DE102007062347B4

DE102007062347B4 - Kühlanordnung für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007062347B4
Application number: DE102007062347.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Paul; Frank Ickinger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2007-12-22
Filing date: 2007-12-22
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2027-12-23
Also published as: FR2925600A1; DE102007062347A1; FR2925600B1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) zur Begrenzung eines Brennraumes der Brennkraftmaschine mit einer Einlass- und einer Auslassseite, mit zumindest einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen (7, 6), mit einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Zylinderkopfes (1), mit einem ersten Aufnahmeschacht (2) zur Aufnahme einer Zündkerze (3) und einem zweiten Aufnahmeschacht (4) zur Aufnahme eines Kraftstoffinjektors (5), dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Kühlung der Zündkerze (3) und/oder des Kraftstoffinjektors (5) ein unmittelbar ringförmig umgebender Kühlmittelkanal (8) vorgesehen, wobei der Kraftstoffinjektor (5) nur auf der Auslassseite und die Zündkerze (3) nur auf der Einlassseite oder umgekehrt angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf zur Begrenzung eines Brennraumes der Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einer derartigen Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Aus der DE 103 21 035 B3 ist eine Strömung von Kühlmittel im Zylinderkopf um Auslass- und Einlassventile sowie um eine Glühkerze und einem Kraftstoffinjektor aus einem Kühlmitteleintritt zu einem Kühlmittelaustritt bekannt. Das Kühlmittel strömt vom Kühlmitteleintritt aus einem Reservoir zum Kühlmittelaustritt in ein Reservoir. Nach dem Eintritt des Kühlmittels in den Zylinderkopf teilt dieses sich nachfolgend auf, so dass ein Teil um die Auslasskanäle sowie Einlasskanäle und der Rest um die Einspritzdüse und weiter stromab um den Kraftstoffinjektor strömt. Anschließend wird das Kühlmittel gemeinsam zum Kühlmittelaustritt geleitet. Es gibt daher nur einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt für die gesamte Kühlmittelströmung, so dass keine separate Kühlung der Glühkerze und/oder Einspritzdüse realisiert ist.
Aus der DE 199 59 951 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil bekannt, in dessen näherer Umgebung ein Kühlmittelkanal im Zylinderkopf verläuft, so dass das Einspritzventil beim Betrieb der Brennkraftmaschine gezielt gekühlt werden kann.
Die DE 195 10 053 C2 offenbart eine Platzierung von einer Glühkerze im Bereich eines Auslassventils und eines Kraftstoffinjektors im Bereich eines Einlassventils.
Aus der US 5 699 760 A ist ein Kühlmittelfluss mittels einer Bohrung beschrieben, mit welcher Kühlmittel an Glühkerze und Einspritzdüse geführt wird und anschließend sich mit dem restlichen Kühlmittel, welches an anderer Stelle in den Zylinderkopf eingeleitet und zur Kühlung von Einlass- und Auslassventilen verwendet wird, vermischt.
Aus der DE 10 2006 022 489 A1 ist eine gemeinsame Hülse von Zündkerze und Kraftstoffinjektor bekannt, in welche der Kraftstoffinjektor einfädelbar ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ein verbessertes Kühlkonzept anzugeben, welches insbesondere eine verbesserte Kühlung einer Zündkerze bewirkt.
Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kühlkanalsystem in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine so auszulegen, dass die speziell zu kühlenden Elemente, wie beispielsweise eine Zündkerze oder eines Kraftstoffinjektors direkt gekühlt werden können. Hierzu weist die Brennkraftmaschine Kühlmittelkanäle auf, welche die zu kühlende Zündkerze bzw. einen zu kühlenden Kraftstoffinjektor ringförmig umgeben und dadurch besonders effektiv kühlen können. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist dabei in üblicherweise eine Einlass- und eine Auslassseite mit zumindest einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen auf. In einem ersten Aufnahmeschacht ist dabei die Zündkerze angeordnet, während in einem zweiten Aufnahmeschacht der Kraftstoffinjektor, also eine Einspritzdüse, angebracht ist. Durch den erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlmittelkanal kann eine deutlich verbesserte Kühlung des Kraftstoffinjektors bzw. der Zündkerze erreicht werden, wodurch derartige gekühlte Brennkraftmaschinen deutlich erhöhte Leistungen aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kommuniziert der Kühlmittelkanal mit wenigstens einer Kühlmittelversorgungsbohrung und ist über diese mit einem Kühlmittelreservoir und/oder mit einer Kühlmittelpumpe verbunden. Derartige Bohrungen lassen sich besonders einfach nachträglich im bereits fertig gegossenen Zylinderkopf einbringen und müssen daher nicht gießtechnisch aufwändig hergestellt werden. Darüber hinaus ist es mit derartigen Bohrungen möglich, den eigentlichen, die Zündkerze bzw. den Kraftstoffinjektor ringförmig umgebenden Kühlmittelkanal an mehreren Stellen anzubohren und dadurch eine Versorgung des Kühlmittelkanals mit Kühlmittel über mehrere, jeweils jedoch mit geringerem Durchmesser ausgestattete Bohrungen zu realisieren. Da insbesondere im Bereich der Zündkerze bzw. des Kraftstoffinjektors eine hohe Materialbeanspruchung sowie ein geringes Bauraumangebot herrschen, ist die Möglichkeit, die Kühlmittelzuführung bzw. Abführung über mehrere, separat ausgebildete und bezüglich ihres Durchmessers kleinen Bohrungen zu realisieren, besonders günstig.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kühlmittelkanal an seiner tiefsten Stelle mit der zumindest einen Bohrung verbunden. Hierdurch kann durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten ein Wärmeübergang zur Brennraumseite deutlich verbessert werden. Durch den verbesserten Wärmeübergang, das heißt eine verbesserte Wärmeübertragung, erhöht sich der Kühleffekt und dadurch die mit der Brennkraftmaschine erzielbare Leistung.
Zweckmäßig sind der Kraftstoffinjektor auf der Auslassseite und die Zündkerze auf der Einlassseite des den Brennraum umgebenden Zylinderkopfes angeordnet. Hierdurch kann eine insbesondere für die Kühlung günstige Ausgangssituation geschaffen werden, da die Zündkerze auf der im Vergleich zur Auslassseite kälteren Einlassseite angeordnet ist und dadurch eine homogene Temperaturverteilung im Zylinderkopf erreicht werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch

1a, b unterschiedliche Ansichten auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelkanal, welcher sowohl eine Zündkerze als auch einen Kraftstoffinjektor unmittelbar ringförmig umgibt,
2a, b eine Darstellung wie in den 1a und 1b, wobei jedoch der Kühlmittelkanal im Bereich des Kraftstoffinjektors als offener Kühlmittelkanal, das heißt den Kraftstoffinjektor nicht vollständig ringförmig umgebener Kühlmittelkanal ausgebildet ist,
3a, b eine Darstellung wie in 2a und b, wobei jedoch der Kühlmittelkanal auch im Bereich der Zündkerze als offener Kühlmittelkanal ausgebildet ist,
4a, b, c jeweils unterschiedliche Ausführungsformen der Kühlmittelkanäle.

Entsprechend der 1a ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 einer im Übrigen nicht dargestellten Brennkraftmaschine gezeigt, wobei die gemäß der 1a beschriebenen Details sowie Bauteile unbesehen auch auf die weiteren Figuren übertragbar sind. Der Zylinderkopf 1 weist gemäß den 1a und 1b, wobei die 1b eine Ansicht von unten auf den Zylinderkopf 1 gemäß der 1a darstellt, einen ersten Aufnahmeschacht 2 zur Aufnahme einer Zündkerze 3 sowie einen zweiten Aufnahmeschacht 4 zur Aufnahme eines Kraftstoffinjektors 5 auf. Es ist dennoch denkbar, sowohl die Zündkerze 3 als auch den Kraftstoffinjektor 5 in einem gemeinsamen Aufnahmeschacht anzuordnen. Zusätzlich weist der Zylinderkopf 1 gemäß den 1a und 1b zwei Auslasskanäle 6 und 6' sowie zumindest einen Einlasskanal 7 auf. Der Einlasskanal 7 teilt sich jedoch üblicherweise vor dem Eintritt in einen nicht gezeigten Brennraum auf, so dass der Zylinderkopf 1 üblicherweise zwei nicht dargestellte Einlassventile sowie zwei ebenfalls nicht dargestellte Auslassventile aufweist.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein die Zündkerze 3 und den Kraftstoffinjektor 5 unmittelbar ringförmig umgebender Kühlmittelkanal 8 vorgesehen ist. Dieser weist gemäß den 1a und 1b sowie korrespondierend gemäß der 4a die Form einer acht auf und ist mit wenigstens einer Bohrung 9 (vgl. 1 b), welche insbesondere als Kühlmittelversorgungsbohrung ausgebildet ist, kommunizierend verbunden. Die Bohrung 9 wird dabei in den bereits fertig gegossenen Zylinderkopf 1 nachträglich eingebracht und kann beispielsweise mit einer Kühlmittelpumpe bzw. einem nicht dargestellten Kühlmittelreservoir kommunizieren. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass ein alternativ zur Bohrung 9 vorgesehener Kühlmittelversorgungskanal im Zylinderkopf 1 vorgesehen wird, welcher durch einen entsprechenden Sandkörper beim Gießen des Zylinderkopfes 1 und daher nicht nachträglich hergestellt wird.
Wie den 1a und 1b sowie der korrespondierenden 4a zu entnehmen ist, umgibt der Kühlmittelkanal 8 sowohl die Zündkerze 3 als auch den Kraftstoffinjektor 5 unmittelbar ringförmig, so dass beide Bauelemente 3 und 5 optimal gekühlt werden können.
Bei den Darstellungen des Kühlmittelkanals 8 gemäß den 2a und 2b fällt auf, dass der Kühlmittelkanal 8 zwar die Zündkerze 3 ringförmig umgibt, im Bereich des Kraftstoffinjektors 5 jedoch als offener Kühlmittelkanal 8 ausgebildet ist, und diesen daher nur bereichsweise umgibt. Vergleicht man die 2a und 2b mit der 4b, so fällt auf, dass der Kühlmittelkanal 8 den Kraftstoffinjektor 5 nicht vollständig umgibt, wie dies beispielsweise in der 4a dargestellt ist.
Bei dem gemäß den 3a und 3b sowie der 4c vorgesehenen Kühlmittelkanal 8 ist dieser auch im Bereich der Zündkerze 3 als offener, das heißt die Zündkerze 3 nicht vollständig ringförmig umgebender Kühlmittelkanal 8 ausgebildet, wobei der Kraftstoffinjektor 5 bei einer Ausführungsform des Kühlmittelkanals 8 gemäß den 3a und 3b sowie der 4c nahezu ungekühlt ist, während der Kühlmittelkanal 8 gemäß den 1a und 1b noch die Form einer acht aufweist, weist der Kühlmittelkanal 8 gemäß den 3a und 3b lediglich eine nunmehr C-förmige Gestalt auf.
Vorzugsweise wird der Kühlmittelkanal 8 an seinem tiefsten Punkt mit der Bohrung 9 verbunden, wodurch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und dadurch ein verbesserter Wärmeübergang, das heißt eine verbesserte Wärmeübertragung zur Brennraumseite hin erreicht werden kann.
Allen Darstellungen ist dabei gemein, dass der Kraftstoffinjektor 5 auf der Einlassseite angeordnet ist, während die Zündkerze 3 auf der Auslassseite angeordnet ist. Denkbar ist selbstverständlich aber auch eine umgekehrte Anordnung, welche dann eine besonders günstige Ausgangssituation schafft, da nunmehr die Zündkerze 3 auf der im Vergleich zur Auslassseite kälteren Einlassseite positioniert ist und dadurch eine homogenere Verteilung des Wärmeeintrags in den Zylinderkopf erreicht werden kann.
Anstelle der gemäß den 1 bis 4 dargestellten singulären Bohrung 9 zur Versorgung des Kühlmittelkanals 8 mit Kühlmittel können auch mehrere, insbesondere zwei, jeweils im Durchmesser kleinere Bohrungen vorgesehen sein, wodurch der besonders beengten Bauraumsituation im Bereich der Zündkerze 3 und des Kraftstoffinjektors 5 Rechnung getragen werden kann. Bohrungen 9 haben insgesamt den Vorteil, dass die mechanische Bearbeitung gegenüber dem Gießprozess geringere Toleranzen benötigt und damit ein geringerer Abstand zu einem Sitzring realisiert werden kann.
Bei der Darstellung gemäß den 2a und 2b sowie der 4b, kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der den Kraftstoffinjektor 5 lediglich teilweise ringförmig umgebende Kühlmittelkanal 8 in seinen, den Kraftstoffinjektor 5 nicht umgebenden Bereichen, welche gemäß den 2a, 2b sowie der 4 nicht dargestellt ist, durch zwei unterbrochen gezeichnete Bohrungen 9' und 9'' angenähert ist. Die lediglich durch unterbrochen gezeichnete Linien angedeuteten Bohrungen 9' und 9'' verlaufen dabei ebenso wie der Kühlmittelkanal 8 im Zylinderkopf 1.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann eine besonders effektive Kühlung der Zündkerze 3 bzw. des Kraftstoffinjektors 5 unmittelbar an deren Eintritt in einen nicht gezeigten Brennraum erfolgen, wodurch insbesondere deren Temperaturbelastung verringert und damit deren Lebensdauer erhöht werden kann. Gleichzeitig lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Kühlkonzept eine homogenere und damit belastungsärmere Temperaturverteilung im Zylinderkopf 1 erreichen. Die Darstellungen gemäß den 1 bis 4 zeigen darüber hinaus, dass je nach gewünschtem Kühlkonzept, der Kühlmittelkanal 8 individuell ausgestaltet und damit direkt Einfluss auf dessen Kühlwirkung genommen werden kann. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass mit dem erfindungsgemäßen Kühlkonzept Motoren mit deutlich mehr Leistung realisiert werden können, so dass das Kühlkonzept mit den die Zündkerze 3 und/oder den Kraftstoffinjektor 5 unmittelbar ringförmig umgebenden Kühlmittelkanal 8 vorzugsweise in turboaufgeladenen Motoren angewendet werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) zur Begrenzung eines Brennraumes der Brennkraftmaschine mit einer Einlass- und einer Auslassseite, mit zumindest einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen (7, 6), mit einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Zylinderkopfes (1), mit einem ersten Aufnahmeschacht (2) zur Aufnahme einer Zündkerze (3) und einem zweiten Aufnahmeschacht (4) zur Aufnahme eines Kraftstoffinjektors (5), dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Kühlung der Zündkerze (3) und/oder des Kraftstoffinjektors (5) ein unmittelbar ringförmig umgebender Kühlmittelkanal (8) vorgesehen, wobei der Kraftstoffinjektor (5) nur auf der Auslassseite und die Zündkerze (3) nur auf der Einlassseite oder umgekehrt angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (8) mit wenigstens einer Bohrung (9), insbesondere mit einer Kühlmittelversorgungsbohrung kommuniziert und über diese mit einem Kühlmittelreservoir und/oder mit einer Kühlmittelpumpe verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (8) an seiner tiefsten Stelle mit der Bohrung (9) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass je Brennraum zwei Einlassöffnungen (7) und zwei Auslassöffnungen (6, 6') vorgesehen sind, wobei die Zündkerze (3) und der Kraftstoffinjektor (5) im wesentlichen zentral zwischen den Öffnungen (6, 7) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (8) als zumindest die Zündkerze (3) vollumfänglich umgebender, das heißt geschlossener Ringkanal ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (8) als die Zündkerze (3) oder den Kraftstoffinjektor (5) lediglich teilweise ringförmig umgebender, das heißt offener, Kühlmittelkanal (8) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Zündkerze (3) umgebende ringförmige Kühlmittelkanal (8) in Teilbereichen durch zwei Bohrungen (9', 9") angenähert ist.
Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) zur Begrenzung eines Brennraumes der Brennkraftmaschine mit einer Einlass- und einer Auslassseite, mit zumindest einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen (7, 6), mit einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Zylinderkopfes (1), mit einem gemeinsamen Aufnahmeschacht zur Aufnahme einer Zündkerze (3) und eines Kraftstoffinjektors (5), dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Kühlung der Zündkerze (3) und/oder des Kraftstoffinjektors (5) ein unmittelbar ringförmig umgebender Kühlmittelkanal (8) vorgesehen, wobei der Kraftstoffinjektor (5) nur auf der Auslassseite und die Zündkerze (3) nur auf der Einlassseite oder umgekehrt angeordnet sind.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8.