DE1476387A1 - Zylinderkopf fuer wassergekuehlte,ventilgesteuerte Einspritzbrennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Dipl.Ing.Dr.Dr.h.c. Hans LIbT, Graz (Österreich)

Zylinderkopf für wassergekühlte, ventilgesteuerte Einapritzbrennkraftmaschinen

Die zunehmenden Leistungssteigerungen bei Verbi-ennungskraftmaschinen haben hinsichtlich der Kühlung der thermisch am höchsten belasteten Teile, namentlich des Zylinderkopfes, neue Probleme aufgeworfen. Vor allem die im Bereich des Zylinderkopfbodens auftretenden, außerordentlich hohen Ί/ärinebelastungen, welche erschv/erenderweise ungleichmäßig über die Bodenfläche verteilt sind, machen spezielle i-Iaßnahmen erforderlich, um eine ausreichende Kühlung dieser Teile sicherzustellen. Andernfalls können solche örtliche Temperaturspitzen infolge des großen Temperaturgefälles zu den umgebenden Teilen des Zylinderkopfes sehr leicht zur Bildung von Wärmerissen führen. i-Ian ist deshalb bestrebt, solche örtlichen Temperaturspitzen durch verstärkte Kühlung dieses je-eichej des Zylinderkopfbolena abzubauen. In der Regel treten

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Unterlagen

derartige Temperaturspitzen mit besonderer Anfälligkeit für Rißbildungen in den Stegen zwischen den Ventilen und der Durchtrittsbohrung der Einspritzdüse bzw. des Vorkammerbrenners am Zylinderkopfboden auf«

Eine bekannte Abhilfemaßnahme gegen diese örtliche Überhitzung ist die Unterteilung des Kühlwasserraumes in etwa halber Höhe durch eine Trennwand, durch die der Kühlwasserstrom über den Steg zwischen den Ventilen hindurchgeleitet wird* Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Maßnahme bei hohen Wärmebelastungen nicht mehr als ausreichend angesehen werden kann, da die aus gußtechnischen Gründen in halber Höhe des Wasserraumes angeordnete Trennwand höhere Wasserge.schwin— digkeiten und damit eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Ventilstege nicht zuläßt·

Bekannt ist weiters die bei Zwei-Ventil-Zylinderköpfen anwendbare Maßnahme, die thermisch besonders belasteten Stellen des Zylinderkopfes durch gezielte Wasserstrahlen zu kühlen, zu welchem Zweck von der Dichtfläche des Zylinderkopfes ausgehende, entsprechend gekrümmte Röhrchen in den Kühlwasserraum ragen, deren Austrittsöffnungen den gefährdeten Stellen des Kopfes gegenüberliegen. Auch diese an sich wirk-. same, jedoch verhältnismäßig aufwendige'Maßnahme erweist sich als nur begrenzt anwendbar. Insbesondere ist es aus rein baulichen Gründen unmöglich, diese Ausführung auch bei vier— öder mehrventiligen Zylinderköpfen anzuwenden» Da aber vor allem vier- oder mehrventilige Zylinderköpfe für thermisch hochbelastete und aufgeladene Motoren in Frage kommen, kann

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auf eine verstärkte Kühlung der Ventil- und Düsen- bzw. Vorkammerstege keinesfalls verzichtet werden·

Bisher war es auch bei vier- oder mehrventiligen Zylinderköpfen nur möglich, verbesserte Kühlverhältnisse durch Anordnung einer Zwischenwand im Zylinderkopf herbeizuführen. Abgesehen davon, daß bei hochbelasteten Motoren - wie im oben erwähnten Falle - wegen der geringen Strömungsgeschwindig- : keit eine besonders wirksame Stegkühlung nicht erreichbar iat, erweist sich die Anordnung einer Zwischenwand bei vier- und mehrventiligen Zylinderköpfen hinsichtlich Kernlagerung, Kernentfernung und Grußausführung als äußerst kompliziert, sodaß bei der Herstellung derartiger Gußstücke immer mit hohen Ausschußquoten zu rechnen ist.

Soweit bisher die Zuführung des Kühlwassers in den Kühlwasserraum des Zylinderkopfes durch einen die Einspritzdüse umgebenden Zuführungskanal vorgeschlagen wurde, handelt es sich immer um Ausgestaltungen, bei denen die Führung des Kühlwassers in Richtung gegen den Zylinderkopfboden in verhältnismäßig großem Abstand von diesem endete; dadurch war eine gezielte Strömung des Kühlwassers gegen die thermisch höchstbelasteten Stellen nicht zu erreichen, wenn auch das Kühlwasser durch einen Umfangsi>alt zwischen der Einspritzdüse und der Wand des Zuführungskanals in den Kühlwasserraum des Zylinderkopfes übertrat.

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der zuletzt angeführten Bauformen in der Weise, daß der Zuführungskanal in ein gegen den Zylinderkopfboden gerichtetes Einsatzrohr ausläuft_f

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das bis knapp über den Zylinderkopfboden reicht, wobei vorzugsweise der wirksame Austrittsquerschnitt für das Kühlwasser aus dem Einsatzrohr kleiner ist als jeder andere Querschnitt im Zuflußkanal, jedoch noch größer ist als der Durchschnittsquerschnitt für das Kühlwasser in dem wenigstens über einen Teil des ümfanges des Einsatzrohres reichenden Spalt zwischen dem ' Einsatzrohr und dem Zylinderkopfboden. Im Ringspalt selbst, insbesondere aber im Bereich seiner Mündung in den Kühlwasserraum des Zylinderkopfes, bildet sich daher ein zentraler, zufolge der Querschnittsverengung beschleunigter Kühlwasserstrom aus, dem die der Mündung des Ringspaltes gegenüberliegende, thermisch am höchsten belastete Zone des Zylinderkopfbodens unmittelbar ausgesetzt ist. Da an dieser Stelle des Zylinderkopfbodens auch die Einspritzdüse bzw. die Vorkammer angeschlossen ist, welche Teile durch ihre zentrale Anordnung im beschleunigten Kühlwasserstrom eine besondere wirksame Kühlung erfahren, wird die Wärmeabfuhr von der heißesten Zone des Zylinderkopf-. bodens noch zusätzlich verstärkt. Durch die Ausbildung des Endes des Zuführungskanals als Einsatzrohr ist es möglich, die aus strömungstechnischen Gründen erforderlichen Querschnittsänderungen über die länge des Einsatzrohres mit der notwendigen Präzision auszuführen. Gleiches gilt für die Ausbildung des Austrittsspaltes für das Kühlwasser, der von dem freien Rand des Einsatzrohres und dem ihm gegenüberliegenden Teil des Zylinderkopfbodens begrenzt wird. Es ergibt sich nämlich dabei häufig die Notwendigkeit die Höhe dee Spaltes über den Umfang der Hülse verschieden auszuführen, um damit die Verteilung des austretenden Kühlwassers auf die Stellen größter Wärmebelastung zu erreichen.

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Die Praxis bat erwiesen, daß diesen Forderungen bei gegossenen Führungshüllen wegen der beschränkten Fertigungsgenauigkeit nicht entsprochen werden kann.

Besonders vorteilhaft tritt der Erfindungsgedanke in Erscheinung bei Zylinderköpfen mit vier und mehr Ventilen, weil hier durch die besondere Ausgestaltung des Spaltes eine Aufteilung und Zumessung der Kiihlwasserströme erreicht werden kann; es läßt sich hier eine von der Einspritzdüse ausgehende Quers-trömung verwirklichen, die mit entsprechend vielen Ästen gegen die einzelnen Ventilstege gerichtet ist. Die Veränderung der Spalthöhe über den Umfang des Einsatzrohres bzw. die Unterbrechung des Spaltes in bestimmten Umfangsbereichen ergeben ein* fache aber wirkungsvolle Beeinflußungen der Kühlwasserströme, die als gerichtete und beschleunigte Strahlen in Erscheinung treten.

In der Zeichnung sind achematisch die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt« Es geigen Fig. 1 den Zylinderkopf einer Einspritzbrennkraftmaschine mit zentraler Einspritzdüse und je einem Ein- und Auslaßventil im Vertikalschnitt und die Fig, 2 und 3 je eine Variante der Ausgestaltung des Zylinderkopfes nach Fig. 1 im Bereich des Einspritzdüsenendes in dem der Fig. 1 entsprechenden Schnitt. In sämtlichen Darstellungen sind die gleichen Teile mit gleichen Ziffern bezeichnet.

Der Zylinderblock 30 dieser normalen zweiventiligen Einspritzbrennkraftmaschine besitzt $& Zylinder 31 mehrere um den Zylinder gleichmäßig verteilte Kühlwassereintrittsöffnungen 32

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welche unmittelbar in den Kühlwasserraum 34 des Zylinderkopfes 33 münden. Den Zylinderkopf 33 durchsetzt eine Schrägbohrung , die annähernd mittig in den Zylinder 31 ausmündet und in die

ein kalibriertes Einsatzrohr/eingesetzt ist,in dem sich der nach unten hin verjüngt ausgebildete Düsenhalter 35 befindet· Der Düsenhalter 35 ist mittels einer Spannvorrichtung 36 am Zylinderkopf 33 befestigt. Das nach unten hin offene Düsenhaltereinsatzrohr 37 reicht bis knapp über den Zylinderkopfboden 41 und bildet mit dem verjüngten Teil des Düsenhalters den Hingspalt 40· Der Ringspalt 40 steht über eine seitliche Eintrittsöffnung 38 des Einsatzrohres 37 mit der Kühlv/asserzuflußb'ffnung 39 des Zylinderkopfes 33 in direkter Verbindung. Der Zylinderkopfboden 41 ist im Bereich zwischen den beiden Ventilen 42, von denen nur eines aus der Zeichnung ersichtlich ist, als verstärkter Ventilsteg 43 ausgebildet· Das Kühlwasser gelangt von der Eintrittsöffnung 39 des Zylinderkopfes in den Hingspalt 40, den es im Sinn der den Verlauf der Stromfäden andeutenden Pfeile in Richtung gegen den Zylinderkopfboden durchsetzt ι beim Durchtritt durch den zwischen dem unteren Bndt des Einsatzrohres 37 und dem Zylinderkopfboden befindlichen Spalt gelangt das Kühlwasser in Innigen Kontakt mit dem Boden des Zylinderkopfes, von dem die Wärme entsprechend der starken Strömung wirkungsvoll abgeleitet wird.

Bei den Hingspalten nach Ifig. 2 und 3 ist die Austrittsströmung unterschiedlich orientiert. Während bei der Ausbildung nach Fig· 2 neben der gegen den Ventilsteg gerichteten Haupt-Strömung 44 des Kühlwassers noch eine durch den Zylinderkopf—

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"boden in die entgegengesetzte Richtung umgelenkte Nebenströmung vorhanden ist, welch letztere durch den Drosselquerschnitt verhältnismäßig stark geschwächt ist, feht ein solcher Nebenstrom bei der Ausbildung nach Fig. 3 überhaupt, da bei dieser Ausbildung des Einsatzrohres mit einem an dem Düsenhalterrohr anliegenden kragenförmigen Rand 47 des Einsatzrohres das gesamte Kühlwasser nur in Richtung des Hauptstrahles 44 austreten kann ·

16.8.68
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Claims (1)

1. Abschrift

   8 U76387

   Patentanspruch :

   Zylinderkopf für wassergekühlte, ventilgesteuerte Einspritzbrem;kraftmascliinen, deren Einspritzdüse den Zuflußkanal für das ganze dem Zylinderkopf zugeführte Kühlwasser oder wenigstens den Großteil desselben im Abstand über dem Zylinderkopfboden durchsetzt, wobei das Kühlwasser durch einen Umfangsspalt zwischen der Einspritzdüse und der Wand des Zuführungskanals in Richtung gegen den Zylinderkopfboden in den Kühlwasserraum des Zylinderkopfes übertritt, dadurch gekennzeichnet ,daß der Zuführungskanal in ein gegen den Zylinderkopfboden· gerichtetes Einsatzrohr ausläuft, das bis knapp über den Zylinderkopfboden reicht, wobei vorzugsweise der wirksame Austrittsquerschnitt für das Kühlwasser aus dem BinsatzroLr kleiner ist als jeder andere Querschnitt im Zuflußkanal, jedoch noch größer ist als der Durchtrittsquerschnitt für das Kühlwasser in dem wenigstens über einen Teil des Umfanges des Eincat arohres reichenden Spalt zwischen dem Einsatzrohr und dcu Zylinderkopfboden.

   30.5.67
   Kr/U

   909831/0353 „,„..

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