DE19508985C1 - Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine flüssig­ keitsgekühlte mehrzylindrige Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 38 19 655 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylin­ derkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine aus einem Gußstück bekannt, der zwischen dem Zylinderkopfboden und ei­ nem Zylinderkopfdeckel einen Kühlwasserraum aufweist, in dem Stütz streben sich zylinderaxial erstrecken und Ventilkanäle der Gaswechselventile und Kammern zur Aufnahme von Ne­ benbrennräumen angeordnet sind. Über dem Kühlwasserraum ist ein Steuerraum mit Führungsgehäusen zur Aufnahme der Tassen­ stößel für die Betätigung von gasfesten Wechselventilen an­ geordnet. Im Zylinderkopfgehäuse ist mit Abstand von dem Zy­ linderkopfboden eine Zylinderkopfdecke eingegossen, durch die ein Kühlwasserraum von einem darüberliegenden Steuerraum abgetrennt ist. Die Zylinderkopfdecke ist in Zylinderkopf­ querrichtung schräg angeordnet. Ihren größten Abstand vom Zy­ linderkopfboden hat sie dabei im Bereich einer linken Außen­ wand und ihren kleinsten Abstand im Bereich einer rechten Außenwand. In dem Kühlwasserraum sind Kanäle vorgesehen, die sich längs der Zylinderlängsmittelachse erstrecken, so daß eine Strömungsbewegung in einer Strömungsrichtung ermöglicht ist, mit der der gesamte Zylinderkopf durchströmt werden kann.

Durch die im Verhältnis groß ausgebildeten und über den Brennraumabschnitten liegenden Kühlwasserräumen kann aufgrund der Trägheit des Wassers eine nur geringe Strömungsbewegung erzeugt werden, wodurch nur ein geringer Kühleffekt erreicht werden kann. Ferner kann sich durch die Ausbildung eines obe­ ren Kanals, der sich längs der Zylinderlängsmittelachse er­ streckt und eine plane Oberfläche aufweist, ein Luftpolster bilden, das sich nur schwer aus dem Zylinderkopf abtranspor­ tieren läßt und zu einer zumindest lokalen Überhitzung führen kann.

Aus der DE-OS 30 00 127 kann zu dessen Abhilfe eine Öffnung in einer Zwischendecke zwischen dem oberen und unteren Kühlwasserraum dienen, so daß die sich in dem unteren Kühlwasserraum angesammelte Luft nach oben abströmen kann.

Nachteilig bei dieser Ausgestaltung ist, daß sich in dem oberen Kühlwasserraum ein Luftpolster bilden kann, das aus dem Zylinderkopf wiederum nur sehr schwer bzw. überhaupt nicht abtransportierbar ist. Dadurch ist das Problem der lokalen Überhitzung aufgrund der Luftpolster nur von dem unteren auf den oberen Kühlwasserraum verlagert worden. Eine Entlüftung zur Vermeidung der Bildung von Toträumen ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlwasserraum mit einer Entlüftungsvorrichtung zu schaffen, bei der eine störungsfreie Strömungsbewegung des Kühlwassers ermöglicht werden kann und gleichzeitig eine Entlüftung von im Kühlwasser angesammelter Luft bzw. Luftblasen ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird eine Zylinderkopfkonstruktion vorgeschlagen, bei der in einfacher Art und Weise eine Entlüftung der sich im Kühlwasser ansammelnden Luft bzw. Luftblasen zwischen dem oberen und unteren Kühlwasserraum erfolgen kann. Dabei kann in Abhängigkeit der Einbaulage sowohl eine Entlüftung durch einen im oberen Kühlwasserraum angeordneten Entlüftungskanal als auch über einen im unteren Kühlwasserraum vorgesehenen Entlüftungskanal erfolgen. Durch die im oberen und/oder unteren Kühlwasserraum angeordneten Entlüftungskanäle, die sich im wesentlichen durchgehend und im wesentlichen parallel zur Zylinderkopflängsmittelebene erstrecken, kann angesammelte Luft nach außen abgeführt werden. Dadurch wird vermieden, daß sich in dem oberen oder unteren Kühlwasserraum Luft bzw. Luftblasen ansammeln können, so daß keine Totwassergebiete entstehen können, die zu einer lokalen Überhitzung aufgrund von Dampfbildung und somit zu Beschädigungen des Zylinderkopfes führen könnten. Gleichzeitig ermöglicht diese vorteilhafte Ausgestaltung, daß sowohl in dem oberen als auch unteren Kühlwasserraum eine gleichsinnige als auch eine gegensinnige Strömungsbewegung erzielt werden kann, wodurch insbesondere bei einer gegensinnigen Strömungsbewegung der Kühleffekt wesentlich erhöht wird.

Durch die in dem oberen oder unteren Kühlwasserraum angeordneten Entlüftungskanäle, die vorzugsweise in Entlüftungsrichtung leicht steigend ausgebildet sind und sich im wesentlichen entlang des Zylinderkopfes erstrecken, kann die Luft kontinuierlich abgeführt werden. Gleichzeitig können sämtliche Bereiche innerhalb des Zylinderkopfes im Kühlwasserraum miteinander verbunden werden. Durch die Ausbildung kann desweiteren der Vorteil erreicht werden, daß eine Verbesserung der Strömungsbewegung in Querrichtung erreicht wird. Dadurch können sämtliche Bereiche innerhalb des Zylinderkopfes im Kühlwasserraum miteinander verbunden werden, so daß sowohl eine Längsstromkühlung als auch eine Querstromkühlung möglich ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird eine einfache Ausbil­ dung von wenigstens einer Drosselöffnung ermöglicht, indem bei der Ausbildung der Wasserkerne nahe der Wasserkernlager die Zwischendecke zu der Öffnungsebene der Wasserkernlagerung geringfügig zurückgesetzt sein kann, so daß dadurch ein ge­ ringer Spalt bzw. eine Drosselöffnung gebildet sein kann.

Ferner können ebenso zwischen einer Außenwand des Zylinder­ kopfes und der daran angrenzenden Zwischendecke Drosselöff­ nungen vorgesehen sein. Es können ebenso nahe einer vertika­ len Zylinderkopfmittelachse Drosselöffnungen in der Zwischen­ decke vorgesehen sein, die eine Entlüftung von zumindest dem unteren Kühlwasserraum in den oberen Kühlwasserraum ermögli­ chen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird erreicht, daß eine Einbaulage vorgesehen ist, bei der die Luft und/oder Luftbla­ sen aus dem unteren Kühlwasserraum in den oberen Kühlwasser­ raum strömen. Der flache Einbauwinkel kann beispielsweise zwischen 10° und 30° liegen, wobei der Einbauwinkel im we­ sentlichen von der Winkelanordnung der Zwischendecke zu einer vertikalen Mittelachse des Zylinderkopfes abhängig ist. So kann beispielsweise bei einer rechtwinkligen Anordnung der Zwischendecke zu der vertikalen Mittelachse des Zylinderkop­ fes eine Einbaulage von weniger als 15° genügen, während bei einer Anordnung der Zwischendecke in einem Winkel kleiner als 90° zu der vertikalen Achse des Zylinderkopfes, d. h., daß die Zwischendecke gegenüber dem Zylinderkopfboden stärker geneigt ist, kann eine Einbaulage von beispielsweise 30° genügen, da­ mit die Luft und/oder Luftblasen aus dem unteren Kühlwasser­ raum in den oberen Kühlwasserraum strömen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 ist ein steiler Einbauwin­ kel vorgesehen, so daß die angesammelte Luft aus dem oberen Kühlwasserraum in den unteren Kühlwasserraum strömen kann. Dabei kann eine Einbaulage vorgesehen sein, die vorzugsweise größer als 60° gegenüber einer Horizontalen ist. Diese Nei­ gung der Einbaulage kann wiederum von der Ausbildung der Zwischendecke bzw. der Lage der Öffnung der Wasserkernlage­ rung zu der Zwischendecke abhängig bzw. daran anpaßbar sein.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird ermöglicht, daß die Einbaulage des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine in Ab­ hängigkeit der Winkelanordnung der Wasserkernlagerung zu der Zwischendecke veränderbar sein kann. Dadurch kann die Strö­ mung der Luft bei einer vorgegebenen Einbaulage beeinflußt werden, so daß selbst bei einer sehr steilen Einbaulage die Luft mit Sicherheit von einem oberen Kühlwasserraum in einen unteren Kühlwasserraum strömen kann.

Durch die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 kann erreicht wer­ den, daß eine definierte Größe einer Drosselöffnung geschaf­ fen werden kann. Der in der Wasserkernlagerung angeordnete Verschlußstopfen kann mit seinem Boden zu der unmittelbar gegenüberliegenden Zwischendecke die Drosselöffnung bilden. In Abhängigkeit der Ausbildung des Bodens des Verschlußstop­ fens kann ein größerer oder kleinerer Drosselspalt ausgebil­ det sein. Dadurch kann eine einfache Abstimmung und Anpassung der Größe der Drosselöffnung an unterschiedliche Entlüf­ tungsanforderungen gegeben sein.

Durch die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 kann erreicht wer­ den, daß im wesentlichen oberhalb des Brennraumabschnittes des Zylinderkopfes gleich große Kühlwasserräume geschaffen sein können, so daß eine gute Kühlung trotz der starken Er­ wärmung in diesen Bereichen erreicht werden kann. Gleichzei­ tig kann durch die dachförmige Ausbildung der Zwischendecke erreicht werden, daß der Zylinderkopf eine größere Steifig­ keit aufweisen kann, da sich die Zwischendecke von einer lin­ ken bis zur rechten Außenwand erstreckt.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ei­ nes Zylinderkopfes nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht von unten auf einen zu einem Zylinder gehörenden Teil eines Zylinderkopfes,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Zylinderkopfes in einer Einbaulage gemäß der Linie II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung des Zylinderkopfes gemäß der Linie III-III aus der Fig. 2 in einer alternativen Einbaulage,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung des Zylinderkopfes entlang der Linie IV-IV aus Fig. 1 und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie V-V aus Fig. 4.

Ein Zylinderkopf 11 für eine mehrzylindrige Brennkraft­ maschine besteht aus einem einteiligen Gußstück mit einem Zylinderkopfboden 12 und den von diesem nach oben bis zu einer Deckeltrennebene 13 abführenden längsseitigen Außenwänden 14, 15 und den stirnseitigen Außenwänden 16.

Im Zylinderkopf 11 ist mit Abstand zwischen dem Zylinderkopf­ boden 12 eine Zylinderkopfdecke 17 eingegossen, durch die ein Kühlwasserraum 18 von einem darüberliegenden Steuerraum 19 abgetrennt ist.

Der Zylinderkopfboden 12 besitzt für jeden Zylinder einen als Vertiefung ausgestalteten Brennraumabschnitt 21, welcher zwei Mündungsöffnungen 22, 23 mit einem Einlaß- und Auslaßventil pro Zylinder aufweist und eine weitere in den Brennraum führende Öffnung 24 einer Kammer 25 zur Aufnahme einer Zünd­ kerze oder einer Einspritzdüse oder dgl . . Von den Mündungs­ öffnungen 12, 13 gehen Ventilkanäle 26, 27 ab, welche den Kühlwasserraum 18 bis zu den seitlichen Außenwänden 14, 15 durchsetzen. Der dabei von der Mündungsöffnung 22 zur Außenwand 15 abführende Ventilkanal 27 bildet den Einlaß­ kanal, und der von der Mündungsöffnung 23 zur Außenwand 14 abführende Kanal 26 bildet den Auslaßkanal. Die Kammer 25 durchsetzt den Kühlwasserraum 18 in einem spitzen Winkel zur Zylinderkopflängsmittelebene 28 bis hin zur Zylinderkopf­ decke 17 und endet im Eckbereich zwischen der Außenwand 14 und der Deckeltrennebene 13.

Der Kühlwasserraum 18 ist durch eine Zwischendecke 29 in ei­ nen oberen und unteren Kühlwasserraum 18′, 18′′ unterteilt. Die Zylinderdecke 29 erstreckt sich von den stirnseitigen Au­ ßenwänden 16 über die gesamte Breite des Zylinderkopfes 11. Die Zwischendecke 29 verläuft im wesentlichen parallel zu ei­ ner den Brennraumabschnitt 21 abgrenzenden Brennraumboden­ platte 31. Diese ist dachförmig ausgebildet, wobei die Zwi­ schendecke 29 in dem den Brennraumabschnitt 21 überstreichen­ den Bereich ebenfalls dachförmig ausgebildet ist. Dadurch kann ein gleichbleibender Querschnitt des unteren Kühlwasser­ raumes 18′′ erzielt werden, so daß eine optimale Kühlung ge­ geben ist. Durch die Ausbildung des Kühlwasserraumes 18 in einen oberen und unteren Kühlwasserraum 18′, 18′′ kann eine gleichsinnige, vorzugsweise eine gegensinnige Strömung des Kühlwassers erzielt werden, wodurch ein höherer Kühleffekt erreicht werden kann.

Zur Entlüftung der sich in dem oberen und unteren Kühlwasser­ raum 18′, 18′′ angesammelten Luft bzw. Luftblasen ist an ei­ nem zu einer Wasserkernlagerung 32 weisenden Ende der Zwi­ schendecke 29 eine Drosselöffnung 33 ausgebildet. Über diese Drosselöffnung 33 ist der obere Kühlwasserraum 18′ zu dem Kühlwasserraum 18′′ verbunden, so daß eine permanente Entlüf­ tung über diese Drosselöffnung 33 erfolgen kann. In der Was­ serkernlagerung 32 ist ein Verschlußstopfen 34 eingesetzt, mit dem die Wasserkernlagerung 32 geschlossen ist. Ein Boden 36 des Verschlußstopfens 34 ist zu dem freien Ende der Zwi­ schendecke 29 beabstandet angeordnet, so daß dadurch eine körperfeste Drosselöffnung 33 ausgebildet ist. In Abhängig­ keit der Form des Bodens 36 des Verschlußstopfens 34 kann die Drosselöffnung 33 in ihrer Größe variabel ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise wird ein als Normteil ausgebildeter Ver­ schlußstopfen 34 eingesetzt, so daß der Gießkern bzw. Wasser­ kern zur Bildung des Zylinderkopfes 11 derart ausgebildet ist, daß das freie Ende der Zwischendecke 29 zu dem Boden 36 des Verschlußstopfens 34 zumindest spaltförmig beabstandet ist und im wesentlichen nur die Luft und/oder Luftblasen ab­ geführt werden können.

In Fig. 2 ist der Zylinderkopf 11 in einer Einbaulage mit ei­ nem Einbauwinkel von 15° gegenüber einer Horizontalen 37 an­ geordnet. In dieser Einbaulage kann die sich in dem unteren Kühlwasserraum 18′′ angesammelte Luft über die Drosselöffnung 33 in den oberen Kühlwasserraum 18′ übertreten und in einen Entlüftungskanal 38 eintreten. Der Entlüftungskanal 38 bildet den höchsten Punkt innerhalb des oberen Kühlwasserraumes 18′, so daß sich die Luft bzw. Luftblasen selbständig darin sammeln kann. Der Entlüftungskanal 38 erstreckt sich vorteilhafterweise über die gesamte Länge des Zylinderkopfes 11 im wesentlichen parallel zu der Zylinderkopflängsmitte­ lachse 28. Somit kann die angesammelte Luft an einem Wasser­ ablauf, der an einer stirnseitigen Außenwand 16 angeordnet sein kann, aus dem Zylinderkopf 11 austreten.

Durch die klein ausgebildete Drosselöffnung 33, die vorteil­ hafterweise an jedem Verschlußstopfen 34 vorgesehen ist, kann das Kühlwasser in dem oberen Kühlwasserraum 18′ und in dem unteren Kühlwasserraum 18′′ störungsfrei strömen, wobei gleichzeitig die Luft über die Drosselöffnung 33 in den obe­ ren Kühlwasserraum 18′ aufsteigen kann. Somit ist ein hoher Kühleffekt gegeben.

In Fig. 3 ist eine alternative Einbaulage vorgesehen, bei der die Brennkraftmaschine einen Einbauwinkel von 60° gegenüber der Horizontalen 37 aufweist. Bei dieser Anordnung kann, im Gegensatz zu der in Fig. 2 dargestellten Einbaulage, die Luft aus dem oberen Kühlwasserraum 18′ über die Drosselöffnung 33 in den unteren Kühlwasserraum 18′′ strömen und über einen Entlüftungskanal 39 aus dem Zylinderkopf 11 herausgeführt werden. Das Übertreten der sich in dem oberen Kühlwasserraum 18′ angesammelten Luft kann durch eine noch steilere Einbaulage, die bis zu 90° gegenüber der Horizontalen 37 betragen kann, begünstigt werden.

Der Entlüftungskanal 39 ist vorteilhafterweise durchgehend entlang einer Außenwand 15 des Zylinderkopfes 11 ausgestal­ tet, so daß eine gute Längsstromkühlung gegeben ist. Dazu sind Stützstege 41, die an den Zylinderkopf 11 zylinder­ axial durchdringenden Stützsäulen 42 angeordnet sind und zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben dienen, zu der Außenwand 15 und dem Boden 36 des Verschlußstopfens 34 beabstandet (Fig. 5). Der zwischen dem Stützsteg 42 und der gegenüber­ liegenden Außenwand 15 gebildete Entlüftungskanal 39 ist grö­ ßer als der Drosselspalt ausgebildet, so daß auch eine gute Strömung des Kühlwassers ermöglicht ist. Dadurch kann das aus den Kühlkanälen 43 eines Kurbelgehäuses austretende Kühl­ wasser in den unteren Kühlwasserraum 18′′ alle Bereiche in dem Kühlwasserraum 18′′ gut durchströmen, so daß keine Tot­ wassergebiete in dem Kühlwasserraum 18′′ des Zylinderkopfes 11 auftreten. Durch eine Längsstromkühlung als auch Quer­ stromkühlung kann ein hoher Kühleffekt in dem Zylinderkopf 11 erzielt werden, so daß keine Beschädigungen aufgrund von Überhitzung und ggfs. sich daraus ergebender Materialermüdung auftreten können.

Durch die Anordnung der Zwischendecke 29 in dem Kühlwasser­ raum 18 kann insbesondere in einer besonders steilen Einbau­ lage, die beispielsweise größer als 60° sein kann, eine gün­ stige Strömungsbewegung des Kühlwassers aufrechterhalten wer­ den, da durch den relativ geringen Querschnitt in dem oberen und unteren Kühlwasserraum 18′, 18′′ sich eine gute Strömung einstellen kann, die zu einem hohen Kühleffekt führt.

Claims (9)

1. Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte mehrzylindrige Brennkraftmaschine, mit einem einteiligen Gehäuse, mit einem von Außenwänden, einem Zylinderkopfboden und einer mit Abstand über diesem angeordneten Zylinderkopfdecke begrenzten Kühlraum, der von Gaswechselkanälen, welche dich von Ventilöffnungen im Zylinderkopfboden bis zu den seitlichen Außenwänden erstrecken und einer zu den Gas­ wechselkanälen angeordneten rohrförmigen Kammer für eine Zündkerze, Einspritzdüse oder dgl. durchsetzt ist, ferner mit einem über den Kühlwasserraum von der Zylinderkopf­ decke und den bis zu einer Deckeltrennebene reichenden Außenwänden umschlossenen Steuerraum zur Aufnahme einer Nockenwelle und mit im Kühlwasserraum angeordneten und eine Zylinderkopfschraube aufnehmenden Stützsäulen, mit einer in einem Zylinderkopf (11) eine den Kühlwasserraum (18) in einen oberen und einen unteren Kühlwasserraum (18′, 18′′) trennende Zwischendecke (29), die eine den oberen und den unteren Kühlwasserraum (18′, 18′′) verbindbare Drosselöffnung (33), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer gegenüber einer Horizontalen (37) geneigten Einbaulage des Zylinderkopfes eine Entlüftung über zumindest einen wenigstens teilweise sich im Zylinderkopf (11) erstreckenden und im wesentlichen parallel zur Zylinderkopflängsmittelebene (28) angeordneten Entlüftungskanal (38, 39) vorgesehen ist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselöffnung (33) zwischen einem Verschlußdeckel einer Wasserkernlagerung (32) und einem daran angrenzen­ den Abschnitt der Zwischendecke (29) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine mit einem flachen Einbauwinkel gegenüber einer Horizontalen (37) geneigte Einbaulage des Zylinder­ kopfes (11) vorgesehen ist, bei der die Luft und/oder Luftblasen aus dem unteren Kühlwasserraum (18′′) in den oberen Kühlwasserraum (18′) strömen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine mit einem steilen Einbauwinkel gegenüber einer Horizontalen (37) genieigte Einbaulage des Zylinder­ kopfes (11) vorgesehen ist, bei der die Luft und/oder Luftblasen aus dem oberen Kühlwasserraum (18′) in den un­ teren Kühlwasserraum (18′′) strömen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strömung der Luft in Abhän­ gigkeit der Winkelstellung der Wasserkernlagerung (32) zu der Zwischendecke (29) und dem Einbauwinkel erfolgt, wo­ bei bei einer im wesentlichen rechtwinkligen Anordnung der Wasserkernlagerung (32) zu der Zwischendecke (29) die Luft bei einer Einbaulage unter einem Winkel, vorzugs­ weise kleiner als 70°, in den oberen Kühlwasserraum (18′) strömt.

6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Wasserkernlagerung (32) Verschlußstopfen (34) einsetzbar sind und dadurch die Drosselöffnung (33) in der Größe festlegbar ist.

7. Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselöffnung (33) durch eine Ausgestaltung eines Bodens (36) des Verschlußstopfens (34) veränderbar ist.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwischendecke (29) dachför­ mig ausgebildet ist und im wesentlichen parallel zu einer Brennraumbodenplatte (31) angeordnet ist.

9. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß durch die Zwischendecke (29) in dem Kühlwasserraum (18) eine gegensinnige oder gleichsin­ nige Strömungsbewegung des Kühlwassers gegeben ist.