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Luftgekühlter Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen Vor allem bei luftgekühlten
Brennkraftmaschinen hängt die thermische Belastbarkeit und damit die Leistungsfähigkeit
weitgehend von der Festigkeit des Zylinderkopfes ab. Da es aus bekannten Gründen
vorteilhaft ist, über dem Hauptverdichtungsraum der Maschine gewisse Einbauten,
wie z. B. Ventilanordnungen, Kraftstoffdüse, Fremdzündeinrichtung, Anlaßeinrichtung,
gegebenenfalls Vor- oder Wirbelkammer usw. im Zylinderkopf anzuordnen, wird naturgemäß
die für die Kühlung verbleibende Fläche verkleinert, so daß damit auch die erforderlichen
Maßnahmen für eine ausreichende Kühlung erschwert sind. Diese Einbauten bringen
es auch mit sich, daß der anblasende Kühlluftstrom in verschiedene Teilströme durch
und um den Zylinderkopf aufgeteilt ist. Es ist bekannt, daß sich während des Betriebes
an den einzelnen Stellen des Zylinderkopfes verschieden hohe Temperaturen einstellen.
Gefährlich werden dabei besonders die den höchsten Temperaturen ausgesetzten Stellen,
zumal diese Stellen in der Regel nicht direkt und ausreichend vom kalten Kühlluftstrom
erreichbar sind. Dem besseren Wärmeabfluß und der besseren Kühlmöglichkeit dienen
die bekannterweise die Zylinderkopfwände und gegebenenfalls die Anbauten umgebenden
Kühlrippen, die fallweise miteinander verbunden sein können.
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Bei Zylinderköpfen der vorbeschriebenen Art sind bereits mehrere Vorschläge
bekanntgeworden, um thermisch besonders belastete Stellen wie eine im Zylinderkopf
eingebettete Brennkammer und die sogenannte Stegpartie zwischen den Ventilen, die
beide in der allgemeinen Richtung des Kühlluftstromes hintereinander angeordnet
sind, intensiver zu kühlen. Diese Vorschläge laufen aber bestenfalls darauf hinaus,
daß ein Teil der äußeren Teilströme abgezweigt und einer im Kühlluftstrom weiter
hinten liegenden, thermisch besonders gefährdeten Stelle zugeführt werden soll,
wobei es zu einer Vermischung der an der weiter vorn liegenden besonders heißen
Stelle aufgeheizten Kühlluft mit den verhältnismäßig kühlen abgezweigten Teilströmen
kommt, so daß die bei der Vermischung entstehende mittlere Temperatur aus der aufgeheizten
und der abgezweigten Kühlluft entsprechend ihrem Mengenverhältnis resultiert. Da
jedoch die weiter vorn aufgeheizte Kühlluftmenge verhältnismäßig groß sein muß,
damit an dieser weiter vorn liegenden Stelle eine ausreichende Kühlung erzielbar
ist, und dementsprechend die abgezweigten Teile eine nur .verhältnismäßig geringe
Menge des gesamten Kühlluftstromes darstellen können, kann das erreichbare Temperaturmittel
nur verhältnismäßig hoch liegen, so daß die erreichbare verbesserte Kühlwirkung
nur in beschränkten Grenzen liegt. Außerdem ist dabei zu berücksichtigen, daß gerade
über der Stegpartie durch die Einbauten, wie die Gaskanäle, ein verhältnismäßig
geringer Kühlluftströmungsquerschnitt übrigbleibt, wodurch ebenfalls das Zumischen
kälterer abgezweigter Teilströme nur in beschränktem Maße und auch nur mit einem
höheren Leistungsbedarf für die Erzeugung des Kühlluftstromes möglich ist. Der vorliegenden
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung der besonders gefährdeten Stellen
viel weitgehender, als das bisher möglich war, zu intensivieren. Dabei sollen, in
Stromrichtung gesehen, weiter hinten liegende, eingehend zu kühlende Stellen durch
zwingende Führung von an den vorderen Partien weniger aufgewärmten Teilströmen bestrichen
und an den vorderen Partien, z. B. an der Zündkerze, der Einspritzdüse, der Brennkammer
stark erwärmte Teilströme weiter hinten an weniger zu kühlenden Stellen vorbeigeleitet
werden, wobei die durch den allgemeinen Aufbau des Zylinderkopfes zur Verfügung
stehenden Querschnitte für die Teilströme im wesentlichen in allen zur Stromrichtung
senkrecht stehenden Schnittebenen durch den Zylinderkopf von den Teilströmen derartig
ausgefüllt sind, daß sich eine verbesserte Kühlwirkung bei vermindertem Leistungsbedarf
ergibt. Demzufolge betrifft die Erfindung einen luftgekühlten Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen,
insbesondere für Maschinen in Reihenbauweise, mit über dem Hauptverbrennungsraum
angeordneten
Einbauten, wie Ventile, Gaskanäle, Einspritzdüse oder Fremdzündeinrichtung, Anlaßeinrichtung,
gegebenenfalls Vor- oder Wirbelkammer, wobei die Einbauten, diese aufnehmende platten-
und wandförmige Teile des Zylinderkopfes und Kühlrippen den auf den Zylinderkopf
vorzugsweise mindestens annähernd senkrecht zur Zylinderachse geleiteten Kühlluftstrom
in mindestens einen inneren und in äußere Teilströme aufteilen, und mit, in Richtung
des Kühlluftstromes gesehen, mindestens zwei hintereinanderliegenden, thermisch
besonders gefährdeten Stellen, wobei ein Teil der äußeren Teilströme abgezweigt
und einer weiter hinten liegenden, thermisch besonders gefährdeten Stelle zugeführt
ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß sowohl mindestens Teile des inneren Teilstromes
nach Erwärmung an einer im Kühlluftstrom vorn liegenden besonders gefährdeten Stelle
zu äußeren Teilströmen abgeleitet sind, als auch mindestens Teile der äußeren Teilströme
an Stellen, die vor den Zuführungen der vom inneren Teilstrom zu den äußeren Teilströmen
abgeleiteten Teile liegen, abgezweigt und zu einer weiter hinten liegenden besonders
gefährdeten Stelle so hingeführt sind, daß die abgezweigten Teile der äußeren Teilströme
die besonders gefährdete Stelle hinter der Ableitung der Teile des inneren Teilstromes
erreichen. Durch diese erfindungsgemäßen Abzweigungen der Teilströme ist es erreichbar,
daß die jeweils weiter hinten liegende gefährdete Stelle von Kühlluft wesentlich
niedrigerer Temperatur als der durch bloße Zumischung erreichbaren gekühlt wird
und die kühlende Luftmenge dabei derartig herabgesetzt ist, daß der Strömungswiderstand
in den engen Querschnitten und damit die aufzuwendende Kühlleistung verringert ist.
Durch die erfindungsgemäße Abzweigung der an vorn liegenden, thermisch besonders
belasteten Stellen hoch erhitzten Teilströme an Partien des Zylinderkopfes, deren
thermische Belastung weit unter dem zulässigen Maß liegt, wird in vorteilhafter
Weise auch eine Vergleichmäßigung der allgemeinen Zylinderkopftemperatur erreicht.
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Die zwingenden Führungen für die Teilströme sind zweckmäßigerweise
so ausgestaltet, daß sich zumindest einige der Teilströme in einer Projektion auf
mindestens eine zur Stromrichtung parallelen Ebene überkreuzen, verzweigen und/oder
vereinen. Die zwingenden Führungen sind zweckmäßigerweise durch Ausgestaltung der
Wände und der Kühlrippen gegebenenfalls im Verein mit den Einbauten erstellt. Das
hat gegenüber der Möglichkeit, die zwingenden Führungen als besondere Bauteile oder
aber als Ausgestaltungen an z. B. den Kühlluftleitblechen usw. anzuordnen, den Vorteil,
daß sie zusätzlich Wärme aus dem Fleisch des Zylinderkopfes abführen. Es liegt auch
im Rahmen der Erfindung, im Fleisch des eigentlichen Zylinderkopfbodens Kühlluftkanäle
anzuordnen, und zwar vorzugsweise derart, daß diese, von der angeblasenen Stirnfläche
ausgehend, innerhalb der vorderen Zylinderkopfbefestigungsschrauben nach außen gerichtet
sind und an der seitlichen Außenwand austreten und/oder daß sie, von der seitlichen
Außenwand beginnend, innerhalb der hinteren Zylinderkopfbefestigungsschrauben nach
innen gerichtet sind und an der hinteren Stirnfläche austreten und/oder daß sie
etwa an der vorderen Stirnfläche außermittig beginnen, schräg zur Mitte, gegebenenfalls
sogar nach abwärts gerichtet und zwischen den Ventilkanälen durchgeführt sind. Einzelne
Einbauten verbindende Kühlrippen, insbesondere die zwischen den Ventilkanälen, also
an Stellen, die hohe Temperaturunterschiede gegeneinander aufweisen, sollen erfindungsgemäß
dachförmig ausgebildet sein, d. h. mit einem als stumpfer Winkel oder Bogenstück
geformten Querschnitt. Durch derartige Rippen ist eine gute Elastizität erreicht,
so daß sich in ihnen Spannungen von einem Einbauteil auf das andere nicht oder nur
unbedeutend übertragen können, während ebene Rippen in der Lage sind, hohe, den
Zylinderkopf verformende Druck- und Zugkräfte aufzunehmen. Fernerhin kann es fallweise
zweckmäßig sein, Einbauten, wie Ventile, Einspritzdüse, Brennkammer, Zündkerze usw.,
derartig asymmetrisch und/oder außermittig anzuordnen, daß den thermischen Bedingungen
besser Rechnung tragende, ungleich große Durchströmquerschnitte entstehen, so daß
der gewünschten Strömung entsprechend Kanäle ausgebildet werden können, worunter
in erster Linie zu verstehen ist, daß die Größen für Luftvolumen, Querschnittsfläche,
bestrichene Oberfläche, Strömungsgeschwindigkeit, Temperaturgefälle usw. den vorliegenden
Verhältnissen anpaßbar sind.
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Zweckmäßig sollen möglichst alle Kühlluftströmungskanäle erfindungsgemäß
dermaßen gerichtet und zugänglich sein, daß sie in montiertem Zustand der Brennkraftmaschine
zu reinigen sind, gegebenenfalls daß die Reinigung durch verschließbare öffnungen
in den Luftleitblechen erfolgen kann.
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In den Figuren sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
gezeigt. Dabei sind die Zylinderköpfe in zu den Kühlrippen parallel liegenden Schichten
zerlegt gedacht, wobei die von Kühlrippen gebildeten Schichten mit großen Buchstaben
und die dazwischenliegenden Schichten mit kleinen Buchstaben bezeichnet sind.
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Als erstes Ausführungsbeispiel ist ein Zylinderkopf dargestellt, in
dem in Anblaserichtung vorn eine Wirbelkammer und dahinterliegend ein Aus- und ein
Einlaßventil angeordnet sind. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Zylinderachse,
Fig.2 einen Querschnitt durch die Ventilachsen, und zwar die rechte Hälfte 2 a in
Blickrichtung des Kühlluftstromes und die linke Hälfte 2 b in dem Kühlluftstrom
entgegengesetzter Richtung, die Fig. 3, 4 und 5 Schnitte durch Schichten in Ebenen
senkrecht zur Zylinderachse. Dabei ist in Fig. 3 ein Schnitt durch die Schicht f
mit Ansicht auf die Rippe F, in Fig. 4 ein Schnitt durch die Schicht g mit Ansicht
auf die Rippe G und in Fig. 5 ein Schnitt durch die Schicht h mit Ansicht auf die
Rippe H dargestellt. Der Zylinderkopf besteht im wesentlichen aus einem Zylinderkopfboden
1, der sich zwischen der Verbrennungsraumdecke 2 und der Rippe F befindet, einer
obenliegenden plattenförmigen Begrenzung 3 parallel zu den Kühlrippen, die durch
den Rand 4 als ölfangschale 5 ausgebildet ist, dazwischen in Richtung der
Zylinderachse stehenden Wänden, von denen eine Wand 6 eine Brennkammer 7 und zum
Teil die Bohrungen 8 und 9 für eine Einspritzdüse und für eine Glühkerze aufnimmt,
eine Wand 10 den Einlaßkanal 11 umgibt, eine Wand 12 eine Bohrung 13 für eine Zylinderkopfbefestigungsschraube
aufnimmt, und die Wände verbindende und umgebende Kühlrippen. In der Wand
10 befinden sich eine Bohrung 14 zur Aufnahme einer Zylinderkopfbefestigungsschraube
und eine Bohrung 15, durch die eine Ventilstoßstange geführt ist. In den Fig.3,
4 und 5 ist der Zylinderkopf jeweils nur zur Hälfte dargestellt,
wobei
die andere Hälfte etwa symmetrisch angeordnet ist und statt des Einlaßkanals den
Auslaßkanal aufnimmt.
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Der Kühlluftstrom trifft in Richtung der Pfeile 16 frontal auf den
Zylinderkopf und wird in Höhe der Kühlrippen A, B, C und D derart
gespalten, daß er an den seitlich angeordneten Kühlrippen vorbeiströmt. In der Schicht
e ist im Fleisch des Zylinderkopfbodens 1 ein Kanal 17 angeordnet, in den
kalte Luft eintritt, die durch intensive Kühlwirkung stark erhitzt wird, bevor sie
an den Seiten ausströmen und zwischen den KühlrippenE und F nach hinten abfließen
kann. Darunter ist in der Schicht d mit einer seitlichen Einströmöffnung der Kanal
18 angeordnet, der schräg nach hinten zur Mittellinie gerichtet ist. Durch diesen
Kanal 18 strömt zwischen den Kühlrippen D und E verhältnismäßig geringfügig angewärmte
Luft ein und tritt, nachdem sie im Fleisch des Zylinderkopfbodens 1, insbesondere
unter dem Auslaßventilkanal, stark erhitzt worden ist, in der Mitte nach hinten
aus. Zwischen den Rippen D und E befindet sich hinter der Einströmöffnung des Kanals
18 eine Sperrnase 19, die zumindest einen ausreichenden Teil der Luft zwingt, in
den Kanal 18 einzuströmen. In der Schicht f ist der Kühlluftstrom 16 in die Ströme
20 und 21 aufgeteilt, die sich zwischen der Wand 6 der Brennkammer 7 und der Wand
10 des Ventilkanals vereinigen und gemeinsam als Teilstrom 22 die heißeste Stelle
an der Oberfläche des Zylinderkopfbodens 1 kühlen. Aus dem Zylinderkopfboden 1 wächst
hinter der Wand 6 eine senkrechte Rippe 23 heraus, die in Richtung des Teilstromes
22 nach hinten verläuft und von diesem ebenfalls eine intensive Kühlung erfährt.
In der Schicht g ist die Wand 6 mit der Wand 12 verbunden, so daß in dieser Lage
nur ein kalter Teilstrom 24
außerhalb der Wand 12 strömen kann, der durch
die Nase 25 ebenfalls zur Mitte zu an die heißeste Stelle abgelenkt wird, wo er
sich mit dem darunterliegenden Teilstrom 22 vereinigen kann. Die kalte, von außen
an die heißesten Stellen in der Mitte geführte Luftmenge kann noch durch einen Teil
des Teilstromes 26 in der Schicht h vergrößert werden, der durch die Aussparung
27 und durch die Nase 28 in die Schicht g abgelenkt ist. Durch die Ablenkung der
Teilströme 20
und 24 und eines Teiles von 27 von außen nach
innen geht an der Außenfläche der Wand 10 Luft verloren, die - dadurch ersetzt
wird, daß in der Schicht h ein Teilstrom 29 zwischen den Wänden 6 und 10 einerseits
und der Wand 12 andererseits von innen nach außen geführt ist, der durch die Aussparung
30 in den Rippen H und G auch in die Schichten zwischen den Rippen G und H bzw.
G und F einströmen kann, so daß dadurch die Teilströme in sich und der Gesamtluftstrom
ausgeglichen sind. Zwischen der Wand 6 und der Wand 10 strömen dann die aus der
unteren Lage kommenden Teilströme 24 und teilweise 26. Es tritt in
den Schichten eine mehrfache Verzweigung und Vereinigung von Teilströmen auf, die
sich der Höhe nach teilweise überkreuzen, mit der Maßnahme, daß verhältnismäßig
kalte Luft an die gefährdetsten Stellen geführt wird und angewärmte Luft im Austausch
an weniger intensiv zu kühlenden Stellen geleitet und von dort abgeführt wird. Durch
die Ausbildung der Rippen und der Zwischenschichten und durch die Anordnung der
Nasen 25 und 28 und der Aussparungen 27 und 30 erfolgt eine zwingende
Führung der Teilströme. Die Ausbildung ist fernerhin derart, daß im wesentlichen
in allen zur Stromrichtung senkrecht stehenden Schnittebenen für die einzelnen Teilströme
und für den Gesamtluftstrom der Strömung entsprechende Querschnitte zur Verfügung
stehen, damit eine unerwünschte Drosselung und Behinderung der Teilströme vermieden
ist, keine toten Räume entstehen, in denen die Kühlluft stagnieren kann, und große
Beschleunigungen und Verzögerungen des Kühlluftstromes vermieden sind, damit der
Leistungsbedarf zur Erzeugung des Kühlluftstromes niedrig bleibt. Dabei kann natürlich
die Luftgeschwindigkeit im engsten Querschnitt zwischen der Wand 6 und der Wand
10 größer sein, 1. weil für die Kanalquerschnitte weniger Platz zur Verfügung steht
und 2. weil an dieser Stelle durch erhöhte Luftgeschwindigkeit die Kühlung verbessert
wird, was durchaus erwünscht ist.
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Die Rippe 23 ist am Fuß verhältnismäßig breit ausgebildet und geht
mit großem Abrundungsradius in den Zylinderkopfboden 1 über, damit hohe Festigkeit
und gute Wärmeleitung gewährleistet sind. Ebenfalls ist aus diesen Gründen der Übergang
vom Zylinderkopfboden 1 in die Wände 10 stark abgerundet. Durchgehende
Rippen 31 und 32 sind dachförmig ausgebildet, weil sich dadurch eine elastischere
Verbindung zwischen den beiden die Ventilkanäle aufnehmenden Wände ergibt, so daß
sich Wärmespannungen und dadurch verursachte Verformungen leichter ausgleichen können.
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In den Fig. 6, 7, 8 und 9 ist in analoger Weise ein Ausführungsbeispiel
eines Zylinderkopfes dargestellt, in dem außer den Ventilen eine in die Bohrung
41 einsetzbare Einspritzdüse angeordnet ist. Statt der Einspritzdüse kann in diesem
Fall auch eine Fremdzündeinrichtung untergebracht sein. Im Zylinderkopfboden 1 ist
eine Bohrung 42 vorgesehen, in die Bohrungen 43 schräg einmünden, so daß kalte Luft
durch die Öffnung 44 an sehr heiße und gefährdete Stellen strömen kann. In der Schicht
d strömen die Kühllüftteilströme 45 und 46, wobei der- heiße Strom 46 nach außen
geführt ist, während in der Schicht f durch die Teilströme 47 und 48 eine intensive
Kühlung der Stellen zwischen Düsenbohrung 41 und Wand 10 erfolgt und außerdem
ein Teilstrom kalter Luft in die Öffnung 44 der Bohrung 43 eingeblasen wird. Die
vereinigten Ströme eines Teiles von 47 und 48 strömen dann zwischen den Wänden
10 nach hinten und kühlen gleichzeitig die Zylinderkopfbodenoberseite durch
die Rippe 23, die in diesem Falle in engstem Querschnitt zu dessen Vergrößerung
unterbrochen ist. Der Teilstrom 45 gelangt durch die Aussparung 49 hinter die Nase
50 zwischen die Kühlrippen F und G. In der Schicht g geht der Teilstrom 51
durch die Aussparung 52 nach unten, während der Teilstrom 53 zwischen der Wand 6
und der Düse bzw. der Befestigungsschraube für die Düsenhalterung, die durch die
Bohrung 54 geht, nach außen und nach hinten abgeführt ist. Ein anderer Teilstrom
55 kann um die Düse herum in die Durchtrittsquerschnitte zwischen den Wänden
10 strömen. Auch hier findet eine Verzweigung, Vereinigung und Überkreuzung
von Teilströmen mit dem erfindungsgemäßen Effekt statt.
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Durch die Ausgestaltung der Nasen in den Zwischenschichten und der
Aussparungen in den Kühlrippen läßt sich die zwingende Führung der Teilströme bewerkstelligen.
Fig. 10 zeigt eine Variante durch Anordnung der Kühlluftströmungskanäle 61, 62 und
63 im Zylinderkopfboden 1.
Es liegt durchaus im Rahmen der Erfindung,
daß die Maßnahmen auch bei Zylinderköpfen mit in jeder beliebigen Lage stehenden
Rippen anwendbar sind, Einbauten, wie Ventile, Einspritzdüse, Brennkammer, Zündkerze
usw., derartig asymmetrisch oder außermittig anzuordnen, daß im Bereich von Einlaßkanal
einerseits und Auslaßkanal andererseits ungleich große Durchströmquerschnitte entstehen,
um gegebenenfalls den thermischen Bedingungen besser Rechnung tragen zu können,
z. B. den Einlaß- oder den Auslaßkanal erforderlichenfalls durch eine Vergrößerung
der Kühlluftdurchströmung in höherem Maße kühlen zu können, die Kanäle für die Teilströme
nicht nur in den Zwischenschichten, sondern auch in den die Kühlrippen aufnehmenden
Lagen ausgebildet sind, der Kanal 43 beispielsweise auch im Fleisch zwischen der
Befestigungsschraube für die Düsenhalterung und der Düse selbst und durch mehrere
übereinanderliegende Schichten hindurchgeführt ist, statt der aus dem Boden der
obersten Kühlrippen und ihren hochgezogenen Seitenwänden ausgebildeten Ölfangschale
auch eine solche aus einem besonderen Bauteil gebildete vorgesehen sein kann.
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Um die Kühlungsverhältnisse zu verbessern und damit den Zylinderkopf
thermisch höher belastbar zu machen, was eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine
ermöglicht, können die dargestellten erfindungsgemäßen Maßnahmen einzeln, teilweise
oder zusammen und in beliebiger Anzahl und beidseitig symmetrisch oder nur einseitig
angeordnet sein.