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Luftgekühlter Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine Die Erfindung
betrifft einen luftgekühlten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere
eine solche in Reihenbauweise, mit über dem Hauptbrennraum angeordneten Einbauten
wie zwei nebeneinander angeordneten Ventilen mit je einem Gaskanal. einer als Vor-
oder Wirbelkammer ausgestalteten Nebenbrennkammer und mit einer Einspritzdüse oder
Fremdzündeinrichtung bzw. Anlaßeinrichtung. Dabei sind vier Zuganker zur Befestigung
des Zylinderkopfes vorgesehen, welche in Bohrungen in wandartigen Teilen des Zylinderkopfes
angeordnet sind, wobei diese und gegebenenfalls Einbauten des Zylinderkopfes sowie
Kühlrippen den annähernd senkrecht zur Zylinderachse anblasenden Kühlluftstrom in
mindestens einen inneren und in äußere Luftströme aufteilen, und sind in Richtung
von der Kühlluftanblaseseite zur Abluftseite hintereinanderliegende, thermisch besonders
gefährdete Stellen vorhanden, wobei sowohl mindestens Teile der mittleren Teilströme
nach Erwärmung an einer vorn liegenden besonders gefährdeten Stelle zu äußeren Teilströmen
abgeleitet sind als auch mindestens Teile der äußeren Teilströme vor der Zuführung
der abgeleiteten mittleren Teilströme in die äußeren Teilströme zu einer der vorn
liegenden besonders gefährdeten Stelle folgenden weiteren besonders gefährdeten
Stelle hingeführt sind, nach Patentanmeldung G 25723 I a / 46 c 4. Dabei erfolgt
die Aufteilung der anströmenden Kühlluft in die Teilströme in einer gedachten Ebene,
in der die beiden auf der Anblaseseite angeordneten Zuganker liegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlluft besonders günstig
derart zu führen, daß die thermisch hochbelasteten und damit gefährdeten Stellen
in bester Weise gekühlt werden und zu diesem Zweck von hinreichend starken Luftströmen
hinreichend kühler Luft bestrichen werden, während die erwärmte Luft lediglich an
Wandteilen vorbeigeführt wird, die ihrerseits nicht besonders stark thermisch belastet
sind.
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Es ist ein Zylinderkopf mit zwei in einer Ebene senkrecht zur Kühlluftanblaserichtung
nebeneinanderliegenden Ventilen bekannt, bei dem die beiden Gaskanäle, die beide
zur Abluftseite hin geführt sind, und die Wandungen der Gaskanäle derart erstreckt
sind, daß diese Wandungen gleichzeitig die Bohrungen aufnehmen, in denen die Zuganker
angeordnet sind. Es ist somit auf jeder Seite des Zylinderkopfes eine durchgehende
Wandung vorgesehen, wobei jede dieser Wandungen einen Gaskanal und zwei Bohrungen
für je einen Zuganker aufnimmt. Der anströmende Luftstrom wird dabei in drei Teilströme
aufgeteilt, von denen die beiden äußeren an den Außenseiten der Wandungen vorbeiströmen
und ein mittlerer zwischen den Wandungen durchströmt, wobei auf der Anblaseseite
zwischen den Wandungen eine Einspritzdüse angeordnet ist. Eine Brennkammer ist dabei
schwerlich zwischen diesen Wandungen unterzubringen, da an der Brennkammer erwärmte
Luft dann von dieser aus in die thermisch besonders. hochbelastete Stegpartie zwischen
den Ventilen strömen würde, so daß hier keine hinreichende Kühlung erzielt werden
kann. Bei diesem Zylinderkopf wird die anströmende Kühlluft völlig symmetrisch auf
beide Seiten verteilt, so daß die thermisch ungleiche Belastung, die dadurch entsteht,
daß durch das eine Ventil möglichst kühle Frischluft einströmen soll, während aus
dem anderen Ventil heiße Abgase ausströmen, völlig unberücksichtigt bleibt. Es ist
weiterhin ein Zylinderkopf bekannt, bei dem ebenfalls in einer senkrecht zur Kühlluftanblaserichtung
liegenden Ebene zwei Ventile hegen und von jedem Ventil ein Gaskanal zur Abluftseite
hin führt, wobei vor der Partie zwischen diesen beiden Ventilen eine Brennkammer
angeordnet ist, die mit parallel zur Zylinderachse liegenden Rippen versehen ist
ebenso wie die Partie zwischen den beiden Ventilen. Dabei liegen die Stoßstangenführungen
für die Ventile unmittelbar neben der Brennkammer und hindern damit einerseits,
daß die Brennkammer hinreichend von Kühlluft umström
wird und werden
andererseits selbst sehr stark erwärmt, so daß die Ventilstoßstangen im Dauerbetrieb
hohe Temperaturen annehmen werden und dadurch das Ventilspiel in ungewöhnlich starkem
Maße von der Betriebstemperatur abhängig sein wird. Dabei ist die Ventilkammerplatte
im vorderen Teil über dem vorderen Teil der Brennkammer nach unten zur Stegpartie
hin geneigt, und man geht von der Hoffnung aus, daß dadurch erzielt wird, daß Luft
von oben hinter der Brennkammer herabströmt in die Stegpartie. Darüber hinaus soll
im Bereich der vorderen Zuganker zwischen den Gaskanälen und den Ventilstoßstangen
Luft von der Seite in die Stegpartie einströmen, wobei schrägstehende Rippen vorgesehen
sind und die thermisch besonders hochbelastete Stegpartie unterhalb einer sogenannten
Ausgleichkammer liegt. Auch bei dieser Ausgestaltungsform ist eine symmetrische
Strömung trotz der unsymmetrischen Wärmebelastung vorgesehen.
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Weiterhin ist ein Zylinderkopf bekannt, bei dem ebenfalls die Ventile
in einer senkrecht zur Kühlluftströmungsrichtung liegenden Ebene nebeneinanderliegen
und der Einlaßkanal etwa parallel zur Zylinderachse geführt ist, während der Auslaßkanal
zur Abluftseite hin etwa zur Mittelebene des Zylinders geführt ist und wobei auf
der Anblaseseite eine Brennkammer vorgesehen ist. Bei diesem Zylinderkopf wird die
Kühlluft im wesentlichen oberhalb von Brennkammer und Auspuffkanal geführt und in
dem relativ engen Raum zwischen Einlaßkanal und Ausla,ßkanal sind schräg zur Zylindermittelebene
liegende, parallel zur Zylinderachse angeordnete Rippen vorgesehen.
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Zwecks Lösung der gestellten Aufgabe sind gemäß der Erfindung die
wandartigen Bauteile des Zylinderkopfes, die den Kühlluftstrom in Teilströme aufteilen
und diese führen, derart angeordnet, daß in dem Bereich zwischen der Zylinderdeckelplatte
und einer zu dieser parallelen, durch die Oberseite der Brennkammeraußenwand gehenden
Ebene der Kühlluftstrom in vier Teilströme aufgeteilt wird, wobei mindestens Teihnengen
der beiden äußeren Teilströme in den Bereich hinter der Brennkammer zwischen die
Gaskanäle geleitet werden und die beiden an der Wand der Brennkammer entlangstreichenden
Teilströme vor der durch die Achsen der beiden Ventile gehenden gedachten Ebene
auf die Außenseiten des Zylinderkopfes geleitet werden. Dabei wird fernerhin in
dem Bereich zwischen der durch die Oberseite der Brennkammer-Außenwand gehenden
Ebene und der Ventilkammerplatte der anströmende Kühlluftstrom in drei Teilströme
aufgeteilt, wobei mindestens Teilmengen des mittleren Teilstromes auf die Außenseite
eines Gaskanals, und zwar vorzugsweise des Auslaßkanals, abgeleitet werden und mindestens
einer der seitlichen Teilströme möglichst weitgehend zwischen die Gaskanäle geleitet
wird. Dadurch wird erzielt, daß zumindest ein wesentlicher Teil der an der Brennkammer
erwärmten Luft abgeführt wird, ohne in die thermisch besonders hochbelastete Stegpartie
zu gelangen, wobei diese erwärmte Luft vorzugsweise am Auslaßkanal entlangströmt,
der selbst durch die Abgase stark erwärmt wird, wobei aber die Temperatur dieses
Auslaßkanals dadurch, daß sehr große Mengen der erwärmten Luft an ihm vorbeiströmen,
immer noch in einem gut tragbaren Bereich gehalten wird, wobei zu beachten ist,
da.ß dieser Kanal selbst nicht mechanisch beansprucht wird. Andererseits gelangen
an die thermisch hochbelasteten Stellen der den Brennraum abschließenden Wand überall
hinreichende Mengen gekühlter Luft.
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Gemäß einem weiteren Schritt der Erfindung sind bei dem Zylinderkopf
die äußeren, der Kühlluftanströmseite und die dem Auslaßkanal zugewandten Teile
der Einlaßkanalwandung von senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Rippen frei
und mit einer Teilmenge der oberen Kühlluftteilströme zwischen die Wände der Gaskanäle
in die Nähe der Zylinderdeckelplatte leitenden Rippen besetzt, so daß durch diese
Maßnahme weiterhin bewirkt wird, daß möglichst große Mengen möglichst kühler Luft
in die Stegpartie geleitet werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, daß zwischen dem Auslaßkanal und der
Ventilkammerplatte eine den neben dem Auslaßkanal an der Außenseite des Zylinderkopfes
strömenden Kühlluftstrom mit dem mittleren Teilstrom verbindende Durchströmöffnung
angeordnet ist, durch die ein Ausgleich der Teilströme erfolgen kann, um zu vermeiden,
daß durch Stauungen hinter der Stegpartie die Durchströmung durch diese behindert
wird und um gleichzeitig zu garantieren, daß das den Ventilschaft des Auslaßventils
aufnehmende Wandteil von allen Seiten gleichmäßig von Kühlluft umspült wird und
nicht unnötig einseitig Wärme aus dem Auslaßkanal in dieses Wandteil abfließt.
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Weiterhin ist vorgesehen, daß die Stoßstangen für beide Ventile auf
derselben Seite des Auslaßkanals symmetrisch zur Hauptsymmetrieebene des Zylinderkopfes
in gleichen Abständen von den Achsen der Ventile und in gleichem Maße gegenüber
durch jeweils eine dieser Achsen gehende, parallel zur Haupt symmetrieebene gedachte
Ebene versetzt angeordnet sind. Um zu erzielen, daß die Kipphebel gleich lang sind,
ging man bei den bisher bekannten Kipphebelanordnungen davon aus, die Ventilstoßstangen
symmetrisch anzuordnen und entsprechend symmetrische Kipphebel vorzusehen. Demgegenüber
erfolgt gemäß der Erfindung bei dem vorliegenden Zylinderkopf eine Anpassung an
dessen unsymmetrische Ausgestaltung, wobei aber trotzdem erzielt wird, daß gleich
lange, und zwar völlig gleiche Kipphebel verwendet werden.
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Um die zur Brennkammerwand hin anströmende Kühlluft möglichst wenig
durch aus der Brennkammerwand in Richtung der anströmenden Kühlluft herausragende
Bauteile zu stören, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß entweder die Einspritzdüse
oder die Glühkerze bzw. der Glühpapierhalter senkrecht zur Zylinderachse parallel
zur Kühlluftanblasrichtung auf der Anblaseseite der Brennkammer angeordnet ist und
daß das jeweils andere dieser Einbauteile in einem spitzen Winkel zu dem erstgenannten
Einbauteil zwischen diesem und dem Zylinder angeordnet ist, und zwar vorzugsweise
in einer durch das erstgenannte Bauteil und durch die Zylinderachse gehenden Ebenen.
Das heißt, daß bei einer Brennkammer, die mit einer Einspritzdüse und mit einer
Glühkerze versehen ist, entweder die Einspritzdüse senkrecht zur Zylinderachse steht
und die Glühkerze zwischen Einspritzdüse und Zylinder angeordnet ist, oder aber
die Glühkerze senkrecht zur Zylinderachse steht und die Einspritzdüse zwischen der
Glühkerze und dem Zylinder angeordnet ist. Während bei allen bisher bekannten Konstruktionen
mindestens eines der beiden Bauteile derart angeordnet
ist, daß
es den Zylinderkopf in Richtung zur Brennkammerwand hin anströmenden Kühlluftstrom
merklich stört, ist bei der Anordnung gemäß der Er-. fmdung die kleinstmögliche
Störung des Kühlluftstromes erzielt, weil das senkrecht zur Zylinderachse angeordnete
Bauteil in der Anströmrichtung liegt und deshalb nur mit seiner Stirnfläche ungefähr
dort, wo sich der Staupunkt bildet, der Strömung entgegensteht, während das andere
Bauteil dort angeordnet ist, wo die Strömung um den Brennkammerhals herum sowieso
durch starke Wandteile behindert ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Ansicht aus der Kühlluftanblaserichtung. ; Fig.
2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie A-B in Fig. 3, und Fig. 3 zeigt einen Schnitt
gemäß der Linie C-D in Fig. 2.
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In der Zylinderdeckelplatte 1 ist der Einlaßventilsitz 2 angeordnet,
von dem aus der Einlaßkanal 5 zunächst annähernd parallel zur Zylinderachse 6 nach
oben geführt ist und dann zur Kühlluftanblaseseite hin zu der Einmündung 25 des
Einlaßkanals hin gekrümmt ist. Die Achse 3 des Einlaßventils und die Achse 4 des
Auslaßventils liegen in einer senkrecht zur Kühlluftanblaserichtung liegenden Ebene,
und der vom Auslaßventil ausgehende Auslaßgaskanal7 ist zur Abluftseite hingeführt
und mündet dort in einen Flansch, in dem Befestigungsschrauben vorgesehen sind,
deren Mittellinien mit 8 und 9 bezeichnet sind. Zur Befestigung des Zylinderkopfes
sind Zuganker vorgesehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind und in den
Bohrungen 14, 15, 16 und 17 angeordnet sind, wobei diesen Bohrungen ihrerseits in
wandartigen Teilen 18, 19, 20 und 21 liegen. Auf der Kühlluftanblaseseite ist eine
Brennkammer 22 vorgesehen, und die Oberseite der Wandung der Brennkammer 22 ist
in der Zeichnung in Fig. 2 mit 26 bezeichnet. In der Brennkammerwand ist eine Bohrung
24 vorgesehen, die senkrecht zur Zylinderachse 6 liegt und zur Aufnahme einer Glühkerze
dient, und ist weiterhin eine Bohrung 23 vorgesehen, die zur Aufnahme einer Einspritzdüse
dient und die ebenso wie die Bohrung 24 in der durch die Achse 6 des Zylinders gehenden
Hauptsymmetrieebene liegt. Die Ventilkammer 11 ist nach unten durch die Ventilkammerplatte
10 abgeschlossen, die gleichzeitig die obere Begrenzung der Kühlluftströme darstellt.
Die Achse 12 der Einlaßventilstoßstange und die Achse 13 der Auslaßventilstoßstange
sind beide auf der gleichen Seite des Auslaßkanals 7 angeordnet und in gleichem
Maße gegenüber jeweils derjenigen Ebene versetzt, die durch die Achse 3 bzw. die
Achse 4 des jeweils zugehörigen Ventils geht und parallel zur Hauptsymmetrieebene
des Zylinderkopfes ist, so daß die in der Zeichnung nicht dargestellten Kipphebel
für das Auslaßventil und für das Einlaßventil gleiche Formen haben. An der der Kühlluftanblaserichtung
zugewandten Seite des Einlaßkanals 5 ist - wie an sich bekannt - eine Schrägrippe
30 vorgesehen, die von außen oben zur Zylindermittelebene in Nähe der Zyhnderdeckelplatte
1 führt und in Fig. 3 die Schnittebene C-D durchstößt. In Höhe der Oberseite 26
der Brennkammerwand ist eine senkrecht zur Zylinderachse 6 liegende rippenartige
Platte vorgesehen, die auf der einen Seite sich bis zu dem wandartigen Bauteil 18
und dicht an die Schrägrippe 30 heran erstreckt. Auf der anderen Seite erstreckt
sich diese Platte über das wandartige Bauteil 19 hinaus bis zu der Wand des
Auslaßkanals bzw. dem wandförmigen Teil 21, wobei zwischen dem wandartigen Teil
19 und der Brennkammer eine Durchbrechung29 vorgesehen ist. Eine weitere
Durchbrechung 31 liegt oberhalb des Auslaßkanals 7 zwischen diesem und der Ventilkammerplatte
10. An der Wand des Einlaßkanals 5 ist eine weit nach außen erstreckte Nase 27 vorgesehen,
die im wesentlichen im Bereich zwischen der Oberseite 26 der Brennkammerwand und
der Ventilkammerplatte 10 liegt, und an der Wand des Auslaßkanals ist eine Nase
28 vorgesehen, die sich im wesentlichen im Bereich zwischen der Zylinderdeckelplatte
1 und der Oberseite 26 der Brennkammerwandung erstreckt.
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Im Bereich zwischen der Zylinderdeckelplatte 1 und der Oberseite 26
der Brennkammer wird die anblasende Kühlluft in vier Teilströme aufgespalten, und
zwar in zwei innere Teilströme 101 und 102, die jeweils zwischen Brennkammer und
dem wandartigen Bauteil 18 bzw. dem wandartigen Bauteil 19 fließen,
und weiterhin in zwei äußere Teilströme 103 und 104, die jeweils außen an den wandartigen
Bauteilen 18 bzw. 19 vorbeiströmen. Im Bereich zwischen der Oberseite 26 der Brennkammerwand
und der Ventilkammerplatte 10 wird die Kühlluft im wesentlichen in drei Teilströme
aufgespalten, von denen der mittlere, 201, im wesentlichen über der Brennkammer
längs strömt, während die beiden äußeren, 203 und 204, außenseitlich von den wandartigen
Bauteilen 18 bzw. 19 vorbeiströmen. Der mittlere Teilstrom 201 wird im wesentlichen
von schrägstehenden Rippen 32 erfaßt und zur Außenseite des Auslaßkanals 7 abgeleitet.
Lediglich ein Teilstrom 201.1 des Teilstromes 201, der dicht an dem wandartigen
Bauteil 18 vorbeiströmt, wird in die Partie zwischen dem Einlaßkanal5 und dem Auslaßkanal
7 abgeleitet. Der Teilstrom 204 strömt an dem relativ kühlen, wandartigen Bauteil
19 und an der Wand des Auslaßkanals 7 vorbei und kühlt diese. Der Teilstrom 203
wird im wesentlichen von der Schrägrippe 30 erfaßt und in die Partie zwischen dem
Einlaßkanal 5 und dem Auslaßkanal 7 in der Nähe der Zylinderdeckelplatte 1 heruntergeführt.
Bei Versuchen für die Entwicklung eines neuen Zylinderkopfes ist es sehr leicht
möglich, die Länge der Nase 27 zu verändern und dadurch den Teil des Kühlluftstromes
203, der an die Mitte der Zylinderdeckelplatte 1 herabgeführt wird, den Bedingungen
anzupassen. Da diese Nase 27 sich teilweise auch noch unter die Oberseite 26 der
Brennkammer herab erstreckt, wird von ihr auch noch ein Teilstrom des Teilstromes
103 erfaßt und ebenfalls in die Stegpartie zwischen den Einlaßkanal5 und dem Auslaßkanal7
abgeleitet, während ein weiterer Teil des Teilstromes 103 an der Außenseite des
Einlaßkanals 5 vorbeiströmt und aus diesem und dem wandartigen Bauteil 20 die durch
Wärmeleitung aus der Zylinderdeckelplatte 1 und durch Wärmeabstrahlung von dem benachbarten
Zylinderkopf in diese Teile fließende Wärme abführt. Der in Nähe der Zylinderdeckelplatte
1 strömende Teil des Teilstromes 103 strömt völlig ungehindert an dem in diesem
Bereich weit zur Zylindermittelebene gerückten Teil der Wand des Einlaßkanals 5
an der Außenseite des Zylinderkopfes vorbei und mischt sich dabei mit einem Teil
des Teilstromes 101, der sich vor der Wand des Einlaßkanals 5 staut und nach
außen verdrängt wird. Der
Teilstrom104 wird fast völlig von der
Nase 28 erfaßt, wobei wiederum bei der Entwicklung durch geringe Veränderungen der
Länge der Nase 28 die zweckmäßigste Kühlwirkung leicht festgestellt werden kann.
Der von der Nase 28 erfaßte Teilstrom des Stromes 304 strömt an dieser Nase
28 vorbei, dicht an der Zylinderdeckelplatte 1 entlang in die Stegpartie zwischen
dem Einlaßkanal5 und dem AuslaßkanaT7. Dieser Teilstrom 104 sowie die Nase 28 hindern
also, daß der Teilstrom 102 in Nähe der Zylinderdeckelplatte 1 zur Außenseite des
Auslaßkanals strömt, so daß dieser Teilstrom 102 gezwungen ist, durch die Öffnung
29 aufzusteigen und indem thermisch weniger belasteten Bereich an der Oberseite
des Auslaßkanals 7, vermischt mit den Teilströmen 201, abzufließen. Dadurch ist
eine wirkungsvolle Kühlung sowohl der Brennkammer 22 als auch der Stegpartie zwischen
dem Einlaßkanal 5 und dem Auslaßkanal 7 erreicht.