DE102015200103A1 - Internal combustion engine with liquid-cooled cylinder head - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1), der – mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung (7) anschliesst, und der – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel (2, 2a, 2b) ausgestattet ist, welcher durch Wandungen (8) des Zylinderkopfes (1) begrenzt und ausgebildet ist, wobei – die den mindestens einen integrierten Kühlmittelmantel (2, 2a, 2b) begrenzenden Wandungen (8) zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung (8a) versehen sind. Es soll eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) bereitgestellt werden, der hinsichtlich der Flüssigkeitskühlung optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – die Wandungen (8), die dem mindestens einen Zylinder zugewandt sind, zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung (8a) versehen sind.The invention relates to an internal combustion engine having at least one liquid-cooled cylinder head (1), which has at least one cylinder, each cylinder having at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and connecting an exhaust pipe (7) to each outlet opening, and the - for the formation of liquid cooling with at least one integrated coolant jacket (2, 2a, 2b) is provided, which is bounded and formed by walls (8) of the cylinder head (1), - - the at least one integrated coolant jacket (2, 2a, 2b) limiting walls (8) are at least partially provided with a thermal insulation (8a). An internal combustion engine is to be provided with at least one liquid-cooled cylinder head (1) which is optimized with regard to liquid cooling. This object is achieved by an internal combustion engine of the type mentioned, which is characterized in that - the walls (8) facing the at least one cylinder, at least partially with a heat insulation (8a) are provided.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf, der
- – mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, und der
- – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, welcher durch Wandungen des Zylinderkopfes begrenzt und ausgebildet ist, wobei
- – die den mindestens einen integrierten Kühlmittelmantel begrenzenden Wandungen zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
- - Has at least one cylinder, each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder via Abgasabführsystem and connects to each outlet opening an exhaust pipe, and the
- - Is equipped to form the liquid cooling with at least one integrated coolant jacket, which is bounded and formed by walls of the cylinder head, wherein
- - The at least one integrated coolant jacket limiting walls are at least partially provided with a thermal insulation.
Eine Brennkraftmaschine ähnlich der vorstehenden Brennkraftmaschine beschreibt die europäische Patentanmeldung
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung mindestens eines Zylinders, d. h. Brennraums, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden. Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, d. h. die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen, wodurch die konstruktive Auslegung des Zylinderkopfes wesentlich mit beeinflusst wird.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which is used to form at least one cylinder, d. H. Combustion chamber, are connected to each other at their mounting end faces. To form a functional, d. H. the combustion chambers sealing connection of cylinder head and cylinder block are to provide sufficient and sufficiently large holes, whereby the structural design of the cylinder head is significantly influenced.
Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.The cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons or the cylinder tubes. The pistons are guided axially movably in the cylinder tubes and, together with the cylinder tubes and the cylinder head, form the combustion chambers of the internal combustion engine.
Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.The cylinder head is usually used to hold the valve train. To control the charge cycle, an internal combustion engine requires controls and actuators to operate the controls. As part of the charge exchange, the exhaust of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber via the inlet openings takes place. To control the charge cycle, four-stroke engines use almost exclusively lift valves as control members which perform an oscillating lifting movement during operation of the internal combustion engine and in this way release and close the inlet openings and outlet openings. The required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train.
Der Zylinderkopf dient folglich nicht nur zur Aufnahme der Steuerorgane, sondern bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme des gesamten Ventiltriebs. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden. Consequently, the cylinder head not only serves to receive the control elements, but with the overhead camshaft to accommodate the entire valve train. In spark-ignited internal combustion engines, moreover, the required ignition device, in direct-injection internal combustion engines beyond the injection device can be arranged in the cylinder head.
Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen mehrerer Zylinder werden dabei häufig zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.The intake pipes leading to the intake ports and the exhaust pipes connecting to the exhaust ports are at least partially integrated in the cylinder head in the prior art. The exhaust pipes of several cylinders are often combined to form an overall exhaust gas line. The combination of exhaust pipes to an overall exhaust line is generally and in the context of the present invention referred to as exhaust manifold.
Stromabwärts des mindestens einen Krümmers können die Abgase dann einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt und/oder durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt werden.Downstream of the at least one manifold, the exhaust gases can then be supplied to a turbine of an exhaust gas turbocharger and / or passed through one or more exhaust aftertreatment systems.
Verfügt der Zylinderkopf über eine Flüssigkeitskühlung, wie der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wird im Zylinderkopf mindestens ein integrierter Kühlmittelmantel ausgebildet, der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf hindurchführt und eine sehr komplexe Zylinderkopfstruktur bedingt.If the cylinder head has liquid cooling, such as the cylinder head of the internal combustion engine according to the invention, at least one integrated coolant jacket is formed in the cylinder head, which passes the coolant through the cylinder head and causes a very complex cylinder head structure.
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil ist. Die Anforderungen an den Zylinderkopf nehmen dabei weiter zu. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen – mittels Abgasturboauflader und/oder mechanischem Lader – aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration eines Abgaskrümmers, steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung des Zylinderkopfes sicher verhindern.The above statements make it clear that the cylinder head of an internal combustion engine is a thermally and mechanically highly loaded component. The demands on the cylinder head continue to increase. It should be noted in this context that an increasing proportion of internal combustion engines - by turbocharger supercharger and / or mechanical supercharger - is charged. Due to the increasingly dense packaging in the engine compartment and the increasing integration of components and components in the cylinder head, for example, the integration of an exhaust manifold, in particular increases the thermal load of the engine or the cylinder head, so that increased demands on the cooling are to be taken and measures to be taken to prevent a thermal overload of the cylinder head safely.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden. Daher werden Brennkraftmaschinen zunehmend häufig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, weshalb auch der Zylinderkopf, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, über eine Flüssigkeitskühlung verfügt.In principle, it is possible to carry out the engine cooling in the form of air cooling or liquid cooling. Due to the higher heat capacity of liquids compared to air can be removed with a liquid cooling much larger amounts of heat. Therefore, internal combustion engines are increasingly equipped with a liquid cooling, which is why the cylinder head, which is the subject of the present invention, has a liquid cooling.
Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet ist, wieder entzogen.The heat given off to the coolant is withdrawn from the coolant in a heat exchanger, which is preferably arranged in the front-end region of the vehicle.
Im Hinblick auf die Herstellungskosten wäre es überaus vorteilhaft, den Zylinderkopf aus einem thermisch weniger belastbaren und damit kostengünstigeren Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Grauguss, fertigen zu können. Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht vorteilhaft.With regard to the production costs, it would be extremely advantageous to be able to produce the cylinder head from a less thermally stable and thus more cost-effective material, for example aluminum or gray cast iron. The use of aluminum would also be advantageous in terms of weight.
Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung verwenden zu können, ist in der Regel eine entsprechende Kühlleistung erforderlich, welche die thermische Belastung des Zylinderkopfes durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe möglich macht.In order to use less expensive materials for the production, a corresponding cooling capacity is usually required, which greatly reduces the thermal load of the cylinder head by the hot exhaust gases and thus makes the use of thermally less resilient materials possible.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge derart hoch sein kann, dass es sich nach dem Stand der Technik als problematisch erweist, dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher wieder zu entziehen und zwar auch dann, wenn mittels leistungsstarkem Lüftermotor am Wärmetauscher der für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderliche Luftmassenstrom bereitgestellt wird. Ein weiterer für den Wärmeübergang maßgeblicher Parameter, die für den Wärmeübergang zur Verfügung gestellte Oberfläche, kann nämlich nicht beliebig groß ausgeführt bzw. vergrößert werden, da das Platzangebot im Front-End-Bereich des Fahrzeuges begrenzt ist und moderne Kraftfahrzeuge über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, verfügen, die ebenfalls im Front-End-Bereich anzuordnen sind.It should be noted in this context that the amount of heat absorbed by the coolant can be so high that proves to be problematic in the prior art, the coolant such a high amount of heat in the heat exchanger to withdraw again even if, by means of powerful fan motor is provided on the heat exchanger required for a sufficiently high heat transfer air mass flow. A further relevant parameter for the heat transfer, the surface provided for the heat transfer, namely can not be made arbitrarily large or enlarged, since the space in the front-end area of the vehicle is limited and modern vehicles via other heat exchangers, especially cooling devices , which are also to be arranged in the front-end area.
Auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um zu einer besseren Füllung der Zylinder beizutragen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht mehr, so dass im Einzelfall ein Ölkühler vorgesehen wird. Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden entgegen zu wirken. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, verlangen. Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird. Der Klimakondensator einer Klimaanlage ist ebenfalls ein Wärmetauscher, der während des Betriebs Wärme an die Umgebung abzugeben hat, also einen ausreichend hohen Luftstrom benötigt und daher im Front-End-Bereich anzuordnen ist.On the intake side of a supercharged internal combustion engine often a charge air cooler is arranged to contribute to a better filling of the cylinder. In order to maintain a maximum permissible oil temperature, the heat release via the oil sump due to heat conduction and natural convection is often no longer sufficient, so that an oil cooler is provided in individual cases. In addition, modern internal combustion engines are increasingly being equipped with exhaust gas recirculation. The exhaust gas recirculation is a measure to counteract the formation of nitrogen oxides. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which is a cooling of the recirculated exhaust gas, d. H. require a compression of the exhaust gas by cooling. Other coolers can be provided, for example for cooling the transmission oil in automatic transmissions and / or for cooling hydraulic fluids, in particular hydraulic oil, which is used in the context of hydraulically actuated adjusting devices or for steering assistance. The air conditioning condenser of an air conditioning system is also a heat exchanger, which has to give off heat to the environment during operation, so requires a sufficiently high air flow and therefore is to be arranged in the front-end area.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden. Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes vorzusehen, erweist sich als problematisch.Due to the very limited space in the front-end area and the large number of heat exchangers, the individual heat exchangers can not be dimensioned according to requirements. The possibility of providing a sufficiently large heat exchanger for the liquid cooling of the cylinder head turns out to be problematic.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der hinsichtlich der Flüssigkeitskühlung optimiert ist.In light of the above, it is the object of the present invention to provide an internal combustion engine with at least one liquid-cooled cylinder head according to the preamble of
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf, der
- – mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, und der
- – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, welcher durch Wandungen des Zylinderkopfes begrenzt und ausgebildet ist, wobei
- – die den mindestens einen integrierten Kühlmittelmantel begrenzenden Wandungen zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind,
- – die Wandungen, die dem mindestens einen Zylinder zugewandt sind, zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
- - Has at least one cylinder, each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder via Abgasabführsystem and connects to each outlet opening an exhaust pipe, and the
- - Is equipped to form the liquid cooling with at least one integrated coolant jacket, which is bounded and formed by walls of the cylinder head, wherein
- The walls bounding the at least one integrated coolant jacket are provided with thermal insulation at least in regions,
- - The walls, which are facing the at least one cylinder, at least partially provided with a thermal insulation.
Erfindungsgemäß wird der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit einer Wärmeisolierung ausgestattet, d. h. die diesen Kühlmittelmantel begrenzenden Wandungen werden – zumindest bereichsweise – mit einer Wärmeisolierung versehen, d. h. beschichtet, verkleidet und/oder dergleichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine Wärmeisolierung gegenüber dem verwendeten Zylinderkopfmaterial ganz allgemein dadurch aus, dass die Wärmeisolierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Kopfmaterial. According to the invention, the at least one coolant jacket integrated in the cylinder head is equipped with a heat insulation, ie the walls bounding this coolant jacket are provided - at least in some areas - with a thermal insulation, ie coated, lined and / or the like. In the context of the present invention, thermal insulation relative to the cylinder head material used is generally characterized by the fact that the thermal insulation has a lower thermal conductivity than the head material.
Vorliegend wird nicht angestrebt, eine möglichst große Wärmemenge aus dem Zylinderkopf abzuführen. Im Gegensatz zu dieser herkömmlichen Zielsetzung wird es der Kühlung erfindungsgemäß durch Einbringen einer Wärmeisolierung erschwert, dem Zylinderkopf Wärme zu entziehen und diesen Zylinderkopf zu kühlen. Die Kühlleistung wird durch Einbringen einer Isolierung bewusst begrenzt und gemindert. Die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Fläche, d. h. der Wandungen, wird gesenkt, wobei auch erfindungsgemäß Wärme vom Zylinderkopf in das Kühlmittel eingebracht wird, aber weniger als nach dem Stand der Technik.In the present case, the aim is not to dissipate the largest possible amount of heat from the cylinder head. In contrast to this conventional objective, the cooling according to the invention is made more difficult by introducing a thermal insulation to extract heat from the cylinder head and to cool this cylinder head. The cooling capacity is deliberately limited and reduced by introducing insulation. The heat transmission of the heat transfer surface, d. H. the walls, is lowered, and also according to the invention heat is introduced from the cylinder head in the coolant, but less than in the prior art.
Durch diese Maßnahme wird die maximal abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, im Zylinderkopf vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.By this measure, the maximum amount of heat to be dissipated is reduced or limited in an advantageous manner. This eliminates the problem of having to dissipate very large amounts of heat absorbed by the coolant in the cylinder head.
Unterstützt bzw. verstärkt wird dieser Effekt erfindungsgemäß dadurch, dass die Wandungen, die dem mindestens einen Zylinder zugewandt sind, zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind. D.h. erfindungsgemäß werden gezielt die Wandungen mit einer Wärmeisolierung versehen, die thermisch besonders stark beansprucht und belastet sind, wobei nach geltendem Verständnis gerade diese Bereiche besonders stark gekühlt werden bzw. zu kühlen wären.According to the invention, this effect is assisted or reinforced by the fact that the walls which face the at least one cylinder are provided at least in regions with heat insulation. That According to the invention, the walls are specifically provided with a thermal insulation, which are particularly stressed and stressed thermally, which according to current understanding, especially these areas are particularly strong cooled or would be cool.
Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes ein entsprechender Werkstoff zu wählen.Corresponding to the moderate cooling capacity is to choose a corresponding material for the production of the cylinder head according to the invention.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige Werkstoffe zur Herstellung des Zylinderkopfes, da der Zylinderkopf auch erfindungsgemäß mit einer Kühlung ausgestattet ist. Gegebenenfalls ist die Kühlleistung nicht von dem Umfang, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden können.The concept according to the invention makes it possible to dispense with materials that are highly resistant to thermal loads, in particular nickel-containing materials, for producing the cylinder head, since the cylinder head is also equipped according to the invention with cooling. Optionally, the cooling performance is not on the scale that thermally only slightly resilient materials, such as aluminum, can be used.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe damit entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung des Zylinderkopfes abzuführen sind.The procedure according to the invention makes the use of cost-intensive materials unnecessary, without dissipating excessively large amounts of heat in connection with the cooling of the cylinder head.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, der hinsichtlich der Flüssigkeitskühlung optimiert ist.Thus, the object underlying the invention is achieved, namely an internal combustion engine provided with at least one liquid-cooled cylinder head according to the preamble of
Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gegenüber Konzepten, bei denen der Zylinderkopf abgasseitig mittels Isolierung vor einem zu großen Wärmeeintrag geschützt wird, ist darin zu sehen, dass erfindungsgemäß der Wärmeeintrag in den Zylinderkopf bzw. das Zylinderkopfmaterial nicht mittels Isolierung erschwert oder beschränkt wird. Darüber hinaus sind Ausführungsformen realisierbar, bei denen die kühlmittelseitige Fläche deutlich geringer bemessen ist bzw. werden kann als die abgasseitige Fläche, weshalb weniger umfänglich eine Isolierung einzubringen ist.An essential feature of the approach according to the invention over concepts in which the cylinder head is protected on the exhaust side by means of insulation from excessive heat input, is the fact that according to the invention the heat input into the cylinder head or the cylinder head material is not impeded or limited by means of insulation. In addition, embodiments are feasible in which the coolant-side surface is dimensioned significantly smaller or can be as the exhaust-side surface, which is why less comprehensive insulation is introduced.
Der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind. Eine Kühlung des mindestens einen Zylinderkopfes ist vorteilhaft.The cylinder head of the internal combustion engine according to the invention is particularly suitable for supercharged internal combustion engines, which are thermally particularly heavily loaded due to the higher exhaust gas temperatures. Cooling of the at least one cylinder head is advantageous.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist, insbesondere eine Abgasturboaufladung.Therefore, embodiments in which a charge is provided, in particular an exhaust turbocharger, are also advantageous.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Hubraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei kleinerem Hubraum lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad zu erhöhen.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charge leads to an increase in engine capacity and a lower power mass. With smaller cubic capacity, the load collective can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to increase the efficiency.
Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.Compared to a mechanical supercharger, the advantage of an exhaust gas turbocharger is that no mechanical connection to the Power transmission between the loader and the internal combustion engine is or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive directly from the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wandungen zu mehr als 50% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the walls are provided to more than 50% with a thermal insulation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wandungen zu mehr als 70% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the walls are provided to more than 70% with a thermal insulation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wandungen zu mehr als 80% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.Embodiments of the internal combustion engine in which the walls are provided with heat insulation for more than 80% are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wandungen vollständig mit einer Wärmeisolierung versehen sind.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the walls are completely provided with a thermal insulation.
Die vom Zylinderkopf in das Kühlmittel eingebrachte Wärmemenge und damit die abzuführende Wärmemenge kann erfindungsgemäß durch das Ausmaß an Wärmeisolierung vermindert, begrenzt und insbesondere eingestellt werden.The amount of heat introduced by the cylinder head into the coolant and thus the amount of heat to be dissipated can be reduced, limited and, in particular, adjusted by the amount of heat insulation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Emaille umfasst.Embodiments of the internal combustion engine in which the thermal insulation comprises enamel are advantageous.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Keramik umfasst.Embodiments of the internal combustion engine in which the thermal insulation comprises ceramic are also advantageous.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung zumindest auch mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet ist. Zur Ausbildung der Wärmeisolierung kann auch zunächst Material, beispielweise Emaille oder Keramik oder dergleichen, eingebracht und anschließend oberflächenbehandelt werden. Gegebenenfalls wird die Wärmeisolierung ausschließlich mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine, in which the thermal insulation is formed at least by means of surface treatment. For the formation of the thermal insulation can also first material, such as enamel or ceramic or the like, are introduced and then surface-treated. Optionally, the thermal insulation is formed exclusively by means of surface treatment.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf ein Gussteil ist, in welches die Wärmeisolierung im Rahmen einer Nachbearbeitung eingebracht ist. Als Nachbearbeitung werden insbesondere das Beschichten und das Oberflächenbehandeln angesehen.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine, in which the at least one cylinder head is a casting, in which the thermal insulation is introduced as part of a post-processing. In particular, coating and surface treatment are considered as post-processing.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Wandungen, die dem mindestens einen Zylinder zugewandt sind, mit einer Wärmeisolierung versehen sind.Embodiments of the internal combustion engine in which the walls which face the at least one cylinder are provided with heat insulation are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei oder drei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each cylinder has two or three outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten.It is the task of the valve drive to open or close the inlet openings and outlet openings of the cylinders in good time, with the aim of achieving rapid release of flow cross sections which are as large as possible, in order to keep the throttling losses in the inflowing and outflowing gas flows low, and to ensure the best possible filling of the cylinder or an effective, d. H. To ensure complete removal of the exhaust gases. Therefore, it is advantageous to equip the cylinders with two or more outlet openings.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Embodiments of the internal combustion engine in which the exhaust pipes merge to form at least one exhaust gas line to form at least one exhaust manifold are advantageous.
Weist der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine einen Zylinder auf und dieser Zylinder nur eine Auslassöffnung, bildet die eine zylinderzugehörige Abgasleitung das Abgasabführsystem, d. h. die Gesamtabgasleitung bzw. den Krümmer. Es handelt sich auch dabei um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.If the at least one cylinder head of the internal combustion engine has a cylinder and this cylinder has only one outlet opening, the one cylinder-associated exhaust pipe forms the exhaust gas removal system, i. H. the entire exhaust line or the manifold. It is also a cylinder head according to the invention.
Vorteilhaft sind aber Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.However, embodiments of the internal combustion engine in which the at least one cylinder head has at least two cylinders are advantageous.
Weist der mindestens eine Zylinderkopf zwei Zylinder auf und bilden nur die Abgasleitungen von einem Zylinder eine Gesamtabgasleitung, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.If the at least one cylinder head has two cylinders and only the exhaust gas lines of a cylinder form an overall exhaust gas line, this is likewise a cylinder head according to the invention.
Weist der mindestens eine Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.If the at least one cylinder head has three or more cylinders and combine only the exhaust gas lines of two cylinders to form an overall exhaust gas line, this is likewise a cylinder head according to the invention.
Ausführungsformen des mindestens einen Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf beispielsweise vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.Embodiments of the at least one cylinder head, in which the at least one cylinder head, for example, has four cylinders arranged in series and the exhaust pipes of the outer cylinder and the exhaust pipes of Inner cylinders merge in each case to form an overall exhaust gas line are also cylinder heads according to the invention.
Bei drei und mehr Zylindern sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen
- – mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
- - At least three cylinders are configured in such a way that they form two groups, each with at least one cylinder, and
- - Combine the exhaust gas lines of the cylinder of each cylinder group to form an exhaust manifold to form an overall exhaust gas line.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen, also gewissermaßen zwei Eintrittsbereiche auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.This embodiment is particularly suitable for the use of a twin-flow turbine. A double-flow turbine has an inlet region with two inlet channels, so to speak two inlet regions, wherein the two total exhaust gas lines are connected to the twin-flow turbine in such a way that in each case an entire exhaust gas line opens into an inlet channel. The merging of the two exhaust gas flows guided in the total exhaust gas lines is optionally carried out downstream of the turbine. If the exhaust pipes are grouped in such a way that the high pressures, in particular the Vorlassstöße, can be obtained, a double-flow turbine is particularly suitable for a burst charge, which also high turbine pressure ratios can be achieved at low speeds.
Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.However, the grouping of the cylinders or exhaust pipes also offers advantages when using multiple turbines or exhaust gas turbocharger, wherein in each case an overall exhaust gas line is connected to a turbine.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine, in which the exhaust pipes of all cylinders of the at least one cylinder head to a single, d. H. merge together overall exhaust gas line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Embodiments of the internal combustion engine in which the exhaust lines of the cylinders merge to form at least one integrated exhaust manifold within the at least one cylinder head to form at least one overall exhaust gas line are advantageous.
Zu berücksichtigen ist, dass bei einer Abgasturboaufladung grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslass der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des Weiteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.It should be noted that in an exhaust gas turbocharger is always striving to arrange the turbine of the exhaust gas turbocharger as close to the outlet of the cylinder to optimally use in this way the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, and a to ensure fast response of the turbine or the turbocharger. Furthermore, the path of the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases are given little time to cool and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as soon as possible, especially after a cold start of the engine.
Man ist daher bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.Efforts are therefore made to minimize the thermal inertia of the section of Abgasabführsystems between exhaust port on the cylinder and turbine or between the exhaust port on the cylinder and exhaust aftertreatment system, which can be achieved by reducing the mass and the length of this section.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen.To achieve this goal, it is advantageous to merge the exhaust pipes to form at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head.
Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Zum einen wird das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist.The length of the exhaust pipes is thereby reduced. First, the line volume, i. H. the exhaust volume of the exhaust pipes upstream of the turbine, reduced, so that the response of the turbine is improved. On the other hand, the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of Abgasabführsystems upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases at the turbine inlet increases, which is why the enthalpy of the exhaust gases at the inlet of the turbine is higher.
Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.The merging of the exhaust pipes within the cylinder head also allows a dense packaging of the drive unit.
Ist der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des mindestens einen Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.If the at least one cylinder head of the internal combustion engine can be connected to a cylinder block at an assembly end, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the at least one integrated coolant jacket has a lower coolant jacket which is arranged between the exhaust pipes and the assembly end face of the at least one cylinder head. and an upper coolant jacket disposed on the side of the exhaust pipes opposite to the lower coolant jacket.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen in einer Außenwandung des mindestens einen Zylinderkopfes, aus der das Abgasabführsystem austritt, mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient, wobei die mindestens eine Verbindung vorzugsweise benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem die Abgasleitungen zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.In this context, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which at least one connection between the lower coolant jacket and the upper coolant jacket, which serves for the passage of coolant, is provided at a distance from the exhaust pipes in an outer wall of the at least one cylinder head from which the exhaust gas removal system exits; wherein the at least one connection is preferably arranged adjacent to the region in which the Combine exhaust pipes to at least one total exhaust line.
Der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt vorliegend über mindestens eine Verbindung in der Außenwandung, durch die Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und umgekehrt. Bei der Verbindung handelt es sich vorliegend um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den ein Austausch von Kühlmittel zwischen den beiden Kühlmittelmänteln ermöglicht und realisiert wird.In the present case, the cylinder head of the internal combustion engine according to the invention has at least one connection in the outer wall, through which coolant can flow from the lower coolant jacket into the upper coolant jacket and vice versa. In the present case, the connection is a breakthrough or flow channel which connects the lower coolant jacket to the upper coolant jacket and enables and realizes an exchange of coolant between the two coolant jackets.
Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes, ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluss genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.On the one hand, cooling basically also takes place in the region of the outer wall of the cylinder head. On the other hand, the conventional longitudinal flow of the coolant, d. H. the coolant flow in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head, supplemented by a coolant transverse flow, which runs transversely to the longitudinal flow and preferably approximately in the direction of the cylinder longitudinal axes. The coolant flow passed through the at least one connection contributes significantly to the heat dissipation. In particular, a suitable dimensioning of the cross section of the at least one connection can specifically influence the flow velocity of the coolant in the connection and thus the heat dissipation in the region of this at least one connection.
Vorteilhaft sind daher auch insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der untere und der obere Kühlmittelmantel nicht über den gesamten Bereich der Außenwandung miteinander verbunden sind, sondern sich die mindestens eine Verbindung nur über einen Teilbereich der Außenwandung erstreckt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung gesteigert werden, was den Wärmeübergang durch Konvektion erhöht. Vorteile bietet dies auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit des Zylinderkopfes. Embodiments of the internal combustion engine in which the lower and the upper coolant jacket are not connected to each other over the entire area of the outer wall are therefore also advantageous, and the at least one connection only extends over a partial area of the outer wall. As a result, the flow velocity in the at least one connection can be increased, which increases the heat transfer by convection. This also offers advantages in terms of the mechanical strength of the cylinder head.
Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.The cooling of the cylinder head can additionally and advantageously be improved by generating a pressure gradient between the upper and lower coolant jacket, which in turn increases the speed in the at least one connection, which leads to increased heat transfer due to convection.
Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile, falls der untere Kühlmittelmantel und der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelkanal einer Turbine bzw. über den Kühlmittelmantel einer Turbine miteinander verbunden sind. Das Druckgefälle dient dann als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal der Turbine.Such a pressure gradient also offers advantages if the lower coolant jacket and the upper coolant jacket are connected to one another by means of the coolant channel of a turbine or via the coolant jacket of a turbine. The pressure gradient then serves as a driving force for conveying the coolant through the coolant channel of the turbine.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet, in dem die Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Preferably, the at least one connection is arranged adjacent to the region in which the exhaust gas lines merge to form an overall exhaust gas line.
In dem Bereich, in dem die Abgasleitungen in eine gemeinsame Gesamtabgasleitung münden und das heiße Abgas der Zylinder der Brennkraftmaschine gesammelt wird, ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet. Dies hat gleiche mehrere Gründe.In the area in which the exhaust pipes open into a common exhaust gas line and the hot exhaust gas of the cylinder of the internal combustion engine is collected, the cylinder head is thermally particularly high load. This has several reasons.
Zum einen passiert das gesamte Abgas der Zylinder diese Sammelstelle im Abgasabführsystem, wohingegen eine einzelne Abgasleitung, die sich an die Auslassöffnung eines Zylinders anschließt, lediglich mit dem Abgas bzw. einem Teil des Abgases eines Zylinders beaufschlagt wird. D. h. die absolute Menge an Abgas, die Wärme an den Zylinderkopf abgibt bzw. abgeben kann, ist hier am größten.On the one hand, the entire exhaust gas of the cylinder passes through this collection point in the exhaust gas discharge system, whereas a single exhaust gas line, which adjoins the outlet opening of a cylinder, is only supplied with the exhaust gas or a part of the exhaust gas of a cylinder. Ie. the absolute amount of exhaust gas that can give off heat to the cylinder head is the largest here.
Zum anderen ist der Mündungsbereich der Abgasleitungen in die Gesamtabgasleitung kontinuierlich mit heißen Abgasen beaufschlagt, wohingegen die Abgasleitungen eines Zylinders nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders, d. h. einmal innerhalb von zwei Kurbelwellenumdrehungen von heißem Abgas durchströmt wird.On the other hand, the mouth region of the exhaust pipes in the entire exhaust line is continuously exposed to hot exhaust gases, whereas the exhaust pipes of a cylinder only during the charge cycle of the respective cylinder, d. H. is once passed through within two crankshaft revolutions of hot exhaust gas.
Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass im Zustrombereich der Gesamtabgasleitung, d. h. im Bereich der Sammelstelle, die Abgasströmungen der einzelnen Abgasleitungen mehr oder weniger stark umgelenkt werden müssen, um die Abgasleitungen zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen zu können. Die einzelnen Abgasströmungen haben daher in diesem Bereich eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht auf den Wandungen des Abgasabführsystems steht, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion und folglich die thermische Belastung des Zylinderkopfes zusätzlich erhöht wird.It should also be borne in mind that in the inflow area of the overall exhaust gas line, ie. H. in the area of the collection point, the exhaust gas flows of the individual exhaust pipes must be more or less deflected in order to bring together the exhaust pipes to a common overall exhaust line can. The individual exhaust gas flows therefore have a velocity component in this area, which is perpendicular to the walls of the Abgasabführsystems, whereby the heat transfer by convection and thus the thermal load of the cylinder head is additionally increased.
Aus den genannten Gründen ist es daher vorteilhaft, die mindestens eine Verbindung in der Nähe des Bereichs anzuordnen, in dem die Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.For the reasons mentioned, it is therefore advantageous to arrange the at least one connection in the vicinity of the region in which the exhaust gas lines merge to form an overall exhaust gas line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Verbindung vollständig in der Außenwandung integriert ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one connection is completely integrated in the outer wall are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der mindestens einen Gesamtabgasleitung kleiner ist als der Durchmesser eines Zylinders, vorzugsweise kleiner als der halbe Durchmesser eines Zylinders.Embodiments of the internal combustion engine in which the distance between the at least one connection and the at least one total exhaust line is smaller than the distance are advantageous Diameter of a cylinder, preferably smaller than half the diameter of a cylinder.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Verbindungen vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Gesamtabgasleitung angeordnet sind.Embodiments of the internal combustion engine in which at least two connections are provided, which are arranged on opposite sides of the at least one overall exhaust gas line, are also advantageous in this connection.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der
Es handelt sich um den Zylinderkopf
Jeder Zylinder verfügt über zwei Einlassöffnungen und zwei Auslassöffnungen, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung
Das die Ansaugleitungen
Neben den Steuerräumen
Der integrierte Kühlmittelmantel
Die den integrierten Kühlmittelmantel
Wie aus
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zylinderkopf cylinder head
- 22
- Kühlmittelmantel Coolant jacket
- 2a2a
- unterer Kühlmittelmantel lower coolant jacket
- 2b2 B
- oberer Kühlmittelmantel Upper coolant jacket
- 33
- Zylinderkopfboden, Montage-Stirnseite Cylinder head bottom, mounting end face
- 44
- Steuerraum control room
- 5a5a
- einlassseitige Zylinderkopfseitenwand inlet side cylinder head side wall
- 5b5b
- auslassseitige Zylinderkopfseitenwand exhaust side cylinder head side wall
- 66
- Ansaugleitung suction
- 77
- Abgasleitung exhaust pipe
- 88th
- Wandung wall
- 8a8a
- Wärmeisolierung thermal insulation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1591639 A1 [0002] EP 1591639 A1 [0002]
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| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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| DE (1) | DE102015200103A1 (en) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE102020103164A1 (en) | 2020-02-07 | 2021-08-12 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Partially coated coolant-cooled exhaust manifold for a multi-cylinder internal combustion engine |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1591639A1 (en) | 2004-04-29 | 2005-11-02 | Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company | Method for producing an internal combustion engine |
-
2015
- 2015-01-08 DE DE102015200103.2A patent/DE102015200103A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1591639A1 (en) | 2004-04-29 | 2005-11-02 | Ford Global Technologies, LLC, A subsidary of Ford Motor Company | Method for producing an internal combustion engine |
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| DE102020103164A1 (en) | 2020-02-07 | 2021-08-12 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Partially coated coolant-cooled exhaust manifold for a multi-cylinder internal combustion engine |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: DOERFLER, THOMAS, DR.-ING., DE |
|
| R016 | Response to examination communication | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |