DE10227690A1

DE10227690A1 - Gekühlter Zylinderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10227690A1
Application number: DE10227690A
Authority: DE
Inventors: Frank Haubner
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-08
Also published as: DE50308546D1; US20050145205A1; JP2005535819A; EP1516113B1; US6973897B2; CN100340759C; WO2004001214A1; CN1662737A; ATE377704T1; AU2003246555A1; EP1516113A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine wassergekühlte Kolbenbrennkraftmaschine mit in Reihe angeordneten Zylindern, die jeweils wenigstens ein Einlaßventil mit Einlaßstutzen und zwei Auslaßventile aufweisen, deren Auslässe in einen Auslaßstutzen münden, sowie mit einer zwischen Einlaßventil und Auslaßventil angeordneten Aufnahme für einen Kraftstoffinjektor oder eine Zündkerze, wobei zur Führung des Kühlwassers an die Auslaßseite eines jeden Zylinders eine Kanalanordnung vorgesehen ist, durch die das Kühlwasser im Zulauf von der Außenseite her auf einer Seite des Auslaßstutzens (3) nach innen gegen die Aufnahme (4) und im Rücklauf von innen zur Außenseite auf der anderen Seite des Auslaßstutzens (3) geführt wird, und wobei ein Überströmkanal (14) vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung gesehen, die Rücklaufseite einer Kanalanordnung mit der Zulaufseite der nächstfolgenden Kanalanordnung verbindet.

Description

Bei Hochleistungs-Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere direkteinspritzenden Hochleistungs-Otto-Motoren oder Hochleistungs-Dieselmotoren, ist die Auslaßseite im Zylinderkopf thermisch hochbelastet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf zu schaffen, durch den eine bessere Kühlung insbesondere des Auslaßbereichs bewirkt wird.

Diese Aufgabe wird für einen Zylinderkopf für eine wassergekühlte Kobenbrennkraftmaschine mit in Reihe angeordneten Zylindern, die jeweils wenigstens ein Einlaßventil mit Einlaßstutzen und zwei Auslaßventile aufweisen, deren Auslässe in einen Auslaßstutzen münden, sowie mit einer zwischen Einlaßventil und Auslaßventilen angeordneten Aufnahme für einen Kraftstoffinjektor oder eine Zündkerze, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Führung des Kühlwassers an der Auslaßseite eines jeden Zylinders eine Kanalanordnung vorgesehen ist, durch die das Kühlwasser im Zulauf von der Außenseite her auf einer Seite des Auslaßstutzens nach innen gegen die Aufnahme und im Rücklauf von innen zur Außenseite auf der anderen Seite des Auslaßstutzens geführt wird und daß ein Überströmkanal vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung gesehen, die Rücklaufseite einer Kanalanordnung mit der Zulaufseite der nächstfolgenden Kanalanordnung verbindet. Hierdurch wird eine jeweils U-förmige Umströmung der Auslaßkanäle bewirkt, da das Kühlwasser zunächst von außen auf einer Seite des Auslaßkanals in Richtung auf die Aufnahme geführt wird und dann auf der anderen Seite des Auslaßkanals wieder nach außen abgeführt wird. Hierdurch gelingt es, den Bereich zwischen den beiden Auslaßventilen zuverlässig zu kühlen. Im Bereich der Aufnahme strömt das Kühlwasser in vertikaler Richtung, so daß auch dieser Bereich intensiv gekühlt wird. Die Strömung in jedem Auslaßbereich erfolgt damit quer zur Hauptachse des Motors und entspricht damit dem Querstromkonzept. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Kühlwasserströmung jeweils unterhalb des Auslaßstutzens nach innen und oberhalb des Auslaßstutzens nach außen strömt.

In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zulaufseitige Teil der Kanalanordnung einen zwischen den Auslässen verlaufenden Hauptkanal und jeweils einen um jeden Auslaß seitlich herumgeführten Seitenkanal aufweist, der in einen durch die Aufnahme begrenzten Umlenkbereich mündet. Durch eine entsprechende Dimensionierung von Haupt- und Seitenkanal läßt sich erreichen, daß der größere Mengenstrom zwischen den beiden Auslässen verläuft und so in diesem kritischen Bereich eine ausreichende Wärmeabfuhr erzielt wird.

In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß zur Führung des Kühlwassers zwischen jeweils benachbarten Zylindern zugeordneten Zwischenbereichen eine Schottwand vorgesehen ist, die wenigstens einen Überströmkanal aufweist, durch den die Kanalanordnungen der benachbarten Zylinder verbunden sind.

In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Einlaßstutzen auf seiner den Auslässen abgekehrten Seite von einem Strömungskanal umfaßt ist. Auch hier ist es in Ausgestaltung zweckmäßig, wenn jeweils die die Einlaßstutzen umfassenden Strömungskanäle benachbarter Zylinder über jeweils eine Durchtrittsöffnung in der Schottwand miteinander verbunden sind.

Durch eine entsprechende Dimensionierung der Durchtrittsöffnungen in der Schottwand sowohl für die Verbindung der auslaßseitigen Kanalanordnung als auch der einlaßseitigen Strömungskanäle läßt sich entsprechend der größeren thermischen Belastung der Auslaßseite auch auf der Auslaßseite der größere Volumenstrom durch die Kanalanordnung führen.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen zu entnehmen. Die Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfs zur Erläuterung der Kühlwasserführung,
2 einen Vertikalschnitt quer zur Motorlängsachse durch ein Auslaßventil,
3 einen Vertikalschnitt quer zur Motorlängsachse durch die Aufnahme,
4 einen Horizontalschnitt gem. der Linie IV in 2,
5 einen Horizontalschnitt gem. der Linie V in 2,
6 einen Horizontalschnitt gem. der Linie VI in 2,
7 einen Horizontalschnitt gem. der Linie VII in 2.

In 1 ist schematisch ein Zylinderkopf für eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine mit seinem Flammdeck 1 dargestellt. Für jeden Zylinder sind jeweils zwei Einlaßventile vorgesehen, die durch ihren gemeinsamen Einlaßstutzen 2 gekennzeichnet sind. Es sind ferner jeweils zwei Auslaßventile je Zylinder vorgesehen, die durch ihren gemeinsamen Auslaßstutzen 3 angedeutet sind. Jeweils zwischen Einlaßstutzen 2 und Auslaßstutzen 3 ist eine Aufnahme 4 für einen Kraftstoffinjektor oder auch für eine Zündkerze angeordnet. Die obere Abdeckung des Zylinderkopfes ist aus Gründen einer klaren Darstellung weggelassen.
Jeweils zwischen zwei benachbarten Zylindern ist jeweils eine querverlaufende Schottwand 5 angeordnet, durch die die Ein-laß-/Auslaßbereiche eines jeden Zylinders voneinander abgeschlossen sind. Die Schottwand 5 ist hier "durchsichtig" dargestellt. In der Schottwand 5 sind jeweils hier nicht näher dargestellte Durchtrittsöffnungen vorgesehen, durch die das Kühlwasser jeweils von einem Zylinderbereich in den anderen Zylinderbereich geführt wird.
In jedem Zylinderbereich des Zylinderkopfes, d. h. zwischen je zwei Schottwänden 5 sind für den Bereich der Auslaßstutzen 3 einerseits und für den Bereich der Einlaßstutzen 2 andererseits jeweils Kanalanordnungen bzw. Strömungskanäle zur Führung des Kühlwassers vorgesehen, die beispielsweise eingegossen sind.
Für den auslaßseitigen Bereich ist die Kanalanordnung so gebildet, daß das Kühlwasser von der Einlaufseite E zur Ablaufseite A des Zylinderkopfes geführt wird.
Die Führung des Kühlwassers auf der Gasauslaßseite durch die Kanalanordnung ist durch den Strömungspfad 6 dargestellt. Der Kühlwasserstrom fließt von der Außenseite unterhalb des Auslaßstutzens 3 in den durch die beiden Schottwände 5 abgeteilten Bereich ein, dann unterhalb des Auslaßstutzens 3 zwischen den beiden getrennten Auslässen der Auslaßventile in Richtung auf die Aufnahme 4. Der Raum zwischen den beiden Auslässen der Auslaßventile und der Aufnahme 4 bildet einen Umlenkbereich 7, in dem das Kühlwasser von unten nach oben auf die Oberseite des Auslaßstutzens 3 geführt wird und über die Kanalanordnung wieder in Richtung auf die Außenseite strömt. Die Rücklaufseite 6.1 des in Strömungsrichtung gesehen "obenliegenden" Zylinderbereichs ist über einen Überströmkanal 8 in der Schottwand 5 mit der Zulaufseite 6.2 des nächstfolgen den Zylinderbereichs verbunden. Aufgrund dieser Kühlwasserführung ergibt sich im Bereich eines jeden Auslaßstutzens 3 eine U-förmige Kühlwasserführung, die von außen nach innen und wieder zurück nach außen geführt ist, wobei dann über die Verbindung jeweils der Rücklaufseite des "obenliegenden" Zylinderbereichs mit der Zulaufseite des nächstfolgenden "untenliegenden" Zylinderbereichs sich insgesamt eine in etwa schraubenlinienförmige Durchströmung an der Auslaßseite des Zylinderkopfs ergibt, die jeweils eine lange Querströmungsstrecke aufweist.
Zur Kühlung der Einlaßstutzen 2 sind entsprechende Strömungskanäle im Zylinderkopf vorgesehen, die Strömungspfade entsprechend der Linien 9.1 und 9.2 bilden. Auch hier sind in der Schottwand 5 entsprechende Durchtrittsöffnungen vorgesehen, so daß insgesamt eine Längsdurchströmung im Bereich der Einlaßseite des Zylinderkopfes erfolgt, wobei die Einlaßstutzen 2 sowohl auf ihrer der Aufnahme 4 zugekehrten wie auch auf ihrer der Aufnahme abgekehrten Seite umströmt werden.
Durch eine entsprechende Dimensionierung der Strömungskanäle und der Durchtrittsöffnungen in den Schottwänden 5 läßt sich eine Abstimmung der jeweiligen Kühlwasservolumenströme bewirken, so daß insgesamt unter Berücksichtigung der geringeren thermischen Belastung der Einlaßseite einerseits und der Auslaßseite andererseits auch entsprechend unterschiedliche Volumenströme an den Einlaßstutzen 2 und an den Auslaßstutzen 3 vorbeigeführt werden können und so eine insgesamt weitgehend gleichmäßige Kühlung des Zylinderkopfes bewirkt wird.
In 2 ist ein Schnitt durch ein Gasauslaßventil quer zur Längsrichtung dargestellt, entsprechend der Linie II-II in 4. Wie aus 2, 3 und 4 ersichtlich, sind jeweils die Auslässe 3.1 und 3.2 eines Gasauslaßventils 10 in den gemeinsamen Auslaßstutzen 3 zusammengeführt. Hiermit ergibt sich die Möglichkeit, daß das Kühlwasser zwischen den beiden Auslässen 3.1 und 3.2 in den Umlenkraum 7 vor der Auf nahme 4 einströmen kann und aus dem Umlenkraum 7 oberhalb des Auslaßstutzens 3, wie anhand von 1 dargestellt, wieder nach außen abströmen kann. Dies ist durch den Strömungspfeil 11 in den 2, 3 und 4 gekennzeichnet.
Wie aus der Schnittdarstellung gem. 4 ersichtlich, weist die Kanalanordnung im Bereich der Auslässe 3.1 und 3.2 jeweils seitliche Strömungskanäle 12 und 13 auf, so daß Zweigströmungen um die Auslässe 3.1 und 3.2 herum in den Umlenkraum 7 einströmen können.
In 4 ist auch die Schottwand 5 mit dem zugehörigen Überströmkanal 14 zu erkennen, durch den der Rücklauf 6.1 oberhalb des Auslaßstutzens 3 des voraufgegangenen Zylinderbereichs mit dem untenliegenden Zulauf 6.2 des dargestellten Zylinderbereichs verbunden ist.
wie 4 und 5 ferner erkennen lassen, weist die Schottwand 5 für die in 1 dargestellten Strömungspfade 9.1 und 9.2 entsprechende Durchtrittsöffnungen 9.3 und 9.4 auf, die durch ein Strömungsleitelement 14 voneinander getrennt sind. Der Durchtrittsöffnung 9.3 ist ein Leitelement 15.1 zumindest austrittsseitig zugeordnet. Hierdurch wird bewirkt, daß der Einlaßstutzen 2 sowohl über einen innenliegenden Strömungskanal 15 für den Strömungspfad 9.1 als auch über einen außenliegenden Strömungskanal 16 für den Strömungspfad 9.2 versehen ist, so daß der Einlaßstutzen 2 jeweils auf beiden Seiten ebenso wie die Aufnahme 4 umströmt wird. Der Strömungsverlauf ist jeweils durch die Strömungspfeile kenntlich gemacht.
Die Schnittdarstellungen entsprechend 5, 6 und 7 zeigen die Strömungsführung in den unterschiedlichen Schnittebenen, wobei in 6 und 7 nur der Bereich des Auslaßstutzens 3 dargestellt ist.

Claims

Zylinderkopf für eine wassergekühlte Kolbenbrennkraftmaschine mit in Reihe angeordneten Zylindern, die jeweils wenigstens ein Einlaßventil mit Einlaßstutzen und zwei Auslaßventile aufweisen, deren Auslässe in einen Auslaßstutzen münden, sowie mit einer zwischen Einlaßventil und Auslaßventilen angeordneten Aufnahme für einen Kraftstoffinjektor oder eine Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Kühlwassers an die Auslaßseite eines jeden Zylinders eine Kanalanordnung vorgesehen ist, durch die das Kühlwasser im Zulauf von der Außenseite her auf einer Seite des Auslaßstutzens (3) nach innen gegen die Aufnahme (4) und im Rücklauf von innen zur Außenseite auf der anderen Seite des Auslaßstutzens (3) geführt wird und daß ein Überströmkanal (14) vorgesehen ist, der Strömungsrichtung gesehen die Rücklaufseite einer Kanalanordnung mit der Zulaufseite der nächstfolgenden Kanalanordnung verbindet.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Auslässen der Auslaßventile und der Aufnahme (4) einen Umlenkbereich (7) für die Strömung bildet.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zulaufseitige Teil der Kanalanordnung jeweils unterhalb des Auslaßstutzens (3) verläuft und daß der rücklaufseitige Teil der Kanalanordnung jeweils oberhalb des Auslaßstutzens (3) verläuft.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zulaufseitige Teil der Kanalanordnung einen zwischen den Auslässen (3.1, 3.2) der Auslaßventile verlaufenden Hauptkanal und jeweils einen um jeden Auslaß (3.1, 3.2) seitlich herumgeführten Seitenkanal (12, 13) aufweist, der in den Umlenkbereich (7) mündet.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßstutzen (2) zumindest auf der den Auslässen (3.1, 3.2) abgekehrten Seite von Strömungskanälen (15, 16) umfaßt ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Kühlwassers zwischen jeweils benachbarten Zylindern zugeordneten Zwischenbereichen eine Schottwand (5) vorgesehen ist, die wenigstens einen Überströmkanal aufweist, durch den die Kanalanordnungen der benachbarten Zylinder verbunden sind.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die die Einlaßstutzen (2) umfassenden Strömungskanäle (15, 16) benachbarter Zylinder jeweils über Durchtrittsöffnungen (9.3, 9.4) in der Schottwand (5) miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (9.3, 9.4) für die dem Einlaßstutzen (2) zugeordneten Strömungskanäle (15, 16) in der Schottwand (5) durch wenigstens ein Leitelement (14, 15.1) zur Umlenkung des Kühlwassers in die angrenzenden Strömungskanäle (15, 16) geformt sind