AT6654U1 - Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte mehrzylinder-brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine flüssigkeitgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, mit einer an ein Feuerdeck (2) grenzenden Kühlraumanordnung (3), welche durch ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck (2) ausgebildetes Zwischendeck (4) in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum (5) und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse (6) anschließenden oberen Teilkühlraum (7) unterteilt ist, wobei unterer und oberer Teilkühlraum (5, 7) durch zumindest eine Hauptüberströmöffnung (22) pro Zylinder (A, B) im Bereich einer Seitenwand (1c) des Zylinderkopfes (1) sowie zumindest eine Nebenüberströmung (9a, 9b) im Bereich einer Aufnahmeöffnung (20) für eine, vorzugsweise zentrale, Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) miteinander strömungsverbunden sind.Um die Kühlung zu verbessern, ist vorgesehen, dass zumindest eine Nebenüberströmöffnung (9a, 9b) als Ausbuchtung (20a, 20b) der Aufnahmeöffnung (20) ausgebildet ist, und zumindest eine erste Nebenüberströmöffnung (9a, 9b) im Bereich zumindest eines Steges (30, 31) zwischen Einlasskanal (16) und Aufnahmeöffnung (20) und/oder zwischen Auslasskanal (17) und Aufnahmeöffnung (20) angeordnet ist.

Description

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  Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine   flüssigkeitgekühlte   Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Einlass- und zumindest einem   Auslasskanal   pro Zylinder, mit einer an ein Feuerdeck grenzenden   Kühlrauman-   ordnung, welche durch ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck ausgebildetes Zwischendeck in einen feuerdeckseitigen unteren   Teilkühlraum   und einen an diesen in Richtung der Zylinderachse anschliessenden oberen   Teilkühlraum   unterteilt ist, wobei unterer und oberer   Teilkühlraum   durch zumindest eine Hauptüberströmöffnung pro Zylinder im Bereich einer Seitenwand des Zylinderkopfes sowie zumindest eine Nebenüberströmöffnung im Bereich einer Aufnahmeöffnung für eine, vorzugsweise zentrale,

   Kraftstoffeinspritzeinrichtung miteinander strömungsverbunden sind, und wobei in den unteren   Teilkühlraum   zumindest eine   Zuflussöffnung   pro Zylinder für das   Kühlmittel   einmündet und vom oberen Teil-   kühlraum   zumindest eine Abflussöffnung für das   Kühlmittel   ausgeht, wobei jedem Zylinder ein unterer   Teilkühlraum   zugeordnet ist und die unteren Teilkühlräume zumindest zweier benachbarter Zylinder durch eine Trennwand im Wesentlichen voneinander getrennt sind und im unteren   Teilkühlraum   das   Kühimit-   tel im Wesentlichen quer zum Zylinderkopf strömt, und wobei sich der obere   Teilkühlraum   über zumindest zwei Zylinder erstreckt. 



  Insbesonders bei leistungsstarken Diesel-Brennkraftmaschinen mit hohem Wärmeeintrag reicht ein durchgehender   Kühlraum   für ein den Zylinderkopf in Längsrichtung durchströmendes   Kühlmedium   nicht aus, um eine ausreichende Kühlung des Feuerdecks zu gewährleisten. Mangelhafter Wärmeaustrag aus dem Zylinderkopf kann aber zu Verzugserscheinungen, Undichtheiten sowie zu Rissen führen. 



  Die AT 005 301   U1   beschreibt einen gattungsgemässen Zylinderkopf für mehrere Zylinder mit einem unteren und einem oberen   Teilkühlraum,   wobei im unteren   Teilkühlraum   das   Kühlmittel   im Wesentlichen quer zum Zylinderkopf strömt. Das   Kühlmittel   gelangt einerseits über einen ringförmigen Übertritt ins Einsatzrohr für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, und andererseits über seitliche Überströmöffnungen im Bereich einer Seitenwand vom unteren   Teilkühlraum   in den oberen   Teilkühlraum.   Durch die Querstromkühlung im unteren   Teilkühlraum   kann eine gleichmässige Kühlung der einzelnen Zylinder erreicht werden.

   Diese Anordnung hat allerdings den Nachteil, dass eine gezielte Kühlung von thermisch kritischen Bereichen, beispielsweise von den Ventilstegen zwischen zwei   Auslassventilen   nicht möglich ist, und thermisch hoch beanspruchte Bereiche nur ungenügend   gekühlt   werden können. 

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Aus der CH 614 995 A ist ein Einzelzylinder-Zylinderkopf für eine Diesel-Brenn- kraftmaschine bekannt, welcher einen feuerdeckseitigen unteren   Teilkühlraum   und einen oberen   Teilkühlraum   aufweist, wobei zwischen dem unteren und obe- ren   Teilkühlraum   eine Trennwand angeordnet ist.

   Die   Kühlflüssigkeit   wird einerseits über einen Speisestutzen ringförmigen   Kühlkanälen   um die Ventilsitze und andererseits dem unteren   Teilkühlraum   zugeführt. Von den   Kühlkanälen   um die Ventilsitze strömt die Kühlflüssigkeit in einen zentralen Ringraum, der eine
Buchse für eine Kraftstoffzuführeinrichtung umgibt. Von dort strömt das   Kühlme-   dium in den oberen   Teilkühlraum.   Auf diese Weise sollen Feuerdeck und Ventilsitze unabhängig voneinander   gekühlt   werden. Auch die DE 24 60 972 Al offenbart einen Einzeizylinder-Zylinderkopf mit zwei übereinander angeordneten Kühlflüssigkeitsräumen, welche durch Öffnungen miteinander verbunden sind.

   Für einen Zylinderkopf für mehrere Zylinder einer Brennkraftmaschine sind diese Konstruktionen allerdings nicht geeignet. 



  Aus der US 4, 304, 199 A ist ein Zylinderkopf für mehrere Zylinder einer DieselBrennkraftmaschine bekannt, welcher einen durch eine Trennwand in einen unteren und einen oberen   Teilkühlraum   getrennten   Kühlraum   aufweist. Unterer und oberer   Teilkühlraum   sind über eine sichelförmige Öffnung, welche die Mündung einer Einspritzdüse in Umfangsrichtung teilweise umgibt, miteinander strömungsverbunden.

   Das   Kühlmittel   strömt über Zuflussöffnungen im Feuerdeck vom Zylinderblock in den unteren   Teilkühlraum   und von dort über die   sichelför-   migen Öffnungen weiter in den oberen   Teilkühlraum.   Der untere   Teilkühlraum   ist dabei für mehrere benachbarte Zylinder durchgehend ausgeführt, so dass zumindest teilweise auch eine Längsströmung entsteht. Insbesondere bei hohem Wärmeeintrag aus dem Brennraum kann aber auch hier ein ausreichender Wärmeaustrag nicht gewährleistet werden. 



  Aus der EP 1 126 152 A2 ist ein Zylinderkopf mit einem unteren und einem oberen   Teilkühlraum   bekannt, wobei der Strömungsübertritt zwischen unterem und oberem   Teilkühlraum   durch einen ringförmigen Spalt zwischen einer Einspritzdüsenmanschette und einem Zwischendeck gebildet wird, wobei der gesamte   Kühlmittelstrom   durch diesen Spalt strömt. Auch diese Anordnung hat den Nachteil, dass eine gezielte Kühlung von thermisch kritischen Bereichen, beispielsweise den Ventilstegen zwischen zwei Auslassventilen, nicht möglich ist und sogenannte "Hot Spots" nur ungenügend   gekühlt   werden. 



  Die JP 06-074041 A offenbart einen Zylinderkopf mit einem unteren und einem oberen   Teilkühlraum   und einer mittig angeordneten Einspritzdüsenmanschette. 



  Direkt anschliessend an die Einspritzdüsenmanschette weist das Zwischendeck eine Überströmöffnung im Bereich der Stege zwischen zwei   Auslasskanälen   auf. 



  Das in den unteren   Teilkühlraum   vom Zylinder strömende   Kühlmittel   strömt ra- 

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 dial in Richtung der Zylinderachse und über die einzige Überströmöffnung in den oberen   Teilkühlraum,   ähnlich wie bei der EP 1 126 152 A2. Im unteren Teilkühlruam ist keine dominante Querströmung ausgeprägt. Es wird zwar der Bereich zwischen den beiden   Auslasskanälen   gut   gekühlt,   andere thermisch hoch beanspruchte Bereiche hingegen, wie der Stegbereich zwischen   Einlasskanälen   und Einspritzeinrichtung, werden nur unzureichend   gekühlt.   



  Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art, die Kühlung zu verbessern. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zumindest eine Nebenüberströmöffnung als Ausbuchtung der Aufnahmeöffnung ausgebildet ist, und zumindest eine erste Nebenüberströmöffnung im Bereich zumindest eines Steges zwischen   Einlasskanal   und Aufnahmeöffnung und/oder zwischen   Auslasskanal   und Aufnahmeöffnung angeordnet ist. Dadurch wird eine gute Kühlung des Stegbereiches um die Aufnahmebohrung erzielt. Die Ausbuchtung wird vorteilhafterweise gusstechnisch hergestellt, wodurch sich eine einfache Fertigung ergibt.

   In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zumindest zwei als Ausbuchtungen der Aufnahmeöffnung ausgebildete Nebenüberströmöffnungen vorgesehen sind, wobei zumindest eine erste Nebenüberströmöffnung im Bereich des Steges zwischen dem   Auslasskanal   und der Aufnahmeöffnung und zumindest eine zweite Nebenüberströmöffnung im Bereich des Steges zwischen dem Einlasskanal und der Aufnahmeöffnung angeordnet ist. Dadurch können kritische Bereiche gezielt mit einem   Teilkühlstrom   beaufschlagt werden, so dass auch "Hot   Spots" optimal mit Kühlmittel   versorgt werden können. Eine sehr wirkungsvolle Kühlung lässt sich erzielen, wenn zumindest zwei Nebenüberströmöffnungen diametral bezüglich der Aufnahmeöffnung angeordnet sind. 



  Der Steg zwischen   Auslasskanal   und Aufnahmebohrung ist besonders hoher thermischer Belastung ausgesetzt. Dabei ist eine gute Wärmeabfuhr in diesem Bereich besonders wichtig. Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, dass die erste Nebenüberströmöffnung einen grösseren Strömungsquerschnitt als die zweite Nebenüberströmöffnung aufweist, wobei vorzugsweise der Strömungsquerschnitt der ersten Nebenüberströmöffnung etwa doppelt so gross ist wie der Strömungsquerschnitt der zweiten Nebenüberströmöffnung. 



  Wesentlich ist, dass Filmsieden in diesem Bereich auf jeden Fall vermieden wird. 



  Filmsieden würde zu Ablagerungen führen, welche den Wärmeübergang verschlechtern würden. Um Filmsieden zu vermeiden, werden im Bereich des Steges zwischen   Auslasskanal   und Aufnahmebohrung hohe Strömungsgeschwindigkeiten angestrebt. 

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   Eine gleichmässige Kühlung des Feuerdeckes und eine optimale Kühlung der Be- reiche der Stege zwischen den   Ein- und Auslasskanälen lässt   sich dadurch errei- chen, dass durch die zumindest eine Nebenüberströmöffnung nur eine Teilmenge des   Kühlmittels   zwischen unterem und oberen   Teilkühlraum,   vorzugsweise etwa
20 bis 40% der gesamten unteren und oberen   Teilkühlraum   passierenden, Kühl- mittelmenge übertritt. Um Filmsieden zu vermeiden, ist es dabei besonders vor- teilhaft, wenn zwei Drittel des Durchflusses der Teilmenge über die erste und ein
Drittel des Durchflusses der Teilmenge über die zweite Nebenüberströmöffnung vom unteren in den oberen   Teilkühlraum   übertritt. 



   Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 



   Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemässen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäss der Linie   I-I   in Fig. 2, Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäss ded Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäss der Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 4 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäss der Linie IV-IV in Fig. 



  3. 



  Der einstückig für mehrere Zylinder A,   B ausgebifdete Zyiinderkopf l   weist eine an ein brennraumseitiges Feuerdeck 2 grenzende   Kühlraumanordnung   3 auf, welche durch ein Zwischendeck 4 in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühlraum 5 und einen in Richtung der Zylinderachse 6 anschliessenden oberen Teil-   kühlraum   7 unterteilt ist. Das Zwischendeck 4 weist pro Zylinder A, B zumindest eine Nebenüberströmöffnung 9a, 9b in der Nähe eines Einsatzrohres 10 auf, weiches Einsatzrohr 10 der Aufnahme einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 11 dient. Jede Nebenüberströmöffnung 9a, 9b ist als Ausbuchtung 20a, 20b der Aufnahmeöffnung 20 für das Einsatzrohr 10 ausgebildet und in einfacher Weise gusstechnisch hergestellt.

   Die Ausbuchtungen können in der Lage und der Form an die thermodynamischen Erfordernisse angepasst werden. Dadurch kann das   Kühlmittel   gezielt den thermisch kritischen Bereichen zugeführt werden. Das Einsatzrohr 10 durchdringt die Aufnahmebohrung 20 des Zwischendeckes 4. 



  Zumindest eine Hauptübertrittsöffnung 22 pro Zylinder ist im Bereich einer Seitenwand   Ib   des Zylinderkopfes   1 - bezüglich   der Motorlängsebene 23 gegen- überliegend zu den Zuflussöffnungen 13 - angeordnet. Um auch bei kippender Brennkraftmaschine ein   Entlüften   und Abströmen von Dampfblasen aus dem unteren   Teilkühlraum   5 zu ermöglichen, ist pro Zylinder A, B zumindest eine   Entlüftungsbohrung   8 zwischen der Motorlängsebene 23 und einer Seitenwand 1c des Zylinderkopfes   1,   vorteilhafter Weise im Bereich einer die Zylinderachse 6 beinhaltenden Motorquerebene 18, angeordnet.

   

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 Eine optimale Kühlung der thermisch hoch beanspruchten Bereiche der Stege 30, 
 EMI5.1 
 wird erreicht, in dem die Nebenüberströmöffnungen 9a, 9b genau in diesen thermisch sensiblen Bereichen zwischen   Einlass- und Auslasskanälen   16,17 angeordnet sind. Eine erste Nebenüberströmöffnung 9a ist dabei im Bereich des 
 EMI5.2 
 und Aufnahmeöffnung 20 vorgesehen. Mit 16a, 16b sind die Einlassöffnungen, mit 17a, 17b die Auslassöffnungen bezeichnet. 



  Das   Kühlmedium   strömt durch Zuflussöffnungen 13 im Bereich der Seitenwand 1c des Zylinderkopfes 1 im Wesentlichen in Querrichtung entsprechend den Pfeilen S in den unteren   Teilkühlraum   5 (Fig. 4). Dabei werden die Bereiche um die Ventilsitze 14 der Hubventile und um die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 11 umströmt und optimal   gekühlt.   Vom unteren   Teilkühlraum   5 gelangt das Kühlmittel über die Nebenüberströmöffnungen 9a, 9b und die Hauptüberströmöffnung 22 in der gegenüberliegenden Seitenwand   1b   in den oberen   Teilkühlraum   7 und durchströmt den für alle Zylinder A, B einheitlich durchgehend ausgebildeten oberen   Teilkühlraum   7 in der Längsrichtung des Zylinderkopfes 1.

   Durch zumindest eine nicht weiter dargestellte   Abflussöffnung   verlässt das   Kühlmittel   wieder den Zylinderkopf 1. Die   Abflussöffnung   kann beispielsweise an einer Stirnseite des Zylinderkopfes 1 angeordnet sein. Alternativ dazu kann für den oberen   Teilkühlraum   7 auch eine Sammelleiste für das austretende   Kühlmittel   vorgesehen sein. 



  Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind die unteren   Teilkühlräume   5 zweier benachbarter Zylinder A, B jeweils durch eine Trennwand 12 voneinander getrennt. 



  Die Trennwände 12 sind jeweils im Bereich einer Motorquerebene la im Zylinderkopf 1 angeordnet. 



  Die Nebenüberströmöffnungen 9a, 9b sind so dimensioniert, dass lediglich eine Teilmenge der   Kühlmittelmenge   zwischen 20 bis 40%, beispielsweise 30%, des gesamten   Kühlmittelstromes   pro Zylinder A, B durch diese Nebenüberströmöffnungen 9a, 9b strömt. Der Grossteil des   Kühlmittels   gelangt somit über die Hauptüberströmöffnung 22 in den oberen   Teilkühlraum   7. Dadurch wird im unteren   Teilkühlraum   5 eine ausgeprägte Querströmung erzeugt und eine optimale Kühlung des Feuerdeckes 2 gewährleistet.

   Um Filmsieden im Bereich des Steges zwischen   Auslasskanal   und Aufnahmebohrung zu vermeiden, werden hier hohe Strömungsgeschwindigkeiten des   Kühlmittels   angestrebt, wobei vorteilhafterweise etwa zwei Drittel der Teilmenge des   Kühlmittels   durch die erste Nebenüberströmöffnung 9a und ein Drittel durch die zweite Nebenüberströmöffnung 9b strömen. Der Strömungsquerschnitt der ersten Nebenüberströmöff- 

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 nung 9a ist dabei etwa doppelt so gross wie der Strömungsquerschnitt der zweiten Nebenüberströmöffnung 9b.

Claims (1)

1. ANSPRÜCHE 1. Zylinderkopf (1) für eine f) üssigkeitgeküh) te Mehrzyiinder-Brennkraftma- schine, mit zumindest einem Einlass- und zumindest einem Auslasska- nal (16,17) pro Zylinder (A, B), mit einer an ein Feuerdeck (2) grenzenden Kühlraumanordnung (3), welche durch ein im Wesentlichen parallel zum Feuerdeck (2) ausgebildetes Zwischendeck (4) in einen feuerdeckseitigen unteren Teilkühiraum (5) und einen an diesen in Richtung der Zylinder- achse (6) anschliessenden oberen Teilkühlraum (7) unterteilt ist, wobei un- terer und oberer Teilkühlraum (5,7) durch zumindest eine Hauptüber- strömöffnung (22) pro Zylinder (A, B) im Bereich einer Seitenwand (Ic) des Zylinderkopfes (1),

   sowie zumindest eine Nebenüberströmöffnung (9a, 9b) im Bereich einer Aufnahmeöffnung (20) für eine, vorzugsweise zentrale, Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11) miteinander strömungsverbunden sind, und wobei in den unteren Teilkühlraum (5) zumindest eine Zuflussöff- nung (13) pro Zylinder (A, B) für das Kühlmittel einmündet und vom oberen Teilkühlraum (7) zumindest eine Abflussöffnung für das Kühlmittel ausgeht, wobei jedem Zylinder (A, B) ein unterer Teilkühlraum (5) zugeordnet ist und die unteren Teilkühlräume (5) zumindest zweier benachbarter Zylin- der (A, B) durch eine Trennwand (12) im Wesentlichen voneinander ge- trennt sind und im unteren Teilkühlraum (5)

   das Kühlmittel im Wesentlichen quer zum Zylinderkopf (1) strömt, und wobei sich der obere Teilkühl- raum (7) über zumindest zwei Zylinder (A, B) erstreckt, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest eine Nebenüberströmöffnung (9a, 9b) als Aus- buchtung (20a, 20b) der Aufnahmeöffnung (20) ausgebildet ist, und zu- mindest eine erste Nebenüberströmöffnung (9a, 9b) im Bereich zumindest eines Steges (30,31) zwischen Einlasskanal (16) und Aufnahmeöff- nung (20) und/oder zwischen Auslasskanal (17) und Aufnahmeöffnung (20) angeordnet ist.

   2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest zwei als Ausbuchtungen (20a, 20b) der Aufnahmeöffnung (20) ausge- bildete Nebenüberströmöffnungen (9a, 9b) vorgesehen sind, wobei zumin- dest eine erste Nebenüberströmöffnung (9a) im Bereich des Steges (31) zwischen dem Auslasskanal (17) und der Aufnahmeöffnung (20) und zu- mindest eine zweite Nebenüberströmöffnung (9b) im Bereich des Ste- ges (30) zwischen dem Einlasskanal (16) und der Aufnahmeöffnung (20) angeordnet ist. <Desc/Clms Page number 8> EMI8.1 zumindest zwei Nebenüberströmöffnungen (9a, 9b) etwa diametral bezüg- lich der Aufnahmeöffnung (20) angeordnet sind.

   4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die erste Nebenüberströmöffnung (9a) einen grösseren Strömungsquerschnitt als die zweite Nebenüberströmöffnung (9b) aufweist.

   5. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der ersten Nebenüberströmöffnung (9a) etwa doppelt so gross ist wie der Strömungsquerschnitt der zweiten Nebenüberströmöff- nung (9b).

   6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass durch die Nebenüberströmöffnung (9a, 9b) nur eine Teil- menge des Kühlmittels zwischen unterem und oberem Teilkühlraum (5,7), vorzugsweise etwa 20 bis 40% der gesamten, unteren und oberen Teil- kühlraum (5,7) passierenden, Kühlmittelmenge übertritt.

   7. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Drittel des Durchflusses der Teilmenge über die erste und ein Drittel des Durchflusses der Teilmenge über die zweite Nebenüberströmöff- nung (9a, 9b) vom unteren in den oberen Teilkühlraum übertritt.

   8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Nebenüberströmöffnungen (9a 9b) gegossen sind.