DE10026376A1

DE10026376A1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10026376A1
Application number: DE2000126376
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Bielefeld
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-05-27
Filing date: 2000-05-27
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2020-05-28
Also published as: DE10026376B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Zweiventil-Zylinderkopf, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum Einlaß- und Auslaßkanäle, ein Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil sowie ein Kühlmittelraum ausgestaltet sind. Es wird die Aufgabe gelöst, einen solchen Zylinderkopf zu schaffen, der durch eine gezielte Anströmung der wärmegefährdeten Bereiche des Zylinderkopfes mit Kühlmittel eine verbesserte Brennraumkühlung ergibt. Dies wird erreicht, indem jeder Kühlmittelraum (1) mindestens einen senkrechten Zuführkanal (3) aufweist, der an seiner Einlaßseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslaßseite in einen waagerecht verlaufenden Abschnitt (5) übergeht, dessen zunächst freie Kontur in Strömungsrichtung des Kühlmittels von mindestens einer waagerechten Rippe (6) derart begrenzt wird, daß das aus Richtung der Einlaßseite anströmende Kühlmittel an der Unterseite dieser Rippe (6) in Richtung der Auslaßseite geführt wird, wobei im Bereich der Auslaßseite ein Überströmsteg (7) ausgestaltet ist, über den der untere Abschnitt (1¶u¶) mit dem oberen Abschnitt (1¶o¶) des Kühlmittelraumes in Wirkverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Zweiventil-Zylinderkopf, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum Einlaß- und Auslaßkanäle, ein Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil sowie ein Kühlmittelraum ausgestaltet sind, wobei die Kühlmittelräume die Einlaßkanäle, die Auslaßkanäle und die Aufnahmeschächte zumindest teilweise umgeben und in ihrem Bodenbereich jeweils mindestens einen Zuführkanal für das Kühlmittel aufweisen, das innerhalb des Kühlmittelraumes zunächst auf Eintrittshöhe in einen nach oben begrenzten Abschnitt und erst nach Passieren dieses Abschnittes in die oberen Bereiche des Kühlmittelraumes geführt wird.

Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch begründete Forderungen zu beachten, wobei insbesondere eine Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission angestrebt wird. Eine wesentliche Komponente ist hierbei die Kühlung der Brennkraftmaschine. Beispielsweise bewirken überdimensionierte Kühlmittelkanäle mit großen Kühlmittelmengen sowohl eine Erhöhung der Masse als auch eine unnötig lange Warmlaufphase. Die konstruktive Ausgestaltung der Kühlmittelführung erfordert in jedem Fall die Beachtung verschiedenartiger Parameter, um eine funktionsgerechte Kühlung der Brennkraftmaschine zu realisieren.

Bei der Brennkraftmaschine gemäß DE 36 03 674 A1 ist im Übergangsbereich von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf ein Zuführungskanal für das Kühlmittel ausgestaltet, der in Längsrichtung des Zylinderblockes verläuft. Das Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe in den Zuführungskanal gefördert und strömt von hier über Querbohrungen zu den Zylinderlaufbüchsen und zum Zylinderkopf. Der Zuführungskanal hat folglich die Funktion einer Verteilerleiste für das Kühlmittel. Im Zylinderkopf strömt das Kühlmittel quer zur Längsrichtung des Zylinderblocks bis zu einem Austrittskanal, der ebenso wie die Verteilerleiste in Längsrichtung des Zylinderblocks verläuft und dieser gegenüberliegt. Durch die somit realisierte Querstromkühlung kann das Kühlmittel näher an die besonders warmen Bereiche im Zylinderkopf (Auslaßventil usw.) geführt werden. Nachteilig ist jedoch, daß das Kühlmittel über die Verteilerleiste sowohl zu den Zylinderlaufbüchsen als auch in den Zylinderkopf strömt. Demzufolge können die Temperaturverhältnisse in diesen Baugruppen, die sich z. B. in der Warmlaufphase erheblich unterscheiden, nicht genügend berücksichtigt werden. Eine funktionsgerechte Kühlung ist folglich nur bedingt möglich. Ein weiterer Nachteil dieses Kühlsystems sind die groß dimensionierten Wasserräume im Zylinderkopf. Das Kühlmittel sucht physikalisch bedingt grundsätzlich den Weg des geringsten Strömungswiderstandes. Somit gewährleistet DE 36 03 674 A1 keine gerichtete, intensive Kühlung der besonders warmen Zonen im Zylinderkopf.

Aus DE 196 37 122 C1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf bekannt. Im Zylinderkopfgehäuse sind Kühlmittelräume vorgesehen, welche die Einlaßkanäle, die Auslaßkanäle und die Aufnahmeschächte für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil teilweise umgeben und über Zulaufkanäle mit der Kühlmittelführung des Kurbelgehäuses verbunden sind. Durch die brennraumbezogene Aufteilung der Kühlmittelräume wird eine weitgehend gleichmäßige Wärmeabführung für alle Zylinder erreicht. Allerdings weisen die Kühlmittelräume ein relativ großes Volumen auf. Demzufolge wird auch hier das Kühlmittel den Weg des geringsten Strömungswiderstandes suchen, so daß keine zwangsläufig gerichtete Kühlung der besonders warmen Zonen im Zylinderkopf erzielt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für die Kühlung von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf lediglich ein gemeinsamer Kühlkreislauf ausgestaltet ist. Eine funkti onsgerechte Anpassung der Kühlung auf die unterschiedlichen Temperaturverhältnisse dieser Baugruppen wird somit nicht erreicht. Die Verbindung zwischen der Kühlmittelführung im Zylinderkurbelgehäuse und im Zylinderkopf ist ohnehin problematisch. Diese erfolgt für jeden Kühlmittelraum im Zylinderkopf über vier Zulaufkanäle, die unmittelbar neben der Brennraumwand verlaufen. Dies erfordert neben einem hohen gußtechnischen Aufwand zusätzliche Aufwendungen für eine funktionssichere Abdichtung.

In DE 195 08 113 A1 wird ein flüssigkeitsgekühlter Vierventil-Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine beschrieben.

Im Zylinderkopfgehäuse sind für jeden Brennraum Einlaß- und Auslaßkanäle, ein Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil sowie ein Kühlmittelraum ausgestaltet. Die Kühlmittelräume für jeden Brennraum umgeben die Einlaßkanäle, die Auslaßkanäle und die Aufnahmeschächte zumindest teilweise. Im Bodenbereich eines je den Kühlmittelraumes mündet eine Zuführbohrung für das Kühlmittel, wobei diese Druckschrift allerdings keinen Hinweis vermittelt, wie das Kühlmittel in diese Zuführbohrung gelangt. Direkt oberhalb der Austrittsöffnung der Zuführbohrung ist eine Sperrwand angeordnet, die den Strömungsweg des Kühlmittels zwangsweise begrenzt. Diese technische Lösung beruht auf der Überlegung, das einströmende Kühlmittel zunächst innerhalb des Kühlmittelraumes auf Eintrittshöhe in einem begrenzten und nach oben geschlossenen Kanal zu führen, bevor es in die oberen Bereiche des Kühlmittelraumes gelangen kann. Mit einer solchen Ausgestaltung kann an den besonders hitzegefährdeten Bereichen der innerhalb des Kühlmittelraumes zu kühlenden Teile eine verstärkte Kühlung erreicht werden, die sich gemäß den Darlegungen in DE 195 08 113 A1 allerdings auf eine verstärke Kühlung des rohrförmigen Aufnahmeschachtes für die Zündkerze beschränkt. Diese Variante genügt offensichtlich den Erfordernissen an Zylinderköpfen mit vier Ventilen, zumal diese Druckschrift ausdrücklich die Anwendung an Vierventil-Zylinderköpfen benennt. Bei Brennkraftmaschinen mit zwei Ventilen je Zylinder liegen jedoch wesentlich andere Tem peraturverhältnisse vor, die folglich eine hierfür angepaßte Kühlung erfordern. Für eine solche Anwendung ist DE 195 08 113 A1 jedoch nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf mit insbesondere zwei Ventilen zu schaffen, der eine verbesserte Brennraumkühlung im Zylinderkopf gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen gewährleistet. Dies soll durch eine gezielte Anströmung der wärmegefährdeten Bereiche mit Kühlmittel erreicht werden.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem jeder Kühlmittelraum mindestens einen senkrechten Zuführkanal aufweist, der an seiner Einlaßseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslaßseite in einen waagerecht verlaufenden Abschnitt übergeht, dessen zunächst freie Kontur in Strömungsrichtung des Kühlmittels von mindestens einer waagerechten Rippe derart begrenzt wird, daß das aus Richtung der Einlaßseite anströmende Kühlmittel an der Unterseite dieser Rippe in Richtung der Auslaßseite geführt wird, wobei im Bereich der Auslaßseite ein Überströmsteg ausgestaltet ist, über den der untere Abschnitt mit dem oberen Abschnitt des Kühlmit telraumes in Wirkverbindung steht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Mit der vorgeschlagenen Konstruktion wird eine gezielte Anströmung der wärmegefährdeten Bereiche des Zylinderkopfes mit Kühlmittel erreicht. Dadurch wird die Brennraumkühlung gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen verbessert, in deren Folge sich der Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kühlmittelraum für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine in räumlicher Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Kühlmittelraum gemäß Fig. 1 aus einem anderen Blickwinkel betrachtet in Draufsicht,

Fig. 3 den in Fig. 2 dargestellten Ausschnitt aus dem Kühlmittelraum von der Unterseite aus betrachtet.

In der Zeichnung ist die Kontur eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlmittelraumes dargestellt. Hierbei ist zu beachten, daß diese räumlichen Konturen am Zylinderkopf nicht als Material vorhanden sind, sondern den Hohlraum zur Aufnahme des Kühlmittels bilden. Die Darstellungen in den Fig. 1 bis 3 entsprechen also z. B. der Kontur eines Gußkerns, der notwendig ist, um eine entsprechende Gestaltung des Kühlmittelraumes herstellen zu können. Der Kühlmittelraum ist in einem, nicht näher dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ausgestaltet. Die konkrete Arbeitsweise und Konstruktion der Brennkraftmaschine ist im vorliegenden Sachverhalt unerheblich. Beispielsweise wird in Fig. 1 ein Kühlmittelraum für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern gezeigt. Wesentlich ist allerdings, daß der vorgeschlagene Kühlmittelraum insbesondere für Brennkraftmaschinen geeignet ist, die jeweils zwei Ventile pro Zylinder aufweisen. Im Zylinderkopfgehäuse sind für jeden Brennraum Einlaß- und Auslaßkanäle sowie ein Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil ausgestaltet. Auch die konkrete Anordnung und Konstruktion dieser Bereiche ist im vorliegenden Sachverhalt unerheblich. Wesentlich ist jedoch, daß die Einlaßkanäle, die Auslaßkanäle und die Aufnahmeschächte für die Zündkerze bzw. das Einspritzventil zumindest teilweise vom Kühlmittelraum umgeben sind.

Der gesamte Kühlmittelraum ist brennraumbezogen aufgeteilt, d. h., im Bereich eines jeden Zylinders ist ein jeweils gleichartig ausgestalteter (Teil-)Kühlmittelraum 1 ausgestaltet. Diese Aufteilung wird realisiert, indem im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Brennraumabschnitten jeweils eine senkrecht angeordnete Rippe 2 ausgestaltet ist. Die senkrechten Rippen 2 verlaufen weitgehend quer zur Längsrichtung des Zylinderkopfes. Jeder (Teil-)Kühlmittelraum 1 ist in jeweils zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen unteren Abschnitt 1 _u und in einen oberen Abschnitt 1 _o. Der untere Abschnitt 1 _u dient der gezielten Kühlung der temperaturbeanspruchten Bereiche des Zylinderkopfes. Hingegen dient der obere Abschnitt 1 _o überwiegend zur Sammlung des Kühlmittels und führt dieses einem Thermostatgehäuse zu.

Jeder Kühlmittelraum 1 weist in seinem unteren Abschnitt 1 _u mindestens einen senkrechten Zuführkanal 3 auf. In der Zeichnung wird beispielsweise eine Ausgestaltung mit zwei derartigen Kanälen gezeigt, den senkrechten Zuführkanälen 3 und 4. Die Zuführkanäle 3; 4 stehen an ihrer Einlaßseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist. Diese Verteilerleiste kann verschiedenartig ausgestaltet werden. So kann die Verteilerleiste z. B. längs am Zylinderkurbelgehäuse angeordnet werden. Ebenso kann die Verteilerleiste am Zylinderkopf ausgestaltet werden. Schließlich kann die Verteilerleiste auch als eine zu sammenfügbare Baugruppe ausgestaltet werden, wobei jeweils ein Teilabschnitt sowohl im Zylinderkurbelgehäuse als auch am Zylinderkopf angeordnet sind. Demzufolge wird die Verteilerleiste erst durch Montage dieser beiden Baugruppen funktionswirksam geschaffen.

Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Verteilerleiste wird das Kühlmittel für den Zylinderkopf von einer (ebenfalls nicht näher dargestellten) Kühlmittelpumpe in die Verteilerleiste gefördert. Es ist zweckmäßig, daß diese Kühlmittelpumpe sowohl das Kühlmittel für den Zylinderkopf als auch das Kühlmittel für das Zylinderkurbelgehäuse fördert. Hierbei wird das Zylinderkurbelgehäuse mit einem Teilstrom direkt aus der Kühlmittelpumpe versorgt. Die Ableitung des Kühlmittels aus dem Zylinderkurbelgehäuse erfolgt über einen separaten Kanal. Im Thermostatgehäuse wird der Kühlmittelstrom aus Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf in an sich bekannter Weise gesammelt und weitergeleitet.

An ihrer Auslaßseite gehen die Zuführkanäle 3 und 4 in einen gemeinsamen Abschnitt 5 über, der waagerecht verläuft. Der Abschnitt 5 weist eine große Grundfläche, jedoch eine lediglich geringe Höhe auf. Die zunächst freie Kontur des waagerechten Abschnittes 5 wird in Strömungsrichtung des Kühlmittels von mindestens einer waagerechten Rippe 6 begrenzt. Durch diese Rippe 6 ergibt sich eine weitere Reduzierung des Strömungsquerschnittes. Dies führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle und somit zu einem hohen Kühlmitteldurchsatz, in dessen Folge sich wiederum die Wirksamkeit des Wärmeübergangs vom temperaturbeanspruchten Zylin derkopfboden zum Kühlmittel zusätzlich erhöht. Die Rippe 6 ist im Kühlmittelraum 1 so angeordnet, daß das aus Richtung der Einlaßseite der Zuführkanäle 3; 4 anströmende Kühlmittel an der Unterseite der waagerechten Rippe 6 in Richtung der Auslaßseite geführt wird. Gleichzeitig bewirken die senkrechten Rippen 2, daß das Kühlmittel hierbei nicht unkontrolliert abströmen kann, sondern um den eigentlichen Brennraum herum in Richtung der Auslaßseite geführt wird. Das Kühlmittel verbleibt also auch in diesem Bereich noch im unteren Abschnitt 1 _u des Kühlmittelraumes 1.

Im Bereich der Auslaßseite ist ein Überströmsteg 7 ausgestaltet. Durch diesen Überströmsteg 7 steht der untere Abschnitt 1 _u mit dem oberen Abschnitt 1 _o des Kühlmittelraumes 1 in Wirkverbindung. Das Kühlmittel gelangt folglich erst nach vollständiger Durchströmung des unteren Abschnittes 1 _u in die oberen Bereiche 1 _o des Kühlmittelraumes 1. Somit wird eine gezielte Anströmung der wärmegefährdeten Bereiche des Zylinderkopfes mit Kühlmittel erreicht. Dies ermöglicht eine besonders gute und gleichmäßige Wärmeabfuhr vom Einlaßkanal, vom Auslaßkanal und vom Aufnahmeschacht für die Zündkerze bzw. die Einspritzvorrichtung und in deren Folge eine in jedem Betriebszustand funktionsgerechte Kühlung des Zylinderkopfes.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Kühlmittelraum

1 _u

unterer Abschnitt des Kühlmittelraumes

1

1 _o

oberer Abschnitt des Kühlmittelraumes

1

2

senkrechte Rippe

3

erster Zuführkanal

4

zweiter Zuführkanal

5

waagerechter Abschnitt

6

waagerechte Rippe

7

Überströmsteg

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Zweiventil-Zylinderkopf, bei dem im Zylinderkopfgehäuse für jeden Brennraum Einlaß- und Auslaßkanäle, ein Aufnahmeschacht für eine Zündkerze oder ein Einspritzventil sowie ein Kühlmittelraum ausgestaltet sind, wobei die Kühlmittelräume die Einlaßkanäle, die Auslaßkanäle und die Aufnahmeschächte zumindest teilweise umgeben und in ihrem Bodenbereich jeweils mindestens einen Zuführkanal für das Kühlmittel aufweisen, das innerhalb des Kühlmittelraumes zunächst auf Eintrittshöhe in einen nach oben begrenzten Abschnitt und erst nach Passieren dieses Abschnittes in die oberen Bereiche des Kühlmittelraumes geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kühlmittelraum (1) mindestens einen senkrechten Zuführkanal (3) aufweist, der an seiner Einlaßseite mit einer Verteilerleiste in Wirkverbindung steht und der an seiner Auslaßseite in einen waagerecht verlaufenden Abschnitt (5) übergeht, dessen zunächst freie Kontur in Strömungsrichtung des Kühlmittels von mindestens einer waagerechten Rippe (6) derart begrenzt wird, daß das aus Richtung der Einlaßseite anströmende Kühlmittel an der Unterseite dieser Rippe (6) in Richtung der Auslaßseite geführt wird, wobei im Bereich der Auslaßseite ein Überströmsteg (7) ausgestaltet ist, über den der untere Abschnitt (1 _u) mit dem oberen Abschnitt (1 _o) des Kühlmittelraumes (1) in Wirkverbindung steht.

2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der waagerecht verlaufende Abschnitt (5) eine große Grundfläche und eine geringe Höhe aufweist.

3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Brennraumabschnitten jeweils eine senkrecht angeordnete Rippe (2) ausgestaltet ist, die weitgehend quer zur Längsrichtung des Zylinderkopfes verläuft.

4. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerleiste am Zylinderkurbelgehäuse ausgestaltet ist, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe in diese Verteilerleiste gefördert wird.

5. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerleiste am Zylinderkopf ausgestaltet ist, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe in diese Verteilerleiste gefördert wird.

6. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerleiste als zusammenfügbare, sowohl teilweise am Zylinderkurbelgehäuse als auch teilweise am Zylinderkopf angeordnete Baugruppe ausgestaltet ist, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe in diese Verteilerleiste gefördert wird.

7. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel für den Zylinderkopf und für das Zylinderkurbelgehäuse von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe gefördert wird.