EP2619433B1 - Kühlmittelmantel für einen flüssigkeitsgekühlten zylinderkopf - Google Patents

Kühlmittelmantel für einen flüssigkeitsgekühlten zylinderkopf Download PDF

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EP2619433B1
EP2619433B1 EP11767161.0A EP11767161A EP2619433B1 EP 2619433 B1 EP2619433 B1 EP 2619433B1 EP 11767161 A EP11767161 A EP 11767161A EP 2619433 B1 EP2619433 B1 EP 2619433B1
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EP
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gas exchange
cylinder head
coolant jacket
coolant
crankcase
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Wolfgang Ruffing
Frank RÜTTEN
Ulrich Gutzer
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke 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
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled cylinder head with a coolant jacket according to the features from the preamble of claim 1.
  • a coolant flow path arrangement of a cylinder head of an internal combustion engine is known, with a path area assigned to at least one first valve of the cylinder head and at least one path segment assigned to a spark plug or a diesel injector.
  • the coolant flow path is divided into at least one first and at least one second partial flow path, of which the first partial flow path is at a higher level than the second partial flow path.
  • the first partial flow path has a path area assigned to the first valve and the second partial flow path has a path segment assigned to the spark plug or the diesel injector.
  • a coolant jacket for a liquid-cooled cylinder head is for example from the DE 102 51 360 B4 , from which the present invention is based, known.
  • This German patent describes a liquid-cooled cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine.
  • the cylinder head has a coolant flow which flows from a coolant inlet on an outlet side to a coolant outlet on an inlet side.
  • the cylinder head has a coolant space, which is from Outer walls, a cylinder head base and a water space roof is limited and a rib, which is hanging on the water space roof, protrudes essentially transversely to the coolant flow, as a flow guide element.
  • at least one inlet and two outlet valves with gas exchange channels are each arranged in a cylinder section.
  • a coolant inlet is provided from below into a coolant distribution channel.
  • a lateral coolant channel is passed between the gas exchange channel of an exhaust valve and a screw pipe of a cylinder head screw and a central coolant channel is passed between the two gas exchange channels of the outlet valves.
  • the liquid-cooled cylinder head described in the German patent is characterized in that the central coolant channel directs the coolant flow onto the rib in the water space roof, which is connected to a spark plug whistle on the water space roof and has a flow-guiding curvature in an area of the point of impact of the coolant flow from the central coolant channel.
  • Such a known coolant jacket does not cool the cylinder head optimally, in particular in the area of the greatest heat input between the gas exchange outlet valves and the ignition device.
  • the object of the present invention is to provide a liquid-cooled cylinder head with a coolant jacket that has the above. Does not have any disadvantage.
  • the design of the coolant jacket is such that the coolant flow from the outlet side of the crankcase, coming centrally from the cylinder, into the cylinder head (optionally also laterally next to the gas exchange outlet channels) and there near the combustion chamber roof between the gas exchange outlet valves and around the ignition device and the fuel injector to the inlet side.
  • the coolant jacket largely envelops the threaded area of the ignition device.
  • a second and a third partial coolant jacket are provided, which extend on both sides adjacent to the first partial coolant jacket, coming from the crankcase around the gas exchange outlet duct and merge into the first partial coolant jacket in the direction of the gas exchange inlet side and continue directly without a Extending the collecting duct into the crankcase.
  • the configuration according to claim 2 further improves the overall cooling of the cylinder head according to the invention, since the heat dissipation from the hot areas is homogenized.
  • the embodiment according to claim 3 is a particularly preferred variant in which an exhaust manifold can also be advantageously temperature controlled, which can either be mounted as a separate component on the cylinder head or in one piece with the cylinder head.
  • Fig. 1 shows a plan view of a three-dimensionally shown coolant jacket 1 for a liquid-cooled cylinder head (not shown in detail) for an internal combustion engine with a crankcase.
  • the coolant jacket 1 corresponds to a sand core which is used for casting a corresponding liquid-cooled cylinder head.
  • the view of the coolant jacket 1 takes place obliquely from the direction of the crankcase onto an underside of the cylinder head (in the installed state, the side facing the crankcase).
  • the cylinder head has a gas exchange inlet side (ES) with two gas exchange inlet valves 2 and a gas exchange outlet side (AS) with two gas exchange outlet valves 3.
  • ES gas exchange inlet side
  • AS gas exchange outlet side
  • a coolant jacket 1 is shown for only a single cylinder of the internal combustion engine, the coolant jacket 1 being expandable for any number of cylinders.
  • the coolant jacket 1 essentially consists of a first partial coolant jacket 6 arranged largely centrally between the gas exchange outlet valves 3, a second partial coolant jacket 7 and a third partial coolant jacket 8 arranged adjacent to the first partial coolant jacket 6 on both sides has its own inflow point on the outlet side.
  • the inflow of a coolant is shown symbolically with three arrows.
  • the essential flow directions of the coolant in the cylinder head are also symbolically represented by arrows.
  • the coolant jacket 1 extends as a first partial coolant jacket 6 on the outlet side, from the crankcase coming between the gas exchange outlet valves 3 and then radially outside around the ignition device 5 and the fuel injector 4 and further in the direction of the gas exchange inlet side (ES) and further back into the crankcase.
  • An overflow back into the crankcase at two outflow points is again symbolically represented by two arrows.
  • the second and third partial coolant jackets 7, 8 also extend on both sides adjacent to the first partial coolant channel 6, coming from the crankcase largely around the gas exchange outlet channel 9 and further in the direction of the gas exchange inlet side (ES) and then extend into the first partial coolant channel 6 the second and the third partial coolant jacket 7, 8 starting from the gas exchange outlet channel 9 on both sides of the gas exchange valves 2, 3 in the direction of the gas exchange inlet side (ES) and back into the crankcase at the two outflow points.
  • an exhaust manifold is provided for the cylinder head on the gas exchange outlet side (AS), the second and third partial coolant ducts 7, 8 extending at least in sections into the exhaust manifold.
  • temperature control of the exhaust manifold is possible in an advantageous manner.
  • the exhaust manifold can be designed as a separate component or in one piece with the cylinder head.
  • Fig. 2 shows a bottom view of the coolant jacket 1.
  • the view in FIG Fig. 2 is directed perpendicular to a parting plane between the cylinder head and the crankcase. It is the same as to Fig. 1 said, wherein the main flow directions of the coolant is again shown by arrows.
  • An inflow of the coolant into the cylinder head is indicated by the symbol O at the inflow points and an outflow of the coolant out of the cylinder head is represented by the symbol O at the outflow points.
  • the design of the coolant jacket 1 is such that the coolant flow from the gas exchange outlet side (AS) from the crankcase, coming centrally from the cylinder into the cylinder head (optionally also laterally next to the gas exchange outlet channels) and there near the combustion chamber roof between the gas exchange outlet valves 3 and around the ignition device 5 and the fuel injector 4 to the gas exchange inlet side (ES) takes place.
  • the first partial coolant jacket 6 largely envelops the threaded area of the ignition device 5.
  • the optimal cooling of the cylinder head enables high specific outputs and pressures, even at high coolant temperatures and cheaper, less temperature-resistant cylinder head alloys. This leads in an advantageous manner to a consumption and cost advantage.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel gemäß den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der DE 10 2008 047 185 A1 ist eine Kühlmittelströmungsweganordnung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem mindestens einem ersten Ventil des Zylinderkopfes zugeordneten Wegbereich und mindestens einem einer Zündkerze oder einem Dieselinjektor zugeordneten Wegabschnitt. Hierbei teilt sich der Kühlmittelströmungsweg in mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Teilströmungsweg auf, von denen der erste Teilströmungsweg auf einem höheren Niveau liegt als der zweite Teilströmungsweg. Der erste Teilströmungsweg weist einen dem ersten Ventil zugeordneten Wegbereich und der zweite Teilströmungsweg einen der Zündkerze oder dem Dieselinjektor zugeordneten Wegabschnitt auf.
  • Ein Kühlmittelmantel für einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf ist beispielsweise aus der DE 102 51 360 B4 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, bekannt. In dieser deutschen Patentschrift ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine beschrieben. Der Zylinderkopf weist eine Kühlmittelströmung auf, die von einem Kühlmitteleintritt auf einer Auslassseite zu einem Kühlmittelaustritt auf einer Einlassseite strömt. Weiter weist der Zylinderkopf einen Kühlmittelraum auf, der von Außenwänden, einem Zylinderkopfboden und einem Wasserraumdach begrenzt wird und eine Rippe, die an dem Wasserraumdach hängend, im Wesentlichen quer zur Kühlmittelströmung, als Strömungsleitelement hineinragt. Weiter sind mindestens ein Einlass- und zwei Auslassventile mit Gaswechselkanälen in jeweils einem Zylinderabschnitt angeordnet. Ferner ist ein Kühlmitteleintritt von unten in einen Kühlmittelverteilerkanal vorgesehen. Ausgehend von diesem Kühlmittelverteilerkanal ist jeweils ein seitlicher Kühlmittelkanal zwischen dem Gaswechselkanal eines Auslassventils und einer Schraubenpfeiffe einer Zylinderkopfschraube hindurchgeführt und ein mittlerer Kühlmittelkanal ist zwischen den zwei Gaswechselkanälen der Auslassventile hindurchgeführt. Der in dem deutschen Patent beschriebene flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf ist dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Kühlmittelkanal die Kühlmittelströmung auf die Rippe im Wasserraumdach leitet, die am Wasserraumdach mit einer Zündkerzenpfeiffe verbunden ist und in einem Bereich eines Auftreffpunktes der Kühlmittelströmung aus dem mittleren Kühlmittelkanal eine strömungsleitende Krümmung aufweist.
  • Ein derartiger, bekannter Kühlmittelmantel kühlt den Zylinderkopf nicht optimal, insbesondere im Bereich des größten Wärmeeintrags zwischen den Gaswechselauslassventilen und der Zündvorrichtung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel aufzuzeigen, der o. g. Nachteil nicht aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die Gestaltung des Kühlmittelmantels ist derart, dass die Kühlmittelströmung von der Auslassseite vom Kurbelgehäuse, zylinderzentral kommend in den Zylinderkopf (optional auch seitlich neben den Gaswechselauslasskanälen) und dort nahe dem Brennraumdach zwischen den Gaswechselauslassventilen und um die Zündvorrichtung und die Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Einlassseite hin erfolgt. Insbesondere umhüllt der Kühlmittelmantel den Gewindebereich der Zündvorrichtung weitgehend.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweiter und ein dritter Teilkühlmittelmantel vorgesehen sind, die sich beidseitig benachbart zu dem ersten Teilkühlmittelmantel, vom Kurbelgehäuse kommend um den Gaswechselauslasskanal außen herum erstrecken und in Richtung Gaswechseleinlassseite in den ersten Teilkühlmittelmantel übergehen und sich weiter unmittelbar, ohne einen Sammelkanal in das Kurbelgehäuse erstrecken.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 verbessert nochmals die gesamte Kühlung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes, da die Wärmeabfuhr aus den Heißbereichen homogenisiert wird.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, bei der auch ein Abgaskrümmer in vorteilhafter Weise temperierbar ist, der entweder als separates Bauteil an den Zylinderkopf montierbar oder einstückig mit dem Zylinderkopf ist.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantel für einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf.
    Fig. 2
    zeigt eine Unteransicht des Kühlmittelmantels für einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf.
  • Im Folgenden gelten in beiden Figuren für gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern.
  • Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Kühlmittelmantel 1 für einen nicht näher dargestellten flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse. Der Kühlmittelmantel 1 entspricht einem Sandkern, der zum Gießen eines entsprechenden flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes verwendet wird. Der Blick auf den Kühlmittelmantel 1 erfolgt aus Richtung des Kurbelgehäuses schräg auf eine Unterseite des Zylinderkopfes (im verbauten Zustand die dem Kurbelgehäuse zugewandte Seite). Der Zylinderkopf weist eine Gaswechseleinlassseite (ES) mit zwei Gaswechseleinlassventilen 2 und eine Gaswechselauslassseite (AS) mit zwei Gaswechselauslassventilen 3 auf. Da Bauelemente wie die Gaswechselventile 2, 3 oder weitere Kanäle nicht explizit dargestellt sind, sind stellvertretend die Orte beziffert, an denen sich üblicherweise diese Bauelemente befinden. Auslassseitig weist der Zylinderkopf weiter einen Gaswechselauslasskanal 9 auf. Zwischen den Gaswechselventilen 2, 3 ist einlassseitig ein Brennstoffeinspritzventil 4 und auslassseitig eine Zündvorrichtung 5 vorgesehen. Weiter ist in Fig. 1 ein Kühlmittelmantel 1 für nur einen einzigen Zylinder der Brennkraftmaschine dargestellt, wobei der Kühlmittelmantel 1 für beliebige Zylinderzahlen erweiterbar ist.
  • Der Kühlmittelmantel 1 besteht im Wesentlichen aus einem ersten, weitgehend mittig zwischen den Gaswechselauslassventilen 3 angeordneten Teilkühlmittelmantel 6, einem zweiten Teilkühlmittelmantel 7 und einem dritten Teilkühlmittelmantel 8 beidseitig benachbart angeordnet zu dem ersten Teilkühlmittelmantel 6. Jeder dieser Teilkühlmittelmäntel 6, 7, 8 weist vom Kurbelgehäuse kommend auslassseitig eine eigene Einströmstelle auf. Die Einströmung eines Kühlmittels ist symbolisch mit drei Pfeilen dargestellt. Die wesentlichen Strömungsrichtungen des Kühlmittels im Zylinderkopf sind ebenfalls durch Pfeile symbolisch dargestellt. Dabei erstreckt sich der Kühlmittelmantel 1 als ein erster Teilkühlmittelmantel 6 auslassseitig, vom Kurbelgehäuse kommend zwischen den Gaswechselauslassventilen 3 und anschließend radial außen um die Zündvorrichtung 5 und das Brennstoffeinspritzventil 4 und weiter in Richtung Gaswechseleinlassseite (ES) und weiter zurück in das Kurbelgehäuse. Ein Überströmen zurück in das Kurbelgehäuse an zwei Ausströmstellen ist wiederum durch zwei Pfeile symbolisch dargestellt.
  • Weiter erstrecken sich der zweite und der dritte Teilkühlmittelmantel 7, 8 beidseitig benachbart zu dem ersten Teilkühlmittelkanal 6, vom Kurbelgehäuse kommend weitgehend um den Gaswechselauslasskanal 9 herum und weiter in Richtung Gaswechseleinlassseite (ES) und erstrecken sich dann in den ersten Teilkühlmittelkanal 6. Weiter erstrecken sich der zweite und der dritte Teilkühlmittelmantel 7, 8 ausgehend von dem Gaswechselauslasskanal 9 beidseitig der Gaswechselventile 2, 3 in Richtung der Gaswechseleinlassseite (ES) und an den zwei Ausströmstellen wieder zurück in das Kurbelgehäuse.
  • In einer weiteren nicht dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist für den Zylinderkopf auf der Gaswechselauslassseite (AS) ein Abgaskrümmer vorgesehen, wobei sich der zweite und der dritte Teilkühlmittelkanal 7, 8 zumindest abschnittsweise in den Abgaskrümmer erstrecken. Bei dieser Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise eine Temperierung des Abgaskrümmers möglich. Der Abgaskrümmer kann hierbei ein separates Bauteil oder einstückig mit dem Zylinderkopf ausgebildet sein.
  • Fig. 2 zeigt eine Unteransicht auf den Kühlmittelmantel 1. Der Blick in Fig. 2 ist senkrecht auf eine Trennebene zwischen Zylinderkopf und Kurbelgehäuse gerichtet. Es gilt das gleiche wie zu Fig. 1 gesagte, wobei die Hauptströmrichtungen des Kühlmittels wiederum durch Pfeile dargestellt ist. Ein Einströmen des Kühlmittels in den Zylinderkopf ist an den Einströmstellen durch das Symbol O und ein Ausströmen des Kühlmittels aus dem Zylinderkopf ist an den Ausströmstellen durch das Symbol O dargestellt.
  • Die Gestaltung des Kühlmittelmantels 1 ist derart, dass die Kühlmittelströmung von der Gaswechselauslassseite (AS) vom Kurbelgehäuse, zylinderzentral kommend in den Zylinderkopf (optional auch seitlich neben den Gaswechselauslasskanälen) und dort nahe dem Brennraumdach zwischen den Gaswechselauslassventilen 3 und um die Zündvorrichtung 5 und die Brennstoffeinspritzventil 4 zur Gaswechseleinlassseite (ES) hin erfolgt. Insbesondere umhüllt der erste Teilkühlmittelmantel 6 den Gewindebereich der Zündvorrichtung 5 weitgehend.
  • Die optimale Kühlung des Zylinderkopfes ermöglicht hohe spezifische Leistungen und Drücke, auch bei hohen Kühlmitteltemperaturen und kostengünstiger, weniger temperaturfester Zylinderkopflegierung. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einem Verbrauchs- und Kostenvorteil.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1.
    Kühlmittelmantel
    2.
    Gaswechseleinlassventile
    3.
    Gaswechselauslassventile
    4.
    Brennstoffeinspritzventil
    5.
    Zündvorrichtung
    6.
    erster Teilkühlmittelmantel
    7.
    zweiter Teilkühlmittelmantel
    8.
    dritter Teilkühlmittelmantel
    9.
    Gaswechselauslasskanal
    AS
    Gaswechselauslassseite
    ES
    Gaswechseleinlassseite

Claims (3)

  1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, wobei der Zylinderkopf eine Gaswechseleinlassseite (ES) mit zwei Gaswechseleinlassventilen (2) und eine Gaswechselauslassseite (AS) mit zwei Gaswechselauslassventilen (3) aufweist, wobei der Zylinderkopf gaswechselauslassseitig (AS) einen Gaswechselauslasskanal (9) aufweist und wobei zwischen den Gaswechselventilen (2, 3) einlassseitig ein Brennstoffeinspritzventil (4) und auslassseitig eine Zündvorrichtung (5) vorgesehen ist, wobei sich der Kühlmittelmantel (1) als ein erster Teilkühlmittelmantel (6) auslassseitig, vom Kurbelgehäuse kommend zwischen den Gaswechselauslassventilen (3) und anschließend radial außen um die Zündvorrichtung (5) und das Brennstoffeinspritzventil (4) und weiter in Richtung Einlassseite (ES) erstreckt,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter und ein dritter Teilkühlmittelmantel (7, 8) vorgesehen sind, die sich beidseitig benachbart zu dem ersten Teilkühlmittelmantel (6), vom Kurbelgehäuse kommend um den Gaswechselauslasskanal (9) außen herum erstrecken und in Richtung Gaswechseleinlassseite (ES) in den ersten Teilkühlmittelmantel (6) übergehen und sich weiter unmittelbar, ohne einen Sammelkanal in das Kurbelgehäuse erstrecken.
  2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite und der dritte Teilkühlmittelmantel (7, 8) ausgehend von dem Gaswechselauslasskanal (9) beidseitig der Gaswechselventile (2, 3) in Richtung der Gaswechseleinlassseite (ES) und einlassseitig wieder in Richtung Kurbelgehäuse erstrecken.
  3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei für den Zylinderkopf auf der Gaswechselauslassseite ein Abgaskrümmer vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite und der dritte Teilkühlmittelmantel (7, 8) zumindest abschnittsweise in den Abgaskrümmer erstrecken.
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