DE3545333C2 - - Google Patents

Description

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

Ein aus der DE-OS 14 76 429 bekannter Einzelzylinderkopf aus Leichtmetall weist einen Brennraumboden auf, der kühl­ raumseitig mit einer sich im wesentlichen kontinuierlich ändernden Wanddicke quer durch den Zylinderkopf ausgebil­ det ist. Durch diese Ausbildung des Brennraumbodens wird den auf den Brennraumboden wirkenden Gasdruckkräften keine individuell bemessene Gegenkraft entgegensetzt. Zudem ist ein Einzelzylinderkopf aus Leichtmetall in der Herstellung und in der Bearbeitung aufwendig und teuer.

Den in der DE-OS 30 44 487 und in der DE-PS 11 58 759 beschriebenen Zylinderköpfen ist gemeinsam, daß die dargestellten Zylin­ derköpfe durch Fertigung aus verschiedenen Teilen ferti­ gungsgemäß und somit auch kostenmäßig schwierig bzw. teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den luftgekühlten Zylinder­ kopf einer Brennkraftmaschine derart steif zu gestalten, daß eine sichere Abdichtung zum Kurbelgehäuse gewähr­ leistet ist und gleichzeitig eine wirkungsvolle Kühlung der thermisch hochbelasteten Zonen des Zylinderkopfes sichergestellt ist, wobei gleichzeitig die Gestaltung auch im Hinblick auf einen geringen Fertigungsaufwand zu opti­ mieren ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die zu einem Blockzylinderkopf zu­ sammengefaßten Zylinderköpfe einer Zylinderreihe sind steif und gewährleisten somit eine sichere Abdichtung zum Kurbelgehäuse. Dadurch, daß der Blockzylinderkopf aus Grauguß gefertigt ist, wird gegenüber bisher bei Luftküh­ lung ausschließlich verwendeten Leichtmetallzylinderköpfen bei ähnlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften ein weiterer Vorteil bezüglich der Steifigkeit des Zylin­ derkopfes erzielt. Hinzu kommt, daß ein aus Grauguß ge­ fertigter luftgekühlter Blockzylinderkopf herstellungs- und kostenmäßig günstiger produziert und bearbeitet werden kann als ein entsprechender Leichtmetallzylinderkopf. Die Ausnehmungen zwischen den einzelnen Zylindern in dem brennraumseitigen Brennraumboden des Zylinderkopfes tragen zu einer weiteren Verbesserung der Kühlung des Zylinder­ kopfes bei und bauen zugleich mechanische Spannung im Bereich des Zylinderkopfbodens ab, da die Ausnehmungen den Wärmefluß zwischen den benachbarten Zylinderabschnitten reduzieren bzw. verhindern.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Brennraum­ bodens nach Patentanspruch 2 ist der Brennraumboden jedes Zylin­ derkopfes kühlraumseitig konkav ausgebildet.

Nach Patentanspruch 3 ist der Brennraumboden jedes Zylinder­ kopfes kühlraumseitig als Tragflügelprofil (konvex) aus­ gebildet. Eine derartige Ausbildung ist besonders bei ei­ nem Blockzylinderkopf vorteilhaft, da dadurch der Form- und Gießaufwand bei der Herstellung des Zylinderkopfrohlings reduziert wird. Nach einer Weiterbildung gemäß Patentanspruch 4 umfaßt den Brennraumboden jedes Zylinderkopfes kühlraum­ seitig ein wulstförmiger, ringförmiger Rand. Dieser wulst­ förmige Rand ist im Brennraumeinfassungsbereich, also in dem Bereich, mit dem der einzelne Zylinderkopf auf dem Kurbelgehäuse bzw. dem Zylinderrohr aufliegt, angeordnet. Somit wird in diesem für die Dichtheit wichtigen Bereich eine sehr verformungsarme Brennraumbodengeometrie erreicht.

Nach Patentanspruch 5 ist der wulstförmige Rand jedes Brennraum­ bodens von den zu einer Längs-Seitenwand des Blockzylin­ derkopfes führenden Gaswechselkanälen abgekoppelt. Dadurch wird eine gute thermische Isolation von den thermisch sehr unterschiedlich beanspruchten Ein- und Auslaßkanälen er­ reicht.

Nach einer Ausbildung gemäß Patentanspruch 6 ist im Bereich des Brennraumrandes in den Brennraumboden brennraumseitig eine Ringnut eingearbeitet. Diese Ringnut wird gemäß Patentanspruch 7 durch radial von außen zum Zylinderkopfzentrum hin verlau­ fende Bohrungen oder Kanäle mit Kühlluft durchströmt und sie ist gleichzeitig flüssigkeits- und gasdicht gegenüber dem Kurbelgehäuse abgekoppelt. Nach Patentanspruch 8 ist es auch vorteilhaft, den Ringraum über Durchbrüche in der Zylin­ derkopfdichtung mit dem flüssigkeitsgekühlten Zylinder­ mantelraum zu verbinden. In diesem Ausführungsfall ent­ fallen die bei der von Kühlluft durchströmten Version er­ forderlichen Bohrungen im Zylinderkopf. Beiden Ausfüh­ rungen gemeinsam ist der Vorteil, daß durch diese Ausbil­ dungen eine intensive Kühlung des Brennraumrandes ermög­ licht ist. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist es nach Patentanspruch 9 vorteilhaft, den Brennraumboden kühlraumseitig mit Rippen zu versehen, die in den Brennraumrand auslau­ fen. Dadurch wird einerseits die wirksame Wärmeübergangs­ fläche zwischen Metall und Kühlluft vergrößert und ande­ rerseits die den Zylinderkopf durchströmende Kühlluft ge­ zielt auf besonders zu kühlende Zonen wie beispielsweise Auslaßventil und Einspritzdüsenpfeife gelenkt. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Patentanspruch 10 stützt sich eine zwischen den Gaswechselkanälen ange­ ordnete Zylinderkopfschraube mit ihrer Kopffläche auf ei­ ner Zylinderkopfschraubenpfeife ab, die nur mit dem Ein­ laßkanal in Verbindung steht bzw. von diesem gebildet ist. Dazu wird die Zylinderkopfschraubenpfeife 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 jedes Zylinderkopfes zu isolieren, ist der Auslaß­ kanal vollständig von den benachbarten Zylinderkopfwan­ dungen abgehangen und ist somit von dem durch den Zylin­ derkopf strömenden Kühlluftstrom vollständig umspült. Als weitere Maßnahme zur Verbesserung der Kühlung des Brenn­ raumbodens ist im Stegbereich unterhalb der Zylinderkopf­ deckplatte eine Kühlluftleitrippe angeordnet, die den den Zylinderkopf 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 Blockzylinderkopfes, 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 den Patentansprüchen 14 und 15 sind in dem Brennraumboden brenn­ raumseitig zwischen den einzelnen Zylindern in dem von dem Zylindermantelraum überdeckten Zylinderkopfbodenbereich Ausnehmungen angeordnet. Diese Ausnehmungen werden entwe­ der über zum Kühlluftraum des Zylinderkopfes führende Boh­ rungen mit Kühlluft beschickt (Patentanspruch 14) oder über ent­ sprechende Durchbrüche in der Zylinderkopfdichtung mit dem flüssigkeitsgekühlten Zylindermantelraum verbunden (Patentan­ spruch 15). Diese Maßnahmen tragen alle zu einer weiteren Verbesserung der Kühlung des Zylinderkopfes bei und bauen zugleich mechanische Spannungen im Bereich des Zylinder­ kopfbodens ab, da die Ausnehmungen den Wärmefluß zwischen benachbarten Zylinderabschnitten reduzieren bzw. verhin­ dern (Zylinderkopflängsrichtung).

Nach Patentanspruch 16 ist auf der Abluftseite des Zylinder­ kopfes in Höhe der Ventilfedernauflagen eine über die ge­ samte Länge des Blockzylinderkopfes führende Flüssigkeits­ leitung angeordnet, wobei diese Leitung mit den Einlaß­ kanälen derart verbunden ist, daß die den Zylinderkopf quer zu der Flüssigkeitsleitung durchströmende Kühlluft durch Öffnungen im Bereich zwischen den Auslaßkanälen und der Flüssigkeitsleitung entlang der Auslaßkanalwandung zu den Auslaßkanalanschlußflanschen geleitet wird. Durch die­ se Anordnung der Flüssigkeitsleitung, die zudem vorteil­ haft als Schmierstoffleitung zur Schmierung des im Zylin­ derkopf angeordneten Ventiltriebes genutzt wird, wird eine zusätzliche Wärmeabfuhr von den thermisch hoch beanspruch­ ten Zonen, im wesentlichen den Auslaßkanälen und Auslaß­ ventilführungen, ermöglicht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen etwa mittigen Schnitt durch einen Zylinder­ kopf parallel zu der Brennraumbodenplatte des Zylinderkopfes,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf gemäß Schnitt I,

Fig. 3 eine Ansicht gemäß Schnitt II,

Fig. 4 einen verkleinerten Teilschnitt gemäß I,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungs­ variante des Zylinderkopfes,

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

Fig. 7 eine brennraumseitige Ansicht des Zylinderkopfes gemäß den Fig. 5 und 6.

Ein luftgekühlter Zylinderkopf 1, der als Graugußblockzy­ linderkopf 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 ei­ ner gemeinsamen Längs-Seitenwand 6 des Zylinderkopfes 1 angeordnet sind. Der Zylinderkopf 1 wird quer zur Längs­ richtung von Kühlluft durchströmt, wobei die Kühlluft auf der zu der mit den Gaswechselkanälen 2, 3 bzw. deren An­ schlußflanschen 4, 5 versehenen Längs-Seitenwand 6 gegen­ überliegenden Längs-Seitenwand 7 eintritt. Die in den Zy­ linderkopf 1 eintretende Kühlluft wird von Kühlrippen ge­ zielt zu allen Bereichen des Zylinderkopfes geführt. Dabei sind die thermisch hochbelasteten Zonen des Zylinderkopfes 1 weitgehend von angrenzenden Zylinderkopfwandteilen iso­ liert bzw. angehangen. Der Abgaskanal 2 ist dementspre­ chend nur an dem Brennraumboden und der Auslaßventilboh­ rung 9 mit dem Zylinderkopf 1 verbunden und steht an­ sonsten isoliert in dem Zylinderkopf 1. Mit dem Kurbelge­ häuse 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 angeord­ net, insbesondere steht keine der Zylinderkopfschrauben­ pfeifen 12 mit dem Abgaskanal 2 in Verbindung. Die zwi­ schen dem Einlaßkanal 3 und Auslaßkanal 2 angeordnete Zy­ linderkopfschraube 11 a stützt sich ausschließlich auf ei­ ner von der Einlaßkanalwandung 13 gebildeten halbmondför­ migen Zylinderkopfschraubenpfeife 12 a ab. Stößelstangen­ durchbrüche 14 und 15 sind auf der lufteintrittsseitigen Längs-Seitenwand 7 des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Eine nicht dargestellte Einspritzdüse ist zentral in dem Zylin­ derkopf 1 angeordnet und die entsprechende Durchtrittsöff­ nung 16 ist in einem stumpfen Winkel zu der Brennraumbo­ denplatte 8 geneigt.

In 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 gesam­ ten Umfang jeder Zylinderbohrung 18 und ist im Bereich außerhalb des Zylinderkühlmantelraums 19 angeordnet.

Oberhalb des Zylinderkühlmantelraumes 19 ist in den Brenn­ raumboden 8 des Zylinderkopfes 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 Zylinderkopfes 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 Ausführungsbei­ spiel durch eine in dem Bereich der Ringnut gas- und flüssigkeitsdichte Zylinderkopfdichtung 21 von dem Zylin­ derkühlmantelraum 19 getrennt. Anstelle der Flüssigkeits­ kühlung ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Ringnut 20 luftgekühlt. Dabei tritt die Kühlluft über Bohrungen 25 beidseitig des Zylinderkopfes 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 Zylinderkopfes 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 Brennraum­ bodens 8 dargestellt. Weiterhin ist eine über die gesamte Länge des Zylinderkopfes 1 führende Flüssigkeitsleitung 27 in Höhe der Ventilfedernauflagen 28 angeordnet. Diese Flüssigkeitsleitung 27, die vornehmlich mit Öl beschickt wird, das gleichzeitig zur Schmierung des Ventiltriebs, soweit er im Zylinderkopf angeordnet ist, verwendet wird, ist zusätzlich mit den Einlaßkanalwandungen verbunden. Durchlässe für die quer auf die Flüssigkeitsleitung 27 und die angrenzenden Wandungen auftreffende Kühlluft ergeben sich nur im Bereich der Abgaskanäle 2, so daß die Kühlluft wirkungsvoll um die Abgaskanäle 2 herumgeführt wird und diese intensiv kühlt.

In den Fig. 6 und 7 ist eine als Schlitz ausgebildete Aus­ nehmung 29 in den Zylinderkopf 1 im Bereich zwischen zwei Zylindereinheiten eingelassen. In der Ausbildung nach Fig. 6 wird die Ausnehmung 29 über Kanäle 30 mit Kühlluft durchspült. Die Kanäle 30 sind beidseitig der Stirnseiten der Ausnehmung 29 angeordnet und sind an den beiden Längs-Seitenwänden 6, 7 des Zylinderkopfs 1 aus dem Zylin­ derkopf 1 herausgeführt. In der Ausbildung nach Fig. 7 werden die Ausnehmungen 29 von Kühlflüssigkeit durch­ strömt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die nicht dar­ gestellte Zylinderkopfdichtung im Bereich der Ausnehmungen 29 mit Durchbrüchen versehen, so daß die Kühlflüssigkeit von dem Zylinderkühlmantelraum 19 in die Ausnehmungen 29 gelangt.

Claims (16)

1. Luftgekühlter Zylinderkopf (1) einer Brennkraft­ maschine mit mindestens zwei Gaswechselventilen je Zylin­ der, wobei der Brennraumboden (8) des Zylinderkopfes (1) kühlraumseitig mit einer sich im wesentlichen kontinuier­ lich ändernden Wanddicke ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Blockzylinderkopf zusammengefaßten Zylinderköpfe (1) einer Zylinderreihe aus Grauguß gefertigt sind, und daß der Brennraumboden (8) auf der Brennraumseite zwischen den einzelnen Zylindern in dem von einem Zylindermantelraum (19) überdeckten Zylin­ derkopfbereich mit je einer Ausnehmung (29) versehen ist.

2. Luftgekühlter Zylinderkopf einer Brennkraft­ maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden (8) des Zy­ linderkopfes (1) kühlraumseitig konkav ausgebildet ist.

3. Luftgekühlter Zylinderkopf einer Brennkraft­ maschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden (8) des Zy­ linderkopfes (1) kühlraumseitig als Tragflügelprofil (kon­ vex) ausgebildet ist.

4. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 3, mit einem kühlraumseitigen wulstförmigen Rand (17) des Brennraumbodens (8), dadurch gekennzeichnet, daß der wulstförmige Rand (17) im Brennraumeinfassungsbereich ringförmig den Brennraumboden (8) umfaßt.

5. Luftgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wulstförmige Rand (17) von den zu einer Längs-Seitenwand (6) des Zylinderkopfes (1) führenden Gaswechselkanälen (2, 3) abgekoppelt ist.

6. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Brennraumrandes in den Brennraumboden (8) brennraumseitig eine Ringnut (20) eingearbeitet ist.

7. Luftgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (20) über min­ destens eine radial von außen zum Zylinderkopfzentrum hin verlaufende Bohrung oder Kanal (25) von Kühlluft durch­ strömt ist.

8. Luftgekühlter Zylinderkopf nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (20) über Boh­ rungen oder Durchbrüche (22) in der Zylinderkopfdichtung (21) mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylindermantelraum (19) verbunden ist.

9. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Brennraumboden (8) Kühl­ rippen (26) aufgesetzt sind, die in den wulstförmigen Rand (17) auslaufen.

10. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 9, mit zumindest einer Zylinderkopfschrau­ benpfeife (12, 12 a) zwischen den Gaswechselkanälen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderkopfschrauben­ pfeife (12 a) halbmondförmig durch eine Einlaßkanalwandung (13) gebildet ist.

11. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (2) vollstän­ dig von benachbarten Zylinderkopfwandungen abgehangen ist und allseitig von einem Kühlluftstrom umspült ist.

12. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ spürche 1 bis 11, 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.

13. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 12, 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.

14. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (29) über zum Kühlluftraum führende Bohrungen oder Kanäle (30) belüftet werden.

15. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (29) über Durchbrüche in der Zylinderkopfdichtung (21) mit dem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkühlmantelraum (19) verbun­ den sind.

16. Luftgekühlter Zylinderkopf nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Längs-Seitenwand (6) des Zylinderkopfes (1) in Höhe der Ventilfedernauflagen (28) eine über die Gesamtlänge des Zylinderkopfes (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 zwi­ schen dem Auslaßkanal (2) und der Flüssigkeitsleitung (27) entlang der Auslaßkanalwandung zu dem Auslaßkanalanschluß­ flansch (4) geleitet wird.