CH628399A5

CH628399A5 - Anordnung zur kuehlung des zylinderdeckels eines viertakt-dieselmotors.

Info

Publication number: CH628399A5
Application number: CH577378A
Authority: CH
Inventors: George Dr Lustgarten
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1982-02-26
Also published as: SE7904497L; FI66057C; NO791719L; JPS54155328A; NL7903784A; NO149934C; IT1113936B; DE2825298A1; DE2825298C2; NL188049B; FI791502A; GB2021691A; FI66057B; IT7922325A0; ES480069A1; SU953991A3; GB2021691B; NL188049C; FR2426806B1; FR2426806A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung des Zylinderdeckels eines Viertakt-Dieselmotors, mit im Zylinderdeckel die in Axialrichtung des Zylinders verlaufenden Ausnehmungen für Einlass- und die Auslassventile, mit mehreren zur Kühlung der Zylinderdeckel-Bodenfläche dienenden Dek-kelboden-Kühlbohrungen und mit mehreren, zur Kühlung von Ventilsitzen dienenden Ventilsitz-Kühlkanälen.

Zu hohe Gastemperaturen in den Zylindern eines Viertakt-Dieselmotors gefährdet einerseits den dem Brennraum zugewendeten Boden des Zylinderdeckels und andererseits die Ventilsitze, insbesondere diejenigen der Auslassventile. Im Betrieb ist der Zylinderdeckel sowohl von Gaskräften herrührenden mechanischen Spannungen als auch durch hohe Temperaturen verursachten Wärmespannungen unterworfen. Als Kombinationswirkung dieser Spannungen können im Boden des Zylinderdeckels Risse entstehen. Ferner kann eine unzulässige Durchbiegung des Zylinderdeckels eintreten, so dass die Dichtheit der Ventile nicht mehr gewährleistet ist und Gas durch die an sich geschlossenen Auslassventile entweichen kann, was zur Überhitzung dieser Ventile führen würde. Aus diesen Gründen wird der Zylinderdeckel mit einer Kühlanordnung ausgerüstet, die den beiden vorerwähnten Anforderungen Rechnung tragen muss.

Es ist bereits eine Kühlanordnung dieser Art vorgeschlagen worden, bei der die Kühlung des Zylinderdeckel-Bodens mittels Deckelboden-Kühlbohrungen und die Kühlung der Ventilsitze mittels Ventilsitz-Kühlbohrungen bewerkstelligt wird. Dabei kommunizieren die Deckelboden-Kühlbohrungen und die Ventilsitz-Kühlbohrungen miteinander und sind Teile eines gemeinsamen Kühlkreislaufes, der von relativ kaltem Kühlwasser mit einer Temperatur von 50 bis 60 °C durchströmt wird, das schon den Zylindereinsatz gekühlt hat und relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Diese Kühlanordnung ist nicht in allen Fällen optimal, da für zwei verschiedene Kühlaufgaben, nämlich die Deckelbodenkühlung und die Ventilsitzkühlung, das gleiche Kühlwasser verwendet wird. Die Temperatur dieses Kühlwassers ist mit Hinsicht auf die strengeren Anforderungen der Ventilsitzkühlung gewählt, so dass der Deckelboden einer unnötig starken Kühlung ausgesetzt ist. Zudem ist die relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeit vom Standpunkt der Wärmeübertragung ungünstig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die gegenseitige Abhängigkeit der Deckelboden- und der Ventilsitzkühlung vermieden wird und die mehr Freiheit in der Wahl der Kühltemperaturen und der Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels bietet. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelboden-Kühlbohrungen und die Ventilsitz-Kühlkanäle voneinander getrennt angeordnet und unabhängig gekühlt sind, dass die Deckelbo-den-Kühlbohrungen Teile eines von einem ersten Kühlmittel durchströmten, selbständigen Deckelboden-Kühlkreislaufes und die Ventilsitz-Kühlkanäle Teile eines von einem zweiten Kühlmittel durchströmten, vom Deckelboden-Kühlkreislauf getrennten und unabhängigen Ventilsitz-Kühlkreislaufes sind und dass die Kühltemperatur des zweiten Kühlmittels wesentlich unterhalb der Kühltemperatur des ersten Kühlmittels liegt.

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Durch die erfindungsgemässe vollständige Trennung der Ventilsitzkühlung von der Deckelbodenkühlung wird es möglich, diese beiden voneinander unabhängig auszulegen und mit Rücksicht auf die an sie gestellten speziellen Anforderungen zu optimieren. Kühltemperaturen und Strömungsgeschwindigkei- 5 ten können optimal angepasst werden und der bei voneinander abhängigen Kühlungen auftretende ungünstige Einfluss auf den Wirkungsgrad der Kühlung kann vermieden werden. Für die Ventilsitzkühlung ergeben sich dabei relativ kleine Kühlmittelmengen. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass wegen der io Trennung der Kreisläufe nunmehr für den Zylinderdeckelboden die sogenannte «Heisskühlung» angewendet werden kann, wobei der Wärmeinhalt des Deckelboden-Kühlmittels hoch genug ist, um es z. B. zur Dampferzeugung zu nützen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind für jeden 15 zu kühlenden Ventilsitz ein diesen umgebender und seiner Sitzfläche zugewendeter unterer Ringkanal, ein zu diesem koaxial angeordneter und mit ihm kommunizierender, der Ventilsitzfläche abgewendeter oberer Ringkanal, eine vom Umfang des Zylinderdeckels zum unteren Ringkanal führende Zuführboh- 20 rung und eine vom oberen Ringkanal zum Umfang des Zylinderdeckels führende Abführbohrung vorgesehen. Jeder mit dieser Kühlanordnung versehene Ventilsitz wird somit unabhängig von dem bzw. den anderen gekühlt.

Das erste Kühlmittel ist zweckmässig von einem den Kol- 25 ben führenden Zylindereinsatz herkommendes Kühlwasser. Dieses relativ warme Kühlwasser hat zweckmässig eine Temperatur von über 110 °C und eine Strömungsgeschwindigkeit in mindestens einigen der Deckelboden-Kühlbohrungen von mehr als 1 m/s. Das zweite Kühlmittel hingegen ist vorteilhaft 30 relativ kaltes Kühlwasser mit einer Temperatur von etwa 60 °C und mit einer Strömungsgeschwindigkeit in den Ventilsitz-Kühlbohrungen und den mit diesen kommunizierenden Ringkanälen von mehr als 1 m/s. Damit wird den strengeren Anforderungen der Ventilsitzkühlung Rechnung getragen. 35

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen in einen Oberteil und einen Unterteil unterteilten Zylinderdeckel und den oberen Teil eines Zylindereinsatzes, entsprechend der Linie I-I in 40 Fig. 2,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch den Zylinderdeckel nach Fig. 1, entsprechend der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch den Zylinderdeckel nach Fig. 1 und 2, entsprechend der Linie III-III in Fig. 2, 45

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch den Zylinderdeckel, entsprechend der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen der Fig. 3 ähnlichen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Zylinderdeckels, entsprechend der Linie V-V in Fig. 6, 50

Fig. 6 einen Horizontalschnitt durch den Zylinderdeckel, entsprechend der Linie VI-VI in Fig. 5 und

Fig. 7 einen Schnitt durch eine einstückige Ausführungsform des Zylinderdeckels, wobei die rechte Hälfte der Fig. 7 der Schnittebene der Fig. 1 und die linke Hälfte der Schnitt- 55 ebene der Fig. 3 entspricht.

Der Zylinderdeckel nach Fig. 1 bis 4 besteht aus einem Oberteil 1 mit Gaskanälen 10 und mit einem das Kühlwasser für die Gaskanäle 10 führenden Kühlwasserraum 11 und einem Unterteil 2 mit Deckelboden-Kühlbohrungen 18,19 und Ventil- 60 sitz-Kühlkanälen 32,34. Der Oberteil 1 und der Unterteil 2 sind zusammen mit einem Zylindereinsatz 3, der einen nicht dargestellten Arbeitskolben führt, mittels den Schrauben 4 auf dem ebenfalls nicht dargestellten Zylinderblock befestigt. Parallel zur Achse des Zylindereinsatzes 3 erstrecken sich im Zylinder- 65 deckel 1,2 je zwei Ausnehmungen 6 und 7, von denen die Ausnehmungen 6 je ein Auslassventil 8 und die Ausnehmüngen 7 je ein Einlassventil 9 enthalten. Koaxial zum Zylindereinsatz 3

weist der Oberteil 1 des Zylinderdeckels eine Ausnehmung 13 auf, in der eine Büchse 14 angeordnet ist, die sich in den Unterteil 2 hinein erstreckt und zur Aufnahme eines nicht dargestellten Brennstoffventils dient. Zwischen dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 ist eine die Büchse 14 mit Abstand umgebende Dichthülse 16 angeordnet, die den freien Durchfluss des von den Deckelboden-Kühlbohrungen 18,19 über Kanäle 21 abströmenden Kühlwassers zum Kühlwasserraum 11 zulässt und zugleich einen Austritt von Wasser durch die Trennfläche zwischen den Teilen 1 und 2 hindurch verhindert.

Die Deckelboden-Kühlbohrungen 18,19 sind in einer Ebene nahe der dem Brennraum 12 zugewendeten Bodenfläche 5 des Zylinderdeckels 1,2 verteilt asngeordnet, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Ebene liegt unterhalb derjenigen, in der sich die in Fig. 3 sichtbaren Ventilsitz-Kühlbohrungen 34 befinden. Die Deckelboden-Kühlung ist in vier Kühlbereiche unterteilt, von denen jeder durch zwei sich in der Zylinderachse 17 kreuzenden, radialen Ebenen begrenzt ist, die sich durch je zwei, einander benachbarter Ausnehmungen 6 und/oder 7 erstrecken, und zwar auf deren Achsen. Jedem so gebildeten Kühlbereich ist eine Gruppe von Kühlbohrungen 18 und 19 zugeordnet. Jede solche Gruppe besteht aus einer radialen, innen angeordneten Innenbohrung 18, und drei zu dieser konvergierenden und mit ihr kommunizierenden, über den radial aussen liegenden Teil des betreffenden Kühlbereiches verteilten, mit Verschlussschrauben 20 nach aussen verschlossenen Aussenbohrungen 19. Die Innenbohrungen 18 kommunizieren über die Verbindungskanäle 21 mit dem zwischen der Büchse 14 einerseits und dem Unterteil 2 und der Dichthülse 16 andererseits vorgesehenen Ringraum 22, der wiederum mit dem Kühlwaserraum 11 kommuniziert.

Die Aussenbohrungen 19 kommunizieren mit Übertrittskanälen 25, die in einem das obere Ende des Zylindereinsatzes 3 umgebenden Leitmantel 24 ausgebildet sind, wobei jeweils die beiden benachbarten Aussenbohrungen 19 zweier einander benachbarter Gruppen von dem gleichen Übertrittskanal 25 gespeist werden. Der Leitmantel 24 und der Unterteil 2 bestehen aus einem Stück, wobei der Leitmantel 24 zugleich als Zugkräfte aufnehmende Bandage für den Zylindereinsatz 3 dient. Die Übertrittskanäle 25 sind nach unten mittels Verschlussschrauben 20' verschlossen und kommunizieren über einen Ringkanal 27 und Radialkanäle 28 mit im Zylindereinsatz ausgebildeten, an sich bekannten Kühlkanälen 26.

Zur Kühlung des Deckelbodens wird Kühlwasser von den Kühlkanälen 26 des Zylindereinsatzes 3 über den Ringkanal 27, die Radialkanäle 28 und die Übertrittskanäle 25 zugeführt. Von diesen strömt das Kühlwasser über die Aussenbohrungen 19 zu den Innenbohrungen 18 und kühlt dabei den Deckelboden, wonach es über die Kanäle 21 und den Ringraum 22 zum Kühl-wasserraum 11 gelangt Die Deckelboden-Kühlkanäle 18,19 sind Teile eines selbständigen Kühlkreislaufes, der zugleich die Kühlung des Zylindereinsatzes 3 gewährleistet. Das Kühlwasser besitzt in den Deckelboden-Kühlkanälen eine Kühltemperatur von 120 bis 130 °C und eine Durchflussgeschwindigkeit in den Innenbohrungen, die grösser als 1 m/s ist.

In den Ausnehmungen 6 und 7 ist je ein Ventilsitzring 30 bzw. 31 eingepresst, auf dessen dem Brennraum 12 zugewendeten Ende eine Ventilsitzfläche 40 für den bewegbaren Verschlussteil des entsprechenden Auslass- bzw. Einlassventiles 8, bzw. 9 ausgebildet ist, Die Verschlussteile sind mit ihrem schaft-förmigen Abschnitt jeweils in einer Führungsbüchse 29 geführt. Am Umfang jedes Ventilsitzringes 30 ist zwischen diesem und der Begrenzungsfläche der Ausnehmung 6 der Ringkanal 32 vorgesehen. Ein ähnlicher Ringkanal 33 ist nahe zwischen dem unteren Ende der Büchse 14 zwischen dieser und einer sie umgebenden, zentralen Ausnehmung im Unterteil 2 vorgesehen. Der Ringkanal 33 kommuniziert über den inneren Teil 34' der in radialer Richtung verlaufenden Ventilsitz-Kühlbohrun

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gen 34 mit den Ringkanälen 32 der Ventilsitzringe 30 der beiden einander benachbarten Auslassventile 8.

Zur Kühlung der Ventilsitzflächen 40 der beiden Auslassventile 8 wird Kühlwasser aus einem selbständigen Kühlkreislauf mit eigener Pumpe und separatem Kühler - diese beiden sind in der Zeichnung nicht dargestellt - dem äusseren Teil einer der Kühlbohrungen 34 in Richtung des Pfeiles 42 (Fig. 4) zugeführt. Das Wasser strömt entlang dieser Kühlbohrung 34 in radialer Richtung nach innen in den Ringkanal 32, wo es die Ventilsitzfläche 40 des entsprechenden Auslassventils kühlt, und weiter über den inneren Teil 34' der Kühlbohrung 34 in den die Büchse 14 umgebenden Ringkanal 33, wo es das nicht dargestellte Brennstoffventil kühlt. Vom Ringkanal 33 strömt das Kühlwasser über den inneren Teil 34' der Kühlbohrung 34 des benachbarten Auslassventils 8 in dessen Ringkanal 32, wobei es die entsprechende Ventilsitzfläche 40 kühlt, und dann in radialer Richtung über den äusseren Teil der Kühlbohrung 34 nach aussen, wo es den Zylinderdeckel verlässt (Pfeil 43). Wegen der strengeren Kühlanforderungen dieses Kühlkreislaufes wird hier relativ kaltes Kühlwasser verwendet, das eine Kühltemperatur von 50 bis 60 °C und eine Durchflussgeschwindigkeit in den Ventilsitz-Kühlkanälen 34,32 und 34' von mehr als 1 m/s besitzt. Durch die vollständige Trennung des Ventil-sitz-KühlkreisIaufes vom Deckelboden-Kühlkreislauf wird erreicht, dass die beiden Kühlkreisläufe mit Rücksicht auf die an sie gestellten Anforderungen optimiert werden können, ohne dass sie aufeinander einen bezüglich der Kühlung ungünstigen Einfluss ausüben.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Variante der Ventilsitzkühlung ist in den Ausnehmungen 6 und 7 je ein Ventilsitzring 44 mit einer Ventilsitzfläche 40 eingepresst. Am Aussen-umfang jedes Ventilsitzringes 44 ist zwischen diesem und der Begrenzungsfläche der betreffenden Ausnehmung ein unterer, der Ventilsitzfläche 40 zugewendeter Ringkanal 45 und ein oberer Ringkanal 46 vorgesehen, der mit dem Ringkanal 45 über

Aussparungen 47 kommuniziert. Jeweils eine Zuführbohrung 37 führt vom Umfang des Unterteiles 2 zum unteren Ringkanal 45 und eine Abführbohrung 38 vom oberen Ringkanal 46 nach aussen. Das Kühlwasser strömt über jede Zuführbohrung 37 in s den zugehörigen unteren Ringkanal 45 und kühlt dabei die betreffende Ventilsitzfläche 40. Von hier strömt das Wasser über die Aussparungen 47 in den oberen Ringkanal 46 und weiter über die zugehörige Abführbohrung 38 zum Umfang des Unterteiles 2 zurück. Die Bohrungen 37 und 38 sind an ihren io äusseren Enden mit nicht dargestellten Zu- und Abführleitungen verbunden, an die die Pumpe bzw. der Kühler angeschloss-sen ist und mit denen sie einen vom Deckelboden-Kühlkreislauf unabhängigen Ventilsitz-Kühlkreislauf bilden. Dieser Ventilsitz-Kühlkreislauf ist also für die Kühlung der Ventilsitze i5 sowohl der Auslassventile 8 als auch der Einlassventile 9 ausgelegt. Diese Ausführungsform kann jedoch auch für die Kühlung nur der Auslassventile oder nur der Einlassventile zweckmässig sein.

Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen 20 des Zylinderdeckels ist der Oberteil vorteilhaft aus Grauguss oder Sphäroguss und der Unterteil 2 aus Stahl oder Stahlguss hergestellt. Der Leitmantel 24 kann auch ein vom Unterteil 2 getrennter Teil sein, der aus Grauguss, oder wenn er als Bandage für den Zylindereinsatz 3 dient, aus Stahlguss hergestellt 25 sein kann.

Der Zylinderdeckel nach Fig. 7 ist in seiner konstruktiven Form demjenigen nach den Fig. 1 bis 4 im wesentlichen gleich, jedoch besteht er aus einem Stück, in dem sowohl die Gaskanäle 10 als auch die Deckelboden- und die Ventilsitz-Kühlka-30 näle untergebracht sind. Ein solcher Zylinderdeckel kann aus Grauguss oder aus Sphäroguss bestehen. Der Leitmantel 24 kann auch in diesem Fall einen selbständigen Teil bilden und ebenfalls aus Grauguss bestehen; wenn er als Zugkräfte aufnehmende Bandage für den Zylindereinsatz 3 dienen soll, wird man 35 ihn aus Stahlguss herstellen.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Anordnung zu Kühlung des Zylinderdeckels eines Viertakt-Dieselmotors, mit im Zylinderdeckel in Axialrichtung des Zylinders verlaufenden Ausnehmungen für die Einlass- und die Auslassventile, mit mehreren zur Kühlung der Zylinderdeckel-Bodenfläche dienenden Deckelboden-Kühlbohrungen und mit mehreren, zur Kühlung von Ventilsitzen dienenden Ventilsitz-Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelboden-Kühlbohrungen (18,19) und die Ventilsitz-Kühlkanäle (32,34) voneinander getrennt angeordnet und unabhängig gekühlt sind, dass die Deckelboden-Kühlbohrungen (18,19) Teile eines von einem ersten Kühlmittel durchströmten, selbständigen Deckelboden-Kühlkreislaufes und die Ventilsitz-Kühlkanäle (32,34) Teile eines von einem zweiten Kühlmittel durchströmten, vom Deckelboden-Kühlkreislauf getrennten und unabhängigen Ventilsitz-Kühlkreislaufes sind und dass die Kühltemperatur des zweiten Kühlmittels wesentlich unterhalb der Kühltemperatur des ersten Kühlmittels liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, mit einem jeden zu kühlenden Ventilsitz umgebenden Ringkanal und einer mit diesem Kanal verbundenen, radialen Kühlbohrung, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Kühlbohrungen (34,34') zweier einander benachbarter, die gleiche Funktion ausübender Ventile, vorzugsweise der Auslassventile, über einen das Brennstoffventil umgebenden, zentralen Ringkanal (33) kommunizieren und dass zweite Kühlmittel in einer der Kühlbohrungen (34,34') radial nach innen und in der Kühlbohrung (34,34') des benachbarten Ventiles gleicher Funktion radial nach aussen strömt

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden zu kühlenden Ventilsitz ein diesen umgebender und seiner Sitzfläche zugewendeter unterer Ringkanal (45), ein zu diesem koaxial angeordneter und mit ihm kommunizierender, der Ventilsitzfläche abgewendeter oberer Ringkanal (46), eine vom Umfang des Zylinderdeckels zum unteren Ringkanal (45) führende Zuführbohrung (37) und eine vom oberen Ringkanal (46) zum Umfang des Zylinderdeckels führende Abführbohrung (38) vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlmittel von einem den Kolben führenden Zylindereinsatz (3) herkommendes Kühlwasser ist, dessen Temperatur mehr als 110°C und dessen Strömungsgeschwindigkeit in mindestens einigen der Deckelboden-Kühlbohrungen (19,18) mehr als 1 m/s beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmittel Kühlwasser ist, dessen Temperatur in der Grössenordnung von 60 °C und dessen Strömungsgeschwindigkeit in den Ventilsitz-Kühlbohrungen (34,34' ; 37,38) und in den mit diesen kommunizierenden Ringkanälen (32; 45, 46) mehr als 1 m/s beträgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung jedes Deckelboden-Kühlbereiches, der je durch zwei sich in der Zylinderachse (17) kreuzenden, radialen Ebenen zweier einander benachbarter Ausnehmungen (6,7) begrenzt ist, je eine Gruppe von Deckelboden-Kühlbohrungen vorgesehen ist, wobei jede Gruppe eine sich in radialer Richtung erstreckende Innenbohrung (18) und mehrere, zur Innenbohrung (18) konvergierende und mit dieser kommunizierende, über den in radialer Richtung aussen liegenden Teil des der Gruppe zugeordneten Deckelboden-Kühlbe-reiches verteilte Aussenbohrungen (19) aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenbohrungen (19) mit Übertrittskanälen (25) kommunizieren, die in einem den Zylindereinsatz (3) umgebenden Leitmantel (24) des Zylinderdeckels ausgebildet sind und mit Kühlkanälen (26) im Zylindereinsatz (3) in Verbindung stehen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelboden-Kühlbohrungen (19,18) und die Ventilsitz-Kühlkanäle (34,32,34') in einem aus einem

Stück bestehenden Zylinderdeckel ausgebildet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelboden-Kühlbohrungen (19,18) und die Ventilsitz-Kühlkanäle (34,32,34') in einem Unterteil (2) des Zylinderdeckels ausgebildet sind, der von einem die Gaskanäle (10) aufweisenden Oberteil (1) getrennt ist.