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Zylinderkopf Die Erfindung bezieht sich auf wassergekühlte Zylinderköpfe
für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem zylindrischen oder vieleckigen Grundkörper,
dessen Symmetrieachse annähernd mit der Zylinderachse zusammenfällt, in dem Ventilkanäle
vom Umfang des Grundkörpers zu den Ventilsitzen der hängenden Ventile hin verlaufen,
wobei der Zylinderkopf aus einem einheitlichen Gußstück besteht.
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Es hat sich herausgestellt, daß die an derartigen Zylinderköpfen gelegentlich
feststellbaren Risse in der Mehrzahl der Fälle an dem Einlaßkanal auftreten, der
die kälteste Stelle des Zylinderkopfes darstellt. Diese zunächst überraschende Tatsache
wird folgendermaßen erklärt: Im Betrieb erwärmt sich der dem Zylinderboden benachbarte
Teil des Grundkörpers des Zylinderkopfes, insbesondere der Zylinderboden selbst,
der den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, stärker als der zwar durch das Kühlwasser
erwärmte, aber durch die eintretende Luft gekühlte Einlaßkanal. Wenn der Einlaßkanal
wie üblich durch Rippen und andere unnachgiebige Bauteile mit der Bodenplatte und
den wesentlich heißeren Stellen des Grundkörpers verbunden ist, so entstehen an
den Verbindungsstellen zwischen den heißen und kalten Partien des Zylinderkopfes
Spannungen infolge der ungleichen Wärmeausdehnung. Diese Spannungen können, besonders
bei Zylinderköpfen von größeren Dieseltnotoren von etwa 100 bis 300 PS Zylinderleistung,
zu Rissen führen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einem Zylinderkopf der eingangs
erwähnten Bauart dadurch gelöst, daß die Wandung des Einlaßkanals lediglich im Bereich
des Ventilsitzes und über eine außerhalb des eigentlichen Grundkörpers liegende
Ausbauchung mit dem Grundkörper derart verbunden ist, daß die Entfernung von dem
Einlaßventilsitz zur Verbindungsstelle zwischen Ausbauchung und Grundkörper kleiner
ist als die Entfernung zwischen dem Ventilsitz und der Verbindungsstelle zwischen
Ausbauchung und Einlaßkanalwand und daß die Ausbauchung im Bereich der Bodenplatte
frei tragend ausgeführt ist. Die rißverhindernde Wirkung dieser Maßnahme kommt folgendermaßen
zustande: Wenn die Gegend des Ventilsitzes, in welcher der Einlaßkanal in den Grundkörper
übergeht, als Festpunkt angenommen wird, so ist die radiale Lageveränderung einer
Partie am Umfang des Grundkörpers in der Gegend der Ausmündung des Einlaßkanals
abhängig von der durchschnittlichen Temperatur und der Länge des Wandelementes zwischen
dem Festpunkt und der Umfangspartie. Damit keine rißerzeugende Verlagerung der erwähnten
Umfangspartie des Grundkörpers gegenüber der damit in Verbindung stehenden Partie
des Einlaßkanals auftritt, muß zum Ausgleich für die niedrige Temperatur des Einlaßkanals
seine Dehnungslänge größer gehalten werden. Dies geschieht durch Einfügen einer
außerhalb des eigentlichen Grundkörpers liegenden Ausbauchung, welche die im Bereich
der Ausmündung des Einlaßkanals befindliche Umfangspartie des eigentlichen Grundkörpers
mit einer Partie des Einlaßkanals verbindet, die einen größeren Abstand als die
Umfangspartie des Grundkörpers von dem als Festpunkt anzusehenden Ventilsitz aufweist.
Dadurch werden die infolge der Wärmeausdehnung zu erwartenden Lageveränderungen
der durch die Ausbauchung verbundenen Partien etwa gleich groß. Sollte trotz dieser
Maßnahme immer noch ein Lageunterschied bestehen, was im Bereich der sehr heißen
Bodenplatte unvermeidbar ist, so ist die Ausbauchung imstande, den restlichen Unterschied
durch Formänderung auszugleichen, insbesondere dadurch, daß sie im Bereich der Bodenplatte
frei tragend ausgeführt ist.
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Ein Vergleich mit der üblichen Ausführung der Zylinderköpfe für größere
Dieselmotoren, für welche die Erfindung in erster Linie in Frage kommt und bei denen
der Einlaßkanal meist unter Einbeziehung von Pfeifen für die Befestigungsschrauben
und von Versteifungsrippen, d. h. mittels einer sehr formsteifen Verbindung an der
Bodenplatte des Grundkörpers befestigt ist, läßt erkennen, daß bei den bekannten
Zylinderköpfen infolge der ungleichen Wärmedehnung an dieser Stelle erhebliche Kräfte
zwischen der Bodenplatte selbst sowie den der Bodenplatte benachbarten Partien des
Grundkörpers und dem Einlaßkanal entstehen müssen, die besonders bei Zylinderköpfen
von größeren Dieselmaschinen zu Rissen an der schwächsten Stelle führen können.
Man
hat schon vorgeschlagen, die Ventilkanäle eines wassergekühlten Zylinderkopfes mit
Hilfe von Stopfbüchsen gegen die Außenwand des Grundkörpers abzudichten, damit sich
die Kanäle frei bewegen können. Eine praktische Bedeutung kommt diesem Vorschlag
nicht zu, da die Abdichtschwierigkeiten und der Fertigungsaufwand dieser Ausführung
erhebliche Hindernisse für eine Verwirklichung darstellen.
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Weiterhin ist noch eine Beschreibung eines Zylinderkopfes bekanntgeworden,
bei der ein Ventilkanal frei tragend ausgeführt und durch eine außerhalb des eigentlichen
Grundkörpers liegende Ausbauchung mit demselben verbunden ist. Eine Lehre für die
Erfindung ist daraus nicht zu entnehmen, da es unklar geblieben ist, ob der betreffende
Kanal der Einlaßkanal ist. Außerdem ist an der kritischsten Stelle, d. h. am Übergang
vom Ventilkanal zur Bodenplatte, eine Versteifung angebracht, «-elche die Formänderungsfähigkeit
der Ausbauchung behindert, was gemäß der Erfindung vermieden werden soll.
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Da der Vergrößerung der Dehnungslänge des Einlaßkanals durch die Außenabmessungen
der Maschine Grenzen gesetzt sind, können Maßnahmen, die den Temperaturunterschied
zwischen dem Einlaßkanal und den übrigen Teilen des Zylinderkopfes vermindern, zur
Lösung der Erfindungsaufgabe beitragen. Zweckmäßig wird der Einlaßkanal von einem
Kühlwasserraum umgeben, der zum größten Teil abseits von dem Hauptstrom des Kühlwassers
liegt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Ein- und Austrittsöffnungen für den Hauptstrom
des Kühlwassers in der Nähe des Auslaßkanals angeordnet sind, was zum Abbau von
Temperaturspitzen beiträgt. Unterstützend wirkt in diesem Zusammenhang eine Umlenkung
des Hauptstromes des Kühlwassers im Bereich der Ventilsitze, so daß das Kühlwasser
den Auslaßkanal im Hin- und Rückgang bespült.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
im Schnitt dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf
mit gesondert eingesetzten Ventilkörben längs der Linie B-B in Fig. 2; Fig. 2 zeigt
den zugehörigen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 1; Fig.3 und 4 zeigen die
gleichen Schnitte durch einen nach demselben Prinzip gestalteten Zylinderkopf ohne
gesondert eingesetzte Ventilkörbe.
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Der Grundkörper 1 des Zylinderkopfes wird durch die Bodenplatte 2,
die Deckplatte 3 und die Seitenwände 4 gebildet, wobei letztere in Form eines Achtecks
angeordnet sind, in dessen Ecken sich die Pfeifen 5 befinden. In den Pfeifen 5 verlaufen
die Bohrungen 6 für die nicht dargestellten Stehbolzen, mit denen der Zylinderkopf
auf den ebenfalls nicht dargestellten Zylinderblock gepreßt wird. Die Seitenwände
4 können auch Teile einer zylindrischen Außenbegrenzung sein. Sie können auch in
Form anderer Vielecke angeordnet sein. Die üblicherweise in den Seitenwänden vorhandenen,
mit Deckeln oder Kernstopfen verschlossenen Öffnungen sind in der Zeichnung weggelassen,
damit die Übersichtlichkeit nicht leidet. Die Seitenwände 4 sind im hier dargestellten
Fall symmetrisch zur Achse 7 angeordnet, die gleichzeitig auch die Zylinderachse
ist. Der Einlaßventilsitz 8 und der Auslaßventilsitz 9 wird durch je einen besonders
eingesetzten Ventilkorb 10 (Einlaß) und 11 (Auslaß) gebildet. Die Ventilkörbe 10
und 11 weisen eine mittlere zylindrische Partie 12 auf, in welche die Ventilführung
13 eingepreßt ist. Uni die Mittelpartie 12 erstreckt sich ringförmig der Kühlwasserraum
14, durch den das Kühlwasser mittels nicht dargestellter Rohre geleitet wird. Der
Kühlwasserraum ist von der Außenwand 15 begrenzt. Die Ventilkörbe 10 und 11 werden
mittels nicht dargestellter Schrauben auf die Dichtfläche 16 gepreßt. Die Abdichtung
am oberen Ende wird durch den elastischen Dichtring 17 bewirkt. Die Ventilkörbe
sind von den zylindrischen Wandungsteilen 18 (Eimaß) und 19 (Auslaß) umgeben, die
in den Einlaßkanal 20 und den Auslaßkanal 21 übergehen. Die Wandung 22 des Einlaßkanals
20 ist über eine Ausbauchung 23 mit dem eigentlichen Grundkörper 1 verbunden. Die
Innenkante 23 der Kragenförmigen Ausbauchung 23 steht in Verbindung mit der Wandung
22. Die Außenkante 25 der Ausbauchung 23 geht teilweise im Bereich der Pfeifen 5
und teilweise im Bereich der Bodenplatte 2 und der Deckplatte 3 in den Grundkörper
1 über. Die Ausbauchung 23 liegt außerhalb des eigentlichen Grundkörpers 1. Der
Einlaßkana120 erstreckt sich im wesentlichen in einer senkrecht zur Symmetrieachse
7 verlaufenden Ebene und ist in diesem Bereich auf dem größten Teil seiner Länge,
d. h. zwischen dem Einlaßventilsitz und der Verbindungsstelle 24 mit der Ausbauchung
23, frei tragend ausgebildet. Die Entfernung von dem Einlaßventilsitz 8 bis zur
Verbindungsstelle 25 zwischen Ausbauchung 23 und Grundkörper 1 ist kleiner als die
Entfernung zwischen dem Ventilsitz 8 und der Verbindungsstelle 24 zwischen Einlaßkanalwandung
22 und Ausbauchung 23. Beiderseits des Einlaßkanals 20 sind Wandungsteile 26 angeordnet,
die zusammen mit dem Einlaßkanal und der Ausbauchung 23 Hohlräume 27 bilden, durch
welche die nicht dargestellten Ventilstoßstangen geführt sind. Die Hohlräume 27
sind oben und unten offen und werden, wenn der Zylinderkopf in die Maschine eingebaut
ist, oben durch eine Haube und unten durch das Kurbelgehäuse oder durch Stoßstangenverkleidungen
öldicht verschlossen. Der Einlaßkanal 20 endet in einem Anschlußflansch 28, der
Auslaßkanal 21 in einen Anschlußflansch 29. In der Mitte des Zylinderkopfes befindet
sich die Sitzfläche 30 für den nicht dargestellten rohrförmigen Halter für die Einspritzdüse,
der von oben in den Zylinderkopf eingesetzt ist. Das Kühlwasser tritt aus dem nicht
dargestellten Kühlmantel des Zylinderblockes durch die Öffnung 31 in den Zylinderkopf
ein, durchströmt zunächst den durch die Zwischenwand 33 abgeteilten unteren Kühlwasserraum
32 und fließt dann entlang dem eingezeichneten Pfeil um die etwa in der Mitte des
Zylinderkopfes liegenden Kanten 34, 35 und 36 der Zwischenwand 33 und um die Wandungsteile
18 und 19 in den oberen Kühlwasserraum 37 und tritt aus der Öffnung 38 aus. Dadurch
wird der Auslaßkana121 im Hin- und Rückgang vom Kühlwasser bespült. Die Zwischenwand
geht in die Wandungsteile 18 und 19, den Auslaßkanal 21 und die Seitenwände 4 im
Bereich der vorgenannten "feile über, so daß das Kühlwasser keinen anderen Weg als
angegeben nehmen kann. Der Einlaßkanal 20 ist von dem Kühlwasserraum 39 umgeben.
In diesem Raum herrscht nur eine schwache Kühlmittelströmung. Die Entlüftungsbohrung
40, welche die Abfuhr von Dampfblasen aus dem Kühlmantel des Zylinderblockes bewirkt,
läßt nur einen schwachen Kühlmittelstrom zu, so daß der an sich schon durch die
Ansaugluft gekühlte Einlaßkana120 nicht noch weiter zusätzlich intensiv gekühlt
wird. Durch die beschriebene Anordnung der Kühlwasserströmung wird ein möglichst
geringer Temperaturunterschied zwischen dem Einlaßkanal und den übrigen Teilen des
Zylinderkopfes angestrebt. Im Bereich
des Auslaßkanals 21 herrscht
eine intensive Kühlmittelströmung, welche bewirkt, daß an dieser Stelle keine örtliche
Überhitzung auftritt. Die Zuflußöffnung 31 und die Austrittsöffnung 38 liegen im
Bereich des Auslaßkanals 21.