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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf und eine Verbrennungskraftmaschine.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen ist bekannt, den Zylinderkopf zu kühlen, um die überschüssige Wärmeenergie der Verbrennung abzuleiten. Hierdurch wird eine übermäßige thermische Belastung von den Bauteilen, die im Zylinderkopf enthalten sind, verhindert. Zu diesen Bauteilen zählen bspw. die Einlass- und Auslassventile, Injektoren und, sofern vorhanden, hydraulische Ventilspielausgleichselemente. Ein derartiger Zylinderkopf ist bspw. aus
DE 11 2015 007 047 T5 bekannt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten gekühlten Zylinderkopf bereitzustellen. Dabei soll insbesondere eine verbesserte und gleichmäßigere Ableitung der thermischen Energie ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen. Dabei ist zumindest ein Kühlmittelkanal zumindest abschnittsweise äquidistant um ein Auslassventil geführt. Bevorzugt ist ein Kühlmittelkanal und insbesondere dieser Kühlmittelkanal ebenfalls abschnittsweise äquidistant um ein Einlassventil geführt. Die bevorzugte Durchflussrichtung ist vom Auslassventil zum Einlassventil. Bei alternativen Ausführungsformen kann die entgegengesetzte Strömungsrichtung zum Einsatz kommen. Der Begriff „äquidistant geführt“ bedeutet insbesondere, dass der Kühlmittelkanal in einer (gekrümmten) Fläche liegt, die koaxial zum entsprechenden Ventil ist. Diese Führung kann um den Ventilsitz oder den Hauptkörper des Ventils liegen. Bevorzugt sind diese Komponenten rund. Es ist vorteilhaft eine möglichst geringe Wandstärke der Kühlmittelkanäle zu haben und zudem die Kühlmittelkanäle möglichst nah um die jeweilige Komponente zu führen, so dass sich hierüber die Äquidistanz ergibt. Hierdurch wird es möglich, die Strömungsquerschnitte gegenüber bekannten Ausführungsformen zu reduzieren. Deshalb wird es ermöglicht, weniger thermische Masse in Form von Kühlmittel, bzw. insbesondere Wasser, bereitzustellen. Dies ermöglicht ein schnelleres Erwärmen des Motors auf Betriebstemperatur und entsprechend eine Senkung der Emissionen bei einem Kaltstart. Diese Vorteile ergeben sich insbesondere bei einem Zylinderkopf, der in mittels additiver Fertigung hergestellt ist, da hier ein deutlich höheres Maß an konstruktiver Freiheit besteht. So kann das Kühlmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und mit möglichst geringem Strömungswiderstand an die thermisch hochbelasteten Stellen des Zylinderkopfs geführt werden. Gleichzeitig wird eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Kühlmedium und Material erreicht, denn diese hängt direkt proportional mit dem Wärmestrom zusammen.
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Insbesondere ist ein Abschnitt eines Kühlmittelkanals entlang einem Ventilsitz geführt und ein Abschnitt eines zweiten Kühlmittelkanal ist in einer dazu parallelen Ebene und in Ventillängsrichtung versetzt dazu geführt. Der Krümmungsradius dieser Kanäle kann identisch sein. Alternativ können die Krümmungsradien sich unterscheiden, wie insbesondere, wenn der Kühlmittelkanal benachbart zu dem Ventilsitz größer ausgeführt ist. Die Führung in Ebenen kann vorteilhaft sein, da so Umlenkungen reduziert sind. Umlenkungen sind nachteilig wegen der Erhöhung des Strömungswiderstands und da dadurch konkav nach oben gerichtete Bereiche geschaffen werden können, in denen sich Luftblasen halten können, was zu einer Verschlechterung der Durchströmung und des Kühleffekts führen kann.
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Vorteilhaft ist insbesondere, wenn jeder Kühlmittelkanal jeweils einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Dabei kann jeder Kühlmittelkanal für sich genommen diesen konstanten Querschnitt haben, wie auch zusätzlich alle Kühlmittelkanäle jeweils den gleichen Strömungsquerschnitt haben. So kann besonders einfach sichergestellt werden, dass die Durchflussmenge pro Kühlmittelkanal gleich ist, was sicherstellt, dass ein gleichmäßiger Wärmeabtransport möglich wird.
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Alternativ kann ein erster Kühlmittelkanal benachbart zu einem Ventilsitz geführt sein und ein zweiter Kühlmittelkanal dazu in Ventillängsrichtung versetzt geführt sein und der Strömungsquerschnitt des ersten Kühlmittelkanals kann größer als der des zweiten Kühlmittelkanals sein. So kann über den größeren Volumenstrom des ersten Kühlmittelkanals eine größere Wärmemenge dort abgeleitet werden, wo sie entsteht, nämlich in der Nähe des Ventilsitzes.
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In einer weiteren Alternative kann ein erster Kühlmittelkanal benachbart zu einem Ventilsitz geführt sein und ein zweiter Kühlmittelkanal kann dazu in Ventillängsrichtung versetzt geführt sein und der Strömungsquerschnitt des ersten Kühlmittelkanals kann kleiner als der des zweiten Kühlmittelkanals sein. So kann die Strömungsgeschwindigkeit gezielt optimiert werden, um lokal eine Verbesserung des Wärmeabtransports zu ermöglichen.
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Weiterführend ist vorteilhaft, wenn jedes Auslassventil weitgehend umlaufend von Kühlmittelkanälen umgegeben ist und bevorzugt komplett von Kühlmittelkanälen umgeben ist. Diese Kühlmittelkanäle können insbesondere äquidistant von den Kühlmittelkanälen umgeben sein. Die Auslassventile sind einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt und eine umlaufende Versorgung mit Kühlmittelkanälen kann für einen gleichmäßigen Wärmeabfluss sorgen und somit eine weitgehende Freiheit von inneren Spannungen, wie sie durch unterschiedliche Temperaturprofile auftreten können. Insbesondere kann auch jedes Einlassventil weitgehend umlaufend von Kühlmittelkanälen umgegeben sein, da dies den gleichen Vorteil bewirkt.
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Insbesondere können benachbart zu jedem Auslassventil Kühlmittelkanäle in zumindest zwei und bevorzugt zumindest drei Ebenen vorgesehen sein. Die Kühlmittelkanäle sind insbesondere in Ventillängsrichtung versetzt. Die Ebenen insbesondere parallel zueinander sind. Die Ebenen können insbesondere senkrecht zur Längsrichtung der zugeordneten Ventile ausgerichtet sein. Das Design in diesen Ebenen ist konstruktiv einfach, platzsparend realisierbar und benötigt weniger Winkeländerungen der Kühlmittelkanäle als dies bei komplizierteren Führungen nötig wäre.
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Auch kann ein Zylinderkopf pro Zylinder zwei Auslassventile und zwei Einlassventile umfassen. Bevorzugt werden dann zwei Kühlmittelkanäle zwischen den Auslassventilen geführt und einer dieser Kühlmittelkanäle ist zu einem ersten der Einlassventile und der andere dieser Kühlmittelkanäle ist zu dem anderen der Einlassventile geführt. Hierdurch lässt sich ein gleichmäßiges Kühlprofil erreichen. Verspannungen, die sich bei ungleichen Kühlungen ergeben können, werden entsprechend vermieden.
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Alternativ oder zusätzlich können insbesondere bei einem Zylinderkopf mit zwei Auslassventilen und zwei Einlassventilen pro Zylinder zwischen einzelnen Ventilen und zudem außen liegend von den Ventilen jeweils zumindest zwei Kühlmittelkanäle angeordnet sein. Bevorzugt liegen jeweils zumindest zwei Kühlmittelkanäle zwischen jeden dieser Ventile. Hierdurch wird ebenfalls eine gleichmäßige Kühlung ermöglicht.
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Bei einer entsprechenden Verbrennungskraftmaschine sind die Kühlmittelkanäle bei bestimmungsgemäßer Ausrichtung der Verbrennungskraftmaschine ohne eine vertikal nach oben ausgerichtete Konkavität ausgerichtet. Eine vertikal nach oben ausgerichtete Konkavität ist insbesondere ein Abschnitt eines Kühlmittelkanals, der in beiden Richtungen des Kühlmittelkanals von Bereichen umgeben sind, die in Vertikalrichtung tiefer liegend sind als dieser Bereiche. Anders ausgedrückt ist dies ein Bereich, in dem sich eine Luft sammeln kann. Da Luftblasen die Kühlwirkung reduzieren und zum Sieden des Kühlmittels führen, sind sie nachteilig und sollten vermieden werden.
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Zudem können insbesondere bei einem Zylinderkopf zumindest zwei Kühlmittelkanäle von einem Auslassventil zu einem Injektorschacht und nachfolgend zu zumindest einem Einlassventil führen, um so auch den Injektorschacht gut zu kühlen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1. eine perspektivische Ansicht des Kühlmittelversorgungssystems innerhalb eines Zylinderkopfs, wobei der Zylinderkopf selbst ausgeblendet ist und
- 2. ein Detail der 1, wobei das Kühlmittelversorgungssystem eines Zylinders vergrößert gezeigt ist.
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1 zeigt vier Kühlmittelversorgungsbereiche, die innerhalb des Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors jeweils zur Kühlung von einem Zylinder vorgesehen sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Zylinderkopf selbst nicht dargestellt. Vielmehr kann 1 (ebenso wie 2) so verstanden werden, dass der Hohlraum innerhalb des Kühlmittelversorgungssystems gezeigt ist. Dort wo das Material des Zylinderkopfs vorhanden ist, ist nichts gezeigt und die Kavität der Kühlmittelversorgung ist wie vorhandenes Material gezeigt. Jeder der vier Kühlmittelversorgungsbereiche ist für sich getrennt von den anderen ausgeführt und umfasst jeweils einen Übergabebereich der Zuführung 6 und einen der Ableitung 5, die jeweils mit dem Motorblock verbunden werden und über die das Kühlmittel zugeführt, bzw. abgeleitet wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) besteht keine jeweils einzelne Versorgung pro Zylinder mit Kühlmittel, sondern es kann eine gemeinsame Zu- bzw. Ableitung des Kühlmittels zylinderübergreifend zum Einsatz kommen. Die Kühlmittelversorgung dient der Kühlung der Ventile und weiteren Komponenten (z.B. Einspritzkanal), die motorblocknah angeordnet sind.
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2 zeigt vergrößert und in einer veränderten Winkellage einen Kühlmittelbereich eines der Zylinder. Lediglich durch eine strichpunktierte Linie sind Auslassventile 20 und Einlassventile 30 angedeutet. Entsprechend umfasst der in diesem Beispiel verwendete Motor pro Zylinder zwei Einlass- und zwei Auslassventile. In 2 ist unten links mit einem einleitenden Pfeil der Fluss von Kühlmittel in den Kühlmittelbereich angedeutet. Innerhalb des Kühlmittelbereichs ist eine Aufteilung in zwei Hauptkanäle gezeigt. Jeder dieser beiden Hauptkanäle teilt sich auf in drei Teilkanäle, die nachfolgend als Kühlmittelkanäle 10 bezeichnet werden. Nachfolgend werden diese Kühlmittelkanäle 10 ergänzend auch mit den Bezugszeichen 12, 14, 16 und 17 bezeichnet, um diese Kühlmittelkanäle 10 individuell identifizieren zu können.
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In diesem Sinne sind Kühlmittelkanäle 12 benachbart zu einem Ventilsitz (nicht dargestellt) der Ventile 20, 30 angeordnet. Gemäß der Ausrichtung der 2 wird unterhalb der gezeigten Strukturen der Motorblock angeordnet und mit dem Zylinderkopf verschraubt. Hierfür umfasst der Zylinderkopf an der Kontaktseite zum Motorblock eine Grundplatte (entsprechend nicht gezeigt) und die Ventilsitze sind Teil dieser Grundplatte, bzw. damit verbunden. Die Kühlmittelkanäle 12 sind möglichst dicht benachbart zu den Ventilsitzen angeordnet, wobei der Mindestabstand v.a. durch Anforderungen der mechanischen Festigkeit bestimmt wird. Die Kühlmittelkanäle 12 führen unter Betrachtung der bevorzugten Kühlmittelflussrichtung von den Auslassventilen 30 zu den Einlassventilen 20, da von den Auslassventilen 30 eine höhere thermische Energie abgeführt werden muss und dabei ein noch nicht erwärmtes Kühlmittel vorteilhaft ist. Es ist ein Umschlingungswinkel von mindestens 90° und bevorzugt mindestens 120° vorgesehen, wobei der Umschlingungswinkel definiert ist, als der Winkel in einer Ebene (bevorzugt senkrecht zu Ventilmittelachse), in welcher der entsprechende Kanal relativ zur Ventilmittelachse geführt wird. Diese Führung ist insbesondere äquidistant. Die Kühlmittelkanäle 12 (ebenso wie die Kühlmittelkanäle 17) mäandern um die zugeordneten Ein- bzw. Auslassventile 20, 30, was bedeutet, dass der Umschlingungswinkel bei dem einen Ventil rechts herum verläuft und beim anderen Ventil linksherum verläuft. Aufgrund dieser Kanalausrichtung wird die Wärmeenergie möglichst gleichmäßig aus dem Zylinderkopf abgeleitet.
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Grundsätzlich ist vorteilhaft, wenn die Auslass- und/oder Einlassventile umlaufend äquidistant von einem Kühlmittelkanal umgeben sind. Dies ist mit einem Kühlmittelkanal alleine möglich (nicht gezeigt), wenn dieser komplett, also zu 360° um das entsprechende Ventil gelegt ist. Diese Ausführungsform könnte aber ggf. auch nachteilig sein, da dieser Kühlmittelkanal entsprechend länger wäre und überproportional mehr Wärme aufnehmen würde. So können mehrere Kühlmittelkanäle diese Aufgabe gemeinsam übernehmen. Dafür ist an einer Seite um ein entsprechendes Ventil (z.B. Auslassventil 30) ein erster Kühlmittelkanal 17 abschnittsweise gelegt und gegenüberliegend davon ist ein anderer Kühlmittelkanal (z.B. Kanal 12 oder 14) äquidistant um dieses Ventil gelegt. Bevorzugt haben die beiden genannten Äquidistanzen den gleichen Krümmungsradius. Diese Kühlmittelkanäle können in unterschiedlichen Ebenen liegen.
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Die einzelnen Kühlmittelkanäle 10 liegen teilweise in einzelnen Ebenen. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Längsachsen der Ein- und Auslassventile 20, 30 parallel zueinander. Entsprechend können einzelne Kühlmittelkanäle (z.B. die Kanäle 17) in einer gemeinsamen Ebene liegen. Allgemein gesprochen ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse des zugehörigen Ventils liegen. Bevorzugt liegen die Kühlmittelkanäle, die das gleiche Ventil kühlen, in zueinander parallelen Ebenen. Dies ist bei den Kühlmittelkanäle 12, 14 und 17 der Fall. Dabei können sie bevorzugt den gleichen Radius des Umschlingungswinkels aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der Radius des Umschlingungswinkels unterschiedlich sein. Insbesondere kann der Kühlmittelkanal 14 einen kleineren Radius der Umschlingung haben als der Kühlmittelkanal 12, da letzterer aufgrund der mechanischen Randbedingungen des benachbarten Ventilsitzes größer gewählt werden kann. Somit sind in 2 drei Ebenen gezeigt, in denen die Kühlmittelkanäle geführt sind, nämlich die Ebene des Kühlmittelkanals 12, des Kühlmittelkanals 14 und 16 (bzw. 17).
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Bevorzugt wird der Umschlingungswinkel möglichst groß gewählt. Bevorzugt wird der Umschlingungswinkel allerdings kleiner als 180° gewählt, da dies einer Rückführung gleich käme und somit die Länge des Kühlmittelkanals überaus groß würde. Statt dessen kommen bevorzugt mehrere Kanäle zum Einsatz, die jeweils von unterschiedlichen Seiten (und insbesondere auch Ebenen) kühlen. Bevorzugt sollte der der Umschlingungswinkel mindestens 90° oder insbesondere mindestens 130° sein. Ein großer Umschlingungswinkel erhöht nämlich den Wärmeübergang an das Kühlmittel.
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Es besteht ein hohes Maß an Freiheit der Gestaltung der Strömungsquerschnitte der einzelnen Kühlmittelkanäle 10. In einer Ausführungsform können sie jeweils den gleichen Durchmesser aufweisen, um so (unter der Voraussetzung einer im Wesentlichen gleichen Länge) jeweils den gleichen Volumendurchsatz zu haben, und um so jeweils die gleiche Wärmemenge ableiten zu können. In einer weiteren Ausführungsform können die Kühlmittelkanäle 12, die (unmittelbar) benachbart zum Ventilsitz sind, einen größeren Querschnitt aufweisen, um so einen höheren Volumendurchsatz zu haben, um entsprechend dort, wo die größte Wärme zu erwarten ist, möglichst effektiv zu kühlen. Auch können manche Kühlmittelkanäle einen kleineren Querschnitt aufweisen. Dies kann, insbesondere bei einer geringeren Gesamtlänge dieses Kühlmittelkanals, dazu führen, dass die Strömungsgeschwindigkeit höher ist, was eine bessere Kühlung bewirkt.
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Um ein gutes Durchströmen der Kühlmittelkanäle 10 zu erreichen, weisen diese bevorzugt keine Totwassergebiete auf. In diesem Sinne gibt es keine abrupten Querschnittsänderungen, ebenso wie keine Ecken oder scharfen Strömungskanten, da dahinter sich ein Bereich bilden kann, dessen Durchströmung nicht sichergestellt werden kann und es hier zu einer unzulässigen Temperaturerhöhung kommen kann. Dennoch sind gewisse Querschnittsänderungen der Kühlmittelkanäle 10 zulässig, wie z.B. die Verwendung einer Venturidüse. Eine Venturidüse umfasst einen reduzierten Querschnitt und nachfolgend eine derartig bestimmte Querschnittserweiterung, dass alle Strömungsanteile gleichgerichtet bleiben und es folglich zu keinen Verwirbelungen kommt. Vorteilhaft ist dies bspw., wenn der reduzierte Querschnitt dort angeordnet wird, wo eine besonders große Kühlung gewünscht wird, da diese sich über die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ergibt.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Hubraum von 2 Litern bei vier Zylindern haben die einzelnen Kühlmittelkanäle 10 einen Durchmesser von 3 mm. Dadurch lassen sich z.B. mehr Fläche zur Wärmeübertragung generieren oder Platzbedürfnisse bedienen.
Allgemein gesprochen kann bei dieser Hubraumgröße keiner der Kühlmittelkanäle 10 einen Durchmesser von mehr als 5 mm haben. Grundsätzlich ist ein kreisförmiger Querschnitt bevorzugte Form. Es können auch andere Formen (oval, abgeflacht, o.ä.) zum Einsatz kommen, für die die genannten Werte entsprechend anwendbar sind. Es werden insbesondere die Kanäle nach der Aufspaltung in die einzelnen Kühlmittelkanäle 10, die entlang den Ventilen 20, 30 gelegt sind, betrachtet, was beinhaltet, dass ein Versorgungskanal mehrerer Kühlmittelkanäle 10 einen größeren Querschnitt aufweisen kann.
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Der vorliegende Zylinderkopf wird bevorzugt mittels additiver Fertigung (z.B. 3D-Druck) hergestellt, da so ein optimaler Strömungsquerschnitt realisierbar ist, ohne auf Fragen der Kernherstellung Wert legen zu müssen. Insbesondere lässt sich so die beschriebene Aufteilung eines Gesamtkühlmittelstroms in die einzelnen Kühlmittelkanäle 10 einfach realisieren. Dadurch wird eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen Kühlmedium und Material ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112015007047 T5 [0002]
