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Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, insbesondere
in Kraftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf die konstruktive Ausbildung von
flüssigkeitsgekühlten Zylinderköpfen für Brennkraftmaschirien, insbesondere Fahrzeugmotoren
mit 'hoher spezifischer Leistung, mit hängenden Einlaß- und Auslaßv-entllcn und
ergibt vor allem eine wesentlich verbesserte Kühlung der empfindlichen, Stellen
im Zylinderkopf, insbesondere der Sitze der Auslaßventile. Sie ermöglicht die Anwendung
größerer Zylinderdurchmüsser als bisher bei sehirell laufenden -Motoren sowie von
Heiß-,kühlung bei einwandfreier Betriebssic-herheit und ergibt eine wesentliche
Erhöhung der Leistung von Maschinen mit derartigen Zylitiderköpfen.
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Nach der Erfindung sind bei dem Zylinderkopf insgesamt mehr als vier
Ventile vorgesehen und: die an die Ventilsitze anschließenden Gaskanäle so geführt,
daß die Wände dersellben in- der Nähe der Ven,tilsitze, frei von jeder Verwachsung
oder Berührung mit den Wänden des Zylinderkopfes sind, also ringsum von der Kühlflüssigkeit
bespült werden. Außerdem wird die Kühlflüssigkeit durch Wände oder sonstige Führungsorgane
so geleitet, daß. sie zuerst #die AuslaBkanält nahe den Ventilsitzen mit großer
Gesc'hwin;digkeit umströmt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei
der Anwendung von mehr als vier Ventilen., beispielsweise bei drei Einlaß- und zwei
A-uslaßventilen, oder bei drei Einlaß- und drei Auslaßventilen, und der angegebenen
Ausbildung dIes Zylinderkopfes insbesondere ;die Auslaßventilt, Zündkerzen, Brennstoffdüsen,
auch Austrittskanäle oder ähnliche Stellen an einer zwischen de-n Ventilen angeordneten
Brennkammer -besonders gut ge-,kühlt werden. Sie können,dahter wärmemäßig stark
belastet und damit die Leistung und die Betriebssicheeheit der Maschine erhöht werden.
Die Wandstärke an den Ventilsitzen kann bei der Erfindulig mit einer Toleranz von
etwa i mm ausgeführt werden, was bei bisherigen Abgüssen solcher Zylinderköpfe nicht
erreichbar war.
Die Erfindung bringt insbesondere Vorteile für Zylinder
mit größeren Durchmessern, z. B. 140 bis i8o mm, die bisher bei schnell laufenden
Fahrzeugmotoren hauptsächlich aus mit der Kühlung von Kolben und Zylindern zusammenhängenden
Gründen nicht anwendbar waren. Die gute Kühlung, insbesondere der Auslaßventilsitze
ermöglicht eine außerordentlich lange Lebensdauer eines Zylinderkopfes nach der
Erfindung, wIesie auch durch auswechselbare Ventilsitze nicht erreichbar ist, die
-bekanntlich durch die dabei auftreten-den Spannungen und vor allem ihre isolieren&
Wirkung zwischen Sitz und Kühlmittel große Schwierigkeiten bieten. Die Querschnitte
der in der Strömungsrichtung des Kühlmittels 'hinter den Auslaßventilsitzen liegenden
Kühlräume des Zylinderkopfes sind im weiteren Ausbau der Erfindung so groß gehalten,
daß an den übrigen Kühlflächen des Zylinderkopfes eine wesentlich geringere Strömungsgeschwindigkeit
als an den Auslaßventilsitzen herrscht.
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Vorteilhafterweise werden Wände zur Druckübertragung zwischen dem
oberen und dem unterlen Boden des Zylinderkopfes vorgesehen,die im Grundriß im wesentlichen
über der Dichtung zwischen der Zyliniderbüchse und dem Zylinderkopf etwa parallel
zur Zylindierachst verlauf-en,. Dadurch, wird eine außerordentlich günstige Abstützung
und eine Entlastung der Querschnitte des Zylinders von seitlichen Kräften erreicht.
Die Dichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinder wird außerdem durch die
bei der Erfindung mögliche Ausführung der Wände des Zylinderbodens mit gleichmäßiger,
nur durch die Beanspruchung bestimmter Stärke besonders gut gekühlt. Die Übertragungswände
können erfindungsgemäß gleichzeitig auch zur Leitung der Kühlflüssigkeit zu den
Ventilsitzen dienen.
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Im weiteren Ausbau der Erfindung wird in dem oberen Boden &s#Zylinderkopfes
eine öffnung vorgesehen, die eine Bearbeitung der den, Sitz der Einspritzdüse oder
der Zündkerze umgebenden Wände ermöglicht. Dadurch wird eine erhöhte Kühlwirkung
auf die Zündkerze oder,die Einspritzdüse erreicht und so die heute vielfach sich
ergebenden Schwierigkeiten durch Überhitzung dieser Teile vermieden und damit die
der Anwendung von Heißkühlung entgegenste1.enden Schwierigkeiten behoben. Die Bearbeitung
geschieht auf eine Wandstärke, für die nur Festigkeitsgrün#de maßgebend sind. Durch
diese Ausführung ist gleichzeitig eine außerordentlich günstige Lagerung der Kerne
und eine gleichmäßige Durchbildung der Wände möglich, dadurch werden jetzt bestehen-de
Schwierigkeiten bei der Herstellung der Abgüsse und häufig ,sich ergebende Fehlstücke
vermieden.
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Zylinderköpfe nachder Erfindung sind besonders für Heißkühlung geeignet.
Beispielsweise können bei Heißkiiihlung durch Öl Temperaturen von 140'
C
und noch höher ohne Nachteile an#gewznidt werden. Gera,de in diesem Falle
ist einerseits die erhöhte Kühlwirkuing am, den Auslaßventilsitzen, andererseits
die schwächere Kühlwir4kung an den übrigen Stellen von besonderern Wert.
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Nach der Erfindung tritt die Kühlflüssigkeit durch Öffnungen unter
den einzelnen Auslaßkanälen in den Zylinderkopf ein und wird von dort in der erfindungsgemäßen
Weise weitergeleitet.
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Die Ventile sind in bekannter Weise so angeordnet, daß sie nicht oder
nur wenig aus der Unterseite des Zvlin-derkopfes herausragen, damit der Kolben des
Motors bis dicht an die den Zvlinderboden bildende Unterseite des Zylinderkopies
'herangeführt werden kann, wenn dies infolge 'höher Verdichtung oder einer großen
Brenrikammer im Zyliinderkopf oder im Kolben erforderlich ist.
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Der Zylinderkopf wird bei gleicher Anzahl der Einlaß- und Auslaßventile
mit Vorteil im Grundriß zur Maschinenachse symmetrisch ausgebildet, d. h.
die Ventile, die Kanäle und die Befestigungsmittel werden symmetrisch zu einer senkrechten
durch die Maschinenachse verlaufenden Ebene angeordnet. In diesem Fall ist also
auch bei Mehrreihenmotoren nur ein für alle Reihen passendies Gußmodell und Fertigstück
und ii-tir eine Art von Ersatzteilen notwendig.
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Für die Befestigun#g des Zylinderkopfes am Zy-
linder können
vorteilhafterweise sechs oder acht Dehnschrauben verwendet werden, die zur Querachse
des Zylinderkopfes symmetrisch und, mit gleichem odier nahezu gleichem Abstand voneinander
angeordnet sind, und so eine gute Druckühertragung über die oben erwähnten Stütz-,vände
und damit ein gleichmäßiges Anpressen der Dichtung und einwandfreie Abdichtung sichern.
Damit Befestigungsbolzen, die durch das Innere des Zylind-erlkopfes hindurchgeführt
werden, nicht zu sühr der Erbitzung durch die Auspuffkanäle ausgesetzt werden, werden
diedie Befestigungsbolzen unmittelbar umgebenden Partien des Zylinderkopfes so angeordnet,
daß sie nicht mit den Abgaskanälen in wärmeübertragender Verbindung stehen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausf ührungsbeispiele schematisch
dargestellt, Fig, i zeigt einen Zylinderkopf für einen Ottomotor mit drei Einlaß-und
zwei Auslaßventilen in einem senkrechten Schnitt nach der Linie E-F der Fig. 2,
die den gleichen, Zylinderkopf in einem waagerechten Schnitt nach den Linien A-B
und C-D der Fig. i zeigt.
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Die Fig. 3 zeigt einen Zylinderkopf für eine Einspritzbrenn'kraftmaschl#ii,e
mit drei Einlaß- und drei Auslaßventilen, in einem senkrechten Schnitt nach der
Linie G-H der Fig.,4, die in ihrem oberen Teil einen Schnitt der Fig.
3, nach der Linie I-K geschnitten, und in ihrem unteren Teil einen Schnitt
der Fig. 3 nachder Linie L-M zeigt.
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Der in den Fig. i und 2 gezeigte Zylind-erkopf ist symmetrisch zur
senkrechten Ebene durch die Lin.ie E-F und enthält eine Zündkerze i. Um diese sind
fünf Ventile 2, 3, 4, 5, 6 angeordnet, deren Teller nicht über den
Boden des Zylinderkopfes hervorra.gen. 2 und 3 sind die Außlaßventile, 4,
5
und 6 die Einlaßventile. Der Zylinderkopf wird begrenzt durch einen
Boden 7, eine obere Wa#nd 8, die Stirnwände 9, io und die Seitenwände
i 1, 12. Von den Sitzen der Ventile 2 und 3 führen Kanäle 13, 14 zu Öffnungen
in der Seitenwand i i, und, ebenso führen Kanäle 15, 16, 17
von den S itzen der Ventile
4, 5, 6 zu Öffnungen in
der Seltenwand 12. In den Seitenwänden i i und 12 befinden sich Entlüf tungsschraub-en
18, welche beim Füllen des Zylinderkopfes geöffnet werden können. In dem Boden
7
befinden sich unter den Kanälen Öffnungen 19, 20, 21, 22.
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Im Innern &s Zylinderkopfes sind zwei Wände 23 und 24 angeordnet,
welche sich von dem Boden 7
bis zur oberen Wand 8 erstrecken und zwischen
sich einen annähernd zylindrischen Raum einschließen. Diese Wände 23 und
24 -dienen, der Führungdes Kühlwassers. Sie haben nahe dem Boden 7
unterhalb
der Kanäle 13, 14, 15, 16, 17 Öffnungen 25, 26, 27, 28, 29 und unmittelbar
unter der oberen Wand 8 'kleinere Kommgnikationsöffnungen. Die Kühlflüssigkeit
wird; durch die Wand 23 gezwungen, zum größten Teil bei 25 und
26 hindurchzufließen und zuerst die Fläc#hen 5o an den Sitzen der Auslaßventik
2 unid 3 zu kühlen. Weiter umspült sie die Sitze der Einlaßventile 4,
5 und 6, tritt bei 27,
28, 29 durch die \\Tand 24 und
verläßt den Zylindierkopf durch die Öffnungen 20, 21, 22 oder an anderer Stellehierfür
vorgesehene Öffnungen-.
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Die Wände 23 und 24 sind nach der Erfindung, soweit möglich,
so geführt, daß sie im Grundriß im wesentlichen über der zwischen dem Zylinder und
dem Zylinderkopf liegenden Dichtung 42 liegen. Dadurch wird beim Anziehen der Befestigungsschrauben
der Druck gleichmäßig auf die Dichtung übertragen und Deformationen des Zylinderkopfes
beim Festziehen der Schrauben verhindert. Geringe Abweichungen in der- Führung der
Wände 23 und 24 von dem Verlauf der Dichtung sindunbedeutend.
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43 ist die Zylinderbüchse, 42 eine Dichtung zwischen dieser und dem
Zylinderkopf für den Brennraum, 44 das Kurbelgehäuse, 45 sind Dichtungen für das
Kühlmittel an den Übertrittsöffnungen. Die Befestigung des Zylinderkopfes geschieht
durch vier Bolzen 30, 3 1, 32, 33, welche den Zyliniderkopf
durchdringen, und durch vier Bolzen bei den Böhrungen 34, 35, 36, 37, welche
gleichzeitig auch die benachbartjen Zylinderköpfeerfassen. Die Bolzen
30, 31 sind von. Büchsen 38, 39 umgeben, welche in, den, Zylinderkopf
eingepreßt sind. Die so eingebauten Bolzen sind, ringsum und auf der ganzen Länge
gekü'hlt und nicht der Wärmeübertragung von den Gaskanälen her ausgesetzt. Auf der
Ein, laßseitekann man zur Aufnahme der Bolzen 32 Und 33 im Guß des
Zylinderkopfes Augen vorsehen, die an die Wand 12 oder auch an die Kanäle 15,
16 und 17 anschließen. Auf der Auslaßseite wird diese Ausfiihrung
mit Augen im Guß nicht angewandt, da -dort in diesem Falle eine unerwünschte und
schädliche Erhitzung des Bolzens von den Abgaskanälen 'her sich ergeben würde.
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Mit 46 ist eine Tasche bezeichnet, die zwischen dem Boden'
7 und der Wand 8 zentral durch Aden Zylinderkopf verläuft und zur
Aufnahme der Zündlkerze i und des Zündkabels dient.
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In den Fig. 3 und 4 ist zentral im Zylinderkopf eine Einspritzvorrichtung
51 angeordnet. Um diese sind drei Einlaßventilt 52, 53 und 54 und drei Auslaßventile
55, 56, 57 gleichmäßig angeordnet. Der Aufbau des Zylinderkopfes nach Fig.
3 und 4 ist im wesentlichen gleich wie bei der Ausführung nach Fig. i und
--. Dabei ist der Boden mit 58 und die obere Wand mit 59, die
Stirnwände mit 6o und 61 und die Seitenwände mit 6-- und 63 bezeichnet.
64 und 65 sind Einlaß-, 66 und 67 sind Auslaßkanäle. Dem Kühlwasserzutritt
dien-en die Öffnungen 68, 69, 70. Durch die Öffnungen 7 1,
72, 73 strömt das Kühlwasser aus dem Zylinderkopf 'heraus.
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Die Leitwände im Zylinderikopf sind mit 75 und 76 bezeichnet,
siebesitzen die Öffnungen'77, 78, 79,
8o, 81, 82 und dienen dem gleichen
Zweck wie die in Fig. i und 2 beschriebenen Wände --3 und 24. Auch bei vorstehend-er
Ausführung liegen die Wände über der Zylinderdichtung 85 und sichem damit
eine gleichmäßige Druckübertragung beim Befestigen des Kopfes auf dem Zylinderblock
86.
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In einiger Entfernung vom Boden 58 ist eine zu diesem parallele
Wand 87 angeordnet, -die sich zwisch,en den Wänden 6o, 61 und- den Ein- und
Auslaßkanälen erstreckt. Dadurch wird noch mehr als bei der AusfUhrung nach Fig.
i und 2 der Hauptstrom der Kühlflüssigkeit gezwungen, den unteren Teil des Zylinderkopfes,
vor allem die Kühlflächen an, den Ventilsitzen mit großer Geschwindigkeit zu umströmen.
88 ist die Stärke der Wand des Zy-
linderkopfes an den Sitzen der Auslaßventile.
Dies kann bei der günstigen Lagerun#g der Kerne, wie sie das Ausfiihrunggbei,spiel
der Fig. 3 und 4 ergibt, mit einer Toleranz von etwa i mm ausgeführt werden,
was bei anderen bis#her üblichen Bauarten von Zylinder'köpfen für größere Fahrzeugmotoren
nicht erreichbar ist.
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gi ist eine Öffnung in dem oberen, Boden 59 des Zylinderkopfes,
die durch eine Platte 92 verschlossen wird, in deren Nabe eine Bohrung 94 angeordnet
ist. Auf dem Gewinde 95 der Nabe 93 ist eine Überwurfmutter
96 befestigt, welche den Bund 97
des Düsenkörpers 98 der Brennstoffdüse
über eine Dichtung 99 gegen die Nabe 93 andrückt. ioo sind Schrauben
zur Befestigung der Platte 92 auf dem Zylinderkopf. An dem Düsenkörper
98 ist ein weiterer Bund ioi angeordnet, der über die Dichtung 102 gegen
den Hals 103 an ider Wand 58 gepreßt wird. 104 ist die Außenfläche des Halses
103-Diese kann bei der gezeigten Anordhung sauber ,bearbeitet werden, da sie durch
die Öffnung gi für Werkzeuge von obenher zugänglich ist.
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105 ist der Raum oberhalb der Wand 87. Die Querschnitte
für das Durchströmen dies-es Raumes durch das Kiihlmittel sind so groß gehalten,
daß hier eitle wesentliche geringere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels als
an den Auslaßventilsitzen herrscht.