WO2018041552A1 - Zylinderkopf für einen verbrennungsmotor - Google Patents
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- WO2018041552A1 WO2018041552A1 PCT/EP2017/069989 EP2017069989W WO2018041552A1 WO 2018041552 A1 WO2018041552 A1 WO 2018041552A1 EP 2017069989 W EP2017069989 W EP 2017069989W WO 2018041552 A1 WO2018041552 A1 WO 2018041552A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02F1/24—Cylinder heads
- F02F1/242—Arrangement of spark plugs or injectors
Definitions
- the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with a cooling duct system.
- a cylinder head together with a cylinder block on which the cylinder head is mounted, defines the combustion chamber of an internal combustion engine.
- Both in the cylinder block and in the cylinder head cooling channels of a cooling channel system are formed, which can remove the heat generated during combustion waste heat.
- the cylinder head has channels and openings, which open into the combustion chamber. Through the openings, for example, a fuel injector and a spark plug may protrude into the combustion chamber, and combustion gases may be supplied to the combustion chamber or removed from the combustion chamber through the channels.
- the cooling passages in the cylinder head must be guided around the gas passages and around the other openings, which results in complex and difficult-to-manufacture geometries.
- Particularly problematic is the cooling of the so-called web, so the area of the upper ceiling of the combustion chamber portion surrounding the spark plug and / or injection nozzle opening.
- the area of the web is almost completely surrounded by the gas ducts, in particular with cylinder heads with four valves per cylinder, so that this area is difficult to cool with cooling ducts.
- a cylinder head for an internal combustion engine with at least one cylinder, with a cooling channel system having a coolant inlet side and a coolant outlet side, a combustion chamber section, two coolant inlet side gas channels, two coolant outlet side gas channels and two adjacent component openings, such as a spark plug opening and an injection nozzle opening the coolant inlet side gas passages, the coolant outlet side gas passages, and the component ports all open into the combustion chamber section.
- the cylinder head has an annular wall section provided between the component openings on the one hand and the gas ducts on the other side, the cooling duct system having a web cooling channel extending into the annular wall section, which extends between the coolant inlet side gas channels and which has an upper wall.
- the upper wall has an in the region of the annular wall portion obliquely downward guide surface to deflect coolant towards the combustion chamber section.
- the "top” is understood to be the side of the cylinder head facing away from the combustion chamber section, and the direction “downwards” correspondingly extends to the side of the cylinder head at which the combustion chamber section is provided.
- the coolant flows obliquely upwards in the region of the coolant inlet-side gas channels and is then deflected downwards in the direction of the web by the obliquely downwardly directed guide surface. In this way, the web is directly flowed by the coolant, whereby an efficient cooling of the web is achieved.
- the heat transferred to the land by the combustion process can be dissipated efficiently, thus increasing the life of the engine.
- the coolant inlet side gas passages may be the exhaust passages of the cylinder and the coolant outlet side gas passages may be the intake passages of the cylinder.
- the coolant inlet side component opening is the spark plug opening
- the coolant outlet side component opening is the opening for the injection nozzle.
- the cylinder head can be made by casting.
- the cooling channel system is formed by a core, wherein the core can be made by 3D printing.
- 3D printing has the advantage that any geometry, especially those with undercut areas can be produced.
- the land cooling channel increases between the coolant inlet side gas channels, allowing the contour of the top of the combustion chamber section to be followed to allow for more efficient cooling.
- the upper wall preferably rises between the coolant inlet-side gas passages, reaches its highest point upstream of the central axis of the annular wall section on the coolant inlet side and drops off toward the coolant outlet side.
- This geometry ensures a particularly good flow of the web.
- the highest point means the point which is higher than the rest of the web cooling channel, at least on the coolant inlet side from the central axis of the annular wall section.
- the upper wall is partially undulating with at least one wave crest, so that a possible turbulence-free deflection of the coolant takes place in the direction of the combustion chamber section.
- the downward guide surface may be the sloping portion of the wave crest.
- the web cooling channel has a projection which protrudes toward the combustion chamber section and which is provided in the region of the annular wall section. Through this extension, it is possible to introduce coolant in the region of the web closer to the combustion chamber section.
- the extension is preferably subsequently provided in the region of the guide surface and / or on the region of the guide surface on the coolant outlet side, so that the coolant is deflected by the guide surface into the extension.
- the upper wall of the web cooling channel in the region of the extension on a trough In this way it is ensured that enough coolant flows through the extension.
- the extension can approach to the combustion chamber section down to 9 mm or less.
- the distance between the lower wall of the web cooling channel and the top of the combustion chamber portion in the annular wall portion is thus at a minimum only 9 mm or smaller, whereby a particularly efficient cooling of the web is achieved.
- the cooling channel system has at least one outer cooling channel which leads to above one of the two coolant inlet-side gas channels runs and forms an upper coolant channel, whereby an efficient cooling of the areas is possible, which are not cooled by the web cooling channel.
- the web cooling channel in the half of the annular wall section facing the outlet in particular in the area of the coolant outlet side of the two component openings, opens into the upper cooling channel, so that an efficient removal of the coolant takes place without major pressure losses.
- the upper wall in particular the entire web cooling channel rises again before the web cooling channel opens into the upper cooling channel, whereby a particularly advantageous flow is realized.
- the web cooling channel is coolant inlet inlet side of the central axis of the annular wall portion separated from the at least one outer cooling channel and the upper cooling channel. As a result, the coolant flow through the web cooling channel can be improved.
- the web cooling channel branches on the coolant inlet side of the two component openings into two branches which extend on different sides of the component openings, thereby enabling uniform cooling of the web around the component openings.
- a guide surface and / or an extension are provided in each of the branches, so that optimal cooling of the web is achieved in each of the branches.
- the upper cooling passage extends between the coolant outlet side gas passages, so that also the coolant outlet side gas passages are cooled.
- FIG. 1 shows a detail of a schematic sectional view of an internal combustion engine with a cylinder head according to the invention
- FIG. 2 shows a schematic bottom view of the cylinder head according to FIG. 1
- FIG. 3 is a sectional view of the cooling channel system of the cylinder head according to FIG. 1 from above,
- FIG. 4 shows a lateral side view of the cooling channel system according to FIG. 3, and FIG.
- FIG. 5 shows a perspective sectional view of the cooling channel system according to FIG. 3.
- FIG. 1 shows an internal combustion engine 10 with a cylinder block 12 and a cylinder head 14, these and all further illustrations being limited to only one cylinder of the internal combustion engine 10. Of course, more cylinders can connect to the cylinder shown.
- a combustion chamber 16 is provided, wherein the cylinder head 14 forms a portion of this combustion chamber 16, that is, has a combustion chamber section 18.
- the combustion chamber section 18 closes the upper end of the combustion chamber 16, that is, the end of the combustion chamber 16, which serves as a compression space.
- a cooling channel system 20 is provided, which is indicated in Figure 1 partially simplified by the dashed lines.
- the cooling channel system 20 is fed by inflows and outflows in the cylinder block 12, wherein in Figure 1, only one inflow 22 is shown.
- the cylinder head 14, more specifically the cooling channel system 20, has three inlets 24 and two outlets 26 for coolant. Accordingly, in the cylinder head 14, a coolant inlet side and a coolant outlet side can be determined. In Fig. 2, the left side is the coolant inlet side and the right side is the coolant outlet side.
- the cylinder block 12 has two component openings 28, for example, an injection nozzle opening 30 and a spark plug opening 32, which in the Combustion chamber 18 open and can be passed through the components such as an injection nozzle or a spark plug.
- the component openings 28 are adjacent in the flow direction, so that one of the component openings 28 is provided closer to the coolant inlet side than the other one.
- the coolant inlet side component opening 28 is the spark plug opening 32 and the injector opening 30 is the coolant outlet side.
- two coolant-inlet-side gas passages 34 and two coolant-outlet-side gas passages 36 open into the combustion chamber section 18.
- the four gas passages 34, 36 serve to supply air to the combustion chamber 16 or to remove combustion exhaust gases from the combustion chamber 16.
- the representation of the gas channels 34, 36 in FIG. 1 has been dispensed with.
- gas channels 34, 36 may be provided.
- coolant inlet side gas passages 34 are the air outlets
- coolant outlet side gas passages 36 are the air inlets to the combustion chamber 16.
- the region of the cylinder head 14 which is adjacent to the combustion chamber 16 between the gas passages 34, 36 is referred to as a web 38. Through the web 38, the component openings 28 extend.
- annular wall section 40 is provided in the cylinder head 14 between the component openings 28 on the one hand and the gas ducts 34, 36 on the other hand.
- the annular wall portion 40 has a central axis M which extends approximately between the two component openings 28 and divides the annular wall portion 40 into a coolant inlet side and a coolant outlet side half.
- the cooling channel system 20 extends through the entire cylinder head 14 and, in the embodiment shown, has a web cooling channel 42, two outer cooling channels 44 and an upper cooling channel 45.
- the two outer cooling channels 44 begin, as shown in Figure 3, at the two outer of the three inlets 24, first extend away from the annular wall portion 40 and then rise to above the coolant inlet side gas channels 34 at.
- the outer cooling channels 44 converge above the coolant inlet side gas passages 34 and form the upper cooling passage 45 which steadily drops toward the coolant outlet side (see FIG. 4).
- the web cooling channel 42 extends from the middle of the three inlets 24 into the annular wall section 40. He can run between the coolant inlet side gas channels 34.
- the web cooling channel 42 is fluidly separated from the outer cooling channels 44 and the upper cooling channel 45 in the region of the coolant inlet side of the annular wall section 40.
- the web cooling channel branches into two branches 42.1 and 42.2, which rotate around the component openings 28 on different sides.
- the web cooling channel 42 has an upper wall 46 which essentially determines the flow of the coolant within the web cooling channel 42.
- the upper wall 46 reaches its highest point P in front of the central axis M of the annular wall section 40 and then drops towards the coolant outlet side.
- the upper wall 46 describes a waveform with a wave crest in the region of its highest point P.
- the sloping part of the upper wall 46, thedeffenauslass document connected to the highest point P, is designed as a guide surface 48 which is directed obliquely downwards, ie to the combustion chamber portion 18.
- the guide surface 48 is located within the annular wall portion 40th Subsequent to the region of the guide surface 48 to the coolant outlet side, the web cooling channel 42 has an extension 50 which projects toward the combustion chamber section 18.
- the extension 50 is provided in the annular wall portion 40 and can zoom up to 9 mm or less to the combustion chamber portion 18 so that between the lower wall of the web cooling channel 42 in the region of the extension 50 to the combustion chamber portion 18 out a distance of 9 mm.
- extension 50 is arranged in the region of the guide surface 48 itself.
- the web cooling channel 42 opens into the upper cooling channel 45.
- the mouth is located in the coolant outlet side half of the annular wall portion 40th
- the upper wall 46 of the web cooling channel 42 and also the entire web cooling channel 42 rise to the mouth of the web cooling channel 42 out again.
- the upper wall 46 thus also has a trough which lies in the region of the extension 50.
- the upper cooling channel 45 extends at least partially between the coolant outlet side gas channels 36 at the coolant outlet end of the mouth of the web cooling channel 42 and opens into the two outlets 26.
- cooling channel system 20 was only on the two outer cooling channels 44, the web cooling channel 42 and the upper cooling channel 45 of a Cylinder received.
- a plurality of these assemblies of outer cooling channels 44, web cooling channel 42 and upper cooling channel 45 are provided, wherein the upper cooling channel 45 of adjacent cylinders can be fluidly connected to each other.
- cooling channel system 20 may also have further cooling channels, which were not shown in the figures and explained for reasons of clarity.
- further inlets and outlets of the cooling channel system 20 are provided in the cylinder head 14.
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Abstract
Ein Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder hat ein Kühlkanalsystem (20), das eine Kühlmitteleinlassseite und eine Kühlmittelauslassseite hat, einen Verbrennungsraumabschnitt, zwei kühlmitteleinlassseitige Gaskanäle (34), zwei kühlmittelauslassseitige Gaskanäle (36) und zwei benachbarte Bauteilöffnungen (28), wie einer Zündkerzenöffnung (32) und einer Einspritzdüsenöffnung (30). Der Zylinderkopf weist einen zwischen den Bauteilöffnungen (28) einerseits und den Gaskanälen (34, 36) andererseits vorgesehenen Ringwandabschnitt auf. Das Kühlkanalsystem (20) hat einen in den Ringwandabschnitt verlaufenden Stegkühlkanal (42), der sich zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen (34) erstreckt und der eine obere Wandung (46) hat. Die obere Wandung (46) hat eine im Bereich des Ringwandabschnitts schräg nach unten gerichtete Leitfläche (48), um Kühlmittel in Richtung zum Verbrennungsraumabschnitt umzulenken.
Description
Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanalsystem.
Ein Zylinderkopf definiert zusammen mit einem Zylinderblock, auf dem der Zylinderkopf befestigt ist, den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors. Sowohl im Zylinderblock als auch im Zylinderkopf sind Kühlkanäle eines Kühlkanalsystems ausgebildet, die die bei der Verbrennung entstehende Abwärme abtransportieren können. Weiterhin weist der Zylinderkopf Kanäle und Öffnungen auf, die in den Verbrennungsraum münden. Durch die Öffnungen können beispielsweise eine Brennstoffeinspritzdüse und eine Zündkerze in den Verbrennungsraum ragen, und durch die Kanäle können Verbrennungsgase dem Verbrennungsraum zugeführt oder aus dem Verbrennungsraum abgeführt werden.
Entsprechend müssen die Kühlkanäle im Zylinderkopf um die Gaskanäle und um die sonstigen Öffnungen herumgeführt werden, wodurch komplexe und schwierig herzustellende Geometrien entstehen. Besonders problematisch ist dabei die Kühlung des sogenannten Stegs, also des Bereichs der oberen Decke des Verbrennungsraumabschnittes, der die Zündkerzen- und/oder Einspritzdüsenöffnung umgibt. Der Bereich des Steges wird insbesondere bei Zylinderköpfen mit vier Ventilen pro Zylinder von den Gaskanälen fast vollständig umgeben, sodass dieser Bereich schwierig mit Kühlkanälen zu kühlen ist.
Aufgrund dessen kommt es bei üblichen Zylinderköpfen nur zu einem geringen Wärmeabtransport vom Steg, sodass dort hohe Temperaturen beim Betrieb auftreten, die die Lebensdauer des Zylinders und somit des gesamten Motors verringern können.
Es ist deswegen Aufgabe der Erfindung, einen Zylinderkopf bereitzustellen, der eine verbesserte Kühlung des Steges ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, mit einem Kühlkanalsystem, das eine Kühlmitteleinlassseite und eine Kühlmittelauslassseite hat, einem Verbrennungsraumabschnitt, zwei kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen, zwei kühlmittelauslassseitigen Gaskanälen und zwei benachbarten Bauteilöffnungen, wie einer Zündkerzenöffnung und einer Einspritzdüsenöffnung, wobei die kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle, die kühlmittelauslassseitigen Gaskanäle und die Bauteilöffnungen alle in den Verbrennungsraumabschnitt münden. Der Zylinderkopf weist einen zwischen den Bauteilöffnungen einerseits und den Gaskanälen andererseits vorgesehenen Ringwandabschnitt auf, wobei das Kühlkanalsystem einen in den Ringwandabschnitt verlaufenden Stegkühlkanal aufweist, der sich zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen erstreckt und der eine obere Wandung hat. Die obere Wandung hat eine im Bereich des Ringwandabschnitts schräg nach unten gerichtete Leitfläche, um Kühlmittel in Richtung zum Verbrennungsraumabschnitt umzulenken. Dabei wird als„oben" die dem Verbrennungsraumabschnitt abgewandte Seite des Zylinderkopfs verstanden. Entsprechend verläuft die Richtung„unten" zu der Seite des Zylinderkopfs hin, an der der Verbrennungsraumabschnitt vorgesehen ist.
Das Kühlmittel strömt im Bereich der kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle schräg nach oben und wird dann durch die schräg nach unten gerichtete Leitfläche nach unten in Richtung des Steges abgelenkt. Auf diese Weise wird der Steg direkt vom Kühlmittel angeströmt, wodurch eine effiziente Kühlung des Steges erreicht wird. Somit kann die auf den Steg durch den Verbrennungsvorgang übertragene Wärme effizient abgeführt werden, sodass sich die Lebensdauer des Motors erhöht.
Dabei können die kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle die Auslasskanäle des Zylinders und die kühlmittelauslassseitigen Gaskanäle die Einlasskanäle des Zylinders sein. Zum Beispiel ist die kühlmitteleinlassseitige Bauteilöffnung die Zündkerzenöffnung und die kühlmittelauslassseitige Bauteilöffnung die Öffnung für die Einspritzdüse.
Der Zylinderkopf kann durch Gießen hergestellt werden. Das Kühlkanalsystem wird dabei durch einen Kern gebildet, wobei der Kern durch 3D-Druck hergestellt sein kann. 3D-Druck hat den Vorteil, dass sich beliebige Geometrie, insbesondere solche mit hinterschnittenen Bereichen herstellen lassen.
Beispielsweise steigt der Stegkühlkanal zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen an, wodurch der Kontur der Oberseite des Verbrennungsraumabschnitts gefolgt werden kann, um eine effizientere Kühlung zu ermöglichen.
Vorzugsweise steigt die obere Wandung zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen an, erreicht kühlmitteleinlassseitig vor der Mittelachse des Ringwandabschnittes ihren höchsten Punkt und fällt zur Kühlmittelauslassseite hin ab. Durch diese Geometrie ist eine besonders gute Anströmung des Steges gewährleistet. Dabei ist mit dem höchsten Punkt diejenige Stelle gemeint, die höher liegt als der Rest des Stegkühlkanals, zumindest kühlmitteleinlassseitig von der Mittelachse des Ringwandabschnittes aus.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die obere Wandung teilweise wellenförmig mit zumindest einem Wellenberg, sodass eine möglichst turbulenzfreie Umlenkung des Kühlmittels in Richtung zum Verbrennungsraumabschnitt erfolgt. Dabei kann die nach unten gerichtete Leitfläche der abfallende Abschnitt des Wellenbergs sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Stegkühlkanal einen zum Verbrennungsraumabschnitt hin vorspringenden Fortsatz auf, der im Bereich des Ringwandabschnitts vorgesehen ist. Durch diesen Fortsatz ist es möglich, Kühlmittel im Bereich des Steges näher an den Verbrennungsraumabschnitt heranzuführen.
Vorzugsweise ist der Fortsatz im Bereich der Leitfläche und/oder an den Bereich der Leitfläche kühlmittelauslassseitig anschließend vorgesehen, sodass das Kühlmittel von der Leitfläche in den Fortsatz umgelenkt wird.
Beispielsweise weist die obere Wandung des Stegkühlkanals im Bereich des Fortsatzes ein Wellental auf. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass genügend Kühlmittel durch den Fortsatz fließt.
Der Fortsatz kann bis auf 9 mm oder weniger an den Verbrennungsraumabschnitt heranreichen. Der Abstand zwischen der unteren Wandung des Stegkühlkanals und der Oberseite des Verbrennungsraumabschnitts im Ringwandabschnitt ist somit im Minimum nur 9 mm oder kleiner, wodurch eine besonders effiziente Kühlung des Steges erreicht wird.
In einer Ausführungsvariante weist das Kühlkanalsystem wenigstens einen äußeren Kühlkanal auf, der nach oberhalb einer der beiden kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle
verläuft und einen oberen Kühlmittelkanal bildet, wodurch eine effiziente Kühlung der Bereiche ermöglicht wird, die nicht vom Stegkühlkanal gekühlt werden.
Beispielsweise mündet der Stegkühlkanal in der dem Auslass zugewandten Hälfte des Ringwandabschnitts, insbesondere im Bereich der kühlmittelauslassseitigen der beiden Bauteilöffnungen in den oberen Kühlkanal, sodass eine effiziente Abführung des Kühlmittels ohne größere Druckverluste erfolgt.
Insbesondere steigt die obere Wandung, insbesondere der gesamte Stegkühlkanal wieder an, bevor der Stegkühlkanal in den oberen Kühlkanal mündet, wodurch eine besonders vorteilhafte Strömung realisiert wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Stegkühlkanal kühlmitteleinlassseitig der Mittelachse des Ringwandabschnitts von dem wenigstens einen äußeren Kühlkanal und dem oberen Kühlkanal getrennt. Dadurch kann der Kühlmittelfluss durch den Stegkühlkanal verbessert werden kann.
Beispielsweise verzweigt sich der Stegkühlkanal kühlmitteleinlassseitig der beiden Bauteilöffnungen in zwei Zweige, die sich auf verschiedenen Seiten der Bauteilöffnungen erstrecken, wodurch eine gleichmäßige Kühlung des Steges um die Bauteilöffnungen herum ermöglicht wird.
Vorzugsweise sind in jedem der Zweige eine Leitfläche und/oder ein Fortsatz vorgesehen, sodass in jedem der Zweige eine optimale Kühlung des Steges erreicht wird.
Es können zwei äußere Kühlkanäle vorgesehen sein, die oberhalb der kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle zusammenfließen und den oberen Kühlkanal bilden, wodurch ein gleichmäßig durchflossener Kühlmittelkreislauf realisiert wird.
Vorzugsweise verläuft der obere Kühlkanal zwischen den kühlmittelauslassseitigen Gaskanälen, sodass auch die kühlmittelauslassseitigen Gaskanäle gekühlt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 einen Ausschnitt aus einer schematischen Schnittansicht eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf,
- Figur 2 eine schematische Unteransicht des Zylinderkopfes nach Figur 1 ,
- Figur 3 eine Schnittansicht des Kühlkanalsystems des Zylinderkopfes nach Figur 1 von oben,
- Figur 4 eine seitliche Seitenansicht des Kühlkanalsystems nach Figur 3, und
- Figur 5 eine perspektivische Schnittansicht des Kühlkanalsystems nach Figur 3.
In Figur 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 mit einem Zylinderblock 12 und einem Zylinderkopf 14 dargestellt, wobei sich diese und alle weiteren Darstellungen auf nur einen Zylinder des Verbrennungsmotors 10 beschränken. Selbstverständlich können sich an den dargestellten Zylinder noch weitere Zylinder anschließen.
Im Verbrennungsmotor 10 ist ein Verbrennungsraum 16 vorgesehen, wobei der Zylinderkopf 14 einen Abschnitt dieses Verbrennungsraums 16 bildet, also einen Verbrennungsraumabschnitt 18 aufweist.
Der Verbrennungsraumabschnitt 18 verschließt das obere Ende des Verbrennungsraums 16, also das Ende des Verbrennungsraums 16, das als Verdichtungsraum dient.
Dabei werden im Zylinderkopf 14 mehrere Richtungen mit Bezug zum Zylinderblock 12 angegeben, wobei„unten" in Richtung zum Zylinderblock 12 bedeutet.
Im Zylinderkopf 14 ist ein Kühlkanalsystem 20 vorgesehen, das in Figur 1 teilweise durch die gestrichelten Linien stark vereinfacht angedeutet ist.
Das Kühlkanalsystem 20 wird von Zu- und Abflüssen im Zylinderblock 12 gespeist, wobei in Figur 1 nur ein Zufluss 22 dargestellt ist.
Wie in Figur 2 zu sehen, weist der Zylinderkopf 14, genauer gesagt das Kühlkanalsystem 20, drei Einlässe 24 und zwei Auslässe 26 für Kühlmittel auf. Dementsprechend können im Zylinderkopf 14 eine Kühlmitteleinlassseite und eine Kühlmittelauslassseite bestimmt werden. In Figur 2 ist die linke Seite die Kühlmitteleinlassseite und die rechte Seite ist die Kühlmittelauslassseite.
Der Zylinderblock 12 hat zwei Bauteilöffnungen 28, beispielsweise eine Einspritzdüsenöffnung 30 und eine Zündkerzenöffnung 32, die in den
Verbrennungsraumabschnitt 18 münden und durch die Bauteile wie eine Einspritzdüse bzw. eine Zündkerze geführt werden können.
Die Bauteilöffnungen 28 sind in Strömungsrichtung benachbart, sodass die eine der Bauteilöffnungen 28 näher an der Kühlmitteleinlassseite vorgesehen ist als die andere.
In der gezeigten Ausführungsform ist die kühlmitteleinlassseitige Bauteilöffnung 28 die Zündkerzenöffnung 32 und die Einspritzdüsenöffnung 30 die kühlmittelauslassseitige.
In den Verbrennungsraumabschnitt 18 münden zudem zwei kühlmitteleinlassseitige Gaskanäle 34 und zwei kühlmittelauslassseitige Gaskanäle 36. Die vier Gaskanäle 34, 36 dienen dazu, dem Verbrennungsraum 16 Luft zuzuführen bzw. Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsraum 16 abzuführen. Aus Gründen der Übersicht wurde auf die Darstellung der Gaskanäle 34, 36 in Figur 1 verzichtet.
Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl an Gaskanälen 34, 36 vorgesehen sein.
In der gezeigten Ausführungsform sind die kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle 34 die Luftauslässe und die kühlmittelauslassseitigen Gaskanäle 36 sind die Lufteinlässe zum Verbrennungsraum 16.
Der zwischen den Gaskanälen 34, 36 an den Verbrennungsraum 16 angrenzende Bereich des Zylinderkopfes 14 wird als Steg 38 bezeichnet. Durch den Steg 38 erstrecken sich auch die Bauteilöffnungen 28.
Im Bereich des Steges 38 ist zwischen den Bauteilöffnungen 28 einerseits und den Gaskanälen 34, 36 andererseits ein Ringwandabschnitt 40 im Zylinderkopf 14 vorgesehen.
Der Ringwandabschnitt 40 hat eine Mittelachse M, die sich in etwa zwischen den beiden Bauteilöffnungen 28 erstreckt und die den Ringwandabschnitt 40 in eine kühlmitteleinlassseitige und eine kühlmittelauslassseitige Hälfte unterteilt.
Das Kühlkanalsystem 20 erstreckt sich durch den gesamten Zylinderkopf 14 und weist in der gezeigten Ausführungsform einen Stegkühlkanal 42, zwei äußere Kühlkanäle 44 und einen oberen Kühlkanal 45 auf.
Die beiden äußeren Kühlkanäle 44 beginnen, wie in Figur 3 dargestellt, an den beiden äußeren der drei Einlässe 24, erstrecken sich zunächst vom Ringwandabschnitt 40 weg und steigen dann bis oberhalb der kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle 34 an.
Die äußeren Kühlkanäle 44 laufen oberhalb der kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle 34 zusammen und bilden den oberen Kühlkanal 45, der stetig zur Kühlmittelauslassseite hin abfällt (siehe Fig. 4).
Der Stegkühlkanal 42 erstreckt sich vom mittleren der drei Einlässe 24 aus in den Ringwandabschnitt 40 hinein. Dabei kann er zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen 34 verlaufen.
Der Stegkühlkanal 42 ist dabei im Bereich kühlmitteleinlassseitig des Ringwandabschnitts 40 von den äußeren Kühlkanälen 44 und dem oberen Kühlkanal 45 fluidisch getrennt.
Innerhalb des Ringwandabschnitts 40, jedoch kühlmitteleinlassseitig der Bauteilöffnungen 28, verzweigt sich der Stegkühlkanal in zwei Zweige 42.1 und 42.2, die an verschiedenen Seiten die Bauteilöffnungen 28 umlaufen.
Im Folgenden wird der Verlauf nur eines Zweigs 42.1 , 42.2 des Stegkühlkanals 42 beschrieben, da die beiden Zweige 42.1 , 42.2 spiegelsymmetrisch sind.
Wie in den Figuren 4 und 5 zu erkennen weist der Stegkühlkanal 42 eine obere Wandung 46 auf, die wesentlich die Strömung des Kühlmittels innerhalb des Stegkühlkanals 42 bestimmt.
Die obere Wandung 46 erreicht vor der Mittelachse M des Ringwandabschnitts 40 ihren höchsten Punkt P und fällt dann zur Kühlmittelauslassseite hin ab.
Die obere Wandung 46 beschreibt eine Wellenform mit einem Wellenberg im Bereich ihres höchsten Punktes P.
Der abfallende Teil der oberen Wandung 46, der kühlmittelauslassseitig an den höchsten Punkt P anschließt, ist als Leitfläche 48 ausgeführt, die schräg nach unten, also zum Verbrennungsraumabschnitt 18 gerichtet ist. Die Leitfläche 48 befindet sich innerhalb des Ringwandabschnittes 40.
An den Bereich der Leitfläche 48 zur Kühlmittelauslassseite anschließend weist der Stegkühlkanal 42 einen Fortsatz 50 auf, der zum Verbrennungsraumabschnitt 18 hin vorspringt.
Auch der Fortsatz 50 ist im Ringwandabschnitt 40 vorgesehen und kann bis zu 9 mm oder weniger an den Verbrennungsraumabschnitt 18 heranreichen, sodass zwischen der unteren Wandung des Stegkühlkanals 42 im Bereich des Fortsatzes 50 zum Verbrennungsraumabschnitt 18 hin ein Abstand von 9 mm besteht.
Denkbar ist auch, dass der Fortsatz 50 im Bereich der Leitfläche 48 selbst angeordnet ist.
An den Bereich des Fortsatzes 50 anschließend oder, wie in der gezeigten Ausführungsform, im Bereich des Fortsatzes 50 mündet der Stegkühlkanal 42 in den oberen Kühlkanal 45.
Die Mündung befindet sich dabei in der kühlmittelauslassseitigen Hälfte des Ringwandabschnittes 40.
Die obere Wandung 46 des Stegkühlkanals 42 und auch der gesamte Stegkühlkanal 42 steigen dabei zur Mündung des Stegkühlkanals 42 hin wieder an.
Die obere Wandung 46 weist damit auch ein Wellental auf, das im Bereich des Fortsatzes 50 liegt.
Der obere Kühlkanal 45 verläuft kühlmittelauslassseitig der Einmündung des Stegkühlkanals 42 zumindest teilweise zwischen den kühlmittelauslassseitigen Gaskanälen 36 und mündet in die beiden Auslässe 26.
Kühlmittel, das durch den mittleren der Einlässe 24 in den Stegkühlkanal 42 strömt, fließt durch den Stegkühlkanal 42 bis zum höchsten Punkt P und wird dort von der Leitfläche 48 in Richtung zum Verbrennungsraumabschnitt 18 hin umgelenkt.
Hierdurch wird eine besonders effektive Anströmung des Stegs 38, insbesondere durch die Durchströmung des Fortsatzes 50 erreicht. Auf diese Weise lässt sich die Temperatur des Steges 38 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 deutlich reduzieren.
Bei der Beschreibung des Kühlkanalsystems 20 wurde lediglich auf die zwei äußeren Kühlkanäle 44, den Stegkühlkanal 42 und den oberen Kühlkanal 45 eines
Zylinders eingegangen. Selbstverständlich sind in einem Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern mehrere dieser Baugruppen aus äußeren Kühlkanälen 44, Stegkühlkanal 42 und oberem Kühlkanal 45 vorgesehen, wobei die oberen Kühlkanal 45 von benachbarten Zylindern miteinander fluidisch verbunden sein können.
Selbstverständlich kann das Kühlkanalsystem 20 noch weitere Kühlkanäle aufweisen, die aus Gründen der Übersicht nicht in den Figuren eingezeichnet und erläutert wurden. Insbesondere ist es denkbar, dass weitere Einlässe und Auslässe des Kühlkanalsystems 20 im Zylinderkopf 14 vorgesehen sind.
Claims
1 . Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor (10) mit wenigstens einem Zylinder, mit einem Kühlkanalsystem (20), das eine Kühlmitteleinlassseite und eine Kühlmittelauslassseite hat, einem Verbrennungsraumabschnitt (18), zwei kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen (34), zwei kühlmittelauslassseitigen Gaskanälen (36) und zwei benachbarten Bauteilöffnungen (28), wie einer Zündkerzenöffnung (32) und einer Einspritzdüsenöffnung (30), wobei die kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle (34), die kühlmittelauslassseitigen Gaskanäle (36) und die Bauteilöffnungen (28) alle in den Verbrennungsraumabschnitt (18) münden, wobei der Zylinderkopf (14) einen zwischen den Bauteilöffnungen (28) einerseits und den Gaskanälen (34, 36) andererseits vorgesehenen Ringwandabschnitt (40) aufweist, wobei das Kühlkanalsystem (20) einen in den Ringwandabschnitt (40) verlaufenden Stegkühlkanal (42) aufweist, der sich zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen (34) erstreckt und der eine obere Wandung (46) hat, und wobei die obere Wandung (46) eine im Bereich des Ringwandabschnitts (40) schräg nach unten gerichtete Leitfläche (48) hat, um Kühlmittel in Richtung zum Verbrennungsraumabschnitt (18) umzulenken.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stegkühlkanal (42) zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen (34) ansteigt.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Wandung (46) zwischen den kühlmitteleinlassseitigen Gaskanälen (34) ansteigt, kühlmitteleinlassseitig vor der Mittelachse (M) des Ringwandabschnitts (40) ihren höchsten Punkt (P) erreicht und zur Kühlmittelauslassseite hin abfällt.
4. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Wandung (46) teilweise wellenförmig ist mit zumindest einem Wellenberg.
5. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegkühlkanal (42) einen zum Verbrennungsraumabschnitt
(18) hin vorspringenden Fortsatz (50) aufweist, der im Bereich des Ringwandabschnitts (40) vorgesehen ist.
6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (50) im Bereich der Leitfläche (48) oder an den Bereich der Leitfläche (48) kühlmittelauslassseitig anschließend vorgesehen ist.
7. Zylinderkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Wandung (46) des Stegkühlkanals (42) im Bereich des Fortsatzes ein Wellental aufweist.
8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (50) bis auf 9 mm oder weniger an den Verbrennungsraumabschnitt (18) heranreicht.
9. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalsystem (20) wenigstens einen äußeren Kühlkanal (44) aufweist, der nach oberhalb einer der beiden kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle (34) verläuft und einen oberen Kühlkanal (45) bildet.
10. Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegkühlkanal (42) in der dem Auslass zugewandten Hälfte des Ringwandabschnitts (40), insbesondere im Bereich der kühlmittelauslassseitigen der beiden Bauteilöffnungen (28) in den oberen Kühlkanal (45) mündet.
1 1 . Zylinderkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Wandung (46), insbesondere der gesamte Stegkühlkanal (42) wieder ansteigt, bevor der Stegkühlkanal (42) in den oberen Kühlkanal (45) mündet.
12. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stegkühlkanal (42) kühlmitteleinlassseitig des Ringwandabschnitts (40) von dem wenigstens einen äußeren Kühlkanal (44) und dem oberen Kühlkanal (45) getrennt ist.
13. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stegkühlkanal (42) kühlmitteleinlassseitig der beiden Bauteilöffnungen (28) in zwei Zweige (42.1 , 42.2) verzweigt, die sich auf verschiedenen Seiten der Bauteilöffnungen (28) erstrecken.
14. Zylinderkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Zweige (42.1 , 42.2) eine Leitfläche (48) und/oder ein Fortsatz (50) vorgesehen sind.
15. Zylinderkopf nach Anspruch 13 oder 14, sofern auf einen der Ansprüche 9 bis 12 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei äußere Kühlkanäle (44) vorgesehen sind, die oberhalb der kühlmitteleinlassseitigen Gaskanäle (34) zusammenfließen und den oberen Kühlkanal (45) bilden.
16. Zylinderkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Kühlkanal (45) zwischen den kühlmittelauslassseitigen Gaskanälen (36) verläuft.
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