AT511601B1

AT511601B1 - Zylinderkopf mit flüssigkeitskühlung

Info

Publication number: AT511601B1
Application number: ATA1104/2011A
Authority: AT
Inventors: Manuel Berger; Christian Auer
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-15
Also published as: EP2737188B1; RU2014107706A; WO2013014113A1; US9309830B2; AT511601A4; CN103827461B; RU2596084C2; EP2737188A1; CN103827461A; US20140305400A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) mit Flüssigkeitskühlung, mit einem in einen Brennraum mündenden Einlasskanal (2) und einem Auslasskanal (3) pro Zylinder, mit einer in den Brennraum einmündenden und an den Einlasskanal (2) und den Auslasskanal (3) angrenzenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung (7), sowie mit zumindest einem im Zylinderkopf (1) angeordneten Kühlraum (20), wobei in einem Bereich des Feuerdeckes (9) ein im wesentlichen parallel zum Feuerdeck (9) verlaufender, insbesondere gebohrter oder vorgegossener, Kühlverteilerkanal (11) angeordnet ist, welcher in einen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (7) umgebenden Ringraum (8) einmündet.Um die Kühlung von thermisch kritischen Bereichen zu verbessern weist der Ringraum (8) zumindest eine im Wesentlichen radiale erste Kühlbohrung auf, welche auf einen zwischen Einlasskanal (2) und Auslasskanal (3) ausgebildeten und an das Feuerdeck (9) grenzenden Ventilstegbereich (14) gerichtet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 511 601 B1 2013-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit Flüssigkeitskühlung, mit einem in einen Brennraum mündenden Einlasskanal und einem Auslasskanal pro Zylinder, mit einer in den Brennraum einmündenden und an den Einlasskanal und den Auslasskanal angrenzenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung, sowie mit zumindest einem im Zylinderkopf angeordneten Kühlraum, wobei in einem Bereich des Feuerdeckes ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck verlaufender, insbesondere gebohrter oder vorgegossener, Kühlverteilerkanal angeordnet ist, welcher in einen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umgebenden Ringraum einmündet, wobei der Ringraum zumindest eine im Wesentlichen radiale, erste Kühlbohrung aufweist, welche auf einen zwischen Einlasskanal und Auslasskanal ausgebildeten und an das Feuerdeck grenzenden Ventilstegbereich gerichtet ist.

[0002] Aus der DE 24 29 355 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem, kühlmittel-durchströmte Kanäle aufweisenden Kühlsystem bekannt, wobei die Kühlkanäle nur in der Nähe von Maschinenbereichen angeordnet sind, die im Betrieb zur Überhitzung neigen. Im Zylinderkopf ist dabei pro Zylinder zwischen einer Verteiler- und einer Auslassleitung ein Kühlwasserkanal angeordnet, welcher in einem eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung umgebenden Ringraum einmündet. Vom Ringraum führt ein Auslasskanal im Ventilstegbereich zwischen Einlasskanal und Auslasskanal zur Hauptauslassleitung.

[0003] Die JP 62-169 221 U offenbar einen Zylinderkopf mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen pro Zylinder, wobei ein Zulaufkanal im Ventilstegbereich zwischen den beiden Auslassventilen in einen eine Kraftstoffeinspritzdüse umgebenden Ringraum mündet. Von diesem Ringraum führt eine weitere Kühlleitung zum Ventilstegbereich zwischen Einlass- und Auslassventil und weiter in einen Kühlraum.

[0004] Ferner ist aus der JP 01-114 917 U eine Zylinderkopf bekannt, wobei ein Kühlkanal, von einem Wassermantel des Zylinderblockes kommend, in einen eine Einspritzdüse umgebenden Ringraum führt und dabei einen Ventilstegbereich zwischen Ein- und Auslassventil passiert.

[0005] Aus der AT 389 565 B ist ein Zylinderkopf einer wassergekühlten Brennkraftmaschine mit einem Einlasskanal und einem Auslasskanal, sowie einer in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinrichtung bekannt, wobei im Bereich des Ventilsteges zwischen den beiden Ventilen ein Kühlverteilerkanal angeordnet ist, welcher in einen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umgebenden Ringraum einmündet. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist dabei - in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit betrachtet - nach dem Ventilstegbereich angeordnet.

[0006] Ähnliche Kühlanordnungen, bei denen die Kühlung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung erst nach dem Ventilstegbereich erfolgt, sind aus den Veröffentlichungen DE 20 37 315 A1, DE 32 08 341 A1 oder DE 24 17 925 A1 bekannt.

[0007] Es hat sich gezeigt, dass bei den bekannten Anordnung in manchen Betriebsbereichen die Kühlung von einigen thermisch kritischen Bereichen, beispielsweise im Bereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder des Auslasskanals, mangelhaft sein kann.

[0008] Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden, und die Kühlung von thermisch kritischen Bereichen zu verbessern.

[0009] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass vom Ringraum und/oder vom Kühlverteilerkanal seitlich zumindest eine, vorzugsweise im Wesentlichen tangential auf den Auslasskanal gerichtete, weitere Kühlbohrung ausgeht, wobei vorzugsweise der zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal angeordnete Ventilstegbereich - in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet -stromabwärts des Ringraumes angeordnet ist.

[0010] Der stromaufwärts des Ringraumes angeordnete Kühlverteilerkanal kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, welcher, beispielsweise mindestens um das 2-fache, größer ist, als der Strömungsquerschnitt der ersten Kühlbohrung sowie allfälliger weiterer Kühlbohrungen. Dadurch wird ein hoher Wärmeübergang in das Kühlmittel ermöglicht. 1 15 österreichisches Patentamt AT 511 601 B1 2013-01-15 [0011] Der Kühlverteilerkanal kann dabei die gleiche Richtung wie die erste Kühlbohrung (Ventilstegkühlbohrung) aufweisen, wobei die Achsen der ersten Kühlbohrung und des Kühlverteilerkanals parallel, vorzugsweise koaxial ausgerichtet sein können. Die erste Kühlbohrung ist somit diametral zum Kühlverteilerkanal - bezogen auf den Ringraumes - angeordnet, wodurch die erste Kühlbohrung von der Seite des Kühlverteilerkanals gebohrt werden kann. Dies ist insbesondere dann einfach möglich, wenn der Ringraum von einem Gussbutzen des Zylinderkopfes und einem in eine Bohrung des Gussbutzens eingesetzte Aufnahmehülse für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung gebildet ist.

[0012] Zur Zufuhr des Kühlmittels kann vorgesehen sein, dass in den Kühlverteilerkanal zumindest eine von der Zylinderkopfdichtebene ausgehende Versorgungsbohrung einmündet. Es besteht auch die Möglichkeit den Kühlverteilerkanal und die Versorgungsbohrung vorzugießen.

[0013] Um weitere kritische Bereich des Auslasskanals effektiv zu kühlen, ist es besonders vorteilhaft wenn eine zweite Kühlbohrung im Bereich des Feuerdeckes, vorzugsweise im Bereich der Einmündung des Kühlverteilerkanals in den Ringraum, angeordnet sein. Weiters kann eine dritte Kühlbohrung von einem oberen Bereich des Ringraumes ausgehen, wobei vorzugsweise die dritte Kühlbohrung von der zweiten Kühlbohrung - in Richtung der Zylinderachse betrachtet - beabstandet ist. Diese dritte Kühlbohrung kann auch zur Entlüftung des Ringraumes verwendet werden.

[0014] Auf diese Weise kann eine sehr effektive Kühlung um die Kraftstoffeinspritzeinrichtung, des Auslasskanals und des Bereiches des Ventilsteges zwischen den beiden Ventilen erzielt werden.

[0015] Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. näher erläutert.

[0016] Es zeigen [0017] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie l-l in

Fig. 2, [0018] Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie ll-ll in Fig. 1, [0019] Fig. 3 dem Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 1 und [0020] Fig. 4 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht.

[0021] Der Zylinderkopf 1 einer mit Kühlflüssigkeit gekühlten Brennkraftmaschine weist einen Einlasskanal 2 und einen Auslasskanal 3 pro Zylinder auf, wobei Einlasskanal 2 und Auslasskanal 3 über eine Einlassöffnung 4 bzw. eine Auslassöffnung 5 in einen nicht weiter bezeichne-ten Brennraum einmünden. Einlass- und Auslassöffnungen 4, 5 werden durch nicht weiter dargestellte Hubventile gesteuert. Angrenzend an Einlasskanal 2 und Auslasskanal 3 ist ein Butzen 6 (Gussbutzen) zur Aufnahme einer in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 angeordnet.

[0022] Der Zylinderkopf 1 weist zumindest einen Kühlraum 20 auf, wobei in einem Bereich des Feuerdeckes 9 des Zylinderkopfes 1 eine Materialanhäufung 10 mit einem im wesentlichen parallel zum Feuerdeck 9 verlaufenden, gebohrten oder gegossenen Kühlverteilerkanal 11 angeordnet ist, welcher in einen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 umgebenden Ringraum 8 zur Kühlung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 einmündet. Der Ringraum 8 wird durch den Butzen 6 und eine in den Butzen 6 eingesteckte Aufnahmehülse 12 für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 gebildet.

[0023] Der Ringraum 8 weist im Bereich des Feuerdeckes 9 eine radiale erste Kühlbohrung 13, welche auf einen zwischen Einlassöffnung 4 und Auslassöffnung 5 angeordneten Ventilstegbereich 14 gerichtet ist. Der Ventilstegbereich 14 befindet sich dabei - in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet - stromabwärts des Ringraumes 8. Die erste Kühlbohrung 13, welche zur Kühlung des Ventilstegbereiches 14 dient, weist die gleiche Orientierung auf wie der Kühlverteilerkanal 11, wobei die Achsen 11a, 13a des Kühlverteilerkanals 11 und der ersten Kühlbohrung 13 parallel, vorzugsweise koaxial ausgerichtet sind und so einfacher herstellbar sind. 2/5

Claims

österreichisches Patentamt AT 511 601 B1 2013-01-15 [0024] Der stromaufwärts des Ringraumes 8 angeordnete Kühlverteilerkanal 11 weist einen Strömungsquerschnitt auf, welcher gleich groß oder wesentlich größer, beispielsweise doppelt so groß, wie der Strömungsquerschnitt der ersten Kühlbohrung 13 ist. [0025] Im Ausführungsbeispiel geht vom Ringraum 8 und/oder vom Kühlverteilerkanal 11 weiters eine zweite Kühlbohrung 15 und eine dritte Kühlbohrung 16 aus, wobei die zweite Kühlbohrung 15 im Bereich des Feuerdeckes 9, beispielsweise im Bereich der Einmündung des Kühlverteilerkanals 13 in den Ringraum 8, angeordnet sein kann. Die dritte Kühlbohrung 16 geht von einem dem Feuerdeck 9 abgewandten oberen Bereich 8a des Ringraumes 8 aus und ist von der zweiten Kühlbohrung 15 - in Richtung der Zylinderachse 1 a betrachtet - beabstandet Die zweite Kühlbohrung 15 und/oder die dritte Kühlbohrung 16 ist etwa tangential auf die dem Kühlraum 20 zugewandte Außenfläche 3a des Auslasskanals 3 gerichtet. [0026] In den Kühlverteilerkanal 13 mündet eine das Feuerdeck 9 durchdringende Versorgungsbohrung 17 ein, welche von der an einen nicht weiter dargestellten Zylinderblock grenzenden Zylinderkopfdichtebene 18 ausgeht. Über die Versorgungsbohrung 17 steht der Kühlverteilerkanal 13 mit einem Kühlmantel im Zylinderblock oder einer Wasserverteilleiste in Strömungsverbindung. [0027] Das Kühlmittel strömt entsprechend den Pfeilen S vom Kühlmantel des Zylinderblockes kommend durch die Versorgungsbohrung 17 in den Kühlverteilerkanal 13 und weiter in den Ringraum 13, wo die Aufnahmehülse 12 umströmt und somit die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7 gekühlt wird. Danach strömt das Kühlmittel durch die erste Kühlbohrung 13 zum Ventilstegbereich 14 zwischen der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5, welcher dadurch ausreichend gekühlt wird. Gleichzeitig strömt Kühlmittel auch durch die zweite Bohrung 15 und die dritte Bohrung 16 zur Außenfläche 3a des Auslasskanals 3 und sorgt für eine optimale Kühlung der Auslasskanäle. Durch geeignete Dimensionierung der Querschnitte der ersten, zweiten und dritten Kühlbohrung 13, 15, 16 lässt sich die erzielte Kühlwirkung an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Nach Kühlung der kritischen Bereiche des Kraftstoffeinspritzeinrichtung 7, des Ventilstegbereiches 14 und des Auslasskanals 3 wird das Kühlmittel im Kühlraum 20 gesammelt und durch nicht weiter dargestellte Austrittsöffnungen aus dem Zylinderkopf 1 abgeführt. Patentansprüche 1. Zylinderkopf (1) mit Flüssigkeitskühlung, mit einem in einen Brennraum mündenden Einlasskanal (2) und einem Auslasskanal (3) pro Zylinder, mit einer in den Brennraum einmündenden und an den Einlasskanal (2) und den Auslasskanal (3) angrenzenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung (7), sowie mit zumindest einem im Zylinderkopf (1) angeordneten Kühlraum (20), wobei in einem Bereich des Feuerdeckes (9) ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck (9) verlaufender, insbesondere gebohrter oder vorgegossener, Kühlverteilerkanal (11) angeordnet ist, welcher in einen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (7) umgebenden Ringraum (8) einmündet, wobei der Ringraum (8) zumindest eine im Wesentlichen radiale, erste Kühlbohrung (13) aufweist, welche auf einen zwischen Einlasskanal (2) und Auslasskanal (3) ausgebildeten und an das Feuerdeck (9) grenzenden Ventilstegbereich (14) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Ringraum (8) und/oder vom Kühlverteilerkanal (11) seitlich zumindest eine, vorzugsweise im Wesentlichen tangential auf den Auslasskanal (3) gerichtete, weitere Kühlbohrung (15, 16) ausgeht.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Einlasskanal (2) und dem Auslasskanal (3) angeordnete Ventilstegbereich (14) - in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet -stromabwärts des Ringraumes (8) angeordnet ist.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärts des Ringraumes (8) angeordnete Kühlverteilerkanal (11) einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher, vorzugsweise mindestens um das 2-fache, größer ist, als der Strömungsquerschnitt der ersten Kühlbohrung (13). 3/5 österreichisches Patentamt AT 511 601 B1 2013-01-15
4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlverteilerkanal (11) die gleiche Richtung wie die erste Kühlbohrung (13) aufweist und die Achsen (13a, 11a) der ersten Kühlbohrung (13) und des Kühlverteilerkanals (11) parallel, vorzugsweise koaxial ausgerichtet sind.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlverteilerkanal (11) zumindest eine von der Zylinderkopfdichtebene (18) ausgehende Versorgungsbohrung (17) einmündet.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Kühlbohrung (15) im Bereich des Feuerdeckes (9), vorzugsweise im Bereich der Einmündung des Kühlverteilerkanals (11) in den Ringraum (8), angeordnet ist.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine dritte Kühlbohrung (16) von einem oberen Bereich (8a) des Ringraumes (8) ausgeht, wobei vorzugsweise die dritte Kühlbohrung (16) von der zweiten Kühlbohrung (15) - in Richtung der Zylinderachse (1a) betrachtet - beabstandet ist.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (8) von einem Butzen (6) des Zylinderkopfes (1) und einem in eine Bohrung des Butzens (6) eingesetzte Aufnahmehülse (12) für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (7) gebildet ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5