DE102020003396A1

DE102020003396A1 - Reinforced cylinder head

Info

Publication number: DE102020003396A1
Application number: DE102020003396.2A
Authority: DE
Inventors: Nils Büchau; Ralf Bey; Ralf Rauschen
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; FEV Group GmbH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; FEV Group GmbH
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2020-09-24
Also published as: DE102019116886A1

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 DE 10 2018 122 259 A1 bekannt, dass Zylinderköpfe in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Als ein additives Fertigungsverfahren wird ein Verfahren verstanden, bei dem, wie z.B. beim 3D-Druck, sukzessiv durch einzelne lokale oder flächige Materialzufügungen der Endkörper des Objekts erhalten wird und ggf. anschließend noch mit einem (spanenden) Verfahren bearbeitet werden kann, um auf ein exaktes Sollmaß gebracht zu werden. Auch wenn die vorliegende Erfindung nicht auf additive Fertigungsverfahren beschränkt ist, werden hier insbesondere entsprechend hergestellte Zylinderköpfe betrachtet, da aufgrund der so erhöhten konstruktiven Freiheit, die gewünschte Werkstückgeometrie einfach herstellbar ist.In addition to cylinder heads that are manufactured in a casting process, for example DE 10 2018 122 259 A1 known that cylinder heads can be manufactured in an additive manufacturing process. An additive manufacturing process is understood to be a process in which, as in 3D printing, for example, the end body of the object is successively obtained through individual local or flat material additions and, if necessary, can then be processed with a (cutting) process in order to achieve a exact target size to be brought. Even if the present invention is not limited to additive manufacturing processes, cylinder heads manufactured in particular are considered here, since the desired workpiece geometry can be manufactured easily due to the increased design freedom.

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 DE 10 2018 122 259 A1 war ein zweites verstärkendes Material notwendig, das aufgrund der Versteifungsrippe(n) nicht mehr benötigt wird. Hierdurch ist eine materialsparende Bauweise möglich, die ein reduziertes Gesamtgewicht ermöglicht. Auch entstehen bei bekannten Ausführungsformen häufig Dickenunterschiede, wie z.B. wenn an einem relativ dicken Materialblock eine relativ dünne Rippe angeformt ist. Diese Dickenunterschiede sind nachteilig in Bezug auf eine thermische Belastung, da das Erwärmungs- und Abkühlverhalten der unterschiedlichen Bereiche unterschiedlich ist und Spannungen und Steifigkeitssprünge auftreten können. Aufgrund von der beschriebenen Rippe können Abschnitte mit einer hohen Materialanhäufung vermieden werden. Insbesondere kann die Grundplatte dabei weitgehend eben sein. Bevorzugt ist der Zylinderkopf einstückig, d.h. er ist aus einem einzigen homogenen Material gefertigt. Additiv hergestellte Bereiche aus einem zweiten Material an den Zylinderkopf sind bevorzugt nicht vorgesehen.A cylinder head for an internal combustion engine comprises a base plate for connection to the engine block of the internal combustion engine. A first stiffening rib is arranged on the side of the base plate facing away from the engine block opposite its cylinder. The stiffening rib can absorb the forces of combustion without the need for a special accumulation of material. As a result, the thickness of the base plate in particular can be made smaller than in conventional designs. In the prior art mentioned above DE 10 2018 122 259 A1 a second reinforcing material was necessary, which is no longer needed due to the stiffening rib (s). This enables a material-saving design that enables a reduced overall weight. In known embodiments, too, differences in thickness often arise, for example when a relatively thin rib is molded onto a relatively thick block of material. These differences in thickness are disadvantageous with regard to thermal loading, since the heating and cooling behavior of the different areas is different and tensions and changes in rigidity can occur. Because of the rib described, sections with a high accumulation of material can be avoided. In particular, the base plate can be largely flat. The cylinder head is preferably in one piece, ie it is made from a single homogeneous material. Areas on the cylinder head produced additively from a second material are preferably not provided.

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 eines Zylinderkopfs 10,
2 einen mittigen Schnitt A in der Ebene der Zylinder des Zylinderkopfs 10 der 1,
3 einen Schnitt B durch den Zylinderkopf, der gegenüber dem Schnitt der 2 leicht versetzt ist,
4 eine schematische Skizze zur Erläuterung eines vorteilhaften Konstruktionsprinzips der vorliegenden Erfindung,
5 einen mittigen Schnitt durch den Zylinderkopf 10 parallel zu seiner Grundplatte und
6 die Ansicht der 1 mit einer ergänzten schematischen Darstellung eines Doppel-T-Trägers zur Verdeutlichung eines Konstruktionsprinzips.

Preferred embodiments are explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. Show it:

1 a perspective view of a cylinder head 10 ,
2 a central section A in the plane of the cylinders of the cylinder head 10 of the 1 ,
3 a section B through the cylinder head, which is opposite to the section of the 2 is slightly offset,
4th a schematic sketch to explain an advantageous construction principle of the present invention,
5 a central section through the cylinder head 10 parallel to its base plate and
6th the view of 1 with a supplemented schematic representation of a double T-beam to clarify a construction principle.

1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Zylinderkopfs, der in einer additiven Herstellungsweise hergestellt ist. Dabei umfasst er eine Grundplatte, die bspw. 10 mm dick ist. Diese Dicke ist vorteilhaft bei einem Motor mit 2-Liter Hubraum. Verallgemeinert, kann bevorzugt die Dicke der Grundplatte bei dieser Motorgröße kleiner als 14mm, insbesondere kleiner als 12 mm sein. Bei Motoren anderer Hubraumgrößen ergibt sich insbesondere die bevorzugte Dicke der Grundplatte proportional zum Hubraum. Aus 1 ergibt sich, dass der Aufbau des Zylinderkopfs frei von besonderen Materialanhäufungen ist. Allgemein ausgedrückt umfasst er keine Wände oder Rippen, deren Dicke größer als das 1,5-fache der Dicke der Grundplatte ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist keine Rippe oder Wand dicker als das 1,1-fache der Dicke der Grundplatte. Aufgrund des nachfolgend erläuterten Konzepts von Versteifungen ist es bei dieser Bauweise möglich, eine hohe Steifigkeit des Zylinderkopfs gegen mechanische und thermische Belastungen zu erzielen. 1 shows a perspective view of a cylinder head which is manufactured in an additive manufacturing method. It includes a base plate that is 10 mm thick, for example. This thickness is advantageous in a 2 liter engine. In general, the thickness of the base plate with this motor size can preferably be less than 14 mm, in particular less than 12 mm. In the case of engines with other cubic capacities, the preferred thickness of the base plate is proportional to the cubic capacity. Out 1 the result is that the structure of the cylinder head is free of particular accumulations of material. Generally speaking, it does not include walls or ribs whose thickness is greater than 1.5 times the thickness of the base plate. In preferred embodiments, no rib or wall is thicker than 1.1 times the thickness of the base plate. Due to the stiffening concept explained below, it is possible with this type of construction to achieve a high degree of rigidity of the cylinder head against mechanical and thermal loads.

Auf den Zylinderkopf wirken diverse mechanische Belastungen. Zunächst wirkt bei jeder Verbrennung in den Zylindern eine entsprechende Kraft auf die Grundplatte 20. Diese Kräfte sind v.a. Druckkräfte in der Grundplatte, die sich unmittelbar als Zugkräfte auf die Verschraubungen des Zylinderkopfs ableiten. Darüber hinaus können diese Kräfte Momente innerhalb des Zylinderkopfs bewirken und aufgrund der zeitlich versetzten Verbrennungen der einzelnen Zylinder können sich zudem Verwindungskräfte innerhalb des Zylinderkopfs ergeben. Außerdem ist der Zylinderkopf thermischen Belastungen ausgesetzt, die sich z.B. durch den Abgasstrom ergeben. Dadurch, dass, wie bereits erwähnt, besondere Materialanhäufungen vermieden werden, wird erreicht, dass der Zylinderkopf sich bei einem Motorstart schnell auf eine entsprechende Betriebstemperatur erwärmen kann und thermische Spannungen dabei reduziert sind.Various mechanical loads act on the cylinder head. First of all, with every combustion in the cylinders, a corresponding force acts on the base plate 20th . These forces are mainly compressive forces in the base plate, which are derived directly as tensile forces on the screw connections of the cylinder head. In addition, these forces can cause moments within the cylinder head and, due to the staggered combustion of the individual cylinders, torsional forces can also arise within the cylinder head. In addition, the cylinder head is exposed to thermal loads, which result, for example, from the exhaust gas flow. Because, as already mentioned, particular accumulations of material are avoided achieves that the cylinder head can quickly heat up to a corresponding operating temperature when the engine is started and thermal stresses are reduced.

Ein erstes Konzept der Verstärkungen soll nachfolgend anhand der 2, 3 und 4 erläutert werden. 3 und 4 zeigen eine erste Versteifungsrippe 25, die an der Grundplatte 20 angeformt ist. Dabei liegt die Mittelachse des Zylinders 50, der in 4 schematisch angedeutet ist, in der Ebene der ersten Versteifungsrippe 25. Zudem sind in 3 und 4 Verschraubungen 30 gezeigt mit denen der Zylinderkopf 10 an dem Motorblock befestigt wird. Die Verschraubungen sind ggf. nicht mittig zur Zylinderachse angeordnet, sondern umschließen den Zylinder. Da die Verschraubungen 30, die erste Versteifungsrippe 25 und die Mittelachse der Zylinder 50 in einer Ebene liegen, werden die Verbrennungskräfte unmittelbar auf die Verschraubungen 30 geleitet, ohne dass (wesentliche) Biegemomente auf den Zylinderkopf 10 ausgeübt werden. 3 zeigt, dass die ersten Versteifungsrippen 25 sich über die gesamte Höhe h (siehe 6) des Zylinderkopfs erstrecken. Dabei sind sie weitestgehend ununterbrochen, wobei aber funktionale Elemente, wie z.B. Kühlkanäle 42 sie unterbrechen können. 3 zeigt zudem, dass man die Versteifungsrippe 25 gedanklich über ihre Bestandteile 25a und 25b in zwei Hälften teilen kann. Dazwischen und etwa auf der halben Höhe sind die Ölrücklaufe 42 angeordnet. Für die vorstehend beschriebene Ableitung der Verbrennungskräfte über die Verschraubung kann der untere Bestandteil 25a ausreichend sein. Entsprechend ist in 4 eine Ausführungsform gezeigt, bei der der obere Teil 25b nicht zum Einsatz kommt. Bei manchen Ausführungsformen kann der obere Teil 25b aber hilfreich sein, um die Gesamtstabilität des Zylinderkopfs 10 zu erhöhen. Der Schnitt der 2, der um etwa eine Wanddicke der ersten Verstärkungsrippe 25 gegenüber der 3 versetzt ist, zeigt dort, wo in 3 die Verstärkungsrippen 25 sind, materialfreie Bereiche. Diese sind aber durch zweite Verstärkungsrippen 28 unterbrochen. 5 zeigt die zweiten Verstärkungsrippen 28 in einer Draufsicht. Sie verlaufen senkrecht zu den ersten Verstärkungsrippen 25 und durch die Mittelachsen der Zylinder 50, wobei in 5 links mit ein entsprechender Zylinder 50 skizziert ist. Zudem können optional dritte Verstärkungsrippen 29 zum Einsatz kommen, die ebenfalls durch die Mittelachsen der Zylinder 50 führen und so eine sternartige Verstärkung der Grundplatte 20 dort bilden, wo die Druckkräfte der Verbrennung vom Zylinderkopf 10 aufgenommen werden müssen. Bei herkömmlich bekannten Ausführungsformen ist an dieser Stelle eine nennenswerte Materialanhäufung vorgesehen, um so die Kräfte aufzunehmen. Es wurde jedoch erkannt, dass zu diesem Zwecke die rippenförmige(n) Verstärkung(en) ausreichen. Dadurch wird der Materialeinsatz reduziert. Das Gesamtgewicht wird ebenso reduziert, was auch die thermischen Belastungen, die sich an Bereichen von Dickenänderungen ergeben können, reduziert. A first concept of the reinforcements will be based on the 2 , 3 and 4th explained. 3 and 4th show a first stiffening rib 25th attached to the base plate 20th is molded. The central axis of the cylinder lies here 50 who is in 4th is indicated schematically, in the plane of the first stiffening rib 25th . In addition, in 3 and 4th Screw connections 30th shown with those of the cylinder head 10 attached to the engine block. The screw connections may not be arranged in the middle of the cylinder axis, but rather enclose the cylinder. Because the fittings 30th , the first stiffening rib 25th and the central axis of the cylinders 50 lie in one plane, the combustion forces are directly applied to the screw connections 30th guided without (significant) bending moments on the cylinder head 10 be exercised. 3 shows that the first stiffening ribs 25th extending over the entire height h (see 6th ) of the cylinder head. They are largely uninterrupted, but functional elements such as cooling channels 42 they can interrupt. 3 also shows that you can use the stiffening rib 25th mentally about their components 25a and 25b can split in half. In between and about halfway up are the oil returns 42 arranged. For the above-described derivation of the combustion forces via the screw connection, the lower component 25a be enough. Accordingly, in 4th an embodiment shown in which the upper part 25b is not used. In some embodiments, the upper part 25b but be helpful to the overall stability of the cylinder head 10 to increase. The cut of the 2 , by about a wall thickness of the first reinforcing rib 25th towards the 3 is offset, shows where in 3 the reinforcement ribs 25th are, material-free areas. But these are through second reinforcing ribs 28 interrupted. 5 shows the second reinforcement ribs 28 in a top view. They run perpendicular to the first reinforcement ribs 25th and through the central axes of the cylinders 50 , where in 5 on the left with a corresponding cylinder 50 is sketched. In addition, there can be an optional third reinforcement rib 29 are used, which also through the central axes of the cylinders 50 lead and so a star-like reinforcement of the base plate 20th form where the pressure forces of combustion from the cylinder head 10 must be included. In conventionally known embodiments, a significant accumulation of material is provided at this point in order to absorb the forces. However, it has been recognized that the rib-shaped reinforcement (s) are sufficient for this purpose. This reduces the amount of material used. The overall weight is also reduced, which also reduces the thermal loads that can arise in areas of thickness changes.

6 entspricht der Ansicht der 1, wobei aber zum Zwecke der Verdeutlichung kreuzschaffiert ein Doppel-T eingezeichnet ist. Die Grundgeometrie des Zylinderkopfs 10 kann nämlich in einem vereinfachenden Verständnis als ein Doppel-T-Träger verstanden werden. Dieser setzt sich zusammen aus zunächst der Grundplatte 20, der ersten Versteifungsrippe 25 und einer Verstärkungsebene 60. Die Verstärkungsebene 60 ist im Wesentlichen parallel zur Grundplatte 20 und möglichst beabstandet von ihr. Die Verstärkungsebene muss nicht plan sein, sondern kann Formabweichungen, wie insbesondere Konkavitäten und/oder Konvexitäten umfassen. So liegen die Funktionselemente des Zylinderkopfs, bspw. wie die Ventile oder die Nockenwelle(n) in dem Bereich, der zwischen der Grundplatte 20 und der Verstärkungsebene 60 aufgespannt wird. Der Doppel-T-Träger muss nicht komplett ausgeführt sein. Vielmehr genügt es, wenn die erste Versteifungsrippe 25 nur teilweise vorhanden ist. So kann sie, wie in 4 gezeigt, nur zur z.B. etwa Hälfte der Höhe h des Zylinderkopfs dann ausgeführt sein, wenn deren Funktion von anderen rippenähnlichen Elementen übernommen wird. Dies ergibt sich aus 1 oder 5, die zeigen, dass eine Mehrzahl von Verbindungselementen die Grundplatte 20 mit der Verstärkungsebene 60 verbinden. Bspw. kann diese Verbindungsfunktion von Kanälen, wie den Einlass- und Auslasskanälen oder Injektionskanälen übernommen werden. In diesem Sinne kann der Doppel-T-Träger auch als eine Sandwich-Bauweise verstanden werden, die zwei bevorzugt flächige Elemente über eine Mehrzahl von Streben, bzw. Rippen verstärken. 6th corresponds to the view of 1 , but for the sake of clarity, a crossed double T is shown. The basic geometry of the cylinder head 10 can namely be understood in a simplified understanding as a double T-beam. This is composed of the base plate 20th , the first stiffening rib 25th and a reinforcement level 60 . The reinforcement level 60 is essentially parallel to the base plate 20th and as far as possible from her. The reinforcement plane does not have to be flat, but can include deviations in shape, such as in particular concavities and / or convexities. The functional elements of the cylinder head, for example the valves or the camshaft (s), are located in the area between the base plate 20th and the reinforcement level 60 is stretched. The double T-beam does not have to be completely executed. Rather, it is sufficient if the first stiffening rib 25th is only partially present. So, as in 4th shown, only to be executed for example about half the height h of the cylinder head when their function is taken over by other rib-like elements. This follows from 1 or 5 showing that a plurality of connecting elements form the base plate 20th with the reinforcement level 60 connect. E.g. this connection function can be taken over by channels such as the inlet and outlet channels or injection channels. In this sense, the I-beam can also be understood as a sandwich construction, which reinforces two preferably flat elements via a plurality of struts or ribs.

Auch muss die Verstärkungsebene 60 nicht komplett ununterbrochen durchgehend als eine Fläche, bzw. Platte ausgeführt sein. Bevorzugt umfasst die Verstärkungsebene 60 aber Längsstreben 62 und 63, die sich über die Länge des Zylinderkopfs erstrecken und im Schnitt der 1 außenliegend und entfernt von der Grundplatte 20 angeordnet sind. Über eine ausreichende Anzahl von Verbindungen, bzw. Verstrebungen und Versteifungen stehen die Längsstreben im Kraftverhältnis zu dem Gesamtkörper des Zylinderkopfs. Ein Doppel-T-Träger hat den Vorteil, dass er ein hohes Flächenträgheitsmoment in unterschiedlichen Belastungsrichtungen aufweist. Dabei spielen für die Festigkeit gerade die außenliegenden Abschnitte, nämlich die Längsstreben 62 und 63 eine wesentliche Rolle. Dies führt dazu, dass bereits die Bereitstellung der Längsrippen 62 und 63 an den genannten Stellen, die Gesamtfestigkeit des Zylinderkopfs 10, gerade bei Belastungen wie Biegekräften und Verwindungen, wesentlich erhöht.Also needs the reinforcement level 60 not completely uninterrupted continuously as a surface or plate. The reinforcement plane preferably comprises 60 but longitudinal struts 62 and 63 , which extend over the length of the cylinder head and in section of the 1 outside and away from the base plate 20th are arranged. With a sufficient number of connections or struts and stiffeners, the longitudinal struts are in a force ratio to the overall body of the cylinder head. A double T-beam has the advantage that it has a high geometrical moment of inertia in different loading directions. It is precisely the outer sections, namely the longitudinal struts, that play a role in terms of strength 62 and 63 an essential role. This leads to the fact that the longitudinal ribs are already provided 62 and 63 at the points mentioned, the overall strength of the cylinder head 10 , especially with loads such as bending forces and torsion, significantly increased.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102018122259 A1 [0002, 0005]DE 102018122259 A1 [0002, 0005]

Claims

Zylinderkopf (10) einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Grundplatte (20) zur Verbindung mit dem Motorblock der Verbrennungskraftmaschine, wobei auf der dem Motorblock abgewandten Seite der Grundplatte (20) gegenüber von einem Zylinder (50) eine erste Versteifungsrippe (25) angeordnet ist.Cylinder head (10) of an internal combustion engine, with 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 (20) facing away from the engine block opposite a cylinder (50).

Zylinderkopf (10) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Versteifungsrippe (25) Verschraubungsbereiche (30) der Verschraubung des Zylinderkopfes (10) und dem Motorblock verbindet und insbesondere die Versteifungsrippe (25) über die Mittelachse der Zylinder (50) geführt ist.Cylinder head (10) according to Claim 1 , wherein the first stiffening rib (25) connects screw areas (30) of the screw connection of the cylinder head (10) and the engine block and in particular the stiffening rib (25) is guided over the central axis of the cylinder (50).

Zylinderkopf (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, der ein sandwichartiges Design aufweist, mit einer zur Grundplatte (20) im Wesentlichen parallelen Verstärkungsebene (60), wobei insbesondere die Größe der Verstärkungsebene im Wesentlichen der Größe der Grundplatte entspricht.Cylinder head (10) according to Claim 1 or 2 , which has a sandwich-like design, with a reinforcement plane (60) essentially parallel to the base plate (20), wherein in particular the size of the reinforcement plane essentially corresponds to the size of the base plate.

Zylinderkopf (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, der über die Grundplatte, eine Verstärkungsebene und die Versteifungsrippe, einen Grundkörper definiert, der im Wesentlichen die Form eines Doppel-T-Trägers aufweist.Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, which via the base plate, a reinforcement plane and the reinforcement rib, defines a base body which essentially has the shape of a double T-beam.

Zylinderkopf (10) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, wobei der flächenmäßige Anteil einer ersten Versteifungsrippe (25), die die Grundplatte (20) mit der Verstärkungsebene (60) verbindet, mindestens 60% der Fläche entspricht, die zwischen der Grundplatte (20) und Verstärkungsebene (60) aufgespannt wird.Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, wherein the areal proportion of a first reinforcing rib (25) which connects the base plate (20) to the reinforcement plane (60) corresponds to at least 60% of the area between the base plate (20) and Reinforcement level (60) is spanned.

Zylinderkopf (10) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, der zwei Längsstreben (62, 63) umfasst, die sich im Wesentlichen über die Länge (I) des Zylinderkopfs erstrecken und deren Außenabstand im Wesentlichen der Breite (b) des Zylinderkopfs entspricht und deren Abstand (h) von der Grundplatte (20) im Wesentlichen der Höhe des Zylinderkopfes (10) entspricht.Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, which comprises two longitudinal struts (62, 63) which extend essentially over the length (I) of the cylinder head and whose outer spacing essentially corresponds to the width (b) of the cylinder head and whose spacing ( h) of the base plate (20) essentially corresponds to the height of the cylinder head (10).

Zylinderkopf (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, der mit Grundplatte (20) und einer Verstärkungsebene (60) ein sandwichartiges Design aufweist, wobei die Mittelachsen der Zylinder des Motors durch die ersten Versteifungsrippen gebildete erste Verstärkungsrippe (25) führen und insbesondere die Fläche der ersten Verstärkungsrippe mindestens 75%, bevorzugt mindestens 85% der Fläche ausmacht, die zwischen der Grundplatte (20) und der Verstärkungsebene (60) liegt.Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, which has a sandwich-like design with base plate (20) and a reinforcement plane (60), the central axes of the cylinders of the engine leading through the first reinforcement ribs (25) formed by the first reinforcement ribs and in particular the surface of the first reinforcing rib makes up at least 75%, preferably at least 85% of the area between the base plate (20) and the reinforcement plane (60).

Zylinderkopf (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mittelachsen der Zylinder (50) durch die ersten Versteifungsrippen (25) und durch zweite Versteifungsrippen (28) führen, wobei die zweiten Versteifungsrippen (28) in einem Winkel von mindestens 45° zu den ersten Versteifungsrippen stehen.Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, wherein the central axes of the cylinders (50) lead through the first stiffening ribs (25) and through second stiffening ribs (28), the second stiffening ribs (28) at an angle of at least 45 ° to the first stiffening ribs.

Zylinderkopf (10) gemäß Anspruch 8, wobei die Mittelachsen der Zylinder (50) durch dritte Versteifungsrippen (29) führen, und insbesondere die ersten, zweiten und dritten Versteifungsrippen (25, 28, 29) in gleichen Winkeln zueinander stehen.Cylinder head (10) according to Claim 8 wherein the central axes of the cylinders (50) lead through third stiffening ribs (29), and in particular the first, second and third stiffening ribs (25, 28, 29) are at equal angles to one another.

Zylinderkopf (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die zumindest eine Versteifungsrippe die Grundplatte und die Verstärkungsebene bis auf funktional bedingte Unterbrechungen komplett miteinander verbinden, wobei die funktional bedingten Unterbrechungen, z.B. Injektorschächte, Wasserführungen, Ladungswechselkanäle oder Verschraubungen sein können.Cylinder head (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one stiffening rib completely connects the base plate and the reinforcement level to one another apart from functionally-related interruptions, the functionally-related interruptions, e.g. Injector shafts, water ducts, gas exchange channels or screw connections can be.