EP1733132B1 - Wassergekühlter zylinderkopf für eine mehrzylindrige brennkraftmaschine - Google Patents

Wassergekühlter zylinderkopf für eine mehrzylindrige brennkraftmaschine Download PDF

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EP1733132B1
EP1733132B1 EP05726208A EP05726208A EP1733132B1 EP 1733132 B1 EP1733132 B1 EP 1733132B1 EP 05726208 A EP05726208 A EP 05726208A EP 05726208 A EP05726208 A EP 05726208A EP 1733132 B1 EP1733132 B1 EP 1733132B1
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water
cylinder
cylinder head
cooling
combustion
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Michael Paul
Frank Ickinger
Albrecht Reustle
Armin Schweizer
Christian Wendl
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/12—Arrangements for cooling other engine or machine parts
    • F01P3/16—Arrangements for cooling other engine or machine parts for cooling fuel injectors or sparking-plugs

Definitions

  • the invention relates to a water-cooled cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine according to the features of the preamble of claim 1, such as DE 4116943 .
  • US 4699092 or US 20020124815 are features of the preamble of claim 1, such as DE 4116943 .
  • the object of the invention is therefore to overcome the aforementioned disadvantages and to improve the cooling in the highly stressed areas of the cylinder head housing.
  • the temperature peaks can be effectively reduced in this area.
  • high-temperature cylinder head alloys such as AICu5Ni1,5CoSbZr lower cost standard alloys, such as AlSi6Cu4 or AlSi7Mg.
  • the knocking tendency of the engine is reduced by the temperature reduction, so that consumption advantages or a corresponding power increase can be achieved on account of the ignition angle improvements.
  • An additional cooling channel in the form of an injector bore ensures that the common annulus section is supplied directly with cooling water.
  • a further improvement or optimization of the cooling of the cylinder head housing is achieved if the water jacket has a substantially uniform wall thickness in the range of the combustion chamber dome and the inlet and outlet ducts monitored by the valves between 3 and 7 mm. Due to the constant water jacket thickness higher flow velocities of the cooling water can be achieved and thus the heat transfer can be improved.
  • a need-based cooling is ensured by a main cooling flow between the two exhaust valves in the direction of the receiving opening for the spark plug, while outside of the two exhaust valves, two secondary cooling streams are formed.
  • FIGS. 1 to 4 is the geometry of a water jacket, hereinafter referred to as cylinder head cooling chamber 2, shown, which is integrated in a cylinder head housing 4 of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • the cylinder head cooling space 2 of each cylinder is supplied with cooling water via a central inflow opening 6 in the cylinder head housing 4.
  • a delta-shaped discharge opening 8 is provided, via which the coolant heated by the cylinder head housing 4 flows to the suction side of the water pump, not shown, of the internal combustion engine.
  • two recesses 10 and 12 for the two exhaust valves or exhaust ports of the internal combustion engine can be seen;
  • a centrally provided in the cylinder head cooling chamber 2 opening 14 forms the receptacle or the dome for a spark plug (not shown) of the relevant cylinder.
  • each two web-shaped recesses 16 and 18 can be seen, in the cylinder head housing 4 as a positive to form two the water jacket 2 by cross webs, with the help of which formed in the cylinder head housing 4 Brennraumkalotte 20 is suspended or supported ,
  • the over the arc length s (see Fig. 2 ) extending central annular space portion 32 has a combustion chamber trough 20 toward substantially constant height, so that at least in this area, the wall thickness a of the combustion chamber cap 36 is uniform and in the vertical direction is brought close to the combustion chamber 36.
  • the wall thickness a of the combustion chamber dome 36 is reduced to between 5 and 10 mm in the region of the annular space section 32. How out Fig. 5 As can be seen, a portion 14a of the receiving opening 14 for the spark plug is reduced in diameter over the overlying portion 14b.
  • the spark plug thread is introduced, whose length has been deliberately chosen so that the central annular space portion 32 and the two adjacent left and right adjacent annular space portions 32 'with their arc lengths s' in the vertical direction exclusively at the height of the reduced thread diameter (section 14a) so that the cooling water jacket or the cylinder head 2 brought close to the spark plug is.
  • cooling water of the cylinder head cooling chamber 2 is formed in the region of the Brennraumkalotte 36 and the inlet and outlet valves with a substantially uniform thickness or thickness, which is between 3 and 7 mm.
  • the temperature peaks caused in the region due to the high heat input to the spark plug and the valve seat rings can be effectively reduced.
  • the flow cross-sections on the inflow side of the cylinder head cooling chamber 2 are formed so that the cooling water flow is divided into a main cooling flow Q 1 , Q 2 and Q 3 and two secondary cooling flows Q 4 and Q 5 .
  • the main cooling flow Q 1 , Q 2 and Q 3 is guided between the two exhaust valves (recess 10, 12) in the direction of the spark plug dome (central opening 14), while in the respective left and right edge region of the cylinder head cooling chamber 2, the secondary cooling flows Q 4 and Q 5 run ,
  • the already mentioned above recesses 23, 24 form constrictions for the two secondary cooling streams Q 4 and Q 5 , so that the entire cooling water flow, for example, is divided so that 50% of them via the main cooling flow Q 1 , Q 2 and Q 3 between the two exhaust valves are guided in the direction of the spark plug, while each 25% thereof are supplied via the secondary cooling streams Q 4 and Q 5 to the left and the right edge region of the cylinder head cooling chamber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder, einem im Zylinderkopfgehäuse (4) integrierten Zylinderkopfkühlraum (2) (Wassermantel) mit Ein- und Ausströmöffnungen (6, 8) für das Kühlmittel, der sich oberhalb einer die Brennraummulde (20) bildenden Kalotte (36) erstreckt, wobei um eine zentral im Zylinderkopfgehäuse (4) angeordnete Aufnahmeöffnung (14) für eine Zündkerze und um die beiden Auslassventile zumindest bereichsweise Wassermantelräume (26, 28, 30) ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) miteinander verbunden sind. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest der gemeinsame Wassermantel- Ringraumabschnitt (32) zur Brennraummulde (20) hin eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) einheitlich und bis dicht an die Brennraummulde (20) herangeführt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, wie zum Beispiel DE 4116943 , US 4699092 oder US US 20020124815 .
  • Insbesondere bei Hochleistungsmotoren treten trotz des wassergekühlten Zylinderkopfes aufgrund der hohen spezifischen Leistung insbesondere im Bereich zwischen den Auslassventilen bzw. zwischen Auslassventil und Zündkerze Temperaturspitzen bis zu 300 °C auf, die zu Temperaturspannungen im Material und in Verbindung mit äußeren Lasten zu bleibenden Verformungen im Ventilsitzringbereich der Auslassventile führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden und die Kühlung in den hochbelasteten Bereichen des Zylinderkopfgehäuses zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Dadurch, dass der gemeinsame Wassermantel- Ringraumabschnitt zwischen den beiden Auslassventilen und der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze eine im wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweist und bis dicht an die Brennraummulde herangeführt ist, können die Temperaturspitzen in diesem Bereich wirkungsvoll abgebaut werden. Damit wird bspw. auch die Möglichkeit eröffnet, anstelle von hochwarmfesten Zylinderkopflegierungen, wie z.B. AICu5Ni1,5CoSbZr kostengünstigere Standardlegierungen, wie z.B. AlSi6Cu4 oder AlSi7Mg zu verwenden. Andererseits wird durch die Temperaturabsenkung die Klopfneigung des Motors reduziert, so dass aufgrund der Zündwinkelverbesserungen Verbrauchsvorteile bzw. ein entsprechender Leistungszuwachs erzielt werden kann.
  • Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Für eine schnelle und effektive Wärmeabführung im Bereich des Zündkerzendomes wird vorgeschlagen, den Durchmesser der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze auf der Höhe des gemeinsamen Wassermantel- Ringraumabschnittes zu reduzieren. Umgesetzt werden kann diese Maßnahme bspw. dadurch, dass in diesem Bereich das Gewinde der Zündkerze ausgebildet ist, dessen Aussendurchmesser gegenüber dem Zündkerzengehäuse reduziert ist.
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass eine optimale Kühlung der hochbelasteten Stellen bei gleichzeitig ausreichender Formstabilität insbesondere der Brennraumkalotte dann gewährleistet ist, wenn die Wandstärke der Brennraumkalotte zumindest im Bereich des gemeinsamen Ringraumabschnittes auf zwischen 5 und 11 mm reduziert ist.
  • Ein zusätzlicher Kühlkanal in Form einer Injektorbohrung stellt sicher, dass der gemeinsame Ringraumabschnitt direkt mit Kühlwasser versorgt wird.
  • Eine weitere Verbesserung bzw. Optimierung der Kühlung des Zylinderkopfgehäuses wird erreicht, wenn der Wassermantel im Bereich der Brennraumkalotte und der durch die Ventile überwachten Ein- und Auslasskanäle eine im wesentlichen einheitliche Wandstärke zwischen 3 und 7mm aufweist. Durch die konstante Wassermantelstärke können höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlwassers erzielt und damit die Wärmeübertragung verbessert werden.
  • Eine bedarfsgerechte Kühlung wird dadurch sichergestellt, dass ein Hauptkühlstrom zwischen den beiden Auslassventilen in Richtung der Aufnahmeöffnung für die Zündkerze verläuft, während aussen an den beiden Auslassventilen vorbei, zwei Nebenkühlströme ausgebildet sind.
  • Durch eine gezielte Drosselung der beiden Nebenkühlströme durch entsprechende Verengungen in den entsprechenden Kühlkanälen wird sichergestellt, dass die Hauptkühlmenge direkt in den Zündkerzenbereich geleitet wird.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachstehend näher beschrieben ist.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine geometrische Abbildung eines Wassermantels im Zylinderkopfgehäuse einer Brennkraftmaschine,
    Fig. 2
    eine Ansicht des Wassermantels in Blickrichtung A gemäß Fig. 1,
    Fig. 3
    eine Ansicht des Wassermantels in Blickrichtung B gemäß Fig. 1,
    Fig. 4
    eine Schrägansicht des Wassermantels in Blickrichtung A gemäß Fig. 1 und
    Fig. 5
    einen Schnitt durch einen Teil des Zylinderkopfgehäuses im Bereich der Aufnahme für die Zündkerze.
  • In den Figuren 1 bis 4 ist die Geometrie eines Wassermantels, im folgenden als Zylinderkopfkühlraum 2 bezeichnet, dargestellt, der in einem Zylinderkopfgehäuses 4 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine integriert ist.
  • Der Zylinderkopfkühlraum 2 eines jeden Zylinders wird über eine zentrale Einströmöffnung 6 im Zylinderkopfgehäuse 4 mit Kühlwasser versorgt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinderkopfkühlraumes 2 ist eine deltaförmige Ausströmöffnung 8 vorgesehen, über die das vom Zylinderkopfgehäuse 4 erwärmte Kühlmittel zur Saugseite der nicht dargestellten Wasserpumpe der Brennkraftmaschine abströmt. In der geometrischen Abbildung des Zylinderkopfkühlraumes 2 sind zwei Ausnehmungen 10 und 12 für die beiden Auslassventile bzw. Auslasskanäle der Brennkraftmaschine erkennbar; eine zentral im Zylinderkopfkühlraum 2 vorgesehene Öffnung 14 bildet die Aufnahme bzw. den Dom für eine Zündkerze (nicht dargestellt) des betreffenden Zylinders. Links und rechts von der zentralen Öffnung 14 sind jeweils zwei stegförmige Ausnehmungen 16 und 18 zu sehen, die im Zylinderkopfgehäuse 4 als Positiv dazu jeweils zwei den Wassermantel 2 durchgreifende Stege bilden, mit deren Hilfe die im Zylinderkopfgehäuse 4 ausgebildete Brennraumkalotte 20 aufgehangen bzw. abgestützt ist.
  • In Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen, schließt sich hinter den beiden stegförmigen Ausnehmungen 16, 18 und der zentralen Öffnung 14 eine Ausnehmung 22 für die beiden Einlassventile bzw. Einlasskanäle des Zylinderkopfabschnittes an.
  • Auf der Einströmseite des Kühlmittels sind im Zylinderkopfkühlraum 2 zwei weitere Aussparungen 23 und 24 erkennbar, deren Positiv Strömungsverengungen im Zylinderkopfkühlraum 2 bilden, deren Funktion später noch näher erläutert ist. Wie aus Figur 2 ersichtlich, sind um die beiden Auslassventile und um die Zündkerze Wassermantelräume ausgebildet, die im vorliegenden Fall geschlossene Ringräume 26, 28 und 30 bilden; Ringraum 30 grenzt dabei an die beiden anderen Ringräume 26, 28 an, so dass ein gemeinsamer zentraler Ringraumabschnitt 32 gebildet ist. Ein in Form einer Bohrung im Zylinderkopfgehäuse 4 ausgebildeter Kühlkanal 34 führt von der Einströmöffnung 6 direkt zum gemeinsamen Ringraumabschnitt 32 und versorgt diesen hochtemperaturbelasteten Bereich zusätzlich direkt mit Kühlwasser.
  • Der sich über die Bogenlänge s (siehe Fig. 2) erstreckende zentrale Ringraumabschnitt 32 weist eine zur Brennraummulde 20 hin im wesentlichen gleich bleibende Höhe auf, so dass zumindest in diesem Bereich die Wandstärke a der Brennraumkalotte 36 einheitlich ist und in vertikaler Richtung bis dicht an die Brennraummulde 36 herangeführt ist. Die Wandstärke a der Brennraumkalotte 36 ist dabei im Bereich des Ringraumabschnittes 32 auf zwischen 5 und 10 mm reduziert. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist ein Abschnitt 14a der Aufnahmeöffnung 14 für die Zündkerze in seinem Durchmesser gegenüber dem darüber liegenden Abschnitt 14b reduziert. Im Abschnitt 14a der Aufnahmeöffnung 14 ist das Zündkerzengewinde eingebracht, dessen Länge bewusst so gewählt worden ist, dass der zentrale Ringraumabschnitt 32 sowie die beiden links und rechts daran angrenzenden Ringraumabschnitte 32' mit ihren Bogenlängen s' sich in vertikaler Richtung ausschließlich auf der Höhe des reduzierten Gewindedurchmessers (Abschnitt 14a) erstrecken, so dass der Kühlwassermantel bzw. der Zylinderkopfkühlraum 2 dicht an den Zündkerzendom herangeführt ist.
  • Zur Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlwassers ist der Zylinderkopfkühlraum 2 im Bereich der Brennraumkalotte 36 und der Ein- und Auslassventile mit einer im wesentlichen einheitlichen Stärke bzw. Dicke ausgebildet, die zwischen 3 und 7 mm beträgt.
  • Durch die zuvor geschilderten Maßnahmen können die aufgrund des hohen Wärmeeintrags auf die Zündkerze und die Ventilsitzringe in diesem Bereich verursachten Temperaturspitzen wirkungsvoll abgebaut werden.
  • Die Strömungsquerschnitte auf der Einströmseite des Zylinderkopfkühlraumes 2 sind so ausgebildet, dass der Kühlwasserstrom in einen Hauptkühlstrom Q1, Q2 und Q3 sowie in zwei Nebenkühlströme Q4 und Q5 aufteilt ist. Der Hauptkühlstrom Q1, Q2 und Q3 wird zwischen die beiden Auslassventile (Ausnehmung 10, 12) in Richtung des Zündkerzendomes (zentrale Öffnung 14) geführt, während im jeweils linken und rechten Randbereich des Zylinderkopfkühlraumes 2 die Nebenkühlströme Q4 und Q5 verlaufen. Die bereits eingangs erwähnten Aussparungen 23, 24 bilden Verengungen für die beiden Nebenkühlströme Q4 und Q5, so dass der gesamte Kühlwasserstrom bspw. so aufgeteilt ist, dass 50% davon über den Hauptkühlstrom Q1, Q2 und Q3 zwischen den beiden Auslassventilen in Richtung des Zündkerzendomes geführt sind, während jeweils 25% davon über die Nebenkühlströme Q4 und Q5 dem linken und dem rechten Randbereich des Zylinderkopfkühlraumes zugeführt sind.

Claims (6)

  1. Wassergekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei Ein- und Auslassventilen pro Zylinder, einem Wassermantel in Form eines im Zylinderkopfgehäuse (4) integrierten Zylinderkopfkühlraumes (2) mit Ein- und Ausströmöffnungen (6, 8) für das Kühlmittel, der sich oberhalb einer die Brennraummulde (20) bildenden Kalotte (36) erstreckt, wobei um eine zentral im Zylinderkopfgehäuse (4) angeordnete Aufnahmeöffnung (14) für eine Zündkerze und um die beiden Auslassventile zumindest bereichsweise Wassermantelräume (26, 28, 30) ausgebildet sind, die über einen gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) miteinander verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zumindest der gemeinsame Wassermantel-Ringraumabschnitt (32) zur Brennraummulde (20) hin eine gleich bleibende Höhe aufweist und bis an die Brennraummulde (20) derart herangeführt ist, dass
    - die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) im Bereich des Ringraumabschnittes (32) auf zwischen 5 und 11 mm reduziert ist, und wobei
    - zumindest im Bereich des Wassermantel-Ringraumabschnittes (32) die Wandstärke (a) der Brennraumkalotte (36) einheitlich ausgebildet ist.
  2. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Aufnahmeöffnung (14) für die Zündkerze auf der Höhe des gemeinsamen Ringraumabschnittes (32) reduziert ist.
  3. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einströmseite des Kühlwassers zusätzlich ein Kühlkanal (34) vorgesehen ist, der den gemeinsamen Ringraumabschnitt (32) auf direktem Weg zusätzlich mit Kühlwasser versorgt.
  4. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassermantel im Bereich der Brennraumkalotte (36) und der Ein- und Auslasskanäle eine im wesentlichen einheitliche Stärke aufweist, die zwischen 3 und 7 mm beträgt.
  5. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einströmseite (Einströmöffnung 6) in den Zylinderkopfkühlraum (2) ein Hauptkühlstrom (Q1, Q2, Q3) zwischen den beiden Auslassventilen (Ausnehmung 10, 12) in Richtung der Aufnahmeöffnung (14) für die Zündkerze verläuft, während an den beiden Randbereichen des Zylinderkopfkühlraumes (2) zwei Nebenkühlströme (Q4, Q5) vorgesehen sind.
  6. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Randbereichen des Zylinderkopfkühlraumes (2) lokale Verengungen zur Drosselung der beiden Nebenkühlströme () vorgesehen sind.
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