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Die Erfindung betrifft einen Dieselmaschinen-Zylinderkopf, insbesondere zur
Verwendung für hochtourige Dieselmaschinen mit hoher spezifischer
Leistung, in denen sehr hohe Temperaturen in bestimmten Bereichen des
Zylinderkopfs auftreten.
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Ein Dieselmaschinen-Zylinderkopf ist bekannt, der eine Anzahl von
Vorverbrennungskammern aufweist, deren Oberflächen teilweise in dem Kopf und
teilweise in Zapfen gebildet sind, die in einen entsprechenden Sitz in dem
Kopf eingesetzt sind und eine Austrittsbohrung zu der entsprechenden
Maschinen-Brennkammer aufweisen. Dieser Zylinderkopf ist auch mit einer
Anzahl von Lufteinlaß- und Auspuffgas-Auslaßleitungen versehen, die in die
Brennkammer eintreten und aus dieser austreten und deren Öffnungen
durch entsprechende Einlaß- und Auslaßventile gesteuert werden. Der
Zylinderkopf ist nach unten begrenzt durch eine flache Oberfläche. die derart
ausgebildet ist, daß sie auf einer entsprechenden flachen Oberfläche des
Maschinenblocks aufliegt wobei die Bohrungen der Zapfen der
Vorverbrennungskammer und der Einlaß- und Auslaßleitungen in die flache Oberfläche
münden, die den Zylinderkopf nach unten begrenzt.
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Dieser kurz beschriebene Typ eines Zylinderkopfs weist Nachteile auf. Kleine
Risse bilden sich in dem Zylinderkopfbereich, der durch die flache
Oberfläche begrenzt ist, und liegen zwischen dem Rand jeder
Vorverbrennungskammer und den Rändern der entsprechenden Lufteinlaß- und Auspuffgasauslaß-
Leitungen, und sie haben die Tendenz einer Vergrößerung während der
Lebensdauer der Maschine, bis sie zur Außenseite des Zylinderkopfs
durchdringen, mit dem Ergebnis, daß sie den Eintritt von Wasser und
Fremdsubstanzen in die Brennkammer und den Austritt von komprimierten Gasen
gestatten.
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Diese Risse sind das Ergebnis der hohen Spannungen, die durch
Temperaturänderungen hervorgerufen werden, denen die laufende Maschine
unterliegt. Außerdem treten in dem Bereich örtliche Verformungen auf, die die
Form der Oberfläche verändern, die den Zylinderkopf nach unten begrenzt,
und die die Form von örtlichen Anhebungen mit der gleichzeitigen Bildung
von kleinen Vertiefungen aufweisen. Dieser Nachteil wird verursacht durch
die hohen thermischen Auslenkungen, die bei einer hohen Temperatur
entstehen und zu einer örtlichen plastischen Verformung des
Zylinderkopfmaterials führen.
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Verschiedene Lösungen sind in bezug auf dieses Problem vorgeschlagen
worden, wie etwa die Vermeidung scharfer Ecken an den verschiedenen Sitzen
in dem Zylinderkopf, insbesondere in Bezug auf die Sitze der Zapfen, die die
Vorverbrennungskammern begrenzen. In anderen Fällen sind
Hinterschneidungen in der unteren Oberfläche des Zylinderkopfs gebildet worden, die
eine Ausdehnung des Zylinderkopfmaterials in vorgegebenen Bereichen
gestatten und das Volumen des Materials verringern. Diese Auswege haben sich als
vollständig unzureichend erwiesen in den Fällen, in denen Zylinderköpfe auf
hochtourigen Dieselmaschinen mit hoher spezifischer Leistung verwendet
werden, bei denen in bestimmten Bereichen des Zylinderkopfs die
Betriebstemperatur zwischen 265 und 280ºC liegt.
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In der DE-C 893 727 und 966 672 wird ein Dieselmaschinen-Zylinderkopf
beschrieben, der eine Anzahl von Vorverbrennungskammern aufweist, von
denen jede mit einer Auslaßbohrung zu der entsprechenden Maschinen-
Brennkammer versehen ist. Eine Anzahl von Nuten befindet sich in der
oberen Oberfläche des Kopfes zur Verbindung der Auslaßbohrung mit dem
Lufteinlaß und dem Auspuffgas-Auslaß. Dieser Ausweg ist unzureichend zur
Vermeidung der oben dargelegten Nachteile.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Dieselmaschinen-Zylinderkopf zu schaffen, der korrekt ohne die zuvor genannten Nachteile arbeitet,
wenn er auf hochtourigen Dieselmaschinen mit hoher spezifischer Leistung
verwendet wird, bei denen Temperaturen der zuvor genannten
Größenordnung erreicht werden.
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Die Erfindung schafft einen Dieselmaschinen-Zylinderkopf mit
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- einer Anzahl von Vorverbrennungskammern, deren Oberflächen teilweise
in dem Zylinderkopf und teilweise an Zapfen gebildet sind, die jeweils in
einen entsprechenden Sitz eingefügt sind, der in dem Zylinderkopf
ausgebildet ist, und mit einer Auslaßbohrung zu der entsprechenden
Maschinenbrennkammer versehen sind;
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- einer Anzahl von Paaren von Lufteinlaßleitungen. die sich zu der
Brennkammer erstrecken, und Auspuffgas-Leitungen, die von der
Brennkammer ausgehen, wobei die Öffnungen der Leitungen durch entsprechende
Einlaß- und Auslaßventile gesteuert werden;
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- welcher Zylinderkopf auf der unteren Seite durch eine flache Oberfläche
begrenzt ist, die auf der entsprechenden flachen Oberfläche des
Maschinenblocks aufliegt, welcher Zylinderkopf mit einer Anzahl von
Hohlräumen versehen ist, die jeweils zwischen einer der Einlaßleitungen, einer
der Auslaßleitungen und einer der Austrittsbohrungen des Zapfens
liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume jeweils teilweise in
dem Material des Kopfes und teilweise in dem Material des Zapfens
ausgearbeitet sind und nach unten durch eine flache Oberfläche begrenzt
sind, die parallel zu der Oberfläche verläuft, die den Zylinderkopf nach
unten begrenzt, wobei der Abstand zwischen den beiden Oberflächen
weniger als 3 mm beträgt.
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Die vorliegende Erfindung soll weiter verdeutlicht werden durch eine
detaillierte Beschreibung, die anschließend in der Form eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wiedergegeben ist:
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Fig. 1 ist ein schematischer Teilschnitt durch den Zyllnderkopf der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Zylinderkopf;
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Fig. 3 ist ein schematischer Teilschnitt durch eine zweite
Ausführungsform des Zylinderkopfs der Erfindung;
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Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Zylinderkopf der Fig. 3.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 umfaßt der Zylinderkopf gemäß der
Erfindung, der insgesamt mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist, eine Anzahl von
Vorverbrennungskammern 2, die jeweils durch einen Oberflächenbereich 3
an dem Zylinderkopf selbst und einen Oberflächenbereich 4 an einem
entsprechenden Zapfen 5 begrenzt sind, die jeweils in einen Sitz 6 in den
Zylinderkopf eingefügt sind und eine Auslaßbohrung 7 in Richtung der
entsprechenden
Brennkammer 8 der Maschine aufweisen. Die Oberflächenbereiche
sind zweckmäßigerweise Bereiche einer kugeligen Oberfläche, so daß eine
Turbulenz in dem Strom des in die Kammer durch eine entsprechende
Einspritzdüse 9 eingespritzten Brennstoffstrom entsteht. In bekannter Weise
wird der Brennstoff, der in der Vorverbrennungskammer mit der
Verbrennung beginnt, in die Brennkammer 8 durch die Bohrungen 7 der Zapfen 5
ausgestoßen, wenn die Verbrennung beendet ist. Vorzugsweise ist eine
Vorheizkerze 10 vorgesehen, die den inneren Bereich der
Vorverbrennungskammer während der Kaltstartstufe der Maschine erwärmt.
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In dem Zylinderkopf 1 ist weiterhin eine Anzahl von Paaren von
Lufteinlaßleitungen 13 und Auspuffgas-Auslaßleitungen 14 vorgesehen, deren Öffnungen
durch entsprechende Einlaß- und Auslaßventile 15 und 16 gesteuert werden.
Wie in Fig. 2 ohne weiteres ersichtlich ist, liegen der Achsen der Einlaß- und
Auslaßleitungen auf gegenüberliegenden Seiten der Achse der jeweiligen
Vorverbrennungskammer in bezug auf die Zylinderachse, und die Leitungen sind
durch eine Brücke aus demselben Material wie der Zylinderkopf getrennt.
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Der Zylinderkopf 1 wird nach unten begrenzt durch eine flache Oberfläche
18, die auf einer entsprechenden flachen Oberfläche des Maschinenblocks
19 aufliegt. Die Bohrungen 7 der Zapfen 4 und der Einlaß- und
Auslaßleitungen münden in diese flache Oberfläche des Zylinderkopfs.
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Erfindungsgemäß ist in dem Zylinderkopf eine Anzahl von Hohlräumen 20
vorgesehen, die sich jeweils von dem unteren Rand eines der Zapfen 4 zu
den entsprechenden Einlaß- und Auslaßleitungen 13 und 14 erstrecken, so
daß der Hohlraum wenigstens teilweise durch den unteren Rand 22 begrenzt
ist, wie ohne weiteres aus Fig. 1 und 2 hervorgeht. Zweckmäßigerweise
erstreckt sich hier der Hohlraum 20 vom unteren Rand 22 eines der Zapfen 4
zum Inneren der entsprechenden Einlaß- und Auslaßleitungen 13 und 14,
wie aus Fig. 2 und 4 hervorgeht. In diesem Falle erstreckt sich die
Ausnehmung in das Material der Brücke 17 zwischen den Leitungen 13 und 14.
Jeder der Hohlräume 20 ist nach unten durch eine flache Oberfläche 23
begrenzt (Fig. 1), die parallel zu der Oberfläche 18 verläuft, die den
Zylinderkopf 1 nach unten begrenzt.
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Der Zylinderkopf ist mit ringförmigen Schultern 25 versehen, die jeweils so
angeordnet sind, daß sie einen Anschlag für einen entsprechenden
ringförmigen Vorsprung an einem der Zapfen 4 bilden. Zweckmäßigerweise ist der
Abstand zwischen den Oberflächen 18 und 23 geringer als die Höhe des
Vorsprungs, gemessen in Richtung der Achse des Zapfens 4. Aus Gründen, die
später erläutert werden sollen, hat es sich gezeigt daß der Abstand zwischen
den beiden Oberflächen vorzugsweise weniger als 3 mm beträgt. Jeder der
Hohlräume 20 kann durch spanabhebende Bearbeitung, beispielsweise durch
Fräsen hergestellt werden. Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
ist dieser Hohlraum seitlich begrenzt durch Bereiche 26 einer gekrümmten
Rotationsfläche, deren Achse parallel zur Achse des Maschinenzylinders
verläuft. Im Falle der dargestellten Ausführungsform fällt diese Achse mit der
Zylinderachse zusammen. Ein Hohlraum mit einer derartigen Form kann
erhalten werden durch einen zylindrischen Fräser, der um eine Achse gedreht
wird, die mit der Achse der Zyllnderachse zusammenfällt.
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Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist jeder Hohlraum durch
einen zylindrischen Fräser hergestellt, der um eine Achse gedreht wird, die
parallel zur Oberfläche 18 liegt, die den Zylinderkopf 1 nach unten begrenzt.
In diesem Falle wird jeder Hohlraum seitlich durch einen flachen
Oberflächenbereich 27 (Fig. 4) und einen zylindrischen Oberflächenbereich 28 mit
der Achse des Fräsers begrenzt.
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Der Betrieb des beschriebenen Zylinderkopfs ist wie folgt.
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Während der Explosionsstufe beginnt die Verbrennung in der
Vorbrennkammer 2, wenn am Ende des Kompressionshubes atomisierter Brennstoff in die
Kammer durch die Einspritzdüse 9 eingespritzt wird. Ein Teil des
Brennstoffs verbrennt in der Vorbrennkammer und erzeugt einen plötzlichen
Druckanstieg mit dem Ergebnis, daß der bis dahin unverbrannte Brennstoff
durch die Bohrung 7 in die Brennkammer 8 ausgestoßen wird. Die
Verbrennung wird in der zweiten Kammer 8 abgeschlossen.
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Daher tritt eine Flamme durch jede der Bohrungen 7 aus, deren Achse zu der
Zylinderachse geneigt ist, und dies würde dazu führen, daß die Oberfläche
18, die den Zylinderkopf 1 nach unten begrenzt, gestreift wird, wenn diese
nicht mit den Hohlräumen 20 versehen wäre, wie es bei bekannten
Zylinderköpfen
der Fall ist. Die untere Oberfläche 23 jedes Hohlraums 20 befindet
sich in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche 18, die den
Zylinderkopf 1 nach unten begrenzt, und daher berührt die Flamme, die die
Bohrungen 7 verläßt, die Oberfläche 23 nicht direkt, so daß die Wärmeübertragung
von der Flamme auf den Zylinderkopf in den Bereich zwischen der
Vorbrennkammer und den Einlaß- und Auslaßleitungen 13 und 14 erheblich reduziert
wird.
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Außerdem erzeugt der Teil des Randes 22 des Zapfens 5, der den Hohlraum
20 begrenzt, einen Schirm für die Grundfläche 23 des Hohlraumes, so daß
der Strom von brennendem Brennstoff abgelenkt wird und vermieden wird,
daß die Oberfläche gestreift wird. Schließlich wird wegen der Luftschicht,
die auf diese Weise zwischen dem Strom des Brennstoffs und der Oberfläche
23 gebildet wird, der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Flamme
und dem Kopf erheblich reduziert gegenüber der Übertragung die ohne die
Luftschicht entstehen würde.
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Es hat sich gezeigt, daß in den Bereichen des Zylinderkopfs, der zwischen
jeder der Vorbrennkammern 2 und den entsprechenden Einlaß- und
Auslaßleitungen 13 und 14 liegt, keine Rißbildung entsteht, die bei Zylinderköpfen
der herkömmlichen Art entstand. In diesen Bereichen ist auch keine
wesentliche Anschwellung der Oberfläche 23 der Hohlräume 20 oder der
Oberfläche 18 des Zylinderkopfs 1 bemerkt worden und keine Erzeugung von
Vertiefungen in diesen Bereichen. Diese vorteilhaften Ergebnisse, die auch
erhalten wurden auf Zylinderköpfen, die auf hochtourigen Dieseln verwendet
wurden, in denen Temperaturen zwischen 267 und 270ºC auftraten, sind das
Ergebnis der reduzierten Wärmeübertragung zwischen dem gezündeten
Brennstoff, der aus den Bohrungen 7 austritt, und dem Zylinderkopf.
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Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Dimensionen der Hohlräume 20
ausreichend groß sein sollten, so daß sie wenigstens einen Teil der Brücken 17
zwischen den Einlaß- und Auslaßleitungen 13 und 14 einschließen. In dieser
Hinsicht sind diese Bereiche auch kritisch, und daher kann nur dann, wenn
die Größe der Hohlräume 20 so gewählt ist, daß diese Bereiche
eingeschlossen sind. eine Rißbildung und abnorme Verformung vermieden werden.