DE102017004034A1

DE102017004034A1 - Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017004034A1
Application number: DE102017004034.6A
Authority: DE
Inventors: Justin CRAFT; John Riegger; Phil Cierpial
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2017-10-26
Also published as: US9840961B2; CN107313872A; CN107313872B; US20170306831A1

Abstract

Ein Motor ist mit einem Zylinderkopf ausgestattet, der einen Kühlmittelmantel definiert, welcher aus einer Reihe von Kanälen gebildet wird, die miteinander durch gekrümmte Anschlüsse verbunden sind, um ein Kühlmittel zu Zündkerzen, Abgasventilen und einem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer zu leiten. Der Kühlmantel hat einen ersten Längskanal mit einem ringförmigen Abschnitt um eine Zündkerze, einen zweiten Längskanal mit einem ringförmigen Abschnitt um ein Auslassventil und einen dritten Kanal, der einen integrierten Abgaskrümmer umgibt und den ersten und zweiten Kanal fließend miteinander verbindet. Der erste Kanal weist einen fortlaufend abnehmenden Bereich auf und der zweite Kanal einen fortlaufend ansteigenden Bereich in einer Richtung des Kühlmitteldurchflusses.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors und dessen Kühlung.
HINTERGRUND
Verbrennungsmotoren können während des Motorbetriebs aufgrund der durch den Verbrennungsprozess im Zylinder erzeugten Wärme Kühlung erfordern. Der Motor kann aus einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf gebildet sein, deren Zusammenspiel einen Zylinder definiert. Der Motorblock und der Zylinderkopf können mehrere darin gebildete Kanäle aufweisen, um einen Kühlmitteldurchfluss durch den Motor bereitzustellen, um die Temperatur während des Betriebs zu regeln.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform ist ein Zylinderkopf mit einem Bauteil angeordnet, das einen Kühlmantel mit einem ersten Längskanal mit einem ringförmigen Abschnitt um eine Zündkerze definiert, einem zweiten Längskanal mit einem ringförmigen Abschnitt um ein Auslassventil und einem dritten Kanal, der einen integrierte Abgaskrümmer umgibt und den ersten und zweiten Kanal fluidmäßig verbindet. Der erste Kanal besitzt eine kontinuierlich abnehmende Fläche und der zweite Kanal eine kontinuierlich zunehmende Fläche in Richtung des Kühlmitteldurchflusses.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Motor mit einem Zylinderkopf angeordnet, der eine Deckfläche besitzt, um mit einer entsprechenden Fläche eines Zylinderblocks übereinzustimmen. Der Kopf definiert einen Kühlmantel darin, dass er aus einer Reihe von Kanälen gebildet wird, die durch eine Reihe von gekrümmten Anschlussstellen verbunden sind, um Kühlmittel um Zündkerzen, Auslassventile und einen integrierten Abgaskrümmer im Zylinderkopf zu richten. Die Länge jedes Kanals im Kühlmantel ist größer als der durchschnittliche effektive Durchmesser des Kanals.
Allerdings besitzt in einer weiteren Ausführungsform ein Motorbauteil einen Zylinderkopf, der einen Kühlmantel definiert. Der Kühlmantel verfügt über einen ersten Kanal, der sich in Längsrichtung von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich des Zylinderkopfes erstreckt, wobei der erste Kanal eine kontinuierlich abnehmende Querschnittsfläche gegenüber dem zweiten Endbereich und dadurch in Richtung des Kühlmittelflusses aufweist. Der erste Kanal weist eine Reihe von ringförmigen Bereichen auf, wobei jeder ringförmige Bereich eine Ausnehmung umgibt, die so groß ist, dass sie eine Zündkerze aufnehmen kann. Der Kühlmantel verfügt über einen zweiten Kanal, der sich in Längsrichtung vom zweiten Endbereich zum ersten Endbereich des Kopfes erstreckt, wobei der zweite Kanal eine kontinuierlich zunehmende Querschnittsfläche gegenüber dem ersten Endbereich und in einer Richtung des hindurchgehenden Kühlmittelflusses aufweist. Der zweite Kanal erhält Kühlmittel aus dem ersten Kanal. Der zweite Kanal weist eine Reihe von paarweisen ringförmigen Bereichen auf, wobei jedes Paar ringförmiger Bereiche ein Paar Ausnehmungen umgibt, die so groß sind, dass sie ein Paar Auslassventile aufnehmen können.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, der in der Lage ist, die beschriebenen Ausführungsformen umzusetzen;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von Kernen für ein herkömmliches Kühlmantelsystem und einen Kern für einen Kühlmantel nach einer Ausführungsform;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kühlmantels gemäß einer Ausführungsform,
4 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht des Kühlmantels von 3;
5 zeigt ein Fließschema des Kühlmantels von 3;
6 zeigt ein Fließschema eines Kühlmantels gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
7 zeigt ein Fließschema eines Kühlmantels gemäß einer weiteren Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hierin bereitgestellt, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen nur exemplarisch sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht zwingendermaßen maßstabsgetreu, einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische, strukturelle und funktionelle Einzelheiten, die hierin offenbart sind, nicht als begrenzend zu deuten, sondern nur als maßgebliche Grundlage zur Unterweisung eines Fachmanns, die vorliegende Offenbarung unterschiedlich zu verwenden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 20. Der Motor 20 besitzt mehrere Zylinder 22 und ein Zylinder ist dargestellt. Der Motor 20 kann beliebig viele Zylinder besitzen und die Zylinder können in verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein. Der Motor 20 hat eine Brennkammer 24, die mit jedem Zylinder 22 verbunden ist. Der Zylinder 22 wird durch Zylinderwände 32 und einen Kolben 34 gebildet. Der Kolben 34 ist mit einer Kurbelwelle 36 verbunden. Die Brennkammer 24 steht in Fluidverbindung mit dem Ansaugkrümmer 38 und dem Abgaskrummer 40. Ein Einlassventil 42 steuert den Fluss vom Ansaugkrümmer 38 in die Brennkammer 24. Ein Auslassventil 44 steuert den Fluss von der Brennkammer 24 zu dem (den) Abgassystem(en) 40 oder Abgaskrümmer. Die Einlass- und Auslassventile 42, 44 können auf verschiedene Arten betrieben werden, die nach dem Stand der Technik zur Steuerung des Motorbetriebs bekannt sind.
Ein Kraftstoffeinspritzventil 46 liefert Kraftstoff aus einem Kraftstoffsystem direkt in die Brennkammer 24, so dass der Motor ein Direkteinspritzmotor ist. Ein Niederdruck- oder Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem kann mit dem Motor 20 verwendet werden, oder ein Anschlusseinspritzsystem kann in anderen Beispielen verwendet werden. Ein Zündsystem umfasst eine Zündkerze 48, die gesteuert wird, um Energie in Form eines Zündfunkens bereitzustellen, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 24 zu zünden. Die Zündkerze 48 kann über Kopf oder auf einer Seite des Zylinders 22 angeordnet sein. Bei anderen Ausführungsformen können andere Kraftstoffzufuhrsysteme und Zündsysteme oder -techniken verwendet werden, einschließlich Kompressionszündung.
Der Motor 20 umfasst eine Steuereinheit und verschiedene Sensoren, die konfiguriert sind, um Signale an die Steuereinheit zur Verwendung bei der Steuerung der Luft- und Kraftstoffzufuhr an den Motor, dem Zündzeitpunkt, der Leistung und Drehmomentausgabe vom Motor, dem Abgassystem und dergleichen abzugeben. Motorsensoren können einen Sauerstoffsensor im Abgassystem 40, einen Motorkühlmitteltemperatursensor, einen Gaspedalstellungssensor, einen Motoransaugdrucksensor (MAP), einen Motorstellungssensor für die Stellung der Kurbelwelle, einen Luftmassensensor im Ansaugkrümmer 38, einen Drosselklappenstellungssensor, einen Abgastemperatursensor im Abgassystem 40 und dergleichen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Bei manchen Ausführungsformen wird der Motor 20 als einzige Antriebsmaschine in einem Fahrzeug verwendet, wie einem herkömmlichen Fahrzeug oder einem Start-Stopp Fahrzeug. Bei anderen Ausführungsformen kann der Motor in einem Hybridfahrzeug verwendet werden, wobei eine zusätzliche Antriebsmaschine, wie eine elektrische Maschine, verfügbar ist, um zusätzliche Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen.
Jeder Zylinder 22 kann unter einem Viertakt-Zyklus laufen, der einen Ansaughub, einen Kompressionshub, einen Zündhub und einen Ausstoßhub umfasst. Bei anderen Ausführungsformen kann der Motor mit einem Zweitakt-Zyklus laufen. Während des Ansaughubs öffnet sich das Einlassventil 42 und das Auslassventil 44 schließt sich, während sich der Kolben 34 von der Oberseite des Zylinders 22 zum Boden des Zylinders 22 bewegt, um Luft aus dem Ansaugkrümmer in die Brennkammer einzuführen. Die Stellung des Kolbens 34 an der Oberseite des Zylinders 22 ist allgemein als oberer Totpunkt (TDC) bekannt. Die Stellung des Kolbens 34 am Boden des Zylinders ist allgemein als unterer Totpunkt (BDC) bekannt.
Während des Kompressionshubs sind die Einlass- und Auslassventile 42, 44 geschlossen. Der Kolben 34 bewegt sich vom Boden zur Oberseite des Zylinders 22, um die Luft innerhalb der Brennkammer 24 zu komprimieren.
Kraftstoff wird in die Brennkammer 24 eingeführt und gezündet. Im dargestellten Motor 20 wird der Kraftstoff in die Kammer 24 eingespritzt und dann mittels Zündkerze 48 gezündet. Bei anderen Beispielen kann der Kraftstoff mittels Kompressionszündung gezündet werden.
Während des Expansionshubs dehnt sich das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 24 aus, wodurch bewirkt wird, dass sich der Kolben 34 von der Oberseite des Zylinders 22 zum Boden des Zylinders 22 bewegt. Die Bewegung des Kolbens 34 bewirkt eine entsprechende Bewegung in der Kurbelwelle 36 und sorgt für eine mechanische Drehmomentabgabe von dem Motor 20.
Während des Ausstoßhubs bleibt das Einlassventil 42 geschlossen und das Auslassventil 44 öffnet sich. Der Kolben 34 bewegt sich vom Boden des Zylinders zur Oberseite des Zylinders 22, um die Abgase und Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer 24 zu entfernen, indem das Volumen der Kammer 24 verringert wird. Die Abgase strömen vom Verbrennungszylinder 22 zum Abgassystem 40, wie nachstehend beschrieben, und einem Nachbehandlungssystem wie einem Katalysator.
Stellung und Zeitvorgabe des Ein- und Auslassventils 42, 44, genau wie die Kraftstoffeinspritzzeitvorgabe und die Zündzeitvorgabe, können für die verschiedenen Motortakte variiert werden.
Der Motor 20 besitzt einen Zylinderblock 79 und einen Zylinderkopf 72, deren Zusammenspiel die Brennkammern 24 bildet. Eine Zylinderkopfdichtung (nicht dargestellt) kann zwischen dem Block 70 und dem Kopf 72 positioniert sein, um die Kammer 24 abzudichten. Der Zylinderblock 70 hat eine Blockdeckfläche, die einer Kopfdeckfläche des Zylinderkopfes 72 entlang Teillinie 74 entspricht und damit übereinstimmt.
Der Motor 20 umfasst ein Flüssigkeitssystem 80. In einem Beispiel ist das Flüssigkeitssystem 80 ein Kühlsystem 80, um die Wärme aus dem Motor 20 zu entfernen. In einem weiteren Beispiel ist In einem weiteren Beispiel ist das Flüssigkeitssystem 80 ein Schmiermittelsystem 80, um die Motorkomponenten zu schmieren.
Für ein Kühlsystem 80 kann die Wärmemenge, die aus dem Motor 20 entfernt wird, durch eine Kühlsystemsteuerung, die Motorsteuerung, ein oder mehrere Thermostate und dergleichen geregelt werden. Das System 80 kann in den Motor 20 als ein oder mehrere Kühlmäntel integriert sein, die gegossen, gefräst oder anderweitig im Motor gebildet sind. Das System 80 besitzt ein oder mehr Kühlkreisläufe, die ein Ethylenglykol/Wasser-Frostschutzmittelgemisch, ein anderes wasserbasiertes Fluid oder andere Kühlmittel als Arbeitsfluid enthalten können. In einem Beispiel weist der Kühlkreislauf einen ersten Kühlmantel 84 im Zylinderblock 70 und einen zweiten Kühlmantel 86 im Zylinderkopf 72 auf, wobei die Kühlmäntel 84, 86 in Fluidverbindung miteinander stehen. In einem weiteren Beispiel ist der Kühlmantel 86 unabhängig geregelt und von dem Kühlmantel 84 getrennt. Kühlmittel im Kühlkreislauf 80 und den Kühlmänteln 84, 86 fließt von einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich.
Das Fluidsystem 80 besitzt eine oder mehrere Pumpen 88. In einem Kühlsystem 80 stellt die Pumpe 88 Fluid im Kreislauf bereit, um die Fluidkanäle im Zylinderblock 70 und dann Richtung Zylinderkopf 72 mit Flüssigkeit zu füllen. Das Kühlsystem 80 kann auch Ventile oder Thermostate (nicht dargestellt) umfassen, um Strömung oder Druck des Kühlmittels oder das direkte Kühlmittel innerhalb des Systems 80 zu regeln. Die Kühlkanäle im Zylinderblock 70 können an eine oder mehrere Brennkammern 24 und Zylinder 22 angrenzen. Gleichermaßen können die Kühlkanäle im Zylinderkopf 72 an ein oder mehrere Brennkammern 24 und die Auslassöffnungen für die Auslassventile 44 angrenzen. Fluid fließt vom Zylinderkopf 72 und aus dem Motor 20 zu einem Wärmetauscher 90, wie bei einem Kühler, bei dem die Wärme vom Kühlmittel in die Umgebung übertragen wird.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von Kernen, die verwendet werden, um einen herkömmlichen oberen Kühlmantel 100 und einen unteren Kühlmantel 102 für einen Zylinderkopf zu bilden. Die herkömmlichen Kühlmäntel 100, 102 können allgemein so gestaltet sein, dass sie einen Großteil des Zylinderkopfes bedecken, um dadurch Kühlmittel in einer offenen Mantelkonfiguration zu verteilen. Ein Kühlmantel 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist auch in 2 zum Vergleich mit gestrichelten Linien dargestellt. Der Zylinderkopf kann der Zylinderkopf 72 zur Verwendung mit dem Motor 20 sein, wie obenstehend mit Bezug auf 1 beschrieben. Die Kühlmäntel 100, 102, 200 werden für die Verwendung mit einem Dreizylinder-Reihenmotor mit einem integrierten Abgaskrümmer im Zylinderkopf und vier Überkopfventilen pro Zylinder, beispielsweise zwei Einlass- und zwei Auslassventilen pro Zylinder, dargestellt, jedoch kann der Kühlmantel 200 für die Verwendung mit anderen Zylinderköpfen und Motorkonfigurationen gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert sein. Die Kühlmäntel 100, 102, 200 sind als Kerne zur Bildung der Kühlkanäle für jede Ummantelung innerhalb des Zylinderkopfes dargestellt. Jeder Kern stellt eine Negativansicht der entsprechenden Kanäle innerhalb des Zylinderkopfes dar und kann die Form eines Sandkerns oder eines Schmelzkerns darstellen, der im Gussverfahren für den Zylinderkopf verwendet wird.
Der Zylinderkopf stimmt mit einem entsprechenden Zylinderblock überein, um drei Zylinder bereitzustellen, die im Allgemeinen als I, II, III in 2 angeordnet und bezeichnet werden, und der Zylinderkopf kann Kühlmittel aus dem Zylinderblock aufnehmen, wie in 1 dargestellt. Der Zylinderkopf bietet Unterstützung für zwei Einlassventile für jeden Zylinder, der im Bereich 150 von 2 für den dazugehörigen Zylinder angeordnet ist. Eine Zündkerze für jeden Zylinder ist in Bereich 152 angeordnet. Erstes und zweites Auslassventil jeden Zylinders sind in den Bereichen 154, 156 angeordnet. Der Zylinderkopf besitzt einen integrierten Abgaskrümmer, der durch Bereich 158 verläuft, der an eine Abgasfläche des Kopfes angrenzt. Ein Abgaskrümmer 40 schließt an der Abgasfläche des Zylinderkopfes an, wie in 1 dargestellt. Ein integrierter Abgaskrümmer sorgt für Abgaskanäle oder Ansaugkanäle, die innerhalb des Zylinderkopfes von den Auslassventilen und Anschlüssen zu einer Abgasfläche des Zylinderkopfes gebildet sind, wo ein Abgaskrümmer, Turbolader oder dergleichen angeschlossen ist.
Der Kühlmantel 200 sorgt für eine äquivalente Kühlung des Zylinderkopfes im Vergleich zu den herkömmlichen Kühlmänteln 100, 102, nimmt aber ein viel kleineres Volumen des Zylinderkopfes ein. Da das Volumen des Kühlmantels 200 kleiner ist als bei den herkömmlichen Kühlmänteln 100, 102, können dieselbe Durchflussgeschwindigkeit und Wärmeübertragungsraten im Kühlmantel 200 unter Verwendung einer kleineren Pumpe 88 erbracht werden. Gleichermaßen können, wenn das Volumen des Kühlmantels 200 geringer ist als das der herkömmlichen Kühlmäntel 100, 102, eine höhere Durchflussgeschwindigkeit und Wärmeübertragungsraten unter Verwendung der gleichen Pumpe 88 erbracht werden. Der Kühlmantel 200 leitet Kühlmittel nur in Bereiche des Zylinderkopfes, die während des Motorbetriebs heiß sind und eine Kühlung erfordern. Der Kühlmantel 200 leitet kein Kühlmittel in Bereiche des Motors, die sich während des Motorbetriebs erhitzen, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Zylinderkopfmaterials bei einer maximalen Motorlast und einer hohen Umgebungstemperatur oder unterhalb einer vorgegebenen Schwelle bleiben.
Die Kühlkanäle des Kühlmantels 200 können aus komplexen Formen und Strukturen gebildet sein, wie hierin beschrieben, und werden zu dem Zeitpunkt ausgeformt, wenn das Bauteil oder der Zylinderkopf als eine Netzform gegossen, geformt oder dergleichen gebildet wird, was im Allgemeinen keine weitere Bearbeitung oder Verarbeitung erfordert. Das Bauteil oder der Zylinderkopf können aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem Hochdruckverfahren, endkonturnahem Verfahren oder reinem Druckgussverfahren gebildet werden. In einem Beispiel wird der Kühlmantel gebildet aus oder umfasst Schmelzkernmaterial, wie einen Salzkern, einen Sandkern, einen Glaskern, einen Schaumkern oder anderes geeignetes Schmelzkernmaterial.
Der Kühlmantel 200 verfüngt über Formen, um Strömungsstörungen zu minimieren. Zum Beispiel sind Fluidverbindungen als y-förmige Verbindungstellen angeordnet. Fluidkanäle können einen stetig zunehmenden oder abnehmenden konischen Querschnitt besitzen. Windungen, die durch die Fluidkanäle erzeugt werden, werden unter Verwendung einer gleichmäßig gekrümmten Struktur hergestellt und können keine größere Krümmung als neunzig Grad aufweisen und können einen Krümmungsradius umfassen, der um ein Vielfaches größer ist als der Durchmesser des Kanals. Der Kühlmantel 200 kann leichte Kurven oder Krümmungen aufweisen, um die Kanäle innerhalb der Begrenzungen des Bauteils besser zu bündeln.
Die Fluidkanäle im Kühlmantel 200 können kreisförmige Querschnittsformen oder andere Querschnittsformen aufweisen, einschließlich elliptischer, eiförmiger oder Formen, die konvexe und konkave Bereiche umfassen, beispielsweise eine Nierenbohnenform und andere regelmäßige und unregelmäßige Formen. Die Querschnittsformen der Kanäle des Kühlmantels 200 können allgemein gleich sein oder an verschiedenen Stellen innerhalb des Mantels im Vergleich zueinander oder innerhalb eines einzelnen Kanals variieren. Zusätzlich können die Kanäle innerhalb des Kühlmantels 200 einen tatsächlichen Durchmesser oder Querschnittsfläche aufweisen, der in verschiedenen Einsatzbereichen ab- oder zunimmt, beispielsweise als zunehmender oder abnehmender konischer Abschnitt. Eine Änderung der Querschnittsflächen kann als allmähliche, kontinuierliche Änderung und ohne irgendwelche Abstufungen oder Unterbrechungen bereitgestellt werden, um Strömungsverluste im Fluidkreislauf zu reduzieren oder zu minimieren.
Ferner ist zu beachten, dass der Kühlmantel 200 verschiedene Stopfen oder Endkappen überflüssig macht, die in den herkömmlichen Kühlmänteln 100, 102 vorhanden sind, wie in 2 dargestellt. Dies verbessert die Integrität des Systems 200 indem Stellen verringert werden, an denen Fluidlecks möglich sind, und verringert weiterhin das Volumen des Kühlmantels, was ein System mit höherem Wirkungsgrad zur Folge hat. Es verbessert auch die Herstellbarkeit, da sich die Anzahl der Schritte und Verfahren zur Ausbildung eines fertigen Bauteils, wie dem Zylinderkopf, verringert.
Der Kühlmantel 200 verfügt über eine Reihe von miteinander verbundenen Fluidkanälen, wie in den 3–4 gezeigt, die das unter Druck stehende Schmiermittel zu verschiedenen Bereichen des Zylinderkopfes zur Temperatursteuerung des Zylinderkopfes leiten. Anordnung, Form und Größe der Kanäle sind, basierend auf der vorliegenden Offenbarung zur Regelung der Temperatur des Zylinderkopfes während des Motorbetriebs, genau geregelt und stellen einen effizienten, wirkungsvollen Kühlmantel bereit. Der Kühlmantel 200 verfügt über Kanäle mit verschieden gekrümmten Formen und Strukturen und gleichmäßigen Änderungen in der Querschnittsfläche und -richtung, um reduzierte Strömungsverluste zu bilden. Beispielsweise sind die Gesamtdruckverluste auf Reibung zurückzuführen, was eine Komponente mit zwei verschiedenen Aspekten ist, wobei die eine die größeren Verluste durch ein eingeschlossenes Rohr mit einer gewissen Länge verursacht, während die andere Komponente die lokalen Verluste sind, die aus Krümmungen im Strömungsweg und/oder plötzlichen Veränderungen im Strömungsbereich resultieren. Die lokalen Verluste werden allgemein als ”K-Verluste” bezeichnet und sind von den beiden Verlusten diejenigen, die leichter zu regeln sind und einen Gesamtdruckverlust des Systems zu reduzieren.
Durch Verbesserung der Durchflusseigenschaften des Kühlmantels 200 kann eine kleinere Pumpe 88 verwendet werden und das System effizienter arbeiten, wodurch der Motorwirkungsgrad erhöht, Kraftstoff eingespart und parasitäre Verluste des Gesamtmotors reduziert werden. Die Größe, beispielsweise der Durchmesser eines kreisförmigen Kanals oder ein effektiver Durchmesser eines Kanals mit nichtkreisförmigem Querschnitt sowie die Länge der Kanäle beeinflussen Druck, Durchflussgeschwindigkeit und Verluste innerhalb des Kühlmantels 200. Größe kann sich auch auf die Querschnittsflächen der Kanäle beziehen, die mit dem effektiven Durchmesser in Verbindung steht. Ebenso beeinflusst die Form der Kanäle, beispielsweise die Anzahl der Windungen oder Biegungen in den Kanälen, wie eng die Windungen sind und eine Veränderung des Durchmessers, Druck, Durchflussgeschwindigkeit und Verluste im Kühlmantel 200. Eine allmähliche, gleichmäßige oder kontinuierliche Veränderung des Durchmessers oder der Fläche führt zu geringeren Strömungsverlusten als eine einzelne oder schrittweise Veränderung des Durchmessers. Ähnlich führt eine gleichmäßige, gebogene Krümmung oder Windung zu geringeren Strömungsverlusten, als eine gewinkelte Windung oder Krümmung mit einem Eckelement.
Herkömmliche Kühlmantel 100, 102 sind so geformt, dass sie für gewöhnlich das Kühlmittel in das übrige Volumen des Zylinderkopfes abgeben, nachdem die Verbrennungsanforderungen und die Anforderungen an die Anordnung der Komponenten erfüllt sind. Nachdem die Kühlmäntel 100, 102 mit dem verbliebenen Volumen des Zylinderkopfes verbunden sind, können verschiedene lokalisierte Strömungs- und/oder thermische Probleme durch die Verwendung Ausgleichs- und Rippentechniken behoben werden oder einfach durch Erhöhung der volumetrischen Durchflussrate der Pumpe, beispielsweise durch Einstellen der Klingenform, Änderungen am Getriebe, um die Pumpengeschwindigkeit zu erhöhen, usw. Bei Verwendung herkömmlicher Kühlmäntel 100, 102 werden Bereiche des Zylinderkopfes ”überkühlt” und andere Bereiche des Zylinderkopfes würden mehr Kühlung benötigen. Eine veränderte Motorkonstruktion, beispielsweise durch Umstellung auf einen turbogeladenen oder verstärkten Motor mit höheren Ladedrücken, erhöht sowohl die Motorbetriebstemperatur als auch die Anforderungen an die Motorkühlung. Die Kühlkapazität der Kühlmäntel 100, 102 kann dazu dienen, die Motorverstärkungsdrücke oder andere Motorkonstruktionsmerkmale zu begrenzen. Zusätzlich können Ineffizienzen in den Kühlmänteln 100, 102 ebenfalls die gesamte Kraftstoffeffizienz des Motors verringern, da die Pumpe im Kühlsystem als ein parasitärer Verlust für den Motor wirkt. Außerdem erfordern die großen Kanäle und Volumina der Kühlmäntel 100, 102 eine längere Zeit zum Aufheizen und/oder Abkühlen, was die Emissionsanforderungen direkt beeinflusst.
Der Kühlmantel 200 sorgt für einen gerichteten Durchfluss des Kühlmittels indem ein miteinander verbundenes Netzwerk von Kühlkanälen bereitgestellt wird, wobei die Größe der Kanäle variiert, um Strömungsverluste durch den Kühlmantel 200 zu reduzieren oder zu minimieren und eine erhöhte oder maximierte Durchflussgeschwindigkeit zur Zylinderkopffläche mit einer hohen Wärmebelastung oder kritischen Bereichen bereitzustellen, während allgemeine Bereiche des Zylinderkopfes eine niedrige Betriebstemperatur und eine niedrige Wärmebelastung haben. Die Kühlmantel 200 ist mit einem Netzwerk miteinander verbundener Kanäle versehen, die so angeordnet sind, dass der Durchfluss gleichmäßig zuerst an den Wärmeflussbereichen oberster Priorität verteilt wird. Die Formen und Größen der Kanäle im Kühlmantel 200 können aufgrund der Struktur des zugeordneten Zylinderkopfes, dem Hauptfluss des zugeordneten Zylinderkopfes und Motors und verschiedenen Herstellungseinschränkungen variieren. Daher gibt der Kühlmantel 200 kälteres und schnelleres Kühlmittel an Bereiche mit höheren Betriebstemperaturen ab, wodurch der Wirkungsgrad des Kühlmantels 200 und des gesamten Kühlsystems verbessert wird. Die Kanäle im Kühlmantel 200 können für gewöhnlich so bemessen sein, dass sie einen schmalen oder kleinen Durchmesser haben, beispielsweise im Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Kanäle, das mehr als drei, mehr als fünf oder in verschiedenen Beispielen mehr als zehn beträgt.
Das Gesamtvolumen des Kühlmantels 200 ist wesentlich kleiner als das der Kühlmäntel 100, 102. Da das Volumen der Kanäle im Kühlmantel 200 reduziert oder minimiert ist, ist das Gesamtvolumen des Kühlmantels 200 reduziert und die Zeiten für Aufheizen/Abkühlen werden dadurch auch reduziert.
Gleichermaßen hat die Pumpe des Kühlsystems einen verringerten Bedarf, wenn das Volumen des Kühlmantels 200 kleiner ist, und wird deshalb weniger Betriebsenergie benötigen und einen erhöhten Systemwirkungsgrad bereitstellen.
Die verschiedenen Kanäle des Kühlmantels 200 sind so bemessen, dass sie für ausreichende Kühlung in Hochtemperaturbereichen des Zylinderkopfes während des Motorbetriebs sorgen. Gleichermaßen kann, um Probleme wie eine Dampfphasenänderung des Kühlmittels in den Kanälen des Kühlmantel 200 zu verhindern, beispielsweise nach Abschaltung des Motors oder Fahrzeugs, eine zweite elektrische Kühlmittelpumpe 89 angeordnet sein, um das Kühlmittel nach der Abschaltung weiter umlaufen zu lassen und eine Phasenänderung zu verhindern. Die Kühlmittelpumpe 89 kann nacheinander mit der Pumpe 88 für einen seriellen Durchfluss oder für einen parallelen Durchfluss mit der Pumpe 88 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt.
3–4 zeigen eine perspektivische Ansicht des Kühlmantels 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung und wie in 2 dargestellt. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Kühlmantels der 3–4. „S”, „M” und „B” bezeichnen die Größen ähnlicher Elemente im Verhältnis zueinander, wobei sich S auf die kleinste Größe, M auf eine mittlere oder Zwischengröße, und B auf die größte oder weiteste Größe bezieht. Wenn mehr als drei Kanäle in einem Satz ähnlicher Elemente angeordnet sind, bleibt der relative Größenverlauf derselbe wobei die Kanäle vom größten zum kleinsten oder vice versa im Verhältnis zueinander angeordnet sind.
Der Kühlmantel 200 hat einen ersten Hauptkanal 202 und einen zweiten Hauptkanal 204. Jeder Kanal 202, 204 erstreckt sich für gewöhnlich entlang oder parallel zu Längsachse 226 des Motors. Der Kanal 202 kann ein Einlasskanal sein und ist für gewöhnlich mit der Kühlung des Zündkerzenbereichs 152 des Zylinderkopfes verbunden. Der Kanal 202 kann ein Auslasskanal sein, und ist für gewöhnlich mit der Kühlung der Auslassventilbereiche 154 und den Auslassventilbrücken zwischen den angrenzenden Ventilen im Zylinderkopf verbunden. Der erste und der zweite Kanal werden durch einen integrierten Abgaskrümmer(IEM)-Kühlkanal 206 verbunden, welcher mit der Kühlung des den Abgaskrümmer umgebenden Bereichs 158 und der Auslassfläche des Zylinderkopfes verbunden ist. Der erste Kanal 202 erhält das Kühlmittel von den fluidmäßig mit dem Kühlmantel 84 im Zylinderblock verbundenen Kühlmittelzufuhrkanälen. Der zweite Kanal 204 stellt Kühlmittel einem Kühlmittelauslass für den Zylinderkopf bereit, das wiederum durch eine Pumpe, einen Kühler oder andere Bauteile im Kühlsystem 80 fließt.
Der Einlasskanal 202 empfängt wenigstens eine Kühlmittelzufuhr und in dem vorliegenden Beispiel empfängt er Kühlmittelzufuhren an vier Längsstellen des Motors. Der Kühlmantel 84 des Motorblocks kann in einem Motor mit offenem, halboffenem oder geschlossenem Motorblock angeordnet sein, und die Öffnungen sind wie in der Motorblock-Deckfläche und/oder der Zylinderkopfdichtung vorgesehen angeordnet, um den Durchfluss des Kühlmittels vom Motorblock zum Kühlmantel 200 des Zylinderkopfes bereitzustellen. In dem vorliegenden Beispiel empfängt der Einlasskanal 202 eine Zufuhr an Kühlmittel über einen ersten und zweiten Zufuhrkanal 208, 210 an einem ersten Ende 212 des Motors von einem Kühlmantel im Motorblock. Der Einlasskanal 202 empfängt eine weitere Kühlmittelzufuhr über einen dritten und vierten Zufuhrkanal 214, 216, eine weitere Kühlmittelzufuhr bei dem vierten und fünften Zufuhrkanal 218, 220 und einem letzten sechsten Zufuhrkanal 222 am gegenüberliegenden Ende 224 des Motors, so dass das Kühlmittel für gewöhnlich von rechts nach links durch den in 3 gezeigten Kanal fließt. Der Kanal 222 kann in der Querschnittfläche größer als in 3 dargestellt sein, der Durchfluss durch Kanal 222 kann auf die Verwendung eines Durchlasses beschränkt sein, z. B. der Verwendung einer Zylinderkopfdichtung oder kann in dem Kühlmantel 200 nicht vorhanden sein. Der Durchfluss durch jeden der Zufuhrkanäle kann auf den Einlass des betreffenden Zufuhrkanals über einen Durchlass, z. B. eines Durchlasses im Zylinderkopf beschränkt sein.
Bei dem vorliegenden Beispiel befinden sich die Zufuhrkanäle an jeder Stelle in Längsrichtung am Zylinderkopf auf beiden Seiten der Hauptlängsachse 226 des Motors. Bei anderen Beispielen kann nur ein Zufuhrkanal an einer Stelle in Längsrichtung des Motors angeordnet sein, oder es sind mehr als zwei Zufuhrkanäle angeordnet. Bei dem vorliegenden Beispiel fließt das Kühlmittel in dem darunterliegenden Motorblock-Kühlmantel vom Ende 224 des Motors zum anderen Ende 212 des Motors. Bei anderen Beispielen kann das Kühlmittel in dem darunterliegenden Motorblock in die entgegengesetzte Richtung oder in einem anderen Durchflussmuster fließen.
Der Kühlmantel 200 weist auch einen mit jedem Paar Einlassventile verbundenen Einlassventil-Kühlkanal 228 auf, der an einen dazugehörigen Zufuhrkanal angeschlossen ist. Bei einem anderen Beispiel kann der Kühlmantel 200 keine Einlassventil-Kühlkanäle 228 besitzen. Der Einlassventil-Kühlkanal 228 ist nur zur Verdeutlichung von 5 in 3–4 dargestellt. Der Einlassventil-Kühlkanal 228 kann dafür vorgesehen sein, für einen niedrigen Kühlmitteldurchfluss oder eine Entlastung von einem Bereich des Zylinderblock-Kühlmantels bereitzustellen und keine beträchtliche Einwirkung auf den Zylinderkopf-Kühlmantel 200 auszuüben. Die Kanäle 228 können in der Größe variieren, und können größere Querschnittsflächen aufweisen als die in 3 gezeigten. Alternativ kann der Durchfluss durch Kanal 228 durch die Verwendung eines Durchlasses eingeschränkt werden.
Jeder Zufuhrkanal 208–222 hat eine kleinere Querschnittsfläche als der vorhergehende Stromaufwärts-Zufuhrkanal. Die Querschnittsfläche eines einzelnen Zufuhrkanals nimmt in der Querschnittsfläche entlang der Länge des Zufuhrkanals zu, um einen reibungslosen Einlass und Vermischen des Kühlmittels in dem Zufuhrkanal mit dem Kühlmittel im Einlasskanal bereitzustellen. Die Zufuhrkanäle an jeder Längsstelle können äquivalente Querschnittsflächen und allgemeine Formen im Vergleich zueinander haben, oder in Bereich und/oder Form unterschiedlich sein. Bei dem vorliegenden Beispiel hat der Zufuhrkanal 208 der Zufuhrkanäle eine größere Querschnittsfläche als der Stromabwärts-Zufuhrkanal 214 der wiederum eine größere Querschnittsfläche als der Stromabwarts-Zufuhrkanal 218 hat, der eine größere Querschnittsfläche als der Zufuhrkanal 222 hat.
Der Einlasskanal 202 selbst nimmt kontinuierlich entlang der Länge des Kanals 202 in der Querschnittsfläche ab sowie in Richtung des hindurchgehenden Kühlmitteldurchflusses. Der Kanal 202 umfasst die ringförmigen Kanalbereiche 230, 232, 234 um einen Kühlmitteldurchfluss um eine Zündkerze bereitzustellen. Der ringförmige Kanalbereich kann eine äquivalente Querschnittsfläche wie der Abschnitt des Einlasskanals 202 unmittelbar dem ringförmigen Kanalbereich vorausgehend aufweisen. Das vorliegende Beispiel hat drei ringförmige Kanalbereiche, wobei die abnehmende Querschnittsfläche der abnehmenden Querschnittsfläche des gesamten Einlasskanals 202 entspricht. Der ringförmige Bereich 230 hat eine größere Querschnittsfläche als der stromabwärts gerichtete ringförmige Kanalbereich 232, der wiederum eine größere Querschnittsfläche im Vergleich zu dem stromabwärts gerichteten ringförmigen Kanalbereich 234 aufweist.
Der Kühlmitteldurchfluss verlässt den Einlasskanal 202 bei jedem ringförmigen Kanalbereich 230, 232, 234 durch einen entsprechenden unteren Kanal 236, 238, 240 in einer Reihe von unteren Kanälen. Jeder untere Kanal 236, 238, 240 verbindet fluidmäßig einen jeweiligen ringförmigen Kanalbereich des Einlasskanals 202 mit dem IEM(Integrierter Abgaskrümmer)-Kühlkanal 206. Jeder untere Kanal 236, 238, 240 hat eine größere Querschnittsfläche im Vergleich zu einem vorhergehenden stromaufwärts gerichteten unteren Kanal. Bei dem vorliegenden Beispiel hat der untere Kanal 236 eine kleinere Querschnittsfläche als der untere Kanal 238, der wiederum eine kleinere Querschnitsfläche als der Kanal 240 aufweist. Die Querschnittsfläche jedes einzelnen unteren Kanals kann entlang der Länge des unteren Kanals zunehmen. Jeder untere Kanal kann für gewöhnlich einem Auslasskanal oder Kanal des Motors folgen oder darunterliegen, um die Kühlung des Zylinderkopfes neben dem Auslasskanal zu unterstützen.
Der Abgaskrümmer-Kühlkanal 206 stellt einen Kanal bereit, um die Auslasskanäle, die an die Abgasfläche des Zylinderkopfes, definiert als Bereich 158, zu umgeben. Ohne Kühlung kann die Abgasfläche des Zylinderkopfes eine hohe Temperatur während des Motorbetriebs erreichen, da Auslassbauteile an die Fläche angeschlossen sind und der Wärmeverlust an die Umgebung ist daher eingeschränkt.
Das Kühlmittel verlässt den IEM-Kanal 206 durch die oberen Kanäle 246, 248, 250. Das Kühlmittel fließt durch den IEM-Kanal 206 von den unteren Kanälen zu den oberen Kanälen über einen ersten Abschnitt 242 oder einen zweiten Abschnitt 244 des IEM-Kanals. Bei dem vorliegenden Beispiel schließen sich die oberen Kanäle 246, 248, 250 aneinander an und verschmelzen, um eine einzige Fluidverbindung zu dem IEM-Kanal bereitzustellen. Der IEM-Kühlkanal 206 hat eine Querschnittsfläche, die übereinstimmt oder nur wenig größer ist als die Querschnittsfläche des Austritts des unteren Kanals 240 und in einem Beispiel ergibt dies eine Querschnittsfläche von ungefähr der Hälfte des Bereichs, der bei Austritt 240 abgebildet ist und baut auf dem IEM-Kanal206 auf, der eine kreisförmige Kanalform aufweist, wo der Durchfluss durch zwei separate Wege auf dem kreisförmig geformten Kanal 206 zu den drei möglichen Austritten 246, 248 und 250 verläuft.
Jeder obere Kanal 246, 248, 250 verbindet fluidmäßig den IEM-Kanal 206 mit dem zweiten Auslasskanal 204 an verschiedenen Stellen entlang des Auslasskanals 204 im Hinblick auf die Längsachse 226 des Motors wie nachfolgend beschrieben. Jeder obere Kanal 246, 248, 250 hat im Vergleich zu einem nachfolgenden oberen Stromabwärts-Kanal eine größere Querschnittsfläche. Bei dem vorliegenden Beispiel hat der obere Kanal 246 eine größere Querschnittsfläche als der obere Kanal 248, der wiederum eine größere Querschnittsfläche als der Kanal 250 hat. Die Querschnittsfläche eines einzelnen oberen Kanals kann bei der Querschnittsfläche entlang der Länge des oberen Kanals abnehmen. Jeder obere Kanal kann für gewöhnlich einem Abgaskanal oder Kanal des Motors folgen oder darüber liegen, um die Kühlung des Zylinderkopfes neben dem Auslasskanal zu unterstützen.
Der zweite Kanal oder Auslasskanal 204 selbst nimmt kontinuierlich in der Querschnittsfläche entlang der Länge des Kanals 204 und in der Richtung des hindurchfließenden Kühlmitteldurchflusses zu. Der Kanal 204 umfasst die Auslassventilbereiche 252, 254, 256 zur Kühlung des Zylinderkopfes neben jedem Paar von Auslassventilen. Jeder Auslassventilbereich hat einen ersten ringförmigen Bereich 258 und einen zweiten ringförmigen Bereich 260, der jedes Auslassventil für einen Zylinder umgibt, um ein Paar ringförmiger Bereiche bereitzustellen. Ein Brückenbereich 262 verbindet die ringförmigen Bereiche 258 und 260 und sorgt für einen Kühlmitteldurchfluss direkt durch oder über eine Auslassbrücke in dem Zylinder. Ohne ausreichende Kühlung kann die Auslassbrücke hohe Betriebstemperaturen erreichen, was auf der Nähe zu dem Abgasbereich der Verbrennungskammer beruht, wobei sie zwischen zwei Auslassventilen und Anschlüssen positioniert ist. Auslassventilbereiche 254, 256 haben eine ähnliche Struktur im Vergleich zu den von Bereich 252 beschriebenen.
Jeder Auslassventilbereich kann eine äquivalente Querschnittsfläche aufweisen wie der Abschnitt des Auslasskanals 204, der unmittelbar auf den Auslassventilbereich folgt. Das vorliegende Beispiel hat drei Auslassventilbereiche mit zunehmender Querschnittsfläche entsprechend der zunehmenden Querschnittsfläche des gesamten Auslasskanals 204. Der Auslassventilbereich 252 hat eine kleinere Querschnittsfläche im Vergleich zu dem Stromabwärts-Auslassventilbereich 265.
Jeder obere Kanal 246–250 kann mit dem Auslasskanal 204 kurz vor den Auslassventilbereichen in einem Beispiel verbunden sein. In anderen Beispielen können die oberen Kanäle an die Auslassventilbereiche angeschlossen sein, beispielsweise in einem ringförmigen Bereich des Auslasskanals.
Der Kühlmantel 200 hat einen einzelnen Auslass oder Ausgangsöffnung 264 aus dem Auslasskanal 204. Bei anderen Beispielen kann der Kühlmantel 200 mehr als einen Auslass haben. Kanal 266 stellt eine Entgasungslinie für den Kühlmantel 200 bereit und ist für gewöhnlich an einem hohen Punkt des Kühlmantels 200 in dem Zylinderkopf angeordnet. Kanal 266 kann verschiedene Größen aufweisen, und größer oder kleiner in der Querschnittsfläche sein als in 3 gezeigt. Alternativ kann der Durchfluss durch den Kanal 266 durch die Verwendung eines Durchlasses beschränkt werden oder nicht in dem Kühlmantel vorhanden sein, wenn der Kühlmantel eine alternative Entgasungsstrategie hat.
Das Kühlmittel in den Einlass- und Auslasskanälen 202, 204 fließt in entgegengesetzten Richtungen und für gewöhnlich in Längsrichtung von Zylinderkopf und Motor. Bei anderen Beispielen kann das Kühlmittel in die gleiche Richtung wie die Einlass- und Auslasskanäle 202, 204 fließen, jedoch sind die Querschnittsflächen der oberen Kanäle für gewöhnlich umgekehrt.
Wie aus 3–4 ersichtlich, stellt jeder Kanal des Kühlmantels 200 einen reibungslosen Durchflussweg für das Kühlmittel ohne Strömungsstörungen, abrupte Einschränkungen oder starke Biegungen oder Ecken, und die Kanäle sind an Verbindungsstellen oder Schnittpunkten verbunden, die ebenfalls glatt, gekrümmt und kontinuierlich sind. Auf diese Weise werden Verluste im Kühlmantel reduziert und Durchfluss und Kühlwirkungen gesteigert.
In ähnlicher Weise stellt jeder Kanal in dem Kühlmantel 200 eine sich kontinuierlich ändernde Querschnittsfläche bereit. Der Einlasskanal 202 nimmt in der Fläche ab und der Auslasskanal 204 nimmt in der Fläche mit dem Fluiddurchfluss zu. Querströmungskanäle, angeschlossen an den Einlass- und den Auslasskanal variieren bei der Querschnittsfläche im Vergleich zueinander. Ein Querströmungskanal kann in dem vorliegenden Beispiel ein oberer oder unterer Kanal sein. Beispielsweise nimmt die Querschnittsfläche eines Querströmungskanals in einer Reihe von Querströmungskanälen bei einer abnehmenden Querschnittsfläche des entsprechenden Einlass- oder Auslasskanals zu.
Ein weiterer Kühlmantel 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist schematisch in 6 wiedergegeben. Bauteile, die gleich oder ähnlich jenen sind, die in 3–5 abgebildet sind, haben die gleichen Bezugszeichen. „S”, „M” und „B” zeigen die Größen der ähnlichen Bauteile in Bezug zueinander auf, wobei S sich auf die kleinste, M auf die mittlere und B auf die größte Größe bezieht. 6 propagiert parallele Strömungswege und das gesamte konzeptionelle Layout ist intakt, z. B. hat es mehr das Aussehen eines Spinnennetzes, was für eine erhöhte und verbesserte Kühlung und thermische Verwaltung des Zylinderkopfes sorgen kann.
Der erste Kanal 204 des Kühlmantels 300 wird durch drei Zufuhrkanäle 302, 304, 306 gespeist. Jeder der drei Zufuhrkanäle steht in Fluidverbindung mit einer Kühlmittelquelle, beispielsweise einem Blockmantel 84. Die Zufuhrkanäle 302, 304, 306 sind jeweils an einen jeweiligen ringförmigen Bereich 230, 232, 234 des Kanals 202, der stromaufwärts einem ringförmigen Kanal gegenüberliegt, wie in 5 gezeigt, fluidmäßig gekoppelt.
Die untere Reihe der Kanäle 236, 238, 240 kann an den ersten Kanal 202 stromabwärts der ringförmigen Bereiche 230, 232, 234 gekoppelt sein oder sich vor der Fluidkopplung mit dem IEM-Kanal 206 zusammenschließen. Die oberen Kanäle 246, 248, 250 und der zweite Kanal mit den ringförmigen Auslassventilbereichen 252, 254, 256 können in einer ähnlichen Art, wie oben im Hinblick auf 3–6 beschrieben, angeordnet sein.
Ein weiterer Kühlmantel 400 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist schematisch in 7 dargestellt. Bauteile sind gleich oder jenen ähnlich, die in 3–5 abgebildet sind und haben deshalb die gleichen Bezugszeichen. „S”, „M” und „B” zeigen die Größen der ähnlichen Bauteile in Bezug zueinander auf, wobei S sich auf die kleinste, M auf die mittlere und B auf die größte Größe bezieht. In 7 werden den Auslassventilbereichen 154, 156 höhere Priorität im Kühlweg im Kühlmantel eingeräumt als den früher beschriebenen Kühlmänteln.
Eine primäre Zufuhr 402 stellte dem ersten Kanal 202 und den ringförmigen Bereichen 230, 232, 234 um die Zündkerzen das Kühlmittel bereit. Jeder ringförmige Bereich des ersten Kanals 202 kann auch eine Zufuhr 403, 404, 406 zum Beispiel aus dem Zylinderblock-Kühlmantel empfangen. Eine Reihe von Kanälen 408–418 verbindet fluidmäßig die ringförmigen Regionen des ersten Kanals 202 mit dem IEM-Kanal 206, der eine nichteinheitliche Querschnittsfläche, wie gezeigt, haben kann. Das Kühlmittel tritt aus dem IEM-Kanal 206 durch den Kanal 420 aus, der mit einem Kühlmittelauslass 422 verbunden ist.
Eine zweite Reihe von Kanälen 424–426 verbindet fluidmäßig den ersten Kanal 202 mit dem zweiten Kanal 204. Der zweite Kanal umfasst die ringförmigen Bereiche 252, 254, 256 zur Kühlung der Auslassventile. Das Kühlmittel tritt aus dem Fluidkanal 204 über den Kanal 430 aus. Die Passage 430 verbindet sich mit dem Kanal 420 vor dem Kühlmittelauslass 422. Wie aus 7 ersichtlich, wird das Kühlmittel zuerst zum Kühlen der Zündkerzenbereiche des Zylinderkopfes geleitet und wird dann in eine aufgeteilte parallel fließende Konfiguration aufgeteilt um das Kühlmittel sowohl zum IEM-Bereich als auch den Auslassventilbereichen des Zylinderkopfes zu leiten.
Für gewöhnlich kann der Kühlmantel gemäß den folgenden Grundsätzen bemessen sein. Natürlich können Abweichungen erforderlich werden, beispielsweise aufgrund von Konfektionierungsbeschränkungen und dergleichen, die der Gesamtstruktur und anderen Systemen im Zylinderkopf auferlegt sind. Der Einlasskanal nimmt kontinuierlich in der Querschnittsfläche ab, während der Auslasskanal in der Querschnittsfläche kontinuierlich zunimmt. Die Querströmungskanäle, die den Einlass- und den Auslasskanal verbinden, variieren in der Querschnittsfläche im Vergleich zueinander, wobei der erste Kanal, der den Durchfluss vom Einlasskanal zum Auslasskanal bereitstellt, eine kleinere Querschnittsfläche als der letzte Kanal aufweist, der den Durchfluss von dem Einlasskanal bereitstellt. Die Querschnittsfläche des Einlasses und Auslasses des Kühlmantels sind in der Regel gleich zueinander, oder die Auslassquerschnittsfläche ist größer als die Einlassquerschnittsfläche. Die Querschnittsfläche des Systems in verschiedenen Stadien des Systems behält in der Regel einen konstanten Wert wie nachfolgend erklärt.
Während exemplarische Ausführungsformen oben beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Worte, Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.

Claims

Zylinderkopf, umfassend: Ein Bauteil, das einen Kühlmantel definiert, der einen ersten Längskanal mit einem ringförmigen Abschnitt um eine Zündkerze aufweist, einen zweiten Längskanal mit einem ringförmigen Abschnitt um ein Auslassventil und einen dritten Kanal, der einen integrierten Auspuffkrümmer und fluidmäßig den ersten und zweiten Kanal miteinander verbindet, wobei der erste Kanal einen kontinuierlich abnehmenden Bereich und der zweite Kanal einen kontinuierlich zunehmenden Bereich in einer Richtung des Kühlmitteldurchflusses aufweist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der Kühlmantel einen ersten und zweiten unteren Kanal aufweist, wobei der dritte Kanal an den zweiten Kanal fluidmäßig anschließt, der erste und zweite untere Kanal an den ersten Kanal so angeschlossen sind, dass der zweite untere Kanal stromabwärts von und in Längsrichtung von dem ersten unteren Kanal beabstandet ist, wobei der zweite untere Kanal einen größeren Bereich als der erste untere Kanal aufweist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der Kühlmantel einen ersten und zweiten unteren Kanal aufweist, wobei der dritte Kanal an den zweiten Kanal fluidmäßig anschließt, der erste und zweite obere Kanal an den zweiten Kanal so angeschlossen sind, dass der zweite obere Kanal stromabwärts von und in Längsrichtung von dem ersten oberen Kanal beabstandet ist, wobei der zweite obere Kanal einen kleineren Bereich als der erste obere Kanal aufweist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der Kühlmantel einen Zufuhrkanal aufweist, der fluidmäßig einen Zylinderblockmantel mit dem ersten Kanal verbindet, um Kühlmittel bereitzustellen.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der Kühlmantel einen Auslasskanal aufweist, der den Kühlmitteldurchfluss aus dem zweiten Kanal aufnimmt.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der erste Kanal zwischen dem zweiten Kanal und einer Deckfläche angeordnet ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Kanal sich von einem ersten Endbereich zu einem zweiten gegenüberliegenden Endbereich des Bauteils erstrecken.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei der Kühlmantel durch gebogene Wände und ohne Stufenunterbrechung gebildet wird.
Motor, umfassend: Einen Zylinderkopf mit einer Deckfläche, um einer entsprechenden Fläche eines Zylinderblocks zu entsprechen, wobei der Zylinderkopf einen Kühlmantel definiert, der Kühlmantel aus einer Reihe von Kanälen, die untereinander durch eine Reihe gebogener Anschlüsse zur Zuleitung des Kühlmittels um Zündkerzen, Auslassventile und einen im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer, gebildet wird, wobei jeder Kanal eine Länge aufweist, die größer ist als der durchschnittliche Durchmesser des Kanals.
Motor nach Anspruch 8, wobei der Kühlmantel einen ersten Kanal aufweist, der sich entlang der ersten Längsachse des Zylinderkopfs erstreckt und einen ringförmigen Bereich aufweist, der jede Zündkerze umgibt, wobei der erste Kanal eine kontinuierlich abnehmende Querschnittsfläche; und wobei der Kühlmantel einen zweiten Kanal aufweist, der sich entlang der zweiten Längsachse des Zylinderkopfs erstreckt und einen ringförmigen Bereich aufweist, der jedes Auslassventil umgibt sowie einen Brückenkanal, der sich über jede Auslassbrücke des Zylinderkopfes erstreckt, wobei der zweite Kanal eine kontinuierlich zunehmende Querschnittsfläche aufweist.
Motor nach Anspruch 9, wobei der Kühlmantel einen dritten Kanal aufweist, der den integrierten Abgaskrümmer umgibt und an die Abgasfläche des Zylinderkopfes anschließt.
Motor nach Anspruch 10, wobei der Kühlmantel eine Reihe untere Kanäle fluidmäßig mit dem ersten Kanal an den dritten Kanal anschließt und in Längsrichtung voneinander beabstandet ist, wobei jeder untere Kanal in der Reihe der unteren Kanäle in der Querschnittsfläche zunimmt so wie die Querschnittsfläche des ersten Kanals abnimmt.
Motor nach Anspruch 12, wobei die miteinander verbundenen Kanäle des Kühlmantels in der Weise angeordnet sind, dass das Kühlmittel nacheinander vom ersten Kanal durch eine Reihe unterer Kanäle, durch einen dritten Kanal, durch eine Reihe oberer Kanäle und zum zweiten Kanal fließt.
Motor nach Anspruch 12, wobei die miteinander verbundenen Kanäle des Kühlmantels in der Weise angeordnet sind, dass das Kühlmittel nacheinander vom ersten Kanal durch die Reihe der unteren Kanäle, durch den dritten Kanal, durch die Reihe der oberen Kanäle und zum zweiten Kanal fließt.
Motor nach Anspruch 10, der des Weiteren einen Zylinderblock umfasst, der einen Zylinderblock-Kühlmantel definiert; wobei der Kühlmantel im Zylinderkopf wenigstens einen Zufuhrkanal definiert, der fluidmäßig den Zylinderblock-Kühlmantel mit dem ersten Kanal verbindet, um das Kühlmittel bereitzustellen.
Motor nach Anspruch 10, der des Weiteren eine Auslassöffnung umfasst, die fluidmäßig an den zweiten Kanal angeschlossen ist,
Motor nach Anspruch 10, der des Weiteren ein Pumpensystem umfasst, um den Kühlmitteldurchfluss durch den Kühlmantel zu treiben; wobei das Pumpensystem eine von (i) elektrischen Kühlpumpen umfasst, um den Kühlmitteldurchfluss durch den Kühlmantel zu treiben und (ii) eine erste mechanische Kühlmittelpumpe, um während des Motorbetriebs den Kühlmitteldurchfluss durch den Kühlmantel zu treiben und eine zweite elektrische Kühlmittelpumpe, um den Kühlmitteldurchfluss durch den Kühlmantel zu treiben, wenn der Motor nicht in Betrieb ist.
Ein Motorbauteil, umfassend: Ein Zylinderkopf, der einen Kühlmantel definiert; Wobei der Kühlmantel einen ersten Kanal aufweist, der sich in Längsrichtung von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich des Zylinderkopfes erstreckt und einen kontinuierlich abnehmenden Querschnittbereich in Richtung des zweiten Endbereichs und in einer Richtung des Kühlmitteldurchflusses durch dieses hindurch aufweist, wobei der erste Kanal eine Reihe von paarweisen ringförmigen Bereichen aufweist, wobei jeder ringförmige Bereich ein Paar Aussparungen aufweist, die so bemessen sind, dass sie eine Zündkerze aufnehmen; Wobei der Kühlmantel einen zweiten Kanal aufweist, der sich in Längsrichtung von dem zweiten Endbereich zu dem ersten Endbereich des Zylinderkopfes erstreckt und einen kontinuierlich zunehmenden Querschnittbereich in Richtung des ersten Endbereichs und in einer Richtung des Kühlmitteldurchflusses durch dieses hindurch aufweist, wobei der zweite Kanal das Kühlmittel von dem ersten Kanal aufnimmt, der zweite Kanal eine Reihe von paarweisen ringförmigen Bereichen aufweist, wobei jedes Paar der ringförmigen Bereiche ein Paar Aussparungen aufweist, die so bemessen sind, dass sie ein Paar Auslassventile Zündkerze aufnehmen.
Motor nach Anspruch 17, wobei der Kühlmantel einer Reihe von Kanälen fluidmäßig mit dem ersten Kanal an den zweiten Kanal anschließt, um den Durchfluss bereitzustellen, die Reihe der Kanäle in Längsrichtung voneinander zwischen dem ersten und zweiten Ende des Zylinderkopfes beabstandet sind, wobei die Querschnittsfläche eines jeden Kanals in der Reihe der Kanäle in Richtung des zweiten Endes des Zylinderkopfes zunimmt.
Motor nach Anspruch 17, wobei der Kühlmantel einen Ringkanal aufweist, der die Auslasskanäle eines integrierten Abgaskrümmers in dem Zylinderkopf umgibt, wobei der Ringkanal an der Abgasfläche des Zylinderkopfes anliegt und das Kühlmittel von dem ersten Kanal aufnimmt.
Motor nach Anspruch 17, wobei ein zweiter Kanal das Kühlmittel von dem ersten Kanal über den Ringkanal empfängt.