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Die
Erfindung betrifft eine Zylinderkopfanordnung, insbesondere für
eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit wenigstens
einem Ein- und wenigstens einem Auslasskanal, die von wenigstens
einem Ein- und wenigstens einem Auslassventil verschließbar
sind, und mit einer Kühlölzuführkanalanordnung
mit wenigstens einem Ölkanal zur Versorgung mit einem Kühl-
bzw. Schmieröl.
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Insbesondere
die Auslassventile von Brennkraftmaschinen sind aufgrund der hohen
Temperaturen daran vorbei strömender Abgase hohen thermischen
Belastungen ausgesetzt. Die hohen thermischen Belastungen stellen
auch erhöhte Anforderungen an die Schmierung der Ventilführung,
welche üblicherweise über den Ölkreislauf
des Brennkraftmotors gelöst wird.
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In
der
DE 43 13 591 A1 wird
vorgeschlagen, dass die Kühlung der Ventile, in erster
Linie des Auslassventils, durch eine Druck-Umlaufschmierung erfolgen
soll. Das aus Ventilschaft und Ventilteller gebildete Auslassventil
ist dabei als rotationssymmetrischer Hohlkörper gestaltet.
In der Wandung des Ventilschafts sind zwei Durchlässe für
das Zu- und Abführen von Schmieröl angeordnet,
wobei das zugeführte Schmieröl über eine
Leitung in den Bereich des Ventiltellers geführt wird.
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Bei
hohen thermischen Belastungen hohl gestalteter Auslassventile treten
vermehrte Schäden auf. Die vorgeschlagene diskontinuierliche Schmierölzuführung
führt insbesondere in Verbindung mit der vorgeschlagenen Ölführung
zu einer ungünstigen Strömungsausbildung im Ventil.
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Aus
der
DE 25 24 183 A1 ist
bekannt, im Ventilkörper sternförmig eine erste
Reihe von parallel zur Ventilunterseite verlaufenden Kühlkanälen
und eine zweite Reihe von damit verbundenen, schräg vom
Tellerrand zum Ventilschaft verlaufenden Kühlkanälen
vorzusehen, welche mit einem innerhalb des Tellerrands entlanglaufenden,
ringförmigen Kanal verbunden sind. Mit einer solchen Kühlkanalanord nung
ist aufgrund des geringen Volumens und der an den Kanten ausgebildeten
Totgebieten der Strömung nur eine vergleichsweise geringe
Kühlwirkung erzielbar.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Zylinderkopfanordnung
zur Verfügung zu stellen, welche eine verbesserte Kühlung
der Ventile, und insbesondere der Auslassventile ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zylinderkopfanordnung
gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderkopfanordnung weist wenigstens
einen Einlasskanal, der von wenigstens einem Einlassventil verschließbar
ist, und wenigstens einen Auslasskanal auf, der von wenigstens einem
Auslassventil verschließbar ist, ferner eine Kühlölkanalanordnung
mit wenigstens einem Kühlölzuführkanal
zur Versorgung mit einem druckbeaufschlagten Kühlöl,
mindestens eine erste ringförmige Kammer zwischen dem Schaft
und der Führung des mindestens einen Ein- oder Auslassventils, welche
mit wenigstens einem Kühlölzuführkanal
verbunden ist, mindestens eine zweite ringförmige Kammer
zwischen dem Schaft und der Führung des mindestens einen
Ein- oder Auslassventils, welche mit mindestens einem Kühlölabführkanal
verbunden ist, wobei die Höhe der ersten und zweiten ringförmigen Kammer
wenigstens der Höhe des Ventilhubs entspricht. Die erste
ringförmige Kammer ist mit einer im Ventilschaft angeordneten
ersten Längsbohrung verbunden, so dass das druckbeaufschlagte
Kühlöl durch den Ventilschaft in den Ventilteller
gefördert wird. Der Ventilteller weist einen Hohlraum mit
Einrichtungen zur Leitung des Kühlölstroms auf,
der sich über einen Großteil der Tellerfläche
erstreckt. Eine im Ventilschaft angeordnete zweite Längsbohrung
ist mit der zweiten ringförmigen Kammer verbunden, so dass
Kühlöl vom Hohlraum in den Kühlölabführkanal gefördert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderkopfanordnung eignet
sich insbesondere für selbstzündende Brennkraftmaschinen,
bei welchen die Ein- und Auslassventile hohen thermischen Belastungen
ausgesetzt sind. Die erfindungsgemäße Zylinderkopfanordnung
weist eine Kühlölkanalanordnung auf, welche druckbeaufschlagtes
Kühlöl zur Kühlung der Ein- und/oder
Auslassventile zur Verfügung stellt. Die Kühlölkanalanordnung
weist vorzugsweise für jedes zu kühlende Ein-
und/oder Auslassventil mindestens einen Kühlölzuführkanal
auf, welcher die Kühlölkanalanordnung mit einer
ersten ringförmigen Kammer verbindet, welche konzentrisch
zur Achse des zu kühlenden Ventils angeordnet sein kann.
Die erste ringförmige Kammer bildet dabei ein Volumen aus, welches
zwischen dem Ventilschaft und der Ventilführung angeordnet
ist. Dabei kann die erste ringförmige Kammer entweder im
Ventilschaft oder in der Ventilführung oder anteilig sowohl
im Ventilschaft als auch in der Ventilführung ausgebildet
sein.
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Über
die erste ringförmige Kammer ist der wenigstens eine Zuführölkanal
mit einer bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Längsachse
des Ventils angeordneten ersten Längsbohrung verbunden.
Die erste Längsbohrung mündet in einen, im Bereich
des Ventiltellers ausgebildeten Hohlraum, so dass über die
erste ringförmige Kammer und die erste Längsbohrung
Kühlöl von der Kühlölkanalanordnung
in den Hohlraum des Ventiltellers gefördert wird.
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Der
Hohlraum im Bereich des Ventiltellers ist ferner mit einer zweiten,
vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Ventilachse im Ventil
angeordneten Längsbohrung verbunden, welche in einer zweiten ringförmigen
Kammer mündet, welche ebenso wie die erste ringförmige
Kammer konzentrisch zur Ventilachse zwischen dem Schaft und der
Führung angeordnet sein kann, und welche mit mindestens
einem Kühlölabführkanal verbunden ist.
Vorzugsweise führt der Kühlölabführkanal
das Kühlöl dem Motorölkreis zu. In einer
alternativen Ausführungsform kann auch ein Kühlölkreislauf,
bevorzugt mit Ölkühlung, vorgesehen sein, dem
das Kühlöl über den Kühlölabführkanal
wieder zugeführt wird. Die zweite ringförmige Kammer
kann ebenso wie die erste ringförmige Kammer sowohl im
Ventilschaft oder auch in der Führung der Zylinderkopfanordnung
oder anteilig sowohl im Ventilschaft als auch in der Ventilführung
ausgebildet sein. Bevorzugt ist die zweite ringförmige
Kammer oberhalb der ersten ringförmigen Kammer angeordnet.
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Die
Höhe der ersten und zweiten ringförmigen Kammer
entspricht mindestens dem Ventilhub. Dabei sind die Verbindungsöffnungen
zum Kühlölzu- sowie Kühl ölabführkanal
sowie zu den beiden Längsbohrungen so angeordnet, dass
zwischen diesen unabhängig von der Ventilstellung mit der
ringförmigen Kammer eine Verbindung besteht. Abhängig vom
Volumenstrom des druckbeaufschlagten Kühlöls kann
so vorteilhafterweise eine kontinuierliche Kühlölförderung
erfolgen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Ausgestaltung der ringförmigen
Kammern ist die damit verbundene direkte Schmierung des Ventilschafts.
Bevorzugt ist eine Abdichtung zwischen Ventilschaft und der Führung
des Ventilschafts vorgesehen, welche vorzugsweise oberhalb bzw.
unterhalb der bei der Relativbewegung zwischen Kammer und Ventilschaft
beim Ventilhub überstrichenen Bereiche angeordnet ist.
Infolge einer solchen Abdichtung ist die Schmierung auf einen bestimmten
Bereich der Führung beschränkt, wodurch auch Verlust von
Kühlöl reduziert oder verhindert wird. Die Gestaltung
der Kühlölzuführung über ringförmig
zwischen Ventilschaft und Ventilführung angeordnete Ringkammern
führt in der Folge zu einem verringerten Schaftverschleiß.
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Beim
Durchströmen der ersten und zweiten Längsbohrung
im Ventilschaft wird gleichzeitig auch der Ventilschaft gekühlt.
Der im Bereich des Ventiltellers angeordnete Hohlraum erstreckt
sich zur Erzielung einer verbesserten Kühlwirkung über
einen Großteil der Tellerfläche. Besonders günstig
ist es dabei, wenn der Hohlraum in einer zur Ventilachse senkrechten
Ebene eine Fläche von mindestens 35% der maximalen Erstreckung
der Tellerfläche umfasst. Insbesondere günstig
ist eine Erstreckung von mindestens 45% und besonders bevorzugt
von mindestens 55% der Größe der Tellerfläche
in einer zur Ventilachse senkrechten Ebene. Vorzugsweise reicht
der Hohlraum dabei unter Beibehaltung einer ausreichenden Festigkeit
der Ventilwandung möglichst nahe an die dem Brennraum zugewandte
Seite des Ventiltellers bzw. an den thermisch hoch belasteten Bereich
des Ventilsitzes, um einen guten Wärmeübergang
in Verbindung mit einer schnelle Abfuhr der Wärme zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß sind
hiefür im Hohlraum Einrichtungen zur Leitung des Kühlölstroms
vorgesehen. Solche Einrichtungen werden bevorzugt durch eine strömungsgünstige
Gestaltung der Hohlraumwandung und/oder im Hohlraum angeordnete
Leiteinrichtungen verwirklicht. Diese Einrichtungen zur Leitung
des Kühlölstroms führen bevorzugt im
gesamten Volumen des Hohlraums zu einer Strömungsausbildung,
welche ein Entstehen sogenannter Toträume, in welchen eine
geringe bis keine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlöls
vorliegt, verringert oder verhindert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Gestaltung
des Hohlraums eine im Wesentlichen kreisringförmige Grundfläche
auf, wobei der Hohlraum eine den Kreisring einseitig längs
seines Radius' teilende Leiteinrichtung aufweist, an welcher das
Kühlöl jeweils zu- bzw. abströmt. Als
besonders günstig hat sich hier eine Leiteinrichtung erwiesen,
welche im Bereich der Ventilachse angeordnet ist und senkrecht hierzu
die Form eines „E”, bevorzugt in gerundeter Ausführung,
aufweist, wobei sich in den Räumen zwischen mittleren und
oberem bzw. unterem Schenkel die Öffnungen zur ersten und
zweiten Längsbohrung befinden.
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Der
mittlere Schenkel dieser E-förmigen Leiteinrichtung ist
als Steg ausgeführt, welcher bis an die Außenwand
reicht, an dieser angebunden ist und so den Kreisring einseitig
längs seines Radius' teilt. Bei dieser Gestaltung bildet
sich eine Strömung aus, welche ausgehend von der ersten
Längsbohrung entlang des Stegs an die Außenwand
des kreisringförmigen Hohlraums geführt wird.
Das Kühlöl strömt daraufhin längs
des Kreisrings bis zur anderen Seite des Stegs, diesem wiederum
entlang und strömt so in die dort mündende zweite
Längsbohrung zurück. Toträume bilden
sich bei dieser vorteilhaften Gestaltung im Wesentlichen nicht aus,
weshalb ein gleichmäßiger Wärmeabtransport
ermöglicht ist.
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Bevorzugt
ist der Hohlraum im Ventilkegel durch einen eingesetzten Deckel
verschlossen. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mittels einer
stoffschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung, welche
die hohen thermischen und dynamischen Beanspruchungen des Ventilkegels
aufnimmt. Dabei ist das Material des eingesetzten Deckels bevorzugt das
gleiche, wie das des Ventils, es ist aber auch möglich,
für den Deckel einen anderen Werkstoff einzusetzen, der
z. B. besonders hochtemperaturfest oder korrosionsbeständig
ist. Ebenso ist es möglich, einen eingesetzten Deckel auch
in anderer Weise als durch eine stoffschlüssige Verbindung
am Ventil zu sichern. Vorzugsweise ist auch der Deckel an seiner dem
Hohlraum zugewandten Seite strömungsgünstig ausgebildet,
wobei der Deckel bevorzugt auch Einrichtungen zur Leitung des Kühlstroms
aufweist.
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Durch
die beschriebene Gestaltung der Zylinderkopfanordnung wird eine
verbesserte Kühlung von Ventilkegel und Ventilschaft und
eine verbesserte Schmierung des Ventilschafts erreicht, wodurch eine
verlängerte Bauteillebensdauer erreicht wird. Die verbesserte
Kühlung des Ventiltellers ermöglicht zudem eine
Anhebung der Verbrennungstemperatur, wodurch verbesserte Abgaswerte
und eine Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine resultieren.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Zeichnung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im
Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt, teilweise schematisiert:
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1a eine
Schnittdarstellung im Bereich eines Auslassventils einer beispielhaften
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zylinderkopfanordnung;
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1b einen
Schnitt durch das Auslassventil in 1a im
Bereich der Schnittlinie B-B; und
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2 einen
Schnitt durch die Führung eines Auslassventils in der erfindungsgemäßen
Zylinderkopfanordnung.
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1a zeigt
einen Ausschnitt einer beispielhaften Zylinderkopfanordnung 1,
insbesondere einen Schnitt durch das Auslassventil 5, welches
in einer Führung 2 im Zylinderkopf gelagert ist.
Parallel zur Längsachse des Ventils 5 ist eine
erste Längsbohrung 11 und eine zweite Längsbohrung 12 angeordnet,
welche sich beide zu einem im Bereich des Ventiltellers 6 angeordneten
Hohlraum 13 öffnen. Der im Ventilteller 6 des
Ventils 5 ausgebildete Hohlraum 13 ist mit einem
Deckel 19, welcher in dem Ventilteller 6 eingepresst
ist, verbunden.
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Die
Kühlölströmung im Ventil ist mit Pfeilen angedeutet.
Durch die erste Längsbohrung 11 strömt das
druckbeaufschlagte Kühlmittel in den Eingangsbereich 15 des
Hohlraums, dort entlang einer durch Leiteinrichtungen vorgegebenen
Strömungsrichtung in den Ausgangsbereich 16 und
von dort über die zweite Längsbohrung 12 im
erwärmten Zustand aus dem Hohlraum.
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1b zeigt
eine Schnittdarstellung des Ventiltellers 6 im Bereich
der in 1a dargestellten Schnittlinie
B-B. Hier ist eine kreisringförmige Gestaltung des Hohlraums 13 in
einer Ebene senkrecht zur Mittellängsachse des Ventils 5 dargestellt.
Der Hohlraum 13 ist kreisringförmig gestaltet,
wobei der Kreisring durch einen Steg 21 einseitig geteilt
ist. Der Steg 21 ist Teil einer Leiteinrichtung 20,
welche in Form eines abgerundeten Großbuchstabens E (hier
auf dem Rücken liegend dar gestellt) ausgebildet ist. Der
Steg 21 verbindet die Leiteinrichtung 20 mit der äußeren Wand
des Hohlraums 13 und ist einstückig mit dieser ausgebildet.
Der Eingangsbereich 15, welcher zwischen den beiden rechts
dargestellten Schenkeln der Leiteinrichtung 20 angeordnet
ist, öffnet sich zum Steg 21 hin, so dass das
Kühlöl nach seinem Eintritt in den Hohlraum 13 entlang
des Stegs 21 zur Außenwand des Ventiltellers 6 strömt
und kreisringförmig im Uhrzeigersinn entlang dieser Wand
geleitet wird, bis es an die gegenüberliegende Wand des
Stegs 21 gelangt, an welcher dann das Öl entlang
in den Ausgangsbereich 16 strömt und von dort
durch die zweite Längsbohrung 12 zur zweiten ringförmigen
Kammer abströmt.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung des Bereichs der Zylinderkopfanordnung 1,
in welchem die Zu- und Abführung des Kühlöls
zu Ventil erfolgt. Von der Kühlölkanalanordnung 14 gelangt
druckbeaufschlagtes Kühlöl über den Kühlölzuführkanal 17 in die
erste ringförmige Kammer 31, welche mit der ersten
Längsbohrung 11 verbunden ist. Die erste ringförmige
Kammer 31 ist dabei so angeordnet, dass sie während
des gesamten Ventilhubs direkt mit dem Kühlölzuführkanal 17 verbunden
ist. Außerhalb des Bewegungsbereichs der am Ventil angeordneten
ersten Ringkammer, welche in einer oberen Stellung gezeigt ist,
ist der Bereich zwischen Führung und Ventil mittels O-Ringen 35 abgedichtet,
um ein Entweichen des Kühlöls zu verhindern.
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Der
Kühlölabführkanal 18 ist oberhalb
der Kühlölzuführung, welche innerhalb
des Zylinderkopfgehäuses sitzt, angeordnet. Auch hier ist
der Bewegungsbereich der zweiten Ringkammer 32 mittels O-Ringen 35 abgedichtet,
um ein Entweichen des Kühlöls zu vermeiden.
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Die
Höhe und Anordnung beider ringförmigen Kammern
(31 und 32) ist so gewählt, dass sie während
der Hubbewegung des Ventils 6 kontinuierlich mit dem Kühlölzuführkanal 17 bzw.
Kühlölabführkanal 18 verbunden
sind.
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Bei
der beispielhaften Ausführungsform wird die Kühlölkanalanordnung 14 stetig
mit unter Druck stehendem Kühlöl beaufschlagt,
so dass sich ein kontinuierlicher Kühlölfluss
von der ersten Längsbohrung 11 über den
Hohlraum 13 im Ventilteller 6 zur zweiten Längsbohrung 12 ausbildet
und dabei eine kontinuierliche Kühlung des Auslassventils 6 erfolgt.
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- 1
- Zylinderkopfanordnung
- 2
- Führung
- 5
- Ventil
- 6
- Ventilteller
- 11
- erste
Längsbohrung
- 12
- zweite
Längsbohrung
- 13
- Hohlraum
- 14
- Kühlölkanalanordnung
- 15
- Zuführraum
- 16
- Abführraum
- 17
- Kühlölzuführkanal
- 18
- Kühlölabführkanal
- 19
- Deckel
- 20
- Leiteinrichtung
- 21
- Steg
- 31
- erste
ringförmige Kammer
- 32
- zweite
ringförmige Kammer
- 35
- O-Ring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4313591
A1 [0003]
- - DE 2524183 A1 [0005]