WO2024040279A1 - Flüssigkeitsgekühlter zylinderkopf - Google Patents

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WO2024040279A1
WO2024040279A1 PCT/AT2023/060285 AT2023060285W WO2024040279A1 WO 2024040279 A1 WO2024040279 A1 WO 2024040279A1 AT 2023060285 W AT2023060285 W AT 2023060285W WO 2024040279 A1 WO2024040279 A1 WO 2024040279A1
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WO
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overflow opening
cylinder head
receiving sleeve
intermediate deck
overflow
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PCT/AT2023/060285
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Zurk
Martin KLAMPFER
Original Assignee
Avl List Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/242—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
    • 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
    • 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 liquid-cooled cylinder head for an internal combustion engine with a top-down cooling concept, in particular with several cylinders, with a lower cooling space adjacent to a fire deck and an upper cooling space, which is separated from the lower cooling space by an intermediate deck, and which from Fire deck is predominantly further away than the lower cooling chamber, with the lower cooling chamber and the upper cooling chamber in the area of a receiving sleeve arranged centrally with respect to the cylinder - preferably concentric or parallel to the cylinder axis - for a component that opens centrally into a combustion chamber via at least one through one Overflow opening and the annular overflow channel formed by the receiving sleeve in the tween deck are fluidly connected to one another, a diameter of the essentially circular overflow opening being larger than an outer diameter of the receiving sleeve, with an inlet channel arrangement with at least two inlet openings opening into the combustion chamber and an outlet channel arrangement with at least two in the combustion chamber opening outlet openings.
  • a top-down cooling concept is a cooling concept in which the coolant first flows through the upper cooling chamber further away from the fire deck and then the lower cooling chamber near the fire deck.
  • a cylinder head for an internal combustion engine with a top-down cooling system which has an upper cooling space adjacent to an intermediate deck and a lower cooling space adjacent to a fire deck.
  • an annular transfer opening is provided between the upper and lower cooling chambers. The transfer opening is designed concentrically to the receiving sleeve.
  • DE 103 50 394 A1 describes a cylinder head for a liquid-cooled multi-cylinder internal combustion engine with a cooling room arrangement adjacent to a fire deck, which is divided by an intermediate deck into a lower partial cooling room and an upper partial cooling room.
  • the two partial cooling chambers are fluidly connected to one another through overflow openings in the area of a receiving opening for a sleeve for a central fuel injection device, which are designed as bulges in the receiving opening.
  • Similar cooling arrangements are known from EP 2998 555 Al, EP 3 333 398 Al or WO 2012/004340 Al.
  • the object of the invention is to achieve optimal cooling of thermally critical areas of the cylinder head in a simple manner in terms of production technology.
  • the overflow opening is arranged eccentrically with respect to the receiving sleeve, with a central axis of the overflow opening running through a center of the overflow opening being spaced from the sleeve axis of the receiving sleeve, preferably the central axis of the overflow opening and the sleeve axis are arranged parallel to one another.
  • the distance between the sleeve axis and the central axis of the overflow opening is less than half the outer diameter of the receiving sleeve.
  • the central axis of the overflow opening is arranged on the outlet side and/or is arranged closer to an outlet valve bridge between two outlet openings than to an inlet valve bridge between two inlet openings.
  • the eccentric overflow opening is oriented in the direction of the exhaust valve bridge between the two exhaust valves.
  • the overflow opening can be formed by casting and/or by machining the intermediate deck.
  • the eccentrically designed overflow opening results in an overflow channel with an eccentric overflow cross section, which is larger on the outlet side than on the inlet side. This means that improved cooling can be achieved with small amounts of coolant.
  • the intermediate deck has at least one local intermediate deck elevation, preferably produced by casting, in the area of the overflow opening.
  • the cooling section is extended in the direction of the cylinder axis, thereby improving the cooling water flow in the direction of the fire deck.
  • the structural rigidity can be increased by raising the intermediate deck by connecting a vertical support structure of the cylinder head to the intermediate deck.
  • the vertical support structure connects the oil deck with the fire deck in a vertical direction within the cylinder head.
  • the vertical support structure extends between the valve guides and/or the inlet and outlet openings and the overflow opening.
  • a similar support structure is known, for example, from AT 522 060 Bl.
  • the intermediate deck elevation is ring-shaped and arranged concentrically around the overflow opening.
  • the intermediate deck elevation can advantageously be arranged between the inlet openings or outlet openings and the overflow opening.
  • the intermediate deck elevation lies in a ring around the receiving sleeve between the inlet and outlet openings and the overflow opening and is integrated into the vertical support structure of the cylinder head.
  • At least one intermediate deck elevation has an inlet chamfer on an inside bordering the overflow opening in the area of an upper side facing away from the intermediate deck.
  • the overflow opening has at least one bulge, the bulge preferably being arranged in the area of a valve bridge.
  • a bulge here is to be understood as an outward cross-sectional expansion that deviates from the circular shape of the overflow opening. This makes it possible to increase the flow of the amount of coolant passing between the upper cooling space and the lower cooling space and thus improve heat dissipation.
  • the entire transfer cross section for the coolant transfer between the upper cooling chamber and the lower cooling chamber results from a combination of machined and cast transfers in the area of the receiving sleeve, i.e. through the circular eccentric transfer opening and the additional bulges.
  • FIG. 1 shows a cylinder head according to the invention in a first embodiment variant in a section along line II in FIG. 2;
  • Fig. 2 shows this cylinder head in a section along line II-II in Fig. 1;
  • Fig. 3 shows the cylinder head in a second embodiment variant in a section analogous to Fig. 2.
  • Figures 1 and 2 show a cylinder head 1 for an internal combustion engine with one or more cylinders 2.
  • the cylinder head 1 has a lower cooling space 4 bordering a fire deck 3 and an upper cooling space 5 spaced from the fire deck 3, which is separated from the lower one by an intermediate deck 6 cold room 4 is separated.
  • the terms “bottom” and “top” refer to the representation shown in FIG. 1 and not to the actual installation position of the internal combustion engine during operation. The actual installation position of the cylinder head 1 may therefore differ from the orientation shown in FIG. 1.
  • the upper cooling space 5 is predominantly further away from the fire deck 3 than the lower cooling space 4.
  • the lower cooling space 4 and the upper cooling space 5 are in the area of a receiving sleeve 8 arranged centrally with respect to the cylinder 2, for example concentrically and parallel to the cylinder axis 2a
  • Component 80 which opens centrally into a combustion chamber 7, such as an injection device or an ignition device, is fluidly connected to one another via at least one overflow channel 9 in the intermediate deck 6.
  • the cylinder head 1 has two inlet openings 10E opening into the combustion chamber 7 for an inlet channel arrangement (not shown) on an inlet side E of the cylinder head 1 and two outlet openings 10A opening into the combustion chamber 7 for an exhaust channel arrangement (not shown) on an outlet side A of the cylinder head 1.
  • Inlet valve bridges 11 are formed between the inlet openings 10E and outlet valve bridges 12 are formed between the outlet openings 10A.
  • the lower cooling space 4 has one in the area of the inlet valve bridge 11, in the area of the outlet bridge 12 and in the area of the inlet/outlet valve bridges 13 Bridge channel 41, 42, 43.
  • the bridge channels 41, 42, 43 are indicated by dashed lines in FIG.
  • the overflow channel 9 between the upper cooling space 5 and the lower cooling space 4 is essentially oriented in the direction of the cylinder axis 2a. It is formed by a substantially circular overflow opening 14 arranged in the intermediate deck 6 and the, for example, cylindrical outer lateral surface 8b of the receiving sleeve 8.
  • the overflow opening 14 can be molded into the cylinder head 1 by casting and/or formed by machining the intermediate deck 6.
  • the overflow opening 14 of the overflow channel 9 is arranged eccentrically with respect to the sleeve axis 8a of the receiving sleeve 8.
  • the overflow channel 9 has a substantially annular, eccentric cross section.
  • the diameter D of the overflow opening 14 is larger than the outer diameter d of the receiving sleeve 8.
  • a central axis 14a of the overflow opening 14 running through the center M of the circular overflow opening 14 is spaced from the sleeve axis 8a of the receiving sleeve 8.
  • the central axis 14a of the overflow opening 14 and the sleeve axis 8a are, for example, essentially arranged parallel to each other.
  • the central axis 14a of the overflow opening 14 is arranged on the outlet side A.
  • the center axis 14a is located closer to the exhaust valve bridge 12 between the two exhaust ports 10A than to the intake valve bridge 11 between the two inlet ports 10E.
  • the distance a between the sleeve axis 8a and the central axis 14a is less than half the outer diameter d of the receiving sleeve 8, in particular less than a quarter of the outer diameter d of the receiving sleeve 8.
  • the eccentrically arranged overflow opening 14 results in an eccentrically shaped overflow channel 9 , which has a larger cross section on the outlet side A than on the inlet side E (see Fig. 2).
  • At least one intermediate deck elevation 16 for example produced by casting, can be arranged between an inlet opening 10E and/or an outlet opening 10A and the overflow opening 14.
  • 1 and 2 show an embodiment in which an intermediate deck elevation 16 arranged annularly and concentrically around the overflow opening 14 and the receiving sleeve 8 is provided between the outlet openings 10A and inlet openings 10E and the overflow opening 14.
  • the position of the intermediate deck elevation 16 is indicated by dashed lines in Fig. 2.
  • the intermediate deck elevation 16 connects a vertical support structure 18 of the cylinder head 1 with the intermediate deck 6. This allows the structural rigidity of the cylinder head 1 to be increased.
  • the vertical support structure 18 connects the oil deck 19 with the fire deck 4 in the vertical direction within the cylinder head 1 and extends between the valve guides and/or the inlet 10E and outlet openings 10A and the overflow opening 14.
  • the intermediate deck elevation 16 in the exemplary embodiment has an inlet chamfer 17 on an inside adjacent to the overflow opening 14 in the area of an upper side facing away from the intermediate deck 6 in order to reduce the flow losses when the flow transfers between the upper cooling space 5 and the lower cooling space 4 to minimize.
  • the intermediate deck elevations 16 extend the cooling section in the direction of the cylinder axis 2a and improve the cooling water flow in the direction of the fire deck 4. Furthermore, the structural rigidity is increased by the intermediate deck elevation 16.
  • the overflow opening 14 can have at least one bulge 15 in the area of a valve bridge, for example the outlet valve bridge 12, in order to control the flow between the upper cooling space 5 and the lower cooling space 4 to increase the excess coolant quantity and thus improve heat dissipation.
  • the bulge 15 is indicated by dashed lines in FIG.
  • the intermediate deck elevation and vertical support structure are not shown in Fig. 3.
  • the cylinder head 1 has a so-called top-down cooling concept.
  • a top-down cooling concept is a cooling concept in which the coolant first flows through the upper cooling chamber 5 further away from the fire deck and then the lower cooling chamber 4 near the fire deck.
  • the coolant flows in the cylinder head 2 according to the arrows P in the upper cooling chamber 5 radially towards the receiving sleeve 8 and reaches the lower cooling chamber 4 via the eccentrically designed overflow channel 9.
  • the receiving sleeve 8 and the component 80 received by the receiving sleeve 8 are cooled.
  • the coolant flows radially outwards through the bridge channels 41, 42, 43 of the lower cooling chamber 4, whereby the thermally critical areas of the outlet valve bridge 12, but also the inlet valve bridge 11 and inlet/outlet valve bridges 13, are cooled (FIG. 1). Due to the eccentric shape of the overflow channel 9, significantly more coolant flows on the outlet side A through the overflow channel 9 from the upper cooling chamber 5 into the lower cooling chamber 4 than on the inlet side E.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, mit einem an ein Feuerdeck (3) grenzenden unteren Kühlraum (4) und einem oberen Kühlraum (5), welcher durch ein Zwischendeck (6) vom unteren Kühlraum (4) getrennt ist, und welcher vom Feuerdeck (3) überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum (4), wobei der untere Kühlraum (4) und der obere Kühlraum (5) im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder (2) angeordneten Aufnahmehülse (8) für einen zentral in einen Brennraum (7) mündenden Bauteil (8) über zumindest einen durch eine Überströmöffnung (14) und die Aufnahmehülse (8) gebildeten ringförmigen Überströmkanal (9) im Zwischendeck (6) miteinander strömungsverbunden sind, wobei ein Durchmesser (D) der im Wesentlichen kreisförmigen Überströmöffnung (14) größer ist als ein äußerer Durchmesser (d) der Aufnahmehülse (8), mit einer Einlasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Einlassöffnungen (10E) und einer Auslasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Auslassöffnungen (10A). Um eine optimale Kühlung von thermisch kritischen Bereichen zu erzielen ist vorgesehen, dass die Überströmöffnung (14) exzentrisch in Bezug auf die Aufnahmehülse (8) angeordnet ist, wobei eine durch einen Mittelpunkt (M) der Überströmöffnung (14) verlaufende Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) von der Hülsenachse (8a) der Aufnahmehülse (8) beabstandet ist.

Description

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, insbesondere mit mehreren Zylindern, mit einem mit einem an ein Feuerdeck grenzenden unteren Kühlraum und einem oberen Kühlraum, welcher durch ein Zwischendeck vom unteren Kühlraum getrennt ist, und welcher vom Feuerdeck überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum, wobei der untere Kühlraum und der obere Kühlraum im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder - vorzugsweise konzentrisch oder parallel zur Zylinderachse - angeordneten Aufnahmehülse für einen zentral in einen Brennraum mündenden Bauteil über zumindest einen durch eine Überströmöffnung und die Aufnahmehülse gebildeten ringförmigen Überströmkanal im Zwischendeck miteinander strömungsverbunden sind, wobei ein Durchmesser der im Wesentlichen kreisförmigen Überströmöffnung größer ist als ein äußerer Durchmesser der Aufnahmehülse, mit einer Einlasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum mündenden Einlassöffnungen und einer Auslasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum mündenden Auslassöffnungen.
Als Top-Down-Kühlkonzept wird ein Kühlkonzept bezeichnet, bei dem zuerst der feuerdeckfernere obere Kühlraum und dann erst der feuerdecknahe untere Kühlraum vom Kühlmittel durchströmt wird.
Aus der WO 2020/188071 Al ist ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlsystem bekannt, welcher einen an ein Zwischendeck grenzenden oberen Kühlraum und einen an ein Feuerdeck grenzenden unteren Kühlraum aufweist. Im Bereich einer zentralen Aufnahmehülse für eine Einspritz- oder Zündeinrichtung ist eine ringförmige Übertrittsöffnung zwischen dem oberen und dem unteren Kühlraum vorgesehen. Die Übertrittsöffnung ist konzentrisch zur Aufnahmehülse ausgebildet.
Die DE 103 50 394 Al beschreibt einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einer an ein Feuerdeck grenzenden Kühlraumanordnung, welche durch ein Zwischendeck in einen unteren Teilkühlraum und einen oberen Teilkühlraum unterteilt ist. Die beiden Teilkühlräume sind durch Überströmöffnungen im Bereich einer Aufnahmeöffnung für eine Hülse für eine zentrale Kraftstoffeinspritzeinrichtung miteinander strömungsverbunden, welche als Ausbuchtungen der Aufnahmeöffnung ausgebildet sind. Ähnliche Kühlanordnungen sind aus der EP 2998 555 Al, der EP 3 333 398 Al oder der WO 2012/004340 Al bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es auf fertigungstechnisch einfache Weise eine optimale Kühlung von thermisch kritischen Bereichen des Zylinderkopfes zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Überströmöffnung exzentrisch in Bezug auf die Aufnahmehülse angeordnet ist, wobei eine durch einen Mittelpunkt der Überströmöffnung verlaufende Mittelachse der Überströmöffnung von der Hülsenachse der Aufnahmehülse beabstandet ist, wobei vorzugsweise die Mittelachse der Überströmöffnung und die Hülsenachse parallel zueinander angeordnet sind.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Hülsenachse und der Mittelachse der Überströmöffnung geringer als ein halber äußerer Durchmesser der Aufnahmehülse.
Um eine optimale Kühlung zu erzielen ist es vorteilhaft, wenn die Mittelachse der Überströmöffnung auf der Auslassseite angeordnet ist und/oder einer Auslassventilbrücke zwischen zwei Auslassöffnungen näher angeordnet ist als einer Einlassventilbrücke zwischen zwei Einlassöffnungen. Mit anderen Worten ist die exzentrische Überströmöffnung in Richtung der Auslassventilbrücke zwischen den beiden Auslassventilen orientiert.
Die Überströmöffnung kann gusstechnisch und/oder durch spanende Bearbeitung des Zwischendecks gebildet sein.
Durch die exzentrisch ausgebildete Überströmöffnung ergibt sich ein Überströmkanal mit exzentrischem Überströmquerschnitt, welcher auf der Auslassseite größer ist als auf der Einlassseite. Dadurch kann bei geringen Kühlmittelmengen eine verbesserte Kühlung erzielt werden.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zwischendeck zumindest eine vorzugsweise gusstechnisch hergestellte lokale Zwischendeckerhöhung im Bereich der Überströmöffnung aufweist. Auf diese Weise wird die Kühlstrecke in Richtung der Zylinderachse verlängert und damit die Kühlwasserströmung in Richtung des Feuerdecks verbessert. Weiters kann durch die Zwischendeckerhöhung die Struktursteifigkeit erhöht werden, indem sie eine vertikale Stützstruktur des Zylinderkopfes mit dem Zwischendeck verbindet. Die vertikale Stützstruktur verbindet innerhalb des Zylinderkopfes in vertikaler Richtung das Öldeck mit dem Feuerdeck. Die vertikale Stützstruktur erstreckt sich dabei zwischen den Ventilführungen und/oder den der Einlass- und Auslassöffnungen und der Überströmöffnung. Eine ähnliche Stützstruktur ist beispielsweise aus der AT 522 060 Bl bekannt. Vorteilhafterweise ist die Zwischendeckerhöhung ringförmig ausgebildet und konzentrisch um die Überströmöffnung angeordnet. Günstigerweise kann die Zwischendeckerhöhung zwischen den Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen und der Überströmöffnung angeordnet sein. Die Zwischendeckerhöhung liegt also ringförmig um die Aufnahmehülse zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen und der Überströmöffnung und ist in die vertikale Stützstruktur des Zylinderkopfes eingebunden.
Um die Verluste beim Strömungsübertritt zwischen den beiden Kühlräumen zu vermindern ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Zwischendeckerhöhung auf einer an die Überströmöffnung grenzenden Innenseite im Bereich einer die dem Zwischendeck abgewandten Oberseite eine Einlauffase aufweist.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überströmöffnung zumindest eine Ausbuchtung aufweist, wobei vorzugsweise die Ausbuchtung im Bereich einer Ventilbrücke angeordnet ist. Als Ausbuchtung ist hier eine von der Kreisform der Überströmöffnung nach außen abweichende Querschnittserweiterung zu verstehen. Dies ermöglicht es den Durchfluss der zwischen dem oberen Kühlraum und dem unteren Kühlraum übertretenden Kühlmittelmenge zu erhöhen und damit die Wärmeabfuhr zu verbessern.
Der gesamte Übertrittsquerschnitt zum Kühlmittelübertritt zwischen dem oberen Kühlraum und dem unteren Kühlraum ergibt sich als Kombination von bearbeiteten und gegossenen Übertritten im Bereich der Aufnahmehülse, also durch die kreisförmige exzentrische Übertrittsöffnung und die zusätzlichen Ausbuchtungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer ersten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in Fig. 2;
Fig. 2 diesen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1; und
Fig. 3 den Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 2.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Zylinderkopf 1 für eine Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern 2. Der Zylinderkopf 1 weist einen an ein Feuerdeck 3 grenzenden unteren Kühlraum 4 und einen vom Feuerdeck 3 beabstandeten oberen Kühlraum 5 auf, welcher durch ein Zwischendeck 6 vom unteren Kühlraum 4 getrennt ist. Die Begriffe "unten" und "oben" beziehen sich auf die in Fig. 1 ersichtliche Darstellung und nicht auf die tatsächliche Einbaulage der Brennkraftmaschine im Betrieb. Die tatsächliche Einbaulage des Zylinderkopfes 1 kann daher von der in Fig. 1 ersichtlichen Orientierung abweichen.
Der obere Kühlraum 5 ist vom Feuerdeck 3 überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum 4. Der untere Kühlraum 4 und der obere Kühlraum 5 sind im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder 2 beispielsweise konzentrisch und parallel zur Zylinderachse 2a angeordneten Aufnahmehülse 8 für einen zentral in einen Brennraum 7 mündenden Bauteil 80, wie beispielsweise eine Einspritzeinrichtung oder eine Zündeinrichtung, über zumindest einen Überströmkanal 9 im Zwischendeck 6 miteinander strömungsverbunden. Der Zylinderkopf 1 weist zwei in den Brennraum 7 mündende Einlassöffnungen 10E für eine nicht weiter dargestellte Einlasskanalanordnung auf einer Einlassseite E des Zylinderkopfes 1 und zwei in den Brennraum 7 mündende Auslassöffnungen 10A für eine nicht weiter dargestellte Auslasskanalanordnung auf einer Auslassseite A des Zylinderkopfes 1 auf.
Zwischen den Einlassöffnungen 10E sind Einlassventilbrücken 11 und zwischen den Auslassöffnungen 10A Auslassventilbrücken 12 ausgebildet. Zwischen jeweils einer Einlassöffnung 9 und einer Auslassöffnung 10 befindet sich je eine Einlass-/Aus- lassventilbrücke 13. Der untere Kühlraum 4 weist Im Bereich der Einlassventilbrücke 11, im Bereich der Auslassbrücke 12 und im Bereich der Einlass-/Aus- lassventilbrücken 13 je einen Brückenkanal 41, 42, 43 auf. Die Brückenkanäle 41, 42, 43 sind in Fig. 2 durch strichlierte Linien angedeutet.
Der Überströmkanal 9 zwischen dem oberen Kühlraum 5 und dem unteren Kühlraum 4 ist im Wesentlichen in Richtung der Zylinderachse 2a orientiert. Er wird durch eine im Zwischendeck 6 angeordnete im Wesentlichen kreisförmige Überströmöffnung 14 und die beispielsweise zylindrische äußere Mantelfläche 8b der Aufnahmehülse 8 gebildet. Die Überströmöffnung 14 kann gusstechnisch in den Zylinderkopf 1 eingeformt und/oder durch spanende Bearbeitung des Zwischendecks 6 gebildet sein.
Die Überströmöffnung 14 des Überströmkanals 9 ist exzentrisch in Bezug auf die Hülsenachse 8a der Aufnahmehülse 8 angeordnet. Der Überströmkanal 9 weist einen im Wesentlichen ringförmigen, exzentrischen Querschnitt auf. Der Durchmesser D der Überströmöffnung 14 ist größer als der äußere Durchmesser d der Aufnahmehülse 8. Eine durch den Mittelpunkt M der kreisförmigen Überströmöffnung 14 verlaufende Mittelachse 14a der Überströmöffnung 14 ist von der Hülsenachse 8a der Aufnahmehülse 8 beabstandet. Die Mittelachse 14a der Überströmöffnung 14 und die Hülsenachse 8a sind beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die Mittelachse 14a der Überströmöffnung 14 ist auf der Auslassseite A angeordnet. Mit anderen Worten ist die Mittelachse 14a näher zu der Auslassventilbrücke 12 zwischen den zwei Auslassöffnungen 10A angeordnet als zu der Einlassventilbrücke 11 zwischen den zwei Einlassöffnungen 10E. Der Abstand a zwischen der Hülsenachse 8a und der Mittelachse 14a ist dabei geringer als der halbe äußere Durchmesser d der Aufnahmehülse 8, insbesondere geringer als ein Viertel des äußeren Durchmessers d der Aufnahmehülse 8. Durch die exzentrisch angeordnete Überströmöffnung 14 ergibt sich ein exzentrisch geformter Überströmkanal 9, welcher auf der Auslassseite A einen größeren Querschnitt aufweist als auf der Einlassseite E (siehe Fig. 2).
Weiters kann zumindest eine beispielsweise gusstechnisch hergestellte Zwischendeckerhöhung 16 zwischen einer Einlassöffnung 10E und/oder einer Auslassöffnung 10A und der Überströmöffnung 14 angeordnet sein. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Ausführung, bei der eine ringförmig und konzentrisch um die Überströmöffnung 14 und die Aufnahmehülse 8 angeordnete Zwischendeckerhöhung 16 zwischen den Auslassöffnungen 10A bzw. Einlassöffnungen 10E und der Überströmöffnung 14 vorgesehen ist. Die Position der Zwischendeckerhöhung 16 ist durch strichlierte Linien in Fig. 2 angedeutet. Die Zwischendeckerhöhung 16 verbindet eine vertikale Stützstruktur 18 des Zylinderkopfes 1 mit dem Zwischendeck 6. Dadurch kann die Struktursteifigkeit des Zylinderkopfes 1 erhöht werden. Die vertikale Stützstruktur 18 verbindet innerhalb des Zylinderkopfes 1 in vertikaler Richtung das Öldeck 19 mit dem Feuerdeck 4 und erstreckt sich zwischen den Ventilführungen und/oder den der Einlass- 10E und Auslassöffnungen 10A und der Überströmöffnung 14.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die Zwischendeckerhöhung 16 im Ausführungsbeispiel auf einer an die Überströmöffnung 14 grenzenden Innenseite im Bereich einer die dem Zwischendeck 6 abgewandten Oberseite eine Einlauffase 17 auf, um die Strömungsverluste beim Strömungsübertritt zwischen dem oberen Kühlraum 5 und dem unteren Kühlraum 4 zu minimieren.
Durch die Zwischendeckerhöhungen 16 wird die Kühlstrecke in Richtung der Zylinderachse 2a verlängert und die Kühlwasserströmung in Richtung des Feuerdecks 4 verbessert. Weiters wird durch die Zwischendeckerhöhung 16 die Struktursteifigkeit erhöht.
Die Überströmöffnung 14 kann zumindest eine Ausbuchtung 15 im Bereich einer Ventilbrücke, beispielsweise der Auslassventilbrücke 12, aufweisen, um den Durchfluss der zwischen dem oberen Kühlraum 5 und dem unteren Kühlraum 4 übertretenden Kühlmittelmenge zu erhöhen und damit die Wärmeabfuhr zu verbessern. Die Ausbuchtung 15 ist in Fig. 3 durch strichliert Linien angedeutet. Zwischendeckerhöhung und vertikale Stützstruktur sind in Fig. 3 nicht dargestellt.
Der Zylinderkopf 1 weist ein sogenanntes Top-Down Kühlkonzept auf. Als Top- Down-Kühlkonzept wird ein Kühlkonzept bezeichnet, bei dem zuerst der feuerdeckfernere obere Kühlraum 5 und dann erst der feuerdecknahe untere Kühlraum 4 vom Kühlmittel durchströmt wird.
Die Kühlflüssigkeit strömt im Zylinderkopf 2 gemäß den Pfeilen P im oberen Kühlraum 5 radial Richtung Aufnahmehülse 8 und gelangt über den exzentrisch ausgebildeten Überströmkanal 9 in den unteren Kühlraum 4. Dabei wird die Aufnahmehülse 8 und der von der Aufnahmehülse 8 aufgenommene Bauteil 80 gekühlt. Das Kühlmittel strömt dabei durch die Brückenkanäle 41, 42, 43 des unteren Kühlraumes 4 radial nach außen, wobei die thermisch kritischen Bereiche der Auslassventilbrücke 12, aber auch die Einlassventilbrücke 11 und Einlass-/Auslassven- tilbrücken 13 gekühlt werden (Fig. 1). Durch die exzentrische Form des Überströmkanals 9 strömt wesentlich mehr Kühlmittel auf der Auslassseite A durch den Überströmkanal 9 vom oberen Kühlraum 5 in den unteren Kühlraum 4 als auf der Einlassseite E.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Top-Down-Kühlkonzept, insbesondere mit mehreren Zylindern (2), mit einem an ein Feuerdeck (3) grenzenden unteren Kühlraum (4) und einem oberen Kühlraum (5), welcher durch ein Zwischendeck (6) vom unteren Kühlraum (4) getrennt ist, und welcher vom Feuerdeck (3) überwiegend weiter entfernt ist als der untere Kühlraum (4), wobei der untere Kühlraum (4) und der obere Kühlraum (5) im Bereich einer mittig in Bezug auf den Zylinder (2) - vorzugsweise konzentrisch oder parallel zur Zylinderachse (2a) - angeordneten Aufnahmehülse (8) für einen zentral in einen Brennraum (7) mündenden Bauteil (8) über zumindest einen durch eine Überströmöffnung (14) und die Aufnahmehülse (8) gebildeten ringförmigen Überströmkanal (9) im Zwischendeck (6) miteinander strömungsverbunden sind, wobei ein Durchmesser (D) der im Wesentlichen kreisförmigen Überströmöffnung (14) größer ist als ein äußerer Durchmesser (d) der Aufnahmehülse (8), mit einer Einlasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Einlassöffnungen (10E) und einer Auslasskanalanordnung mit zumindest zwei in den Brennraum (7) mündenden Auslassöffnungen (10A), dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) exzentrisch in Bezug auf die Aufnahmehülse (8) angeordnet ist, wobei eine durch einen Mittelpunkt (M) der Überströmöffnung (14) verlaufende Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) von der Hülsenachse (8a) der Aufnahmehülse (8) beabstandet ist, wobei vorzugsweise die Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) und die Hülsenachse (8a) parallel zueinander angeordnet sind. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen der Hülsenachse (8a) und der Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) geringer ist als ein halber äußerer Durchmesser (d) der Aufnahmehülse (8), vorzugsweise geringer als ein Viertel des halben äußeren Durchmessers (d) der Aufnahmehülse (8). Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) des Überströmkanals (9) durch spanende Bearbeitung des Zwischendecks (6) gebildet ist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (6) zumindest eine Zwischendeckerhöhung (16) im Bereich der Überströmöffnung (14) aufweist. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise gusstechnisch hergestellte Zwischendeckerhöhung (16) zwischen Einlassöffnungen (10E), Auslassöffnungen (1OA) und der Überströmöffnung (14) angeordnet ist. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischendeckerhöhung ringförmig ausgebildet und konzentrisch um die Überströmöffnung (14) angeordnet ist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischendeckerhöhung (16) auf einer an die Überströmöffnung (14) grenzenden Innenseite im Bereich einer die dem Zwischendeck (6) abgewandten Oberseite eine Einlauffase (17) aufweist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischendeckerhöhung (16) eine vertikale Stützstruktur (18) des Zylinderkopfes (1) mit dem Zwischendeck (6) verbindet. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (14a) der Überströmöffnung (14) auf der Auslassseite (A) angeordnet ist und/oder einer Auslassventilbrücke (12) zwischen zwei Auslassöffnungen (10A) näher angeordnet ist als einer Einlassventilbrücke (11) zwischen zwei Einlassöffnungen (10E). Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) zumindest eine Ausbuchtung (15) aufweist, wobei vorzugsweise die Ausbuchtung (15) im Bereich einer Auslassventilbrücke (12) angeordnet ist.
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