WO2013135740A1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2013135740A1
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cover
coolant
coolant space
chamber
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Christof Knollmayr
Christopher Turner
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Avl List Gmbh
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    • 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
    • F02F1/38—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling the cylinder heads being of overhead valve type
    • 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 

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine, which has at least one open to a valve actuating chamber coolant space, wherein the coolant space is closed by a liquid-tight inserted lid and separated from the valve actuating chamber.
  • DE 195 147 490 C1 describes a die-cast cylinder head of a liquid-cooled internal combustion engine with a partition in the region between the cylinder head and cylinder head cover, wherein the partition is inserted as a separate molding in the cylinder head and separates the valve train parts having a lubricating oil space of a combustion chamber above a wall arranged cooling space ,
  • the object of the invention is to provide a cylinder head with cooling channels which is as simple as possible to produce.
  • the lid is firmly connected by an adhesive connection, a screw connection, or a riveted joint with the cylinder head.
  • the cylinder head has at least a flat sealing surface on which the lid rests sealingly.
  • the cover may have on the side facing the coolant chamber a circumferential collar, which rests on the sealing surface
  • the cover can be connected by screws or rivets fixed to the cylinder head.
  • the coolant space is arranged in the region of a longitudinal center plane spanned by the cylinder axes and extends in the longitudinal direction of the cylinder head. This makes it possible, in particular to cool areas subjected to high thermal stress around the outlet channels.
  • the coolant space runs in the region of the longitudinal center plane between the outlet channels and the inlet channels and between the valve guides of the inlet and outlet valves.
  • the coolant space in the region of at least one transverse plane between each two adjacent cylinders has a preferably normal position. times to the longitudinal center plane spanned by at least two cylinder axes.
  • the partition from the lid on a defined distance. This allows a targeted coolant exchange between two cylinders.
  • the lid can also lie tightly on the partition to prevent longitudinal flow.
  • the cover extends over the entire length of the cylinder head. It can be provided that the coolant space and / or the cover in the region of the outlet channels, the inlet channels and the spark plug wells has indentations. These recesses cause a reduction in cross-section of the coolant space, whereby the speed of the coolant can be increased specifically in areas of high thermal stress, in order to increase the heat dissipation.
  • the lid is designed as a sheet metal part, as an aluminum die cast part, or as a plastic part.
  • the cover is structured, wherein the cover may have at least one projecting into the coolant space baffle or cooling fins for the flow of coolant.
  • the structure on the lid acts as a stiffener and on the other hand increases the surface wetted by the coolant, which favors the heat transfer from the cylinder head into the coolant.
  • the coolant can be selectively guided to hot spots in the cylinder head and the flow rate of the cooling medium can be adapted to the requirements of Leitrippen.
  • the cylinder head is produced by die-casting.
  • Fig. 1 shows a cylinder head according to the invention in a section according to the
  • Fig. 3 shows the cylinder head without valve actuating mechanism in a
  • FIG. 5 shows the cylinder head in a section along the line VV in Fig. 1.
  • 6 shows a cover of the cylinder head in an oblique view in a first embodiment
  • the cylinder head 1 produced by die casting has, per cylinder, an outlet channel 2 and an inlet channel 3, as well as a spark plug 5 arranged in a spark plug shaft 4.
  • cam-actuated globe valves are provided, of which only the outlet valve 6 is shown in FIG.
  • the valve actuating mechanism 8 is arranged in a valve operating space 7 of the cylinder head 1, which can be covered by a valve cover, not shown.
  • a coolant space 9 for a liquid coolant, for example cooling water is arranged in the cylinder head 1 adjacent to the outlet channel 2 and the fire deck 1a, which coolant chamber is open to the valve actuating chamber 7.
  • the coolant chamber 9 extends in the longitudinal direction of the cylinder head 1 and is subdivided by partial walls 10 extending transversely to the cylinder head center plane ⁇ into partial cooling chambers 9a per cylinder.
  • the cylinder head 1 has on both sides of the coolant chamber 9 an approximately parallel to the cylinder head sealing plane 11 formed sealing surface 12, on which a cover 13 can be placed to cover the coolant chamber 9.
  • the cover 13 Through the cover 13, the coolant space 9 can be separated in a liquid-tight manner from the valve actuation space 7.
  • the cover 13 in this case has a circumferential collar 13 a, which rests on the sealing surfaces 12 of the cylinder head 1.
  • an adhesive can be applied between sealing surfaces 12 and collar 13 a of the cover 13 in order to create a permanent connection between the cover 13 and the cylinder head 1.
  • the lid can be firmly connected by screws or rivets to the cylinder head 1.
  • the cover 13 is structured at least on the underside facing the coolant space 9, wetted by the cooling liquid, and has guide walls 22 or cooling walls projecting into the coolant space 9.
  • the cover 13 and the coolant chamber 9 advantageously extends over the entire length of the cylinder head 1, wherein the cover 13 and the coolant chamber 9 in the region of the outlet channels 2, the inlet channels 3, and the spark plug wells 4 indentations 15a, 15b, 15c and 22a, 22b, 22c.
  • the partition wall 10 is spaced from the cover 13 to allow an exchange of coolant between the partial cooling chambers 9a of adjacent cylinders.
  • the cover 13 can just as tight against the partition 10 to completely prevent longitudinal flow.
  • the guide walls 22 extending transversely to the cylinder head center plane ⁇ on the cover may be provided, which project into the coolant space 9 (see FIGS. 9 to 11).
  • the partitions 10 and baffles 22 on the one hand support a cross flow of the coolant for each cylinder between inflow channels 16 and outflow channels 17, as indicated by the arrows S in Fig. 5.
  • the region 9b of the coolant space 9 between the outlet channels 2 and the inlet channels 3 or the spark plug shaft 4 is formed reduced in cross-section, whereby high flow velocities and a particularly good heat dissipation in this area 9b near the fire deck la is ensured.
  • the partitions 10 act as additional stiffeners for the cylinder head 1.
  • crankcase ventilation channels In Fig. 3 are designated by reference numeral 18 crankcase ventilation channels and reference numeral 19 oil return passages.
  • Reference numerals 20 represent receiving bores for cylinder head bolts 21.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine, welcher zumindest einen zu einem Ventilbetätigungsraum (7) offenen Kühlmittelraum aufweist, wobei der Kühlmittelraum (9) durch einen flüssigkeitsdicht eingesetzten Deckel (13) verschlossen und vom Ventilbetätigungsraum (7) getrennt ist. Um eine einfache Herstellung des Zylinderkopfes (1) mit eingeformten Kühlkanäle (9) im Druckgussverfahren zu ermöglichen ist vorgesehen, dass der Deckel (13) durch eine Klebeverbindung, eine Schraubverbindung, oder eine Nietverbindung mit dem Zylinderkopf (1) fest verbunden ist.

Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, welcher zumindest einen zu einem Ventilbetätigungsraum offenen Kühlmittelraum aufweist, wobei der Kühlmittelraum durch einen flüssigkeitsdicht eingesetzten Deckel verschlossen und vom Ventilbetätigungsraum getrennt ist.
Die DE 195 147 490 Cl beschreibt einen im Druckgussverfahren hergestellten Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit einer Trennwand im Bereich zwischen Zylinderkopf und Zylinderkopfhaube, wobei die Trennwand als separates Formteil in den Zylinderkopf eingelegt ist und einen die Ventiltriebteile aufweisenden Schmierölraum von einem oberhalb einer Brennraumwand angeordneten Kühlraum trennt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst einfach herzustellenden Zylinderkopf mit Kühlkanälen bereit zu stellen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Deckel durch eine Klebeverbindung, eine Schraubverbindung, oder eine Nietverbindung mit dem Zylinderkopf fest verbunden ist.
Der Zylinderkopf weist dabei zumindest eine ebene Dichtfläche auf, auf welcher der Deckel dichtend aufliegt. Der Deckel kann dabei an der dem Kühlmittelraum zugewandten Seite einen umlaufenden Bund aufweisen, welcher auf der Dichtfläche anliegt Der Deckel kann dabei durch Schrauben oder Nieten fest mit dem Zylinderkopf verbunden sein. Eine besonders einfache Herstellung wird dadurch ermöglicht, dass die Dichtflächen zugleich Klebeflächen bilden und auf die Dichtflächen ein Klebemittel aufgetragen ist. Durch die Klebeverbindung wird auf sehr einfache Weise eine unlösbare Verbindung zwischen dem Deckel und dem Zylinderkopf hergestellt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kühlmittelraum im Bereich einer durch die Zylinderachsen aufgespannten Längsmittelebene angeordnet ist und sich in Längsrichtung des Zylinderkopfes erstreckt. Dies ermöglicht es, insbesondere thermisch hoch beanspruchte Bereiche um die Auslasskanäle zu kühlen. Der Kühlmittelraum verläuft dabei im Bereich der Längsmittelebene zwischen den Auslasskanälen und den Einlasskanälen sowie zwischen den Ventilführungen der Einlass- und Auslassventilen. Um den Zylinderkopf im wesentlichen in Querrichtung zu durchströmen, weist der Kühlmittelraum im Bereich zumindest einer Querebene zwischen jeweils zwei benachbarten Zylindern eine vorzugsweise nor- mal zur durch zumindest zwei Zylinderachsen aufgespannten Längsmittelebene eine Trennwand auf. Vorzugsweise weist die Trennwand vom Deckel einen definierten Abstand auf. Dies ermöglicht einen gezielten Kühlmitteaustausch zwischen zwei Zylindern. Der Deckel kann aber auch auf der Trennwand dicht aufliegen, um eine Längsströmung zu unterbinden.
Eine möglichst geringe Anzahl an Teilen lässt sich erzielen, wenn sich der Deckel über die gesamte Länge des Zylinderkopfes erstreckt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittelraum und/oder der Deckel im Bereich der Auslasskanäle, der Einlasskanäle und der Zündkerzenschächte Einbuchtungen aufweist. Diese Einbuchtungen bewirken eine Querschnittsverminderung des Kühlmittelraumes, wodurch gezielt in thermisch hoch beanspruchten Bereichen die Geschwindigkeit des Kühlmittels erhöht werden kann, um die Wärmeabfuhr zu erhöhen.
Eine besonders kostensparende Bauweise kann dadurch ermöglicht werden, wenn der Deckel als Blechteil, als Aludruckgussteil, oder als Kunststoffteil ausgebildet ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante kann weiters vorgesehen sein, dass der Deckel strukturiert ausgebildet ist, wobei der Deckel zumindest eine in den Kühlmittelraum ragende Leitwand oder Kühlrippe für die Kühlmittelströmung aufweisen kann. Die Struktur am Deckel wirkt einerseits als Versteifung und vergrößert andererseits die von Kühlmittel benetzte Oberfläche, was den Wärmeübergang vom Zylinderkopf in das Kühlmittel begünstigt. Darüber hinaus kann über Leitrippen das Kühlmittel gezielt zu heißen Stellen im Zylinderkopf geführt und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums an die Erfordernisse angepasst werden.
Um eine einfache und rasche Fertigung zu ermöglichen, wird der Zylinderkopf im Druckgussverfahren hergestellt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der
Linie I-I in Fig . 2;
Fig. 2 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht;
Fig. 3 den Zylinderkopf ohne Ventilbetätigungsmechanismus in einer
Draufsicht;
Fig. 4 den Zylinderkopf ohne Ventilbetätigungseinrichtungen in einer
Schrägansicht;
Fig. 5 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 1 ; Fig. 6 einen Deckel des Zylinderkopfes in einer Schrägansicht in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 7 und Fig. 8 den Zylinderkopf mit dem Deckel aus Fig. 6 in einer
Schrägansicht gemäß der Linie VII-VII in Fig. 3;
Fig. 9 einen Deckel des Zylinderkopfes in einer Schrägansicht in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 10 und Fig. 11 den Zylinderkopf mit dem Deckel aus Fig. 9 in einer
Schrägansicht gemäß der Linie VII-VII in Fig. 3.
Der im Druckgussverfahren hergestellte Zylinderkopf 1 weist pro Zylinder einen Auslasskanal 2 und einen Einlasskanal 3, sowie eine in einem Zündkerzenschacht 4 angeordnete Zündkerze 5 auf. Zur Steuerung der Einlasskanäle 2 und Auslasskanäle 3 sind nockenbetätigte Hubventile vorgesehen, von welchen in Fig. 1 nur das Auslassventil 6 gezeigt ist. In einem Ventilbetätigungsraum 7 des Zylinderkopfes 1, welcher durch einen nicht weiter dargestellten Ventildeckel abgedeckt werden kann, ist der Ventilbetätigungsmechanismus 8 angeordnet. Im Bereich einer durch die nicht weitereingezeichneten Zylinderachsen aufgespannten Längsmittelebene ε ist im Zylinderkopf 1 benachbart an den Auslasskanal 2 und das Feuerdeck la ein in den Zylinderkopf 1 eingeformter Kühlmittelraum 9 für ein flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, angeordnet, welcher zum Ventilbetätigungsraum 7 offen ausgeführt ist. Der Kühlmittelraum 9 erstreckt sich in Längsrichtung des Zylinderkopfes 1 und wird durch quer zur Zylinderkopfmittelebene ε verlaufenden Trennwände 10 in Teilkühlräume 9a pro Zylinder unterteilt. Der Zylinderkopf 1 weist beidseits des Kühlmittelraums 9 eine etwa parallel zur Zylinderkopfdichtebene 11 ausgebildete Dichtfläche 12 auf, auf welchen ein Deckel 13 zur Abdeckung des Kühlmittelraums 9 aufgesetzt werden kann. Durch den Deckel 13 kann der Kühlmittelraum 9 flüssigkeitsdicht vom Vet- nilbetätigungsraum7 getrennt werden. Der Deckel 13 weist dabei einen umlaufenden Bund 13a auf, welcher auf den Dichtflächen 12 des Zylinderkopfes 1 anliegt. Zwischen Dichtflächen 12 und Bund 13a des Deckels 13 kann dabei ein Klebemittel aufgetragen werden, um eine unlösbare Verbindung zwischen dem Deckel 13 und dem Zylinderkopf 1 zu schaffen. Alternativ dazu kann der Deckel auch durch Schrauben oder Nieten mit dem Zylinderkopf 1 fest verbunden werden.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist der Deckel 13 zumindest an der dem Kühlmittelraum 9 zuwandten, vom Kühlflüssigkeit benetzten Unterseite strukturiert ausgebildet und weist in den Kühlmittelraum 9 hineinragende Leitwände 22 oder Kühl- rippen 14 auf, welche einerseits die durch Kühlmittel benetzte Fläche erhöhen und andererseits die Steifigkeit des Deckels 13 verbessert (Fig. 6 bis Fig. 11).
Der Deckel 13 und der Kühlmittelraum 9 erstreckt sich vorteilhafterweise über die gesamte Länge des Zylinderkopfes 1, wobei der Deckel 13 und der Kühlmittelraum 9 im Bereich der Auslasskanäle 2, der Einlasskanäle 3, und der Zündkerzenschächte 4 Einbuchtungen 15a, 15b, 15c bzw. 22a, 22b, 22c aufweist.
Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Trennwand 10 vom Deckel 13 beabstandet, um einen Austausch von Kühlmittel zwischen den Teilkühlräumen 9a von benachbarten Zylindern zu ermöglichen. Der Deckel 13 kann aber genauso dicht an der Trennwand 10 anliegen, um eine Längsströmung vollkommen zu unterbinden.
Zusätzlich zu den Trennwänden 10 oder statt diesen können die am Deckel quer zur Zylinderkopfmittelebene ε verlaufenden Leitwände 22 vorgesehen sein, welche in den Kühlmittelraum 9 ragen (siehe Fig. 9 bis Fig . 11).
Die Trennwände 10 und Leitwände 22 unterstützen einerseits eine Querströmung des Kühlmittels für jeden Zylinder zwischen Zuflusskanälen 16 und Abflusskanälen 17, wie durch die Pfeile S in Fig. 5 angedeutet ist. Der Bereich 9b des Kühlmittelraums 9 zwischen den Auslasskanälen 2 und den Einlasskanälen 3 bzw. den Zündkerzenschacht 4 ist im Querschnitt vermindert ausgebildet, wodurch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und eine besonders gute Wärmeabfuhr in diesem Bereich 9b nahe dem Feuerdeck la gewährleistet ist. Die Trennwände 10 wirken andererseits als zusätzliche Versteifungen für den Zylinderkopf 1.
In Fig. 3 sind mit Bezugszeichen 18 Kurbelgehäuseentlüftungskanäle und mit Bezugszeichen 19 Ölrücklaufkanäle bezeichnet. Bezugszeichen 20 stellen Aufnahmebohrungen für Zylinderkopfschrauben 21 dar.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine, welcher zumindest einen zu einem Ventilbetätigungsraum (7) offenen Kühlmittelraum aufweist, wobei der Kühlmittelraum (9) durch einen flüssigkeitsdicht eingesetzten Deckel (13) verschlossen und vom Ventilbetätigungsraum (7) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (13) durch eine Klebeverbindung, eine Schraubverbindung, oder eine Nietverbindung mit dem Zylinderkopf (1) fest verbunden ist.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) im Bereich einer durch zumindest zwei Zylinderachsen aufgespannten Längsmittelebene (ε) angeordnet ist und sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Zylinderkopfes (1) erstreckt.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) zwischen den Auslasskanälen (2) und den Einlasskanälen (3) sowie zwischen den Ventilführungen der Einlass- und Auslassventilen (6) angeordnet ist.
4. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (13) als Blechteil, als Aludruckgussteil, oder als Kunststoffteil ausgebildet ist.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (13) strukturiert ausgebildet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (13) zumindest eine in den Kühlmittelraum (9) ragende Leitwand (22) oder Kühlrippe (14) für die Kühlmittelströmung aufweist.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) im Druckgussverfahren hergestellt ist.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) angrenzend an den Kühlmittelraum (9) zumindest eine ebene Dichtfläche (12) aufweist, auf welcher der Deckel (13) dichtend aufliegt.
9. Zylinderkopf (1) nach einem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (13) an der dem Kühlmittelraum (9) zugewandten Seite einen umlaufenden Bund (13a) aufweist, welcher auf der Dichtfläche (12) anliegt.
10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) im Bereich zumindest einer Querebene zwischen jeweils zwei benachbarten Zylindern eine vorzugsweise normal zur durch zumindest zwei Zylinderachsen aufgespannten Längsmittelebene (ε) eine Trennwand (10) aufweist, wobei vorzugsweise die Trennwand (10) mit dem Zylinderkopf (1) mitgegossen ist.
11. Zylinderkopf (1) nach einem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (10) vom Deckel (13) einen definierten Abstand aufweist.
12. Zylinderkopf (1) nach einem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (13) auf der Trennwand (10) vorzugsweise dicht aufliegt.
13. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Deckel (13) über die gesamte Länge des Zylinderkopfes (1) erstreckt.
14. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) und/oder der Deckel (13) im Bereich zumindest eines Auslasskanals (2), zumindest eines Einlasskanals (3) und/oder zumindest eines Zündkerzenschachtes (4) eine Einbuchtung (22a, 22b; 15a, 15b, 15c) aufweist.
15. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) im Bereich zumindest eines Auslasskanals (2) und dem Einlasskanal (3) und/oder zumindest eines Auslasskanals und einem Zündkerzenschacht (4) eine Querschnittsverengung (9b) aufweist.
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