AT509532B1 - Zylinderkopf eines verbrennungsmotors mit einem kühlkreislauf - Google Patents

Abstract

Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors, in dem ein Kühlkreislauf (30) für die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist, der eine periphere Leitung 26 aufweist, die einen Auslassventilsitz 22 umschließt, und eine periphere Leitung 27, die einen Einlassventilsitz 23 umschließt, die miteinander mittels einer Verbindungsleitung 32 kommunizieren, und wobei der Zylinderkopf einen ersten Kühlflüssigkeitseingang 31 und einen zweiten Kühlflüssigkeitseingang 33 sowie einen Ausgang für erhitzte Kühlflüssigkeit aufweist, und wobei der zweite Eingang 33 mit der Verbindungsleitung 32 kommuniziert.

Description

österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit einem Kühlkreislauf, insbesondere durch Ölkühlung.

[0002] Der Bereich der Erfindung ist derjenige der durch einen Ölkreislauf gekühlten Verbrennungsmotoren, und insbesondere derjenige der in der Luftfahrt benutzten Motoren.

[0003] Die Erfindung betrifft im Besonderen die Ölkühlung von Zylinderköpfen und Ventilsitzen eines Verbrennungsmotors.

[0004] Verbrennungsmotoren weisen im Allgemeinen einen Brennraum auf, der durch einen Zylinder begrenzt wird, in dem ein Kolben entlang einer geradlinigen Bahn gleichförmig gleitet. Diese geradlinige Bewegung wird anschließend mittels eines Pleuels, der den Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, in eine Drehbewegung umgeformt.

[0005] Jeder Zylinder ist in seinem oberen Bereich durch einen Zylinderkopf abgeschlossen, der mindestens zwei Ventile aufweist: [0006] - ein Einlassventil, das den Einlass von Verbrennungsluft in den Brennraum durch einen Einlasskanal ermöglicht, der in dem Zylinderkopf angeordnet ist; [0007] - ein Auslassventil, das den Auslass der Abgase aus dem Brennraum zum Auspuff durch einen Auslasskanal ermöglicht, der in dem Zylinderkopf angeordnet ist.

[0008] Im Allgemeinen verfügt der Zylinderkopf weiter über mindestens zwei Ventilsitze, einen Sitz des Einlassventils und einen Sitz des Auslassventils, mit denen die Ventile in ihrer Ruheposition in Kontakt sind, um die Kanäle vom Brennraum zu trennen.

[0009] Die Ventilsitze spielen eine wichtige Rolle bei Verbrennungsmotoren. Wenn der Kontakt zwischen Ventilsitz und Ventil nicht perfekt ist, also wenn die Ventile auf dem Sitz schlecht angeordnet sind oder Bearbeitungsfehler der Sitze vorliegen, können Lecks bei den Ventilen entstehen, die den Verdichtungsgrad des Motors verschlechtern und damit seine Ausbeute, seine Leistung, sein Abgasverhalten und seine Lebensdauer.

[0010] Bei laufendem Motor komprimiert der Kolben das Luft-Treibstoff-Gemisch, das in die Verbrennungskammer injiziert wird, um es zünden zu lassen; die Zündung kann im Falle eines Motors mit gesteuerter Zündung durch einen Funken oder durch Selbstzündung in Abhängigkeit vom Druck im Zylinder ausgelöst werden.

[0011] Die thermische Energie aus der Explosion wird in mechanische Energie umgeformt, die dem Kolben eine alternierende geradlinige Bewegung im Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt ermöglicht.

[0012] Durch die Explosion des Luft-Treibstoff-Gemisches in der Brennkammer des Motors sind der Kolben, die Ventilsitze und der Zylinderkopf hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, da sich diese Teile in direktem Kontakt mit dem entzündlichen Gemisch in der Kammer befinden.

[0013] Die Ventilsitze unterliegen hohen thermischen Belastungen, insbesondere die Ventilsitze der Auslassventile, die nicht von den einströmenden Frischgasen gekühlt werden, im Gegensatz zu den Sitzen der Einlassventile, die im Einlasstakt von der einströmenden Luft gekühlt werden.

[0014] So beträgt bei laufendem Motor die Temperatur des Zylinderkopfes etwa 220 °C, während die Temperatur der Ventilsitze nahezu 400 °C erreichen kann.

[0015] Um die einzelnen Bauteile des Motors zu schützen, ist eine Kühlung dieser Bauteile erforderlich.

[0016] Die Kühlung des Zylinderkopfes, und insbesondere des Teils, der mit dem zündfähigen Gemisch in Kontakt steht, wird durch den Durchfluss von Öl um die beiden Ventilsitze des Zylinderkopfes sichergestellt. 1 /12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15 [0017] Das Kühlöl zirkuliert typischerweise in einem Kreislauf, der insbesondere durch zwei Ausfräsungen hergestellt wird: die Fräsung einer ersten Kehle auf der Zylinderkopfseite und die Fräsung einer zweiten Kehle auf Seiten des Ventilsitzes, wobei der Kanal beim Zusammenbau durch Einpressen der Ventilsitze in den Zylinderkopf gebildet wird.

[0018] Die bekannten Ölkühlkreisläufe erlauben aber nicht die ausreichende Kühlung des Zylinderkopfes und der Ventilsitze. Außerdem ist die Verteilung der Kühlwirkung nicht optimal an die Lage der heißesten Punkte des Zylinderkopfes und der Ventilsitze angepasst, was die Lebensdauer der Teile begrenzt.

[0019] Die DE 38 29 339 C1 und die EP 206 125 A2 zeigen Kühlsysteme an Zylinderköpfen. Insbesondere beschreibt die EP 206 125 A2 ein verbessertes Kühlsystem, das eine Ovalisie-rung des Auslassventilsitzes aufgrund unterschiedlicher thermischer Belastungen um den Auslassventilsitz vermeidet. Die Verbesserung des Kühlsystems wird durch Anordnung einer peripheren Leitung, die den Auslassventilsitz umgibt, durchgeführt. Somit ist die Kühlung des Auslassventilsitzes homogen.

[0020] Vor diesem Hintergrund soll die Erfindung die oben geschilderten Probleme lösen und einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit einem Kühlkreislauf vorschlagen, der die Kühlung des Zylinderkopfes und der Ventilsitze durch einen optimierten Kühlkreislauf verbessert. Insbesondere soll ein Zylinderkopf geschaffen werden, der einen Kühlkreislauf enthält, der geeignet ist, effizient den Auslassventilsitz zu kühlen und insbesondere Bereiche des Auslassventilsitzes zu kühlen, die hoher thermischer Belastung unterworfen sind.

[0021] Hierzu schlägt die Erfindung einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit einem darin angeordneten Kühlkreislauf für die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit vor, der aufweist: [0022] - einen Auslasskanal, der in eine kreisförmige Auslasskammer mündet, die entlang ihres Umfangs eine ringförmige, periphere Kehle aufweist, [0023] - einen Auslassventilsitz, der in der kreisförmigen Auslasskammer angeordnet ist, und der eine ringförmige, periphere Kehle entlang seines Umfangs aufweist; wobei die ringförmige, periphere Kehle der Auslasskammer und die ringförmige, periphere Kehle des Auslassventilsitzes durch Montage des Auslassventilsitzes in die kreisförmige Auslasskammer eine periphere Leitung für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit um den Auslassventilsitz in der kreisförmigen Auslasskammer bilden; [0024] - einen Einlasskanal, der in eine kreisförmige Einlasskammer mündet, die entlang ihres Umfangs eine ringförmige, periphere Kehle aufweist, [0025] - einen Einlassventilsitz, der in der kreisförmigen Einlasskammer angeordnet ist und der eine ringförmige, periphere Kehle entlang seines Umfangs aufweist; wobei die ringförmige, periphere Kehle der Einlasskammer und die ringförmige, periphere Kehle des Einlassventilsitzes durch Montage des Einlassventilsitzes in die kreisförmige Einlasskammer eine periphere Leitung für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit um den Einlassventilsitz in der kreisförmigen Einlasskammer bilden; [0026] dadurch gekennzeichnet, dass [0027] - die den Auslassventilsitz umschließende periphere Leitung und die den Einlassven tilsitz umschließende periphere Leitung mittels einer Verbindungsleitung miteinander kommunizieren; [0028] - die periphere, den Auslassventilsitz umschließende Leitung einen variablen Quer schnitt um den Auslassventilsitz aufweist; [0029] - der Zylinderkopf einen ersten Kühlflüssigkeitseinlass, einen zweiten Kühlflüssig keitseinlass und einen Auslass für erwärmte Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der zweite Einlass mit der Verbindungsleitung kommuniziert.

[0030] Die Erfindung ist insbesondere geeignet für Verbrennungsmotoren mit jeweils einem Zylinderkopf pro Zylinder, wie z.B. Flugzeugmotoren. Jedoch ist die Erfindung ebenso geeignet 2/12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15 für Verbrennungsmotoren mit einem gemeinsamen Zylinderkopf für alle Zylinder, wie z.B. Automotoren.

[0031] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kühlflüssigkeit Kühlöl.

[0032] Dank der Erfindung kann die Wirksamkeit der Kühlung, insbesondere durch Ölkühlung, des Zylinderkopfes und insbesondere der Auslassventilsitze durch einen Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlflüssigkeitseinlass und einem zweiten Kühlflüssigkeitseinlass, der kalte Kühlflüssigkeit zu einem Anschluss leitet, der zwischen dem Einlassventilsitz und dem Auslassventilsitz angeordnet ist, verbessert werden. Der Eintritt von kalter Kühlflüssigkeit erlaubt somit die Kühlung der Kühlflüssigkeit vor dem Eintritt in die periphere Leitung, die den Auslassventilsitz umschließt.

[0033] Vorteilhaft kann die Wirksamkeit der Kühlung des Zylinderkopfes, und insbesondere des Auslassventilsitzes, durch Kombination des zweiten Kühlflüssigkeitseinlasses mit mindestens einer optimierten Wärmeaustauschfläche, z.B. mit Wellenform, verbessert werden, die so den Wärmeaustausch zwischen den Teilen und der Kühlflüssigkeit im Bereich der peripheren Leitungen bei laufendem Motor verbessert.

[0034] Dank der Erfindung werden der Zylinderkopf des Motors und insbesondere die Ventilsitze des Auslassventils bei laufendem Motor besser gekühlt, was eine Verbesserung der Lebensdauer dieser Teile garantiert.

[0035] Der Zylinderkopf gemäß der Erfindung kann auch eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen auftreten können: [0036] - die das Auslassventil umschließende ringförmige, periphere Kehle weist eine wellen förmigen Querschnitt auf, der durch eine erste Ausnehmung, eine Vorwölbung und eine zweite Ausnehmung gebildet wird; [0037] - die ringförmige, periphere Kehle der ringförmigen Auslasskammer weist einen Ab schnitt mit halbkreisförmigem oder wellenförmigem Querschnitt durch Aufeinanderfolge einer ersten Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung auf; [0038] - der Querschnitt der den Auslassventilsitz umschließenden peripheren Leitung variiert um den Auslassventilsitz zwischen 24 mm2 und 36 mm2; [0039] - die den Einlassventilsitz umschließende ringförmige, periphere Kehle weist einen wellenförmigen Querschnitt zum Durchfluss der Kühlflüssigkeit auf, der von einer ersten Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung gebildet wird; [0040] - die ringförmige, periphere Kehle der ringförmigen Einlasskammer weist einen halb kreisförmigen oder wellenförmigen Querschnitt durch Aufeinanderfolge einer ersten Ausnehmung, einer Vonwölbung und einer zweiten Ausnehmung auf; [0041] - die den Einlassventilsitz umfassende periphere Leitung hat einen um den Einlassven tilsitz variablen Querschnitt; [0042] - der Querschnitt der den Einlassventilsitz umfassenden peripheren Leitung um den

Einlassventilsitz variiert zwischen 6 mm2 und 21 mm2.

[0043] Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich klarer aus der nachfolgenden Beschreibung, die der Erläuterung dient und keinesfalls einschränkend zu verstehen ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen, die folgendes darstellen: [0044] Figur 1 stellt eine perspektivische Darstellung eines Zylinderkopfes eines Verbren nungsmotors dar (die Ventilsitze sind in dieser Figur nicht dargestellt, um eine bessere Lesbarkeit zu gewährleisten); [0045] Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Zylinderkopfes gemäß der Erfindung ent lang der Fläche AA' aus Figur 1 mit Ventilsitzen, in der ein Kühlkreislauf hervorgehoben ist; 3/12

österreichisches Patentamt AT509 532 B1 2013-10-15 [0046] Figur 3 stellt eine zweite Schnittansicht gemäß einer zweiten Ebene BB' dar, die in

Figur 1 dargestellt ist und die Ventilsitze aufweist; [0047] Figur 4 stellt detaillierter den Ölkühlkreislauf des Zylinderkopfes gemäß der Erfindung im Bereich der Einlassventile dar; [0048] Figur 5 stellt detaillierter den Ölkühlkreislauf des Zylinderkopfes gemäß der Erfindung im Bereich der Auslassventile dar.

[0049] In den Abbildungen tragen außer bei gegenteiliger Angabe gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen.

[0050] Figur 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfes 10 eines Verbrennungsmotors dar, wie z.B. einen in der Luftfahrt eingesetzten Motor.

[0051] Figur 2 ist eine Schnittdarstellung des Zylinderkopfes 10 gemäß einer ersten Schnittebene AA, die im Wesentlichen parallel zur Ebene des Zylinderkopfes 10 aus Figur 1 ist.

[0052] Figur 3 ist eine zweite Schnittdarstellung des Zylinderkopfes 10 gemäß einer zweiten Schnittebene BB' aus Figur 1, die die Querschnitte der ringförmigen Einlass- und Auslassleitungen darstellt, in denen die Kühlflüssigkeit um die Ventilsitze zirkuliert.

[0053] Der dargestellte Zylinderkopf 10 entspricht einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, in dem jeder Zylinder des Motors einen eigenen Zylinderkopf aufweist.

[0054] Der-Zylinderkopf 10 ist geeignet, die (nicht-dargestellte) Brennkammer, die aus einem Zylinder und einem darin gleitenden Kolben besteht, um das Volumen der Brennkammer zu verändern, im oberen Bereich abzuschließen. Hierfür stellt die Auflagefläche 11 des Zylinderkopfes die Ebene der Dichtung zwischen dem Zylinderkopf 10 und dem (nicht dargestellten) Motorblock dar, der die Brennkammer umfasst.

[0055] Der Zylinderkopf 10 umfasst: [0056] - eine Einlassleitung 13, die den Zylinderkopf 10 durchquert und in einer Einlasskam mer 15 mündet, die eine kreisförmige Kammer gegenüber der (nicht dargestellten) Brennkammer bildet; [0057] - eine Auslassleitung 12, die ebenfalls den Zylinderkopf 10 durchquert und in einer

Auslasskammer 14 mündet, die eine kreisförmige Kammer gegenüber der (nicht dargestellten) Brennkammer bildet.

[0058] Die Einlassleitung 13 erlaubt die Versorgung der Brennkammer mit einem Brenngas mittels eines (nicht dargestellten) Einlassventils, das beweglich ist zwischen einer geöffneten Position, die den Einlass des Brenngases in die Brennkammer erlaubt, und einer geschlossenen Position, in der das Einlassventil an einem Einlassventilsitz 23 anliegt.

[0059] Die Einlassleitung 12 ist geeignet, die verbrannten Gase aus der Verbrennung in der Brennkammer mittels eines (nicht dargestellten) Auslassventils auszulassen, das beweglich ist zwischen einer geöffneten Position, die den Auslass der verbrannten Gase durch einen Auspuff ermöglicht, und einer geschlossenen Position, in der das Auslassventil an einem Auslassventilsitz 22 anliegt.

[0060] Die Sitze der Ventile 22, 23 sind jeweils eingeschrumpft in die Kammern 14, 15 und weisen ein inneres Profil auf, das im Wesentlichen konisch im Bereich ihres Endes ist, das gegenüber der Brennkammer angeordnet ist, an dem das Ventil in Anlage kommt, wenn es sich in der geschlossenen Position befindet.

[0061] Der Zylinderkopf 10 wird gekühlt durch Luft mittels einer Vielzahl von Kühlrippen 3 und durch eine Kühlflüssigkeit, üblicherweise durch Öl, mittels eines Kühlkreislaufs 30, der im Zylinderkopf 10 angeordnet ist, und der insbesondere die Ventilsitze 22, 23 umschließt; der Kühlkreislauf 30 erlaubt die Kühlung der heißesten Bereiche des Zylinderkopfes 10 im Kontakt mit dem entzündeten Gasgemisch in der Brennkammer. 4/12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15 [0062] Der Kühlkreislauf 30, oder Ölkreislauf, erlaubt die Sicherstellung der Kühlung des Zylin-derkopfes, insbesondere um den Einlassventilsitz 23 und den Auslassventilsitz 22 durch Zirkulation von Kühlöl.

[0063] Um die Ventilsitze 22, 23 wird der Ölkreislauf 30 gebildet durch Zusammenbau einer ersten ringförmigen Kehle 19, 18, die in das Innere der Einlasskammer 15 bzw. der Auslasskammer 14 gefräst ist, und einer zweiten ringförmigen Kehle 29, 28, die in den Umfang des Einlassventilsitzes 23 bzw. des Auslassventilsitzes 22 gefräst ist.

[0064] So werden beim Zusammenbau durch Einschrumpfen der Ventilsitze 22, 23 ins Innere der Kammern 14, 15 des Zylinderkopfes durch Verbindung der ringförmigen Kehlen 18, 19 der Kammern 14, 15 mit den ringförmigen Kehlen 28, 29 der Sitze 22, 23 die Kanäle gebildet, in denen das Kühlöl zirkuliert, um die Ventilsitze 22, 23 und den Zylinderkopf 10 zu kühlen.

[0065] Figur 2 stellt insbesondere den Zusammenbau des Ölkreislaufs 30 dar, der den Zylin-derkopf durchquert. Der Ölkreislauf 10 umfasst: [0066] - eine erste Einlassleitung 31 für Kühlöl, die die Versorgung mit „kaltem" Kühlöl bis zur peripheren Leitung 27, die den Ventilsitz 23 umschließt, erlaubt; [0067] - eine gebogene Verbindungsleitung 32, die die periphere Einlassleitung 27 mit der peripheren Auslassleitung 26, die den Auslassventilsitz 22 umschließt, verbindet, wobei die Verbindungsleitung 32 mit einer zweiten Einlassleitung 33 für „kaltes" Kühlöl verbunden ist; [0068] - eine Auslassleitung 34, die den Abfluss des „heißen" Kühlöls erlaubt, das im Kontakt mit den Wänden des Zylinderkopfes 10 und der Ventilsitze 22, 23 erhitzt wird.

[0069] Die Zirkulationsrichtung des Kühlöls im Inneren des Kühlkreislaufs ist in Figur 2 durch eine Reihe von Pfeilen dargestellt.

[0070] Um die Ventilsitze 22 und 23 korrekt zu kühlen, und insbesondere den Auslassventilsitz 22, der den größten thermischen Belastungen unterliegt, umfasst die periphere Leitung 26 des Ölkreislaufs 30 um den Auslassventilsitz 22 einen größeren Öldurchlassquerschnitt als die periphere Leitung 27, die den Einlassventilsitz umschließt, um so den Kühlöldurchfluss um den Auslassventilsitz zu erhöhen.

[0071] Außerdem enthält der Ölkreislauf 30 einen zweiten Öleinlass 33, der es in Verbindung mit dem optimierten Querschnitt der peripheren Leitung 26 erlaubt, den Öldurchfluss zu erhöhen, der durch die periphere Leitung des Auslasses 26 fließt.

[0072] Der zweite Eingang 33 von Kühlöl erlaubt die Kühlung der Öltemperatur im Kreislauf 30 durch Zuführung von „kälterem" Öl als das im Kontakt mit den Wänden des Einlassventilsitzes 23 und des Zylinderkopfes 10 aufgeheizte Öl aus dem Kreislauf 30 stromaufwärts. So erlaubt der zweite Kühlöleingang 33 die Optimierung der Wirksamkeit der Kühlung des Auslasssitzes 22 und des Zylinderkopfes 10 um den Auslasssitz 22.

[0073] Bei laufendem Motor ist die Temperatur des Zylinderkopfes nicht homogen, sondern variiert in Abhängigkeit vom Abstand von der Brennkammer. So befindet sich die heißeste Zone des Zylinderkopfes im Wesentlichen zwischen der Auslassleitung 12 und der Einlassleitung 13, wobei der heißeste Punkt in Figur 2 durch den schraffierten Bereich mit Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Die Temperatur des Zylinderkopfes 10 in Nachbarschaft dieser Zone 1 ist im Bereich von 220 °C. Die Ventilsitze erreichen hingegen eine Temperatur im Bereich von 400 °C in der Nähe des Bereichs 1.

[0074] Um die Temperatur des Zylinderkopfs um die Ventilsitze 22, 23 zu homogenisieren und die heißesten Zonen vorteilhaft zu kühlen, enthalten die peripheren Leitungen 26, 27 Öldurchlassquerschnitte, die um den Ventilsitz herum in Abhängigkeit der heißen und kalten Bereiche des Zylinderkopfes 10 variieren. So weisen die peripheren Leitungen 26, 27 gemäß der Erfindung einen größeren Querschnitt in der Nähe der Zone 1 auf, um das Durchflussvolumen des Öls und die Fläche für den Wärmeaustausch zu erhöhen. Diese Veränderung des Querschnitts 5/12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15 der peripheren Leitungen 26, 27 um den Umfang der Ventilsitze 22, 23 erlaubt insbesondere die Homogenisierung der Temperatur des Zylinderkopfes 10 und der Ventilsitze 22, 23 unter Vermeidung großer Temperaturunterschiede im Zylinderkopf.

[0075] Man versteht unter heißer Zone diejenigen Zonen des Zylinderkopfes, die eine Temperatur im Wesentlichen um die 200 °C erreichen. Unter kalter Zone versteht man diejenigen Zonen des Zylinderkopfes, die eine Temperatur im Wesentlichen um die 100 °C erreichen.

[0076] So variiert der Querschnitt der peripheren Einlassleitung 27 für die Zirkulation von Kühlöl um den Einlassventilsitz 23 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen 6 mm2 und 21 mm2 um den Einlassventilsitz 23. Der größte Querschnitt der peripheren Einlassleitung 27 befindet sich in der Nähe der heißesten Zonen des Zylinderkopfes 10 und des Einlassventilsitzes 23, wie in Figur 2 dargestellt.

[0077] Gemäß der vorteilhaften Ausführung der Erfindung variiert der Querschnitt der peripheren Auslassleitung 26 für die Zirkulation von Kühlöl um den Auslassventilsitz 22 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen 24 mm2 und 36 mm2 um den Auslassventilsitz 22. Der größte Querschnitt der peripheren Auslassleitung 26 befindet sich in der Nähe der heißesten Zonen des Zylinderkopfes 10 und des Auslassventilsitzes 22, wie in Figur 2 dargestellt.

[0078] Die Angaben zum Querschnitt der peripheren Leitungen 26, 27 dienen der Orientierung und schränken die beschriebene Ausführungsform der Erfindung in keiner Weise ein.

[0079] Die periphere Auslassleitung 26 weist einen größeren Öldurchlassquerschnitt auf als die periphere Einlassleitung 27 und ermöglicht somit eine größere Kühlkapazität des Auslassventils, das bei laufendem Motor der größten Hitzebelastung unterliegt.

[0080] Die Figuren 4 und 5 sind Detailansichten der Figur 3, die genauer die Querschnitte der peripheren Einlassleitungen 27 und Auslassleitungen 26 darstellen, in denen das Kühlöl um die Ventilsitze 22, 23 zirkuliert.

[0081] Die periphere Einlassleitung 27 wird gebildet von einer Kombination der ringförmigen, peripheren Kehle 29 des Einlassventilsitzes und der ringförmigen Kehle 19 der Einlasskammer 15 des Zylinderkopfes. Die periphere Auslassleitung 26 wird gebildet durch die Kombination der ringförmigen, peripheren Kehle 28 des Auslassventilsitzes und der ringförmigen Kehle 18 der Einlasskammer 14 des Zylinderkopfes 10.

[0082] Der Einlassventilsitz 23, dargestellt in Figur 4, weist eine ringförmige, periphere Kehle 29 auf, die in den Umfang 25 des Einlassventilsitzes 23 gefräst ist und deren Querschnitt wellenförmig ist.

[0083] Die Form des Querschnitts ist im Wesentlichen wellenförmig oder sinusförmig, und wird von einer ersten Ausnehmung 41 gebildet, also durch einen Abtrag von Material im Verhältnis zur Oberfläche des Umfangs 25, gefolgt von einer Vorwölbung 42, die einen Vorsprung im Verhältnis zur ersten Ausnehmung 41 bildet, und durch eine zweiten Ausnehmung 43, ebenfalls gebildet durch einen Abtrag von Material im Verhältnis zur Oberfläche des Umfangs 25. Typischerweise weist die ringförmige Kehle 29 einen wellenförmigen Querschnitt auf, der die Aufeinanderfolge einer Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung von einer Höhe von einigen Millimetern, vorzugsweise von einer Höhe von 6 mm, aufweist.

[0084] So ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Querschnitt der ringförmigen Kehle 29 durch eine ringförmige Ausnehmung, eine ringförmige Auswölbung und eine zweite ringförmige Ausnehmung von gleichem Radius, vorteilhaft von einem Radius von 1 mm, gebildet.

[0085] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die erste ringförmige Ausnehmung 41 und die zweite ringförmige Ausnehmung 42 so ausgerichtet, dass sie eine gleiche Tiefe im Verhältnis zur Oberfläche des Umfangs 25 aufweisen.

[0086] Der Querschnitt der ringförmigen Kehle 19 der Einlasskammer 15 des Zylinderkopfes 10 ist von einer halbkreisförmigen Ausnehmung gebildet, deren Durchmesser der Höhe der ring er 12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15 förmigen Kehle 29 entspricht, d.h. gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 6 mm.

[0087] Der Auslassventilsitz 22, der in der Figur 5 dargestellt ist, weist eine periphere, ringförmige Kehle auf, deren Querschnitt ebenfalls wellenförmig und in den Umfang 24 des Auslassventilsitzes 22 eingefräst ist.

[0088] Auf gleiche Weise wie die vorstehend beschriebene ringförmige, periphere Kehle 29 des Einlassventilsitzes 23 ist die Form des Querschnitts der ringförmigen Kehle 28 im Wesentlichen wellen- oder sinusförmig durch eine Ausnehmung 44, hergestellt durch einen Rücksprung von Material im Verhältnis zur Oberfläche des Umfangs 24, gefolgt von einer Vonwölbung 45, die einen Vorsprung im Verhältnis zur ersten Ausnehmung 44 darstellt, und einer zweiten Ausnehmung 46, hergestellt ebenfalls durch einen Rücksprung von Material im Verhältnis zur Oberfläche des Umfangs 24, gebildet. Typischenweise weist die ringförmige Kehle einen wellenförmigen Querschnitt auf, der eine Aufeinanderfolge einer Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung einer Höhe von einigen Millimetern, vorteilhaft von einer Höhe von 6 mm, darstellt.

[0089] Gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Querschnitt der ringförmigen Kehle 29 also von einer ringförmigen Ausnehmung, einer ringförmigen Vorwölbung und von einer zweiten ringförmigen Ausnehmung von gleichem Radius, vorteilhaft von einem Radius von 1 mm, gebildet.

[0090] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die erste ringförmige Ausnehmung 44 und die zweite ringförmige Ausnehmung 36 so ausgerichtet, dass sie eine gleiche Tiefe im Verhältnis zur Oberfläche des Umfangs 24 aufweisen.

[0091] Die ringförmige Kehle 18 der Einlasskammer 14 des Zylinderkopfes 10 weist ebenfalls einen wellenförmigen Querschnitt auf, ähnlich den ringförmigen Kehlen 28, 29 der Ventilsitze 22, 23.

[0092] So ermöglicht es die Einarbeitung einer ringförmige Kehle mit einem wellenförmigen Querschnitt ausschließlich im Bereich der Ventilsitze, wie in der Figur 4 dargestellt, die Wärmeaustauschoberfläche zwischen Öl und den zu kühlenden Teilen des Motors um mindestens 60% im Vergleich zu ringförmigen Kehlen mit linearem Profil anzuheben.

[0093] Dank der Erfindung erlaubt die Einarbeitung einer ringförmigen Kehle mit einem wellenförmigen Querschnitt im Bereich der Ventilsitze und des Zylinderkopfes, wie in Figur 5 dargestellt, die Erhöhung der Wärmetauscherfläche zwischen dem Öl und den zu kühlenden Teilen um mindestens 80% im Vergleich zu ringförmigen Kehlen mit linearem Profil.

[0094] Somit kann das Profil des Querschnitts der ringförmigen Kehlen 18,19 der Kammern 14, 15 und des Zylinderkopfes 10 ebenso wellenförmig wie halbkreisförmig sein, wobei die Wahl des Profils von der erwünschten Kühlleistung abhängt.

[0095] Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Variation der Querschnitte der peripheren Leitungen 26, 27 durch eine asymmetrische Fräsung der ringförmigen Kehlen 18, 19 ausschließlich auf dem Umfang der kreisförmigen Kammern 14, 15 des Zylinderkopfes 10 erreicht. Die Fräsung wird insbesondere so vorgenommen, dass die ringförmigen Kammern 14, 15 von jedem Ventilsitz eine Asymmetrie aufweisen, die insbesondere von den heißen und kalten Punkten des Zylinderkopfes und der Ventilsitze abhängt.

[0096] So wird dank der Erfindung die Wirksamkeit der Kühlung des Zylinderkopfes und der Ventilsitze durch eine Vergrößerung der Wärmeaustauschoberflächen mit der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs durch ein optimiertes wellenförmiges Profil verbessert.

[0097] Die Bereiche des Durchflusses der Kühlflüssigkeit auf dem Umfang der Ventilsitze sind ebenfalls optimiert, um eine optimale Durchflussgeschwindigkeit des Öls um die Sitze zu garantieren.

[0098] Die Leistungsverluste werden optimiert.

[0099] Die Erfindung ist insbesondere mit einem Teil der wellenförmigen, ringförmigen Kehle 7/12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15 des Einlassventilsitzes und einem Teil der wellenförmigen, ringförmigen Kehle des Auslassventilsitzes mit einer ersten Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung beschrieben; jedoch können die ringförmigen Kehlen der Ventilsitze auch halbkreisförmig sein oder eine andere Form aufweisen. 8/12

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT509 532 B1 2013-10-15 Patentansprüche 1. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors, in dem ein Kühlkreislauf (30) für die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist, der aufweist: - einen Auslasskanal (12), der in eine kreisförmige Auslasskammer (14) mündet, die entlang ihres Umfangs eine ringförmige, periphere Kehle (18) aufweist, - einen Auslassventilsitz (22), der in der kreisförmigen Auslasskammer (14) angeordnet ist, und der eine ringförmige, periphere Kehle (28) entlang seines Umfangs (24) aufweist; wobei die ringförmige, periphere Kehle (18) der Auslasskammer (14) und die ringförmige, periphere Kehle (28) des Auslassventilsitzes (22) durch Montage des Auslassventilsitzes (22) in die kreisförmige Auslasskammer (14) eine periphere Leitung (26) für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit um den Auslassventilsitz (22) in der kreisförmigen Auslasskammer (14) bilden; - einen Einlasskanal (13), der in eine kreisförmige Einlasskammer (15) mündet, die entlang ihres Umfangs eine ringförmige, periphere Kehle (19) aufweist, - einen Einlassventilsitz (23), der in der kreisförmigen Einlasskammer (15) angeordnet ist und der eine ringförmige, periphere Kehle (29) entlang seines Umfangs (25) aufweist; wobei die ringförmige, periphere Kehle (19) der Einlasskammer (15) und die ringförmige, periphere Kehle (19) des Einlassventilsitzes (23) durch Montage des Einlassventilsitzes (23) in die kreisförmige Einlasskammer (15) eine periphere Leitung (27) für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit um den Einlassventilsitz (23) in der kreisförmigen Einlasskammer (15) bilden; dadurch gekennzeichnet, dass - die den Auslassventilsitz (22) umschließende periphere Leitung (26) und die den Einlassventilsitz (23) umschließende periphere Leitung (27) mittels einer Verbindungsleitung (32) miteinander kommunizieren; - die periphere, den Auslassventilsitz (22) umschließende Leitung (26) einen variablen Querschnitt um den Auslassventilsitz (22) aufweist; - der Zylinderkopf (10) einen ersten Kühlflüssigkeitseinlass (31), einen zweiten Kühlflüssigkeitseinlass (33) und einen Auslass (34) für erwärmte Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der zweite Einlass (33) mit der Verbindungsleitung (32) kommuniziert.
2. 2. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Auslassventil (22) umschließende ringförmige periphere Kehle (28) einen wellenförmigen Querschnitt aufweist, der durch eine erste Ausnehmung (44), eine Vorwölbung (45) und eine zweite Ausnehmung (46) gebildet wird.
3. 3. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige periphere Kehle (18) der ringförmigen Auslasskammer (14) einen halbkreisförmigen oder wellenförmigen Querschnitt aufweist, der durch Aufeinanderfolge einer ersten Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung gebildet wird.
4. 4. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der den Auslassventilsitz (22) umschließenden peripheren Leitung (26) um den Auslassventilsitz zwischen 24 mm2 und 36 mm2 (22) variiert.
5. 5. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Einlassventilsitz (23) umschließende ringförmige periphere Kehle einen wellenförmigen Querschnitt zum Durchfluss der Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der Abschnitt gebildet wird von einer ersten Ausnehmung (41), einer Vonwölbung (42) und einer zweiten Ausnehmung (43). 9/12 österreichisches Patentamt AT509 532B1 2013-10-15
6. 6. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige periphere Kehle (19) der ringförmigen Einlasskammer (15) einen halbkreisförmigen oder wellenförmigen Querschnitt aufweist, der durch Aufeinanderfolge einer ersten Ausnehmung, einer Vorwölbung und einer zweiten Ausnehmung gebildet wird.
7. 7. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Einlassventilsitz (23) umschließende periphere Leitung (27) einen variablen Querschnitt um den Einlassventilsitz (23) aufweist.
8. 8. Zylinderkopf (10) eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der den Auslassventilsitz (23) umschließenden peripheren Leitung (27) um den Einlassventilsitz (23) zwischen 6 mm2 und 21 mm2 variiert. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 10/12