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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit Flüssigkeitskühlung, der
- – mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, und der
- – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, welcher durch Wandungen des Zylinderkopfes begrenzt und ausgebildet ist.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung mindestens eines Zylinders, d. h. Brennraums, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden. Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, d. h. die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen, wodurch die konstruktive Auslegung des Zylinderkopfes wesentlich mit beeinflusst wird.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
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Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Der Zylinderkopf dient folglich nicht nur zur Aufnahme der Steuerorgane, sondern bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme des gesamten Ventiltriebs. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden.
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Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen mehrerer Zylinder werden dabei häufig zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Stromabwärts des mindestens einen Krümmers können die Abgase dann einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt und/oder durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt werden.
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Verfügt der Zylinderkopf über eine Flüssigkeitskühlung, wie der Zylinderkopf, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird im Zylinderkopf mindestens ein integrierter Kühlmittelmantel ausgebildet, der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf hindurchführt und eine sehr komplexe Zylinderkopfstruktur bedingt.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil ist. Die Anforderungen an den Zylinderkopf nehmen dabei weiter zu. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen – mittels Abgasturboauflader und/oder mechanischem Lader – aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration eines Abgaskrümmers, steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung des Zylinderkopfes sicher verhindern.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden. Daher werden Brennkraftmaschinen zunehmend häufig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, weshalb auch der Zylinderkopf, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, über eine Flüssigkeitskühlung verfügt.
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Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet ist, wieder entzogen.
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Im Hinblick auf die Herstellungskosten wäre es überaus vorteilhaft, den Zylinderkopf aus einem thermisch weniger belastbaren und damit kostengünstigeren Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Grauguss, fertigen zu können. Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht vorteilhaft.
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Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung verwenden zu können, ist in der Regel eine entsprechende Kühlleistung erforderlich, welche die thermische Belastung des Zylinderkopfes durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe möglich macht.
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Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge derart hoch sein kann, dass es sich nach dem Stand der Technik als problematisch erweist, dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher wieder zu entziehen und zwar auch dann, wenn mittels leistungsstarkem Lüftermotor am Wärmetauscher der für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderliche Luftmassenstrom bereitgestellt wird. Ein weiterer für den Wärmeübergang maßgeblicher Parameter, die für den Wärmeübergang zur Verfügung gestellte Oberfläche, kann nämlich nicht beliebig groß ausgeführt bzw. vergrößert werden, da das Platzangebot im Front-End-Bereich des Fahrzeuges begrenzt ist und moderne Kraftfahrzeuge über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, verfügen, die ebenfalls im Front-End-Bereich anzuordnen sind.
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Auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um zu einer besseren Füllung der Zylinder beizutragen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht mehr, so dass im Einzelfall ein Ölkühler vorgesehen wird. Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden entgegen zu wirken. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, verlangen. Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird. Der Klimakondensator einer Klimaanlage ist ebenfalls ein Wärmetauscher, der während des Betriebs Wärme an die Umgebung abzugeben hat, also einen ausreichend hohen Luftstrom benötigt und daher im Front-End-Bereich anzuordnen ist.
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Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden. Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes vorzusehen, erweist sich als problematisch.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der hinsichtlich der Flüssigkeitskühlung optimiert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf mit Flüssigkeitskühlung, der
- – mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, und der
- – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, welcher durch Wandungen des Zylinderkopfes begrenzt und ausgebildet ist,
und der dadurch gekennzeichnet ist, dass - – die den mindestens einen integrierten Kühlmittelmantel begrenzenden Wandungen zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Erfindungsgemäß wird der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit einer Wärmeisolierung ausgestattet, d. h. die diesen Kühlmittelmantel begrenzenden Wandungen werden – zumindest bereichsweise – mit einer Wärmeisolierung versehen, d. h. beschichtet, verkleidet und/oder dergleichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine Wärmeisolierung gegenüber dem verwendeten Zylinderkopfmaterial ganz allgemein dadurch aus, dass die Wärmeisolierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Kopfmaterial.
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Vorliegend wird nicht angestrebt, eine möglichst große Wärmemenge aus dem Zylinderkopf abzuführen. Im Gegensatz zu dieser herkömmlichen Zielsetzung wird es der Kühlung erfindungsgemäß durch Einbringen einer Wärmeisolierung erschwert, dem Zylinderkopf Wärme zu entziehen und diesen Zylinderkopf zu kühlen. Die Kühlleistung wird durch Einbringen einer Isolierung bewusst begrenzt und gemindert. Die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Fläche, d. h. der Wandungen, wird gesenkt, wobei auch erfindungsgemäß Wärme vom Zylinderkopf in das Kühlmittel eingebracht wird, aber weniger als nach dem Stand der Technik.
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Durch diese Maßnahme wird die maximal abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, im Zylinderkopf vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
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Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes ein entsprechender Werkstoff zu wählen.
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Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige Werkstoffe zur Herstellung des Zylinderkopfes, da der Zylinderkopf auch erfindungsgemäß mit einer Kühlung ausgestattet ist. Gegebenenfalls ist die Kühlleistung nicht von dem Umfang, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe damit entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung des Zylinderkopfes abzuführen sind.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, der hinsichtlich der Flüssigkeitskühlung optimiert ist.
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Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gegenüber Konzepten, bei denen der Zylinderkopf abgasseitig mittels Isolierung vor einem zu großen Wärmeeintrag geschützt wird, ist darin zu sehen, dass erfindungsgemäß der Wärmeeintrag in den Zylinderkopf bzw. das Zylinderkopfmaterial nicht mittels Isolierung erschwert oder beschränkt wird. Darüber hinaus sind Ausführungsformen realisierbar, bei denen die kühlmittelseitige Fläche deutlich geringer bemessen ist bzw. werden kann als die abgasseitige Fläche, weshalb weniger umfänglich eine Isolierung einzubringen ist.
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Der erfindungsgemäße Zylinderkopf eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind. Eine Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes ist vorteilhaft.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist, insbesondere eine Abgasturboaufladung.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Hubraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei kleinerem Hubraum lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Zylinderkopfes werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wandungen zu mehr als 50% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wandungen zu mehr als 70% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wandungen zu mehr als 80% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wandungen vollständig mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Die vom Zylinderkopf in das Kühlmittel eingebrachte Wärmemenge und damit die abzuführende Wärmemenge kann erfindungsgemäß durch das Ausmaß an Wärmeisolierung vermindert, begrenzt und insbesondere eingestellt werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wärmeisolierung Emaille umfasst.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wärmeisolierung Keramik umfasst.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wärmeisolierung zumindest auch mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet ist. Zur Ausbildung der Wärmeisolierung kann auch zunächst Material, beispielweise Emaille oder Keramik oder dergleichen, eingebracht und anschließend oberflächenbehandelt werden. Gegebenenfalls wird die Wärmeisolierung ausschließlich mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Zylinderkopf ein Gussteil ist, in welches die Wärmeisolierung im Rahmen einer Nachbearbeitung eingebracht ist. Als Nachbearbeitung werden insbesondere das Beschichten und das Oberflächenbehandeln angesehen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jeder Zylinder zwei oder drei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Weist der Zylinderkopf einen Zylinder auf und dieser Zylinder nur eine Auslassöffnung, bildet die eine zylinderzugehörige Abgasleitung das Abgasabführsystem, d. h. die Gesamtabgasleitung bzw. den Krümmer. Es handelt sich auch dabei um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Vorteilhaft sind aber Ausführungsformen, bei denen der Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.
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Weist der Zylinderkopf zwei Zylinder auf und bilden nur die Abgasleitungen von einem Zylinder eine Gesamtabgasleitung, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Weist der Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Zylinderkopf beispielsweise vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.
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Bei drei und mehr Zylindern sind daher auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen
- – mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen, also gewissermaßen zwei Eintrittsbereiche auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
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Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Zu berücksichtigen ist, dass bei einer Abgasturboaufladung grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslass der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des Weiteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Man ist daher bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
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Um dieses Ziel zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen.
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Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Zum einen wird das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist.
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Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Ist der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen in einer Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der das Abgasabführsystem austritt, mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient, wobei die mindestens eine Verbindung vorzugsweise benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem die Abgasleitungen zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Der erfindungsgemäße Zylinderkopf verfügt vorliegend über mindestens eine Verbindung in der Außenwandung des Zylinderkopfes, durch die Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und umgekehrt. Bei der Verbindung handelt es sich vorliegend um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den ein Austausch von Kühlmittel zwischen den beiden Kühlmittelmänteln ermöglicht und realisiert wird.
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Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes, ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluss genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.
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Vorteilhaft sind daher auch insbesondere Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der untere und der obere Kühlmittelmantel nicht über den gesamten Bereich der Außenwandung miteinander verbunden sind, sondern sich die mindestens eine Verbindung nur über einen Teilbereich der Außenwandung erstreckt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung gesteigert werden, was den Wärmeübergang durch Konvektion erhöht. Vorteile bietet dies auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit des Zylinderkopfes.
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Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
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Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile, falls der untere Kühlmittelmantel und der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelkanal einer Turbine bzw. über den Kühlmittelmantel einer Turbine miteinander verbunden sind. Das Druckgefälle dient dann als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal der Turbine.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet, in dem die Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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In dem Bereich, in dem die Abgasleitungen in eine gemeinsame Gesamtabgasleitung münden und das heiße Abgas der Zylinder der Brennkraftmaschine gesammelt wird, ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet. Dies hat gleiche mehrere Gründe.
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Zum einen passiert das gesamte Abgas der Zylinder diese Sammelstelle im Abgasabführsystem, wohingegen eine einzelne Abgasleitung, die sich an die Auslassöffnung eines Zylinders anschließt, lediglich mit dem Abgas bzw. einem Teil des Abgases eines Zylinders beaufschlagt wird. D. h. die absolute Menge an Abgas, die Wärme an den Zylinderkopf abgibt bzw. abgeben kann, ist hier am größten.
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Zum anderen ist der Mündungsbereich der Abgasleitungen in die Gesamtabgasleitung kontinuierlich mit heißen Abgasen beaufschlagt, wohingegen die Abgasleitungen eines Zylinders nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders, d. h. einmal innerhalb von zwei Kurbelwellenumdrehungen von heißem Abgas durchströmt wird.
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Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass im Zustrombereich der Gesamtabgasleitung, d. h. im Bereich der Sammelstelle, die Abgasströmungen der einzelnen Abgasleitungen mehr oder weniger stark umgelenkt werden müssen, um die Abgasleitungen zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen zu können. Die einzelnen Abgasströmungen haben daher in diesem Bereich eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht auf den Wandungen des Abgasabführsystems steht, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion und folglich die thermische Belastung des Zylinderkopfes zusätzlich erhöht wird.
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Aus den genannten Gründen ist es daher vorteilhaft, die mindestens eine Verbindung in der Nähe des Bereichs anzuordnen, in dem die Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine Verbindung vollständig in der Außenwandung integriert ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der mindestens einen Gesamtabgasleitung kleiner ist als der Durchmesser eines Zylinders, vorzugsweise kleiner als der halbe Durchmesser eines Zylinders.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen mindestens zwei Verbindungen vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Gesamtabgasleitung angeordnet sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 im Querschnitt eine erste Ausführungsform des Zylinderkopfes, geschnitten quer zur Längsachse des Zylinderkopfes.
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1 zeigt im Querschnitt eine erste Ausführungsform des Zylinderkopfes 1, geschnitten quer zur Längsachse des Zylinderkopfes 1.
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Es handelt sich um den Zylinderkopf 1 eines Reihenmotors, der durch die einlassseitige Zylinderkopfseitenwand 5a und die auslassseitige Zylinderkopfseitenwand 5b sowie den Zylinderkopfboden 3, welcher die einem Zylinderblock zugewandte Montage-Stirnseite 3 aufnimmt, mit begrenzt wird.
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Jeder Zylinder verfügt über zwei Einlassöffnungen und zwei Auslassöffnungen, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung 6 zum Zuführen von Frischluft und an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung 7 zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem anschließt.
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Das die Ansaugleitungen 6 umfassende Ansaugsystem tritt an der einlassseitigen Zylinderkopfseitenwand 5a in den Zylinderkopf 1 ein. Das Abgasabführsystem tritt an der auslassseitigen Zylinderkopfseitenwand 5b aus dem Zylinderkopf 1 aus.
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Neben den Steuerräumen 4, die der Aufnahme der Ventile dienen, ist der Zylinderkopf 1 zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem integrierten Kühlmittelmantel 2 ausgestattet, welcher durch Wandungen 8 des Zylinderkopfes 1 begrenzt und ausgebildet wird.
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Der integrierte Kühlmittelmantel 2 umfasst einen unteren Kühlmittelmantel 2a, der zwischen den Abgasleitungen 7 und der Montage-Stirnseite 3 des Zylinderkopfes 1 angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel 2b, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel 2a gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen 7 angeordnet ist und sich bis hin zwischen die Steuerräume 4 erstreckt. Einlassseitig ist ein Kühlmittelmantel 2 vorgesehen, der zwischen den Ansaugleitungen 6 und der Montage-Stirnseite 3 des Zylinderkopfes 1 angeordnet ist. Sämtliche Kühlmittelmäntel 2, 2a, 2b stehen miteinander in Verbindung. Die Versorgung der Flüssigkeitskühlung mit Kühlmittel erfolgt vorliegend via Zylinderblock und unterem Kühlmittelmantel 2a.
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Die den integrierten Kühlmittelmantel 2, 2a, 2b begrenzenden Wandungen 8 des Zylinderkopfes 1 sind bereichsweise mit einer Wärmeisolierung 8a versehen. Durch Einbringen dieser Isolierung 8a wird der Wärmeeintrag vom Zylinderkopf 1 bzw. vom Abgas in das Kühlmittel erschwert, wodurch sowohl dem Kopf 1 weniger Wärme entzogen und als auch weniger Wärme in das Kühlmittel eingebracht wird. Die Kühlleistung wird durch die Isolierung 8a gezielt gemindert, indem die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Wandungen 8 gesenkt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Kühlmittelmantel
- 2a
- unterer Kühlmittelmantel
- 2b
- oberer Kühlmittelmantel
- 3
- Zylinderkopfboden, Montage-Stirnseite
- 4
- Steuerraum
- 5a
- einlassseitige Zylinderkopfseitenwand
- 5b
- auslassseitige Zylinderkopfseitenwand
- 6
- Ansaugleitung
- 7
- Abgasleitung
- 8
- Wandung
- 8a
- Wärmeisolierung
