WO2014180873A1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2014180873A1
WO2014180873A1 PCT/EP2014/059282 EP2014059282W WO2014180873A1 WO 2014180873 A1 WO2014180873 A1 WO 2014180873A1 EP 2014059282 W EP2014059282 W EP 2014059282W WO 2014180873 A1 WO2014180873 A1 WO 2014180873A1
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WO
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inlet
cylinder head
cooling channel
valve seat
seat ring
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PCT/EP2014/059282
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Robert Pöschl
Christof Knollmayr
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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
    • 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
    • F01P3/14—Arrangements for cooling other engine or machine parts for cooling intake or exhaust valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/12—Cooling of valves
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2810/00—Arrangements solving specific problems in relation with valve gears
    • F01L2810/01—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine having at least one cylinder, with at least one valve seat ring for a globe valve, wherein the valve seat ring is surrounded by a molded at least partially in the cylinder head annular cooling channel for a coolant, wherein the cooling channel surrounds the valve seat ring at least partially and extends between at least one inlet and at least one outlet.
  • the publications GB 2 101 212 A, JP S59107009 U and JP S5935623 U show valve seat rings for globe valves of internal combustion engines, each with a cooling channel, in which open a plurality of entrances, and from which at least one branch branches off.
  • the entries are each arranged symmetrically with respect to a meridian plane of the valve seat ring through the exit.
  • WO 2010/145 940 A1 describes a cylinder head for an internal combustion engine with annular cooling passages around exhaust valve seat rings, with inlets and outlets of the annular cooling passages being arranged diametrically opposite with respect to the axis of the valve seat rings. Similar cooling channels to valve seats are known from DE 34 12 052 AI. However, these symmetrical cooling measures are not sufficient to effectively prevent thermal deformation of the exhaust valve bridges in high-performance engines.
  • the CH 272 380 B or GB 668 962 A respectively describes a valve device of an internal combustion engine with inserted valve seat ring for a poppet valve, wherein the valve seat ring is surrounded by a circumferential cooling channel which extends between an inlet and an outlet. Between the inlet and the outlet, a separation region for the coolant is formed, which prevents a short-circuit flow between inlet and outlet.
  • a similar cooling channel is also known from JP 57-015918 U l. Although this cooling channel arrangement allow asymmetric cooling of the valve seat rings, however, the heat dissipation due to the low flow rates is insufficient. adversely is also that the separation area between inlet and outlet forms an uncooled thermal bridge and this can lead to local overheating and thermal stresses, in particular when the separation region is positioned near the thermally highly stressed web between two outlet valves.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to reduce valve wear.
  • this is achieved in that several inlets open into the cooling channel, wherein preferably the inlets are arranged asymmetrically with respect to a meridian plane of the valve seat ring through the outlet.
  • a meridian plane of the valve seat ring is here understood to mean a plane through a point of the curved surface of the valve seat ring, which contains its center of curvature.
  • the meridian plane is thus spanned by a radial line and the ring axis of the valve seat ring.
  • At least one inlet opens obliquely or tangentially into the cooling channel, so that the following applies: 0 ⁇ ⁇ 90 °, wherein the angle ⁇ between a center line of an inlet channel leading to this inlet and a tangent to the Cooling channel is clamped in the region of this entry, wherein preferably at least one entry of the angle ß ⁇ 80 °, preferably ⁇ 75 °.
  • At least one inlet opens obliquely into the cooling channel, so that for the angle ⁇ : 0 ⁇ ⁇ 90 °.
  • the outlet can be arranged diametrically in relation to the valve seat ring center, preferably opposite the inlet, preferably the radial one. lines of the inlet and the outlet can be arranged in a meridian plane of the valve seat ring.
  • a preferably radial inlet can be arranged diametrically opposite the outlet with respect to the center of the valve seat ring, and wherein the cooling channel can have at least one further inlet, which preferably faces on a first side facing an outlet valve bridge a meridian plane of the valve seat ring is arranged through the outlet.
  • the further inlet can be formed as a tangential inlet, which opens tangentially into the cooling channel, or as an oblique inlet, which opens obliquely into the cooling channel.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides a radial inlet, an oblique inlet and a tangential entry, wherein the radial inlet diametrically to the outlet and the two other entries - oblique entry and tangential entry - on one side of a meridian plane of the valve seat ring through the outlet - In particular on the exhaust valve bridge side facing - can be arranged. This causes a good heat dissipation from the area of the exhaust valve bridge.
  • At least two inlet channels are arranged so that their center lines passing through the respective entries at a point on a meridian plane of the valve seat ring or at a point in the region of a cooling jacket of a preferably centrally opening into a combustion chamber member, particularly preferably an injection device, cut.
  • asymmetrical cooling with optimum heat dissipation from the outlet valve bridge can be achieved in a targeted manner.
  • cooling channel - viewed in a section normal to the axis of the valve seat ring - in the region of at least one inlet and / or the outlet has at least one preferably substantially crescent-shaped bulge.
  • a targeted heat removal from thermally highly stressed areas can be done if the bulge asymmetrical with respect to a meridian plane passing through the center of the entrance or exit.
  • the eccentric arrangement of the bulge with respect to the center of the inlet or outlet leads to an asymmetrical distribution of the flow losses and thus the flow rates of the coolant in both branches of the annular cooling channel, so that the heat dissipation from both branches of the cooling channel is different.
  • the radius r of the protrusion may be between 0.2 times and 0.8 times the outer radius R of the cooling channel, preferably between 0.4 times and 0.6 times the outer radius R of the cooling channel , This results in a favorable flow cross-sectional shape for the lowest possible flow losses and good cooling effect.
  • Each entry stands in each case with a cast or drilled inlet channel, the outlet in fluid communication with a cast or drilled outlet channel of the cylinder head.
  • the cooling channel of the valve seat ring is separated from the cooling system of the restlichten cylinder head. This makes it possible to use other pressures or cooling media for cooling the valve seat ring than, for example, for cooling the cylinder head.
  • the inlet and the outlet can be connected to the lubricating oil system of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a cylinder head according to the invention in a first embodiment in a section along the line I - I in Fig. 3,
  • FIG. 2 shows a cylinder head according to the invention in a second embodiment in a section analogous to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the cylinder head in a section along the line III-III in Fig. 1
  • Fig. 4 shows the detail IV of Fig. 3
  • FIG. 5 shows a cylinder head according to the invention in a third embodiment in a section analogous to FIG. 1,
  • FIG. 6 shows a cylinder head according to the invention in a fourth embodiment in a section analogous to FIG. 1,
  • FIG. 7 shows a cylinder head according to the invention in a fifth embodiment in a section analogous to FIG. 1, and 8 shows the cylinder head in a section along the line VIII - VIII in Fig. 7.
  • the Fig. show a cylinder head 1 for at least one cylinder 11 of an internal combustion engine, with at least one formed by a non-illustrated lift valve exhaust valve 2, (of which only the exhaust valve opening is shown), wherein at least per outlet valve 2, a valve seat ring 3 arranged in the cylinder head 1, for example, pressed is.
  • the axis of the valve seat ring 3 is designated by reference numeral 3a.
  • the pressed into the cylinder head 1 or glued valve seat ring 3 is surrounded by a molded into the cylinder head 1, for example milled annular cooling channel 4 for a coolant, which between at least one inlet 5 and an outlet 6 over an angular range ⁇ of at least 180 ° to the Valve seat ring 3 extends.
  • the inlet 5 stands with an inlet channel 5a, the outlet 6 with an outlet channel 6a in connection, wherein inlet channel 5a and outlet channel 6a may be formed by bores.
  • the inlet channel 5a starts from a side surface la of the cylinder head 1 and is directed radially to the cylinder center I Ia.
  • the outlet channel 6a opens.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a cylinder head 1, wherein the cooling channel 4 in the mouth region of the inlet channel 5a in the cooling channel 4 - ie in the region of the inlet 5 - has a substantially sickle-shaped recess 10.
  • the bulge 10 can essentially have a circular segment shape and be produced, for example, by a cutting tool, such as a milling cutter. But it is also a non-cutting production, for example by an electric discharge process conceivable.
  • the radius r of the bulge is advantageously selected from the range 0.2 »R ⁇ r ⁇ 0.8» R, wherein preferably the radius r of the bulge 10 is between preferably 0.4 »R and 0.6» R.
  • a bulge 10 formed in this way flow losses in the region of the inlet 5 can be substantially reduced.
  • a similar bulge can be provided in an analogous manner in the region of the outlet 6 (not shown).
  • the bulge 10 is arranged symmetrically to a through the center line 5 'extending plane ⁇ .
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment, which differs from FIG. 1 in that the bulge 10 is asymmetrical with respect to a meridian plane ⁇ passing through the center 5 "of the inlet 5 and / or through the meridian plane ⁇ Outlet 6 extending meridian plane ⁇ of the valve seat ring 3 is arranged.
  • the flow losses when the coolant flows into the cooling channel 4 are reduced and, on the other hand, an asymmetrical quantity distribution of the coolant into the two annular sections 4a, 4b of the cooling channel 4 is effected.
  • a higher heat dissipation can be achieved on one side of the meridional plane ⁇ or ⁇ than on the other side.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show the arrangement in a section in the meridian plane ⁇ , ⁇ , wherein in FIG. 4 of the entrance 5 is shown in detail.
  • Fig. 5 shows the cylinder head 1 in a third embodiment, wherein in addition to a radial inlet channel 5a having radial inlet 5, a tangential inlet 15 is provided with a tangential inlet channel 15a.
  • the tangential inlet channel 15a opens tangentially into the annular cooling channel 4. This results in a highly asymmetric coolant flow in the cooling channel 4, wherein according to the arrows S A , S B through the Auslrawventil Hampshire 12 facing portion 4a of the cooling channel 4 flows a higher amount of coolant than by the other remote portion 4b, so that the Cylinder head 1 on the side A of the meridian plane ⁇ and ⁇ of the valve seat ring 3 is cooled more than on the side B.
  • Fig. 6 shows a fourth embodiment of the cylinder head 1, wherein, in addition to the radial inlet 5, a further inlet 25 is provided with a further inlet channel 25a similar to FIG.
  • the further - inclined - inlet channel 25a opens on one side A of the plane ⁇ or ⁇ at an acute angle ß in the annular cooling channel 4, wherein the angle ß between a tangent t on the annular cooling channel 4 in the region of the other - oblique - Entry 25 and the center line 25 'of the second inlet channel 25 is clamped.
  • the angle ß is selected between 0 ° and 90 °.
  • the center line 25 'of the oblique inlet channel 25a is arranged tangentially to a circle of curvature k with the radius of curvature r of a bulge 10 of the first inlet 5. This results in a pronounced asymmetric flow of coolant corresponding to the arrows S A , S B in the cooling channel 4, wherein through the outlet valve bridge 12 facing portion 4a of the cooling channel 4, a higher amount of coolant flows, as by the other remote portion 4b.
  • the cylinder head 1 is also here on the side A of the level ⁇ or ⁇ more cooled than on the side B.
  • Fig. 7 shows a fifth embodiment of the cylinder head 1 with a combination of the in FIG. 5 and Fig. 6 illustrated measures.
  • two further entrances - namely a tangential inlet 15 and an oblique inlet 25 are provided, wherein the one tangential inlet 15 has a tangential opening into the cooling channel 4 tangential inlet channel 15a and the oblique inlet 25 has an acute angled into the cooling channel 4 opening oblique inlet channel 25a.
  • the oblique inlet channel 25a opens on an A side of the plane ⁇ and ⁇ at an acute angle ß in the annular cooling channel 4, wherein the angle ß between a tangent t on the annular cooling channel 4 in the region of the oblique inlet 25 and the center line 25th 'of the oblique inlet channel 25 is clamped.
  • the angle ß is selected between 0 ° and 90 °.
  • Both second inlet channels 15a, 25a open on one side A of the plane ⁇ and ⁇ in the annular cooling channel 4, which faces the exhaust valve bridge 12.
  • the inlet channels 5, 15, 25 can be designed such that their center lines 5 ', 15', 25 'extending through the respective inlets 5, 15, 25 pass through a point P on a meridian plane ⁇ of the valve seat ring 3 Cut outlet 6.
  • the point P is favorably located in the region of the cooling jacket 8 of the component 7 which opens centrally into the combustion chamber 14. This allows a simple production with simultaneously very effective heat removal from the area of the outlet valve bridge 12.
  • the holes for the first and second inlet channels 5a, 15a, 25a are subsequently closed in the region of the side surface la of the cylinder head 1 by plugs 9, 19, 29.
  • the inlet channels 5a, 15a, 25a of the inlets 5, 15, 25 can be connected to a pressure source in the cylinder head 13 flanged to the cylinder head 1 and (indicated in FIGS. 3 and 8) via vertical bores 5b, 15b, 25b the coolant flow from the inlets 5, 15, 25 to the outlets 6 takes place.
  • the outlet channel 6a of the outlet 6 can be fluidly connected via the cooling jacket 8 of the central component 7 with the cooling jacket 8 of the cylinder head 1.
  • embodiments with reversed coolant flow from the outlets 6 to the inlets 5, 15, 25 are conceivable, in which therefore the outlets 6 are connected to a pressure source and the inlets 5, 15, 25 to a pressure sink.
  • the scope of the present application covers all possible coolant flow directions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit zumindest einem Ventilsitzring (3) für ein Hubventil, wobei der Ventilsitzring (3) von einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf (1) eingeformten ringförmigen Kühlkanal (4) für ein Kühlmittel umgeben ist, wobei der Kühlkanal (4) den Ventilsitzring zumindest teilweise umgibt und sich zwischen zumindest einem Eintritt (5, 15, 25) und zumindest einem Austritt (6) erstreckt. Um den Ventilverschleiß zu vermindern, ist vorgesehen, dass mehrere Eintritte (5, 15, 25) in den Kühlkanal (4) einmünden, wobei vorzugsweise die Eintritte (5, 15, 25) asymmetrisch in Bezug zu einer Meridianebene (δ) des Ventilsitzrings (3) durch den Austritt (6) angeordnet sind.

Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit zumindest einem Ventilsitzring für ein Hubventil, wobei der Ventilsitzring von einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf eingeformten ringförmigen Kühlkanal für ein Kühlmittel umgeben ist, wobei der Kühlkanal den Ventilsitzring zumindest teilweise umgibt und sich zwischen zumindest einem Eintritt und zumindest einem Austritt erstreckt.
Aus der WO 08/059108 A ist ein in einem Zylinderkopf angeordneter Ventilsitzring für eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, wobei im Ventilsitzring ein umlaufender Kühlkanal angeordnet ist, welcher sich zwischen einem Eintritt und einem Austritt für ein Kühlmittel erstreckt.
Heutige Hochleistungs-Brennkraftmaschinen weisen thermisch hochbeanspruchte Regionen beispielsweise im Bereich der Auslassventilbrücken zwischen den Auslassventilsitzen auf. Diese Bereiche sind besonders hinsichtlich thermischer Verformung und somit erhöhtem Ventilverschleiß gefährdet.
Die Veröffentlichungen GB 2 101 212 A, JP S59107009 U und JP S5935623 U zeigen Ventilsitzringe für Hubventile von Brennkraftmaschinen mit jeweils einem Kühlkanal, in welchen mehrere Eintritte einmünden, und aus welchen zumindest ein Austritt abzweigt. Die Eintritte sind jeweils symmetrisch in Bezug zu einer Meridianebene des Ventilsitzringes durch den Austritt angeordnet.
Die WO 2010/145 940 AI beschreibt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit ringförmigen Kühlkanälen um Auslassventilsitzringen, wobei Eintritte und Austritte der ringförmigen Kühlkanäle in Bezug auf die Achse der Ventilsitzringe diametral gegenüber angeordnet sind . Ähnliche Kühlkanäle um Ventilsitze sind aus der DE 34 12 052 AI bekannt. Diese symmetrischen Kühlmaßnahmen reichen allerdings nicht aus, um bei Hochleistungsmotoren eine thermische Verformung der Auslassventilbrücken effektiv zu vermeiden .
Die CH 272 380 B oder die GB 668 962 A beschreibt jeweils eine Ventileinrichtung einer Brennkraftmaschine mit eingesetztem Ventilsitzring für ein Tellerventil, wobei der Ventilsitzring von einem umlaufenden Kühlkanal umgeben ist, welcher sich zwischen einem Eintritt und einem Austritt erstreckt. Zwischen dem Eintritt und dem Austritt ist ein Trennbereich für das Kühlmittel ausgebildet, welcher eine Kurzschlussströmung zwischen Eintritt und Austritt unterbindet. Ein ähnlicher Kühlkanal ist auch durch die JP 57-015918 U l bekannt geworden. Diese Kühlkanalanordnung ermöglichen zwar eine asymmetrische Kühlung der Ventilsitzringe, allerdings ist die Wärmeabfuhr auf Grund der geringen Durchflussmengen unzureichend . Nachteilig ist auch, dass der Trennbereich zwischen Eintritt und Austritt eine ungekühlte Wärmebrücke bildet und es dadurch zur lokalen Überhitzungen und thermischen Spannungen kommen kann, insbesondere, wenn der Trennbereich nahe des thermisch hochbelasteten Steges zwischen zwei Auslassventilen positioniert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und den Ventilverschleiß zu vermindern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mehrere Eintritte in den Kühlkanal einmünden, wobei vorzugsweise die Eintritte asymmetrisch in Bezug zu einer Meridianebene des Ventilsitzrings durch den Austritt angeordnet sind .
Unter einer Meridianebene des Ventilsitzringes wird hier eine Ebene durch einen Punkt der gekrümmten Oberfläche des Ventilsitzringes verstanden, die deren Krümmungsmittelpunkt enthält. Die Meridianebene wird somit durch eine Radiallinie und die Ringachse des Ventilsitzringes aufgespannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Eintritt schräg oder tangential in den Kühlkanal einmündet, so dass gilt: 0 < ß < 90°, wobei der Winkel ß zwischen einer Mittellinie eines zu diesem Eintritt führenden Eintrittskanals und einer Tangente auf den Kühlkanal im Bereich dieses Eintrittes aufgespannt wird, wobei vorzugsweise bei zumindest einem Eintritt der Winkel ß < 80°, vorzugsweise < 75° ist. Dadurch kann eine asymmetrische Strömung im Kühlkanal initiiert werden, wodurch thermisch hochbeanspruchte Bereiche gezielt gekühlt werden können.
Eine ausgeprägte asymmetrische Strömung kann erzielt werden, wenn zumindest ein Eintritt tangential in den Kühlkanal einmündet, so dass der Winkel ß = 0 ° beträgt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Eintritt schräg in den Kühlkanal einmündet, so dass für den Winkel ß gilt: 0 < ß < 90°.
Eine Verbesserung der Kühlung lässt sich erreichen, wenn zumindest ein weiterer Eintritt radial in den Kühlkanal einmündet, so dass der Winkel ß = 90 ° beträgt.
Dadurch kann eine deutlich asymmetrisch ausgeprägte Kühlmittelströmung im Kühlkanal erzielt werden. Eine besonders effektive Wärmeabfuhr hat eine Anordnung ergeben, bei der die Mittellinie des Eintrittskanals des schrägen Eintritts tangential auf einen Krümmungskreis einer Ausbuchtung eines vorzugsweise radialen Eintritts angeordnet ist.
Der Austritt kann dabei diametral in Bezug zur Ventilsitzringmitte dem - vorzugsweise radialen - Eintritt gegenüber angeordnet sein, wobei vorzugsweise die Mittel- linien des Eintrittes und des Austrittes in einer Meridianebene des Ventilsitzringes angeordnet sein können.
Besonders vorteilhaft für die Wärmeabfuhr aus thermisch hochbeanspruchten Bereichen ist es, wenn ein vorzugsweise radialer Eintritt in Bezug zur Mitte des Ventilsitzringes diametral zum Austritt angeordnet sein kann, und wobei der Kühlkanal zumindest einen weiteren Eintritt aufweisen kann, welcher bevorzugt auf einer einer Auslassventilbrücke zugewandten ersten Seite einer Meridianebene des Ventilsitzringes durch den Austritts angeordnet ist. Der weitere Eintritt kann als tangentialer Eintritt, welcher tangential in den Kühlkanal einmündet, oder als schräger Eintritt, welcher schräg in den Kühlkanal einmündet, ausgebildet sein. Eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht dabei einen radialen Eintritt, einen schrägen Eintritt und einen tangentialen Eintritt vor, wobei der radiale Eintritt diametral zum Austritt und die beiden weiteren Eintritte - schräger Eintritt und tangentialer Eintritt - auf einer Seite einer Meridianebene des Ventilsitzringes durch den Austritt - insbesondere auf der der Auslassventilbrücke zugewandten Seite - angeordnet sein können. Dies bewirkt eine gute Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Auslassventilbrücke. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest zwei Eintrittskanäle so angeordnet sind, dass sich deren durch die jeweiligen Eintritte verlaufenden Mittellinien in einem Punkt auf einer Meridianebene des Ventilsitzringes oder in einem Punkt im Bereich eines Kühlmantels eines vorzugsweise zentral in einen Brennraum einmündenden Bauteils, besonders vorzugsweise einer Einspritzeinrichtung, schneiden. Durch diese Anordnung kann gezielt eine asymmetrische Kühlung mit optimaler Wärmeabfuhr von der Auslassventilbrücke erreicht werden.
In Rahmen der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass der Kühlkanal - in einem Schnitt normal zur Achse des Ventilsitzringes betrachtet - im Bereich zumindest eines Eintrittes und/oder des Austrittes zumindest eine vorzugsweise im Wesentlichen sichelförmige Ausbuchtung aufweist.
Bei bekannten Anordnungen mit einem ringförmigen Kühlkanal kommt es im Bereich der Eintritte und Austritte zu Druckverlusten, was die Kühlung verschlechtert und zu einem erhöhten Ventilverschleiß führt. Durch die im Wesentlichen sichelförmigen Ausbuchtungen im Bereich des Eintrittes und/oder Austrittes werden Strömungsverluste durch Wirbelbildungen und Drosseleffekte vermindert. Dadurch kann auf einfache Weise der Kühlmitteldurchsatz gesteigert und die Wärmeabfuhr verbessert werden.
Eine einfache Fertigung ergibt sich, wenn die Ausbuchtung zumindest teilweise im Wesentlichen Kreissegmentform aufweist, und vorzugsweise durch ein Drehwerkzeug, zum Beispiel durch einen Fräser, erzeugbar ist.
Eine gezielte Wärmeabfuhr aus thermisch hochbeanspruchten Bereichen, beispielsweise der Auslassventilbrücke, kann erfolgen, wenn die Ausbuchtung asymmetrisch in Bezug auf eine durch die Mitte des Eintritts bzw. Austritts verlaufende Meridianebene angeordnet ist. Die exzentrische Anordnung der Ausbuchtung in Bezug auf die Mitte des Eintritt bzw. Austritts führt zu einer asymmetrischen Aufteilung der Strömungsverluste und somit der Durchflussmengen des Kühlmittels in beiden Zweigen des ringförmigen Kühlkanals, so dass die Wärmeabfuhr aus beiden Zweigen des Kühlkanals unterschiedlich ist.
Der Radius r der Ausbuchtung kann zwischen dem 0,2-fachen und dem 0,8-fachen des äußeren Radius R des Kühlkanals, vorzugsweise zwischen dem 0,4-fachen und dem 0,6-fachen des äußeren Radius R des Kühlkanals, betragen. Dies ergibt eine günstige Strömungsquerschnittsform für möglichst geringe Strömungsverluste und gute Kühlwirkung .
Jeder Eintritt steht dabei mit jeweils einem gegossenen oder gebohrten Eintrittskanal, der Austritt mit einem gegossenen oder gebohrten Austrittskanal des Zylinderkopfes in Strömungsverbindung .
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkanal des Ventilsitzringes vom Kühlsystem des restlichten Zylinderkopfes getrennt ist. Dadurch ist es möglich, andere Drücke oder Kühlmedien zur Kühlung des Ventilsitzringes zu verwenden als beispielsweise zur Kühlung des Zylinderkopfes. Insbesondere können dabei der Einritt und der Austritt mit dem Schmierölsystem der Brennkraftmaschine verbunden sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer ersten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie I - I in Fig. 3,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig . 1,
Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1, Fig. 4 das Detail IV aus Fig. 3,
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer dritten Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig . 1,
Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer vierten Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig . 1,
Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer fünften Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig . 1, und Fig. 8 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie VIII - VIII in Fig. 7.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig . zeigen einen Zylinderkopf 1 für zumindest einen Zylinder 11 einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem durch ein nicht weiter dargestelltes Hubventil gebildeten Auslassventil 2, (von dem nur die Auslassventilöffnung dargestellt ist), wobei zumindest pro Auslassventil 2 ein Ventilsitzring 3 im Zylinderkopf 1 angeordnet, beispielsweise eingepresst ist. Die Achse des Ventilsitzringes 3 ist mit Bezugszeichen 3a bezeichnet. Der in den Zylinderkopf 1 eingepresste oder eingeklebte Ventilsitzring 3 ist von einem in den Zylinderkopf 1 eingeformten, beispielsweise eingefrästen ringförmigen Kühlkanal 4 für ein Kühlmittel umgeben, welcher sich zwischen zumindest einem Eintritt 5 und einem Austritt 6 über einen Winkelbereich α von mindestens 180° um den Ventilsitzring 3 erstreckt. In den Ausführungsbeispielen ist der Kühlkanal 4 umlaufend um den Ventilsitzring 3 ausgeführt. Es ist aber auch eine unterbrochene Ausführung denkbar. Der Eintritt 5 steht dabei mit einem Eintrittskanal 5a, der Austritt 6 mit einem Austrittskanal 6a in Verbindung, wobei Eintrittskanal 5a und Austrittskanal 6a durch Bohrungen gebildet sein können. Der Eintrittskanal 5a geht von einer Seitefläche la des Zylinderkopfes 1 aus und ist radial zur Zylindermitte I Ia gerichtet. Im Bereich der Zylindermitte I Ia ist ein zentral in den Brennraum 14 des Zylinders 11 einmündender Bauteil 7 - beispielsweise eine Zündkerze oder eine Einspritzeinrichtung - angeordnet, wobei der Bauteil 7 zumindest teilweise von einem Kühlraum 8 umgeben ist. In den Kühlraum 8 mündet der Austrittskanal 6a ein.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes 1, wobei der Kühlkanal 4 im Mündungsbereich des Eintrittskanals 5a in den Kühlkanal 4 - also im Bereich des Eintrittes 5 - eine im Wesentlichen sichelförmige Ausbuchtung 10 aufweist. Die Ausbuchtung 10 kann im Wesentlichen eine Kreissegmentform aufweisen und beispielsweise durch ein durch ein spanabhebendes Drehwerkzeug, etwa einen Fräser erzeugt werden. Es ist aber auch eine spanlose Fertigung, etwa durch ein Elektroerosionsverfahren denkbar. Der Radius r der Ausbuchtung wird vorteilhafterweise aus dem Bereich 0,2»R < r < 0,8»R ausgewählt, wobei bevorzugt der Radius r der Ausbuchtung 10 zwischen vorzugsweise 0,4»R und 0,6»R liegt. Durch eine solcherart ausgebildete Ausbuchtung 10 können Strömungsverluste im Bereich des Eintrittes 5 wesentlich verringert werden. Eine ähnliche Ausbuchtung kann in analoger Weise auch im Bereich des Austrittes 6 vorgesehen werden (nicht weiter dargestellt). In Fig . 1 ist die Ausbuchtung 10 symmetrisch zu einer durch die Mittellinie 5' verlaufenden Ebene ε angeordnet.
Die Fig . 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, welches sich von Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass die Ausbuchtung 10 asymmetrisch in Bezug zu einer durch die Mitte 5" des Eintrittes 5 verlaufenden Meridianebene ε und/oder einer durch den Austritt 6 verlaufenden Meridianebene δ des Ventilsitzrings 3 angeordnet ist. Dadurch werden einerseits die Strömungsverluste beim Einströmen des Kühlmittels in den Kühlkanal 4 verringert und andererseits eine asymmetrische Mengenaufteilung des Kühlmittels in die beiden ringförmigen Teilbereichen 4a, 4b des Kühlkanals 4 bewirkt. Dadurch kann auf einer Seite der Meridianebene ε bzw. δ eine höhere Wärmeabfuhr erzielt werden, als auf der anderen Seite. Insbesondere wird die Wärmeabfuhr auf jener Seite der Meridianebene ε, δ erhöht, in welcher der Großteil der sichelförmigen Ausbuchtung 10 angeordnet ist. Fig . 3 und Fig . 4 zeigen die Anordnung in einem Schnitt in der Meridianebene ε, δ, wobei in Fig . 4 der Eintritt 5 im Detail dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt den Zylinderkopf 1 in einer dritten Ausführungsvariante, wobei zusätzlich zum einen radialen Eintrittskanal 5a aufweisenden radialen Eintritt 5 ein tangentialer Eintritt 15 mit einem tangentialen Eintrittskanal 15a vorgesehen ist. Der tangentiale Eintrittskanal 15a mündet tangential in den ringförmigen Kühlkanal 4 ein. Dadurch ergibt sich eine stark asymmetrisch ausgeprägte Kühlmittelströmung im Kühlkanal 4, wobei entsprechend den Pfeilen SA, SB durch den der Auslassventilbrücke 12 zugewandeten Teilbereich 4a des Kühlkanals 4 eine höhere Menge an Kühlmittel strömt, als durch den anderen abgewandten Teilbereich 4b, so dass der Zylinderkopf 1 auf der Seite A der Meridianebene ε bzw. δ des Ventilsitzringes 3 stärker gekühlt wird, als auf der Seite B.
Fig. 6 zeigt eine viertes Ausführungsbeispiel des Zylinderkopf 1, wobei ähnlich zu Fig. 5 zusätzlich zum radialen Eintritt 5 ein weiterer Eintritt 25 mit einem weiteren Eintrittskanal 25a vorgesehen ist. Der weitere - schräge - Eintrittskanal 25a mündet auf einer Seite A der Ebene ε bzw. δ unter einem spitzen Winkel ß in den ringförmigen Kühlkanal 4 ein, wobei der Winkel ß zwischen einer Tangente t auf den ringförmigen Kühlkanal 4 im Bereich des weiteren - schrägen - Eintrittes 25 und der Mittellinie 25' des zweiten Eintrittskanals 25 aufgespannt wird . Der Winkel ß wird zwischen 0° und 90° ausgewählt. Im Ausführungsbeispiel ist die Mittellinie 25' des schrägen Eintrittskanals 25a tangential auf einen Krümmungskreis k mit dem Krümmungsradius r einer Ausbuchtung 10 des ersten Eintritts 5 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine ausgeprägte asymmetrisch Kühlmittelströmung entsprechend des Pfeilen SA, SB im Kühlkanal 4, wobei durch den der Auslassventilbrücke 12 zugewandeten Teilbereich 4a des Kühlkanals 4 eine höhere Menge an Kühlmittel strömt, als durch den anderen abgewandten Teilbereich 4b. Der Zylinderkopf 1 wird auch hier auf der Seite A der Ebene ε bzw. δ stärker gekühlt, als auf der Seite B.
Fig. 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Zylinderkopfes 1 mit einer Kombination der in Fig . 5 und Fig. 6 dargestellten Maßnahmen. Zusätzlich zum radialen Eintritt 5 sind zwei weitere Eintritte - nämlich ein tangentialer Eintritt 15 und ein schräger Eintritt 25 vorgesehen, wobei der eine tangentiale Eintritt 15 einen tangential in den Kühlkanal 4 einmündenden tangentialen Eintrittskanal 15a und der schräge Eintritt 25 einen spitzwinkelig in den Kühlkanal 4 einmündenden schrägen Eintrittskanal 25a aufweist. Der schräge Eintrittskanal 25a mündet auf einer Seite A der Ebene ε bzw. δ unter einem spitzen Winkel ß in den ringförmigen Kühlkanal 4 ein, wobei der Winkel ß zwischen einer Tangente t auf den ringförmigen Kühlkanal 4 im Bereich des schrägen Eintrittes 25 und der Mittellinie 25' des schrägen Eintrittskanals 25 aufgespannt wird . Der Winkel ß wird zwischen 0° und 90° ausgewählt. Beide zweite Eintrittskanäle 15a, 25a münden auf einer Seite A der Ebene ε bzw. δ in den ringförmigen Kühlkanal 4 ein, welche der Auslassventilbrücke 12 zugewandt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders stark ausgeprägte asymmetrisch Kühlmittelströmung entsprechend des Pfeilen SA, SB im Kühlkanal 4, wobei durch den der Auslassventilbrücke 12 zugewandeten Teilbereich 4a des Kühlkanals 4 eine wesentlich höhere Menge an Kühlmittel strömt, als durch den anderen abgewandten Teilbereich 4b. Der Zylinderkopf 1 wird somit auf der Seite A der Ebene ε wesentlich stärker gekühlt, als auf der Seite B.
Wie aus den Fig . 5, Fig . 6 und Fig . 7 hervorgeht, können die Eintrittskanäle 5, 15, 25 so ausgebildet sein, dass sich deren durch die jeweiligen Eintritte 5, 15, 25 verlaufenden Mittellinien 5', 15', 25' in einem Punkt P auf einer Meridianebene δ des Ventilsitzringes 3 durch den Austritt 6 schneiden. Der Punkt P befindet sich dabei günstiger Weise im Bereich des Kühlmantels 8 des zentral in den Brennraum 14 einmündenden Bauteils 7. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung bei gleichzeitig sehr effektiver Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Auslassventilbrücke 12.
Die Bohrungen für die ersten und zweiten Eintrittskanäle 5a, 15a, 25a werden nachträglich im Bereich der Seitenfläche la des Zylinderkopfes 1 durch Stopfen 9, 19, 29 verschlossen.
Die Ausführungsbeispiele sind exemplarisch mit je einem einzigen Austritt 6 dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass auch Ausbildungen mit mehreren Austritten im Rahmen der Erfindung liegen.
Die Eintrittskanäle 5a, 15a, 25a der Eintritte 5, 15, 25 können mit einer Druckquelle im an den Zylinderkopf 1 angeflanschten und (in Fig. 3 und Fig . 8 angedeuteten) Zylinderblock 13 über vertikale Bohrungen 5b, 15b, 25b verbunden sein, so dass der Kühlmittelfluss von den Eintritten 5, 15, 25 zu den Austritten 6 erfolgt. Der Austrittskanal 6a des Austrittes 6 kann über den Kühlmantel 8 des zentralen Bauteils 7 mit dem Kühlmantel 8 des Zylinderkopfes 1 strömungsverbunden sein. Alternativ dazu sind auch Ausführungen mit umgekehrtem Kühlmittelfluss von den Austritten 6 zu den Eintritten 5, 15, 25 denkbar, bei denen also die Austritte 6 mit einer Druckquelle und die Eintritte 5, 15, 25 mit einer Drucksenke verbunden sind . Der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung deckt alle möglichen Kühlmittelflussrichtungen ab. Weiters sind im Rahmen des vorliegenden Anmeldung auch Varianten denkbar, bei denen der Kühlkreislauf für die Kühlkanäle 4 zur Kühlung der Ventilsitzringe 3 getrennt vom Kühlkreislauf des Zylinderkopfes 1 ausgebildet ist. Somit können zur Kühlung des Zylinderkopfes 1 und zur Kühlung der Ventilsitzringe 3 verschiedene Kühlmedien, beispielsweise Kühlwasser einerseits und Schmieröl andererseits, verwendet werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit zumindest einem Ventilsitzring (3) für ein Hubventil, wobei der Ventilsitzring (3) von einem zumindest teilweise in den Zylinderkopf (1) eingeformten ringförmigen Kühlkanal (4) für ein Kühlmittel umgeben ist, wobei der Kühlkanal (4) den Ventilsitzring zumindest teilweise umgibt und sich zwischen zumindest einem Eintritt (5, 15, 25) und zumindest einem Austritt (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Eintritte (5, 15, 25) in den Kühlkanal (4) einmünden, wobei vorzugsweise die Eintritte (5, 15, 25) asymmetrisch in Bezug zu einer Meridianebene (δ) des Ventilsitzrings (3) durch den Austritt (6) angeordnet sind.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eintritt (15, 25) schräg oder tangential in den Kühlkanal (4) einmündet, so dass gilt: 0 < ß < 90°, wobei der Winkel ß zwischen einer Mittellinie (15', 25') eines zu diesem Eintritt (5, 15, 25) führenden Eintrittskanals (15a, 25a) und einer Tangente (t) auf den Kühlkanal (4) im Bereich dieses Eintrittes (15, 25) aufgespannt wird.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem Eintritt (15, 25) der Winkel ß < 80°, vorzugsweise < 75° ist.
4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eintritt (15) tangential in den Kühlkanal (4) einmündet, so dass der Winkel ß = 0 ° beträgt.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eintritt (25) schräg in den Kühlkanal (4) einmündet, so dass für den Winkel ß gilt: 0 < ß < 90°.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Eintritt (5) radial in den Kühlkanal (10) einmündet, so dass der Winkel ß = 90 ° beträgt.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintritt (5) - vorzugsweise ein radial in den Kühlkanal (4) einmündender radialer Eintritt (5) - in Bezug zur Achse (3a) des Ventilsitzringes (3) diametral zum Austritt (4) angeordnet ist.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eintritt (15, 25) - vorzugsweise ein tangential in den Kühlkanal (4) einmündender Eintritt (15) und/oder ein schräg in den Kühlkanal einmündender Eintritt (25) - auf einer vorzugsweise einer Auslassventil- brücke (12) zugewandten ersten Seite (A) einer Meridianebene (δ) des Ventilsitzringes (3) durch den Austritt (6) angeordnet ist.
9. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4) - in einem Schnitt normal zur Achse (3a) des Ventilsitzringes (3) betrachtet - im Bereich zumindest eines Eintrittes (5, 15, 25) und/oder des Austrittes (6) zumindest eine vorzugsweise im Wesentlichen sichelförmige Ausbuchtung (10) aufweist.
10. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtung (10) zumindest teilweise im Wesentlichen Kreissegmentform aufweist, und vorzugsweise durch ein Drehwerkzeug erzeugbar ist.
11. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtung (10) asymmetrisch in Bezug auf eine durch die Mittel (5", 15", 25"; 6") des Eintritts (5, 15, 25) bzw. Austritts (6) verlaufenden Meridianebene (ß, δ) angeordnet ist.
12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Radius r der Ausbuchtung (10) in Bezug auf den Radius R des Kühlkanals (4) gilt: 0,2»R < r < 0,8»R, vorzugsweise 0,4»R < r < 0,6»R.
13. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinie (25') des Eintrittskanals (25) eines schräg in den Kühlkanal (4) einmündenden Eintritts (25) tangential auf einen Krümmungskreis (k) einer Ausbuchtung (10) eines weiteren, vorzugsweise radial in den Kühlkanal (4) einmündenden Eintritts (5) angeordnet ist.
14. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Eintrittskanäle (5, 15, 25) so angeordnet sind, dass sich deren durch die jeweiligen Eintritte (5, 15, 25) verlaufenden Mittellinien (5', 15', 25') in einem Punkt (P) auf einer Meridianebene (δ) des Ventilsitzringes (3) durch den Austritt (6)und/oder in einem Punkt (P) im Bereich eines Kühlmantels (8) eines vorzugsweise zentral in einen Brennraum (14) einmündenden Bauteils (7), besonders vorzugsweise einer Einspritzeinrichtung, schneiden.
15. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4) des Ventilsitzringes (3) vom Kühlsystem des restlichten Zylinderkopfes (1) getrennt ist.
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