EP1736660B1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1736660B1
EP1736660B1 EP06450083A EP06450083A EP1736660B1 EP 1736660 B1 EP1736660 B1 EP 1736660B1 EP 06450083 A EP06450083 A EP 06450083A EP 06450083 A EP06450083 A EP 06450083A EP 1736660 B1 EP1736660 B1 EP 1736660B1
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EP
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cylinder head
cooling chamber
main
region
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EP1736660A3 (de
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Robert Pöschl
Werner Vogel
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MAN Truck and Bus SE
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • 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
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/248—Methods for avoiding thermal stress-induced cracks in the zone between valve seat openings

Definitions

  • the JP 09324695 A discloses a cylinder head for an internal combustion engine with a cooling space into which opens a main and a Mauzumannö réelle, the Mauzumannö réelle opens transversely to the main flow direction in the cooling space.
  • the auxiliary inflow opening is arranged in a region of the cylinder head facing away from the flow immediately downstream of a flow disturbance point formed by a threshold. This represents a cross-section reducing Engestelle.
  • a similar cylinder head with a flow disturbance location is known, wherein the flow disturbance location is formed by a shield which deflects the main coolant flow to the side wall of the cylinder head. The lateral deflection of the coolant flow, the cooling is deteriorated in thermally critical areas.
  • this is achieved in that at the flow disturbance site opposite side of the cooling space, the wall contour to achieve a uniform cross-sectional profile for the main flow of Strömungsinsstelle is reformed.
  • the flow disturbance point is formed by a rib formed transversely to the main flow.
  • the flow disturbance point may also be formed by a receding flow stage. Both through the rib and through the flow stage there is an intended separation of the main flow and the formation of a low-flow area immediately downstream of the flow disturbance point.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kühlraum, in welchem mindestens eine Haupt- und mindestens eine Nebenzuflussöffnung einmündet, wobei die Nebenzuflussöffnung im Wesentlichen quer zu einer Hauptströmungsrichtung im Kühlraum einmündet, wobei die Nebenzuflussöffnung in einem strömungsabgewandten Bereich des Zylinderkopfes in den Kühlraum einmündet und wobei die Nebenzuflussöffnung unmittelbar stromabwärts einer Strömungsstörungsstelle in den Kühlraum einmündet.
  • Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern und einem Zylinderkopf mit einem in Längsrichtung zur Motorquerrichtung durchströmten Kühlraum ist es zur Optimierung des Kühlergebnisses in vielen Fällen erforderlich, pro Zylinder im Hauptkühlmittelstrom einen Nebenvolumenstrom zuzuführen, um thermisch kritische Bereiche, wie beispielsweise Ventilbrücken ausreichend kühlen zu können. Aus konstruktiven Gründen ist es dabei erforderlich, den Nebenvolumenstrom quer in den Hauptvolumenstrom einmünden zu lassen. Durch die Interaktion beider Einzelströme kommt es allerdings dabei zu erheblichen Strömungsverlusten. Dabei wird der Durchfluss durch den üblicherweise schwächeren Nebenvolumenstrom vom Hauptvolumenstrom deutlich behindert.
  • Die JP 09324695 A offenbart einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlraum, in welchen ein Haupt- und ein Nebenzuflussöffnung einmündet, wobei die Nebenzuflussöffnung quer zur Hauptströmungsrichtung in den Kühlraum mündet. Die Nebenzuflussöffnung ist dabei in einem strömunabgewandten Bereich des Zylinderkopfes unmittelbar stromabwärts einer durch eine Schwelle gebildeten Strömungsstörungsstelle angeordnet. Diese stellt eine den Querschnitt verringernde Engestelle dar. Aus der JP 09324695 A ist ein ähnlicher Zylinderkopf mit einer Strömungsstörungsstelle bekannt, wobei die Strömungsstörungsstelle durch ein Abschirmung gebildet wird, welche die Hauptkühlmittelströmung zur Seitenwand des Zylinderkopfes ablenkt. Durch das seitliche Auslenken des Kühlmittelstromes wird die Kühlung in thermisch kritischen Bereichen verschlechtert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Strömungsverluste bei Zusammenführung von zwei Kühlmittelströmen zu vermindern bzw. das Ausströmen des üblicherweise schwächeren Nebenvolumenstroms zu begünstigen.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass an der der Strömungsstörungsstelle gegenüberliegenden Seite des Kühlraumes die Wandkontur zur Erzielung eines gleichmäßigen Querschnittsverlaufes für die Hauptströmung der Strömungsstörungsstelle nachgeformt ist.
  • Durch die Strömungsstörungsstelle wird die Nebenzuflussöffnung vor dem Hauptkühlmittelstrom abgedeckt, wodurch der Nebenvolumenstrom durch die Nebenzuffussöffnung in einem geschwindigkeitsarmen Bereich einmündet und damit nicht vom hohen Strömungsimpuls der Hauptströmung direkt beeinflusst werden kann. Eine Ablenkung zu einer Seitenwand des Kühlraumes ist nicht erforderlich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsstörungsstelle durch eine quer zur Hauptströmung ausgebildete Rippe gebildet ist. Alternativ dazu kann die Strömungsstörungsstelle auch durch eine rückspringende Strömungsstufe gebildet sein. Sowohl durch die Rippe, als auch durch die Strömungsstufe kommt es zu einem beabsichtigten Ablösung der Hauptströmung und zur Ausbildung eines strömungsarmen Bereiches unmittelbar stromabwärts der Strömungsstörungsstelle.
  • In Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dadurch, dass an der der Strömungsstörungsstelle gegenüberliegenden Seite des Kühlraumes die Wandkontur zur Erzielung eines gleichmäßigen Querschnittsverlaufes für die Hauptströmung an der Strömungsstörungsstelle vertikal oder horizontal nachgeformt ist, kann die Querschnittsänderung im Bereich der Strömungsstörungsstelle ausgeglichen werden.
  • Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Strömungsstörungsstelle im Bereich des Bodens des Kühlraumes, vorzugsweise im Bereich des Feuerdeckes des Zylinderkopfes angeordnet ist. Das Feuerdeck sollte dabei möglichst eben und flach, zumindest stromabwärts des Zusammenführungspunktes der beiden Strömungenm, ausgebildet sein. Befindet sich der Zusammenführungspunkt im Bereich der Ventilbrücke zweier Ventile eines Zylinders, so sind große Ventilabstände vorteilhaft, um Strömungsverluste zu vermeiden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    den Kühlraum eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einer feuerdeckseitigen Ansicht in einer ersten Ausführungsvariante;
    Fig. 2
    einen Detailschnitt des Zylinderkopfes schematisch in einer Ausführungsvariante;
    Fig. 3
    einen Detailschnitt des Zylinderkopfes schematisch in einer anderen Ausführungsvariante;
    Fig. 4
    den Kühlraum eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einer feuerdeckseitigen Ansicht in einer weiteren Ausführungsvariante; und
    Fig. 5
    den Kühlraum in einer Schrägansicht.
  • Fig. 1 zeigt in einer Kerndarstellung den Kühlraum 1 eines Zylinderkopfes 2 eine Brennkraftmaschine mit vier Gaswechselventilen pro Zylinder und einer zentralen Einspritzeinrichtung, wobei mit Bezugszeichen 3 die Bereiche der Auslassventile, mit Bezugszeichen 4 die Bereiche der Einlassventile und mit Bezugszeichen 5 der Bereich der zentralen Einspritzdüse bezeichnet ist. Über eine nicht weiter dargestellte Hauptzuflussöffnung gelangt Kühlmittel in den Kühlraum 1. Der Zylinderkopf 2 wird vom Kühlmittel in Längsrichtung zur Motorquerrichtung durchströmt, wobei die Pfeile S die Hauptströmungsrichtung andeuten. Quer zur Hauptströmung S mündet eine Nebenströmung N in den Kühlraum 1 ein, wobei die Nebenströmung N über eine Nebenzuflussöffnung 7 dem Hauptstrom S zugeführt wird.
  • Um Strömungsverluste im Bereich der Kreuzung zwischen Hauptströmung S und Nebenströmung N zu vermeiden, ist die Nebenzuflussöffnung 7 in einem strömungsabgewandten Bereich des Kühlraumes 1 angeordnet. Die Nebenzuflussöffnung 7 wird dabei durch eine Strömungsstörungsstelle 8 des Zylinderkopfes 2 vom Hauptstrom S abgedeckt. Die Strömungsstörungsstelle 8 kann dabei durch eine quer zur Hauptströmung S ausgebildete Querrippe 9 (Fig. 2) oder eine Strömungsstufe 10 (Fig. 3) gebildet sein. Die Strömungsstörungsstelle 8 bewirkt eine Ablösung der Hauptströmung S und eine Ausbildung eines Bereiches mit geringer Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar stromabwärts der Strömungsstörungsstelle 8. Der Nebenstrom N mündet somit in einem ungestörten, vom Hauptstrom geschützten Bereich des Kühlraumes 1 mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten ein. Dadurch können Strömungsverluste durch Kreuzen der beiden Ströme S, N weitgehend vermieden werden.

Claims (4)

  1. Zylinderkopf (2) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kühlraum (1), in welchem mindestens eine Haupt- und mindestens eine Nebenzuflussöffnung (7) einmündet, wobei die Nebenzuflussöffnung im Wesentlichen quer zu einer Hauptströmungsrichtung (S) im Kühlraum (1) einmündet, wobei die Nebenzuflussöffnung (7) in einem strömungsabgewandten Bereich des Zylinderkopfes (2) in den Kühlraum (1) einmündet und wobei die Nebenzuflussöffnung unmittelbar stromabwärts einer Strömungsstörungsstelle (8) in den Kühlraum (1) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Strömungsstörungsstelle (8) gegenüberliegenden Seite des Kühlraumes (1) die Wandkontur zur Erzielung eines gleichmäßigen Querschnittsverlaufes für die Hauptströmung der Strömungsstörungsstelle (8) nachgeformt ist.
  2. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsstörungsstelle (8) durch eine quer zur Hauptströmung (S) ausgebildete Rippe (9) gebildet ist.
  3. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsstörungsstelle (8) durch eine rückspringende Strömungsstufe (10) gebildet ist.
  4. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsstörungsstelle (8) im Bereich des Bodens des Kühlraumes (1), vorzugsweise im Bereich des Feuerdeckes des Zylinderkopfes (2) angeordnet ist.
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