DE102007048021A1

DE102007048021A1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007048021A1
Application number: DE102007048021A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Ehart; Herbert Holzinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-10-06
Filing date: 2007-10-06
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei Zylindern, wobei für jeden Zylinder zwei in einer Zylinderkopflängsrichtung benachbart zueinander angeordnete Gaswechselauslasskanäle (9, 9') vorgesehen sind und wobei für jeden Zylinder im Zylinderkopf auslassseitig ein mittig zwischen den Gaswechselauslasskanälen (9, 9') angeordneter Kühlmittelzuführkanal (2) und zwei außen, neben den Gaswechselauslasskanälen (9, 9') angeordnete Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') vorgesehen sind, die mit einem, von einem Kurbelgehäuse (8) kommenden Kühlmittel beaufschlagbar sind, wobei sich der mittige Kühlmittelzuführkanal (2) zwischen den Gaswechselauslasskanälen (9, 9') in Richtung einer Einlassseite erstreckt und die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') die Gaswechselauslasskanäle (9, 9') weitgehend ummanteln, wobei der mittlere und die äußeren Kühlmittelzuführkanäle (2, 3, 3') auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle (9, 9') ineinander übergehen und wobei die äußeren Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') von benachbarten Zylindern auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle (9, 9') ineinander übergehen und sich in Richtung der Einlassseite erstrecken und ein Strömungsquerschnitt der äußeren Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') in Richtung der Einlassseite, im Bereich der Gaswechselauslasskanäle (9, 9') reduziert ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich eine verbesserte Kühlwirkung ...

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine 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. Aus dieser ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt, wobei für jeden Zylinder zwei in einer Zylinderkopflängsrichtung benachbart zueinander angeordnete Gaswechselauslasskanäle vorgesehen sind. Auslassseitig sind für jeden Zylinder ein mittig zwischen den Gaswechselauslasskanälen angeordneter Kühlmittelzuführkanal sowie zwei außen, neben den Gaswechselauslasskanälen angeordnete Kühlmittelzuführkanäle vorgesehen. Die drei Kühlmittelzuführkanäle je Zylinder sind mit einem, von einem Kurbelgehäuse kommenden Kühlmittel beaufschlagbar. Der mittige Kühlmittelzuführkanal erstreckt sich zwischen den Gaswechselauslasskanälen in Richtung Einlassseite. Die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle ummanteln die Gaswechselauslasskanäle weitgehend, wobei der mittlere und die äußeren Kühlmittelzuführkanäle auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle ineinander übergehen. Ferner gehen die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle von benachbarten Zylindern auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle ineinander über und erstrecken sich weiter in Richtung der Einlassseite des Zylinderkopfes.
Bei dieser, aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktion, geht die Strömung durch die äußeren Kühlmittelzuführkanäle größtenteils direkt in die Zylinderkopfquerrichtung und behindert dadurch die gewünschte Strömung durch den mittleren Kühlmittelzuführkanal. Als Folge müssen die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle sehr klein ausgelegt werden. Beides führt dazu, dass der obere Bereich der Gaswechselauslasskanäle nur schwach mit Kühlmittel versorgt wird, so dass dort einerseits sehr hohe Bauteiltemperaturen auftreten und andererseits keine unterstützende Kühlung der Bodenplatte des Zylinderkopfes durch eine ausreichende Wärmeabfuhr nach oben stattfindet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Strömung aus den beiden äußeren Kühlmittelzuführkanälen in den oberen Bereich der Auslasskanäle umgelenkt, so dass eine günstigere Kühlung dieses Bereiches erreicht wird. Durch das Zusammentreffen der beiden symmetrischen Strömungsanteile muss die Strömung in der Folge in Richtung Bodenplatte abgeführt werden, so dass zusätzlich die Strömung aus dem mittleren Kühlmittelzuführkanal in der Nähe der Bodenplatte des Zylinderkopfes gehalten wird. In Summe ergibt sich hieraus in vorteilhafter Weise eine verbesserte Kühlwirkung im oberen Bereich der Gaswechselauslasskanäle bei gleichzeitiger Begünstigung der bodenplattennahen Strömung zwischen den Gaswechselauslasskanälen, so dass eine höhere Thermoschockbeständigkeit in der Bodenplatte sowie eine geringere thermische Belastung der Gaswechselauslasskanäle und eine höhere Lebensdauer resultieren, bzw. weitere Leistungssteigerungen für die Brennkraftmaschine möglich werden.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 gestattet eine einfache gießtechnische Herstellung.
Die Strömungsquerschnittreduzierung gemäß Patentanspruch 3 ist ein besonders bevorzugter Bereich.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen in drei Figuren näher erläutert. In einer vierten Figur ist der Stand der Technik dargestellt.
1 zeigt eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantels für einen erfindungsgemäß ausgestalteten flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine.
2 zeigt eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantels für einen erfindungsgemäß ausgestalteten flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine.
3 zeigt nochmals den Kühlmittelmantel aus 2, jedoch mit einer Kühlmittelanströmung von einem angedeuteten Kurbelgehäuse.
4 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmittelkanal.
Im Folgenden gelten in den 1 bis 4 für gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantels 1 für einen erfindungsgemäß ausgestalteten flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine. Der dargestellte Kühlmittelmantel 1 ist nur ein Abschnitt des gesamten Kühlmittelmantels 1 für den Zylinderkopf, entsprechend für zwei Zylinder der Brennkraftmaschine.
Für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine sind in einer Zylinderkopflängsrichtung, benachbart zueinander, zwei Gaswechselauslasskanäle 9, 9' vorgesehen. Weiter sind für jeden Zylinder im Zylinderkopf auslassseitig ein weitgehend mittig zwischen den Gaswechselauslasskanälen 9, 9' angeordneter Kühlmittelzuführkanal 2 sowie zwei außen, neben den Gaswechselauslasskanälen 9, 9' angeordnete äußere Kühlmittelzuführkanäle 3, 3' vorgesehen. Der mittige Kühlmittelzuführkanal 2 sowie die äußeren Kühlmittelzuführkanäle 3, 3' sind mit einem, von einem in den 1 und 2 nicht dargestellten Kurbelgehäuse 8 mit Kühlmittel beaufschlagbar. Das Kurbelgehäuse 8 ist ersichtlich in 3.
Der mittige Kühlmittelzuführkanal 2 erstreckt sich von dem Kurbelgehäuse kommend weitgehend zwischen den Gaswechselauslasskanälen 9, 9' in Richtung einer Einlassseite des Zylinderkopfes. Die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle 3, 3' erstrecken sich weitgehend um die Gaswechselauslasskanäle 9, 9' herum und ummanteln diese fast vollständig. Der mittlere und die äußeren Kühlmittelzuführkanäle 2, 3, 3' gehen auf der, der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle 9, 9' ineinander über. Die äußeren Kühlmittelzuführkanäle 3, 3' von benachbarten Zylindern gehen auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle 9, 9' ebenfalls ineinander über, d. h. sämtliche Kühlmittelkanäle 2, 3, 3' vereinen sich zu einem einzigen Kühlmittelkanal, der sich weiter in Richtung Einlassseite des Zylinderkopfes erstreckt. Eine Hauptströmung des Kühlmittels ist schematisch durch Pfeile in den Kühlmittelkanälen 2, 3, 3' dargestellt.
Erfindungsgemäß ist ein Strömungsquerschnitt der äußeren Kühlmittelzuführkanäle 3, 3' auf der dem benachbarten Zylinder zugewandten Seite im Bereich der Gaswechselauslasskanäle 9, 9' reduziert. Diese Querschnittsverringerung ist mit 6 beziffert. Im vorliegenden ersten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um einen vorzugsweise weitgehend in Hochrichtung ovalen Steg, der bevorzugt aus Zylinderkopfmaterial besteht. Somit ist eine einfache Fertigung der Querschnittsverringerung 6 beim Zylinderkopfgießprozess möglich. Die Reduzierung des Strömungsquerschnittes beträgt bevorzugt bis zu 50% des aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsquerschnittes.
2 zeigt im Wesentlichen den gleichen Kühlmittelmantel 1 wie 1, jedoch ist die Querschnittsverringerung 6 nun nicht als weitgehend kreisrunder Steg ausgebildet, sondern als längliche Strebe. Auch in diesem zweiten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Querschnittsverringerung 6 bzw. der Steg bevorzugt beim Gießprozess des Zylinderkopfes mit hergestellt. Auch andere Geometrien als die zwei besonders bevorzugten Geometrien für die Querschnittsverringerung 6, wie z. B. dreieckige oder strömungsoptimierte Geometrien, sind möglich.
3 zeigt nochmals den Kühlmittelmantel 1 aus 2, jedoch mit einem angedeuteten Kurbelgehäuse 8. Die Strömung des Kühlmittels vom Kurbelgehäuse 8 in den Kühlmittelmantel 1 des Zylinderkopfes ist schematisch mit Pfeilen dargestellt.
Durch die teilweise bis durchgehende Querschnittsverringerung in Zylinderkopflängsrichtung zwischen den Gaswechselauslasskanälen 9, 9' benach barter Zylinder wird ein direkter Kurzschluss der Strömungen aus den äußeren Kühlmittelzuführkanälen 3, 3' von der Außen- zur Einlassseite verhindert. In vorteilhafter Weise dient diese Querschnittsverringerung 6 gleichzeitig zur Erhöhung der Stabilität des Zylinderkopfes.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die Strömung aus den beiden größeren Kühlmittelzuführkanälen 3, 3' in den oberen Bereich der Gaswechselauslasskanäle 9, 9' umgelenkt, so dass eine günstigere Kühlung dieses Bereiches erreicht wird. Durch das Zusammentreffen der beiden symmetrischen Strömungsanteile muss die Strömung in der Folge in Richtung Bodenplatte abgeführt werden, so dass die Strömung aus dem mittleren Kühlmittelzuführkanal 2 in der Nähe der Bodenplatte des Zylinderkopfes gehalten wird.
Weiter werden die erwünschten Strömungspfade, nicht wie im Stand der Technik, durch die direkte Querströmung behindert, so dass die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle 3, 3' für einen hohen Massendurchsatz und einem geringeren Druckverlust größer gewählt werden können.
In Summe ergibt sich eine verbesserte Kühlwirkung im oberen Bereich der Gaswechselauslasskanäle 9, 9' bei gleichzeitiger Begünstigung der Bodenplattenströmung zwischen den Gaswechselauslasskanälen 9, 9', so dass hieraus eine höhere Thermoschockbeständigkeit in der Bodenplatte des Zylinderkopfes sowie eine geringere thermische Belastung der Auslasskanäle 9, 9' sowie eine höhere Lebensdauer resultieren bzw. weitere Leistungssteigerungen für die Brennkraftmaschine möglich werden.
4 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmittelkanal 1, der bis auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung, der Querschnittsverringerung, den bevorzugten Ausführungsbeispielen aus den 1 bis 3 entspricht.

1: Kühlmittelmantel
2: mittiger Kühlmittelzuführkanal
3, 3': äußerer Kühlmittelzuführkanal
4: Durchbruch für Gaswechselventile
5: Durchbruch für Einspritz-/Zündvorrichtung
6: Querschnittsverringerung
7: Übertrittstelle
8: Kurbelgehäuse
9, 9': Gaswechselauslasskanal

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

- DE 102006036422 [0002]

Claims

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei Zylindern, wobei für jeden Zylinder zwei in einer Zylinderkopflängsrichtung, benachbart zueinander angeordnete Gaswechselauslasskanäle (9, 9') vorgesehen sind und wobei für jeden Zylinder im Zylinderkopf auslassseitig ein mittig zwischen den Gaswechselauslasskanälen (9, 9') angeordneter mittiger Kühlmittelzuführkanal (2) und zwei außen, neben den Gaswechselauslasskanälen (9, 9') angeordnete äußere Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') vorgesehen sind, die mit einem, von einem Kurbelgehäuse (8) kommenden Kühlmittel beaufschlagbar sind, wobei sich der mittige Kühlmittelzuführkanal (2) zwischen den Gaswechselauslasskanälen (9, 9') in Richtung einer Einlassseite erstreckt und die beiden äußeren Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') die Gaswechselauslasskanäle (9, 9') weitgehend ummanteln, wobei der mittlere und die äußeren Kühlmittelzuführkanäle (2, 3, 3') auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle (9, 9') ineinander über gehen und wobei die äußeren Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') von benachbarten Zylindern auf der der Einlassseite zugewandten Seite der Gaswechselauslasskanäle (9, 9') ineinander über gehen und sich in Richtung der Einlassseite erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt der äußeren Kühlmittelzuführkanäle (3, 3') in Richtung der Einlassseite, im Bereich der Gaswechselauslasskanäle (9, 9') reduziert ist.
Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Strömungsquerschnitt durch Zylinderkopfmaterial erzielt ist.
Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt bis zu 100% reduziert ist.