WO2015000616A1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2015000616A1
WO2015000616A1 PCT/EP2014/058665 EP2014058665W WO2015000616A1 WO 2015000616 A1 WO2015000616 A1 WO 2015000616A1 EP 2014058665 W EP2014058665 W EP 2014058665W WO 2015000616 A1 WO2015000616 A1 WO 2015000616A1
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cooling
cylinder head
cooling chamber
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PCT/EP2014/058665
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Robert Pöschl
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AVL List GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F1/24—Cylinder heads
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    • 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 
    • F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means
    • F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine having at least one fire deck side first cooling chamber and a Zylinderachslegi adjacent to the first cooling chamber second cooling chamber, the lower and upper cooling space are separated by an intermediate deck, arranged per cylinder, a central receptacle for an injection nozzle or ignition device is, and wherein in the region of the central receptacle of the first and the second cooling chamber are fluidly connected to each other, with at least two, preferably four, gas exchange valves per cylinder, wherein the first cooling chamber in the region of at least one valve bridge between two gas exchange valves has a radial cooling channel.
  • a general goal of the flow control is the tuning of the local velocity and heat transfer rates according to the local heat inputs and the structure temperatures.
  • DE 10 339 244 A1 discloses a cylinder head with a first and a second cooling space, the two partial cooling spaces being flow-connected to one another in the region of a central receptacle for an injector or a spark plug. They are.
  • the lower and upper part of the refrigerator are separated by an intermediate deck. Cooling channels are arranged in the area of the valve bridges between two adjacent inlet and outlet valves, the intermediate deck having a depression in the region of the central receptacle.
  • No. 4,576,859 A shows a cylinder head for an internal combustion engine with a cooling space extending over several cylinders in the longitudinal direction, wherein the ceiling of the cooling space facing the fire deck has a suspended rib in the region of transverse planes between two adjacent cylinders.
  • a similar configuration is also known from JP 56-148 647 A or JP 61-149 551 A.
  • the object of the invention is to avoid stagnation zones in the outer region of the first cooling space and to improve the heat dissipation from LCF-critical zones in the outer region of the valve bridges and the valve center.
  • the radial cooling channel has at least one cross-sectional reduction in a region located radially outside the valve bridge, which is preferably further away from the cylinder axis than the center of at least one gas exchange valve opening.
  • the fire deck is the adjacent to the combustion chamber deck of the cylinder head, which is interrupted per cylinder from the gas exchange openings and the central receptacle for the injection nozzle or ignition device.
  • the valve bridges are defined as the area of the fire deck in which two adjacent gas exchange openings have their closest approach.
  • the reduction in cross-section causes an increase in the speed of the coolant flow in the region lying radially outside the valve bridge, so that stagnation zones can be avoided. It is particularly advantageous if the flow cross-section of the radial cooling channel in the region of the cross-sectional reduction corresponds at most to the flow cross-section in the region of the narrowest point of the valve bridge. In this case, a reduction of the vertical extent of the flow cross-section of the cross-sectional reduction of a maximum of 80%, preferably a maximum of 50% compared to the narrowest point of the valve bridge is possible.
  • the limits for the reduction in cross-section are set primarily by the manufacturability (casting technique).
  • the cross-sectional reduction is arranged in the region of the intermediate deck, wherein preferably the cross-sectional reduction is formed by a finger-shaped rib or lowering of the intermediate deck. This ensures that the cooling medium is deflected in the cooling channel towards the fire deck and the heat dissipation from the fire deck area is improved.
  • the separation point is also displaced from the area at the valve seat. As a result, the proportion of the valve seat circumference, which can be achieved by intensive flow, can be increased, as a result of which more heat can also be withdrawn from the fire deck.
  • the cross-sectional reduction is formed as accumulation of material on the top surface of the intermediate deck facing the first cooling compartment, wherein preferably the intermediate deck is flat on the bottom surface facing the second cooling compartment in the region of the cross-sectional reduction.
  • the intermediate deck is designed in such a way that it follows, at least approximately, the contour of the top surface of the intermediate deck facing the first cooling space on the bottom surface facing the second cooling space in the area of the cross-section reduction.
  • finger-like ribs on the first cooling chamber facing top surface of the intermediate deck By arranged in the outer region of the radial cooling channels finger-like ribs on the first cooling chamber facing top surface of the intermediate deck a general activation of the local flow activity is possible in otherwise disadvantaged areas.
  • a coordination of the flow distribution between the valve bridges can take place by different dimensioning independently of the position of the main outlet of the coolant from the first cooling space.
  • the ridge-dependent rib in the outer region of the radial cooling channel enables a reduction of the stagnation points in the first cooling space outside the valve bridge region, independently of the position of the main flow of the coolant from the first cooling space. Due to the ribs, only a smaller graduation of the intermediate deck passages is required.
  • a fir-decked rib or continuous vertical rib from the fire deck to the tween deck would not result in any thermal enhancement due to material accumulation, but would definitely result in HCF and LCF problems in the rib connection area.
  • the cross-sectional reduction is connected to at least one inlet channel and / or outlet channel, preferably only to one inlet or outlet channel.
  • Low demands on casting quality and casting also provides a further embodiment of the invention, in which the cross-sectional reduction is formed as a continuous single rib, which is connected at both ends to adjacent inlet and / or outlet channels. This variant is particularly advantageous for local applications between the hot outlet channels.
  • the finger-shaped rib formation has the advantage over continuous single ribs that the finger-shaped rib does not cause a thermal connection between cold inlet channels and hot outlet channels, so that thermomechanical stress concentrations can be avoided.
  • FIGS. show schematically:
  • Figure 1 shows the water jacket of a cylinder head according to the invention in a bottom view.
  • FIG. 2 shows the water jacket of a cylinder from FIG. 1 in a detail view in a bottom view
  • Fig. 3 shows the water jacket of a cylinder in a section along the line III-III in Fig. 1 and Fig. 2 in a first embodiment
  • Fig. 4 shows the water jacket of a cylinder in a section analogous to
  • FIG. 5 shows the water jacket of a cylinder in a section transverse to the cylinder axis in a third embodiment
  • FIG. 7 shows the water jacket of a cylinder in a section transverse to the cylinder axis in a fourth embodiment
  • FIG. 8 shows the water jacket of a cylinder in a section transverse to the cylinder axis in a fifth embodiment
  • FIG. 9 shows this water jacket in a section along the line IX-IX in FIG. 8;
  • FIG. 10 shows the water jacket of a cylinder in a section transverse to the cylinder axis in a sixth embodiment
  • Fig. 1 shows the water jacket 5 of a cylinder head 1 for several cylinders Z in a view from below normal to the cylinder axis, ie from the side of the fire deck.
  • the cylinder head 1 has four gas exchange valve openings per cylinder Z - namely two inlet valve openings 2 for receiving inlet valves and two outlet valve openings 3 for receiving exhaust valves - and a central receptacle 4 for a central spark plug or a central injector.
  • the water jacket 5 has a first cooling space 5a adjoining a fire deck 6 of the cylinder head 1 and a second cooling space 5b spaced from the fire deck 6, an intermediate deck 7 being formed between the first and second cooling spaces 5a, 5b, which encloses the first and the second cooling spaces 5a, 5b separated from each other.
  • the intermediate deck 7 has a flow connection 8 between the first and second cooling chambers 5a, 5b.
  • a further flow connection 10 between the first and second cooling chambers 5a, 5b may be formed in a lateral collecting region 9 of the water jacket 5 (see FIG. 4).
  • the first cooling chamber 5 a has in the region of the valve bridges 20, 21, 22, 23 between each two adjacent gas exchange valves - ie between two inlet valve openings 2, two outlet valve openings 3 and / or between an inlet valve opening 2 and an outlet valve opening 3 - radial cooling channels 11, 12 13, 14 on.
  • a respective cross-sectional reduction 15, 16, 17, 18 formed by a finger-shaped rib 15a, 16a, 17a, 18a is provided at the first cooling space 5a facing top surface 7a of the intermediate deck 7 arranged.
  • the outer region I Ia, 12a, 13a, 14a with the rib 15a, 16a, 17a, 18a is further away from the cylinder axis la of the respective cylinder Z, than the centers 2a, 3a of the gas exchange valve openings 2, 3.
  • the finger-like ribs 15a , 16a, 17a, 18a on the side of the intermediate deck 7 facing the first cooling chamber 5a in the outer region 11a, 12a, 13a, 14a of the radial cooling channels 11, 12, 13, 14 becomes a general activation of the local flow activity in otherwise disadvantaged areas outside the radial cooling channels 11, 12, 13, 14 reached.
  • the cross-sectional reduction 15, 16, 17, 18 is formed as an accumulation of material on the top surface 7a of the intermediate deck 7 facing the first cooling chamber 5a, which protrudes from the top surface 7a of the intermediate deck 7 facing the first cooling chamber 5a by an amount a, which corresponds to approximately 60% to 80% of the height h of the flow cross-section in the region of the narrowest point of the valve bridge 20, 21, 22, 23 in the exemplary embodiment.
  • the height b of the flow cross-section of the radial cooling channel 11, 12, 13, 14 in the region of the cross-sectional reduction 15, 16, 17, 18 is at most 80%, preferably at most 50%, particularly preferably about 20% to 40% of the height h of the flow cross-section in FIG Area of the narrowest point of the valve bridge 20, 21, 22, 23rd
  • the upper contour of the intermediate deck 7 can also be adapted to the contour of the cross-sectional reduction 15, 16, 17, 18. Due to the low flow velocities in this area, no serious deterioration in the heat transfer is to be expected.
  • FIG 4 shows the water jacket of a cylinder in a second embodiment variant, wherein clearly in a lateral collecting region 9 of the water jacket 5 the further flow connection 10 between the first and second cooling chambers 5a, 5b can be seen.
  • the cross-sectional reductions 15, 16, 17, 18 are arranged centrally in the radial cooling channels 11, 12, 13, 14. This arrangement can be advantageous in the case of a restriction of the casting quality or casting technique or in the case of multiple outlets 24 or overflow. Flow possibilities off or in the - not shown - cylinder housing or in the second cooling chamber. 5
  • Fig. 6 shows a finger-shaped rib 18a in section. Such free depending on the false ceiling 7 ribs place high demands on the casting quality and / or casting technology.
  • Reference numeral 23a the bottleneck of the radial cooling channel 14 in the region of the valve bridge 23 is indicated.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the cross-sectional reductions 15, 16, 17, 18 are arranged at least partially off-center in the radial cooling channels 11, 12, 13, 14.
  • the distance c of the reduction in cross-section 16 is greater than the distance d, measured in each case as a normal distance to the adjacent wall of the radial cooling channel 12.
  • the eccentric arrangement of the cross-sectional reductions 15, 16 can in extreme cases be continued until they merge with the inlet-side walls of the radial cooling channels 11, 12, for example because of restrictions in the casting quality and / or casting technique.
  • cross-sectional reductions may also be formed in a fusion with the outer contour 25 of the water jacket 5-in FIG. 7, for example, the cross-sectional reduction 17 is fused to the outer contour 25.
  • Fig. 9 shows the finger-shaped rib 16a of Fig. 8 in section.
  • the eccentric arrangement can be seen in the radial cooling channel 12, wherein the finger-shaped rib 16a is connected on one side to the wall of the inlet channel 2.
  • the cross-sectional reduction 16 can also be formed as a thickening of the intermediate deck 7. This arrangement requires lower demands on the casting quality and / or casting technique.
  • Reference numeral 21a the constriction of the radial cooling channel 12 in the region of the valve bridge 21 is designated.
  • a further embodiment is shown, in which the cross-sectional reductions 15, 16, 17, 18 not - as in the previous variants - by finger-shaped ribs 15a, 16a, 17a, 18a but by between opposite walls of the respective radial cooling channel continuous single ribs 15b 16b, 17b, 18b is formed.
  • These single ribs 15b 16b, 17b, 18b can For example, be provided because of restrictions in the casting quality and / or casting technology.
  • the individual ribs 17b, 18b are preferably drawn between channels of the same name, that is to say between inlet channels 2 and / or outlet channels 3.
  • the single ribs 15b, 16b shown in dashed lines in FIG. 10 are more difficult to realize due to the thermomechanical stress concentrations resulting from large temperature differences between the inlet and outlet channels 2, 3 and require additional measures, such as dilutions in the rib center of the individual ribs 15b, 16b.
  • FIG. 11 shows the continuous single rib 18b from FIG. 10, which is connected on both sides to the walls of the inlet channel 2.
  • the reduction in cross-section 18 may also be formed here as a thickening of the intermediate deck 7. Similar to the embodiment shown in Fig. 8 and Fig. 9, this variant also makes lower demands on the casting quality and / or casting technique.
  • the invention can be used independently of the direction of flow in the first cooling chamber 5a-that is to say both in the case of a flow from the first into the second cooling space and in the flow from the second into the first cooling space-for a wide variety of cylinder head concepts and numbers of cylinders.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem feuerdeckseitigen ersten Kühlraum (5a) und einem in Zylinderachsrichtung an den ersten Kühlraum (5a) anschließenden zweiten Kühlraum (5b), wobei erster und zweiter Kühlraum (5a, 5b) durch ein Zwischendeck (7) voneinander getrennt sind, wobei pro Zylinder (Z) eine zentrale Aufnahme (4) für eine Einspritzdüse oder Zündeinrichtung angeordnet ist, und wobei im Bereich der zentralen Aufnahme (4) der erste und der zweite Kühlraum (5a, 5b) miteinander strömungsverbunden sind, mit zumindest zwei, vorzugsweise vier, Gaswechselventilöffnungen (2, 3) pro Zylinder (Z), wobei der erste Kühlraum (5a) im Bereich zumindest einer Ventilbrücke (20, 21, 22, 23) zwischen zwei Gaswechselventilöffnungen (2, 3) einen radialen Kühlkanal (11, 12, 13, 14) aufweist. Um auf möglichst einfache Weise die Strömungsaktivität in benachteiligten Strömungsbereichen zu verbessern, ist vorgesehen, dass der radiale Kühlkanal (11, 12, 13, 14) in einem radial außerhalb der Ventilbrücke (20, 21, 22, 23) liegenden Bereich, welcher vorzugsweise von der Zylinderachse (18) weiter entfernt ist, als die Mitte (2a, 3a) zumindest einer Gaswechselventilöffnung (2, 3), zumindest eine Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) aufweist.

Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem feuerdeckseitigen ersten Kühlraum und einem in Zylinderachsrichtung an den ersten Kühlraum anschließenden zweiten Kühlraum, wobei unterer und oberer Kühlraum durch ein Zwischendeck voneinander getrennt sind, wobei pro Zylinder eine zentrale Aufnahme für eine Einspritzdüse oder Zündeinrichtung angeordnet ist, und wobei im Bereich der zentralen Aufnahme der erste und der zweite Kühlraum miteinander strömungsverbunden sind, mit zumindest zwei, vorzugsweise vier, Gaswechselventilen pro Zylinder, wobei der erste Kühlraum im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei Gaswechselventilen einen radialen Kühlkanal aufweist.
Die Strömungsbilanzierung zwischen den Ventilbrücken erfolgt in zweiteiligen Wassermänteln nahezu ausschließlich durch Gestaltung der radialen Ausdehnung der zugehörigen Zwischendeckdurchtritte. Aufgrund des höheren Kühlungsbedarfes in der Auslassventilbrücke ist hier die radiale Ausdehnung am größten, wodurch aber der vertikale Strömungsimpuls und die Annäherung der Strömung an die Einspritzdüse beeinträchtigt werden. Da der Haupteinflussfaktor der LCF-Si- cherheit (low cycle fatigue) auf die thermische Dehnung entlang der gesamten Ventilbrücke (vom Injektor bis zu Außenkontur des Zylinderkopfes) maßgeblich ist, soll die Kühlung möglichst großflächig gut gestaltet werden und nicht nur auf die engen Bereiche der Spitzentemperatur abzielen. Auf Grund der sich erweiternden Querschnitte im Kühlungsraum von der Einspritzdüse hin zur Außenkontur verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich und Turbulenzeffekte aus den engen Spalten klingen ab. Zudem bilden sich Staupunkte am Umfang der Ventilsitze durch die Umlenkung der Strömung hin zu den Hauptauslässen in diesen äußeren Zylinderkopfbereichen. Aufgrund der HCF-Belastung (high cycle fatigue) sind in den äußeren Bereichen der Ventilbrücken größere Feuerdeckstärken erforderlich, wodurch bereits die lokal geringeren gasseitigen Wärmeeinträge zu sehr hohen Strukturtemperaturen im Bereich der zulässigen Materialgrenzwerte führen.
Ein generelles Ziel der Strömungsführung ist die Abstimmung der lokalen Geschwindigkeits- und Wärmeübergangszahlen entsprechend den lokalen Wärmeeinträgen und den Strukturtemperaturen.
Die DE 10 339 244 AI offenbart einen Zylinderkopf mit einem ersten und einem zweiten Kühlraum, wobei die beiden Teilkühlräume im Bereich einer zentralen Aufnahme für einen Injektor oder eine Zündkerze miteinander strömungsverbun- den sind . Der untere und der obere Teilkühlraum sind durch ein Zwischendeck voneinander getrennt. Im Bereich der Ventilbrücken zwischen zwei benachbarten Ein- und Auslassventilen sind Kühlkanäle angeordnet, wobei das Zwischendeck im Bereich der zentralen Aufnahme eine Absenkung aufweist. Durch die Absenkung wird der erste Kühlraum im inneren Bereich verringert, was sich allerdings nachteilig auf die Kühlung der thermisch-kritischen zentralen Bereiche des Feuerdecks auswirkt.
Die US 4,576,859 A zeigt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem sich über mehrere Zylinder in Längsrichtung erstreckenden Kühlraum, wobei die dem Feuerdeck zugewandte Decke des Kühlraumes im Bereich von Querebenen zwischen zwei benachbarten Zylindern jeweils eine hängende Rippe aufweist. Eine ähnliche Konfiguration ist auch aus der JP 56-148 647 A oder der JP 61-149 551 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, Stagnationszonen im äußeren Bereich des ersten Kühlraumes zu vermeiden und die Wärmeabfuhr aus LCF-kritischen Zonen im äußeren Bereich der Ventilbrücken und der Ventilmitte zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der radiale Kühlkanal in einem radial außerhalb der Ventilbrücke liegenden Bereich, welcher vorzugsweise von der Zylinderachse weiter entfernt ist, als die Mitte zumindest einer Gaswechselventilöffnung, zumindest eine Querschnittsverminderung aufweist.
Das Feuerdeck ist das an den Brennraum grenzende Deck des Zylinderkopfes, welches pro Zylinder von den Gaswechselöffnungen und der zentralen Aufnahme für die Einspritzdüse oder Zündeinrichtung unterbrochen ist. Die Ventilbrücken sind definiert als jener Bereich des Feuerdecks, in welchem zwei benachbarte Gaswechselöffnungen ihre größte Annäherung aufweisen.
Die Querschnittsverminderung bewirkt eine Geschwindigkeitserhöhung der Kühlmittelströmung im radial außerhalb der Ventilbrücke liegenden Bereich, so dass Stagnationszonen vermieden werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Strömungsquerschnitt des radialen Kühlkanals im Bereich der Querschnittsverminderung maximal dem Strömungsquerschnitt im Bereich der engsten Stelle der Ventilbrücke entspricht. Dabei ist auch eine Reduktion der vertikalen Ausdehnung des Strömungsquerschnittes der Querschnittsverminderung von maximal 80%, vorzugsweise maximal 50% im Vergleich zur engsten Stelle der Ventilbrücke möglich. Die Grenzen für die Querschnittsverminderung werden vor allem durch die Herstellbarkeit (Gießtechnik) gesetzt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Querschnittsverminderung im Bereich des Zwischendecks angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Querschnittsverminderung durch eine fingerförmige Rippe oder Absenkung des Zwischendecks gebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass das Kühlmedium im Kühlkanal zum Feuerdeck hin abgelenkt und die Wärmeabfuhr aus dem Feuerdeckbereich verbessert wird . Zudem wird auch der Ablösepunkt vom Bereich am Ventilsitz verlagert. Dadurch kann der Anteil am Ventilsitzumfang, welcher von intensiver Strömung erreicht werden kann, erhöht werden, wodurch ebenfalls mehr Wärme dem Feuerdeck entzogen werden kann.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Querschnittsverminderung als Materialanhäufung an der dem ersten Kühlraum zugewandten Deckfläche des Zwischendecks ausgebildet ist, wobei vorzugsweise das Zwischendeck an der dem zweiten Kühlraum zugewandten Bodenfläche im Bereich der Querschnittsverminderung flach ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist das Zwischendeck derart ausgebildet, dass es an der dem zweiten Kühlraum zugewandten Bodenfläche im Bereich der Querschnittsverminderung - zumindest annähernd - der Kontur der dem ersten Kühlraum zugewandten Deckfläche des Zwischendecks folgt.
Durch die im äußeren Bereich der radialen Kühlkanäle angeordneten fingerartigen Rippen an der dem ersten Kühlraum zugewandten Deckfläche des Zwischendecks wird eine generelle Aktivierung der lokalen Strömungsaktivität in sonst benachteiligten Bereichen ermöglicht. Durch die fingerartigen Rippen kann eine Abstimmung der Strömungsverteilung zwischen den Ventilbrücken durch unterschiedliche Dimensionierung unabhängig von der Position des Hauptaustrittes des Kühlmittels aus dem ersten Kühlraum erfolgen.
Die vom Zwischendeck abhängende Rippe im äußeren Bereich des radialen Kühlkanals ermöglicht eine Reduktion der Staupunkte im ersten Kühlraum außerhalb des Ventilbrückenbereichs, unabhängig von der Position des Hauptablaufes des Kühlmittels aus dem ersten Kühlraum. Durch die Rippen wird nur mehr eine geringere Graduierung der Zwischendeckdurchtritte erforderlich.
Eine am Feuerdeck stehende Rippe, bzw. eine durchgehende vertikale Rippe vom Feuerdeck zum Zwischendeck würde aufgrund der Materialanhäufung zu keiner thermischen Verbesserung, aber definitiv zu HCF und LCF-Problemen im Anbin- dungsbereich der Rippe führen.
Da die hängende Rippe in keiner Kraftflussrichtung liegt und nur einseitig an das Zwischendeck angebunden ist, können nachteilige Auswirkungen auf die Bau- teilfestig keit vermieden werden. Allerdings stellen fingerförmige Rippen hohe Ansprüche an Gussqualität und Gusstechnik.
In einer einfacher zu fertigenden Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querschnittsverminderung zumindest an einen Einlasskanal und/oder Auslasskanal - vorzugsweise nur an einen Einlass- oder Auslasskanal - angebunden ist. Geringe Ansprüche an Gussqualität und Gusstechnik stellt auch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsvariante, bei der die Querschnittsverminderung als durchgehende Einzelrippe ausgebildet ist, welche an beiden Enden an benachbarte Ein- und/oder Auslasskanäle angebunden ist. Diese Variante ist insbesondere für lokale Anwendungen zwischen den heißen Auslasskanälen vorteilhaft.
Die Ausbildung mit fingerförmigen Rippen hat gegenüber durchgehenden Einzelrippen aber den Vorteil, dass die fingerförmige Rippe keine thermische Verbindung zwischen kalten Einlasskanälen und heißen Auslasskanälen verursacht, sodass thermomechanische Spannungskonzentrationen vermieden werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch :
Fig. 1 den Wassermantel eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einer Untersicht;
Fig. 2 den Wassermantel eines Zylinders aus Fig . 1 in einer Detailansicht in einer Untersicht;
Fig. 3 den Wassermantel eines Zylinders in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1 bzw. Fig . 2 in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 4 den Wassermantel eines Zylinders in einem Schnitt analog zu
Fig. 3 in einer zweiten Ausführungsvariante;
Fig. 5 den Wassermantel eines Zylinders in einem Schnitt quer zur Zylinderachse in einer dritten Ausführungsvariante;
Fig. 6 diesen Wassermantel in einem Schnitt gemäß der Linie VI - VI in
Fig. 5;
Fig. 7 den Wassermantel eines Zylinders in einem Schnitt quer zur Zylinderachse in einer vierten Ausführungsvariante;
Fig. 8 den Wassermantel eines Zylinders in einem Schnitt quer zur Zylinderachse in einer fünften Ausführungsvariante; Fig. 9 diesen Wassermantel in einem Schnitt gemäß der Linie IX - IX in Fig. 8;
Fig. 10 den Wassermantel eines Zylinders in einem Schnitt quer zur Zylinderachse in einer sechsten Ausführungsvariante;
Fig. 11 diesen Wassermantel in einem Schnitt gemäß der Linie XI - XI in
Fig. 10.
Fig. 1 zeigt den Wassermantel 5 eines Zylinderkopfes 1 für mehrere Zylinder Z in einer Ansicht von unten normal zur Zylinderachse, also von der Seite des Feuerdeckes. Der Zylinderkopf 1 weist pro Zylinder Z vier Gaswechselventilöffnungen - nämlich zwei Einlassventilöffnungen 2 zur Aufnahme von Einlassventilen und zwei Auslassventilöffnungen 3 zur Aufnahme von Auslassventilen - sowie eine mittige Aufnahme 4 für eine zentrale Zündkerze oder einen zentralen Injektor auf. Der Wassermantel 5 weist einen an ein Feuerdeck 6 des Zylinderkopfes 1 grenzenden ersten Kühlraum 5a und einen vom Feuerdeck 6 beabstandeten zweiten Kühlraum 5b auf, wobei zwischen dem ersten und zweiten Kühlraum 5a, 5b ein Zwischendeck 7 ausgebildet ist, welches den ersten und den zweiten Kühlraum 5a, 5b voneinander trennt. Im Bereich der mittigen Aufnahme 4 weist das Zwischendeck 7 eine Strömungsverbindung 8 zwischen dem ersten und zweiten Kühlraum 5a, 5b auf. Eine weitere Strömungsverbindung 10 zwischen dem ersten und zweiten Kühlraum 5a, 5b kann in einem seitlichen Sammelbereich 9 des Wassermantels 5 ausgebildet sein (siehe Fig . 4). Der erste Kühlraum 5a weist im Bereich der Ventil brücken 20, 21, 22, 23 zwischen jeweils zwei benachbarten Gaswechselventilen - also zwischen zwei Einlassventilöffnungen 2, zwei Auslassventilöffnungen 3 und/oder zwischen einer Einlassventilöffnung 2 und einer Auslassventilöffnung 3 - radiale Kühlkanäle 11, 12, 13, 14 auf. In einem äußeren Bereich I Ia, 12a, 13a, 14a der radialen Kühlkanäle 11, 12, 13, 14 ist jeweils eine durch eine fingerförmige Rippe 15a, 16a, 17a, 18a gebildete Querschnittsverminderung 15, 16, 17, 18 an der dem ersten Kühlraum 5a zugewandten Deckfläche 7a des Zwischendecks 7 angeordnet. Der äußere Bereich I Ia, 12a, 13a, 14a mit der Rippe 15a, 16a, 17a, 18a ist von der Zylinderachse la des jeweiligen Zylinders Z weiter entfernt, als die Mitten 2a, 3a der Gaswechselventilöffnungen 2, 3. Durch die fingerartigen Rippen 15a, 16a, 17a, 18a an der dem ersten Kühlraum 5a zugewandten Seite des Zwischendecks 7 in dem Außenbereich I Ia, 12a, 13a, 14a der radialen Kühlkanäle 11, 12, 13, 14 wird eine generelle Aktivierung der lokalen Strömungsaktivität in sonst benachteiligten Bereichen außerhalb der radialen Kühlkanäle 11, 12, 13, 14 erreicht. Strömungsstaupunkte 19 (Fig. 2), welche ohne fingerförmigen Rippen 15a, 16a, 17a, 18a im Ventilsitze für die Gaswechselventile bildenden Randbereich der Gaswechselventilöffnungen 2, 3 radial außerhalb der Bereiche der Ventilbrücken 20, 21, 22, 23 auftreten würden, können verlagert bzw. reduziert werden. Durch die Anordnung der Rippen 15a, 16a, 17a, 18a wird die Wärmeabfuhr im Bereich der thermisch-kritischen Stellen der Ventilbrücken 20, 21, 22, 23 und der Aufnahme 4 nicht nachteilig beeinflusst, sondern durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit sogar verbessert, ohne dass es zu einer nennenswerten Einbuße an Massendurchfluss kommt.
Wie aus den Fig. 3 und Fig . 4 zu erkennen ist, ist die Querschnittsverminderung 15, 16, 17, 18 als Materialanhäufung an der dem ersten Kühlraum 5a zugewandten Deckfläche 7a des Zwischendecks 7 ausgebildet, welche von der dem ersten Kühlraum 5a zugewandten Deckfläche 7a des Zwischendecks 7 um ein Ausmaß a vorragt, welches im Ausführungsbeispiel etwa 60% bis 80% der Höhe h des Strömungsquerschnittes im Bereich der engsten Stelle der Ventilbrücke 20, 21, 22, 23 entspricht. Die Höhe b des Strömungsquerschnittes des radialen Kühlkanals 11, 12, 13, 14 im Bereich der Querschnittsverminderung 15, 16, 17, 18 beträgt maximal 80%, vorzugsweise maximal 50%, besonders vorzugsweise etwa 20% bis 40% der Höhe h des Strömungsquerschnittes im Bereich der engsten Stelle der Ventilbrücke 20, 21, 22, 23.
Dadurch wird die Strömung durch den Kühlkanal 11, 12, 13, 14 zum Feuerdeck 6 hin abgelenkt. Die der Querschnittverminderung abgewandte Seite des Zwischendecks 7, welche die Bodenfläche 7b des zweiten Kühlraumes 5b bildet, kann von der Rippe 15a, 16a, 17a, 18a unbeeinflusst flach - also ohne irgendwelche zusätzlichen Erhebungen oder Vertiefungen - ausgebildet sein (siehe Fig. 4). Die Strömung im zweiten Kühlraum 5b wird somit nicht gestört.
Um zu große Materialanhäufungen beim Gussvorgang zu vermeiden, kann die obere Kontur des Zwischendecks 7 auch der Kontur der Querschnittverminderung 15, 16, 17, 18 angepasst sein. Durch die geringen Strömungsgeschwindigkeiten in diesem Bereich ist keine bedenkliche Verschlechterung im Wärmeübergang zu erwarten.
Fig. 4 zeigt den Wassermantel eines Zylinders in einer zweiten Ausführungsvariante, wobei deutlich in einem seitlichen Sammelbereich 9 des Wassermantels 5 die weitere Strömungsverbindung 10 zwischen dem ersten und zweiten Kühlraum 5a, 5b ersichtlich ist.
Bei der in Fig . 5 dargestellten dritten Ausführung sind die Querschnittsverminderungen 15, 16, 17, 18 mittig in den radialen Kühlkanälen 11, 12, 13, 14 angeordnet. Diese Anordnung kann vorteilhaft bei einer Einschränkung der Gussqualität oder Gusstechnik oder im Falle von mehreren Austritten 24 oder Über- Strömmöglichkeiten aus- bzw. in das - nicht weiter dargestellte - Zylindergehäuse bzw. in den zweiten Kühlraum 5.
Fig. 6 zeigt eine fingerförmige Rippe 18a im Schnitt. Derartige frei von der Zwischendecke 7 abhängende Rippen setzen hohe Ansprüche an die Gussqualität und/oder Gusstechnik. Mit Bezugszeichen 23a ist die Engstelle des radialen Kühlkanals 14 im Bereich der Ventilbrücke 23 angedeutet.
Fig. 7 zeigt dagegen eine Ausführung, bei der die Querschnittsverminderungen 15, 16, 17, 18 zumindest teilweise außermittig in den radialen Kühlkanälen 11, 12, 13, 14 angeordnet sind . So ist beispielsweise der Abstand c der Querschnittsverminderung 16 größer als der Abstand d, jeweils gemessen als Normalabstand zur benachbarten Wand des radialen Kühlkanals 12. Diese außermittige Anordnung ermöglicht beispielsweise eine Feinjustierung der Einzelmengenströme in Bezug zum Austritt 10 oder eine Begünstigung der Strömung an den Auslasskanälen 3.
Wie in Fig . 8 dargestellt ist, kann die außermittige Anordnung der Querschnittsverminderungen 15, 16 im Extremfall bis zu einem Verschmelzen mit den ein- lassseitigen Wänden der radialen Kühlkanäle 11, 12 fortgeführt werden, beispielsweise wegen Einschränkungen in der Gussqualität und/oder Gusstechnik. Genauso können Querschnittsverminderungen auch verschmelzend mit der Außenkontur 25 des Wassermantels 5 ausgebildet sein - in Fig. 7 ist beispielsweise die Querschnittsverminderung 17 mit der Außenkontur 25 verschmolzen. Dadurch können einerseits Stagnationen der Kühlmittelströmung in einem dem Austritt 24 gegenüberliegenden Bereich des ersten Kühlraums 5a vermieden werden. Andererseits verbessert diese Maßnahme die Steifigkeit des Zylinderkopfes 1.
Fig. 9 zeigt die fingerförmige Rippe 16a aus Fig. 8 im Schnitt. Deutlich ist die exzentrische Anordnung im radialen Kühlkanal 12 zu sehen, wobei die fingerförmige Rippe 16a an einer Seite an der Wand des Einlasskanales 2 angebunden ist. Die Querschnittsverminderung 16 kann auch als Verdickung des Zwischendecks 7 ausgebildet sein . Diese Anordnung erfordert geringere Ansprüche an die Gussqualität und/oder Gusstechnik. Mit Bezugszeichen 21a ist die Engstelle des radialen Kühlkanals 12 im Bereich der Ventilbrücke 21 bezeichnet.
In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt, bei der die Querschnittsverminderungen 15, 16, 17, 18 nicht - wie in den bisherigen Varianten - durch fingerförmige Rippen 15a, 16a, 17a, 18a sondern durch zwischen gegenüberliegenden Wänden des jeweiligen radialen Kühlkanals durchgehende Einzelrippen 15b 16b, 17b, 18b gebildet ist. Diese Einzelrippen 15b 16b, 17b, 18b können zum Beispiel wegen Einschränkungen in der Gussqualität und/oder Gusstechnik vorgesehen sein. Die Einzelrippen 17b, 18b werden bevorzugt zwischen gleichnamigen Kanälen, also zwischen Einlasskanälen 2 und/oder Auslasskanälen 3 gezogen. Die strichliert in Fig. 10 eingezeichneten Einzelrippen 15b, 16b sind auf Grund der durch große Temperaturunterschiede zwischen den Ein- und Auslasskanälen 2, 3 entstehenden thermomechanischen Spannungskonzentrationen eher schwieriger verwirklichbar und erfordern zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise Verdünnungen in der Rippenmitte der Einzelrippen 15b, 16b.
Fig. 11 zeigt die durchgehende Einzelrippe 18b aus Fig . 10, welche beidseitig an die Wände des Einlasskanals 2 angebunden ist. Die Querschnittsverminderung 18 kann auch hier als Verdickung des Zwischendecks 7 ausgebildet sein. Ähnlich der in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellten Ausführung stellt auch diese Variante eher geringere Ansprüche an die Gussqualität und/oder Gusstechnik.
Die Erfindung kann unabhängig von der Strömungsrichtung im ersten Kühlraum 5a - also sowohl bei einer Strömung vom ersten in den zweiten Kühlraum, als auch bei Strömung vom zweiten in den ersten Kühlraum - für verschiedenste Zylinderkopfkonzepte und Zylinderanzahlen angewendet 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 feuer- deckseitigen ersten Kühlraum (5a) und einem in Zylinderachsrichtung an den ersten Kühlraum (5a) anschließenden zweiten Kühlraum (5b), wobei erster und zweiter Kühlraum (5a, 5b) durch ein Zwischendeck (7) voneinander getrennt sind, wobei pro Zylinder (Z) eine zentrale Aufnahme (4) für eine Einspritzdüse oder Zündeinrichtung angeordnet ist, und wobei im Bereich der zentralen Aufnahme (4) der erste und der zweite Kühlraum (5a, 5b) miteinander strömungsverbunden sind, mit zumindest zwei, vorzugsweise vier, Gaswechselventilöffnungen (2, 3) pro Zylinder (Z), wobei der erste Kühlraum (5a) im Bereich zumindest einer Ventilbrücke (20, 21, 22, 23) zwischen zwei Gaswechselventilöffnungen (2, 3) einen radialen Kühlkanal (11, 12, 13, 14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Kühlkanal (11, 12, 13, 14) in einem radial außerhalb der Ventilbrücke (20, 21, 22, 23) liegenden Bereich, welcher vorzugsweise von der Zylinderachse (18) weiter entfernt ist, als die Mitte (2a, 3a) zumindest einer Gaswechselventilöffnung (2, 3), zumindest eine Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) aufweist.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) im Bereich des Zwischendecks (7) angeordnet ist.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) durch eine vorzugsweise fingerförmige Rippe (15a, 16a, 17a, 18a) oder Absenkung des Zwischendecks (7) gebildet ist.
4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (b) des Strömungsquerschnittes des radialen Kühlkanals (11, 12, 13) im Bereich der Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) maximal 80%, vorzugsweise maximal 50%, besonders vorzugsweise etwa 20% bis 40% der Höhe (h) des Strömungsquerschnittes im Bereich der engsten Stelle der Ventilbrücke (20, 21, 22, 23) entspricht.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) als Materialanhäufung an der dem ersten Kühlraum (5a) zugewandten Deckfläche (7a) des Zwischendecks (7) ausgebildet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (7) an der dem zweiten Kühlraum (5b) zugewandten Bodenfläche (7b) im Bereich der Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) flach ausgebildet ist.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (7) an der dem zweiten Kühlraum (5b) zugewandten Bodenfläche (7b) im Bereich der Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) - zumindest annähernd - der Kontur der dem ersten Kühlraum (5a) zugewandten Deckfläche (7a) des Zwischendecks (7) folgt.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) zumindest an einen Einlasskanal (2) und/oder Auslasskanal (3) angebunden ist.
9. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverminderung (15, 16, 17, 18) als durchgehende Einzelrippe (15b, 16b, 17b, 18b) ausgebildet ist, welche an beiden Enden an benachbarte Ein- und/oder Auslasskanäle (2, 3) angebunden ist.
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