DE19737492C1

DE19737492C1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19737492C1
Application number: DE19737492A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Kizler; Bernward Dipl Ing Vethacke; Klaus Dipl Ing Berner; Roland Dipl Ing Meyer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: EP0899445A2; US6129064A; EP0899445B1; EP0899445A3

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zy linderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem JP-GM 59 96 341 ist ein gattungsgemäßer flüssigkeitsge kühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt. Der Zylinderkopf weist herkömmliche Schraubenpfeifen für die Zylinderkopfschrauben auf, die die Spannkräfte der Zy linderkopfschrauben auf dem kleinen Querschnitt der Pfeife von der Decke bis zur Bodenplatte des Zylinderkopfes führen. Um nun die Schraubenspannkräfte auch in die Bodenbereiche zwischen den Schraubenpfeifen zu verteilen, ist zwischen den Schraubenpfei fen ein T-förmiger Biegebalken angeordnet, der über eine Rippe mit den Gaswechselkanälen verbunden ist und die Schraubenspann kräfte auch in die Zwischenbereiche führen soll.

Von Nachteil bei einer derartigen Ausführung zur Verteilung der Schraubenspannkräfte ist allerdings, daß die Kräfteeinleitung über den oben erwähnten Biegeträger zu ungleichmäßig ist, um eine optimale gleichmäßige Kräfteverteilung auch im Bereich zwischen den Schraubenpfeifen zu erreichen, da die Steifigkeit der durchgehenden Schraubenpfeifen über ihre Länge nur eine ge ringe Krafteinleitung in den Biegeträger zuläßt. Die über den Biegeträger in die Brennraumbegrenzung des Zylinderkopfbodens eingeleitete Vorspannung ist deshalb nur gering und hält einem erhöhten Gasdruck der Brennkraftmaschine nicht stand. Eine gleichmäßige Flächenpressung der zwischen Zylinderkopf und Kur belgehäuse angeordneten Zylinderkopfdichtung, um so eine opti male Abdichtung zu gewährleisten, ist somit nicht zu erreichen. Ein weiterer Nachteil der Ausführung stellt der enorme Platzbe darf des Biegebalkens dar, wodurch diese Ausführung bei sehr beengten Platzverhältnissen im Zylinderkopf nicht anwendbar ist, insbesondere wenn zur Erzielung einer besseren Kräftever teilung der Biegebalken stärker ausgelegt werden soll.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 38 36 117 C1 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsge kühlten Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem auch bei beengten Platzverhältnissen eine möglichst hohe und gleichmäßige Flächenpressung der Zylinder kopfdichtung auch in den Bereichen zwischen den Zylinderkopf schrauben zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Vereinfachung der Schraubenpfeifen, bei der benachbarte Wandabschnitte der Gas wechselkanäle im Bereich der Zylinderkopfschrauben verdickt ausgeformt sind und dadurch Rippen ausbilden, die Teil der Schraubenpfeifen sind. Die Schraubenpfeifen sind dadurch nicht als durchgehende Säulen ausgebildet. Die Vereinfachung der Schraubenpfeifen zieht ein geringeres Gewicht des Zylinderkap fes nach sich. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der optimalen Kräfteverteilung der Schraubenspannkraft über die Schraubenpfeifen im Zylinderkopf. Da die Schraubenpfeifen nicht als "konventionelle Säulen" ausgebildet sind, welche die Schraubenkraft nur auf dem kleinen Säulenquerschnitt von der Decke bis zum Boden des Zylinderkopfes führen, sondern im An schluß an einen säulenartigen Abschnitt Rippen umfassen, die eine gerichtete Kräfteverteilung in die Bereiche zwischen den Zylinderkopfschrauben ermöglichen. Die Schraubenspannkraft der Zylinderkopfschrauben kann sich kurz nach der Einleitung in den konventionellen säulenartigen Abschnitt der Schraubenpfeife über die daran anschließenden Rippen in den Zylinderkopf ver teilen, wodurch sich die Flächenpressung auf die Zylinderkopf dichtung vergleichmäßigt, insbesondere zum Vorteil der Bereiche in der Mitte unter den Gaswechselkanälen. Damit ist sicherge stellt, daß die auf die Zylinderkopfdichtung wirkende Flächen pressung den im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehenden enormen Gaskräften aufgrund der gleichmäßigen Kräfteverteilung der Schraubenspannkräfte besser standhält.

Nach dem Starten der Brennkraftmaschine erwärmen sich der Zy linderkopf sowie das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine und heizen dadurch auch das Kühlwasser sehr schnell mit auf. Vor teilhafterweise sind daher die Zylinderkopfschrauben über einen Teil ihrer Länge von einem Abschnitt des Kühlwasserraumes voll ständig umgeben, wodurch sie über das Kühlwasser ebenfalls sehr schnell auf die Temperatur der umgebenden Bauteile gebracht werden. Da sich die Zylinderkopfschrauben parallel zum Zylin derkopf sowie zum Kurbelgehäuse erwärmen und sich dadurch eben falls ausdehnen, wird eine übermäßige Beanspruchung des Zylin derkopf-Werkstoffes vermieden, wodurch es möglich wird auf die bisherige konventionelle Schraubenpfeife (Säule) zu verzichten.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden in zwei Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Längsschnitts durch einen flüssig keitsgekühlten Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, der mit einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verbunden ist und

Fig. 2 einen Teil eines Schnittes durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gemäß Linie II-II aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf 1 für eine nicht näher dargestellte mehrzylindrige Brennkraftmaschine dar gestellt, wobei die linke Hälfte ein erstes Ausführungsbeispiel und die rechte Hälfte ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung darstellt.

Der Zylinderkopf 1 weist einen Kühlwasseraum 2 auf (siehe Fig. 2), von dem in Fig. 1 nur der Zulauf 2a dargestellt ist. Der Kühlwasserraum 2 ist nach unten von einem Zylinderkopfboden 3 und nach oben von einer mit Abstand über dem Zylinderkopfboden 3 angeordneten Zylinderkopfdecke 4 begrenzt. Im zweiten Ausfüh rungsbeispiel weist der Zylinderkopf 1 zusätzlich einen im Zu lauf 2a angeordneten, nach unten freistehenden Vorsprung 16 auf. Im Kühlwasserraum 2 sind Gaswechselkanäle 5 sowie in Fig. 2 gezeigte Kammern 6 für Zündkerzen und/oder Einspritzdüsen an geordnet, wobei die Gaswechselkanäle 5 gemäß Fig. 2 in Richtung einer Motorquerachse 7 verlaufen.

Durch in den Figuren nur angedeutete Zylinderkopfspannschrauben 8 ist der Zylinderkopf 1 unter Zwischenschaltung einer hier nicht dargestellten Zylinderkopfdichtung mit einem Kurbelgehäu se 9 der Brennkraftmaschine lösbar verbunden. Das Anpressen des Zylinderkopfes 1 an das Kurbelgehäuse 9 und damit das Verspan nen der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderkopf 1 und Kur belgehäuse 9 erfolgt beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben 8 mit der nötigen Schraubenvorspannung. Über mindestens einen Teil ihrer Länge erstrecken sich die Zylinderkopfschrauben 8 frei durch einen Abschnitt, in diesem Fall dem Zulauf 2a, des Kühlwasserraumes 2 im Zylinderkopf 1 und durch einen Kühlwas serraumabschnitt 10 im Kurbelgehäuse 9. Die Zylinderkopfschrau ben 8 werden dadurch vom Kühlwasser umströmt und rasch auf die Temperatur der umgebenden Bauteile 1, 9 gebracht. Die Zylinder kopfschrauben 8 sind durch unten näher beschriebene Schrauben pfeifen 11 des Zylinderkopfes 1 hindurchgeführt, welche zur Verteilung der Schraubenspannkräfte der Zylinderkopfschrauben 8 von der Zylinderkopfdecke 4 zum Zylinderkopfboden 3 dienen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind erfindungsgemäß bei beiden Ausführungsbeispielen die Schraubenpfeifen 11 für die Zylinder kopfschrauben 8 teilweise durch benachbarte Wandabschnitte 12 insbesondere gleichartiger Gaswechselkanäle 5, wie beispiels weise Einlaßkanäle, gebildet, wobei die Wandabschnitte 12 im Bereich der Zylinderkopfschrauben 8 zur Bildung von Rippen 13 verdickt ausgeformt sind. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schraubenpfeifen 11 bewirkt eine Verteilung der Schrauben spannkräfte in Bereiche 14 unterhalb der Gaswechselkanäle 5 (siehe Fig. 1).

In Fig. 1 ist die Krafteinleitung durch die Zylinderkopfschrau be 8 in den Zylinderkopf 1 und die anschließende Kräftevertei lung über die Rippen 13 in die Bereiche 14 unterhalb der Gas wechselkanäle 5 mit strichpunktierten Pfeilen 15 gekennzeich net, wobei der Vorsprung 16 im zweiten Ausführungsbeispiel kei nerlei Einfluß auf diese Kräfteverteilung hat, da der Vorsprung 16 nicht von unten gestützt wird, sondern frei in den Zulauf 2a bzw. den Kühlwasserraumabschnitt 10 ragt. Die Vorspannkraft aus der Rippe 13 ist durch deren besondere Anformung an die Wandab schnitte 12 der Gaswechselkanäle 5 in Pfeilrichtung 15 auf die Zylinderkopfdichtung ausgerichtet, wodurch auch in den den Zy linderkopfschrauben 8 benachbarten Bereichen 14 zwischen den Gaswechselkanälen 5 eine ausreichende Flächenpressung auf die Dichtung erzielt wird.

Die Dimensionierung des Mindestquerschnitts A_Rmin der teilweise die Schraubenpfeife 11 bildenden Rippe 13 ist näherungsweise durch die Formel
A_Rmin ≈ (d_K + d_V) × b_V = 0,5 F_S/0,8 σ_Sstreck [in mm²]
beschreibbar, worin bedeuten:
A_Rmin = erforderlicher Mindestquerschnitt der Rippe,
d_K = Dicke der Gaswechselkanalwand,
d_V = Dicke der einen Teil der Rippe bildenden Verdickung,
b_V= Breite der Verdickung,
F_S = Schraubenkraft der Zylinderkopfschraube und
σ_Sstreck = Streckgrenze der Zylinderkopfschraube.

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserraum, in dem in Richtung einer Motorquerachse verlaufende Gaswechselkanäle und minde stens eine Kammer für eine Zündkerze und/oder eine Einspritzdü se angeordnet sind, und mit Schraubenpfeifen zur Verteilung der Schraubenspannkräfte der Zylinderkopfschrauben, wobei der Zy linderkopf unter Zwischenschaltung einer Zylinderkopfdichtung mit einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Wandabschnitte (12) der Gaswechselkanäle (5) im Bereich der Zylinderkopfschrauben (8) zur Bildung von Rippen (13) verdickt ausgeformt sind, die Teil der Schrauben pfeifen (11) sind.

2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderkopfschrauben (8) über mindestens einen Teil ihrer Länge von Kühlwasser vollständig umgeben sind.