DE102004022617A1 - Zylinderkopf einer wassergekühlten Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen wassergekühlten Zylinderkopf (1) für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einer Bodenplatte (2), die zwischen ihren Brennraumabschnitten (4, 5) im Bereich des Wassermantels (3) mit einer geringeren Dicke ausgeführt ist und einen zum Wassermantel (3) hin offenen Entlastungsschlitz (13, 16) bildet, der sich in Zylinderkopf-Querrichtung erstreckt, und der zu einer Absenkung der Wärmespannungen in den zwischen den Gaswechselventilen liegenden Stegbereichen (10, 11) führt. Der Entlastungsschlitz kann auch als ein über die gesamte Dicke der Bodenplatte (2) sich erstreckender durchgehender Entlastungsschlitz (15) ausgebildet sein.

Description

• Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf gemäß den weiteren im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
• Ein Zylinderkopf der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 38 19 655 A1 bekannt. Die Zylinderkopf-Bodenplatte weist in Längsrichtung gesehen die gleiche Dicke auf, weshalb die zwischen den Gaswechselventilen liegenden Stegbereiche des Zylinderkopfbodens relativ starr sind, so das es in diesen Bereichen zu unerwünscht hohen Wärmespannungen kommen kann, welche die Ursache von Rissbildungen in den Stegbereichen sind.
• Ferner ist es aus der DE 38 28 093 C2 bekannt, zur Vermeidung von unzulässig hohen Wärmespannungen zwischen den Zylindern eines Zylinderblockes im Bereich des oberen Kolbentotpunktes einen Kühlschlitz im Wassermantel vorzusehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Zylinderkopf hinsichtlich der Wärmespannungen im Bereich der Ventilstege derart zu verbessern, dass durch eine verbesserte Kühlung bei gleichzeitig größerer Nachgiebigkeit der Bodenplatte in Zylinderkopflängsrichtung unzulässige hohe Temperaturen und Wärmespannungen zu vermeiden.
• Ferner besteht eine weitere Aufgabe darin, die intensivere Kühlung und die verbesserte Nachgiebigkeit auf einfache Weise und nur mit Hilfe des vorhandenen Wassermantelkernes zu erreichen.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Durch die Verringerung der Dicke der Bodenplatte zwischen den Brennraumabschnitten können diese intensiver gekühlt werden. Gleichzeitig wird durch die Verringerung der Dicke eine höhere Nachgiebigkeit der Bodenplatte in Zylinderkopflängsrichtung erreicht. Durch beide Maßnahmen werden die Wärmespannungen auf unkritische Werte begrenzt und damit die Rissbildung in den Stegbereichen verhindert.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich in der einfachen Herstellung der Dickenreduzierung zwischen den Brennraumabschnitten, die durch eine einfachen Ansatz am Wasserraumkern erzielt wird. Dieser Ansatz wird gleichzeitig mit dem Wassermantelkern hergestellt, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich sind.
• Eine besonders optimale Kühlung der Stegbereiche wird durch einen Entlastungsschlitz erzielt, der die gesamte Dicke der Bodenplatte durchsetzt.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• In der nachfolgenden Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
• Dabei zeigen:
• 1 den teilweise dargestellten Wasserraum des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes in einem horizontalen Schnitt knapp oberhalb der Bodenplatte,
• 2 in einem Querschnitt nach der Linie II-II aus 1 eine Ausführung der Dickenreduzierung als einen lediglich zum Wasserraum offenen Entlastungsschlitz,
• 3 in einem Querschnitt nach der Linie III-III aus 1 die Dickenreduzierung in der Ausbildung als einen durchgehenden Entlastungsschlitz.
• In 1 ist teilweise ein Zylinderkopf 1 für eine wassergekühlte mehrzylindrige Brennkraftmaschine dargestellt, der innerhalb seines Zylinderkopfgehäuses zwischen einer Bodenplatte 2 und einer mit Abstand darüber liegenden und nicht dargestellten Zylinderkopf decke einen Wasserraum 3 einschließt. Der Zylinderkopf 1 deckt mit seiner Bodenplatte 2 die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine ab, wobei die Bereiche, welche die Zylinderöffnungen unmittelbar abdecken als Brennraumabschnitte 4 und 5 durch strichpunktierte Linien dargestellt sind. Innerhalb der Brennraumabschnitte 4 und 5 befinden sich die Ventilöffnungen der Gaswechselventile, von denen die Ventilöffnungen der beiden Einlassventile mit 6 und die Ventilöffnungen der beiden Auslassventile mit 7 bezeichnet sind. Von den Ventilöffnungen 6 und 7 führen Gaswechselkanäle ab, welche den Wasserraum 3 in Richtung der seitlichen Gehäusewände 8 und 9 durchsetzen.
• Bei Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte unterliegen insbesondere die zwischen den Ventilöffnungen 6 und 7 verlaufenden Stegbereiche 10 und 11 innerhalb der Bodenplatte 2 hohen Wärmespannungen, die bei unzulässig hohen Spannungswerten zu Rissen in den Stegbereichen führen können. Begünstigt wird dies noch durch die Befestigung des Zylinderkopfes 1 über die Zylinderkopfschrauben am Zylinderblock, die in einer zwischen den Brennraumabschnitten 4 und 5 liegenden Schraubenebene 12 angeordnet sind und von denen aus die Ausdehnung der Brennraumabschnitte 4 und 5 eingeschränkt wird.
• Um die Wärmespannungen in diesen Stegbereichen in zulässigen Grenzen zu halten, wird gemäß der Erfindung die Dicke der Bodenplatte zwischen den benachbarten Brennraumabschnitten 4 und 5 in Querrichtung des Zylinderkopfes reduziert.
• Die Reduzierung der Dicke wird baulich durch einen Entlastungsschlitz 13 ausgeführt, welcher in der Strömungspassage des Wassermantels 3 zwischen den Brennraumabschnitten 4 und 5 sich in Zylinderkopfquerrichtung erstreckt. Durch diesen Entlastungsschlitz 13 wird der zwischen den Brennraumabschnitten 4 und 5 liegende Bereich der Bodenplatte verstärkt gekühlt, wodurch die Wärmespannungen in den seitlich davon sich erstreckenden Stegbereichen 10 und 11 auf zulässige Werte reduziert werden können. Gleichzeitig wird durch die Reduzierung der Dicke der Bodenplatte 2 im Bereich der Entlastungsschlitze 13 eine größere Nachgiebigkeit der Bodenplatte 2 in Längsrichtung erreicht, so dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen insgesamt eine Rissbildung in den Stegbereichen 10 und 11 vermieden werden kann.
• Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Entlastungsschlitz 13 als eine nur zum Wasserraum offene Rille ausgestaltet und über die Öffnungen 14 an den Wasserraum 3 angeschlossen. Infolge der im Wasserraum vorherrschenden Querströmung wird somit der Entlastungsschlitz 13 vom Kühlwasser durchströmt.
• Der Entlastungsschlitz 13 hat dabei eine Tiefe innerhalb der Bodenplatte 2, die so bemessen ist, dass die Restdicke der übrig bleibenden Bodenplatte weniger als 50% beträgt.
• Ferner hat der sich dabei innerhalb der Bodenplatte 2 quer zur Zylinderkopflängsachse 15 erstreckende Entlastungsschlitz 13 eine Länge, die das 0,2 bis 0,7fache des Zylinderdurchmessers beträgt. Zur Vermeidung von Strömungswirbeln sind sämtliche Übergänge des Entlastungsschlitzes 13 verrundet ausgestaltet.
• Im Ausführungsbeispiel der 3 ist ein Entlastungsschlitz 16 vorgesehen, der die Bodenplatte 2 vollständig durchsetzt und somit an der Brennraumseite des Zylinderkopfes 1 offen ist. Hier durch wird neben einer optimalen Kühlung der Stegbereiche 10 und 11 auch eine bestmögliche Nachgiebigkeit für die Stegbereiche 10 und 11 erzielt. Hinsichtlich der baulichen Gestaltung und seiner Ausrichtung ist der Entlastungsschlitz 16 mit dem Entlastungsschlitz 12 weitgehend identisch. Dabei ist der Entlastungsschlitz 15 ebenfalls über die Öffnungen 14 an den Wassermantel des Zylinderkopfes angeschlossen.
• Durch korrespondierende Öffnungen im Zylinderblock ist eine direkt Verbindung zwischen den Kühlräumen im Zylinderblock und im Zylinderkopf 1 möglich. Hierdurch kann vom Zylinderblock Kühlwasser mit relativ niedriger Temperatur durch den Entlastungsschlitz 16 in den Wasserraum 3 des Zylinderkopfes 1 gefördert werden, was die Stegbereiche 10 und 11 temperaturmäßig weiter entlastet.

Claims (7)

1. Wassergekühlter Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit mehreren in Reihe angeordneten Zylindern, wobei der Zylinderkopf (1) innerhalb seines Zylinderkopfgehäuses zwischen einer Bodenplatte (2) und einer mit Abstand darüber angeordneten Zylinderkopf decke einen Wasserraum (3) einschließt, der für jeden Zylinder von Gaswechselkanälen durchsetzt ist, die von Ventilöffnungen (6,7) ausgehen, welche in der Bodenplatte (2) innerhalb von Brennraumabschnitten (4,5) liegen, wobei der Wasserraum (3) zwischen den mit engem Abstand benachbart liegenden Brennraumabschnitten (4,5) und in einer Schraubenebene (12) verlaufend eine bis zum Boden reichende Passage aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) im Bereich der Passage in ihrer Dicke reduziert ist.
2. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Dicke der Bodenplatte (2) durch einen zum Wasserraum (3) hin offenen Entlastungsschlitz (13,16) gebildet ist.
3. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsschlitz (16) die Bodenplatte (2) vollständig durchsetzt.
4. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsschlitz (13,16) beim Gießvorgang durch einen am Wassermantelkern vorgesehenen Ansatz erzeugt wird.
5. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsschlitz (13, 16) innerhalb der Bodenplatte (2) quer zur Zylinderkopflängsachse 15 verläuft und eine Länge aufweist, die mindestens 0,20 und höchstens 0,7 des Zylinderdurchmessers beträgt.
6. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Restdicke der Bodenplatte (2) im Bereich des Entlastungsschlitzes (13) weniger als 50% der Dicke der übrigen Bodenplatte beträgt.
7. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge der Bodenplatte (2) in den Abschnitten mit unterschiedlicher Dicke abgerundet sind.