DE69910249T2

DE69910249T2 - Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69910249T2
Application number: DE69910249T
Authority: DE
Inventors: Philippe Brunet
Original assignee: Renault Sport SAS
Current assignee: Alpine Racing SAS
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-11-27
Also published as: FR2786815B1; WO2000034640A1; DE69910249D1; EP1135587A1; FR2786815A1; EP1135587B1; ES2200570T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor, der insbesondere für ein Fahrzeug bestimmt ist, zum Beispiel ein Automobil oder ein Motorrad. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kühlkreislauf, der einen Zylinderkopf des Motors durchsetzt.
Die Kühlung durch Zirkulation einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, ist die am meisten verwendete Kühlung für Verbrennungsmotoren, insbesondere deswegen, weil sie eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht auch aus sehr eingeengten Bereichen, wie den Zylinderköpfen und auch deswegen, weil die Flüssigkeit auf Grund ihrer Masse eine gewisse akustische Isolierung des Motors mit sich bringt.
Ein Flüssigkeitskühlkreis für einen Motor dient grundsätzlich dazu, die heißen Teile des Motors durch eine in ihm strömende Zirkulation zu kühlen und die dabei aufgenommene Wärmemenge an die Umgebungsluft abzugeben mittels eines Wärmetauschers Flüssigkeit/Luft, der als Kühler bezeichnet wird.
Die Zirkulation der Flüssigkeit innerhalb des Motors erfolgt von unten nach oben, wobei zuerst eine sogenannte Wasserkammer durchströmt wird, die im Motorblock um die Zylinderbohrungen herum ausgebildet ist und danach ein entsprechender Kreis im Zylinderkopf, der die Verbrennungskammern in geeigneter Weise umgibt.
Heutzutage weisen die meisten Zylinderköpfe vier Ventile oder mehr pro Zylinder auf um die Leistung des Motors zu steigern, wobei erhebliche Probleme hinsichtlich der Kühlung auftreten, da weniger Bauraum für die Anordnung der Kühlkanäle zur Kühlung um die Verbrennungskammern herum zur Verfügung steht (siehe zum Beispiel die DE-A-2 452 999).
Keine der bisher bekannt gewordenen Lösungen führt zu einer befriedigenden Kühlung der Auslassventile und deren Führungen sowie Ventilsitze, obwohl diese Auslassventile starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind, die ihre Lebensdauer verkürzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der einen Kühlkreislauf aufweist, welcher zugleich leistungsfähig und einfach zu verwirklichen ist.
Der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor nach der Erfindung weist zwei Einlassleitungen und zwei Auslassleitungen auf, die die Wände von Verbrennungskammern durchsetzen und auf der Unterseite in Öffnungen münden, die mit mit Schäften versehenen Ventilen zusammenwirken und einen Kreis für die Kühlflüssigkeit, der insbesondere zur Kühlung der Wände (3) der Verbrennungskammern dient.
Gemäss der Erfindung ist der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis aufsteigende Wasserkanäle aufweist, die im wesentlichen parallel zu Aussparungen für die Schäfte der Auslassventile angeordnet sind.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor weist der Kreis für die Kühlflüssigkeit Wassereinlassöffnungen auf, die in der Unterseite des Zylinderkopfes münden, wobei sich eine Wasserkammer entlang des Umfangs der Wände der Verbrennungskammer erstreckt und aufsteigende Wasserkanäle im wesentlichen parallel zu und in der Nähe von Aussparungen für die Schäfte der Auslassventile angeordnet sind sowie einen Sammelraum, der sich im oberen Abschnitt des Zylinderkopfes in Querrichtung erstreckt und in der seitlichen Einlasswand des Zylinderkopfes in einer Wasserauslassöffnung mündet.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung erstreckt sich die entlang des Umfangs der Wände einer entsprechenden Verbrennungskammer angeordnete Wasserkammer im wesentlichen parallel zur Unterseite des Zylinderkopfes.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach Anspruch nach der Erfindung ist die entlang des Umfangs der Wände einer entsprechenden Verbrennungskammer angeordnete Wasserkammer im wesentlichen kreisringförmig ausgestaltet ist.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung verlassen die aufsteigenden Wasserkanäle die Wasserkammer, wobei sie die in die Wände der entsprechenden Verbrennungskammer vorgesehenen Auslassöffnungen teilweise umgeben.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung ist für jede Verbrennungskammer eine Zündkerze vorgesehen, die in einen Durchlass eingesetzt ist, der den Zylinderkopf senkrecht durchsetzt, wobei ein Teil oder alle der aufsteigenden Wasserkanäle in der Nähe dieses Durchlasses für die Kerze verlaufen und insbesondere im unteren Abschnitt des letzteren um die Umgebung der Elektroden der Kerze zu kühlen.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung ist jede Verbrennungskammer mit zwei Auslassventilen versehen, sodass drei aufsteigende Wasserkanäle vorgesehen sind und zwar ein Mittenkanal, der zwischen den beiden Aussparungen verläuft, die zur Aufnahme der Schäfte der Auslassventile vorgesehen sind und zwei seitliche Kanäle, die in im wesentlichen gekrümmter Weise beidseits der Aussparungen vorgesehen sind.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung münden die aufsteigenden Wasserkanäle, die zwei benachbarten Verbrennungskammern zugeordnet sind, in ein und demselben Sammelraum, der quer zwischen den beiden Verbrennungskammern angeordnet ist.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopf für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung ist jeder Wasserkammer eine Entgasungsleitung zugeordnet ist, die gegenüber den aufsteigenden Wasserkanälen verläuft, wobei die Entgasungsleitung in der benachbarten Einlassseitenwand des Zylinderkopfes mündet.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung sind die beiden entlang des Umfangs zweier benachbarter Verbrennungskammern verlaufenden Wasserkammern miteinander über mindestens eine Entgasungsleitung verbunden, die im unteren Abschnitt der Einlassseitenwand des Zylinderkopfes in einer besonderen Auslassöffnung mündet.
Gemäss einem anderen Merkmal des Zylinderkopfes für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach der Erfindung münden die mit einem angepassten Querschnitt versehenen Einlassöffnungen für das Wasser in jeder Wasserkammer im wesentlichen in der Senkrechten der aufsteigenden Wasserkanäle.
Die Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht begrenzenden Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor; darin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Gusskerns für den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors zur Verdeutlichung des Kühlkreislaufs nach der Erfindung,
2 eine ähnliche Ansicht wie 1, bei der die Wasserführung, die Einlassleitungen, die Auslassleitungen, die Einlassventile und die Auslassventile schematisch angedeutet sind und
3 eine teilweise Draufsicht auf einen Zylinderkopf, der mittels des Kerns gemäss 1 hergestellt worden ist.
In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt. Zur Erleichterung des Verständnisses sind außerdem gleiche Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der zur Darstellung des Wasserkreislaufs ausgewählte Zylinderkopf 1 in 3 ist vor allem für einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung bestimmt. Die Betriebsweise des Motors ist, das heißt vier Takte oder zwei Takte, gesteuerte Zündung oder Kompressionszündung, ist keinesfalls begrenzend für die Erfindung. Ferner kann es sich bei dem Motor um einen Einzylindermotor, einen Mehrzylindermotor mit Reihenanordnung, einen V-förmigen Motor oder einen Boxermotor handeln.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen für den Einsatz in Motorrädern weit verbreiteten V-förmigen Viertaktmotor mit zwei im wesentlichen identischen Zylinderköpfen, wobei nur einer der beiden Zylinderköpfe dargestellt ist.
Der mit 1 bezeichnete Zylinderkopf wird mit einer Flüssigkeit gekühlt und im Kreuzflussverfahren ( auch cross-flow genannt ) betrieben, das heißt, dass die Einlassleitungen und die Auslassleitungen zu beiden Seiten der Mittenebene in Längsrichtung des Zylinderkopfes angeordnet sind. Ein derartiger Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung wird üblicherweise durch ein Gießverfahren hergestellt.
Das hierbei verwendete Gießverfahren ist vorzugsweise ein Giessen mittels Schwerkraft oder Niederdruckgießen, bei dem zwei Sandkerne in zwei metallischen Formen verwendet werden. Durch die Sandkerne werden die verschiedenen Hohlräume bestimmt, die im Zylinderkopf ausgebildet werden, wie insbesondere die Einlassleitungen, die Auslassleitungen und die Kühlkanäle.
Der Zylinderkopf 1 weist auf seiner Unterseite 2, die sich über eine Dichtung auf dem nicht dargestellten Zylinderblock abstützt, entsprechende Wände 3 auf, die zwei Verbrennungskammern begrenzen. Die beiden Verbrennungskammern münden gegenüber von zylindrischen Bohrungen im Zylinderblock und sind identisch zueinander, wobei sie im wesentlichen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 1 angeordnet sind.
Die die Verbrennungskammern begrenzenden Wände 3 sind mit zwei Einlassöffnungen 4 und mit zwei Auslassöffnungen 5 versehen, in die Ventilsitze eingesetzt sind. Die Öffnungen 4 und 5 sind beidseits der Mittenebene in Längsrichtung des Zylinderkopfes angeordnet und werden durch gestrichelt in 2 eingezeichnete Einlasskanäle 6 bzw. Auslasskanäle 7 verlängert für die Zufuhr des Kraftstoffgemisches bzw. für die Abfuhr der Abgase. Die Einlasskanäle 6 und die Auslasskanäle 7 durchsetzen den Zylinderkopf 1 und münden einerseits in dessen Oberseite und andererseits in einer seiner Seitenwände, die auch Auslasswand genannt wird.
Die Öffnungen 4 und 5 wirken mit mit Schäften versehenen Ventilen zusammen, die gleitend in in den Zylinderkopf eingesetzten Führungen angeordnet sind. Die Ventile werden durch einen nicht dargestellten Steuermechanismus betätigt. Ferner sind in 2 nur die Öffnungen 8 und 9 für die Führungen der Ventile für den Einlass bzw. für den Auslass punktiert dargestellt.
Daneben weist der Zylinderkopf 1 noch Durchlässe 13 auf, die im wesentlichen in den Achsen der Zylinder liegen im die wesentlichen in der Mitte einer jeden die Verbrennungskammern 3 begrenzenden Wand münden für die Aufnahme von nicht dargestellten Zündkerzen.
Gemäss der Erfindung ist der durch das Gießverfahren hergestellte Zylinderkopf mit einem Kühlkreislauf versehen für die vom Zylinderblock stammende Kühlflüssigkeit.
Die 1 und 2 zeigen deutlich die Form des durch den Sandkern hergestellten Kühlkreislaufs.
Der Kühlkreislauf wird zwar im Zusammenhang mit einem Zylinderkopf mit zwei Verbrennungskammern beschrieben, doch sei betont, dass sie keinesfalls darauf beschränkt ist sondern für alle Zylinderköpfe einsetzbar ist, unabhängig von der Anzahl der Verbrennungskammern.
Der Kühlkreislauf setzt sich aus zwei im wesentlichen identischen Elementarkreisen 10 zusammen, von denen je einer für die Kühlung einer Verbrennungskammer zuständig ist.
Jeder Elementarkreis 10 besteht aus einer ringförmigen Aussparung 11, einer sogenannten Wasserkammer, die entlang des Umfangs der Wände 3 der entsprechenden Verbrennungskammer verläuft, aufsteigenden Wasserkanälen 14, 15 und 16, die im wesentlichen parallel zu und in der Nähe der Aussparungen für die Aufnahme der Ventilschäfte für die Auslassventile verlaufen und einem Sammelraum 19, der in Querrichtung im oberen Teil des Zylinderkopfes ausgebildet ist und in der seitlich angeordneten Einlasswand des Zylinderkopfes mündet über eine Wasseraustrittsöffnung 20.
Jeder Wasserkammer 11 wird die Kühlflüssigkeit über geeignete Öffnungen 12 zugeführt, die in der Unterwand des Zylinderkopfes 1 ausgebildet sind, wie es aus 3 ersichtlich ist. Diese Öffnungen sind gegenüber von entsprechenden Öffnungen in der Oberseite des Zylinderblocks ausgebildet und dienen der Versorgung der Wasserkammern 11 mit der Kühlflüssigkeit.
Die Wasserkammern 11 sind mehr oder minder kreisringförmig und verläuft entlang der Wand 3 der zugehörigen Verbrennungskammer dergestalt, dass sie im wesentlichen parallel zur Unterseite des Zylinderkopfes ist.
Die aufsteigenden Kanäle 14, 15 und 16 für die Wasserkammern 11 gehen von diesen aus und umgeben die Ventilsitze für die Auslassventile, die gegenüber den Auslassöffnungen 9 angeordnet sind.
Die aufsteigenden Wasserkanäle umfassen drei Kanäle, nämlich einen mittigen Kanal 15, der zwischen zwei Aussparungen 9 für die Aufnahme von Ventilschäften und parallel zu diesen verläuft und zwei seitliche Kanäle 14 und 16, die in gekrümmter Weise die Aussparungen 9 für die Aufnahme der Ventilschäfte für die Auslassventile umgeben.
Die seitlichen aufsteigenden Wasserkanäle 14 und 16 sind weiterhin in der Nähe der Durchlässe 13 für die Zündkerzen ausgebildet und zwar insbesondere in deren unterem Abschnitt um so die Umgebung der Elektroden besser kühlen zu können.
Die beiden Elementarkreise 10 für die beiden benachbarten Verbrennungskammern münden im gleichen Sammelraum 19, der in Querrichtung zwischen den beiden Verbrennungskammern ausgebildet ist.
Die beiden Kreise 10 verbinden die Wasserkammern 11 über zwei Kanäle, wobei ein Kanal 18 im wesentlichen in der Längsachse des Zylinderkopfes 1 verläuft und der andere Kanal 17 insbesondere dem Entgasen der Kreise dient und gegenüber den aufsteigenden Kanälen 14, 15 und 16 derart verläuft, dass er in der seitlichen Einlassfläche neben dem Zylinderkopf in einer Öffnung 21 endet, die getrennt von der Öffnung 20 ist.
Zur Verbesserung der Zirkulation der Kühlflüssigkeit in den aufsteigenden Kanälen 14, 15 und 16 und für eine leistungsfähige Kühlung der Führungen für die und der Auslassventile selbst ist eine Eintrittsöffnung 12 für die Kühlflüssigkeit mit entsprechendem Querschnitt im wesentlichen senkrecht zu allen aufsteigenden Wasserkanälen vorgesehen.

Claims

Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor, mit zwei Einlassleitungen (6) und zwei Auslassleitungen (7), die die Wände (3) von Verbrennungskammern durchsetzen und auf der Unterseite in Öffnungen (4, 5) münden, die mit mit Schäften versehenen Ventilen zusammenwirken, mit einem Kreis (10) für die Kühlflüssigkeit, der insbesondere zur Kühlung der Wände (3) der Verbrennungskammern dient, wobei der Kühlkreis (10) aufsteigende Wasserkanäle (14, 15, 16) aufweist, die im wesentlichen parallel zu und in der Nähe von Aussparungen (9) für die Schäfte der Auslassventile angeordnet sind und mit einem Sammelraum (19), der sich quer im oberen Abschnitt des Zylinderkopfes erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelraum in der Seitenwand des Zylinderkopfes in einer Wasserauslassöffnung (20) mündet.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Verbrennungskammer der Kreis (10) für die Kühlflüssigkeit Wassereinlassöffnungen (12) aufweist, die in der Unterseite (2) des Zylinderkopfes münden, wobei sich eine Wasserkammer (11) entlang des Umfangs der Wände (3) der Verbrennungskammer erstreckt und aufsteigende Wasserkanäle (14, 15, 16) im wesentlichen parallel zu und in der Nähe von Aussparungen (9) für die Schäfte der Auslassventile angeordnet sind.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang des Umfangs der Wände (3) einer entsprechenden Verbrennungskammer angeordnete Wasserkammer sich im wesentlichen parallel zur Unterseite (2) des Zylinderkopfes (1) erstreckt.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang des Umfangs der Wände (3) einer entsprechenden Verbrennungskammer angeordnete Wasserkammer im wesentlichen kreisringförmig ausgestaltet ist.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufsteigenden Wasserkanäle (14, 15, 16) die Wasserkammer (11) verlassen und dabei die in die Wände (3) der entsprechenden Verbrennungskammer vorgesehenen Auslassöffnungen (5) teilweise umgeben.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Verbrennungskammer eine Zündkerze vorgesehen ist, die in einem Durchlass (13) eingesetzt ist, der den Zylinderkopf (1) senkrecht durchsetzt, wobei ein Teil oder alle der aufsteigenden Wasserkanäle (14, 16) in der Nähe dieses Durchlasses (13) für die Kerze verlaufen und insbesondere im unteren Abschnitt des letzteren um die Umgebung der Elektroden der Kerze zu kühlen.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbrennungskammer mit zwei Auslassventilen versehen ist, sodass drei aufsteigende Wasserkanäle vorgesehen sind und zwar ein Mittenkanal (15), der zwischen den beiden Aussparungen (9) verläuft, die zur Aufnahme der Schäfte der Auslassventile vorgesehen sind und zwei seitliche Kanäle (14, 16), die in im wesentlichen gekrümmter Weise beidseits der Aussparungen (9) vorgesehen sind.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aufsteigenden Wasserkanäle (14, 15, 16), die zwei benachbarten Verbrennungskammern zugeordnet sind, in ein und demselben Sammelraum (19) münden, der quer zwischen den beiden Verbrennungskammern angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wasserkammer (11) eine Entgasungsleitung (17) zugeordnet ist, die gegenüber den aufsteigenden Wasserkanälen (14, 15, 16) verläuft, wobei die Entgasungsleitung (17) in der benachbarten Einlassseitenwand des Zylinderkopfes (1) mündet.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden entlang des Umfangs zweier benachbarter Verbrennungskammern verlaufenden Wasserkammern (11) miteinander über mindestens eine Entgasungsleitung (17) verbunden sind, die im unteren Abschnitt der Einlassseitenwand des Zylinderkopfes (1) in einer besonderen Auslassöffnung (21) mündet.
Zylinderkopf (1) für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem angepassten Querschnitt versehenen Einlassöffnungen (12) für das Wasser in jeder Wasserkammer (11) im wesentlichen in der Senkrechten der aufsteigenden Wasserkanäle (14, 15, 16) münden.