte Übertrittstelle
13.: sechste Übertrittsstelle

Claims

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf eine separate Bodenplatte mit zumindest einem ersten Kühlmittelkanal (1) aufweist, sowie ein mit der Bodenplatte verbindbares Oberteil mit einem zweiten Kühlmittelkanal (2), wobei der erste Kühlmittelkanal (1) und der zweite Kühlmittelkanal (2) gemeinsam mit Kühlmittel durchströmbar sind und wobei der Zylinderkopf für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine einlassseitig zwei Gaswechseleinlass- (3) und auslassseitig zwei Gaswechselauslasskanäle (4) aufweist und wobei weitgehend mittig zwischen den Gaswechselkanälen (3, 4) eine Zündvorrichtung anordenbar ist, wobei zwischen den Gaswechseleinlasskanälen (3) eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Einspritzung von Brennstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und in und/oder an der Bodenplatte einlassseitig ein erster (5) und auslassseitig ein zweiter Kühlmittelzuführkanal (6) vorgesehen ist, die jeweils weitgehend in einer Längsrichtung (L) des Zylinderkopfes ausgerichtet sind, wobei sich der erste Kühlmittelkanal (1) einlassseitig ausgehend von dem ersten Kühlmittelzuführkanal (5) zuerst weitgehend, an einer Brennraumaußenseite um die Gaswechseleinlasskanäle (3) herum und anschließend geodätisch nach oben in den zweiten Kühlmittelkanal (2) erstreckt und weiter im Oberteil vorbei an der Zündeinrichtung und weiter weitgehend außen an den Gaswechselauslasskanälen (4) erstreckt und sich anschließend geodätisch nach unten an den Gaswechselauslasskanälen entlang durch die Bodenplatte hindurch in ein Kurbelgehäuse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass auslassseitig ein dritter Kühlmittelkanal (7) in der Bodenplatte vorgesehen ist, der sich ausgehend von dem zweiten Kühlmittelzuführkanal (6) weitgehend zwischen den Gaswechselauslasskanälen (4) hindurch, weiter um die Zündeinrichtung und um die Brennstoffeinspritzvorrichtung herum erstreckt und sich anschließend weitgehend zwischen den Gaswechseleinlasskanälen (3) geodätisch nach unten in das Kurbelgehäuse erstreckt.
Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Kühlmittelkanal (2) im Oberteil um die Zündeinrichtung herum erstreckt.
Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einlassseitig zwei erste Kühlmittelkanäle (1) vorgesehen sind, die sich von dem ersten Kühlmittelzuführkanal (5) in die Bodenplatte (1) hinein erstrecken.
Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Kühlmittelzuführkanal (5, 6) in einem separaten, an die Bodenplatte anordenbaren Gehäuse angeordnet ist.