DE10328682A1 - Zylinderkopf für eine mehrzylindrige, wassergekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einem Zylinderkopf (10) für eine mehrzylindrige, wassergekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, der an einer Längsseite einer Zylinderreihe zwei in Längsrichtung nebeneinander liegende Auslassventile und an der anderen Längsseite mindestens ein Einlassventil aufweist und dem von einem Zylindergehäuse Kühlwasser über einen Einströmkanal (16) zugeführt wird, wobei sich der Einströmkanal (16) im Wesentlichen symmetrisch zu einer zwischen den Auslassventilen verlaufenden Quermittelebene des Zylinderkopfs (10) erstreckt und einen in Längsrichtung der Zylinderreihe einen länglichen Querschnitt besitzt und das Kühlwasser von dem Einströmkanal (16) auf der Seite der Auslassventile quer durch den Zylinderkopf (10) zu einem Kühlwassersammelkanal (27) auf der Seite der Einlassventile strömt. Es wird vorgeschlagen, dass der Einströmkanal (16) von einem Bereich, der sich an eine Zylinderkopfdichtung anschließt und zu dieser senkrecht verläuft, über eine sanfte Biegung von etwa fünfundsechzig Grad einer Stegbohrung in einem Ventilsitzbereich (13) zwischen den Auslasskanälen (12) zuwendet und mindestens in der Biegung eine geringe radiale Höhe besitzt, wobei für seine Breite (19) in Längsrichtung der Zylinderreihe so bemessen und durch seitlich angeorndete, nach innen vorspringende Rippen (12) gestaltet ist, dass die Kühlwasserströmung einen Bereich des Ventilsitzbereichs (13), der mit einem symmetrisch zur Quermittelebene liegenden Bereich des benachbarten ...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine mehrzylindrige, wassergekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Aus der DE 199 43 003 C1 ist ein Zylinderkopf für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine bekannt, der zwei in Längsrichtung nebeneinander liegende Auslassventile und zwei Einlassventile aufweist. Das Kühlwasser wird dem Zylinderkopf auf der Seite der Auslassventile von einem ersten Längskanal des Zylindergehäuses über einen Einströmkanal zugeführt, der in Längsrichtung länglich ausgebildet ist. Das Kühlwasser strömt von der Auslassseite quer durch den Zylinderkopf in einen zweiten Längskanal des Zylindergehäuses auf der Einlassseite. Im Kühlkanal zwischen den beiden Längskanälen sind Steuervorkehrungen für die gezielte Kühlwasserströmung und Kühlung der Heißstelle an der Wand des Zylinderkopfs vorgesehen. Die Steuervorkehrungen bestehen einerseits aus einer Leitrippe, durch die die Kühlwasserströmung in Richtung auf ein Brennraumdach des Zylinderkopfs gelenkt wird, und zum anderen aus zwei mit Abstand zueinander angeordnete Sperrrippen, die symmetrisch beiderseits der Leitrippe verlaufen und den Durchfluss in Längsrichtung des Zylinderkopfs begrenzen, so dass die Kühlwasserströmung außen an den Auslasskanälen zu den Einlasskanälen vorbeigeführt wird.
• Aus der DE 198 02 060 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen, je Zylinder mehrventiligen Brennkraftmaschine bekannt. Im Zylinderkopf ist längsseitig eine Längskanal mit quer abgerichteten Leitrippen angeordnet. Diese leiten die Kühlflüssigkeitsströmung zwischen den in Längsrichtung nebeneinander angeordneten Gaswechselventilen in Richtung auf eine Zündkerzenpfeife, die vom Kühlmittel umströmt wird. Weitere Durchbrechungen des Längskanals zur Innenseite des Zylinderkopfs sorgen für eine weitere Querströmung durch den Zylinderkopf und eine Umströmung der Gaswechselkanäle.
• Aus der DE 199 34 667 A1 ist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem Zylinderkopf bekannt, der einen mit wenigstens einem Auslassventil versehenen Auslasskanal und einen mit wenigstens einem Einlassventil versehenen Einlasskanal aufweist. Der Auslasskanal wird zumindest abschnittsweise von einer ersten Kühlleitung umgeben, die über eine Durchtrittsöffnung mit einem Kühlmantel eines Zylindergehäuses in Verbindung steht. Der Kühlmittelstrom umströmt eine zentral angeordnete Zündkerzenpfeife und verteilt sich dabei auf eine zweite Kühlleitung, die die Zündkerze umgibt und eine dritte Kühlleitung, die den Einlaßkanal umgibt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Wärmeübergang vom Zylinderkopf auf das Kühlwasser im Bereich der Auslassventile, vorzugsweise ihrer Ventilsitze zu verbessern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
• Nach der Erfindung wendet sich ein Einströmkanal des Kühlwassers von einem Bereich, der sich an eine Zylinderkopfdichtung anschließt und zu dieser senkrecht verläuft über eine sanfte Biegung von etwa 65° einer Stegbohrung zu. Diese befindet sich in einem Steg in einem Ventilsitzbereich zwischen den Auslasskanälen. Mindestens in der Biegung besitzt der Einströmkanal eine geringe radiale Höhe, jedoch ist es zweckmäßig, dass die an die Biegung angrenzenden Teile des Einströmkanals ebenfalls flach ausgebildet sind, damit sich die Strömung nicht von den Wänden des Einströmkanals ablöst. Dieses Ziel wird ebenfalls durch den sanften Verlauf der Biegung unterstützt.
• Die Breite des Einströmkanals in Längsrichtung der Zylinderreihe ist so bemessen und durch seitlich angeordnete, nach innen vorspringende Rippen gestaltet, dass die Kühlwasserströmung einen Bereich des Ventilsitzbereichs der Auslasskanäle, der mit einem symmetrisch zur Quermittelebene liegenden Bereich des benachbarten Auslasskanals einen sich zur Stegbohrung hin verjüngenden Trichter bildet, frontal anströmt.
• Durch den so gestalteten Einströmkanal in Verbindung mit den seitlichen Rippen erreicht man, dass die Kühlwasserströmung in unmittelbarer Nähe zum Brennraumdach mit hoher Geschwindigkeit zwischen die Auslasskanäle strömt und somit für einen guten Wärmeübergang und für eine gute Kühlung dieser thermisch hochbelasteten Zonen sorgt. Gleichzeitig bewirkt die begrenzte Breite des Einströmkanals sowie die flankierenden, vorspringenden Rippen, dass sich vor der Stegbohrung ein ausreichender Staudruck aufbaut. Eine breitere Öffnung würde nicht mehr Massenstrom. des Kühlwassers liefern, sondern nur dem Druckverlust entgegenkommen, weil der Strömungsverlauf zur Stegbohrung empfindlich negativ durch den zu den Brennraumdachseiten hin abfließenden Massenstrom beeinflusst würde.
• Die zwei vorspringenden Rippen fokussieren die Strömung in Richtung auf die Stegbohrung so, dass zweckmäßigerweise ein Bereich von 90° des Ventilsitzbereichs vor der Stegbohrung vom Kühlwasser frontal angeströmt wird. Die Strömung des Kühlwassers löst sich von der vorspringenden Kühlrippe ab und erzeugt eine Rückströmung, die eine Zirkulation in dem Tot raum hinter der Rippe erzeugt. Diese bewirkt, dass sich die Strömung auf der Seite des Auslasskanals vermehrt an diesen anlegt. Dadurch wird in Nähe des Wandbereichs eine erhöhte Geschwindigkeit des Kühlwassers und damit ein verbesserte Wärmeübergang erreicht. Ferner wirkt die Maßnahme einer Ablösung der Kühlwasserströmung von der Wand der Gaswechselkanäle entgegen, so dass ein größerer Umfangsbereich der Gaswechselkanäle im Bereich der Ventilsitzringe intensiv gekühlt wird.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Dabei zeigen:
• 1 eine Ansicht eines Wassermantels eines Zylinderkopfs in Richtung von oben aus der Richtung der Auslassventile,
• 2 einen Wassermantel nach 1 mittig aufgeschnitten und
• 3 eine Kühlwasserströmung im Ventilsitzbereich der Auslassventile.
• Von einer Zylinderreihe einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Längsrichtung mit 11 bezeichnet ist, ist ein Zylinderkopf 10 dargestellt, und zwar der Wassermantel, soweit es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist.
• Der Zylinderkopf 10 besitzt zwei in Längsrichtung 11 nebeneinander liegende Auslasskanäle 12. Diese bilden zwischen sich in einem Ventilsitzbereich 13 einen Steg 14 und werden durch nicht dargestellte Auslassventile gesteuert, die im Zy linderkopf 10 geführt sind. An der zur Längsrichtung 11 gegenüber liegenden Seite befindet sich ein Bereich 18 der Einlasskanäle, die nicht näher dargestellt sind, da sich die vorliegende Erfindung nur auf die Kühlung der Bereiche um die Auslasskanäle 12 bezieht. Zwischen dem Bereich 18 der Einlasskanäle und den Auslasskanälen 12 befindet sich ein Zündkerzenbereich 17 für eine zentral angeordnete nicht dargestellte Zündkerze.
• Das Kühlwasser wird dem Zylinderkopf 10 von einem Zylindergehäuse über einen Einströmkanal 16 zugeführt, wobei der Einströmkanal 16 zwischen einem senkrecht zu einer Zylinderkopfdichtung verlaufenden Teil und einer Stegbohrung 15 im Steg 14 eine sanfte Biegung 20 aufweist, die sich über einen Winkelbereich von ca. 65° erstreckt (2). Die sanfte Biegung 20 in Verbindung mit einer geringen radialen Höhe des Einströmkanals 16 bewirkt, dass sich die Kühlwasserströmung nicht von der Wand des Zylinderkopfs 10 ablöst, die dem Brennraumdach 30 zugewandt ist, sondern sie mit hoher Geschwindigkeit überströmt. Der flache Einströmkanal 16 ermöglicht ferner eine optimale Anordnung von Sekundärluftbohrungen, die eventuell im Zylinderkopf vorzusehen sind.
• Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers wird zur Stegbohrung 15 hin beschleunigt, da sich der Strömungsquerschnitt durch die Anordnung der Auslassventile 12 in Form eines Trichters 22 verjüngt. Damit sich der Staudruck vor der Stegbohrung 15 nicht unkontrolliert verringert, in dem das Kühlwasser seitlich über das Brennraumdach in den oberen Bereich des Zylinderkopfs 10 abströmt, ist die Breite 19 des Einströmkanals 16 in Längsrichtung 11 der Zylinderreihe so bemessen, dass die Kühlwasserströmung in einem Bereich 23 des Ventilsitzbereichs 13 vor dem Steg 15 frontal angeströmt wird. Dies wird durch nach innen vorspringende Rippen 21 unterstützt, die den Kühlwasserstrom auf die Stegbohrung 15 fokussieren und somit den Staudruck vor der Stegbohrung 15 erhöhen. Ferner lenken sie den Kühlwasserstrom dicht an die äu ßeren Wände der Auslasskanäle 12 und erzeugen in einem Totraum 24 hinter der Rippe 21 eine Rückströmung 25, die den Kühlmittelstrom vermehrt an die Wände der Auslasskanäle 12 verdrängt und dadurch beschleunigt. Ferner wird erreicht, dass die Kühlwasserströmung möglichst lange an der Wand des Auslasskanals 12 anliegt und diesen intensiv kühlt. Der Vorgang wird durch eine Verengung 26 im Bereich hinter der Rückströmung 25 begünstigt (3).
• Durch die erfindungsgemäße Gestaltung werden insbesondere die einander zugewandten Bereiche der Auslasskanäle 12 durch eine beschleunigte Kühlwasserströmung und einen vergrößerten Umfangsbereich des Ventilsitzbereichs 13 verbessert, an dem die Kühlwasserströmung an den Wänden der Auslasskanäle 12 anliegt.
• Nach dem Umströmen der Auslasskanäle 12 gelangt das Kühlwasser über den Bereich 18 der Einlasskanäle und entsprechende Verbindungskanäle 28 zu einem Kühlwassersammelkanal an der Längsseite der Zylinderreihe. Zum besseren Verständnis der Darstellung nach 2 sind räumlichen Koordinaten 29 angedeutet.

Claims (2)

1. Zylinderkopf für eine mehrzylindrige, wassergekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine, der an einer Längsseite einer Zylinderreihe zwei in Längsrichtung nebeneinander liegende Auslassventile und an der anderen Längsseite mindestens ein Einlassventil aufweist und dem von einem Zylindergehäuse Kühlwasser über einen Einströmkanal zugeführt wird, wobei sich der Einströmkanal im wesentlichen symmetrisch zu einer zwischen den Auslassventilen verlaufenden Quermittelebene des Zylinderkopfs erstreckt und einen in Längsrichtung der Zylinderreihe einen länglichen Querschnitt besitzt und das Kühlwasser von dem Einströmkanal auf der Seite der Auslassventile quer durch den Zylinderkopf zu einem Kühlwassersammelkanal auf der Seite der Einlassventile strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmkanal (16) von einem Bereich, der sich an eine Zylinderkopfdichtung anschließt und zu dieser senkrecht verläuft, über eine sanfte Biegung (20) von etwa fünfundsechzig Grad einer Stegbohrung (15) in einem Ventilsitzbereich (13) zwischen den Auslasskanälen (12) zuwendet und mindestens in der Biegung eine geringe radiale Höhe besitzt, wobei für seine Breite (19) in Längsrichtung (11) der Zylinderreihe so bemessen und durch seitlich angeordnete, nach innen vorspringende Rippen (21) gestaltet ist, dass die Kühlwasserströmung einen Bereich (23) des Ventilsitzbereichs (13), der mit einem symmetrisch zur Quermittelebene liegenden Bereich (23) des benachbarten Auslasskanals (12) einen sich zur Stegbohrung (15) hin verjüngenden Trichter (22) bildet, frontal anströmt.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (23) sich über ca. neunzig Grad des Ventilsitzbereichs (13) erstreckt.