DE2756007A1

DE2756007A1 - Gehaeuse einer hubkolben-brennkraftmaschine fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2756007A1
Application number: DE19772756007
Authority: DE
Inventors: Robert P Ernest
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1978-07-06
Also published as: ES473999A1; ES465305A1; AU517341B2; JPS6052306B2; JPS5379111A; CA1085693A; ES473998A1; ES473997A1; GB1596176A; US4136648A; DE2756007C2; AU3096877A; ES474000A1; US4157607A

Description

FORD-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, OTTOPLATZ 2, 5000 KÖLN-DEUTZ

Gehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge

Bei den Hubkolben-Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge wird bis heute das Zylindergehäuse in der Regel wenigstens zweiteilig ausgebildet, nämlich aus dem eigentlichen Zylinderblock und dem darüber angeordneten Zylinderkopf, die beide aus Metall, in der Regel Gußeisen, gegossen sind. Die beiden Gehäuseteile haben mithin ein durch das Material bedingtes größeres Gewicht, das noch weiter dadurch erhöht wird, daß zur Einhaltung einer gewissen Sicherheit gegenüber thermischen Rissen und zur Wahrung eines bestimmten Wirkungsgrades der Energieausnutzung eine größere Gußmasse eingesetzt wird, als dies ohne Berücksichtigung dieser Faktoren erforderLich wäre.

Zur· Verringerung dieses größeren Gewichts ist man andererseits bereits dazu übergegangen, in erster Linie den Zylinderkopf auch aus Aluminium zu gießen, wobei gleichzeitig die Vorstellung

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vorgelegen hat, damit auch die Wirtschaftlichkeit der Brennstoff nutzung zu erhöhen. Wenngleich durch einen solchen Aluminiuraguß für den Zylinderkopf einige konstruktive Veränderungen vorgenommen werden mußten, kann doch als Regel eine grundsätzliche Gleichheit mit der Konstruktion eines Zylinderkopfes vorausgesetzt werden, der aus Gußeisen besteht, da solche konstruktiven Änderungen lediglich einer Anpassung an die unterschiedliche Gießtechnik beim Aluminiumguß dienten. Mithin brachte dieser Materialwechsel bis heute noch keine wesentliche Gewichtsverringerung, weil dabei eine bis dreifach so große Masse an dem zu vergießenden Aluminium eingesetzt werden mußte. Wird in diesem Zusammenhang weiter berücksichtigt, daß die bis jetzt für den Aluminiumguß eingesetzten Gießverfahren sehr aufwendig sind, beispielsweise beim herkömmlichen Sandguß deshalb, weil wegen einer dabei gleichzeitig geforderten sorgfältigen Konditionierung der zu vergießenden Aluminiumlegierung auf die Einhaltung einer langsameren Abkühlungs- bzw. Erstarrungsrate geachtet werden muß, oder weil andererseits beim Hochdruckguß mittels Formen keine Sandkerne eingesetzt werden können und daher entsprechende Grenzen in der Anlage von Strömungskanälen und sonstigen Hohlräumen im Zylinderkopf gesetzt sind, so wird ohne weiteres klar, daß es bis heute noch zu keinem entscheidenden Durchbruch für diesen Aluminiumguß vorrangig des Zylinderkopfes aber auch des Zylinderblokkes kommen konnte.

Es besteht andererseits nach wie vor die allgemeine Forderung nach einer entscheidenden Verringerung des Gewichts, wobei die Vorstellung bei wenigstens etwa 2o % Gewichtseinsparung liegt, ohne daß dabei eine aufwendigere Gestaltung des gesamten Motorblocks hingenommen werden müßte. Dabei spielt auch die Überlegung eine Rolle, daß bei einem evtl. Wechsel auf eine andere Konstruktion eine verbesserte Brennstoffnutzung auftreten sollte in Kombination mit der Erreichbarkeit eines verbesserten thermischen Wirkungsgrades und damit auch einer Verringerung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen. Mithin liegt der vorliegenden Erfindung die entsprechende Aufgabe zu Grunde, ein Gehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, das sich für einen Aluminiumguß wenigstens des

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Zylinderkopfes eignen soll und so gestaltet ist, daß wenigstens eine Gewichtseinsparung in dieser Größenordnung von wenigstens etwa 2o % erhalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Durch die damit vorgeschlagene statische Druckbeaufschlagung wenigstens der Zylinder des Zylinderblocks mit einer durch Schraubbolzen ohne weiteres erreichbaren Drucklast von wenigstens etwa 175 kg/cm ist es möglich, diese Zylinder sehr dünnwandig auszubilden, ohne daß dabei die Gefahr einer Verwindung der Zylinderwände auch bei höheren Verbrennungstemperaturen auftritt. Weiter kann wegen der im wesentlichen abstützungsfreien Ausbildung dieser Zylinderwände eine größere Vergleichmäßigung dieser statischen Druckbeaufschlagung mit einer im übrigen kleineren Zahl von Schraubbolzen erreicht werden, womit Druckspitzen vermieden werden und also eine größere Sicherheit hinsichtlich Spannungs- und Wärmerissen erhalten wird. Es ist damit auch möglich, in der Trennebene zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock eine weniger kritische Zylinderkopfdichtung anzuordnen, selbst dann, wenn für die bevorzugte Ausführungsform die Strömungskanäle für das Kühlfluid sowohl beim Zylinderkopf als auch beim Zylinderblock in deren gemeinsamer Trennebene münden und durch diese Dichtung bis auf eine Durchtrittsöffnung am einen Gehäuseende gegeneinander abgedichtet sind.

Mit der für die Strömungskanäle des Kühlfluids vorgeschlagenen Ausbildung wird grundsätzlich abgewichen von der herkömmlichen Ausbildung des äußeren Kühlmantels. Anstelle des bei diesem früher vorhandenen Wirrwarrs der einzelnen Kanäle, die völlig ungeordnet über die gesamte zur Mantelkühlung vorgesehene Außenfläche der einzelnen Zylinder verteilt waren, so daß Wärmestaus in einzelnen Teilbereichen des Kühlmantels ebenso wenig verhindert werden konnten wie Unterkühlungen anderer Teilbereiche, wird erfindungsgemäß eine völlig geordnete Strömung des Kühlfluids kontinuierlich entlang der Zylinderreihe vorgesehen, womit eine wesentlich intensivere und auf Jeden Fall wesentlich gleichmäßigere Kühlung vorgenommen wird. Es ist mithin möglich, das Kühlvolumen ganz entscheidend zu verringern, nämlich nahezu um die Hälfte,

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und im übrigen wird dadurch der entscheidende gießtechnische Vorteil erhalten, daß unter Verwendung einfachster Kerne jetzt mit Niederdruck in Formen vergossen werden kann, was nur eine um etwa 1,1- bis 1,2-fach vergrößerte Gießmenge benötigt. Es kann also beispielsweise für den Zylinderkopf eine echte Gewichtseinsparung von sogar mehr als 5o % und für den Zylinderblock eine Gewichtseinsparung von immer noch mehr als etwa 35 % erhalten werden, womit ein entscheidender Vorteil erhalten ist. Die Zugriffsmöglichkeit zu diesem Gießverfahren in Verbindung mit der Verwendung von Kernen, die beim Guß verbraucht werden, erlaubt eine weitere Verringerung der Wanddicken auf Werte von etwa o,3 bis o,38 cm, wobei hiervon nur die Wände ausgenommen sind, an denen Dicht- oder Montageflächen vorliegen.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen erfaßt. Diese zielen hauptsächlich auf weitere Möglichkeiten der Gewichtsverringerung ab sowie auf eine Vergleichmäßigung des Wärmeaustausches durch das Kühlsystem, in welches auch die Auslaßkanäle für die Verbrennungsgase eingeschlossen sind und somit erreichen lassen, daß die Schadstoff anteile in den Auspuffgasen verringert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt einer V 8-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung der einzelnen maßgeblichen Bauteile der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Zylinderblock dieser Brennkraftmaschine ,

Fig. h eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der

einzelnen Ströme des KUhIfluids, die bei dem Kühlsystem dieser Maschine auftreten,

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Fig. 5 eine Draufsicht auf die eine der beiden Zylinderreihen des Zylinderblocks sowie die in der betreffenden Trennebene angeordnete Zylinderkopfdichtung,

Fig. 6 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der herkömmlichen Ausbildung einer Zylinderreihe in unmittelbarer Gegenüberstellung zu der erfindungsgemäßen Ausbildung, wie in Fig. 3 gezeigt,

Fig. 7 eine Schnittansicht nach der Linie 7-7 in Fig. 3,

Fig. 8 ein Schaubild zur Darstellung in Kurven der Verwindung der Maschinenzylinder in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel,

Fig. 9 ein Flußdiagramm zur Darstellung der einzelnen Arbeitsschritte beim Gießverfahren des erfindungsgemäßen Maschinengehäuses,

Fig.io u.11 zwei verschiedene Stirnansichten des Zylinderkopfs der Maschine gemäß Fig. 1,

Fig.12 eine Ansicht von unten des Zylinderblocks dieser Maschine,

Fig.13 eine Schnittansicht nach der Linie 13-13 in Fig.io, Fig.14 eine Schnittansicht nach der Linie 14-14 in Fig.11, Fig.15 eine Schnittansicht nach der Linie 15-15 in Fig.11,

Fig.16 eine Tabelle zur Gegenüberstellung der unterschiedlichen Gewichte bei einer Brennkraftmaschine bekannter Ausführung und bei einer Maschine nach der Erfindung,

Fig.17 einen Querschnitt durch eine Sandkastenform, die im Stand der Technik zum Gießen eines Zylinderkopfs entweder aus Gußeisen oder aus Aluminium eingesetzt ^wird' 8

Fig.18 eine Explosionsdarstellung der einzelnen entsprechenden Formteile, die zum Gießen des Zylinderblocks gemäß Erfindung benötigt werden,

Fig.19 eine Perspektivansicht, teilweise geschnitten,

einzelner Teilbereiche eines Zylinderkopfes bekannter AusfUhrungsform, hergestellt mit einer Gießform entsprechend der Darstellung in Fig.17,

Fig.2o eine der Fig.19 in allen Einzelheiten entsprechende Perspektivansicht eines Zylinderkopfes gemäß Erfindung, hergestellt mit einer Gießform entsprechend der Darstellung in Fig.18,

Fig.2oA eine Gesamtansicht aller Kerne, die beim Gießen eines Zylinderkopfes bekannter Ausführungsform unter Verwendung einer Gießform entsprechend der Darstellung in Fig.17 verwendet werden,

Fig.21 eine Schemadarstellung einer Gießanlage zum Gießen • mit Niederdruck des Zylinderkopfes gemäß Erfindung,

Fig.22,23 eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Ansicht

u 24

von unten des Zylinderkopfes gemäß Erfindung, hergestellt mit einer Gießanlage gemäß Fig.21,

Fig.25 eine teilweise geschnittene Perspektivansicht eines am Zylinderkopf angeordneten Ventils und die zugehörige Einzelheit des Zylinderkopfs,

Fig.26,27 grafische Darstellungen zur Gegenüberstellung ein-

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zelner Verschleißdat

gezeigte Einzelheit,

u ?8

zelner Verschleißdaten, bezogen auf die in Fig.25

Fig.29 eine Schnittdarstellung einer weiteren Einzelheit des Zylinderkopfs gemäß Erfindung,

Fig.3o eine Schnittansicht einer Auskleidung, die entspre chend der in Fig.29 gezeigten Einzelheit in die im Zylinderkopf ausgebildeten Auslaßkanäle eingesetzt _wird,

Fig.31 Perspektivansichten der paarweisen Ausbildung eines Einlaß- und eines Auslaßkanals bei einem Zylinderkopf bekannter Ausführungsform im Vergleich mit einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf gemäß zweier unterschiedlicher Ausführungsformen,

Fig.32 u.33 eine Endansicht und eine Ansicht von oben der in Fig.3o gezeigten Auskleidung,

Fig.3^ eine grafische Gegenüberstellung des unterschiedlichen Mündungsquerschnittes der Auslaßkanäle beim Stand der Technik und beim Zylinderkopf gemäß Erfindung ,

Fig.35 eine Perspektivdarstellung des Zwischenraumes der als Isolierspalt die Auskleidung gemäß Fig.3o umgibt, und

Fig.36,37 Schaubilder zur Darstellung verschiedener Kennda^u* ' ten der Brennkraftmaschine gemäß Erfindung, die einheitlich über deren Drehzahl abgetragen sind.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte V 8-Hubkolben-Brennkraftmaschine hat einen V-förmigen Zylinderblock A zur Unterbringung von zwei Zylinderreihen zu je vier Zylindern, die nach oben durch jeweils einen I-förmigen Zylinderkopf B überdeckt sind. Die Maschine hat weiterhin einen doppelwandigen Auslaßkrümmer C für jeden der beiden Zylinderköpfe B sowie einen gemeinsamen EinlaßkrUmmer D, auf dem ein Vergaser E und ein Luftfilter F montiert sind. In den Zylindern des Zylinderblocks sind die Kolben G angeordnet, die mittels Pleueln mit der im Kurbelgehäuse angeordneten Kurbelwelle verbunden sind. Die Zylinderköpfe B sind jeweils mit einer Metalldichtung H unterlegt, und außerdem sind noch eine Reihe von Auskleidungen I vorhanden, die in die einzelnen Auslaßkanäle K der Zylinderköpfe eingesetzt sind, welche mittels der Bolzen J mit dem Zylinderblock verschraubt sind, um wenigstens dessen Zylinder unter eine statische Druckbeaufschlagung von wenigstens etwa 175 kg/cm zu setzen.

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Der Zylinderblock A ist mit außen liegenden Wänden 1o und innen liegenden Wänden 11 versehen, welche die Zylinderwände der beiden Zylinderreihen bilden. Diese Zylinderwände 1o,11 sind im wesentlichen abstützungsfrei und haben nur eine Verbindung über die jeweils zwei benachbarten Zylindern gemeinsamen Trennwände 19, die also für diese benachbarten Zylinder eine gemeinsame Tangentialebene begründen, so daß andererseits die Zylinderwände der benachbarten Zylinder über diese Trennwände eine siamesische Verbindung erfahren, die jedem einzelnen Zylinder die zylindrische Lauffläche 9 für den zugeordneten Kolben G verleiht. Die Zylinderwände 1o,11 sind außen von weiteren Wänden 12 und 13 umgeben, die einen praktisch konturengleichen Verlauf haben, also praktisch parallel zu den Zylinderwänden 1o und 11 verlaufen unter Ausbildung eines Abstandes zwischen den einander zugewandten Flächen 7 und 8 der Wändepaare 1,12 bzw. 11,13, womit die Zylinderwände 1o,11 von einem im wesentlichen konturengleichen Strömungskanal 14 bzw. 15 für ein Kühlfluid umgeben sind, das diese Strömungskanäle in einer laminaren Strömung quasi in der Form von Bändern 81 und 82 durchströmt, wie in Fig.4 gezeigt.

Die beiden Zylinderreihen des Zylinderblocks A sind über mittlere Querwände 23 und stirnseitige Endwände 21 und 22 miteinander verbunden, die alle parallel zueinander liegen in einzelnen Querebenen, die gemeinsam sind mit den tangentialen Trennwänden zwischen den einzelnen Zylindern des Zylinderblocks. Der Zylinderblock A ist außerdem versehen mit Stellfüßen 26, die als Anschlußflanschen an das Kurbelgehäuse ausgebildet sind, wobei an der Unterseite des Zylinderblocks auch noch Lagerflächen 25 für die Lager der Kurbelwelle ausgebildet sind. Nach den Stirnseiten des Zylinderblocks erstrecken sich außerdem Verstärkungsrippen 24, die also an den Stirnwänden 21 und 22 angesetzt sind und parallel zu der Hauptachse des Zylinderblocks verlaufen, während zwischen den Wänden 21,22 und 23 Führungszylinder 18 in Vorsprüngen 17 der Wände 13 ausgebildet sind, welche die Betätigungsstangen 44 für Kipphebel 43 führen. Im übrigen sind noch an der einen Stirnwand 21 Befestigungssockel 28 für weitere Montageteile der Brennkraftmaschine ausgebildet.

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Die Zylinderköpfe B verschließen mittels der dazwischen angeordneten Metalldichtungen H die Strömungskanäle 14 und 15 nach oben, während deren Abschluß nach unten durch die Bodenwände 16 des Zylinderblocks 8 erfolgt. Auch die einzelnen Zylinder der beiden Zylinderreihen werden durch die Zylinderköpfe B nach oben verschlossen, indem eine jeweilige Zylinderdecke 38 achsgleich mit den einzelnen Zylindern in den beiden Zylinderköpfen B ausgebildet sind, die im übrigen nur über mit den Zylindern des Zylinderblocks praktisch konturengleiche Ringlippen in Verbindung treten. Diese Ringlippen sind doppelwandig ausgeführt mit Wänden 3o und 31, welche praktisch dem Verlauf der Zylinderwände 11 und 1o des Zylinderblocks A folgen, und mit weiteren Wänden 32 und 33, die gleichartig dem Verlauf der Wände 13 und 12 des Zylinderblocks A folgen. Auch zwischen den Wandpaaren 3o,32 und 31,33 jedes Zylinderkopfs B sind Strömungskanäle 34 und 35 ausgebildet, die gleich wie die Strömungskanäle 14 und 15 in der maßgeblichen Trennebene münden und durch die jedem Zylinderkopf unterlegte Metalldichtung H nach unten verschlossen werden zur Abdichtung gegenüber den Strömungskanälen des Zylinderblocks. Auch die Strömungskanäle 34 und 35 sind zur Durchströmung mit einem Kühlfluid angelegt, und zwar im Gegenstrom zu den Strömungskanälen 14 und 15, mit denen sie am einen Ende des Zylinderblocks über Durchtrittsöffnungen 76 der jeweiligen Dichtung in Verbindung stehen, die so angelegt sind, daß beim Durchtritt des Kühlfluids eine Erhöhung der Fließrate stattfindet. Das KUhIfluid durchströmt mithin die Strömungskanäle 34 und 35 der Zylinderköpfe als den Bändern 81 und 82 entsprechende Bänder 83 und 84 mit einer wesentlich höheren Fließrate, womit die in den Zylinderdecken 38 bei der Zündung des Brenngemisches auftretenden wesentlich höheren Temperaturen genauso effektiv abgekühlt werden wie die im Vergleich dazu niedrigeren Temperaturen des Zylinderblocks durch das in den Strömungskanälen 14 und 15 langsamer strömende Kühlfluid. Die Bänder 83,84 reichen wenigstens über die untere Hälfte der für die Mantelkühlung maßgeblichen Außenfläche der Zylinderdecken 38, während andererseits die Bänder 81 und 82 wenigstens über die obere Hälfte der Zylinderwände 1o und 11 für eine entsprechende Mantelkühlung der maßgeblichen Außenfläche reichen.

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Die Zylinderköpfe B haben hinsichtlich der maßgeblichen Massenverteilung etwa eine Dreiecksform im Querschnitt, wobei in den beiden Schenkelseiten 36a und 36b die FUhrungsbohrungen 42 für die Schäfte 4o der Ein- und Auslaßventile ausgebildet sind und die Grundseite für den Anschluß des jeweiligen Auslaßkrümmers ausgebildet sit. Außerdem sind an diesen Schenkelseiten Anschlußflanschen mit Führungssäulen 39 für die Betätigungsstangen 44 der Kipphebel 43 ausgebildet, die mit den Schäften 4o der Ein- und Auslaßventile 41 in Berührung treten, und schließlich sind noch Umfassungswände 53,54 und 55 ausgebildet, welche auch die Auslaßkanäle 45 begrenzen, die sich jeweils zwischen einem Ventilsitz 46 für das zugeordnete Auslaßventil und einer eigentlichen Auslaßöffnung 47 erstrecken, die von dem zugeordneten Auslaßkrümmer C überdeckt wird. Gleichartig erstrecken sich die maßgeblichen Einlaßkanäle 49 zwischen einem jeweiligen Ventilsitz 51 für das zugeordnete Einlaßventil und einer äußeren Einlaßöffnung 5o,die unmittelbar angeschlossen ist an den Einlaßkrümmer D, wobei noch bezüglich der Ausrichtung der einzelnen Ventile festgehalten werden kann, daß diese unter einem Winkel 52 von etwa 2o° gegen die Achse des zugeordneten Zylinders ausgerichtet sind.

Bei dem Zylinderblock A haben wenigstens die Zylinderwände 1o und 11 eine Wanddicke von nur etwa maximal ο,38 cm, und diese Zylinderwände sind durch die Bolzen J unter eine statische Druckbeaufschlagung von wenigstens etwa 175 kg/cm gesetzt. Die Bolzen J sind mit vergrößerten Köpfen 9o versehen zur Anlage an eine jeweilige Druckfläche 48 (Fig.7) der Schenkelseite 36a des zugeordneten Zylinderkopfs B, während die ,am freien Ende der Schäfte der Bolzen ausgebildeten Schraubegewinde in Gewindelöcher 93 einfassen, die praktisch im Boden 94 des Zylinderblocks A ausgebildet sind. Die Schäfte 92 der Bolzen J durchsetzen dabei Bohrungen 91, die in der Schenkelseite 36a des jeweiligen Zylinderkopfes B ausgebildet sind, und zwar in den mit den tangentialen Trennebenen 19 gemeinsamen Ebenen, so daß die Bolzen J bezüglich der Achsen der einzelnen Zylinder eine Anordnung mit einem Winkelabstand von im wesentlichen etwa 9o° erfahren. Die Bolzen J sind mithin praktisch in den spitzen Übergängen 79 zwischen den etwa halbzylindrischen Abschnitten der Strömungskanäle 14 und 15 angeordnet,

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gleichartig mit weiteren Bolzen 89, die durch entsprechende Löcher 96 der anderen Schenkelseite 36b des jeweiligen Zylinderkopfes B hindurchgesteckt sind, an der sie ebenfalls mit einem vergrößerten Kopf 95 anliegen, während das Schraubgewinde in ein Gewindeloch 97 einer bodenseitigen Ausformung 98 des Zylinderblocks A eingeschraubt ist. Auch die Bolzen 89 sind daher in einem Winkelabstand von etwa 9o° bezüglich der zugehörigen Zylinderachse angeordnet.

Die Auslaßkrümmer C sind doppelwandig ausgebildet, wobei die Innenwand 57 an den Anschlüssen an die einzelnen Auslaßkanäle des jeweiligen Zylinderkopfes B auf einen gleich großen Einlaßquerschnitt verengt ist. Die Außenwand 58 ist unter Bildung eines Luftspaltes 59 auf Abstand angeordnet, so daß zwischen den beiden Wänden 57 und 58 eine Isolierung für die in eine jeweilige Wirbelkammer 6o ausströmenden Verbrennungsgase besteht, womit der Oxydationsprozeß zur Verringerung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen, die den Auslaßkriimmer über eine öffnung 61 verlassen, entsprechend begünstigt wird. Im übrigen sind an den Auslaßkrümmern noch Haltebügel 62 befestigt, mittels welcher der gesamte Motorblock in eine aufrechte Stellung innerhalb des Motorraums eines Kraftfahrzeuges verankert werden kann.

Der Einlaßkrümmer D ist aus Aluminium gegossen und weist labyrinthgänge 2o7 auf, die von den Auspuffgasen zur Vorwärmung des über die Strömungskanäle 64 und 69 den einzelnen Zylindern der beiden Zylinderreihen zugeleiteten Brenngemisches durchströmt sind. Zur Verstärkung dieses Wärmeaustausches sind an den Decken dieser Labyrinthgänge 2o7 Rippen 2o6 ausgebildet. Der eine Strömungskanal 64 des Einlaßkrümmers D ist dabei über die Verbindungskanäle 65,66,67 und 68 (Fig.2) an die Zylinder 1,4,6 und 7· (Fig.3) angeschlossen, während der andere Kanal 69 über die Verbindungskanäle 7o,71,72 und 74 an die Zylinder 2,3,5 und 8 angeschlossen ist. Der Einlaßkrümmer hat im übrigen noch Angüsse 75 zum Anschluß mittels Schrauben 77 an die Schenkelseiten 36a der beiden Zylinderköpfe B, die mit entsprechenden Gewindelöchern versehen sind.

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Außer durch die Strömungskanäle 14,15 des Zylinderblocks A und im GegenstroB dazu durch die Ströaungskanäle 34 und 35 der Zylinderköpfe B wird das Rühlfluid auch noch durch Längsbohrungen

77 hindurchgeströmt, die oberhalb der Strömungskanäle 34 und 35 in der Spitze eines mit diesen gleichseitigen Dreiecks in jedem Zylinderkopf B ausgebildet sind. Auch diese Längsbohrungen 77 sind über eine entsprechende Durchtrittsöffnung der jeweiligen Zylinderkopfdichtung H an die Strönangsfranäle 14 und 15 des Zylinderblocks A angeschlossen, wobei auch diesbezüglich eine Erhöhung der Fließrate allein über eine Verengung des Durchtritts des Kühl fluids hin zu diesen Längsbohrungen gesteuert wird. Durch diese unterschiedlichen Fließraten ist es möglich, das zur Kühlung der Haschine benötigte Köhlfluid auf etwa ein Fünftel der Menge zu verringern, die bei den herkömmlichen Kühlsystemen benötigt wird, wobei gleichzeitig die Strämungskanäle so angelegt sind, daß es zu einem wesentlich gleichmäßigeren Wärmeaustausch kommt und also weder extreme Wärmestaus noch extreme Unterkühlungen in einzelnen Teilbereichen auftreten. Die Strömungskanäle sind dabei gleichzeitig so angelegt, daß die Festigkeitswerte stimmen. Für eine praktische Ausführungsform einer V 8-Hubkolben-Brennkraftmaschine können die Bänder 81 und 82 eine beispielsweise Breite von etwa 1o>8 cm haben bei einer Dicke

78 (Fig.1) von weniger als etwa 3,1 cm, womit die bereits erwähnte laminare Strömung des Kühlfluids vom einen zum anderen Ende des Zylinderblocks auch In den spitzen Obergängen 79 eingehalten werden kann, da bei einer hinreichend niedrigen Fließrate an diesen Stellen dann keine Gefahr einer Wirbelbildung besteht. Wegen der wesentlich höheren Fließrate der Bänder 83 und 84 besteht Indessen bei diesen in den spitzen Obergängen 79 eine solche Gefahr einer Wirbelbildung, die indessen dadurch ausgeschaltet werden kann, daß an diesen Stellen kleine Flüssigkeitssäulen 8o aufgebaut werden, die in einer Verbindung mit den Strömungskanälen 14 und 15 das Kühlfluid in solchen geringen Mengen in die Strömungskanäle 34 und 35 überleitet, daß dort ohne Unterbrechnung der laminaren Strömung evtl. entstehende Wirbel zerstört werden. Mithin 1st es möglich, mit dieser Ausbildung eines Kühlsystems eine gleichförmige Wandtemperatur des Zylinderblocks und der Zylinderköpfe von etwa 193° C und weniger auch im Hochleistungsbetrieb der Maschine aufrechtzuerhalten.

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In Fig.6 ist eine Draufsicht auf die Zylinderreihe einer herkömmlich ausgeführten Brennkraftmaschine gezeigt, bei der mithin alle einzelnen Zylinder 87 der Zylinderreihe 88 von ziemlich breiten Stegen 86 umfaßt sind. Diese eher wuchtigen Stege 86 ergeben eine entsprechend größere Materialansammlung, die auch unter dem Gesichtspunkt zu einer entsprechend massiven Ausbildung des Zylinderblocks eher vergrößert als verkleinert ist, daß darüber eine entsprechend einfache Verschraubung des Zylinderkopfes möglich wird. Mit dieser oder vergleichbaren Ausführungen des Zylinderblocks ist daher eher eine Zugbeanspruchung der einzelnen Zylinder gewollt worden, und zwar unter Verwendung relativ kurzer Bolzen, die dabei nahe der Trennebene in den Zylinderblock eingeschraubt wurden. Solche kurzen Bolzen können keine nennenswerte Druckbeaufschlagung der Zylinder des Zylinderblocks verursachen, da eine solche Druckbeaufschlagung voraussetzt, daß die maßgeblichen Druckkräfte praktisch an den Enden der Zylinder zur Einwirkung kommen.

In dieser Hinsicht liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, daß es durch Ausübung einer solchen statischen Druckbeaufschlagung der relativ dünnwandigen Zylinder andererseits möglich ist, die Ermüdungsfestigkeit des Materials, welche auf Grund einer im Betrieb der Maschine andauernden Verwindung der Zylinderwände zu berücksichtigen ist, ganz beträchtlich zu erhöhen ebenso wie auch die Seitenbelastung sowie den Widerstand gegenüber einer solchen Verwindung, wobei eine solche Druckbeaufschlagung andererseits noch die vorteilhafte Nebenerscheinung bringt, daß damit die Geräuschbildung im Betrieb der Maschine auf einen sehr niedrigen Pegel eingestellt wird. Wird hierzu das Schaubild der Fig.8 betrachtet, in welchem die Verwindung über dem Kurbelwinkel abgetragen ist, dann ist daraus ableitbar, daß beispielsweise in der Position 3 des Kolbens eine Verwindung des zugeordneten Zylinders von etwa o,o457 mm bei den herkömmlichen Brennkraftmaschinen auftritt mit einer Verwindung von nur etwa o,o177 mm bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform. Für diesen Vergleich wurde eine Prüfmaschine verwendet, bei der die Zylinderdecke als Bezugslinie für die drei Meßpositionen 1, 2 und 3 gewählt wurde, die in einem Abstand von 19,o5 mm, 38,1 mm und 5o,8 mm lagen. Für diese drei Meßpositionen wurden hinsieht-

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lieh der Verwindung die Kurven 1o5,1o6 und 1o7 bei der herkömmlichen Maschine ermittelt und andererseits die Kurven 1o8,1o9 und 11o für eine Maschine der erfindungsgemäßen Ausführungsform, womit erkennbar wird, daß solche Verwindungen der Zylinderwände erfindungsgemäß wesentlich besser unter Kontrolle gebracht werden können praktisch allein durch die Maßnahme, die Zylinderwände unter eine solche statische Druckbeaufschlagung von wenig-

stens etwa 175 kg/cm zu setzen.

Diese doch ziemlich hohe statische Druckbeaufschlagung der einzelnen Zylinderwände wird ermöglicht durch die beschriebene Anordnung der Bolzen J und 89, mittels welcher bei einer Fläche

des Auflagers von etwa 1,245 cm eine Druckbelastung von bald 1.265 kg/cm ausgeübt werden kann. Bei dieser Druckbelastung bestehen die Zylinderkopfdichtungen H zweckmäßig aus einer in Asbest eingebundenen Matrix aus rostfreiem Stahl und haben eine Gesamtdicke von etwa o,152 mm. Außerdem gilt hier roch der Hinweis, daß Jede auf die Zylinderwände einwirkende Seitenbelastung, die also eine Verwindung hervorrufen kann, zuerst die statische Druckbeaufschlagung überwinden muß, hinsichtlich welcher die Bolzen J und 89 eher als die maßgeblichen Lagerstutzen wirken, während die eigentlichen Zylinderwände eine eher belastungsfreie Abstützung darstellen. Da die größte Seitenbelastung im obersten Fünftel der Zylinder auftritt, können zur Verhinderung einer Verwindung der Zylinderwände kürzere Bolzen nicht gebraucht werden, weil es damit nicht möglich erscheint, für diesen Abschnitt eine genügend hohe Druckbeaufschlagung zu erreichen,und es wird daher eher zu einer solchen langen Ausbildung der Bolzen Zugriff genommen, bei denen also die Spannlänge die erreichbare Druckbeaufschlagung von wenigstens etwa 175 kg/cm und als Regel eine Druck-

beaufschlagung von etwa 21ο kg/cm bestimmt.

Für das Gießen des Zylinderblocks wird zunächst ein Modell 112 aus einem Material, wie Polysterol, gefertigt, das bei der Berührung mit der heißen Metallschmelze verbraucht wird, also unter Bildung von Gasen verdampft, wobei die Gase in die Schmelze eindringen. Das Modell 112 ist dabei zweckmäßig aus wenigstens zwei Teilen aufgebaut, von denen das eine Teil 112a die Anschlußenden

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bezüglich der Zylinderköpfe der einzelnen Zylinder sowie der zugeordneten Enden der umgebenden Strömungskanäle umfaßt, während das andere Teil 112b den restlichen Teil des Modells bildet. Das eine Modellteil 112a erhält zweckmäßig eine verbreiterte Auflagefläche für die beiden Zylinderkopfdichtungen, damit beim fertigen Gußteil eine hinreichende Abdichtung bezüglich der Zylinderköpfe erreichbar ist. Das Modell kann selbstverständlich noch weitere Teilungsebenen haben, sofern damit eine einfachere Handhabung und Herstellung möglich ist. Die einzelnen Modellteile werden vor dem Guß zusammengeklebt, wobei der Klebstoff ebenfalls eine Zusammensetzung haben sollte, die bei der Berührung mit der Metallschmelze vergast. Hinsichtlich der Herstellung eines solchen Modells kann im Falle der Verwendung von Polysterol zu einem herkömmlichen Dampfdrucksystem Zugriff genommen werden, bei dem die einzelnen Polysterolperlen in eine Form geblasen werden, welche dem zu gießenden Modell entspricht, wobei dann die Perlen unter dem Einfluß von Dampf eine wechselseitige Vereinigung erfahren und sich dabei der Formgebung der Form anpassen.

Das fertige Modell 112 wird dann zur Versteifung und Erhaltung seiner Abmessungen mit einer Beschichtung versehen, beispielsweise durch ein Eintauchen des Modells in ein aus dieser Beschichtung gebildetes Bad, wobei die Beschichtung gegenüber der Metallschmelze beständig sein muß. Das mit dieser Beschichtung überzogene Modell wird dann in einen Formkasten 113 eingelegt und mit trockenem Sand 114 bedeckt, wobei ein Unterdruck über einen Siebboden 115 der Form 113 angelegt werden kann, damit aller eingebrachter Sand eine hinreichende Verdichtung erfährt. Zur Verdichtung des eingebrachten Sandes kann die Form auch geschüttelt werden, wofür mit dem Kasten 116 eine geeignete Schüttelvorrichtung angedeutet ist, und zweckmäßig wird schließlich auch noch über Leitungen 117 Luft zugeleitet, um die Oberfläche des Modells an bestimmten Stellen mit einem Luftkissen abzudekken. Es wird dann die heiße Metallschmelze über einen Anguß 118 des Modells zugeleitet, wobei alle Hohlräume ausgefüllt werden, die bei dieser Zuleitung durch den Verbrauch des Modells geschaffen werden, so daß nach der Erstarrung der Metallschmelze die Gießform geöffnet und aller am Gußstück anhaftender Sand entfernt werden kann. Das fertige Gußstück hat mithin dann unter

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Verwendung nur eines einzigen Modells als Kern die bereits fertige Formgebung, die für den Zylinderblock A aus den Fig.1 und 2 hervorgeht, wobei es das Her beschriebene Gießverfahren erlaubt, die Wände 1o und 11 mit einer Dicke von etwa o,457 cm und die Außenwände 12,13 mit einer Dicke von etwa o,381 cm zu versehen. Weiterhin erlaubt es dieses Gießverfahren, die Trennwände 23 mit einer Dicke von etwa o,5o8 cm zu versehen sowie die Stirnwände 21,22 mit einer Dicke von etwa o,635 mm, während die Böden 16 der Strömungskanäle 14 und 15 eine Dicke zwischen etwa o,635 und o,762 cm erhalten können. Die Trennwände 19 können eine Dicke von wenigstens etwa o,7112 cm erhalten, so daß es insgesamt möglich ist, mit diesen Dimensionen des Zylinderblocks ausweislich der Tabelle in Fig. 16 gegenüber der herkömmlichen Ausführungsform eine Gewichtseinsparung von etwa 18,2 kg zu erreichen.

Was weiter das Gießen des Zylinderkopfes anbetrifft, so wurde dafür bis jetzt im Stand der Technik ein mit grünem Formkasten gefüllter Formkasten mit einer oberen und mit einer unteren Formkastenhälfte 125 bzw. 126 (Fig.17) benutzt, wobei zur Ausbildung der einzelnen Hohlräume ein erster Kern 128 für die einzelnen Auslaßkanäle, ein zweiter Kern 129 für die einzelnen Einlaßkanäle und ein zweiteiliger Kern 13oa,13ob für die Hohlräume des Kühlmantels des Zylinderkopfes verwendet wurden. Der Zugriff zu solchen insgesamt fünf Sandformen und Sandkernen ist darin nachteilig, daß damit nur weniger verschleißfeste Legierungen vergossen werden können, so daß in die Führungsbohrungen für die einzelnen Ventile sowie auch für die eigentlichen Ventilsitze und weitere einem erhöhten Verschleiß unterliegende Bereiche des gegossenen Zylinderkopfes hinreichend verschleißfestere Einsätze, Druckscheiben u.dgl. bereitzustellen sind, was selbstverständlich die Herstellungskosten eines solchen Zylinderkopfes stark erhöht. Es ist außerdem mittels eines solchen Sandgusses nicht möglich, verhältnismäßig sehr dünne Wandstärken einzuhalten, weshalb auch eine nur eher unwesentliche Gewichtseinsparung erhalten wird, wobei für die bekannten Konstruktionen noch gilt, daß trotz der dabei zur Anpassung an die veränderten Verhältnisse beim Aluminiumguß bis jetzt eine sehr enge Anlehnung an

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für Gußeisen hergestellten Konstruktionen gewahrt ist. Das zeigt sich nicht zuletzt darin, daß zum Vergießen solcher Zylinderköpfe eine bis zu mindestens etwa 1,56-fache Menge der Masse zum Vergießen kommt, die letztlich am fertig bearbeiteten Gußstück vorhanden ist, d.h. außer gewissen gießtechnischen Schwierigkeiten fallen beim herkömmlichen Aluminiumguß größere Lohnkosten an, womit erklärlich ist, daß sich der Aluminiumguß auf diesem Gebiet bis heute noch kaum durchsetzen konnte.

Die gießtechnischen Schwierigkeiten, die hier kurz angesprochen sind, ergeben sich für die bekannten Zylinderköpfe hauptsächlich im Umfang des äußeren Kühlmantels, für dessen einzelne Strömungskanäle 21o bis 213 eine Vielzahl von einzelnen Trennwänden 214 bis 218 hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt angelegt sind, daß durch diese Trennwände die ursächlich durch die Strömungskanäle geschwächte Festigkeit des Zylinderkopfes erhalten werden muß, und zwar unter Einhaltung eines so großen Sicherheitsfaktors, daß bei den ziemlich hohen Temperaturen keine Rißgefahr besteht. Dieser Rißgefahr wurde bei den bekannten Zylinderköpfen weiter dadurch begegnet, daß eben die einzelnen Strömungskanäle für das Kühlfluid eine möglichst breite Fächerung erhalten haben, wobei zwangsläufig ein ständiger Wechsel der Strömungsrichtung hingenommen werden mußte mit der Folge von doch unvermeidbaren Wärmestaus in einzelnen Teilbereichen des Zylinderkopfes in Kombination mit Unterkühlungen anderer Teilbereiche. Diese Erkenntnis kann ohne weiteres auch aus den in Fig. 2o A dargestellten Kernen 22o,221 und 222 abgeleitet werden, die für die typische Ausbildung eines Kühlmantels verwendet werden und zeigen, daß bei solchen eher ungeordneten Strömungskanälen für das Kühlfluid das Entstehen von Wirbelbildungen doch eher unvermeidbar ist wie auch das Entstehen von eher innerhalb weiterer Grenzen wechselnder Fließraten, verursacht durch eine entsprechende Veränderung des Strömungsquerschnittes. Im übrigen kann gleichzeitig über den einen Kern 221 gezeigt werden, daß damit im Umfang der Teilbereiche 223,224 und 225 doch ziemlich massive Wandstärken für die damit erreichte Ausbildung der Ein- und Auslaßkanäle für das Brenngemisch und die Verbrennungsgase erzwungen werden, was eben kaum die Möglichkeit einer wirksamen Verringerung des Gewichts ergibt.

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Im Vergleich dazu stellt der Zylinderkopf gemäß Erfindung keine erhöhten Anforderungen an die Technik des Vergießens, was bereits aus der Darstellung in Fig.18 herleitbar ist. Gezeigt ist hier eine aus drei Teilen 131,132 und 133 bestehende Gießform, die entsprechend der B'ormgebung des Zylinderkopfes einen im Querschnitt etwa dreieckförmigen Hohlraum aufweist. Die im übrigen für eine Dauerverwendbarkeit massiv ausgeführten Formteile sind dabei so angelegt, daß sie in Kombination mit nur einem Sandkern 139 die Formgebung der verschiedenen Wände 134 bis 137 unmittelbar bestimmen. Dies ist möglich, weil bei dem Zylinderkopf auf die Anlage eines besonderen Kühlmantels verzichtet ist und stattdessen in der Trennebene mündende Nuten 167 und 168 vorgesehen sind, welche also die zwischen den Wänden 3o,32 und 31,33 verlaufenden Strömungskanäle 34 und 35 des Zylinderkopfes bestimmen. Die Verwendung einer solchen dauerhaften Form anstelle der Sandform bringt dabei noch den weiteren Vorteil, daß jetzt praktisch alle Aluminiumlegierungen vergossen werden können,einschl. solcher mit einem hohen Siliziumgehalt, wobei die Gefahr einer Oxydation an der ohne weiteres auch komplexer zu gestaltenden Oberfläche des Gußstückes sehr gering ist und es mithin nicht erforderlich wird, eine intensivere Nachbearbeitung mit dem bei dem bekannten Aluminiumguß doch ziemlich hohen Späneanfall vorzunehmen. Es ist mithin nur erforderlich, die etwa 1,1-bls 1,2-fache Masse des fertigen Gußstückes zum Vergießen zu bringen, was gegenüber dem obigen Wert von wenigstens etwa 1,56 eine doch sehr wesentlicheEinsparung ergibt, die darüberhinaus ein entsprechend saubereres Arbeiten erlaubt.

Die Konstruktion des Zylinderkopfes ist im übrigen so gestaltet, daß dafür auch ein Vergießen mit Niederdruck unter Verwendung beispielsweise eine Gießanlage der in Fig.21 schematisch gezeigten Art in Betracht kommt. Diese Gießanlage umfaßt eine Formstation A, in welcher die Formkastenteile 141 und 142 über einem mittels einer Hydraulikeinrichtung 151 zugeführten Sandkern geschlossen werden und welche oberhalb eines Herdes B angeordnet ist, der eine Füllkammer 143 als Speicherraum für die Metallschmelze aufweist. Die Füllkammer 143 ist mit einem äußeren Isoliermantel 144 versehen und durch einen Druckdeckel 145 nach oben abgeschlossen, wobei dieser Druckdeckel von einem Steigrohr 153

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durchsetzt ist, das in Anschlußstutzen 152 für die Gießform endet. An die Füllkammer 143 ist andererseits ein Zuführungskanal 147 für die in einem Schmelzofen aufgeschmolzene Metallschmelze angeschlossen, die in der Füllkammer 143 des Herdes B durch eine Heizeinrichtung 146 auf der für das Vergießen gewünschten Temperatur gehalten wird. Die für einen Gießvorgang nicht mehr benötigte Restmenge der Metallschmelze wird im übrigen aus der Füllkammer 143 des Herdes B wieder in den Schmelzofen zurückgeleitet, und zwar über einen Schieber 148, der dann für diesen Rücklauf der Metallschmelze geöffnet wird. Wenn mithin die Gießform mittels der an einem Ständer 15o der Gießanlage geführten hydraulischen Hubeinrichtung 149 zum Anschluß an das Steigrohr 153 gebracht ist, dann wird die in der Füllkammer 143 des Herdes B gespeicherte Metallschmelze über das Steigrohr 153 nach oben in die Hohlräume der Gießform gedrückt werden, wobei dieses Hochdrücken solange andauert, bis der Verfestigungsprozeß der Metallschmelze in der Gießform abgeschlossen ist.Es kann damit gleichzeitig jede Schrumpfung während des Verfestigungsprozeßes ausgeglichen werden, so daß eine entsprechend große Maßgenauigkeit erhalten wird, wobei dieses Niederdruckverfahren außerdem noch darin vorteilhaft ist, daß zum Zusammenklemmen der Formkastenteile nur eine Druckkraft von etwa o,2 bis o,3 at benötigt wird im Vergleich zu einer Druckkraft von immerhin zwischen etwa 5oo und 7oo at, die beim Hochdruckguß benötigt wird. Es ist daher im Gegensatz zu diesem Hochdruckguß bei dem hier vorgeschlagenen Niederdruckguß auch möglich, Sandkerne einzusetzen, weil diese Sandkerne ohne weiteres den Druckkräften standhalten, die beim Hochdrücken der Metallschmelze über das Steigrohr 153 ausgeübt werden. Es ist daher andererseits auch möglich, den Zylinderkopf beispielsweise hinsichtlich der Zylinderdecken und der in diesen mündenden Ein- und Auslaßkanäle so zu gestalten, daß ein optimaler Verbrennungsablauf und damit eine optimale Brennstoff nutzung erreicht wird. Weiter bringt dieses Niederdruckverfahren den Vorteil, daß der Anteil an oxydierter Metallschmelze auf ein Minimum verringert werden kann, denn diese oxydierte Metallschmelze verbleibt an der Oberfläche des Schmelzbades in der Füllkammer 143 des Herdes B und braucht mithin nicht wie beispielsweise beim Fallguß ständig abgeschöpft zu werden, wenn ein Vordringen in die Gießform verhindert werden soll. Außerdem hat

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dieser Niederdruckguß den Vorteil, daß er verhältnismäßig schnell durchführbar ist, so daß bei einer entsprechenden Konditionierung mit einer solchen Anlage immerhin bis zu etwa 3o Gußstücke pro Stunde und pro Gießform vergossen werden können mit einem Schrottanfall von maximal nur etwa 3 %.

Wenngleich die Formgebung des gesamten Zylinderkopfes nicht auf eine entsprechend einfache geometrische Form reduziert werden kann, ist es doch entsprechend dem oben bereits gegebenen Hinweis möglich, wenigstens den Querschnitt des Zylinderkopfs als dreieckförmig zu bezeichnen, wobei die entsprechenden Füllflächen in Längsrichtung des Zylinderkopfes durch die Wände 155,156 und 157 gebildet sind. Die Nuten I67 und 168 haben dabei eine Breite von nicht mehr als etwa 1,27 cm, wobei jedoch in den spitzen Übergängen eine etwas größere Verbreiterung vorliwgt, um dort eine entsprechende Sicherheit zur Verhinderung einer Wirbelbildung zu erhalten. Außerdem sind an diesen Übergängen die Schraubbolzen angesetzt, so daß dort auch eine etwas größere Gußmasse angesammelt ist, die es erforderlich macht, an dieser Stelle für eine etwas stärkere Wärmeabfuhr zu sorgen, ohne daß dadurch allerdings die laminare Strömung des Kühlfluids gestört wird.

Was die Verschleißfestigkeit des Gußes anbetrifft, so ist es möglich, die hierfür besonders anfälligen Stellen ohne größeren Aufwand nachzubehandeln. Besonders verschleißanfällig sind die Ventilsitze 17o (Fig.25) und die FUhrungsbohrungen 171 für die Schäfte 172 der Ventile. Für eine diesbezügliche Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist zweckmäßig vorgesehen, insbesondere einen Laser-Strahl oder einen sonstigen, hochenergetischen Strahl mit einer Strahlungsenergie von wenigstens etwa 10.000 Watt/cm auf diese Bereiche auszurichten und mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit zu überstreichen, so daß nicht nur eine entsprechend starke Erwärmung dieser Zonen auftritt, sondern vielmehr andererseits eine eher augenblickliche Abschreckung Jeder von dem Laser-Strahl zuvor getroffenen Stelle, so daß zu dieser Stelle hin eine Diffusion der Legierungsanteile des Aluminiumgusses stattfindet, die mithin die gewünschte Erhöhung der

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Verschleißfestigkeit ergeben. Dieser Diffusionsvorgang in der betroffenen Oberfläche kann weiter dadurch verstärkt werden, daß noch vor dem Überstreichen mit dem Laser-Strahl die betroffene Oberfläche mit einer die nötigen Legierungselemente enthaltenden Paste oder mit einem Spray beschichtet wird oder daß in den Laser-Strahl ein mit den gewünschten Legierungselementen legierter Draht gehalten wird, so daß die Legierungselemente durch den Laser-Strahl auf die betroffene Oberfläche praktisch aufgedampft wird und dabei eine intensive Vereinigung mit dem Aluminiumguß bzw. dessen durch den Diffusionsvorgang an die Oberfläche geholten Legierungsanteilen erhält. Mithin ist dann in solchen Bereichen eine an Legierungsanteilen reichere Zone ausgebildet, die auf Grund einer sehr festen Einbindung in die Grundmasse eine sehr hohe Verschleißfestigkeit entwickelt, so daß es selbst möglich ist, den Zylinderkopf aus der insgesamt nur wenig verschleißfesten Aluminiumlegierung 355 zu gießen, sofern diese in der Anwendung sehr einfache Nachbehandlung mitt Is eines Laser-Strahls vorgenommen wird. Dabei ist diese Aluminiumlegierung sogar der einen höheren Siliziumgehalt aufweisenden Aluminiumlegierung 39o überlegen, weil sie eine größere Vergleichmäßigung des Diffusionsvorganges erlaubt. In diesem Zusammenhang sind noch die Schaubilder der Fig.26 bis 28 von Interesse, in denen Vergleichsdaten für die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes (Fig.26) bzw. der Führungsbohrung für den Schaft eines Auslaßventils (Fig.27) bzw. der Führungsbohrung für den Schaft eines Einlaßventils (Fig.28) grafisch dargestellt sind. Bei dem Schaubild der Fig.26 sind mit den Meßbalken A die Meßwerte bei einem Uylinderkopf aus Gußeisen festgehalten, der mit einer Gießform der in Fig.17 gezeigten Art hergestellt wurde. Unter den maßgeblichen Versuchsbedingungen ergab sich dabei nach einer Betriebszeit von 18o Stunden ein Verschleiß am Ventilsitz in der absoluten Größe von 1,8 χ 1o , während nach sogar 3oo Betriebsstunden bei dem aus der Aluminiumlegierung 39o gegossenen und mit einem Laser-Strahl am Ventilsitz nachbehandelten Zylinderkopf entsprechend der Meßbalken B der nur etwas höhere Verschleiß von 3 x 1o gemessen werden konnte bzw. entsprechend der Meßbalken C ein Meßwert von etwa 2 χ 1o bei einem aus der Aluminiumlegierung 355 gegossenen Zylinderkopf, bei dem ebenfalls der vergleichbare Ventilsitz mit einem Laser-Strahl nachbehan-

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delt worden war. Auch aus den in Fig.27 dargestellten Meßbalken ist ableitbar, daß der Verschleiß einer mit einem Laser-Strahl nachbehandelten Führungsbohrung bei einem aus der Aluminiumlegierung 355 gegossenen Zylinderkopf praktisch gleich demjenigen bei einem Zylinderkopf aus Gußeisen ist, wobei in diesem Fall allerdings ein wesentlich höherer Verschleiß bei einem aus der Aluminiumlegierung 39o gegossenen Zylinderkopf auftritt. Das Schaubild der Fig.28 weist schliesslich aus, daß hier eine doch ganz beträchtliche Verringerung des Verschleißfaktors erhalten werden kann, wenn die FUhrungsbohrung für den Schaft eines Einlaßventils in einem aus der Aluminiumlegierung 355 gegossenen Zylinderkopf mit einem Laser-Strahl nachbehandelt wird, wobei auch in diesem Fall entsprechend den Meßbalken B mit dem Gußeisen ohne weiteres vergleichbare Meßwerte für die Aluminiumlegierung 39o erhalten werden. Es kann damit allgemein festgehalten werden, daß bei Verwirklichung einer solchen Nachbehandlung mit einem Laser-Strahl der für einen erhöhten Verschleiß anfälligen Bereiche der aus Aluminium gegossene Zylinderkopf gemäß Erfindung Festigkeitswerte entwickelt, die praktisch in der gleichen Größenordnung liegen wie die entsprechenden Festigkeitswerte eines aus Gußeisen hergestellten Zylinderkopfes.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumguß eine Wärmeisolierung der Auslaßkanäle des Zylinderkopfes unbedingt erfroderlich ist, um zu erreichen, daß beim Ausströmen der Verbrennungsgase in die Wirbelkammer des AuslaßkrUmmers noch eine befriedigende Nachoxydation stattfindet und somit die Schadstoffanteile in den Auspuffgasen hinreichend niedrig gehalten werden können. Eine solche Nachoxydation ist sicherlich nicht möglich, wenn den Verbrennungsgasen durch eine intensive Abkühlung des Zylinderkopfes die Wärme rasch entzogen wird, was indessen erfindungsgemäß dadurch verhindert wird, daß in die einzelnen Auslaßkanäle selbsttragende Auskleidungen 18o eingesetzt werden, die über einen als Wärmeisolierung wirksamen Luftspalt 181 von der umgebenden Wand des jeweiligen Auslaßkanals getrennt sind. Das Einsetzen der Auskleidungen 18o in die einzelnen Auslaßkanäle ist dabei relativ einfach, weil auf Grund der besonderen Gießtechnik die Auslaßkanäle praktisch geradlinig ausgebildet sind, so

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daß also die Auskleidungen nur axial in die Auslaßkanäle eingeschoben werden müssen und dann in diesen durch eine Sicke 186 gehalten werden, die aus dem Blechmaterial einer beispielsweisen Dicke von etwa oj6 mm der Auskleidung herausgedrückt ist.Über das äußere Ende 181a der Auskleidung 18o ist außerdem zweckmäßig ein Befestigungsflansch 184 übergestülpt und an dem Blechmaterial angeschweißt, so daß darüber der Isolierspalt 181 eine einfache Abdichtung erfahren kann und gleichzeitig die Auskleidung an der Außenwand des Zylinderkopfes angeschlagen und damit fixiert wird. Im übrigen ist bezüglich der Ausbildung der Auslaßkanäle beim erfindungsgemäßen Zylinderkopf noch die Besonderheit erfüllt, daß der Mündungsquerschnitt 182 um etwas mehr als 2o % größer ist als bei den Auslaßkanälen von Zylinderköpfen bekannter Ausführungsform, was in Fig.34 mit der schraffierten Kreisfläche 19o im Vergleich zu der blanken Rechteckfläche 189 verdeutlicht ist, wobei dieser Unterschied nochmals aus den vergleichenden Darstellungen der Fig.31 hervorgeht, bei der die linke Darstellung (a) die Ein- und Auslaßkanäle eines herkömmlich ausgeführten Zylinderkopfes zeigt, und zwar für den Vergleich des Mündungsquerschnittes 189 des Auslaßkanals mit den Mündungsquerschnitten 19o und 198 der Auslaßkanäle bei einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf, wobei der größere Mündungsquerschnitt 198 gemäß der mittleren Darstellung (b) für die Verhältnisse ohne eine Auskleidung gilt.Die Einlaßkanäle 199 sind bei diesem Vergleich uninteressant, indem es dabei auf keine vergleichbar hohe Temperaturbeaufschlagung ankommt bzw. der maßgebliche Wärmeaustausch an diesen Einlaßkanälen eher uninteressant ist. Um bei der Auskleidung 18o eine wirksame Wärmeisolierung gegenüber der umgebenden Wand des Auslaßkanals zu erhalten, sollte der Luftspalt 181 eine Dicke von wenigstens etwa 1,15 cm erhalten, wobei dann allerdings auch noch die Materialwahl für die Auskleidung eine bestimmte Rolle spielt.

Wie letztlich noch aus den Schaubildern der Fig.36,37 und 38 ableitbar ist, ist entsprechend der Kurve 2o1 in Flg.36 bei einer Brennkraftmaschine bekannter Ausführungsform mit einer höheren Leistung zu rechnen im Vergleich zu der entsprechend der Kurve 2oo erreichbaren Leistung mit einer Brennkraftmaschine der erfindungsgemäßen AusfUhrungsform, jedoch ist damit entsprechend der Linie 2o3 in Fig.37 ein günstigerer spezifischer Brennstoffverbrauch erreichbar wie auch entsprechend der Linie 2o4 in Fig.38 ein günstigerer thermischer Wirkungsgrad.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-INC. HANS-PETER GAUCER

TAL 71

BOOO MÜNCHEN Q

IHR /EICHEN YOUR KEF.:

Ansprüche mein zachen GFK-2747

MY REF.ι

1.; Gehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, das aus einem Zylinderblock mit wenigstens einer Reihenanordnung einzelner aufrechter Zylinder und einem damit zusammengeschraubten Zylinderkopf besteht, die beide aus Metall gegossen und mit einem äußeren Kühlmantel versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Zylinder des Zylinderblocks (A) für eine statische Druckbeaufschlagung von wenigstens etwa 175 kg/cm ihrer bis auf die benachbarten Zylinder gemeinsamen tangentialen Trennwände (19) im wesentlichen abstützungsfreien Zylinderwände (1o,11) ausgebildet sind und ihre für die Mantelkühlung maßgebliche Außenfläche über wenigstens die halbe obere Zylinderhöhe von einem im wesentlichen konturengleichen Strömungskanal (14,15) für eine bandförmige Strömung (81,82) des Kühlfluids entlang der einzelnen Zylinder vom einen zum anderen Ende des Zylinderblocks umgeben ist, und daß im Zylinderkopf (B) mit den Zylindern des Zylinderblocks (A) gleiche und über eine jeweilige Ringlippe anschließbare Zylinderdecken (38) ausgebildet sind, deren für die Mantelkühlung maßgebliche Außenfläche über wenigstens die halbe untere Höhe von einem ebenfalls im wesentlichen konturengleichen Strömungskanal (34,35) für eine entsprechende bandförmige Strömung (83,84) des KUhlfluids entlang der einzelnen Zylinderdekken vom einen zum anderen Ende des Zylinderkopfes umgeben ist.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Strömungskanäle (14,15,34,35) des Zylinderblocks (A) und des Zylinderkopfs (B) in deren gemeinsamer Trennebene münden und durch eine in der Trennebene angeordnete Zylinderkopfdichtung (H) gegeneinander abgedichtet sind.

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3. Gehäuse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichne t, daß die Strömungskanäle (14,15,34,35) des Zylinderblocks (A) und des Zylinderkopfs (B) über eine am einen Ende der Trennebene in der Zylinderkopfdichtung (H) ausgebildete Durchtrittsöffnung (76) miteinander verbunden sind.

4. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinderblock (A) durch Schraubbolzen (J,89) zusammengehalten sind, die in mit den tangentialen Trennebenen (19) im wesentlichen gemeinsamen Ebenen angesetzt sind.

und der Zylinderkopf (B)

5. Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Schraubbolzen (J.89) bezüglich der einzelnen Zylinderachsen mit einem Winkelabstand von etwa 9o° angeordnet sind.

6. Gehäuse nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Schäfte (92) der mit einem vergrößerten Kopf (9o,95) an der Oberseite des Zylinderkopfes (B) anliegenden Schraubbolzen (J,89) durch den Zylinderkopf hindurchgesteckt sind für eine Verschraubung des jeweiligen Schraubengewindes in Gewindelöchern (93,97), die im Boden des Zylinderblocks (A) ausgebildet sind.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinderblock aus Gußeisen und der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung gegossen ist, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens etwa ο,28 cal/s cm C hat und weniger als 5 % Legierungsanteile aufweist.

8. Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierungsanteile der Aluminiumlegierung aus der Gruppe Silizium, Kupfer, Nickel, Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän, Zirkonium, Vanadium, Magnesium, Zink, Chrom, Kobald, Mangan und Titan ausgewählt sind.

9. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder des Zylinderblocks (A) und

die äußere Begrenzungswand (12,13) des umgebenden Strömungskanals (14,15) eine Wanddicke von nicht mehr als etwa o,38 cm haben.

1ο. Gehäuse mindestens nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet , daß in den spitzen Übergängen (79) der etwa halbzylindrischen Abschnitte der äußeren Begrenzungswand (12,13) für den die Zylinder des Zylinderblocks (A) umgebenden Strömungskanal (14,15) die Stecklöcher für die Schraubbolzen (J,89) ausgebildet sind.

11. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinderkopf (B) hinsichtlich der Massenverteilung einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt aufweist und durch für die Anordnung der Ein- und Auslaßventile unter einem Stellwinkel von etwa 7o° gegen die Trennebene vorgesehene Zwischenstege versteift ist.

12. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Gußmasse des Zylinderblocks (A) zum Arbeitsvolumen der Zylinder im Verhältnis von etwa 1:3 gehalten ist.

13. Gehäuse mindestens nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens die FUhrungsbohrungen (42,71) im Zylinderkopf (B) für die Schäfte (4o,172) der Ein- und Auslaßventile eine mit den Legierungsanteilen der Aluminiumlegierung angereicherte Zone aufweisen.

14. Gehäuse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die mit den Legierungsanteilen der Aluminiumlegierung angereicherte Zone eine Tiefe von etwa o,o635 bis o.o76 cm hat.

15. Gehäuse nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Legierungsanteilen angereicherte Zone durch einen mittels eines Laser-Strahls erzeugten Diffusionsvorgang erhalten ist.

16. Gehäuse nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß auch die an den Auslaßkanälen für die Auslaßventile ausgebildeten Ventilsitze eine mit den Legierungsanteilen der Aluminiumlegierung angereicherte Zone einer vorzugsweise mit den Führungsbohrungen (42,171) gleichen Tiefe haben.

17. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßkanäle des Zylinderkopfs (B) für die jeweilige Anordnung einer selbsttragenden Auskleidung (18o) ausgebildet sind, die bezüglich der umgebenden Kanalwand durch einen Luftspalt (181) getrennt ist.

18. Gehäuse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß der um jede metallische Auskleidung (18ο) herum ausgebildete Luftspalt (181) eine Dicke von nicht weniger als etwa o,1 cm hat.

19. Gehäuse nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet , daß die metallischen Auskleidungen (18ο) eine Blechdicke von etwa o,8 mm haben.

Po. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Strömungskanal (34,35) des Zylinderkopfs (B) in einem Abstand von mehr als etwa 2,54 cm von den einzelnen Auslaßkanälen ausgebildet und ein weiterer Strömungskanal (77) vorgesehen ist, der von den Auslaßkanälen einen Abstand von nur etwa o,12 cm einhält und eine Ouerschnittsflache

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von etwa 3,87 cm aufweist.

21. Gehäuse nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet , daß der weitere Strömungskanal (77) als eine Längsbohrung des Zylinderkopfs (B) ausgebildet ist.

22. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinderblock (A) unter Verwendung eines Kernes (112) gegossen ist, der aus einem bei der Berührung mit der Metallschmelze sich verbrauchenden Material, wie Polysterol, besteht.

23. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (B) im Niederdruck-Steigguß unter Verwendung eines Sandkernes hergestellt ist.

24. Anlage zum Vergießen des Zylinderkopfs für ein Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch einen vorzugsweise temperaturgesteuerten Speicherraum (143) für die Metallschmelze, der über wenigstens ein Steigrohr (153) mit einer darüber angeordneten Formstation (A) verbunden ist, in welcher die aus zwei über einem Sandkern geschlossenen Formhälften (141,142) bestehende Gießform für einen Füllvorgang der Metallschmelze zum Anschluß an das Steigrohr gebracht wird.

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