DE3545333A1 - Zylinderkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen luftgekühlten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein aus der DE-PS 24 59 186 bekannter Zylinderkopf weist einen Brennraumboden auf, der kühlraumseitig parallel zu der von den Gaskräften beaufschlagten brennraumseitigen Bodenfläche ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausbildung des Brennraumbodens mit konstanter Dicke wird den sich über den Brennraumdurchmesser stetig ändernden Gas­ druckkräften keine individuell bemessene Gegenkraft entgegengesetzt. Somit kann auf die von den Gasdruckkräften verursachten Verformungen des Brennbodens kein ausreichender Einfluß genommen werden. Speziell bei "Open-Deck-Kurbelgehäusen" ist bei derartiger Ausbildung die Abdichtung "Zylinderkopf-Kurbelgehäuse sowie Zylinder­ kopf-Zylinderrohr" schwierig. Weiterhin ist der Wärmeverlust durch den Zylinderkopfboden an allen Stellen wegen seiner konstanten Dicke gleich. Somit kann auch kein Einfluß auf einen unterschiedlich geforderten Wärmeabfluß vom Brennraum in den Zylinderkopf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den luftgekühlten Zylinder­ kopf einer Brennkraftmaschine mit "Open-Deck-Kurbel­ gehäuse" derart steif zu gestalten, daß eine sichere Ab­ dichtung zum Kurbelgehäuse gewährleistet ist und gleichzeitig eine wirkungsvolle Kühlung der thermisch hochbelasteten Zonen des Zylinderkopfs sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß der Brennraumboden des Zylinderkopfes kühlraumseitig mit einer sich im wesent­ lichen kontinuierlich ändernden Wanddicke ausgebildet ist, werden den sich über den Brennraumdurchmesser ändernden Beanspruchungen entsprechende Gegenkräfte entgegengesetzt. Durch diese optimierte Kräftebilanz wird der Zylinderkopf speziell im Bereich des Brennraumbodens so steif, daß auch in Verbindung mit einem "Open-Deck-Kurbelgehäuse" eine sichere Abdichtung von Brennraum und diesen umgebenden Kühlraum gewährleistet ist. Weiterhin ist durch die sich ändernde Dicke des Brennraumbodens eine den Anforderungen angepaßte wirkungsvolle Kühlung der thermisch hochbe­ lasteten Zonen des Zylinderkopfs wie z.B. der Bereich der Einspritzdüse und des oder der Auslaßventile ermöglicht.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Brenn­ raumbodens nach Anspruch 2, ist der Brennraumboden des Zylinderkopfs kühlraumseitig konkav ausgebildet.

Nach Anspruch 3 ist der Brennraumboden des Zylinderkopfs kühlraumseitig als Tragflügelprofil (konvex) ausgebildet. Derartige Ausbildung ist besonders bei einem Blockzylin­ derkopf (Anspruch 4) vorteilhaft, da dadurch der Form- und Gießaufwand bei der Herstellung des Zylinderkopfrohlings reduziert wird. Nach einer Weiterbildung gem. Anspruch 5 umfaßt den Brennraumboden des Zylinderkopfs kühlraumseitig ein wulstförmiger, ringförmiger Rand. Dieser wulstförmige Rand ist im Brennraumeinfassungsbereich, also in dem Bereich, mit dem der Zylinderkopf auf dem Kurbelgehäuse bzw. dem Zylinderrohr aufliegt, angeordnet. Somit wird in diesem für die Dichtheit wichtigen Bereich eine sehr verformungsarme Brennraumbodengeometrie erreicht.

Nach Anspruch 6 ist der wulstförmige Rand des Brennraum­ bodens von den zu einer Längs-Seitenwand des Zylinderkopfs führenden Gaswechselkanälen abgekoppelt. Dadurch wird eine gute thermische Isolation von den thermisch sehr unter­ schiedlich beanspruchten Ein- und Auslaßkanälen erreicht.

Nach einer Ausbildung gem. Anspruch 7 ist im Bereich des Brennraumrandes in den Brennraumboden brennraumseitig eine Ringnut eingearbeitet. Diese Ringnut wird gem. Anspruch 8 durch radial von außen zum Zylinderkopfzentrum hin ver­ laufende Bohrungen oder Kanäle mit Kühlluft durchströmt und sie ist gleichzeitig flüssigkeits- und gasdicht gegen­ über dem Kurbelgehäuse abgekoppelt. Nach Anspruch 9 ist es auch vorteilhaft, den Ringraum über Durchbrüche in der Zylinderkopfdichtung mit dem flüssigkeitsgekühlten Zylindermantelraum zu verbinden. ln diesem Ausführungsfall entfallen die bei der von Kühlluft durchströmten Version erforderlichen Bohrung im Zylinderkopf. Beiden Aus­ führungen gemeinsam ist der Vorteil, daß durch diese Aus­ bildungen eine intensive Kühlung des Brennraumrandes er­ möglicht ist. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist es nach Anspruch 10 vorteilhaft, den Brennraumboden kühlraumseitig mit Rippen zu versehen, die in den Brennraumrand auslaufen. Dadurch wird einerseits die wirksame Wärmeübergangsfläche zwischen Metall und Kühlluft vergrößert und andererseits die den Zylinderkopf durch­ strömende Kühlluft gezielt auf besonders zu kühlende Zonen wie beispielsweise Auslaßventil und Einspritzdüsenpfeife gelenkt. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Er­ findung nach Anspruch 11 stützt sich eine zwischen den Gaswechselkanälen angeordnete Zylinderkopfschraube mit ihrer Kopffläche auf einer Zylinderkopfschraubenpfeife ab, die nur mit dem Einlaßkanal in Verbindung steht bzw. von diesem gebildet ist. Dazu wird die Zylinderkopfschrauben­ pfeife halbmondförmig durch die Einlaßkanalwand gebildet. Durch diese Maßnahme werden die starken thermischen Schwankungen und dadurch resultierenden Wärmedehnungen, die von dem Auslaßkanal hervorgerufen werden, von der Zylinderkopfbefestigung ferngehalten.

Um den Auslaßkanal weiter thermisch von den umliegenden Zonen des Zylinderkopfes zu isolieren, ist der Auslaßkanal vollständig von den benachbarten Zylinderkopfwandungen ab­ gehangen und ist somit von dem durch den Zylinderkopf strömenden Kühlluftstrom vollständig umspült. Als weitere Maßnahme zur Verbesserung der Kühlung des Brennraumbodens ist im Stegbereich unterhalb der Zylinderkopfdeckplatte eine Kühlluftleitrippe angeordnet, die den den Zylinder­ kopf durchströmenden Kühlluftstrom in Richtung auf den Brennraumboden umleitet. Durch diese Maßnahme wird die Kühlung des thermisch gefährdeten Brennraumbodens weiter intensiviert.

Aus dem Zylinderkopf hinausgeführt wird die Kühlluft an der Längs-Seitenwand des Zylinderkopfs, zu der die Gaswechselkanäle hinführen. Durch Blenden in der Zylinder­ kopfseitenwand oder in der Dichtung, die zwischen Zylin­ derkopfseitenwand und Abgas- bzw. Ansaugkrümmer angeordnet ist oder durch blendenartige Öffnungen der Abgaskanal­ flansche wird die Kühlluft gezielt um den Abgaskanal und den sich daran anschließenden Abgaskrümmer herumgeführt und somit dieser Bereich besonders gekühlt und gleich­ zeitig der Strömungswiderstand im Zylinderkopf reguliert.

Nach Anspruch 15, 16 und 17 sind in dem Brennraumboden brennraumseitig zwischen den einzelnen Zylindern in dem von dem Zylindermantelraum überdeckten Zylinderkopfboden­ bereich Schlitze angeordnet. Diese Schlitze werden ent­ weder über zum Kühlluftraum des Zylinderkopfs führende Bohrungen mit Kühlluft beschickt (Anspruch 16) oder über entsprechende Durchbrüche in der Zylinderkopfdichtung mit dem flüssigkeitsgekühlten Zylindermantelraum verbunden (Anspruch 17). Diese Maßnahmen tragen alle zu einer weiteren Verbesserung der Kühlung des Zylinderkopfs bei und bauen zugleich mechanische Spannungen im Bereich des Zylinderkopfbodens ab, da die Schlitze den Wärmefluß zwischen benachbarten Zylinderabschnitten reduzieren bzw. verhindern (Zylinderkopflängsrichtung).

Nach Anspruch 18 ist auf der Abluftseite des Zylinderkopfs in Höhe der Ventilfedernauflagen eine über die gesamte Länge des Zylinderkopfs führende Flüssigkeitsleitung ange­ ordnet, wobei diese Leitung mit den Einlaßkanälen derart verbunden ist, daß die den Zylinderkopf quer zu der Flüssigkeitsleitung durchströmende Kühlluft durch Öff­ nungen im Bereich zwischen den Auslaßkanälen und der Flüssigkeitsleitung entlang der Auslaßkanalwandung zu den Auslaßkanalanschlußflanschen geleitet wird. Durch diese Anordnung der Flüssigkeitsleitung, die zudem vorteilhaft als Schmierstoffleitung zur Schmierung des im Zylinderkopf angeordneten Ventiltriebs genutzt wird, wird eine zusätzliche Wärmeabfuhr von den thermisch hoch beanspruch­ ten Zonen, im wesentlichen den Auslaßkanälen und Auslaß­ ventilführungen, ermöglicht.

Der nach den bisherigen Merkmalen gestaltete Zylinderkopf ist nach Anspruch 19 vorteilhaft aus Grauguß gefertigt. Dadurch wird bei ähnlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs eine herstellungs- und kostenmäßig günstigere Produktion ermög­ licht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen etwa mittigen Schnitt durch einen Zylinder­ kopf parallel zu der Brennraumbodenplatte des Zylinderkopfs;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf gem. Schnitt I;

Fig. 3 eine Ansicht gem. Schnitt II;

Fig. 4 einen verkleinerten Teilschnitt gem. I;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungs­ variante des Zylinderkopfs;

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf im Be­ reich zwischen zwei Zylindern und

Fig. 7 eine brennraumseitige Ansicht des Zylinderkopfs gem. den Fig. 5 und 6.

Ein luftgekühlter Zylinderkopf 1, der als Graugußblock­ zylinderkopf für nebeneinanderliegende Zylinder ausgebildet ist, weist für jeden Zylinder einen mit einem Auslaßventil zusammenwirkenden Einlaßkanal 3 auf. Abgaskanal 2 und Ein­ laßkanal 3 enden in Anschlußflansche 4 und 5, die auf einer gemeinsamen Längs-Seitenwand 6 des Zylinderkopfs 1 angeordnet sind. Der Zylinderkopf 1 wird quer zur Längsrichtung von Kühlluft durchströmt, wobei die Kühlluft auf der zu der mit den Gaswechselkanälen 2, 3 bzw. deren Anschlußflanschen 4, 5 versehenen Längs-Seitenwand 6 gegenüberliegenden Längs-Seitenwand 7 eintritt. Die in den Zylinderkopf 1 eintretende Kühlluft wird von Kühlrippen gezielt zu allen Bereichen des Zylinderkopfs geführt. Dabei sind die thermisch hochbelasteten Zonen des Zylinderkopfs 1 weitgehend von angrenzenden Zylinderkopf­ wandteilen isoliert bzw. abgehangen. Der Abgaskanal 2 ist dementsprechend nur an dem Brennraumboden und der Auslaß­ ventilbohrung 9 mit dem Zylinderkopf 1 verbunden und steht ansonsten isoliert in dem Zylinderkopf 1. Mit dem Kurbel­ gehäuse 10, das als "Open-Deck-Kurbelgehäuse" ausgeführt ist, ist der Zylinderkopf 1 über Zylinderkopfschrauben 11 verspannt. Die Zylinderkopfschrauben 11 sind in thermisch gering beanspruchten Zonen des Zylinderkopfes 1 ange­ ordnet, insbesondere steht keine der Zylinderkopf­ schraubenpfeifen 12 mit dem Abgaskanal 2 in Verbindung. Die zwischen dem Einlaßkanal 3 und Auslaßkanal 2 ange­ ordnete Zylinderkopfschraube 11 a stützt sich ausschließ­ lich auf einer von der Einlaßkanalwandung 13 gebildeten halbmondförmigen Zylinderkopfschraubenpfeife 12 a ab.

Stößelstangendurchbrüche 14 und 15 sind auf der luft­ eintrittsseitigen Längs-Seitenwand 7 des Zylinderkopfs 1 angeordnet. Eine nicht dargestellte Einspritzdüse ist zen­ tral in dem Zylinderkopf 1 angeordnet und die ent­ sprechende Durchtrittsöffnung 16 ist in einem stumpfen Winkel zu der Brennraumbodenplatte 8 geneigt.

ln der Ansicht nach Fig. 2 ist kühlraumseitig eine konkave Ausbildung des Brennraumbodens 8 zu erkennen; dabei läuft der Brennraumboden in einen wulstförmigen Rand 17 aus. Dieser wulstförmige Rand 17 erstreckt sich über den ge­ samten Umfang jeder Zylinderbohrung 18 und ist im Bereich außerhalb des Zylinderkühlmantelraums 19 angeordnet.

Oberhalb des Zylinderkühlmantelraumes 19 ist in den Brenn­ raumboden 8 des Zylinderkopfs 1 eine Ringnut 20 eingear­ beitet. Diese Ringnut 20 steht über Durchbrüche 22 in der Zylinderkopfdichtung 21 mit dem Zylinderkühlmantelraum 19 in Verbindung. Somit strömt die Kühlflüssigkeit, die im übrigen ein beliebiges Kühlmittel beispielsweise Wasser oder Öl sein kann, in die Ringnut 20 und kühlt intensiv den Brennraumboden 8 des Zylinderkopfs 1.

Weiterhin ist im Stegbereich unterhalb der Zylinderkopf­ deckplatte 23 eine Kühlrippe 24 angeordnet, die die von der Längs-Seitenwand 7 eintretende Kühlluft in Richtung auf den Brennraumboden des Zylinderkopfbodens 1 umlenkt.

In Fig. 4 ist eine anders gekühlte Variante der Ringnut 20 dargestellt. Die Ringnut 20 ist in diesem Ausführungs­ beispiel durch eine in dem Bereich der Ringnut gas- und flüssigkeitsdichte Zylinderkopfdichtung 21 von dem Zylinderkühlmantelraum 19 getrennt. Anstelle der Flüssig­ keitskühlung ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Ring­ nut 20 luftgekühlt. Dabei tritt die Kühlluft über Boh­ rungen 25 beidseitig des Zylinderkopfs 1 in die Ringnut 20 ein bzw. aus.

Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Abgaskanal 2 bis auf die notwendigen Verbindungen mit dem Brennraumboden 8 und dem Bereich der Auslaßventilführungsbohrung 9 voll­ ständig von den übrigen Wandungen des Zylinderkopfs 1 ab­ gehangen ist. Weiterhin sind auf dem Brennraumboden 8 Kühlrippen 26 angeordnet, die in den wulstförmigen Rand 17 auslaufen.

In Fig. 5 ist als weitere mögliche Ausgestaltung des Brennraumbodens 8 eine Tragflügelprofilform des Brenn­ raumbodens 8 dargestellt. Weiterhin ist eine über die ge­ samte Länge des Zylinderkopfs 1 führende Flüssigkeits­ leitung 27 in Höhe der Ventilfedernauflagen 28 angeordnet. Diese Flüssigkeitsleitung 27, die vornehmlich mit Öl be­ schickt wird, das gleichzeitig zur Schmierung des Ventil­ triebs, soweit er im Zylinderkopf angeordnet ist, verwendet wird, ist zusätzlich mit den Einlaßkanalwandungen ver­ bunden. Durchlässe für die quer auf die Flüssigkeits­ leitung 27 und die angrenzenden Wandungen auftreffende Kühlluft ergeben sich nur im Bereich der Abgaskanäle 2, so daß die Kühlluft wirkungsvoll um die Abgaskanäle 2 herumge­ führt wird und diese intensiv kühlt.

In den Fig. 6 und 7 ist ein Schlitz 29 in den Zylinderkopf 1 im Bereich zwischen zwei Zylindereinheiten eingelassen. In der Ausbildung nach Fig. 6 wird der Schlitz 29 über Kanäle 30 mit Kühlluft durchspült. Die Kanäle 30 sind beidseitig der Stirnseiten des Schlitzes 29 angeordnet und sind an den beiden Längsseitenwänden 6, 7 des Zylinder­ kopfs 1 aus dem Zylinderkopf 1 herausgeführt. In der Aus­ bildung nach Fig. 7 werden die Schlitze 29 von Kühl­ flüssigkeit durchströmt. ln diesem Ausführungsbeispiel ist die nicht dargestellte Zylinderkopfdichtung im Bereich der Schlitze 29 mit Ausnehmungen versehen, so daß die Kühl­ flüssigkeit von dem Zylinderkühlmantelraum 19 in die Schlitze 29 gelangt.

Claims (19)

1. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine mit mindestens 2 Gaswechselventilen je Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden (8) des Zylinderkopfs (1) kühlraumseitig mit einer sich im wesent­ lichen kontinuierlich ändernden Wanddicke ausgebildet ist.

2. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden (8) des Zylinderkopfs (1) kühlraumseitig konkav ausgebildet ist.

3. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden (8) des Zylinderkopfs (1) kühlraumseitig als Tragflügelprofil (konvex) ausgebildet ist.

4. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderköpfe (1) einer Zylinderreihe zu einem Blockzylinderkopf zusammengefaßt sind.

5. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem kühlraumseitigen wulstförmigen Rand (17) des Brennraumbodens (8), dadurch gekennzeichnet, daß der wulstförmige Rand (17) im Brennraumeinfassungsbereich ringförmig den Brennraumboden (8) umfaßt.

6. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wulstförmige Rand (17) von den zu einer Längs-Seitenwand (6) des Zylinderkopfs (1) führenden Gaswechselkanälen (2, 3) abgekoppelt ist.

7. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Brennraumrandes in den Brennraumboden (8) brennraumseitig eine Ringnut (20) eingearbeitet ist.

8. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (20) über minde­ stens eine radial von außen zum Zylinderkopfzentrum hin verlaufende Bohrung oder Kanal (25) von Kühlluft durch­ strömt ist.

9. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (20) über Boh­ rungen oder Durchbrüche (22) in der Zylinderkopfdichtung (21) mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylindermantelraum (19) verbunden ist.

10. Luftgekühlter Zylinderkopf (1), nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Brennraumboden Kühl­ rippen 26 aufgesetzt sind, die in den wulstförmigen Rand (17) auslaufen.

11. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der An­ sprüche 1 bis 10, mit zumindest einer Zylinderkopf­ schraubenpfeife (12, 12 a) zwischen den Gaswechselkanälen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderkopfschrauben­ pfeife (12 a) halbmondförmig durch eine Einlaßkanalwandung (13) gebildet ist.

12. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der An­ sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (2) voll­ ständig von benachbarten Zylinderkopfwandungen abgehangen ist und allseitig von einem Kühlluftstrom umspült ist.

13. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der An­ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopfstegbereich eine Kühlluftleitrippe (24) unterhalb der Zylinderkopf­ deckplatte (23) angeordnet ist, wobei die Kühlluftleit­ rippe (24) unter einem derartigen Winkel an der Zylinder­ kopfdeckplatte (23) angebunden ist, daß die auftreffende Kühlluft in Richtung auf den Brennraumboden (8) gelenkt wird.

14. Luftgekühlter Zylinderkopf (1), nach einem der An­ sprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zylinderkopf (1) durchströmende Luft den Zylinderkopf (1) im Bereich des an einer Längs-Seitenwand (6) angeordneten Abgaskanalan­ schlußflansches (4) verläßt und allseitig um den Abgas­ kanalanschlußflansch (4) herumströmt.

15. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden (8) auf der Brennraumseite zwischen den einzelnen Zylindern in dem von dem Zylinderkühlmantelraum (19) überdeckten Zylinderkopf­ bodenbereich geschlitzt ist.

16. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (29) über zum Kühlluftraum führende Bohrung oder Kanäle (30) belüftet werden.

17. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (29) über Durch­ brüche in der Zylinderkopfdichtung (21) mit dem flüssig­ keitsgekühlten Zylinderkühlmantelraum (19) verbunden sind.

18. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Abluftseite (6) des Zylinderkopfs (1) in Höhe der Ventilfedernauflagen (28) eine über die Gesamtlänge des Zylinderkopfs (1) führende Flüssigkeitsleitung (27) angeordnet ist, wobei diese mit den Einlaßkanälen (3) derart verbunden ist, daß die den Zylinderkopf (1) quer zu der Flüssigkeitsleitung (27) durchströmende Kühlluft durch Öffnungen im Bereich zwischen dem Auslaßkanal (2) und der Flüssigkeitsleitung (27) entlang der Auslaßkanalwandung zu dem Auslaßkanal­ anschlußflansch (4) geleitet wird.

19. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) nach einem der An­ sprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (1) aus Grauguß gefertigt ist.