AT414157B

AT414157B - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT414157B
Application number: AT0115904A
Authority: AT
Inventors: Johann Wagner
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-09-15
Also published as: DE102005031243B4; ATA11592004A; DE102005031243A1

Description

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AT 414 157 B

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei in Richtung der Zylinderachse übereinander angeordneten, durch eine Trennwand voneinander getrennten Kühlmittelräumen, und zwar einem dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum und einem an diesen anschließenden oberen Kühlmittelraum, wobei das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum zum unteren Kühlmittelraum strömt, mit einem in einen Brennraum mündenden Bauteil, wobei im Bereich des Bauteiles zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen ausgebildet ist.

Aus der AT 005 939 U1 ist ein Zylinderkopf mit zwei übereinander liegenden Kühlmittelräumen bekannt, welche im Bereich einer Aufnahmehülse für eine Einspritzeinrichtung über einen durch Hülse und Zylinderkopf gebildeten Ringraum miteinander strömungsverbunden sind. Das Kühlmittel strömt vom oberen Kühlmittelraum in den unteren Kühlmittelraum, wodurch thermisch kritische Bereich des Zylinderkopfbodens gekühlt werden können.

In der EP 0 845 592 A1 wird ein Kühlelement für eine Einspritzdüse gezeigt, wobei das Kühlmittel über Kühlkanäle innerhalb des Kühlelementes zur Düsenkuppe und wieder von dieser weggeleitet wird. Dieses Kühlelement dient ausschließlich zur Kühlung der Düsenspitze. Eine Kühlung von thermisch kritischen Bereichen im Zylinderkopfboden kann damit nicht bewirkt werden.

Weiters sind aus den Veröffentlichungen DE 28 25 298 A1 und JP 63-012816 A Zylinderköpfe für Brennkraftmaschinen bekannt, welche zwei in Richtung der Zylinderachse übereinander angeordnete Kühlmittelräume aufweisen, die durch eine Trennwand voneinander getrennt sind. Bei der DE 28 25 298 A1 ist dabei zwischen einem Oberteil und einem Unterteil des Zylinderkopfes eine Aufnahmebuchse für eine ein Einspritzventil umgebende Dichthülse angeordnet, welche die Strömungsverbindung zwischen den Kühlmittelräumen herstellt. Bei der JP 63-12816 A erfolgt die Strömungsverbindung über ein in eine Verbindungsbohrung eingesetztes Einsatzrohr.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise verbesserte Kühlung von thermisch kritischen Bereichen zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Bauteil zumindest im Bereich der Trennwand von einem Kühleinsatz umgeben ist, und die Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen innerhalb des Kühleinsatzes ausgebildet ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der Kühleinsatz doppelwandig, vorzugsweise als Blechpressteil ausgebildet ist und die Strömungsverbindung zumindest Abschnittsweise zwischen einer inneren und einer äußeren Wand des Kühleinsatzes gebildet ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf im Bereich des Zylinderkopfbodens einen Butzen zur Aufnahme des Bauteiles aufweist, dessen Höhenerstreckung in Richtung der Zylinderachse geringer ist als die Höhe des an den Zylinderkopfboden grenzenden unteren Kühlmittelraumes, wobei vorzugsweise der Kühleinsatz anschließend an den Butzen im Zylinderkopf angeordnet ist.

Der Kühlmittelstrom erfolgt von dem Zylinderkopfboden weiter entfernteren oberen Kühlmittelraum in den dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum. Der Kühleinsatz weist dabei im Bereich des oberen Kühlmittelraumes radiale Öffnungen auf, über welche das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum in den Kühleinsatz einströmen kann. Weiters ist vorgesehen, dass der Kühleinsatz zumindest eine axiale Öffnung in den unteren Kühlmittelraum in Richtung der Zylinderkopfdecke aufweist, wobei vorzugsweise die axiale Öffnung als Düse ausgebildet ist. Das Kühlmittel strömt über die Düse in den unteren Kühlmittelraum, wobei thermisch kritische Bereiche des Zylinderkopfbodens gekühlt werden. Eine besonders gute Kühlung des Zylinderkopfbodens lässt sich erreichen, wenn eine Vielzahl von Düsen, vorzugsweise gleichmäßig über den vorzugsweise zylindrischen Mantel des Kühleinsatzes verteilt angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Düsen durch Ondulierungen der äuße- 3

AT 414 157 B ren und/oder inneren Wand des Kühleinsatzes gebildet sind, wobei vorzugsweise die Ondulierungen im Blechpressverfahren hergestellt sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die radialen Öffnungen im Bereich des oberen Kühlmittel-5 raums Eintrittsöffnungen und die axialen Öffnungen Austrittsöffnungen sind, wobei der Kühlmittelstrom vom oberen Kühlmittelraum durch die radialen Eintrittsöffnungen innerhalb des Kühleinsatzes und durch die axialen Austrittsdüsen in den unteren Kühlmittelraum gelangt, so dass nach dem Austreten des Kühlmittels aus den axialen Öffnungen thermisch kritische Bereiche des Zylinderkopfbodens umströmt werden. 10

Um unabhängig von der Ausrichtung der radialen Öffnungen des Kühleinsatzes ein unbehindertes Einströmen in den Kühleinsatz zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass im Bereich der radialen Öffnungen des Kühleinsatzes zwischen Kühleinsatz und Zylinderkopf ein Ringraum ausgebildet ist. Das Kühlmittel strömt über einen den oberen Kühlmittelraum darstellenden, vorzugs-15 weise durch eine Bohrung gebildeten Kühlmittelzuführkanal in den Ringraum und wird durch diesen gleichmäßig über die radialen Öffnungen des Kühleinsatzes verteilt.

Eine einfache Fertigung des Kühleinsatzes ist möglich, wenn der Kühleinsatz zweiteilig ausgeführt ist und aus einem die äußere Wand bildenden ersten Teil und einem die innere Wand 20 bildenden zweiten Teil besteht, wobei vorzugsweise die beiden Teile fest miteinander verbunden sind.

Um Leckagen im Bereich des Butzens zu vermeiden, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Kühleinsatz im Bereich des Butzen axial abgedichtet ist, wobei vorzugsweise zwischen 25 dem zweiten Teil und dem Butzen ein Dichtungsring angeordnet ist.

Weiters kann vorgesehen sein, dass der Kühleinsatz radial an seinen dem Butzen abgewandten Ende bezüglich des Zylinderkopfes abgedichtet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Teil und dem Zylinderkopf ein Dichtungsring in einer vorzugsweise durch den ersten Teil 30 gebildeten Ringnut angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der untere Kühlmittelraum, der obere Kühlmittelraum und vorzugsweise auch ein Aufnahmeschacht für den Bauteil durch einen einzigen Wassermantelkern geformt sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der untere Kühlmittelraum durch 35 einen einteiligen Wassermantelkern gebildet ist, welcher vorzugsweise auch den Aufnahmeschacht und besonders vorzugsweise auch den Butzen zur Aufnahme des Bauteiles formt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 40 Es zeigen Fig. 1 ein in einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf eingesetztes Kühlelement in einem Längsschnitt gemäß der Linie I - I in Fig. 2, Fig. 2 das Kühlelement in einem Schnitt gemäß der Linie II - II in Fig. 1 und Fig. 3 das Kühlelement in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1. 45 Ein Zylinderkopf 2 für eine Brennkraftmaschine weist einen unteren Kühlmittelraum 4 und einen oberen Kühlmittelraum 6 auf, wobei die Kühlmittelräume 4, 6 durch eine Trennwand 8 voneinander getrennt sind. Der untere Kühlraum 4 grenzt an den Zylinderkopfboden 10.

Im Bereich des Zylinderkopfbodens 10 ist ein Butzen 12 zur Aufnahme eines in den Brennraum so 14 mündenden Bauteil 16 vorgesehen, dessen Höhe h geringer ist, als die lichte Höhe H des unteren Kühlmittelraumes 4, in Richtung der Zylinderachse 18 gemessen. Vom Brennraum 14 aus betrachtet, endet dabei der Butzen 12 oberhalb der Auflagefläche 20 des Zylinderkopfes 2 für den Bauteil 16. 55 Der im Aufnahmeschacht 25 des Zylinderkopfes 2 angeordnete Bauteil 16 ist von einem Kühl-

Claims

4 AT 414 157 B einsatz 22 umgeben, welcher die ringförmige Freistellung 25 zwischen dem Bauteil 16 und der Trennwand 8 des Zylinderkopfes 2 ausfüllt. Der Kühleinsatz 22 ist hohl ausgeführt und bildet eine Strömungsverbindung zwischen dem oberen und dem unteren Kühlmittelraum 6, 4 aus. Der Kühleinsatz 22 weist im Bereich des oberen Kühlmittelraumes 6 radiale Öffnungen 24 auf, 5 welche möglichst gleichmäßig am Umfang verteilt sind und Strömungseintritte in den Kühleinsatz 22 bilden. Um eine ungehinderte Kühlmittelzufuhr aus dem oberen Kühlmittelraum 6, unabhängig von der Ausrichtung der Eintrittsöffnungen 24, zu ermöglichen, ist im Bereich des oberen Kühlmittelraumes 6 zwischen dem Zylinderkopf 2 und dem Kühleinsatz 22 ein Ringraum 26 ausgebildet. 10 Der Kühleinsatz 22 ist doppelwandig ausgeführt und weist eine durch einen Teil 28 ausgebildete äußere Wand 29 und einen durch einen zweiten Teil 30 gebildete innere Wand 31 auf. Zwischen äußerer Wand 29 und innerer Wand 31 wird ein Hohlraum 32 aufgespannt, welcher die Strömungsverbindung zwischen dem oberen Kühlmittelraum 6 und dem unteren Kühlmittelraum 15 4 bildet. Der Kühleinsatz 22 ist auf den Butzen 12 aufgesetzt. Im dem Butzen 12 zugewandten Endbereich weist der Kühleinsatz 22 durch Düsenschächte 36 gebildete axiale Öffnungen 38 auf, welche Strömungsauftritte aus dem Kühleinsatz 22 bilden. Dabei ist eine Vielzahl von Düsenschächten 36 gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die Düsenschächte 36 werden bevorzugt durch Ondulierungen der äußeren Wand 29 20 gebildet und sind beispielsweise im Blechpressverfahren hergestellt. Die Abdichtung des Kühleinsatzes 22 zum Butzen hin erfolgt beispielsweise über eine als O-Ring ausgebildete Dichtung 40, welche in einen beispielsweise durch die innere Wand 31 gebildeten Ringraum eingesetzt ist. Oberhalb des oberen Kühlmittelraumes 6 ist der Kühlein-25 satz 22 ebenfalls über eine beispielsweise als O-Ring ausgebildete Dichtung 42 gegenüber dem Zylinderkopf 2 abgedichtet, wobei die Dichtung 42 beispielsweise in einen durch die äußere Wand 29 geformten Ringraum eingelegt ist. Die Abdichtung über O-Ringe ist möglich, da diese durch die unmittelbare zum Kühlmittel vergleichsweise niederer Temperaturbelastung ausgesetzt sind. 30 Das Kühlmittel strömt aus dem oberen Kühlraum 6 durch die Eintrittsöffnungen 24 in den Hohlraum 32 und verlässt diesen über die Düsenschächte 36. Dabei wird das Kühlmittel entsprechend den Pfeilen S entlang des Butzens 12 in Richtung des Zylinderkopfbodens 10 geleitet, so dass thermisch kritische Stellen ausreichend gekühlt werden können. 35 Durch den Kühleinsatz 22 sind keine weiteren Führungsmaßnahmen für das Kühlmittel am Zylinderkopfboden 10 erforderlich. Die Kühlmittelräume 4, 6 können mit einteiligen Wassermantelkernen geformt werden. 40 Durch den gegossenen Butzen 12 zur Aufnahme des Bauteils 16 entfallen die üblichen Probleme mit eingesetzten durchgehenden Hülsen (Abdichtung im Heißbereich, Mitherausziehen bei Demontage des Bauteils, sowie Undichtheit im Demontierten Zustand, erhöhter Platzbedarf und zusätzliche Spannungen im Bodenbereich, etc.). 45 Patentansprüche: 1. Zylinderkopf (2) für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest zwei in Richtung der Zylinder-50 achse (18) übereinander angeordneten, durch eine Trennwand (8) voneinander getrennten Kühlmittelräumen (4, 6), und zwar einem dem Zylinderkopfboden benachbarten unteren Kühlmittelraum (4) und einem an diesen anschließenden oberen Kühlmittelraum (6), wobei das Kühlmittel vom oberen Kühlmittelraum (6) zum unteren Kühlmittelraum (4) strömt, mit einem in einen Brennraum (14) mündenden Bauteil (16), wobei im Bereich des Bauteiles 55 (16) zumindest eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen (4, 6) 5 AT 414 157 B ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil (16) zumindest im Bereich der Trennwand (8) von einem Kühleinsatz (22) umgeben ist, und die Strömungsverbindung zwischen den beiden Kühlmittelräumen (4, 6) innerhalb des Kühleinsatzes (22) ausgebildet ist. 5
2. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (2) im Bereich des Zylinderkopfbodens (10) einen Butzen (12) zur Aufnahme des Bauteiles (16) aufweist, dessen Höhe (h) in Richtung der Zylinderachse (18) geringer ist als die Höhe (H) des an den Zylinderkopfboden (10) grenzenden unteren Kühlmittelraumes (4). 10
3. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) anschließend an den Butzen (12) im Zylinderkopf (2) angeordnet ist.
4. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der 15 Kühleinsatz (22) zumindest eine axiale Öffnung (38) in den unteren Kühlmittelraum (4) in Richtung des Zylinderkopfbodens (10) aufweist.
5. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Öffnung (38) als Düse, vorzugsweise als Düsenschacht (36) ausgebildet ist. 20
6. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von axialen Öffnungen (38), vorzugsweise gleichmäßig über den vorzugsweise zylindrischen Mantel des Kühleinsatzes (22) verteilt angeordnet sind.
7. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen durch Ondu lierungen der äußeren und/oder inneren Wand (29, 31) des Kühleinsatzes (22) gebildet sind, wobei vorzugsweise die Ondulierungen im Blechpressverfahren hergestellt sind.
8. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der 30 Kühleinsatz (22) zumindest eine radiale Öffnung (24) im Bereich des oberen Kühlmittel raumes (6) aufweist.
9. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der radialen Öffnungen (24) des Kühleinsatzes (22) zwischen Kühleinsatz (22) und Zylinderkopf (2) ein 35 Ringraum (26) ausgebildet ist.
10. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Öffnungen (24) im Bereich des oberen Kühlmittelraums (6) Strömungseintritte und die axialen Öffnungen (38) Strömungsaustritte des Kühleinsatzes (22) sind, wobei der 40 Kühlmittelstrom vom oberen Kühlmittelraum (6) durch die radialen Öffnungen (24) aus dem oberen Kühlmittelraum (6) in den Kühleinsatz (22) und durch die axialen Öffnungen (38) aus dem Kühleinsatz (22) in den unteren Kühlmittelraum (4) gelangt, so dass nach dem Austreten des Kühlmittels aus den axialen Öffnungen (38) thermisch kritische Bereiche des Zylinderkopfbodens (10) umströmt werden. 45
11. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) doppelwandig, vorzugsweise als Blechpressteil ausgebildet ist und die Strömungsverbindung zumindest Abschnittsweise zwischen einer inneren und einer äußeren Wand (31,29) des Kühleinsatzes (22) gebildet ist. 50
12. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) zweiteilig ausgeführt ist und aus einem die äußere Wand (29) bildenden ersten Teil (28) und einem die innere Wand (31) bildenden zweiten Teil (30) besteht, wobei vorzugsweise die beiden Teile (28, 30) fest miteinander verbunden sind. 55 6 AT 414 157 B
13. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) im Bereich des Butzens (12) axial abgedichtet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem zweiten Teil (30) und dem Butzen (12) eine vorzugsweise als O-Ring ausgebildete Dichtung (40) angeordnet ist.
14. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (22) an seinen dem Butzen (12) abgewandten Ende bezüglich des Zylinderkopfes (2) radial abgedichtet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Teil (28) und dem Zylinderkopf (2) eine vorzugsweise als O-Ring ausgebildete Dichtung (42) in einer vorzugsweise durch den ersten Teil (28) gebildeten Ringnut angeordnet ist.
15. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Kühlmittelraum ein vorzugsweise zumindest teilweise durch eine Bohrung gebildeter Kühlmittelzuführkanal ist.
16. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kühlmittelraum (4) und/oder der obere Kühlmittelraum (6) und/oder ein Aufnahmeschacht (25) für den Bauteil (16) durch einen einzigen Wassermantelkern geformt sind.
17. Zylinderkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kühlmittelraum (4) durch einen einteiligen Wassermantelkern gebildet ist, welcher vorzugsweise auch den Aufnahmeschacht (25) und besonders vorzugsweise auch den Butzen (12) zur Aufnahme des Bauteiles (16) formt. Hieiu 1 BBatt Zeichnungen