EP0744542A1 - Zylinderkopf für eine wassergekühlte, mehrzylindrige Brennkraftmaschine - Google Patents

Zylinderkopf für eine wassergekühlte, mehrzylindrige Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0744542A1 EP95107782A EP95107782A EP0744542A1 EP 0744542 A1 EP0744542 A1 EP 0744542A1 EP 95107782 A EP95107782 A EP 95107782A EP 95107782 A EP95107782 A EP 95107782A EP 0744542 A1 EP0744542 A1 EP 0744542A1
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Renault SAS
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Renault SAS
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    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
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    • F02F2001/244—Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245—Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for a water-cooled, multi-cylinder internal combustion engine according to the preamble of the main claim.
  • the cylinder head of a multi-cylinder internal combustion engine in which the inlet and outlet ducts serving for gas exchange are arranged according to the countercurrent principle, i.e. the ducts open into mutually opposite walls that laterally delimit the cylinder head.
  • Such cross-flow cylinder heads offer advantages over so-called direct-current cylinder heads with regard to the attachment of the exhaust manifold and the intake manifolds, since ducts of the same type each open on a common side.
  • the cylinder head are cast water channels that guide the cooling water essentially in the longitudinal direction of the internal combustion engine. This water-carrying area is connected to the crankcase via feeds which open into the flange surfaces.
  • a cylinder head is also known in which the inlet and outlet channels are arranged according to the direct current principle. Parts of the water-bearing area extend above and below the channels. In particular, the sub-area led above the channels leads Cooling water, which has already warmed up to some extent, so that adequate cooling is not guaranteed here either.
  • the supply of the water-carrying jacket, which surrounds the outlet channels, is possible in a particularly simple manner if the lower jacket region is connected to the flange surface to the crankcase via a direct channel.
  • This channel can advantageously be designed as a bore accessible from the flange surface.
  • the channel between the flange surface and the lower jacket area is extended into the upper jacket area.
  • An almost direct connection to the water-carrying part of the crankcase is thus also possible for the upper casing area.
  • the coolant temperature is correspondingly lower. This also ensures that the coolant is sufficiently circulated in the upper jacket area.
  • a water-carrying jacket according to the invention in the area of the outlet channels is particularly advantageous for multi-valve cylinder heads, in particular four-valve cylinder heads with two inlet and two outlet channels per cylinder.
  • the duct connecting the flange surface and the jacket region can be guided between the outlet ducts of a cylinder in a simple manner in terms of production technology and without greatly influencing the surrounding region.
  • Effective cooling of the cylinder head in the area of the exhaust ports is achieved if the exhaust ports assigned to a cylinder are enclosed in a ring by the jacket in the longitudinal section of the engine (parallel to the crankshaft).
  • a cylinder-selectively dimensioned coolant flow can then be set by appropriate design of the cross sections and / or the inflow conditions.
  • Such a variation of the inflow cross-sections is possible in a particularly simple manner by appropriate geometry of the coolant openings provided in the cylinder head gasket.
  • a directed coolant flow can be achieved by adapting these openings in the cylinder head gasket.
  • this coolant flow has to be adapted to the respective thermal stress of the cylinder head area.
  • the invention is described below without limitation to this embodiment using the example of a four-cylinder four-valve in-line engine with two intake and two exhaust valves per cylinder.
  • the cylinder head 1 of the internal combustion engine has two inlet ducts 3 and two outlet ducts 4 serving for gas exchange and each opening 2, which open into a common outlet duct 5. All inlet ducts 3 open into a flange surface 6 that laterally delimits the cylinder head.
  • the outlet ducts 5 open out into a flange surface 7 on the opposite long side.
  • the cylinder head 1 is placed with the interposition of a cylinder head gasket 11 with its flange side 12 on a crankcase 13 in an open-deck construction.
  • the water-carrying jacket 14 of the crankcase 13 is connected via openings 15 in the cylinder head gasket 11 to feeds 16 in the water-carrying region 10 of the cylinder head 1.
  • the water-carrying area 10 essentially consists of a cavity 17 which extends in the longitudinal direction (parallel to the crankshaft) of the cylinder head and which is connected to a cooling water outlet 18.
  • cooling water flows through the feeds 16 into the water-carrying area 10 or the cavity 17 and flows through the cylinder head 1 to the cooling water outlet 18 in the longitudinal direction.
  • a transverse flow occurs between the cylinders, which cools the areas assigned to the cylinders 2 of the cylinder head 1 causes.
  • the lower jacket section 21 is connected to the flange surface 12 of the cylinder head 1 via a bore 22.
  • the bore 22 communicates with the water-carrying jacket 14 in the crankcase 13.
  • the bore 22 runs in the web 23 between the two outlet channels 4 and is extended into the upper jacket region 24.
  • the bore 22 forms a cooling water-carrying channel, which connects the jacket area 19, 20 directly to the water jacket 14 of the crankcase 13.
  • the exhaust ports 4, 5 are rinsed directly from the cooler water jacket without heating up in hot spots in the cylinder head beforehand.
  • FIGS. 6 and 7 show two modifications of the cylinder head according to the invention, in which the lower jacket section is open towards the flange surface. This ensures better accessibility of this lower jacket section during the molding process.
  • the lower casing section 21a, 21b in the modifications is not designed as an enclosed ring element but as a downwardly open recess (FIG. 7).
  • This lower jacket section 21a, 21b extends in an arc shape between two adjacent inlets 16.
  • the lower jacket sections 21a (as shown in the left half of FIG. 6) can be connected to the inlets 16.
  • the lower jacket sections 21a are the adjacent cylinders connected together.
  • the channel 22 for connection to the water jacket 14 of the crankcase 13 is formed by an opening 25 in the cylinder head gasket 11.
  • the dimensions of the openings 25 and the openings 15 in the area of the feed lines 16 determine the flow conditions in the cylinder head in relation to one another.

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Abstract

Der Zylinderkopf (1) einer mehrzylindrigen, wassergekühlten Brennkraftmaschine weist einen wasserführenden Mantelbereich (17) auf, der die Auslaßkanäle (4, 5) umspült. Dieser im Bereich der Auslaßkanäle (4, 5) angeordnete Mantelbereich wird über einen Kanal (22), der in die Flanschfläche des Zylinderkopfes zum Kurbelgehäuse mündet, direkt mit Kühlmittel beaufschlagt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Zylinderkopf für eine wassergekühlte, mehrzylindrige Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches.
  • Aus der EP 0 627 547 A1 ist der Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die dem Gaswechsel dienenden Ein- und Auslaßkanäle nach dem Gegenstromprinzip angeordnet sind, d.h., die Kanäle münden in einander gegenüberliegende, den Zylinderkopf seitlich begrenzende Wände. Solche Querstrom-Zylinderköpfe bieten gegenüber sogenannten Gleichstrom-Zylinderköpfen Vorteile bezüglich der Anbringung des Auspuffkrümmers und der Saugrohre, da gleichartige Kanäle jeweils auf einer gemeinsamen Seite münden. Zur Kühlung des Zylinderkopfes dienen eingegossene Wasserkanäle, die das Kühlwasser im wesentlichen in Längsrichtung der Brennkraftmaschine führen. Dieser wasserführende Bereich ist über Zuführungen, die in die Flanschflächen zum Kurbelgehäuse münden, mit diesem verbunden. Bei Ausführung des Kurbelgehäuses in Open-Deck-Bauweise erfolgt die Einspeisung des Kühlmittels aus dem im Kurbelgehäuse geführten Wassermantel. Problematisch bei derartigen Zylinderköpfen ist die Kühlung im Bereich der Auslaßkanäle. Die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes in diesem Bereich ist aufgrund der im ausströmenden Gas vorherrschenden Temperaturen besonders kritisch. In der EP 0 627 547 A1 sind Kühlwasserbereiche angedeutet, die sich oberhalb und unterhalb des Auslaßkanales erstrecken. Es ist jedoch nicht ersichtlich, ob und wie diese an den mittleren, den Hauptstrom führenden Kühlwasserbereich angebunden sind. Weiterhin ist nicht zu erkennen, wie eine ausreichende Kühlwasserzirkulation insbesondere im Bereich der Auslaßkanäle gewährleistet sein soll.
  • Aus der DE 40 36 810 C1 ist weiterhin ein Zylinderkopf bekannt, bei dem die Einlaß- und Auslaßkanäle nach dem Gleichstromprinzip angeordnet sind. Dabei erstrecken sich Teile des wasserführenden Bereiches oberhalb und unterhalb der Kanäle. Insbesondere der oberhalb der Kanäle geführte Teilbereich führt dabei Kühlwasser, das sich teilweise schon stärker erwärmt hat, so daß sich auch hier eine ausreichende Kühlung nicht sicher ergibt.
  • Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Zylinderkopf für eine wassergekühlte, mehrzylindrige Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches so zu verbessern, daß eine wirksame und ausreichende Kühlung des Zylinderkopfes im Bereich der Auslaßkanäle sichergestellt ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Durch Ausbildung eines wasserführenden Mantels, der die Auslaßkanäle umgibt, und Einspeisung von Kühlmittel in diesen Mantel direkt von der Flanschfläche zum Kurbelgehäuse und damit direkt vom Kurbelgehäuse ist eine ausreichende Durchspülung dieses Kühlwasserbereiches möglich. Eine gezielte Wärmeabfuhr aus diesem Bereich ist damit möglich. Die direkte Einspeisung von Kühlmittel aus dem Kurbelgehäuse verhindert das vorherige Aufheizen des Kühlmittels an heißen Stellen des Zylinderkopfes, insbesondere im Bereich des Brennraumdaches. Damit ist eine wirkungsvolle Absenkung der Kühlmitteltemperatur im Bereich der Auslaßkanäle gegenüber der Einspeisung des Kühlmittels von der Mitte des Zylinderkopfes her gegeben.
  • Die Versorgung des wasserführenden Mantels, der die Auslaßkanäle umgibt, ist auf besonders einfache Weise möglich, wenn der untere Mantelbereich über einen direkten Kanal mit der Flanschfläche zum Kurbelgehäuse verbunden ist. Dieser Kanal kann auf vorteilhafte Weise als von der Flanschfläche her zugängliche Bohrung ausgeführt werden.
  • In Abhängigkeit von der Geometrie des Auslaßkanales kann es vorteilhaft sein, wenn der Kanal zwischen Flanschfläche und unterem Mantelbereich bis in den oberen Mantelbereich verlängert wird. Damit ist auch für den oberen Mantelbereich eine nahezu direkte Verbindung zum wasserführenden Teil des Kurbelgehäuses möglich. Entsprechend geringer ist die Kühlmitteltemperatur. Weiterhin wird damit eine ausreichende Zirkulation des Kühlmittels auch im oberen Mantelbereich gewährleistet.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung eines wasserführenden Mantels im Bereich der Auslaßkanäle ist besonders vorteilhaft für Mehrventil-Zylinderköpfe, insbesondere Vierventil-Zylinderköpfe mit zwei Einlaß- und zwei Auslaßkanälen je Zylinder. Der die Flanschfläche und den Mantelbereich verbindende Kanal kann dabei fertigungstechnisch einfach und ohne große Beeinflussung des umgebenden Bereiches zwischen den Auslaßkanälen eines Zylinders geführt werden.
  • Eine wirkungsvolle Kühlung des Zylinderkopfes im Bereich der Auslaßkanäle, insbesondere bei Mehrventilmotoren, wird erreicht, wenn die einem Zylinder zugeordneten Auslaßkanäle im Längsschnitt des Motors (parallel zu Kurbelwelle) ringförmig vom Mantel umschlossen werden. Dabei läßt sich dann über entsprechende Ausbildung der Querschnitte und/oder der Zuströmbedingungen eine zylinderselektiv bemessene Kühlmittelströmung einstellen. Eine derartige Variation der Zuströmquerschnitte ist besonders einfach möglich durch entsprechende Geometrie der in der Zylinderkopfdichtung vorgesehenen Kühlmittelöffnungen. Durch angepasste Abstufung dieser Öffnungen in der Zylinderkopfdichtung läßt sich ein gerichteter Kühlmittelstrom verwirklichen. Weiterhin ist dieser Kühlmittelstrom an die jeweilige thermische Beanspruchung des Zylinderkopfbereiches anzupassen.
  • Verbesserungen im Aufbau und der Gestaltung der Gußformen und beim Ausformen des Rohlings lassen sich auf vorteilhafte Weise erzielen, wenn sich der untere Mantelabschnitt zumindest teilweise bis zur Flanschfläche zum Kurbelgehäuse erstreckt, und der Kanal durch einen Durchgang in der Zylinderkopfdichtung gebildet ist.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in
    • Fig. 1
    eine schematische Draufsicht auf einen Zylinderkopf,
    Fig. 2
    einen Querschnitt durch den Zylinderkopf im Bereich zweier gegenüberliegender Ventile gemäß Linie II-II der Fig. 1,
    Fig. 3
    einen Querschnitt durch den Zylinderkopf im Stegbereich zwischen zwei Zylindern entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1,
    Fig. 4
    einen Querschnitt durch den Zylinderkopf durch die Mitte eines Zylinders entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 1, und
    Fig. 5
    einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf im Bereich der Auslaßkanäle entlang der Linie V-V gemäß Fig. 1,
    Fig. 6
    zwei Abwandlungen der Erfindung in einer schematischen Draufsicht auf den Zylinderkopf,
    Fig. 7
    einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf im Bereich der Auslaßkanäle entlang der Linie VII-VII gemäß Fig. 6.
  • Die Erfindung ist nachfolgend ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform am Beispiel eines Vierzylinder-Vierventil-Reihenmotors mit zwei Einlaß- und zwei Auslaßventilen je Zylinder beschrieben. Der Zylinderkopf 1 der Brennkraftmaschine weist je Zylinder 2 zwei dem Gaswechsel dienende Einlaßkanäle 3 und zwei Auslaßkanäle 4 auf, die in einen gemeinsamen Auslaßkanal 5 münden, auf. Sämtliche Einlaßkanäle 3 münden in eine den Zylinderkopf seitlich begrenzende Flanschfläche 6. Die Auslaßkanäle 5 münden an der gegenüberliegenden Längsseite in eine Flanschfläche 7. Der Zylinderkopf ist horizontal durch ein Deck 8 in einen oberen, ölführenden Bereich 9 und einen unteren, wasserführenden Bereich 10 unterteilt. Der Zylinderkopf 1 ist unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung 11 mit seiner Flanschseite 12 auf ein Kurbelgehäuse 13 in Open-Deck-Bauweise aufgesetzt. Der wasserführende Mantel 14 des Kurbelgehäuses 13 ist über Öffnungen 15 in der Zylinderkopfdichtung 11 mit Zuführungen 16 in den wasserführenden Bereich 10 des Zylinderkopfes 1 verbunden.
  • Der wasserführende Bereich 10 besteht im wesentlichen aus einem sich in Längsrichtung (parallel zur Kurbelwelle) des Zylinderkopfes erstreckenden Hohlraum 17, der mit einem Kühlwasseraustritt 18 verbunden ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine strömt Kühlwasser durch die Zuführungen 16 in den wasserführenden Bereich 10 bzw. den Hohlraum 17 und durchströmt in Längsrichtung den Zylinderkopf 1 zum Kühlwasseraustritt 18. Gleichzeitig stellt sich zwischen den Zylindern eine Querströmung ein, die eine Kühlung der den Zylindern 2 zugeordneten Bereiche des Zylinderkopfes 1 bewirkt.
  • Vom Hohlraum 17 erstrecken sich wasserführende Mantelabschnitte 19, die einen ringförmigen Mantel 20 (Fig. 5) ausbilden, der die Auslaßkanäle 4, 5 eines jeden Zylinders 2 ringförmig umfaßt. Der untere Mantelabschnitt 21 ist über eine Bohrung 22 mit der Flanschfläche 12 des Zylinderkopfes 1 verbunden. Über eine Öffnung 15 in der Zylinderkopfdichtung 11 steht die Bohrung 22 mit dem wasserführenden Mantel 14 im Kurbelgehäuse 13 in Verbindung. Die Bohrung 22 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel im Steg 23 zwischen den beiden Auslaßkanälen 4 und ist bis in den oberen Mantelbereich 24 verlängert. Die Bohrung 22 bildet dabei einen kühlwasserführenden Kanal, der den Mantelbereich 19, 20 direkt mit dem Wassermantel 14 des Kurbelgehäuses 13 verbindet. Dadurch erfolgt eine Umspülung der Auslaßkanäle 4, 5 direkt aus dem kühleren Wassermantel, ohne daß es vorher zu einer Erwärmung an heißen Stellen im Zylinderkopf kommt.
  • In den Figuren 6 und 7 sind zwei Abwandlungen des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes dargestellt, bei denen der untere Mantelabschnitt zur Flanschfläche hin geöffnet ist. Damit ist eine bessere Zugänglichkeit dieses unteren Mantelabschnittes beim Formvorgang gewährleistet. Der untere Mantelabschnitt 21a, 21b ist in den Abwandlungen nicht als umschlossenes Ringelement sondern als nach unten offene Ausnehmung ausgebildet ist (Fig.7). Dieser untere Mantelabschnitt 21a, 21b erstreckt sich bogenförmig zwischen zwei benachbarten Zuführungen 16. Dabei können die unteren Mantelabschnitte 21a (wie in der linken Bildhälfte der Fig. 6 dargestellt) mit den Zuführungen 16 verbunden sein. Dadurch sind die unteren Mantelabschnitte 21a der benachbarten Zylinder miteinander verbunden. Es ist jedoch auch möglich, die unteren Mantelabschnitte 21b (rechte Bildhälfte der Fig. 6) nicht mit den Zuführungen 16 zu verbinden, so daß keine direkte Verbindung besteht.
  • Der Kanal 22 zur Verbindung mit dem Wassermantel 14 des Kurbelgehäuses 13 wird durch eine Öffnung 25 in der Zylinderkopfdichtung 11 gebildet. Die Abmessungen der Öffnungen 25 und der Öffnungen 15 im Bereich der Zuführungen 16 bestimmen im Verhältnis zueinander die Strömungsverhältnisse im Zylinderkopf.

Claims (8)

  1. Zylinderkopf für eine wassergekühlte, mehrzylindrige Brennkraftmaschine, dessen dem Gaswechsel dienende Einlaß- und Auslaßkanäle (3, 4) in einander gegenüberliegende, den Zylinderkopf seitlich eingrenzende Flanschflächen (6, 7) münden, mit einem quer verlaufenden Deck (8), welches einen ölführenden Bereich (9) von einem darunter liegenden wasserführenden Bereich (10) trennt, der über in die Flanschfläche (12) zum Kurbelgehäuse (13) mündende Zuführungen (16) mit Kühlmittel versorgt wird, wobei sich der wasserführende Bereich zumindest teilweise in den Bereich der Auslaßkanäle (4, 5) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkanäle von einem wasserführenden Mantel (19, 20) umgeben sind, und daß der Mantel über mindestens einen Kanal (22), der in die Flanschfläche (12) zum Kurbelgehäuse (13) mündet, direkt vom Kurbelgehäuse her mit Kühlmittel versorgt wird.
  2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (19, 20) einen oberhalb des Auslaßkanals (4, 5) befindlichen oberen Mantelabschnitt (24) und einen unterhalb des Auslaßkanals befindlichen unteren Mantelabschnitt (21) aufweist, und daß der Kanal (22) in den unteren Mantelabschnitt mündet.
  3. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (22) bis in den oberen Mantelabschnitt (24) verlängert ist.
  4. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (19, 20) einen oberhalb des Auslaßkanals (4, 5) befindlichen oberen Mantelabschnitt (24) und einen unterhalb des Auslaßkanals befindlichen unteren Mantelabschnitt (21a, 21b) aufweist, daß der untere Mantelabschnitt zur Flanschfläche (12) geöffnet ist, und daß der Kanal (22) als Öffnung (25) in einer zwischen Zylinderkopf (1) und Kurbelgehäuse (13) angeordneten Zylinderkopfdichtung (11) ausgebildet ist.
  5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Bereich des unteren Mantelabschnittes (21a, 21b) sich zwischen zwei Zuführungen (16) erstreckt.
  6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Mantelabschnitt (21a) mit mindestens einer der Zuführungen (16) verbunden ist.
  7. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je Zylinder (21) zwei zumindest teilweise getrennt geführte Auslaßkanäle (4) ausgebildet sind, und daß der Kanal (22) zwischen den beiden Auslaßkanälen (4) geführt ist.
  8. Zylinderkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (19, 20) die einem Zylinder (2) zugeordneten Auslaßkanäle (4, 5) ringförmig umfaßt.
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