EP0774577B1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0774577B1
EP0774577B1 EP96115354A EP96115354A EP0774577B1 EP 0774577 B1 EP0774577 B1 EP 0774577B1 EP 96115354 A EP96115354 A EP 96115354A EP 96115354 A EP96115354 A EP 96115354A EP 0774577 B1 EP0774577 B1 EP 0774577B1
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cylinder head
rib
coolant
coolant chamber
chamber
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Daimler Benz AG
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    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02F1/24—Cylinder heads
    • 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 liquid-cooled cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine according to that Preamble of main claim 1.
  • a generic cylinder head is one Internal combustion engine known that one between outer walls, a cylinder head base and a cylinder head cover, Has cooling water space, which in the direction of a longitudinal axis the cooling water flows through the cylinder head. Which does ________ mean, that the cooling effect decreases continuously in the longitudinal direction of the cylinder head. This temperature gradient in the cylinder head longitudinal direction leads to an increasing load on the cylinder head in this Direction.
  • a rib is formed on the cylinder head cover, the protrudes into the cooling water chamber in the direction of the cylinder head base and in the cylinder head cross-axis direction between two combustion chambers is arranged. Through the rib, this is in the cylinder head longitudinal axis direction flowing cooling water towards the cylinder head floor in a rather less temperature-stressed Redirected area between two combustion chambers.
  • An advantage of the liquid-cooled cylinder head according to the invention lies in the improved cooling of the cylinder head base in the individual cooling water chamber sections each assigned to a combustion chamber.
  • the molded on the cylinder head cover Ribs form guiding elements through which the flow of cooling water is deflected in the direction of the cylinder head base.
  • the Cooling water bounces between the inlet and outlet channels in the area the highest combustion chamber temperatures on the cylinder head floor on.
  • the contact of the cooling water flow to the cylinder head floor is improved and thereby increases the heat transfer from temperature-stressed Cylinder head floor for cooling water.
  • the rib reduces the flow cross-section, what with an increase in flow velocity is connected at this point and consequently the cooling effect the endangered areas on the cylinder head floor again increased.
  • the embodiment of the invention according to claim 2 enables one targeted cooling of the between the valve channels central area of the combustion chamber that is subject to extremely high temperatures Cylinder head bottom section.
  • the embodiment of the invention according to claims 2 and 5 enables a simple manufacture of the cylinder head.
  • Through the symmetrical formation and the trapezoidal shape of the rib can be a simple manufacture of a casting core to produce the one-piece cylinder head designed as a housing are made possible. This is advantageously supported in that the Ribs evenly spaced towards one another Longitudinal center plane of the combustion chamber are arranged distributed. Further allows the trapezoidal shape of the rib to optimize the Flow resistance.
  • the ribs according to claims 3 and 4 advantageously form Guide elements that influence the flow direction of the cooling water, by the cooling water flow flowing through the cooling water space strikes the lateral surface of the rib in the transverse direction and is directed in the direction of the cylinder head base.
  • a cylinder head 1 for a multi-cylinder, not shown here Internal combustion engine consists of a one-piece casting with a cylinder head base 2 and up from this up to a cover parting level 3, for supporting a cylinder head cover, laxative longitudinal outer walls 4,5 and front External walls 6.7.
  • Control room 10 is divided.
  • the cylinder head base 2 has a for each cylinder Recess designed combustion chamber 11, which has two orifices 12, 13 per cylinder and two more in the Combustion chamber 11 leading openings 14, 15 of chambers 16, 17 for Inclusion of spark plugs, injection nozzles or the like.
  • From Valve channels 18, 19 extend from the orifices 12, 13, which the cooling water chamber 9 up to the longitudinal outer walls 4, 5 enforce.
  • the from the mouth opening 12 to the outer wall 4 laxative valve channel 18 forms the inlet channel and valve channel leading from the mouth opening 13 to the outer wall 5 19 forms the outlet channel.
  • the V-shaped to each other Chambers 16, 17 pass through the cooling water chamber 9 in the direction of Cylinder head cover 8.
  • Inlet openings 20, 22 flow cooling water into the cooling water space 9 a.
  • the cooling water flowing in through the inlet opening 20 flows through the cooling water chamber 9 approximately in the direction of a transverse axis 21 of the cylinder head 1.
  • the cooling water then flows by a on the longitudinal outer wall 4 of the cylinder head 1 arranged, not shown outlet opening on the side of the inlet duct 18.
  • a rib 23 is formed, which in the direction of the cylinder head base 2, freely hanging essentially transversely protrudes into the cooling water chamber 9 for the cooling water flow.
  • the Cooling water hits the rib 23 and is targeted in the direction of the cylinder head base 2 in the highly temperature-stressed
  • the area between inlet 18 and outlet channel 19 is deflected.
  • the cooling water chamber 9 is divided into the same cooling water chamber sections 24, each assigned to one of the combustion chambers 11 are. Between the individual cooling water sections 24 of the cylinders extend from the cylinder head base 2 to Cylinder head cover 8 reaching Z-shaped retaining walls 25.
  • the cylinder head cover 8 extends from the front outer walls 6, 7 over the entire width of the cylinder head 1.
  • each cooling water space section 24 associated with the rib 23 which in Cooling water chamber 9 in the direction of a longitudinal median plane 26 of the Combustion chamber 11 is arranged.
  • the rib 23 is approximately symmetrical centrally in the extension of the longitudinal center plane 26 of the combustion chamber 11 arranged on the cylinder head cover 8.
  • the height 27 of the Rib 23 corresponds to at least half the height 28 of the cooling water space 9
  • the length 29 of the rib 23 corresponds at least to that half length 30 of the extending in the direction of the longitudinal central axis 31
  • Cooling water space section 24 and the width 32 of the Rib 23 corresponds to at least half the length 33 of the in Transverse direction 21 extending cooling water chamber section 24.
  • Die Rib 23 has a trapezoidal shape, the short edge 34 hanging freely protrudes into the cooling water chamber 9, whereby a targeted Part of the cooling water flow in the direction of the cylinder head base 2 is reached. This is an improved Cooling of partial areas of the cylinder head base 2 without substantial increase in flow resistance possible.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine gemaß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs 1.
Aus der JP-A-56 148647 ist ein gattungsgemäßer Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen zwischen Außenwänden, einem Zylinderkopfboden und einer Zylinderkopfdecke gebildeten, Kühlwasserraum aufweist, welcher in Richtung einer Längsachse des Zylinderkopfes vom Kühlwasser durchströmt wird. Was bedeutet, daß der Kühleffekt in Zylinderkopflängsrichtung stetig abnimmt. Dieses Temperaturgefälle in Zylinderkopflängsrichtung führt zu einer steigenden Belastung des Zylinderkopfes in dieser Richtung. An die Zylinderkopfdecke ist eine Rippe angeformt, die in Richtung des Zylinderkopfbodens in den Kühlwasserraum hineinragt und in Zylinderkopfquerachsenrichtung zwischen zwei Brennräumen angeordnet ist. Durch die Rippe wird das in Zylinderkopflängsachsenrichtung strömende Kühlwasser in Richtung des Zylinderkopfbodens in einen eher weniger temperaturbeanspruchten Bereich zwischen zwei Brennräumen umgelenkt.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 24 52 999 A1, die US-PS 4 567 859, die DE 38 19 655 C1 und die DE 41 16 943 C1 verwiesen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Zylinderkopf derart auszubilden, daß eine ausreichende Kühlung aller kritischen Zonen innerhalb der brennraumseitigen Abschnitte des Zylinderkopfbodens gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes liegt in der verbesserten Kühlung des Zylinderkopfbodens in den einzelnen jeweils einem Brennraum zugeordneten Kühlwasserraumabschnitten. Die an der Zylinderkopfdecke angeformten Rippen bilden Leitelemente durch die die Strömung des Kühlwassers in Richtung des Zylinderkopfbodens umgelenkt wird. Das Kühlwasser prallt zwischen Einlaß- und Auslaßkanal im Bereich der höchsten Brennraumtemperaturen auf dem Zylinderkopfboden auf. Der Kontakt der Kühlwasserströmung zum Zylinderkopfboden wird verbessert und erhöht dadurch den Wärmeübergang vom temperaturbeanspruchten Zylinderkopfboden zum Kühlwasser. Bedingt durch die Rippe ergibt sich eine Verringerung des Strömungsquerschnittes, was mit einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle verbunden ist und demzufolge den Kühleffekt an den gefährdeten Stellen am Zylinderkopfboden nochmals erhöht.
Die Zuordnung jeweils einer Rippe einem Kühlwasserraumabschnitt führt zu einer gleichmäßigen Kühlung aller brennraumseitigen Abschnitte des Zylinderkopfbodens und damit zur Vermeidung eines Temperaturgefälles in Zylinderkopflängsrichtung, wodurch die Belastung des Zylinderkopfes in dieser Richtung geringer ist.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ermöglicht eine gezielte Kühlung des zwischen den Ventilkanälen liegenden, höchst temperaturbeanspruchten zentralen Bereichs des brennraumseitigen Zylinderkopfbodenabschnitts.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 5 ermöglicht eine einfache Herstellung des Zylinderkopfes. Durch die symmetrische Ausbildung und die Trapezform der Rippe kann eine einfache Fertigung eines Gießkernes zur Herstellung des einteiligen als Gehäuse ausgebildeten Zylinderkopfes ermöglicht werden. Dies wird vorteilhafterweise dadurch unterstützt, daß die Rippen gleichmäßig zueinander beabstandet in Richtung einer Längsmittelebene des Brennraumes verteilt angeordnet sind. Ferner ermöglicht die Trapezform der Rippe eine Optimierung des Strömungswiderstandes.
Die Rippen gemäß der Ansprüche 3 und 4 bilden vorteilhafterweise Leitelemente, die die Strömungsrichtung des Kühlwassers beeinflussen, indem der den Kühlwasserraum durchströmende Kühlwasserstrom in Querrichtung auf die Mantelfläche der Rippe auftrifft und gezielt in Richtung des Zylinderkopfbodens umgelenkt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden in zwei Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf und
Fig. 2
den Zylinderkopf aus Fig. 1 im Längsschnitt.
Ein Zylinderkopf 1 für eine hier nicht näher dargestellte mehrzylindrige Brennkraftmaschine besteht aus einem einteiligen Gußstück mit einem Zylinderkopfboden 2 und den von diesem nach oben bis zu einer Deckeltrennebene 3, zur Auflage einer Zylinderkopfhaube, abführenden längsseitigen Außenwänden 4,5 und stirnseitigen Außenwänden 6,7.
Zusammen mit dem Zylinderkopfboden 2 umschließen die Außenwände 4 bis 7 einen Raum, der durch eine mit Abstand vom Zylinderkopfboden 2 angeordnete Zylinderkopfdecke 8 in einen Kühlwasserraum 9 und einen darüberliegenden bis zur Deckeltrennebene 3 reichenden Steuerraum 10 unterteilt ist.
Der Zylinderkopfboden 2 besitzt für jeden Zylinder einen als Vertiefung ausgestalteten Brennraum 11, welcher zwei Mündungsöffnungen 12, 13 pro Zylinder aufweist und zwei weitere in den Brennraum 11 führende Öffnungen 14, 15 von Kammern 16, 17 zur Aufnahme von Zündkerzen, Einspritzdüsen oder dergleichen. Von den Mündungsöffnungen 12, 13 gehen Ventilkanäle 18, 19 ab, welche den Kühlwasserraum 9 bis zu den längsseitigen Außenwänden 4, 5 durchsetzen. Der dabei von der Mündungsöffnung 12 zur Außenwand 4 abführende Ventilkanal 18 bildet den Einlaßkanal und der von der Mündungsöffnung 13 zur Außenwand 5 abführende Ventilkanal 19 bildet den Auslaßkanal. Die V-förmig zueinander stehenden Kammern 16, 17 durchsetzen den Kühlwasserraum 9 in Richtung zur Zylinderkopfdecke 8. Durch im Zylinderkopfboden 2 angeordnete Einlaßöffnungen 20, 22 strömt Kühlwasser in den Kühlwasserraum 9 ein. Das durch die Einlaßöffnung 20 einströmende Kühlwasser durchströmt den Kühlwasserraum 9 etwa in Richtung einer Querachse 21 des Zylinderkopfes 1. Anschließend strömt das Kühlwasser durch eine an der längsseitigen Außenwand 4 des Zylinderkopfes 1 angeordnete, hier nicht dargestellte Auslaßöffnung auf der Seite des Einlaßkanals 18 aus.
Zur Verbesserung der Kühlung des zentralen Bereichs der brennraumseitigen Zylinderkopfbodenabschnitte ist nun erfindungsgemäß an der Zylinderkopfdecke 8 eine Rippe 23 angeformt, die in Richtung des Zylinderkopfbodens 2, frei hängend im wesentlichen quer zur Kühlwasserströmung in den Kühlwasserraum 9 hineinragt. Das Kühlwasser trifft auf die Rippe 23 und wird gezielt in Richtung des Zylinderkopfbodens 2 in den stark temperaturbeanspruchten Bereich zwischen Einlaß- 18 und Auslaßkanal 19 umgelenkt. Bedingt durch den starken Aufprall des Kühlwassers auf dem Zylinderkopfboden 2 ergibt sich ein besserer Kontakt der Strömung zum Zylinderkopfboden 2 und demzufolge eine Erhöhung des Kühleffekts. Ferner ergibt sich durch die Rippe 23 eine Einengung des Strömungsquerschnittes, was mit einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle verbunden ist. Hierdurch wird insgesamt eine verbesserte Kühlung der einzelnen Zylinderkopfbereiche erzielt und damit insbesondere an den kühlungskritischen Bereichen zwischen den Kanälen am Zylinderkopfboden 2. Die Kühlwasserzufuhr in den Kühlwasserraum 9 hinein und innerhalb desselben ist in Fig. 1 mit Strömungspfeilen angedeutet.
Gemäß Fig. 2 gliedert sich der Kühlwasserraum 9 in gleiche Kühlwasserraumabschnitte 24, die jeweils einem der Brennräume 11 zugeordnet sind. Zwischen den einzelnen Kühlwasserraumabschnitten 24 der Zylinder erstrecken sich vom Zylinderkopfboden 2 bis zur Zylinderkopfdecke 8 reichende Z-förmige Stützwände 25. Die Zylinderkopfdecke 8 erstreckt sich von den stirnseitigen Außenwänden 6, 7 über die gesamte Breite des Zylinderkopfes 1. Dabei ist jedem Kühlwasserraumabschnitt 24 die Rippe 23 zugeordnet, die im Kühlwasserraum 9 in Richtung einer Längsmittelebene 26 des Brennraumes 11 angeordnet ist. Die Rippe 23 ist in etwa symmetrisch mittig in Verlängerung der Längsmittelebene 26 des Brennraumes 11 an der Zylinderkopfdecke 8 angeordnet. Die Höhe 27 der Rippe 23 entspricht mindestens der halben Höhe 28 des Kühlwasserraumes 9, die Länge 29 der Rippe 23 entspricht mindestens der halben Länge 30 des sich in Richtung der Längsmittelachse 31 erstreckenden Kühlwasserraumabschnittes 24 und die Breite 32 der Rippe 23 entspricht mindestens der halben Länge 33 des sich in Querrichtung 21 erstreckenden Kühlwasserraumabschnittes 24. Die Rippe 23 besitzt Trapezform, wobei die kurze Kante 34 freihängend in den Kühlwasserraum 9 hineinragt, wodurch eine gezielte Strömungsführung eines Teils der Kühlwasserströmung in Richtung des Zylinderkopfbodens 2 erreicht wird. Dadurch ist eine verbesserte Kühlung partieller Bereiche des Zylinderkopfbodens 2 ohne wesentliche Erhöhung des Strömungswiderstandes möglich.

Claims (5)

  1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserraum, der von Außenwänden, einer mit Abstand über diesem angeordneten Zylinderkopfdekke und einem Zylinderkopfboden begrenzt wird, der für jeden Zylinder einen Brennraum aufweist, und mit mindestens einem sich zwischen Zylinderkopfdecke und Zylinderkopfboden im Kühlwasserraum erstreckenden Strömungsleitelement, das als Rippe ausgebildet ist, welche an der Zylinderkopfdecke angeformt ist und in Richtung des Zylinderkopfbodens, frei hängend im wesentlichen quer zur Kühlwasserströmung, in den Kühlwasserraum hineinragt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Kühlwasserraum (9) sich in Kühlwasserraumabschnitte (24) gliedert, die etwa in Richtung einer Querachse (21) des Zylinderkopfes (1) durchströmt werden, wobei jedem Kühlwasserraumabschnitt (24) eine Rippe (23) zugeordnet ist, welche im Kühlwasserraum (9) in Richtung einer Längsmittelebene (26) des Brennraumes (11) angeordnet ist und das Kühlwasser in Richtung des Zylinderkopfbodens (2) in einen Bereich zwischen Einlaßkanal (18) und Auslaßkanal (19) umlenkt.
  2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rippe (23) in etwa symmetrisch mittig in Verlängerung der Längsmittelebene (26) des Brennraumes (11) angeordnet ist.
  3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Höhe (27) der Rippe (23) mindestens der halben Höhe (28) des Kühlwasserraumes (9) entspricht.
  4. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Länge (29) der Rippe (23) mindestens der halben Länge (30) des sich in Richtung der Längsmittelachse (31) erstreckenden Kühlwasserraumabschnittes (24) entspricht.
  5. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rippe (23) Trapezform besitzt, wobei die kurze Kante (34) freihängend in den Kühlwasserraum (9) hineinragt.
EP96115354A 1995-11-15 1996-09-25 Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0774577B1 (de)

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Publications (2)

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EP0774577A1 EP0774577A1 (de) 1997-05-21
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