[0001] Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine,
mit einem Aufnahmeschacht zur Aufnahme eines Nockenwellenantriebsorgans, insbesondere
einer Steuerkette.
[0002] Die im Motorblock- sowie im Zylinderkopfbereich eines Motors anfallende Abwärme wird
üblicherweise durch einen geschlossenen, und über einen Wärmetauscher (Kühler) laufenden
Kühlwasserkreislauf an die Umgebung abgeführt. Die Umwälzung des Kühlwassers kann
durch eine Kühlwasserpumpe unterstützt werden, die vorzugsweise durch die Brennkraftmaschine
selbst, beispielsweise über einen Antriebsriemen, angetrieben wird. Die Einbindung
des Wärmetauschers in den Kühlwasserkreislauf kann über Rohr- und Schlauchleitungen
erfolgen. Im Hinblick auf eine möglichst rasche Erwärmung des Motors auf eine günstige
Betriebstemperatur ist es möglich, im Rahmen einer Motorstartphase den Wärmetauscher
solange zu überbrücken, bis das über einen "kleinen" Kühlwasserkreislauf zirkulierende
Kühlwasser eine vorgegebene Temperatur erreicht hat. Das Schließen der den Wärmetauscher
überbrückenden Kühlwasserleitung sowie das Freischalten des über den Wärmetauscher
führenden Kühlwasserweges erfolgt vorzugsweise thermostatgesteuert. Die außerhalb
des Motors verlaufenden Rohr- oder Schlauchleitungen sind in erhöhtem Maße äußeren
Einwirkungen ausgesetzt und erweisen sich auch im Hinblick auf die bei deren Einbau
erforderliche fachmännische Montagetechnik als kostenträchtig.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei
welcher eine günstige Wasserführung des Kühlwasserkreislaufes unter einem verminderten
montagetechnischen Aufwand erreicht wird.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
mit einer, einen Nockenwellenantriebsschacht abdeckenden Schacht-Stirnwand, wobei
in der Schacht-Stirnwand ein Kühlwasserkanal ausgebildet ist, der sich von einem Kühlwassereintrittsbereich
zu einem Kühlwasseraustrittsbereich erstreckt.
[0005] Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Länge freiliegender Leitungen,
beispielsweise flexibler Schläuche, zu vermindern. In weiterhin vorteilhafter Weise
wird eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofiles des Zylinderkopfes erreicht, da
durch die erfindungsgemäße Lösung auch der Stirnwandbereich des Zylinderkopfes in
den Kühlwasserkreislauf integriert ist. In weiterhin vorteilhafter Weise wird eine
höhere Bauraumfreiheit, eine Reduktion potentieller Undichtigkeitsstellen sowie eine
steifere Gestaltung des Stirnbereiches des Zylinderkopfes erreicht. Auch unter akustischen
Gesichtspunkten erweist sich die erfindungsgemäße Lösung als besonders vorteilhaft,
da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stirnwand auch eine verbesserte Schallabkoppelung
erreicht wird. Aufgrund der in vorteilhafter Weise verbesserten Kühleigenschaften
des Zylinderkopfes wird gegenüber bisherigen Konstruktionen eine erhöhte Leistungsdichte
erreicht.
[0006] Eine gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, insbesondere mit Blick
auf eine besonders hohe Strukturfestigkeit, vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch
gegeben, daß die Schacht-Stirnwand integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet ist und
der Kühlwasserkanal sich vorzugsweise im wesentlichen quer zur Längsrichtung des Zylinderkopfes
erstreckt.
[0007] Die Schacht-Stirnwand ist vorzugsweise doppelwandig ausgebildet, so daß der Kühlwasserkanal
durch die einander gegenüberliegenden Wandungen der Schachtstirnwand gebildet ist.
[0008] Der Zylinderkopf ist weiterhin vorzugsweise als Gußbauteil gefertigt. Der Kühlwasserkanal
kann hierbei auf fertigungstechnisch günstige Weise durch einen verlorenen Kern gefertigt
werden.
[0009] Eine im Hinblick auf eine unter montage- und dichtungstechnischen Gesichtspunkten
besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gegeben, daß der Kühlwasserkanal
sich bis in einen Sitzflächenbereich hinein erstreckt, in welchem der Zylinderkopf
auf dem Motorblock aufsitzt. Hierbei wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den Übergangsbereich
vom Kühlwasserkanal in den Motorblock durch eine, mit entsprechenden Durchbrüchen
versehene Zylinderkopfdichtung abzudichten.
[0010] Der Kühlwasserkanal weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen
im wesentlichen flach-rechteckförmigen Querschnitt auf. Hierdurch wird es möglich,
innerhalb der Schacht-Stirnwand einen vergleichsweise großen Kanalquerschnitt zu erreichen.
In weiterhin vorteilhafter Weise wird es hierdurch möglich, die nach außen weisende
Wandung des Kühlwasserkanales als Wärmetauscherfläche zu nutzen.
[0011] Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlwasserkanal im wesentlichen über die gesamte
Breite des Zylinderkopfes. Hierdurch wird es möglich, durch den Zylinderkopf selbst
eine im wesentlichen die Gesamtbreite des Motors überbrückende Leitungseinrichtung
bereitzustellen.
[0012] Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich insbesondere für Zylinderköpfe mit zwei obenliegenden
Nockenwellen. Diese Nockenwellen sind vorzugsweise durch hälftig in dem Zylinderkopf
ausgebildete Lagersitze gelagert. Die zylinderkopfseitigen Abschnitte der Lagersitze
beider Nockenwellen liegen unterhalb einer, durch die Achsen der beiden Nockenwellen
definierten Lagerachsenebene. Die Schacht-Stirnwand erstreckt sich vorzugsweise zwischen
dieser Lagerachsenebene und dem Zylinderkopf/Motorblock-Sitzflächenbereich. Hierdurch
wird es möglich, den durch die Schacht-Stirnwand gebildeten Schacht oben durch einen
Ventildeckel oder Nockenwellengehäuse sowie unten durch den Motorblock abzudecken.
[0013] Der Kühlwasserkanal erstreckt sich vorzugsweise bis zu einer Thermostat-Anschlußflanschfläche.
Diese Thermostat-Anschlußflanschfläche ist vorzugsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung
an dem Zylinderkopf ausgebildet. Im Bereich dieser Thermostat-Anschlußfläche erfolgt
vorzugsweise eine thermostatgesteuerte Verzweigung der Kühlwasserwege. Der durch die
Schachtstirnwand verlaufende Kühlwasserkanal bildet hierbei vorzugsweise einen Kühler-Bypasskanal
über welchen insbesondere während einer Kaltstartphase ein definierter Kühlwasserstrom
unter Umgehung des eigentlichen Wärmetauschers zur Wasserpumpe zurückgeführt werden
kann.
[0014] Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
- Fig.1
- eine perspektivische Detailansicht des Endbereiches eines Zylinderkopfes mit integraler,
doppelwandiger Schachtstirnwand, wobei die Schachtstirnwand hier zwecks Einblick in
deren Innenbereich geschnitten dargestellt ist;
- Fig.2
- eine 3D-Computersimulation zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Kühlwasserführung
von einem Anschlußflanschbereich bis in einen Motorblock.
[0015] Der in Fig.1 abschnittsweise perspektivisch dargestellte Zylinderkopf 1 umfaßt eine
Schacht-Stirnwand 2. Die Schacht-Stirnwand 2 ist im Rahmen eines Aluminium-Gußvorganges
einstückig mit dem Zylinderkopf 1 ausgebildet.
[0016] Die Schacht-Stirnwand 2 erstreckt sich über die gesamte Breite des Zylinderkopfes
1 sowie von einer Zylinderkopfsitzfläche 3 bis zu einer, durch die Nockenwellenachsen
X1, X2 definierten Ebene. Die Schacht-Stirnwand begrenzt einen Nockenwellenantriebsschacht
7 zur Aufnahme einer Steuerkette oder eines anderweitigen Nockenwellenantriebsorgans
beispielsweise einem Stirnrad. Die in Längsrichtung des Zylinderkopfes gemessene Tiefe
des Nockenwellenantriebsschachtes 7 entspricht in etwa der 1,2 bis 2-fachen Breite
einer in den Nockenwellenschacht hineingeführten Steuerkette oder einem darin aufgenommenen
Stirnrad.
[0017] Die Schacht-Stirnwand 2 ist als doppelwandige Struktur ausgebildet und umfaßt eine
äußere Kanalwandung 5 sowie eine innere Kanalwandung 6. Die Kanalwandungen 5, 6 begrenzen
einen in der Schacht-Stirnwand 2 ausgebildeten Kühlwasserkanal 4. Der Kühlwasserkanal
4 weist einen im wesentlichen flachen Querschnitt auf. Der Kühlwasserkanal 4 teilt
sich um einen Lagersitz 8 eines hier nicht dargestellten Steuerkettenrades.
[0018] An der Schacht-Stirnwand 2 ist einstückig mit dieser eine Befestigungsstruktur 9,
10 angeformt, über welche der Zylinderkopf 1 an einem Aufhängungsteil aufgehängt werden
kann. Die Einleitung der auf die Befestigungsstruktur 9, 10 einwirkenden Kräfte in
den Zylinderkopf, wird durch die Doppelwandigkeit der Schacht-Stirnwand 2 in vorteilhafter
Weise unterstützt.
[0019] An dem Zylinderkopf 1 ist weiterhin ein Kühlwasseraustrittskanal 11 ausgebildet,
über welchen das in dem Zylinderkopf 1 geführte Kühlwasser aus diesem austreten kann.
Zum Anschluß entsprechender Leitungsorgane ist an dem Zylinderkopf 1 durch spanabehebende
Bearbeitung eine Anschluß-Flanschfläche 12 ausgebildet.
[0020] Im Bereich der Nockenwellenachsen X1, X2 bildet die Schacht-Stirnwand 2 Lagersitz-Hälften
14, 15, zur Lagerung von Nockenwellen, deren Antriebsräder oder einer Steuerzeiten-Einstelleinrichtung.
[0021] In Fig. 2 ist in Form einer 3D-Computersimulation der durch die Schacht-Stirnwand
2 in dem Zylinderkopf 1 durch den Kühlwasserkanal 4 gebildete Fluidweg 4' dargestellt.
[0022] Der Fluidweg 4'erstreckt sich von einem Kühlwassereintrittsbereich 16 zu einem Kühlwasseraustrittsbereich
17. Hierbei teilt sich der Fluidweg 4' unter Bildung einer Insel 18 im Bereich des
in Fig. 1 dargestellten Lagersitzes 8 auf. Durch die im Bereich des Lagersitzes 8
bzw. der Insel 18 vorgesehenen Verbindung der beiden Wandungen 5, 6 wird eine hohe
Strukturfestigkeit erreicht.
[0023] Der Fluidweg 4' weist über den überwiegenden Teil seines Verlaufes einen im wesentlichen
flach-rechteckförmigen Querschnitt auf.
[0024] Im seinem, dem Motorblock 19 nahen Bereich biegt der Fluidweg 4' einwärts zum Motorblock
19 hin ab und mündet über eine Zylinderkopf-Sitzfläche 20 unter Ausnutzung der Dichtwirkung
einer Zylinderkopfdichtung in einen, im Motorblock 19 ausgebildeten Wasserpumpenkanal
21.
[0025] Der Fluidweg 4' bildet bei diesem Ausführungsbeispiel einen Bypass über welchen ein
aus dem Zylinderkopf 1 herausströmender Kühlwasserstrom 11' durch eine Thermostatanordnung
22 gesteuert zum Motorblock 19 oder zu einer Wasserpumpe zurückgeführt werden kann.
Der in der Schacht-Stirnwand 2 ausgebildete Kühlwasserkanal 4 kann jedoch auch derart
in den Fluidkreislauf eingebunden werden, daß dieser in Gegenrichtung, beispielsweise
zur Herausführung des Kühlwassers aus dem Zylinderkopf durchströmt wird.
1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einer, einen Nockenwellenantriebsschacht
(7) abdeckenden Schacht-Stirnwand (2), wobei in der Schacht-Stirnwand (2) ein Kühlwasserkanal
(4) ausgebildet ist, der sich von einem Kühlwassereintrittsbereich zu einem Kühlwasseraustrittsbereich
hin erstreckt.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schacht-Stirnwand (2) integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet ist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kühlwasserkanal (4) im wesentlichen quer zur Längsrichtung des Zylinderkopfes
erstreckt.
4. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schacht-Stirnwand (2) doppelwandig ausgebildet ist.
5. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf als Gußbauteil gefertigt ist.
6. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserkanal (4) sich bis in einen Sitzflächenbereich hinein erstreckt, in
welchem der Zylinderkopf auf einem Motorblock aufsitzt.
7. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserkanal (4) einen flach-rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
8. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserkanal (4) sich im wesentlichen über die gesamte Breite des Zylinderkopfes
erstreckt.
9. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf zwei Nockenwellen lagert, und daß sich die Schacht-Stirnwand (2)
von dem Zylinderkopf/Motorblock-Sitzflächenbereich bis auf Höhe der Nockenwellenachsen
(X1, X2) erstreckt.
10. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserkanal (4) sich bis zu einer Thermostat-Anschlußflanschfläche erstreckt.
11. Zylinderkopf nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserkanal (4) einen Kühler-Bypasskanal bildet.