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Wassergekühlter Zylinderkopf Die Erfindung bezieht sich auf einen
wassergekühlten Zylinderkopf, insbesondere für Dieselmaschinen mit Einzelzylinderköpa
fen, mit je einem hängend angeordneten Ein- und Auslaßventil, wobei Ein- und Auslaßkanal
sich zu derselben Seitenwand des Zylinderkopfes hin wenden, mit einem annähernd
zentral ange= ordneten beim Verbrennungsvorgang mitwirkenden mittleren Bau teil,
mit einer entfernt von der vorerwähnten Seitenwand und zwei in der Nähe der Seitenwand
im Zylinderkopfboden liegenden Kühlwasserzuflußöffnungen, sowie einer in der Nähe
des Auslaß= kanales und der Seitenwand auf der Oberseite des Zylinderkopfes liegenden
Kühlwasseraustr-stsöffnung.
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Das zentrale beim Verbrennungsvorgang mitwirkende Bauteil kann im
Falle von luftverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaw schinen eine Einspritzdüse
oder ein Vorkammereinsatz, im Falle von gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen
mit Fremdzündung eine Zündkerze sein.
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Die Aufgaben der Erfindung bestehen darin, das Kühlwasser derart zu
den kühlbedürftigen Stellen des Zylinderkopfes zu leiten, daß örtliche Uberhitzungen
und Unterkühlungen, sowie Dampfsäcke vermieden werden und die Brennkraftmaschine
somit in die Lage versetzt wird, hohe thermische Beanspruchungen ohne 8chäden, insbesondere
ohne Zylinderkopfrisse zu ertragen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
den Kühlwasserfluß meglichst ohne irgendwelche, nur dienem Zweck dienende im Inneren
des Zylinderkopfes liegends @@@@@@@@ zu @@@@@@@ @@@@@@@@ @@ @@@@@@@ in @@ @@@@@@@@
den
Bauteile, wie Ventilkanäle, Umfangs- oder Seitenwande, sowie Boden und Decke des
Zylinderkopfes geleitet werden.
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Damit soll die Herstellung des Zylinderkopfes, insbesondere die Herstellung
der beim Gießen erforderlichen Kerne erleichtert vereinfacht und verbilligt werden.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen gelöst:
a) Die Seitenwand und eine weiter im Inneren des Zylinderkopf es liegende, angenähert
eine Fortsetzung der Zylinderwand dar stellende Umfangswandung bilden im wesentlichen
zusammen mit den Wänden von Einlaßkanal und Auslaßkanal und dem Zy= linderkopfboden
einen Aufnehmer, in den die an der Seiten= wand liegenden beiden Zuflußöffnungen
münden.
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Dieser Aufnehmer, der eine für die Kernherstellung günstige Geräumigkeitbesitzt,
ermöglicht es, das von dem Zylinderkühl= mantel kommende Kühlwasser ohne besondere
nur diesem Zweck dienende Bauteile in eine parallel zum Zylinderkopfboden vers laufende
Richtung umzulenken. Außerdem ermöglicht er den An= schluß von Entlüftungsöffnungen,
die verhindern, daß Dampf= blasen in der Nähe von thermisch hoch beanspruchten Bauteilen
des Zylinderkopfes hängen bleiben, wodurch die Kühlung dieser Bauteile gefährdet
wäre.
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b) Der Aufnehmer steht über zwei in der Umfangswandung nahe dem Zylinderkopfboden
liegende Leitöffnungen mit einem be= nachbarten Kühlwasserverteilerraum in Verbindung,
der von dem Zylinderkopfboden, den Unterseiten und den ventilsitz= nahen Partien
von Einlaßkanal und Auslaßkanal, der Umfangs wandung und einer Zwischenwand begrenzt
wird, die zwischen Ein- und Auslaßkanal parallel zum Zylinderkopfboden verläuft
Der Kühlwasserverteilerraum, @@@@@@@@@@ ein für dieK@rnher-
Kühlwasser
im Verein mit den Beitöffnungen annähernd gleich= mäßig über den unterhalb des Ein-
und Auslaßkanales liegenden Bereich des Zylinderkopfbodens zu verteilen und damit
diese kühlbedürftige Stelle wirksam und gleichmäßig zu kühlen. Die Zwischenwand
ist das einzige Bauteil des Zylinderkopfes, das ausschließlich der Lenkung des Kühlwasserflusses
dient.
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c) Der Kühlwasserverteilerraum steht über einen Zuführungs= kanal,
der von dem Zylinderkopfboden, von den ventilsitz= nahen Partien von Ein- und Auslaßkanal
und von der Zwischen wand begrenzt wird und der auf die dem Zylinderkopfboden nahe
Partie des mittleren Bauteiles zielt, mit dem Haupt= kühlwasserraum des Zylinderkopfes
in Verbindung.
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Durch diese Maßnahme wird ein kräftiger Kühlwasserstrom erzeugt, der
die den Ventilsitzen zugewandte Seite des mittleren Bautei= les bzw. den angrenzenden
Bereich des Zylinderkopfbodens inten= siv kühlt. Diese Stellen sind einerseits deshalb
besonders kühlbedürftig, weil sie im mittleren heißesten Bereich des Zylinderkopfes
liegen und andererseits, weil dort gegen bbers hitzung empfindliche Bauteile, wie
die Einspritzdüse bei Diesel= motoren liegen.
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d) Der Kühlwasserverteilerraum steht außerdem über eine von der Unterseite
und der ventilsitznahen Partie des Auslaß= kanales, der Umfangswandung und dem Zylinderkopfboden
be= grenzten seitlichen tbertrittsöffnung mit dem Hauptkühl= wasserraum in Verbindung.
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Diese Maßnahme bewirkt, daß der Auslaßkanal nicht nur an seiner Unterseite
durch den im Kühlwasserverteilerraum flie= ßenden Kühlwasserstrom und an dem Steg
zwischen Ein- und Aus= laßventilsitz durch den im Zuführungskanal fließenden Strom,
sondern auch an seiner der Umfangswandung benachbarten Außen= seite intensiv gekühlt
wird. Damit ist die Kühlung auch dieser kühlbedürftigen Stelle sichert.
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e) Die entfernt von der Seitenwand des Zylinderkopfes liegende Zuflußöffnung
steht über eine Leitbohrung mit dem Hauptküh1 wasserraum in Verbindung, wobei die
Leitbohrung auf die dem Zylinderkopfboden nahe Partie des mittleren Bauteiles zielt,
das mindestens annähernd zylindrisch geformt ist.
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Diese Maßnahme bewirkt, daß ein kräftiger Kühlwasserstrom auf die
den Ventilsitzen abgewandte Seite des mittleren Bauteiles, bzw. den angrenzenden
Bereich des Zylinderkopfbodens trifft und diese kühlbedürftigen Stellen intensiv
kühlt. Das mittlere Bauteil wirkt dabei durch seine annähernd zylindrische Form
wie ein Strömungsteiler, so daß sich der aus der Leitbohrung austretende Kühlwasserstrom
in zwei Teilströme verzweigt, welche die dem Zylinderkopfinneren zugewandten Stirnseiten
von Ein- und Auslaßkanal bespülen und dabei auch den Zylinderkopf boden in dem Bereich
kühlen, mit dem er den Hauptkühlwasser= raum begrenzt.
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f) Der Hauptkühlwasserraum wird von einem teil der Umfangs= wandung,
dem Zylinderkopfboden und der Zylinderkopfdecke, sowie von der Zwischenwand und
den Wänden von Einlaßkanal und Auslaßkanal, ausgenommen deren Unterseiten, begrenzt
und erstreckt sich nur im Bereich des Auslaßkanales zu der Kühlwasseraustritts öffnung
hin.
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Diese Maßnahme bewirkt, daß der Hauptkühlwasserraum sehr ge= räumig
ist, wodurch sich ein stabiler Kern beim Gießen des Zylinderkopfes ergibt. Die Geräumigkeit
des Hauptkühlwasserraumes bewirkt ferner, daß an den weniger kühlbedürftigen Stellen
d.h. dort, wo die aus dem Zuführungskanal, der Leit= bohrung und der Ubertrittsöffnung
austretenden kräftigen Kühlwasserströme bereits an Geschwindigkeit verloren haben,
nur eine dem kleineren Kühlbedarf entsprechende geringe Wasserbewegung herrscht.
Dagegen verengt sich der Hauptkühlwasserraum zwischen der Oberseite des Auslaßkanales
und der Zylinderkpfw decke in seinem zu der Eühlwasseraustrittsöffnung hin sich
erstreckenden
Verlauf, so daß in diesem Bereich wieder eine lebhafte Strömung auftritt, die eine
intensive Kühlung der Oberseite des kühlbedürftigen Auslaßkanales bewirkt. Schließ=
lich bewirkt der als Folge der Maßnahmen gemäß Merkmal f) zur Kühlwasseraustrittsöffnung
hin ansteigende Verlauf des Haupt= kühlwasserraumes, daß etwaige Dampfblasen ohne
hängen zu blei= ben von den verschiedenen Kühlwasserströmen zum Austritt hin befördert
werden.
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Vorteilhaft wird ein Strömungskurzschluß zwischen der seit= lichen
Übertrittsöffnung und der Kühlwasseraustrittsöffnung dadurch vermieden, daß die
unter dem Auslaßkanal liegende Leitöffnung auf den Zuführungskanal zielt und daß
die auslaßkanal= seitige Zuflußöffnung einen großeren Querschnitt aufweist als die
einlaßseitige Zuflußöffnung. Dadurch entsteht in dem Kühl= wasserverteilerraum eine
beherrschende zur Zylinderkopfmitte hin gerichtete Strömung, welche die Hauptmenge
des Kühlwassers zwingt durch den Zuführunerkanal zu strömen. Es ist hervorzu= heben,
daß dieser Effekt ohne Maßnahmen erreicht wird, welche die Kernherstellung und Fixierung
behindern und/oder eine me chanische Bearbeitung erfordern.
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Die Bildung von Dampfsäcken im Aufnehmer wird vorteilhaft dadurch
verhindert, daß der Aufnehmer an seinen am höchsten liegenden Stellen über Entlüftungsöffnungen
mit der Kühlwasser= austrittsöffnung in Verbindung steht. Dabei wird ein Strömungs=
kurzschluß dadurch vermieden, daß der Querschnitt der Entlüftungs öffnungen kleiner
als der Querschnitt der Leitöffnungen ist.
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Vorteilhaft ist bei Zylinderköpfen der vorgenannten Art, die in Brennkraftmaschinen
mit V-Anordnung. der Zylinder und an den Iangsseiten liegenden Einlaß- und Auslaßsammelleitungen
verwen det werden, der Hauptkühlwasserraum mit einem Entlüftungsan= schluß oberhalb
der Leitbohrung versehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt den Zylinderkopf im Aufriß in Form eines Schnittes längs
der Linie I-I in Fig. 2.
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Fig. 2 zeigt den unteren Teil des Zylinderbpfes im Grundriß in Form
eines Schnittes längs der Linie II-II in Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt den oberen Teil des Zylinderkopfes im Grundriß in Form
eines Schnittes längs der Linie III-III in Fig. 1.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Aufnehmer längs der Linie IV-IV
in Fig. 2.
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Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Einlaßkanal längs der Linie V-V
in Fig. 2 Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch den Auslaßkanal längs der Linie VI-VI
in Fig. 2.
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Der Zylinderkopf besteht im wesentlichen aus dem Boden 1, der Decke
2, der angenähert eine Fortsetzung der Zylinderwand dar= stellenden Umfangswand
3, dem Einlaßkanal 4 und dem Auslaßka= nal 5. Der Einlaßkanal 4 und der Auslaßkanal
5 wenden sich zu derselben Seitenwand 6 hin. Der Einlaßkanal 4 verläuft von dem
Ventilsitz 7 zur Decke 2 und endet dort in einer Anschlußöff= nung 8. Der Auslaßkanal
5 verläuft von dem Ventilsitz 9 zur Seitenwand 6 und endet dort in einer Anschlußöffnung
10. In der Nähe der Zylinderachse 11 liegt das nicht dargestellte beim Verbrennungsvorgang
mitwirkende mittlere Bauteil, das von einem hohlen säulenartigen Bauteil 12 des
Zylinderkopfes auf= genommen wird. Das beim Verbrennungsvorgang mitwirkende Bau=
teil kann eine Einspritzdüse, ein Vorkammereinsatz oder eine
Zündkerze
sein. In der Nähe der Seitenwand 6 liegen zwei Kühlwasserzuflußöffnungen 13 und
14, von denen die auslaßseitige Öffnung 14 etwa den dreifachen Querschnitt der einlaßseitigen
Öffnung 13 hat. Entfernt von der Seitenwand 6, d.h. an der anderen Seite 15 des
Zylinderkopfes liegt die Zuflußöffnung 16, die mit der Leitbohrung 17 in Verbindung
steht, die ihrerseits auf den dem Boden 1 nahen Teil des mittleren Bauteiles 12
zielt.
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Die Bohrung 17 kann, wie dargestellt, parallel zum Boden 1 oder auch
schräg dazu verlaufen. In der Decke 2 liegt die Kühlwasser austrittsöffnung 18 in
der Nähe der Seitenwand 6 und der Anschlußöffnung 10 des Auslaßkanales 5. Die Seitenwand
6 und die dieser benachbarte Partie der Umfangswandung 3 begrenzen zusammen mit
Teilen der Wände von Einlaßkanal 4 und Auslaßkanal 5, sowie von Boden 1 und Decke
2 den Aufnehmer 19, in den die Zus flußöffnungen 13 und 14 münden. Der Aufnehmer
19 steht über zwei Leitöffnungen 20 und 21 mit einem benachbarten Kühlwasser verteilerraum
22 in Verbindung, der von dem Boden 1, den Unter= seiten 23 und 24 der Kanäle 4
und 5, von den die Ventilsitze 7 und 9 umgebenden Wandpartien, der Umfangswandung
3 und einer Zwischenwand 25 begrenzt wird. Die Zwischenwand 25 erstreckt sich zwischen
Einlaßkanal 4 und Auslaßkanal 5 parallel zum Boden 1. Auf den dem Boden 1 nahen
Teil des Bauteiles 12 zielt ein Zuführungskanal 26, der von dem Boden 1, den die
Ventilsitze 7 und 9 umgebenden Wänden und der Zwischenwand 25 be= grenzt wird. Der
Zuführungskanal 26 verbindet den Verteilerraum 22 mit dem Hauptkühlwasserraum 27
des Zylinderkopfes, der von einem Teil der Umfangswandung 3, dem Boden 1, der Decke
2, sowie von den Wänden von Einlaßkanal 4 und Auslaßkanal 5, ausgenommen die Unterseiten
23 und 24 derselben, begrenzt wird.
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Der Hauptkühlwasserraum 27 erstreckt sich nur im Bereich des Auslaßkanales
5 zu der Kühlwasseraustrittsöffnung 18 hin. Der Kühlwasserverteilungsraum 22 steht
über den Zuführungskanal 26 und über eine seitliche Ubertrittsöffnung 28 mit dem
BauptS kühlwasserraum 27 in Verbindung. Die tertrittsöffnung 28 wird von der Unterseite
24, den Wandpartien des Ventilsitzes 9, der Umfangswandung 3 und dem Boden 1 begrenzt.
Die unter dem Aus=
laßkanal 5 liegende Leitöffnung 21 zielt auf
den Zuführungs= kanal 26. Der Aufnehmer 19 ist an seinen am höchsten liegenden Stellen
über die Entlüftungsöffnungen 29 und 30 mit der Aus= trittsöffnung 18 verbunden.
Der Querschnitt der Öffnungen 29 und 30 ist kleiner als der Querschnitt der Leitöffnungen
20 und 21. Für die Verwendung des Zylinderkopfes bei V-Maschinen ist die an der
Seite 15 liegende obere Ecke des Hauptkühl= wasserraumes 27 über den Anschluß 31
gesondert entlüftet.
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Das aus der Öffnung 14 zufließende Kühlwasser nimmt hauptsäch= lich
folgenden Weg: Zunächst durch deR Aufnehmer 19, dann durch die Öffnung 21, den Raum
22 und den Kanal 26 zu dem Bau= teil 12 hin. Dabei werden die Unterseiten 23 und
24 und die diesen gegenüberliegenden Teile des Bodens 1, die Ventilsitze 7 und 9
und ganz besonders intensiv der Steg zwischen den Ven= tilsitzen 7 und 9 gekühlt.
Bedingt durch die Richtung der Öffnung 21 strömt ein kleinerer Anteil des Kühlwassers
über die Öffnung 28 und die der Umfangswandung 3 benachbarte Seite' des Auslaßkanales
5, sowie über dessen Oberseite zur Austritts= öffnung 18. Ein noch kleinerer Teil
strömt direkt über die Entlüftungsöffnung 29 und nimmt dabei etwaige Dampfblasen
zum Austritt 18 mit. Das aus der Öffnung 13 zuflieSende Kühlwasser gelangt zum weitaus
überwiegenden Teil über die Räume 19 und 22 und den Kanal 26 und kühlt im wesentlichen
dieselben Stellen wie der aus der Öffnung 14 kommende Kühlwasserstrom. Ein kleiner
Teil des bei 13 zufließenden Kühlwassers gelangt über die Entlüftungsöffnung 30
direkt zum Austritt 18. Das durch die Bohs rungen 16 und 17 zufließende Kühlwasser
trifft auf das Bauteil 12, umfließt dasselbe und vereinigt sich mit dem aus dem
Kanal 26 kommenden Kühlwasserstrom, der um die innere Kante der Wand 25 umbiegt.
Wie aus Fig. 1 und 3 zu erkennen ist, bespült das Kühlwasser dann die Oberseiten
der Kanäle 4 und 5, bevor es zum Austritt 18 gelangt. Die Aufteilung des aus der
Bohrung 17 kommenden Wasserstromes durch das Bauteil 12 bewirkt, wie aus Fig. 2
zu erkennen ist, eine gleichmäßige Verteilung des Kühl wassers über den Boden 1
in der Nähe des Bauteiles 12.
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Die Bohrung 30 bewirkt außer ihrer sonstigen Funktion noch die Kühlung
der zwischen Einlaßkanal und Auslaßkanal im oberen Teil des Zylinderkopfes liegenden
verdickten Partie der Seitenwand 6. Die in Fig. 5 erkennbare dreieckige Partie des
Hauptkühlwasserraumes 27 dient der Entlüftung und bewirkt eine gewisse Kühlwasserströmung
in dem oberhalb der über dem Ventilsitz 7 liegenden Ventilkammer in der Nähe der
Um£angs= wand 3 befindlichen Teil des Hauptkühlwasserraumes 27.