EP0899445A2 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0899445A2
EP0899445A2 EP98114792A EP98114792A EP0899445A2 EP 0899445 A2 EP0899445 A2 EP 0899445A2 EP 98114792 A EP98114792 A EP 98114792A EP 98114792 A EP98114792 A EP 98114792A EP 0899445 A2 EP0899445 A2 EP 0899445A2
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EP
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cylinder head
internal combustion
combustion engine
screw
cylinder
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Klaus Berner
Wolfgang Kizler
Roland Meyer
Bernward Vethacke
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
Daimler Benz AG
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F1/26Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F1/26Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/38Cylinder heads having cooling means for liquid cooling the cylinder heads being of overhead valve type

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled cylinder head a multi-cylinder internal combustion engine according to the Preamble of claim 1.
  • From JP-PS 59 96 341 is a generic liquid-cooled Cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine known.
  • the cylinder head has conventional screw pipes for the cylinder head bolts, which are the clamping forces of the cylinder head bolts on the small cross section of the pipe from the ceiling to the bottom plate of the cylinder head.
  • Um now the screw clamping forces also in the floor areas between the Distributing screw pipes is between the screw pipes a T-shaped bending beam arranged over a rib is connected to the gas exchange channels and the screw clamping forces should also lead to the intermediate areas.
  • the invention has for its object a liquid-cooled Cylinder head of a multi-cylinder internal combustion engine to create with which even in confined spaces as high and even surface pressure as possible of the cylinder head gasket also in the areas between the cylinder head bolts can be achieved.
  • An advantage of the invention is the simplification of the Screw whistles, in the adjacent wall sections of the gas exchange channels thickened in the area of the cylinder head bolts are formed and thereby form ribs that are part of the Screw whistles are.
  • the screw pipes are not designed as continuous columns. Simplifying the Screw pipes draw a lower weight of the cylinder head after itself.
  • Another major advantage is that optimal force distribution of the screw clamping force over the Screw whistles in the cylinder head. Since the screw pipes are not are designed as "conventional pillars", which the Bolting force only on the small cross section of the column Ceiling lead to the bottom of the cylinder head, but afterwards comprise ribs on a columnar portion which a directed distribution of forces in the areas between the Allow cylinder head screws.
  • the screw tension of the Cylinder head bolts may appear shortly after being introduced into the conventional columnar section of the screw pipe spread over the adjoining ribs in the cylinder head, whereby the surface pressure on the cylinder head gasket evened out, especially to the advantage of the areas in the middle under the gas exchange channels. This ensures that the surface pressure acting on the cylinder head gasket those arising during operation of the internal combustion engine enormous gas forces due to the even distribution of forces withstands the screw tension better.
  • the cylinder head After starting the internal combustion engine, the cylinder head warms up and the crankcase of the internal combustion engine and this also heats up the cooling water very quickly.
  • the cylinder head bolts over one Part of their length from a section of the cooling water space completely surrounded, which also makes them very cool quickly brought to the temperature of the surrounding components become. Because the cylinder head bolts are parallel to the cylinder head as well as warm up to the crankcase and thereby also expand, will cause excessive stress on the cylinder head material avoided, which makes it possible on the to forego the conventional screw pipe (column).
  • Fig. 1 is a liquid-cooled cylinder head 1 for one multi-cylinder internal combustion engine, not shown, the left half being a first embodiment and the right half a second embodiment of the invention represents.
  • the cylinder head 1 has a cooling water chamber 2 (see Fig. 2), of which only the inlet 2a is shown in FIG. 1. Of the Cooling water chamber 2 is down from a cylinder head floor 3 and up from one at a distance above the cylinder head floor 3 arranged cylinder head cover 4 limited. In the second embodiment the cylinder head 1 also has one in the inlet 2a arranged, free-standing projection 16 on. In the cooling water chamber 2 there are gas exchange channels 5 and in FIG. 2 shown chambers 6 arranged for spark plugs and / or injection nozzles, the gas exchange channels 5 according to FIG. 2 in the direction a transverse engine axis 7.
  • cylinder head clamping screws only indicated in the figures 8 is the cylinder head 1 with the interposition of one here Not shown cylinder head gasket with a crankcase 9 of the internal combustion engine releasably connected.
  • the pressing of the Cylinder head 1 to the crankcase 9 and thus the bracing the cylinder head gasket between cylinder head 1 and crankcase 9 takes place when the cylinder head screws 8 are tightened with the necessary screw preload.
  • the cylinder head screws 8 extend part of their length free through a section, in this case the inlet 2a, the Cooling water chamber 2 in the cylinder head 1 and through a cooling water chamber section 10 in the crankcase 9.
  • the cylinder head bolts 8 are flowed around by the cooling water and quickly on the Brought temperature of the surrounding components 1, 9.
  • the cylinder head bolts 8 are by screw pipes described in more detail below 11 of the cylinder head 1 passed, which for Distribution of the bolt clamping forces of the cylinder head bolts 8 serve from the cylinder head cover 4 to the cylinder head base 3.
  • Fig. 2 As can be seen from Fig. 2, according to the invention are in both Embodiments of the screw pipes 11 for the cylinder head screws 8 partly through adjacent wall sections 12 in particular, similar gas exchange channels 5, such as Inlet channels formed, the wall portions 12 in Area of the cylinder head screws 8 to form ribs 13 are thickened.
  • This configuration according to the invention the screw pipes 11 distributes the screw clamping forces in areas 14 below the gas exchange channels 5 (see Fig. 1).
  • Fig. 1 is the introduction of force by the cylinder head screw 8 in the cylinder head 1 and the subsequent distribution of forces over the ribs 13 into the areas 14 below the gas exchange channels 5 marked with dash-dotted arrows 15, the projection 16 in the second embodiment none Has an influence on this distribution of forces because of the lead 16 is not supported from below, but freely in the inlet 2a or the cooling water chamber section 10 protrudes.
  • the preload the rib 13 is due to its special shape on the wall sections 12 of the gas exchange channels 5 in the direction of arrow 15 on the Aligned cylinder head gasket, which also in the the cylinder head bolts 8 adjacent areas 14 between the Gas exchange channels 5 a sufficient surface pressure on the Seal is achieved.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserraum (2), in dem in Richtung einer Motorquerachse (7) verlaufende Gaswechselkanäle (5) und mindestens eine Kammer (6) für eine Zündkerze und/oder eine Einspritzdüse angeordnet sind, und mit Schraubenpfeifen (11) zur Verteilung der Schraubenspannkräfte der Zylinderkopfschrauben (8), wobei der Zylinderkopf (1) unter Zwischenschaltung einer Zylinderkopfdichtung mit einem Kurbelgehäuse (9) der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Um einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine so auszubilden, daß auch bei beengten Platzverhältnissen eine möglichst hohe und gleichmäßige Flächenpressung der Zylinderkopfdichtung auch in den Bereichen zwischen den Zylinderkopfschrauben (8) zu erzielen ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß benachbarte Wandabschnitte der Gaswechselkanäle (5) im Bereich der Zylinderkopfschrauben (8) zur Bildung von Rippen verdickt ausgeformt sind, die Teil der Schraubenpfeifen (11) sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der JP-PS 59 96 341 ist ein gattungsgemäßer flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt. Der Zylinderkopf weist herkömmliche Schraubenpfeifen für die Zylinderkopfschrauben auf, die die Spannkräfte der Zylinderkopfschrauben auf dem kleinen Querschnitt der Pfeife von der Decke bis zur Bodenplatte des Zylinderkopfes führen. Um nun die Schraubenspannkräfte auch in die Bodenbereiche zwischen den Schraubenpfeifen zu verteilen, ist zwischen den Schraubenpfeifen ein T-förmiger Biegebalken angeordnet, der über eine Rippe mit den Gaswechselkanälen verbunden ist und die Schraubenspannkräfte auch in die Zwischenbereiche führen soll.
Von Nachteil bei einer derartigen Ausführung zur Verteilung der Schraubenspannkräfte ist allerdings, daß die Kräfteeinleitung über den oben erwähnten Biegeträger zu ungleichmäßig ist, um eine optimale gleichmäßige Kräfteverteilung auch im Bereich zwischen den Schraubenpfeifen zu erreichen, da die Steifigkeit der durchgehenden Schraubenpfeifen über ihre Länge nur eine geringe Krafteinleitung in den Biegeträger zuläßt. Die über den Biegeträger in die Brennraumbegrenzung des Zylinderkopfbodens eingeleitete Vorspannung ist deshalb nur gering und hält einem erhöhten Gasdruck der Brennkraftmaschine nicht stand. Eine gleichmäßige Flächenpressung der zwischen Zylinderkopf und Kurbelgehäuse angeordneten Zylinderkopfdichtung, um so eine optimale Abdichtung zu gewährleisten, ist somit nicht zu erreichen. Ein weiterer Nachteil der Ausführung stellt der enorme Platzbedarf des Biegebalkens dar, wodurch diese Ausführung bei sehr beengten Platzverhältnissen im Zylinderkopf nicht anwendbar ist, insbesondere wenn zur Erzielung einer besseren Kräfteverteilung der Biegebalken stärker ausgelegt werden soll.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 38 36 117 C1 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem auch bei beengten Platzverhältnissen eine möglichst hohe und gleichmäßige Flächenpressung der Zylinderkopfdichtung auch in den Bereichen zwischen den Zylinderkopfschrauben zu erzielen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Vereinfachung der Schraubenpfeifen, bei der benachbarte Wandabschnitte der Gaswechselkanäle im Bereich der Zylinderkopfschrauben verdickt ausgeformt sind und dadurch Rippen ausbilden, die Teil der Schraubenpfeifen sind. Die Schraubenpfeifen sind dadurch nicht als durchgehende Säulen ausgebildet. Die Vereinfachung der Schraubenpfeifen zieht ein geringeres Gewicht des Zylinderkopfes nach sich. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der optimalen Kräfteverteilung der Schraubenspannkraft über die Schraubenpfeifen im Zylinderkopf. Da die Schraubenpfeifen nicht als "konventionelle Säulen" ausgebildet sind, welche die Schraubenkraft nur auf dem kleinen Säulenquerschnitt von der Decke bis zum Boden des Zylinderkopfes führen, sondern im Anschluß an einen säulenartigen Abschnitt Rippen umfassen, die eine gerichtete Kräfteverteilung in die Bereiche zwischen den Zylinderkopfschrauben ermöglichen. Die Schraubenspannkraft der Zylinderkopfschrauben kann sich kurz nach der Einleitung in den konventionellen säulenartigen Abschnitt der Schraubenpfeife über die daran anschließenden Rippen in den Zylinderkopf verteilen, wodurch sich die Flächenpressung auf die Zylinderkopfdichtung vergleichmäßigt, insbesondere zum Vorteil der Bereiche in der Mitte unter den Gaswechselkanälen. Damit ist sichergestellt, daß die auf die Zylinderkopfdichtung wirkende Flächenpressung den im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehenden enormen Gaskräften aufgrund der gleichmäßigen Kräfteverteilung der Schraubenspannkräfte besser standhält.
Nach dem Starten der Brennkraftmaschine erwärmen sich der Zylinderkopf sowie das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine und heizen dadurch auch das Kühlwasser sehr schnell mit auf. Vorteilhafterweise sind daher die Zylinderkopfschrauben über einen Teil ihrer Länge von einem Abschnitt des Kühlwasserraumes vollständig umgeben, wodurch sie über das Kühlwasser ebenfalls sehr schnell auf die Temperatur der umgebenden Bauteile gebracht werden. Da sich die Zylinderkopfschrauben parallel zum Zylinderkopf sowie zum Kurbelgehäuse erwärmen und sich dadurch ebenfalls ausdehnen, wird eine übermäßige Beanspruchung des Zylinderkopf-Werkstoffes vermieden, wodurch es möglich wird auf die bisherige konventionelle Schraubenpfeife (Säule) zu verzichten.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden in zwei Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1
einen Teil eines Längsschnitts durch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, der mit einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verbunden ist, und
Fig. 2
einen Teil eines Schnittes durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gemäß Linie II-II aus Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf 1 für eine nicht näher dargestellte mehrzylindrige Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die linke Hälfte ein erstes Ausführungsbeispiel und die rechte Hälfte ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Der Zylinderkopf 1 weist einen Kühlwasseraum 2 auf (siehe Fig. 2), von dem in Fig. 1 nur der Zulauf 2a dargestellt ist. Der Kühlwasserraum 2 ist nach unten von einem Zylinderkopfboden 3 und nach oben von einer mit Abstand über dem Zylinderkopfboden 3 angeordneten Zylinderkopfdecke 4 begrenzt. Im zweiten Ausführungsbeispiel weist der Zylinderkopf 1 zusätzlich einen im Zulauf 2a angeordneten, nach unten freistehenden Vorsprung 16 auf. Im Kühlwasserraum 2 sind Gaswechselkanäle 5 sowie in Fig. 2 gezeigte Kammern 6 für Zündkerzen und/oder Einspritzdüsen angeordnet, wobei die Gaswechselkanäle 5 gemäß Fig. 2 in Richtung einer Motorquerachse 7 verlaufen.
Durch in den Figuren nur angedeutete Zylinderkopfspannschrauben 8 ist der Zylinderkopf 1 unter Zwischenschaltung einer hier nicht dargestellten Zylinderkopfdichtung mit einem Kurbelgehäuse 9 der Brennkraftmaschine lösbar verbunden. Das Anpressen des Zylinderkopfes 1 an das Kurbelgehäuse 9 und damit das Verspannen der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderkopf 1 und Kurbelgehäuse 9 erfolgt beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben 8 mit der nötigen Schraubenvorspannung. Über mindestens einen Teil ihrer Länge erstrecken sich die Zylinderkopfschrauben 8 frei durch einen Abschnitt, in diesem Fall dem Zulauf 2a, des Kühlwasserraumes 2 im Zylinderkopf 1 und durch einen Kühlwasserraumabschnitt 10 im Kurbelgehäuse 9. Die Zylinderkopfschrauben 8 werden dadurch vom Kühlwasser umströmt und rasch auf die Temperatur der umgebenden Bauteile 1, 9 gebracht. Die Zylinderkopfschrauben 8 sind durch unten näher beschriebene Schraubenpfeifen 11 des Zylinderkopfes 1 hindurchgeführt, welche zur Verteilung der Schraubenspannkräfte der Zylinderkopfschrauben 8 von der Zylinderkopfdecke 4 zum Zylinderkopfboden 3 dienen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind erfindungsgemäß bei beiden Ausführungsbeispielen die Schraubenpfeifen 11 für die Zylinderkopfschrauben 8 teilweise durch benachbarte Wandabschnitte 12 insbesondere gleichartiger Gaswechselkanäle 5, wie beispielsweise Einlaßkanäle, gebildet, wobei die Wandabschnitte 12 im Bereich der Zylinderkopfschrauben 8 zur Bildung von Rippen 13 verdickt ausgeformt sind. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schraubenpfeifen 11 bewirkt eine Verteilung der Schraubenspannkräfte in Bereiche 14 unterhalb der Gaswechselkanäle 5 (siehe Fig. 1).
In Fig. 1 ist die Krafteinleitung durch die Zylinderkopfschraube 8 in den Zylinderkopf 1 und die anschließende Kräfteverteilung über die Rippen 13 in die Bereiche 14 unterhalb der Gaswechselkanäle 5 mit strichpunktierten Pfeilen 15 gekennzeichnet, wobei der Vorsprung 16 im zweiten Ausführungsbeispiel keinerlei Einfluß auf diese Kräfteverteilung hat, da der Vorsprung 16 nicht von unten gestützt wird, sondern frei in den Zulauf 2a bzw. den Kühlwasserraumabschnitt 10 ragt. Die Vorspannkraft aus der Rippe 13 ist durch deren besondere Anformung an die Wandabschnitte 12 der Gaswechselkanäle 5 in Pfeilrichtung 15 auf die Zylinderkopfdichtung ausgerichtet, wodurch auch in den den Zylinderkopfschrauben 8 benachbarten Bereichen 14 zwischen den Gaswechselkanälen 5 eine ausreichende Flächenpressung auf die Dichtung erzielt wird.
Die Dimensionierung des Mindestquerschnitts ARmin der teilweise die Schraubenpfeife 11 bildenden Rippe 13 ist näherungsweise durch die Formel ARmin ≈ (dK + dV) x bV = 0,5 FS/0,8 σSstreck [in mm2] beschreibbar, worin bedeuten:
ARmin
= erforderlicher Mindestquerschnitt der Rippe,
dK
= Dicke der Gaswechselkanalwand,
dV
= Dicke der einen Teil der Rippe bildenden Verdickung,
bV
= Breite der Verdickung,
FS
= Schraubenkraft der Zylinderkopfschraube und
σSstreck
= Streckgrenze der Zylinderkopfschraube.

Claims (2)

  1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserraum, in dem in Richtung einer Motorquerachse verlaufende Gaswechselkanäle und mindestens eine Kammer für eine Zündkerze und/oder eine Einspritzdüse angeordnet sind, und mit Schraubenpfeifen zur Verteilung der Schraubenspannkräfte der Zylinderkopfschrauben, wobei der Zylinderkopf unter Zwischenschaltung einer Zylinderkopfdichtung mit einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verbindbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß benachbarte Wandabschnitte (12) der Gaswechselkanäle (5) im Bereich der Zylinderkopfschrauben (8) zur Bildung von Rippen (13) verdickt ausgeformt sind, die Teil der Schraubenpfeifen (11) sind.
  2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zylinderkopfschrauben (8) über mindestens einen Teil ihrer Länge von Kühlwasser vollständig umgeben sind.
EP98114792A 1997-08-28 1998-08-06 Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0899445B1 (de)

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EP0899445A3 EP0899445A3 (de) 2000-01-12
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