DE19945534C1 - Liquid-cooled cylinder head for multi-cylinder i.c. engine incorporates cooling chambers supplied with liquid cooling medium and coupled to sunken cooling spaces - Google Patents

Liquid-cooled cylinder head for multi-cylinder i.c. engine incorporates cooling chambers supplied with liquid cooling medium and coupled to sunken cooling spaces

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Abstract

The cylinder head (1) has at least one cooling chamber (2), supplied with a liquid cooling medium via a cooling medium feed (3) and/or a cooling medium line (5) and coupled to at least one sunken cooling space (4) which is closed at its bottom end. The sunken cooling space may be provided by a blind bore extending at an angle of between 0 and 170 degrees to the horizontal.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zy­ linderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit min­ destens einem Kühlmittelraum, der über Kühlmittelzuläufe und/oder über an diese angeschlossene Kühlmittelleitungen mit Kühlmittel versorgt wird.The invention relates to a liquid-cooled Zy Lindenkopf for a multi-cylinder internal combustion engine with min least a coolant room, which has coolant inlets and / or via coolant lines connected to them Coolant is supplied.

Es ist bereits ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt (DE 195 42 492 C1), die mit einem Kühlmittelraum ausgestattet ist, der in mehrere Kühlmittelraumabschnitte aufgegliedert sein kann, die jeweils einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Zu­ sammen mit dem Zylinderkopfboden umschließen die Außenwände und die eine mit Abstand zum Zylinderkopfboden angeordnete, nicht dargestellte Zylinderkopfdecke einen Kühlmittelraum. Die Versorgung der Kühlmittelräume erfolgt durch Kühlmittelzuläufe bzw. Kühlmittelleitungen, die mit einer Pumpe mittelbar in Verbindung stehen. Hierzu sollen, insbesondere in heißen Be­ reichen, im Zylinderkopf zwischen den Ventilen Kühlmittelräume vorgesehen werden. Die Kühlmittelräume werden über Kühlbohrun­ gen von außen durch im Zylinderkopf vorgesehene Stege bis an den eigentlichen Mittelraum im Zylinderkopf geführt. Diese Bohrung schneidet die im äußeren Bereich vorgesehene Zulauf­ einrichtung bzw. eine Mittelniere, die beispielsweise im Be­ reich des Zylinderkopfs unterhalb eines Ein- und Auslaßkanals vorgesehen sein kann und mit Kühlmittel aus dem Kurbelgehäuse versorgt wird. Diese Kühlbohrung wird außen durch eine Ver­ schlußeinrichtung bzw. eine Kugel verschlossen.It is already a liquid-cooled cylinder head for one Multi-cylinder internal combustion engine known (DE 195 42 492 C1), which is equipped with a coolant space that is divided into several Coolant compartment sections can be broken down, each are assigned to a combustion chamber of an internal combustion engine. To together with the cylinder head floor enclose the outer walls and the one arranged at a distance from the cylinder head base, Cylinder head cover, not shown, a coolant chamber. The The coolant rooms are supplied by coolant inlets or coolant lines that are indirectly pumped in Connect. For this purpose, especially in hot Be sufficient coolant spaces in the cylinder head between the valves be provided. The coolant rooms are via cooling bores from outside through webs provided in the cylinder head up to the actual middle space in the cylinder head. This The hole cuts the inlet provided in the outer area  institution or a kidney, for example, in Be range of the cylinder head below an intake and exhaust port can be provided and with coolant from the crankcase is supplied. This cooling hole is on the outside by a ver closing device or a ball closed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlmittelboh­ rungen in einem Zylinderkopf derart auszubilden und so anzuordnen, daß auch Bereiche gekühlt werden, in denen aufgrund von Platzmangel kein Kühl­ mitteldurchfluß möglich ist.The invention has for its object the Kühlmittelboh stanchions in a cylinder head in such a way and to arrange that areas be cooled in which due to lack of space no cooling medium flow is possible.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Kühlmittelraum mindestens einen weiteren Kühlmittelraum aufweist, der als Senkkühlraum ausgebildet, nach unten ver­ schlossen ist.The object is achieved in that the Coolant space at least one further coolant space has, which is designed as a cooling sink, ver down is closed.

Oder der Senkkühlraum ist mit Bezug auf eine Horizontale oder einen Kühl­ mittelspiegel zumindest geneigt verlaufend so angeordnet, daß seine Öffnung oben liegt. Hierdurch wird eine gezielte Kühlung des Zylinderkopfs über eine Verdampfung im Senkkühl­ raum bzw. in den Sacklochbohrungen erreicht, wobei eine Tempe­ raturabsenkung über gleichmäßig hohe Strömungsgeschwindigkei­ ten bewirkt wird. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Sack­ lochbohrung wird auch sichergestellt, daß sehr entfernt lie­ gende Kühlraumbereiche ohne weiteres mit Kühlmittel versorgt und somit optimal gekühlt werden, in denen normalerweise auf­ grund des Platzmangels kein Kühlmittelzufluß bzw. -durchfluß sichergestellt werden kann.Or the sink cold room is with reference to a horizontal or a cooling middle mirror arranged at least inclined so that its opening is at the top. This will make a targeted Cooling of the cylinder head via evaporation in the sink cooling reached space or in the blind holes, a Tempe lowering of the temperature via uniformly high flow speeds ten is effected. Due to the advantageous design of the sack Hole drilling also ensures that lie very distant cooling areas are supplied with coolant without any problems and thus be optimally cooled, in which normally due to the lack of space, no coolant inflow or flow can be ensured.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß der Senkkühlraum mit Bezug auf eine Horizontale oder einen Kühlmittelspiegel zumindest geneigt verlaufend angeordnet ist, wobei seine Öffnung oben liegt. Da die Senkkühlräume zumindest geneigt verlaufend angeordnet oder auch mit Bezug auf die Standfläche des Zylinderkopfs vertikal verlaufend angeordnet sind, können die Blasen ohne weiteres nach oben aufsteigen und gewährleisten somit einen Kühlmittelaustausch, so daß im oberen Bereich des Senkkühlraums bzw. der Sacklochbohrung die in dem Kühlmittel vorhandenen Dampfblasen aufgrund der Abkühlung wieder ihren flüssigen Aggregatzustand einnehmen.According to a further training, an additional possibility that the sink cold room with respect to a horizontal or a Coolant level is arranged at least inclined, with its opening at the top. Since the cold stores at least arranged inclined or with respect to the Footprint of the cylinder head arranged vertically  the bubbles can easily rise up and thus ensure a coolant exchange, so that in upper area of the sink cooling chamber or the blind hole vapor bubbles present in the coolant due to the Cool down to their liquid state again.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß der Senkkühlraum vom Kühlmittelraum ausgehend bis in einen kritischen Bereich zwi­ schen den Ventilsitzen des Zylinderkopfs reicht.It is also advantageous for this that the lower cooling chamber from Coolant room starting in a critical area between between the valve seats of the cylinder head.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der Senkkühlraum derart dimensioniert ist, daß eine auf den Dichtegradienten des unterschiedlich erhitzten Kühlmittels basierende, schnelle Kühlmittelströmung erreicht wird. Hierdurch werden in vorteil­ hafter Weise insbesondere sehr kritische Bereiche optimal ge­ kühlt, was bisher nicht ohne weiteres möglich war.According to a preferred embodiment of the invention Solution is finally provided that the sink cold room in such a way is dimensioned that one on the density gradient of differently heated coolant-based, fast Coolant flow is reached. This will be advantageous In particular, very critical areas are optimally optimized cools what was previously not easily possible.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß eine Mittelachse des als Bohrung ausgebildeten Senk­ kühlraums mit der Horizontalen einen Winkel α zwischen 0° und 170° aufweist.Of particular importance for the present invention is that a central axis of the sink formed as a bore cold room with the horizontal an angle α between 0 ° and 170 °.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und An­ ordnung ist es von Vorteil, daß der Senkkühlraum mit mehreren Kühlmittelräumen verbunden ist.In connection with the training and to the invention order, it is advantageous that the sink cold room with several Coolant rooms is connected.

Vorteilhaft ist es ferner, daß der Senkkühlraum derart aus­ gebildet ist, daß das Kühlmittel verdampft.It is also advantageous that the sink cooling chamber is made of such is formed that the coolant evaporates.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt: Further advantages and details of the invention are in the Claims and explained in the description and in the Figures shown. It shows:  

Fig. 1 einen horizontalen schematischen Quer­ schnitt des Zylinderkopfs in einer An­ sicht von oben mit verschiedenen Mit­ telnieren bzw. Senkkühlbohrungen, Fig. 1 is a horizontal schematic cross section of the cylinder head in a view from above at various With telnieren or Senkkühlbohrungen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des nie­ renförmig ausgebildeten Einlaufs und die sich daran anschließende stufenför­ mig ausgebildete Senkkühlbohrung im Be­ reich der Ventilsitze des Zylinder­ kopfs, Fig. 2 is a schematic representation of the never renförmig formed inlet and the adjoining stufenför mig Senkkühlbohrung formed in the loading area of the valve seats of the cylinder head,

Fig. 3 die gießtechnisch hergestellte Senk­ kühlbohrung mit einer oberhalb der nie­ renförmigen Anordnung des Einlauftrich­ ters liegenden Bohrung, die bis an die Außenwand des Zylinderkopfs herange­ führt und durch eine Verschlußeinrich­ tung verschlossen ist. Fig. 3, the die-cast cooling hole with a lying above the never ren-shaped arrangement of the inlet funnel ters hole, which leads up to the outer wall of the cylinder head and is closed by a closure device.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 mit 1 ein Zylinderkopf für eine in der Zeichnung nicht dargestellte, beispielsweise mehr­ zylindrige, Brennkraftmaschine dargestellt. Er weist vier Brennraumdächer 11 auf, denen jeweils mindestens zwei Kühlmit­ telräume 2 zugeordnet sind. Die Kühlmittelräume 2 stehen un­ tereinander über Kühlmittelleitungen bzw. Kühlmittelkanäle 5 in Durchflußverbindung.In the drawing, 1 is a cylinder head internal combustion engine is shown in FIG. 1, not shown in the drawing for, for example more zylindrige represented. It has four combustion chamber roofs 11 , each of which is assigned at least two cooling chambers 2 . The coolant compartments 2 are in flow connection with one another via coolant lines or coolant channels 5 .

Ferner weist jedes Brennraumdach 11 mehrere als Vertiefung ausgebildete Ventilsitze 6 sowie eine Aufnahme 7 für eine nicht dargestellte Zündkerze auf. In jedem Brennraumdach 11 sind vier Ventilsitze 6 vorgesehen, wobei sich die Aufnahme 7 für die Zündkerze jeweils im mittleren Bereich des Brennraum­ dachs 11 zwischen den Ventilsitzen 6 befindet.Furthermore, each combustion chamber roof 11 has a plurality of valve seats 6 designed as a recess and a receptacle 7 for a spark plug (not shown). In each combustion chamber roof 11 , four valve seats 6 are provided, the receptacle 7 for the spark plug being located in the central region of the combustion chamber roof 11 between the valve seats 6 .

Die Kühlmittelräume 2 sind (gemäß Fig. 1) jeweils im Bereich von zwei Außenseiten 8 des Zylinderkopfs angeordnet. Sie wer­ den jeweils über einen im Bereich des Brennraums 11 vorgesehe­ nen Kühlmittelzulauf 3 mit Kühlmittel versorgt und stehen un­ tereinander über die Kühlmittelleitungen 5 in Durchflußverbin­ dung, wobei das Kühlmittel durch die Kühlmittelraüme bzw. die Kühlmittelkanäle 5 strömt und somit ein Kühlkreislauf reali­ siert wird.The coolant spaces 2 are arranged (according to FIG. 1) in the area of two outer sides 8 of the cylinder head. You who the one provided in the area of the combustion chamber 11 NEN coolant inlet 3 with coolant and stand un one above the other through the coolant lines 5 in Durchflußverbin, the coolant flows through the coolant spaces or the coolant channels 5 and thus a cooling circuit is realized.

Neben diesen Kühlmittelkanälen 5 sind weitere Kühlmittelräume bzw. Senkkühlräume 4 bzw. Schlauchbohrungen vorgesehen, die sich von den eigentlichen Kühlmittelräumen oder Kühlmittelka­ nälen ausgehend in kritische bzw. heiße Bereiche des Zylinder­ kopfs erstrecken. Die Senkkühlräume 4 sind im wesentlichen zwischen den Ventilsitzen 6 vorgesehen und verlaufen, mit Be­ zug auf eine Horizontale, geneigt.In addition to these coolant channels 5 , further coolant spaces or sink cooling spaces 4 or hose bores are provided which extend from the actual coolant spaces or channels into critical or hot areas of the cylinder head. The lowering cold rooms 4 are essentially provided between the valve seats 6 and extend, with reference to a horizontal, inclined.

Der Verlauf der Senkkühlräume 4, 4' ergibt sich auch aus Fig. 1 und 2, die besondere Ausgestaltung der Senkkühlräume 4 aus der Fig. 3. Der Senkkühlraum 4 wird z. B. gebohrt und nach dem Bearbeitungsvorgang, wie nachstehend näher erläutert, mittels einer Verschlußeinrichtung bzw. einer Kugel 9 ver­ schlossen. Der Senkkühlraum 4 erstreckt sich, wie bereits er­ wähnt, zwischen die Ventilsitze 6. Der Senkkühlraum 4 steht mit einem beispielsweise nierenförmig ausgebildeten Kühlmit­ telraum 2 in Verbindung. Das Kühlmittel fließt vom Kühlmittel­ zulauf 3 gemäß Pfeil 15, 16 in den Senkkühlraum 4. Dort wird das Kühlmittel über die Metalloberfläche erhitzt und steigt aufgrund der enstehenden Dichteverhältnisse innerhalb des Senkkühlraums 4 wieder auf, sodaß ein Kühlmittelaustausch mit dem Kühlmittelraum 2 gewährleistet wird. Unter der Vorausset­ zung, daß das Kühlmittel im Senkkühlraum 4 verdampft, steigen die Dampfblasen gemäß Pfeil 16 nach oben und gewährleisten so­ mit den Kühlmittelaustausch. In einem oberen Bereich 10 des Senkkühlraums 4 nehmen die Dampfblasen des Kühlmittels auf­ grund der Abkühlung wieder den flüssigen Aggregatzustand an.The course of the Senkkühlräume 4, 4 'is also apparent from FIGS. 1 and 2, the particular configuration of the Senkkühlräume 4 from Fig. 3. The Senkkühlraum 4 is z. B. drilled and after the machining process, as explained in more detail below, by means of a closure device or a ball 9 ver closed. The lower cooling chamber 4 extends, as he already thinks, between the valve seats 6 . The sink cooling chamber 4 is connected to a kidney-shaped cooling chamber 2, for example. The coolant flows from the coolant inlet 3 according to the arrows 15 , 16 into the lower cooling chamber 4 . There, the coolant is heated via the metal surface and rises again due to the density relationships within the sink cooling chamber 4 , so that a coolant exchange with the coolant chamber 2 is ensured. Under the prerequisite that the coolant evaporates in the sink cooling chamber 4 , the vapor bubbles rise according to arrow 16 and thus ensure the exchange of coolant. In an upper area 10 of the cooling sink 4 , the vapor bubbles of the coolant assume the liquid state again due to the cooling.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist zwischen einem ersten Bohrab­ schnitt 12 und einem zweiten Bohrabschnitt 13 eine Quer­ schnittsverminderung vorgesehen, die als ringförmiger Ab­ satz 17 ausgebildet ist. Der Übergang zwischen dem ersten Bohrabschnitt 12 und dem zweiten Bohrabschnitt 13 kann auch relativ lang ausgebildet sein, so daß eine allmähliche Quer­ schnittsreduzierung zwischen den Bohrabschnitten 12 und 13 stattfindet. Damit sollen günstige Strömungsverhältnisse in der Sacklochbohrung 4 sichergestellt werden.As is apparent from Fig. 3, a cross-sectional reduction is provided between a first Bohrab section 12 and a second drilling section 13 , which is designed as an annular set 17 . The transition between the first drilling section 12 and the second drilling section 13 can also be made relatively long, so that a gradual cross-sectional reduction between the drilling sections 12 and 13 takes place. This is intended to ensure favorable flow conditions in the blind hole 4 .

Derartige Sacklochbohrungen 4 lassen sich sehr einfach her­ stellen. Die optimale Ausbildung des Senkkühlraums 4 mit der stufenförmig ausgebildeten Bohrung bietet auch die Möglich­ keit, diese Kühlmittelräume 2 bzw. 4 auf geringstem Raum vor­ zusehen, so daß Bauraumverhältnisse, insbesondere zwischen den Ventilsitzen 6, optimal genutzt werden können (vergleiche Fig. 2). Hierdurch wird neben der positiven Strömungsausbil­ dung auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Bereich der Ventilsitze 6 bewirkt. Die ansonsten unzugänglichen Ven­ tilsitzzwischräume werden somit gekühlt und die Temperaturver­ teilung innerhalb des Zylinderkopfs 1 optimiert.Such blind holes 4 can be made very easily. The optimal design of the sink cooling chamber 4 with the step-shaped bore also offers the possibility to see these coolant chambers 2 and 4 in the smallest space before, so that space conditions, in particular between the valve seats 6 , can be optimally used (see FIG. 2). In addition to the positive flow formation, this also causes a uniform temperature distribution in the region of the valve seats 6 . The otherwise inaccessible Ven seat seats are thus cooled and the temperature distribution within the cylinder head 1 is optimized.

Claims (8)

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf (1) für eine mehrzylin­ drige Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kühlmittel­ raum (2), der über Kühlmittelzuläufe (3) und/oder über an diese angeschlossene Kühlmittelleitungen (5) mit Kühlmittel versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelraum (2) mindestens einen weiteren Kühlmit­ telraum aufweist, der als Senkkühlraum (4) ausgebildet und nach unten verschlossen ist.1. Liquid-cooled cylinder head ( 1 ) for a multi-cylinder internal combustion engine with at least one coolant chamber ( 2 ) which is supplied with coolant via coolant inlets ( 3 ) and / or via coolant lines ( 5 ) connected thereto, characterized in that the coolant chamber ( 2 ) has at least one further cooling medium space, which is designed as a sink cooling space ( 4 ) and is closed at the bottom. 2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Senkkühlraum (4) mit Bezug auf eine Horizontale (20) oder einen Kühlmittelspiegel zumindest geneigt verlaufend an­ geordnet ist, wobei seine Öffnung (18) oben liegt.2. Liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized in that the lower cooling chamber ( 4 ) with respect to a horizontal ( 20 ) or a coolant level is arranged at least in an inclined manner, with its opening ( 18 ) lying above. 3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kühlmittelraum (2) zumindest einen Senkkühlraum (4) aufweist. 3. Liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized in that each coolant chamber ( 2 ) has at least one lower cooling chamber ( 4 ). 4. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Senkkühlraum (4) vom Kühlmittelraum (2) ausgehend bis in einen kritischen Bereich zwischen den Ventilsitzen (6) des Zylinderkopfs (1) reicht.4. Liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized in that the lower cooling chamber ( 4 ) extends from the coolant chamber ( 2 ) to a critical area between the valve seats ( 6 ) of the cylinder head ( 1 ). 5. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Senkkühlraum (4) derart dimensioniert ist, daß eine auf den Dichtegradienten des unterschiedlich erhitzten Kühl­ mittels basierende, schnelle Kühlmittelströmung erreicht wird.5. Liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized in that the lower cooling chamber ( 4 ) is dimensioned such that a rapid coolant flow based on the density gradient of the differently heated cooling is achieved. 6. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelachse (19) des als Bohrung ausgebildeten Senk­ kühlraums (4) mit der Horizontalen (20) einen Winkel α zwi­ schen 0° und 170° aufweist.6. A liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized in that a central axis ( 19 ) of the lowering chamber formed as a bore ( 4 ) with the horizontal ( 20 ) has an angle α between 0 ° and 170 °. 7. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Senkkühlraum (4) mit mehreren Kühlmittelräumen (2) verbunden ist. 7. Liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized in that the lower cooling space ( 4 ) is connected to a plurality of coolant spaces ( 2 ). 8. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Senkkühlraum derart ausgebildet ist, daß das Kühlmit­ tel verdampft.8. A liquid-cooled cylinder head according to claim 1, characterized, that the lower cooling chamber is designed such that the cooling mit evaporated.
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