WO2020051607A1 - Zylinderkopf - Google Patents

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WO2020051607A1
WO2020051607A1 PCT/AT2019/060290 AT2019060290W WO2020051607A1 WO 2020051607 A1 WO2020051607 A1 WO 2020051607A1 AT 2019060290 W AT2019060290 W AT 2019060290W WO 2020051607 A1 WO2020051607 A1 WO 2020051607A1
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WO
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cylinder head
head according
recess
intermediate deck
flow connection
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PCT/AT2019/060290
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin KLAMPFER
Andreas Zurk
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AVL List GmbH
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Priority to US17/275,925 priority patent/US11459976B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/12—Arrangements for cooling other engine or machine parts
    • F01P3/16—Arrangements for cooling other engine or machine parts for cooling fuel injectors or sparking-plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/242—Arrangement of spark plugs or injectors

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with at least an upper partial cooling space and a lower partial cooling space, which are separated from one another by an intermediate deck, with a single-walled element which extends into a combustion chamber and penetrates the intermediate deck Element at least one flow connection is formed between the two partial cooling rooms.
  • the coolant either flows through the cylinder head coming from a crankcase from the lower partial cooling space to the upper partial cooling space or, as in the present invention, flows through from the upper partial cooling space to the lower partial cooling space, which is also known as top-down cooling referred to as.
  • Such arrangements are known for example from AT 510 857 B1. It shows an overflow opening around a receiving plaster for a spark plug or an injection nozzle that extends into the combustion chamber.
  • the overflow opening is predetermined by the contour of the intermediate deck and limited by the possibilities of manufacture. Post-processing of the intermediate deck after casting is no longer easy. As a result, the cooling of thermally critical areas is made more difficult, especially for cleaning up.
  • the currents and the cooling of the intake plaster depend on the geometry of the opening in the intermediate deck.
  • a similar cylinder head is also known from DE 10 2005 031 243 B4.
  • This insert is designed so that it only represents an insert around the actual component or around its receiving sleeve.
  • the cooling insert is double-walled and its outer walls essentially form a hollow cylinder around the component.
  • This insert is also hollow on the inside.
  • the coolant flows from the upper part of the cooling space through windows in the outer wall of the cooling insert into the interior of the cooling insert and towards the lower part of the cooling space.
  • the coolant in turn flows out of the cooling insert into the lower partial cooling space through windows in the outer wall.
  • the flow connection between the upper and lower partial cooling space is formed by the cavity between the outer and the inner wall.
  • the disadvantage here is that the flow in the insert has undesirable turbulence, since the flow in the cavity cannot be directed in a targeted manner without additional means.
  • a cooling channel arrangement with a tapering flow connection through a recess on the element is known, for example, from GB 2 009 846 A or JP 2009264255 A.
  • the element In GB 2 009 846 A the element has semicircular recesses on the surface.
  • this arrangement is only possible for very thin-walled elements without causing thermal overheating.
  • a special flow control in thermally highly stressed areas of the receptacle by means of a spark plug is therefore not possible.
  • the cylinder head is cooled with coolant from the cylinder block. The coolant is heated until it reaches the receptacle in such a way that adequate cooling, especially for prechamber spark plugs, cannot be ensured.
  • JP 2009264255 A provides a complicated channel arrangement with bores with kinks in the receptacle. Thereby, a better influence on the flow rates of the coolant can be achieved.
  • manufacturing is very difficult. Due to the flow from below, the coolant is in turn strongly heated until the thermally highly stressed areas are reached, and adequate cooling cannot simply be ensured.
  • the object of the present invention is to provide a cylinder head with improved cooling.
  • a cylinder head mentioned at the outset in that the flow connection is formed by at least one recess on the element tapering, in particular continuously, to the lower part of the cooling chamber, coolant flowing through the recess from the upper part of the cooling chamber to the lower part of the cooling chamber.
  • the recess has small dimensions compared to the size of the element, such as bores from the full element.
  • At least one recess in the element is groove-shaped, which is open in the direction of a valve bridge and whose base is essentially aligned with the interior of the element. This allows the critical area between the valves to be cooled. In order to intensify this effect, it is favorable if at least one recess is formed in the element for each valve bridge and if preferably three recesses are formed per valve bridge in the element.
  • the shape of the intermediate deck contributes to the tapering of the flow connection. This is possible in a particularly simple manner if the intermediate deck has an essentially conical recess in which the element is arranged, and that this recess is preferably produced by conical machining of the intermediate deck. As a result, the flow velocity around the element can be positively influenced and advantageously increases.
  • At least one channel is provided in the element, which is used for the flow connection between the upper and lower partial cooling space.
  • an inlet opening of the channel is at a distance from the intermediate deck that is greater than a distance from a starting point of the recess from the intermediate deck.
  • the channel is arranged in a radius of the element that is smaller than a radius on which the base of the recess is arranged in the element. This makes it possible to arrange the channel within the recesses, and not only the element but also the valve bridges can be cooled all around through the recess. Through the channel, which can be designed as a hole, it is possible to specifically cool the interior of the element.
  • the channel has a diameter which has a ratio to the diameter of the element which is between 0.02 and 0.2 and preferably between 0.06 and 0.1. is in particular about 0.08.
  • the element to the intermediate deck has an annular gap which serves for the flow connection between the upper partial cooling space and the lower partial cooling space.
  • the cooling via the annular gap can be influenced favorably if the annular gap has a width which has a ratio to the diameter of the element which is less than 0.05 and preferably less than 0.02, in particular less than 0.015.
  • a recess has a width which has a ratio to the diameter of the element which is less than 0.2 and preferably less than 0.1, in particular about 0.06.
  • the flow connection has an inlet cross section at a first height along the element in the region of the upper partial cooling space and the flow connection at a second height along the element in Area of the lower partial cooling chamber has an outlet cross section and that the inlet cross section and the outlet cross section are in a ratio to one another which is greater than 1 and preferably over 1.6 and particularly preferably about 1.82.
  • the flow is also improved if the element has a constriction to a minimum diameter in the area of the flow connection in the intermediate deck, this minimum diameter to the diameter having a ratio which is between 0.3 and 0.8, in particular is between 0.4 and 0.6 and particularly preferably about 0.46.
  • Fig. 1 shows a detail of a cylinder head according to the invention in a first
  • Figure 2 shows the detail of the cylinder head in a section along the line II-II in Fig. 1.
  • FIGS. 1 to 3 of a cylinder head according to the invention shows a sketch of the detail analogous to FIGS. 1 to 3 of a cylinder head according to the invention in a second embodiment.
  • Fig. 1 an element 1 is shown, which is arranged in a cylinder head of an internal combustion engine, not shown.
  • this element 1 is designed as a sleeve for receiving a spark plug.
  • the element 1 can be designed to accommodate another component or it can also be the corresponding component itself. Cooling with coolant is provided in said cylinder head.
  • the cylinder head has an upper partial cooling space 0 and a lower partial cooling space U separated from it by an intermediate deck Z.
  • the upper partial cooling space 0 and the lower partial cooling space U have a flow connection.
  • this flow connection is formed by a plurality of recesses 2 and a channel 3 in the element 1 and by an annular gap R around the element 1.
  • the recesses 2 form this flow connection together with a conical recess 4 in the intermediate deck Z, in which the element 1 is arranged.
  • the recesses 2 are designed as grooves in the element 1, which start from a starting point A.
  • the starting point A denotes the point at which the groove begins to run, which is curved in the embodiment shown and can be straight in alternative embodiments.
  • the starting point A of the groove is arranged in the upper partial cooling space 0 and is at a distance e from the intermediate deck Z.
  • the bottom 5 of the groove that forms the recess 2 is bent or kinked.
  • the recess 2 is designed as a groove only in the upper region from the upper partial cooling space 0 to the region in the intermediate deck Z.
  • the recess 2 is formed toward the lower partial cooling space U in such a way that the element 1 has a diameter D which ends in a shoulder 6 at the end of the groove.
  • the flow connection is formed by the recess 2, which has the shape of a further annular gap.
  • the annular gap R also merges into this further annular gap.
  • element 1 After a short straight section between element 1 and the intermediate deck Z from paragraph 6 in the direction of the lower partial cooling space U, element 1 also tapers conically.
  • the conical surface on element 1 begins at the same height as the conical surface on the intermediate deck Z.
  • the flow cross section through which the coolant flows from the upper partial cooling chamber 0 into the lower partial cooling chamber U is reduced.
  • the element 1 has an angle a, which in the embodiment shown is approximately 40 °. In other versions, a different amount for the angle a is also possible.
  • the coolant is deflected in this area approximately by the angle a.
  • the element 1 has a minimum diameter m in the area of the lower partial cooling space U. In this area on element 1, the coolant in the version shown is conducted into the lower partial cooling space U and thereby by more than 90 ° distracted.
  • the recesses 2 are also continued on the element 1 at the minimum diameter m. (This can be seen in more detail in FIG. 3 and is explained in more detail here.)
  • the coolant flows from the upper partial cooling space 0 along the arrows 8 into the uniform annular gap R, which is arranged around the element 1, as well as through the recesses 2 and through the channel 3 or the channels 3 into the lower partial cooling space U.
  • the flow is deflected at least once in the channel 3 and in the recesses 2 and the tapering of the cross section increases the speed of the coolant accordingly.
  • Cooling in which the main flow direction is directed from the upper partial cooling chamber 0 to the lower partial cooling chamber U is referred to as top-down cooling.
  • the flow connection which forms the sum of channels / channels 3, recesses 2 and annular gap R, has an inlet cross section Ai and at a second height H 2 , the flow connection has an outlet cross section A 2 .
  • Outlet cross section A 2 and inlet cross section Ai have a ratio A I / A 2 to one another which is 1.8. This accelerates the flow along the height of element 1.
  • the channel 3 is essentially arranged as a bore in the direction of the axis of rotation 7 of the element 1 in a radius ri of the element 1.
  • the base 5 of the recess 2 is arranged essentially in a radius r 2 in the element.
  • the radius ri in which the channel 3 is arranged is smaller than the radius r 2 in which the base 5 is arranged in the element 1.
  • the element 1 has a plurality of recesses 2 for each valve bridge V.
  • the number of recesses 2 can be varied depending on the need for cooling and the size of the element 1.
  • three mutually parallel recesses 2 are provided for each valve bridge V. These recesses 2 represent grooves, the bottom 5 of which is directed into the interior of the element 1.
  • the channel 3 can also be seen as an extension between two recesses 2. These two recesses 2, which are arranged at 90 ° to one another, have a smaller depth t in the interior of the element 1.
  • a width w of the recesses 2 is essentially the same for all recesses 2.
  • the channel 3 has a diameter d.
  • a flow profile in and around the element 1 is shown schematically in FIG. 3. It can be seen that the flow velocities increase in the direction of the lower partial cooling space U. Furthermore, it can be seen in the lower region that after a region in which the recesses 2 on the element 1 disappear downwards, depth t increases again towards a combustion chamber. This makes it possible to conduct the flow better.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the cylinder head according to the invention.
  • the main features are the same and only the differences from the first version are discussed below.
  • the element points to two valve bridges V, which are arranged next to one another, each with five recesses 2, which have different depths t.
  • the element points to two valve bridges V, which are arranged next to one another, each with five recesses 2, which have different depths t.
  • only four recesses 2 are arranged on element 1 and three channels 3 are provided in between.
  • a cooling channel is also provided in the valve bridges V each.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem oberen Teilkühlraum (O) und einem unteren Teilkühlraum (U), die durch ein Zwischendeck (Z) voneinander getrennt sind, mit einem in einen Brennraum reichenden Element (1), das das Zwischendeck (Z) durchdringt, wobei im Bereich des Elements (1) zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Teilkühlräumen (O, U) ausgebildet ist, wobei die Strömungsverbindung durch zumindest eine Ausnehmung (2) am Element (1) gebildet wird, welches einwandig ausgebildet ist und dass sich die Strömungsverbindung zum unteren Teilkühlraum (U) - insbesondere kontinuierlich – verjüngt. Aufgabe der Erfindung ist es einen Zylinderkopf mit verbesserter Kühlung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, dass das Zwischendeck (Z) eine im Wesentlichen konische Aussparung (4) aufweist, in der das Element (1) angeordnet ist, und dass Kühlmittel vom oberen Teilkühlraum (O) zum unteren Teilkühlraum (U) strömt.

Description

Zylinderkopf
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumin- dest einem oberen Teilkühlraum und einem unteren Teilkühlraum, die durch ein Zwischendeck voneinander getrennt sind, mit einem in einen Brennraum reichen- den, einwandig ausgebildeten Element, das das Zwischendeck durchdringt, wobei im Bereich des Elements zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den bei- den Teilkühlräumen ausgebildet ist.
Um die hohen Temperaturen im Zylinderkopf in dem für das Material ertragbaren Bereich zu halten, ist es üblich den Zylinderkopf über Kühlräume zu kühlen. Dazu ist es vorgesehen, dass das Kühlmittel den Zylinderkopf entweder von einem Kur- belgehäuse kommend vom unteren Teilkühlraum zum oberen Teilkühlraum durch- strömt oder wie in der vorliegenden Erfindung vom oberen Teilkühlraum zum un- teren Teilkühlraum durchströmt, was auch als Top-Down-Cooling bezeichnet wird.
Durch diese beiden unterschiedlichen Herangehensweisen ergeben sich sehr un- terschiedliche Strömungsverhältnisse und Kühlbedingungen im Zylinderkopf und in den Teilkühlräumen.
Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der AT 510 857 Bl bekannt. Darin ist eine Überströmöffnung um einen Aufnahmeputzen für eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse, die bis in den Brennraum reicht gezeigt. Dabei ist die Überströmöff- nung durch die Kontur des Zwischendecks vorgegeben und durch die Möglichkeiten der Fertigung begrenzt. Vor allem eine Nachbearbeitung des Zwischendecks nach dem Guss ist nicht mehr einfach möglich. Dadurch ist die Kühlung von thermisch kritischen Bereichen vor allem um den Aufnahmeputzen erschwert. Die Strömun- gen und die Kühlung des Aufnahmeputzens hängen von der Geometrie der Öffnung im Zwischendeck ab.
Auch aus der DE 10 2005 031 243 B4 ist ein ähnlicher Zylinderkopf bekannt. In dieser ist ein Kühleinsatz um ein Bauteil gezeigt, das einen Injektor oder eine Zündkerze darstellen kann. Dabei ist dieser Einsatz so ausgeführt, dass er nur einen Einsatz um das eigentliche Bauteil oder um dessen Aufnahmehülse darstellt. Der Kühleinsatz ist dabei doppelwandig ausgebildet und seine Außenwände bilden im Wesentlichen einen Hohlzylinder um das Bauteil. Im Inneren ist dieser Einsatz ebenfalls hohl ausgebildet. Das Kühlmittel strömt vom oberen Teilkühlraum über Fenster in der Außenwand des Kühleinsatzes in das Innere des Kühleinsatzes und in Richtung des unteren Teilkühlraums. Durch Fenster in der Außenwand strömt das Kühlmittel wiederum aus dem Kühleinsatz in den unteren Teilkühlraum. Dabei wird die Strömungsverbindung zwischen oberem und unterem Teilkühlraum durch den Hohlraum zwischen der äußeren und der inneren Wand gebildet. Nachteilig ist dabei, dass die Strömung in dem Einsatz unerwünschte Turbulenzen aufweist, da die Strömung im Hohlraum nicht gezielt ohne zusätzliche Mittel gelenkt werden kann.
Eine Kühlkanalanordnung mit sich verjüngender Strömungsverbindung durch eine Ausnehmung am Element ist beispielsweise aus der GB 2 009 846 A oder der JP 2009264255 A bekannt. In GB 2 009 846 A weist das Element halbkreisförmige Ausnehmungen an der Oberfläche auf. Diese Anordnung ist jedoch nur für sehr dünnwandige Elemente möglich ohne thermische Überhitzung zu verursachen. Eine besondere Strömungssteuerung an thermisch hoch belasteten Bereichen der Aufnahme durch eine Zündkerze ist dadurch nicht möglich. Weiters ist dabei vor- gesehen, dass der Zylinderkopf mit Kühlmittel aus dem Zylinderblock gekühlt wird. Das Kühlmittel ist bis zum Erreichen der Aufnahme derart aufgeheizt, dass eine ausreichende Kühlung vor allem für Vorkammerzündkerzen nicht gesichert werden kann. In JP 2009264255 A ist eine komplizierte Kanalanordnung mit Bohrungen mit Knickungen in der Aufnahme vorgesehen. Dadurch kann zwar eine bessere Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels erreicht werden. Jedoch ist die Fertigung stark erschwert. Durch die Durchströmung von unten ist wiederum das Kühlmittel bis zum Erreichen der thermisch hochbelasteten Bereiche stark erwärmt und eine ausreichende Kühlung kann nicht einfach sichergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Zylinderkopf mit verbesserter Kühlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen eingangs erwähnten Zylinderkopf erfindungsge- mäß dadurch gelöst, dass die Strömungsverbindung durch zumindest eine sich zum unteren Teilkühlraum - insbesondere kontinuierlich - verjüngende Ausneh- mung am Element gebildet wird, wobei Kühlmittel durch die Ausnehmung vom oberen Teilkühlraum zum unteren Teilkühlraum strömt.
Dadurch ist es einfach möglich eine vorherbestimmbare Strömung und somit auch eine beeinflussbare Strömung je nach Bedarf für den Zylinderkopf zu erhalten.
Die Ausnehmung weist dabei im Vergleich zur Größe des Elements gesehen kleine Ausmaße auf, wie etwa Bohrungen aus dem vollen Element.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn zumindest eine Ausnehmung im Element nut- förmig ausgebildet ist, die in Richtung einer Ventilbrücke offen ist und mit ihrem Grund im Wesentlichen ins Innere des Elements ausgerichtet ist. Dadurch kann besonders der kritische Bereich zwischen den Ventilen gekühlt werden. Um diesen Effekt noch zu verstärken, ist es günstig, wenn zu jeder Ventilbrücke zumindest eine Ausnehmung hin geöffnet im Element ausgebildet ist und wenn vorzugsweise drei Ausnehmungen pro Ventilbrücke im Element ausgebildet sind.
Es ist vorteilhaft, wenn die Form des Zwischendecks einen Beitrag zur Verjüngung der Strömungsverbindung leistet. Dies ist besonders einfach möglich, wenn das Zwischendeck eine im Wesentlichen konischen Aussparung aufweist, in der das Element angeordnet ist, und dass diese Aussparung vorzugsweise durch konische Bearbeitung des Zwischendecks erzeugt ist. Dadurch kann die Strömungsge- schwindigkeit um das Element positiv beeinflusst werden und erhöht sich günsti- gerweise.
Dadurch ist eine Fokussierung der Strömung auf den Bereich um eine Vorkammer herum oder in Richtung des Brennraum einfach möglich. Diese Konzentrierung auf diese thermisch hochbelasteten Bereiche findet dabei günstigerweise statt, bevor die Strömung des Kühlmittels in die Ventilbrücken umgelenkt wird. Daraus ergibt sich eine wesentlich verbesserte Kühlwirkung für den Bereich und eine verbesserte Kühlung der Wand zum Brennraum, der Brennraumplatte.
In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass im Element zumindest ein Kanal vorgesehen ist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem und un- terem Teilkühlraum dient.
Um eine möglichst einfache Anordnung zu erhalten, ist es günstig, wenn eine Ein- trittsöffnung des Kanals einen Abstand vom Zwischendeck aufweist, der größer ist als eine Entfernung eines Anfangspunktes der Ausnehmung vom Zwischendeck. Der gleiche Vorteil entsteht durch eine Ausführung in der vorgesehen ist, dass der Kanal in einem Radius des Elementes angeordnet ist, der kleiner ist, als ein Radius, an dem der Grund der Ausnehmung im Element angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Kanal innerhalb der Ausnehmungen anzuordnen, wobei durch die Ausnehmung nicht nur das Element, sondern auch die Ventilbrücken rundum ge- kühlt werden können. Durch den Kanal, der als Bohrung ausgeführt sein kann, ist es möglich, das Innere des Elements gezielt zu kühlen.
Um eine gute Kühlung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Kanal einen Durch- messer aufweist, der zum Durchmesser des Elements ein Verhältnis besitzt, das zwischen 0,02 und 0,2 ist und vorzugsweise zwischen 0,06 und 0,1, insbesondere etwa 0,08 beträgt.
Aus Sicht der Kühlung ist es günstig, wenn in einer besonderen Ausführung vor- gesehen ist, dass das Element zum Zwischendeck einen Ringspalt aufweist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem Teilkühlraum und unterem Teilkühl- raum dient. Günstig beeinflussen lässt sich die Kühlung über den Ringspalt, wenn der Ringspalt eine Breite aufweist, die zu dem Durchmesser des Elements ein Verhältnis auf- weist, das kleiner als 0,05 und vorzugsweise kleiner als 0,02, insbesondere kleiner 0, 015 ist.
Der gleiche Effekt lässt sich erzielen, wenn eine Ausnehmung eine Weite aufweist, die zu dem Durchmesser des Elements ein Verhältnis aufweist, das kleiner als 0,2 ist und vorzugsweise kleiner als 0,1, insbesondere etwa 0,06 ist.
Um die Strömung zu beschleunigen und so die Kühlung positiv zu beeinflussen und zu verbessern ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsverbindung in einer ersten Höhe entlang des Elements im Bereich des oberen Teilkühlraums einen Eintritts- querschnitt aufweist und die Strömungsverbindung in einer zweiten Höhe entlang des Elements im Bereich des unteren Teilkühlraums einen Austrittsquerschnitt auf- weist und dass der Eintrittsquerschnitt und der Austrittsquerschnitt in einem Ver- hältnis zueinander stehen, das größer ist als 1 und vorzugsweise über 1,6 und besonders bevorzugt etwa 1, 82 beträgt.
Die Strömung wird auch verbessert, wenn das Element im Bereich von der Strö- mungsverbindung im Zwischendeck eine Einschnürung auf einen Minimaldurch- messer aufweist, wobei dieser Minimaldurchmesser zum Durchmesser ein Verhält- nis aufweist, das zwischen 0,3 und 0,8 ist, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6 und besonders bevorzugt etwa 0,46 ist.
In der Folge wird die Erfindung anhand der Ausführungen in den nicht einschrän- kenden Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs in einer ersten
Ausführung in einem Schnitt gemäß der Linien I-I in Fig. 2;
Fig. 2 das Detail des Zylinderkopfs in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ein schematisches Strömungsprofil des Zylinderkopfs um ein Ele- ment; und
Fig. 4 eine Skizze des Details analog zu Fig. 1 bis Fig. 3 eines erfindungs- gemäßen Zylinderkopfs in einer zweiten Ausführung.
In Fig. 1 ist ein Element 1 gezeigt, das in einem Zylinderkopf einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dieses Element 1 ist in der gezeig- ten Ausführung als eine Hülse zur Aufnahme einer Zündkerze ausgeführt. Das Ele- ment 1 kann in einer nicht gezeigten Ausführung zur Aufnahme eines anderen Bauteils ausgebildet sein oder auch das dementsprechende Bauteil selbst sein. In besagtem Zylinderkopf ist eine Kühlung mit Kühlmittel vorgesehen. Dafür weist der Zylinderkopf einen oberen Teilkühlraum 0 und einen von diesem durch ein Zwischendeck Z getrennten unteren Teilkühlraum U auf. Der obere Teilkühlraum 0 und der untere Teilkühlraum U weisen eine Strömungsverbindung auf.
Diese Strömungsverbindung wird in der gezeigten Ausführung durch mehrere Aus- nehmungen 2 und einen Kanal 3 im Element 1 sowie durch einen Ringspalt R um das Element 1 gebildet. Die Ausnehmungen 2 bilden diese Strömungsverbindung gemeinsam mit einer konischen Aussparung 4 in dem Zwischendeck Z, in der das Element 1 angeordnet ist.
Die Ausnehmungen 2 sind dabei als Nuten im Element 1 ausgeführt, die von einem Anfangspunkt A ausgehen. Der Anfangspunkt A bezeichnet jenen Punkt, an dem der Auslauf der Nut beginnt, der in der gezeigten Ausführung gebogen ist und in alternativen Ausführungen gerade sein kann. Der Anfangspunkt A der Nut ist im oberen Teilkühlraum 0 angeordnet und weist eine Entfernung e zu dem Zwischen- deck Z auf. Der Grund 5 der Nut, die die Ausnehmung 2 bildet ist gebogen oder abgeknickt.
Die Ausnehmung 2 ist in der gezeigten Ausführung nur im oberen Bereich vom oberen Teilkühlraum 0 bis in den Bereich im Zwischendeck Z als Nut ausgeführt. Hin zum unteren Teilkühlraum U ist die Ausnehmung 2 derart ausgebildet, dass das Element 1 einen Durchmesser D aufweist, der am Ende der Nut in einem Ab- satz 6 endet. Dabei ist die Strömungsverbindung durch die Ausnehmung 2, die die Form eines weiteren Ringspalts aufweist gebildet. Dabei geht auch der Ringspalt R in diesen weiteren Ringspalt über.
Nach einem kurzen geraden Stück zwischen Element 1 und Zwischendeck Z vom Absatz 6 in Richtung unterer Teilkühlraum U verjüngt sich auch das Element 1 konisch. Die konische Fläche am Element 1 beginnt auf gleicher Höhe mit der ko- nischen Fläche am Zwischendeck Z. Dabei verringert sich der Strömungsquer- schnitt, durch den das Kühlmittel vom oberen Teilkühlraum 0 in den unteren Teil- kühlraum U strömt. Bei diesem Übergang von der geraden, zylindrischen Fläche am Element 1 zur konischen Fläche weist das Element 1 einen Winkel a auf, der in der gezeigten Ausführung etwa 40° beträgt. Dabei ist in anderen Ausführungen auch ein anderer Betrag für den Winkel a möglich.
Durch die ähnliche Form von Zwischendeck Z und konischem Bereich am Element 1 wird das Kühlmittel in diesem Bereich in etwa um den Winkel a abgelenkt.
Im Bereich des unteren Teilkühlraums U weist das Element 1 einen Minimaldurch- messer m auf. In diesem Bereich am Element 1 wird das Kühlmittel in der gezeig- ten Ausführung in den unteren Teilkühlraum U geleitet und dabei um mehr als 90° abgelenkt. Dabei sind am Element 1 beim Minimaldurchmesser m auch die Aus- nehmungen 2 weitergeführt. (Dies ist in Fig. 3 näher zu erkennen und wird an dieser Stelle näher erläutert.)
Das Kühlmittel strömt in der gezeigten Ausführung vom oberen Teilkühlraum 0 entlang der Pfeile 8 in den gleichmäßigen Ringspalt R, der um das Element 1 an- geordnet ist, sowie durch die Ausnehmungen 2 und durch den Kanal 3 oder die Kanäle 3 in den unteren Teilkühlraum U. Im Kanal 3 und in den Ausnehmungen 2 wird die Strömung in der gezeigten Ausführung mindestens einmal umgelenkt und durch die Verjüngung des Querschnitts wird die Geschwindigkeit des Kühlmittels dementsprechend erhöht.
Kühlungen, bei denen die Hauptströmungsrichtung vom oberen Teilkühlraum 0 zum unteren Teilkühlraum U gerichtet ist, bezeichnet man als Top-Down-Cooling.
In einer ersten Höhe Hi weist die Strömungsverbindung, die die Summe aus Ka- nal/Kanälen 3, Ausnehmungen 2 und Ringspalt R bildet, einen Eintrittsquerschnitt Ai auf und in einer zweiten Höhe H2 weist die Strömungsverbindung einen Aus- trittsquerschnitt A2 auf. Austrittsquerschnitt A2 und Eintrittsquerschnitt Ai weisen zueinander ein Verhältnis AI/A2 auf, das 1,8 ist. Dadurch wird die Strömung ent- lang der Höhe des Elements 1 beschleunigt.
Weiters ist in Fig. 1 die Anordnung des Kanals 3 und der Ausnehmungen 2 im Element 1 erkennbar. Dabei ist der Kanal 3 im Wesentlichen als Bohrung in Rich- tung der Drehachse 7 des Elements 1 in einem Radius ri des Elements 1 angeord- net. Der Grund 5 der Ausnehmung 2 ist im Wesentlichen in einem Radius r2 im Element angeordnet. Der Radius ri in dem der Kanals 3 angeordnet ist, ist kleiner, als der Radius r2 in der der Grund 5 im Element 1 angeordnet ist.
In Fig. 2 ist zu erkennen, dass das Element 1 zu jeder Ventilbrücke V mehrere Ausnehmungen 2 aufweist. Die Anzahl der Ausnehmungen 2 kann je nach Bedarf an Kühlung und je nach Größe des Elementes 1 variiert werden.
In der gezeigten Ausführung sind pro Ventilbrücke V je drei zueinander parallele Ausnehmungen 2 vorgesehen. Diese Ausnehmungen 2 stellen Nuten dar, deren Grund 5 jeweils ins Innere des Elements 1 gerichtet ist.
Im Inneren des Elements 1 ist weiters der Kanal 3 in Verlängerung zwischen zwei Ausnehmungen 2 zu erkennen. Diese beiden Ausnehmungen 2, die in 90° zuei- nander angeordnet sind, weisen dabei eine geringere Tiefe t in Innere des Ele- ments 1 auf. Eine Weite w der Ausnehmungen 2 ist für alle Ausnehmungen 2 im Wesentlichen gleich. Der Kanal 3 weist einen Durchmesser d auf. In Fig. 3 ist schematisch ein Strömungsprofil im und um das Element 1 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass in Richtung des unteren Teilkühlraums U die Strö- mungsgeschwindigkeiten zunehmen. Weiters ist im unteren Bereich erkennbar, dass nach einem Bereich, in dem die Ausnehmungen 2 am Element 1 verschwin- den, nach unten, zu einem Brennraum hin wieder an Tiefe t gewinnen. Dadurch ist es möglich, die Strömung besser zu leiten.
In Fig. 4 ist eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs gezeigt. Dabei sind wesentliche Merkmale gleich ausgeführt und in der Folge wird nur auf die Unterschiede zur ersten Ausführung eingegangen.
In dieser zweiten Ausführung weist das Element zu zwei Ventilbrücken V hin, die nebeneinander angeordnet sind, je fünf Ausnehmungen 2 auf, die unterschiedliche Tiefen t aufweisen. Diesen beiden Gruppen von Ausnehmungen 2 gegenüber sind am Element 1 nur je vier Ausnehmungen 2 angeordnet und dazwischen drei Kanäle 3 vorgesehen. Wie in dieser Darstellung erkennbar ist, ist in den Ventilbrücken V ebenfalls je ein Kühlkanal vorgesehen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem oberen Teil- kühlraum (0) und einem unteren Teilkühlraum (U), die durch ein Zwischen- deck (Z) voneinander getrennt sind, mit einem in einen Brennraum reichen- den, einwandig ausgebildeten Element (1), das das Zwischendeck (Z) durch- dringt, wobei im Bereich des Elements (1) zumindest eine Strömungsverbin- dung zwischen den beiden Teilkühlräumen (0, U) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung durch zumindest eine sich zum unteren Teilkühlraum (U) - insbesondere kontinuierlich - verjüngende Ausnehmung (2) am Element (1) gebildet wird, wobei Kühlmittel vom oberen Teilkühlraum (0) zum unteren Teilkühlraum (U) strömt.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ausnehmung (2) im Element (1) nutförmig ausgebildet ist, die in Rich- tung einer Ventilbrücke (V) offen ist und mit ihrem Grund (5) im Wesentlichen ins Innere des Elements (1) ausgerichtet ist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Ventilbrücke (V) zumindest eine Ausnehmung (2) hin geöffnet im Ele- ment (1) ausgebildet ist und dass vorzugsweise drei Ausnehmungen (2) pro Ventilbrücke (V) im Element (1) ausgebildet sind.
4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (Z) eine im Wesentlichen konischen Aussparung (4) aufweist, in der das Element (1) angeordnet ist, und dass diese Aussparung vorzugsweise durch konische Bearbeitung des Zwischendecks (Z) erzeugt ist.
5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Element (1) zumindest ein Kanal (3) vorgesehen ist, der zur Strö- mungsverbindung zwischen oberem Teilkühlraum (0) und unterem Teilkühl- raum (U) dient.
6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ein- trittsöffnung des Kanals (3) einen Abstand (a) vom Zwischendeck (Z) auf- weist, der größer ist als eine Entfernung (e) eines Anfangspunktes (A) der Ausnehmung (2) vom Zwischendeck (Z).
7. Zylinderkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (3) in einem Radius (rl) des Elementes (1) angeordnet ist, der kleiner ist, als ein Radius (r2) an dem der Grund (5) der Ausnehmung (2) im Element (1) angeordnet ist.
8. Zylinderkopf nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (3) einen Durchmesser (d) aufweist der zum Durchmesser (D) des Elements (1) ein Verhältnis (d/D) besitzt, das zwischen 0,02 und 0,2 ist und vorzugsweise zwischen 0,06 und 0,1, insbesondere etwa 0,08, beträgt.
9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) zum Zwischendeck (Z) einen Ringspalt (R) aufweist, der zur Strömungsverbindung zwischen oberem Teilkühlraum (O) und un- terem Teilkühlraum (U) dient.
10. Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring- spalt (R) eine Breite (B) aufweist, die zu dem Durchmesser (D) des Elements (1) ein Verhältnis (B/D) aufweist, das kleiner als 0,05 und vorzugsweise klei- ner als 0,02, insbesondere kleiner 0, 015 ist.
11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnehmung (1) eine Weite (w) aufweist, die zu dem Durchmesser (D) des Elements (1) ein Verhältnis (w/D) aufweist, das kleiner als 0,2 ist und vorzugsweise kleiner als 0,1, insbesondere etwa 0,06 ist.
12. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung in einer ersten Höhe (Hl) entlang des Ele- ments (1) im Bereich des oberen Teilkühlraums (O) einen Eintrittsquerschnitt (Al) aufweist und die Strömungsverbindung in einer zweiten Höhe (H2) ent- lang des Elements (1) im Bereich des unteren Teilkühlraums (U) einen Aus- trittsquerschnitt (A2) aufweist und dass der Eintrittsquerschnitt (Al) und der Austrittsquerschnitt (A2) in einem Verhältnis (A1/A2) zueinander stehen, das größer ist als 1, und vorzugsweise über 1,6 und besonders bevorzugt etwa 1, 82 beträgt.
13. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) im Bereich von der Strömungsverbindung im Zwischen- deck (Z) eine Einschnürung auf einen Minimaldurchmesser (m) aufweist, wobei dieser Minimaldurchmesser (m) zum Durchmesser (D) ein Verhältnis (m/D) aufweist, das zwischen 0,3 und 0,8, insbesondere zwischen 0,4 und 0,6, besonders bevorzugt etwa 0,46 ist.
14. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verjüngende Ausnehmung (2) konisch ist und vorzugsweise durch konische Bearbeitung im Zylinderkopf erzeugt ist.
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