WO2021253065A1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2021253065A1
WO2021253065A1 PCT/AT2021/060208 AT2021060208W WO2021253065A1 WO 2021253065 A1 WO2021253065 A1 WO 2021253065A1 AT 2021060208 W AT2021060208 W AT 2021060208W WO 2021253065 A1 WO2021253065 A1 WO 2021253065A1
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WO
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cooling jacket
channel
cylinder head
cooling
receptacle
Prior art date
Application number
PCT/AT2021/060208
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Resch
Andreas Schrattbauer
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Publication date
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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
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F01P2003/024—Cooling cylinder heads

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine, in particular a large internal combustion engine, with a lower cooling jacket adjoining a fire deck and an upper cooling jacket adjoining the lower cooling jacket, with several gas exchange valves and a central receptacle for one component per cylinder opening into the combustion chamber, in particular an injection device or a spark plug, the lower first cooling jacket and the upper cooling jacket being connected to each other in the region of the receptacle via at least one flow connection, and where at least one distribution channel connected to the first cooling jacket and / or the second cooling jacket is the central opening assumption at least partially surrounds.
  • the coolant is fed to the upper cooling jacket, from where the coolant flows into the lower cooling jacket via at least one flow connection in the area of a central receptacle.
  • an inflow channel is provided between an upper and lower partial cooling jacket, which has a ring-shaped or ring-segment-shaped inlet opening in a central area.
  • the aim is to adapt to the local thermal requirements of the downstream valve bridge passages in order to improve the heat dissipation in the area of the outlet valve seats and the valve bridges.
  • cylinder heads with an upper and a lower cooling jacket, which are connected to one another via at least one connecting channel, and a molded receptacle for a component are known from CN 108 999 715 A or CN 201 306 225 Y, for example.
  • cylinder heads of the type mentioned there is little space available in the area between the gas exchange valves and the central component, which makes it difficult to establish the cooling jackets and the flow connection between the first and second cooling jackets using sand cores to achieve optimal cooling of critical points .
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and, in particular in the case of a cylinder head with optimal cooling of thermally highly stressed loading areas, to enable simple production.
  • this object is achieved in a cylinder head of the type mentioned in that the flow connection between the lower first cooling jacket and the upper second cooling jacket has at least one bar channel starting from the distributor channel and essentially parallel to the cylinder axis, which is connected to a valve bridge channel first cooling jacket is connected.
  • the distribution channel can preferably be ring-shaped and extend over a first angle of 360 ° around the receptacle and / or the cylinder axis.
  • the distribution channel is preferably ring segment-shaped and extends, for example, by a first angle of about 150 ° to 210 °, preferably 180 °, around the receptacle and / or the cylinder axis.
  • Lost cores are used to produce the two cooling jackets, a first cooling jacket core being used for the first cooling jacket and a second cooling jacket core being used for the second cooling jacket. Before the cylinder head is cast, the second cooling jacket core is placed on the first cooling jacket core.
  • the distribution channel is located in an upper area of the lower cooling jacket, that is to say in an area of the lower cooling jacket that is most at a distance from the fire deck. According to one embodiment of the invention, the distribution channel is arranged approximately halfway up the central receptacle.
  • the distribution channel fulfills other functions: On the one hand, it enables an optimal geometrical and functional arrangement of the elements and components of the cylinder head ("packaging") in the available standing installation space.
  • the support element also serves to mechanically stabilize the lower cooling jacket core and the upper cooling jacket core during the casting process.
  • the coolant flows from the cooling chamber of the engine block into the upper second cooling jacket of the cylinder head and via the manifold into the lower first cooling jacket ("top-down cooling") and then from this lower cooling jacket into a collecting chamber or external collecting container. This means that areas that are subject to high thermal loads can be cooled particularly efficiently.
  • the central receptacle is preferably formed by the cylinder head, as a result of which production is particularly efficient. But it is also conceivable to use a separate sleeve, for example made of copper or stainless steel, for the central receptacle, which is formed separately from the distribution channel.
  • the web channel is connected to a valve bridge channel of the lower cooling jacket arranged in the area of a valve bridge between two adjacent gas exchange valves, a needs-based distribution of the cooling by means of the thermally critical areas of the lower first cooling jacket is made possible.
  • the distribution channel and the at least one web channel parallel to the cylinder axis allow the sand core to be removed easily.
  • the ridge channel has a defined flow cross section.
  • a variant of the invention provides that the flow connection between the lower first cooling jacket and the upper second cooling jacket has a plurality of web channels formed essentially parallel to the cylinder axis, each of which is connected to a valve bridge channel of the first cooling jacket, each valve bridge channel being assigned a web channel .
  • valve bridge channel is provided, each valve bridge channel being assigned a web channel.
  • a precisely predefined coolant flow can thus be allocated to each valve bridge channel and thus to each valve bridge to be cooled.
  • each valve, bridge channel extends from the distributor channel in an area facing away from the upper, second cooling jacket.
  • an overflow nozzle is arranged in at least one web channel.
  • the overflow nozzle is either cast or After casting, in a subsequent machining process, it is pressed into the web channel - for example via a demolding opening.
  • the coolant can be metered in precisely through the overflow nozzle.
  • an annular or ring segment-shaped cooling channel is arranged, preferably concentrically around the receptacle.
  • the cooling channel can be ring-shaped and surround the receptacle in an angular range of 360 °.
  • the cooling channel is formed in the shape of a ring segment and extends over a second angle of 150 ° to 210 °, preferably 180 °, around the receptacle and / or the cylinder axis. This makes it possible to purposefully cool the opening of the component in the combustion chamber, in particular in the area of the outlet valves.
  • a ring segment-shaped distributor channel and a ring segment-shaped cooling channel can be arranged on different sides of a plane containing the cylinder axis, the plane preferably running between at least one inlet valve and at least one outlet valve of the gas exchange valves.
  • FIG. 1 shows a cylinder head according to the invention in an axonometric representation in a first variant
  • FIG. 3 shows the cylinder head in a section along the line III - III in FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a cylinder head according to the invention in a second embodiment variant in a section analogous to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a cast core representation of the cooling jacket arrangement of the cylinder head in an axonometric view
  • FIG. 6 shows a cast core representation of the upper second cooling jacket of the cooling jacket arrangement of the cylinder head in an axonometric view
  • FIG. 7 shows a cast core representation of the lower first cooling jacket of the cooling jacket arrangement of the cylinder head in an axonometric view
  • FIG. 8 shows the cast core representation from FIG. 7 in detail
  • FIG. 10 shows a cast core representation of the lower first cooling jacket of the cooling jacket arrangement of the cylinder head in a further embodiment variant in an axonometric view
  • FIG. 11 shows the cast core representation from FIG. 10 in an axonometric view from the direction of the fire deck.
  • the figures each show a 4-valve cylinder head 1 for one or more Zylin or core representations of this cylinder head 1, which is used in a large engine or heavy duty engine.
  • the cylinder head 1 has a cooling jacket arrangement 2 with a lower first cooling jacket 4 adjoining the fire deck 3 and an upper second cooling jacket 5 arranged above it, which is adjacent to the lower first cooling jacket 4 and - viewed in the direction of the cylinder axis la - above the lower first Cooling jacket 4 is arranged.
  • the first cooling jacket 4 and the second cooling jacket 5 are flow-connected to one another in the region of a central receptacle 6 for a component which opens into the combustion chamber 16 - not shown in further detail.
  • the central component can, for example, be a spark plug or an injection device.
  • the annular receptacle 6, which is designed concentrically to the cylinder axis 1 a, for example, is preferably formed in one piece with the cylinder head 1, in particular formed by the cylinder head 1 itself.
  • the cylinder head 1 has several gas exchange valves, in the present case two inlet valves and two outlet valves, per cylinder, for which only the openings 7, 8 of the corresponding inlet and outlet channels in the combustion chamber 16 are shown in the figures.
  • the second cooling jacket 5 and the first cooling jacket 4 are connected to one another in the area of the central receptacle 6 via a flow connection 9.
  • an annular or annular segment-shaped distribution channel 10 is arranged, which at least partially surrounds the central receptacle 6.
  • the distribution channel 10 is net angeord about halfway up the central receptacle 6.
  • the lower first cooling jacket 4 has a fire deck space 40 with radial valve bridge channels 41 in the area of the valve bridges 11 between the mouths 7, 8 has two gas exchange valves and a plurality of web channels 42 which are essentially parallel to the cylinder axis la and which are distributed around the receptacle 6.
  • the web channels 42 connect the distribution channel 10 to the fire deck space 40.
  • the fire deck space 40 is that area of the first cooling jacket 4 which is directly adjacent to the fire deck 12 of the cylinder head 1.
  • the fire deck space 40 has a circumferential region 43 which extends annularly in the region of the cylinder edge of a cylinder and surrounds the mouths 7, 8 of the gas exchange valves, as shown in FIG.
  • the fire deck space 40 of the lower first cooling jacket 4 has a valve bridge channel 41 between each two adjacent mouths 7, 8 of gas exchange valves.
  • Each Stegka channel 42 is ver with a valve bridge channel 41 of the fire deck space 40 connected.
  • Each web channel 42 extends from the distribution channel 10 in an area facing the upper, second cooling jacket 5 and facing the fire deck 12.
  • the coolant flows according to the arrows P according to the top-down cooling concept from the upper second cooling jacket 5 via the distributor channel 10, the web channels 42 and the valve bridge channels 41 into the fire deck space 40 of the lower first cooling jacket 4. From Coming from the web channels 42, the coolant flows radially from the inside to the outside through the valve bridge channels 41 into the annular peripheral area 43 of the fire deck space 40. From this peripheral area 43, the coolant flows to a collecting space 44, the corresponding area of the first cooling jacket core 400 denoted by 444 is. The collecting space 44 is connected to a coolant outlet not shown in detail.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the invention in which an overflow nozzle 13 is arranged in at least one web channel 42, which is for example cast with the cylinder head 1 and / or is pressed in after the casting during the machining process.
  • the overflow nozzle 13 With the overflow nozzle 13, the cooling can be further improved and the coolant can be optimally distributed.
  • the overflow nozzle 13 preferably has a tear-off edge in its outlet area, as a result of which eddies and turbulence occur in the coolant flowing into the first cooling jacket 4, which has an advantageous effect on the cooling of hot areas.
  • FIG. 5 to 10 show core representations of the first 4 and seconddeman means 5 of the cylinder head 1.
  • the corresponding areas of the first cooling jacket core 400 for the fire deck space 40, valve bridge channel 41, valve bridge channel 42 and the peripheral area 43 are in the core representations with reference numerals 440, 441, 442 and 443.
  • the second cooling jacket core 500 of the second cooling jacket 5 is placed on the first cooling jacket core 400 of the first cooling jacket 4.
  • the core area 410 of the distribution channel 10 is designed as part of the first cooling jacket core 400 and is arranged adjacent to the second cooling jacket core 500.
  • the core area 410 of the distribution channel 10 stabilizes and stiffens the first cooling jacket core 400.
  • the two cooling jacket cores 400, 500 are designed as lost cores.
  • Fig. 6 and Fig. 7 show the second cooling jacket core 500 and the first cooling jacket core 400 together with the attached support element 100 in the separated state.
  • Fig. 8 shows the first cooling jacket core 400 together with the support element 100 and distributor channel 10 in detail in a view obliquely from above and FIG. 9 in a view from below.
  • the support element 100 with the distributor channel 10 is designed as a ring in the embodiment variant shown in Fig. 5 to Fig. 9 and extends over a first angle a of 360 ° around the receptacle 6 concentric to the cylinder axis la.
  • FIGS. 10 and 11 show a first cooling jacket core 400 for a first cooling jacket 4 in a further variant in which the core area 410 of the distribution channel 10 and the distribution channel 10 are designed as a ring segment and extend at a first angle a of approximately 180 ° around the recording 6 he stretches.
  • a ring segment-shaped cooling channel 45 concentric around the receptacle 6 in Area of the mouths 8 of the outlet channels arranged.
  • the cooling channel 45 extends around the receptacle 6 at a second angle ⁇ of approximately 180 °.
  • the region of the first cooling jacket core 400 corresponding to the cooling channel 45 is denoted by reference numeral 445.
  • the ring segment-shaped distribution channel 10 and the ring segment-shaped cooling channel 45 - viewed in the direction of the cylinder axis la - are arranged diametrically with respect to a plane e containing the cylinder axis la.
  • the plane e runs between the mouths 7 of the inlet valves and the mouths 8 of the outlet valves.
  • the valve bridge ducts 41 between the mouths 8 of the outlet ducts and between the mouth 8 of an outlet duct and the adjacent mouth 7 of an inlet duct are connected to one another.
  • the cooling channel 45 arranged on the outlet side in the exemplary embodiment improves the cooling in the region of the mouth 15 of the component opening into the combustion chamber 16.
  • the arrangement described enables, on the one hand, an optimal geometric and functional arrangement of the elements and components of the cylinder head in the space available, using sand cores with a relatively simple shape for the production of the cold rooms, which allow easy removal of the casting sand after the casting process. On the other hand, optimal cooling of hot areas of the cylinder head can be guaranteed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Top- Down- Kühlkonzept, insbesondere für eine flüssigkeitsgekühlte Groß-Brennkraftmaschine, mit einem an ein Feuerdeck (12) grenzenden unteren ersten Kühlmantel (4) und einem an den unteren ersten Kühlmantel (4) grenzenden oberen zweiten Kühlmantel (5), mit mehreren Gaswechselventilen und einer zentralen Aufnahme (6) für einen in den Brennraum mündenden Bauteil, insbesondere eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündkerze, wobei der untere erste Kühlmantel (4) und der obere zweite Kühlmantel (5) im Bereich der Aufnahme (6) über zumindest eine Strömungsverbindung (9) miteinander verbunden sind, und wobei zumindest ein mit dem ersten Kühlmantel (4) und/oder den zweiten Kühlmantel (5) verbundener Verteilerkanal (10) die zentrale Aufnahme (6) zumindest teilweise umgibt. Um eine optimale Kühlung und eine einfache Fertigung zu ermöglichen ist vorgesehen, dass die Strömungsverbindung (9) zwischen dem unteren ersten Kühlmantel (4) und dem oberen zweiten Kühlmantel (5) zumindest einen vom Verteilerkanal (10) ausgehenden und im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse (la) ausgebildeten Stegkanal (42) aufweist, welcher mit einem Ventilbrückenkanal (41) des ersten Kühlmantels (4) verbunden ist.

Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbeson dere Groß-Brennkraftmaschine, mit einem an ein Feuerdeck grenzenden unteren Kühlmantel und einem an den unteren Kühlmantel grenzenden oberen Kühlmantel, mit mehreren Gaswechselventilen und einer zentralen Aufnahme für einen in den Brennraum mündenden Bauteil pro Zylinder, insbesondere eine Einspritzeinrich tung oder eine Zündkerze, wobei der untere erste Kühlmantel und der obere Kühl mantel im Bereich der Aufnahme über zumindest eine Strömungsverbindung mit einander verbunden sind, und wobei zumindest ein mit dem ersten Kühlmantel und/oder den zweiten Kühlmantel verbundener Verteilerkanal die zentrale Auf nahme zumindest teilweise umgibt.
Bei Zylinderköpfen mit einem Top-Down Kühlkonzept wird das Kühlmittel dem oberen Kühlmantel zugeführt, von wo das Kühlmittel über zumindest eine Strö mungsverbindung im Bereich einer zentralen Aufnahme in den unteren Kühlmantel strömt.
Aus der AT 005 939 Ul ist ein Zylinderkopf bekannt, bei dem das Kühlmittel vom oberen Teilkühlmantel über eine ringförmige Überströmöffnung zwischen dem Zwi schendeck und einer Aufnahmehülse für einen zentralen Bauteil in den unteren Teilkühlmantel strömt. Von dort wird das Kühlmittel über Überströmöffnungen in den Kühlmantel des Kurbelgehäuses abgeführt. Eine vergleichbare Lösung zeigt die AT 503 182 A2.
In der AT 510 857 Bl ist ein Zuströmkanal zwischen einem oberen und unteren Teilkühlmantel vorgesehen, der in einem zentralen Bereich eine ring- oder ring segmentförmige Eintrittsöffnung aufweist. Dadurch wird eine Anpassung an die lokalen thermischen Anforderungen der nachfolgenden Ventilbrückenpassagen an gestrebt, um die Wärmeabfuhr im Bereich der Auslassventilsitze und der Ventil brücken zu verbessern.
Ähnliche Zylinderköpfe sind aus der WO 02005/042955 A2 oder der WO 2015/000616 Al bekannt.
Weitere Zylinderköpfe mit einem oberen und einem unteren Kühlmantel, welche über zumindest einen Verbindungskanal miteinander verbunden sind, sowie einer mitgegossenen Aufnahme für einen Bauteil sind beispielsweise aus der CN 108 999 715 A oder der CN 201 306 225 Y bekannt. Bei Zylinderköpfe der genannten Art steht im Bereich zwischen den Gaswechsel ventilen und dem zentralen Bauteil nur wenig Raum zur Verfügung, was die Her stellung der Kühlmäntel und der Strömungsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmantel mittels Sandkernen zum Erreichen einer optimalen Küh lung von kritischen Stellen erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und insbesondere bei einem Zylinderkopf mit optimaler Kühlung von thermisch hoch beanspruchten Be reichen eine einfache Fertigung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Zylinderkopf der eingangs genann ten Art dadurch gelöst, dass die Strömungsverbindung zwischen dem unteren ersten Kühlmantel und dem oberen zweiten Kühlmantel zumindest einen vom Ver teilerkanal ausgehenden und im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgebil deten Stegkanal aufweist, welcher mit einem Ventilbrückenkanal des ersten Kühl mantels verbunden ist.
Der Verteilerkanal kann bevorzugt ringförmig sein, und sich über einen ersten Win kel von 360° um die Aufnahme und/oder die Zylinderachse erstrecken. In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist der Verteilerkanal bevorzugt ring segmentförmig ausgebildet und erstreckt sich beispielsweise um einen ersten Win kel von etwa 150° bis 210°, vorzugsweise 180°, um die Aufnahme und/oder die Zylinderachse.
Zur Herstellung der beiden Kühlmäntel werden verlorene Kerne eingesetzt, wobei für den ersten Kühlmantel ein erster Kühlmantelkern und für den zweiten Kühl mantel ein zweiter Kühlmantelkern verwendet werden. Vor dem Gießvorgang des Zylinderkopfes wird der zweite Kühlmantelkern auf den ersten Kühlmantelkern aufgesetzt.
Der Verteilerkanal befindet sich nach dem Gießvorgang in einem oberen Bereich des unteren Kühlmantels, also in einem Bereich des unteren Kühlmantels, der am meisten vom Feuerdeck beabstandet ist. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist der Verteilerkanal etwa auf halber Höhe der zentralen Aufnahme an geordnet.
Der Verteilerkanal erfüllt neben der Verbesserung der Kühlung durch genau defi nierte Führung und Aufteilung des Kühlmittelstromes vom oberen in den unteren Kühlmantel weitere Funktionen: Einerseits ermöglicht es eine optimale geometri sche und funktionale Anordnung der Elemente und Bauteile des Zylinderkopfes ("Packaging") im zur Verfügung stehenden Bauraum. Andererseits dient das Stütz element auch dazu, den unteren Kühlmantelkern sowie den oberen Kühlmantel kern beim Gießvorgang mechanisch zu stabilisieren. Das Kühlmittel strömt vom Kühlraum des Motorbockes in den oberen zweiten Kühl mantel des Zylinderkopfes und über den Verteilerkanal in den unteren ersten Kühl mantel ("Top Down-Kühlung") und von diesem unteren Kühlmantel anschließend in einen Sammelraum oder externen Sammelbehälter. Dadurch sind thermisch hoch belastete Bereiche besonders effizient kühlbar.
Die zentrale Aufnahme ist vorzugsweise durch den Zylinderkopf gebildet, wodurch eine Fertigung insbesondere besonders effizient möglich ist. Es ist aber auch denk bar, für die zentrale Aufnahme eine separate Hülse, beispielsweise aus Kupfer oder Edelstahl einzusetzen, welche separat zum Verteilerkanal ausgebildet ist.
Dadurch, dass der Stegkanal mit einem im Bereich einer Ventilbrücke zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen angeordneten Ventilbrückenkanal des un tere Kühlmantels verbunden ist, wird eine bedarfsgerechte Aufteilung des Kühl mittels zu den thermisch kritischen Bereichen des unteren ersten Kühlmantels er möglicht. Der Verteilerkanal und der zumindest eine zylinderachsparallele Stegka nal ermöglichen ein einfaches Entfernen des Sandkernes. Der Stegkanal weist einen definierten Strömungsquerschnitt auf. Dadurch kann der Bereich der Ventil brücke zwischen zwei benachbarten Gaswechselventilen, beispielsweise zwischen zwei benachbarten Auslassventilen und/oder zwischen Auslassventil und Einlass ventil, optimal gekühlt werden.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Strömungsverbindung zwischen dem unteren ersten Kühlmantel und dem oberen zweiten Kühlmantel mehrere im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgebildete Stegkanäle auf weist, welcher mit jeweils einem Ventilbrückenkanal des ersten Kühlmantels ver bunden sind, wobei jedem Ventilbrückenkanal ein Stegkanal zugeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn im Bereich von zumindest zwei, vorzugs weise von vier Ventilbrücken zwischen jeweils benachbarten Gaswechselventilen je ein Ventilbrückenkanal vorgesehen ist, wobei jedem Ventilbrückenkanal ein Stegkanal zugeordnet ist. Somit kann jedem Ventilbrückenkanal und somit jeder zu kühlenden Ventilbrücke ein genau vordefinierter Kühlmittelstrom zugemessen werden.
Um eine optimale Nutzung des verfügbaren Bauraumes des Zylinderkopfes zu er möglichen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein, vorzugsweise jeder Ventil brückenkanal in einem dem oberen zweiten Kühlmantel abgewandten Bereich vom Verteilerkanal ausgeht.
Um die Kühlung weiter zu verbessern, ist gemäß einer weiteren Ausführungsva riante der Erfindung vorgesehen, dass in zumindest einem Stegkanal eine Über- strömdüse angeordnet ist. Die Überströmdüse wird entweder mitgegossen oder nach dem Guss in einem nachfolgenden Bearbeitungsvorgang in den Stegkanal - beispielsweise über eine Entformungsöffnung - eingepresst. Durch die Über- strömdüse kann das Kühlmittel genau zudosiert werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass im Bereich zumindest zweier Knotenpunkte zwischen jeweils einem Stegkanal und einem Ventilbrücken kanal ein ringförmiger oder ringsegmentförmiger Kühlkanal, vorzugsweise konzen trisch um die Aufnahme angeordnet ist. Der Kühlkanal kann ringförmig sein und die Aufnahme in einem Winkelbereich von 360° umgeben. Eine weitere Ausfüh rungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkanal ringsegmentförmig aus gebildet ist und sich über einen zweiten Winkel von 150° bis 210°, vorzugsweise 180°, um die Aufnahme und/oder die Zylinderachse erstreckt. Dies ermöglicht es, die Mündung des Bauteils in den Brennraum, insbesondere im Bereich der Aus lassventile, gezielt zu kühlen.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung können ein ringsegmentförmiger Verteilerkanal und ein ringsegmentförmiger Kühlkanal an verschiedenen Seiten einer die Zylinderachse beinhaltenden Ebene angeordnet sein, wobei vorzugsweise die Ebene zwischen zumindest einem Einlassventil und zumindest einem Aus lassventil der Gaswechselventile verläuft.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den nicht einschränkenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer axonometrischen Darstellung in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Längsschnitt;
Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie III - III in Fig. 2;
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer zweiten Ausfüh rungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 3;
Fig. 5 eine Gusskerndarstellung der Kühlmantelanordnung des Zylinder kopfes in einer axonometrischen Ansicht;
Fig. 6 eine Gusskerndarstellung des oberen zweiten Kühlmantels der Kühl mantelanordnung des Zylinderkopfes in einer axonometrischen An sicht;
Fig. 7 eine Gusskerndarstellung des unteren ersten Kühlmantels der Kühl mantelanordnung des Zylinderkopfes in einer axonometrischen An sicht; Fig. 8 die Gusskerndarstellung aus Fig. 7 im Detail;
Fig. 9 eine Gusskerndarstellung des unteren ersten Kühlmantels in einer axonometrischen Ansicht aus der Richtung des Feuerdecks;
Fig. 10 eine Gusskerndarstellung des unteren ersten Kühlmantels der Kühl mantelanordnung des Zylinderkopfes in einerweiteren Ausführungs variante in einer axonometrischen Ansicht; und
Fig. 11 die Gusskerndarstellung aus Fig. 10 in einer axonometrischen An sicht aus der Richtung des Feuerdecks.
Die Fig. zeigen jeweils einen 4-Ventil-Zylinderkopf 1 für einen oder mehrere Zylin der bzw. Kerndarstellungen dieses Zylinderkopfes 1, welcher in einem Großmotor oder Schwerlastmotor verwendet wird.
Der Zylinderkopf 1 weist eine Kühlmantelanordnung 2 mit einem an das Feuerdeck 3 grenzenden unteren ersten Kühlmantel 4 und einen darüber angeordneten obe ren zweiten Kühlmantel 5 auf, der dem unteren ersten Kühlmantel 4 benachbart ist und - in Richtung der Zylinderachse la betrachtet - über dem unteren ersten Kühlmantel 4 angeordnet ist. Der erste Kühlmantel 4 und der zweite Kühlmantel 5 sind im Bereich einer zentralen Aufnahme 6 für einen in den Brennraum 16 mün denden - nicht weiter dargestellten - Bauteil miteinander strömungsverbunden. Der zentrale Bauteil kann beispielsweise eine Zündkerze oder eine Einspritzein richtung sein. Die beispielsweise konzentrisch zur Zylinderachse la ausgebildete ringförmige Aufnahme 6 ist bevorzugt einstückig mit dem Zylinderkopf 1 ausge bildet, insbesondere durch den Zylinderkopf 1 selbst gebildet.
Der Zylinderkopf 1 weist mehrere Gaswechselventile, im vorliegenden Fall zwei Einlassventile und zwei Auslassventile, pro Zylinder auf, zu welchen in den Fig. nur die Mündungen 7, 8 der entsprechenden Einlass- und Auslasskanäle in den Brenn raum 16 dargestellt sind.
Der zweite Kühlmantel 5 und der erste Kühlmantel 4 sind im Bereich der zentralen Aufnahme 6 über eine Strömungsverbindung 9 miteinander verbunden. Im Bereich der Strömungsverbindung 9 zwischen dem ersten 4 und dem zweiten Kühlmantel 5 ist ein ringförmiger oder ringsegmentförmiger Verteilerkanal 10 angeordnet, welcher die zentrale Aufnahme 6 zumindest teilweise umgibt.
Der Verteilerkanal 10 ist etwa in halber Höher der zentralen Aufnahme 6 angeord net.
Der untere erste Kühlmantel 4 weist einen Feuerdeckraum 40 mit radialen Ventil brückenkanälen 41 im Bereich der Ventilbrücken 11 zwischen den Mündungen 7, 8 zweier Gaswechselventile und mehrere im Wesentlichen parallel zur Zylinder achse la ausgebildete Stegkanäle 42 auf, welche verteilt um die Aufnahme 6 an geordnet sind. Die Stegkanäle 42 verbinden den Verteilerkanal 10 mit dem Feuer deckraum 40. Der Feuerdeckraum 40 ist jener Raumbereich des ersten Kühlman tels 4, welcher direkt an das Feuerdeck 12 des Zylinderkopfes 1 grenzt. Der Feu erdeckraum 40 weist einen Umfangsbereich 43 auf, welcher sich ringförmig im Bereich des Zylinderrandes eines Zylinders erstreckt und dabei die Mündungen 7, 8 der Gaswechselventile umgibt, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Im Bereich von zumindest zwei Ventilbrücken 11 weist der Feuerdeckraum 40 des unteren ersten Kühlmantels 4 zwischen jeweils zwei benachbarten Mündungen 7, 8 von Gaswechselventilen jeweils einen Ventilbrückenkanal 41 auf. Jeder Stegka nal 42 ist mit jeweils einem Ventilbrückenkanal 41 des Feuerdeckraums 40 ver bunden. Jeder Stegkanal 42 geht in einem dem oberen zweiten Kühlmantel 5 ab gewandten und dem Feuerdeck 12 zugewandten Bereich vom Verteilerkanal 10 aus.
Wien in Fig. 2 erkennbar ist, strömt das Kühlmittel gemäß den Pfeilen P nach dem Top-Down-Kühlkonzept vom oberen zweiten Kühlmantel 5 über den Verteilerkanal 10, die Stegkanäle 42 und die Ventilbrückenkanäle 41 in den Feuerdeckraum 40 des unteren ersten Kühlmantels 4. Von den Stegkanälen 42 kommend strömt das Kühlmittel dabei radial von Innen nach Außen durch die Ventilbrückenkanäle 41 in den ringförmigen Umfangsbereich 43 des Feuerdeckraumes 40. Von diesem Um fangsbereich 43 strömt das Kühlmittel zu einem Sammelraum 44, dessen korres pondierender Bereich des ersten Kühlmantelkernes 400 mit 444 bezeichnet ist. Der Sammelraum 44 ist mit einem nicht näher dargestellten Kühlmittelaustritt ver bunden.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der in zumindest einem Stegkanal 42 eine Überströmdüse 13 angeordnet ist, welche beispielsweise mit dem Zylin derkopf 1 mitgegossen ist und/oder nach dem Guss beim Bearbeitungsprozess eingepresst wird. Mit der Überströmdüse 13 kann die Kühlung weiter verbessert und das Kühlmittel optimal verteilt werden. Die Überströmdüse 13 weist bevorzugt in ihrem Austrittsbereich eine Abrisskante auf, wodurch es zu Verwirbelungen und Turbulenzen des in den ersten Kühlmantel 4 strömenden Kühlmittels kommt, was sich vorteilhaft auf die Kühlung von heißen Bereichen auswirkt.
Die Fig. 5 bis Fig. 10 zeigen Kerndarstellungen des ersten 4 und zweiten Kühlman tels 5 des Zylinderkopfes 1. Die entsprechenden Bereiche des ersten Kühlmantel kernes 400 für den Feuerdeckraum 40, Ventilbrückenkanal 41, Ventilbrückenkanal 42 und den Umfangsbereich 43 sind in den Kerndarstellungen mit Bezugszeichen 440, 441, 442 und 443 bezeichnet. Wie in Fig. 5 ersichtlich ist, ist der zweite Kühl mantelkern 500 des zweiten Kühlmantels 5 auf den ersten Kühlmantelkern 400 des ersten Kühlmantels 4 aufgesetzt. Der Kernbereich 410 des Verteilerkanals 10 ist als Teil des ersten Kühlmantelkernes 400 ausgebildet und angrenzend an den zweiten Kühlmantelkern 500 angeordnet. Der Kernbereich 410 des Verteilerkanals 10 stabilisiert und versteift den ersten Kühlmantelkern 400. Die beiden Kühlman telkerne 400, 500 sind als verlorene Kerne ausgebildet.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen den zweiten Kühlmantelkern 500 und den ersten Kühl mantelkern 400 samt aufgesetztem Stützelement 100 im getrennten Zustand. Fig. 8 zeigt den ersten Kühlmantelkern 400 samt Stützelement 100 und Verteiler kanal 10 im Detail in einer Ansicht von schräg oben und Fig. 9 in einer Ansicht von unten. Das Stützelement 100 mit dem Verteilerkanal 10 ist in der in Fig. 5 bis Fig. 9 dargestellten Ausführungsvariante als Ring ausgebildet und erstreckt sich über einen ersten Winkel a von 360° um die Aufnahme 6 konzentrisch zur Zylin derachse la.
Die Fig. 10 und Fig. 11 zeigen einen ersten Kühlmantelkern 400 für einen ersten Kühlmantel 4 in einer weiteren Ausführungsvariante, bei der der Kernbereich 410 des Verteilerkanals 10 sowie der Verteilerkanal 10 als Ringsegment ausgebildet sind und sich um einen ersten Winkel a von etwa 180° um die Aufnahme 6 er streckt. Zusätzlich ist im Bereich zumindest zweier Knotenpunkte 14 zwischen je weils einem Stegkanal 42 bzw. dessen korrespondierender Bereich 442 am ersten Kühlmantelkern 400 und einem Ventilbrückenkanal 41 bzw. dessen korrespondie render Bereich 441 am ersten Kühlmantelkern 400 ein ringsegmentförmiger Kühl kanal 45 konzentrisch um die Aufnahme 6 im Bereich der Mündungen 8 der Aus lasskanäle angeordnet. Der Kühlkanal 45 erstreckt sich um einen zweiten Winkel ß von etwa 180° um die Aufnahme 6. Mit Bezugszeichen 445 ist der dem Kühlkanal 45 entsprechende Bereich des ersten Kühlmantelkernes 400 bezeichnet.
Wie insbesondere in Fig. 10 ersichtlich ist, sind im Ausführungsbeispiel der ring segmentförmige Verteilerkanal 10 und der ringsegmentförmiger Kühlkanal 45 - in Richtung der Zylinderachse la betrachtet - diametral bezüglich einer die Zylinder achse la beinhaltenden Ebene e angeordnet. Die Ebene e verläuft zwischen den Mündungen 7 der Einlassventile und den Mündungen 8 der Auslassventile.
Durch den Kühlkanal 45 werden die Ventilbrückenkanäle 41 zwischen den Mün dungen 8 der Auslasskanäle, sowie jeweils zwischen der Mündung 8 eines Aus lasskanals und der benachbarten Mündung 7 eines Einlasskanals miteinander ver bunden. Der im Ausführungsbeispiel auslassseitig angeordnete Kühlkanal 45 ver bessert die Kühlung im Bereich der Mündung 15 des in den Brennraum 16 mün denden Bauteils. Die beschriebene Anordnung ermöglicht einerseits eine optimale geometrische und funktionale Anordnung der Elemente und Bauteile des Zylinderkopfes im zur Ver fügung stehenden Bauraum, unter Einsatz von Sandkernen mit relativ einfacher Formgebung für die Fertigung der Kühlräume, welche ein einfaches Entfernen des Gusssandes nach dem Gießprozess ermöglichen. Andererseits kann eine optimale Kühlung von heißen Bereichen des Zylinderkopfes gewährleistet werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf (1) für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, insbesondere für eine flüssigkeitsgekühlte Groß- Brennkraftmaschine, mit einem an ein Feuerdeck (12) grenzenden unteren ersten Kühlmantel (4) und einem an den unteren ersten Kühlmantel (4) gren zenden oberen zweiten Kühlmantel (5), mit mehreren Gaswechselventilen und einer zentralen Aufnahme (6) für einen in den Brennraum mündenden Bauteil pro Zylinder, insbesondere eine Einspritzeinrichtung oder eine Zünd kerze, wobei der untere erste Kühlmantel (4) und der obere zweite Kühlman tel (5) im Bereich der Aufnahme (6) über zumindest eine Strömungsverbin dung (9) miteinander verbunden sind, und wobei zumindest ein mit dem ersten Kühlmantel (4) und/oder den zweiten Kühlmantel (5) verbundener Verteilerkanal (10) die zentrale Aufnahme (6) zumindest teilweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (9) zwischen dem unteren ersten Kühlmantel (4) und dem oberen zweiten Kühlmantel (5) zumindest einen vom Verteilerkanal (10) ausgehenden und im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse (la) ausgebildeten Stegkanal (42) aufweist, wel cher mit einem Ventilbrückenkanal (41) des ersten Kühlmantels (4) verbun den ist.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ver teilerkanal (10) ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet ist.
3. Zylinderkopf (1) nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Aufnahme (6) einstückig mit dem Zylinderkopf (1) ausgebildet ist.
4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (10) etwa auf halber Höhe der zentralen Auf nahme (6) angeordnet ist.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (9) zwischen dem unteren ersten Kühl mantel (4) und dem oberen zweiten Kühlmantel (5) mehrere im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse (la) ausgebildete Stegkanäle (42) aufweist, wel cher mit jeweils einem Ventilbrückenkanal (41) des ersten Kühlmantels (4) verbunden sind, wobei jedem Ventilbrückenkanal (41) ein Stegkanal (42) zu geordnet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von zumindest zwei - vorzugsweise von vier - Ventil brücken (11) zwischen jeweils benachbarten Gaswechselventilen ein Ventil brückenkanal (41) vorgesehen ist
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein, vorzugsweise jeder, Stegkanal (42) in einem dem oberen zweiten Kühlmantel (5) abgewandten Bereich vom Verteilerkanal (10) ausgeht.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Stegkanal (42) eine - vorzugsweise mitgegos sene oder eingepresste - Überströmdüse (13) angeordnet ist.
9. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumindest zweier Knotenpunkte (14) zwischen jeweils einem Stegkanal (42) und einem Ventilbrückenkanal (41) ein ringförmiger oder ringsegmentförmiger Kühlkanal (45) - vorzugsweise konzentrisch um die Aufnahme (6) - angeordnet ist.
10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringsegmentförmiger Verteilerkanal (10) und ein ringsegment förmiger Kühlkanal (45) an verschiedenen Seiten einer die Zylinderachse (la) beinhaltenden Ebene (e) angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Ebene (e) zwischen zumindest einer Mündung (7) eines Einlassventils und zumindest einer Mündung (8) eines Auslassventils der Gaswechselventile verläuft.
11. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verteilerkanal (10) um einen ersten Winkel (a) von 150° bis 210°, vorzugsweise 180°; um die Aufnahme (6) und/oder die Zylinder achse (la) erstreckt.
12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (45) um einen zweiten Winkel (ß) von 150° bis 210°, vorzugsweise 180°, um die Aufnahme (6) und/oder die Zylinderachse (la) erstreckt.
2021 06 18
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