WO2020188071A1 - Brennkraftmaschine mit zumindest einem zylinder - Google Patents

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WO2020188071A1
WO2020188071A1 PCT/EP2020/057721 EP2020057721W WO2020188071A1 WO 2020188071 A1 WO2020188071 A1 WO 2020188071A1 EP 2020057721 W EP2020057721 W EP 2020057721W WO 2020188071 A1 WO2020188071 A1 WO 2020188071A1
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cylinder
cylinder head
partial cooling
transfer opening
chamber
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PCT/EP2020/057721
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Andreas Zurk
Martin KLAMPFER
Robert Grundner
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Avl List Gmbh
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—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
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F01P2003/024—Cooling cylinder heads

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with at least one cylinder with a top-down cooling system, with a first partial cooling chamber adjoining an intermediate deck, remote from the combustion chamber, and a second partial cooling chamber adjoining a fire deck, near the combustion chamber, the intermediate deck between the first partial cooling chamber and the second partial cooling chamber is arranged, and wherein in the area of a central receptacle for an injection or ignition device at least one preferably annular first transfer opening is arranged between the first partial cooling chamber and the second partial cooling chamber, preferably as the central receptacle is formed concentrically to a cylinder axis of the cylinder is.
  • the invention also relates to a method for cooling the cylinder head.
  • top-down cooling is a cooling concept in which the coolant flows from the upper cooling chamber through transfer openings into the lower cooling chamber, the coolant inlet in the area of the upper cooling chamber and the coolant outlet in the lower cooling chamber Cold room is arranged.
  • Cylinder heads that work according to the top-down cooling concept are known, for example, from US 10 047 660 B2, WO 2012/004340 A1 or WO 2018/037368 Al.
  • the object of the invention is to improve the cooling in thermally highly stressed parts of the cylinder head.
  • this object is achieved according to the invention in that in the region of at least one valve bridge between two adjacent gas exchange valves at least one second transfer opening is arranged between the first partial cooling space and the second partial cooling space.
  • first partial cooling space is arranged above the second partial cooling space in such a way that coolant flows from the first partial cooling space via the first transfer opening and at least a second in the area between two adjacent gas exchange valves into the second partial cooling space. Top-down cooling is therefore implemented. The coolant flows from the upper (first) partial cooling space into the lower (second) partial cooling space.
  • the first transfer opening is designed with an in particular continuous taper in the direction of the second partial cooling space.
  • this taper is designed in such a way that it extends into the central element, i.e. material has been removed from the central element.
  • the taper can also be designed to be non-uniform, in which case it then consists of several adjoining sub-elements with different angles of inclination.
  • the taper is produced by conical machining of the cylinder head.
  • the at least one second transfer opening can advantageously be designed and arranged parallel to the cylinder axis or inclined in the opposite direction of flow of the coolant (in particular in a range of 0 ° and 45 ° deviating from a cylinder axis).
  • the second transfer opening is inclined in the direction of a flow direction of the coolant in the valve bridges, an inclination deviating from a cylinder axis by about 0 ° to about 45 °, in particular by about 15 ° and about 30 °.
  • This inclination of the transfer opening enables a particularly efficient flow of the coolant, whereby the valve bridges and the entire cylinder head are cooled particularly efficiently.
  • a distance between the second transfer opening is preferably approximately 15% to approximately 40% of a diameter of a cylinder bore.
  • the at least second transfer opening can be arranged either centrally or decentrally in relation to a valve bridge. If more than one second transfer opening is provided per valve bridge, it can be advantageous if these are offset with respect to a longitudinal direction of the valve bridge.
  • At least one second transfer opening is advantageously arranged over a local hot spot of the fire deck and is preferably directed towards this. This ensures efficient heat dissipation.
  • a local hot spot is a thermally stressed area of the fire deck with local temperature peaks, for example valve bridges of the fire deck between two outlet valves or between an outlet valve and an inlet valve of the gas exchange valves.
  • the separate, second transfer openings enable a targeted flow and thus improved cooling in the desired area.
  • the second transfer opening can also be used for degassing when the engine is not running.
  • the second transfer opening can be produced by a casting process or in a manufacturing step that removes material. For simple manufacture, it is advantageous if the second transfer opening is arranged essentially parallel to the cylinder axis.
  • a top-down cooling system as described above is understood to be a cooling system in which, in the case of cylinder heads with two cooling chambers arranged one above the other, the coolant flows from the upper cooling chamber through transfer openings into the lower cooling chamber, the coolant inlet in the area of the upper one Cooling space and the coolant outlet is arranged in the region of the lower cooling space.
  • the second partial cold room is thus adjacent to both the fire deck and the intermediate deck.
  • the intermediate deck consequently separates the first partial cooling space and the second partial cooling space, with these being flow-connected through the first and at least one second transfer opening.
  • the first transfer opening is in particular ring-shaped and is preferably arranged concentrically around the central receptacle. This means that the first transfer opening allows a flow to pass between the first and second partial cooling spaces in the entire area radially around the central receptacle.
  • the distance between at least one second transfer opening and the cylinder axis is preferably 15% to 40%, preferably 20% to 25%, particularly preferably about 20% of the diameter of the cylinder.
  • This spacing enables particularly efficient cooling on the one hand and relatively simple manufacture of the cylinder head on the other hand.
  • a cylinder bore diameter is in particular stood ver under a diameter of the cylinder.
  • the transfer openings are designed for the transfer of cooling water and are arranged at.
  • a distance between a cooling water passage around the sleeve is approximately 10% to 20% of the cylinder bore diameter.
  • At least one second transfer opening is arranged in the area of a first valve bridge and at least one further second transfer opening is arranged in the area of a second valve bridge.
  • at least one second overflow opening is arranged in the area of a first valve bridge, in the area of a second valve bridge and in the area of a third valve bridge, preferably also in the area of a fourth valve bridge. This creates a steady flow of coolant and thus a Even and efficient cooling of thermally highly stressed areas is possible.
  • One embodiment variant of the invention provides that at least two second transfer openings are equidistant from the cylinder axis.
  • the centers of at least three second transfer openings lie on a circular line around the cylinder axis, the diameter of which is 30% to 80%, preferably 35% to 50%, particularly preferably about 40% of the diameter of the cylinder. Simulations within the scope of the invention have shown that particularly effective flows and cooling can thereby be achieved.
  • the distance between at least one second transfer opening and the cylinder axis is less than the distance between the valve axis of an adjacent gas exchange valve and the cylinder axis.
  • the ratio of the sum of the cross-sections of the first flow crossings to the sum of the cross-sections of the second flow crossings is basically dependent on the number of separate crossings and / or on insignificant heat inputs into the cylinder head.
  • the cylinder head is cooled in that coolant flows into the first partial cooling chamber of the cylinder head, at least part of the coolant flows from the first partial cooling chamber via at least one first transfer opening in the area of the central receptacle for an injection or ignition device into the second partial cooling chamber, and that Coolant emerges from the cylinder head after flowing through the second partial cooling chamber.
  • at least a further part of the coolant flows from the first partial cooling chamber via at least one second transfer opening in the area of at least one valve bridge between two adjacent gas exchange valves into the second partial cooling chamber.
  • the second transfer openings are subject to fewer tolerance influences compared to the cast first transfer openings between the first partial cooling space and the second partial cooling space.
  • the exact position of the second transfer openings can be adapted to the respective case in accordance with the respective cooling requirements. It is possible to generate very high turbulence in the desired areas and to improve heat dissipation.
  • FIG. 1 shows a cylinder head according to the invention in a section according to FIG.
  • FIG. 2 shows the detail II from FIG. 1
  • FIG. 3 shows the cylinder head in a section along the line III-III in FIGS. 1 and
  • Fig. 4 is a detail of a cylinder head according to a further embodiment.
  • FIGS. 1 to 3 show a cylinder head 1, which can be designed for one or more cylinders 16.
  • the cylinder head 1 is shown with a cylinder 16 in each case.
  • the cylinder head 1 which is designed with a top-down cooling system, has an upper, i.e., first part cooling space 2 remote from the combustion chamber, and a lower, i.e. second part cooling space 3, which is close to the combustion space, the first part cooling space 2 being separated from the second part cooling space 3 by an intermediate deck 4.
  • the second part of the cooling chamber 3 adjoins the fire deck 5, which forms a combustion chamber ceiling.
  • the combustion chamber adjoining the fire deck 5 is indicated by reference number 17.
  • valve openings 6a, 6b, 6c, 6d for gas exchange valves 7a, 7b, 7c, 7d which open into the combustion chamber 17 are arranged per cylinder 16.
  • the gas exchange valves 7a, 7b, 7c, 7d form inlet valves for the supply of air or an air-fuel mixture into the combustion chamber and outlet valves for the discharge of exhaust gases from the combustion chamber 17.
  • valve bridges 8a, 8b, 8c, 8d are valve bridges 8a, 8b, 8c, 8d.
  • the cylinder head 1 has a central receptacle 10, formed for example by an inserted sleeve, for a central element, for example a spark plug or an injection device.
  • the central on acquisition 10 is, for example, concentric with the cylinder axis 16a.
  • a second transfer opening 12a, 12b, 12c, 12d is arranged at a distance from the cylinder axis 16a of the cylinder 16.
  • the second transfer openings 12a, 12b, 12c, 12d are formed parallel to the cylinder axis 16a.
  • the centers 13a, 13b, 13c, 13d of the second transfer openings 12a, 12b, 12c, 12d are arranged on a circular line 14 around the cylinder axis 16a, the diameter d of which is between 30% to 80%, for example 50%, of the diameter D of the cylinder 16 amounts.
  • 16a is less than the distance A between a valve axis 9a, 9b, 9c, 9d of an adjacent gas exchange valve 7a, 7b, 7c, 7d and the cylinder axis 16a.
  • the centers 13a, 13b, 13c, 13d of the second transfer openings 12a, 12b, 12c, 12d in the exemplary embodiment are arranged closer to the cylinder axis 16a than the valve axes 9a, 9b, 9c, 9d of the closest gas exchange valves 7a, 7b, 7c, 7d.
  • At least one second overflow opening 12a, 12b, 12c, 12d is directed towards a hot spot 15 of the closest valve bridge 8a, 8b, 8c, 8d of the fire deck 5.
  • the separate, second transfer openings 12a, 12b, 12c, 12d thus enable a targeted flow and thus improved cooling in the desired area.
  • the liquid coolant flows from the first partial cooling space 2 via the first transfer opening 11 and the second transfer openings 12a, 12b, 12c, 12d into the second partial cooling space 3, and flows radially along the Valve bridges 8a, 8b, 8c, 8d of the fire deck 5 to the outside, with heat being absorbed and dissipated from hot spots 15 of thermally highly stressed areas.
  • a further advantage is that flows S through the second transfer openings 12a, 12b, 12c, 12d are less sensitive to manufacturing tolerances than the flow S through the first transfer opening 11.
  • the transfer opening 11 is designed with a taper in the direction of the second partial cooling space 3, whereby coolant can flow in the direction of the element.
  • the tapering transition opening 11 consequently represents a conical annular gap.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • 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 (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (16) mit einem Top-Down-Kühlsystem, mit einem an ein Zwischendeck (4) grenzenden, brennraumfernen ersten Teilkühlraum (2) und einem an ein Feuerdeck (5) grenzenden, brennraumnahen zweiten Teilkühlraum (3), wobei das Zwischendeck (4) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, und wobei im Bereich einer zentralen Aufnahme (10) für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung zumindest eine vorzugsweise ringförmige erste Übertrittsöffnung (11) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zentrale Aufnahme (10) konzentrisch zu einer Zylinderachse (16a) des Zylinders ausgebildet ist. Zur Verbesserung der Kühlung in thermisch hochbeanspruchten Teilen des Zylinderkopfes (1) ist vorgesehen, dass im Bereich zumindest einer Ventilbrücke (8a, 8b, 8c, 8d) zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen (7a, 7b, 7c, 7d) zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist.

Description

Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder mit einem Top-Down-Kühlsystem, mit einem an ein Zwischendeck grenzenden, brennraumfernen ersten Teilkühlraum und einem an ein Feuerdeck grenzenden, brennraumnahen zweiten Teilkühlraum, wobei das Zwischendeck zwischen dem ersten Teilkühlraum und dem zweiten Teilkühlraum angeordnet ist, und wobei im Bereich einer zentralen Aufnahme für eine Einspritz- oder Zündeinrich tung zumindest eine vorzugsweise ringförmige erste Übertrittsöffnung zwischen dem ersten Teilkühlraum und dem zweiten Teilkühlraum angeordnet ist, wobei vorzugs weise die zentrale Aufnahme konzentrisch zu einer Zylinderachse des Zylinders aus gebildet ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung des Zylinder kopfes.
Als Top-Down-Cooling wird bei Zylinderköpfen mit zwei übereinander angeordneten Kühlräumen ein Kühlkonzept bezeichnet, bei dem das Kühlmittel vom oberen Kühl raum durch Übertrittsöffnungen in den unteren Kühlraum strömt, wobei der Kühl mitteleintritt im Bereich des oberen Kühlraumes und der Kühlmittelaustritt im Bereich des unteren Kühlraumes angeordnet ist.
Zylinderköpfe, die nach dem Top-Down-Cooling-Konzept arbeiten, sind beispiels weise aus der US 10 047 660 B2, WO 2012/004340 A1 oder WO 2018/037368 Al be kannt.
Die Druckschriften US 6 681 727 B2 und US 6 899 063 B2 beschreiben Zylinderköpfe mit einem oberen und einem unteren Kühlraum, welche durch ein Zwischendeck von einander getrennt sind. Im Bereich der zentralen Aufnahmen für jeweils eine Kraft stoffeinspritzeinrichtung sind in den Zwischendecken Übertrittsöffnungen ange ordnet, welche die beiden Kühlräume miteinander strömungsverbinden. Weiters ist jeweils im Zwischendeck pro Zylinder eine Entgasungsöffnung vorgesehen, um Dampfblasenansammlungen im unteren Kühlraum zu vermeiden. Jede Entgasungs öffnung befinden sich im Bereich einer Querebene durch die Zylinderachse radial außerhalb einer Ventilbrücke und ist von der Zylinderachse weiter entfernt als die Achsen der Gaswechselventile.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung in thermisch hochbeanspruchten Teilen des Zylinderkopfes zu verbessern.
Ausgehend von einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen zumindest eine zweite Übertritts öffnung zwischen dem ersten Teilkühlraum und dem zweiten Teilkühlraum ange ordnet ist.
Es ist von Vorteil, wenn der erste Teilkühlraum derart über dem zweiten Teilkühlraum angeordnet ist, dass Kühlmittel vom ersten Teilkühlraum über die erste Übertritts öffnung und zumindest eine zweite im Bereich zwischen zwei benachbarter Gas wechselventile in den zweiten Teilkühlraum strömt. Es ist also eine Top-Down-Küh- lung realisiert. Dabei fließe Kühlmittel vom oberen (ersten) Teilkühlraum in den unteren (zweiten) Teilkühlraum.
Günstig ist es weiter, wenn die erste Übertrittsöffnung mit einer insbesondere kon tinuierlichen Verjüngung in Richtung des zweiten Teilkühlraumes ausgebildet ist. Ins besondere ist diese Verjüngung derart ausgebildet, dass diese in das zentrale Ele ment hineinreicht, sprich vom zentralen Element ist Material abgetragen. Grund sätzlich kann die Verjüngung auch ungleichmäßig ausgebildet sein, wobei diese dann aus mehreren aneinander anschließenden Teilelementen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln besteht. Insbesondere wird die Verjüngung durch eine konische Be arbeitung des Zylinderkopfes hergestellt.
Die zumindest eine zweite Übertrittsöffnung kann vorteilhaft parallel zu Zylinderachse oder in entgegen einer Fließrichtung des Kühlmittels neigend (insbesondere in einem von einer Zylinderachse abweichenden Bereich von 0° und 45°) ausgebildet und an geordnet sein.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die zweite Übertrittsöffnung in Richtung einer Fließrichtung des Kühlmittels in den Ventilbrücken geneigt ist, wobei eine Nei gung um etwa 0° bis etwa 45°, insbesondere um etwa 15° und etwa 30°, von einer Zylinderachse abweicht. Diese Neigung der Übertrittsöffnung ermöglicht eine beson ders effiziente Strömung des Kühlmittels, wodurch die Ventilbrücken und der ge samte Zylinderkopf besonders effizient gekühlt werden. Ein Abstand der zweiten Übertrittsöffnung beträgt bevorzugt etwa 15% bis etwa 40% eines Durchmessers einer Zylinderbohrung. Weiter kann die zumindest zweite Übertrittsöffnung entweder zentral oder dezentral in Bezug zu einer Ventilbrücke angeordnet sein. Sind mehr als eine zweite Übertrittsöffnung pro Ventilbrücke vorgesehen, kann es vorteilhaft sein, wenn diese bezüglich einer Längsrichtung der Ventilbrücke einen Versatz aufweisen.
Zumindest eine zweite Übertrittsöffnung ist vorteilhafterweise über einer lokalen Heißstelle (Hot Spot) des Feuerdecks angeordnet ist und bevorzugt auf diese ge richtet ist. Dadurch ist eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet. Als lokale Heiß stelle wird ein thermisch beanspruchter Bereich des Feuerdecks mit lokalen Tem peraturspitzen bezeichnet, also beispielsweise Ventilbrücken des Feuerdecks zwischen zwei Auslassventilen oder zwischen einem Auslassventil und einem Einlass ventil der Gaswechselventile. Die separaten zweiten Übertrittsöffnungen ermöglichen eine gezielte Anströmung und damit eine verbesserte Kühlung in dem gewünschten Bereich. Darüber hinaus ist die zweite Übertrittsöffnung auch zum Entgasen, wenn der Motor nicht läuft, nutz bar.
Die zweite Übertrittsöffnung kann durch einen Gussvorgang oder in einem material abtragenden Herstellungsschritt gefertigt sein. Für eine einfache Fertigung ist es vor teilhaft, wenn die zweite Übertrittsöffnung im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Top-Down-Kühlsystem wie oben be schrieben ein Kühlsystem verstanden, bei welchem bei Zylinderköpfen mit zwei über einander angeordneten Kühlräumen das Kühlmittel vom oberen Kühlraum durch Übertrittsöffnungen in den unteren Kühlraum strömt, wobei der Kühlmitteleintritt im Bereich des oberen Kühlraumes und der Kühlmittelaustritt im Bereich des unteren Kühlraumes angeordnet ist.
Der zweite Teilkühlraum grenzt also sowohl an Feuerdeck als auch an das Zwischen deck. Das Zwischendeck trennt folglich den ersten Teilkühlraum und den zweiten Teilkühlraum angeordnet, wobei diese durch die erste und zumindest eine zweite Übertrittsöffnung strömungsverbunden sind. Die erste Übertrittsöffnung ist insbeson dere ringförmig ausgebildet und bevorzugt konzentrisch um die zentrale Aufnahme herum angeordnet. Das heißt, die erste Übertrittsöffnung erlaubt einen Strömungs übertritt zwischen dem ersten und zweiten Teilkühlraum im gesamten Bereich radial um die zentrale Aufnahme.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöff nung und der Zylinderachse 15% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 25%, besonders vorzugsweise etwa 20% des Durchmessers des Zylinders. Durch diesen Abstand ist einerseits eine besonders effiziente Kühlung und andererseits eine relativ einfache Fertigung des Zylinderkopfes möglich. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Durchmesser des Zylinders insbesondere ein Zylinderbohrungsdurchmesser ver standen. Die Übertrittsöffnungen sind zum Kühlwasserübertritt ausgebildet und an geordnet. Besonders bevorzugt beträgt ein Abstand eines Kühlwasserübertritts um die Hülse etwa 10% bis 20% des Zylinderbohrungsdurchmessers.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung im Bereich einer ersten Ventilbrücke und zumindest eine weitere zweite Übertrittsöffnung im Bereich einer zweiten Ventilbrücke angeordnet ist. In einer Ausführung der Erfindung ist im Bereich einer ersten Ventilbrücke, im Bereich einer zweiten Ventilbrücke und im Bereich einer dritten Ventilbrücke, vorzugsweise auch im Bereich einer vierten Ventilbrücke jeweils zumindest eine zweite Übertritts öffnung angeordnet. Dadurch ist ein gleichmäßiger Kühlmittelfluss und somit eine gleichmäßige sowie effiziente Kühlung von thermisch hoch belasteten Bereichen möglich.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zumindest zwei zweite Über trittsöffnungen von der Zylinderachse gleich weit entfernt sind. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Mitten von zumindest drei zweiten Übertrittsöff nungen auf einer Kreislinie um die Zylinderachse liegen, deren Durchmesser 30% bis 80%, vorzugsweise 35% bis 50%, besonders bevorzugt etwa 40% des Durchmessers des Zylinders beträgt. Simulationen im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass dadurch besonders effektive Strömungen und Kühlungen erreichbar sind.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwi schen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung und der Zylinderachse geringer ist als der Abstand zwischen der Ventilachse eines benachbarten Gaswechselventils und er Zylinderachse.
Das Verhältnis der Summe der Querschnitte der ersten Strömungsübertritte zur Summe der Querschnitte der zweiten Strömungsübertritte ist grundsätzlich von einer Anzahl der separaten Übertritte und/oder von unterschädlichen Wärmeeinträgen in den Zylinderkopf abhängig.
Die Kühlung des Zylinderkopfes erfolgt, indem Kühlmittel in den ersten Teilkühlraum des Zylinderkopfes einströmt, zumindest ein Teil des Kühlmittels vom ersten Teil kühlraum über zumindest eine erste Übertrittsöffnung im Bereich der zentralen Auf nahme für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung in den zweiten Teilkühlraum strömt, und das Kühlmittel nach Durchströmen des zweiten Teilkühlraumes aus dem Zylin derkopf austritt. Erfindungsgemäß strömt zumindest ein weiterer Teil des Kühlmittels vom ersten Teilkühlraum über zumindest eine zweite Übertrittsöffnung im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen in den zweiten Teilkühlraum.
Die zweiten Übertrittsöffnungen unterliegen im Vergleich zu gegossenen ersten Über trittsöffnungen zwischen erstem Teilkühlraum und zweiten Teilkühlraum weniger Toleranzeinflüssen.
Die genaue Position der zweiten Übertrittsöffnungen kann entsprechend den jewei ligen Kühlungsanforderungen an den jeweiligen Fall angepasst werden. Dabei ist es möglich, in den gewünschten Bereichen sehr hohe Turbulenzen zu generieren und die Wärmeabfuhr zu verbessern.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Darin zeigen :
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der
Linie I-I in Fig. 3, Fig. 2 das Detail II aus Fig. 1
Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1 und
Fig. 4 ein Detail eines Zylinderkopfes gemäß einer weiteren Ausführungs form.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Zylinderkopf 1, welcher für einen oder mehrere Zylinder 16 ausgebildet sein. In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils der Zylinderkopf 1 mit einem Zylinder 16 dargestellt.
Der mit einem Top-Down-Kühlsystem konzipierte Zylinderkopf 1 weist einen oberen, also brennraumfernen ersten Teilkühlraum 2 und einen unteren, also brennraum nahen zweiten Teilkühlraum 3 auf, wobei der erste Teilkühlraum 2 vom zweiten Teil kühlraum 3 durch ein Zwischendeck 4 voneinander getrennt sind. Der zweite Teil kühlraum 3 grenzt an das eine Brennraumdecke bildende Feuerdeck 5. Der an das Feuerdeck 5 grenzende Brennraum ist mit Bezugszeichen 17 angedeutet.
Im Feuerdeck 5 sind pro Zylinder 16 mehrere in den Brennraum 17 mündende Ven tilöffnungen 6a, 6b, 6c, 6d für Gaswechselventile 7a, 7b, 7c, 7d angeordnet. Die Gaswechselventile 7a, 7b, 7c, 7d bilden Einlassventile zur Zufuhr von Luft oder einem Luft- Kraftstoffgemisch in den Brennraum und Auslassventile zur Abfuhr von Abgasen aus dem Brennraum 17. Zwischen den Ventilöffnungen 6a, 6b; 6b, 6c; 6c, 6d; 6d, 6a von benachbarten Gaswechselventilen 7a, 7b, 7c, 7d sind Ventilbrücken 8a, 8b, 8c, 8d angeordnet.
Im Bereich der Zylinderachse 16a weist der Zylinderkopf 1 ein beispielsweise durch eine eingesetzte Hülse gebildete zentrale Aufnahme 10 für ein zentrales Element, beispielsweise eine Zündkerze oder eine Einspritzeinrichtung, auf. Die zentrale Auf nahme 10 ist beispielsweise konzentrisch zur Zylinderachse 16a ausgebildet. Im Be reich der zentralen Aufnahme 10 ist zumindest eine erste Übertrittsöffnung 11 zwischen dem ersten Teilkühlraum 2 und dem zweiten Teilkühlraum 3 angeordnet ist, welche im Ausführungsbeispiel durch einen Ringspalt zwischen dem Zwischen deck 4 und der Aufnahme 10 gebildet ist.
Zusätzlich zur ersten Übertrittsöffnung 11 ist im Bereich zumindest einer, vorzugs weise jeder, Ventilbrücke 8a, 8b, 8c, 8d jeweils eine zweite Übertrittsöffnung 12a, 12b, 12c, 12d von der Zylinderachse 16a des Zylinders 16 beabstandet angeordnet. Die zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d sind parallel zur Zylinderachse 16a ausgebildet. Die Mitten 13a, 13b, 13c, 13d der zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d sind auf einer Kreislinie 14 um die Zylinderachse 16a angeordnet, deren Durchmesser d zwischen 30% bis 80%, beispielsweise 50%, des Durchmessers D des Zylinders 16 beträgt. Der Abstand a zwischen der Mitte 13a, 13b, 13c, 13d zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung 12a, 12b, 12c, 12d und der Zylinderachse 16a ist im Ausführungsbeispiel geringer als der Abstand A zwischen einer Ventilachse 9a, 9b, 9c, 9d eines benachbarten Gaswechselventils 7a, 7b, 7c, 7d und der Zylin derachse 16a. Mit anderen Worten sind die Mitten 13a, 13b, 13c, 13d der zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d im Ausführungsbeispiel näher an der Zylin derachse 16a angeordnet, als die Ventilachsen 9a, 9b, 9c, 9d der nächstliegenden Gaswechselventile 7a, 7b, 7c, 7d.
Wie aus Fig. 2 deutlich zu entnehmen ist, ist zumindest eine zweite Übertrittsöffnung 12a, 12b, 12c, 12d auf eine Heißstelle 15 der nächstliegenden Ventilbrücke 8a, 8b, 8c, 8d des Feuerdecks 5 gerichtet. Die separaten zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d ermöglichen somit eine gezielte Anströmung und damit eine ver besserte Kühlung im gewünschten Bereich.
Wie durch die Pfeile S in den Fig. 1 und 2 angedeutet, strömt das flüssige Kühlmittel aus dem ersten Teilkühlraum 2 über die erste Übertrittsöffnung 11 und die zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d in den zweiten Teilkühlraum 3, und strömt radial entlang den Ventilbrücken 8a, 8b, 8c, 8d des Feuerdecks 5 nach außen, wobei Wärme von Heißstellen 15 thermisch hoch belasteter Bereiche aufgenommen und abgeleitet wird.
Durch die individuell auf den jeweiligen Fall auslegbare Anordnung der zweiten Über trittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d können in den gewünschten Bereichen sehr hohe Turbulenzen generiert werden und die Kühlung damit verbessert werden.
Ein weiter Vorteil ist, dass Strömungen S durch die zweiten Übertrittsöffnungen 12a, 12b, 12c, 12d weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen sind als die Strö mung S durch die erste Übertrittsöffnung 11.
Fig. 4 zeigt ein Detail eines weiteren erfindungsgemäßen Zylinderkopfes 1. Dabei ist die Übertrittsöffnung 11 mit einer Verjüngung in Richtung des zweiten Teilkühlraums 3 ausgebildet, wodurch Kühlmittel in Richtung des Elementes fließen kann. In einer Schnittansicht stellt die sich verjüngende Übertrittsöffnung 11 folglich einen konischen Ringspalt dar.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (16) mit einem Top-Down-Kühlsystem, mit einem an ein Zwischendeck (4) grenzenden, brennraumfernen ersten Teilkühlraum (2) und einem an ein Feuerdeck (5) grenzenden, brennraumnahen zweiten Teilkühlraum (3), wobei das Zwischendeck (4) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, und wobei im Bereich einer zentralen Auf nahme (10) für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung zumindest eine vorzugs weise ringförmige erste Übertrittsöffnung (11) zwischen dem ersten Teilkühl raum (2) und dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zentrale Aufnahme (10) konzentrisch zu einer Zylinderachse (16a) des Zylinders ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumin dest einer Ventilbrücke (8a, 8b, 8c, 8d) zwischen zwei benachbarten Gas wechselventilen (7a, 7b, 7c, 7d) zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) zwischen dem ersten Teilkühlraum (2) und dem zweiten Teil kühlraum (3) angeordnet ist.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilkühlraum (2) derart über dem zweiten Teilkühlraum (3) angeordnet ist, dass Kühlmittel vom ersten Teilkühlraum (2) über die erste Übertrittsöffnung (11) und zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) im Bereich zwischen zwei benachbarter Gaswechselventile (7a, 7b, 7c, 7d) in den zweiten Teilkühlraum (3) strömt.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Übertrittsöffnung (11) mit einer insbesondere kontinuierlichen Verjüngung in Richtung des zweiten Teilkühlraumes (3) ausgebildet ist.
4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) in Richtung einer Fließ richtung des Kühlmittels in den Ventilbrücken (8a, 8b, 8c, 8d) geneigt ist, wobei eine Neigung um etwa 0° bis etwa 45°, insbesondere um etwa 15° und etwa 30°, von einer Zylinderachse abweicht.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) über einer Heißstelle (15) des Feuerdecks (5) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) auf die Heißstelle (15) gerichtet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach eiern der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) im Wesent lichen parallel zu der Zylinderachse (16a) angeordnet ist.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) und der Zylinderachse (16a) 15% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 25%, besonders vorzugsweise etwa 20% des Durchmessers (D) des Zylin ders (16) beträgt.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit zumindest zwei Ventil brücken (8a, 8b, 8c, 8d), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a) im Bereich einer ersten Ventilbrücke (8a) und zumindest eine weitere zweite Übertrittsöffnung (12b) im Bereich einer zweiten Ventilbrücke (8b) angeordnet ist.
9. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer ersten Ventilbrücke (8a), im Bereich einer zweiten Ventilbrücke (8b) und im Bereich einer dritten Ventilbrücke (8c), vorzugsweise auch im Bereich einer vierten Ventilbrücke (8d), jeweils zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) angeordnet ist.
10. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu mindest zwei zweite Übertrittsöffnungen (12a, 12b, 12c, 12d) von der Zylinder achse (16a) gleich weit entfernt sind.
11. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitten (13a, 13b, 13c, 13d) von zumindest drei zweiten Übertrittsöffnungen (12a, 12b, 12c, 12d) auf einer Kreislinie (14) um die Zylinderachse (16a) liegen, deren Durchmesser (d) 30% bis 80%, vorzugsweise 35% bis 50%, besonders vor zugsweise etwa 40% des Durchmessers (D) des Zylinders (16) beträgt.
12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit zumindest zwei Ven tilbrücken (8a, 8b, 8c, 8d), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zumindest einer zweiten Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) und der Zylinderachse (16a) geringer ist als der Abstand (A) zwischen der Ven tilachse (9a, 9b, 9c, 9d) zumindest eines benachbarten Gaswechselventils (7a, 7b, 7c, 7d) und der Zylinderachse (16a).
13. Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Kühlmittel in den ersten Teilkühlraum (2) des Zylinderkopfes (1) ein strömt, zumindest ein Teil des Kühlmittels vom ersten Teilkühlraum (2) über zumindest eine erste Übertrittsöffnung (11) im Bereich der zentralen Aufnahme (10) für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung in den zweiten Teilkühlraum (3) strömt, und wobei das Kühlmittel nach Durchströmen des zweiten Teilkühl raumes (3) aus dem Zylinderkopf (1) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Teil des Kühlmittels vom ersten Teilkühlraum (2) über zumindest eine zweite Übertrittsöffnung (12a, 12b, 12c, 12d) im Bereich zu mindest einer Ventilbrücke (8a, 8b, 8c, 8d) zwischen zwei benachbarten Gas wechselventilen (7a, 7b, 7c, 7d) in den zweiten Teilkühlraum (12a, 12b, 12c, 12d) strömt.
2020 03 20
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