WO2005093242A1 - Wassergekühlter zylinderkopf für eine mehrzylindrige brennkraftmaschine - Google Patents

Wassergekühlter zylinderkopf für eine mehrzylindrige brennkraftmaschine Download PDF

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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
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    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
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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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/12—Arrangements for cooling other engine or machine parts
    • F01P3/16—Arrangements for cooling other engine or machine parts for cooling fuel injectors or sparking-plugs

Definitions

  • the invention relates to a water-cooled cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine according to the features of the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages mentioned above and to improve the cooling in the highly stressed areas of the cylinder head housing.
  • An additional cooling channel in the form of an injector hole ensures that the common annulus section is supplied directly with cooling water.
  • a further improvement or optimization of the cooling of the cylinder head housing is achieved if the water jacket in the area of the combustion chamber calotte and the inlet and outlet channels monitored by the valves have an essentially uniform wall thickness between 3 and 7 mm. Due to the constant water jacket thickness, higher flow rates of the cooling water can be achieved and thus the heat transfer can be improved.
  • a need-based cooling is ensured in that a main cooling flow runs between the two outlet valves in the direction of the receiving opening for the spark plug, while two secondary cooling flows are formed on the outside past the two outlet valves.
  • FIG. 1 shows a geometrical illustration of a water jacket in the cylinder head housing of an internal combustion engine
  • FIG. 2 shows a view of the water jacket in viewing direction A according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a view of the water jacket in viewing direction B according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows an oblique view of the water jacket 1 and 5, a section through part of the cylinder head housing in the area of the receptacle for the spark plug.
  • cylinder head cooling chamber 2 a water jacket, hereinafter referred to as cylinder head cooling chamber 2, which is integrated in a cylinder head housing 4 of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • the cylinder head cooling chamber 2 of each cylinder is supplied with cooling water via a central inflow opening 6 in the cylinder head housing 4.
  • a delta-shaped outflow opening 8 is provided, through which the coolant heated by the cylinder head housing 4 flows out to the suction side of the water pump, not shown, of the internal combustion engine.
  • the geometrical illustration of the cylinder head cooling chamber 2 shows two recesses 10 and 12 for the two exhaust valves and exhaust ports of the internal combustion engine; an opening 14 provided centrally in the cylinder head cooling space 2 forms the receptacle or the dome for a spark plug (not shown) of the cylinder in question.
  • a recess 22 for the two inlet valves or inlet ducts of the cylinder head section follows behind the two web-shaped recesses 16, 18 and the central opening 14.
  • the central annular space section 32 which extends over the arc length s (see FIG. 2), has a substantially constant height towards the combustion chamber trough 20, so that at least in this area the wall thickness a of the combustion chamber cap 36 is uniform and in the vertical direction up to close the combustion chamber trough 36 is brought up.
  • the wall thickness a of the combustion chamber cap 36 is reduced in the area of the annular space section 32 to between 5 and 10 mm.
  • a section 14a of the receiving opening 14 for the spark plug is reduced in diameter compared to the section 14b lying above it.
  • section 14a of the receiving opening 14 the spark plug thread is introduced, the length of which has been deliberately chosen such that the Central annulus section 32 and the two annulus sections 32 ' adjoining it on the left and right with their arc lengths s ' extend in the vertical direction exclusively at the level of the reduced thread diameter (section 14a), so that the cooling water jacket or the cylinder head cooling chamber 2 comes close to the spark plug dome is.
  • the cylinder head cooling chamber 2 is formed in the area of the combustion chamber cap 36 and the inlet and exhaust valves with a substantially uniform thickness or thickness, which is between 3 and 7 mm.
  • the measures described above can be used to effectively reduce the temperature peaks caused by the high heat input to the spark plug and the valve seat rings in this area.
  • the flow cross sections on the inflow side of the cylinder head cooling space 2 are designed such that the cooling water flow is divided into a main cooling flow Qi, Q 2 and Q 3 and two secondary cooling flows Q 4 and Q 5 .
  • the main cooling flow Qi, Q 2 and Q 3 is conducted between the two exhaust valves (recess 10, 12) in the direction of the spark plug dome (central opening 14), while the secondary cooling flows Q 4 and Q 5 run in the left and right edge areas of the cylinder head cooling chamber 2.
  • the cutouts 23, 24 mentioned at the beginning form constrictions for the two secondary cooling flows Q and Q 5 , so that the entire cooling water flow is divided, for example, in such a way that 50% of it flows in the direction of the main cooling flow Qi, Q 2 and Q 3 between the two exhaust valves of the spark plug dome are guided, while 25% of each are supplied via the secondary cooling flows Q 4 and Q 5 to the left and right edge regions of the cylinder head cooling chamber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder, einem im Zylinderkopfgehäuse (4) integrierten Zylinderkopfkühlraum (2) (Wassermantel) mit Ein- und Ausströmöffnungen (6, 8) für das Kühlmittel, der sich oberhalb einer die Brennraummulde (20) bildenden Kalotte (36) erstreckt, wobei um eine zentral im Zylinderkopfgehäuse (4) angeordnete Aufnahmeöffnung (14) für eine Zündkerze und um die beiden Auslassventile zumindest bereichsweise Wassermantelräume (26, 28, 30) ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) miteinander verbunden sind. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest der gemeinsame Wassermantel- Ringraumabschnitt (32) zur Brennraummulde (20) hin eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) einheitlich und bis dicht an die Brennraummulde (20) herangeführt ist.

Description

Wassergekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Insbesondere bei Hochleistungsmotoren treten trotz des wassergekühlten Zylinderkopfes aufgrund der hohen spezifischen Leistung insbesondere im Bereich zwischen den Auslassventilen bzw. zwischen Auslassventil und Zündkerze Temperaturspitzen bis zu 300 °C auf, die zu Temperaturspannungen im Material und in Verbindung mit äußeren Lasten zu bleibenden Verformungen im Ventilsitzringbereich der Auslassventile führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden und die Kühlung in den hochbelasteten Bereichen des Zylinderkopfgehäuses zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Dadurch, dass der gemeinsame Wassermantel- Ringraumabschnitt zwischen den beiden Auslassventilen und der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist und bis dicht an die Brennraummulde herangeführt ist, können die Temperaturspitzen in diesem Bereich wirkungsvoll abgebaut werden. Damit wird bspw. auch die Möglichkeit eröffnet, anstelle von hochwarmfesten Zylinderkopflegierungen, wie z.B. AICu5Nil,5CoSbZr kostengünstigere Standardlegierungen, wie z.B. AISi6Cu4 oder AISi7Mg zu verwenden. Andererseits wird durch die Temperaturabsenkung die Klopfneigung des Motors reduziert, so dass aufgrund der Zündwinkelverbesserungen Verbrauchsvorteile bzw. ein entsprechender Leistungszuwachs erzielt werden kann.
Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Für eine schnelle und effektive Wärmeabführung im Bereich des Zündkerzendomes wird vorgeschlagen, den Durchmesser der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze auf der Höhe des gemeinsamen Wassermantel- Ringraumabschnittes zu reduzieren. Umgesetzt werden kann diese Maßnahme bspw. dadurch, dass in diesem Bereich das Gewinde der Zündkerze ausgebildet ist, dessen Aussendurchmesser gegenüber dem Zündkerzengehäuse reduziert ist.
Untersuchungen haben gezeigt, dass eine optimale Kühlung der hochbelasteten Stellen bei gleichzeitig ausreichender Formstabilität insbesondere der Brennraumkalotte dann gewährleistet ist, wenn die Wandstärke der Brennraumkalotte zumindest im Bereich des gemeinsamen Ringraumabschnittes auf zwischen 5 und 11 mm reduziert ist.
Ein zusätzlicher Kühlkanal in Form einer Injektorbohrung stellt sicher, dass der gemeinsame Ringraumabschnitt direkt mit Kühlwasser versorgt wird.
Eine weitere Verbesserung bzw. Optimierung der Kühlung des Zylinderkopfgehäuses wird erreicht, wenn der Wassermantel im Bereich der Brennraumkalotte und der durch die Ventile überwachten Ein- und Auslasskanäle eine im wesentlichen einheitliche Wandstärke zwischen 3 und 7mm aufweist. Durch die konstante Wassermantelstärke können höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlwassers erzielt und damit die Wärmeübertragung verbessert werden.
Eine bedarfsgerechte Kühlung wird dadurch sichergestellt, dass ein Hauptkühlstrom zwischen den beiden Auslassventilen in Richtung der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze verläuft, während aussen an den beiden Auslassventilen vorbei, zwei Nebenkühlströme ausgebildet sind. Durch eine gezielte Drosselung der beiden Nebenkühlströme durch entsprechende Verengungen in den entsprechenden Kühlkanälen wird sichergestellt, dass die Hauptkühlmenge direkt in den Zündkerzenbereich geleitet wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachstehend näher beschrieben ist.
Es zeigen:
Fig. 1 eine geometrische Abbildung eines Wassermantels im Zylinderkopfgehäuse einer Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine Ansicht des Wassermantels in Blickrichtung A gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht des Wassermantels in Blickrichtung B gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine Schrägansicht des Wassermantels in Blickrichtung A gemäß Fig. 1 und Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teil des Zylinderkopfgehäuses im Bereich der Aufnahme für die Zündkerze.
In den Figuren 1 bis 4 ist die Geometrie eines Wassermantels, im folgenden als Zylinderkopfkühlraum 2 bezeichnet, dargestellt, der in einem Zylinderkopfgehäuses 4 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine integriert ist.
Der Zylinderkopfkühlraum 2 eines jeden Zylinders wird über eine zentrale Einströmöffnung 6 im Zylinderkopfgehäuse 4 mit Kühlwasser versorgt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinderkopfkühlraumes 2 ist eine deltaförmige Ausströmöffnung 8 vorgesehen, über die das vom Zylinderkopfgehäuse 4 erwärmte Kühlmittel zur Saugseite der nicht dargestellten Wasserpumpe der Brennkraftmaschine abströmt. In der geometrischen Abbildung des Zylinderkopfkühlraumes 2 sind zwei Ausnehmungen 10 und 12 für die beiden Auslassventile bzw. Auslasskanäle der Brennkraftmaschine erkennbar; eine zentral im Zylinderkopfkühlraum 2 vorgesehene Öffnung 14 bildet die Aufnahme bzw. den Dom für eine Zündkerze (nicht dargestellt) des betreffenden Zylinders. Links und rechts von der zentralen Öffnung 14 sind jeweils zwei stegförmige Ausnehmungen 16 und 18 zu sehen, die im Zylinderkopfgehäuse 4 als Positiv dazu jeweils zwei den Wassermantel 2 durchgreifende Stege bilden, mit deren Hilfe die im Zylinderkopfgehäuse 4 ausgebildete Brennraumkalotte 20 aufgehangen bzw. abgestützt ist.
In Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen, schließt sich hinter den beiden stegförmigen Ausnehmungen 16, 18 und der zentralen Öffnung 14 eine Ausnehmung 22 für die beiden Einlassventile bzw. Einlasskanäle des Zylinderkopfabschnittes an.
Auf der Einströmseite des Kühlmittels sind im Zylinderkopfkühlraum 2 zwei weitere Aussparungen 23 und 24 erkennbar, deren Positiv Strömungsverengungen im Zylinderkopfkühlraum 2 bilden, deren Funktion später noch näher erläutert ist. Wie aus Figur 2 ersichtlich, sind um die beiden Auslassventile und um die Zündkerze Wassermantelräume ausgebildet, die im vorliegenden Fall geschlossene Ringräume 26, 28 und 30 bilden; Ringraum 30 grenzt dabei an die beiden anderen Ringräume 26, 28 an, so dass ein gemeinsamer zentraler Ringraumabschnitt 32 gebildet ist. Ein in Form einer Bohrung im Zylinderkopfgehäuse 4 ausgebildeter Kühlkanal 34 führt von der Einströmöffnung 6 direkt zum gemeinsamen Ringraumabschnitt 32 und versorgt diesen hochtemperaturbelasteten Bereich zusätzlich direkt mit Kühlwasser.
Der sich über die Bogenlänge s (siehe Fig. 2) erstreckende zentrale Ringraumabschnitt 32 weist eine zur Brennraummulde 20 hin im wesentlichen gleich bleibende Höhe auf, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke a der Brennraumkalotte 36 einheitlich ist und in vertikaler Richtung bis dicht an die Brennraummulde 36 herangeführt ist. Die Wandstärke a der Brennraumkalotte 36 ist dabei im Bereich des Ringraumabschnittes 32 auf zwischen 5 und 10 mm reduziert Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist ein Abschnitt 14a der Aufnahmeöffnung 14 für die Zündkerze in seinem Durchmesser gegenüber dem darüber liegenden Abschnitt 14b reduziert. Im Abschnitt 14a der Aufnahmeöffnung 14 ist das Zündkerzengewinde eingebracht, dessen Länge bewusst so gewählt worden ist, dass der zentrale Ringraumabschnitt 32 sowie die beiden links und rechts daran angrenzenden Ringraumabschnitte 32' mit ihren Bogenlängen s' sich in vertikaler Richtung ausschließlich auf der Höhe des reduzierten Gewindedurchmessers (Abschnitt 14a) erstrecken, so dass der Kühlwassermantel bzw. der Zylinderkopfkühlraum 2 dicht an den Zündkerzendom herangeführt ist.
Zur Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlwassers ist der Zylinderkopfkühlraum 2 im Bereich der Brennraumkalotte 36 und der Ein- und Auslassventile mit einer im wesentlichen einheitlichen Stärke bzw. Dicke ausgebildet, die zwischen 3 und 7 mm beträgt.
Durch die zuvor geschilderten Maßnahmen können die aufgrund des hohen Wärmeeintrags auf die Zündkerze und die Ventilsitzringe in diesem Bereich verursachten Temperaturspitzen wirkungsvoll abgebaut werden.
Die Strömungsquerschnitte auf der Einströmseite des Zylinderkopfkühlraumes 2 sind so ausgebildet, dass der Kühlwasserstrom in einen Hauptkühlstrom Qi, Q2 und Q3 sowie in zwei Nebenkühlströme Q4 und Q5 aufteilt ist. Der Hauptkühlstrom Qi, Q2 und Q3 wird zwischen die beiden Auslassventile (Ausnehmung 10, 12) in Richtung des Zündkerzendomes (zentrale Öffnung 14) geführt, während im jeweils linken und rechten Randbereich des Zylinderkopfkühlraumes 2 die Nebenkühlströme Q4 und Q5 verlaufen. Die bereits eingangs erwähnten Aussparungen 23, 24 bilden Verengungen für die beiden Nebenkühlströme Q und Q5, so dass der gesamte Kühlwasserstrom bspw. so aufgeteilt ist, dass 50% davon über den Hauptkühlstrom Qi, Q2 und Q3 zwischen den beiden Auslassventilen in Richtung des Zündkerzendomes geführt sind, während jeweils 25% davon über die Nebenkühlströme Q4 und Q5 dem linken und dem rechten Randbereich des Zylinderkopfkühlraumes zugeführt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Wassergekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder, einem im Zylinderkopfgehäuse (4) integrierten Zylinderkopfkühlraum (2) (Wassermantel) mit Ein- und Ausströmöffnungen (6, 8) für das Kühlmittel, der sich oberhalb einer die Brennraummulde (20) bildenden Kalotte (36) erstreckt, wobei um eine zentral im Zylinderkopfgehäuse (4) angeordnete Aufnahmeöffnung (14) für eine Zündkerze und um die beiden Auslassventile zumindest bereichsweise Wassermantelräume (26, 28, 30) ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der gemeinsame Wassermantel- Ringraumabschnitt (32) zur Brennraummulde (20) hin eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) einheitlich und bis dicht an die Brennraummulde (20) herangeführt ist.
2. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Aufnahmeöffnung (14) für die Zündkerze auf der Höhe des gemeinsamen Ringraumabschnittes (32) reduziert ist.
3. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Brennraumkalotte (36) im Bereich des Ringraumabschnittes (32) auf zwischen 5 und 11 mm reduziert ist.
4. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einströmseite des Kühlwassers zusätzlich ein Kühlkanal (34) vorgesehen ist, der den gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) auf direktem Weg zusätzlich mit Kühlwasser versorgt.
5. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassermantel im Bereich der Brennraumkalotte (36) und der Ein- und Auslasskanäle eine im wesentlichen einheitliche Stärke aufweist, die zwischen 3 und 7 mm beträgt.
6. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einströmseite (Einströmöffnung 6) in den Zylinderkopfkühlraum (2) ein Hauptkühlstrom (Qi, Q2, Q3) zwischen den beiden Auslassventilen (Ausnehmung 10, 12) in Richtung der Aufnahmeöffnung (14) für die Zündkerze verläuft, während an den beiden Randbereichen des Zylinderkopfkühlraumes (2) zwei Nebenkühlströme (Q , Q5) vorgesehen sind.
7. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Randbereichen des Zylinderkopfkühlraumes (2) lokale Verengungen zur Drosselung der beiden Nebenkühlströme ( ) vorgesehen sind.
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