DE2162397A1

DE2162397A1 - Zylinderkopf einer kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2162397A1
Application number: DE19712162397
Authority: DE
Inventors: Alois Bitterli
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1971-12-09
Filing date: 1971-12-16
Publication date: 1973-07-05
Also published as: DE2162397C3; PL78959B1; NL7118058A; DE2162397B2; CH545915A; ES409435A1; NL150552B; FR2164304A5; JPS4875916A; IT971410B; GB1406066A; JPS5636293B2

Description

P.4559 Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft. Winterthur/Schweiz

Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine g

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmas chine mit einer Ausnehmung für den Kompressionsraum und mit Bohrungskühlung durch eine Kühlflüssigkeit.

Zylinderköpfe sind bei hochbelasteten Kolbenbrennkraftmaschinen, wie z.B. aufgeladenen Grossdieselmotoren, besonders stark beanspruchte Teile. Einerseits sind sie grossen Gaskräften

J ausgesetzt, die im Brennraum wirken, andererseits sind sie durch ^ die dabei entstehende Wärme Wärmespannungen unterworfen. Die Schwierigkeiten werden dabei umso grosser, je höher der Zünddruck und Je grosser der Durchmesser der Bohrung des Zylinders der Brennkraftmaschine ist.

Ein Zylinderkopf der genannten Art ist aus der schweizerischen Patentschrift 242.922 bekannt. Bei diesem sind jedoch die Kühlbohrungen in einer verhältnismässig dünnen konischen Wand ausgebildet, über welcher sich noch ein Kühlraum befindet.

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Dadurch wird der Zylinderkopf geschwächt und ist nicht für die höchsten, heute auftretenden Drücke geeignet. Ausserdem ist ein den unteren Teil der Ausnehmung umgebender Umfangsteil schlecht gekühlt und muss daher durch einen Wärmeschutzring geschützt werden. Ein derartiger Wärmeschutzring ist jedoch von allen Seiten heissen Brenngasen ausgesetzt und unterliegt einer hohen Abnützung. Schliesslich ist die dabei vorgesehene konische Form der Ausnehmung nicht für den Kompressionsraum eines aufgeladenen, langhubigen Grossdieselmotors geeignet, da sie bei einer gegebenen Höhe ein zu kleines Volumen hat und dabei festigkeitsmässig nicht günstig ist.

Andererseits ist aus der schweizerischen Patentschrift 210.886 das Prinzip einer Bohrungskühlung von dickwandigen Teilen bekannt, bei welchen die Wärmespannungen, die in den dicken Wänden auftreten, dadurch vermindert werden, dass Kühlbohrungen möglichst nahe an der durch Wärme beaufschlagten Wand angeordnet sind.

Die Erfindung hat eine Weiterentwicklung des bekannten Zylinderkopfes und die Schaffung eines Zylinderkopfes zum Ziel, welcher für die höchsten Drücke geeignet ist, die heute bei aufgeladenen Grossdieselmotoren auftreten, dabei die Anordnung dss ganzen Kompressionsraumes im Zylinderkopf ermöglicht, wobei vorzugsweise der Kolben im oberen Totpunkt noch in die Ausnehmung im Zylinderkopf eindringen kann, so dass die Zylinderbüchse vor den höchsten Temperaturen geschützt ist. Insbesondere soll es

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auch möglich sein, den Zylinderkopf aus einem vollen Block eines gegen Wärme widerstandsfähigen Materiales mit hoher Festigkeit, wie z.B. aus Stahl, herzustellen, wobei er eine festigkeitsmässig günstige Form haben soll.

Der erfindungsgemässe Zylinderkopf, durch welchen dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung einen zentralen Teil mit einer im wesentlichen ebenen (j Wand aufweist, die mit einer Bohrungskühlung durch in der Nähe der Wand der Ausnehmung befindliche Kühlbohrungen versehen ist, sowie einen Umfangsteil, der eine im wesentlichen konische Wand hat und mit mindestens einer Kühlkanalanordnung für die Kühlflüssigkeit zur Kühlung des ümfangsteiles versehen ist.

Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Wand eines im Zylinderkopf befindlichen Kompressionsraumes unmittelbar und derart intensiv zu kühlen, dass der Rest des Zylinderkopfes im wesentlichen aus vollem Material, z.B. einem Stahlblock, herge- ^ stellt werden kann, ohne dass in diesem unzulässige Wärmespannungen entstehen. Dabei hat der Zylinderkopf wegen der ebenen Wand des zentralen Teiles eine festigkeitsmässig günstige Form. Normalerweise sind nämlich dickwandige Teile bei Wärmeeinfall besonders hohen Wärmespannungen durch Temperaturdifferenzen ausgesetzt, so dass man sich bisher bemühte, derartige Teile mögliehst mit dünnen Wänden und z.B. starken Stützrippen auszubilden.

Vorzugsweise kann der Umfangsteil ebenfalls mit einer 309827/0018

Bohrungskühlung versehen sein, wobei entlang der konischen Wand verlaufende Kühlbohrungen die Kühlbohrungen des zentralen Teiles kreuzen und bezüglich der Strömung des Kühlmittels mit diesen verbunden sind. Auf diese Weise wird ein besonders fester Zylinderkopf gewonnen, da auch der Umfangsteil praktisch aus vollem Material bestehen kann.

Es ist jedoch auch möglich, den Umfangsteil mit einem Kühlraum für die Kühlflüssigkeit zu versehen, an den sich die Kühlbohrungen der Bohrungskühlung des zentralen Teiles anschliessen. Bei geeigneter Ausbildung gewährleistet ein derartiger Kühlraum eine gute Kühlung der etwas gegenüber der Bohrungskühlung schwächeren Wand des Zylinderkopfes bei einfacherer Herstellbarkeit.

Dabei kann der Kühlraum am Umfang durch einen dichtenden, vom Zylinderkopf getrennt ausgebildeten Abschlussring versehen sein.

Der nach aussen offene, durch den Abschlussring verschlossene Kühlraum des Zylinderkopfes kann radiale Rippen aufweisen, die zur Uebertragung von Kräften zwischen der unteren und der oberen Wand des Kühlraumes dienen. Dadurch wird eine Ausführungsform gewonnen, die z.B. aus Stahlguss leicht herstellbar ist und eine mechanische Festigkeit hat, die sich der des vollen Körpers nähert.

Es ist jedoch auch möglichj im Kühlraum einen mehrtei-309 827/0018

ligen Stützkörper anzuordnen, welcher zur Uebertragung von Kräften zwischen der unteren und der oberen Wand des Kühlraumes und gleichzeitig zur Führung der Strömung des Kühlmittels entlang der Wand der Ausnehmung dient. Eine derartige Ausführungsform hat den Vorteil eines einfacheren Gussstückes, da die Rippen entfallen können, bei guter Kühlung der Wand des Umfangsteiles der Ausnehmung und einer guten mechanischen Festigkeit, da die Wand des Umfangsteiles von axialen Kräften entlastet ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung.

Es zeigt:

Fig.1 den Schnitt eines Zylinderkopfes mit Bohrungskühlung des zentralen Teiles der den Kompressionsraum bildenden Ausnehmung sowie des Umfangsteiles,

Fig.2 einen Teilschnitt nach der Schnittlinie II in der Fig.1,

Fig.3 einen Schnitt eines Zylinderkopfes mit Bohrungskühlung im zentralen Teil und mit einem Kühlraum mit radialen Rippen im Umfangsteil,

Fig.4 einen Teilschnitt nach der Schnittlinie IV in der Fig.3,

Fig.5 eine andere Ausführung des Zylinderkopfes mit einem Kühlraum im Umfangsteil,

Fig.6 einen Teilschnitt eines der Zylinderköpfe nach

den Fig.1 bis 5 mit einer aussermittig angeordneten

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Bohrung für einen mit dem Kompressionsraum in

Verbindung stehenden Teil der Brennkraftmaschine, Fig.7 den Schnitt VII - VII aus der Fig.6, Fig.8 eine andere Ausführungsform einer Bohrung nach

der Fig.6 und
Fig.9 den Schnitt nach der Schnittlinie IX — IX in der

Fig.8.

In der Fig.1 ist der obere Teil des Zylinders einer auf-* geladenen Grossdieselmaschine mit dem Zylinderkopf im Teilschnitt und mit weggelassenen Teilen dargestellt. Der'Zylinderkopf 1 ist durch Ankerschrauben 2 an eine Zylinderbüchse 3 angepresst, die in einem Zylinderblock 4 eingesetzt ist. In der Zylinderbüchse 3 ist ein Kolben 5 beweglich geführt, der entsprechend der Darstellung in der Fig.1 im oberen Totpunkt in eine Ausnehmung 6 des Zylinderkopfes eingreift, die den Kompressionsraum, d.h. den Raum, welchen der im oberen Totpunkt befindliche Kolben begrenzt, bildet. Der Zylinderkopf 1 enthält eine zentrale Boh^ rung 7 für ein Brennstoffventil sowie mindestens eine ausserhalb der Achse A des Kompressionsraumes befindliche Bohrung 8 für mindestens einen weiteren, mit dem Kompressionsraum 6 in Verbindung stehenden Teil der Brennkraftmaschine, z.B. ein An-» lassventll für Druckluft. Zu diesem Zweck ist die Bohrung 8 mit einer seitlichen Anschlussbohrung 10 verbunden.

Die Ausnehmung 6 des Zylinderkopfes 1 enthält einen zentralen Teil, der eine ebene Wand 11 aufweist, sowie einen Umfangsteil, der eine im wesentlichen konische Wand 12 hat. An

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die konische Wand 12 kann sich, wie in der Fig.1 dargestellt, noch eine zylindrische Wand 13 anschliessen, welche eine tiefere Einführung des Kolbens 5 in die Ausnehmung 6 in seinem oberen Totpunkt gestattet. Dadurch wird die Zylinderbüchse 3 noch weiter vor den heissesten Brenngasen geschützt.

Entlang der Wand 11 sind Kühlbohrungen 14, 15, 16 ausgebildet (Fig.2), die im wesentlichen radial verlaufen. Wie aus | der Fig.2 hervorgeht, sind die Bohrungen 14 am längsten, die Bohrungen 15 etwas kürzer und die Bohrungen 16 noch kürzer als die Bohrungen 14 und 15. Dadurch wird eine gleichmässige Kühlung der kreisförmigen Wand 11 erzielt. Wie aus der Fig.1 hervorgeht, sind die Bohrungen 14, 15 und 16 durch Verbindungsbohrungen 17, mit einem Sammelraum 18 verbunden, aus welchem eine Anschlussbohrung 20 nach aussen führt.

Der Umfangsteil mit der Wand 12 ist mit Kühlbohrungen 21 versehen, von denen eine in der Fig.2 gestrichelt dargestellt | ist,und die anderen nur mit ihren Achsen angedeutet sind. Die Kühlbohrungen 21 verlaufen schräg entlang der Wand 12 des Umfangsteiles 12* und verbinden einen äusseren Verteilraum 22 mit je einer der Bohrungen 14, 15 oder 16. Der Verteilraum 22 ist durch eine Ausnehmung im Zylinderkopf 1 gebildet uid von aussen durch einen Abschlussring 23 mit Dichtungen 24 verschlossen. Der Verteilraum 22 ist durch mehrere Verbindungsrohre" 26 mit einem Sammelkanal 27 einer Bohrungskühlung der Zylinderbüchse 3 verbunden.

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Wie aus der Fig.1 hervorgeht, ist der Zylinderkopf aus einem vollen Materialblock, z.B. aus legiertem Stahlguss mit hoher Festigkeit, hergestellt, wobei sämtliche Kanäle im Block gebohrt sind. Dadurch wird ein Teil mit der höchst erreichbaren Festigkeit erzielt, wobei er durch die dargestellte Kühlung vor grösseren Wärmespannungen geschützt wird. Durch die vollständige Anordnung des Kompressionsraumes 6 im Zylinderkopf wird zudem noch ein grösstmöglicher Schutz der Laufbuchse 3 vor Wärmeeinflüssen erhalten, deren Material mit Rücksicht auf gute Laufeigenschaften und nicht auf Widerstandsfähigkeit gegen Wärme ge-· wählt werden kann.

Die Fig.3uid 4 zeigen einen Zylinderkopf 51 mit einer Ausnehmung 56, deren zentraler Teil mit einer ebenen Wand 61 mit radialen Kühlbohrungen 64, 65 versehen ist, die durch Verbindung sbohrungen 69 mit einem Sammelraum 68 verbunden sind. Der Umfangsteil mit einer konischen Wand 62 ist mit einem Kühlraum 70 versehen, der durch einen Abschlussring 73 mit Dichtungen 74 verschlossen ist. Wie aus der Fig.4 hervorgeht, ist der Kühlraum 70 mit radialen Rippen 75 versehen, die eine kraftschlüssige Verbindung einer unteren Wand 77 des Kühlraumes 70 mit seiner oberen Wand 78 herstellen. Aehnlich wie beim Beispiel nach den Fig.1 und 2 ist der Kühlraum 70 durch ein Verbindungsrohr 76 an den Kühlkreislauf der Maschine angeschlossen.

Die Fig.5 zeigt eine Ausführung des Zylinderkopfes, welche im wesentlichen der Ausführungsform nach den Fig.3 und 4

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entspricht, so dass für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen, jedoch mit einem Strich, versehen wurden. Der Zylinderkopf nach der Fig.5 unterscheidet sich vom Zylinderkopf nach den Fig.3 und 4 dadurch, dass im Kühlraum 70' die Rippen fehlen und durch einen mehrteiligen Stützkörper 80 ersetzt sind, welcher die gleiche Aufgabe der Uebertragung von Kräften zwischen der unteren Wand 77' und der oberen Wand 78' des Kühlraumes 70' erfüllt. | Zusätzlich dient der Stützkörper 80 zur Führung der Kühlflüssig- , keit entlang der inneren Wand des Umfangsteiles 62" des Zylinderkopfes 51'. Damit die Kühlflüssigkeit aus einem äusseren Verteilraum 72' in den Kühlraum 70' einströmen kann, ist der Stützkörper 80 mit Einschnitten 81 versehen, welche Strömungskanäle für die Kühlflüssigkeit zwischen dem Stützkörper 80 und der unteren Wand 77' des Kühlraumes 70' bilden.

Wenn es, wie es z.B. für die Startventile für Druckluft, erforderlich ist, im Zylinderkopf eine oder mehrere Boh- λ rungen für mit dem Kompressionsraum in Verbindung stehende Teile der Brennkraftmaschine auszubilden, können einfach die betreffenden Kühlbohrungen, welche die Bohrung kreuzen würden, weggelassen werden. Eine solche Ausführung ist z.B. aus der Fig.1 ersichtlich, wo keine der Bohrungen 14, 15, 16 die Bohrung 8 schneidet. Um jedoch eine dadurch eventuell eintretende Verschlechterung der Kühlung zu vermeiden, kann z.B. nach den Fig.6 und 7 in einem Zylinderkopf 1' eine Bohrung 8' so ausgebildet werden, dass sie über den Kühlbohrungen 14',. 15'', 16' endet und mit der Aus-

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nehmung 6' durch Kanäle 100 in Verbindung steht. Auf diese Weise kann eine intensive Kühlung der Wand 11 ' der Ausnehmung beibehalten werden. Die Kanäle 100 können, vie dargestellt, länglich oder auch runde Bohrungen sein.

Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung einer derartigen Bohrung ohne Beeinträchtigung der Kühlwirkung ist in den Fig.8 und 9 dargestellt. Nach diesen Figuren ist in einem Zylinderkopf 1" eine Bohrung 8" ausgebildet, welche Kühlbohrungen 14" und 16" schneidet. In der Bohrung 8" ist dichtend eine Büchse 110 angeordnet, welche an der Kreuzungsstelle der Bohrung 8" mit den Kühlbohrungen 14" und 16" einen die Büchse umschliessen-^ den Kanal 111 bildet, der eine Umströmung der Büchse durch die Kühlflüssigkeit aus den Bohrungen 14" und 16" gestattet. Die Büchse 110 ist in der Bohrung 8" durch eine Mutter 112 befestigt, wobei sie sich mit einem Flansch 113 gegen die Wand 11" abstützt.

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Claims

Patentansprüche

Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Ausnehmung für den Kompressionsraum und mit Bohrungskühlung durch eine Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , dass die Ausnehmung (6, 56, 56') einen zentralen Teil mit einer im wesentlichen ebenen Wand (11) aufweist, die mit einer Bohrungskühlung durch in der Nähe der Wand (11) f der Ausnehmung befindliche Kühlbohrungen (14, 15, 16, 64, 64') versehen ist, sowie einen Umfangsteil, der eine in wesentlichen konische Wand (12, 62, 62') hat und mit mindestens einer Kühlkanalanordnung (21, 70, 70') für die Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Umfangsteiles versehen ist.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsteil ebenfalls mit einer Bohrungskühlung versehen ist, wobei entlang der konischen Wand (12) verlaufende Kühlbohrungen (21) die Kühlbohrungen (14, 15, 16) des zentralen ^ Teiles kreuzen und -bezüglich der Strömung des Kühlmittels mit diesen verbunden sind (Fig.1, 2).
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsteil mit einem Kühlraum (70, 70') für die Kühlflüssigkeit versehen ist, an den sich die Kühlbohrungen (64, 64') der Bohrungskühlung des zentralen Teiles anschliessen.
4. Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (70, 70') am Umfang durch einen dichtenden,

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vom Zylinderkopf getrennt ausgebildeten Abschlussring (73, 73') verschlossen ist.
5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlraum (70) radiale Rippen (75) ausgebildet sind, die zur Uebertragung von Kräften zwischen der unteren (77) und der oberen Wand (78) des Kühlraumes (70) dienen (Fig.3, 4).
6. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlraum (70') ein Stützkörper (80) eingelegt ist, welcher zur Uebertragung von Kräften zwischen der unteren (77) und der oberen Wand (78') des Kühlraumes (70·) und gleichzeitig zur Führung der Strömung der Kühlflüssigkeit entlang der Wand (62')des Umfangsteiles der Ausnehmung (56') dient (Fig.5).
7. Zylinderkopf nach Anspruch 1, mit mindestens einer im zentralen Teil ausgebildeten Bohrung für einen mit dem Kompressionsraum in Verbindung stehenden Teil der Brennkraftmaschine, welche sich ausserhalb der Achse des Kompressionsraumes befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (8^f) in einem Abstand von den Kühlbohrungen (14', 15', 16') endet und zur Verbindung mit dem Zylinderraum mindestens ein an die Bohrung (8¹) anschliessender, zwischen den Kühlbohrungen durchgeführter Kanal vorgesehen ist (Fig.6, 7).
8. Zylinderkopf nach Anspruch 1, mit mindestens einer im zentralen Teil ausgebildeten Bohrung für einen mit dem Kompressionsraum in Verbindung stehenden Teil der Brennkraft-

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maschine, welche sich ausserhalb der Achse des Kompressionsraumes befindet, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kreuzungsstelle der Bohrung (8^W) den Kühlbohrungen (14", 16") in der Bohrung eine Büchse (110) mit einem diese umschliessenden Kanal (111) angeordnet ist, welcher eine Umströmung der Büchse (110) durch die Kühlflüssigkeit gestattet.
9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem vollen Block eines festen, gegen Wärme widerstandsfähigen Material hergestellt ist.
10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsteil eine sich an die konische Wand (12) anschliessende zylindrische Wand (13) aufweist.

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