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Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung geht von dem aus der
DE 10 2007 048 021 A1 bekannten flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf aus. Bei diesem sind für jeden Zylinder zwei benachbart zueinander angeordnete Gaswechselauslasskanäle vorgesehen. Auslassseitig ist im Zylinderkopf eine Kanalanordnung vorgesehen, die einen zwischen den Gaswechselauslasskanälen angeordneten mittigen Kühlmittelzuführkanal und zwei außen, neben den Gaswechselauslasskanälen angeordnete äußere Kühlmittelzuführkanäle aufweist. Beaufschlagt wird die Kanalanordnung mit einem dem Zylinderkopf zugeführten Kühlmittel. Dieses wird vom mit dem Zylinderkopf verbundenen Kurbelgehäuse dem Zylinderkopf zugeführt. Der mittige Kühlmittelzuführkanal erstreckt sich zwischen den Gaswechselauslasskanälen in Richtung der Einlassseite des Zylinderkopfs und es Ummanteln die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle die Gaswechselauslasskanäle weitgehend. Ein Querkanal verbindet die äußeren Kühlmittelzuführkanäle im Bereich der den Gaswechselauslasskanälen zugeordneten Auslassventile. Die mittleren und die äußeren Kühlmittelzuführkanäle gehen auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle ineinander über.
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Bei dem bekannten Zylinderkopf ist zwar der Strömungsquerschnitt der äußeren Kühlmittelzuführkanäle in Richtung der Einlassseite, im Bereich der Gaswechselauslasskanäle, reduziert, um so einen Kühlmittelstrom in den oberen Bereich der Gaswechselauslasskanäle zu lenken mit der Folge einer geringeren thermischen Belastung der Auslasskanäle und somit einer höheren Lebensdauer bzw. der Möglichkeit einer weiteren Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Dennoch ist dieser Kühleffekt nicht optimal, weil Kühlmittel durch die äußeren Kühlmittelzuführkanäle in diese der Bodenplatte des Zylinderkopfes abgewandten Bereiche gefördert werden muss und sich hierdurch eine unerwünschte Erwärmung des Kühlmittels ergibt, bevor der Querkanal erreicht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen flüssigkeitgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine so weiterzubilden, dass eine besonders effektive Kühlung des Zylinderkopfes im Bereich dessen Auslassventile erfolgt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf, der gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf ist somit mindestens ein Verbindungskanal vorgesehen, der mit einem Ende mit der Kanalanordnung im Bereich der Kühlmittelzuführung zur Kanalanordnung und mit dem anderen Ende mit dem Querkanal verbunden ist. Dieser mindestens eine Verbindungskanal erstreckt sich somit vom Zulaufbereich, in dem das relativ kalte Kühlmittel dem Zylinderkopf zugeführt wird, zum Verbindungskanal, der die Funktion eines sogenannten Auslass-Balkonbereichs aufweist, in dem die Auslassventile positioniert sind. In diesem Bereich strömt üblicherweise das heiße Abgas über die Auslassventile, so dass bei geringer Kühlung das Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser zu sieden beginnt. Durch die Anordnung des mindestens einen Verbindungskanals strömt in den heißen Bereich frisches Kühlmittel, so dass ein Sieden des Kühlwassers in diesem Balkonbereich verhindert wird. Das Kühlmittel strömt somit auf kurzem Weg in den Verbindungskanal und kann demzufolge effektiv kühlen.
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Der Verbindungskanal bewirkt eine besondere Durchströmung der Kanalanordnung. Das Kühlmittel, das durch die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle strömt, gelangt in deutlich geringerem Umfang, gegebenenfalls sogar überhaupt nicht in den Auslass-Balkonbereich, insbesondere den Kanalbereich, der die Auslassventile umgibt. Dieser Bereich wird über den mindestens einen Verbindungskanal versorgt, womit von dort das Kühlmittel in den Bereich der beiden Auslassventile strömt und sich stromabwärts mit den Kühlmittelströmen von äußeren Kühlmittelzuführkanälen und mittigem Kühlmittelzuführkanal vereinigt. Demzufolge ist die Durchströmung der Kanalanordnung deutlich optimiert, in eine ausgeprägte Strömung im unteren Bereich des Zylinderkopfes, der dem Kurbelgehäuse zugewandt ist und eine ausgeprägte Strömung im oberen Bereich des Zylinderkopfs, der demnach dem Kurbelgehäuse abgewandet ist.
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Es sind zwei Verbindungskanäle vorgesehen, wobei der jeweilige äußere Kühlmittelzuführkanal im Bereich dessen Kühlmittelzuführung mit einem der Verbindungskanäle verbunden ist. Das in den Zylinderkopf eintretende frische Kühlmittel ist somit unmittelbar am Eingang, vorliegend dem Eingang der beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle, aufgeteilt, in einen ersten Kühlmittelstrom, der weiter durch den zugeordneten Kühlmittelzuführkanal gefördert wird und einen abgezweigten Kühlmittelstrom, der durch diesen Verbindungskanal mit dem Querkanal verbunden ist.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der jeweilige, mit einem der äußeren Kühlmittelzuführkanäle verbundene Verbindungskanal mit dem Querkanal im Bereich dessen diesem äußeren Kühlmittelzuführungskanal zugewandten Ende verbunden ist. Über die beiden Verbindungskanäle wird somit, im Bereich der abgewandten Enden des Querkanals, dem Querkanal das Kühlmittel zugeführt. Diese Zuführungsstellen sind bestens geeignet, die Kühlmittelströme dort zu teilen, wobei, ausgehend vom jeweiligen Verbindungskanal, der eine Teilstrom auf der einen Seite des Auslassventils und der andere Teilstrom auf der anderen Seite dieses Auslassventils vorbeigeleitet wird.
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Besonders einfach lässt sich bei dem Zylinderkopf der mindestens eine Verbindungskanal, insbesondere die beiden Verbindungskanäle herstellen, wenn der jeweilige Verbindungskanal als Bohrung ausgebildet ist. Es ist somit nur erforderlich, den als Gusskörper ausgebildeten Zylinderkopf mit der einen oder den beiden zusätzlichen Bohrungen zu versehen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bohrung im Bereich deren dem Querkanal abgewandten Endes beim Verbinden von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse von einer Kurbelgehäusedichtung verschlossen wird. Die Bohrung ist somit nur im Bereich des dem Querkanal zugewandten Endes offen.
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Der Zylinderkopf ist insbesondere so gestaltet, dass das eingespeiste Kühlmittel den Brennraum des Zylinders im Bereich eines Kraftstoffsinjektors und einer Zündkerze umströmt. Unter diesem Aspekt ist insbesondere vorgesehen, dass der Zylinderkopf zwischen der Anordnung der Auslasskanäle und der Anordnung der Einlasskanäle einen Schacht zur Aufnahme der Zündkerze aufweist, wobei der Schacht Kühlmittelzuführkanäle aufweist, die mit den äußeren Kühlmittelzuführkanälen und dem mittigen Kühlmittelzuführkanal verbunden sind. Ferner ist zweckmäßig vorgesehen, dass der Zylinderkopf zwischen Gaswechseleinlasskanälen, benachbart der Einlassventile, einen Schacht zur Aufnahme eines Kraftstoffinjektors aufweist, wobei der Schacht Kühlmittelzuführkanäle aufweist, durch die das Kühlmittel aus dem Zylinderkopf geleitet wird, insbesondere in das Kurbelgehäuse geleitet wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine optimale Kühlung von Zündkerze und Kraftstoffinjektor, wobei zunächst der Bereich der Zündkerze umströmt wird und dann der Bereich des Kraftstoffinjektors.
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Die Erfindung schlägt somit einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine vor, bei der der Zylinderkopf mittels einer Querströmung mit Kühlmittel von der Auslassseite beaufschlagt wird und eine besonders gute Kühlung im Bereich der Auslassventile sichergestellt ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung eines in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiels, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
- 1 eine räumliche Ansicht eines Wassermantels des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes, veranschaulicht für den Bereich eines Zylinders des Zylinderkopfes, mit Strömungspfeilen zur Verdeutlichung der Durchströmung des Wassermantels,
- 2 einen Schnitt durch einen Bereich des Zylinderkopfs, der mit den beiden als Bohrungen ausgebildeten Verbindungskanälen versehen ist.
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Der in 1 veranschaulichte Wassermantel ist besonders gut geeignet, die Gestaltung und Anordnung der kühlmittelführenden Kanäle des Zylinderkopfes zu verdeutlichen, da die kühlmittelführenden Kanäle eine bauliche Einheit in Art des Wassermantels 1 bilden. Veranschaulicht ist in der 1 für einen quer mit Kühlmittel, konkret Kühlwasser durchströmten Zylinder der Wassermantel 1 für einen der mehreren Zylinder des Zylinderkopfs. Der Wassermantel 1 ist im Übergang zum Wassermantel des jeweils benachbarten Zylinders abgeschnitten veranschaulicht.
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Bezogen auf die Orientierung gemäß 1 ist unterhalb des mit dem Wassermantel 1 versehenen Zylinderkopfes das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet. Kurbelgehäuse und Zylinderkopf sind durch eine Zylinderkopfdichtung abgedichtet. Diese Zylinderkopfdichtung ist mit diversen Öffnungen zum Durchtritt von Kühlwasser vom Kurbelgehäuse in den Zylinderkopf und vom Zylinderkopf zurück in das Kurbelgehäuse versehen.
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Kaltes, somit frisches Kühlwasser tritt im Bereich 2 in den Kühlwassermantel 1 ein, durchströmt den Wassermantel 1 in Querrichtung des Zylinderkopfes und verlässt den Wassermantel 1 in dem Bereich 5, der dem Bereich 2 gegenüberliegt.
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Die veranschaulichte Kanalanordnung weist auslassseitig einen zwischen Gaswechselauslasskanälen angeordneten mittigen Kühlmittelzuführkanal 3 auf, sowie zwei außen, neben den Gaswechselauslasskanälen angeordnete äußere Kühlmittelzuführkanäle 4 auf. Der mittige Kühlmittelzuführkanal 3 erstreckt sich zwischen den Gaswechselauslasskanälen in Richtung der Einlassseite des Zylinderkopfes, die auf der dem Bereich 5 zugewandten Seite positioniert ist.
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Die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle 4, 4 ummanteln die Gaswechselauslasskanäle weitgehend. Ein Querkanal 6 verbindet die äußeren Kühlmittelzuführkanäle 4, 4 im Bereich der den Gaswechselauslasskanälen zugeordneten Auslassventile. Der mittlere Kühlmittelzuführkanal 3 und die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle 4, 4 gehen auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselkanäle ineinander über. Dieser Bereich ist mit der Bezugsziffer 7 bezeichnet. Von dort, somit stromabwärts der Gaswechselauslasskanäle und der Auslassventile, gelangt das Kühlwasser in den Bereich der Gaswechseleinlasskanäle und der Einlassventile, um im Bereich 5 den Zylinderkopf zu verlassen.
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Bezogen auf die grundsätzliche Durchströmrichtung des Kühlwassers vom Bereich 2 zum Bereich 5 des Wassermantels ist der Querkanal 6 somit quer zur Durchströmrichtung angeordnet. Im Bereich der Kühlmittelzuführung, somit benachbart dem Bereich 2, sind zwei Verbindungskanäle 8, 8, die durch jeweils eine Bohrung gebildet sind, mit einem Ende mit dem jeweiligen äußeren Kühlmittelzuführkanal 4 und mit dem anderen Ende mit dem Querkanal 6 im Bereich des diesem äußeren Kühlmittelzuführkanal 4 zugewandten Endes des Querkanals 6 verbunden.
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Der breite, sich in Querrichtung erstreckende Querkanal 6 bildet einen Auslass-Balkonbereich des Wassermantels.
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Mit der Bezugsziffer 9 sind die Durchtritte im Wassermantel 1 bezeichnet, die den Gussbereich des Zylinderkopfs umschließen, durch den die beiden Gaswechseleinlassventile geführt sind. Die Bezugsziffern 10 zeigen die entsprechenden Durchtritte des Gusskörpers des Zylinderkopfes für die beiden Gaswechselauslasskanäle. Die Durchtritte 11 betreffen den vom Gusskörper des Zylinderkopfs umschlossenen Bereich, der den jeweiligen Ventilschaft des zugeordneten Auslassventils aufnimmt. Die Durchtritte 12 durch den Wassermantel 1 betreffen Gussbereiche des Zylinderkopfes, die eine Umlenkung der Strömung des Kühlwassers durch die äußeren Kühlmittelzuführkanäle 4, 4 näher zur Mitte des Wassermantels 1 bedingen. Der Durchtritt 13 durch den Wassermantel 1 zwischen dem Paar von Durchtritten 11 und dem Paar von Durchtritten 9 betrifft einen Schachtbereich des Zylinderkopfes, der der Aufnahme einer Zündkerze dient. Der Durchtritt 14 im Wassermantel 1 dient der Aufnahme eines Flanschbereichs des Zylinderkopfs, zum Anschließen eines Abgaskrümmers am Zylinderkopf. Auf der dem Durchtritt 14 abgewandten Seite ist der Wassermantel 1 mit einem weiteren Durchtritt 15 versehen. Dort ist ein Gussbereich des Zylinderkopfes angeordnet, der der Aufnahme eines Kraftstoffinjektors dient.
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2 veranschaulicht im Schnitt den Zylinderkopf 16 im Bereich der beiden Gaswechselauslasskanäle 17, 17 in einer Schnittdarstellung des Zylinderkopfs 16. Die Kanäle des Wassermantels 1 sind, soweit in dieser Darstellung des Zylinderkopfs 16 sichtbar, mit den zur 1 genannten Bezugsziffern eingezeichnet. Insbesondere sind die beiden Verbindungskanäle 8 zu sehen, die die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle 4 mit dem Querkanal 6, somit dem Auslass-Balkonbereich verbinden. Wegen der Schnittebene ist dieser Querkanal 6 zweimal unterbrochen. In dem auf die Orientierung gemäß 2 bezogen unteren Bereich liegt bei Montage des Zylinderkopfes 16 am Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine der Zylinderkopf 16 an der Zylinderkopfdichtung an, so dass aufgrund entsprechender Gestaltung der Zylinderkopfdichtung diese die unteren Enden der Verbindungskanäle 8 abdichtet. Kühlwasser gelangt somit von unten im Bereich 2 in den Zylinderkopf 16 und von dort unmittelbar zu Beginn des jeweiligen äußeren Kühlmittelzuführkanals 4 nach oben in den Verbindungskanal 8 und von dort zum Querkanal 6.
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Dies ist insbesondere der 1 anschaulich zu entnehmen, in der mit Pfeilen die Durchströmung des Wassermantels 1 von der Auslassseite - Bereich 2 - zur Einlassseite - Bereich 5 - zu entnehmen ist.
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Der Wassermantel 1 ist, wie es aus der 1 ersichtlich ist, in Durchströmrichtung, somit in Querrichtung des Zylinderkopfes symmetrisch ausgebildet. Das Kühlwasser teilt sich, ausgehend vom Bereich 2 aufgrund des Durchtritts 14 in zwei Teilströme, wobei ein Teil der Teilströme sich hinter dem Durchtritt 14 wieder zum mittigen Kühlmittelzuführkanal 3 vereinigt und ein anderer Teilstrom Kühlwasser einerseits durch den äußeren Kühlmittelzuführkanal 4, andererseits durch den diesem zugeordneten Verbindungskanal 8 strömt. Über die beiden Verbindungskanäle 8 gelangt das Kühlwasser in den Querkanal 6 und strömt von dort einerseits zwischen den beiden Durchtritten 11 hindurch, andererseits auf der abgewandten Seite des jeweiligen Durchtritts 11 vorbei.
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Durch den jeweiligen äußeren Kühlmittelzuführkanal 4 strömt Kühlmittel außen am zugeordneten Auslasskanal vorbei, während durch den mittigen Kühlmittelzuführkanal 3 das Kühlwasser zwischen den beiden Gaswechselauslasskanälen hindurchströmt. Zwischen dem Paar von Durchtritten 11 und dem Paar von Durchtritten 9, somit im Bereich des Durchtritts 13 vereinigen sich die Zuführkanäle 3 und 4. In diesen Bereich 4 gelangt auch das Kühlwasser, das den Bereich des Querkanals 6 verlassen hat. Anschließend wird das Kühlwasser an den Gaswechseleinlasskanälen vorbei zum Bereich 5 gefördert.
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Die beiden Verbindungskanäle 8 stellen sicher, dass in die besonders heißen Bereiche der Durchtritte 11 frisches Kühlwasser, somit relativ kaltes Kühlwasser gelangt, womit ein Sieden des Kühlwassers in dem Balkonbereich verhindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wassermantel
- 2
- Bereich
- 3
- mittiger Kühlmittelzuführkanal
- 4
- äußerer Kühlmittelzuführkanal
- 5
- Bereich
- 6
- Querkanal
- 7
- Bereich
- 8
- Verbindungskanal
- 9
- Durchtritt
- 10
- Durchtritt
- 11
- Durchtritt
- 12
- Durchtritt
- 13
- Durchtritt
- 14
- Durchtritt
- 15
- Durchtritt
- 16
- Zylinderkopf
- 17
- Gaswechselauslasskanal
