DE3723468A1 - Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

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).