DE19640122C1 - Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zylinderkopf-Kühlungs­ vorrichtung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine in V-Anordnung deren zwei Zylinderreihen zueinander auf Lücke stehen und nach dem Gegenstromprinzip betrieben werden, zu konzipieren, die den vorhande­ nen Bauraum optimal ausnutzt und auf möglichst einfache Weise herstell­ bar ist. Zudem soll die Kühlvorrichtung stets gleichmäßig von Kühlflüssig­ keit durchströmbar sein, so daß ihre Kühlkapazität effizient genutzt wer­ den kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1.

Indem die Vorrichtung in Grundebene, Deckebene und Zwischenebene - also in drei Ebenen - unterteilt ist, kann sie den Strukturen des Zylin­ derkopfes gut angepaßt werden und dabei trotzdem kompakt ausgestaltet sein. Zudem ist diese Vorrichtung dank der in Ebenen gegliederten Struktur besonders vorteilhaft herstellbar, da sie einfach mittels eines Montagetisches, der einen Teil der Grundebene darstellt, und eines Sand­ kerns, der die restliche Kühlungsvorrichtung darstellt. Schließlich gewähr­ leistet die Unterteilung der Vorrichtung in drei Ebenen auch das gleich­ mäßige Durchströmen von Kühlflüssigkeit, da die Zwischenebene an die obersten Bereiche der Grundebene anschließt und die Deckebene wiederum an die obersten Bereiche der Zwischenebene anschließt wobei die Wassermäntel der einzelnen Zylinder weitgehend voneinander ge­ trennt sind und sogenannte Zellen bilden. Daher können sich keine Kurzschlüsse bilden, welche die Effizienz der Kühlungsvorrichtung beeinträchtigen würden. Die erfindungsgemäße Zylinderkopf-Kühlungs­ vorrichtung läßt sich dank der Ausgestaltung der Grundebene auch besonders gut an einem Zylinderblock fortsetzen, da der Wasserkern des Zylinderblocks in die plattenförmigen Wassermäntel der Grundebene der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung übergehen kann. Dadurch sind an dieser Stelle keine aufwendigen Abdichtungen zwischen dem Wasserkern des Zylinderblocks und den Wassermänteln des Zylinderkopfs erforder­ lich.

Die beiden länglichen Wassermäntel der Deckebene sind ganz besonders kompakt ausgebildet, was die Herstellbarkeit der Zylinderkopf-Kühlungs­ vorrichtung ebenfalls positiv beeinflußt.

Die trichterförmig ausgebildeten Wassermäntel der Zwischenebene er­ möglichen schließlich, daß speziell der Bereich der Dome und Teile der Einlaß- sowie der Auslaßkanäle von einer maximalen Menge an Kühl­ flüssigkeit umgeben werden.

Bevorzugt erfolgt die Verbindung der plattenförmigen Wassermäntel der Grundebene mit den trichterförmigen Wassermänteln der Zwischenebene im wesentlichen durch Leitrippen und nachträglich eingebrachten Verbindungs­ bohrungen zwischen den Leitrippen und den plattenförmigen Wasser­ mänteln. Dazu wird zwischen den plattenförmigen Wassermänteln und den Leitrippen jeweils eine senkrecht zu den Ebenen orientierte Verbin­ dungsbohrung mit relativ starkem Durchmesser eingebracht. Die Leit­ rippen und die Verbindungsbohrungen können dann die Grundebene und die Zwischenebene miteinander verbinden. Da die Leitrippen im Bereich der Längsachse der Brennkraftmaschine angeordnet sind, wird der Kühl­ flüssigkeit eine Strömungsrichtung vorgegeben, die zwangsläufig an den thermisch stark beanspruchten Bereichen der im wesentlichen zentral angeordneten Auslaßventile vorbeiführt.

Besonders bevorzugt sind eine Anzahl von Stichkanälen vorgesehen, welche jeweils zylinderweise die plattenförmigen Wassermäntel der Grundebene und die trichterförmigen Wassermäntel der Zwischenebene miteinander verbinden. Diese Stichkanäle stellen eine zusätzliche Ver­ bindung dar, so daß die plattenförmigen Wassermäntel der Grundebene nicht nur mit den trichterförmigen Wassermänteln der benachbarten Zylinder, sondern auch mit dem trichterförmigen Wassermantel des gleichen Zylinders kommunizieren. Dadurch wird die Durchströmung der einzelnen Zellen der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung wesentlich ver­ bessert. Zudem können diese Stichkanäle sogar nachträglich durch Boh­ rungen im Zylinderkopf angebracht werden, wodurch kein komplizierter und bruchanfälliger Aufbau des Sandkerns erforderlich ist.

Natürlich kann die Zwischenebene außer den trichterförmigen Wasser­ mänteln noch eine gleiche Anzahl von flachen Wassermänteln aufweisen, welche jeweils zylinderweise auslaßseitig neben den trichterförmigen Wassermänteln angeordnet sind, so daß die Zwischenebene außer den Domen auch die Bohrungen für die Auslaßventile umgibt. Dadurch wird das verfügbare Kühlvolumen und damit die Kapazität der erfin­ dungsgemäßen Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung weiter erhöht.

Vorteilhaft sind die trichterförmigen Wassermäntel und die flachen Was­ sermäntel der benachbarten Zylinder der Zwischenebene im wesentlichen voneinander getrennt angeordnet. Aufgrund der Trennung kann eine Strömungsrichtung vorgegeben werden, die das vorhandene Kühlvolumen optimal nutzt. Außerdem kann durch die getrennten Wassermäntel den jeweiligen räumlichen Gegebenheit des Zylinderkopfes nachgekommen werden. So kann der durch die Trennung bedingte Abstand zum Beispiel so dimensioniert werden, daß zwischen den Kühlmänteln der einzelnen Zylinder die Stehbolzen bzw. die Zylinderkopfschrauben untergebracht werden. Dadurch wirken die Befestigungskräfte ausschließlich in den Trennungsbereichen. Ferner sind die Befestigungsmittel vollständig von Wassermänteln umfaßt. Dies ist besonders an der benachbart zu den thermisch stark belasteten Auslaßventilsitzringen liegenden Seite von großer Bedeutung.

Durch die Verbindung zwischen den trichterförmigen Wassermänteln der Zwischenebene und den länglichen Wassermänteln der Deckebene passiert der Hauptanteil der Kühlflüssigkeit. Daher kann mittels des individuell dimensionierten Verbindungsquerschnitts den unterschiedli­ chen thermischen Beanspruchungen der fünf Zylinder Rechnung getragen werden und können die durch die stirnseitige Austrittsöffnung bedingten ungleichmäßigen Strömungsverhältnisse ausgeglichen werden.

Die flachen Wassermäntel der Zwischenebene und jeweils einer der bei­ den länglichen Wassermäntel der Deckebene können miteinander ver­ bunden sein. Damit ist auch zwischen der Deckebene und der Zwischen­ ebene eine direkte Verbindung geschaffen.

Besonders zweckmäßig sind die beiden länglich ausgebildeten Wasser­ mäntel der Deckebene wenigstens an einem ihrer Enden durch einen Querkanal miteinander verbunden. Dank dieses Querkanals kann die in­ nerhalb der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach oben strömende er­ wärmte Kühlflüssigkeit aller Zylinder gemischt und dabei thermisch aus­ geglichen werden. Zudem ist durch diesen Querkanal eine gemeinsame Entlüftung der Vorrichtung möglich.

Vorteilhaft ist an den plattenförmigen Wassermänteln der Grundebene auf der von der Zwischenebene abgewandten Seite eine Anzahl von Ein­ trittsöffnungen vorgesehen, deren Querschnitte auch unterschiedlich definiert sein können, und ist im Bereich der Zwischenebene, zum Beispiel zur Rückseite der Brennkraftmaschine hin, eine Austrittsöffnung vorgese­ hen. Dank der so plazierten Ein- und Austrittsöffnungen kann sich inner­ halb der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung ein durch Konvektionsströ­ mung unterstützter Kreislauf ausbilden, wobei Kurzschlüsse vermieden werden.

Im Bereich der Deckebene kann eine Ausnehmung für eine Ölzufuhrlei­ tung angeordnet sein. Mit dieser Anordnung kann die Ölzufuhrleitung innerhalb des Ölraums einfach durch den Zylinderkopf hindurchgeführt werden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die Grundebene, die Deckebene und die Zwischenebene für die einzubringenden Gaswech­ selkanäle hinterschneidungsfrei ausgebildet. Dadurch können im Bereich der Gaswechselkanäle die Wandstärken des Zylinderkopfes gleichmäßig dünn gestaltet werden, so daß beim Abkühlen des Zylinderkopfes keine zu großen thermischen Spannungen mehr auftreten, welche zu Lunker- oder Rißbildung führen können. Durch den Erfindungsgegenstand ist somit eine wesentlich erhöhte Fertigungsqualität der Zylinderköpfe reali­ siert.

Zudem können die mit dieser Kühlungsvorrichtung ausgestatteten Zylin­ derköpfe automatisiert hergestellt werden. Die Erleichterung der Fertigung rührt daher, daß bei der erfindungsgemäßen Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung die plattenförmigen Wassermäntel der Grundebene auf einfache Weise durch Erhebungen auf einem Montagetisch, zum Beispiel aus Stahl, dargestellt werden. Denkbar ist aber auch, die Erhebungen direkt in der Verschalung oder Gießform vorzusehen. Daraufhin können Kerne für die Gaswechselkanäle auf den Montagetisch abgesenkt und fixiert werden, worauf die restliche als Sandkern dargestellte Kühlungsvorrich­ tung auf den Montagetisch mit den Kernen für die Gaswechselkanäle ab­ gesenkt wird. Dann erfolgt der eigentliche Gießvorgang. Zuletzt werden bei dem gegossenen, vom Montagetisch gelösten und vom Sand befreiten Zylinderkopf die plattenförmigen Wassermäntel durch eine erste Bohrung mit großem Durchmesser mit den Leitrippen und durch eine zweite Stich­ bohrung mit etwas geringerem Durchmesser mit den trichterförmigen Wassermänteln verbunden. Dadurch sind keine filigranen und damit emp­ findlichen Sandkerne mehr erforderlich.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungs­ figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Unteransicht der Zylinderkopf-Kühlungs­ vorrichtung in verkleinertem Maßstab; und

Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht der um 180° gedrehten Zylin­ derkopf-Kühlungsvorrichtung aus Fig. 1.

Die erfindungsgemäße Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung 1 ist im wesent­ lichen in drei Ebenen unterteilt; nämlich in eine Grundebene 2, welche dem nicht dargestellten Zylinderbock einer fünfzylindrigen nach dem Ge­ genstromprinzip betriebenen Brennkraftmaschine zugewandt ist, in eine Deckebene 3, welche den oberen Abschluß der Vorrichtung 1 bildet und der nicht dargestellten Zylinderkopfhaube zugewandt ist, sowie in eine Zwischenebene 4, welche parallel zwischen der Grundebene 2 und der Deckebene 3 angeordnet ist und diese miteinander verbindet.

Die Grundebene 2 besteht aus insgesamt fünf gleichen plattenförmigen Wassermänteln 5, die jeweils in Auslaßrichtung neben den Zylindern der Brennkraftmaschine bzw. zwischen zwei benachbarten Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die plattenförmigen Wassermäntel 5 liegen aufgrund der VR-Anordnung der Zylinder der Brennkraftmaschine somit alternierend jeweils auf der einen oder auf der anderen Seite der Längsachse A der Brennkraftmaschine.

Die Deckebene 3 weist zwei im wesentlichen längliche Wassermäntel 6 auf, die zu beiden Seiten der Längsachse A der Brennkraftmaschine an­ geordnet sind.

Die Zwischenebene 4 besteht schließlich aus fünf trichterförmigen Was­ sermänteln 7 und fünf flachen Wassermänteln 8. Dabei ist jeweils einem der Zylinder einer der trichterförmigen Wassermäntel 7 und einer der flachen Wassermäntel 8 zugeordnet, die mittels eines Stegs 9 miteinander verbunden sind. Die trichterförmigen Wassermäntel 7 benachbarter Zylin­ der kommunizieren außerdem mittels eines schmalen Ausläufers 10 mit­ einander.

Verbunden sind die Grundebene 2 und die Zwischenebene 4 im wesentli­ chen mittels durchgehender senkrechter Leitrippen 11, die nahe der Längsachse A der Brennkraftmaschine angeordnet sind und die platten­ förmigen Wassermäntel 5 mit den Ausläufern 10 von den trichterförmigen Wassermänteln 7 der benachbarten Zylinder verbinden. Dazu wurde der Übergang von den Leitrippen 11 zu den plattenförmigen Wassermänteln 5 mittels einer parallel zu den Leitrippen 11 verlaufenden Bohrung geschaf­ fen. Zusätzlich sind die plattenförmigen Wassermäntel 5 der Grundebene 2 und die trichterförmigen Wassermäntel 7 der Zwischenebene 4 dersel­ ben Zylinder noch mittels Stichkanälen 12 verbunden.

Die Deckebene 3 und die Zwischenebene 4 sind durch die länglichen Wassermäntel 6 und die trichterförmigen Wassermäntel 7 sowie die fla­ chen Wassermäntel 8 verbunden. Dabei ist zwischen den länglichen Wassermänteln 6 und den trichterförmigen Wassermänteln 7 jeweils ein bestimmt definierter Verbindungsquerschnitt vorgesehen, welcher die individuellen thermischen Beanspruchungen der fünf Zylinder - also zum Beispiel des Zylinders am seitlich äußeren Rand oder des Zylinders in der Mitte - berücksichtigt und welcher die in der Vorrichtung herrschende Strömung für einen gleichmäßigen Durchsatz an Kühlflüssigkeit optimiert.

Außerdem sind bei der Deckebene 3 die beiden länglichen Wassermäntel 6 zur gemeinsamen Entlüftung an einem ihrer Enden durch einen Quer­ kanal 13 miteinander verbunden.

Dabei sind die plattenförmigen Wassermäntel 5 der Grundebene 2 im wesentlichen unterhalb und die flachen Wassermäntel 8 der Zwischen­ ebene 4 im wesentlichen oberhalb der Auslaßkanäle 14 der Brenn­ kraftmaschine angeordnet, so daß die Auslaßkanäle 14 weitgehend von der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung umgeben sind.

Darüber hinaus grenzen die trichterförmigen Wassermäntel 7 der Zwi­ schenebene 4 an die Auslaßkanäle 14 sowie die Einlaßkanäle 15 an und umschließen die Dome 16 für eine nicht gezeigte Zündkerze oder Ein­ spritzdüse der Brennkraftmaschine. Zusammen mit den flachen Wasser­ mänteln 8 umschließen die trichterförmigen Wassermäntel 7 außerdem teilweise die Bohrungen 17 für die nicht dargestellten Auslaßventile der Brennkraftmaschine.

Schließlich sind die beiden länglichen Wassermäntel 6 der Deckebene 3 so angeordnet, daß sie sich über die gesamte Länge der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung 1 und jeweils seitlich zwischen den Bohrungen 18 für die nicht dargestellten Einlaßventile und den Domen 16 erstrecken.

Für die in der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung 1 strömende Kühlflüssig­ keit sind insgesamt fünf Eintrittsöffnungen 19 und eine Austrittsöffnung 20 vorgesehen. Die Eintrittsöffnungen 19 sind an der Unterseite der platten­ förmigen Wassermäntel 5 der Grundebene 2 angeordnet und die Aus­ trittsöffnung 20 ist im Bereich der Zwischenebene 4 an der Rückseite 21 der Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung angeordnet.

Zusätzlich zu der Austrittsöffnung 20 ist an der Rückseite 21 wenigstens ein überstehender Bolzen 22 angeordnet. Derartige Bolzen 22 können natürlich auch an der Vorderseite 23 vorgesehen sein. Diese Bolzen 22 - und gegebenenfalls auch die Austrittsöffnung 20 - dienen bei der Herstel­ lung eines Zylinderkopfes mit der vorgeschlagenen Kühlungsvorrichtung als Halterung für den Sandkern.

An einem Ende der länglichen Wassermäntel 6 der Deckebene 3 im Be­ reich des Querkanals 13 ist außerdem eine Ausnehmung 24 für eine nicht dargestellte Ölzufuhrleitung vorgesehen.

Claims (12)

1. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung (1) für eine mehrzylindrige Brenn­ kraftmaschine in V-Anordnung, deren zwei Zylinderreihen zueinan­ der auf Lücke stehen und nach dem Gegenstromprinzip betrieben werden, wobei jedem Zylinder von wenigstens zwei Einlaßventilen beherrschte Einlaßkanäle (15), von zwei Auslaßventilen beherrschte Auslaßkanäle (14) sowie eine in einem Dom (16) angeordnete Zünd­ kerze oder ein in einem Dom (16) angeordnetes Einspritzventil zu­ geordnet sind, mit

• - einer Grundebene (2), die eine Anzahl von plattenförmigen Was­ sermänteln (5) aufweist, welche die Zylinder und die Auslaßkanäle (14) teilweise umgeben,
• - einer Deckebene (3), die zwei im wesentlichen länglich ausgebil­ dete Wassermäntel (6) aufweist, welche sich jeweils seitlich der Dome (16) erstrecken, und
• - einer Zwischenebene (4), die zwischen der Grundebene (2) und der Deckebene (3) angeordnet ist und diese miteinander verbin­ det, wobei die Zwischenebene (4) eine Anzahl von trichterförmi­ gen Wassermänteln (7) aufweist, welche von den Einlaßkanälen (15) und den Auslaßkanälen (14) umgeben sind und die Dome (16) umschließen.

2. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindung der plattenförmigen Wassermän­ tel (5) der Grundebene (2) mit den trichterförmigen Wassermänteln (7) der Deckebene (3) im wesentlichen durch Leitrippen (11) und nachträglich eingebrachte Verbindungsbohrungen zwischen den Leitrippen (11) und den plattenförmigen Wassermänteln (5) erfolgt.

3. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Stichkanälen (12) vorgesehen ist, welche jeweils zylinderweise die plattenförmigen Wassermäntel (5) der Grundebene (2) und die trichterförmigen Wassermäntel (7) der Zwischenebene (4) miteinander verbinden.

4. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenebene (4) außer den trichterförmigen Wassermänteln (7) noch eine gleiche Anzahl von flachen Wassermänteln (8) aufweist, welche jeweils zylinderweise in Auslaßrichtung neben den trichterförmigen Wassermänteln (7) ange­ ordnet sind, so daß die Zwischenebene (4) außer den Domen (16) auch die Bohrungen (17) für die Auslaßventile umgibt.

5. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die trichterförmigen Wassermäntel (7) und die flachen Wassermäntel (8) der benachbarten Zylinder der Zwischen­ ebene (4) im wesentlichen getrennt voneinander angeordnet sind.

6. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die trichterförmigen Wassermäntel (7) der Zwischenebene (4) und jeweils einer der länglichen Wasser­ mäntel (6) der Deckebene (3) miteinander verbunden sind, wobei der jeweilige Verbindungsquerschnitt individuell dimensioniert ist.

7. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Wassermäntel (8) der Zwischen­ ebene (4) und jeweils einer der beiden länglichen Wassermäntel (6) der Deckebene (3) miteinander verbunden sind.

8. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden länglich ausgebildeten Wassermäntel (6) der Deckebene (3) an wenigstens einem ihrer Enden durch einen Querkanal (13) miteinander verbunden sind.

9. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den plattenförmigen Wasser­ mänteln (5) der Grundebene (2) auf der von der Zwischenebene (4) abgewandten Seite eine Anzahl von Eintrittsöffnungen (19) für Kühl­ flüssigkeit vorgesehen sind, deren Querschnitte unterschiedlich dimensioniert sein können.

10. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Zwischenebene (4) eine Austrittsöffnung (20) für Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.

11. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Deckebene (4) eine Ausnehmung (24) für eine Ölzufuhrleitung angeordnet ist.

12. Zylinderkopf-Kühlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundebene (2), die Deck­ ebene (3) und die Zwischenebene (4) für die einzubringenden Gas­ wechselkanäle hinterschneidungsfrei ausgebildet sind.