DE1258191B

DE1258191B - Air-cooled internal combustion engine cylinder head with additional liquid cooling

Info

Publication number: DE1258191B
Application number: DET21429A
Authority: DE
Inventors: Jiri Boettger; Jiri Klos
Original assignee: Tatra np
Current assignee: Tatra np
Priority date: 1961-01-18
Filing date: 1962-01-16
Publication date: 1968-01-04

Description

Luftgekühlter Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit Zusatz-Flüssigkeitskühlung Die Erfindung betrifft einen luftgekühlten Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit Zusatz-Flüssigkeitskühlung, insbesondere für schnellaufende Verbrennungsmotoren mit Luftkühlung, bei denen die Wärmebeanspruchung des Zylinderkopfbodens an der Grenze der Materialfestigkeit liegt und für den Zylinderkopfboden eine Zusatzkühlung mit einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten, beispielsweise durch eine Flüssigkeit, notwendig wird. Dies trifft vor allem für Zylinderköpfe von Dieselmotoren mit größerer Bohrung zu, die bei direkter Kraftstoffeinspritzung thermisch außerordentlich hoch beansprucht sind.Air-cooled internal combustion engine cylinder head with additional liquid cooling The invention relates to an air-cooled internal combustion engine cylinder head Additional liquid cooling, especially for high-speed internal combustion engines with air cooling, in which the thermal stress on the cylinder head base on the The material strength limit lies and additional cooling is required for the cylinder head base with a higher heat transfer coefficient, for example through a liquid, becomes necessary. This is especially true for cylinder heads of diesel engines with larger Hole too, which is thermally extremely high with direct fuel injection are claimed.

Zur Herabsetzung der thermischen Beanspruchung des Zylinderkopfbodens von Dieselmotoren ist bereits die Verwendung gesonderter Brennkammern bekannt. Bei solchen Brennkammern läßt sich nämlich durch eine sinngemäße Ausbildung und Anordnung des Verbindungskanals zwischen dem Zylinderraum und der eigentlichen Brennkammer eine Geschwindigkeit der Luftwirbelung in der Brennkammer erzielen, mit der eine Verminderung der Temperatur des Verbrennungsgases beim Austritt aus der Brennkammer erreicht wird.To reduce the thermal stress on the cylinder head base the use of separate combustion chambers is already known from diesel engines. at Such combustion chambers can namely by a corresponding design and arrangement the connecting channel between the cylinder space and the actual combustion chamber achieve a speed of air swirl in the combustion chamber, with the one Reduction of the temperature of the combustion gas as it exits the combustion chamber is achieved.

t5e1 Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung, vor allem in Brennräume im Kolbenboden, ist die für eine rasche Verbrennung notwendige Geschwindigkeit der Verbrennungsluft lediglich auf Kosten des Saugwirkungsgrades durch Verminderung des freien Querschnitts im Saugkanal vor dem Ventilsitz oder im Ventilsitz selbst zu erreichen. Dieses Absinken des Saugwirkungsgrades kann zwar durch eine zweckmäßige Wahl der Öffnungszeit des Saugventils in etwa ausgeglichen werden, jedoch werden die Temperaturen der Verbrennungsgase auch bei Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung bei gleichen Arbeitsmitteldrücken auf die Kolben stets höher sein als bei Kammermotoren. Bei erhöhter thermischer Beanspruchung der Zylinderköpfe von Motoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung ergibt sich allerdings ein bedeutend geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch.t5e1 direct fuel injection diesel engines, especially in combustion chambers in the piston crown, is the speed necessary for rapid combustion the combustion air only at the expense of the suction efficiency by reducing it of the free cross-section in the suction channel in front of the valve seat or in the valve seat itself to reach. This decrease in suction efficiency can be achieved by an expedient Choice of opening time of the suction valve can be roughly compensated for, however the temperatures of the combustion gases even in diesel engines with direct fuel injection with the same working medium pressures on the pistons must always be higher than with chamber engines. With increased thermal stress on the cylinder heads of engines with direct However, the fuel injection is significantly less specific Fuel consumption.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Abführung der Wärme von eingekapselten Ventilen und ihrem Antriebsgestänge bei luftgekühlten Explosionsmotoren bekanntgeworden, bei der die Wärmeübertragung von den eingekapselten Ventilen und Stößelstangen zu .den aus einem Material von hohem Wärmeleitvermögen bestehenden, von dem Kühlluftstrom bestrichenen Zylinderköpfen dadurch ermöglicht wird, daß zwischen den verlängerten Ventilspindelführungen ein Raum zur Aufnahme eines Wärmeableitungsmittels mit hohem Verdampfungspunkt, wie Glycerin, Öl u. dgl., geschaffen ist. Diese nur zur Kühlung der Ventile und der Stößelstangen vorgesehene Anordnung hat den Nachteil, daß sich die im Zylinderkopf entstehenden Spannungen in einer Deformation der Ventile, des Zylinderkopfbodens und des Zylinders auswirken.There is already a device for dissipating heat from encapsulated Valves and their drive linkage in air-cooled explosion engines become known, in which the heat transfer from the encapsulated valves and pushrods too . those made of a material of high thermal conductivity from the cooling air flow coated cylinder heads is made possible that between the extended Valve stem guides provide a space for receiving a heat dissipation agent with high Evaporation point, such as glycerin, oil and the like., Is created. These only for cooling the valves and the pushrods provided arrangement has the disadvantage that the stresses arising in the cylinder head in a deformation of the valves, des Affect the cylinder head base and the cylinder.

Weiter ist bereits ein luftgekühlter Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit Zusatz-Flüssigkeitskühlung vorgeschlagen worden, der eine Kühlflüssigkeitswanne mit überlauf aufweist, deren Boden von der Bodenplatte des Zylinderkopfes gebildet ist und deren Seitenwandung von an ihren Außenflächen mit zur Zylinderachse senkrecht verlaufenden Kühlrippen versehenen Wänden eines nach oben offenen, an die Bodenplatte angeformten Oberteils des durch Zugankerschrauben an den Zylinder gepreßten Zylinderkopfes gebildet ist. Diese Kühlflüssigkeitswanne liegt kreisringförmig um das Ventil und den Ventilsitz derart, daß ein Wärmetausch nur im Bereich ihrer kreisringförmigen Bodenfläche stattfinden kann, während gerade der heißeste mittlere Abschnitt des Zylinderkopfbodens, an dem sich zudem eine Materialanhäufung befindet, nicht gekühlt ist, wodurch der Zylinderkopf zwangläufig einer Verformurig unterliegt, die über dessen Befestigungselemente zu einer Deformation des Zylinders führt.There is also an air-cooled internal combustion engine cylinder head with additional liquid cooling has been proposed, which has a cooling liquid pan with overflow, the bottom of which is formed by the bottom plate of the cylinder head and the side wall of which is perpendicular to the cylinder axis on its outer surfaces extending cooling fins provided walls of an upwardly open, to the base plate molded upper part of the cylinder head pressed onto the cylinder by tie bolts is formed. This coolant tub is in a circular shape around the valve and the valve seat in such a way that a heat exchange only in the area of its circular ring-shaped Floor space can take place while watching the hottest middle section of the The bottom of the cylinder head, on which there is also an accumulation of material, is not cooled is, whereby the cylinder head inevitably deforms subject to which leads to a deformation of the cylinder via its fastening elements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hohe thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes bei Vermeidung der bisherigen Nachteile, insbesondere jeglicher Verformung des Zylinderkopfbodens, der Ventilsitze-und des Zylinders, durch eine bessere Kühlung des Zylinderkopfes zu ermöglichen und damit die überlastbarkeit entsprechender Motoren zu vergrößern.The invention is based on the object of high thermal stress of the cylinder head while avoiding the previous disadvantages, especially any Deformation of the cylinder head base, the valve seat and the cylinder, by a to enable better cooling of the cylinder head and thus the overload capacity corresponding motors to enlarge.

Diese Aufgabe wird bei einem luftgekühlten Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf mit Zusatz-Flüssigkeitskühlung aus dem Schmierölsystem der Maschine, der eine Kühlflüssigkeitswanne mit Überlauf aufweist, deren Boden von der Bodenplatte des Zylinderkopfes und deren Seitenwandung von an ihren Außenflächen mit zur Zylinderachse senkrecht verlaufenden Kühlrippen versehenen Wänden eines nach oben offenen, an die Bodenplatte angeformten Oberteils des durch Zugankerschrauben an den Zylinder gepreßten Zylinderkopfes gebildet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in an sich bekannter Weise als flacher, sich nach oben verjüngender Kegelstumpf gestaltete Bodenplatte an ihrer vom Zylinder abgewandten Oberseite eine zentrale, kugelkalottenförmige Ausnehmung aufweist, die an ihrem Umfang an die innere Wandfläche des Oberteils anschließt, dessen Wandstärke nach oben hin abnimmt und das aus einem kreisringförnligen unteren Querschnitt mit nach oben zunehmendem Innendurchmesser in einem oberen eckigen Versteifungsrahmen mit Angüssen zur Aufnahme von Zugankerschrauben übergeht. Hierdurch wird infolge der radial nach außen zunehmenden Wandstärke des Zylinderkopfbodens der Wärmeabfluß aus dessen Mitte nach außen wesentlich erleichtert und eine Durchbiegung bzw. Deformation des Zylinderkopfbodens, der Ventilsitze und schließlich des Zylinders unterbunden.This task is performed with an air-cooled internal combustion engine cylinder head with additional liquid cooling from the machine's lubricating oil system, which has a coolant tank has with overflow, the bottom of the bottom plate of the cylinder head and their Side wall of on their outer surfaces with perpendicular to the cylinder axis Walls provided with cooling fins of an upwardly open, molded onto the base plate Formed upper part of the cylinder head pressed onto the cylinder by tie bolts are, according to the invention achieved in that the in a known manner as a flat, upwardly tapering truncated cone shaped bottom plate on their cylinder facing away from the top has a central, spherical cap-shaped recess which adjoins the inner wall surface of the upper part at its circumference, its wall thickness decreases towards the top and that from a circular ring-shaped lower cross-section with upward increasing inner diameter in an upper angular stiffening frame with sprues to accommodate tie-rod screws. This is as a result the radially outward increasing wall thickness of the cylinder head base the heat dissipation from its center to the outside much easier and a deflection or deformation the bottom of the cylinder head, the valve seats and finally the cylinder.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen gemäß der Erfindung darin, daß der Außendurchmesser des unteren Kreisringquerschnitts des Oberteils kleiner gehalten ist als die Zylinderbohrung, daß der Boden der kugelkalottenförmigen Ausnehmung mit den Seitenwänden des Oberteils über ungefähr senkrecht zu der die Ventilachse enthaltenden Ebene verlaufende innere Kühlrippen verbunden ist und daß eine Kühlflüssigkeitsabflußöffnung oberhalb der inneren Kühlrippen liegt.According to the invention, advantageous embodiments consist in that the outer diameter of the lower circular ring cross-section of the upper part is kept smaller is than the cylinder bore that the bottom of the spherical cap-shaped recess with the side walls of the top about approximately perpendicular to the valve axis containing plane extending inner cooling fins is connected and that a cooling liquid discharge opening is above the inner cooling fins.

In der Zeichnung ist das Wesen der Erfindung veranschaulicht; es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt des Zylinderkopfes, F i g. 2 einen Grundriß des Zylinderkopfes.In the drawing, the essence of the invention is illustrated; it shows F i g. 1 shows a cross section of the cylinder head, FIG. 2 is a plan view of the cylinder head.

Der Zylinderdeckel ist als eine kreisrunde Platte 1 ausgebildet, die sich nach der vom Zylinder 2 abgekehrten Seite hin kegelförmig verengt und auf derselben Seite kugelförmig ausgehöhlt ist. In dieser Platte sind die Ventilsitze 3 (nur gestrichelt angedeutet) untergebracht. An die Platte 1 schließen in Richtung nach oben sich erweiternde Wände 4 an, deren Wandstärke an der Übergangsstelle in den Versteifungsrahmen 5 geringer ist als an der übergangsstelle in die Platte 1. Am Boden der Wanne, in der Aushöhlung der Platte 1, befindet sich ein Anguß 6 für den Sitz 7 des (nicht dargestellten) Einspritzventils. Der Anguß 6 ist mit den Wänden 4 über mehrere Rippen 8 verbunden, welche die anfallende Wärme direkt aus dem Anguß 6 und aus dem Wannenboden in die luftgekühlten Seitenwände 4 abführen. Außerdem ist die Wanne mit Schmieröl angefüllt, welches aus der Kipphebellagerung und gegebenenfalls auch unter den Kipp--hebeldaumen im Betrieb in Richtung des Pfeiles 10 ausgeflossen ist. Sobald diese Ölfüllung der Wanne, in der eine je nach dem Belastungszustand mehr oder weniger heftige Thermosiphonströmung herrscht, die Höhe der Rückflußöffnung 9 erreicht, fließt das erwärmte Öl durch die Öffnung 9 in das Motorgehäuse zurück, während das neu zufließende Öl bei niedrigerer Temperatur zum Boden der Wanne sinkt und nach der Erwärmung an den Rippen 8 wieder zur Öffnung 9 aufsteigt. Dies trägt dazu bei, daß bei kalter Maschine und plötzlicher Belastung die Öltemperatur einerseits rascher ansteigt, im Dauerbetrieb jedoch auch eine Kühlung des Öls durch die in Richtung des Pfeiles 11 strömende Kühlluft eintreten kann. d bezeichnet den Durchmesser der Verschneidungslinie zwischen dem unteren kegelförmigen Zylinderdeckel l und dem viereckigen Hohlkörper der Wanne 4. Der Pfeil 10 gibt in Richtung des aus dem nicht gezeichneten Ventilsteuerungssystem austretenden Zusatzkühlmittel und der Pfeil 11 die Richtung der kühlenden Luftströmung beispielsweise an. Die Bohrung des Zylinders 2 ist mit D bezeichnet.The cylinder cover is designed as a circular plate 1 which narrows conically towards the side facing away from the cylinder 2 and is spherically hollowed out on the same side. The valve seats 3 (only indicated by dashed lines) are accommodated in this plate. To the plate 1 close in the upward widening walls 4, the wall thickness at the transition point in the stiffening frame 5 is less than at the transition point in the plate 1. At the bottom of the tub, in the cavity of the plate 1 is a Sprue 6 for the seat 7 of the injection valve (not shown). The sprue 6 is connected to the walls 4 via several ribs 8, which dissipate the resulting heat directly from the sprue 6 and from the bottom of the tub into the air-cooled side walls 4. In addition, the tub is filled with lubricating oil which has flowed out of the rocker arm mounting and possibly also under the rocker arm thumb in the direction of arrow 10 during operation. As soon as this oil filling of the sump, in which a thermosiphon flow is more or less violent depending on the load condition, reaches the height of the reflux opening 9, the heated oil flows back through the opening 9 into the motor housing, while the newly flowing oil flows to the bottom at a lower temperature the tub sinks and rises again to the opening 9 after the heating on the ribs 8. This contributes to the fact that, when the machine is cold and under sudden load, the oil temperature rises more rapidly on the one hand, but in continuous operation the oil can also be cooled by the cooling air flowing in the direction of arrow 11. d denotes the diameter of the intersection line between the lower conical cylinder cover l and the square hollow body of the tub 4. The arrow 10 indicates the direction of the additional coolant emerging from the valve control system (not shown) and the arrow 11 indicates the direction of the cooling air flow, for example. The bore of the cylinder 2 is denoted by D.

Wäre nun der Zylinderdeckel l nicht als kegelförmige Platte ausgebildet, an die sich in Kreisform vom Durchmesser d' ein nach oben hin in den rechteckförmigen Rahmen ausmündender Hohlkegel anschließt, so hat .der Zylinderkopf beim Anziehen an den Zylinder in Richtung der Kühlluftströmung ein weitaus kleineres Widerstandsmoment als in der senkrecht zu dieser Strömung liegenden Richtung. Dies hätte eine starke Deformation des Zylinders in Richtung der Kühlluftströmung zur Folge, die auf die Abdichtung des Zylinderkopfes am Zylinder und auch .der Ventile in den Ventilsitzen einen sehr ungünstigen Einfluß ausübt. Da sich jedoch der Hohlkegel mit dem Übergangsdurchmesser d' C D der Zylinderbohrung an den kegeIförmigen Zylinderdeckel anschließt, kann eine Deformation des Zylinders nicht auftreten. In diesem Fall wird nämlich der Zug der Ankerschrauben nicht außerhalb der Zylindersitzfläche, sondern innerhalb des Bohrungsdurchmessers aufgenommen.If the cylinder cover l were not designed as a conical plate, to which are circular from diameter d 'a towards the top in the rectangular Frame opening hollow cone connects, so the cylinder head has when tightening on the cylinder in the direction of the cooling air flow a much smaller moment of resistance than in the direction perpendicular to this flow. This could have been a strong one Deformation of the cylinder in the direction of the cooling air flow resulting in the Sealing of the cylinder head on the cylinder and also of the valves in the valve seats exerts a very unfavorable influence. However, since the hollow cone with the transition diameter d 'C D connects the cylinder bore to the cone-shaped cylinder cover, can deformation of the cylinder does not occur. In this case the Pull the anchor bolts not outside the cylinder seat, but inside of the bore diameter added.

Durch die erfindungsgemäß erreichte intensive Kühlung des ausgehöhlten Wannenbodens und seiner Rippen wird bei einem starken Wärmeanfall aus dem Zylinder eine relative Verkürzung der Materialfasern auf den Wanneninnenseite hervorgerufen, die eine Dehnung der Fasern auf der Bodenunterseite infolge des WärmeanfalIs nur in Richtung der vom Zylinder abgekehrten Seite zuläßt. Eine Dehnung der Bodenfasern in umgekehrter Richtung, d. h. zum Zylinder hin, hat, wenn die Bodenwandstärke in der Mitte am größten ist, üblicherweise Risse zwischen den Ventilsitzen und der Düsenöffnung zur Folge, die dann einen Austausch des betreffenden Zylinderkopfes notwendig machen. Es ist vom Gesichtspunkt der Bodendeformation aus ratsam, den Krümmungsradius R der Höhlung des Wannenbodens nicht zu klein und die Vergrößerung der Rippenhöhe nach außen hin nicht zu groß zu wählen, um die gesamte Bodendeformation an sich so klein wie möglich zu halten, weil nur dann eine dauernde Abdichtung der Ventile in ihren Sitzen sichergestellt ist, wenn diese Sitze auch bei starken Belastungsänderungen ihre Lage nicht verändern.Due to the intensive cooling of the hollowed-out area achieved according to the invention The bottom of the tub and its ribs are removed from the cylinder when there is a strong build-up of heat caused a relative shortening of the material fibers on the inside of the tub, the only stretching of the fibers on the underside of the floor as a result of the heat exposure in the direction of the side facing away from the cylinder. A stretch of the soil fibers in the opposite direction, d. H. towards the cylinder, if the bottom wall thickness is in the center is largest, usually cracks between the valve seats and the Nozzle opening result in an exchange of the relevant cylinder head make necessary. It is advisable from the point of view of soil deformation that the The radius of curvature R of the cavity in the bottom of the tub is not too small and the enlargement The rib height should not be too large towards the outside, in order to avoid the entire soil deformation to keep as small as possible, because only then a permanent seal of the Valves in their seats is ensured if these seats too do not change their position in the event of major changes in load.

Eine solche Zylinderkopfkonstruktion mit doppelter (Zusatz-) Kühlung gewährleistet daher im Betrieb eine größtmögliche Zuverlässigkeit und Störungsfreiheit, vor allem bei größerer Wärmebelastung, wie z. B. bei Schnelläufern oder Turboaufladung mit hohem Mitteldruck auf den Kolben.Such a cylinder head construction with double (additional) cooling therefore guarantees the greatest possible reliability and freedom from interference during operation, especially with high heat loads, such as B. for fast runners or turbocharging with high mean pressure on the piston.

Claims

Claims: 1. Air-cooled internal combustion engine cylinder head with additional liquid cooling from the machine's lubricating oil system, which has a coolant tank has with overflow, the bottom of the bottom plate of the cylinder head and their Side wall of on their outer surfaces with perpendicular to the cylinder axis Walls provided with cooling fins of an upwardly open, molded onto the base plate Formed upper part of the cylinder head pressed onto the cylinder by tie bolts are, characterized in that in a manner known per se as flatter, themselves upwardly tapering truncated cone shaped bottom plate (1) on its cylinder (2) facing away from the top has a central, spherical cap-shaped recess, which adjoins the inner wall surface of the upper part (4, 5) at its circumference, the Wall thickness decreases towards the top and that from a circular cross-section with an upward increasing inner diameter in an upper, angular stiffening frame (5) merges with sprues to accommodate tie-rod screws.

2. Cylinder head after Claim 1, characterized in that the outer diameter (d) of the lower circular ring cross-section of the upper part (4, 5) is smaller than the cylinder bore (D).

3. Cylinder head after Claim 1 or 2, characterized in that the bottom of the spherical cap-shaped Recess with the side walls (4) of the upper part (4, 5) over approximately perpendicular connected to the plane containing the valve axes extending inner cooling fins (8) is.

4. Cylinder head according to claim 3, characterized in that a cooling liquid discharge opening (9) is above the inner cooling fins (8). Considered publications: German Patent No. 383,384; U.S. Patent No. 2,554,921.