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Die Erfindung betrifft einen Zyhnderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslassventilen und mindestens einem zu einem Einlassventil führenden Einlasskanal pro Zylinder, mit mindestens einem ersten Kühlkanal, der in einen unteren Kühlraum zwischen zwei Auslassventilen mündet und in einen zentralen Bereich um die Zylinderachse gerichtet ist.
Bei mässig und insbesondere bei höchstbelasteten Brennkraftmaschinen sind die Bereiche zwischen den Ventilen, ganz besonders zwischen den Auslassventilen, aber auch die Bereiche zwischen den Auslassventilen und den Einlassventilen und die Bereiche zwischen den Auslassventilen und einem Aufnahmeteil für den Düsenhalter, wie eine Hülse oder einen Butzen, besonders hoher Wärmebelastung ausgesetzt. Ganz besonders kritisch hinsichtlich der Wärmebelastung sind höchstbelastete Motoren mit vier Ventilen pro Zylinder. An den Stellen von höchster Wärmebelastung muss durch gelenkte Kühlstrahlen hoher Geschwindigkeit eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet sein.
Es ist ein Zylinderkopf der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein Kühlmittelstrahl im Bereich einer Zylinderkopfseite von aussen nach innen zwischen die Auslasskanäle gelenkt wird, wodurch der sogenannte Steg zwischen den Auslassventilen gekühlt wird. Diese bekannte Konstruktion ist in Fig. 1 dargestellt. In der Folge teilt sich dieser Strahl, wobei ein Teil des Kühlmittels aufsteigt und zwei weitere Teilstrahlen die Stege zwischen den beiden Auslassventilen und den Einlassventilen einerseits und dem Bereich der Hülse um den Düsenhalter andererseits kühlen. Die Stege zwischen den Auslassventilen und den Einlassventilen werden dabei allerdings schon deutlich schlechter gekühlt, da die erwähnten Teilstrahlen zwischen den Auslassventilen und dem Düsenhalter zu einem grossen Teil nach oben abgelenkt werden.
Insbesondere bei höchster Belastung und Leistungssteigerung mittels Aufladung reicht diese Art der Kühlung nicht mehr aus, um die Bauteiltemperaturen im zulässigen Bereich zu halten.
Weiters sind mittelschnellaufende Brennkraftmaschinen, beispielsweise für Lokomotiven und kleinere Schiffe, bekannt, bei denen mit relativ hoher Aufladung schon bei niedrigen Drehzahlen hohe Leistungen erreicht werden. Durch die hohe mechanische Belastung des Zylinderkopfes bestehen bei diesen Motoren besonders hohe Anforderungen auf Einhaltung der Temperaturgrenzen. Um eine ausreichende Wärmeabfuhr zu erreichen, wird bei diesen Mittel- schnelläufern die sogenannte "Bohrungskühlung" angewandt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Dabei kommt das Kühlwasser über eine Verbindungsleitung oder über eine Anzahl von Einzelbohrungen vom die Zylinderbüchse umgebenden Wassennantel des Zylinderblockes in den unteren Wasserraum des Zylinderkopfes.
Von dort strömt das Kühlmittel durch vier radiale Boh- rungen zwischen den Ventilen zur Mitte gegen das Rohr, in dem sich der Düsenhalter befin- det. Indem das Kühlmittel das Düsenhalterrohr umströmt, kommt es nach oben in den oberen
Kühlmittelraum. Diese Art der Kühlung ist äusserst effektiv, da an den Stellen hoher Wärme-
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belastung eine grosse Kühlmittelgeschwindigkeit mit sehr gutem Wärmeübergang erzielt wird. Sie ist jedoch in der Herstellung sehr teuer, da von vier Seiten des Zylinderkopfes gebohrt werden muss. Für die Herstellung der Bohrungen müssen im Zylinderkopf Öffnungen angebracht und später wieder verschlossen werden. Diese Herstellung ist somit nur bei Emzelzylindern möglich.
Bei Brennkraftmaschinen ohne Einzelzylinder, wie sie üblicher Weise in Fahrzeugen eingesetzt werden, bestehen keine Zugangsmöglichkeiten zur Herstellung derartiger radialer Bohrungen. Daher ist die "Bohrungskühlung" bei diesen Brennkraftmaschinen nicht geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise die Wärmeabfuhr in thermisch hoch beanspruchten Bereichen zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zusätzlich zwischen mindestens einem Auslassventil und mindestens einem Einlassventil zumindest ein zweiter Kühlkanal in den zentralen Bereich einmündet, und dass die zumindest ein Kühlkanal im Bereich seiner Mündung eine Düse aufweist. Die Strömung in den Kühlraum wird dabei durch mehrere genau ausgerichtete Einzelströmungen ersetzt, welche gezielt auf thermisch hoch beanspruchte Bereiche im unteren Kühlmittelraum des Zylinderkopfes gerichtet sind. Die thermisch hoch beanspruchten Bereiche um die Auslassventile werden dabei von beiden Seiten umströmt.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Einlassventilen pro Zylinder kann vorgesehen sein, dass zwischen jeweils zwei Einlasskanälen ein dritter Kühlkanal in den Kühlraum mündet, welcher vorzugsweise im Bereich seiner Mündung eine Düse aufweist. Da allerdings der Steg zwischen den Einlassventilen beidseits durch die einströmende Frischluft gekühlt wird und somit nicht zu den thermisch kritischen Stellen gehört, kann bei einfachen Ausführungen der dritte Kühlkanal auch weggelassen werden.
Die Düsen können dabei mit dem Zylinderkopf mitgegossen bzw. einstückig mit diesem ausgeführt sein und erfordern somit keinen Mehraufwand durch Bearbeitungsvorgänge. Genauso ist es möglich, die Düse als separaten Teil auszuführen, wobei vorgesehen sein kann, dass die Düse durch ein topfförmiges, in den Kühlkanal eingestecktes Umlenkstück, vorzugsweise aus Blech, gebildet ist. Das Umlenkstück wird zweckmässigerweise von der Seite der Zylinderkopfebene in den Kühlkanal eingebracht. Die Auslegung und Konstruktion des Zylinderkopfes kann somit ungeachtet von Bearbeitungsvorgängen für die Schaffung von Kühlmittelbohrungen erfolgen.
Bei einem Zylinderkopf mit einem etwa zentral angeordneten, zylindrischen Aufnahmeteil für eine Einspritzeinrichtung, beispielsweise eine Hülse oder einen Butzen, ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein erster, ein zweiter und/oder ein dritter Kühlkanal etwa radial auf den Aufnahmeteil gerichtet ist.
Wenn das aus den Düsen ausströmende Kühlmittel frontal auf den Aufnahmebereich für die Einspritzeinrichtung auftrifft, kann in diesem Bereich ein Kühlmittelstau mit schlechtem
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Wärmeübergang und somit schlechter Wärmeabfuhr entstehen. Dies ist besonders ungünstig, da oft in diesen Bereichen ein besonders hoher Wärmeeintrag erfolgt.
Um dies zu vermeiden ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass zumindest ein Kühlkanal tangential auf den Aufnahmeteil gerichtet ist. Die aus den Düsen austretenden Kühlmittelstrahlen prallen somit nicht mehr frontal gegen die zylindrische Wand des Aufnahmeteiles, sondern strömen tangential an dieser entlang, sodass der Kühlmittelstrahl - statt sich in zwei Teilströme aufzusplitten - in einer Richtung um den Aufnahmeteil herum und in der Folge schraubenförmig in den oberen Kühlmittelraum des Zylinderkopfes strömt.
Die tangentiale Anströmung kann in besonders einfacher Weise erreicht werden, wenn zumindest ein Einlasskanal und/oder zumindest ein Auslasskanal eine vorzugsweise durch eine angegossene Nase gebildete Leitfläche aufweist, welche die aus zumindest einem Kühlkanal austretende Kühlströmung tangential auf den Aufnahmeteil lenkt.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
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1Fig. 2 einen bekannten Einzylinderkopf in einem Schnitt quer zur Zylinderachse, Fig. 3 einen erfindungsgemäss ausgebildeten Zylinderkopf quer zur Zylinderachse in einer Ausführungvariante, Fig. 4 einen erfindungsgemäss ausgebildeten Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 5 einen erfindungsgemäss ausgebildeten Zylinderkopf in einer dritten Ausführungsvariante und Fig. 6 ein Detail im Schnitt gemäss der Linie VI-VI in Fig. 5.
Fig. 1 zeigt den Zylinderkopf 101 einer bekannten Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindem 102 in einem Schnitt quer zur Zylinderachse 103a durch den unteren Kühlmittelraum 104. Die Brennkraftmaschine weist pro Zylinder 102 zwei Auslassventile 105,106 auf, welche jeweils einen Auslasskanal 107,108 verschliessen. Weiters weist der Zylinderkopf 101 zwei Einlassventile 109,110 auf, über welche jeweils ein Einlasskanal 111,112 in den Brennraum mündet. In den unteren Kühlmittelraum 104 mündet ein von einer Steigleitung 120 abzweigender Kühlkanal 121 ein. Der Kühlkanal 121 ist in der bekannten Ausführung gebohrt, weshalb eine Öffnung 121a in der Wand 101b des Zylinderkopfes 101 erforderlich ist, welche nachträglich durch ein Verschlusselement 121b wieder verschlossen wird.
Die Steigleitung 120 ist mit einem nicht weiter dargestellten Kühlmantel um die Zylinderbüchse des Zylinderblockes verbunden.
Der Kühlkanal 121 ist auf einen zentralen Bereich 103 etwa quer zur Zylinderachse 103a gerichtet, so dass das Kühlmittel gemäss dem Pfeil 119 zwischen die Auslasskanäle 107 und 108 strömt und den als Steg 115 bezeichneten Bereich des Zylinderkopfbodens 101 a zwischen den beiden Auslassventilen 105,106 kühlt. Dabei teilt sich der Kühlmittelstrahl, wobei ein Teil in den oberen Kühlmittelraum des Zylinderkopfes 101 aufsteigt und der Rest zu einem im zentralen Bereich 103 angeordneten Aufnahmeteil 113 zur Aufnahme einer nicht weiter dargestellten Einspritzeinrichtung strömt, wobei sich der Kühlmittelstrahl in die Teilstrahlen 119a und 119b aufteilt. Der Aufnahmeteil 113 ist beispielsweise eine Hülse oder ein Butzen.
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Die Stege 116,117 zwischen Auslassventil 105 und Einlassventil 109 bzw. zwischen Auslassventil 106 und Einlassventil 110, werden schon deutlich schlechter gekühlt, da die erwähnten Teilstrahlen 119a, 119b zwischen den Auslassventilen 105,106 und der zylindrischen Wand 114 des Aufnahmeteiles 113 zu einem grossen Teil nach oben abgelenkt werden. Wird entsprechend dem allgemeinen Trend die Leistung mittels Aufladung noch höher getrieben und die Wärmebelastung somit gesteigert, reicht bei diesem bekannten Zylinderkopf 101 die Kühlung nicht mehr aus, um die Bauteiltemperaturen im annehmbaren Bereich zu halten.
In Fig. 2 ist ein bekannter Einzelzylinderkopf 201 einer sogenannten mittelschnellaufenden Brennkraftmaschine dargestellt, welche beispielsweise in einer Lokomotive oder in einem kleineren Schiff verwendet wird. Mittelschnelläufer werden zur Erzielung hoher Leistung schon bei niedrigen Drehzahlen mit hoher Aufladung ausgeführt. Dadurch wird der Zylinderkopf 201 mechanisch und thermisch hoch beansprucht. Um trotzdem ausreichende Kühlung zu gewährleisten, wird bei diesen Motoren die sogenannte "Bohrungskühlung" angewandt.
Bei diesen kommt das Kühlmittel von unten aus dem Kühlmantel um die Zylinderbüchse des Zylinders 202 über eine Steigleitung oder über eine Anzahl von Einzelbohrungen 220 in den unteren Kühlraum 204 des Zylinderkopfes 201. Von dort strömt es durch vier als Bohrungen ausgebildete Kühlmittelkanäle 221,224, 227,230 zwischen den Auslassventilen 205,206 und Einlassventilen 209,210 zu einem zentralen Bereich 203, in welchem der Aufnahmeteil 213 für die Einspritzeinrichtung angeordnet ist. Die Kühlkanäle 221,224, 227 und 230 verlaufen radial zum Aufnahmeteil 213 und quer zur Zylinderachse 203a. Das Kühlmittel strömt aus Kühlkanälen 221,224, 227 und 230 gemäss den Pfeilen 219 und 219a zum zentralen Bereich 203 und von dort entlang der Wand 214 des Aufnahmeteiles 213 in den oberen Kühlmittelraum des Einzelzylinderkopfes 201.
Dadurch werden sowohl der Steg 215 zwischen den Auslassventilen 205,206, als auch die Stege 216,217 zwischen Auslassventilen 205,206 und Einlassventilen 209,210 und auch der Steg 218 zwischen den Einlassventilen 209, 210 optimal gekühlt, da an den Stellen hoher Wännebelastung eine grosse Wassergeschwindigkeit mit sehr gutem Wärmeübergang erzielt wird. Diese Art der Kühlung ist allerdings in der Herstellung sehr teuer, da von vier Seiten des Einzelzylinderkopfes 201 gebohrt werden muss und für die Bohrungen an jeder Seite des Einzelzylinderkopfes 201 Öffnungen 221a, 224a, 227a, 230a angebracht und über Verschlusselemente 221b, 224b, 227b, 230b dicht verschlossen werden müssen.
In Fig. 3 bis 6 sind Ausführungsvarianten der Erfindung dargestellt, wobei funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Fig. 3 zeigt einen Zylinderkopf 1 im Bereich eines Zylinders 2 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei die Wand des Zylinderkopfes mit Ib und die Zylinderachse mit 3a bezeichnet ist. Pro Zylinder 2 sind zwei Auslassventile 5, 6 vorgesehen, von denen jeweils ein Auslasskanal 7,8 ausgeht. Zwei Einlasskanäle 11,12 münden über jeweils ein Einlassventil 9, 10 in den Brennraum des Zylinders 2. Pro Zylinder 2 sind weiters in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante ein erster Kühlkanal 21, zwei zweite Kühlkanäle 24,27 und ein dritter Kühlkanal 30 vorgesehen, wobei jeder Kühlkanal 21, 24, 27, 30 auf einen zentralen Bereich 3,
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etwa quer zur Zylinderachse 3a gerichtet ist.
Jeder Kühlkanal 21,24, 27,30 wird über eine Steigleitung 20,23, 26,29 mit Kühlmittel aus dem Kühlmantel des nicht weiter dargestellten Zylinderblockes versorgt. Im Bereich der Mündung der Kühlkanäle 21, 24, 27, 30 in den unteren Kühlmittelraum 4 des Zylinderkopfes 1 ist jeweils eine Düse 22,25, 28,31 vorgesehen, über welche Kühlmittelstrahlen gemäss den Pfeilen 19 entlang der Stege 15,16, 17 und 18 des Zylinderkopfbodens la zum Aufnahmeteil 13 für eine Einspritzemrichtung, beispielsweise eine Hülse oder einen am Zylinderkopf 1 angeformten Butzen, strömen. Im Bereich der zylindrischen Wand 14 des Aufnahmeteiles 13 entstehen Teilströmungen in Richtung des oberen Kühlmittelraumes des Zylinderkopfes 1, wie durch die Pfeile 19a, 19b angedeutet ist.
Dadurch werden sowohl die Stege 15, 16, 17 und 18, als auch der Aufnahmeteil 13 für die Einspritzeinrichtung ausreichend gekühlt. Da die Kühlkanäle 21,24, 27, 30 als auch die Düsen 22,25, 28, 31 zusammen mit dem Zylinderkopf 1 gegossen werden, ist eine besonders einfache Herstellung möglich.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsvariante unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 dadurch, dass die Düsen 22,25, 28 des ersten Kühlkanales 21 und der zweiten Kühlkanäle 24,27 etwa tangential auf den Aufnahmeteil 13 gerichtet sind und somit einen Drall der Kühlmittelströmung um die Zylinderachse 3a erzwingen. Dadurch wird vermieden, dass der aus den Düsen 22,25, 28 ausströmende Kühlmittelstrahl, der durch die Pfeile 19 symbolisiert ist, auf die Wand 14 des zylindrischen Aufnahmeteiles 13 für die Einspritzeinrichtung aufprallt und in diesem Gebiet ein Strömungsstau entsteht, welcher einen schlechten Wärmeübergang und somit eine schlechte Wärmeabfuhr bewirken würde.
Die tangentiale Anströmung des Aufnahmeteiles 13 kann darüber hinaus noch durch Leitflächen 32,33 und 34 an den Auslasskanälen 7,8 und am Einlasskanal 11 unterstützt werden. Die Leitflächen 32, 33,34 können in einfacher Weise durch angeformte Nasen 32a, 33a, 34a gebildet sein. Die dadurch ausgebildete schraubenförmige Drallströmung, welche das Kühlmittel in den oberen Wasserraum des Zylinderkopfes 1 führt, ist in Fig. 4 durch die Pfeile 19a angedeutet.
Bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsvarianten sind die Düsen 22, 25, 28 und 31 mit dem Zylinderkopf 1 mitgegossen. Fig. 5 zeigt dagegen eine Ausführungsvariante, bei der die Düsen 22, 25, 28 und 31 durch separate, topfförmige Umlenkstücke 22a, 25a, 28a und 31 a gebildet sind. Die Umlenkstücke 22a, 25a, 28a und 31 a werden beispielsweise aus Blech hergestellt, und können entweder in den Zylinderkopf 1 eingegossen sein oder-wie aus der Detaildarstellung aus Fig. 6 hervorgeht-von der Seite der Zylinderkopfdichtebene Ic des Zylinderkopfbodens 1 a in die Kühlkanäle 21, 24, 27 und 30 eingeschoben sein.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung kann, insbesondere bei verdrehter Anordnung der Ventile, eine optimale Kühlung in thermisch hochbeanspruchten Bereichen ohne konstruktive Einschränkung wegen Schaffung von Kühlmittelbohrungen erreicht werden.