DE19802060A1

DE19802060A1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen, je Zylinder mehrventiligen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19802060A1
Application number: DE19802060A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Flierl; Georg Malek; Uwe Brendel; Norbert Dr Deussen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 1999-07-22
Also published as: ES2210649T3; EP0931925A3; EP0931925B1; DE59810082D1; EP0931925A2

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf einer mehrzylindrigen, je Zylinder mehrventiligen Brennkraftmaschine, mit einem zwischen Außenwänden von einem Zylinderkopf boden und einer beabstandeten Deckwand begrenzten Kühlmittelraum, der zur Kühlmittelquerströmung mittels zwischen Schraubenpfeifen einer Zylinderkopf-Ver schraubung vorgesehenen Querwänden in Abschnitte unterteilt ist, wobei zwischen benachbarten Querwänden jeweils zu einem Sammelkanal vereinigte, gleichartige Gaswechselkanäle zur jeweiligen Außenwand gerichtet verlaufend angeordnet sind, und inmitten der zylinderkopfseitig endenden Gaswechselkanäle ein die Deckwand durchsetzender Dom für eine Zündkerze und/oder eine Einspritzdüse vorgesehen ist.

Ein derartiger Zylinderkopf ist beispielsweise aus der DE-C 38 38 953 bekannt. Nachteilig bei diesem bekannten Zylinderkopf ist der relativ große Kühlmittelraum, wobei die Geschwindigkeit der Querströmung in jedem Kühlmittelraum-Abschnitt über zu dem mittigen Dom gerichtet an den Querwänden angeordnete Vorsprünge bestimmt ist, die über ihre Höhe gegeneinander versetzt angeordnete Strömungs kanten aufweisen. Diese Vorsprünge weisen deckwandseitig relativ nah dem Dom beabstandete Strömungskanten auf, dagegen zylinderkopfbodenseitig vom Dom weit entfernt angeordnete Strömungskanten zur Erzielung eines relativ großen Strömungsquerschnittes bei mäßiger Strömungsgeschwindigkeit.

Demgegenüber zeigt und beschreibt die DE-C 196 08 576 einen ausschließlich quer durchströmten Zylinderkopf mit einem jedem Brennraumbereich zugeordneten Kühlmittelraum-Abschnitt, wobei der jeweilige Kühlmittelraum-Abschnitt zur Erzie lung einer relativ hohen, turbulenten Strömungsgeschwindigkeit relativ niedrig aus gebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Zylinderkopf mit Kühlmittelraum-Abschnitten zur Querströmung so auszugestalten, daß der Kühl mittelführung dienende Elemente für eine turbulente Strömung in Kühlmittelraum- Abschnitten von mittlerer Höhe zusätzlich einer erhöhten Steifigkeit des Zylinder kopfes dienen.

Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß der Zylinderkopf zumindest einen von einem einwärts zur Zylinderkopf-Längsmittenebene geneigten Abschnitt der Außenwand begrenzten Längskanal aufweist, der ferner von einem angrenzenden Zylinderkopf-Bodenabschnitt und einer diesen mit dem Außenwand- Abschnitt verbindenden Längswand gebildet ist, wobei die von einem Gaswechsel- Sammelkanal durchsetzte Längswand je eine ober und eine unter diesem Sam melkanal angeordnete Durchbrechung aufweist und die jeweilige zylinderkopf bodenseitig untere, in ihrem Querschnitt in Abhängigkeit der Entfernung von einem einzigen Kühlmittelzulauf des Längskanals gewählte Durchbrechung mit auf einen freien Ventilstegbereich zwischen gesonderten, gleichartigen Gaswechselkanälen gerichteten Leitrippen in Verbindung steht, die jeweils mit einem bodenseitigen An schlußbereich des jeweiligen Gaswechselkanals eine Kühlmittelpassage bilden, und daß die obere Durchbrechung über dem Sammelkanal der Kühlmittelbeaufschla gung von zwischen jeweiligem Gaswechselkanal und der Deckwand ausgebildeten Ventilführungen dient.

Mit der Erfindung ist an einer Längsseite des Zylinderkopfes ein im Querschnitt drei eck- bis trapezförmiger Längskanal erzielt, der einerseits eine den einzelnen Kühl mittelraum-Abschnitten angepaßte Kühlmittelzufuhr in vorteilhafter Weise ermöglicht und der zum anderen wesentlich zu einer erhöhten Steifigkeit des Zylinderkopfes beiträgt. Zur weiteren Aussteifung des Zylinderkopfbodens zwischen der Längswand des Längskanals und den jeweiligen Brennraumgrenzen tragen ferner die von der Längswand jeweils ausgehenden Leitrippen bei, die gemäß einer weiteren Ausge staltung mit dem Zylinderkopfboden und dem jeweiligen Sammelkanal sowie den anschließenden gesonderten Gaswechselkanälen jeweils in einstückiger Verbin dung stehen.

Zur weiteren Aussteifung des Zylinderkopfes trägt weiter wesentlich bei, daß die Schraubenpfeifen zwischen der Deckwand und dem Zylinderkopfboden über etwa V-förmig angeordnete Wandungen mit der Längswand des Längskanals in ein stückiger Verbindung stehen zur Bildung eines Ölrücklaufkanals mit einer in der Deckwand vorgesehenen Zulauföffnung, wobei die Längswand bodenseitig dem Öl rücklaufkanal benachbart angeordnete Überströmöffnungen für das Kühlmittel aus dem Längskanal aufweist. Mit diesen Überströmöffnungen ist weiter sichergestellt, daß Kühlmittelanteile der jeweils benachbarten, von einer Leitrippe und dem jeweili gen Gaswechselkanal begrenzten Kühlmittelpassage zugeführt sind mit dem Vorteil einer tei4weisen Umströmung dieses Gaswechselkanals.

In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß der Längskanal von einem je weiligen Gaswechsel-Sammelkanal derart vom Zylinderkopf-Bodenabschnitt beab standet durchsetzt ist, daß der Strömungsquerschnitt des Längskanals über dem Sammelkanal zur oberen Durchbrechung zur Kühlung der Ventilführungen relativ zu dem Strömungsquerschnitt unter dem Sammelkanal zur unteren Durchbrechung als Drosselquerschnitt dient. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß für die den Leitrippen zugeordnete Durchbrechung eine dem Bedarf des jeweiligen Kühlmittel raum-Abschnittes entsprechende Kühlmittelmenge über die schlitz- bis rechteckig gestaltete Durchbrechung zuführbar ist.

Eine zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit in Querrichtung des Zylin derkopfes vorteilhafte Ausgestaltung ist im weiteren dadurch erreicht, daß die den gesonderten Gaswechselkanälen jedes längskanalseitigen Gaswechsel-Sammel kanals gegenüberliegend angeordneten Gaswechselkanäle jenseits des Domes über eine verbundene Anordnung eine bodennah nach beiden Seiten zu den Quer wänden gerichtete Kühlmittelführung bilden, und an den Querwänden vorgesehene Vorsprünge der weiteren Kühlmittelführung zur Querdurchströmung des Kühlmittel raum-Abschnittes dienen, wobei die freien Querschnitte zwischen den verbundenen Gaswechselkanälen und den Querwänden sowie der Deckwand als eine ablaufsei tige Drosselstelle dienen.

Diese Ausgestaltung ermöglicht in vorteilhafter Weise in Kombination mit einem weiteren Merkmal, wonach der Längskanal an einem Ende pumpenablaufseitig an geschlossen ist, einerseits eine Zuführung kalten Kühlmittels mit relativ hoher Ge schwindigkeit und andererseits einen Ablauf der Querströmung bei höherer Tempe ratur mit turbulenter Strömung.

Für eine rasche Vergleichmäßigung der Temperatur im Zylinderkopf ist der Längs kanal vorteilhaft auslaßseitig von Gaswechselauslaß-Sammelkanälen durchsetzt im Zylinderkopf angeordnet.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung abschnittsweise dargestellten, auf gebrochen gezeigten Zylinderkopfes beschrieben.

Eine flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf 1 einer mehrzylindrigen, je Zylinder mehr ventiligen, nicht gezeigten Brennkraftmaschine weist einen zwischen Außenwänden 2 von einem Zylinderkopfboden 3 und einer beabstandeten Deckwand 4 begrenzten Kühlmittelraum 5 auf, der zur Kühlmittelquerströmung mittels zwischen Schrauben pfeifen 6 einer Zylinderkopf-Verschraubung vorgesehenen Querwänden 7, 7' in Ab schnitte 8 unterteilt ist, wobei zwischen benachbarten Querwänden 7, 7' jeweils zu einem Sammelkanal 9, 9' vereinigte gleichartige Gaswechselkanäle 10, 10' bzw. 11, 11' zur jeweiligen Außenwand 2 gerichtet verlaufend angeordnet sind und inmitten der zylinderkopfseitig endenden Gaswechselkanäle 10, 10' bzw. 11, 11' ein die Deckwand 4 durchsetzender Dom 12 für eine Zündkerze und/oder eine Einspritz düse vorgesehen ist.

Um aufgabengemäß zu erreichen, daß der Kühlmittelführung dienende Elemente für eine turbulente Strömung in Kühlmittelraum-Abschnitten 8 von mittlerer Höhe zu sätzlich einer erhöhten Steifigkeit des Zylinderkopfes 1 dienen, wird erfindungs gemäß vorgeschlagen, daß der Zylinderkopf 1 zumindest einen von einem einwärts zur Zylinderkopf-Längsmittenebene geneigten Abschnitt 2' der Außenwand 2 be grenzten Längskanal 13 aufweist, der ferner von einem angrenzenden Zylinderkopf- Bodenabschnitt 3' und einer diesen mit dem Außenwand-Abschnitt 2' verbindenden Längswand 14 gebildet ist, wobei die von einem Gaswechsel-Sammelkanal 9 durchsetzte Längswand 14 je eine ober und eine unter diesem Sammelkanal 9 an geordnete Durchbrechung 15 und 16 aufweist. Hierbei steht die zylinderkopfseitig untere, in ihrem Querschnitt in Abhängigkeit der Entfernung von einem einzigen, pumperiablaufseitig zugeordneten Kühlmittelzulauf des Längskanals 13 gewählte Durchbrechung 16 mit auf einen freien Ventilstegbereich 17 zwischen gesonderten, gleichartigen Gaswechselkanälen 10, 10' des Sammelkanals 9 gerichteten Leit rippen 18, 18' in Verbindung, die jeweils mit einem bodenseitigen Anschlußbereich des jeweiligen Gaswechselkanals 10, 10' eine Kühlmittelpassage 19, 19' bilden. Die obere Durchbrechung 15 in der Längswand 14 über dem Sammelkanal 9 dient der Kühlmittelbeaufschlagung von zwischen jeweiligem Gaswechselkanal 10, 10' und der Deckwand 4 ausgebildeten Ventilführungen 20, 20'.

Zusätzlich zu dem an einer Längsseite des Zylinderkopfes 1 verlaufend angeordne ten, im Querschnitt dreieck- bis trapezförmig gestalteten Längskanal 13 dient zur weiteren Aussteifung des Zylinderkopfes 1 ferner, daß die Schraubenpfeifen 6 zwi schen der Deckwand 4 und dem Zylinderkopfboden 3 über etwa V-förmig angeord nete Wandungen 21 mit der Längswand 14 des Längskanals 13 in einstückiger Ver bindung stehen zur Bildung eines Ölrücklaufkanals 22 mit einer in der Deckwand 4 vorgesehenen Zulauföffnung 22', wobei die Längswand 14 bodenseitig dem Ölrück laufkanal 22 benachbart angeordnete Überströmöffnungen 23 aufweist. Diese Über strömöffnungen 23 dienen einerseits einer partiellen Kühlmittelzuführung zu den Kühlmittelpassagen 19 bzw. 19' der Leitrippen 18 und 18' und andererseits einer Kühlung des Ölrücklaufkanals 22.

Zur gezielten Kühlmittelaufteilung für jeden Kühlmittelraum-Abschnitt 8 ist weiter der Längskanal 13 von einem jeweiligen Gaswechsel-Sammelkanal 9 derart vom Zylin derkopf-Bodenabschnitt 3' beabstandet durchsetzt, daß der Strömungsquerschnitt des Längskanals 13 über dem Gaswechsel-Sammelkanal 9 zur oberen Durch brechung 15 relativ zu dem Strömungsquerschnitt unter diesem Sammelkanal 9 zur unteren Durchbrechung 16 als Drosselquerschnitt dient. Mit dieser Ausgestaltung ist sichergestellt, daß relativ kühles Kühlmittel aus dem pumpenablaufseitig ange schlossenen Längskanal 13 gezielt und in entsprechender Menge einem heißen Ventilstegbereich 17 zwischen gesonderten, gleichartigen Gaswechselkanälen 10 und 10' mittels der Leitrippen 18 und 18' zugeführt ist. Die obere Durchbrechung 15 der Längswand 14 dient einer eingeschränkten Kühlmittelbeaufschlagung des Sammelkanals 9 bzw. der an diesen anschließenden Gaswechselkanälen 10, 10' und insbesondere deren Ventilführungen 20, 20'.

Zur Steigerung einer turbulenten Strömung in jedem Kühlmittelraum-Abschnitt 8 bilden erfindungsgemäß die den gesonderten Gaswechselkanälen 10, 10' jedes längskanalseitigen Gaswechsel-Sammelkanals 9 gegenüberliegend angeordneten Gaswechselkanäle 11, 11' jenseits des Domes 12 über eine verbundene Anordnung zumindest eine bodennah nach beiden Seiten zu den Querwänden 7 und 7' gerich tete Kühlmittelführung, wobei an den Querwänden 7, 7' vorgesehene Vorsprünge 24 der weiteren Kühlmittelführung zur Querdurchströmung des Kühlmittelraum-Ab schnittes 8 dienen und hierbei die freien Querschnitte zwischen den verbundenen Gaswechselkanälen 11, 11' und den Querwänden 7, 7' sowie der Deckwand 4 ab laufseitige Drosselstellen bilden.

Zur Erzielung einer effizienten Kühlmittelzufuhr zum freien Ventilstegbereich 17 und weiter zur Erhöhung der Steifigkeit des Zylinderkopfes stehen die Leitrippen 18, 18' mit dem Zylinderkopfboden 3 und dem Gaswechsel-Sammelkanal 9 sowie den an schließenden, gesonderten Gaswechselkanälen 10, 10' jeweils in einstückiger Ver bindung. Mit dieser Ausgestaltung ist in Kombination mit einem zwischen benach barten Schraubenpfeifen 6 sich erstreckenden Abschnitt der Längswand 14 sowie den einstückig anschließenden Wandungen 21 der Ölrücklaufkanäle 22 in Verbin dung mit einer Zylinderkopf-Verschraubung eine vergleichmäßigte Pressung zwi schen dem Zylinderkopf 1 und einem nicht dargestellten Motorgehäuse um jeden Zylinder bzw. Brennraum erzielt.

Die Erfindung findet bevorzugt Anwendung bei einem Zylinderkopf 1 mit auslaßseitig von Gaswechselauslaß-Sammelkanälen 9 durchsetzten Längskanal 13 mit den we sentlichen Vorteilen einer vergleichmäßigten Zylinderkopf-Temperatur einerseits und einer hohen Steifigkeit des Zylinderkopfes 1 andererseits.

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen, je Zylinder mehr ventiligen Brennkraftmaschine,

1. mit einem zwischen Außenwänden (2) von einem Zylinderkopfboden (3) und einer beabstandeten Deckwand (4) begrenzten Kühlmittel raum (5), der
2. zur Kühlmittel-Querströmung mittels zwischen Schraubenpfeifen (6) einer Zylinderkopfverschraubung vorgesehenen Querwänden (7, 7') in Abschnitte (8) unterteilt ist, wobei
3. zwischen benachbarten Querwänden (7, 7') jeweils zu einem Sam melkanal (9, 9') vereinigte, gleichartige Gaswechselkanäle (10, 10'; 11, 11') zur jeweiligen Außenwand (2) gerichtet verlaufend angeord net sind und
4. inmitten der zylinderkopfseitig endenden Gaswechselkanäle (10, 10'; 11, 11') ein die Deckwand (4) durchsetzender Dom (12) für eine Zündkerze und/oder eine Einspritzdüse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
5. daß der Zylinderkopf (1) zumindest einen von einem einwärts zur Zy linderkopf-Längsmittelebene geneigten Abschnitt (2') einer Außen wand (2) begrenzten Längskanal (13) aufweist, der
6. ferner von einem angrenzenden Zylinderkopf-Bodenabschnitt (3') und einer diesen mit dem Außenwand-Abschnitt (2') verbindenden Längswand (14) gebildet ist, wobei
7. die von einem Gaswechsel-Sammelkanal (9) durchsetzte Längswand (14) je eine ober und einer unter diesem Sammelkanal (9) angeord nete Durchbrechung (15, 16) aufweist, und
8. die jeweilige zylinderkopfbodenseitig untere, in ihrem Querschnitt in Abhängigkeit der Entfernung von einem einzigen Kühlmittelzulauf des Längskanals (13) gewählte Durchbrechung (16) mit auf einen freien Ventilstegbereich (17) zwischen gesonderten, gleichartigen Gas wechselkanälen (10, 10') gerichteten Leitrippen (18, 18') in Verbin dung steht, die
9. jeweils mit einem bodenseitigen Anschlußbereich des jeweiligen Gaswechselkanals (10, 10') eine Kühlmittelpassage (19, 19') bilden, und
10. daß die obere Durchbrechung (15) über dem Sammelkanal (9) der Kühlmittelbeaufschlagung von zwischen jeweiligen Gaswechselkanal (10, 10') und der Deckwand (4) ausgebildeten Ventilführungen (20, 20') dient.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Schraubenpfeifen (6) zwischen der Deckwand (4) und dem Zylinderkopfboden (3) über etwa V-förmig angeordnete Wandungen (21) mit der Längswand (14) des Längskanals (13) in einstückiger Verbindung stehen zur Bildung eines Ölrücklaufkanals (22) mit einer in der Deckwand (4) vorgesehenen Zulauföffnung (22'), wobei
2. die Längswand (14) bodenseitig des Ölrückkanals (22) benachbart angeordnete Überströmöffnungen (23) aufweist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

1. daß der Längskanal (13) von einem jeweiligen Gaswechsel-Sam melkanal (9) derart vom Zylinderkopfbodenabschnitt (3') beabstandet durchsetzt ist, daß
2. der Strömungsquerschnitt des Längskanals (13) über dem Gaswech sel-Sammelkanal (9) zur oberen Durchbrechung (15) relativ zu dem Strömungsquerschnitt unter diesem Sammelkanal (9) zur unteren Durchbrechung (16) als Drosselquerschnitt dient.

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die den gesonderten Gaswechselkanälen (10, 10') jedes längs kanalseitigen Gaswechsel-Sammelkanals (9) gegenüberliegend an geordneten Gaswechselkanäle (11, 11') jenseits des Domes (12) über eine verbundene Anordnung eine bodennah nach beiden Seiten zu den Querwänden (7, 7') gerichtete Kühlmittelführung bilden, und
2. an den Querwänden (7, 7') vorgesehene Vorsprünge (24) der weite ren Kühlmittelführung zur Querdurchströmung des Kühlmittelraum- Abschnittes (8) dienen, wobei
3. die freien Querschnitte zwischen dem Sammelkanal (9') der verbundenen Gaswechselkanäle (11, 11') und den Querwänden (7, 7') sowie der Deckwand (4) ablaufseitig Drosselstellen bilden.

5. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Leitrippen (18, 18') mit dem Zylinderkopfboden (3) und dem Gaswechsel-Sammelkanal (9) sowie den anschließenden, gesonderten Gaswechselkanälen (10, 10') jeweils in einstückiger Verbindung stehen.

6. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Längskanal (13) auslaßseitig von Gaswechselauslaß- Sammelkanälen (9) durchsetzt im Zylinderkopf (1) angeordnet ist.

7. Zylinderkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Längskanal (13) in einem Endbereich mit seinem ein zigen Kühlmittelzulauf pumpenablaufseitig angeschlossen ist.