DE2162397B2 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

keitsraumes (70') und gleichzeitig zur Führung der Strömung der Kühlflüssigkeit entlang der Wand (62') des Umfangsteiles der Ausnehmung (56') dient (Fig. 5).

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den kegeligen Wandteil (12) in an sich bekannter Weise ein zylindrischer Wändteil (13) angeschlossen ist.

rials 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 der Zylinderkopf in an sich bekannter Weise aus vollem Material gefertigt ist, wobei die Ausnehmung einen zentralen, ebenen Wandteil aufweist, an den sich ein im wesentlichen kegeliger Wandteil anschließt, der mit Kühlflüssigkeits-

—■—: , kanälen versehen ist, die mit den Kühlflüssigkeitsboh

rungen verbunden sind.

Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Wand

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten 65 eines im Zylinderkopf befindlichen Kompressions-Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine, ins- raumes unmittelbar und derart intensiv zu kühlen, besondere einer Großdieselmaschine, mit einer min- daß im Rest des Zylinderkopfes, der aus vollem Madestens den ganzen Kompressionsraum umfassenden terial, z.B. einem Stahlblock, hergestellt ist, keine

unzulässigen Wärmespannungen entstehen. Dabei hat der Zylinderkopf wegen der ebenen Wand des zentralen Teiles eine festigkeitsmäßig günstige Form. Üblicherweise sind nämlich dickwandige Teile bei Wärmeeinfall besonders hohen Wärmespannungen durch Temperaturdifferenzen ausgesetzt, so daß man sich bisher bemühte, derartige Teile möglichst mit dünnen Wänden und z.B. starken Stützrippen auszubilden.

In diesem Zusammenhang muß darauf hingewiesen werden, daß es an sich bekannt ist, Zylinderköpfe aus vollem Material herzustellen, siehe z. B. die FR-PS 465 378 oder das Handbuch von Dipl.-Ing. F. Mayr, »Ortsfeste Dieselmotoren und Schiffsdieselmotoren«, Springer-Verlag 1960, Abb. 262. Diese Zylinderköpfe weisen jedoch Formen des Brennraumes auf, die für eine Einspritzung des Brennstoffes ungeeignet sind.

Vorzugsweise kann der kegelige Wandteil ebenfalls mit einer Bohrungskühlung versehen sein, wobei entlang der kegeligen Wand verlaufende JSjühlflüssigkeitsbohrungen die Kühlflüssigkeitsbohrungen des zentralen Wandteiles kreuzen und bezüglich der Strömung der Kühlflüssigkeit mit diesen verbunden sind. Auf diese Weise wird ein besonders fester Zylinderkopf gewonnen, da auch der Umfangsteil nahezu aus vollem Material bestehen kann.

Es ist jedoch auch möglich, den kegeligen Wandteil mit einem Kühlflüssigkeitsraum für die Kühlflüssigkeit zu versehen, an den sich die Kühlflüssigkeitsbohrungen der Bohrungskühlung des zentralen Wandteiles anschließen. Bei geeigneter Ausbildung gewährleistet ein derartiger Kühlflüssigkeitsraum eine gute Kühlung der etwas gegenüber der Bohrungskühlung schwächeren Wand des Zylinderkopfes bei einfacherer Herstellbarkeit.

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

Der nach außen offene, durch den Abschlußring verschlossene Kühlflüssigkeitsraum des Zylinderkopfes kann radiale Rippen aufweisen, die zur Übertragung von Kräften zwischen der unteren und der oberen Wand des Kühlflüssigkeitsraumes 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 möglich, im Kühlflüssigkeitsraum einen mehrteiligen Stützkörper anzuordnen, welcher zur Übertragung von Kräften zwischen der unteren und der oberen Wand des Kühlflüssigkeitsraumes und gleichzeitig zur Führung der Strömung der Kühlflüssigkeit 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 an Hand der Zeichnung.

Es zeigt

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

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

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

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

F i g. 5 eine andere Ausführung des Zylinderkopfes mit einem Kühlflüssigkeitsraum im Umfangsteil,

F i g. 6 einen Teilschnitt eines der Zylinderköpfe nach den F i g. 1 bis 5 mit einer außermittig angeordneten Bohrung für einen mit dem Kompressionsraum in Verbindung stehenden Teil der Brennkraftmaschine,

F i g. 7 einen Schnitt nach der Schnittlinie VII in der F i g. 6,

F i g. 8 einen Teilschnitt des Zylinderkopfes mit einer anderen von der nach F i g. 6 abweichenden Ausführungsform einer außermittigen Bohrung und

Fig. 9 einen Schnitt nach der Schnittlinie IX-IX in der Fig. 8.

Der Zylinderkopf 1 nach F i g. 1 ist durch Ankerschrauben 2 an eine Zylinderlaufbüchse 3 angepreßt, die in einem Zylinderblock 4 eingesetzt ist. In der Zylinderlaufbuchse 3 ist ein Kolben 5 beweglich geführt, der im oberen Totpunkt in eine Ausnehmung 6 des Zylinderkopfes 1 eingreift, die den Kompressionsraum, d. h. den Raum, welchen der im oberen Totpunkt befindliche Kolben begrenzt, bildet. Der Zylinderkopf 1 enthält eine zentrale Bohrung 7 für ein Brennstoffventil sowie mindestens eine außerhalb der Achse A des Kompressionsraumes befindliche Bohrung 8 für mindestens einen weiteren, mit der Ausnehmung 6 in Verbindung stehenden Teil der Brennkraftmaschine, z. B. ein Anlaß ventil für Druckluft. Zu diesem Zweck ist die Bohrung 8 mit einer seitlichen Anschlußbohrung 10 verbunden.

Die Ausnehmung 6 des Zylinderkopfes 1 enthält einen zentralen ebenen Wandteil 11, sowie einen im wesentlichen kegeligen Wandteil 12. An den kegeligen Wandteil 12 kann sich noch ein zylindrischer Wandteil 13 anschließen, welcher eine tiefere Einführung des Kolbens 5 in die Ausnehmung 6 in seinem oberen Totpunkt gestattet. Dadurch wird die Zylinderlauf büchse 3 noch weiter vor den heißesten Brenngasen geschützt.

Entlang dem Wandteil 11 sind Kühlflüssigkeitsbohrungen 14, 15, 16 ausgebildet, die im wesentlichen radial verlaufen. Wie aus der F i g. 2 hervorgeht, sind die Kühlflüssigkeitsbohrungen 14 am längsten, die Kühlflüssigkeitsbohrungen 15 etwas kürzer und die Kühlflüssigkeitsbohrungen 16 noch kürzer als die Kühlflüssigkeitsbohrungen 14 und 15. Dadurch wird eine gleichmäßige Kühlung der kreisförmigen Wand 11 erzielt. Wie aus der F i g. 1 hervorgeht, sind die Kühlflüssigkeitsbohrungen 14, 15 und 16 durch Verbindungsbohrungen 17 mit einem Sammelraum 18 verbunden, aus welchem eine Anschlußbohrung 20 nach außen führt.

Der kegelige Wandteil 12 ist mit Kühlflüssigkeitsbohrungen 21 versehen, von denen eine in der F i g. 2 gestrichelt dargestellt ist, und die anderen nur mit ihren Achsen angedeutet sind. Die Kühlflüssigkeitsbohrungen 21 verlaufen schräg entlang des kegeligen Wandteiles 12 und verbinden einen äußeren Verteilraum 22 mit je einer der Kühlflüssigkeitsbohrungen 14, 15 oder 16. Der Verteilraum 22 ist durch eine Ausneh-

mung im Zylinderkopf 1 gebildet und 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 Zylinderlaufbüchse 3 verbunden.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, ist der Zylinderkopfaus einem vollen Materialblock, z.B. aus legiertem Stahlguß mit hoher Festigkeit, hergestellt, wobei sämtliche Kanäle mit Materialblock gebohrt sind. Dadurch wird ein Bauteil mit der höchst erreichbaren Festigkeit erzielt, wobei er durch die dargestellte Kühlung vor größeren Wärmespannungen geschützt wird. Durch die Anordnung des Kompressionsraumes zur Gänze im Zylinderkopf in Form einer Ausnehmung 6 wird zudem noch ein größtmöglicher Schutz der Zylinderlaufbüchse 3 vor Wärmeeinflüssen erhalten, so daß ihr Material mit Rücksicht auf gute Lauf eigenschaften und nicht auf Widerstandsfähigkeit gegen Wärme gewählt werden kann.

Die F i g. 3 und 4 zeigen einen Zylinderkopf 51 mit einer Ausnehmung 56, deren zentraler Teil mit einer ebenen Wand 61 mit radialen Kühlflüssigkeitsbohrungen 64, 65 versehen ist, die durch Verbindungsbohrungen 69 mit einem Sammelraum 68 verbunden sind. Der kegelige Wandteil 62 ist mit einem Kühlflüssigkeitsräum 70 versehen, der durch einen Abschlußring 73 mit Dichtungen 74 verschlossen ist. Wie aus der Fig.4 hervorgeht, ist der Kühlflüssigkeitsräum 70 mit radialen Rippen 75 versehen, die eine kraftschlüssige Verbindung einer unteren Wand 77 des Kühlflüssigkeitsraumes 70 mit seiner oberen Wand 78 herstellen. Ähnlich wie beim Beispiel nach den F i g. 1 und 2 ist der Kühlflüssigkeitsräum 70 durch ein Verbindungsrohr 76 an den Kühlkreislauf der Maschine angeschlossen.

Die F i g. 5 zeigt eine Ausführung des Zylinderkopfes, welche im wesentlichen der Ausführungsform nach den Fig.3 und 4 entspricht, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem Strich, versehen wurden. Der Zylinderkopf nach der F i g. 5 unterscheidet sich vom Zylinderkopf nach den F i g. 3 und 4 dadurch, daß im Kühlraumflüssigkeitsraum 70' die Rippen fehlen und durch einen mehrteiligen Stützkörper 80 ersetzt sind, welcher die gleiche Aufgabe der Übertragung von Kräften zwischen der unteren Wand 77' und der oberen Wand 78' des Kühlflüssigkeitsraumes 70' erfüllt. Zusätzlich dient der Stützkörper 80 zur Führung der Kühlflüssigkeit entlang des kegeligen Wandteiles des Umfangsteiles 62" des Zylinderkopfes 51'. Damit die Kühlflüssigkeit aus einem äußeren Verteilraum 72' in den Kühlflüssigkeitsräum 70' einströmen kann, ist der Stützkörper 80 mit Einschnitten 81 versehen, welche Strömungskanäle für die Kühlflüssigkeit zwisehen dem Stützkörper 80 und der unteren Wand 77' des Kühlflüssigeitsraumes 70' bilden.

Wenn es, wie z. B. für die Startventile für Druckluft, erforderlich ist, im Zylinderkopf eine oder mehrere Bohrungen für mit dem Kompressionsraum in Verbindung stehende Teile der Brennkraftmaschine auszubilden, können einfach die betreffenden Kühlflüssigkeitsbohrungen, welche die Bohrung kreuzen würden, weggelassen werden. Eine solche Ausführung ist z. B. aus der F i g. 1 ersichtlich, wo keine der ao Kühlflüssigkeitsbohrungen 14, 15, 16 die Bohrung 8 schneiden. Um jedoch eine dadurch eventuell eintretende Verschlechterung der Kühlung zu vermeiden, kann z. B. nach den F i g. 6 und 7 in einem Zylinderkopf 1' eine Bohrung 8' so ausgebildet werden, daß sie über den Kühlflüssigkeitsbohrungen 14', 15', 16' endet und mit der Ausnehmung 6' durch Kanäle 100 in Verbindung steht. Auf diese Weise kann eine intensive Kühlung des Wandteils 11' der Ausnehmung 6' beibehalten werden. Die Kanäle 100 können, wie dargestellt, länglich oder auch runde Bohrungen sein.

Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung einer derartigen Bohrung ohne Beeinträchtigung der Kühlwirkung ist in den F i g. 8 und 9 dargestellt. Nach diesen Figuren ist in einem Zylinderkopf 1" eine Bohrung 8" ausgebildet, welche Kühlflüssigkeitsbohrungen 14" und 16" schneidet. In der Bohrung 8" ist dichtend eine Büchse 110 angeordnet, welche an der Kreuzungsstelle der Bohrung 8" mit den Kühlflüssigkeitsbohrungen 14" und 16" einen die Büchse 110 umschließenden Kanal 111 bildet, der eine Umströmung der Büchse 110 durch die Kühlflüssigkeit aus den Kühlflüssigkeitsbohrungen 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 den Wandteil 11" abstützt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: Ausnehmung und mit Kühlflüssigkeitsbohrungen in seiner Wandung, die sich in unmittelbarer Nähe der Begrenzungsfläche der Ausnehmung befinden. Zylinderköpfe sind bei hochbelasteten Kolbenbrennkraftmaschinen, wie z.B. aufgeladenen Großdieselmotoren, besonders stark beanspruchte Teile. Einerseits sind sie großen Gaskräften ausgesetzt, die im Brennraum wirken, andererseits sind sie durch die dabei entstehende Wärme Wärmespannungen unter-

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einer Großdieselmaschine, mit einer mindestens den ganzen Kompressionsraum umfassenden Ausnehmung und mit Kühlflüssigkeitsbohrungen in seiner Wandung, die sich in unmittelbarer Nähe der

Begrenzungsfläche der Ausnehmung befinden, io worfen. Die Schwierigkeiten werden dabei um so grödadurch gekennzeichnet, daß der Zy- ßer, je höher der Zünddruck und je größer der linderkopf (1) in an sich bekannter Weise aus Durchmesser der Bohrung des Zylinders der Brennvollem Material gefertigt ist, wobei die Ausneh- kraftmaschine ist.

mung (6, 56, 56') einen zentralen, ebenen Wand- Ein Zylinderkopf der genannten Art ist aus der

teil (11) aufweist, an den sich ein im wesentlichen 15 schweizerischenJPatentschrift 242 922 bekannt. Bei kegeliger Wandteil (12) anschließt, der mit Kühl- diesem sind jedochTdle flüssigkeitskanälen versehen ist, die mit den
Kühlflüssigkeitsbohrungen (14, 14', 14", 15, 15',
15", 16,16' 16", 64, 64') verbunden sind.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelige Wandteil (12) ebenfalls mit einer Bohrungskühlung versehen ist, wobei entlang der kegeligen Wand verlaufende Kühlflüssigkeitsbohrungen (21) die Kühlflüssig-

.ünlbohrungen in einer verhältnismäßig dünnen kegeligen Wand ausgebildet, über welcher sich noch ein Kühlflüssigkeitsraum befindet.

Dadurch wird der Zylinderkopf geschwächt und ist nicht für die heute auftretenden höchsten Drücke geeignet. Außerdem ist ein den unteren Teil der Ausnehmung umgebender Umfangsteil schlecht gekühlt und muß daher durch einen Wärmeschutzring ge-

keitsbohrungen (14, 15, 16) des zentralen Wand- 25 schützt werden. Ein derartiger Wärmeschutzring ist teiles (11) kreuzen und bezüglich der Strömung jedoch von allen Seiten heißen Brenngasen ausgesetzt der Kühlflüssigkeit mit diesen verbunden sind und unterliegt einer hohen Abnützung. Schließlich ist (F i g. 1, 2). die dabei vorgesehene, kegelige Form der Ausneh-

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch ge- mung nicht für den Kompressionsraum eines aufgelakennzeichnet, daß der kegelige Wandteil (12) mit 30 denen, langhubigen Großdieselmotors geeignet, da einem Kühlflüssigkeitsraum (70, 70') für die sie bei einer gegebenen Höhe ein zu kleines Volumen

hat und dabei festigkeitsmäßig nicht günstig ist.

Andererseits ist aus der schweizerischen Patentschrift ,JZliLSSfL-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

(77) und der oberen Wand (78) des Kühlflüssig- 45 des ganzen Kompressionsraumes im Zylinderkopf erkeitsraumes (70) dienen (F i g. 3, 4). möglicht, wobei vorzugsweise der Kolben im oberen

6. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch ge- Totpunkt noch in die Ausnehmung im Zylinderkopf kennzeichnet, daß im Kühlflüssigkeitsraum (70') eindringen kann, so daß die Zylinderlaufbüchse vor ein Stützkörper (80) eingelegt ist, welcher zur den höchsten Temperaturen geschützt ist. Hierzu soll Übertragung von Kräften zwischen der unteren 50 es möglich sein, den Zj^Untok^_au5_j!inem..vollen. (77) und der oberen Wand (78') des Kühlflüssig- Block eines gegen Wärme widerstandsfähigen Mate-

Kühlflüssigkeit versehen ist, an den sich die Kühlflüssigkeitsbohrungen (64, 64') der Bohrungskühlung des zentralen Wandteiles (11) anschließen.

4. Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitsraum (70, 70') am Umfang durch einen dichtenden, vom Zylinderkopf (1) getrennt ausgebildeten Abschlußring (73, 73') verschlossen ist.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlflüssigkeitsraum (70) radiale Rippen (75) ausgebildet sind, die zur Übertragung von Kräften zwischen der unteren