-
Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Sie
geht von der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2006 036 422 aus.
In dieser ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf
für eine Brennkraftmaschine beschrieben, mit einer ersten
und einer zweiten, benachbart zueinander angeordneten, abschnittsweise
ineinander übergehenden, von einem Kühlmittelkanal
umgebenen Auslasskanalwandung für zwei Auslassgaswechselventile.
Beabstandet von einem einlassseitigen, von den Auslasskanalwandungen
gebildeter Zwickelbereich, ist ein zumindest teilweise von einem
Kühlmittelkanal umgebener Dom angeordnet. Dieser Dom ist für
ein weitgehend mittig zu dem von dem Zylinderkopf abgedeckten Brennraum
anordenbares Brennkraftmaschinenbauteil, wie z. B. einer Zündeinrichtung
und/oder einer Brennstoffeinspritzvorrichtung vorgesehen, wobei
der Kühlmittelkanal eine erste, weitgehend mittig zwischen
der ersten und der zweiten Auslasskanalwandung angeordnete Einströmöffnung
und eine zweite und eine dritte von der ersten Einströmöffnung
in der Zylinderkopf längsrichtung beabstandete Einströmöffnung
in einer Zylinderkopftrennebene aufweist. Ausgehend von der ersten
Einströmöffnung erstreckt sich der Kühlmittelkanal
weitgehend über den Brennraum und zwischen der ersten und
der zweiten Auslasskanalwandung in Richtung Dom. Ausgehend von der
zweiten und der dritten Einströmöffnung erstreckt
sich der Kühlmittelkanal weitgehend über den Brennraum
und radial um die erste und die zweite Auslasskanalwandung in Richtung
Dom und ausgehend von dem Dom in Richtung Einlassseite des Zylinderkopfes.
Für eine bessere Kühlung des Domes ist in einem
Zwickelbereich des Kühlmittelkanals eine erste, sich in
Richtung des Doms erstreckende Strömungsleitrippe angeordnet.
-
Die
gattungsgemäße Ausgestaltung des Kühlmittelkanals
in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine weist hervorragende
Kühleigenschaften für den Dombereich auf.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen,
durch die die Auslassseite des Zylinderkopfes noch gleichmäßiger
und somit besser gekühlt werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Durch
die verbesserte Kühlung am Gaswechselauslassventilsteg
wird die Lebensdauer des erfindungsgemäß ausgestalteten
Zylinderkopfes erhöht oder es können kostengünstigere
Legierungen, wie z. B. AlSi8 anstatt AlSi7 bei gleicher Lebensdauer eingesetzt
werden. Von der verbesserten Kühlung des Gaswechselauslassventilsteges
profitiert auch die Zünd- und/oder Einspritzeinrichtung,
so dass beispielsweise Glühzündungen vermieden,
bzw. reduziert werden. Die Kühlmittelströmung
wird durch entsprechende Formgebung nahe dem Brennraumdach in horizontale
Richtung umgelenkt und in Richtung Steg zwischen Gaswechseleinlass-
und Gaswechselauslassventil umgeleitet. Durch die somit erzielte höhere
Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels wird
die Kühlung am Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventilsteg,
wo häufig thermomechanische Ermüdungsrisse auftreten,
verbessert.
-
Mit
der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird
eine weitere kühlmittelführende Verbindung mit
dem Kurbelgehäuse dargestellt, die die Entlüftungsbohrung
für das Kurbelgehäuse in vorteilhafter Weise als
Strömungskanal für eine weitere Kühlung
der Stege zwischen den Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventile
nutzt.
-
Durch
die Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche
3 und 4 werden die Gaswechselauslasskanäle sowie die Zünd-
und/oder Brennstoffeinspritzvorrichtung besonders gut gekühlt.
-
Im
Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles
in zwei Figuren sowie mit Hilfe eines einzigen Diagramms näher
erläutet:
-
1 zeigt
eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Gusskern eines
erfindungsgemäß ausgeformten Kühlmittelkanals;
-
2 zeigt
eine Aufsicht auf den dreidimensional dargestellten Gusskern des
erfindungsgemäß ausgeformten Kühlmittelkanals
aus einer anderen Perspektive;
-
3 zeigt
ein Diagramm von einer Temperaturverteilung von Gaswechselauslassventilstegen einer
6-Zylinder-Brennkraftmaschine.
-
1 zeigt
die Aufsicht auf einen Abschnitt eines dreidimensional dargestellten
Gusskerns eines erfindungsgemäß ausgeformten Kühlmittelkanals 5. Der
Kühlmittelkanal 5 ist für eine mehrzylindrige
Reihenbrennkraftmaschine vorgesehen, wobei jedoch nur ein Abschnitt
des Kühlmittelkanals 5 für ca. zweieinhalb
Zylinder dargestellt ist. Der mehrzylindrige Zylinderkopf weist
eine Längsachse LA auf, die mit einem Pfeil symbolisch
dargestellt ist. Einerseits der Längsachse LA ist eine
Einlassseite 3 und andererseits der Längsachse
LA befindet sich eine Auslassseite 1 des Zylinderkopfes.
-
Jeder
Zylinder weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in der Einlassseite 3 zwei Gaswechseleinlasskanäle 4, 4' und
in der Auslassseite 1 zwei Gaswechselauslasskanäle 2, 2' auf.
Weiter weist der Kühlmittelkanal 5 für
jeden Zylinder zwei Einströmöffnungen 6, 6' auf,
durch die Kühlmittel beim Betrieb der Brennkraftmaschine
aus einem nicht dargestellten Kurbelgehäuse in den Zylinderkopf
gefördert wird. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels
ist schematisch mit Pfeilen dargestellt. Die Einströmöffnungen 6, 6' sind
weitgehend unter den Gaswechselauslasskanälen 2, 2' angeordnet.
Von den Einströmöffnungen 6, 6' strömt
das Kühlmittel geodätisch nach oben in den Einströmquerschnitt des
Kühlmittelkanals 5 und weiter weitgehend waagrecht
zuerst weg von der Einlassseite 3 und weiter bogenförmig
zurück in Richtung Auslassseite 1 um zu einem
gemeinsamen Kühlmittelkanal zu verschmelzen und weiter
in einen Stegbereich zwischen den Gaswechselauslasskanälen 2, 2' zu
münden. Ausgehend von dem Stegbereich strömt das
Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal 5 geodätisch
weiter nach oben und umspült die Gaswechselauslasskanäle 2, 2' sowie
einen weitgehend zentrisch zu einem nicht dargestellten Zylinder
angeordneten Bereich, in dem eine Zünd- und/oder eine Brennstoffeinspritzeinheit
anordenbar ist. Ausgehend von diesem Bereich strömt das
Kühlmittel weiter in Richtung Einlassseite 3 des
Zylinderkopfes. Um den Bereich der Zünd- und/oder Brennstoffeinspritzvorrichtung
besonders gut zu kühlen, weist der Kühlmittelkanal 5 beidseitig der
Gaswechselauslasskanäle 2, 2' eine weitere
Verbindung 7, 7' zum Kurbelgehäuse auf,
die gleichzeitig als Entlüftungsbohrung für das
Kurbelgehäuse dienen kann. Zwischen zwei Zylindern ist
jeweils eine Kernstütze 8, 8' angeordnet
zur Lagefixierung des Gusskerns beim Gießvorgang des Zylinderkopfes.
-
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kühlmittelmantel 5 für
eine 6-zylindrige Brennkraftmaschine vorgesehen. Jedoch kann auch
jede andere Brennkraftmaschine mit beliebig vielen Zylindern mit
dem erfindungsgemäß ausgeformten Kühlmittelkanal 5 ausgestattet
werden.
-
In 2,
in der für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern
gelten wie in 1, ist ebenfalls eine Aufsicht
auf den dreidimensional dargstellten Gusskern des Kühlmittelkanals 5 dargestellt,
jedoch mit verbesserter Sicht auf die Einströmöffnungen 6, 6'.
Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist wiederum
mit Pfeilen schematisch dargestellt. Aus 2 ist erkennbar,
wie das Kühlmittel, welches durch die Einströmöffnungen 6, 6' in
den Zylinderkopf eintritt, "M-förmig" zuerst von der Einlassseite 3 des Zylinderkopfes
weg und anschließend wieder zur Einlassseite 3 hin
strömt. Mittig, im Stegbereich zwischen Gaswechselauslasskanälen 2, 2' ist
der Kühlmittelkanal 5 wieder zu einem einzigen
Kühlmittelkanal 5 zusammengeführt. Nach
dieser Kanalzusammenführung wird das Kühlmittel
anschließend geodätisch nach oben gefördert
wird, wo es die Gaswechselauslasskanäle 2, 2' und
den Bereich der Zünd- und/oder Brennstoffeinspritzvorrichtung
umspült.
-
3 zeigt
in einem Diagramm eine Temperaturverteilung von Gaswechselauslassventilstegtemperaturen
für eine 6-zylindrige Brennkraftmaschine. Die Temperaturen
entstammen einer durch Messungen validierten Simulation. Über
die Y-Achse ist die Gaswechselauslassventilstegtemperatur in Grad Celsius
aufgetragen, über die X-Achse sind sechs einzelne Messstellen
im Zylinderkopf dargestellt.
-
Zwei
Graphen 9 und 10 zeigen den Temperaturverlauf über
die Länge des Zylinderkopfes, für aus dem Stand
der Technik bekannte Kühlungskonzepte. Ein dritter Graph 11 zeigt
demgegenüber den Temperaturverlauf für einen Zylinderkopf
mit einem erfindungsgemäß ausgeformten Kühlmittelkanal 5. Klar
erkennbar ist, dass der Temperaturunterschied vom ersten zum sechsten
Zylinder mit der erfindungsgemäßen Ausformung
des Kühlmittelkanals 5 nur ca. 10°C beträgt,
während die Temperaturdifferenz für die konventionellen
Kühlungskonzepte, Graph 9 und 10, bis
zu 25°C beträgt.
-
Zusammengefasst
kann gesagt werden: Der erfindungsgemäße Vorschlag
eliminiert die oben erwähnten Nachteile ohne den Druckverlust
im Kühlsystem nachhaltig zu beeinflussen.
-
Erreicht
wird eine zielgerechte Anströmung der kritischen Zonen
im Zylinderkopf und somit die Kühlung des auslassseitigen
Gaswechselauslassventilsteges sowie eine horizontale, direkte Anströmung
des Brennraumdaches durch folgende Merkmale:
Der Kühlmittelübertritt
vom Kurbelgehäuse zum Zylinderkopf erfolgt je Zylinder
zweimal auf der Auslassseite 1, jeweils über vorzugsweise
nierenförmige Querschnitte in der Brennraumplatte des Zylinderkopfes.
Die nierenförmigen Einströmöffnungen 6, 6' sind
durch eine Kühlmittelmantelunterbrechung jeweils zweigeteilt,
wobei die beiden äußeren "Füße" des
Kühlmittelübertrittes durch eine nicht dargestellte Zylinderkopfdichtung
abgedeckt werden, damit das Kühlmittel nicht hauptsächlich
in die äußeren Bereiche des Zylinders strömt.
Die notwendige Stabilität des Kühlmittelmantelkerns
für den Gießprozess wird dadurch erreicht, dass
die Kühlmittelübertritte unterhalb der Zylinderkopfdichtfläche
durch eine nicht dargestellte Kernleiste miteinander verbunden werden. Das
Kühlmittel tritt durch die mittleren Querschnitte ein und
wird unmittelbar in Richtung eines Abgasflansches und mit etwa 5° bis
40° in Richtung Zylindermitte umgelenkt. Beide Kühlmittelteilströme
vereinigen sich dann in der Zylindermitte mittels einer steifigkeitsförderlichen
Leitrippe zu einem Kanal, der nun direkt auf den Gaswechselauslassventilsteg
zielt. In der Draufsicht betrachtet hat diese Kühlmittelführung die
Form eines "M", weshalb vom sog. „M-Port" gesprochen wird.
-
Zwar
erhöht die zusätzliche Umlenkung der Kühlmittelströmung
im "M-Port" den Druckverlust im Kühlsystem. Dies wird aber
weitgehend dadurch kompensiert, dass bei einem Kühlmittelkanal 5 mit "M-Port"
auf eine Abstimmung der Zylinderkopfdichtung zur gleichmäßigen
Kühlmittelverteilung über alle Zylinder weitgehend
verzichtet werden kann.
-
Durch
die zusätzliche Verbindung 7, 7' des Kühlmittelkanals 5 mit
dem Kühlmittelkanal im Kurbelgehäuse wird eine
sog. Kurbelgehäusezwickelentlüftung erzielt. Die
Kühlmittelströmung durch die Entlüftungsbohrung
wird im Kühlmittelkanal 5 durch entsprechende
Formgebung nahe dem Brennraumdach in horizontale Richtung umgelenkt
und in Richtung einem Steg zwischen Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventil
umgeleitet. Durch die hierdurch erzeugte höhere Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels wird die Kühlung am Gaswechseleinlass-
und Gaswechselauslassventilsteg, wo häufig thermomechanische
Ermüdungsrisse auftreten, verbessert.
-
Durch
die verbesserte Kühlung im Gaswechselauslass- sowie am
Gaswechseleinlassventilsteg (durch die Strömungsumlenkung
an der weiteren Verbindung 7, 7', der Kurbelgehäuseentlüftungsbohrung)
erhöht sich die Lebensdauer, oder es können kostengünstigere
Legierungen (z. B. AlSi8 anstelle von AlSi7) bei gleicher Lebensdauer
eingesetzt werden. Von der verbesserten Kühlung des Gaswechselauslassventilsteges
profitiert auch die Zündeinrichtung, so dass Glühzündungen
vermieden oder reduziert werden können.
-
Anhand
von 3 wurde gezeigt, dass die Kühlung aufgrund
der sauberen Kühlmittelanströmung so gut ist,
dass auf eine Abstimmung der Zylinder kopfdichtung zur Gleichverteilung
des Kühlmittels auf die Zylinder weitgehend verzichtet
werden kann. Durch den "M-Port" erreicht man somit eine sehr große
Unempfindlichkeit der Gaswechselauslassventilstegtemperaturen gegenüber
der Gleichverteilung sowohl bei langen Zylinderköpfen,
wie z. B. bei einem Reihen-6-Zylinder-Zylinderkopf als auch gegenüber der
Einspeisestelle des Kühlmittels im Kurbelgehäuse,
das konstruktive Freiheiten ermöglicht. Als positiver Nebeneffekt
wird durch den „M-Port" auch die Unterseite des Gaswechselauslasskanals 2, 2' gekühlt, wodurch
die thermischen Verzüge des gesamten Zylinderkopfes reduziert
werden.
-
- 1.
- Auslassseite
- 2,
2'
- Gaswechselauslasskanal
- 3
- Einlassseite
- 4,
4'
- Gaswechseleinlasskanal
- 5
- Kühlmittelkanal
- 6,
6'
- Einströmöffnung
- 7,
7'
- Verbindung
- 8,
8'
- Kernstütze
- 9
- erste
Kühlungsvariante
- 10
- zweite
Kühlungsvariante
- 11
- erfindungsgemäße
Kühlungsvariante
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-