DE19654451C1

DE19654451C1 - Flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19654451C1
Application number: DE19654451A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl Ing Betsch; Georg Dipl Ing Stumpp
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: US5868107A; GB2320740B; IT1297780B1; FR2757898A1; FR2757898B1; GB9726470D0; GB2320740A; ITRM970801A1

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Brennkraftmaschinen der gattungsgemäßen Art (siehe z. B. DE-AS 1 526 328) erstrecken sich die Zylinderkopfschrauben durch Schraubenpfeifen, die zwischen der Zylinderkopfdecke und dem Zylinderkopfboden angeordnet sind und neben der Führung der Schrauben die Aufgabe haben, den Zylinderkopfboden an der Zylinderkopfdecke abzustützen und damit die Steifigkeit des Zylinderkopfes zu erhöhen. Nach dem Starten der Brennkraftmaschine erwärmen sich der Zylinderkopf und das Zylinderkurbelgehäuse schneller als die Zylinderkopf schrauben, da erstere durch das Kühlwasser sehr schnell aufgeheizt werden, während die meist sehr langen Zylinderkopfschrauben nur durch Wärmeleitung von der Kontaktfläche am Zylinderkopf und über das Gewinde erwärmt werden. Dies führt zu einer Zeithysterese im Temperaturverlauf zwischen den Schrauben und den umgebenden Bauteilen, die bei bereits plastisch angezogenen Zylinder kopfschrauben einen Abfall der Schraubenkraft bei wiederholtem Starten der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Außerdem behindern die Schraubenpfeifen die Strömung durch den Zylinderkopf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnellere Erwärmung für die der Befestigung von Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse dienenden Zylinder kopfschrauben zu erreichen, so daß im wesentlichen reversible Schraubenkraft änderungen erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag werden die Zylinderkopfschrauben praktisch über ihre gesamte Länge von dem Kühlwasser umströmt und damit sehr schnell auf die Temperatur der umgebenden Bauteile gebracht, so daß die erwähnte Zeithysterese auf ein Minimum reduziert wird. Durch entsprechende Wahl der Strömungsquerschnitte rund um die Zylinderkopfschrauben z. B. durch entsprechende Bemessung der Durchmesser der Löcher in der Zylinderkopf dichtung, durch die sich die Zylinderkopfschrauben erstrecken, kann sowohl in Längsrichtung des Zylinderkopfes als auch in Querrichtung, also zwischen Einlaß- und Auslaßseite, eine optimale Kühlung aller Bereiche des Zylinderkopfes mit minimaler Wasserpumpenleistung erreicht werden. Die sonst durch die Schraubenpfeifen bewirkte Steifigkeit des Zylinderkopfes wird durch die Längsrippen erreicht, die dadurch, daß sie in Längsrichtung verlaufen, die Längsströmung nicht behindern.

Vorzugsweise sind auf der Auslaßseite die Längsrippen als Doppelrippen ausgebildet, die einen Längskühlungskanal begrenzen, durch den sich die Zylinderkopfschrauben erstrecken. Dieser wird über die von den Zylinderkopf schrauben durchsetzten Öffnungen in der Zylinderkopfdichtung mit Kühlwasser vom Zylinderkurbelgehäuse versorgt. Dabei wird der große Druckgradient zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf nun über die Wasserraumbereiche, in denen die Zylinderkopfschrauben verlaufen, gezielt auch im oberen Teil des Zylinderkopfes für eine optimale Kühlung der thermisch hochbelasteten Auslaßseite des Zylinderkopfes genutzt.

Eine intensive Kühlung des eine Zündkerze oder eine Ein spritzdüse aufnehmenden Domes und der diesen umgebenden Brennraumbodenplatte kann dadurch erreicht werden, daß sich die Doppelrippen jeweils zwischen den durch benachbarte Dome gelegten Querebenen erstrecken, wobei zwischen benachbarten Doppelrippen ein Austrittsspalt für das Kühlwasser belassen wird, durch den der Längskanal mit dem den betreffenden Dom umgebenden Bereich des Kühlwasserraumes also direkt verbunden ist. Aufgrund der geometrischen Konfiguration wird so eine gezielte Anströmung von oben erreicht.

Um eine intensive Anströmung des Domes und gleichzeitig eine weitere Versteifung des Zylinderkopfes zu erreichen, können auch zwischen benachbarten Domen Längsrippen vorgesehen werden, die sich vom Zylinderkopfboden zur Zylinderkopfdecke erstrecken. Eine optimale Anströmung des Domes kann dadurch bewirkt werden, daß die Längsrippen in einem Abstand von den benachbarten Domen enden.

Bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Auslaßkanälen pro Zylinder kann zur intensiven Kühlung des Steges zwischen den beiden Auslaßkanälen insbesondere nahe der Auslaßventilsitze eine Stegkühlungsbohrung vorgesehen werden, die einerseits mit dem Kühlwasserraum im Zylinderkopf und andererseits mit mit dem Kühlwasserraum im Zylinderkurbelgehause in Verbindung steht. Durch entsprechende Drosselung des Zuströmquer schnittes in der Zylinderkopfdichtung kann ein Druckgradient erzeugt werden, der die gewünschte intensive Anströmung der Bodenplatte aus dem Längskanal bewirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht einer Brennkraftmaschine in schemati scher Darstellung, wobei der obere Teil des Zylinder kopfes mit dem Steuerraum der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde,

Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie 2-2 in Fig. 1 und Fig. 6,

Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie 3-3 in Fig. 1 und Fig. 6,

Fig. 4 einen Schnitt entlang Linie 4-4 in Fig. 1 und Fig. 6,

Fig. 5 einen Schnitt entlang Linie 5-5 in Fig. 1 und Fig. 6,

Fig. 6 einen Schnitt entlang Linie 6-6 in Fig. 5.

Die in den Zeichnungen dargestellte Brennkraftmaschine weist ein Zylinderkurbelgehäuse 1 und einen Zylinderkopf 2 auf, der über eine Zylinderkopfdichtung 3 auf dem Zylinderkurbel gehäuse 1 aufliegt und durch Zylinderkopfschrauben 4 mit diesem verbunden ist. Das Zylinderkurbelgehäuse 1 enthält im Ausführungsbeispiel vier Zylinder 5 und einen Kühlwasserraum 6, dem durch einen Anschluß 7 Kühlwasser unter Druck von einer nicht gezeigten Kühlwasserpumpe zugeführt wird.

Der Zylinderkopf 2 weist einen Zylinderkopfboden 8, eine Zylinderkopfdecke 9 und seitliche Außenwände 10 und 11 sowie nicht gezeigte stirnseitige Außenwände auf, die einen Kühl wasserraum 12 begrenzen. Der Kühlwasserraum 12 ist pro Zylin der von zwei von Einlaßventilen 13 gesteuerten Einlaßkanälen 14 und zwei von Auslaßventilen 15 gesteuerten Auslaßkanälen 16 und einem eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse aufneh menden Dom 17 durchsetzt. Die Einlaßkanäle 14 gehen von der Außenwand 10 aus und die Auslaßkanäle 16 führen zur Außenwand 11. Der Kühlwasserraum 12 steht am einen Ende des Zylinder kopfes 2 über Bohrungen 18 und 19 mit dem Kühlwasserraum 6 im Zylinderkurbelgehäuse 1 und am anderen Ende über einen Abflußanschluß 20 mit der Kühlwasserpumpe in Verbindung. Der Kühlwasserraum 12 wird somit in Längsrichtung, also in Fig. 1 von rechts nach links, von Kühlwasser durchströmt.

Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, erstrecken sich die Zylinderkopfschrauben 4 frei durch die Kühlwasserräume 6 und 12 im Zylinderkurbelgehäuse 1 bzw. im Zylinderkopf 2. Sie werden dadurch von dem Kühlwasser umströmt und rasch auf die Temperatur der umgebenden Bauteile gebracht. Durch den Wegfall der üblichen Schraubenpfeifen wird die Längsdurch strömung des Zylinderkopfes verbessert. Die sonst von den Schraubenpfeifen bewirkte Steifigkeit des Zylinderkopfes wird dadurch erreicht, daß auf der heißen Auslaßseite im Kühl wasserraum 12 in Längsrichtung des Zylinderkopfes verlaufende Doppelrippen 21, 22 zwischen Zylinderkopfboden 11 und Zylin derkopfdecke 10 so vorgesehen sind, daß sie einen Längsströ mungskanal 25 bilden, durch den sich die Zylinderkopfschrau ben 4 erstrecken. Auf der kalten Einlaßseite genügt eine entsprechende Aufdickung der Wände der Einlaßkanäle, um die Lasten der Zylinderkopfschrauben zu tragen. Weitere Längs rippen 23 sind zwischen benachbarten Domen 17 vorgesehen.

Um eine weitgehende Vergleichmäßigung der Temperatur des Zylinderkopfes 2 über seine ganze Länge zu erreichen, wird sein Kühlwasserraum 12 nicht nur über die Bohrungen 18, 19, sondern zusätzlich über die entsprechend groß bemessenen Öffnungen 24 in der Zylinderkopfdichtung 3, durch welche sich die Zylinderkopfschrauben 4 erstrecken, mit dem Kühlwasser raum 6 im Zylinderkurbelgehäuse 1 verbunden. Das in Fig. 1 von links in den Kühlwasserraum 6 des Zylinderkurbelgehäuses 1 einströmende Kühlwasser wird also zum Teil auch durch die Öffnungen 24 in den Kühlwasserraum 12 geleitet, wobei durch unterschiedliche Bemessung der Öffnungen 24 die jedem Bereich des Zylinderkopfes zugeführte Kühlflüssigkeitsmenge dosiert werden kann. Eine besonders intensive Kühlung der thermisch am höchsten beanspruchten Auslaßseite wird dadurch erreicht, daß dem von den Doppelrippen 21, 22 oberhalb der Auslaßkanäle 16 gebildeten durchgehenden Längskanal 25 Kühlwasser direkt aus dem Kühlwasserraum 6 des Zylinderkurbelgehäuses 1 durch die Öffnungen 24 zugeführt wird. Dabei wird der Druckgradient zwischen den Kühlwasserraum 6 und dem Längskanal 25 durch die Querschnitte der Öffnungen 24 in der Zylinderkopfdichtung 3 so abgestimmt, daß trotz Längskühlungskonzept für jeden Zylinder vergleichbare Kühlungsverhältnisse erreicht werden. Da die Auslaßventile 15 in einer Rippe 22 der Doppelrippen 21, 22 geführt sind, ist eine zusätzliche Kühlung der Auslaß ventilführungen erreicht.

Wie in Fig. 6 gezeigt, erstrecken sich die Doppelrippen 21, 22 jeweils zwischen den durch benachbarte Dome 17 gelegten Quer ebenen, wobei zwischen benachbarten Doppelrippen ein Spalt 26 belassen ist, durch den der Längskanal 25 mit dem den betref fenden Dom 17 umgebenden Bereich des Kühlwasserraumes 12 verbunden ist. Da die Längsrippen 23, wie gezeigt, in einem Abstand von dem Dom enden, wird eine Umspülung des Domes und damit eine intensive Kühlung desselben und des Brennraum bodens 27 (Fig. 3) erreicht. Insbesondere durch die Anströ mung von oben aus dem Spalt 26 des Längskanals 25 wird die Strömung nach unten konzentriert und sie führt somit zu einer intensiven Kühlung der heißen Bodenplatte.

Um eine gute Kühlung des Stegbereiches zwischen benachbarten Auslaßkanälen sicherzustellen, ist in diesem eine Stegküh lungsbohrung 28 (Fig. 3) vorgesehen, die einerseits mit den äußeren, mit dem Kühlwasserraum 6 im Zylinderkurbelgehäuse 1 durch Öffnungen 29 in der Zylinderkopfdichtung 3 in Ver bindung stehenden Wasserraumnieren 30 mit dem Kühl wasserraum 6 und andererseits über den den Dom 17 umgebenden Bereich des Kühlwasserraumes 12 und den Spalt 26 mit dem Längskanal 25 in Verbindung steht. Durch entsprechende Bemes sung der Öffnungen 29 kann die auf diesem Weg in die Bohrung 28 einströmende Kühlwassermenge dosiert und abgestimmt werden. Damit ergibt sich für die heißen Bereiche auf der Auslaßseite durch die Queranströmung aus dem Spalt 26 und aus der Bohrung 28 trotz Längsströmungsprinzip eine gleichermaßen sehr gute Kühlung.

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einem einen Kühlwasserraum (6) enthaltenden Zylinderkurbel gehäuse (1) und einem Zylinderkopf (2), der über eine Zylin derkopfdichtung (3) auf dem Zylinderkurbelgehäuse (1) auf liegt und durch Zylinderkopfschrauben (4) mit diesem verbun den ist und der einen von seitlichen Außenwänden (10, 11), einem Zylinderkopfboden (8) und einer Zylinderkopfdecke (9) begrenzten Kühlwasserraum (12) aufweist, welcher von zu der einen Außenwand (10) führenden Einlaßkanälen (14) und zu der anderen Außenwand (11) führenden Auslaßkanälen (16) und pro Zylinder von einem Dom (17) für eine Zündkerze oder Ein spritzdüse durchsetzt ist und der an verschiedenen Stellen über Öffnungen in der Zylinderkopfdichtung (3) mit dem Kühlwasserraum (6) im Zylinderkurbelgehäuse (1) und an einem Ende mit einem Abfluß (20) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zylinderkopfschrauben (4) frei durch die Kühlwasserräume (6 bzw. 12) im Zylinder kurbelgehäuse (1) und im Zylinderkopf (2) hindurch erstrecken, daß der Kühlwasserraum (12) im Zylinderkopf (2) zusätzlich durch die von den Zylinderkopfschrauben (4) durch setzten Öffnungen (24) in der Zylinderkopfdichtung (3) mit dem Kühlwasserraum (6) im Zylinderkurbelgehäuse (1) in Verbindung steht und daß im Kühlwasserraum (12) des Zylinder kopfes (2) in Längsrichtung des Zylinderkopfes verlaufende Längsrippen (21, 22; 23) zwischen dem Zylinderkopfboden (8) und der Zylinderkopfdecke (9) vorgesehen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß im Bereich der Auslaßkanäle (16) längsver laufende Doppelrippen (21, 22) vorgesehen sind, zwischen denen sich die Zylinderkopfschrauben (4) auf der Auslaßseite erstrecken und die oberhalb der Auslaßkanäle (16) einen Längskanal (25) begrenzen, der über die von den Zylinder kopfschrauben (4) durchsetzten Öffnungen (24) in der Zylinderkopfdichtung (3) mit dem Kühlwasserraum (6) im Zylinderkurbelgehäuse (1) in Verbindung steht.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Doppelrippen (21, 22) jeweils zwischen den durch benachbarte Dome (17) gelegten Querebenen er strecken und zwischen benachbarten Doppelrippen ein Spalt (26) belassen ist, durch den der Längskanal (25) mit dem den betreffenden Dom (17) umgebenden Bereich des Kühlwasserraumes (12) verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steg zwischen den Auslaßkanälen (16) jedes Zylinders ein Querkanal (28) vorgesehen ist, der einerseits mit dem Kühlwasserraum (6) im Zylinderkurbelgehäuse (1) und andererseits mit dem den Dom (17) umgebenden Bereich des Kühlwasserraumes (12) im Zylinderkopf (2) in Verbindung steht.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Domen (17) Längsrippen (23) vorgesehen sind, die sich vom Zylinderkopf boden (8) zur Zylinderkopfdecke (9) erstrecken.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längsrippen (23) in einem Abstand von den benachbarten Domen (17) enden.