DE1214935B - Aus einem Stueck gegossener Zylinderkopf schnellaufender, fluessigkeitsgekuehlter Hochleistungs-Dieselmotoren - Google Patents

Description

• Aus einem Stück gegossener Zylinderkopf schnellaufender, flüssigkeitsgekühlter Hochleistungs-Dieselmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen aus einem Stück gegossenen Zylinderkopf schnellaufender, flüssigkeitsgekühlter Hochleistungs-Dieselmotoren, bei dem die Eintrittsöffnungen für das Kühlwasser längs des Zylinderumfangs am Zylinderkopfboden verteilt sind und der Kühlwasseraustritt zentral zum Wasserraum angeordnet ist und das Kühlwasser von einer Pumpe in den Zylinderblock gedrückt wird und somit unter Druck durch die Eintrittsöffnungen in den Zylinderkopf gelangt.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das schädliche Verziehen des Zylinderkopfbodens von wassergekühlten, insbesondere zweiventiligen Zylinderköpfen mit ebenem Zylinderkopfboden und die sich hieraus infolge hoher thermischer und mechanischer Belastung ergebenden nachteiligen Folgeerscheinungen bei geringem Bauaufwand zu unterbinden.
• Bei der Steigerung der mittleren Nutzdrücke schnellaufender Fahrzeug-Dieselmotoren, wie dies in den letzten Jahren durch Verbesserung der Verbrennungsverfahren sowie durch die Abgasturboaufladung ermöglicht wurde, ist die Feststellung gemacht worden, daß die Zylinderköpfe den hierdurch eintretenden höheren Beanspruchungen nicht standhielten. Die in diesem Sinne am meisten gefährdete Stelle ist der Ventilsteg, also der etwa über Zylindermitte gelegene, durch die Öffnungen für Ein- und Auslaßventil erheblich geschwächte Teil des Zylinderkopfbodens, der infolge seiner zentralen Lage höhere Temperaturen als der übrige, über der Peripherie des .Zylinders gelegene Teil des Zylinderkopfbodens annimmt und folglich hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Besonders kritisch werden diese thermischen Verhältnisse dann, wenn infolge gesteigerter Wärmebelastung in dem Grenzbereich zwischen der Steginnenseite und dem Kühlwasser Dampfbildung eintritt. Hierdurch wird nämlich die Wärmeübergangszahl schlagartig verschlechtert, was einen weiteren Temperaturanstieg im sogenannten Wärmezentrum des Zylinderkopfbodens auslöst: So zeigte es sich schon oft nach kurzer Laufzeit, daß die mit den üblichen Bauelementen, also mit einem planen Zylinderkopfboden und dem bisherigen Kühlmitteldurchlauf ausgerüsteten Zylinderköpfe an den Ventilstegen meist bis zum Wasserraum gerissen waren. Auch wurde die Feststellung gemacht, daß der Zylinderkopfboden insbesondere in dem über der Zylinderbohrung liegenden Bereich, und zwar entgegen der Wirkungsrichtung der Gasdruckkräfte durchgebogen war, wobei der Punkt der größten Durchbiegung auf dem Ventilsteg lag. Auch waren dann die Ein- und Auslaßventile und deren Sitze insofern stark in Mitleidenschaft gezogen, als diese Sitze undicht wurden, was wiederum zu einseitigem Einschlagen der Ventile in den Ventilsitz und daher zu Dauerbrüchen der dann thermisch überlasteten Ventile führte.
• A11 diese Zerstörungen und einseitigen Abnutzungen an den erwähnten Einzelteilen und an den genannten Stellen des Zylinderkopfes sind insbesondere auf die bisher ungenügende und nicht den tatsächlichen örtlichen Hitzeverhältnissen im Zylinderkopf angepaßte Zu- und Abführung des Kühlwassers und die dadurch entstehenden Wärmespannungen im Gehäuse der Zylinderköpfe zurückzuführen. Auch die leichte Nachgiebigkeit des Zylinderkopfbodens und die geringe Steifigkeit der Zylinderkopfgehäuse waren die bisherigen Ursachen der erwähnten Mängel. Die bei bekannten Zylinderköpfen verwendeten Leitstützen und Spritzröhrchen, die an verschiedenen Stellen des Zylinderkopfgehäuses für die Zuführung des Kühlwassers vorgesehen waren und die wegen anderer notwendiger Bauteile wiederum doch nur an einigen verbleibenden freien Stellen des Gehäuses untergebracht werden konnten, und die bisher an einer Zylinderkopfaußenseite vorgesehene Sammlung und Abführung des Kühlwassers vermochten nicht gerade dem Wärmezentrum, d. h. der heißesten Stelle des Zylinderkopfes, also dem zwischen Ein- und Auslaßventil und der Einspritzdüse gelegenen Bereich, die nachteilige Wärmeansammlung in genügendem Maße zu entziehen. Ein Teil dieser Kühlwasserströme beteiligt sich nämlich nicht an der Kühlung des zwischen Einspritzdüse und Ein- und Auslaßventil gelegenen Wärmezentrums, so daß die Wärmeabführung gerade an dieser wichtigen Stelle nur unzureichend war und sich somit die erwähnten Mängel stets einstellten.
• Ferner ist eine konvexe Gußverstärkung, die für einen kurzen Abschnitt einer Zylinderkopfbodenplatte am Ventilsteg vorgesehen ist, bekannt, doch dient diese Erhebung mit ihrer Oberfläche lediglich der Schaffung eines günstigen Strömungswiderstandes für das Kühlmittel unter Bildung einer düsenförmigen Austrittsöffnung. Eine solche Verdickung des Steges verschlechtert aber die Wärmeabführung und fördert in nachteiliger Weise die Materialspannungen an dieser Stelle, wodurch sich wiederum leicht Risse bilden können.
• Bei einem weiterhin bekannten Zylinderblock mit gewölbter Zylinderkopfplatte erfolgt insofern keine direkte Verstärkung des Steges, als diese Verstärkung oberhalb des Steges liegt und nur zur Versteifung in Längsrichtung des Zylinderkopfes dient. Außerdem können bei diesem Zylinderblock nur Teilmengen des je Zylinder vorhandenen Kühlwassers der heißesten Stelle des -Ventilsteges zugeführt werden, weil mit dem hierbei verwendeten Spritzröhrchen die heißesten Stellen des Ventilsteges nicht getroffen werden können, da diese Spritzströme zum Teil quer zu der zur Kühlwasseraustrittsöffnung im Zylinderkopf gerichteten Kühlwasserhauptströmung fließen müssen.
• Ein anderer bekannter Zylinderkopf weist lediglich eine schräge, also nicht in einer senkrechten Ebene zur Zylinderkopfebene liegende Verbindungswand auf, die folglich stets auf Biegung beansprucht ist und somit auftretende Wärmespannungen nicht aufzuhalten vermag. Darüber hinaus sind die Kühlwasserableitungen an die Außenseite des Zylinderkopfes verlegt, so daß das Kühlwasser, ohne in wärmeabführender Weise am Ventilsteg vorbeizuströmen, den Weg des geringsten Widerstandes suchen und den kürzesten Weg zu den Austrittsstellen nehmen wird.
• Gemäß der Erfindung werden die erwähnten Nachteile dadurch ausgeschaltet, daß ein den Steg zwischen den Ventilsitzen im Zylinderkopfboden mit der Zylinderkopfdecke einstückig verbindender, als Zug-und Druckanker wirkender Versteifungsteil vorgesehen ist und das Kühlwasser durch ein Rohr abgeführt wird, dessen Mündung neben dem Versteifungsteil zwischen einer Düsenpfeife und dem Ventilsteg nahe dem Zylinderkopfboden gelegen ist.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Zylinderkopfboden mit einer in den Wasserraum hineinragenden, den Unterteil des Versteifungsteiles bildenden Versteifungsrippe versehen, wobei sich diese als Fuß des Versteifungsteiles wirkende Rippe vom Bereich der Düsenpfeife ausgehend über den Ventilsteg und durch das Wärmezentrum im wesentlichen entlang der benachbarten Auslaßkanalwand zu den Schraubenpfeifen erstreckt. Auf diese Weise ist ein sehr formsteifes, Wärmestauungen ausgleichendes und Verbiegungen des Zylinderkopfbodens verhinderndes Gehäuse geschaffen.
• Außerdem stellt der von der Versteifungsrippe ausgehende Versteifungsteil einen Teil der Wandung des Einlaßkanals dar. Sehr zweckmäßig ist es ferner, den Querschnitt des Kühlwasseraustrittrohres so im Verhältnis zu der Summe der Zuströmquerschnitte des Kühlwassers zu wählen, daß im Kühlwasserraum stets ein überdruck vorhanden ist. Die Kühlwassergeschwindigkeit und mit ihr die Reynoldsche Zahl bzw. Wärmeübergangszahl steigt somit von außen zum Zentrum hin an, wobei diese hohe Geschwindigkeit die Bildung von isolierenden Dampfschichten verhindert.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise, und zwar in Schnittdarstellungen durch einen Zylinderkopf eines zweiventiligen Motors veranschaulicht.
• F i g.1 zeigt einen Längsschnitt A-B gemäß der F i g. 2, F i g. 2 einen Querschnitt gemäß C-D der F i g. 1 und F i g. 3 einen Schnitt gemäß der Linie E-F der Fig.2.
• In den genannten Figuren ist mit 1 das Zylinderkopfgehäuse bezeichnet, in dem sich der Einlaßkanal 2 und der Auslaßkanal 3 mit den Ventilsitzen 4 und 5 befinden, zwischen denen der Ventilsteg 6 liegt. Die Ventilsitze können selbstverständlich auch mit Ventilsitzringen üblicher Bauart ausgerüstet sein. Die Einspritzdüse 7 üblicher Ausführung sitzt in der Düsenpfeife 8, während mit 9 die Zylinderkopfdecke und mit 10 der Zylinderkopfboden benannt ist. Von den Schraubenpfeifen 11 führt eine Versteifungsrippe 12, die einen Teil des Zylinderkopfbodens 10 darstellt und in den Kühlwasserraum 13 hineinragt, bis zum Ventilsteg 6. Von dieser Versteifungsrippe 12 aus erstreckt sich der als Zug- und Druckanken wirkende Versteifungsteil 14, der in die Zylinderkopfdecke 9 übergeht und dem ganzen Gehäuse 1 zusammen mit der Rippe 12 eine hohe Formsteifigkeit gibt.
• Bei 15 sind die einzelnen Kühlwasserzuführungen angedeutet, während mit 16 das erfindungsgemäße Tauch- und Saugrohr benannt ist, durch das das Kühlwasser über das Austrittsrohr 17 zum Kühler geleitet wird. Im Bereich der höchsten Stelle des Wasserraumes besitzt das Kühlwasserabführungsrohr 16 eine Bohrung 20, durch die hindurch die Luft beim Einfüllen des Kühlwassers entweicht und ferner sich besonders beim Abstellen des Motors aus Vollast bildender Dampf abzieht. In F i g. 2 veranschaulichen die eingezeichneten Pfeile 18 die einzelnen Strömungsrichtungen, die der Mündung 19 des Kühlwasserabführungsrohres 16 zustreben. Diese Darstellung gibt deutlich zu erkennen, wie die einzelne Kühlwasserströme durch das im Wärmezentrum mündende Kühlwasserabführungsrohr 16 gezwungen werden, diesen heißesten Bereich des Zylinderkopfes zu beaufschlagen und somit hinreichend zu kühlen, damit sich die eingangs erwähnten Zerstörungen und Mängel nicht einstellen können. Auch findet somit bei gleichzeitiger Einsparung der bisherigen Leitstutzen und .Spritzröhrchen für die Kühlwasserzuführung eine -ausreichende Kühlung der Düsenpfeife 8 und damit der Einspritzdüse 7 sowie der Einlaß- und Auslaßventilsitze statt.
• Durch die erfindungsgemäße Gestaltung von Zylinderkopf und Wasserführung und damit gegebenem sehr formsteifem planem Zylinderkopfboden ist es ferner möglich, auch noch verhältnismäßig große Zylinderkopfbohrungen zweiventilig zu beherrschen, wo sonst bereits eine Ausrüstung mit drei oder vier Ventilen vorgenommen werden mußte. Es ist insbesondere möglich, ein großes Einlaßventil, dessen Größe ja nicht wie die des Auslaßventils durch die thermische Beanspruchung begrenzt ist, unterzubringen, was für moderne Hochleistungsmotoren von großer Bedeutung ist. Es neigte nämlich das große Einlaßventil bisher bei Motoren mit einfachem planem Zylinderkopfboden infolge der Verformungen dieser Platte und des Ventilsteges und infolge des damit verbundenen einseitigen Tragens zu Undichtheiten mit all den vorerwähnten Folgeschäden. Es können somit größere Zylinderbphrungen als bisher zweiventilig gefahren werden, wobei auf die teuren und infolge ihrer größeren Anzahl bewegter Bauelemente auch aufwendigeren drei- oder vierventiligen Ausführungen verzichtet werden kann.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Aus einem Stück gegossener Zylinderkopf schnellaufender, flüssigkeitsgekühlter Hochleistungs-Dieselmotoren, bei dem die Eintrittsöffnungen für das Kühlwasser längs des Zylinderumfanges am Zylinderkopfboden verteilt sind und der Kühlwasseraustritt zentral zum Wasserraum angeordnet ist und das Kühlwasser von einer Pumpe in den Zylinderblock gedrückt wird und somit unter Druck durch die Eintrittsöffnungen in den Zylinderkopf gelangt, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein den Steg (6) zwischen den Ventilsitzen (4, 5) im Zylinderkopfboden (10) mit der Zylinderkopfdecke (9) einstückig verbindender, als Zug- und Druckanker wirkender Versteifungsteil (14) vorgesehen ist und das Kühlwasser durch ein Rohr (16) abgeführt wird, dessen Mündung (19) neben dem Versteifungsteil zwischen einer Düsenpfeife (8) und dem Ventil-Steg (6) nahe dem Zylinderkopfboden (10) gelegen ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopfboden (10) mit einer in den Wasserraum (13) hineinragenden, den Unterteil des Versteifungsteiles (14) bildenden Versteifungsrippe (12) versehen ist, wobei sich diese als Fuß des Versteifungsteiles wirkende Rippe vom Bereich der Düsenpfeife (8) ausgehend über den Ventilsteg (6) und durch das Wärmezentrum im wesentlichen entlang der benachbarten Auslaßkanalwand zu den Schraubenpfeifen (11) erstreckt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Versteifungsrippe (12) ausgehende Versteifungsteil (14) einen Teil der Wandung des Einlaßkanals (2) darstellt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kühlwasseraustrittsrohres (16) so im Verhältnis zu der Summe der Zuströmquerschnitte (15) des Kühlwassers gewählt ist, daß im Kühlwasserraum (13) stets ein überdruck vorhanden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 874 847; österreichische Patentschriften Nr. 130 981, 188 147; französische Patentschrift Nr. 554 206; britische Patentschriften Nr. 157 905, 766187, 828 014; USA.-Patentschriften Nr. 1826 405, 2 753 853.