DE102009019327A1

DE102009019327A1 - Zylinderkopf, Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes und Gießform zur Herstellung eines Zylinderkopfes

Info

Publication number: DE102009019327A1
Application number: DE102009019327A
Authority: DE
Inventors: Frank Haubner
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) einer Kolbenbrennkraftmaschine (2) mit in mindestens einer Reihe angeordneten Zylindern (3), mit zumindest einem Luftkanal und zumindest einem Abgaskanal pro Zylinder (3) und einer Pfadanordnung (6) zur Führung eines Kühlmitetls (15) zur Kühlung des Zylinderkopfes (1), wobei die Pfandanordnung (6) aufweist: einen ersten Zulaufpfad (24), der einem ersten Zylinder (10) zugeordnet ist und zu einem ersten Umlenkpfad (25) führt, der dem ersten Zylinder (10) zugeordnet ist, und einen ersten Rücklaufpfad (26), der dem ersten Zylinder (10) zugeordnet ist und von dem ersten Umlenkpfad (25) zumindest teilweise entgegengesetzt zu dem ersten Zulaufpfad (24) bis zu einem ersten Überströmpfad (27) führt, der in einen zweiten Zulaufpfad (28) übergeht, der einem zweiten Zylinder zugeordnet ist, wobei zumindest ein Abgassammelkanal (13) vorgesehen ist, der mit den Abgaskanälen zumindest zweier Zylinder der Reihe verbunden ist und der mit zumindest einem Austragungsrohr (14) verbindbar ist, wobei die Pfadanordnung (6) den Abgassammelkanal (13) zumindest teilweise umschließt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Zylinderkopfes wie auch einen Gießkern zur Herstellung eines Zylinderkopfes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine, ein Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes und eine Gießform zur Herstellung eines Zylinderkopfes.
Aus der EP 1 516 113 B1 ist ein Kühlkonzept bekannt, welches einen thermisch hoch belasteten Auslassbereich eines Zylinderkopfes mittels einer Pfadanordnung zur Führung eines Kühlmittels effizient kühlt. Die Pfadanordnung ermöglicht dabei eine U-förmige Umströmung der Abgaskanäle eines Zylinderkopfes quer zu dessen Längsrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Kühlkonzept weiter zu entwickeln und zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einem Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und einer Gießform zur Herstellung eines Zylinderkopfs mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale sind Gegenstand von bevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen. In der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren werden weitere vorteilhafte Merkmale angegeben, die Gegenstand weiterer Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lösung sein können. Diese weiteren Merkmale können dabei untereinander und/oder mit ein oder mehreren Merkmalen aus den Ansprüchen kombiniert werden.
Es wird ein Zylinderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit in mindestens einer Reihe angeordneten Zylindern vorgeschlagen, wobei der Zylinderkopf zumindest einen Luftkanal und zumindest einen Abgaskanal pro Zylinder und eine Pfadanordnung zur Führung eines Kühlmittels zur Kühlung des Zylinderkopfes aufweist. Die Pfadanordnung umfasst dabei einen ersten Zulaufpfad, der zu einem ersten Umlenkpfad führt, und einen ersten Rücklaufpfad, die jeweils einem ersten Zylinder zugeordnet sind. Der erste Rücklaufpfad führt von dem ersten Umlenkpfad kommend zumindest teilweise entgegen gesetzt zu dem ersten Zulaufpfad bis zu einem ersten Überströmpfad, der in einen zweiten Zulaufpfad übergeht, der einem zweiten Zylinder zugeordnet ist.
Für den Zylinderkopf ist ferner zumindest ein Abgassammelkanal vorgesehen, der mit den Abgaskanälen zumindest zweier Zylinder der Reihe verbunden ist, wobei der Abgassammelkanal mit zumindest einem Austragungsrohr verbindbar ist, über welches der Abgassammelkanal an eine Abgasanlage anschließbar ist. Der Abgassammelkanal ist dabei derart zu der Pfadanordnung angeordnet, dass die Pfadanordnung den Abgassammelkanal zumindest teilweise umschließt.
Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung des Zylinderkopfes ist, dass der Abgassammelkanal in das Kühlkonzept eingebunden ist. Dadurch wird eine Temperaturbelastung des Abgassammelkanals während eines Betriebes einer Kolbenbrennkraftmaschine vorteilhafterweise reduziert. Ferner wird nach diesem Kühlkonzept auch eine Temperaturbelastung des dem Abgassammelkanal nachgeschalteten Austragungsrohres reduziert. Das Austragungsrohr als solches kann auch einen Abgaskrümmer ganz oder teilweise darstellen. Gemäß einer Ausgestaltung ist das Austragungsrohr gegenüber einem konventionellen, an einem Zylinderkopf angebrachten Abgaskrümmer vorteilhafterweise so, dass das vorgeschlagene Kühlkonzept auch zu einer Reduktion eines Bauraumes beiträgt.
Gemäß einer Ausgestaltung erstreckt sich der erste Überströmpfad von dem ersten Rücklaufpfad bis zu dem zweiten Zulaufpfad, in dem er sich dabei zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum erstreckt. Je nach Anforderung kann der Überströmpfad derart ausgestaltet sein, der er den Abgassammelkanal auch gänzlich oder sogar mehrfach umschließt. So kann der Überströmpfad zum Beispiel einen bogenförmigen, bevorzugt kreisförmig verlaufenden Abschnitt aufweisen, in dessen Mittelraum der Abgassammelkanal verläuft. Eine Umschließung kann beispielsweise einen zumindest spiral- oder schraubenförmigen Abschnitt aufweisen.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann sich der erste Umlenkpfad von dem ersten Zulaufpfad bis zu dem ersten Rücklaufpfad so erstrecken, dass der Umlenkpfad sich dabei zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum erstreckt. Dabei kann auch der Umlenkpfad derart ausgestaltet sein, der er den Abgassammelkanal auch gänzlich oder sogar mehrfach umschließt. Hierbei kann der Abgassammelkanal ebenfalls spiral- oder schraubenförmig vom Umlenkpfad umgeben sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Zulaufpfad zumindest teilweise unterhalb eines ersten Abgaskanals, der dem ersten Zylinder zugeordnet ist, angeordnet, wo hingegen der erste Rücklaufpfad zumindest teilweise oberhalb des ersten Abgaskanals angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch der erste Zulaufpfad zumindest teilweise oberhalb und der erste Rücklaufpfad zumindest teilweise unterhalb des ersten Abgaskanals angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Umströmung des Abgaskanals je nach Auslegung zuerst von oben nach unten geführt werden oder aber andersherum.
Vorzugsweise sind pro Zylinder zumindest ein erster Abgaskanal und ein zweiter Abgaskanal vorgesehen, wobei der erste Umlenkpfad vorzugsweise zwischen dem ersten Abgaskanal und dem zweiten Abgaskanal angeordnet ist. Dabei können der erste Auslasskanal und der zweite Auslasskanal zu einem Kanal zusammenlaufen, der in den Abgassammelkanal übergeht.
Der Zylinderkopf ist beispielsweise derart ausgestaltet, dass die Pfadanordnung an zumindest einen Kühlkreislauf anschließbar ist. Vorzugsweise ist die Pfadanordnung derart konzipiert, dass ein erster Bereich der Pfadanordnung den Abgaskanälen der Zylinder der Reihe zugeordnet ist, wohingegen ein zweiter Bereich der Pfadanordnung den Luftkanälen der Zylinder der Reihe zugeordnet ist. Der erste Bereich der Pfadanordnung umschließt dabei den Abgassammelkanal zumindest teilweise. So kann die Pfadanordnung eine Längs- wie auch eine Querdurchströmung des Zylinderkopfes aufweisen, zentrale Verteilerleitungen, von denen Kühlströme weg- oder zuströmen, verschiedene Ebenen wie zum Beispiel Flamm- und Öldeck wie auch unterschiedliche Kühlungskonzepte für den Zylinderkopf verwirklichen.
Der Abgassammelkanal verläuft gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung zumindest teilweise im Zylinderkopf. Vorzugsweise ist der Abgassammelkanal gänzlich in dem Zylinderkopf angeordnet. Eine Weiterbildung sieht vor, dass das an den Abgassammelkanal anschließbare Austragungsrohr auch teilweise im Zylinderkopf angeordnet sein kann. Der Abgassammelkanal kann zum Beispiel gießtechnisch im Zylinderkopf erzeugt worden sein. Der Abgassammelkanal ist bevorzugt im Zylinderkopf eingegossen. Gemäß einer Ausgestaltung ist zumindest die einem ersten und einem zweiten Zylinder zugeordnete Pfadanordnung vollständig im Zylinderkopf eingegossen. Auch besteht die Möglichkeit, dass in einem Anbauteil an dem Zylinderkopf der Abgassammelkanal zumindest teilweise enthalten ist und die Pfadanordnung sich bis in das Anbauteil erstreckt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Abgassammelkanal zumindest teilweise im Zylinderkopf verläuft.
Es wird ferner ein Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes bevorzugt der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, bei dem mittels einer Pfadanordnung zur Führung eines Kühlmittels neben einer Kühlung und zumindest eines Abgaskanals pro Zylinder auch eine Kühlung zumindest eines Abgassammelkanals betrieben wird, der mit den Abgaskanälen zumindest zweier Zylinder der Reihe verbunden ist. Das Kühlmittel wird dabei entlang der Pfadanordnung zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum geführt.
Die Pfadanordnung wird an mindestens einen Kühlkreislauf angeschlossen. In der Pfadanordnung ist dabei vorzugsweise ein erster Bereich zur Kühlung der Abgaskanäle und ein zweiter Bereich zur Kühlung beispielsweise der Luftkanäle der Zylinder der Reihe vorgesehen, wobei das Kühlmittel in dem ersten Bereich zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum geführt wird. Der zweite Bereich kann insbesondere auch entlang eines Flammdecks wie auch eines Domes im Zylinderkopf verlaufen. Gemäß einer Ausgestaltung kann die Pfadanordnung einen Bereich umfassen, der im Wesentlichen eine Längsströmung des Kühlmediums verwirklicht. Ein anderer Bereich kann beispielsweise in Form einer Helix-U-Kühlung den Abgassammelkanal kühlen.
Als ein zirkulierendes inneres Kühlmittel wird vorzugsweise eine Flüssigkeit genutzt, bevorzugt Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Öl verwendet. Zur Wärmeübertragung wird beispielsweise auch ein Phasenwechsel des Kühlmittels genutzt. Zusätzlich oder alternativ zu einer Flüssigkeit als Kühlmittel kann auch ein gasförmiges Kühlmittel verwendet werden. Unterstützt werden kann eine Kühlung durch eine äußere Kühlung, beispielsweise durch eine gezielte Zu- und Abführung von Luft. Diese Luftströmung kann durch eine Fahrtgeschwindigkeit hervorgerufen werden und/oder durch eine Zwangskühlung mittels eines Ventilators und zugeordneter Belüftungspfade.
Es wird ferner eine Gießform zur Herstellung eines Zylinderkopfes der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, wobei die Gießform eine Kanalgeometrie aufweist, die beim Gießen eines flüssigen Gießmaterials zumindest eine Kühlmittelpfadanordnung bildet, die einen Abgassammelkanal der zuvor beschriebenen Art zumindest teilweise umschließt.
An dieser Stelle wird auf die eingangs zum Stand der Technik genannte Druckschrift EP 1 516 113 B1 verwiesen, zu der diese Erfindung eine Weiterentwicklung darstellt, wobei die Druckschrift EP 1 516 113 B1 hiermit vollumfänglich zum Offenbarungsgehalt der Erfin dung gemacht wird. Aus dieser geht eine Kühlmittelpfadanordnung hervor, die im Bereich der Auslasskanäle zur besseren Verdeutlichung als Helix-U-Konzept bezeichnet werden kann. Ebenso geht dort eine Ausgestaltung eines Zylinderkopfes mit einem oberen und einem unteren Wassermantel hervor. Die vorgeschlagene Kühlung lässt sich bevorzugt in ein System einbringen, wie es aus dieser Druckschrift hervorgeht, ist aber vorzugsweise nicht auf dieses beschränkt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine folgende Strömung eines Kühlmittels vor, wobei diese Ausgestaltung auch als ein unabhängiger Gedanke des Vorschlags weiter verfolgbar ist. Eine Zuströmung eines Kühlmittels erfolgt bevorzugt an jedem Zylinder des Verbrennungsmotors mittig von einer Auslassseite in einem unteren Wassermantel. Das Kühlmittel strömt sodann in Richtung einer Motormitte der Verbrennungskraftmaschine und wird dabei um zumindest einen, bevorzugt zwei Auslasskanäle und einen Ventilsitz geführt, so dass ein Auslasskanal und ein Flammdeck des Zylinderkopfes komplett von Wasser ummantelt sind. In einer Nähe zu einem Injektor steigt das Kühlmittel im Wesentlichen vertikal auf aus dem unteren Wassermantel in einem davon durch eine Zwischenwand getrennten oberen Wassermantel. Im oberen Wassermantel strömt das Kühlmittel von Innen nach außen in Richtung einer Auslassseite der Verbrennungskraftmaschine. Diese Strömung im oberen und unteren Wassermantel entspricht einem U bei einer vorderen oder hinteren Ansicht des Zylinderkopfes auf die Wassermäntel. Der obere Wassermantel ist wiederum mit dem unteren Wassermantel verbunden, so dass das Kühlmittel vertikal vom oberen in den unteren Wassermantel zurücklaufen kann. Dabei ist der obere Wassermantel eines Zylinders an den unteren Wassermantel des jeweils folgenden Zylinders angebunden. Eine Strömung des Kühlmittels schraubt sich hierbei helixartig um den Auslasssammelkanal und die bevorzugt um die jeweiligen Kanäle des jeweiligen Zylinders. Auf diese Weise kommt eine Helix-U-Strömung zustande. Bevorzugt hierbei ist, wenn die Auslasskanäle jeden Zylinders innerhalb des Zylinderkopfes zusammen geführt und durch einen längs verlaufenden Kanal miteinander verbunden werden. Dieser längs verlaufende Kanal bildet bevorzugt den Auslasssammelkanal. Der längs verlaufende Kanal hat darüber hinaus mindestens einen Austritt zu einem Anschluss an das weitere Auslasssystem.
Des Weiteren wird bevorzugt, wenn der Längsverlauf der Auslasskanäle, bevorzugt auch als Auslasssammelkanal, in einer unteren Hälfte vom unteren Wassermantel und in einer oberen Hälfte vom oberen Wassermantel umschlossen und damit gekühlt wird. Eine Ver bindung des oberen Wassermantels mit dem nachfolgenden unteren Wassermantel erfolgt im Wesentlichen außen auf einer Auslassseite, so dass ein in den Zylinderkopf integrierter Sammelkanal der Auslasskanäle umströmt wird. Auf diese Weise wird ein Helix-U-Konzept einer Kühlung mit integriertem Auslasskrümmer ermöglicht.
Des Weiteren ist gemäß einer Ausgestaltung bevorzugt, dass Wände vorhanden sind, die zu einer Trennung der Wassermäntel für die jeweiligen Zylinder dienen. Diese Wände können darüber hinaus gemäß einer Weiterbildung einen oder mehrere Durchtritte aufweisen. Mittels dieser Durchtritte kann eine Stabilität eines Kernes während der Herstellung des Zylinderkopfes, während eines Handling wie auch während eines Gießprozesses verbessert werden. Der Durchtritt ist hierbei so bemessen, dass damit eine im Wesentlichen Helix-U-förmige Durchströmung des Zylinderkopfes unter Einbindung des Abgassammelkanals, zumindest als eine Strömung, bevorzugt als eine Hauptströmung zumindest in diesem Bereich sich ausbildet.
Bei der Herstellung eines Zylinderkopfes, der vorzugsweise einen Helix-U-Kühlmittelverlauf kombiniert mit einer Integration eines Abgassammelrohrs, insbesondere einen Krümmer in dem Zylinderkopf vorsieht, erfolgt eine Kernerstellung zum Beispiel wie folgt:
Ausgegangen wird vorzugsweise von einem zweiteiligen Wassermantel, wie er auch aus der obigen Druckschrift schon hervorgeht. Eine untere Schale eines Kerns wird in einem Bereich eines späteren unteren Wassermantels unterhalb eines zu integrierenden Abgassammelohrs, insbesondere eines Auslasskrümmers angeordnet. Diese untere Schale wird mit dem unteren Wassermantel unmittelbar verbunden, beispielsweise dadurch, dass bei der Kernherstellung dieser für diesen Bereich einteilig ausgeführt wird. Eine obere Schale wird mit einem zu erzeugenden oberen Wassermantel oberhalb des zu integrierenden Abgassammelrohrs ebenfalls unmittelbar verbunden, beispielsweise ebenfalls dadurch, dass eine entsprechende Kernherstellung in diesem Bereich einteilig ist. Der obere und untere Wassermantelkern werden im Bereich der Aussenwand des Zylinderkopfs zusammengeführt in einem Kernlager. In diesem Bereich erfolgt bevorzugt die vertikale für das Helix-U-Konzept erforderliche Verbindung vom oberen zum unteren Wassermantel.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingehend erläutert. Die aus den Zeichnungen und der Beschreibung her vorgehenden Merkmale beschränken sich dabei nicht auf die jeweiligen Ausführungsbeispiele. Auch sind diese Merkmale nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr dienen diese Merkmale zur Veranschaulichung einer beispielhaften Umsetzung. Darüber hinaus sind die einzelnen Merkmale im Hinblick auf mögliche weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lösung untereinander wie auch mit Merkmalen aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen kombinierbar, die im einzelnen nicht dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines vorgeschlagenen Zylinderkopfs,
2 eine nähere schematische Ansicht eines möglichen Kühlmittelverlaufs im Zylinderkopf,
3 einen weiteren, schematisch angedeuteten Kühlmittelverlauf,
4 eine Querschnittsansicht durch einen vorgeschlagenen Zylinderkopf, und
5 einen schematisch angedeuteten weiteren Kühlmittelverlauf.
Im Folgenden zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile, wobei die Bauteile gleichartig sein können, zum Beispiel die gleiche Funktion bewirken.
1 zeigt in schematischer Ansicht einen Zylinderkopf 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine 2. Die Kolbenbrennkraftmaschine 2 weist zumindest einige Zylinder 3 in Reihe angeordnet auf. Vorzugsweise ist die Kolbenbrennkraftmaschine als Reihenmotor gebaut. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Kolbenbrennkraftmaschine als V-Motor gebaut worden ist, wobei zwei Zylinderbänke vorhanden sind. Bei jeder dieser Zylinderbank sind die jeweiligen Zylinder in Reihe angeordnet. In 1 sind die Zylinder 3 selbst nur jeweils schematisch angedeutet in Form von gestrichelten Linien. Um die Zylinder herum kann beispielsweise ein Wassermantel angeordnet sein. Dieser Wassermantel ist angedeutet durch den ersten Pfeil 4. Das Wasser oder ein sonstiges Kühlmedium kann aus einem Zylindergehäuse 5 der Kolbenbrennkraftmaschine 2 daher zu einem Wassermantel des Zylinderkopfes 1 strömen und umgekehrt. Der Verlauf eines Kühlmittels innerhalb der Kolbenbrennkraftmaschine 2 wird insgesamt als Pfadanordnung 6 bezeichnet. Der Zylinderkopf weist gemäß dieser Ausgestaltung einen zweiteiligen Wassermantel mit einem oberen Wassermantelbereich 7 und einem unteren Wassermantelbereich 8. Dazwischen ist ein Zwischendeck 9 angeordnet. Einem ersten Zylinder 10 sind jeweils zumindest ein erster Luftkanal 11 und ein erster Abgaskanal 12 zugeordnet. Beide sind gestrichelt angedeutet. Der erste Abgaskanal 12 mündet in einem Abgassammelkanal 13, der im Zylin derkopf 1 verläuft, vorzugsweise zumindest mit einer Vertikalkomponente, die entlang einer Kurbelwellenachsrichtung annähernd parallel verläuft. Der Abgassammelkanal 13 ist ebenfalls gestrichelt angedeutet. Der Abgassammelkanal 13 weist vorzugsweise eine Einmündung von jeden in Serie angeordneten Abgaskanal des Zylinderkopfes 2 auf. es können jedoch auch zwei Abgassammelkanäle angeordnet sein, in die jeweils verschiedne Abgaskanäle übergehen. Dieses kann insbesondere bei 6- oder Mehr-Zylinder-Kolbenbrennkraftmaschinen vorgesehen sein. Durch die Vorgabe der Zündung der einzelnen Zylinder kann es für die Strömungsführung des Abgases zur Erzeugung von einem gleichmäßigem Durchströmen oder aus sonstigen Gründen vorteilhaft sein, zwei oder sogar mehr derartiger Abgassammelkanäle im oder am Zylinderkopf 2 vorzusehen. Der Abgassammelkanal 13 wiederum wird mit einem Austragungsrohr 14 gekoppelt. Das Austragungsrohr 14 führt den Abgasstrom bis zu einer Abgasbehandlungseinrichtung, zum Beispiel einem Katalysator. Auch kann das Austragungsrohr bis zu einer Turbine führen, in der die im Abgas enthaltene Enthalpie weiter ausgenutzt wird. Eine dem Austragungsrohr 14 nachfolgende Komponente ist gestrichelt angedeutet. Der Abgassammelkanal 13 kann gemäß einer Ausgestaltung eine Funktion eines Krümmers aufweisen, das bedeutet, dass der gesammelte Abgasstrom richtungsweisend umgelenkt wird in Richtung zu einer dem Austragungsrohr nachfolgenden Komponente wie der Turbine, einem Katalysator, einem Partikelfilter oder einer sonstigen Einrichtung. Hierzu kann der Abgassammelkanal 13 zum Beispiel einen Bereich mit einer Krümmung aufweisen, die annähernd senkrecht zur Vertikalen des Abgassammelrohrs verläuft und eine Umlenkung des gesammelten Abgases von zumindest 90°, vorzugsweise zwischen 100° und 180° ermöglicht. An diesen Umlenkbereich kann sodann zum Beispiel das Austragungsrohr 14 angeschlossen werden. Ein Kühlmittel 15, angedeutet durch einen zweiten Pfeil, kann nun gemäß einer Helix-U-Geometrie durch den Zylinderkopf strömen und dabei die Abgaskanäle kühlen, wobei hierbei der Abgassammelkanal 13 ebenfalls mitumströmt wird. Das Kühlmittel 15 strömt hierbei vorzugsweise von Innen nach Außen in Bezug auf den Zylinderkopf und wieder zurück, wobei das Kühlmittel 15 hierbei nach oben bzw. nach unten geleitet wird, den Abgassammelkanal 13 umströmt, bevor es zum nächsten Zylindergeleitet wird.
2 veranschaulicht schematisch mittels Pfeilen angedeutet in vergrößerter Ansicht einen Teil der Pfadanordnung 6 zur Führung des Kühlmittels 15 innerhalb des Zylinderkopfes 1 der Kolbenbrennkraftmaschine 2 aus 1 mit beispielsweise in einer Reihe angeordneten Zylindern. Die Pfadanordnung 6 umfasst dabei einen ersten Pfadbereich 16, der den Abgaskanälen 18 des Zylinderkopfes 1 zugeordnet ist, und einen zweiten Pfadbereich 17, der den Luftkanälen 19 des Zylinderkopfes 1 zugeordnet ist. Der erste Pfadbereich 16 beschreibt dabei einen Pfadweg, welcher das Kühlmittel 15, gestrichelt angedeutet, sowohl abschnittsweise in Querrichtung als auch abschnittsweise in Längsrichtung des Zylinderkopfes führt. Der zweite Pfadbereich 17 hingegen beschreibt vorzugsweise zwei im Wesentlichen in Längsrichtung des Zylinderkopfes verlaufende ersten und zweiten Kühlmittelweg 19, 20. Die Pfadanordnung 6 ist dabei derart ausgestaltet, dass der erste Bereich 16 vorzugsweise den Abgassammelkanal 13, der für den Zylinderkopf 1 vorgesehen ist, zumindest teilweise umschließt. Der Abgassammelkanal 13 kann dabei vorzugsweise gänzlich oder aber nur zum Teil innerhalb der Zylinderkopfes 1 angeordnet sein. Auch kann sich dabei ein mit dem Zylinderkopf 1 verbindbares Austragungsrohr, welches mit dem Abgassammelkanal 13 und einer Abgasanlage verbindbar ist, zum Teil in den Zylinderkopf 1 erstrecken.
Nach einer alternativen Ausgestaltung werden vorzugsweise ein erster und ein zweiter Abgassammelkanal vorgesehen, wobei die beiden Abgassammelkanäle jeweils vorzugsweise mit den Abgaskanälen zweier vorzugsweise benachbarter Zylinder der Reihe verbunden sind.
Die Pfadanordnung 6 gemäß 2 umfasst einen Verteilungspfad 21, der in die einzelnen Pfade des ersten und zweiten Pfadbereiches 16, 17 mündet, und einen Sammelpfad 22, in den die einzelnen Pfade der beiden Pfadbereiche 16, 17 münden. Wie aus der 2 ersichtlich ist, erstreckt sich von einem dritten Kühlmittelweg 23, der vorzugsweise auch seine Quelle im Verteilungspfad 21 hat, ein erster Zulaufpfad 24 im Wesentlichen in Querrichtung des Zylinderkopfes 1 bis zu einem ersten Umlenkpfad 25, der in einen ersten Rücklaufpfad 26 übergeht. Dieser erste Rücklaufpfad 26 erstreckt sich dabei zumindest teilweise entgegen gesetzt zu dem ersten Zulaufpfad 24 bis zu einem ersten Überströmpfad 27. Der erste Zulaufpfad 24, der erste Umlenkpfad 25 und der erste Rücklaufpfad 26 sind dabei einem ersten Zylinder zugeordnet und beschreiben einen im Wesentlichen U-förmigen Pfadverlauf. Der erste Überströmpfad 27 geht in einen zweiten Zulaufpfad 28 über, der einem zweiten Zylinder zugeordnet ist, der in der Zylinderreihenfolge vorzugsweise auf den ersten Zylinder folgt. Der erste Überströmpfad 27, der sich von dem ersten Rücklaufpfad 26 bis zum zweiten Zulaufpfad 28 erstreckt, umschließt dabei teilweise schraubenförmig den Abgassammelkanal 8. In gleicher Weise erstreckt sich dieser soeben beschriebene Pfadverlauf vorzugsweise über den gesamten ersten Pfadbereich 16 entsprechend der Anzahl der Zylinder bis in den Sammelpfad 22, der an vorzugsweise einen Kühlkreislauf der Kolbenbrennkraftmaschine anschließbar ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich nach einer weiteren – hier dargestellten – Ausgestaltung der erste Umlenkpfad von dem ersten Zulaufpfad bis zu dem ersten Rücklaufpfad und dabei zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum erstrecken.
Aus 2 geht des Weiteren hervor, dass nicht nur ein sondern auch zwei oder mehr Zulaufpfade, Umlenkpfade und/oder Rücklaufpfade einem Zylinder zugeordnet sein können. So kann bei zwei Auslasskanälen wie dargestellt jeweils ein Teilstrom entlang eines der beiden Auslasskanäle fließen und ein dritter Teilstrom kann zwischen den beiden Auslasskanälen angeordnet sein. Auch ist beispielhaft schematisch dargestellt, dass gemäß einer Ausgestaltung ein Teil des Kühlmittels 15 einen Helix-Verlauf mit Umschließung des Abgassammelrohrs 5 vollzieht, während ein anderer Teil des Kühlmittels 15 vor dem Abgassammelkanal 13 aber entlang diesem zum nachfolgenden Zylinder und dem oder den dort vorhandenen Zulaufpfaden geführt wird. So kann gemäß einer Ausgestaltung eine Kanalgestaltung derart sein, dass ein erster Volumenteilstrom 29 an Kühlmittel 15, welches den Abgassammelkanal 13 umströmt, größer ist als ein zweiter Volumenteilstrom 30, der entlang des Abgassammelkanals 13 strömt. Beide Volumenteilströme 29, 30 können sich anschließend gemäß einer Weiterbildung wieder verbinden und den nachfolgenden Zylinder kühlen. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass beide Volumenteilströme getrennt verlaufen, dabei jedoch jeweils eine Helix-U-Konfiguration aufweisen. Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest ein Volumenteilstrom des Kühlmittels 15 im ersten Pfadbereich 16 vorgesehen ist, der ähnlich zum ersten und zweiten Kühlmittelweg 19, 20 verläuft, während ein anderer Volumenteilstrom gleichzeitig einer Helix-U-Geometrie folgt, bei der der Abgassammelkanal 13 zumindest zum Teil mitumschlossen wird.
Gemäß der in 2 dargestellten Ausgestaltung, nach der pro Zylinder vorzugsweise ein erster Abgaskanal und ein zweiter Abgaskanal vorgesehen sind, besteht die Möglichkeit, dass der erste Umlenkpfad zwischen dem ersten Abgaskanal und dem zweiten Abgaskanal angeordnet ist. Die beiden Auslasskanäle laufen dabei zu einem gemeinsamen Kanal zusammen, der in den Abgassammelkanal übergeht.
3 zeigt eine weitere schematische Ausgestaltung, wie ein Zylinderkopf 1 gekühlt werden kann. Hierzu sind schematisch angedeutet Abgaskanäle 31 dargestellt, die jeweils in einen Abgassammelkanal 32 münden. Der Abgassammelkanal 32 führt das Abgas aus dem Zylinderkopf heraus, wobei der Abgasstrom als gepunktete Linie dargestellt ist. Der Kühlmittelstrom 33 ist hingegen gestrichelt dargestellt. Der Kühlmittelstrom 33 folgt beispielhaft gemäß dieser Ausgestaltung ausschließlich einem Helix-U-Verlauf und umschließt hierbei den Abgassammelkanal 32. Wie dargestellt, erfolgt gemäß einer Möglichkeit eine Strömung entlang des Abgaskanals 31 an dessen oberer Seite von Innen nach Außen des Zylinderkopfs 1. In einem äußeren Bereich wird der Kühlmittelstrom 33 umgelenkt und wieder ins Innere des Zylinderkopfs 1 geführt, entlang einer Unterseite des Abgaskanals 31. Sodann wird er von unten nach oben geführt, wobei hierbei der Kühlmittelstrom 33 von einem Zylinder zum nächsten benachbarten Zylinderüberströmt.
4 zeigt einen U-förmigen Pfadverlauf in Querrichtung eines weiteren Zylinderkopfes 1. Dabei ist ein Zulaufpfad 34 vorzugsweise im Wesentlichen unterhalb eines Abgaskanals 35 und eines Abgassammelkanals 36 angeordnet, wobei der Zulaufpfad 34 einem Zylinder zugeordnet ist. Der Rücklaufpfad 37 hingegen ist nach dieser Ausgestaltung im Wesentlichen oberhalb des Abgaskanals 35 und des Abgassammelkanals 36 angeordnet. Er verläuft entgegengesetzt zum Zulaufpfad 34. Eine U-förmige Kühlungsströmung startet gemäß dieser Ausgestaltung bevorzugt unterhalb eines integrierten Krümmer in Form des Abgassammelkanals 36. Von dort strömt das Kühlmittel, angedeutet durch den Pfeilverlauf, zu einer Motormitte im Zylinderkopf, wo eine vertikale Aufwärtsströmung einsetzt. Bei Aufteilung des Wassermantels in einen oberen und einen unteren Wassermantelbereich, getrennt vorzugsweise durch ein einzelnes Zwischendeck 38, erfolgt sodann im oberen Wassermantelbereich eine Strömung von Innen nach Außen. Das Kühlmittel strömt hierbei auch über den in den Zylinderkopf 1 integrierten Krümmer in Form des Abgassammelkanals 36. Diese U-Form der Strömung wird ergänzt um eine Helix-Struktur, indem vorzugsweise das Kühlmittel aus dem oberen Wassermantelbereich in den unteren Wassermantelbereich strömt, wobei das Kühlmittel vertikal-diagonal zum nächsten Zylinder strömt, für den eine U-Umströmung sich wieder anschließen kann.
Mittels der Pfadanordnung wird bevorzugt neben einer Kühlung der Abgaskanäle und einer Kühlung des Abgassammelkanals 8 insbesondere auch eine Kühlung der Luftkanäle 4 betrieben, wobei das Kühlmittel in dem ersten Bereich vorzugsweise abschnittsweise teilweise um den Abgassammelkanal herum geführt wird. So kann beispielsweise eine U-förmige Umströmung nicht nur die Abgaskanäle sondern auch die Luftkanäle umfassen.
5 zeigt einen weiteren Helix-U-artigen Verlauf eines Kühlmittelsstroms 39 durch einen ausschnittartig und vereinfacht dargestellten Zylinderkopf 40. Im dargestellten Ausschnitt des Zylinderkopfes 40 verläuft die Pfadanordnung 41 gemäß diesem Ausführungsbeispiels wie folgt:
In einem unteren Wassermantel ist ein erster Zulaufpfad 42 verlaufend. Dieser strömt von Außen nach Innen und kühlt hierbei schematisch angedeutet die Abgaskanäle 41 eines ersten Zylinders. Hierbei erfolgt die Zuströmung des ersten Zulaufpfades 42 in etwa mittig, wodurch das Kühlmittel an die Auslasskanäle wie auch Ventilsitze geführt werden kann. In einer Nähe zu einem Injektor steigt sodann das Kühlmittel über einen Übergang vom ersten Zulaufpfad 42 in einen ersten Umlenkpfad 43 im Wesentlichen vertikal in einen oberen Wassermantel an. Im oberen Wassermantel wiederum strömt das Kühlmittel von Innen nach Außen in Richtung einer Auslassseite, wobei der erste Umlenkpfad 44 in einen ersten Rücklaufpfad 45 über geht. Sodann wird das Kühlmittel entlang des Abgassammelkanals 46 geführt, wodurch das Kühlmittel vom ersten Zylinder zum zweiten Zylinder gelangt. Das Kühlmittel wird hierbei bevorzugt vom oberen wieder in den unteren Wassermantel übergeleitet, wobei hierbei ein erster Überströmpfad 47 genutzt wird. Hierbei erfolgt vorzugsweise eine Kühlmittelströmung entgegen einer Abströmung des Abgases entlang des Abgassammelkanals 46, so dass auf diese Weise ein Gegenstromkonzept von Kühlmittel und dem Abgas sich einstellt. Es besteht jedoch gemäß einer anderen Ausgestaltung die Möglichkeit, dass auch ein Gleichstromkonzept hierbei in Bezug auf die Strömung des Kühlmittels entlang des Abgassammelkanals 46 und der im Abgassammelkanal 46 strömenden Abgase sich einstellt. Des Weiteren bleibt bei der hier vorgeschlagenen Anordnung des Strömungspfades 6 ein Abschnitt als Gleichstromkonzept zwischen Abgasströmung und Kühlmittelströmung ausgelegt, nämlich zumindest ein Teil, der bis zum Abgassammelkanal 46 verläuft. Es besteht hier auch ebenfalls die Möglichkeit, dass die Strömung umgekehrt und damit für diesen Bereich auch ein Gegenstromkonzept vorliegt. Der erste Überströmpfad 47 wiederum geht bevorzugt über in den zweiten Zulaufpfad 48, der im unteren Wassermantel den zweiten Zylinder und die dazugehörigen Abgaskanäle sowie den zugehörigen Injektor anströmt, bevor über einen zweiten Umlenkpfad 49 das Kühlmittel vom unteren zum oberen Wassermantel geführt wird und dann entsprechend der Strömungsführung am ersten Zylinder weiter zum dritten Zylinder ge führt wird. Sowie der Ausschnitt dargestellt ist, kann es sich hierbei um die Zylinderbank eines V-Motors handeln, in diesem Falle beispielsweise um einen 6-Zylinder in V-Anordnung. In diesem Falle würde entsprechend der Abgassammelkanal 46 nach dem dritten Zylinder beispielsweise in einen gemeinsamen Krümmer mit der zweiten Zylinderbank übergehen, so dass anschließen das Abgas weiterbehandelt werden kann. Es besteht hier auch ebenfalls die Möglichkeit, dass der Abgassammelkanal 46 direkt zu einem Abgasturbolader geführt wird und sich daran anschließend eine Abgasnachbehandlung und/oder ein Krümmer anschließt.
Eine bevorzugte Anwendung des vorgeschlagenen Kühlverfahrens ergibt sich an einem HSDI (High Speed Direct Injection) Dieselmotor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1516113 B1 [0002, 0018, 0018]

Claims

Zylinderkopf (1) einer Kolbenbrennkraftmaschine (2) mit in mindestens einer Reihe angeordneten Zylindern (3), mit zumindest einem Luftkanal und zumindest einem Abgaskanal pro Zylinder (3) und einer Pfadanordnung (6) zur Führung eines Kühlmittels (15) zur Kühlung des Zylinderkopfes (1), wobei die Pfadanordnung (6) aufweist: einen ersten Zulaufpfad (24), der zu einem ersten Umlenkpfad (25) führt, und einen ersten Rücklaufpfad (26), die jeweils einem ersten Zylinder (10) zugeordnet sind, wobei der erste Rücklaufpfad (26) von dem ersten Umlenkpfad (25) zumindest teilweise entgegen gesetzt zu dem ersten Zulaufpfad (24) bis zu einem ersten Überströmpfad (27) führt, der in einen zweiten Zulaufpfad (28) übergeht, der einem zweiten Zylinder zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abgassammelkanal (13) vorgesehen ist, der mit den Abgaskanälen zumindest zweier Zylinder der Reihe verbunden ist und der mit zumindest einem Austragungsrohr (14) verbindbar ist, wobei die Pfadanordnung (6) den Abgassammelkanal (13) zumindest teilweise umschließt.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überströmpfad (27) von dem ersten Rücklaufpfad (26) bis zu dem zweiten Zulaufpfad (28) derart verläuft, dass dabei der erste Überströmpfad (27) zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum sich erstreckt.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Umlenkpfad (25) von dem ersten Zulaufpfad (24) bis zu dem ersten Rücklaufpfad (26) derart erstreckt, dass dabei der erste Umlenkpfad (25) sich zumindest teilweise um den Abgassammelkanal (13) herum erstreckt.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zulaufpfad zumindest teilweise unterhalb eines ersten Abgaskanals, der dem ersten Zylinder zugeordnet ist, angeordnet ist, wohingegen der erste Rücklaufpfad zumindest teilweise oberhalb des ersten Abgaskanals angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylinder zumindest ein erster Abgaskanal und ein zweiter Abgaskanal vorgesehen sind, wobei der erste Umlenkpfad zwischen dem ersten Abgaskanal und dem zweiten Abgaskanal angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskanal und der zweite Abgasskanal zu einem gemeinsamen Kanal zusammenlaufen, der in den Abgassammelkanal übergeht.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfadanordnung (6) an zumindest einen Kühlkreislauf anschließbar ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Pfadbereich (16) der Pfadanordnung (6) den Abgaskanälen der Zylinder der Reihe zugeordnet ist, wohingegen ein zweiter Pfadbereich (17) der Pfadanordnung (6) den Luftkanälen der Zylinder der Reihe zugeordnet ist, wobei der erste Bereich der Pfadanordnung (6) den Abgassammelkanal (13) zumindest teilweise umschließt.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassammelkanal (13) zumindest teilweise im Zylinderkopf (1) verläuft.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassammelkanal (1) im Zylinderkopf (1) eingegossen ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten und dem zweiten Zylinder zugeordnete Pfadanordnung (6) vollständig im Zylinderkopf (1) eingegossen ist.
Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes (1) einer Kolbenbrennkraftmaschine (2) mit in mindestens einer Reihe angeordneten Zylindern (3), bei dem mittels einer Pfadanordnung (6) zur Führung eines Kühlmittels (15) neben einer Kühlung zumindest eines Abgaskanals pro Zylinder auch eine Kühlung zumindest eines Abgassammelkanals (13) betrieben wird, der mit den Abgaskanälen zumindest zweier Zylinder der Reihe verbunden ist, wobei das Kühlmittel (15) entlang der Pfadanordnung (6) zumindest teilweise um den Abgassammelkanal (13) herum geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pfadanordnung (6) ein erster Bereich zur Kühlung der Abgaskanäle und ein zweiter Bereich zur Kühlung vorzugsweise der Luftkanäle der Zylinder der Reihe vorgesehen werden, wobei das Kühlmittel (15) in dem ersten Bereich zumindest teilweise um den Abgassammelkanal herum geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Öl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiges Medium als Kühlmittel (15) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenwechsel des Kühlmittels (15) zur Wärmeübertragung genutzt wird.
Gießform zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit in mindestens einer Reihe angeordneten Zylindern (3), wobei die Gießform eine Kanalgeometrie aufweist, die beim Gießen eines flüssigen Gießmaterials zumindest eine Kühlmittelpfadanordnung bildet, die einen Abgassammelkanal zumindest teilweise umschließt.
Verwendung eines gekühlten Abgassammelkanals bei einem direkteinspritzenden Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs.