DE3723468A1 - Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents
Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine entsteht in den
Wänden des Zylinderkopfes durch das Vorhandensein einer
kalten Einlaßseite und einer warmen Auslaßseite ein Tempe
raturgefälle. Dabei versucht der Innensteg der Brennraum
platte infolge seiner höheren Temperatur sich mehr als die
kälteren Außenstege auszudehnen. Dieser wird jedoch durch
die Außenwände des Zylinderkopfes daran gehindert, wodurch
in der heißen Stegzone Druckspannung entsteht. Infolge der
dort herrschenden höheren Temperaturen kommt der Steg
näher an die Werkstoffquetschgrenze (0,2-Grenze). Beim
Überschreiten dieser Grenze erfährt der Steg eine merkli
che Stauchung, die bei einer folgenden Kühlung des Zylin
derkopfes zu Zugspannungen führt. Durch den dauernden
Spannungswechsel bei Laständerungen und beim Abstellen des
Motors entstehen in der Brennraumplatte feine Haarrisse,
die zum Reißen des Steges führen können. Darüber hinaus
kann durch Überschreitung der Quetschgrenze eine bleibende
Verformung in der Brennraumplatte entstehen, die das Un
rundwerden der Ventilöffnungen verursacht und damit einen
örtlich begrenzten Ventiltrag bewirkt, welcher zu Ventil
schlag und Leistungsabfall führt.
Um der Ventilsitzverformung und Rißbildung am Zylinderkopf
entgegenzuwirken, wurde gemäß DE-PS 10 01 860 eine Lösung
vorgeschlagen, wo im Zylinderkopfboden brennraumseitig
Dehnfugen vorgesehen sind, die etwa so tief wie die halbe
Dicke des Zylinderkopfbodens gehen und durch Blechgerüst
ausgefüllt bzw. ausgekleidet sind, welches ohne metalli
sche Bindung in den Zylinderkopf eingegossen ist. Bis zur
angegebenen Tiefe der Dehnspalte, die kleiner als die
Einsenkungstiefe für die Ventilsitzringe in die Bodenplat
te hineingehen, gelingt es, die beim Erkalten der Boden
platte sich ergebenden Zugspannungen abzubauen, jedoch
bleibt die Spannungskonzentration am Ende der Dehnspalte
vorhanden, und kann dort nach wie vor zur Rißbildung füh
ren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Zylinderkopf so zu gestalten, daß zur Vermeidung von Steg
rissen der thermisch hoch belastete Steg sich mehr als die
kälteren Außenwände dehnen kann, um Druckspannungen weit
gehend abzubauen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnen
de Merkmal des ersten Anspruchs gelöst.
Der erfindungsgemäße Zylinderkopf weist in der Brennraum
platte in axialer Richtung zur Bodenebene mindestens eine
Bohrung auf, die vorteilhafterweise im Stegbereich in der
Teilungsebene zwischen den Ein- und Auslaßventilen etwa
parallel zur Brennraumplatte verläuft und annähernd senk
recht zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte der
Ein- und Auslaßventilöffnungen liegt. Die in der Stegzone
auftretenden Druckspannungen werden durch die Wände der
Hohlräume der Bohrung in Form von elastischen Deformatio
nen abgefangen und dem Stegbereich eine Ausdehnungsmög
lichkeit verschaffen, wodurch die vorhandenen Wärmespan
nungen weitgehend abgebaut werden können.
Aus der Patentschrift DE-PS 17 51 407 ist zwar ein
Zylinderkopf für luftgekühlte Brennkraftmaschinen bekannt,
wo zwecks intensiver Kühlung ein Druckölkanal
unmittelbar oberhalb des die Ventilsitze trennenden
Ventilsteges und Kühlrippen für die Luftkühlung oberhalb
des Druckölkanals auf der Oberfläche des Zylinderkopfes
angeordnet ist. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige
Temperaturverteilung im Zylinderkopf erreicht werden.
Weiterhin ist aus der DE-PS 20 27 623 ein Zylinderkopf für
Brennkraftmaschinen bekannt, wo innerhalb der Kühlkanäle
zur Verwirblung des Kühlflüssigkeitsstromes und
Vergrößerung der Kühlfläche Einsätze angeordnet sind.
Bei einem aus der GB-PS 5 48 101 bekannten Zylinderkopf ist
durch einen am Schmiersystem angeschlossenen
Kühlführungskanal im Bereich des Auslaßventils und im
Stegbereich mittels Schmieröl die Ventilführung und der
Zylinderkopfboden gekühlt.
Die vorgenannten Druckschriften befassen sich gezielt
damit, durch Zwangsführung von Flüssigkeit innerhalb des
Zylinderkopfes, diesen intensiv durch Wärmeabtragung
durch das Kühlmittel zu kühlen und betreffen jedoch
keine gattungsgemäße Brennkraftmaschine.
Bei den nach der Erfindung ausgebildeten Zylinderköpfen
ist es bei Neuherstellung wirtschaft
licher den Hohlraum durch ein im Stegbereich eingegossenes
dünnwandiges Rohr zu bilden was vom Zeitaufwand her und
kostenmäßig günstig ist.
Die Bohrung beansprucht in axialer Richtung eine Höhe, die
der Einsenkungstiefe für die Ventilsitzringe in der Brenn
raumplatte entspricht. Damit kann die durch Wärmeströmung
auf der gesamten Ventilsitzhöhe in der senkrechten Rich
tung entstehende Druckspannung abgefangen und durch Ver
formung der Bohrungswandungen abgebaut werden.
Je nach Zylinderkopfgröße und der entsprechenden Dicke der
Brennraumplatte kann es vorteilhafter sein, mehrere Boh
rungen gleichen Durchmessers übereinander zu schneiden
bzw. mehrere Röhre im Stegbereich einzugießen die dem Steg
die gewünschte Dehnungsmöglichkeit verschaffen, ohne die
Stegpartie durch eine viel zu groß geschnittene Einzel
bohrung oder Einzelrohr zu schwächen.
Um den konstruktiv notwendigen seitlichen Mindestabstand
zu den Ventilöffnungen beiderseits der Bohrungen zu halten
und sich der Steggestaltung anzupassen, können diese auch
kreisrund mit verschiedenen Durchmessern oder mit ovalem
Querschnitt hergestellt werden. Dabei ist es gleichgültig
ob sich die Querschnitte in axialer Richtung vergrößern
oder verjüngen.
In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist die
Bohrung durchgehend geführt. Diese Bohrungsausführung ist
insbesondere bei Vierventilzylinderköpfen und höheren
thermischen Motorbelastung, wie es bei schnellaufenden
Hochleistungsmotoren vorkommt, zweckmäßig, um die gesamte
Länge des thermisch hoch beanspruchten Stegbereiches zu
decken, so daß dieser sich auf der gesamten Bohrungslänge
verformen kann und die vorhandenen Druckspannungen weit
gehend abbaut.
Nach Anspruch 8 und 9 ist es bei einem normal belasteten
Zylinderkopf wirtschaftlicher, die Bohrung als Sackloch
bohrung bis knapp vor die Bohrung der Einspritzdüse zu
gestalten und offenzulassen.
Eine Ausführung nach Anspruch 10 und 11 stellt eine Ge
staltung der Dehnungsbohrung dar, die dem thermischen
Zustand des Zylinderkopfes individuell angepaßt werden
kann. Der Belastung des Stegbereiches entsprechend, soll
die Länge der Bohrung bzw. des eingegossenen Rohres bemes
sen sein um der gesamten Stegzone die Möglichkeit zu ge
ben, sich auszudehnen. Schneidet sich die Bohrung mit der
Einspritzdüsenbohrung, so soll sie mit geeignetem Ver
schlußteil gasdicht verschlossen werden, um ein Durchbla
sen aus dem Brennraum des Zylinderkopfes zu unterbinden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich
nungen verwiesen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch die Stegpartie am Zylin
derkopf mit zwei übereinander verlaufenden
Bohrungen.
Fig. 2 einen Schnitt durch die Stegpartie am Zylin
derkopf mit einem eingegossenen Rohr ovalen
Querschnittes.
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines
Vierventilzylinderkopfes mit einer durch
gehenden Bohrung, die beidseitig
verschlossen ist.
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines
Zweiventilzylinderkopfes mit einer einseitig
offenen Bohrung, die knapp vor der
Einspritzdüsenbohrung endet.
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines
Zweiventilzylinderkopfes mit einer Bohrung,
die sich mit der Einspritzdüsenbohrung
überschneidet und verschlossen ist.
In Fig. 1 und soweit mit anderen Figuren übereinstimmend,
ist mit 1 ein Zylinderkopf bezeichnet mit Ein- und Auslaß
ventilöffnungen 3, 4, mit Einsenkungen für die Ventilsitz
ringe 5, 6 deren Mittelpunkte bei A 1 und A 2 liegen. Im
Stegbereich 2 zwischen den Ventilöffnungen sind zwei Boh
rungen 8, 9 gleichen Durchmessers angebracht, deren Achsen
parallel zueinander in einer senkrechten Ebene zur Brenn
raumplatte liegen und annähernd senkrecht zu der Verbin
dungslinie der Mittelpunkte A 1, A 2 der Ein- und Aus
laßventilöffnungen verlaufen. Die Bohrungen sind aufeinan
der so angebracht, daß die parallel zur Brennraumplatte
verlaufenden Tangente der oberen Bohrung in der Ebene der
Einsenkung für die Ventilsitzringe verläuft.
Die Größe des Bohrungsdurchmessers ist so gewählt, daß die
Stegpartieteile zwischen Ventilöffnung und Bohrungen die
erforderliche Stabilität gegen thermische und mechanische
Beanspruchung aufweist und dennoch nachgiebig genug um
Druckspannung im Steg an die Bohrungen weiterzuleiten.
Dadurch werden die Spannungen im Stegbereich bzw. die
Spannungsunterschiede in der Brennraumplatte weitgehend
abgebaut, die das Verziehen der Ventilbohrungen und die
Risse im Stegbereich verursachen.
Ferner wird durch Spannungsabbau die Temperaturunter
schiede im Zylinderkopf egalisiert, wodurch die Quetsch
grenze (0,2-Grenze) des Werkstoffes im Stegbereich positiv
erhöht, so daß die Stauchung im Rahmen der Elastizitäts
grenze des Werkstoffes bleibt. Die beim Abkühlen des
Zylinderkopfes innerhalb dieser Grenze erzeugten Zugspan
nungen werden vom Werkstoff ohne bleibende Verformungen
aufgenommen, ohne Rißbildungen im Stegbereich zu verursa
chen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung wo im Stegbereich 2 ein dünn
wandiges Rohr 12 mit einem ovalen Querschnitt eingegossen
ist. Mit der ovalen Form kann unter gleichzeitiger Wahrung
des Mindestabstands zu den Ventilsitzbohrungen die ge
wünschte Steghöhe mit einer Bohrung gedeckt werden.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung mit Sicht auf die Bodenplat
te eines Vierventilzylinderkopfes eines Hochleistungsmo
tors mit je zwei Ein- und zwei Auslaßventilen. Um dem
gesamten Stegbereich die Möglichkeit zu geben, sich ela
stisch zu verformen und die Druckspannung optimal abzu
bauen, sind durchgehende Bohrungen 8, 9 vorgesehen die
sich mit der Einspritzdüsenbohrung 7 schneiden. Die Öff
nungen sind jeweils mit einem geeigneten Verschlußteil 11
(z. B. Verschraubungsteil) gasdicht verschlossen, damit
kein Druckblasen aus dem Brennraum des Zylinderkopfes
entsteht.
Die in Fig. 4 gezeigte kurze Ausführung der Bohrung ist für
Motoren mit geringerer Leistung ausreichend. Die Bohrungen
(8, 9) sind einseitig offen und enden kurz vor der Ein
spritzdüsenbohrung. Dabei können die Bohrungen offen blei
ben.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Bohrungslänge der Mo
torleistung und der Zylinderkopfgestaltung angepaßt, so
daß die Länge der Bohrung den Stegbereich deckt, wo Druck
spannungen aufgrund der thermischen Belastung zu erwarten
sind. Überschneidet sich die Bohrung mit der Einspritzdü
senbohrung, so muß sie wie schon bei Fig. 3 erwähnt, mit
geeignetem Teil verschlossen werden.
Claims (11)
1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit
Ein- und Auslaßventilöffnungen (3, 4) im Zylinderkopfbo
den, die durch einen Stegbereich (2) voneinander getrennt
sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumplatte (10) im
Stegbereich zumindest einen zum Brennraum hin geschlosse
nen Dehnungshohlraum (8) aufweist.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (8) eine in der
Brennraumplatte liegende Bohrung ist, deren Achse etwa
parallel zur Brennraumplatte verläuft und annähernd senk
recht zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte (A 1,
A2) der Ein- und Auslaßventilöffnungen (3, 4) liegt.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (8) durch ein im
Stegbereich eingegossenes dünnwandiges Rohr (12) gebildet
ist (Fig. 2).
4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (8) axial in einem
Bereich angebracht ist, dessen Höhe der Einsenkungstiefe
der mit Ventilsitzringen bestückten Ventilöffnungen ent
spricht.
5. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Bohrungen (8, 9)
alle den gleichen Durchmesser aufweisen (Fig. 1).
6. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (8) einen ovalen
Querschnitt aufweist.
7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8, 9) durchge
hende Bohrungen sind (Fig. 3).
8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8, 9) Sackloch
bohrungen sind (Fig. 4, 5).
9. Zylinderkopf nach Anspruch 8 mit einer Bohrung (7)
für eine Einspritzdüse oder Zündhilfe,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8, 9) bis knapp
vor die Bohrung (7) gehen (Fig. 4).
10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8, 9) durch die
Bohrung (7) gehen (Fig. 3, 5)
11. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8, 9) gasdicht
verschlossen sind (Fig. 3, 5).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873723468 DE3723468A1 (de) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873723468 DE3723468A1 (de) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3723468A1 true DE3723468A1 (de) | 1989-01-26 |
Family
ID=6331655
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873723468 Withdrawn DE3723468A1 (de) | 1987-07-16 | 1987-07-16 | Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3723468A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7387102B2 (en) | 2002-11-26 | 2008-06-17 | Fritz Winter Eisengiesserei Gmbh & Co. Kg | Cast part for an internal combustion engine |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB548101A (en) * | 1941-07-01 | 1942-09-24 | Edward Ambrose Mellors | Improved means for cooling the valves of internal combustion engines |
DE841975C (de) * | 1940-03-16 | 1952-06-23 | Daimler Benz Ag | Kuehlvorrichtung fuer ventilgesteuerte Brennkraftmaschinen |
DE1751407C2 (de) * | 1968-05-24 | 1982-08-26 | Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart | Zylinderkopf für luftgekühlte Brennkraftmaschinen |
-
1987
- 1987-07-16 DE DE19873723468 patent/DE3723468A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JP 60 259751 A. In: Patents Abstracts of Japan, M-479, May 17, 1986, Vol.10, No.134 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7387102B2 (en) | 2002-11-26 | 2008-06-17 | Fritz Winter Eisengiesserei Gmbh & Co. Kg | Cast part for an internal combustion engine |
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Legal Events
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