DE2726095A1

DE2726095A1 - Baugruppe fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2726095A1
Application number: DE19772726095
Authority: DE
Inventors: Wilfried Percival Mansfield
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1976-06-22
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1978-01-12
Also published as: GB1588231A; CA1062568A; JPS531735A; FR2356008B1; FR2356008A1; IT1083540B; SE7707193L

Description

Dipl. ing. B. HOLZEB VHILIPPIHB-WBLeBB-BTRAeBB M

8900 AUO8BUHQ

TBLBFOir TBLBX SSSlOl Η*«· *

.259

Augsburg, den 7. Juni 1977

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-7¹I Victoria Street, London SWl,

England

Baugruppe für Brennkraftmaschinen

V (19 8 8 2/0709

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf diejenigen Bereiche der Maschinenkonstruktion, die sich im Betrieb auf so hohe Temperaturen erhitzen,daß 8ie eine direkte Kühlung benötigen. Ein typieehes Anwendungsgebiet der Erfindung sind demgemäß gewisse Bereiche des Zylinderkopfes oberhalb der den Brennzonen in den Zylindern direkt ausgesetzten Flächen.

üblicherweise werden die Zylinderblöcke und Zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mittels dicker, den Zylinderblock umschließender Wassermäntel und ausgedehnter, im Zylinderkopf und im Zylinderblock gebildeter Kühlkanäle gekühlt. Neuerdings ist vorgeschlagen worden, auf die üblichen Wassermäntel vollständig zu verzichten und die Kühlkanäle auf die diejenigen Bereiche der den bzw. die Zylinder umschließenden Konstruktion zu beschränken, die im Betrieb am ehesten der Gefahr einer überhitzungausgesetzt sind. Es hat sich gezeigt, daß andere Teile der Konstruktion, die im Betrieb normalerweise infolge der von den normalen Kühlmänteln erzeugten starken Kühlung unnötig niedrige

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Temperaturen aufweisen, dann immer noch durch den seitlichen Wärmeabfluß durch die Zylinderwände ausreichend gekühlt werden. Bei vielen Dieselmotoren erfordern nur die in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüsen, der Ventilführungen und der Auslaßventilsitze und der Brücken zwischen den Ventilen liegenden Bereiche eine direkte Kühlung. Ebenfalls benötigen die näher am Zylinderkopf gelegenen Bereiche der Wandungen der Zylinderbohrungen eine direkte Kühlung.

Obwohl Zylinderblöcke und Zylinderköpfe mit um die gefährdeten Zonen herum angeordneten begrenzten Wasserkanälen zur Erzeugung der eben beschriebenen örtlichen Kühlung in Massenfertigung hergestellt werden können, trägt natürlich die Bearbeitung dieser Kühlkanäle zu den Herstellungskosten der Baugruppen bei.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist, daß, obwohl sich die oben beschriebenen Anordnungen als zur befriedigenden Temperatursteuerung wirksam erwiesen haben, wobei sie weniger Wärme als bei der normalen Kühlung abführen, die durch diese Anordnungen bewirkte Steuerung des Wärmeabführungsvorgangs bei weitern noch nicht vollständig ist. Einer der dafür maßgeblichen Umstände liegt darin, daß die Kühlmittelzu- und -ableitungskanäle im Gegensatz zu

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den reinen örtlichen Kühlkanälen Wärme auch von Bereichen abführen, an denen eine direkte Kühlung gar nicht erwünscht ist. Als noch weiterer Gesichtspunkt sei erwähnt, daß es manchmal schwierig ist, die Form der Kühlkanäle in geeigneter V/eise der Form der direkt zu kühlenden Konstruktionsteile anzupassen. Beispielsweise ist es oftmals am einfachsten, einen ringförmigen Kanal herzustellen, aber wenn ein solcher ringförmiger Kühlkanal zum Beispiel bei der eine Kraftstoffeinspritzdüse oder einen Auslaßventilsitz umschließenden Konstruktion Anwendung findet, wo die heiße Zone gewöhnlich hauptsächlich auf einer Seite der Einspritzdüse bzw. des Ventilsitzes liegt, so erstreckt sich der ringförmige Kühlkanal auch zur anderen, kühleren Seite, wodurch dort unnötigerweise ebenfalls Wärme abgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Baugruppe der eingangs genannten Art eine genauere Abstimmung zwischen dem Kühlsystem und den eine direkte Kühlung benötigenden Bereichen herzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Bevorzugte Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand

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der Unteransprüche«,

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Bezeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Pig. 1 Einen Querschnitt durch den

Zylinderkopf eines mehrzylindrigen Viertakt-Dieselmotors, wobei dieser Querschnitt längs der Linie F-P in Fig. 2 verläuft,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie B-B

in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie C-C

in Fig. 1,

Fig. H einen Schnitt längs der Linie A-A

in Fig. 5,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie D-D

in Fig. ¹I, und

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie E-E

in Fig. 11.

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Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Beispiel einer Maschine mit Flüssigkeitskühlung, nämlich Wasserkühlung. Ein Teil der Unterseite 8* der unteren Platte 8 des zu jedem Zylinder gehörenden Zylinderkopfes ist im Betrieb der Brennzone dieses Zylinders ausgesetzt. Gemäß der Erfindung wird mittels einer gekühlten, wärmeleitenden Konstruktion über einen in der Ebene B-B liegenden Verbindungsbereich Wärme von gewissen Bereichen der Oberseite 8" abgeführt.

Die Schnittebene in Fig. 1 enthält die Achse eines Kraftstoffeinspritzergehäuses 1 und verläuft sehr nahe an der Achse eines Zylinders und einer der die Zapfen, mittels welcher der Zylinderkopf auf dem Motorblock befestigt ist, umschließenden Hohlsäulen 2 vorbei. Die wärmeleitende Konstruktion wird mittels eines Kühlwasserstromes auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehalten, der von einer an einer Seite der Maschine angeordneten Pumpe über einen Verteilerkanal 4 zugeführt wird, sodann gebohrte Kanäle 5 und 6 durchströmt und schließlich durch einen Sammelkanal 7 wieder zurückströmt und am Ende der Maschine durch einen Kühler gekühlt wird. Aus der wärmeleitenden Konstruktion 3 führt das Wasser sowohl von den Oberflächen des Verteilerkanals und des Sammelkanals als auch von den Oberflächen der Kanäle 5 und 6 Wärme ab. Es ist also einzusehen, daß die Temperatur der unteren

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Platte 8 viel höher als diejenige deroberen Platte 9 des Zylinderkopfes ist, so daß die örtlichen Wärmeübergangsraten an den unteren Enden der Kanäle 5 und 6 am höchsten sind.

In Pig. 2 sind der Lufteinlaß 10 in der Platte 8 und der Abgasauslaß 11 sichtbar. Die Lage der Zylinderbohrung relativ zum Zylinderkopf ist bei 12 angedeutet, und die Lage eines dazu versetzten Brennraumes im oberen Kolbenende ist bei 13 dargestellt. Der stärksten Erhitzung ist der diesem Brennraum zugewandte Teil der Zylinderkopfoberfläche ausgesetzt.

In Fig. 2 sind alle den Zylinder umgebenden Zapfensäulenrohre 2 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt B-B verläuft unmittelbar oberhalb der Platte 8 und zeigt die Querschnittsform 14 des Verbindungsbereiches 3' zwischen der gekühlten, wärmeleitenden Konstruktion 3 und der Platte 8. Dieser Verbindungsbereichsquerschnitt stimmt mit dem Bereich der Platte 8 überein, die eine direkte Kühlung zur Aufrechterhaltung befriedigender Temperaturen im gesamten Bauteil benötigt. Dieser· Bereich der Platte umfaßt die Brücke zwischen dem Lufteinlaß 10 und dem Abgasauslaß 11 und verläuft um den größten Teil des über dem Brennraum 13 liegenden Bereiches des Lufteinlasses

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sowie etwas weiter um den Abgasauslaß 11 herum, da der Abgasauslaßventilsitz mehr Wärme aufnimmt. Außerdem umfaßt dieser Bereich die gesamte Fläche unter der Einspritzdüsendichtungsscheibe 15, jedoch ist einzusehen, daß die Wärmeabführung von der Platte 8 an der von der Zylinderachse abgewandten Seite der Einspritzdüse beträchtlich geringer als bei Verwendung eines ringförmigen Kühlwasserkanals ist, während auf der heißeren Seite, an welcher eine wirksamere Kühlung nötig ist, diese auch tatsächlich durch die Wasserströmung durch den Kanal 6 erfolgt. Die Verteiler- und Sammelkanäle 4 und 7 haben außerdem die Aufgabe, die Einlaß- und Auslaßventilfuhrungshülsen zu kühlen, die sich zwischen ihnen befinden.

Als Beispiel für die Steuerung des seitlichen Wärmestromes zu dem direkt gekühlten Bereich durch Wahl der örtlichen Dicke des Bauteils zeigen die Fig. 1 und 2 mit gestrichelten Linien eine mögliche Vertiefung 16 in der Oberseite 8" der Platte 8, welche den seitlichen Wärmeabfluß von dem unter dem Lufteinlaßkanal liegenden Teil der Platte 8 begrenzt, da dieser Teil der Platte einen Bereich darstellt, in welchem sonst die Metalltemperaturen in manchen Fällen unnötig niedrig liegen würden.

Fig. 3 zeigt den einen Zylinder überdeckenden Teil

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des Zylinderkopfes im Schnitt, wobei die Schnittebene die Ventilachsen enthält.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem Luft als Kühlmittel Anwendung findet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der zu kühlende Bereich ein Teil der unteren Platte 30 eines Zylinderkopfes, der aus einem oberen Teil 21 und einem unteren Teil 22 besteht. Die wärmeleitende Konstruktion weist Kühlrippen 32 auf, die mit der Oberseite 30' der Platte 30 verbunden sind, wobei die Verbindungen über denjenigen Bereichen der Unterseite 30" liegen, die im Betrieb den Brennzonen der Zylinder zugewandt sind. Das Teil 21 weist obere Platten 23 und 2k auf, die durch eine Anzahl von Rohrsäulen 25 zur Aufnahme der Zylinderkopfhaltezapfen und durch Ventilführungen 26 sowie an den Seiten durch Seitenwände 27 und 28 miteinander verbunden sind, wodurch eine Kastenkonstruktion mit nach oben abstehenden Wänden 29 gebildet ist, welch letztere den unteren Teil eines Gehäuses für die Ventilhebel und die zugehörigen Teile bilden. Das Teil 22 umfaßt die untere Platte 30 und verschiedene Vorsprünge derselben. Die beiden Teile 21 und 22 sind durch Stifte in ihrer gegenseitigen Relativlage fixiert und mittels der Zylinderkopfschrauben und -muttern an dem nicht

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gezeigten Motorblock befestigt. Die beiden Teile 21 und 22 bilden zwischen sich einen Kühlluftkanal. Dieser Kanal weist einen Einlaßteil 31» einen Mittelteil, in welchem die Kühlrippen 32 (von welchen eine dargestellt ist) angeordnet sind, und einen Auslaßteil 33 auf. Durch die drei Platten hindurchgebohrte Bohrungen und eine Sitzfläche 34 dienen zur Aufnahme eines Kraftstoffeinspritzers. Die Kühlrippen 32 haben jeweils über einen Verbindungsbereich, der durch einen Plächenvorsprung 35 der Platte 30 gebildet ist, nur mit einem begrenzten Flächenbereich der Platte 30 Kontakt. Jenseits dieses Flächenbereiches sind die Kühlrippen 32 durch Luftspalte 36 und 37 von der Platte 30 getrennt.

Die Fläche des Flächenvorsprungs 35 auf der Oberseite 30¹ der unteren Platte 30 entspricht so gut wie möglich der Ausdehnung des Plattenunterseitenbereiches, der zur Aufrechterhaltung zufriedenstellender Temperaturen im gesamten Bauteil eine direkte Kühlung benötigt. Wenn anstatt der Anordnung auf den Flächenvorsprüngen 35 eine direkte Anordnung der Kühlrippen 32 auf der Plattenoberseite 30' bevorzugt wird, sollte die Einhüllende der Berührungsflächen zwischen allen einzelnen Rippen und der Plattenoberseite im wesentlichen der Querschnittsform des Flächenvorsprungs 35 entsprechen.

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Pig. 5 zeigt die Gestaltung der Luftkanalwände 38 und 39, die als einseitig von der Kühlluft bestrichene Kühlrippen wirken, und die Form zweier oberhalb der Zylinderbohrung (durch die gestrichelte Linie 4l angedeutet) angeordneter Kühlrippen 32 und 40, die beiderseits der Einspritzersitzfläche 34 verlaufen und den Raum zwischen den Wänden 38 und 39 in drei Kanäle unterteilen, wodurch sechs Wärmetauschflächen gebildet sind. Die zum Kraftstoffeinspritzer hin einströmende Kühlluft gelangt in den mittleren Kanal, während die übrige Luft durch die beiden äußeren Kanäle strömt. Die minimale kombinierte Breite der Strömungskanäle, Kanalwände und Kühlrippen ist gleich dem minimalen Abstand zwischen dem Lufteinlaßkanal 42 und dem Abgaskanal 43, der mit dem Abgaskanal 44 des benachbarten Zylinders vereinigt ist. Diese drei Kanäle sind in Fig. 5 in der Draufsicht gezeigt. Nach dem Passieren der Kühlrippen strömt die Kühlluft bei geringem Widerstand zum Auslaß an der Seite des Zylinderkopfes, da der Auslaßteil des Kühlluftkanals unter dem Abgaskanal 43 hindurchverläuft. Der Lufteinlaßkanal und die Abgaskanäle sind aus hitzebeständigem Stahl hergestellt.

Pig. 5 zeigt den Urnriß 35' und folglich die Flächenausdehnung des Vorsprungs 35 (Fig. 4) der unteren Platte 30,

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welcher den Verbindungsbereich bildet, über welchen die direkte Kühlung erfolgt. Die Form dieses Bereiches ist ähnlich der Form des entsprechenden, zu kühlenden Bereiches bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3· Die Kühlung derjenigen Teile, beispielsweise des Teils 46, dee Flächenvorsprungs 35, die sich sonst über die gekühlten Kanalwände hinauserstrecken würden, wird durch örtliche Erweiterung der Kanalwände nahe der Platte 30 verbessert, wie es beispielsweise bei 47 angedeutet ist.

Mit dem Einlaßteil 31 des Kühlluftkanals im Zylinderkopf kann mittels in Gewindebohrungen 48 (Fig. 4) eingeschraubter Schrauben ein Zuluftkanal verbunden sein, der Luft von einem Gebläse oder einer anderen (nicht dargestellten) Luftquelle in bekannter Weise zuführt und außerdem als Luftzufuhr zur Kühlung der Zylinder dienen kann. Nach dem Durchtritt durch den Auslaßteil 33 des Kühlluftkanals strömt die Kühlluft in der üblichen Weise unmittelbar in die Außenluft aus.

Die Schnittdarstellung gemäß Fig. 6, die den einen Zylinder überdeckenden Teil des Zylinderkopfes darstellt, verläuft in der Ebene der Achsen der Ventile.

Wenn Luft als Kühlmittel verwendet wird, so ist der Kühlkörper (d.h. die wärmeleitende Konstruktion), der

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mit den gewählten Bereichen der Platte verbunden ist, von denen Wärme abgeführt werden muß, im wesentlichen ein Metallkörper, in welchem anstelle der Wasserkanäle bei der wassergekühlten Ausführungsform Luftkanäle gebildet sind. Der Kühlkörper erhält deshalb die Form einer Anzahl von Kühlrippen, von denen die äußeren Rippen zweckmäßigerweise die Wände des Luftströmungskanals durch den Zylinderkopf bilden. Die diese Anordnung hauptsächlich von der normalen Anwendung von Kühlrippen bei luftgekühlten Motoren unterscheidenden Merkmale liegen darin, daß die Kühlrippen nur an begrenzten, ausgewählten Flächenbereichen befestigt sind, die den zu kühlenden Bereichen entsprechen, und daß die über diese Bereiche hinausragenden Rippenteile durch Lufträume von der Zylinderkopfplatte getrennt sind. Ein weiterer Unterschied liegt darin, daß bei bekannten Anordnungen die Kühlrippen über den gesamten Zylinderkopf verteilt angeordnet sind und nur ein Bruchteil der Luft über die kritischen mittleren Bereiche strömt, so daß diese kritischen Bereiche weitgehend durch seitlichen Wärmeabstrom durch die Zylinderkopfplatte gekühlt werden. Um die kritischen Bereiche auf diese Weise auf annehmbaren Temperaturen zu halten, ist es bei den bekannten Anordnungen notwendig, die umgebenden Bereiche stark unter die annehmbaren Temperaturen abzukühlen, also unnötigerweise Wärme abzuführen.

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Gemäß einer weiteren Alternative zur Verwendung des Flächenvorsprungs 35 in den Fig. 3 bis 6 können die drei Luftkanäle zwischen den Kühlrippen, die am besten in Fig. 6 sichtbar sind, viel weiter nach unten ausgedehnt werden, so daß im Verbindungsbereich zwischen den Rippen und der Platte 30 die Plattendicke auf die Hälfte oder weniger der Plattendicke an den übrigen Stellen vermindert ist, wobei die Rippen und die oberen Platten 23 und 24 eine ausreichende Abstützung der Platte 30 gegen den Gasdruck im Zylinder bilden. Die jeweilige Wahl hängt von dem Ausmaß ab,in welchem die Kühlwirkung beim jeweiligen Anwendungsfill lokalisiert werden muß.

Gemäß einer Alternative zu der in Fig. 6 gezeigten Rippenkonstruktion können die Rippen nach außen geneigt verlaufen, um den Raum zwischen den beiden Gaskanälen und den beiden Ventilführungen besser auszunützen und dadurch einen größeren Strömungsquerschnitt für die Kühlluftströmung zu schaffen. Die Rippen können auch direkt an den Ventilführungen befestigt sein, um diese zu kühlen. Die zweiteilige Konstruktion erleichtert das Gießen der Rippen, was durch konische Gestaltung der Rippen in der üblichen Weise noch weiter erleichtert wird.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

IJ Baugruppe für Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, mit einem im Betrieb so stark erwärmten Bereich, daß eine direkte Kühlung erforderlich ist, und mit einem, mit einem Stromungsmittelkühlsystem in Verbindung stehenden wärmeleitenden Konstruktionsteil zur Abführung von Wärme von dem genannten heißen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß der heiße Bereich (8; 30) und das wärmeleitende Konstruktionsteil (3, 32) mittels einer wärmeleitenden Verbindung (3'i 35) miteinander verbunden sind und daß der Querschnitt dieser Verbindung hinsichtlich seines Verlaufs und seiner Ausdehnung dem eine direkte Kühlung erfordernden Bereich im wesentlichen entspricht.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem in dem genannten Konstruktionsteil (3j 32) gebildete Kühlmittelkanäle (5, 6, 31, 33) aufweist.
3. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Konstruktionsteil (3), der eine direkte Kühlung erfordernde Bereich (3) und die wärmeleitende Verbindung (3^f) miteinander einstückig ausgebildet sind.

Ί. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe den oberen Teil

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ORIGINAL INSPECTED

des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine bildet und daß der eine direkte Kühlung erfordernde Bereich der dem heißesten Abschnitt der Brennzone im Zylinder zugewandte Zylinderkopfteil ist.

5· Baugruppe nach Anspruch 4 für eine Dieselmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der eine direkte Kühlung erfordernde Bereich der unmittelbar die Kraftstoffeinspritzdüse, den Ansaugventilsitz und den Auslaßventilsitz und die Brücke zwischen diesen beiden Ventilsitzen umgebende Teil des Zylinderkopfes ist.

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