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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder aufweisenden
Kurbelgehäuse, das
von einem in Blockbauart ausgebildeten Gaswechselventile und Gaswechselkanäle aufweisenden
Zylinderkopf unter Einfügung
einer Zylinderkopfdichtung abgedeckt ist, wobei in den Zylindern
je ein über
ein Pleuel an einer in dem Kurbelgehäuse gelagerten Kurbelwelle
angelenkter Kolben bewegbar ist, wobei die Brennkraftmaschine ein
Kühlsystem
und ein Schmiersystem mit einer Ölpumpe
aufweist und das Kühlsystem
zumindest einen unteren, mit einem Kurbelgehäusekühlraum direkt zusammenwirkenden Zylinderkopfringkühlraum aufweist.
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Eine
derartige Brennkraftmaschine ist aus der
DE 203 16 124 U1 bekannt.
Diese Brennkraftmaschine weist einen Zylinderkopf auf, bei dem eine
effektive Kühlung
auch bei hoher Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine gewährleistet
ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass eine dritte Rückflussleitung
für das
Kühlmedium
angenähert
parallel zu einer ersten und zweiten Rückflussleitung entlang der
Zylinderkopfreihe angeordnet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf bereitzustellen,
der gegenüber
dem gattungsbildenden Zylinderkopf weitergebildet ist und mit dem
die Abgasemissionen weiter gesenkt werden können.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass der Zylinderkopf mit den Zylindern zusammenwirkende Ausnehmungen
aufweist, in die jeweils ein Kolben mit einem Stegbereich so weit
eintaucht, dass ein oberster Kolbenring in OT-Stellung unterhalb
der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist. Dieser Ausbildung liegt
zunächst
einmal die Erkenntnis zugrunde, dass eine Reduzierung der Abgasemissionen
durch motorische Maßnahmen
und/oder Nachbehandlungsmaßnahmen
erreicht werden kann. Nachbehandlungsmaßnahmen wie beispielsweise
eine gekühlte
und gesteuerte Abgasrückführung erfordern
elektronische Steuergeräte,
die bei einer ansonsten mechanisch gesteuerten Brennkraftmaschine
eine umfassende Änderung
darstellen würden.
Die motorischen Maßnahmen
beinhalten eine Hubraumvergrößerung bei
zumindest nahezu unveränderter
Leistungsabgabe und/oder eine intensivere Kühlung des Zylinderkopfs. Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Zylinderkopfs von einer weiterentwickelten Brennkraftmaschine
ermöglicht
bei einem zumindest weitgehend unveränderten Kurbelgehäuse einerseits
eine Hubraumvergrößerung durch
Einsatz einer entsprechend modifizierten Kurbelwelle mit einem entsprechend
vergrößerten Hub,
andererseits kann der Zylinderkopfkühlraum um das Maß der Höhe der Ausnehmung
gegenüber
dem vorherigen Zylinderkopf abgesenkt werden. Diese Absenkung ermöglicht eine
effektivere Kühlung
des Zylinderkopfbodenbereichs. Die Hubraumerhöhung und die effektivere Kühlung ermöglichen
bei einer weitgehend unveränderten
Leistung der Brennkraftmaschine eine Reduzierung der Abgasemission
in der Größenordnung, die
durch Nachbehandlungsmaßnahmen
und/oder Abgasrückführung erreicht
werden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber diesen Lösungen zur
Reduzierung der Abgasemissionen ist die Möglichkeit der preiswerteren
Serienherstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Hinzukommt,
dass die bestehende Transferlinie für die mechanische Bearbeitung des
Kurbelgehäuses
nicht geändert
werden muss. Die Erfindung ist grundsätzlich auf alle Größen und Bauarten
einer Brennkraftmaschine anwendbar, im ausgeführten Beispiel weist die Brennkraftmaschine als 4-Zylinder-Reihen-Brennkraftmaschine
einen Hubraum von bis 4 l bei einer Leistung von bis zu 75 kW auf.
Die Tiefe der Ausnehmung ist auf einen Wert von bis angenähert 10
mm festgelegt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Innenumfang der Ausnehmung ölkohleabschabend
ausgebildet. Diese ölkohleabschabende
Ausbildung wird dadurch erreicht, dass der Einpassdurchmesser der Ausnehmung
leicht in die eigentliche Kolbenlauffläche des Zylinderrohres hineinragt.
Dadurch ergibt sich eine Verringerung des Feuerstegspaltes bei gleichzeitiger
Erschwernis von Ölkohleablagerungen.
Ebenfalls wird eine Reduzierung des Totvolumens erreicht. Zusätzlich oder
anstelle der zuvor erläuterten
Verringerung des Einpassdurchmessers kann die Ausnehmung auch gerändelt ausgeführt sein.
Diese Ausbildung gewährleistet
ebenfalls eine wirkungsvolle Verhinderung von Ölkohleablagerungen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Zylinderkopfringkühlraum eine
Tiefe auf, die angenähert
der Tiefe der Ausnehmung entspricht. Dabei ist dieser Zylinderkopfringkühlraum durch Öffnungen
in der Zylinderkopfdichtung mit dem Kurbelgehäusekühlraum des als Open-Deck ausgeführten Kurbelgehäuses verbunden
und stellt somit die Fortführung
des Kurbelgehäusekühlraums
im Zylinderkopf bis in den Bereich der oberen Totpunktstellung des
Kolbens dar. Durch diese Anordnung des Zylinderkopfringkühlraums
ergibt sich oberhalb der Ausnehmungen Bauraum für einen sich über das
gesamte Zylinderkopfbodenniveau erstreckenden Zylinderkopfkühlraum,
der durch einen entsprechenden Gießkern bei der Herstellung des
Zylinderkopfs erstellt wird. Dieser Zylinderkopfkühlraum hat
mehrere Funktionen und erfindungsgemäße Vorteile.
- – Es wird
eine intensive Kühlung
der Gaswechselkanäle
und insbesondere der Gaswechselkanalhälse erreicht,
- – eine
thermische Entkopplung des Gaswechselauslasskanals von dem Gaswechseleinlasskanal wird
erzielt, wobei insbesondere die Gaswechseleinlasskanäle zusätzlich zumindest
weitgehend von dem Zylinderkopfboden getrennt sind,
- – es
ist eine intensive Kühlung
des Ventilstegbereichs bis an die Ventilsitzringe heran ermöglicht, so
dass mechanisch gebohrte Stegbohrungen entfallen können und
- – der
gesamte Zylinderkopfbodenbereich wird durch die Kastenbauweise des
Zylinderkopfkühlraums
versteift, wodurch weiterhin die Möglichkeit zu einem dünner ausgebildeten
Zylinderkopfboden geschaffen wird.
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In
weiterer Ausgestaltung weist der Zylinderkopfkühlraum auf zumindest einer
Längsseitenwand des
Zylinderkopfs mündende
Kernlochöffnungen
auf. Durch diese Kernlochöffnungen
wird der Zylinderkopfkühlraum
gießtechnisch
bezüglich
der Positionierung und späteren
Entfernung des Gießkerns
gut beherrscht. Dabei werden bei einem 4-Zylinder-Zylinderkopf bevorzugt auf
jeder Zylinderkopflängsseite vier
Kernlochöffnungen
und auf zumindest einer Zylinderkopfstirnseite eine Kernlochöffnung angeordnet.
Diese Kernlochöffnungen
werden mit entsprechenden Verschlussstopfen verschlossen bzw. es
ergibt sich die Möglichkeit,
Kühlflüssigkeitsteilmengen zur
Beschickung von Wärmetauschern
abzuzweigen bzw. Kühlmittelteilströme gezielt
zuzuführen.
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In
weiterer Ausgestaltung ist es möglich,
verschiedene Kühlkonzepte
für die
Brennkraftmaschine vorzusehen. Die Brennkraftmaschine kann luft-/ölgekühlt oder
nur ölgekühlt sein.
Diese Konzepte haben den Vorteil, dass nur ein Betriebsstoff, nämlich Öl, vorhanden
ist, der sowohl die Schmierung als auch die Kühlung übernimmt. Dabei wird das Öl in einem an
der Brennkraftmaschine montierten Wärmetau scher, der von einem
an der Brennkraftmaschine angebauten Kühlgebläse mit Kühlluft durchströmt wird, gekühlt, wobei
zusätzlich
der Zylinderkopf zumindest in Teilbereichen von der Kühlluft gekühlt werden kann.
Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch insbesondere
vorgesehen, den Zylinderkopfkühlraum
anstatt mit Öl
mit Luft zu durchströmen. In
diesem Falle kann die Kühlluft über die
zumindest teilweise unverschlossenen Kernlochöffnungen einer Zylinderkopflängsseite
in den Zylinderkopfkühlraum eintreten
und auf der gegenüberliegenden
Zylinderkopflängsseite
wieder austreten. Dadurch, dass die Kühlluft um bis zu 100° kühler als
das Öl
bei Betriebstemperatur ist, kann der Nachteil der schlechteren Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
der Kühlluft gegenüber einem
flüssigen
Kühlmittel
voll ausgeglichen werden. Zudem muss die Kühlluft, die Wärme abführt, nicht
in einem Wärmetauscher
zurückgekühlt werden,
sondern verlässt
die Brennkraftmaschine nach der Wärmeaufnahme in die Umgebung.
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Die
nachfolgende Zeichnungsbeschreibung beinhaltet weite vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung, in der in den Zeichnungen dargestellte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
beschrieben sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des Zylinderkopfs von der Gaswechselseite
bzw. der Kurbelgehäuseseite
her,
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2 einen
Schnitt durch den Zylinderkopf im Bereich eines Gaswechseleinlasskanals,
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3 einen
Schnitt durch den Zylinderkopf im Bereich einer Aufnahmebohrung
für ein
Einspritzventil,
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4 eine
erste perspektivische Ansicht des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine,
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5 eine
zweite perspektivische Ansicht des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine
und
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6 in
Einzeldarstellung den meanderförmig
ausgebildeten Zylinderkopfkühlraum.
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Der
Zylinderkopf 1 gemäß 1 ist
ein Blockzylinderkopf für
eine 4-zylindrige,
selbstzündende
Brennkraftmaschine. In die dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine
zugewandten Zylinderkopfbodenwand 2 sind vier Ausnehmungen 3 eingearbeitet,
in die die Kolben mit einem Stegbereich eintauchen. Die Ausnehmungen 3 sind
umgeben von Zylinderkopfringkühlräumen 4,
die alle miteinander verbunden sind. Dabei sind die Zylinderkopfringkühlräume 4 für die Zylinder 1 bis 3 identisch
ausgebildet und umfassen die Zylinder jeweils auf deren gesamtem
Umfang, während
der Zylinderkopfringkühlraum 4 für den vierten
Zylinder diesen nur zu etwa ¾ umfasst.
In jede der Ausnehmungen 3 münden zwei Gaswechselkanäle, wobei
die Mündungen
im montierten Zustand von Gaswechselventilen beherrscht werden.
Die Gaswechselkanäle
sind ein Gaswechseleinlasskanal 6 und ein Gaswechselauslasskanal 7, die
ebenfalls auf der Seitenwand des Zylinderkopfs ausmünden. Jedem
Zylinder sind zwei Öffnungen 8 zugeordnet,
die Stoßstangen
zur Betätigung
des Ventiltriebs aufnehmen. Durch Bohrungen 23 werden Zylinderkopfschrauben
zur Befestigung des Zylinderkopfs 1 auf dem Kurbelgehäuse durchgeführt. Jeweils
unterhalb des Gaswechseleinlasskanals 6 ist eine Kernlochöffnung 9 angeordnet,
durch die der Gießkern
für den
sich entlang des gesamten Zylinderkopfs 1 erstreckenden
meanderförmig
ausgebildeten Zylinderkopfkühlraum 10 (2 bis 6)
gehalten wird und durch die der Gießkern nach dem Gießvorgang
entfernt wird. Weiterhin sind in der Zylinderkopfbodenwand 2 mündende Ableitkanäle 24a, 24b und
eine Abführleitung 25 dargestellt,
die später zur 4 und 5 erläutert werden.
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Der
Schnitt gemäß 2 durch
den Zylinderkopf 1 im Bereich eines Gaswechseleinlasskanals 6 zeigt
auf der Zylinderkopfbodenwand 2 die Ausnehmung 3 mit
dem umgebenden Zylinderkopfringkühlraum 4.
Von der Ausnehmung 3 geht der Einlasskanal 6 ab,
wobei an die Ausnehmung 3 sich eine bearbeitete zylinderförmige Ringausnehmung 11 zur
Aufnahme eines Ventilsitzringes anschließt. Der Zylinderkopfkühlraum 10 erstreckt
sich kurbelgehäuseseitig
bis etwa in die Höhe
der Ringausnehmung 11. Beidseits der Gaswechselventilachse 12 sind
ein erster Ölkanal 13a und
ein zweiter Ölkanal 13b angeordnet,
die sich ebenfalls entlang des gesamten Zylinderkopfs 1 erstrecken.
Durch die Ölkanäle 13a, 13b wird Öl zur Kühlung der
Ventilschäfte
und von dem Ölkanal 13a über Stichkanäle 22 zur
Schmierölverteilung
an die einzelnen bewegten Teile des Ventiltriebs geleitet. Abgeleitet
wird das Öl über den
Kipphebelraum 14 und die Öffnungen 8, durch
die die Stoßstangen
geführt
sind. Ein schräg
oberhalb des Ölkanals 13b angeordneter
Kanal 15 führt
die weitgehend ölbereinigten
Kurbelgehäusegase über Abzweigkanäle 16 in
die Einlasskanäle 6 zurück. Der
Kanal 15 kann auch zur Verteilung von zurückgeführtem Abgas
bei einer Abgasrückführungsvorrichtung
genutzt werden.
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Der
Schnitt gemäß 3 durch
den Zylinderkopf 1 im Bereich einer Aufnahmebohrung 17 für ein Einspritzventil
zeigt zusätzlich
bzw. im Unterschied zu 2 neben der Aufnahmebohrung 17 eine
Glühkerzenbohrung 18.
Die Glühkerzenbohrung 18 ist
optional an allen Zylindern vorgesehen. Zwischen dem Zylinderkopfkühlraum 10 und
den Ölkanälen 13a, 13b ist
ein Raum 19 angeordnet, der sich quer durch den Zylinderkopf 1 erstreckt
und durch den Kühlluft
geleitet wird.
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In
den 4 und 5 ist der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine
zumindest mit den wesentlichen Teilen wiedergegeben, wobei zur besseren Übersichtlichkeit
der Kühlkreislauf
beziehungsweise dessen Komponenten im Bereich der Trennebene Kurbelgehäuse – Zylinder kopf
beabstandet voneinander dargestellt sind. Über einen Zugang 20 gelangt das
Kühlmittel
in einen ersten Kurbelgehäusekühlraum 5 und
wird von diesem in die übrigen
Zylinderkurbelgehäusekühlräume 5 weitergeleitet.
Von den Zylinderkurbelgehäusekühlräumen 5 gelangt
das Öl über Übergänge 28 in
der Zylinderkopfdichtung in die Zylinderkopfringkühlräume 4,
wobei das Öl
zur intensiven Kühlung
der thermisch hoch belasteten Bereiche durch entsprechende Ausgestaltung
der Kurbelgehäusekühlräume 5 und
die Anordnung und Ausbildung der Übergänge 28 und der nachfolgend
erläuterten
Verbindungskanäle 21a, 21b in
der Zylinderkopfdichtung bezüglich
der Fließrichtung
und Fließmenge
beeinflusst wird. Von dem vorderen endseitigen Zylinderkopfringkühlraum 4 wird
das Öl über die V-förmig angeordneten
Verbindungskanäle 21a, 21b in
den Zylinderkopfkühlraum 4 und
in die Ölkanäle 13a, 13b geleitet,
wobei von dem Ölkanal 13a Stichkanäle 22 zur
Schmierung der bewegten Teile des Ventiltriebs abzweigen. Abgeleitet
wird das Öl
aus den Ölkanälen 13a, 13b über die
Ableitkanäle 24a, 24b, 24c, 24d auf
der gegenüberliegenden
Zylinderkopfseite. Das Kühlmittel
wird aus dem Zylinderkopfkühlraum 10 auf
der zu den Verbindungskanälen
gegenüberliegenden
Zylinderkopfseite über
eine Abführleitung 25 abgeleitet.
Die Abführleitung 25 ist über eine
Querleitung 26 mit den Ableitkanälen 24a, 24b, 24c, 24d verbunden
und das abgeleitete Kühlmittel
wird über
eine Thermostateinrichtung 27 entweder in einen Wärmetauscher
oder wieder direkt in den Kühlkreislauf
beziehungsweise Ölkreislauf
geleitet. Für
den Fall, dass durch den Zylinderkopfkühlraum 10 Luft zur
Kühlung
geleitet wird, ist dieser von dem Übergängen 28, den Verbindungskanälen 21a, 21b und
der Abführleitung 25 abgetrennt.
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6 zeigt
die meanderförmige
Ausbildung des Zylinderkopfkühlraums 10,
wobei die Pfeile bei einer Durchströmung mit Luft den Strömungseintritt und
Strömungsaustritt
durch die Kernlochöffnungen 9 kennzeichnen.
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Zylinderkopfbodenwand
- 3
- Ausnehmung
- 4
- Zylinderkopfringkühlraum
- 5
- Kurbelgehäusekühlraum
- 6
- Gaswechseleinlasskanal
- 7
- Gaswechselauslasskanal
- 8
- Öffnung
- 9
- Kernlochöffnung
- 10
- Zylinderkopfkühlraum
- 11
- Ringausnehmung
- 12
- Gaswechselventilachse
- 13a,
13b
- Ölkanal
- 14
- Kipphebelraum
- 15
- Kanal
- 16
- Abzweigkanal
- 17
- Aufnahmebohrung
- 18
- Glühkerzenbohrung
- 19
- Raum
- 20
- Zugang
- 21a,
21b
- Verbindungskanal
- 22
- Stichkanal
- 23
- Bohrung
- 24a,
24b, 24c, 24d
- Ableitkanäle
- 25
- Abführleitung
- 26
- Querleitung
- 27
- Thermostateinrichtung
- 28
- Übergänge