DE102020003396A1 - Reinforced cylinder head - Google Patents
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Abstract
Ein Zylinderkopf 10 einer Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Grundplatte 20 zur Verbindung mit dem Motorblock der Verbrennungskraftmaschine, wobei auf der dem Motorblock abgewandten Seite der Grundplatte gegenüber von einem Zylinder 50 eine erste Versteifungsrippe 25 angeordnet ist.A cylinder head 10 of an internal combustion engine comprises a base plate 20 for connection to the engine block of the internal combustion engine, a first stiffening rib 25 being arranged on the side of the base plate facing away from the engine block opposite a cylinder 50.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine.The present invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine.
Neben Zylinderköpfen, die in einem Gussverfahren hergestellt werden, ist bspw. aus
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Zylinderkopf bereitzustellen, der eine hohe Dauerfestigkeit und Steifigkeit aufweist. Insbesondere soll bei einem geringen Materialeinsatz eine hohe Steifigkeit erzielt werden. Die Steifigkeit kann insbesondere als eine Steifigkeit gegen Zug- und/oder Druckkräfte, die sich durch die Motorenverbrennung ergeben, verstanden werden, wie auch allgemeiner als eine hohe Verwindungssteifigkeit.The object of the present invention is to provide an improved cylinder head which has high fatigue strength and rigidity. In particular, a high level of rigidity is to be achieved with a low material input. The rigidity can in particular be understood as a rigidity against tensile and / or compressive forces that result from the engine combustion, as well as more generally as a high torsional rigidity.
Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved with the means of claim 1. Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Ein Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Grundplatte zur Verbindung mit dem Motorblock der Verbrennungskraftmaschine. Dabei ist auf der dem Motorblock abgewandten Seite der Grundplatte gegenüber von dessen Zylinder eine erste Versteifungsrippe angeordnet. Die Versteifungsrippe kann die Kräfte der Verbrennung aufnehmen, ohne dass dabei eine besondere Materialanhäufung notwendig ist. Dadurch kann insbesondere die Dicke der Grundplatte geringer als bei herkömmlichen Bauweisen ausgeführt sein. Beim vorstehend genannten Stand der Technik
Vorteilhaft ist, wenn die erste Versteifungsrippe Verschraubungsbereiche der Verschraubung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock, verbindet. Dadurch sind die Kraftlinien, die sich durch den Verbrennungsdruck ergeben geradlinig geführt von dem Bereich unmittelbar oberhalb des Zylinders zu den Verschraubungen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Versteifungsrippe über die Mittelachse der Zylinder geführt sein, was für eine Symmetrie der Belastung sorgt. Alternativ und/oder zusätzlich können mehrere Verstärkungsrippen auch vernetzt, wie z.B. wabenförmig sein wie dies bei einem sandwichartigen Design auftritt. Dabei ist eine zur Grundplatte im Wesentlichen parallele Verstärkungsebene vorgesehen. Beide sind mit Rippen verbunden. Auch über dieses Konzept können die Kräfte gut abgeleitet werden. Vorteilhaft ist ferner, wenn die Größe der Verstärkungsebene im Wesentlichen der Größe der Grundplatte entspricht. Die Formulierung, dass die Größe der Verstärkungsebene im Wesentlichen der Größe der Grundplatte entspricht, beschreibt insbesondere, dass die Verstärkungsebene mindestens 80% der Größe der Grundplatte aufweisen kann und/oder bevorzugt bis zu 115% der Größe der Grundplatte aufweisen kann. Die Verstärkungsebene muss keine ununterbrochene Fläche sein, sondern kann insbesondere in mittleren Bereichen Ausnehmungen umfassen.It is advantageous if the first stiffening rib connects screw areas of the screw connection of the cylinder head to the engine block. As a result, the lines of force that result from the combustion pressure are guided in a straight line from the area directly above the cylinder to the screw connections. In a preferred embodiment, the first stiffening rib can be guided over the central axis of the cylinder, which ensures symmetry of the load. Alternatively and / or additionally, several reinforcing ribs can also be networked, e.g. be honeycomb as it occurs in a sandwich design. A reinforcement plane that is essentially parallel to the base plate is provided. Both are connected with ribs. The forces can also be easily derived using this concept. It is also advantageous if the size of the reinforcement plane essentially corresponds to the size of the base plate. The formulation that the size of the reinforcement plane essentially corresponds to the size of the base plate describes in particular that the reinforcement plane can be at least 80% the size of the base plate and / or preferably up to 115% the size of the base plate. The reinforcement plane does not have to be an uninterrupted surface, but can include recesses, in particular in central areas.
Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der Zylinderkopf über die Grundplatte, eine Verstärkungsebene und die erste Versteifungsrippe einen Grundkörper definiert, der im Wesentlichen die Form eines Doppel-T-Trägers aufweist. Dessen Stabilität ergibt sich über sein Flächenträgheitsmoment, welches im Wesentlichen durch die Außenmaße bestimmt wird. So ist es für die Funktion im Wesentlichen weitgehend unschädlich, wenn der flächenmäßige Anteil einer ersten Versteifungsrippe, die die Grundplatte mit der Verstärkungsebene verbindet, wenigstens 60% der Fläche entspricht, die zwischen der Grundplatte und Verstärkungsebene aufgespannt wird, da die Funktion der ersten Versteifungsrippe auch durch andere Komponenten, wie andere Rippen oder Kanäle, die die Verstärkungsebene und die Grundplatte verbinden, durchgeführt werden kann. Die Verstärkungsebene ist insbesondere parallel zur Grundplatte.It is particularly advantageous if the cylinder head defines a base body via the base plate, a reinforcement plane and the first reinforcement rib, which base body essentially has the shape of a double T-beam. Its stability results from its area moment of inertia, which is essentially determined by the external dimensions. So it is essentially harmless for the function if the surface portion of a first stiffening rib, which connects the base plate with the reinforcement level, corresponds to at least 60% of the area spanned between the base plate and reinforcement level, since the function of the first reinforcement rib through other components, such as other ribs or channels connecting the reinforcement plane and the base plate. The The reinforcement plane is in particular parallel to the base plate.
Auch kann der Zylinderkopf zwei oder mehrere Längsstreben umfassen, die sich über die Länge des Zylinderkopfs erstrecken und deren Außenabstand der Breite des Zylinderkopfs entsprechen und deren Abstand von der Grundplatte der Höhe des Zylinderkopfes entspricht. Abweichungen von +/-15° sind hier im Wesentlichen mit umfasst. In diesem Sinne sind die Längsstreben gegenüber von der Grundplatte und außenliegend, da sie so unter Betrachtung des Flächenträgheitsmoments einen hohen Beitrag zur Gesamtsteifigkeit des Zylinderkopfs liefem.The cylinder head can also comprise two or more longitudinal struts which extend over the length of the cylinder head and whose outer spacing corresponds to the width of the cylinder head and whose spacing from the base plate corresponds to the height of the cylinder head. Deviations of +/- 15 ° are essentially included here. In this sense, the longitudinal struts are opposite the base plate and on the outside, as they make a high contribution to the overall rigidity of the cylinder head, taking into account the area moment of inertia.
In einer alternativen bzw. zusätzlichen Betrachtungsweise kann der Zylinderkopf mit Grundplatte und einer Verstärkungsebene ein sandwichartiges Design aufweisen. Verstärkungsrippen führen von der Grundplatte zur Verstärkungsebene und sorgen so für eine hohe Steifigkeit. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn Mittelachsen der Zylinder des Motors durch die ersten Versteifungsrippen führen, da so die Verbrennungskräfte gut aufgenommen werden können. Besonders bevorzugt ist, wenn die Fläche der ersten Verstärkungsrippe mindestens 75%, bevorzugt mindestens 85% der Fläche ausmacht, die zwischen der Grundplatte und der Verstärkungsebene liegt.In an alternative or additional approach, the cylinder head with the base plate and a reinforcement plane can have a sandwich-like design. Reinforcement ribs lead from the base plate to the reinforcement level and thus ensure high rigidity. In particular, it is advantageous if the central axes of the cylinders of the engine lead through the first stiffening ribs, since the combustion forces can be absorbed well in this way. It is particularly preferred if the area of the first reinforcement rib makes up at least 75%, preferably at least 85% of the area that lies between the base plate and the reinforcement plane.
Insbesondere können die Mittelachsen der Zylinder durch die ersten Versteifungsrippen und durch zweite Versteifungsrippen führen, wobei insbesondere die zweiten Versteifungsrippen in einem Winkel von mindestens 45° zu den ersten Versteifungsrippen stehen können. Hierdurch wird eine mehrdimensionale Versteifung erzielt. Bevorzugt können zusätzlich die Mittelachsen der Zylinder durch die dritte Versteifungsrippen führen, was eine weitere Versteifung bewirkt. Bevorzugt ist insbesondere, wenn die ersten, zweiten und dritten Versteifungsrippen in gleichen Winkeln zueinander stehen, was zu einer gleichmäßigen Ableitung der Kräfte führt.In particular, the central axes of the cylinders can lead through the first stiffening ribs and through second stiffening ribs, the second stiffening ribs in particular being able to be at an angle of at least 45 ° to the first stiffening ribs. In this way, a multi-dimensional stiffening is achieved. In addition, the central axes of the cylinders can preferably lead through the third stiffening ribs, which brings about further stiffening. It is particularly preferred if the first, second and third stiffening ribs are at the same angles to one another, which leads to a uniform dissipation of the forces.
Insbesondere verbindet zumindest eine Versteifungsrippe die Grundplatte und die Verstärkungsebene ununterbrochen, bis auf funktional bedingte Unterbrechungen komplett miteinander. Die funktional bedingten Unterbrechungen können z.B. Injektorschächte, Wasserführungen, Ladungswechselkanäle oder Verschraubungen sein. Dabei kann diese Verstärkungsrippe die erste Verstärkungsrippe sein. Es kann hierfür auch eine andere Rippe zum Einsatz kommen.In particular, at least one stiffening rib connects the base plate and the reinforcement level with one another in an uninterrupted manner, with the exception of functionally related interruptions. The functionally conditioned interruptions can e.g. Injector shafts, water ducts, gas exchange ducts or screw connections. This reinforcement rib can be the first reinforcement rib. Another rib can also be used for this.
Zudem umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren der additiven Fertigung zur Herstellung eines entsprechenden Zylinderkopfs.The present invention also includes an additive manufacturing method for producing a corresponding cylinder head.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht einesZylinderkopfs 10 , -
2 einen mittigen Schnitt A in der Ebene der Zylinder desZylinderkopfs 10 der1 , -
3 einen Schnitt B durch den Zylinderkopf, der gegenüber dem Schnitt der2 leicht versetzt ist, -
4 eine schematische Skizze zur Erläuterung eines vorteilhaften Konstruktionsprinzips der vorliegenden Erfindung, -
5 einen mittigen Schnitt durch denZylinderkopf 10 parallel zu seiner Grundplatte und -
6 die Ansicht der1 mit einer ergänzten schematischen Darstellung eines Doppel-T-Trägers zur Verdeutlichung eines Konstruktionsprinzips.
-
1 a perspective view of acylinder head 10 , -
2 a central section A in the plane of the cylinders of thecylinder head 10 of the1 , -
3 a section B through the cylinder head, which is opposite to the section of the2 is slightly offset, -
4th a schematic sketch to explain an advantageous construction principle of the present invention, -
5 a central section through thecylinder head 10 parallel to its base plate and -
6th the view of1 with a supplemented schematic representation of a double T-beam to clarify a construction principle.
Auf den Zylinderkopf wirken diverse mechanische Belastungen. Zunächst wirkt bei jeder Verbrennung in den Zylindern eine entsprechende Kraft auf die Grundplatte
Ein erstes Konzept der Verstärkungen soll nachfolgend anhand der
Auch muss die Verstärkungsebene
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102018122259 A1 [0002, 0005]DE 102018122259 A1 [0002, 0005]
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