DE102004015134A1

DE102004015134A1 - Wassergekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004015134A1
Application number: DE102004015134A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Paul; Frank Dipl.-Ing. Ickinger (FH)
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2004-03-27
Filing date: 2004-03-27
Publication date: 2005-10-13
Also published as: EP1733132A1; JP2007530851A; US7128029B2; WO2005093242A1; EP1733132B1; US20060054112A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder, einem im Zylinderkopfgehäuse (4) integrierten Zylinderkopfkühlraum (2) (Wassermantel) mit Ein- und Ausströmöffnungen (6, 8) für das Kühlmittel, der sich oberhalb einer die Brennraummulde (20) bildenden Kalotte (36) erstreckt, wobei um eine zentral im Zylinderkopfgehäuse (4) angeordnete Aufnahmeöffnung (14) für eine Zündkerze und um die beiden Auslassventile zumindest bereichsweise Wasermantelräume (26, 28, 30) ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) miteinander verbunden sind. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest der gemeinsame Wassermantel-Ringraumabschnitt (32) zur Brennraummulde (20) hin eine im Wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) einheitlich und bis dicht an die Brennraummulde (20) herangeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Insbesondere bei Hochleistungsmotoren treten trotz des wassergekühlten Zylinderkopfes aufgrund der hohen spezifischen Leistung insbesondere im Bereich zwischen den Auslassventilen bzw. zwischen Auslassventil und Zündkerze Temperaturspitzen bis zu 300°C auf, die zu Temperaturspannungen im Material und in Verbindung mit äußeren Lasten zu bleibenden Verformungen im Ventilsitzringbereich der Auslassventile führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden und die Kühlung in den hochbelasteten Bereichen des Zylinderkopfgehäuses zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, dass der gemeinsame Wassermantel-Ringraumabschnitt zwischen den beiden Auslassventilen und der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist und bis dicht an die Brennraummulde herangeführt ist, können die Temperaturspitzen in diesem Bereich wirkungsvoll abgebaut werden. Damit wird bspw. auch die Möglichkeit eröffnet, anstelle von hochwarmfesten Zylinderkopflegierungen, wie z.B. AlCu5Ni1,5CoSbZr kostengünstigere Standardlegierungen, wie z.B. AlSi6Cu4 oder AlSi7Mg zu verwenden. Andererseits wird durch die Temperaturabsenkung die Klopfneigung des Motors reduziert, so dass aufgrund der Zündwinkelverbesserungen Verbrauchsvorteile bzw. ein entsprechender Leistungszuwachs erzielt werden kann.

Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Für eine schnelle und effektive Wärmeabführung im Bereich des Zündkerzendomes wird vorgeschlagen, den Durchmesser der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze auf der Höhe des gemeinsamen Wassermantel-Ringraumabschnittes zu reduzieren. Umgesetzt werden kann diese Maßnahme bspw. dadurch, dass in diesem Bereich das Gewinde der Zündkerze ausgebildet ist, dessen Aussendurchmesser gegenüber dem Zündkerzengehäuse reduziert ist.

Untersuchungen haben gezeigt, dass eine optimale Kühlung der hochbelasteten Stellen bei gleichzeitig ausreichender Formstabilität insbesondere der Brennraumkalotte dann gewährleistet ist, wenn die Wandstärke der Brennraumkalotte zumindest im Bereich des gemeinsamen Ringraumabschnittes auf zwischen 5 und 11 mm reduziert ist.

Ein zusätzlicher Kühlkanal in Form einer Injektorbohrung stellt sicher, dass der gemeinsame Ringraumabschnitt direkt mit Kühlwasser versorgt wird.

Eine weitere Verbesserung bzw. Optimierung der Kühlung des Zylinderkopfgehäuses wird erreicht, wenn der Wassermantel im Bereich der Brennraumkalotte und der durch die Ventile überwachten Ein- und Auslasskanäle eine im wesentlichen einheitliche Wandstärke zwischen 3 und 7mm aufweist. Durch die konstante Wassermantelstärke können höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlwassers erzielt und damit die Wärmeübertragung verbessert werden.

Eine bedarfsgerechte Kühlung wird dadurch sichergestellt, dass ein Hauptkühlstrom zwischen den beiden Auslassventilen in Richtung der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze verläuft, während aussen an den beiden Auslassventilen vorbei, zwei Nebenkühlströme ausgebildet sind.

Durch eine gezielte Drosselung der beiden Nebenkühlströme durch entsprechende Verengungen in den entsprechenden Kühlkanälen wird sichergestellt, dass die Hauptkühlmenge direkt in den Zündkerzenbereich geleitet wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachstehend näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 eine geometrische Abbildung eines Wassermantels im Zylinderkopfgehäuse einer Brennkraftmaschine,
2 eine Ansicht des Wassermantels in Blickrichtung A gemäß 1,
3 eine Ansicht des Wassermantels in Blickrichtung B gemäß 1,
4 eine Schrägansicht des Wassermantels in Blickrichtung A gemäß 1 und
5 einen Schnitt durch einen Teil des Zylinderkopfgehäuses im Bereich der Aufnahme für die Zündkerze.
In den 1 bis 4 ist die Geometrie eines Wassermantels, im folgenden als Zylinderkopfkühlraum 2 bezeichnet, dargestellt, der in einem Zylinderkopfgehäuses 4 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine integriert ist.
Der Zylinderkopfkühlraum 2 eines jeden Zylinders wird über eine zentrale Einströmöffnung 6 im Zylinderkopfgehäuse 4 mit Kühlwasser versorgt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinderkopfkühlraumes 2 ist eine deltaförmige Ausströmöffnung 8 vorgesehen, über die das vom Zylinderkopfgehäuse 4 erwärmte Kühlmittel zur Saugseite der nicht dargestellten Wasserpumpe der Brennkraftmaschine abströmt. In der geometrischen Abbildung des Zylinderkopfkühlraumes 2 sind zwei Ausnehmungen 10 und 12 für die beiden Auslassventile bzw. Auslasskanäle der Brennkraftmaschine erkennbar; eine zentral im Zylinderkopfkühlraum 2 vorgesehene Öffnung 14 bildet die Aufnahme bzw. den Dom für eine Zündkerze (nicht dargestellt) des betreffenden Zylinders. Links und rechts von der zentralen Öffnung 14 sind jeweils zwei stegförmige Ausnehmungen 16 und 18 zu sehen, die im Zylinderkopfgehäuse 4 als Positiv dazu jeweils zwei den Wassermantel 2 durchgreifende Stege bilden, mit deren Hilfe die im Zylinderkopfgehäuse 4 ausgebildete Brennraumkalotte 20 aufgehangen bzw. abgestützt ist.
In Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen, schließt sich hinter den beiden stegförmigen Ausnehmungen 16, 18 und der zentralen Öffnung 14 eine Ausnehmung 22 für die beiden Einlassventile bzw. Einlasskanäle des Zylinderkopfabschnittes an.
Auf der Einströmseite des Kühlmittels sind im Zylinderkopfkühlraum 2 zwei weitere Aussparungen 23 und 24 erkennbar, deren Positiv Strömungsverengungen im Zylinderkopfkühlraum 2 bilden, deren Funktion später noch näher erläutert ist. Wie aus 2 ersichtlich, sind um die beiden Auslassventile und um die Zündkerze Wassermantelräume ausgebildet, die im vorliegenden Fall geschlossene Ringräume 26, 28 und 30 bilden; Ringraum 30 grenzt dabei an die beiden anderen Ringräume 26, 28 an, so dass ein gemeinsamer zentraler Ringraumabschnitt 32 gebildet ist. Ein in Form einer Bohrung im Zylinderkopfgehäuse 4 ausgebildeter Kühlkanal 34 führt von der Einströmöffnung 6 direkt zum gemeinsamen Ringraumabschnitt 32 und versorgt diesen hochtemperaturbelasteten Bereich zusätzlich direkt mit Kühlwasser.
Der sich über die Bogenlänge s (siehe 2) erstreckende zentrale Ringraumabschnitt 32 weist eine zur Brennraummulde 20 hin im wesentlichen gleich bleibende Höhe auf, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke a der Brennraumkalotte 36 einheitlich ist und in vertikaler Richtung bis dicht an die Brennraummulde 36 herangeführt ist. Die Wandstärke a der Brennraumkalotte 36 ist dabei im Bereich des Ringraumabschnittes 32 auf zwischen 5 und 10 mm reduziert. Wie aus 5 ersichtlich, ist ein Abschnitt 14a der Aufnahmeöffnung 14 für die Zündkerze in seinem Durchmesser gegenüber dem darüber liegenden Abschnitt 14b reduziert. Im Abschnitt 14a der Aufnahmeöffnung 14 ist das Zündkerzengewinde eingebracht, dessen Länge bewusst so gewählt worden ist, dass der zentrale Ringraumabschnitt 32 sowie die beiden links und rechts daran angrenzenden Ringraumabschnitte 32' mit ihren Bogenlängen s' sich in vertikaler Richtung ausschließlich auf der Höhe des reduzierten Gewindedurchmessers (Abschnitt 14a) erstrecken, so dass der Kühlwassermantel bzw. der Zylinderkopfkühlraum 2 dicht an den Zündkerzendom herangeführt ist.
Zur Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlwassers ist der Zylinderkopfkühlraum 2 im Bereich der Brennraumkalotte 36 und der Ein- und Auslassventile mit einer im wesentlichen einheitlichen Stärke bzw. Dicke ausgebildet, die zwischen 3 und 7 mm beträgt.
Durch die zuvor geschilderten Maßnahmen können die aufgrund des hohen Wärmeeintrags auf die Zündkerze und die Ventilsitzringe in diesem Bereich verursachten Temperaturspitzen wirkungsvoll abgebaut werden.
Die Strömungsquerschnitte auf der Einströmseite des Zylinderkopfkühlraumes 2 sind so ausgebildet, dass der Kühlwasserstrom in einen Hauptkühlstrom Q₁, Q₂ und Q₃ sowie in zwei Nebenkühlströme Q₄ und Q₅ aufteilt ist. Der Hauptkühlstrom Q₁, Q₂ und Q₃ wird zwischen die beiden Auslassventile (Ausnehmung 10, 12) in Richtung des Zündkerzendomes (zentrale Öffnung 14) geführt, während im jeweils linken und rechten Randbereich des Zylinderkopfkühlraumes 2 die Nebenkühlströme Q₄ und Q₅ verlaufen. Die bereits eingangs erwähnten Aussparungen 23, 24 bilden Verengungen für die beiden Nebenkühlströme Q₄ und Q₅, so dass der gesamte Kühlwasserstrom bspw. so aufgeteilt ist, dass 50% davon über den Hauptkühlstrom Q₁, Q₂ und Q₃ zwischen den beiden Auslassventilen in Richtung des Zündkerzendomes geführt sind, während jeweils 25% davon über die Nebenkühlströme Q₄ und Q₅ dem linken und dem rechten Randbereich des Zylinderkopfkühlraumes zugeführt sind.

Claims

Wassergekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder, einem im Zylinderkopfgehäuse (4) integrierten Zylinderkopfkühlraum (2) (Wassermantel) mit Ein- und Ausströmöffnungen (6, 8) für das Kühlmittel, der sich oberhalb einer die Brennraummulde (20) bildenden Kalotte (36) erstreckt, wobei um eine zentral im Zylinderkopfgehäuse (4) angeordnete Aufnahmeöffnung (14) für eine Zündkerze und um die beiden Auslassventile zumindest bereichsweise Wassermantelräume (26, 28, 30) ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der gemeinsame Wassermantel-Ringraumabschnitt (32) zur Brennraummulde (20) hin eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) einheitlich und bis dicht an die Brennraummulde (20) herangeführt ist.
Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Aufnahmeöffnung (14) für die Zündkerze auf der Höhe des gemeinsamen Ringraumabschnittes (32) reduziert ist.
Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Brennraumkalotte (36) im Bereich des Ringraumabschnittes (32) auf zwischen 5 und 11 mm reduziert ist.
Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einströmseite des Kühlwassers zusätzlich ein Kühlkanal (34) vorgesehen ist, der den gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) auf direktem Weg zusätzlich mit Kühlwasser versorgt.
Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassermantel im Bereich der Brennraumkalotte (36) und der Ein- und Auslasskanäle eine im wesentlichen einheitliche Stärke aufweist, die zwischen 3 und 7 mm beträgt.
Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einströmseite (Einströmöffnung 6) in den Zylinderkopfkühlraum (2) ein Hauptkühlstrom (Q₁, Q₂, Q₃) zwischen den beiden Auslassventilen (Ausnehmung 10, 12) in Richtung der Aufnahmeöffnung (14) für die Zündkerze verläuft, während an den beiden Randbereichen des Zylinderkopfkühlraumes (2) zwei Nebenkühlströme (Q₄, Q₅) vorgesehen sind.
Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Randbereichen des Zylinderkopfkühlraumes (2) lokale Verengungen zur Drosselung der beiden Nebenkühlströme () vorgesehen sind.