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Zylinderkopf für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen, insbesondere Einspritzbrennkraftmaschinen, mit ventilgesteuerten Ein- und Auslasskanälen, durch dessen
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des Zylinderkopfes übertritt, und der im Bereich des Ventilsteges eine vom gesamten Kühlmittelstrom durchflossene düsenartige Durchtrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit aufweist, die den Kühlflüssigkeitsraum in zwei Kammern unterteilt, von denen sich die in bezug auf den Kühlwasserstrom eintrittseitige Kammer über den Umfang des Zylinderkopfbodens bzw. Verbrennungsraumes erstreckt, und die austrittseitige Kammer einen in die Seitenwand des Zylinderkopfes ausmündenden Abströmkanal aufweist.
Es ist bekannt, dass derartige Zylinderköpfe, insbesondere bei Dieselmotoren, wegen ihrer grossen thermischen Beanspruchung zur Rissbildung neigen, wobei der Ventilsteg besonders gefährdet ist.
Bei einer bekannten Ausführung dieser Art ist der brennraumseitige Boden des Zylinderkopfes im Bereich des zwischen Ein- und Auslassöffnungen gebildeten Ventilsteges höckerartig verstärkt und eine Leitfläche über dem Steg angeordnet, um die durch die düsenartige Durchtrittsöffnung hindurchströmende Kühlflüssigkeit zum verstärkten Steg hin zu lenken. Dadurch soll die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit an der kritischen Stelle in solcher Weise erhöht werden, dass der infolge der Verstärkung an dieser Stelle sonst verminderte Wärmeübergang durch eine Vergrösserung der Strömungsgeschwindigkeit ausgeglichen wird. Die durchdiese Massnahme erzielte Wirkung hat jedoch nicht voll befriedigt, da hiebei nur ein Teil der Kühlflüssigkeit über die düsenartige Durchtrittsöffnung bzw. den Ventilsteg geleitet wird.
Es ist auch schon ein Zylinderkopf bekannt, bei dem der Kühlflüssigkeitsraum des Zylinderkopfes durch eine vertikale Trennwand in zwei Teile unterteilt ist, die durch eine düsenartige Durchtrittsöffnung im Bereich des Ventilsteges miteinander in Verbindung stehen. Die Kühlflüssigkeit tritt dabei durch eine einzige Bohrung aus dem Kühlmantel der Zylinderbüchse in den ersten Teil des Kühlflüssigkeitsraumes des Zylinderkopfesein und strömt zur Gänze durch die düsenartige Durchtrittsöffnung in den zweiten Teil des Kühlflüssigkeitsraumes. und von hier zur Austrittsöffnung.
Infolge der seitlichen Versetzung der einzigen Eintrittsbohrung ergeben sich stark unterschiedliche Strömungs- und Kühlverhältnisse sowohl im Kühlmantel des Zylinders als auch in den Kühlflüssigkeitsräumen des Zylinderkopfes selbst. Die verbesserte Kühlung des Ventilsteges wird somit nur auf Kosten der übrigen Kühlung erreicht. Die ungleichmässigen Kühlverhältnisse verursachen überdies stark unterschiedliche Wärmedehnungen im Bereich des Zylinderkopfes und des Zylinders mit allen ihren schädlichen Auswirkungen.
Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung eines Zylinderkopfes, der die genannten Nachteile bekannter Ausführungen vermeidet. Er soll eine gleichmässige, den thermischen Belastungen der Teile entsprechende Kühlung des Zylinderkopfes und Zylinderbüchse ermöglichen, so dass nachteilige Verformungen oder Beschädigungen des Zylinderkopfes, insbesondere die Bildung von Rissen im Bereich des Ventilsteges, vermieden werden.
Erfindungsgemäss wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass sich zwischen der eintrittseitigen Kammer und der austrittseitigen Kammer eine Trennwand befindet, die die düsenartige Durchtrittsöffnung enthält und zusammen mit einer weiteren mit ihr verbundenen Begrenzungswand die austrittseitige Kammer umschliesst, wobei diese weitere Begrenzungswand brennraumseitig an den Zylinderkopfboden und austritt-
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seitig an die Seitenwand des Zylinderkopfes anschliesst, und dass die Zufuhr der Kühlflüssigkeit in die eintrittseitige Kammer durch in an sich bekannter Weise über den Umfang des Zylinderkopfbodens gleichmässig verteilte Bohrungen des Zylinderkopfes erfolgt, und dass vorzugsweise eine die Einspritzdüse dicht umschliessende und dem aus der düsenartigen Durchtrittsöffnung austretenden Kühlmittelstrom ausgesetzte Hülse vorgesehen ist,
die die austrittseitige Kammer annähernd in deren Längsrichtung durchsetzt, so dass die Hülse von der entlang ihrer Mantelfläche abströmenden Kühlflüssigkeit allseits gleichmässig gekühlt ist.
Durch diese Ausbildung wird gleichzeitig eine gleichmässige Kühlung der Zylinderbüchse infolge der achsensymmetrischen Strömung der Kühlflüssigkeit entlang ihres Mantels und eine gleichmässige Kühlung des Zylinderkopfes erzielt. Der thermisch am höchsten belastete Ventilsteg wird hiebei intensiv gekühlt, da die gesamte Kühlflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit über diesen strömt. Eine Verstärkung des Zylinderkopfbodens im Bereich des Ventilsteges sowie die Anordnung besonderer Leitflächen für die durch
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Seiten von der Kühlflüssigkeit umströmten Begrenzungswände wird die Wärmeabfuhr vom Zylinderkopfboden noch weiter verbessert und ausserdem durch die Verbindung der einen Begrenzungswand mit dem Zylinderkopfboden eine Versteifung des Bodens im Bereich der am höchsten beanspruchten Stelle desselben erzielt.
Die erfindungsgemässe Ausbildung schafft auch bezüglich der Kühlung der Einspritzdüse gegenüber bekannten Ausführungen erheblich günstigere Verhältnisse, da hier der gesamte Kühlmittelstrom am Mantel der Hülse entlanggeführt wird, wobei der enge Ringraum zwischen den Kammerwänden und der Hülse den Wärmeübergang zufolge erhöhter Strömungsgeschwindigkeit'begünstigt. Dabei wird der in unmittelbarer Nähe des Verbrennungsraumes gelegene, thermisch am stärksten beanspruchte Bereich der Einspritzdüse von dem an dieser Stelle in den Ringraum eintretenden Kühlmittelstrom intensiver gekühlt als die weniger heissen, anschlussseitigen Teile der Einspritzdüse.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines auf den Zylinderblock einer Einspritzbrennkraftmaschine aufgesetzten Zylinderkopfes nach der Linie I-I der Fig. 2, Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zur Zylinderachse nach der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf nach der Linie 111-111 in Fig. 2.
Der Zylinderkopf 1 ist brennraumseitig auf den Motorblock 2 der Brennkraftmaschine, der die Zylinderbüchse 3 enthält, aufgesetzt und trägt an seiner Oberseite den Deckel 4, der den Kipphebelraum 5 abschliesst. In den Zylinderkopf 1 ist eine von dessen Oberseite bis zum brennraumseitigen Boden 6 durchgehende Hülse 7 eingesetzt, die gegenüber dem Zylinderkopf 1 abgedichtet, z. B. eingewalzt ist, und zur Aufnahme der mittels Schrauben 8 und 9 am Zylinderkopf 1 befestigten Einspritzdüse 10 dient. Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind im Zylinderkopf 1 der Einlasskanal 11 und der Aus- lasskanal 12 angeordnet, die durch nach innen öffnende, nicht dargestellte Ventile gesteuert werden. Die Ventilsitze sind in Fig. 3 mit 13 und 14 und die Führungen der Ventilschäfte mit 15 und 16 bezeichnet.
Aus Fig. 2 sind auch noch die Durchtrittsbohrungen 17 und 18 für die Stossstangen der Ventile und die Bohrungen 19 zum Durchtritt der Zylinderkopfschrauben ersichtlich.
Der Flüssigkeitsraum 20 des Zylinderkopfes l steht mit dem Kühlmantel 21 der Zylinderbüchse 3 durch eine Anzahl den brennraumseitigen Boden 6 des Zylinderkopfes 1 durchsetzender Bohrungen 22 in Verbindung, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, um die Zylinderbüchse 3 herum ungefähr gleichmässig verteilt angeordnet sind. Zwischen den beiden Kanälen 11 und 12 befindet sich der Ventilsteg 23, über welchem eine düsenartige Durchtrittsöffnung 24 für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, deren engster Querschnitt aus Fig. 3 entnommen werden kann. Im Inneren des Kühlflüssigkeitsraumes 20 ist ein an die düsenartige Durchtrittsöffnung 24 anschliessender zweiter Kühlflüssigkeitsraum 25 vorgesehen, der sich von der Durch- trittsöffnung 24 zur Austrittsöffnung 26 der Kühlflüssigkeit aus dem Zylinderkopf 1 erstreckt.
Die eine Begrenzungswand 27 des zweiten Kühlflüssigkeitsraumes 25, die ungefähr zwischen den beiden Führungen 15 und 16 der Ventilschäfte verläuft, schliesst mittels eines Vorsprunges 28 die düsenartige Durchtrittsöffnung 24 nach oben ab, während die anschliessende Begrenzungswand 29 mit dem Zylinderkopfboden 6 verbunden ist und diesen versteift. Die in der Hülse 7 angeordnete Einspritzdüse 10 durchsetzt den zweiten Kühlflüssigkeitsraum 25. Schliesslich stehen die beiden Kühlflüssigkeitsräume 20 und 25 ausser durch die düsenartige Durchtrittsöffnung 24 auch noch über eine an einer hochgelegenen Stelle vorgesehene Öffnung 30 mit kleinem Querschnitt miteinander in Verbindung, durch die sich allenfalls bildender Dampf ausdem Zylinderkopf 1 durch die Austrittsöffnung 26 entweichen kann.
Die Kühlflüssigkeit gelangt aus dem Kühlmantel 21 durch die Bohrungen 22 im Zylinderkopfboden 6 in den Kühlflüssigkeitsraum 20 des Zylinderkopfes 1. Die um den gesamten Umfang der Zylinderbüchse 3
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Cylinder head for liquid-cooled internal combustion engines
The invention relates to a cylinder head for liquid-cooled internal combustion engines, in particular injection internal combustion engines, with valve-controlled inlet and outlet channels through which
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of the cylinder head, and which in the area of the valve web has a nozzle-like passage opening for the cooling liquid through which the entire coolant flow flows, which divides the cooling liquid space into two chambers, of which the chamber on the inlet side with respect to the cooling water flow extends over the circumference of the cylinder head base or combustion chamber , and the outlet-side chamber has an outflow channel opening into the side wall of the cylinder head.
It is known that cylinder heads of this type, in particular in diesel engines, tend to form cracks because of their high thermal stress, the valve web being particularly at risk.
In a known embodiment of this type, the bottom of the cylinder head on the combustion chamber side is reinforced in the manner of a hump in the area of the valve web formed between the inlet and outlet openings and a guide surface is arranged above the web in order to direct the cooling liquid flowing through the nozzle-like opening towards the reinforced web. This is intended to increase the flow speed of the cooling liquid at the critical point in such a way that the otherwise reduced heat transfer due to the reinforcement at this point is compensated for by an increase in the flow speed. The effect achieved by this measure, however, was not fully satisfactory, since only part of the cooling liquid is passed through the nozzle-like passage opening or the valve web.
A cylinder head is also known in which the coolant space of the cylinder head is divided into two parts by a vertical partition, which are connected to one another by a nozzle-like passage opening in the area of the valve web. The coolant enters the first part of the coolant space of the cylinder head through a single bore from the cooling jacket of the cylinder liner and flows entirely through the nozzle-like opening into the second part of the coolant space. and from here to the outlet opening.
As a result of the lateral offset of the single inlet bore, there are greatly different flow and cooling conditions both in the cooling jacket of the cylinder and in the cooling fluid spaces of the cylinder head itself. The improved cooling of the valve web is thus only achieved at the expense of the remaining cooling. The uneven cooling conditions also cause very different thermal expansions in the area of the cylinder head and the cylinder with all their harmful effects.
The aim of the invention is to create a cylinder head which avoids the aforementioned disadvantages of known designs. It is intended to enable uniform cooling of the cylinder head and cylinder liner corresponding to the thermal loads on the parts, so that disadvantageous deformations or damage to the cylinder head, in particular the formation of cracks in the area of the valve web, are avoided.
According to the invention, this goal is achieved in that there is a partition between the inlet-side chamber and the outlet-side chamber, which contains the nozzle-like passage opening and, together with a further delimiting wall connected to it, encloses the exit-side chamber, this further delimiting wall exiting on the combustion chamber side to the cylinder head base and -
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adjoins the side wall of the cylinder head, and that the cooling liquid is fed into the inlet-side chamber through bores in the cylinder head that are evenly distributed over the circumference of the cylinder head base in a manner known per se, and that preferably one that tightly encloses the injection nozzle and that from the nozzle-like passage opening a sleeve exposed to the exiting coolant flow is provided,
which passes through the outlet-side chamber approximately in its longitudinal direction, so that the sleeve is evenly cooled on all sides by the cooling liquid flowing out along its outer surface.
Through this design, uniform cooling of the cylinder liner due to the axially symmetrical flow of the cooling liquid along its jacket and uniform cooling of the cylinder head are achieved at the same time. The valve web, which is thermally most heavily loaded, is intensively cooled because the entire cooling liquid flows over it at high speed. A reinforcement of the cylinder head base in the area of the valve web as well as the arrangement of special guide surfaces for the through
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On the side of the boundary walls around which the cooling liquid flows, the heat dissipation from the cylinder head base is further improved and, in addition, the connection of one boundary wall to the cylinder head base results in a stiffening of the base in the area of the most stressed point.
The design according to the invention also creates considerably more favorable conditions with regard to the cooling of the injection nozzle compared to known designs, since here the entire coolant flow is guided along the jacket of the sleeve, the narrow annular space between the chamber walls and the sleeve favoring the heat transfer due to increased flow velocity. The most thermally stressed area of the injection nozzle in the immediate vicinity of the combustion chamber is cooled more intensively by the coolant flow entering the annular chamber at this point than the less hot, connection-side parts of the injection nozzle.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in the drawings. 1 shows a longitudinal section of a cylinder head placed on the cylinder block of an internal combustion engine according to line II in FIG. 2, FIG. 2 shows a section perpendicular to the cylinder axis according to line II-II in FIG. 1 and FIG. 3 shows a cross section through the cylinder head along the line 111-111 in FIG. 2.
The cylinder head 1 is placed on the combustion chamber side on the engine block 2 of the internal combustion engine, which contains the cylinder liner 3, and on its upper side carries the cover 4, which closes off the rocker arm chamber 5. In the cylinder head 1, a sleeve 7 extending from the top to the bottom 6 on the combustion chamber side is inserted which is sealed against the cylinder head 1, e.g. B. is rolled in, and is used to accommodate the injection nozzle 10 attached to the cylinder head 1 by means of screws 8 and 9. As can be seen in particular from FIGS. 2 and 3, the inlet channel 11 and the outlet channel 12 are arranged in the cylinder head 1 and are controlled by inwardly opening valves (not shown). The valve seats are denoted by 13 and 14 in FIG. 3 and the guides of the valve stems are denoted by 15 and 16.
From Fig. 2, the through bores 17 and 18 for the push rods of the valves and the bores 19 for the passage of the cylinder head screws can also be seen.
The liquid space 20 of the cylinder head 1 communicates with the cooling jacket 21 of the cylinder liner 3 through a number of bores 22 which penetrate the floor 6 of the cylinder head 1 on the combustion chamber side and which, as can be seen from FIG. 2, are approximately evenly distributed around the cylinder liner 3 . The valve web 23 is located between the two channels 11 and 12, above which a nozzle-like passage opening 24 is provided for the cooling liquid, the narrowest cross section of which can be seen in FIG. In the interior of the cooling liquid space 20, a second cooling liquid space 25 is provided which adjoins the nozzle-like passage opening 24 and extends from the passage opening 24 to the outlet opening 26 of the cooling liquid from the cylinder head 1.
One boundary wall 27 of the second coolant space 25, which runs approximately between the two guides 15 and 16 of the valve stems, closes the nozzle-like passage opening 24 at the top by means of a projection 28, while the adjoining boundary wall 29 is connected to the cylinder head base 6 and stiffens it. The injection nozzle 10 arranged in the sleeve 7 passes through the second coolant space 25. Finally, in addition to the nozzle-like passage opening 24, the two coolant spaces 20 and 25 are also connected to one another through an opening 30 with a small cross-section provided at a high point, through which at most forming steam can escape from the cylinder head 1 through the outlet opening 26.
The cooling liquid passes from the cooling jacket 21 through the bores 22 in the cylinder head base 6 into the cooling liquid space 20 of the cylinder head 1. Around the entire circumference of the cylinder liner 3
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