DE102017104588B4

DE102017104588B4 - Cylinder head for a reciprocating engine

Info

Publication number: DE102017104588B4
Application number: DE102017104588.0A
Authority: DE
Inventors: Marius Burkauskas
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2037-03-07
Also published as: DE102017104588A1

Abstract

Zylinderkopf (1) für eine Hubkolbenmaschine zur Verdichtung eines Fluids, insbesondere Umgebungsluft, umfassend eine Kopfplatte (2) mit einer Druckkammer (14) und einer Auslassöffnung (5), eine Zwischenplatte (3) und eine Kühlkanalplatte (4), wobei zumindest ein Kanalabschnitt vorgesehen ist, der durch die Kühlkanalplatte (4), die Zwischenplatte (3), die Druckkammer (14) und die Auslassöffnung (5) der Kopfplatte (2) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (14) im Bereich der Auslassöffnung (5) eine Rippe (6) aufweist, die derart ausgeführt ist, dass zumindest bereichsweise eine Kraft von der Kopfplatte (2) auf die Zwischenplatte (3) ausgeübt wird, sodass ein in die Kühlkanalplatte (4) integrierter Kühlwasserkanal (8) mittels der Zwischenplatte (3) gegenüber dem Kanalabschnitt abgedichtet wird.

Cylinder head (1) for a reciprocating engine for compressing a fluid, in particular ambient air, comprising a head plate (2) with a pressure chamber (14) and an outlet opening (5), an intermediate plate (3) and a cooling channel plate (4), with at least one channel section is provided, which leads through the cooling channel plate (4), the intermediate plate (3), the pressure chamber (14) and the outlet opening (5) of the top plate (2), characterized in that the pressure chamber (14) in the area of the outlet opening (5 ) has a rib (6) which is designed in such a way that a force is exerted by the head plate (2) on the intermediate plate (3) at least in certain areas, so that a cooling water channel (8) integrated into the cooling channel plate (4) by means of the intermediate plate ( 3) is sealed against the channel section.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Hubkolbenmaschine zur Verdichtung eines Fluides, insbesondere Umgebungsluft.The invention relates to a cylinder head for a reciprocating engine for compressing a fluid, in particular ambient air.

Eine Hubkolbenmaschine oder auch Kompressor eines Fahrzeugdruckluftsystems umfasst im Allgemeinen einen Zylinderkopf mit einem Luftkanal-System und einer Zylinderkolbeneinheit.A reciprocating piston engine or compressor of a vehicle compressed air system generally includes a cylinder head with an air duct system and a cylinder-piston unit.

Ein derartiger Zylinderkopf ist aus mehreren Schichten zusammengesetzt, die derart mit der Zylinderkolbeneinheit verschraubt sind, dass die Schichten zueinander abgedichtet sind. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine Kopfplatte, mit einer Druckkammer und einer Auslassöffnung, eine Zwischenplatte, Dichtelemente, eine Kühlkanalplatte und/oder eine Ventilträgerplatte. Durch den Zylinderkopf führen neben den Kanälen zur Luftführung auch Kanäle zur Kühlwasserführung.A cylinder head of this type is composed of several layers which are screwed to the cylinder-piston unit in such a way that the layers are sealed off from one another. This is essentially a head plate with a pressure chamber and an outlet opening, an intermediate plate, sealing elements, a cooling channel plate and/or a valve carrier plate. In addition to the ducts for air flow, ducts for cooling water flow through the cylinder head.

Die einzelnen Kanäle können Abschnitte aufweisen, die als Kammern ausgeführt sind. In den Kammerbereichen verlangsamt sich die Strömungsgeschwindigkeit, so dass beispielsweise eine bessere Kühlwirkung erreicht wird.The individual channels can have sections that are designed as chambers. The flow speed slows down in the chamber areas so that, for example, a better cooling effect is achieved.

Im Betrieb des Kompressors wird Luft durch einen Einlass angesaugt und in der Kompressorstufe komprimiert, wodurch die Luft erhitzt wird. Die Druckluft wird anschließend von einem Zylinderauslass, durch den Auslasskanal durch den Zylinderkopf bis zu einem Auslassflansch geleitet. Die Temperatur der Druckluft wird auf dem Weg durch den Zylinderkopf zum Auslassflansch an möglichst vielen Kühlflächen vorbeigeführt, um die Temperatur der Druckluft soweit zu reduzieren, dass die Luft durch eine Trocknungseinheit, zur Filterung und Trocknung, geleitet werden kann.In compressor operation, air is drawn in through an inlet and compressed in the compressor stage, heating the air. The compressed air is then routed from a cylinder outlet, through the outlet port, through the cylinder head to an outlet flange. On the way through the cylinder head to the outlet flange, the temperature of the compressed air is guided past as many cooling surfaces as possible in order to reduce the temperature of the compressed air to such an extent that the air can be routed through a drying unit for filtering and drying.

Die DE 698 263 81 T2 offenbart einen Zylinderkopf für eine Hubkolbenmaschine. Dieser besteht im Wesentlichen aus dem Zylinderkopf, einer Platte und der Ventilplatte, sowie dazwischen angeordneten Dichtungen. Weiterhin sind Rippen im Bereich der Druckkammer offenbart, die zur Luftführung und zur Kühlung der Luft dienen.the DE 698 263 81 T2 discloses a cylinder head for a reciprocating engine. This essentially consists of the cylinder head, a plate and the valve plate, as well as seals arranged in between. Furthermore, ribs are disclosed in the area of the pressure chamber, which serve to guide and cool the air.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Luftführung durch den Zylinderkopf und einen verbesserten Aufbau des Zylinderkopfs vorzuschlagen.The object of the invention is to propose improved air routing through the cylinder head and an improved structure of the cylinder head.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Zylinderkopf gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.According to the invention, this object is achieved with a cylinder head according to claim 1. Further advantageous configurations and preferred solution variants are described in the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Zylinderkopf für eine Hubkolbenmaschine zur Verdichtung eines Fluids, insbesondere Umgebungsluft, umfassend eine Kopfplatte mit einer Druckkammer und einer Auslassöffnung, eine Zwischenplatte und eine Kühlkanalplatte, wobei zumindest ein Kanalabschnitt vorgesehen ist, der durch die Kühlkanalplatte, die Zwischenplatte, die Druckkammer und die Auslassöffnung der Kopfplatte führt.According to the invention, a cylinder head for a reciprocating piston machine for compressing a fluid, in particular ambient air, comprising a head plate with a pressure chamber and an outlet opening, an intermediate plate and a cooling channel plate, at least one channel section being provided which runs through the cooling channel plate, the intermediate plate, the pressure chamber and the Outlet opening of the headstock leads.

Zur Verbesserung der Luftführung wird vorgeschlagen, in der Druckkammer eine Rippe im Bereich der Auslassöffnung anzuordnen, die derart ausgeführt ist, dass zumindest bereichsweise eine Kraft von der Kopfplatte auf die Zwischenplatte ausgeübt wird, sodass ein in die Kühlkanalplatte integrierter Kühlkanal mittels der Zwischenplatte gegenüber dem Kanalabschnitt abgedichtet wird.In order to improve the air flow, it is proposed to arrange a rib in the pressure chamber in the area of the outlet opening, which is designed in such a way that a force is exerted by the top plate on the intermediate plate at least in certain areas, so that a cooling duct integrated into the cooling duct plate is opposite the duct section by means of the intermediate plate is sealed.

Die in der Druckkammer angeordnete Rippe teilt die Druckkammer in zwei Teilbereiche, die zu mehr Verwirbelungen in der Kammer führen, so dass eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen Kühlflächen und Luft erfolgen kann.The rib arranged in the pressure chamber divides the pressure chamber into two sections, which lead to more turbulence in the chamber, so that heat transfer between the cooling surfaces and the air can be improved.

Zudem ist die Rippe derart ausgebildet, dass diese eine gewisse Kraft auf die Zwischenplatte ausübt, insbesondere an den Stellen, an denen die Zwischenplatte als Deckplatte für einen Kühlkanal dient. Die Kraft bzw. Abstützung bewirkt eine Verbesserung der Dichtigkeit zwischen Zwischenplatte und Kühlplatte.In addition, the rib is designed in such a way that it exerts a certain force on the intermediate plate, in particular at the points at which the intermediate plate serves as a cover plate for a cooling channel. The force or support causes an improvement in the tightness between the intermediate plate and the cooling plate.

In einer bevorzugten Ausführung kann die Rippe gegenüber der Auslassöffnungsachse geneigt und/oder gekrümmt ausgeführt sein, so dass eine Luftströmung beeinflusst wird, die durch die Druckkammer zur Auslassöffnung strömt.In a preferred embodiment, the rib can be inclined and/or curved relative to the outlet opening axis, so that an air flow that flows through the pressure chamber to the outlet opening is influenced.

Weiterhin kann in einer Ausführung die Rippe gegenüber der Auslassöffnung mittig angeordnet sein, so dass der Luftstrom mittig geteilt wird.Furthermore, in one embodiment, the rib can be arranged centrally in relation to the outlet opening, so that the air flow is divided in the middle.

Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die Rippe im Bereich der Auslassöffnung eine Aussparung aufweist. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn die Auslassöffnung seitlich angeordnet ist. Die Rippe gewährleistet auch bei seitlicher Auslassöffnung eine Zweiteilung des Luftstroms, wodurch die Kühlung verbessert wird.Furthermore, it can be provided that the rib has a recess in the area of the outlet opening. This is of particular interest when the outlet opening is arranged on the side. The rib ensures that the airflow is divided in two, even with a side outlet opening, which improves cooling.

Zur weiteren Verbesserung der Luftführung kann die Rippe einen Rippenfortsatz aufweisen, der entlang des Kanalabschnitts verläuft, so dass der Kanalabschnitt auch im Bereich der Kühlkanalplatte und/oder Zwischenplatte in zwei Kanalbereiche geteilt wird.To further improve the air flow, the rib can have a rib extension that runs along the channel section, so that the channel section is also divided into two channel areas in the area of the cooling channel plate and/or intermediate plate.

In einer weiteren Ausführung kann die Rippe an die Form des Dichtungsverlaufes zwischen Kühlkanalplatte und Zwischenplatte angepasst sein. Das heißt, dass die Rippe zumindest an den Stellen die Zwischenplatte abstützt oder eine Kraft auf diese ausübt, an denen die Dichtung für den Kühlkanal verläuft.In a further embodiment, the rib to the shape of the seal course between cooling channel plate and intermediate plate must be adjusted. This means that the rib supports the intermediate plate or exerts a force on it at least at the points where the seal for the cooling channel runs.

Vorzugsweise ist die Rippe einteilig mit der Kopfplatte ausgeführt.The rib is preferably made in one piece with the top plate.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Further features of the cylinder head according to the invention and further advantages of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the drawings.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to sketches.

In diesen zeigen:

1 ein erfindungsgemäßer Zylinderkopf
2 den Schnitt A-A durch den Zylinderkopf
3 eine alternative Rippengestaltung
4 Zylinderkopf mit seitlicher Auslassöffnung

In these show:

1 a cylinder head according to the invention
2 the section AA through the cylinder head
3 an alternative rib design
4 Cylinder head with side exhaust port

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 mit den zur Erfindung gehörenden Bauteilen. Der gesamte Zylinderkopf, wie er auf eine Hubkolbenmaschine oder auch Luftpresser montiert werden kann, umfasst zumindest noch eine Ventilträgerplatte mit den Ein- und Ausström-Ventilen. 1 shows a cylinder head 1 according to the invention with the components belonging to the invention. The entire cylinder head, as it can be mounted on a reciprocating engine or air compressor, also includes at least one valve carrier plate with the inflow and outflow valves.

Ein derartiger Luftpresser kann eine oder mehr Verdichterstufen aufweisen. In der vorliegenden Erfindung geht es aber um die Gestaltung des letzten Auslasskanals. Durch diesen Kanal strömt die verdichtet Luft 13, wenn sie die letzte Verdichterstufe durch das Auslassventil verlässt und in Richtung der Auslassöffnung 5 strömt.Such an air compressor can have one or more compression stages. However, the present invention is concerned with the design of the last outlet channel. The compressed air 13 flows through this channel when it leaves the last compressor stage through the outlet valve and flows in the direction of the outlet opening 5 .

Der Kanal führt wie dargestellt zumindest durch die Kühlkanalplatte 4, die Zwischenplatte 3 und die Kopfplatte 2 des Zylinderkopfs 1. Die einzelnen Bauteile werden allgemein als Platten bezeichnet, es kann sich dabei aber auch um Gussteile handeln die beispielsweise Hohlräume und dergleichen aufweisen.As shown, the channel leads at least through the cooling channel plate 4, the intermediate plate 3 and the head plate 2 of the cylinder head 1. The individual components are generally referred to as plates, but they can also be cast parts, for example having cavities and the like.

In der Kühlkanalplatte 4 sind Kühlkanalrillen oder Kühlwasserkanäle 8 vorgesehen, die von der Trennplatte verschlossen sind. Der Verlauf ist derart ausgelegt, dass diese an den temperaturmäßig am Höchsten belasteten Teilbereichen des Zylinderkopfes 1 vorbeiführen. Die Außenflächen des Kühlwasserkanals 8 wirken als Kühlflächen 7.Cooling channel grooves or cooling water channels 8 are provided in the cooling channel plate 4 and are closed by the partition plate. The course is designed in such a way that these lead past the partial areas of the cylinder head 1 that are subjected to the highest temperature loads. The outer surfaces of the cooling water channel 8 act as cooling surfaces 7.

Im weiteren Verlauf des Kanals wird ein Teilabschnitt des Kanals von der Druckkammer 14 gebildet. Diese Druckkammer hat unter anderem die Aufgabe die ausströmende Druckluft möglichst weit herunter zu kühlen.In the further course of the channel, a partial section of the channel is formed by the pressure chamber 14 . One of the tasks of this pressure chamber is to cool the outflowing compressed air as far as possible.

In der Druckkammer 14 ist erfindungsgemäß eine Rippe 6 vorgesehen. Diese Rippe kann unterschiedlich ausgeführt sein, hat aber immer zwei wesentliche Aufgaben. Einmal beeinflusst die Rippe 6 den Luftstrom 13, insbesondere im Bereich der Druckkammer 14. Wobei je nach Formgebung der Rippe, unterschiedliche Ziele verfolgt werden können, wie geringere Strömungsverluste oder bessere Luftleitung. Um eine bessere Strömung zu erhalten kann die Rippe beispielsweise gegenüber der Auslassöffnungsachse geneigt und /oder gekrümmt ausgeführt sein.According to the invention, a rib 6 is provided in the pressure chamber 14 . This rib can be designed in different ways, but it always has two main tasks. On the one hand, the rib 6 influences the air flow 13, in particular in the area of the pressure chamber 14. Depending on the shape of the rib, different goals can be pursued, such as lower flow losses or better air conduction. In order to obtain a better flow, the rib can, for example, be designed to be inclined and/or curved with respect to the axis of the outlet opening.

Des Weiteren ist die Rippe 6 derart gestaltet, dass zumindest bereichsweise eine Kraft von der Kopfplatte 2 auf die Zwischenplatte 3 ausgeübt wird, sodass der in die Kühlkanalplatte 4 integrierte Kühlwasserkanal 8 mittels der Zwischenplatte 3 gegenüber dem Luftkanal abgedichtet wird. Diese Abstützung der Zwischenplatte 3 verhindert deren Durchbiegung, so dass die Materialwandstärken gegenüber dem StdT reduziert werden kann, ohne die Dichtigkeit des Kühlkanals zu gefährden.Furthermore, the rib 6 is designed in such a way that a force is exerted by the top plate 2 on the intermediate plate 3 at least in certain areas, so that the cooling water channel 8 integrated into the cooling channel plate 4 is sealed off from the air channel by means of the intermediate plate 3 . This support of the intermediate plate 3 prevents it from bending, so that the material wall thickness can be reduced compared to the StdT without jeopardizing the tightness of the cooling channel.

Da die Rippe 6 mit den Kühlflächen 7 in Kontakt steht, wirkt die Rippe 6 auch als Kühlrippe, insbesondere wenn diese wie hier dargestellt bis in die Kühlplatte 4 hineinragt. Wie auch aus dem Schnitt A-A, 2, zu erkennen ist, strömt die Druckluft 13 bei der hier dargestellten Ausführung der Rippe 6 beidseitig um die Rippe herum. Der Ausschnitt 10 in der Rippe 6 gewährleistet den vollen Auslassquerschnitt der Auslassöffnung 5.Since the rib 6 is in contact with the cooling surfaces 7, the rib 6 also acts as a cooling rib, in particular if it protrudes into the cooling plate 4, as shown here. As also from section AA, 2 , It can be seen that the compressed air 13 flows around the rib on both sides in the embodiment of the rib 6 shown here. The cutout 10 in the rib 6 ensures the full outlet cross section of the outlet opening 5.

Die Anströmkante 15 der Rippe 6 ist strömungsgünstig ausgelegt.The leading edge 15 of the rib 6 is designed to be streamlined.

In 3 wird eine alternative Gestaltung der Rippe 6 gezeigt. Hier ist die Rippe 6 so gestaltet, dass diese im Bereich der Druckkammer vollständig umströmt werden kann. Die Rippe 6 hat also keinen Kontakt zu den seitlichen Druckkammerwänden.In 3 an alternative design of the rib 6 is shown. Here the rib 6 is designed in such a way that the flow can flow completely around it in the area of the pressure chamber. The rib 6 therefore has no contact with the lateral pressure chamber walls.

4 zeigt eine Version, bei der ein Seitenauslass 11 genutzt wird. Bei der Nutzung des Seitenauslasses 11 wird die Druckluftführung 13 durch den Zylinderkopf 1 ebenfalls beidseitig um die Rippe herumgeführt. Der Strömungsanteil 13, links von der Rippe 6, gelangt hier über die Aussparung 10 in den rechten Teil. So ist gewährleistet, dass auch der linke Bereich des Kanals für die Kühlung der Druckluft genutzt wird. 4 shows a version in which a side outlet 11 is used. When using the side outlet 11, the compressed air duct 13 is also guided through the cylinder head 1 around the rib on both sides. The flow part 13, to the left of the rib 6, reaches the right-hand part via the recess 10. This ensures that the left area of the duct is also used to cool the compressed air.

Claims

Cylinder head (1) for a reciprocating engine for compressing a fluid, in particular the vice Exercise air, comprising a head plate (2) with a pressure chamber (14) and an outlet opening (5), an intermediate plate (3) and a cooling channel plate (4), with at least one channel section being provided which runs through the cooling channel plate (4), the intermediate plate (3), the pressure chamber (14) and the outlet opening (5) of the top plate (2), characterized in that the pressure chamber (14) has a rib (6) in the area of the outlet opening (5) which is designed in such a way that at least in some areas a force is exerted by the head plate (2) on the intermediate plate (3), so that a cooling water channel (8) integrated into the cooling channel plate (4) is sealed off from the channel section by means of the intermediate plate (3).

Cylinder head (1) according to claim 1 , characterized in that the rib is designed to be inclined and/or curved relative to the axis of the outlet opening, so that an air flow is influenced.

Cylinder head (1) according to claim 1 , characterized in that the rib is arranged centrally in relation to the outlet opening (5).

Cylinder head (1) according to claim 1 , characterized in that the rib (6) has a recess (10) in the region of the outlet opening.

Cylinder head (1) according to claim 1 , characterized in that the rib (6) has a rib extension which runs along the channel section, so that the channel section is also divided into two channel areas in the area of the cooling channel plate (4) and/or intermediate plate (3).

Cylinder head (1) according to claim 1 , characterized in that the rib is adapted to the shape of the course of the seal between the cooling channel plate (4) and the intermediate plate.

Cylinder head (1) according to claim 1 , characterized in that the rib is made in one piece with the top plate (2).