DE10202661B4

DE10202661B4 - Zylinderkopf für mehrere Zylinder

Info

Publication number: DE10202661B4
Application number: DE10202661.0A
Authority: DE
Inventors: Hermann Krenn
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: AT5301U1; DE10202661A1; US6681727B2; US20020129776A1

Abstract

Zylinderkopf (1) für mehrere Zylinder (A, B, C) für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit einer an ein Feuerdeck (2) grenzenden Kühlraumanordnung (3), welche durch ein Zwischendeck (4) in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum (5) und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse (6) anschließenden oberen Teilkühlraum (7) unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum (5, 7) durch zumindest eine Überströmöffnung miteinander strömungsverbunden sind, und wobei in den unteren Teilkühlraum (5) zumindest eine vorzugsweise im Feuerdeck (2) angeordnete Zuflussöffnung (13) pro Zylinder (A, B, C) für das Kühlmittel einmündet und vom oberen Teilkühlraum (7) zumindest eine Abflussöffnung für das Kühlmittel ausgeht, wobei jedem Zylinder (A, B, C) ein unterer Teilkühlraum (5) zugeordnet ist und die unteren Teilkühlräume (5) zumindest zweier benachbarter Zylinder (A, B, C) durch eine Trennwand (12) im Wesentlichen voneinander getrennt sind und dass sich der obere Teilkühlraum (5) über zumindest zwei Zylinder (A, B, C) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen unterem und oberem Teilkühlraum (5, 7) zumindest eine Entlüftungsöffnung (8) pro Zylinder (A, B, C) angeordnet ist, wobei die Entlüftungs- (8) und Zuflussöffnungen (13) auf der selben Seite einer Motorlängsebene (23) angeordnet sind, dass das im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck (2) ausgebildete Zwischendeck (4) eine Aufnahmeöffnung (20) für ein eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) aufnehmendes Einsatzrohr (10) aufweist, wobei zwischen Aufnahmeöffnung (20) und dem Einsatzrohr (10) ein die Überströmöffnung zwischen unterem und oberem Teilkühlraum (5, 7) bildender Ringspalt (9) mit vordefinierten Querschnitt ausgebildet ist, und dass zumindest eine Überströmöffnung durch einen Übertritt (22) im Zwischendeck (4) gebildet ist, wobei der Übertritt (22) im Bereich einer Seitenwand (1b) angeordnet ist, und wobei die Zuflussöffnung (13) und Übertritt (22) in bezüglich der Motorlängsebene (23) gegenüberliegenden Seitenwänden (1c, 1b) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für mehrere Zylinder für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit einer an ein Feuerdeck grenzenden Kühlraumanordnung, welche durch ein Zwischendeck in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse anschließenden oberen Teilkühlraum unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum durch zumindest eine Überströmöffnung miteinander strömungsverbunden sind, und wobei in den unteren Teilkühlraum zumindest eine vorzugsweise im Feuerdeck angeordnete Zuflussöffnung pro Zylinder für das Kühlmittel einmündet und vom oberen Teilkühlraum zumindest eine Abflussöffnung für das Kühlmittel ausgeht, wobei jedem Zylinder ein unterer Teilkühlraum zugeordnet ist und die unteren Teilkühlräume zumindest zweier benachbarter Zylinder durch eine Trennwand im Wesentlichen voneinander getrennt sind und dass sich der obere Teilkühlraum über zumindest zwei Zylinder erstreckt.
Insbesonders bei leistungsstarken Diesel-Brennkraftmaschinen mit hohem Wärmeeintrag reicht ein durchgehender Kühlraum für ein den Zylinderkopf in Längsrichtung durchströmendes Kühlmedium nicht aus, um eine ausreichende Kühlung des Feuerdecks zu gewährleisten. Mangelhafter Wärmeaustrag aus dem Zylinderkopf kann aber zu Verzugserscheinungen, Undichtheiten sowie zu Rissen führen.
Aus der CH 614 995 A ist ein Einzelzylinder-Zylinderkopf für eine Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, welcher einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum und einen oberen Teilkühlraum aufweist, wobei zwischen dem unteren und oberen Teilkühlraum eine Trennwand angeordnet ist. Die Kühlflüssigkeit wird einerseits über einen Speisestutzen ringförmigen Kühlkanälen um die Ventilsitze und andererseits dem unteren Teilkühlraum zugeführt. Von den Kühlkanälen um die Ventilsitze strömt die Kühlflüssigkeit in einen zentralen Ringraum, der eine Buchse für eine Kraftstoffzuführeinrichtung umgibt. Von dort strömt das Kühlmedium in den oberen Teilkühlraum. Auf diese Weise sollen Feuerdeck und Ventilsitze unabhängig voneinander gekühlt werden. Auch die DE 24 60 972 A1 offenbart einen Einzelzylinder-Zylinderkopf mit zwei übereinander angeordneten Kühlflüssigkeitsräumen, welche durch Öffnungen miteinander verbunden sind. Für einen Zylinderkopf für mehrere Zylinder einer Brennkraftmaschine sind diese Konstruktionen allerdings nicht geeignet.
Aus der US 4,304,199 A ist ein Zylinderkopf für mehrere Zylinder einer Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, welcher einen durch eine Trennwand in einen unteren und einen oberen Teilkühlraum getrennten Kühlraum aufweist. Unterer und oberer Teilkühlraum sind über eine sichelförmige Öffnung, welche die Mündung einer Einspritzdüse in Umfangsrichtung teilweise umgibt, miteinander strömungsverbunden. Das Kühlmittel strömt über Zuflussöffnungen im Feuerdeck vom Zylinderblock in den unteren Teilkühlraum und von dort über die sichelförmigen Öffnungen weiter in den oberen Teilkühlraum. Der untere Teilkühlraum ist dabei für mehrere benachbarte Zylinder durchgehend ausgeführt, so dass zumindest teilweise auch eine Längsströmung entsteht. Insbesondere bei hohem Wärmeeintrag aus dem Brennraum kann aber auch hier ein ausreichender Wärmeaustrag nicht gewährleistet werden.
Die DE 196 37 122 C1 beschreibt einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit Kühlmittelräumen die jeweils einen Zylinder zugeordnet und voneinander getrennt sind. Die Kühlmittelräume sind dabei so ausgebildet, dass sie zumindest teilweise die Einlasskanäle, die Auslasskanäle und die Aufnahmeschächte für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil umgreifen. Jeder dieser Kühlmittelräume ist mit einem gemeinsamen Sammelkanal verbunden, der sich in Längsrichtung des Zylinderkopfes erstreckt und im Bereich der Mittellängsachse angeordnet ist. Die Kühlmittelräume und der Sammelkanal sind dabei durch einen eingegossenen geneigten Trennsteg voneinander getrennt, in welchem eingegossene Verbindungsöffnungen zu jedem der Kühlmittelräume ausgebildet sind.
Die Veröffentlichung DE 1 258 654 B offenbart einen flüssigkeitsgekühlten, gegossenen Zylinderkopf für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf einen Zwischenboden aufweist, der sich von den Zylinderkopfaußenwänden zu den Ventilkanälen erstreckt. Der Zylinderkopf hat ferner eine etwa zylindrische Stützwand zwischen dem Boden und dem Zwischenboden, an der Augen für Zylinderkopfschrauben anschließen. An den bei Schräglage in V-Motoren höchstgelegenen Stellen des Zwischenbodens sind Entlüftungsöffnungen angeordnet. Sowohl der untere als auch der obere Kühlraum ist getrennt von benachbarten Zylindern ausgeführt – eine Verbindung im Zylinderkopf zu Kühlräumen benachbarter Zylinder ist nicht geoffenbart.
Die DE 24 52 999 A1 zeigt einen Zylinderkopf für eine wassergekühlte Dieselmaschine mit einem untern und einem oberen Teilkühlraum, wobei das Kühlwasser vom unteren Kühlwasserraum einen durch ein Schutzrohr für einen Einspritzdüsenhalter und eine Bohrung in einer Zwischenwand gebildeten Ringspalt in den oberen Kühlwasserraum gelangt. Ob der untere Teilkühlraum oder der obere Teilkühlraum mit Teilkühlräumen von Nachbarzylindern verbunden ist oder nicht, ist der Veröffentlichung nicht zu entnehmen. Eine Entlüftungsbohrung zwischen dem unterem und dem oberen Teilkühlraum, sowie ein Übertritt im Zwischendeck im Bereich einer Seitenwand ist nicht vorgesehen.
Die AT 003 139 U1 beschreibt einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mehreren Kühlräumen und einem Aufnahmeteil für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, welcher als Butzen ausgeführt sein kann.
Aus der GB 583 652 A ist weiters eine Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem Einzelzylinderkopf bekannt, welche einen Kühlraum aufweist, der durch ein Zwischendeck in einen unteren und einen oberen Teil getrennt ist. Dabei ist ein Zuflussöffnung aus einem Kühlmantel des Zylinderblockes im Feuerdeck und eine Überströmöffnung im Zwischendeck vorgesehen, wobei die Zuflussöffnung und die Überströmöffnung im Bereich von gegenüberliegenden Seitenwänden des Zylinderkopfes angeordnet sind. Sowohl der untere, als auch der obere Teilkühlraum sind jeweils nur für einen einzigen Zylinder ausgebildet. Der obere Teilkühlraum erstreckt sich somit über zumindest zwei Zylinder. Eine Entlüftungsöffnung zwischen unterem und oberen Teilkühlraum und eine Aufnahmeöffnung für ein Einsatzrohr und eine durch einen Ringspalt zwischen Einsatzrohr und Zwischendeck ausgebildete Überströmöffnung ist nicht vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art die Kühlung, insbesondere im Bereich des Feuerdeckes zu verbessern.
Dies wird dadurch erreicht, dass das zwischen unterem und oberem Teilkühlraum zumindest eine Entlüftungsöffnung pro Zylinder angeordnet ist, wobei die Entlüftungs- und Zuflussöffnungen auf der selben Seite einer Motorlängsebene angeordnet sind, dass das im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck ausgebildete Zwischendeck eine Aufnahmeöffnung für ein eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufnehmendes Einsatzrohr aufweist, wobei zwischen Aufnahmeöffnung und dem Einsatzrohr ein die Überströmöffnung zwischen unterem und oberem Teilkühlraum bildender Ringspalt mit vordefinierten Querschnitt ausgebildet ist, und dass zumindest eine Überströmöffnung durch einen Übertritt im Zwischendeck gebildet ist, wobei der Übertritt im Bereich einer Seitenwand angeordnet ist, und wobei die Zuflussöffnung und Übertritt in bezüglich der Motorlängsebene gegenüberliegenden Seitenwänden angeordnet sind.
Durch die Entlüftungsöffnung kann auch bei Kippen der Brennkraftmaschine die Ansammlung von Dampfblasen im unteren Teilkühlraum vermieden werden. Der Übertritt im Zwischendeck gewährleistet eine ausreichende Kühlmittelversorgung des oberen Teilkühlraumes.
Dadurch, das die unteren Teilkühlräume zweier benachbarter Zylinder im Wesentlichen vollständig getrennt voneinander sind, wird eine Längsströmung verhindert. Abgesehen davon bietet diese Ausbildung auch große gießtechnische Vorteile. Getrennte untere Teilkühlräume sind durch die Verwendung von Einzelkernen mit kompakter Kernstruktur unproblematisch herzustellen, da eine relativ geringe Tendenz zum Verzerren besteht. Dadurch kann eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet werden.
Das Kühlmittel durchströmt die unteren Teilkühlräume somit nur im Wesentlichen in der Querrichtung des Zylinderkopfes. Dies ermöglicht es, den Wärmeaustrag für jeden einzelnen Zylinder genau zu definieren, und somit eine Beeinflussung der Kühlleistung durch Kühlmittellängsströmungen zu vermeiden. Dabei ist vorgesehen, dass die Entlüftungsöffnung im Bereich zwischen einer Motorlängsebene und einer Seitenwand des Zylinderkopfes, vorzugsweise im Bereich einer die Zylinderachse beinhaltenden Motorquerebene, angeordnet ist.
Das Zwischendeck kann einen vorzugsweise gegossenen Aufnahmebutzen für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufweisen. Eine ausgeprägte Querströmung des Kühlmittels im unteren Teilkühlraum wird dadurch erreicht, dass die Zuflussöffnungen und die Übertritte jeweils in bezüglich der Motorlängsebene gegenüberliegenden Seitenwänden angeordnet sind.
Um eine ausreichende Kühlung der Mündung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu erreichen, ist besonders vorteilhaft, wenn der untere Teilkühlraum im Bereich einer Kraftstoffeinspritzdüse der direkt in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung diese entlang des gesamten Umfanges umgibt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Querschnitt gemäß der Linie I-I in 4 in einer ersten Ausführungsvariante,
2 den Zylinderkopf in einem Querschnitt gemäß der Linie II-II in 4,
3 den Zylinderkopf in einem Querschnitt gemäß der Linie III-III in 4,
4 den Zylinderkopf in einem Schnitt der Linie IV-IV in 1,
5 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in 1,
6 und 7 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in Schnitten analog zu 4 und 5.
Der einstückig für mehrere Zylinder A, B, C ausgebildete Zylinderkopf 1 weist eine an ein brennraumseitiges Feuerdeck 2 grenzende Kühlraumanordnung 3 auf, welche durch ein Zwischendeck 4 in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum 5 und einen in Richtung der Zylinderachse 6 anschließenden oberen Teilkühlraum 7 unterteilt ist. Das Zwischendeck 4 weist pro Zylinder A, B, C zumindest eine Überströmöffnung auf. In der in den 1 bis 5 gezeigten ersten Ausführungsvariante ist die Strömungsöffnung als Ringspalt 9 mit definiertem Durchflussquerschnitt zwischen dem Zwischendeck 4 und einem Einsatzrohr 10 zur Aufnahme einer Krafteinspritzeinrichtung 11 ausgebildet, welches Einsatzrohr 10 eine Aufnahmebohrung 20 des Zwischendeckes 4 durchdringt. Bei der zweiten Ausführungsvariante gemäß 6 und 7 sind die Zuflussöffnungen 13 nur im Bereich einer Seitenwand 1c angeordnet und die Strömungsöffnungen durch Übertritte 22 im Zwischendeck 4 im Bereich der gegenüberliegenden Seitenwand 1b gebildet. Die Aufnahme der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 11 kann dabei durch eine mit dem Zylinderkopf 1 mitgegossenen Aufnahmebutzen 21 des Zwischendeckes 4 erfolgen. Um auch bei Kippen der Brennkraftmaschine ein Entlüften und ein Abströmen von Dampfblasen aus dem unteren Teilkühlraum 4 zu ermöglichen ist pro Zylinder 1 zumindest eine Entlüftungsbohrung 8 zwischen der Motorlängsebene 23 und einer Seitenwand 1c, vorteilhafterweise im Bereich einer die Zylinderachse 6 beinhaltenden Motorquerebene 18 – in Draufsicht gesehen nahe dem Zylindermantel 19 – angeordnet.
Wie aus 4 und 6 ersichtlich ist, sind die unteren Teilkühlräume 5 zweier benachbarter Zylinder A, B, C jeweils durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt. Die Trennwände 12 sind jeweils im Bereich einer Motorquerebene 1a im Zylinderkopf 1 angeordnet.
In den Figuren sind mit Bezugszeichen 16 bzw. 17 Gaswechselkanäle bezeichnet.
Das Kühlmedium strömt durch Zuflussöffnungen 13 im Bereich der Seitenwände 1b, 1c (4) bzw. der Seitenwand 1c (6) des Zylinderkopfes 1 im Wesentlichen in Querrichtung entsprechend der Pfeile S in den unteren Teilkühlraum 5. Dabei werden die Bereiche um die Ventilsitze 14 der Hubventile 15 und um die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 11 umströmt und optimal gekühlt wird. Vom unteren Teilkühlraum 5 gelangt das Kühlmittel über Überströmöffnungen – Ringspalte 9 und/oder Übertritte 22 – in den oberen Teilkühlraum 7 und durchströmt den für alle Zylinder A, B, C einheitlich durchgehend ausgebildeten oberen Teilkühlraum 7 in der Längsrichtung des Zylinderkopfes 1. Durch zumindest eine nicht weiter dargestellte Abflussöffnung verlässt das Kühlmittel wieder den Zylinderkopf 1. Die Abflussöffnung kann beispielsweise an einer Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet sein. Alternativ dazu kann für den oberen Teilkühlraum auch eine Sammelleiste für das austretende Kühlmittel vorgesehen sein.
Wesentlich ist, dass die Durchströmung des unteren Teilkühlraumes 5 und damit die Kühlung des Feuerdeckes 2 für jeden Zylinder A, B, C unabhängig vom Nachbarzylinder separat erfolgt. Dadurch ist ein optimaler Wärmeaustrag für jeden Zylinder A, B, C gewährleistet.

Claims

Zylinderkopf (1) für mehrere Zylinder (A, B, C) für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit einer an ein Feuerdeck (2) grenzenden Kühlraumanordnung (3), welche durch ein Zwischendeck (4) in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum (5) und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse (6) anschließenden oberen Teilkühlraum (7) unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum (5, 7) durch zumindest eine Überströmöffnung miteinander strömungsverbunden sind, und wobei in den unteren Teilkühlraum (5) zumindest eine vorzugsweise im Feuerdeck (2) angeordnete Zuflussöffnung (13) pro Zylinder (A, B, C) für das Kühlmittel einmündet und vom oberen Teilkühlraum (7) zumindest eine Abflussöffnung für das Kühlmittel ausgeht, wobei jedem Zylinder (A, B, C) ein unterer Teilkühlraum (5) zugeordnet ist und die unteren Teilkühlräume (5) zumindest zweier benachbarter Zylinder (A, B, C) durch eine Trennwand (12) im Wesentlichen voneinander getrennt sind und dass sich der obere Teilkühlraum (5) über zumindest zwei Zylinder (A, B, C) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen unterem und oberem Teilkühlraum (5, 7) zumindest eine Entlüftungsöffnung (8) pro Zylinder (A, B, C) angeordnet ist, wobei die Entlüftungs- (8) und Zuflussöffnungen (13) auf der selben Seite einer Motorlängsebene (23) angeordnet sind, dass das im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck (2) ausgebildete Zwischendeck (4) eine Aufnahmeöffnung (20) für ein eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) aufnehmendes Einsatzrohr (10) aufweist, wobei zwischen Aufnahmeöffnung (20) und dem Einsatzrohr (10) ein die Überströmöffnung zwischen unterem und oberem Teilkühlraum (5, 7) bildender Ringspalt (9) mit vordefinierten Querschnitt ausgebildet ist, und dass zumindest eine Überströmöffnung durch einen Übertritt (22) im Zwischendeck (4) gebildet ist, wobei der Übertritt (22) im Bereich einer Seitenwand (1b) angeordnet ist, und wobei die Zuflussöffnung (13) und Übertritt (22) in bezüglich der Motorlängsebene (23) gegenüberliegenden Seitenwänden (1c, 1b) angeordnet sind.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (12) im Bereich einer Motorquerebene (1a) zwischen zwei benachbarten Zylindern (A, B, C) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung (8) im Bereich zwischen der Motorlängsebene (23) und der Seitenwand (1c) des Zylinderkopfes (1), vorzugsweise im Bereich einer die Zylinderachse (6) beinhaltenden Motorquerebene (18), angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit zumindest einer im Zylinderkopf (1) angeordneten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) pro Zylinder (A, B, C), dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (4) einen vorzugsweise gegossenen Aufnahmebutzen (21) für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) aufweist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teilkühlraum (5) im Bereich einer Kraftstoffeinspritzdüse (11a) der direkt in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) diese entlang des gesamten Umfanges umgibt.