DE2061930C2

DE2061930C2 - Leichtmetallzylinderkopf für luftgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2061930C2
Application number: DE19702061930
Authority: DE
Inventors: Otto Dr.-Ing. 5070 Bergisch-Gladbach Herschmann
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1983-10-20
Also published as: DE2061930A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallzylinderkopf für luftgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Ventilen zur Steuerung des Gaswechsels, deren Sitzringe sich in einer mit dem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes verbundenen, dem Zylinderinneren zugewandten warmfesten Platte befinden, die sich über den Zylinderkopfboden erstreckt.

Es ist bekannt, daß die Leistung bei luftgekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschinen, vor allem bei Dieselmotoren, durch die Warmfestigkeit verschiedener Bauteile, insbesondere des Zylinderkopfes, begrenzt ist. Stark gefährdet sind dabei die Teile des Zylinderkopfes, die den heißen Brenngasen ausgesetzt sind. Dies sind besonders die zwischen den Ventilsitzen befindlichen Teile des Zylinderkopfes, die man als Stege bezeichnet. Bei Wirbelkammermotoren werden die Stege durch die aus dem Schußkanal in den Zylinderraum austretenden heißen Gase besonders stark erwärmt. Aber auch bei Dieselmotoren, die mit direkter Einspritzung arbeiten und bei denen sich im Kolben ein Brennraum befindet, wird die gesamte Wärme des eingespritzten Brennstoffs in dem Brennraum frei, der unmittelbar unter dem Steg liegt.

Um eine Überhitzung des Steges zu vermeiden, wurde schon vorgeschlagen, den Steg von außen her mit Kühlrippen zu versehen. Nach anderen Vorschlägen wurden im Steg Dehnungsfugen angeordnet, die mit einem plastischen Werkstoff ausgefüllt waren. Auch hat man Schwermetallbleche in den Steg eingesetzt, die die Rißbildung in dem Steg verhindern solltea Zur Beherrschung der hohen Temperaturen des Steges hat man auch den gesamten Zylinderkopfboden mit einer Platte aus warmfestem Werkstoff ausgekleidet, jedoch wurde mit diesem Vorschlag das angestrebte Ziel ebenfalls noch nicht zufriedenstellend erreicht, weil bei starker Erwärmung die Bindung der Platte mit dem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes im Bereich des Steges zerstört werden konnte.

Es liegt daher die Aufgabe vor, einen Zylinderkopf der als bekannt vorausgesetzten Art zu schaffen, bei dem mit Sicherheit Stegrisse verhindert werden.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in den Teüen der warmfesten Platte, die zwischen den Ventilsitzringen liegen (Stegzone), nebeneinanderliegende Kühlkanäle angeordnet sind, die sich etwa über die ganze Breite aer Stegzone erstrecken, mit ihrer dem Zylinderinneren zugewandten Begrenzung so nah an die Zylinderkopfbodenfläche herangeführt sind, wie es aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der Warmfestigkeit möglich ist, und durch Leitungen mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sind.

Hierdurch ist in vorteilhafter Weise erreicht, daß die vom Brennraum an den Steg abgegebene Wärme über dessen ganze Breite unmittelbar von der Kühlflüssigkeit abgeleite; wird. So wird die Hauptmasse des Steges vor unzulässig hohen Temperaturen geschützt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung haben die Kühlkanäle einen kleinen Querschnitt und sind über die Stegzone so nebeneinanderliegend angeordnet, daß zwischen ihnen nur verhältnismäßig dünne Wände verbleiben. Dies hat den Vorteil, daß für die Wärmeableitung nach der Hauptmasse des Steges hin keine unerwünscht großen metallischen Querschnitte zur Verfügung stehen. Dabei wird in den kleinen Querschnitten der Kühlkanäle eine hohe Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels eingehalten. Auf diese Weise wird zwischen dem Brennraum und der Kühlflüssigkeit in den Kanälen ein höchstmögliches Temperaturgefälle erzielt, welches eine wirksame Wärmeableitung ermöglicht. Da gemäß der Erfindung die Kühlflüssigkeit in den Kanälen mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, erfolgt die Förderung der Kühlflüssigkeit durch die Kanäle zwangsläufig; dadurch ist es möglich, die Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in geeigneter Weise zu beeinflussen.

Durch die Lage des Einspritzventils oder der Zündkerze, die eine Öffnung im Zylinderkopfboden erfordern, ist es bei den meisten Zylinderkopfbauarten nicht möglich, die Kanäle zur Kühlung des Steges in gerader Verlängerung weiter zu führen. Dies bedingt, daß sich bei der Herstellung der Kanäle Schwierigkeiten ergeben. Wenn die Platte jedoch nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung im Bereich der Kühlkanäle etwa parallel zu ihrer Stirnfläche geteilt ist, so kann man in jedem Plattenteil die Hälfte des Querschnitts der Kühlkanäle mit einfachen Werkzeugen, z. B. durch Fräsen, erzeugen. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wenn die Kühlkanäle mit zunehmendem Abstand von der schmälsten Stelle des Steges fächerartig auseinanderlaufen, wobei sich zugleich ihr Querschnitt zunehmend vergrößert. Auf diese Weise ergibt sich ein venturidüsenartiges Kanalprofil, das wegen der Kürze der engsten Stelle nur einen verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand hat.

Für die Zwangsförderung des Kühlmittels durch die Kanäle bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise können die Kühlkanä- «: an den Schmierölkreislauf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeschlossen sein, oder sie können von einem getrennten Kühlmittelkreislauf versoigt werden. Hierzu ist zur Förderung des Kühlmittels eine besondere Pumpe, die von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, erforderlich.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt.

A b b. 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch die Ventilebene eines Zylinderkopfs einer luftgekühlten Brennkraftmaschine.

Abb.2 zeigt einen Schnitt durch eine im Zylinderkopfboden eingesetzte Platte gemäß der Schnittlinie H-Il in Abb. 3.

A b b. 3 zeigt einen Querschnitt durch die im Zylinderkopfboden eingesetzte Platte gemäß der Schnittlinie III-III in Abb. 2.

Der Zylinderkopf 1 einer luftgekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschine weist zwei Ventile 2 auf, die in Ventilführungen 3 geführt sind und Gaswechselkanäle 4 beherrschen. An den Mündungen der Gaswechselkanäle 4 sind Ventilsitzringe 5 in den Zylinderkopf 1 eingesetzt. Der Zylinderkopf 1, der den Zylinder 6 nach oben hin abschließt und ebenso wie der Zylinder 6 Kühlrippen 7 in üblicher Anordnung aufweist, besitzt eine brennraumseitig eingelassene Platte 8 aus einem Werkstoff höherer Warmfestigkeit Die Platte 8 enthält zur intensiven und gezielten Kühlung der kritischen Stellen, insbesondere der Stegzone 9 zwischen den Ventilen 2, Kühlkanäle 10, die durch Stegpartien gebildet sind und zwischen den Ventilöffnungen und der öffnung für die Einspritzdüse oder Zündkerze hindurchführen. Um die Herstellung der Kühlkanäle 10 zu erleichtern, ist die Platte 8 im Bereich der Kühlkanäle 10 etwa parallel zu ihren Stirnflächen 11 geteilt. Die Plattenteile sind durch eine Schweißnaht 12 miteinander verbunden.

Wie aus den Zeichnungen erkennbar ist, erstrecken sich die Kühlkanäle 10 etwa über die ganze Breite der Stegzone 9 und sind mit ihrer dem Zylinderinneren zugewandten Begrenzung so nahe an die Zylinderkopfbodenfläche herangeführt, wie es aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der Warmfestigkeit möglich ist Auch haben die Kühlkanäle 10 in der Stegzone 9 einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt; sie sind über die Breite der Stegzone 9 so nebeneinanderliegend angeordnet, daß zwischen ihnen nur verhältnismäßig dünne Wände verbleiben.

An den Enden der Kühlkanäle 10 sind Gewinde 13 für den Anschluß von Kühlmittelzuleitungen vorhanden. Als Kühlmittel wird man bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen vorzugsweise das Schmieröl verwenden. Da in der Stegzone 9 jedoch verhältnismäßig hohe Temperaturen auftreten, kann es auch vorteilhaft sein, einen besonderen Kühlkreislauf vorzusehen, um ein frühzeitiges Altern des Schmieröls zu vermeiden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leichtmetallzylinderkopf für luftgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Ventilen zur Steuerung des Gaswechsels, deren Sitzringe sich in einer mit dem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes verbundenen, dem Zylinderiniieren zugewandten warmfesten Platte befinden, die sich über den Zylinderkopfboden erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilen der Platte (8), die zwischen den Ventilsitzringen (5) liegen (Stegzone 9), nebeneinanderliegende Kühlkanäle (10) angeordnet sind, die sich etwa über die ganze Breite der Stegzone (9) erstrecken, mit ihrer dem Zylinderinneren zugewandten Begrenzung so nah an '⁵ die Zylinderkopfbodenfläche herangeführt sind, wie es aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der Warmfestigkeit möglich ist, und durch Leitungen mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sind.

2. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (10) einen kleinen Querschnitt haben und über die Stegzone (9) so nebeneinanderliegend angeordnet sind, daß zwischen ihnen nur dünne Wände verbleiben. ²S

3. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8) im Bereich der Kühlkanäle (10) etwa parallel zu ihren Stirnflächen (11) geteilt ist.

4. Leichtmetallzylinderkopf nach einem der ³" Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (10) an den Schmierölkreislauf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeschlossen sind.

5. Leichtmetallzylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (10) an einen getrennten Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind.