DE1043709B

DE1043709B - Fluid-cooled cylinder head designed as a hollow body for internal combustion engines, especially two-stroke diesel engines

Info

Publication number: DE1043709B
Application number: DEK33569A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Thomas Wirth
Original assignee: Krauss Maffei AG
Current assignee: Mannesmann Demag Krauss Maffei GmbH
Priority date: 1957-12-09
Filing date: 1957-12-09
Publication date: 1958-11-13

Description

Flüssigkeitsgekühlter, als Hohlkörper ausgebildeter Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitaktdieselmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten, als Hohlkörper ausgebildeten Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitaktdieselmaschinen, mit einem radial zu den Außenwänden hin stetig zunehmend verdickten Boden und einer zentral angeordneten Pfeife für die Einspritzdüse sowie mit im Hohlraum angeordneten Trennwänden zwischen der Pfeife für die Einspritzdüse und den Pfeifen für die Befestigungsschrauben des Zylinderkopfes, wobei im Boden des Zylinderkopfes ein Brennraum angeordnet und zum Beschleunigen des Kühlmittelumlaufes in den Trennwänden sowohl im Bereich des Einspritzdüsensitzes als auch im Bereich der Brennraumkante je eine Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, unmittelbar über denen die Trennwände verstärkt sind, nach Patent 967 809 und Zusatzpatent 968 700.Liquid-cooled cylinder head designed as a hollow body for Internal combustion engines, in particular two-stroke diesel engines on a liquid-cooled cylinder head designed as a hollow body for internal combustion engines, especially two-stroke diesel engines, with a radial towards the outer walls, increasingly thickened floor and a centrally arranged floor Whistle for the injection nozzle as well as with partition walls arranged in the cavity between the pipe for the injection nozzle and the pipe for the fastening screws of the Cylinder head, with a combustion chamber arranged in the bottom of the cylinder head and for Accelerating the coolant circulation in the partition walls both in the area of the injection nozzle seat as well as in the area of the combustion chamber edge a passage opening is provided, immediately above which the partition walls are reinforced, according to patent 967 809 and additional patent 968 700.

Dem Hauptpatent liegt ein Zylinderkopf zugrunde, der einen ebenen Boden aufweist, in den die zentral angeordnete Pfeife ausmündet. Durch die Maßnahmen des Hauptpatentes, die in der stetig zu den Seitenwänden hin verlaufenden Verdickung des Bodens und in der Anordnung von Durchtrittsöffnungen in der Ecke zwischen dem Boden und der Pfeife für die Einspritzdüse zu sehen sind, wird der Zylinderkopf nicht nur besonders gut versteift, sondern auch die hocherhitzten Stellen durch die Beschleunigung des Kühlmittels in den Durchtrittsöffnungen und die gute Wärmeableitung durch den verdickten Boden zuverlässig gekühlt.The main patent is based on a cylinder head that is flat Has bottom into which the centrally arranged pipe opens. Through the action of the main patent, in the thickening that runs steadily towards the side walls of the floor and in the arrangement of passage openings in the corner between the Bottom and the whistle for the injector can be seen is the cylinder head not only particularly well stiffened, but also through the highly heated areas the acceleration of the coolant in the passage openings and the good heat dissipation reliably cooled by the thickened base.

Bei Zylinderköpfen, die auf der Unterseite des Bodens einen Brennraum mit hinterschnittener Brennraumkante enthalten, wie sie in dem Zusatzpatent 968 700 unter Schutz gestellt sind, wird der Zylinderkopf durch die Aufnahme des Brennraumes in weit höherem Maße thermisch belastet und auch größeren Wärmeverformungen ausgesetzt, die durch verstärkte Kühlung und Versteifung ausgeglichen werden müssen. Entsprechend den Maßnahmen des Zusatzpatentes werden außer den Durchtrittsöffnungen in den Trennwänden am Einspritzdüsensitz noch je eine weitere Durchtrittsöffnung in den Trennwänden, und zwar im Bereich der hocherhitzten Brennraumkante, vorgesehen und unmittelbar über diesen die Trennwände durch Rippen versteift. Diese Maßnahmen gewährleisten nicht nur eine ausreichende Kühlung der Brennraumwand am Übergang zum Boden, sondern auch eine ausreichende Versteifung des durch den Brennraum geschwächten Zylinderkopfes. Bei Dieselbrennkraftmaschinen mit zusätzlicher Verdichtung der Ladeluft hat sich indessen ergeben, daß infolge der höheren Verdichtung und Verbrennung größerer Mengen des Ladeluft-Brennstoff-Gemisches die thermische Belastung der Brennraumkante zunimmt, so daß diese durch die Maßnahmen des Haupt- und Zusatzpatentes nicht genügend vor dem Verzundern und Abbrennen geschützt werden kann.With cylinder heads that have a combustion chamber on the underside of the floor with undercut combustion chamber edge, as described in additional patent 968 700 are placed under protection, the cylinder head is due to the inclusion of the combustion chamber thermally stressed to a much greater extent and also exposed to greater thermal deformations, which have to be compensated for by increased cooling and stiffening. Corresponding the measures of the additional patent are except for the passage openings in the partition walls at the injection nozzle seat another opening in each of the dividing walls, in the area of the highly heated edge of the combustion chamber, provided and immediately over this the partition walls stiffened by ribs. These measures ensure not only sufficient cooling of the combustion chamber wall at the transition to the floor, but also a sufficient stiffening of the cylinder head weakened by the combustion chamber. In diesel internal combustion engines with additional compression of the charge air has however show that as a result of the higher compression and combustion of larger quantities of the charge air-fuel mixture, the thermal load on the edge of the combustion chamber increases, so that this is not sufficient due to the measures of the main and additional patent can be protected from scaling and burning.

Eine Ausbildung der Brennraumkante aus einem hitzebeständigen Werkstoff, z. B. in bekannter Weise aus einem. in den Zylinderkopf eingegossenen Ring aus diesem Werkstoff, gewährleistet bei einem aus Gußeisen bestehenden Zylinderkopf keine haltbare Verbindung mit diesem, weil beide Werkstoffe verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so daß der Ring locker wird und Risse im Zylinderkopf auftreten.The edge of the combustion chamber is made of a heat-resistant material, z. B. in a known manner from a. Ring cast into the cylinder head from this Material does not guarantee a durable cylinder head made of cast iron Connection with this because both materials have different coefficients of expansion so that the ring becomes loose and cracks appear in the cylinder head.

Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, den Zylinderkopf nach dem Haupt- und Zusatzpatent so weiterzubilden, daß auch bei höchster thermischer Belastung die haltbare Verbindung der aus einem hitzebeständigen Werkstoff bestehenden Brennraumkante mit dem Zylinderkopf gewährleistet ist und eine hohe Verzunderungsfestigkeit der Brennraumkante ermöglicht wird.In contrast, the object on which the invention is based is to develop the cylinder head according to the main and additional patent so that also with highest thermal load the durable combination of a heat-resistant Material existing combustion chamber edge with the cylinder head is guaranteed and a high resistance to scaling of the combustion chamber edge is made possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der einen Brennraum mit hinterschnittener Brennraumkante aufnehmende Boden mit der zentralen Pfeife für die Einspritzdüse und den Außenwänden des Zylinderkopfes als ein topfförmiges Schmiedestück ausgebildet ist und die Trennwände mit den Durchtrittsöffnungen an einem in den Hohlraum des Schmiedestückes eingreifenden sowie von der Pfeife durchsetzten Deckel angeordnet sind. In vorteilhafter Weise ist hierbei die zwischen der Wand des Brennraumes und dem Boden des Schmiedestückes gebildete hinterschnittene Brennraumkante durch Auftragschweißung eines hitzebeständigen Werkstoffes gestaltet.To solve this problem it is proposed according to the invention, that the one combustion chamber with undercut combustion chamber edge receiving floor with the central pipe for the injector and the outer walls of the cylinder head is designed as a pot-shaped forging and the partition walls with the passage openings on one engaging in the cavity of the forging and on the pipe interspersed cover are arranged. In this case, the between the Wall of the combustion chamber and the bottom of the forging formed undercut combustion chamber edge by overlay welding of a heat-resistant material designed.

Durch diese Maßnahmen ist nicht nur eine gute Kühlung und Versteifung des Zylinderkopfes gewährleistet und damit ein Verzundern und Einreißen der hocherhitzten Stellen des Zylinderkopfes vermieden, sondern darüber hinaus eine festhaftende und gegenüber der Wärmeeinwirkung widerstandsfähige sowie leicht herzustellende Brennraumkante geschaffen, durch die die Standzeit des Zylinderkopfes wesentlich verlängert wird.These measures not only provide good cooling and stiffening of the cylinder head and thus a scaling and tearing of the highly heated Places of the cylinder head avoided, but also a firmly adhering and Combustion chamber edge that is resistant to the effects of heat and easy to manufacture created, through which the service life of the cylinder head is significantly extended.

Die Verwendung von Schmiedeeisen für den Zylinderkopf, die erst die Auftragsschweißung der Brennraumkante aus hitzebeständigem Werkstoff ermöglicht, bedingt die Zweiteiligkeit des Zylinderkopfes, weil die Hohlräume nicht geschmiedet werden können. Es sind zwar bereits zweiteilige Zylinderköpfe aus Schmiedeeisen bekannt, die jedoch keinen Brennraum enthalten. Durch diese Ausbildung soll lediglich eine höhere Festigkeit des Zylinderkopfbodens gegenüber dem gegossener Zylinderköpfe erzielt werden. Die Erfindung beansprucht keinen Schutz für die zweiteilige Ausbildung des Zylinderkopfes, sondern für die Verwendung von Schmiedeeisen für diesen zur dauerhaften Befestigung der Brennraumkante.The use of wrought iron for the cylinder head, which was only the Build-up welding of the combustion chamber edge made of heat-resistant material enables causes the cylinder head to be two-part because the cavities are not forged can be. There are already two-part cylinder heads made of wrought iron known, but they do not contain a combustion chamber. This training is only intended to a higher strength of the cylinder head base compared to the cast cylinder heads be achieved. The invention claims no protection for the two-part design of the cylinder head, but for the use of wrought iron for this permanent fastening of the edge of the combustion chamber.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf nach der Schnittlinie I-I der Abb. 2, Abb.2 eine Draufsicht auf Abb. 1 mit einem als Deckel dienenden, teilweise entfernten Einsatz, Abb. 3 einen Schnitt durch einen Teil der Brennraumwand mit der Brennraumkante, deren Querschnitt ein ungleichseitiges Dreieck bildet, in vergrößertem Maßstab, und Abb.4 einen Schnitt durch einen Teil der Brennraumwand mit der Brennraumkante, deren Querschnitt ein gleichschenkliges Dreieck bildet, in vergrößertem Maßstab.The drawing shows an exemplary embodiment of the subject matter of the invention shown schematically. Fig. 1 shows a longitudinal section through the cylinder head after the section line I-I of Fig. 2, Fig.2 a plan view of Fig. 1 with a serving as a cover, partially removed insert, Fig. 3 a section through a Part of the combustion chamber wall with the edge of the combustion chamber, the cross-section of which is unequal Triangle forms, on a larger scale, and Figure 4 shows a section through a part the combustion chamber wall with the edge of the combustion chamber, the cross-section of which is isosceles Triangle forms, on an enlarged scale.

Für eine Zweitaktdieselbrennkraftmaschine mit zusätzlicher Verdichtung der Ladeluft, beispielsweise durch einen Abgasturbolader, ist ein im Gesenk geschmiedeter Zylinderkopf aus Stahl mit einer quadratischen Grundrißfläche vorgesehen.For a two-stroke diesel engine with additional compression the charge air, for example through an exhaust gas turbocharger, is drop-forged Steel cylinder head provided with a square plan area.

Dieser Zylinderkopf enthält im Boden 1 einen konzentrisch angeordneten, etwa halbellipsoidförmigen Brennraum 2, in den eine gleichachsig angeordnete Pfeife 3 für eine Einspritzdüse mündet. Die Pfeife 3 und der Brennraum2 sind von einem nach der Decke4 des Zylinderkopfes im vollen Querschnitt ausmündenden ringförmigen Kühlraum 5 umgeben, dem das Kühlmittel aus dem Kühlraum des Zylinders durch mehrere im wesentlichen axial in der Außenwand 6 verlaufende Bohrungen 7 zugeführt und durch eine in halber Höhe dieser Wand vorgesehene radiale Bohrung 8 abgeführt wird. In einem solchen geschmiedeten Zylinderkopf verlaufen die Werkstoffasern im wesentlichen längs des Bodens 1, so daß dieser eine Festigkeit aufweist, die jedwede Versteifungsrippen im Kühlraum 5 zwischen dem Boden 1 und der Außenwand 6 entbehrlich macht, weshalb die Grundform des Zylinderkopfes ohne weiteres im Gesenk geschmiedet werden kann. Es sind lediglich geringe Aus- bzw. Nachdreharbeiten im Brennraum2, der Deckfläche und dem Boden 1 sowie der Absetzfläche 18 der Pfeife 3 aufzuwenden und die Bohrungen 7, 8 für den Kühlmittelzu- und -abfluß herzustellen. Dieser schmiedeeiserne Zylinderkopf ist mit einem gegossenen oder im Gesenk geschmiedeten Deckel 9 aus Aluminium versehen, der die Ausmündung des Kühlraumes 5 abdeckt und gleichzeitig zur Führung des Kühlmittels dient. Dieser Deckel besteht aus einem in den Kühlraum 5 teilweise hineinragenden kegelstumpfförmigen Körper 10, an dessen Mantelfläche im Bereich der Decke 4 ein flanschartiger Ansatz 11 zur Abstützung und Befestigung auf der Außenwand 6 des Zylinderkopfes vorgesehen ist. Außerdem sind auf dessen Stirnfläche 12 mehrere rippenartige, radial gerichtete Trennwände 13 angeordnet, die im eingesetzten Zustand des Deckels 9 den Kühlraum 5 in Kammern unterteilen. Die Trennwände 13 treten an den Außenmantel der Pfeife 3 und den Innenmantel der Außenwand 6 des Zylinderkopfes praktisch spielfrei heran und weisen zum Boden 1 einen geringen, die Ausdehnung des Deckels ermöglichenden Abstand auf. In an sich bekannter Weise sind im Bereich der höchsterhitzten Stellen, und zwar am Übergang der Pfeife 3 zur Brennraumwand 14 und am Übergang dieser Wand zum Boden 1 Durchtrittsöfnungen 15 für das-Kühlmittel angeordnet, durch die der Kühlmittelumlauf an diesen Stellen beschleunigt und die Wärmeabfuhr erhöht wird. Zur Abdichtung des Kühlraumes 5 an seiner Ausmündung sind Dichtungsringe 16 zwischen dem flanschförmigen Ansatz ih des Deckels 9 und der Außenwand 6 des Zylinderkopfes sowie zwischen einer Absetzfläche 17 des Deckels 9 und der entsprechenden Absetzfläche 18 an der Pfeife 3 vorgesehen. Der Deckel 9 ist mittels in der Zeichnung nicht dargestellter Stiftschrauben, die durch Bohrungen in dessen flanschförmigem Ansatz 11 führen und in Gewindebohrungen in der Stirnfläche der Außenwand 6 des Zylinderkopfes eingeschraubt sind, auf dieser befestigt. Desgleichen kann die in der Zeichnung nicht dargestellte Einspritzdüse in gleicher Weise mittels Flansch und Stiftschrauben auf der Decke 4 des Deckels 9 befestigt und in der Pfeife 3 gehalten werden.This cylinder head contains a concentrically arranged, approximately semi-ellipsoidal combustion chamber 2, in which a coaxially arranged pipe 3 opens for an injection nozzle. The pipe 3 and the combustion chamber 2 are of one after the ceiling4 of the cylinder head in the full cross-section opening out annular Surrounding cooling space 5, which the coolant from the cooling space of the cylinder by several Bores 7 extending essentially axially in the outer wall 6 are supplied and through a radial bore 8 provided at half the height of this wall is removed. In The fibers of the material essentially run in such a forged cylinder head along the bottom 1, so that this has a strength that any stiffening ribs in the cooling space 5 between the bottom 1 and the outer wall 6 makes unnecessary, which is why the basic shape of the cylinder head can easily be drop forged. There are only minor turning or re-turning work in the combustion chamber2, the top surface and the bottom 1 and the settling surface 18 of the pipe 3 and the holes 7, 8 for the coolant inflow and outflow. This wrought iron cylinder head is provided with a cast or drop forged cover 9 made of aluminum, which covers the opening of the cooling chamber 5 and at the same time for guiding the coolant serves. This cover consists of a partially protruding into the cooling space 5 frustoconical body 10, on its lateral surface in the region of the ceiling 4 flange-like extension 11 for supporting and fastening on the outer wall 6 of the Cylinder head is provided. In addition, several rib-like, arranged radially directed partitions 13, which in the inserted state of the lid 9 divide the cooling space 5 into chambers. The partition walls 13 come to the outer jacket the pipe 3 and the inner jacket of the outer wall 6 of the cylinder head practically free of play approach and point to the bottom 1 a small, the expansion of the lid possible Distance on. In a manner known per se, in the area of the highest hot spots, namely at the transition of the pipe 3 to the combustion chamber wall 14 and at the transition of this wall to the bottom 1 through openings 15 for the coolant arranged through which the The coolant circulation is accelerated at these points and the heat dissipation is increased. To seal the cooling space 5 at its mouth, sealing rings 16 are between the flange-shaped extension ih of the cover 9 and the outer wall 6 of the cylinder head as well as between a settling surface 17 of the cover 9 and the corresponding settling surface 18 provided on the pipe 3. The cover 9 is not shown in the drawing by means of Stud bolts that lead through holes in the flange-shaped extension 11 and screwed into threaded holes in the end face of the outer wall 6 of the cylinder head are attached to this. Likewise, the one not shown in the drawing can Injection nozzle in the same way by means of flange and studs on the ceiling 4 of the lid 9 and held in the pipe 3.

Erfindungsgemäß ist die Brennraumkante 19 durch Auftragschweißen eines hitzebeständigen Werkstoffes, z. B. einer Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung, auf eine durch Ausdrehen der Brennraurnwand 14 an der Mündung entstandene zylindrische oder nach außen kegelförmig erweiterte Fläche 20 gebildet. Nach der Auftragschweißung wird durch Überdrehen bzw. Überschleifen derselben ein stetiger Übergang zum Boden 1 und der Brennrauminnenfläche hergestellt, wodurch die aus dem hitzebeständigen Werkstoff bestehende Brennraumkante 19 einen dreieckförmigen Querschnitt erhält. Ein Optimum an Haltbarkeit dieser Brennraumkante wird erfindungsgemäß erhalten, wenn der Abstand der inneren Kante 21 von der durch die Schweißnaht gebildeten Basis 22 etwa deren Länge entspricht oder die der Basis 22 anliegenden Seiten 23 des dreieckförmigen Querschnittes gleich lang sind. In letzerem Fall wird an Stelle der zylindrischen Ausdrehung der Brennraumwand eine nach außen kegelförmig erweiterte Ausdrehung vorgesehen.According to the invention, the combustion chamber edge 19 is formed by build-up welding heat-resistant material, e.g. B. a cobalt-chromium-tungsten alloy on a by turning out the combustion chamber wall 14 at the mouth, cylindrical or Outwardly conically widened surface 20 is formed. After surfacing becomes a steady transition to the ground by turning it over or sanding it over 1 and the inner surface of the combustion chamber, whereby the heat-resistant Material existing combustion chamber edge 19 is given a triangular cross-section. An optimum of durability of this combustion chamber edge is obtained according to the invention, when the distance of the inner edge 21 from the base formed by the weld seam 22 approximately corresponds to the length thereof or the sides 23 of the triangular shape resting against the base 22 Cross-section are of the same length. In the latter case, instead of the cylindrical Turning of the combustion chamber wall is provided an outwardly conically widened recess.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Liquid-cooled, designed as a hollow body Cylinder head for internal combustion engines, in particular two-stroke diesel engines, with a bottom that is steadily thickened in the radial direction towards the outer walls and one centrally arranged whistle for the injection nozzle as well as with in the cavity arranged Partitions between the pipe for the injection nozzle and the pipes for the fastening screws of the cylinder head, a combustion chamber being arranged and in the bottom of the cylinder head to accelerate the coolant circulation in the partition walls both in the area of the Injection nozzle seat as well as in the area of the combustion chamber edge each have a passage opening is provided according to patent 967 809 and additional patent 968 700, characterized in that that the one combustion chamber (2) with an undercut combustion chamber edge (19) receiving it Bottom (1) with the central pipe (3) for the injection nozzle and the outer walls (6) of the cylinder head is designed as a pot-shaped forging and the Partition walls (13) with the Dur.chtrittsöffnungen (15) on one in the cavity of the Forging engaging and penetrated by the pipe cover (9) arranged are.

2. Cylinder head according to claim 1, characterized in that the rear edge of the combustion chamber (19) formed between the wall of the combustion chamber (2) and the bottom of the forging is designed by overlay welding of a heat-resistant material.

3. Cylinder head according to claims 1 and 2, characterized in that the cavity of the forging is cylindrical and the cover (9) has a projection (11) serving as a centering collar, the end face (12) of which the partition walls (13) carrying the course of the bottom (1) is adapted.

4. Cylinder head according to claims 1 to 3, characterized in that the free end of the pipe (3) deposited and the deposition point in the same way as the The root of the approach (11) is sealed against the forging.

5. Cylinder head according to Claim 2, characterized in that the wall (14) of the combustion chamber (2) which has the combustion chamber edge (19) and is formed by build-up welding is designed with an approximately triangular cross-section, the base (22) of which is formed by the weld seam corresponds to the distance of the opposite edge (21) from the weld seam or whose sides (23) resting on the base are of the same length.