DE10321035B3 - Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit folgenden Merkmalen: DOLLAR A - ein Zylinderkopf (1) zur Begrenzung eines Brennraumes der Brennkraftmaschine mit einer Einlass- und einer Auslassseite und DOLLAR A - ein Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Zylinderkopfes, wobei einem Brennraum DOLLAR A - wenigstens zwei Einlass- und zwei Auslassventile zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen, die im Zylinderkopf angeordnet sind, DOLLAR A - ein erster Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse (4), DOLLAR A - ein Kühlmittelraum des Kühlmittelkreislaufs zugeordnet sind, wobei DOLLAR A - eine Kühlmittelströmung quer zur Brennkraftmaschinenlängsrichtung von der Auslassseite zu der Einlassseite des Zylinderkopfes geführt ist, und DOLLAR A - ein zweiter Aufnahmeschacht für eine Glühkerze (5) zwischen zwei den Einlassventilen zugeordneten Einlasskanälen (2) zumindest teilweise vom Kühlmittelraum (11) umgeben ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
• Aus der DE 41 16 943 C2 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt, der zwei Einlass- und zwei Auslassventile für jeden Brennraum aufweist, von denen jeweils Ein- und Auslasskanäle zu einer Einlass- und einer Auslassseite führen. Ungefähr in Zylindermitte ist für jeden Brennraum ein Aufnahmeschacht für eine Einspritzdüse oder eine Zündkerze angeordnet. Sowohl der Aufnahmeschacht als auch die Ein- und Auslasskanäle sind von Kühlmittel umströmt um eine gute Kühlung der wärmebelasteten Bauteile zu bieten.
• Aus der DE 38 19 655 C1 ist ebenfalls ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt, der zwei Einlass- und zwei Auslassventile für jeden Brennraum aufweist, von denen jeweils Ein- und Auslasskanäle zu einer Einlass- und einer Auslassseite führen. Auch hier ist ungefähr in Zylindermitte für jeden Brennraum ein Aufnahmeschacht für eine Einspritzdüse oder eine Zündkerze angeordnet. Für eine hohe Steifigkeit und einen geringen Platzbedarf sind die Ein- und Auslasskanäle sowie der Aufnahmeschacht teilweise zusammengegossen.
• Aus der DE 832 703 C ist eine Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit jeweils mindestens zwei Einlass- und Auslassventilen, dazugehörigen Kanälen und einem Aufnahmeschacht für eine Zündkerze bekannt. Diese Einlass- und Auslasskanäle und der Aufnahmeschacht für eine Zündkerze sind von Kühlmittel umströmt. Des weiteren ist in der DE 832 703 C eine sogenannte Querstromkühlung beschrieben.
• Aus der EP 1 293 652 A2 ist ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit jeweils zwei Einlass- und Auslassventilen, dazugehörigen Kanälen und einem Aufnahmeschacht für ein Einspritzventil bekannt. Die Einlass- und Auslasskanäle und der Aufnahmeschacht für das Einspritzventil sind teilweise von Kühlmittel umströmt. Weiterhin weist der Zylinderkopf in der EP 1 293 652 A2 einen Aufnahmeschacht für eine Glühkerze auf, der jedoch weitestgehend mit Einlasskanälen und dem Aufnahmeschacht für das Einspritzventil zusammengewachsen ist, so dass sich zwischen diesen Baugruppen kein Kühlmittelraum ergibt.
• Aus der DE 100 35 239 A1 ist ein Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bekannt, bei dem jedoch die Aufnahmeschächte für eine Zündkerze oder eine Einspritzventil jeweils mit mindestens einem Gaswechselkanal zusammengewachsen sind.
• Aus der DE 100 60 682 A1 ist ebenfalls ein Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bekannt, bei dem jedoch die Aufnahmeschächte für eine Zündkerze oder eine Einspritzventil jeweils mit mindestens einem Gaswechselkanal zusammengewachsen sind. Zu besseren Kühlung der Zündkerze ist bei der DE 100 60 682 A1 eine Bohrung durch die gemeinsame Wand zwischen Zündkerzenschacht und Gaswechselkanal vorgesehen, bei der jedoch der Zündkerzenschacht nicht rundum von Kühlmedium umströmt ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber eine Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit jeweils zwei Ein – und Auslassventilen bereit zu stellen, der die Möglichkeit bietet, eine Glühkerze in Brennraumnähe anzuordnen und dabei eine ausreichende Kühlung des Zylinderkopfes und insbesondere der Glühkerze zu gewährleisten.
• Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches gelöst.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass eine Kühlmittelströmung quer zur Brennkraftmaschinenlängsrichtung von der Auslassseite zu der Einlassseite des Zylinderkopfes geführt ist. Als weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist ein zweiter Aufnahmeschacht für eine Glühkerze zwischen zwei Einlasskanälen, die jeweils den Einlassventilen zugeordnet sind, zumindest teilweise vom Kühlmittelraum umgeben. Bei einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine sind im Allgemeinen mehrere Brennräume entsprechend den Zylindern in einer Reihe angeordnet. Das führt dazu, dass sowohl Ein- und Auslasskanäle als auch sonstige Vorrichtungen wie zum Beispiel Aufnahmeschächte für Glühkerzen auf die seitlichen Begrenzungswände geführt sind, da zur Oberseite des Zylinderkopfes der Bauraum aufgrund der Bauhöhe der Brennkraftmaschine eingeschränkt ist und zusätzlich noch Elemente der Ventilsteuerung und der Einspritzvorrichtung dort angeordnet sind. Aufgrund der großen Wärmeentwicklung auf der Auslassseite des Zylinderkopfes ist die Glühkerze meist so angeordnet, dass sie von der Einlassseite aus montiert und mit Strom versorgt werden kann. Bei einem Zylinderkopf mit zwei Einlassventilen je Brennraum, die in einem gemeinsamen oder zwei Einlasskanälen auf der Einlassseite münden, ist es aus Bauraumgründen vorteilhaft die Glühkerze, bzw. den Aufnahmeschacht dafür, in der Draufsicht auf den Zylinderkopf gesehen zwischen den beiden Einlasskanälen anzuordnen. Auf diese Weise ragt ein Anschlusselement der Glühkerze seitlich des Zylinderkopfes weg, verlängert jedoch nicht den Zylinderkopf in Längsrichtung. Um ein Überhitzen und damit Versagen des Zylinderkopfwerkstoffes aufgrund der Verbrennung im Brennraum und ungenügender Kühlung zu vermeiden, ist es vorgesehen den zweiten Aufnahmeschacht für die Glühkerze zumindest teilweise zu kühlen. Bei einer gezielten Kühlung des ersten Aufnahmeschachts für die Einspritzdüse oder die Zündkerze und des zweiten Aufnahmeschachts für die Glühkerze bei gleichzeitiger Kühlung der Ein- und Auslasskanäle ist ein ausreichender Schutz vor Überhitzung und Versagen des Zylinderkopfes gegeben. Gleichzeitig wird jeder Brennraumabschnitt des Zylinderkopfes gleichmäßig gut von Kühlmittel durchströmt und es bilden sich keine Ungleichmäßigkeiten in der Kühlung zwischen den einzelnen Brennraumabschnitten aus, die zu Schäden an der Zylinderkopfstruktur bzw. der Brennkraftmaschine führen könnten. Weiterhin ist ein Bereich zwischen einem Einlasskanal und dem zweiten Aufnahmeschacht von Kühlmittel durchströmbar. Durch gezielte Kühlung des Bereiches zwischen dem zweiten Aufnahmeschacht und den Einlasskanälen, insbesondere in Brennraumnähe, wo die Konturen der beiden Einlasskanäle und des zweiten Aufnahmeschachts zusammenwachsen, ist einer Überhitzung und Versagen des Zylinderkopfes wirksam vorgebeugt.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Bereich zwischen dem ersten Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse und dem zweiten Aufnahmeschacht für eine Glühkerze ein Kühlmittelraum angeordnet. Durch gezielte Kühlung dieser beiden Aufnahmeschächte und des Bereiches dazwischen, insbesondere in Brennraumnähe, wo die Konturen der beiden Aufnahmeschächte zusammenwachsen, ist einer Überhitzung und Versagen des Zylinderkopfes wirksam vorgebeugt.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verläuft der zweite Aufnahmeschacht im Wesentlichen oberhalb eines Einlasskanals. Eine weitere Verbesserung der Kühlung des zweiten Aufnahmeschachtes wird dadurch erreicht, dass die Einlasskanäle im Wesentlichen unterhalb des Schachtes verlaufen, d.h. die Einlasskanäle verlaufen flach am Brennraum entlang zur Einlassseite und der zweite Aufnahmeschacht für die Glühkerze verläuft steil nach oben und mündet oberhalb der Einlasskanäle auf der Einlassseite oder im Bereich einer Zylinderkopfhaube nach außen. Durch die verschiedenen Richtungen der Einlasskanäle und des zweiten Aufnahmeschachts vergrößert sich der Abstand dieser Baugruppen zueinander und erleichtert die Gestaltung eines ausreichend großen Kühlmittelraumes.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der von Kühlmittel durchströmte Bereich zwischen dem ersten Aufnahmeschacht und dem zweiten Aufnahmeschacht durch spanende Bearbeitung hergestellt. Da die Platzverhältnisse im Innern eines Zylinderkopfes sehr beengt und die Abstände zwischen dem ersten Aufnahmeschacht, dem zweiten Aufnahmeschacht und den Einlasskanälen sehr gering sind, bzw. durch Toleranzen der Gusswandstärken und einem evtl. vorhandenen Versatz der Gussformen unter Umständen verschwinden, ist es durch eine einfache Gestaltung des Gießkernes des Kühlmittelraumes nicht möglich, eine unter allen Umständen betriebssichere Kühlung der Bauelemente zu gewährleisten. Durch eine spanende Bearbeitung, wie z.B. Bohren eines Kanals zwischen zwei Bereichen des Kühlmittelraumes, ist es möglich, auch den Bereich zwischen zwei zusammengegossenen Bauteilen zumindest teilweise zu kühlen. Eine gezielte Kühlmittelströmung durch eine Bohrung zwischen dem ersten Aufnahmeschacht für eine Einspritzdüse oder eine Zündkerze und einem zweiten Aufnahmeschacht für eine Glühkerze verringert die Temperaturbelastung dieses Bereiches des Zylinderkopfes und vergrößert die Festigkeit des Werkstoffes, der bei steigender Temperatur ansonsten seine Festigkeitswerte verschlechtert.
• Trotz einer Bohrung, bzw. eines Bereiches ohne tragenden Werkstoff, ist auf diese Weise die Gesamtfestigkeit des Zylinderkopfes vergrößert, was sich in einer erhöhten Haltbarkeit und Lebensdauer auswirkt. Durch die reduzierte Temperaturbelastung ist auch einer Verformung des Zylinderkopfes bei hohem Zünddruck und hoher Temperatur vorgebeugt, was ebenfalls einer Lebensdauererhöhung des Zylinderkopfes und einer zughörigen Zylinderkopfdichtung zum Vorteile gereicht.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine Draufsicht auf einen Zylinderkopf abschnitt und
• 2 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf.
• In der 1 ist ein Zylinderkopf 1 einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine in einem Abschnitt für einen Zylinder in einer Draufsicht, d.h. Ansicht in Zylinderrichtung, dargestellt. Der Zylinderkopf 1 ist mit zwei Einlasskanälen 2 und zwei gegenüberliegenden Auslasskanälen 3 versehen. Ungefähr an einem Kreuzungspunkt zweier sich gegenüberliegender Ein- bzw. Auslasskanäle 2, 3 ist ungefähr in Zylinderrichtung eine Einspritzdüse 4 angeordnet. Zwischen den beiden Einlasskanälen 2 ist eine Glühkerze 5 angeordnet. Sowohl die Ein- und Auslasskanäle 2, 3 als auch die Einspritzdüse 4 und die Glühkerze 5 sind von Zylinderkopfgussmaterial umgeben, das seinerseits von Kühlmittel umgeben ist. Das Kühlmittel strömt an einem Kühlmittelzufluss 6 in den Zylinderkopf 1, umströmt die beiden Auslasskanäle 3, wobei ein Großteil des Kühlmittels zwischen den beiden Auslasskanälen durchströmt, und die Einspritzdüse 4 umströmt. Danach strömt das Kühlmittel zum größeren Teil zwischen den beiden Einlasskanälen 2 um den Glühstift 5 und zum kleineren Teil außen an den Einlasskanälen vorbei zu einem Kühlmittelabfluss 7 zum nicht gezeigten Zylindergehäuse. Der größere Anteil des Kühlmittels strömt entsprechend den dicken gestrichelten Pfeilen 8, eine kleinere Teilmenge strömt entsprechend den dünnen gestrichelten Pfeilen 9.
• In der 2 ist ein erfindungsgemäßer Zylinderkopf 1 in einem ungefähr zylindermittigen Querschnitt gezeigt. Durch den Schnittverlauf ungefähr durch die Mitte des Zylinderkopfes 1 sind sowohl die Einlasskanäle 2 als auch die Auslasskanäle 3 nur teilweise zu sehen. Die Einspritzdüse 4 liegt in der Schnittebene und ist ungefähr in Zylinderrichtung, d.h. senkrecht zur Bodenebene 10 des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Zwischen der Einspritzdüse 4 und den Einlasskanälen 2 ist eine Glühkerze 5 derart angeordnet, dass sie in der unmittelbaren Nähe der Einspritzdüse in die Bodenebene 10 des Zylinderkopfes mündet. Gleichzeitig ist zwischen einer Gusswand um die Einspritzdüse und einer Gusswand um die Glühkerze ein Hohlraum 11 für Kühlmittel angeordnet. Die Glühkerze 5 ist schräg in dem trichterförmigen Zwischenraum zwischen den beiden Einlasskanälen angeordnet und zwar soweit, wie es die Forderungen nach einer Mindestgusswandstärke sowohl um die Glühkerze als auch um die Einlasskanäle 2 zulassen.
• Da die Bodenebene 10 des Zylinderkopfes 1 hoch belastet ist, ist ein Dauerhaltbarkeit nur durch eine gute Kühlung des Zylinderkopfes in diesem Bereich erreichbar. Die Bodenebene 10 wird durch die Brennraumtemperatur und den Verbrennungsdruck hochbelastet und der hochbelastete Abschnitt liegt im Bereich des nicht gezeigten Brennraumes um die Einspritzdüse 4 und die nicht gezeigten Gaswechselventile, von denen die Ein- und Auslasskanäle 2, 3 beginnen. Die gute Kühlung wird erreicht durch eine gezielte Kühlung der Bodenebene 10 des Zylinderkopfes um die Ein- und Auslassventile, bzw. -kanäle 2, 3 und die Einspritzdüse 4 und die Glühkerze 5. Diese gezielte Kühlung wird dadurch ermöglicht, dass das Kühlmittel durch den Kühlmittelzufluss 6 auf der Seite der Auslasskanäle 3 in den Zylinderkopf 1 strömt. Von dort strömt der Hauptteil des Kühlmittels entlang der Bodenebene 10 – entsprechend dem Pfeil 12 – zur Einspritzdüse 4 und umspült diese. Im Anschluss strömt das Kühlmittel in den Zwischenraum 13, der zwischen der Einspritzdüse und der Glühkerze 5 in Bodennähe gebildet ist, umspült die Glühkerze – entsprechend dem Pfeil 14 – und verlässt den Zylinderkopf durch den Kühlmittelabfluss 7.
• Der Zwischenraum 13 wird entweder durch Gießen des Zylinderkopfes 1 hergestellt, oder er wird zum Beispiel durch Bohren oder eine sonstige spanende Bearbeitung bei der mechanischen Bearbeitung des Zylinderkopfes hergestellt. Eine nachträgliche mechanische Bearbeitung des Zylinderkopfes 1 ist bei engen Platzverhältnissen zwischen der Einspritzdüse 4 und der Glühkerze 5, bei denen die Gusswandstärken im Bereich der Bodenebene 10 zusammenwachsen von Vorteil. Der Vorteil ergibt sich dadurch, dass eine genau definierte Größe des Zwischen raumes 13 entsteht, unabhängig von Toleranzen der Gusswandstärken oder Kernversatz beim Gießen. Eine nicht gezeigte Öffnung zum Zuführen eines Bohrwerkzeuges zum Bohren des Zwischenraumes 13 im oberen Bereich des Zylinderkopfes 1 wird mit üblichen Mitteln wie z.B. einem Kernlochdeckel verschlossen. Der Zwischenraum 13 kann aus einer oder mehreren Bohrungen bestehen, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen können.
• Der kleinere Teil des Kühlmittels umströmt nach Eintritt in den Zylinderkopf 1 durch den Kühlmittelzufluss 6 die Auslasskanäle 3, die Einspritzdüse 4 und anschließend die Einlasskanäle 2, um danach gemeinsam mit dem Hauptstrom durch den Kühlmittelabfluss 7 den Zylinderkopf zu verlassen.
• Die Kühlmittelströme werden durch Rippen, Wände und unterschiedliche Strömungsquerschnitte im Kühlmittelraum gelenkt. Auf diese Weise wird eine gute Kühlung der Bodenebene 10 des Zylinderkopfes 1, insbesondere zwischen den Ventilen, der Einspritzdüse und der Glühkerze, erreicht und damit die Haltbarkeit bei hohen Brennraumtemperaturen und -drücken wesentlich erhöht.

Claims (4)

1. Brennkraftmaschine mit – einem Zylinderkopf (1) zur Begrenzung eines Brennraumes der Brennkraftmaschine mit einer Einlass- und einer Auslassseite und – einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Zylinderkopfes, wobei einem Brennraum – wenigstens zwei Einlass- und zwei Auslassventile zum Verschließen entsprechender Einlass- und Auslassöffnungen, die im Zylinderkopf angeordnet sind, – ein erster Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse (4) sowie – ein Kühlmittelraum des Kühlmittelkreislaufs zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelströmung quer zur Brennkraftmaschinenlängsrichtung von der Auslassseite zu der Einlassseite des Zylinderkopfes geführt ist und ein zweiter Aufnahmeschacht für eine Glühkerze (5) zwischen zwei den Einlassventilen zugeordneten Einlasskanälen (2) zumindest teilweise vom Kühlmittelraum umgeben ist und dass ein Bereich zwischen einem Einlasskanal (2) und dem zweiten Aufnahmeschacht von Kühlmittel durchströmbar ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich zwischen dem ersten Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse (4) und dem zweiten Aufnahmeschacht für eine Glühkerze (5) ein Kühlmittelraum (11) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aufnahmeschacht im Wesentlichen oberhalb eines Einlasskanals (2) verläuft.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der von Kühlmittel durchströmte Bereich zwischen dem ersten Aufnahmeschacht und dem zweiten Aufnahmeschacht durch spanende Bearbeitung hergestellt ist.