DE2061930A1

DE2061930A1 - Leichtmetallzylinderkopf für luftgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2061930A1
Application number: DE19702061930
Authority: DE
Inventors: Otto Dr.'-Ing. 5070 Bergisch Gladbach-Paffrath Herschmann
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1972-07-06
Also published as: DE2061930C2

Description

Leichtmetallzylinderkopf für luftgekühlte HuXkolbenbrennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallzylinderkopf für luftgekuhlte Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Ventilen zur Steuerung des Gaswechseis, deren Sitze sich in einer mit einem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes verbundenen, dem Zylinderinneren zugewandten warmfesten Platte befinden, die sich über den Zylinderkopfboden erstreckt.
Es ist bekannt, daß die Leistung bei luftgekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschinen , vor allem bei Dieselmotoren, durch die Warmfestigkeit verschiedener Bauteile, insbesondere des Zylinderkopfes, begrenzt ist. Stark gefährdet sind dabei die Teile des Zylinderkopfes, die den heißen Brenngasen ausgesetzt sind. Dies sind besonders die zwischen den Ventilsitzen befindlichen Teile des Zylinderkopfes, die man als Stege bezeichnet. Bei Wirbelkammermotoren werden die Stege durch die aus dem Schußkanal in den Zylinderraum austretenden heißen Gase besonders stark erwärmt. Aber auch bei Dieselmotoren, die mit direkter Einspritzung arbeiten und bei denen sich im Kolben ein Brennraum befindet, wird die gesamte Wärme des eingespritzten Brennstoffes in dem Brennraum frei, der unmittelbar unter dem Steg liegt. Aufgabe der Erfindung ist, durch geeignete Mittel eine Überhitzung des Steges zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurden bereits viele Vorschläge gemacht. Es wurde u.a. vorgeschlagen, den Steg von außen her mit Kühlrippen zu versehen. Nach anderen Vorschlägen wurden im Steg Dehnungsfugen angeordnet, die mit einem plastischen Werkstoff ausgefüllt waren. Auch hat man Schwermetallbleche in den Steg eingesetzt, die die Rißbildung in dem Steg verhindern sollten. Zur Beherrschung der hohen Temperaturen des Steges hat man auch den gesamten Zylinderkopfboden mit einer Platte aus warmfestem Werkstoff ausgekleidet, jedoch wurde mit diesem Vorschlag das angestrebte Ziel ebenfalls noch nicht zufriedenstellend erreicht, weil bei starker Erwärmung die Bindung der Platte mit dem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes im Bereich des Steges zerstört werden konnte. Die Aufgabe, den Steg vor zu hohen thermischen Belastungen zu schUtzen und damit die Leistungsgrenze der Maschine zu erhöhen, ist durch die beschriebenen Maßnahmen noch nicht in vollkommener Weise gelöst.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallzyllnderkopf mit einer dem Zylinderinneren zugewandten warmfesten Platte. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß sich in den Teilen der warmfesten Platte, die sich zwischen den Ventilsitzen befinden (Stege), wie bei wassergekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschinen an sich bekannt, Kanäle zum Durchfluß eines flüssigen Kühlmittels befinden, wobei sich die Kanäle jedoch im Gegensatz zu dem Bekannten nebeneinanderliegend etwa über die ganze Breite der Stege erstrecken und mit ihrer dem Zylinderinneren zugewandten Begrenzung so nah an die Zylinderkopfbodenfläche herangeführt sind, wie es aus GrUnden der mechanischen Festigkeit und der Warmfestigkeit möglich ist; die Kühlkanäle sind durch Leitungen mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden.
Durch die Erfindung ist in vorteilhafter Weise erreicht, daß die vom Brennraum an den Steg abgegebene Wärme über dessen ganze Breite unmittelbar von der Ktlhlflüssigkeit abgeleitet wird. Hierdurch wird die Hauptmasse des Steges vor unzulässig hohen Temperaturen geschützt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung haben die KUhlkanäle einen kleinen Querschnitt, und sie sind über die Stegbreite so nebeneinanderliegend angeordnet, daß zwischen ihnen nur verhältnismäßig dünne Wände verbleiben. Dies hat den Vorteil, daß für die Wärmeableitung nach der Hauptmasse des Steges hin keine unerwünscht großen metallischen Querschnitte zur Verfügung stehen. Dabei wird in den kleinen Qucrschnitten der Kühlkanäle eine hohe Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels eingehalten. Auf diese Weise wird zwischen dem Brennraum und der Kühlflüssigkeit in den Kanälen ein hUchstmUgliches Temperaturgefälle erzielt, welches eine wirksame Wärmeableitung ermöglicht. Da gemäß der erfindung die KühliUssigkeit in den Kanälen mit einem Kühimitteikreislauf verbunden ist, erfolgt die Förderung der Kühlflussigkeit durch die Kanäle engsläufig; dadurch ist es mbglich, die Gschwindigkeit der Kühlflilssigkeit in geeigneter Weise zu beeinflussen.
Durch die Lage des Einspritzventils oder der Zündkerze, die eine Öffnung im Zylinderkopfboden erfordern, ist es bei den meisten Zylinderkopfbauarten nicht möglich, die Kanäle zur KUhlung des Steges in gerader Verlängerung weiter zu führen.
Dies bedingt, daß sich bei der Herstellung der Kanäle Schwierigkeiten ergeben. Wenn die Platte jedoch nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung im Bereich der Kühlkanäle etwa parallel zu ihrer Stirnfläche geteilt ist, so kann man in jedem Plattenteil die Hälfte des Querschnitts der Kühlkanäle mit einfachen Werkzeugen, z.B. durch Fräsen, erzeugen. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bei einer weiteren bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung, wenn die Kühlkanäle mit zunehmendem Abstand von der schmalsten Stelle des Steges fächerartig auseinanderlaufen, wobei sich zugleich ihr Querschnitt zunehmend vergrößert. Auf diese Weise ergibt sich ein venturidüsenartiges Kanalprofil, das wegen der Kürze der engsten Stelle nur einen verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand hat.
Für die Zwangsförderung des Kühlmittels durch die Kanäle bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten.
Beispielsweise können die Kühlkanäle an den Schmieröl kreislauf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeschlossen sein, oder sie können von einem getrennten Kühlmittelkreislauf versorgt werden. Hierzu ist zur Förderung des Kühlmittels eine besondere Pumpe, die von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, erforderlich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt.
Abb. 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch die Ventilebene eines Zylinderkopfes einer luftgekühlten Brennkraftmaschine.
Abb. 2 zeigt einen Schnitt durch eine im Zylinderkopfboden eingesetzte Platte gemäß der Schnittlinie II-II in Abb. 3.
Abb. 3 zeigt einen Querschnitt durch die im Zylinderkopfboden eingesetzte Platte gemäß der Schnittlinie III-III in Abb. 2.
Der Zylinderkopf 1 einer luftgekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschine weist zwei Ventile 2 auf, die in VentilfUhrungen 3 geführt sind und Gaswechselkanäle 4 beherrschen. An den Mündungen der Gaswechselkanäle 4 sind Ventilsitzringe 5 in den Zylinderkopf 1 eingesetzt. Der Zylinderkopf 1, der den Zylinder 6 nach oben hin abschließt und ebenso wie der Zylinder 6 Kühlrippen 7 in üblicher Anordnung aufweist, besitzt eine brennraumseitig eingelassene Platte 8 aus einem Werkstoff hoherer Warmfestigkeit. Die Platte 8 enthält zur intensiven und gezielten Kühlung der kritischen Stellen, insbesondere der Stegzone 9 zwischen den Ventilen 2 KühIkanäle 10, die durch Stegpartien 14 gebildet sind und in der dargestellten Weise zwischen den Ventilöffnungen und der §ffr.ung 15 für die Einspritzdüse oder Zündkerze hindurchführen. Um die Herstellung der Kühlkanäle 10 zu erleichtern, ist die Platte 8 im Bereich der Kühlkanäle 10 etwa parallel zu ihrer Stirnfläche 11 geteilt. Die Plattenteile sind durch eine Schweißnaht 12 miteinander verbunden.
Wie aus den Zeichnungen erkennbar ist, erstrecken sich die Kühlkanäle 10 etwa über die ganze Breite der Stegzone 9, und sie sind mit ihrer dem Zy2kiderinneren zugewandten Begrenzung so nahe an die Zylinderkopfbodenfläche herangeführt, wie es aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der WarmSestigkeit möglich ist. Auch haben die Kühlkanäle 10 in der Stegzone 9 einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt; sie sind über die Breite der Stegzone 9 so nebeneinander liegend angeordnet, daß zwischen ihnen nur verhältnismäßig dünne Wände verbleiben.
An den Enden der Kühlkanäle 10 sind Gewinde 13 für den Anschluß von Kühlmittelzuleitungen vorhanden. Als Kühlmittel wird man bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen vorzugsweise das Schmieröl verwenden. Da in der Stegzone 9 Jedoch verhältnismäßig hohe Temperaturen auftreten, kann es auch vorteilhaft sein, einen besonderen tUhldlkreislauf vorzusehen, um ein frühzeitiges Altern des Schmieröls zu vermeiden.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausfühuungsbeispiel beschränkt. Insbesondere kann die brennraumseitig eingelassene Platte 8 eine andere zweckmäßige Ausbildung erfahren, und die Kühlkanäle 10 können unter Berücksichtigung der durch die Ventilöffnungen und die Öffnung für die Einspritzdüse bzw. die Zündkerze gegebenen räumlichen Verhältnisse in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein.

Claims

Ansprüche

Leichtmetallzylinderkopf für luftgekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Ventilen zur Steuerung des Gaswechsels, deren Sitze sich in einer mit einem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes verbundenen, dem Zylinderinneren zugewandten warmfesten Platte befinden, die sich über den Zylinderkopfboden erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Teilen der Platte, die sich zwischen den Ventilsitzen befinden (Stege), Kanäle zum Durchfluß eines flüssigen Kühlmittels befinden, wobei sich die Kanäle nebeneinanderliegend etwa über die ganze Breite der Stege erstrecken und mit ihrer dem Zy3kiderinneren zugewandten Begrenzung so nah an die Zylinderkopfbodenfläche herangeführt sind, wie es aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der Warmfestigkeit möglich ist, und wobei die Kühlkanäle durch Leitungen mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sind.
2. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle einen kleinen Querschnitt haben und über die Stegbreite so nebeneinander liegend angeordnet sind, daß zwischen ihnen nur dünne Wände verbleiben.
3. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte im Bereich der Kühlkanäle etwa parallel zu ihren Stirnflächen geteilt ist.
4. Leichtmetallzylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle an den Schmierblkreislauf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeschlossen sind.
5. Leichtmetallzylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennæ ichnet, daß die Kühlkanäle an einen getrennten Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind.

L e e r s e i t e