DE112010002530B4

DE112010002530B4 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit radialen Kühlkanälen

Info

Publication number: DE112010002530B4
Application number: DE112010002530.4T
Authority: DE
Inventors: Thomas Brandl
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: AT506474B1; DE112010002530A5; AT506474A3; AT506474A2; WO2010145940A1

Abstract

Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlsystem (38) mit zumindest einem radialen Kühlkanal (19, 20, 21, 22) im Bereich zumindest eines Steges (9, 10, 11, 12) zwischen zwei benachbarten Mündungen (13, 14, 15, 16) von Gaswechselkanälen, wobei der radiale Kühlkanal (19, 20, 21, 22) einen umlaufenden äußeren Kühlraum (18) und einen zentralen inneren Kühlraum (17) strömungsverbindet, wobei der umlaufende äußere Kühlraum (18) die Form eines Kreisringes aufweist, wobei der gegossene radiale Kühlkanal (19, 20, 21, 22) zumindest eine düsenartige Engstelle (23, 24, 25, 26) im Bereich des Steges (9, 10, 11, 12) zwischen jeweils zwei benachbarten Mündungen (13, 14, 15, 16) von Gaswechselkanälen aufweist, wobei der radiale Kühlkanal (19, 20, 21, 22) zwischen dem inneren Kühlraum (17) und dem äußeren Kühlraum (18) unterschiedliche Querschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kühlraum (18) radial nach außen offen ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlsystem mit zumindest einem radialen Kühlkanal im Bereich zumindest eines Steges zwischen zwei benachbarten Mündungen von Gaswechselkanälen, wobei der radiale Kühlkanal einen umlaufenden äußeren Kühlraum und einen zentralen inneren Kühlraum strömungsverbindet, wobei der umlaufende äußere Kühlraum die Form eines Kreisringes aufweist, wobei der gegossene radiale Kühlkanal zumindest eine düsenartige Engstelle im Bereich des Steges zwischen jeweils zwei benachbarten Mündungen von Gaswechselkanälen aufweist, wobei der radiale Kühlkanal zwischen dem inneren Kühlraum und dem äußeren Kühlraum unterschiedliche Querschnitte aufweist.
Die US 4 889 080 A offenbart einen Zylinderkopf mit gegossenen radialen Kühlkanälen, welche Kühlkanäle jeweils zwischen den benachbarten Mündungen von Gaswechselkanälen angeordnet sind. Die Kühlkanäle verbinden einen den Mündungen umgebenden äußeren Kühlraum mit einem zentralen inneren Kühlraum.
Weiters ist aus der WO 96/09467 A1 ein Zylinderkopf mit vier Gaswechselventilen pro Zylinder bekannt, wobei im Stegbereich zwischen den Mündungen von benachbarten Gaswechselventilen gebohrte radiale Kühlkanäle angeordnet sind, welchen einen äußeren umlaufenden Kühlraum mit einem zentralen inneren Kühlraum strömungsverbinden. Das Bohren von radialen Kühlkanälen ist relativ aufwendig, da zusätzliche Fertigungsschritte erforderlich sind.
In den Druckschriften US 3 769 948 A , DE 11 2006 000 100 T5 , AT 003 139 U1 , US 4 889 080 A , WO 96/ 09 467 A1 und DE 103 31 918 A1 werden jeweils Zylinderköpfe mit unterschiedlich ausgestalteten Kühlraumanordnungen beschrieben.
Aus der DE 78 36 662 U1 ist ein Zylinderkopf mit einem äußeren ringförmigen und einem inneren ringförmigen Kühlraum bekannt, die über radial zwischen Mündungen von Gaswechselkanälen verlaufenden Kühlkanälen miteinander strömungsverbunden sind. Die radialen Kühlkanäle weisen zwischen dem äußeren Kühlraum und dem inneren Kühlraum jeweils unterschiedliche Querschnitte auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf zu schaffen, bei dem thermisch kritische Bereiche optimal gekühlt werden und dessen Kühlsystem mit möglichst geringem Aufwand herzustellen ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der äußere Kühlraum radial nach außen offen ausgeführt ist.
Vorzugsweise ist im Bereich jedes Steges zwischen jeweils zwei Gaswechselkanälen ein radialer Kühlkanal angeordnet.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die radialen Kühlkanäle, der innere Kühlraum und der äußere Kühlraum in einer Draufsicht betrachtet die Form eines Speichenrades aufweisen, wobei die radialen Kühlkanäle die Speichen des Rades ausbilden.
Um in thermisch hochbeanspruchten Bereichen eine optimale Kühlung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der radiale Kühlkanal zwischen dem inneren Kühlraum und dem äußeren Kühlraum unterschiedliche Querschnitte weist, wobei die Änderung der Querschnitte vorzugsweise stetig verlaufend ausgebildet ist. Der Querschnittsverlauf der radialen Kühlkanäle kann somit optimal an die thermischen Anforderungen angepasst werden.
Weiters kann zur Kühlung von thermisch hochbelasteten Bereichen vorgesehen sein, der Querschnittsverlauf zumindest eines radialen Kühlkanals drallerzeugend ausgebildet ist.
Eine Feinabstimmung der Wärmeabfuhr kann dadurch erfolgen, dass der äußere Ringraum zumindest eine Querschnittsverengung aufweist.
Höhere thermische Belastungen lassen sich erzielen, wenn möglichst scharfkantige Querschnittsübergänge vermieden werden.
Der innere Kühlraum, der äußere Kühlraum und die radialen Kühlkanäle bilden eine erste Kühlebene zur Kühlung des Feuerdecks. Im Rahmen der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass das Kühlsystem für die Kühlung der Gaswechselkanäle über der ersten Kühlebene eine zweite Kühlebene aufweist, welche mit der ersten Kühlebene strömungsverbunden ist, wobei vorzugsweise das Kühlsystem über der zweiten Kühlebene eine dritte Kühlebene aufweist, welche mit der zweiten Kühlebene strömungsverbunden ist. Die Kühlräume werden dabei nacheinander durchströmt, wobei die Durchströmung sowohl vom ersten zum dritten Kühldeck, als auch umgekehrt vom dritten zum ersten Kühlraum möglich ist.
In weitere Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Mündung eines Gaswechselkanals, vorzugsweise die Mündung eines Auslasskanals, von einem vorzugsweise gegossen ausgeführten Ringkühlraum umgeben ist, welcher Ringkühlraum mit dem inneren Kühlraum und/oder dem äußeren Kühlraum strömungsverbunden ist. Die Ringkühlräume um die Mündungen der Auslasskanäle gewährleisten eine besonders gute Wärmeabfuhr aus den thermisch hochbelasteten Bereichen.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 ein Kernpaket eines Wassermantels eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einer Schrägansicht,
2 ein Kernpaket der ersten Kühlebene in einer Schrägansicht von unten,
3 ein Kernpaket der ersten und der zweiten Kühlebene in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in 1,
4 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 5, Draufsicht auf die erste Kühlebene,
5 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in 4 und
6 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in 4,
7 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie YII-YII in 4,
8 ein Kernpaket für den Zylinder in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in 2 und
9 das Kernpaket für den Zylinder in einem Schnitt gemäß der Linie IX-IX in 2.
Im Zylinderkopf 1 sind Ein- und Auslasskanäle 2, sowie ein Schacht 3 für einen in den Brennraum mündenden zentrale Bauteil 4, wie eine Zündkerze, eine Vorkammer, eine Einspritzeinrichtung oder dergleichen, angeordnet. Zur Kühlung von thermisch belasteten Bereichen ist ein Kühlsystem 38 mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Kühlebene 5, 6 und 7 vorgesehen, wobei die übereinander angeordneten Kühlebene 5, 6, 7 miteinander strömungsverbunden sind. Die entsprechenden Kernpakete sind in den 1 bis 3 mit 5a, 6a und 7a bezeichnet. Die erste Kühlebene 5 dient zur Kühlung des Feuerdecks 8, insbesondere zur Kühlung von thermisch hochbelasteten Bereichen 9, 10, 11, 12 zwischen den Mündungen 13, 14, 15 und 16 von Ein- und Auslasskanälen 2.
Die erste Kühlebene 5 weist dabei einen inneren zentralen Kühlraum 17 für die Einspritzeinrichtung 14 und einen als Ringkanal ausgebildeten umlaufenden äußeren Kühlkanal 18, sowie radiale Kühlkanäle 19, 20, 21 und 22 auf, welche den inneren und den äußeren Kühlraum 17, 18 miteinander strömungsverbinden. Die radialen Kühlkanäle 19, 20, 21 und 22 weisen dabei abhängig vom Radius unterschiedliche Querschnitte auf, wobei der stetige Querschnittsverlauf an die thermischen Erfordernisse angepasst ist.
Insbesondere ist im Bereich der Stege 9, 10, 11, 12 jeweils eine düsenartige Engstelle 23, 24, 25 und 26 vorgesehen um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen.
Weiters sind um die Mündungen 15, 16 der Auslasskanäle 2 Ringkühlräume 27, 28 vorgesehen, welche über Verbindungskanäle 29, 30 mit dem inneren Kühlraum 17 und dem äußeren Kühlraum 18 strömungsverbunden sind. Dadurch wird eine optimale Kühlung der thermisch kritischen Bereiche um die Mündungen 15, 16 der Auslasskanäle 2 ermöglicht.
Wie in den 4 bis 6 durch Pfeile S angedeutet ist, strömt das Kühlmittel von einer nicht weiter dargestellten Verteilerleiste kommend in den äußeren Kühlraum 18 und gelangt von dort durch die radialen Kühlkanäle 19, 20, 21, 22 in den inneren Kühlraum 17. Weiters fließt das Kühlmittel aus dem äußeren Kühlraum 18 über die Verbindungskanäle 29, 30 in die Mündungen 15, 16 umgebende Ringkühlräume 27 und 28, und gelangt von hier in den zentralen inneren Kühlerraum 17 um die Einspritzeinrichtung 4. Vom inneren Kühlraum 17 strömt das Kühlmittel weiter durch einen Ringspalt 32 in einem Zwischendeck 33 um die Einspritzeinrichtung 4 in die zweite Kühlebene 6 und fließt durch Überstromöffnungen 34 in die dritte Kühlebene 7, wie in den 5 und 6 angedeutet ist. Von der dritten Kühlebene 7 gelangt das Kühlmittel in eine nicht weiter dargestellte Sammelleiste. Der äußere Kühlraum 18 im Zylinderkopf 1 ist radial nach außen offen ausgeführt, wobei dies in der Darstellung nicht erkennbar ist. Im zusammengebauten Zustand wird dann der äußere Kühlraum 18 bis über die Zylinderkopfebene 36 hochgezogenen Wände des Zylinderblockes begrenzt.
Dadurch, dass sämtliche Kühlräume und Kühlkanäle mit dem Zylinderkopf 1 mitgegossen sind, kann der Aufwand zur Herstellung des Kühlsystems 38 auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Die 8 und 9 zeigen Kernpakete des Zylinderkopfes, wobei die Kerne 2a der Gaswechselkanäle 2 im Kern 5a der ersten Kühlebene 5 gelagert sind.

Claims

Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlsystem (38) mit zumindest einem radialen Kühlkanal (19, 20, 21, 22) im Bereich zumindest eines Steges (9, 10, 11, 12) zwischen zwei benachbarten Mündungen (13, 14, 15, 16) von Gaswechselkanälen, wobei der radiale Kühlkanal (19, 20, 21, 22) einen umlaufenden äußeren Kühlraum (18) und einen zentralen inneren Kühlraum (17) strömungsverbindet, wobei der umlaufende äußere Kühlraum (18) die Form eines Kreisringes aufweist, wobei der gegossene radiale Kühlkanal (19, 20, 21, 22) zumindest eine düsenartige Engstelle (23, 24, 25, 26) im Bereich des Steges (9, 10, 11, 12) zwischen jeweils zwei benachbarten Mündungen (13, 14, 15, 16) von Gaswechselkanälen aufweist, wobei der radiale Kühlkanal (19, 20, 21, 22) zwischen dem inneren Kühlraum (17) und dem äußeren Kühlraum (18) unterschiedliche Querschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kühlraum (18) radial nach außen offen ausgeführt ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jedes Steges (9, 10, 11, 12) zwischen jeweils zwei Gaswechselkanälen ein radialer Kühlkanal angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Kühlkanäle (19, 20, 21, 22), der innere Kühlraum (17) und der äußere Kühlraum (18) in einer Draufsicht betrachtet die Form eines Speichenrades aufweisen.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Querschnitte stetig verlaufend ausgebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsverlauf zumindest eines radialen Kühlkanals (19, 20, 21, 22) drallerzeugend ausgebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kühlraum (18) zumindest eine Querschnittsverengung aufweist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kühlraum (17), der äußere Kühlraum (18) und die radialen Kühlkanäle (19, 20, 21, 22) eine erste Kühlebene (5) für die Kühlung eines Feuerdecks (8) bilden.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (38) für die Kühlung der Gaswechselkanäle über der ersten Kühlebene (5) eine zweite Kühlebene (6) aufweist, welche mit der ersten Kühlebene (5) strömungsverbunden ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (38) über der zweiten Kühlebene (6) eine dritte Kühlebene (7) aufweist, welche mit der zweiten Kühlebene (6) strömungsverbunden ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass erste, zweite und dritte Kühlebenen (5, 6, 7) oder dritte, zweite und erste Kühlebenen (7, 6, 5) hintereinander vom Kühlmittel durchströmbar sind.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Mündung (15, 16) eines Gaswechselkanals, von einem Ringkühlraum (27, 28) umgeben ist, welcher Ringkühlraum (27, 28) mit dem inneren Kühlraum (17) und/oder dem äußeren Kühlraum (18) strömungsverbunden ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Mündung (15, 16) eines Gaswechselkanals die Mündung eines Auslasskanals (2) ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkühlraum (27, 28) gegossen ausgeführt ist.