DE10314906B4

DE10314906B4 - Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10314906B4
Application number: DE10314906A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Vide Marko-Dejan
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: AT6295U1; DE10314906A1

Abstract

Zylinderkopf (2) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen (6) pro Zylinder (10), welche im geschlossenen Zustand jeweils auf einem Ventilsitz (5) aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz (5) von einem ringförmigen Wärmerohr (3, 4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3, 4) miteinander thermisch verbunden und strömungsverbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen pro Zylinder, welche im geschlossenen Zustand jeweils auf einem Ventilsitz aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz von einem ringförmigen Wärmerohr umgeben ist.
Bei Brennkraftmaschinen werden die Bereiche der Mündungen von Einspritzeinrichtungen in die Brennräume und der Ventilsitze besonders hoch thermisch beansprucht, da in diesen Bereichen häufig nicht genügend Bauraum für einen offenen Kühlmittelkanal zur Verfügung steht, um die entstehende Wärme ausreichend schnell abführen zu können. Diese hohen lokalen Wärmebelastungen („hot spots”) können ein Verformen dieser Stellen, Undichtheiten, Risse und eine Schädigung von benachbarten Funktionsteilen zur Folge haben, die zum Versagen der gesamten Maschine führen können.
Es ist bekannt, Wärmerohre (”heat-pipes”) zur Wärmeabfuhr bei Zylinderköpfen einzusetzen. Wärmerohre weisen eine im Bereich der Wärmequelle angeordnete Verdampferzone und eine im Bereich einer Wärmesenke angeordnete Kondensationszone auf und sind mit einem geeigneten Wärmeübertragungsmedium gefüllt.
Aus der DE 2 242 947 A1 ist ein Zylinderkopf bekannt, welcher im Bereich des Ventilsitzes ein Wärmerohr in Form einer ringförmigen Schleife aufweist, welche die Verdampferzone bildet. Das zulaufende Ende und das ablaufende Ende, die beide eine Kondensationszone bilden, sind parallel zueinander ausgerichtet. Das Wärmerohr ist im Zylinderkopf eingegossen, wobei die die Kondensationszone bildenden, radial weg verlaufenden Enden in die Umgebungsluft oder in das Kühlwasser des Zylinderkopfes hineinragen. Im Bereich des Überganges der Schleife in die parallelen Enden des Wärmerohres ist der Ventilsitz jedoch nur gering gekühlt, so dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Umfang des Ventilsitzes nicht gegeben ist.
Aus der DE 40 31 083 C1 ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher zur Kühlung des Ventilsitzes eines Ventiles ein Wärmerohr aufweist, dessen Verdampferzone als ein axial an der Stelle des Ventilsitzes einsetzbarer Ventilsitzring ausgebildet ist, der entlang seines gesamtes Umfanges hohl ist. An den Ventilsitzring ist ein zu der Einsteckrichtung des Ventilsitzringes achsparallel ausgerichtetes und die Kondensationszone bildendes, nach außen abgeschlossenes Rohr angeordnet, dessen Hohlraum frei mit dem Hohlraum des Ventilsitzringes strömungsverbunden ist. Das Rohr, welches dichtend durch eine Einsteckberührung einer Kühlkanalwandung des Zylinderkopfes hindurch gesteckt ist, ragt in den Kühlmittelkanal hinein. Auf diese Weise soll eine gleichmäßige Kühlung des Ventilsitzringes gewährleistet werden. Allerdings lässt sich dadurch nicht verhindern, dass heißere und kühlere Bereiche in der Zylinderkopfdecke auftreten (selbst, wenn alle Ventile diese Applikation besitzen), wodurch diese unterschiedliche Wärmedehnungen erfährt. Unterschiedliche Wärmedehnungen in der Zylinderkopfdecke können wiederum zur Rissbildung führen.
Auch aus der US 3,822,680 A ist ein Ventilsitzring für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher durch ein Wärmerohr umgeben ist, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Ventilsitz zu erreichen. Durch das am Ventilsitzumfang liegende Wärmerohr wird zwar bei jedem Ventil eine Vergleichmäßigung der Umfangstemperaturen erreicht, eine Kühlung im engeren Sinn – sowohl der einzelnen Ventilsitze, als auch der Zylinderkopfdecke – ist mit dieser bekannten Anordnung jedoch nicht gegeben. Ein zusätzlicher Nachteil dieser bekannten Anordnung ist die Tatsache, dass der Hohlraum, der das Wärmerohr bildet, über einen Presssitz ausgeführt ist. Eine solche Verbindung bietet bei Anwendung in Wärmerohren keinerlei Sicherheiten gegen Undichtheiten. Der Angriff des Arbeitsmitteldampfes in einem Wärmerohr ist derart extrem, dass ein Versagen eines in dieser Weise aufgebauten Wärmerohres mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits nach einigen wenigen Minuten eintreten kann. Aus der US 3,822,680 A ist es weiters bekannt, die Ventilsitzringe von zwei benachbarten Ventilsitzen jeweils von einem Wärmerohr zu umgeben, um insbesonders den thermisch kritischen Bereich zwischen den Ventilssitzen gleichmäßig zu kühlen. Eine Verbindung zwischen den Wärmerohren ist nicht vorgesehen.
Getrennte Wärmerohrsysteme zur Kühlung eines Motorblockes und eines Zylinderkopfes werden in der DE 38 05 131 A eingesetzt.
Die DE 28 25 298 A1 offenbart einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderdeckel eines Viertakt-Dieselmotors mit mehreren Gruppen von Kühlbohrungen, welche unterschiedlichen und voneinander getrennten Kühlkreisläufen angehören und von Kühlmitteln mit unterschiedlichen Temperaturen durchströmt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs erwähnten Art einerseits eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung am gesamten Umfang jedes einzelnen Ventilsitzes und andererseits eine möglichst gleichmäßige Temperatur aller Ventilsitze und eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung im Bereich der Zylinderkopfdecke zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest zwei Wärmerohre miteinander thermisch verbunden und strömungsverbunden sind. Dadurch, dass zumindest zwei ringförmige Wärmerohre miteinander strömungsverbunden sind, wird ein selbstregelnder Temperaturausgleich von heißeren und kühleren Bereichen der Zylinderkopfdecke geschaffen. Zusätzlich ist neben dieser Temperaturvergleichmäßigung eine echte Kühlwirkung gegeben. Die am Ventilsitz bzw. dem Bereich der Einspritz- und/oder Zündvorrichtungen, sowie dem Zylinderkopfboden anfallende Wärmemenge wird über die Wärmerohre zum Motor-Kühlmittelkreislauf, oder zum Motor-Schmierölkreislauf (oder zu beiden) geführt. Dadurch wird neben einer Beschränkung der maximal erreichbaren Bauteiltemperaturen (bei gegebener Leistung) durch eine aktive Kühlung auch ein deutlich verbessertes Warmlaufverhalten des Motors erreicht.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest zwei Ventilsitze jeweils von einem ringförmigen Wärmerohr umgeben sind und diese Wärmerohre miteinander strömungsverbunden sind. Auf diese Weise ist eine Temperaturableitung von heißeren Ventilsitzen zu kühleren Ventilsitzen möglich.
Bei einem Zylinderkopf mit zumindest einen in den Brennraum mündenden Bauteil ist es zur Erzielung eines Temperaturausgleiches sehr vorteilhaft, wenn ein weiteres Wärmerohr um ein vorzugsweise zentral angeordnetes Bauteil, vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündeinrichtung, angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest ein, einen Ventilsitz umgebendes, Wärmerohr mit einem weiteren Wärmerohr strömungsverbunden ist.
Die Wärmerohre können über Verbindungskanäle miteinander verbunden sein. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, dass sich zumindest zwei benachbarte Wärmerohre miteinander schneiden und somit eine brillen- oder achterförmige Wärmerohranordnung entsteht. Dabei können auch mehrere dieser brillen- oder achterförmigen Wärmerohranordnungen miteinander strömungsverbunden sein bzw. aneinander gekoppelt sein. Die Wärmerohre werden bevorzugt zusammen mit dem Zylinderkopf gegossen (Salzkernmethode). Um das Entkernen zu erleichtern und das Befüllen der Wärmerohre mit dem Arbeitsmedium zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass von jedem Wärmerohr mindestens ein, vorzugsweise mindestens zwei Füllungs- oder Entlüftungskanäle ausgehen. Diese Füllungs- oder Entlüftungskanäle können zur Wärmeabfuhr in den Kühlmittelkreislauf, in den Schmierölkreislauf und/oder in die Umgebung ragen. Damit ist eine echte, aktive Kühlung jedes einzelnen Wärmerohrverbandes gewährleistet.
Die Erfindung eignet sich besonders gut dazu, um einen Temperaturausgleich zwischen Einlass- und Auslassseite zu schaffen. Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Wärmerohre von Ventilsitzen von zumindest einem Einlassventil und zumindest einem Auslassventil miteinander verbunden sind.
Eine besonders gute gleichmäßige Temperaturverteilung der, Zylinderkopfdecke lässt sich erreichen, wenn pro Zylinder die Wärmerohre aller Ventilsitze miteinander verbunden sind.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, dass die Wärmerohre von Ventilsitzen unterschiedlicher Zylinder miteinander verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich auch ein Temperaturausgleich der Zylinderkopfdecken benachbarter Zylinder erreichen.
Obendrein gibt es einen Warmlaufeffekt: Wird die Wärmemenge, die ziemlich schnell (sofort nach dem Motorstart) in den beschriebenen Zylinderkopfbereichen vorhanden ist, über die Wärmerohre und die Füllungs- oder Entlüftungskanäle ins Kühlmittel und/oder Schmieröl geleitet, bedeutet dies, dass der Motor im Vergleich zu bekannten Brennkraftmaschinen schneller warm wird und somit rascher seine Betriebstemperatur erreicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch
1 eine Wärmerohranordnung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht,
2 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht,
3 diese Wärmerohranordnung in einer Draufsicht,
4 eine Wärmerohranordnung in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht,
5 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht,
6 diese Wärmerohranordnung in einer Draufsicht,
7 eine Wärmerohranordnung in einer dritten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht,
8 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht,
9 diese Wärmerohransicht in einer Draufsicht,
10 eine Wärmerohranordnung in einer vierten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht,
11 diese Wärmerohranordnung in einer Seitenansicht,
12 diese Wärmerohranordnung in einer Draufsicht,
13 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit einer Wärmerohranordnung gemäß den 1 bis 3 in einem Schnitt gemäß der Linie XIII-XIII in 3 und
14 einen Zylinderkopf mit einer Wärmerohranordnung gemäß den 7 bis 9 in einem Schnitt nach der Linie XIV-XIV in 9.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 3 zeigen eine Wärmerohranordnung 1 für einen Zylinderkopf 2 einer Brennkraftmaschine. Die Wärmerohranordnung 1 besteht aus mehreren ringförmigen Wärmerohren 3, 4, welche miteinander strömungsverbunden sind. Die Wärmerohre 3 sind dabei jeweils im Bereich der Ventilsitze 5 der Hubventile 6 im Zylinderkopf angeordnet, wie insbesondere aus 14 hervorgeht. Bei dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ventilsitze 5 durch Ventilsitzringe 5a gebildet.
Das ringförmige Wärmerohr 4 ist um einen zentralen Bauteil 12, beispielsweise eine Einspritzeinrichtung (siehe 13) angeordnet.
Bei den in den 1 bis 3, 4 bis 6 und 10 bis 12 dargestellten Ausführungsvarianten sind die Wärmerohre 3 und 4 jeweils durch Verbindungskanäle 7 miteinander strömungsverbunden. Die Verbindungskanäle 7 können aber auch entfallen, wenn benachbarte Wärmerohre 3 sich gegenseitig durchdringen bzw. schneiden, wie in den 7 bis 9 gezeigt ist. Dadurch entsteht ein brillen- bzw. achterförmiges Erscheinungsbild in der Draufsicht.
Die Wärmerohranordnung 1 wird zusammen mit dem Zylinderkopf 2 gegossen, wobei verlorene Kerne, beispielsweise Salzkerne, eingesetzt werden. Um die Entfernung der Salzkerne nach dem Gießen zu ermöglichen, weist jedes Wärmerohr 3, 4 einen Füllungs- bzw. Entlüftungskanal 8a, 8b auf. Zumindest ein Füllungs- bzw. Entlastungskanal 8a, 8b kann zur Füllung des Wärmerohrmediums verwendet werden. Sämtliche Füllungs- bzw. Entlüftungskanäle 8a, 8b werden nach vorgenommener Füllung gasdicht verschlossen. Der Winkel α zwischen den Füllungs- bzw. Entlüftungskanälen 8a, 8b und einer Zylinderkopfdichtebene 9 kann zwischen 0 bis 90° betragen.
Die 4 bis 6 zeigen Wärmerohranordnungen 1 für einen Zylinder 10 eines Zylinderkopfes 2, bei der die Wärmerohre 3 von jeweils zwei Ventilsitzen 5 über Verbindungskanäle 7 miteinander verbunden sind. Somit kann beispielsweise der Ventilsitz 5 eines Einlassventiles 6a mit dem Ventilsitz 5 eines Auslassventiles 6b thermisch verbunden werden, wodurch ein Temperaturausgleich zwischen Einlass- und Auslassseite hergestellt wird. Die Wärmerohranordnungen 1 für zwei Ventilsitzpaare eines Zylinders 10 können ebenfalls über Verbindungskanäle 7 miteinander verbunden sein, wie in 4 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Auf diese Weise lässt sich ein guter Temperaturausgleich für die gesamte Zylinderkopfdecke 11 eines Zylinders 10 des Zylinderkopfes 2, aber auch zwischen benachbarten Zylindern 10 schaffen.
Durch die gleichmäßigere Temperaturverteilung am Zylinderkopfboden 11 werden Verzugserscheinungen des Zylinderkopfes 2 und damit Undichtheiten im Bereich der Ventilsitze 5 vermieden, was sich vorteilhaft auf die Standzeit der Hubventile 6 und Ventilsitzringe 5 sowie der Einspritzeinrichtung auswirkt. Zusätzlich wird durch die Vermeidung von lokalen Übertemperaturen („hot spots”) die Rißneigung des Zylinderkopfgusswerkstoffes herabgesetzt. Es kann also mit ein und demselben Zylinderkopfgusswerkstoff eine höhere Leistung des Motors realisiert werden. Oder – anders ausgedrückt – man kann die gleiche Leistung des Motors mit einem minderwertigeren (und damit in der Regel billigeren und/oder leichter bearbeitbaren) Zylinderkopfgusswerkstoff erreichen. Darüber hinaus haben die beschriebenen Wärmerohre durch ihre sehr kleine thermische Trägheit auch im dynamischen Betrieb große Vorteile. Auftretende Temperaturdifferenzen werden sehr viel schneller ausgeglichen, als über bekannte und bis jetzt verwendete Wärmeleitungsmechanismen allein.

Claims

Zylinderkopf (2) einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen (6) pro Zylinder (10), welche im geschlossenen Zustand jeweils auf einem Ventilsitz (5) aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz (5) von einem ringförmigen Wärmerohr (3, 4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3, 4) miteinander thermisch verbunden und strömungsverbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Ventilsitze (5) jeweils von einem Wärmerohr (3) umgeben sind und diese Wärmerohre (3) miteinander thermisch verbunden und strömungsverbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Wärmerohr (4) um einen vorzugsweise zentral angeordneten Bauteil (12), vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündeinrichtung, angeordnet ist.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein einen Ventilsitz (5) umgebendes Wärmerohr (3) mit dem weiteren Wärmerohr (4) thermisch, vorzugsweise strömungsverbunden, ist.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3, 4) durch zumindest einen Verbindungskanal (7) miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest zwei benachbarte Wärmerohre (3, 4) miteinander schneiden.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (3, 4) zusammen mit dem Zylinderkopf (2) gegossen sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Wärmerohr (3, 4) zumindest ein, vorzugsweise zumindest zwei Füllungs- oder Entlüftungskanäle (8a, 8b) ausgehen.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (3, 4) von Ventilsitzen (5) von zumindest einem Einlassventil (6a) und zumindest einem Auslassventil (6b) miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinder (10) die Wärmerohre (3, 4) aller Ventilsitze (5) miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (3, 4) von Ventilsitzen (5) unterschiedlicher Zylinder (10) miteinander verbunden sind.
Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (3, 4) eine brillen- oder achterförmige Wärmerohranordnung (1) bilden.
Zylinderkopf (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei brillen- oder achterförmigen Wärmerohranordnungen (3, 4) miteinander verbunden sind.