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Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die
DE 100 48 582 A1 hingewiesen. Aus dieser ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Vier-Ventil-Zylinderkopf, bekannt, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum ein Kühlmittelraum ausgestaltet ist. Dieser Kühlmittelraum umgibt die Einlass- und Auslasskanäle sowie den Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil zumindest teilweise. Weiter weist der Vier-Ventil-Zylinderkopf einen Zuführkanal für das Kühlmittel auf, wobei das einströmende Kühlmittel zunächst in einem begrenzten und nach oben geschlossenen Abschnitt geführt wird, bevor es in die oberen Bereiche des Kühlmittelraums strömen kann. Dieser flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlmittelraum mindestens einen senkrechten Zuführkanal aufweist, der an seiner Einlassseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslassseite in einen, quer zum Zylinderkopf verlaufenden, unteren Abschnitt des Kühlmittelraumes übergeht, der den Aufnahmeschacht für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil und die Auslasskanäle teilweise umgibt und an der an seiner, der Verteilerleiste gegenüberliegenden Seite ein Überströmkanal aufweist, über den dieser untere Abschnitt mit dem oberen Abschnitt des Kühlmittelraumes verbunden ist.
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Ein solcher, aus dem Stand der Technik bekannter Zylinderkopf weist keine oder nur eine geringe Variantenvariation von möglichen Kühlmittelströmungsführungen auf.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 037 383 A1 ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt. Dieser besteht aus zumindest einem den Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Bodenteil aus einem ersten metallischen Werkstoff und einem geodätisch über dem Bodenteil angeordneten Kopfteil, aus einem zweiten metallischen Werkstoff, wobei das Bodenteil aus einem eisenmetallischen Werkstoff und das Kopfteil aus einem Leichtmetall ist.
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Mit einem derartigen Zylinderkopf ist zwar eine zwangsgeführte und flache Heißzonenströmung möglich, jedoch ist die Herstellung eines geteilten Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine relativ aufwändig und teuer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, o. g. Nachteile zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine zwangsgeführte und flache (unmittelbar am Brennraumdach) Heißzonenströmung möglich, ohne Funktions- oder Gewichtsnachteile. Darüber hinaus werden die Sandkernstabilität der Kühlmittelräume und die Strukturfestigkeit des Zylinderkopfes wesentlich verbessert.
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Weiter ist durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 eine fast unbegrenzte Variantenvariation von möglichen Kühlmittelströmungsführungen über Speisungs-, Ein- oder Ausströmanschlüsse möglich.
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Die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 3 und 4 sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Die mögliche Strömungsvariantenvielfalt wird mit den Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 5 und 6 nochmals deutlich erhöht.
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Gemäß Patentanspruch 7 kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung an jedem Zylinderkopf Einsatz finden, unabhängig von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren und anhand einer Tabelle näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt entlang einer Zylinderlängsachse durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf senkrecht zu der Zylinderachse.
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Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt einen Schnitt entlang einer Zylinderachse 14 durch eine Brennkraftmaschine 2 mit einem erfindungsgemäß ausgestatteten Zylinderkopf 1 montiert auf einem Kurbelgehäuse 8. Der Zylinderkopf 1 weist eine Zylinderkopfeinlassseite ZE und eine Zylinderkopfauslassseite ZA auf. Ebenfalls weist das Kurbelgehäuse 8 eine Kurbelgehäuseeinlassseite KE und eine Kurbelgehäuseauslassseite KA auf. In dem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 1 erstreckt sich ein Kühlmittelkanal 3 von der Einlassseite ZE zu der Auslassseite ZA des Zylinderkopfes 1, bzw. von der Auslassseite ZA zu der Einlassseite ZE. Die Erstreckungsrichtung ist selbstverständlich frei wählbar. Eine mögliche Kühlmittelströmungsrichtung ist schematisch durch Pfeile dargestellt.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass in 1 mehrere bevorzugte Ausführungsvarianten gleichzeitig dargestellt sind.
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Erfindungsgemäß ist geodätisch unter dem Kühlmittelkanal 3 ein zweiter Kühlmittelkanal 4 angeordnet, der sich ebenfalls von der Einlassseite ZE zu der Auslassseite ZA des Zylinderkopfes 1 erstreckt. Erfindungsgemäß kann der zweite Kühlmittelkanal 4 auch geodätisch unter dem Kühlmittelkanal 3 angeordnet sein. Der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 sind von einer geodätisch zwischen ihnen angeordneten Trennwand 5 räumlich voneinander getrennt. In dieser Ausgestaltung handelt es sich um den Urzustand des Zylinderkopfes 1, nachdem dieser gegossen wurde. Weiter kann die Trennwand 5 zwischen dem Kühlmittelkanal 3 und dem zweiten Kühlmittelkanal 4, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, zumindest abschnittsweise mechanisch aufgetrennt werden, so dass der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 Kühlmittel führend miteinander verbunden sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies sowohl auf der Einlassseite ZE des Zylinderkopfes 1 als auch auf der Auslassseite ZA des Zylinderkopfes 1 erfolgt.
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Weiter weist der erfindungsgemäße Zylinderkopf 1 in diesem Ausführungsbeispiel auf seiner Auslassseite ZA einen dritten Kühlmittelkanal 6 auf, der sich entlang der Zylinder erstreckt und von dem aus der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 mit einem Kühlmittel speisbar sind. Dieser dritte Kühlmittelkanal 6 kann in einem anderen Ausführungsbeispiel auch auf der Einlassseite ZE des Zylinderkopfes 1 angeordnet sein. In einem weiteren, ebenfalls in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass das Kurbelgehäuse 8 einen vierten Kühlmittelkanal 7 aufweist, von dem aus der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 mit dem Kühlmittel speisbar sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 in derselben Richtung von dem Kühlmittel durchflutbar, beispielsweise von der Auslassseite ZA zur Einlassseite ZE des Zylinderkopfes 1.
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In einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmittel durchflutbar. Weiter kann der Zylinderkopf 1 neben einer einzylindrigen Brennkraftmaschine 2 auch für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine 2 vorgesehen sein.
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Ergänzend sei noch erwähnt, dass der erfindungsgemäße Zylinderkopf 1 in den 1 und 2 weiter einen Gaswechseleinlasskanal 10 und einen Gaswechselauslasskanal 11 aufweist, an dem eine Abgasanlage 9 angeordnet ist. Ferner ist es für die erfindungsgemäße Kühlmittelführung in dem Zylinderkopf 1 unerheblich, wie viele Gaswechseleinlass-, bzw. Gaswechselauslassventile je Zylinder vorgesehen sind. Auch können noch Stege und Durchbrüche für Zündeinrichtungen und/oder Kraftstoffinjektoren vorgesehen werden, die der Einfachheit halber in den 1 und 2 nicht dargestellt sind.
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Erfindungsgemäß sind der Kühlmittelkanal 3 und der zweite Kühlmittelkanal 4 durch mechanische Bearbeitung Kühlmittel führend miteinander verbind bar, was beispielsweise durch Bohren oder Fräsen von außen erfolgen kann. Hierbei entstehende, nach außen offene Durchtrittsbohrungen können anschließend, nach der mechanischen Bearbeitung nach außen hin durch Verschlussstopfen 12 wieder verschlossen werden. Desweiteren ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Kurbelgehäuse 8 eine Zylinderkopfdichtung 13 angeordnet.
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Wie bereits eingangs erwähnt, sind in 1 mehrere Ausführungsvarianten gleichzeitig dargestellt.
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In folgender Tabelle 1 sind Varianten von Kühlmittel-Strömungsführungen am Beispiel einer Zweizylinder-Brennkraftmaschine mit einem Vier-Ventil-Zylinderkopf dargestellt. Horizontal sind die Eigenschaften (wie das Kühlmittel ein-, durch- oder ausströmt) dargestellt und vertikal unterschiedliche Strömungsvarianten, in vorliegender Tabelle elf Strömungsvarianten, wobei die Tabelle nicht vollständig ist, d. h. es sind noch wesentlich mehr Strömungsvarianten möglich.
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Zu den Eigenschaften zählen die Speisung, die Einströmung, die Ausströmung und die Ausführung des Zylinderkopfes, die immer mit einem Kühlmittelkanal 3 und einem zweiten Kühlmittelkanal 4 ausgeführt ist.
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So kann die Speisung (von wo kommt das Kühlmittel), wie in Tabelle 1 dargestellt, mit Kühlmittel aus dem Kurbelgehäuse 8 (ZKG) oder aus dem Zylinderkopf 1 (ZK) erfolgen. Weiter aufgeteilt kann die Speisung im Kurbelgehäuse 8 auf der Kurbelgehäuseauslassseite KA bzw. der Kurbelgehäuseeinlassseite KE erfolgen. Gleiches gilt für den Zylinderkopf, in dem die Speisung auf der Zylinderkopfauslassseite ZA oder auf der Zylinderkopfeinlassseite ZE erfolgen kann.
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Die Einsträmung (wo strömt das Kühlmittel ein) des Kühlmittels kann im Kurbelgehäuse 8 auslassseitig geodätisch unten KA1 oder geodätisch oben KA2 oder einlassseitig geodätisch unten KE1 oder geodätisch oben KE2 erfolgen. Gleiches gilt für die Einströmung in den Zylinderkopf, die auslassseitig im zweiten Kühlmittelkanal 4 ZA1 oder in den Kühlmittelkanal 3 ZA2 oder einlassseitig in den zweiten Kühlmittelkanal 4 ZE1 oder in den Kühlmittelkanal 3 ZE2 erfolgen kann.
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Gleiches gilt für die Ausströmung (wo strömt das Kühlmittel aus) des Kühlmittels aus dem Kurbelgehäuse 8, bzw. dem Zylinderkopf 1. Allen Varianten gemein ist, dass die Kühlmittelräume (KMR) im Zylinderkopf 1 erfindungsgemäß zweiteilig ausgeführt sind.
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In der Tabelle 1 sind unterschiedliche Kühlmittelführungen zeilenweise jeweils mit einem X gekennzeichnet, wodurch unterschiedliche Varianten entstehen. In Abhängigkeit der jeweiligen Brennkraftmaschine 2 kann somit erfindungsgemäß die optimale Kühlmittelströmung eingerichtet werden.
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2 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1, senkrecht zur Zylinderachse 14. Auslassseitig sind wiederum die Verschlussstopfen 12 zu erkennen, die zum Verschließen der für die Bearbeitung, bzw. Verbindung des Kühlmittelkanals 3 und des zweiten Kühlmittelkanals 4 erforderlich sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine sehr gute Darstellung einer zwangsgeführten und flachen, unmittelbar am Brennraumdach angeordneten, Heißzonenströmung möglich. Weiter ergeben sich keine Nachteile für Strömungsquerschnitte und Sandkernstabilität bei der Kernmontage des Kernpakets (Einlegen der Einlass- und Auslasskanalkerne), durch die geteilten Kühlmittelräume 3, 4. In vorteilhafter Weise weist der erfindungsgemäße Zylinderkopf 1 eine sehr hohe Strukturfestigkeit durch den geteilten Kühlmittelraum auf. Wie in Tabelle 1 dargestellt gibt es darüber hinaus eine fast unendliche Anzahl von Möglichkeiten für eine sehr gute Kühlmittelgesamtströmungsführung im Zylinderkopf 1, wobei in einer weiteren Ausführungsform auch der Abgaskrümmer der Abgasanlage 9 mit gekühlt werden kann.
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Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine sehr hohe thermomechanische Bauteilbelastbarkeit, die beispielsweise geeignet ist für eine Hochaufladung unter Beibehaltung hoher Robustheit/Lebensdauer durch sehr gezielte kühlungsintensive Strömungsführung in Verbindung mit einer hochfesten Struktur.
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Die Erzielung dieser Vorteile erfordert ggf. die Inkaufnahme geringer Gewicht-/Kostennachteile verursacht durch die Trennwand und evtl. zusätzliche Verschlusselemente 12 für Sandkernlageröffnungen, wobei diese Nachteile gegenüber den Vorteilen der Erfindung eine untergeordnete Rolle spielen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Kühlmittelkanal
- 4
- zweiter Kühlmittelkanal
- 5
- Trennwand
- 6
- dritter Kühlmittelkanal
- 7
- vierter Kühlmittelkanal
- 8
- Kurbelgehäuse
- 9
- Abgasanlage
- 10
- Gaswechseleinlasskanal
- 11
- Gaswechselauslasskanal
- 12
- Verschlussstopfen
- 13
- Zylinderkopfdichtung
- 14
- Zylinderachse
- Z
- Zylinderkopf
- K
- Kurbelgehäuse
- ZE
- Zylinderkopf Einlassseite
- ZA
- Zylinderkopf Auslassseite
- KE
- Kurbelgehäuse Einlassseite
- KA
- Kurbelgehäuse Auslassseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10048582 A1 [0002]
- DE 102005037383 A1 [0004]
