EP2501919B1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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EP2501919B1
EP2501919B1 EP10788265.6A EP10788265A EP2501919B1 EP 2501919 B1 EP2501919 B1 EP 2501919B1 EP 10788265 A EP10788265 A EP 10788265A EP 2501919 B1 EP2501919 B1 EP 2501919B1
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bore
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cylinder
cooling
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    • 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
    • F02B53/00—Internal-combustion aspects of rotary-piston or oscillating-piston engines
    • F02B2053/005—Wankel engines

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with liquid cooling and with a liquid-cooled exhaust manifold formed integrally with the cylinder head, the cylinder head having at least a first and a second cooling chamber through which a coolant flows, and wherein the area of the exhaust manifold is at least partially surrounded by the second cooling chamber is.
  • the EP 0 856 650 A1 shows a cooling system for an outboard motor, the exhaust ducts in the cylinder head extending from the combustion chamber being curved in a U-shape and the flange surfaces for connecting an exhaust manifold lying in the cylinder head plane.
  • the exhaust manifold is formed integrally with the cylinder housing.
  • the US 7,051,685 B2 discloses a cylinder head with an integrated exhaust manifold, the exhaust manifold being surrounded by a first and a second cooling chamber, the two cooling chambers being connected to one another by flow connections that are cast at the same time.
  • the first and the second cooling space are arranged one above the other.
  • the AT 500 442 B1 describes a cylinder head for an internal combustion engine with liquid cooling with a first central cooling space and an integrated second cooling space surrounding it, the coolant flow through the second cooling space being adjustable separately from the coolant flow through the first cooling space.
  • a cylinder head with an integrated exhaust manifold is known.
  • the cylinder head has a lower and an upper cooling chamber through which coolant flows.
  • the area of the exhaust manifold is partially surrounded by the upper cooling space, the lower cooling space is arranged below the exhaust manifold.
  • the upper cooling space is connected to the lower cooling space via a bore which extends between two outlet valves.
  • the WO 1980/00595 A1 shows a cylinder head of a spark-ignition internal combustion engine with an inlet valve and an outlet valve per cylinder, with drilled transverse channels extending between the inlet and outlet valve, which connect the inlet and outlet-side water spaces with one another.
  • the U.S. 3,889,644 A discloses a similar engine cooling system for a diesel internal combustion engine.
  • the object of the invention is to ensure adequate cooling of the exhaust manifold and of the thermally highly stressed areas of the fire deck in a cylinder head of the type mentioned at the outset in a manner that is simple to manufacture.
  • the first cooling chamber is arranged essentially on an inlet side of the cylinder head and the second cooling chamber is arranged essentially on an outlet side of the cylinder head and the first and second cooling chambers are flow-connected to one another via at least one bore
  • the bore is arranged between at least one inlet and at least one outlet valve of a cylinder and part of the coolant can flow from the second cooling space into the first cooling space
  • the bore is arranged between at least one outlet valve and an injection device or ignition device of a cylinder, the bore being a Has throttle point with a defined cross section.
  • first and the second cooling chamber take place via bores makes it possible to achieve a simple and thermally optimal design of the first and the second cooling chamber, with at least one bore preferably being provided per cylinder. Since the cores of the first and second cooling chambers are separated by casting, there are significant advantages in casting production.
  • a particularly good cooling of thermally highly stressed areas can be achieved if the bore is arranged in the fire deck, in particular parallel to the cylinder head sealing surface. It is particularly advantageous if the bore is arranged between at least one inlet valve and at least one outlet valve of a cylinder, preferably between an inlet opening and an outlet opening. Furthermore, it can be provided that the bore is arranged in an outlet opening and an orifice of the injection device or ignition device.
  • the bore starts from an opening, preferably on the outlet side, in an outer wall of the second cooling space, the opening preferably can be closed by a plug.
  • the bore spans an angle of 90 °, preferably 70 °, with a plateau spanned by the cylinder axes.
  • the first cooling chamber can be arranged predominantly on the inlet side and the second cooling chamber at least predominantly on the outlet side of the cylinder head.
  • the figures show a cylinder head 1 for an internal combustion engine with an inlet valve and an outlet valve per cylinder, the inlet openings being indicated with reference number 2 and the outlet openings with reference number 3 in the figures.
  • the inlet channels are designated by 2a, the outlet channels by reference number 3a.
  • the outlet channels 3a open into an exhaust manifold 8 which is formed integrally with the cylinder head 1.
  • the cylinder head 1 has a first cooling chamber 4, forming the main cooling jacket, for cooling thermally critical areas bordering the combustion chamber, the first cooling chamber 4 being connectable via coolant openings 5 in the fire deck 7 to a cooling jacket of a cylinder block, not shown.
  • the exhaust manifold 8 formed integrally with the cylinder head 1 is at least partially surrounded by a second cooling space 9.
  • the second cooling space 9 is essentially separated from the first cooling space 4 and flow-connected to it only via bores 10 arranged in the fire deck 7.
  • the second cooling space 9 can be connected to the cooling jacket of the cylinder block via its own transfer openings 6.
  • the bores 10 are each arranged between an inlet valve and an outlet valve of a cylinder, in particular between an inlet opening 2 and an outlet opening 3.
  • the bore 10 can also be arranged between an outlet valve and an injection device or ignition device opening into a combustion chamber, in particular between the outlet opening 3 and the opening 11 of the injection device or ignition device into the combustion chamber, as can be seen particularly well from FIG. 11.
  • the bore 10 is formed essentially parallel to a cylinder head sealing plane 17 and spans an angle ⁇ 90 °, in particular 70 °, with a plateau ⁇ formed by the cylinder axes. A particularly favorable heat dissipation from thermally critical areas of the fire deck 7 can thereby be ensured.
  • the first cooling chamber 4 is arranged essentially on the inlet side E and the second cooling chamber 9 is arranged essentially on the outlet side A of the cylinder head 1.
  • a particularly simple production can be achieved if the bores 10 extend from an outlet-side outer wall 12 of the second cooling space 9.
  • the openings 13 in the outer wall 12 can be closed later with plugs.
  • the bore can have a throttle point 14 with a defined cross section.
  • the amount of coolant passing between the second and first cooling space 9, 4 can be adjusted via the cross section of the throttle point 14.
  • the coolant flows from the cooling jacket (not shown) of the cylinder block via the transfer openings 5, 6 into the first or second cooling space 4, 9. A part of the coolant flows according to the arrows S from the second cooling space 9 into the first cooling space 4, whereby thermally critical Areas are optimally cooled. After the cooling of thermally critical areas in the fire deck 7 and in the area of the exhaust manifold 8, the coolant of the first cooling space 4 and the second cooling space 9 leaves the cylinder head 1 through openings 15 and 16 arranged at the end.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung und mit einem integral mit dem Zylinderkopf ausgebildeten flüssigkeitsgekühlten Abgassammler, wobei der Zylinderkopf zumindest einen ersten und einen zweiten, von einem Kühlmittel durchströmten Kühlraum aufweist, und wobei der Bereich des Abgassammlers zumindest teilweise vom zweiten Kühlraum umgeben ist.
  • Aus der US 2005/0087154 A1 ist es bekannt, den Abgassammler integral mit dem Zylinderkopf auszuführen. Der durch einen oberen und einen unteren Teilkühlraum gebildete Hauptkühlraum ist thermisch mit dem Abgassammler verbunden.
  • Die EP 0 856 650 A1 zeigt ein Kühlsystem für einen Außenbordmotor, wobei die vom Brennraum ausgehenden Auslasskanäle im Zylinderkopf U-förmig gekrümmt sind und die Flanschflächen zum Anschluss eines Abgassammlers in der Zylinderkopfebene liegt. Der Abgassammler ist dabei integral mit dem Zylindergehäuse ausgebildet.
  • Die US 7,051,685 B2 offenbart einen Zylinderkopf mit integriertem Abgassammler, wobei der Abgassammler von einem ersten und einem zweiten Kühlraum umgeben ist, wobei die beiden Kühlräume durch mitgegossene Strömungsverbindungen miteinander verbunden sind. Der erste und der zweite Kühlraum sind dabei übereinander angeordnet.
  • Die AT 500 442 B1 beschreibt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung mit einem ersten zentralen Kühlraum und einem integrierten Abgassammler umgebenden zweiten Kühlraum, wobei der Kühlmittelstrom durch den zweiten Kühlraum getrennt vom Kühlmittelstrom durch den ersten Kühlraum einstellbar ist.
  • Aus der EP 0 816 662 A1 ist ein Zylinderkopf mit einem integrierten Abgassammler bekannt. Der Zylinderkopf weist einen unteren und einen oberen Kühlraum auf, welche von Kühlmittel durchströmt werden. Der Bereich des Abgassammlers wird teilweise vom oberen Kühlraum umgeben, der untere Kühlraum ist unterhalb des Abgassammlers angeordnet. Der obere Kühlraum ist mit dem unteren Kühlraum über eine Bohrung verbunden, welche sich zwischen zwei Auslassventilen erstreckt.
  • Die WO 1980/00595 A1 zeigt einen Zylinderkopf einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem Einlassventil und einem Auslassventil pro Zylinder, wobei sich gebohrte Querkanäle zwischen Einlass- und Auslassventil erstrecken, die einlass- und auslassseitige Wasserräume miteinander verbinden. Die US 3,889,644 A offenbart ein ähnliches Motorkühlsystem für eine Dieselbrennkraftmaschine.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art auf fertigungstechnisch einfache Weise eine ausreichende Kühlung des Abgassammler und von thermisch hoch beanspruchten Bereichen des Feuerdeckes sicherzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der erste Kühlraum im Wesentlichen auf einer Einlassseite des Zylinderkopfes angeordnet ist und der zweite Kühlraum im Wesentlichen auf einer Auslassseite des Zylinderkopfes angeordnet ist und der erste und der zweite Kühlraum über zumindest eine Bohrung miteinander strömungsverbunden sind, wobei die Bohrung zwischen zumindest einem Einlass- und zumindest einem Auslassventil eines Zylinders angeordnet ist und ein Teil des Kühlmittels vom zweiten Kühlraum in den ersten Kühlraum strömbar ist, und wobei die Bohrung zwischen zumindest einem Auslassventil und einer Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung eines Zylinders angeordnet ist, wobei die Bohrung eine Drosselstelle mit definiertem Querschnitt aufweist.
  • Dadurch, dass die Strömungsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlraum über Bohrungen erfolgt, lässt sich eine einfache und thermisch optimale Gestaltung des ersten und des zweiten Kühlraumes erreiche, wobei vorzugsweise pro Zylinder zumindest eine Bohrung vorgesehen ist. Da die Kerne des ersten und des zweiten Kühlraumes gußtechnisch getrennt sind, ergeben sich wesentliche Vorteile in der Gußfertigung.
  • Eine besonders gute Kühlung von thermisch hoch beanspruchten Bereichen lässt sich erreichen, wenn die Bohrung im Feuerdeck, insbesondere parallel zur Zylinderkopfdichtfläche, angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Bohrung zwischen zumindest einem Einlass- und zumindest einem Auslassventil eines Zylinders, vorzugsweise zwischen einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, angeordnet ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Bohrung einer Auslassöffnung und einer Mündung der Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung angeordnet ist.
  • In einer fertigungstechnisch besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bohrung von einer vorzugsweise auslassseitigen Öffnung in einer Außenwand des zweiten Kühlraumes ausgeht, wobei vorzugsweise die Öffnung durch einen Stopfen verschließbar ist. Um thermisch hoch beanspruchte Bereiche zwischen der Mündung der Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung und dem Auslassventilsitz optimal zu kühlen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bohrung mit einer durch die Zylinderachsen aufgespannten Hochebene einen Winkel ≤90°, vorzugsweise ≤70° aufspannt.
  • Der erste Kühlraum kann dabei überwiegend auf der Einlassseite und der zweite Kühlraum zumindest überwiegend auf der Auslassseite des Zylinderkopfes angeordnet sein.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer Seitenansicht;
    Fig. 2
    den Zylinderkopf in einer Draufsicht;
    Fig. 3
    den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1;
    Fig. 4
    den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1;
    Fig. 5
    den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 1;
    Fig. 6
    den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 1;
    Fig. 7
    den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 2; und
    Fig. 8
    den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 4.
  • Die Figuren zeigen einen Zylinderkopf 1 für eine Brennkraftmaschine mit einem Einlassventil und einem Auslassventil pro Zylinder, wobei in den Figuren die Einlassöffnungen mit Bezugszeichen 2 und die Auslassöffnungen mit Bezugszeichen 3 angedeutet sind. Mit 2a sind die Einlasskanäle, mit Bezugszeichen 3a die Auslasskanäle bezeichnet. Die Auslasskanäle 3a münden in einen integral mit dem Zylinderkopf 1 geformten Abgassammler 8.
  • Der Zylinderkopf 1 weist einen den Hauptkühlmantel bildenden ersten Kühlraum 4 zur Kühlung von an den Brennraum grenzenden thermisch kritischen Bereichen auf, wobei der erste Kühlraum 4 über Kühlmittelöffnungen 5 im Feuerdeck 7 mit einem Kühlmantel eines nicht weiter dargestellten Zylinderblockes verbindbar ist.
  • Der integral mit dem Zylinderkopf 1 ausgebildete Abgassammler 8 ist zumindest teilweise von einem zweiten Kühlraum 9 umgeben. Der zweite Kühlraum 9 ist vom ersten Kühlraum 4 im Wesentlichen getrennt und nur über im Feuerdeck 7 angeordnete Bohrungen 10 mit diesem strömungsverbunden. Der zweite Kühlraum 9 ist über eigene Übertrittsöffnungen 6 mit dem Kühlmantel des Zylinderblockes verbindbar.
  • Die Bohrungen 10 sind dabei jeweils zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil eines Zylinders, insbesondere zwischen einer Einlassöffnung 2 und einer Auslassöffnung 3, angeordnet. Die Bohrung 10 kann dabei auch zwischen einem Auslassventil und einer in einen Brennraum mündenden Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung, insbesondere zwischen der Auslassöffnung 3 und der Mündung 11 der Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung in den Brennraum, angeordnet sein, wie besonders gut aus Fig. 11 zu sehen ist. Die Bohrung 10 ist dabei im Wesentlichen parallel zu einer Zylinderkopfdichtebene 17 ausgebildet und spannt mit einer durch die Zylinderachsen gebildeten Hochebene ε einen Winkel α ≤90°, insbesondere ≤70°, auf. Dadurch lässt sich eine besonders günstige Wärmeabfuhr aus thermisch kritischen Bereichen des Feuerdecks 7 gewährleisten.
  • Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist der erste Kühlraum 4 im Wesentlichen auf der Einlassseite E und der zweite Kühlraum 9 im Wesentlichen auf der Auslassseite A des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Eine besonders einfache Fertigung lässt sich erreichen, wenn die Bohrungen 10 von einer auslassseitigen Außenwand 12 des zweiten Kühlraumes 9 ausgehen. Die Öffnungen 13 in der Außenwand 12 können nachträglich durch Stopfen verschlossen werden.
  • Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann die Bohrung eine Drosselstelle 14 mit definiertem Querschnitt aufweisen. Über den Querschnitt der Drosselstelle 14 kann die Menge des zwischen zweitem und ersten Kühlraum 9, 4 übertretenden Kühlmittels eingestellt werden.
  • Das Kühlmittel strömt aus dem nicht weiter dargestellten Kühlmantel des Zylinderblockes über die Übertrittsöffnungen 5, 6 in den ersten bzw. zweiten Kühlraum 4, 9. Ein Teil des Kühlmittels strömt entsprechend den Pfeilen S vom zweiten Kühlraum 9 in den ersten Kühlraum 4, wobei thermisch kritische Bereiche optimal gekühlt werden. Nach der Kühlung von thermisch kritischen Bereichen im Feuerdeck 7 und im Bereich des Abgassammlers 8 verlässt das Kühlmittel des ersten Kühlraumes 4 und des zweiten Kühlraumes 9 den Zylinderkopf 1 durch stirnseitig angeordnete Öffnungen 15 bzw. 16.

Claims (8)

  1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung und mit einem integral mit dem Zylinderkopf (1) ausgebildeten flüssigkeitsgekühlten Abgassammler (8), wobei der Zylinderkopf (1) zumindest einen ersten und einen zweiten, von einem Kühlmittel durchströmten Kühlraum (4, 9) aufweist, und wobei der Bereich des Abgassammlers (8) zumindest teilweise vom zweiten Kühlraum (9) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlraum (4) im Wesentlichen auf einer Einlassseite (E) des Zylinderkopfes (1) angeordnet ist und der zweite Kühlraum (9) im Wesentlichen auf einer Auslassseite (A) des Zylinderkopfes (1) angeordnet ist und der erste (4) und der zweite Kühlraum (9) über zumindest eine Bohrung (10) miteinander strömungsverbunden sind, wobei die Bohrung (10) zwischen zumindest einem Einlass- und zumindest einem Auslassventil eines Zylinders angeordnet ist und ein Teil des Kühlmittels vom zweiten Kühlraum (9) in den ersten Kühlraum (4) strömbar ist, und wobei die Bohrung (10) zwischen zumindest einem Auslassventil und einer Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung eines Zylinders angeordnet ist, wobei die Bohrung (10) eine Drosselstelle (14) mit definiertem Querschnitt aufweist.
  2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kühlraum (9) über zumindest eine Bohrung (10) pro Zylinder miteinander strömungsverbunden sind.
  3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (10) zwischen einer Einlassöffnung (2) und einer Auslassöffnung (3), eines Zylinders angeordnet ist.
  4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (10) zwischen der Auslassöffnung (3) und einer Mündung (11) der Einspritzeinrichtung oder Zündeinrichtung, angeordnet ist.
  5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (10) im Wesentlichen parallel zu einer Zylinderkopfdichtfläche (17), vorzugsweise im Feuerdeck (7), angeordnet ist.
  6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (10) von einer vorzugsweise auslassseitigen Öffnung (13) in einer Außenwand (12) des zweiten Kühlraumes (9) ausgeht, wobei vorzugsweise die Öffnung (13) durch einen Stopfen verschließbar ist.
  7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlraum (4) zumindest überwiegend auf einer Einlassseite (E) und der zweite Kühlraum (9) zumindest überwiegend auf einer Auslassseite (A) angeordnet ist.
  8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (10) mit einer durch zumindest zwei Zylinderachsen aufgespannten Hochebene (ε) einen Winkel (a) ≤90°, vorzugsweise ≤70° aufspannt.
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WO (1) WO2011061248A1 (de)

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