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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, insbesondere für eine selbstzündende
Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Auslasskanal, der von einem
Auslassventil verschließbar ist und einer Kühlluftkanalanordnung
mit wenigstens einem Kühlluftkanal zur Beaufschlagung des
Auslassventils mit gekühlter Luft oder einem anderen Kühlgas.
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Die
bei der Verbrennung in Brennkraftmaschinen entstehenden Abgase können
sehr hohe Temperaturen erreichen. Das Abgas, welches die Auslassventile
solcher Brennkraftmaschinen umströmt, stellt zudem ein
korrosives Milieu dar, so dass ein Risiko einer Heißkorrosion
am Auslassventil besteht. Korrodierte Ventile können in
der Folge zu Motorschäden führen.
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Um
solche Auswirkungen zu vermeiden, werden die Motoren häufig
mit einer geringeren als der maximal möglichen Motorleistung
betrieben. Zur Vermeidung hoher Auslassventiltemperaturen ist es ferner
bekannt, Auslassventile mittels üblicherweise flüssiger
Kühlmedien zu kühlen, welche im Inneren der Ventile
zirkulieren. Eine solche Lösung ist jedoch verhältnismäßig
aufwändig. Als weitere Möglichkeit, zumindest
den Sitzbereich des Auslassventils zu kühlen, ist eine
innere Kühlung des Ventilsitzes bekannt. Die Kühlwirkung
hinsichtlich des Ventilkegels ist bei dieser Variante jedoch relativ
gering.
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Das
Patent
DE 524 453 beschreibt
eine Ventilkühlung für Brennkraftmaschinen mittels
eines, gegen die dem Brennraum abgekehrte Seite des Ventilkegels, blasenden
Gasstrahles. Eine Einrichtung zur Zuführung des Kühlgases
weist dabei in der Nähe des Ventils und gleichachsig zu
diesem eine Ringkammer auf. Diese umfasst über ihren Umfang
verteilte, auf den Ventilkegel gerichtete Austrittsöffnungen.
Die Ringkammer kann sich dabei innerhalb des Zylinderkopfs oder
in einer im Zylinderkopf angeordneten Einrichtung befinden.
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Die
Patentanmeldung
DE 34 25 301 zeigt
einen luftgekühlten Einsatz, der den Ventilsitz umfasst. Am äußeren
Umfang des Einsatzes ist wiederum gleichachsig zum Ventil eine Ringkammer
angeordnet. Der Einsatz weist ferner am inneren Umfang verteilte
Austrittsöffnungen auf, welche den Ventilkegel mit Kühlluft
aus der Ringkammer beaufschlagt.
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Diese
bekannten Anordnungen zur Kühlung der dem Brennraum abgewandten
Seite des Ventilkegels weisen innerhalb des Zylinderkopfs stets Sammelkammern
oder Verzweigungen auf. Dadurch ergeben sich einerseits große
Oberflächen des Luftversorgungssystems, wodurch die Kühlluft
bereits durch das Zylinderkopfgehäuse erwärmt
wird. Andererseits entstehen Luftverwirbelungen, insbesondere Rückströmungen,
welche ebenfalls zu einer vermehrten Erwärmung der Kühlluft
vor der Beaufschlagung der Ventiloberfläche führt.
Die erzielte Kühlwirkung wird hierdurch beeinträchtigt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich, ausgehend von dem genannten Stand
der Technik, die Aufgabe, einen Zylinderkopf zur Verfügung
zu stellen, der eine Kühlluftanordnung mit einer einfachen
Gestaltung aufweist, welche die Nachteile des Stands der Technik
vermeidet und zur Senkung der Temperatur des Auslassventils dient.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist ein Zylinderkopf nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale weitergebildet. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäße Zylinderkopf weist wenigstens
einen Auslasskanal auf, der von einem Auslassventil verschließbar
ist. Weiter weist er eine Kühlluftkanalanordnung mit wenigstens
einem Kühlluftkanal zur Beaufschlagung des Auslassventils
mit einem Kühlgas, insbesondere gekühlter Luft
auf.
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Nach
einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind
die Kühlluftkanäle der Kühlluftkanalanordnung
im Zylinderkopf im Wesentlichen linear ausgebildet. Hierdurch werden
Strömungsverluste, die durch eine Umlenkung des Kühlgases
entstehen, ebenso wie Reibungsverluste, die proportional zur Länge
der zu durchströmenden Kühlluftkanäle
ansteigen, minimiert. Vorteilhaft an einer lineare Ausbildung der
Kühlluftkanäle ist auch die direkte Zuführung
der Kühlluft zum Auslassventil. So wird der Wärmeeintrag
in das Kühlgas bei dessen Vorbeiströmen an der
heißen Zylinderkopfoberfläche möglichst
minimiert.
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Änderungen
im Querschnitt in einem durchströmten Kanal, insbesondere
plötzliche Änderungen, führen zu Verwirbelungen
und/oder zur Aufstauung des strömenden Mediums. Bei einer
solchen Gestaltung würde sich im vorliegenden Fall die
Verweildauer und der Kontakt zwischen der Kühlluft und
der Zylinderkopfoberfläche vergrößern,
was ebenfalls in einer Erwärmung des Kühlgases
und in der Folge zu einer verminderten Kühlleistung führen
würde.
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Nach
einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind
die Kühlluftkanäle der Kühlluftkanalanordnung
im Zylinderkopf daher mit einem im Wesentlichen gleichbleibendem
Querschnitt ausgebildet. Hierdurch werden Strömungsverluste,
die sich insbesondere aufgrund von Querschnittsänderungen
ergeben, verringert.
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Nach
einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind
die Kühlluftkanäle der Kühlluftkanalanordnung
im Zylinderkopf mit einem sich kontinuierlich vergrößerndem
Querschnitt ausgebildet. Hierdurch werden Strömungsverluste,
die sich bei plötzlichen Querschnittsänderungen
einstellen, vermieden. Gleichzeitig kann hierdurch vorteilhaft ein Düseneffekt
erzielt werden, der die Kühlwirkung noch erhöht.
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Die
erste Ausführung der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise
mit der zweiten oder dritten Ausführung kombiniert sein,
um die genannten Vorteile zu vereinen.
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Durch
die Kühlluftkanäle der Kühlluftkanalanordnung
kann ein Kühlgas, insbesondere Kühlluft in den
Auslasskanal einströmen, das dort das dem Brennraum abgewandte
Ende des Auslassventils beaufschlagt. Die Kühlung des Auslassventils
und insbesondere des thermisch hoch belasteten Ventilkegels erfolgt
dabei direkt an der Oberfläche des Ventils und damit besonders
in Hinblick auf Heißkorrosion an einer sehr günstigen
Stelle.
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Als
Kühlmedium wird vorzugsweise Ladeluft eingesetzt. Im Zusammenhang
mit der Erfindung wird das Kühlmedium allgemein als Luft
bezeichnet. Zum Erreichen der erfindungsgemäßen
Wirkung kann aber auch ein anderes Gas oder Gasgemisch eingesetzt
werden.
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Die
Kühlluft bzw. das Kühlgas kann über ein bevorzugt
direkt mit einem Ladeluftkanal eines Turboladers der Brennkraftmaschine
verbundenes Versorgungssystem von außen in den Zylinderkopf
eingebracht werden und/oder über eine Verbindung der Kühlluftkanalanordnung
mit dem Einlasskanal einströmen. Bei einer solchen Gestaltung
wird die Luft bevorzugt ohne weitere Druckbeaufschlagung vom Einlasskanal
auf ein Auslassventil geleitet.
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Eine
erfindungsgemäße Kühlluftkanalanordnung
umfasst wenigstens einen, bevorzugt mehrere Kühlluftkanäle,
welche vorteilhafterweise so gestaltet und angeordnet sind, dass
ein durch sie strömender Kühlluftstrom ein Auslassventil abhängig
von der Geometrie des Auslasskanals und vom Kühlbedarf
des Auslassventils beaufschlagt.
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Ein
Auslassventil weist gewöhnlich verschiedene Zonen thermischer
Belastung auf. Der Ventilfuß, der im Zylinderkopf geführt
und vom Ventiltrieb gesteuert wird, reicht von einer Zone mit geringer thermischer
Belastung am Ventiltrieb bis hin zum Ventilkegelauslauf, in dem
das Ventil thermisch stark belastet ist. Bei zwei- oder mehrteiligen
Ventilen, welche zwischen Ventilfuß und Ventilkegel gefügt
sind, ist die Vermeidung einer zu hohen thermischen Belastung an
dieser Fügestelle wichtig. Der Ventilkegel weist eine relativ
hohe Masse auf, welche zu einer starken Wärmespeicherung
in diesem Bereich führt. Aus der verhältnismäßig
geringen Oberfläche des Ventilkegels folgt eine verminderte
Wärmeabgabe. Im Sitzbereich des Ventils herrschen vor allem
während des Ausstoßens des Verbrennungsgases sehr hohe
Temperaturen. Im geschlossenen Zustand leitet der Sitzbereich diese
hohen Temperaturen über den zumeist gekühlten
Ventilsitz in den Zylinderkopf.
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Die
Kühlluftkanalanordnung ist bevorzugt an die Gestaltung
des Zylinderkopfs angepasst. Mögliche Kriterien für
die Anpassung sind unter anderem die Wassermantelgeometrie oder
die erforderlichen Ventilkühlung. Vorteilhafterweise beaufschlagt
aus den entsprechend ausgebildetenen und angeordneten Kühlluftkanälen
ausströmendes Kühlgas daher insbesondere thermisch
höher belastete Bereiche des Auslassventils und/oder Bereiche,
die eine höhere Maßgenauigkeit, beispielsweise
zu Dichtzwecken, aufweisen und daher geringeren Temperaturschwankungen
ausgesetzt werden sollen. Solche Bereiche können, wie vorstehend
ausgeführt, insbesondere einen Ventilsitz, einen Ventilkegel
und/oder eine Fügestelle im Ventil umfassen.
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Die
Kühlluftkanäle können beispielsweise mittels
eines spanenden Fertigungsvorgangs, wie Bohren, ausgebildet oder
schon beim Urformen des Zylinderkopfs beispielsweise mit eingegossen
werden.
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Im
Bereich des Austritts der Kühlluft aus dem Kühlluftkanal
in den Auslasskanal ist es bevorzugt, zur Beeinflussung des Kühlluftstroms
den Querschnitt des Kanals kontinuierlich zu vergrößern.
Der so entstehende Diffusor bewirkt eine Vergrößerung im
Querschnitt des ausströmenden Kühlluftstroms. Durch
eine solche Gestaltung kann beispielsweise eine gleichmäßige
Kühlung einer größeren Fläche erzielt
werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Kühlluftkanäle
der Kühlluftkanalanordnung unterschiedlichen Kühlluftvolumenströme
in den Auslasskanal leiten. Hierdurch kann beispielsweise die Geschwindigkeit,
mit welcher der Kühlluftstrom auf das Auslassventil trifft
und damit die Kühlleistung beeinflusst werden. Ferner kann
mittels eines angepassten Volumenstroms die Reichweite der Strömung
variierten werden.
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Einen
deutlichen Einfluss auf die erreichbare Kühlwirkung resultiert
ferner aus der Anordnung der Kühlluftkanalaustritte hinsichtlich
ihrer geometrischen Lage zum Auslassventil im Auslasskanal. Bevorzugt
sind die Kühlluftkanäle der Kühlluftanordnung
in axialer Richtung des Auslassventils in verschiedenen Höhen
angeordnet, um eine über den Umfang des Auslassventils
möglichst gleichmäßige Kühlwirkung
zu erzielen. Die Anordnung der Kühlluftkanäle
orientiert sich ferner bevorzugt an der erforderlichen Kühlleistung
am Ventilkegel oder am Ventilfuß. Vorzugsweise sind mehrere
Kühlluftkanäle radial zur Achse des Auslassventils
verteilt angeordnet und/oder weisen, um die gewünschte
Kühlleistung zu erreichen, unterschiedliche Einströmwinkel
auf.
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Vorstehende
Merkmale können vorteilhafterweise miteinander kombiniert
sein. So können die Kühlluftkanäle der
Kühlluftanordnung in axialer Richtung des Auslassventils
in verschiedenen Hohen angeordnet sein, um so die gestalterische
Freiheit beim Entwurf des Zylinderkopfes zu erhöhen oder
die Fertigung zu erleichtern. Um gleichwohl eine gleichmäßige
Kühlung zu erreichen, können Kühlluftkanäle, die
weiter von einer zu kühlenden Region des Ventils entfernt
sind, einen größeren Kühlgasvolumenstrom, insbesondere
mit höherer Strömungsgeschwindigkeit, führen.
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Aufgrund
der hohen thermischen Belastung am Ventilsitz zwischen dem Zylinderkopf
und dem Sitzbereich des Auslassventils sind im Auslasskanal häufig
separate hochfeste Elemente angeordnet, wie beispielsweise Ventilsitzringe
oder Einsätze, die teilweise den Auslasskanal definieren.
Vorzugsweise verläuft durch einen derartigen Einsatz kein
Kühlluftkanal, da beim Durchströmen dieses thermisch
sehr hoch belasteten Bereichs die Kühlluft stark erwärmt würde
und die Kühlwirkung folglich vermindert wäre. Stattdessen
sind die Kühlluftkanäle in einem erfindungsgemäßen
Zylinderkopf, in dem ein solcher Einsatz angeordnet ist, bevorzugt
in dem eigentlichen Zylinderkopf selbst, insbesondere in einem Zylinderkopfgehäuse
ausgebildet. Dies vereinfacht auch die Herstellung.
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Vorzugsweise
sind die Kühlluftkanäle der Kühlkanalanordnung
mit einem Ladeluftkanal eines Turboladers der Brennkraftmaschine
verbunden. Die Kühlluft wird der Kühlluftkanalanordnung
ferner bevorzugt kontinuierlich zugeführt, um das Auslassventil
unabhängig vom Arbeitszyklus im Brennraum fortwährend
zu kühlen.
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Die
erfindungsgemäße Kühlluftkanalanordnung
im Zylinderkopf stellt eine konstruktiv sowie fertigungstechnisch
einfache Lösung dar. Aufgrund einer dadurch verbesserten
Kühlung des Auslassventils ist es möglich, die
Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine zu erhöhen, wodurch
höhere Motorleistungen in Verbindung mit einer verbesserten
Verbrennung erzielt werden können. Ferner kann auch die
Betriebsdauer der Ventilkegel bei einem erfindungsgemäß ausgeführten
Zylinderkopf verlängert sein, da aufgrund niedrigerer Oberflächentemperaturen
an der Rückseite des Auslassventils die Gefahr der Heißkorrosion
vermindert wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang
mit der Figur. Hierzu zeigt die einzige
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1:
eine Schnittdarstellung des Auslasskanals mit Auslassventil eines
Ausführungsbeispiels eines Zylinderkopfs gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Zylinderkopfs 10, der im Bereich eines Auslasskanals 12 im
Schnitt dargestellt ist. Das Auslassventil 30 sitzt in
der dargestellten Stellung in seinem Sitzbereich 31 im
Ventilsitz. Der Auslasskanal ist daher geschlossen. Neben dem Sitzbereich 31 umfasst
das Ventil ferner einen Ventilkegel 32 und einen Ventilfuß 33,
welcher außerhalb des Auslasskanals im Zylinderkopf gelagert
ist.
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Der
Zylinderkopf 10 selbst wird durch in einem nur teilweise
angedeuteten Wassermantel 13 zirkulierendes Kühlwasser
gekühlt. Der Ventilsitz wird von einem separaten, in dem
Zylinderkopf 10 angeordneten Ventilsitzring 14 gebildet,
welcher ebenfalls wassergekühlt ist.
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Die
Kühlluftanordnung umfasst beim dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei Kühlluftkanäle 41 und 42,
welche durch Bohren so in den Zylinderkopf 10 selber eingebracht
sind, dass sie diesen linear durchlaufen. Die Kühlluftkanäle 41 und 42 beaufschlagen
das Ventil 33 mit kühler Luft.
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Beide
Kühlluftkanäle sind dabei so angeordnet, dass
der austretende Kühlluftstrahl direkt auf den thermisch
hoch belasteten Ventilkegel 32 trifft. Der Verlauf der
Luftströmung ist durch die Pfeile 51 bzw. 52 in 1 angedeutet.
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Aus
gestalterischen Gründen, insbesondere zur optimalen Anordnung
und Ausbildung des Wassermantels 13, und um die Herstellung
zu vereinfachen, sind die beiden Kühlluftkanäle 41, 42 der
Kühlluftkanalanordnung in Hubrichtung des Auslassventils 30 in
unterschiedlichen Positionen angeordnet. Um dabei eine gleichmäßige
Beaufschlagung des Ventilkegels zu realisieren, bildet der weiter
vom Ventilkegel entfernte Kühlluftkanal 41 mit
der Hubrichtung des Auslassventils einen spitzeren Winkel, so dass
Kühlluft mit einem höherem Impuls in Normalrichtung
auf den Ventilkegel trifft. In einer nicht dargestellten Weiterbildung öffnet
sich der Kühlluftkanal 41 leicht konisch in Richtung
zum Auslassventil 31 hin. Der dadurch entstehende Düseneffekt
führt ebenfalls zu einer vorteilhaften Beaufschlagung mit
Kühlluft durch die in Hubrichtung in unterschiedlichen
Positionen angeordneten Kühlluftkanalausgänge.
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Die
im Auslasskanal 12 durch den eintretenden Kühlmittelstrom
verursachten Luftturbulenzen erhöhen ferner vorteilhaft
den Wärmeübergang vom Ventilkegel auf die Kühlluft,
welche über den Auslasskanal den Zylinderkopf verlässt.
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- 10
- Zylinderkopf
- 12
- Auslasskanal
- 13
- Wassermantel
- 14
- Ventilsitzring
- 30
- Auslassventil
- 31
- Sitzbereich
- 32
- Ventilkegel
- 33
- Ventilfuß
- 41,
42
- Kühlluftkanäle
- 51,
52
- Luftströmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 524453 [0004]
- - DE 3425301 [0005]