EP0899445B1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0899445B1
EP0899445B1 EP98114792A EP98114792A EP0899445B1 EP 0899445 B1 EP0899445 B1 EP 0899445B1 EP 98114792 A EP98114792 A EP 98114792A EP 98114792 A EP98114792 A EP 98114792A EP 0899445 B1 EP0899445 B1 EP 0899445B1
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EP
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cylinder head
internal combustion
combustion engine
cylinder
screw
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EP98114792A
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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
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/40—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling cylinder heads with means for directing, guiding, or distributing liquid stream 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/38—Cylinder 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.
  • 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 on which the clamping forces of the cylinder head bolts on the small cross section of the whistle of lead the ceiling to the bottom plate of the cylinder head.
  • the bolt clamping forces also in the ground 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 bolt clamping forces should also lead to the intermediate areas.
  • a disadvantage of such an embodiment for distributing the Screw clamping forces that the introduction of force is too uneven over the above-mentioned bending beam to an optimal uniform distribution of forces also in the area to reach between the screw pipes, given the rigidity the continuous screw whistles over their length only a small Force introduction into the bending beam permits.
  • the over the Bending medium in the combustion chamber boundary of the cylinder head floor initiated bias is therefore low and holds one increased gas pressure of the internal combustion engine not stood.
  • a uniform surface pressure between the cylinder head and the crankcase arranged cylinder head gasket so an optimal To ensure sealing is therefore not possible.
  • Another disadvantage of the design is the enormous space requirement of the bending beam, whereby this execution at very cramped space in the cylinder head not applicable is, especially if for a better distribution of forces the bending beam should be designed stronger.
  • the invention is based on the object, a liquid-cooled Cylinder head of a multi-cylinder internal combustion engine to create, with the even in tight spaces one highest possible and uniform surface pressure of the cylinder head gasket also in the areas between the cylinder head bolts to achieve.
  • An advantage of the invention is the simplification of Screw pipes, 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, which are part of Screw pipes are.
  • the screw pipes are not formed as a continuous columns.
  • the simplification of Screw pipes pulls a lighter weight of the cylinder head after himself.
  • Another significant advantage lies in the optimal distribution of forces of the bolt clamping force over the Screw pipes in the cylinder head. Because the screw pipes are not are designed as "conventional columns" which the Screw force only on the small column cross section of the Ceiling lead to the bottom of the cylinder head, but in the connection to a columnar portion ribs comprising a directed distribution of forces in the areas between the Cylinder head bolts allow.
  • the bolt tension of the Cylinder head bolts may be in the shortly after the introduction conventional columnar section of the screw pipe distribute over the adjoining ribs in the cylinder head, causing the surface pressure on the cylinder head gasket evened, especially for the benefit of the areas in the middle under the gas exchange channels. This ensures that the surface pressure acting on the cylinder head gasket the resulting during operation of the internal combustion engine enormous gas forces due to the even distribution of forces the bolt clamping forces better withstands.
  • the cylinder head After starting the engine, the cylinder head will heat up and the crankcase of the internal combustion engine and This will also heat up the cooling water very quickly. advantageously, are therefore the cylinder head bolts over a Part of their length from a section of the cooling water space completely surrounded, which they also very much on the cooling water 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 likewise expand, becomes excessive stress on the cylinder head material avoided, which makes it possible on the previous conventional screwpipe (pillar) to dispense.
  • pillar screwpipe
  • a liquid-cooled cylinder head 1 for a Not shown multi-cylinder internal combustion engine 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 in Fig. 1, only the inlet 2a is shown. Of the Cooling water space 2 is down from a cylinder head bottom. 3 and up from a distance above the cylinder head floor 3 arranged cylinder head cover 4 limited. In the second embodiment the cylinder head 1 additionally has one in the inlet 2a arranged, downwardly projecting projection 16th on.
  • cylinder head clamping screws 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 detachably 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 tightening the cylinder head screws. 8 with the necessary bolt preload.
  • the cylinder head bolts extend 8 free through a section, in this case the inlet 2a, the Cooling water space 2 in the cylinder head 1 and through a cooling water space section 10 in the crankcase 9.
  • the cylinder head bolts 8 are thereby flowed around by the cooling water and quickly to the Temperature of the surrounding components 1, 9 brought.
  • the cylinder head bolts 8 are described in more detail below screw threads 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 floor 3.
  • the screw pipes 11 for the cylinder head bolts 8 partially through adjacent wall sections 12th in particular similar gas exchange channels 5, such as Inlet channels, formed, wherein the wall sections 12 in Area of the cylinder head bolts 8 to form ribs 13th thickened are formed.
  • the screw pipes 11 causes a distribution of the bolt clamping forces in areas 14 below the gas exchange channels. 5 (see Fig. 1).
  • the force is introduced by the cylinder head bolt 8 in the cylinder head 1 and the subsequent distribution of forces via the ribs 13 in the regions 14 below the gas exchange channels 5 marked with dash-dotted arrows 15, wherein the projection 16 in the second embodiment, no Influence on this distribution of forces, because the projection 16 is not supported from below, but free in the inlet 2a or the cooling water space portion 10 protrudes.
  • the preload out the rib 13 is characterized by their particular Anformung to the wall sections 12 of the gas exchange channels 5 in the direction of arrow 15 on the Cylinder head gasket aligned, which also in 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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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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EP0899445A2 EP0899445A2 (de) 1999-03-03
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