DE19914940C1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 1 für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kühlwasserraum 7, der mehrere jeweils einem Brennraum zugeordnete Kühlwasserraumteilabschnitte aufweist, die über Kühlwasserzuläufe 22 und/oder über an diese angeschlossene Kühlwasserleitungen 21 mit Kühlwasser versorgt werden, wobei die mit den Kühlwasserräumen oder Kühlwasserraumteilabschnitten 7 oder mit dem Kühlwasserzulauf in Strömungsverbindung stehende Kühlwasserleitung 21 zumindest nach ihrer Einlaßöffnung im Strömungsquerschnitt eine Verjüngung oder Querschnittsreduzierung 25 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zy­ linderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit min­ destens einem Kühlwasserraum, der mehrere jeweils einem Brenn­ raum zugeordnete Kühlwasserraumteilabschnitte aufweist, die über Kühlwasserzuläufe und/oder über an diese angeschlossene Kühlwasserleitungen mit Kühlwasser versorgt werden.

Es ist bereits ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt (DE 195 42 492 C1), die mit einem Kühlwasserraum ausgestattet ist, der in mehrere Kühlwasserraumabschnitte aufgegliedert sein kann, die jeweils einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Zu­ sammen mit dem Zylinderkopfboden umschließen die Außenwände und die eine mit Abstand zum Zylinderkopfboden angeordnete, nicht dargestellte Zylinderkopfdecke einen Kühlwasserraum. Die Ver­ sorgung der Kühlwasserräume erfolgt durch Kühlwasserzuläufe bzw. Kühlwasserleitungen, die mit einer Pumpe mittelbar in Ver­ bindung stehen. Hierzu sollen insbesondere in heißen Bereichen im Zylinderkopf zwischen den Ventilen Kühlwasserräume vorgese­ hen werden. Die Kühlwasserräume werden über Kühlbohrungen von außen durch im Zylinderkopf vorgesehene Stege bis an den ei­ gentlichen Wasserraum im Zylinderkopf geführt. Diese Bohrung schneidet die im äußeren Bereich vorgesehene Zulaufeinrichtung (Wasserniere), die beispielsweise im Bereich des Zylinderkopfs unterhalb eines Ein- und Auslaßkanals vorgesehen sein kann und mit Kühlwasser aus dem Kurbelgehäuse versorgt wird. Diese Kühl­ bohrung wird außen durch eine Verschlußeinrichtung bzw. eine Kugel verschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlwasserbohrun­ gen derart auszubilden und anzuordnen, daß geringe Druckverlu­ ste innerhalb des Kühlsystems bzw. in den einzelnen Zulaufkanä­ len bzw. Bohrungen auftreten.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die mit den Kühlwasserräumen oder Kühlwasserraumteilabschnitten oder mit dem Kühlwasserzulauf in Strömungsverbindung stehende Kühl­ wasserleitung zumindest nach ihrer Einlaßöffnung im Strömungs­ querschnitt eine Verjüngung oder Querschnittsreduzierung auf­ weist.

Durch die vorteilhafte Ausbildung und Anordnung der im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlbohrungen werden sehr günstige Strömungsbedingungen geschaffen und sichergestellt, daß die Druckverluste innerhalb des Kühlsystems, insbesondere auch in den Kühlbohrungen, auf ein Minimum reduziert werden. Durch die kontinuierliche Verjüngung der Kühlbohrung in Strömungsrichtung kann insbesondere an den Übergängen zwischen Einlaßkanal oder Einlauftrichter und der Kühlbohrung ebenfalls die umgelenkte Kühlströmung so geführt werden, daß der Kühlstrom sich ohne Turbulenzen tangential an die Wandungen der Kühlbohrungen an­ legt. Insbesondere wird durch diese Anordnung eine weitgehend laminare Strömung gewährleistet.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Kühlwasserleitung als Kühl­ wasserbohrung ausgebildet ist und zwei oder mehrere Bohrungsab­ schnitte aufweist, die in Strömungsrichtung gesehen jeweils ei­ nen kleineren Strömungsquerschnitt aufweisen als der vorherge­ hende Bohrungsabschnitt. Durch die Verwendung von zwei oder mehreren Bohrungsabschnitten, die jeweils in Stömungsrichtung gesehen einen kleineren Durchmesser aufweisen, wird eine tan­ gentiale Anlage des Hauptkühlwasserstroms an den Innenoberflä­ chen der Kühlwasserbohrung sichergestellt. Turbulenzen werden dadurch vermieden und Druckverluste, wie bereits ausgeführt, auf ein Minimum reduziert. Die Ausbildung der Kühlwasserbohrung als Stufenbohrung bietet auch die Möglichkeit, Bauraumverhält­ nisse, insbesondere zwischen den Sitzringen im Zylinderkopf, optimal auszunutzen, sodaß neben der vorteilhaften Strömungs­ führung der Kühlflüssigkeit eine gleichmäßige Kühlwasserversor­ gung im Bereich der Sitzringe gewährleistet wird.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfs, daß die Kühlwasserbohrung als stufenförmige Bohrung ausgebildet ist, die aus Bohrungsabschnitten besteht, die unterschiedlich große Durchmesser aufweisen.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß die Kühlwasserbohrung mit einem Einlauftrichter, über ein sich gleichmäßig verjüngendes Übergangsteil mit der Kühlwasserbohrung verbunden ist. Stufen­ förmig ausgebildete Kühlwasserbohrungen lassen sich gießtech­ nisch relativ einfach herstellen und anschließend durch eine sogenannte schleifende Bearbeitungskontur fertigstellen, wobei hierzu lediglich die Oberfläche der Bohrungswandung geringfügig nachbearbeitet werden muß, um optimale Strömungsverhältnisse innerhalb der Kühlwasserbohrung sicherzustellen. Nach der er­ findungsgemäßen und vorteilhaften Ausgestaltung der Kühlwasser­ bohrung ist zu erkennen, daß etwa 50% des Druckabfalls im In­ nenbereich dieser Bohrung durch die optimale Ausgestaltung der Bohrwandungen reduziert werden kann. Berücksichtigt man außer­ dem, daß 90% des gesamten motorseitigen Druckabfalls insbeson­ dere in den Kühlwasserbohrungen entsteht, zeigt die vorteilhaf­ te Ausgestaltung der Kühlwasserbohrungen, daß eine optimale Kühlwasserversorgung auch in den entlegensten Bereichen inner­ halb des Zylinderkopfs gewährleistet wird, wobei der Energie­ aufwand der hierzu notwendigen Kühlwasserpumpe auf ein Minimum reduziert werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der Einlauftrichter nie­ renförmig ausgebildet und im Zylinderkopf vorgesehen ist.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß zwischen dem Einlauftrichter und der sich stufenförmig verjün­ genden Bohrung ein kurvenförmig ausgebildetes Übergangsteil sich in die Bohrung erstreckt und/oder vorgesehen ist, das in etwa tangential an die Bohrung herangeführt ist. Durch die op­ timale Ausgestaltung des Einlauftrichters, der nierenförmig ausgebildet sein kann (Wasserniere), ist ersichtlich, daß die Strömungsbedingungen wesentlich verbessert und somit die Druck­ verluste reduziert werden können, wenn die Bohrung sich nach der Wasserniere stufenförmig verjüngt. Dadurch können die Raum­ verhältnisse ebenfalls optimal ausgenutzt werden, was neben der günstigen Beeinflussung der Strömung der Kühlflüssigkeit auch eine Verbesserung der Temperaturverteilung im Bereich der Sitz­ ringe bewirkt.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anord­ nung ist es von Vorteil, daß die stufenförmig ausgebildete Boh­ rung und/oder der Einlauftrichter durch Gießen hergestellt ist und zumindest ein verschließbarer Bohrungsabschnitt bis an eine Außenwand des Zylinderkopfs heranreicht.

Vorteilhaft ist es ferner, daß sich die Bohrung in Strömungs­ richtung gesehen konisch verjüngt und/oder zwischen zwei Venti­ len oder Einlaßkanülen vorgesehen ist.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß die Bohrung aus mindestens zwei Bohrungsabschnitten gebildet ist und der erste Bohrungsab­ schnitt kleiner als der zweite Bohrungsabschnitt ist. Der erste Teilabschnitt der Kühlwasserbohrung, der sich hinter dem Ein­ lauftrichter verjüngt, kann etwas kürzer ausgebildet sein als der darauf folgende zweite Teilabschnitt, damit eine laminare Strömung der Kühlflüssigkeit innerhalb der gesamten Kühlwasser­ bohrung sichergestellt wird. Durch die stufenweise Herabsetzung des Durchmessers der Teilabschnitte können ebenfalls Druckver­ luste vermieden und Verwirbelungen bzw. Turbulenzen insbesonde­ re im Bereich zwischen dem Einlauftrichter und dem ersten Bohr­ abschnitt verhindert werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Pa­ tentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Fi­ guren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen horizontalen Querschnitt des er­ findungsgemäßen Zylinderkopfs in einer Ansicht von unten und einen Kühlwasser­ raum des Zylinderkopfs im Teilschnitt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des nie­ renförmig ausgebildeten Einlaufs und die sich daran anschließende stufenför­ mig ausgebildete Kühlwasserbohrung im Bereich der Ventilsitze des Zylinder­ kopfs,

Fig. 3 die gießtechnisch hergestellte Kühlwas­ serbohrung mit einer oberhalb der nie­ renförmigen Anordnung des Einlauftrich­ ters liegenden Bohrung, die bis an die Außenwand des Zylinderkopfs herange­ führt und durch eine Verschlußeinrich­ tung verschlossen ist,

Fig. 4 eine Darstellung der Kühlwasserbohrung, ähnlich wie in Fig. 3, wobei jedoch die Zuläufe bzw. Einlaßöffnungen im Be­ reich des nierenförmigen Einlauftrich­ ters dargestellt sind, sowie die Strö­ mungsführung des Kühlmittels, insbeson­ dere in den beiden Abschnitten A und B.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 mit 1 ein Zylinderkopf für eine in der Zeichnung nicht dargestellte, beispielsweise mehrzylin­ drige Brennkraftmaschine dargestellt, der aus einem einteiligen Gußstück mit einem Zylinderkopfboden 2, und Außenwänden 3 und 4 sowie Außenwänden 5 und 6 besteht.

Der Zylinderkopfboden 2 umschließt mit den Außenwänden 3 bis 6 insgesamt einen Kühlwasserraum, der aus zahlreichen einzelnen, miteinander in Strömungsverbindung stehenden Kühlwasserraum­ teilabschnitten bzw. Kühlwasserkammern bestehen kann.

Jeder Zylinderkopfboden weist für jeden Zylinder einen als Ver­ tiefung ausgebildeten Brennraum 8 auf, der je Zylinder aus zwei Mündungsöffnungen 9 und 10 und zwei weiteren in den Brennraum 8 führenden Öffnungen 11 und 12 sowie Kammern 13 und 14 zur Auf­ nahme von Zündkerzen und Einspritzdüsen besteht.

Die Mündungsöffnungen 9 und 10 stehen mit Ventilkanälen 15 und 16 in Verbindung, die sich im Bereich der längsseitigen Außen­ wände 3 und 4 durch den Kühlwasserraum bzw. einzelne Kühlwas­ serkammern 7 erstrecken.

Der mit der Mündungsöffnung 9 verbundene Ventilkanal 15 bildet den Einlaßkanal und der mit der Mündungsöffnung 10 zur Außen­ wand abführende Ventilkanal 16 den Auslaßkanal. Die V-förmig ausgebildeten Kammern 13 und 14 sind von dem Kühlwasserraum bzw. den Kühlwasserkammern umgeben.

Das Kühlwasser strömt über eine im Bereich des Brennraums 8 vorgesehene Einlaßöffnung 17 in den Kühlwasserraum 7. Es ist vorteilhaft, daß dabei das Kühlwasser das Zylinderkopfgehäuse in Querrichtung durchströmt. Über eine Auslaßöffnung 19 verläßt das Kühlwasser wieder den Kühlwasserraum 17.

Ein Stegbereich 20 befindet sich zwischen dem Auslaßkanal 16 und der Kammer 13. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine Kühl­ wasserbohrung 21 in diesem Bereich vorgesehen, wobei die Boh­ rung 21 an der Außenseite 4 beginnt und sich in das Innere durch den Stegbereich 20 in Richtung einer Zylinderquerachse 18 erstreckt.

Der Verlauf der Kühlwasserbohrung 21 ergibt sich auch aus Fig. 2, die besondere Ausgestaltung der Kühlwasserbohrung aus den Fig. 3 und 4. Die Kühlwasserbohrung wird gießtechnisch hergestellt und nach dem Bearbeitungsvorgang, wie nachstehend näher erläutert, mittels einer Verschlußeinrichtung bzw. einer Kugel 23 verschlossen. Die Kühlwasserbohrung 21 erstreckt sich, wie bereits erwähnt, in den Kühlwasserraum 7. Die Kühlwasser­ bohrung 21 steht mit einem beispielsweise nierenförmig ausge­ bildeten Kühlwasserzulauf 22 in Verbindung. Das Kühlwasser fließt von dem Kurbelgehäuse über die Einlaßöffnungen 33 und 34 gemäß Pfeil 35 in die Kühlwasserbohrung 21 und danach in den Kühlwasserraum.

Der Kühlwasserzulauf 22 (Fig. 4) sowie die Kühlwasserbohrung 21 können, wie bereits erwähnt, durch ein gießtechnisches Verfah­ ren kostengünstig so hergestellt werden, daß eine einwandfreie Strömung ohne große Turbulenzen bei geringem Druckabfall der Kühlflüssigkeit gewährleistet wird. Hierzu ist der Kühlwasser­ zulauf 22 über einen Einlauftrichter 29 mit einer aus minde­ stens zwei Abschnitten A und B, gebildeten Bohrung 28 verbunden (Fig. 4). Zwischen dem Kühlwasserzulauf 22 bzw. dem Einlauf­ trichter 29 befindet sich ein kurvenförmig ausgebildetes Über­ gangsteil 30, das in einen ersten Bohrungsabschnitt 31 mündet. Der Bohrungsabschnitt 31 steht mit einem nachfolgenden, im Durchmesser kleineren Bohrungsabschnitt 32 in Verbindung. Die Bohrungsabschnitte 31 und/oder 32 können zylinderförmig ausge­ bildet sein und sich auch je nach Strömungsrichtung gemäß Pfeil 35 konisch verjüngen. Ebenso ist es möglich, daß die bei­ den Bohrungsabschnitte 31 bzw. 32 jeweils einen gleichmäßigen Durchmesser über ihre gesamte Länge aufweisen.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist zwischen dem ersten Bohrungsab­ schnitt 31(A) und dem zweiten Bohrungsabschnitt 32(B) eine Querschnittsverminderung vorgesehen, die als ringförmiger Ab­ satz ausgebildet ist. Der Übergang zwischen dem ersten Boh­ rungsabschnitt 31 und 32 kann auch relativ lang ausgebildet sein, so daß eine allmähliche Querschnittsreduzierung zwischen dem Bohrungsabschnitt 31 und 32 stattfindet.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der Kühlwasserzu­ lauf 22 (siehe hierzu Fig. 1, rechte Hälfte) nierenförmig aus­ gebildet. In Bezug auf die Draufsicht ist der Einlauftrichter 29 etwas exzentrisch zur Kühlwasserbohrung 21 angeordnet. In Bezug auf Fig. 1 ist die linke Einlaßöffnung 17 ebenfalls nie­ renförmig ausgebildet und, ähnlich wie in Fig. 4, mit der dar­ an angeschlossenen, stufenförmig ausgebildeten Bohrung 21 ver­ bunden.

Die stufenförmige Ausbildung kann, wie aus Fig. 4 hervorgeht, aus mindestens zwei Abschnitten A, B bestehen, wobei der erste Abschnitt 31(A) der Kühlwasserleitung bzw. Kühlwasserboh­ rung 21 kürzer ist als der sich daran anschließende Ab­ schnitt 32(B). Damit soll sichergestellt werden, daß sich der Kühlwasserstrom allmählich verjüngt und tangential an der In­ nenoberfläche der Wandungen der Kühlwasserbohrung 21 entlangge­ führt wird, wobei Turbulenzen insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem Kühlwasserzulauf und der Kühlwasserbohrung 21 ver­ mieden werden.

Je nach Ausführungsbeispiel ist es jedoch euch möglich, die Kühlwasserbohrung 21 zylinderförmig und sich konisch verjüngend auszubilden.

Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch die stufenförmig aus­ gebildete Bohrung herausgestellt, womit sichergestellt werden kann, daß die bisher auftretenden Strömungseinschnürungen ins­ besondere im Bereich des Übergangsteils 30 vermieden werden und sich somit die daran anschließenden, üblicherweise auftretenden Turbulenzen vermeiden lassen. Derartige Bohrungen lassen sich gießtechnisch sehr einfach herstellen und anschließend ohne weiteres bearbeiten bzw. so glätten, daß eine laminare Strömung des Leitungssystems sichergestellt wird. Die optimale Konfigu­ ration des Kühlwasserzulaufs 22 mit der sich daran anschließen­ den stufenförmig ausgebildeten Bohrung 28 bietet auch die Mög­ lichkeit, diese Teile auf geringstem Raum vorzusehen, so daß Bauraumverhältnisse, insbesondere zwischen den Sitzringen der Einlaßventile, optimal genutzt werden können (vergleiche Fig. 2). Hierdurch wird neben der positiven Strömungsführung auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Bereich der Sitzringe bewirkt. Durch die bisher auftretenden Strömungsver­ luste, insbesondere beim Einströmen des Wassers in den nieren­ förmigen Kühlwasserzulauf 22 und in eine sich daran anschlie­ ßende Stufenbohrung 28, die um 90° mit Bezug auf das Einlauf­ teil umgelenkt wird, läßt sich der bisher sehr starke Druckab­ fall weitgehend ausschalten. Somit ist eine optimale Kühlung in allen wesentlichen Bereichen des Zylinderkopfs sichergestellt. Gleichzeitig kann auch die hydraulische Leistung der Pumpe her­ abgesetzt werden, die das Kühlwasser durch die Leitungen pumpen muß.

Claims (10)

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf (1) für eine mehrzylin­ drige Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kühlwasser­ raum (7), der mehrere jeweils einem Brennraum zugeordnete Kühl­ wasserraumteilabschnitte aufweist, die über Kühlwasserzuläu­ fe (22) und/oder über an diese angeschlossene Kühlwasserleitun­ gen (21) mit Kühlwasser versorgt werden, dadurch gekennzeichnet,

• - dass die mit den Kühlwasserräumen oder Kühlwasserraumteil­ abschnitten (7) oder mit dem Kühlwasserzulauf in Strömungs­ verbindung stehende Kühlwasserleitung (21) zumindest nach ihrer Einlaßöffnung im Strömungsquerschnitt eine Verjüngung oder Querschnittsreduzierung (25) aufweist.

2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasserleitung (21) als Kühlwasserbohrung ausgebil­ det ist und zwei oder mehrere Bohrungsabschnitte (31, 32) auf­ weist, die in Strömungsrichtung gesehen jeweils einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweisen als der vorhergehende Bohrungs­ abschnitt.

3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasserbohrung (21) als stufenförmige Bohrung (28) ausgebildet ist, die aus Bohrungsabschnitten (31, 32) besteht, die unterschiedlich große Durchmesser aufweisen.

4. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwasserbohrung (21) mit einem Einlauftrichter (29), der über ein sich gleichmäßig verjüngendes Übergangsteil (30) mit der Kühlwasserbohrung (21) verbunden ist.

5. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlauftrichter (29) nierenförmig ausgebildet und im Zylinderkopf (1) vorgesehen ist.

6. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlauftrichter (29) und der sich stufenför­ mig verjüngenden Bohrung (28) ein kurvenförmig ausgebildetes Übergangsteil (30) sich in die Bohrung erstreckt und/oder vor­ gesehen ist, das in etwa tangential an die Bohrung (28) heran­ geführt ist.

7. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenförmig ausgebildete Bohrung (28) und/oder der Einlauftrichter (29) durch Gießen hergestellt ist und zumindest ein verschließbarer Bohrungsabschnitt (31) bis an eine Außen­ wand (4) des Zylinderkopfs (1) heranreicht.

8. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bohrung (28) in Strömungsrichtung gesehen konisch verjüngt und/oder zwischen zwei Ventilen oder Einlaßkanälen vorgesehen ist.

9. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (28) aus mindestens zwei Bohrungsabschnit­ ten (31, 32) gebildet ist.

10. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bohrungsabschnitt (31) kleiner als der zweite Bohrungsabschnitt (32) ist.