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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein derartiger Zylinderkopf ist beispielsweise der
DE 10 2004 011 656 A1 als bekannt zu entnehmen. Der hierin vorgestellte Zylinderkopf umfasst einen von einer Hauptkühlmittelmenge durchströmten Kühlmittelmantel eines Zylindergehäuses. Des Weiteren umfasst der Kühlmittelmantel eine Kühlbohrung, welche aus zwei V-förmig zueinander angeordneten Kühlbohrungsabschnitten besteht. Diese Kühlbohrungsabschnitte werden zur Kühlung besonders temperaturbelasteter Bereiche des Zylinderkopfs, wie beispielsweise Bereiche in der Nähe der Auslassventile, zur Kühlung verwendet. Die Versorgung der entsprechenden Kühlbohrungsabschnitte erfolgt mittels einer Abzweigung eines Teilstroms auf einer Eintrittsseite eines Kühlmittelmantels und damit aus einem Bereich, in dem unmittelbar aus dem Kühler kommendes Kühlmittel vorliegt. Das an dieser Stelle entnommene Kühlmittel weist eine niedrigere Temperatur auf als das an einer Austrittsseite in einen Kühlraum überströmende Kühlmittel. Nach dem Durchströmen der Kühlbohrungsabschnitte wird das Kühlmittel daraufhin wiederum einem Hauptkühlmittelstrom beigemischt.
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Aus der
DE 103 21 035 B3 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf bekannt, welcher mittels eines Kühlmittelkreislaufs gekühlt ist, wobei einem Brennraum der Brennkraftmaschine wenigstens zwei Einlass- und zwei Auslassventile zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen, die im Zylinderkopf angeordnet sind, ein erster Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse, sowie ein Kühlmittelraum des Kühlmittelkreislaufs zugeordnet sind. Eine Kühlmittelströmung ist dabei quer zur Brennkraftmaschinenlängsrichtung von der Auslassseite zu der Einlassseite des Zylinderkopfs geführt und ein zweiter Aufnahmeschacht zwischen zwei den Einlassventilen zugeordneten Einlasskanälen ist zumindest teilweise vom Kühlmittelraum umgeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem mit besonders hohen Temperaturen belastete Mantelbereiche des Zylinderkopfs wirksam gekühlt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem mit besonders hohen Temperaturen beaufschlagte Mantelbereiche des Zylinderkopfs besonders wirksam gekühlt werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zylinderkopf wenigstens einen von dem Kühlmantel fluidisch getrennten Sekundärmantel zur Kühlung eines Teilbereichs des Zylinderkopfs aufweist. Im Gegensatz zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmantel wird also einer der Mantelbereiche durch den Teilbereich ersetzt. Besonders temperaturbelastete Mantelbereiche des Zylinderkopfs neigen infolge thermisch bedingter Spannungen zur Rissbildung, wodurch Kühlmittel in den Brennraum gelangen kann und somit die Gefahr eines so genannten Wasserschlags besteht. Dabei fließt Kühlwasser in den Brennraum des Verbrennungsmotors, wodurch es zu erheblichen Motorschäden kommen kann. Um nun einer thermischen Überbeanspruchung und damit der Gefahr der Rissbildung an besonders temperaturbelasteten Mantelbereichen des Zylinderkopfs wirksam entgegenzuwirken, kann der Sekundärmantel aufgrund seiner fluidischen Trennung von dem Kühlmantel an derartigen, mit besonders hohen Temperaturen beaufschlagten Mantelbereichen des Zylinderkopfs die entstehende Wärme besonders effektiv abführen. Durch die fluidische Trennung wird sichergestellt, dass der Sekundärmantel unabhängig von der Kühlmitteldurchströmung des Kühlmantels von einem davon separaten Kühlmittelstrom mit besonders hoher Strömungsgeschwindigkeit und niedriger Temperatur durchströmt wird. Durch eine Beaufschlagung mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten und niedriger Temperatur wird der Wärmeübergang in besonderem Maße verbessert, wodurch eine besonders effiziente Kühlung des Teilbereichs des Zylinderkopfs erfolgen kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 eine schematische Perspektivansicht auf einen jeweilige Mantelbereiche aufweisenden Kühlmantel eines Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Teilbereich des Zylinderkopfs mittels eines Sekundärkanals gekühlt ist;
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2 eine schematische Draufsicht auf den Zylinderkopf, wobei der mittels des Sekundärkanals gekühlte Teilbereich eine besonders niedrige Temperatur aufweist;
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3 eine schematische Draufsicht auf den Kühlmantel mit einem Haupteinlass und einem Hauptauslass zur Versorgung des Kühlmantels mit Kühlmittel; und in
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4 eine schematische Darstellung eines Primärkreislaufs sowie eines Sekundärkreislaufs, mittels welcher der Kühlmantel mit Kühlmittel versorgt wird.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Kühlmantel 2, welcher vorliegend zur Kühlung eines Zylinderkopfs 1 mit vier in einer Reihe angeordneten Zylindern einer Zylinderbank eines V8-Motors dient. Der Kühlmantel 2 weist jeweils Öffnungen für Ladungswechselkanäle 4, welche jeweiligen Einlasskanälen, bzw. jeweiligen Auslasskanälen entsprechen, auf. Der Kühlmantel 2 umfasst des Weiteren jeweilige Mantelbereiche 3, welche infolge eines Wärmeeintrags durch den Zylinderkopf 1 unterschiedlich stark erwärmt und von Kühlmittel zur Kühlung des Zylinderkopfes 1 durchströmt werden. Besonders stark von einer solchen Erwärmung betroffen ist ein jeweiliger Teilbereich 7, welcher zwischen jeweiligen Aussparungen 5, in welchen beispielsweise Zündquellen oder Einspritzdüsen eingeführt sind, und den Ladungswechselkanälen 4 angeordnet ist. Die Temperaturbelastung ist dabei besonders hoch, wenn an den jeweiligen Ladungswechselkanälen 4 ein Abgasaustritt 23 angeordnet ist. Der Abgasaustritt 23 erfolgt über die jeweiligen Auslasskanäle des Verbrennungsmotors. In 1 ist nun exemplarisch ein erster Bereich 17, ein zweiter Bereich 18, ein dritter Bereich 19 sowie ein vierter Bereich 20 des Kühlmantels 2 dargestellt, wobei jeder dieser vier Bereiche zur Kühlung eines jeweiligen Kopfbereiches eines jeweiligen Zylinders dient. Während der erste Bereich 17, der dritte Bereich 19 sowie der vierte Bereich 20 dem Stand der Technik entsprechend mittels einer fluidischen Kopplung der jeweiligen Mantelbereiche 3 gekühlt werden, umfasst der zweite Bereich 18 vorliegend exemplarisch und erfindungsgemäß einen von den jeweiligen Mantelbereichen 3 fluidisch entkoppelten Sekundärmantel 6. Der Sekundärmantel 6 ist mittels einer Eintrittsöffnung 9 und einer Austrittsöffnung 10 mit einem hier nicht weiter dargestellten Sekundärkreislauf 8 fluidisch gekoppelt und wird infolgedessen mittels des Sekundärkreislaufs 8 mit Kühlmittel versorgt. Der Zylinderkopf 1 weist also mit anderen Worten wenigstens den einen, von dem Kühlmantel 2 fluidisch getrennten Sekundärmantel 6 zur Kühlung des Teilbereichs 7 des Zylinderkopfs 1 auf, wobei der Sekundärmantel 6 fluidisch mit dem von dem Fluidkreislauf separaten Sekundärkreislauf 8 gekoppelt ist. Um Gebiete mit geringer Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb des Sekundärmantels 6 zu vermeiden, und einen besonders guten Wärmeübergang aufgrund niedriger Kühlwassertemperatur und hohe Geschwindigkeit in allen Zonen des Sekundärmantels 6 zu erreichen, ist dieser im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. So wird also dem Sekundärmantel 6 unabhängig von der Kühlmittelversorgung des Kühlmantels 2 über die wenigstens eine Eintrittsöffnung 9 Kühlmittel aus dem Sekundärkreislauf 8 zugeführt, durch den ringförmig ausgebildeten Sekundärmantel 6 unter Aufnahme einer besonders großen Wärmemenge des Teilbereichs 7 geführt und tritt über wenigstens die eine Austrittsöffnung 10 aus dem Sekundärmantel 6 aus und wird wiederum durch den Sekundärkreislauf 8 aufgenommen. Besonders effektiv ist also die Kühlung mittels des Sekundärmantels 6 in Zonen mit hoher Wandtemperatur des Zylinderkopfs 1, wobei eine dieser Zonen vorliegend durch den Teilbereich 7 repräsentiert wird.
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2 zeigt in einer schematischen Unteransicht des Zylinderkopfs 1 ebenfalls die jeweiligen Ladungswechselkanäle 4, welche teilweise für den Abgasaustritt 23 dienen. Während der erste Bereich 17, der dritte Bereich 19 und der vierte Bereich 20, wie bereits anhand von 1 beschrieben, gemäß dem Stand der Technik gekühlt werden, wird der Teilbereich 7 des zweiten Bereichs 18 vorliegend exemplarisch mittels des Sekundärmantels 6 gekühlt. Infolgedessen weist der Teilbereich 7, welcher in dem zweiten Bereich 18 von dem hier nicht erkennbaren Sekundärmantel 6 gekühlt wird, eine besonders niedrige Temperatur auf. Die Aussparung 5 des zweiten Bereichs 18 wird also mit anderen Worten ringförmig von dem Sekundärmantel 6 umschlossen und infolge einer Wärmeabgabe an das durch den Sekundärmantel 6 geförderte Kühlmittel gekühlt.
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3 zeigt in einer schematischen Draufsicht auf den Kühlmantel 2, dass der Kühlmantel 2 mittels eines Haupteinlasses 21 mit Kühlmittel versorgt wird, wobei das Kühlmittel über einen Hauptauslass 22 wiederum in erwärmtem Zustand aus dem Kühlmantel 2 austritt. Das den Kühlmantel 2 durchströmende Kühlmittel durchströmt dabei sowohl den ersten Bereich 17, den dritten Bereich 19, den vierten Bereich 20 und zumindest teilweise, jedoch nicht vollständig, den zweiten Bereich 18. Der Teilbereich 7 des zweiten Bereichs 18 wird jedoch vorliegend im Wesentlichen mittels des durch den Sekundärmantel 6 geführten Kühlmittels des Sekundärkreislaufs 8 gekühlt, wobei das Kühlmittel des Sekundärkreislaufs 8 mittels der Eintrittsöffnung 9 in den Sekundärmantel 6 eintritt und mittels der Austrittsöffnung 10 wiederum aus dem Sekundärmantel 6 austritt und in erwärmtem Zustand dem Sekundärkreislauf 8 zugeführt wird. Es versteht sich dabei, dass die Kühlung des Teilbereichs 7 mittels des Sekundärmantels 6 besonders effektiv erfolgen kann, wenn das Kühlmittel des Sekundärkreislaufs 8, welches dem Sekundärmantel 6 mittels der Eintrittsöffnung 9 zugeführt wird, eine niedrigere Temperatur aufweist als das dem Kühlmantel 2 mittels des Haupteinlasses 21 zugeführte Kühlmittel eines hier nicht dargestellten Primärkreislaufs 16. Der Primärkreislauf 16 entspricht einem Fluidkreislauf und ist mittels des Haupteinlasses 21 und mittels des Hauptauslasses 22 fluidisch mit dem Kühlmantel 2 gekoppelt.
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4 zeigt nun im Rahmen einer schematischen Darstellung den Primärkreislauf 16 sowie den Sekundärkreislauf 8, welche zur Kühlung des Kühlmantels 2 herangezogen werden. Der Primärkreislauf 16 umfasst einen Hauptkühler 11, welcher einer Kühlwasserpumpe 12 in Strömungsrichtung des Kühlmittels fluidisch vorgeschaltet ist. Die Hauptwasserpumpe 12 fördert also das Kühlmittel des Primärkreislaufs über den Haupteinlass 21 durch den Kühlmantel 2. Das Kühlmittel tritt in erwärmtem Zustand wiederum über den Hauptauslass 22 aus dem Kühlmantel 2 aus und in ein Thermostat 13 ein. In Abhängigkeit von der Temperatur des am Thermostat 13 ankommenden Kühlmittels wird das Kühlmittel entweder über einen Kühlerbypass 24 direkt der Hauptwasserpumpe 12 zugeführt, was vor allem im kalten Zustand des Verbrennungsmotors zur Beschleunigung des Warmlaufs des Verbrennungsmotors der Fall ist, oder das Kühlmittel wird mittels des Thermostats 13 über einen Kühlerzustrom 25 zum Hauptkühler 11 geführt. Die Kühlung des Kühlmittels im Hauptkühler 11 erfolgt insbesondere dann, wenn der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur erreicht hat und es demzufolge erforderlich ist, das im Primärkreislauf 16 enthaltene Kühlmittel abzukühlen. Der Sekundärkreislauf 8 dient zur Versorgung des Sekundärmantels 6 mit dem im Sekundärkreislauf 8 enthaltenen Kühlmittel. Zur Kühlung des Kühlmittels umfasst der Sekundärkreislauf 8 daher einen Kühler 14 und zur Förderung des Kühlmittels durch den Sekundärmantel 6 mittels der Eintrittsöffnung bzw. mittels der Austrittsöffnung eine Pumpe 15.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Kühlmantel
- 3
- Mantelbereich
- 4
- Ladungswechselkanäle
- 5
- Aussparung
- 6
- Sekundärmantel
- 7
- Teilbereich
- 8
- Sekundärkreislauf
- 9
- Eintrittsöffnung
- 10
- Austrittsöffnung
- 11
- Hauptkühler
- 12
- Hauptwasserpumpe
- 13
- Thermostat
- 14
- Kühler
- 15
- Pumpe
- 16
- Primärkreislauf
- 17
- erster Bereich
- 18
- zweiter Bereich
- 19
- dritter Bereich
- 20
- vierter Bereich
- 21
- Haupteinlass
- 22
- Hauptauslass
- 23
- Abgasaustritt
- 24
- Kühlerbypass
- 25
- Kühlerzustrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004011656 A1 [0002]
- DE 10321035 B3 [0003]
