EP0627547B1 - Zylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine - Google Patents

Zylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0627547B1
EP0627547B1 EP94108022A EP94108022A EP0627547B1 EP 0627547 B1 EP0627547 B1 EP 0627547B1 EP 94108022 A EP94108022 A EP 94108022A EP 94108022 A EP94108022 A EP 94108022A EP 0627547 B1 EP0627547 B1 EP 0627547B1
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insert
valve
gas exchange
opening
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Uwe Dieter Dipl.-Ing. Grebe
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Adam Opel GmbH
Opel Espana SLU
Original Assignee
Adam Opel GmbH
General Motors Espana SL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/08—Valves guides; Sealing of valve stem, e.g. sealing by lubricant
    • F01L3/085—Valve cages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/38—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling the cylinder heads being of overhead valve type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/18—DOHC [Double overhead camshaft]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/241—Cylinder heads specially adapted to pent roof shape of the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/244—Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245—Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for a valve-controlled internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Such a cylinder head is described with FR 745 862.
  • the insert is inserted from above into the fuselage of the cylinder head and braced with a cover against a circumferential step near the combustion chamber.
  • the valve spring must therefore be placed over the cover.
  • the fitting and tensioning of a cover in the area of the valve train requires considerable installation space and complicates the assembly of the cylinder head.
  • DE-OS 33 27 948 is another cylinder head with one described channel-forming use.
  • a wedge-shaped compression chamber is formed in that the valve plates form an essential part of the side surfaces of this compression chamber. Since this means that the valves can no longer be used from the compression chamber, at least one opening is provided in the cylinder head, which leads from the outside through the side wall of the compression chamber.
  • a sealed housing is inserted from the outside into the opening, in which a controllable valve is guided and in which the inlet and outlet channels are incorporated.
  • the object of the present invention is to provide a cylinder head for a valve-controlled internal combustion engine, in which at least the mouth areas of the gas exchange channels can be produced outside the cylinder head and inserted into the cylinder head, but the fuselage of the cylinder head can remain a unit, so that the coolant channels and the Oil channels run in the usual way within a block.
  • the invention sets itself the task of making such a cylinder head easier and cheaper to manufacture.
  • Such an insert forms a valve guide above the region of the gas exchange duct close to the mouth and carries the valve springs with its upper end face, the insert being supported on a circumferential step of the bore in the fuselage of the cylinder head.
  • the invention thus makes it possible to pre-assemble the insert and thus the precisely machined opening area of the gas exchange channel together with the associated gas exchange valve and its valve springs including the valve stem guide and valve stem seal outside the cylinder head to form a valve module.
  • This valve module can be prepared in a specialized production, so that it can then be mounted with great efficiency when assembling the cylinder head with the fuselage of the cylinder head.
  • a valve seat ring known per se can be arranged between the sealing surfaces of the plate of the gas exchange valve and the insert and held in the fuselage of the cylinder head.
  • valve seat ring Due to the arrangement of a valve seat ring known per se, which is included in a pre-assembled valve module between the valve and the insert in the module, a stable sealing behavior of the valves can be achieved even with difficult engine operation. By selecting suitable materials for the application, however, a special valve seat ring can also be dispensed with.
  • the regions near the mouth of a plurality of gas exchange channels located in a row are arranged in a common insert.
  • these can also Gas exchange valves controlling gas exchange channels can be guided in the insert.
  • Such an insert can also be preassembled with the gas exchange valves as a module, in which case the central axes of the valves can then be arranged independently of the central axis of the insert.
  • both intake valves surrounded by an insert.
  • These two inlet valves can be arranged parallel to one another, but they can also form an angle with one another.
  • the drawing shows a cylinder head according to the invention in section.
  • the fuselage 1 of the cylinder head is cut in the area of two gas exchange channels 2 and 3.
  • the gas exchange channel 2 is formed in the usual way over the entire length of the fuselage 1, that is to say it is subject to the usual casting tolerances.
  • the gas exchange duct 3, on the other hand, is formed only in its upper straight region 4 by the casting of the fuselage 1, while the lower region 5 near the mouth runs in an insert 6, which is provided as a cylindrical part in a cylindrical part in the fuselage 1 of the cylinder head, coaxial to the longitudinal axis of a the gas exchange channel 3 controlling gas exchange valve 7 extending bore is arranged.
  • valve stem guide 12 is formed by the insert 6, on which a valve stem seal (not shown) can be mounted, which forms a seal with respect to the oil space 15.
  • the insert 6 extends with its upper end face 18 to the oil space 15 of the cylinder head, while an upper edge 13 is supported on a step 19 of the bore for receiving the insert 6.
  • the valve spring 20 can be supported directly on the insert 6 and the insert 6 can be pressed together with the gas exchange valve 7, the valve spring 20, the spring plate 21 with the spring plate keys 22 and a valve stem seal, not shown, pre-assembled into the bore in the fuselage 1 of the cylinder head . It is thus possible to provide a preassembled valve module together with the region 5 of a gas exchange duct 3 close to the mouth, which further reduces the manufacturing outlay when assembling the cylinder head compared to the previously described embodiments.
  • a separate valve seat ring can of course also be provided, which is then inserted between the gas exchange valve 7 and the insert 6 during the pre-assembly.
  • the valve seat can also be formed by the insert 6.
  • An insert 6 according to the invention will be used in particular with inlet ducts; but it is also applicable to exhaust ports, so that a cylinder head according to the invention can be implemented with an insert 6 on one or more intake ports, on one or more exhaust ports, or on both intake and exhaust ports.
  • a large number of further exemplary embodiments are conceivable for the invention, for example by B.
  • two orifices of separate inlet channels of a cylinder in a prismatic insert are arranged, in which the associated two gas exchange valves with their valve springs can then also be preassembled.
  • the invention creates the prerequisites for producing a cylinder head with relatively simple means so that the charge interaction efficiency as a factor of the overall efficiency of an internal combustion engine achieves a good value even in the difficult transition between the straight passage section and valve seat due to the high fluidic quality of the charge exchange ducts.
  • primary molding processes can be used for the production of the entire channel course.
  • H. Production can be carried out at low cost, since no manual mechanical reworking in the course of the channel is required.
  • the insert 6 can be produced as a sintered part, it being possible to use a gradient material in a manner known per se, with which high hardness can be achieved in the area of the valve seat and good bearing properties in the area of the valve guide.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein derartiger Zylinderkopf ist mit FR 745 862 beschrieben. Bei diesem bekannten Zylinderkopf ist der Einsatz von oben her in den Rumpf des Zylinderkopfes eingesetzt und mit einem Deckel gegen eine umlaufende Stufe nahe des Brennraumes verspannt. Die Ventilfeder muß somit über den Deckel aufgesetzt werden. Das Aufsetzen und Verspannen eines Deckels im Bereich des Ventiltriebes erfordert erheblichen Bauraum und erschwert die Montage des Zylinderkopfes.
  • Mit EP 0 629 772 (Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ) wurde bereits vorgeschlagen, einen Zylinderkopf mit einem durch einen Einsatz gebildeten Gaswechselkanal zu versehen, wobei der drehbar gelagerte Einsatz von unten, also vom Verbrennungsraum her, gegen eine umlaufende Stufe der aufnehmenden Bohrung im Rumpf des Zylinderkopfes anliegt. Dadurch kann die Montage des Einsatzes von der dem Ventiltrieb abgelegenen Seite erfolgen. Die Raumverhältnisse im Bereich des Ventiltriebes werden nicht beeinträchtigt. Die Montage des Einsatzes wird vereinfacht. Die Montage der Ventile mit ihren Federn und die des Ventiltriebes wird durch diesen Einsatz nicht vorteilhaft verändert.
  • Mit DE-OS 33 27 948 ist ein weiterer Zylinderkopf mit einem kanalbildenden Einsatz beschrieben. Bei diesem bekannten Zylinderkopf wird eine keilförmige Verdichtungskammer dadurch gebildet, daß die Ventilteller einen wesentlichen Teil der Seitenflächen dieser Verdichtungskammer bilden. Da dadurch die Ventile nicht mehr von der Verdichtungskammer her eingesetzt werden können, ist im Zylinderkopf zumindest eine Öffnung vorgesehen, die von außen durch die Seitenwand der Verdichtungskammer führt. In die Öffnung ist von außen her ein Gehäuse abgedichtet eingesetzt, in dem ein steuerbares Ventil geführt ist und in dem der Ein- bzw. Auslaßkanal eingearbeitet ist.
  • Bei einem solchen Zylinderkopf ergeben sich erhebliche Probleme bei der Führung von Kühlmittelkanälen, da diese die Dichtungsfläche zwischen Zylinderkopf und eingesetztem Gehäuse durchbrechen. Da das Gehäuse von außen her in den Zylinderkopf eingesetzt werden muß, bedarf es auch besonderer Vorkehrungen für die Steuerung des im Gehäuse eingesetzten Ventils, da die Ventilsteuerung zwangsläufig noch oberhalb des Ventilschaftes angeordnet werden muß. Ein Motor mit einem solchen Zylinderkopf ist daher kompliziert im Aufbau und teuer in der Fertigung. Funktionelle Vorteile, die über die angestrebte Keilform des Brennraumes hinausgehen, können damit nicht erzielt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem zumindest die Mündungsbereiche der Gaswechselkanäle außerhalb des Zylinderkopfes herstellbar und in den Zylinderkopf einsetzbar sind, der Rumpf des Zylinderkopfes aber eine Einheit bleiben kann, so daß die Kühlmittelkanäle sowie die Ölkanäle in üblicher Weise innerhalb eines Blockes verlaufen. Darüber hinaus setzt sich die Erfindung die Aufgabe, einen solchen Zylinderkopf einfacher und billiger herstellbar zu gestalten.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Ein solcher Einsatz bildet oberhalb des in ihm verlaufenden mündungsnahen Bereichs des Gaswechselkanals eine Ventilführung und trägt mit seiner oberen Stirnseite die Ventilfedern, wobei sich der Einsatz an einer umlaufenden Stufe der Bohrung im Rumpf des Zylinderkopfes abstützt.
  • Die Erfindung ermöglicht es somit, den Einsatz und damit den genau bearbeiteten Mündungsbereich des Gaswechselkanals zusammen mit dem zugehörigen Gaswechselventil und dessen Ventilfedern einschließlich der Ventilschaftführung und Ventilschaftabdichtung außerhalb des Zylinderkopfes zu einem Ventilmodul vorzumontieren. Dieser Ventilmodul kann in einer spezialisierten Fertigung vorbereitet werden, um dann bei der Montage des Zylinderkopfes mit dem Rumpf des Zylinderkopfes mit hoher Effektivität montiert werden zu können.
  • Zwischen den Dichtflächen des Tellers des Gaswechselventils sowie dem Einsatz kann ein an sich bekannter Ventilsitzring angeordnet und im Rumpf des Zylinderkopfes gehalten sein.
  • Durch die Anordnung eines an sich bekannten Ventilsitzringes, der bei einem vormontierten Ventilmodul zwischen Ventil und Einsatz im Modul mit einbezogen ist, kann auch bei schwierigem Motorbetrieb ein standfestes Dichtverhalten der Ventile erreicht werden. Durch Auswahl geeigneter Werkstoffe für den Einsatz kann jedoch auch auf einen besonderen Ventilsitzring verzichtet werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die mündungsnahen Bereiche mehrerer in einer Reihe befindlicher Gaswechselkanäle in einem gemeinsamen Einsatz angeordnet. In einem solchen Fall können auch die diese Gaswechselkanäle steuernden Gaswechselventile in dem Einsatz geführt sein. Ein solcher Einsatz kann auch mit den Gaswechselventilen als Modul vormontiert sein, wobei dann die Mittelachsen der Ventile unabhängig von der Mittelachse des Einsatzes angeordnet sein können.
  • Bei einem solchen Zylinderkopf können z. B. bei Anordnung von zwei Einlaßventilen pro Zylinder beide Einlaßventile von einem Einsatz umgeben sein. Diese beiden Einlaßventile können parallel zueinander angeordnet sein, sie können aber auch einen Winkel miteinander einschließen. Es ist auch möglich, bei einer solchen Ausführungsart der Erfindung den Einsatz mit den in ihm verlaufenden mündungsnahen Bereichen mehrerer Gaswechselkanäle und den dazugehörigen Gaswechselventilen einschließlich der zugehörigen Ventilfedern als Modul außerhalb des Zylinderkopfes vorzumontieren und dann als Ganzes in den Rumpf des Zylinderkopfes einzusetzen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
  • Die Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf im Schnitt. Der Rumpf 1 des Zylinderkopfes ist im Bereich zweier Gaswechselkanäle 2 und 3 geschnitten. Der Gaswechselkanal 2 ist in üblicher Weise über die gesamte Länge vom Rumpf 1 gebildet, also mit den üblichen gußtechnischen Toleranzen behaftet. Der Gaswechselkanal 3 dagegen ist nur in seinem oberen gerade verlaufenden Bereich 4 vom Gußteil des Rumpfes 1 gebildet, während der untere mündungsnahe Bereich 5 in einem Einsatz 6 verläuft, welcher als zylindrisches Teil in einer zylindrischen im Rumpf 1 des Zylinderkopfes vorgesehenen, koaxial zur Längsachse eines den Gaswechselkanal 3 steuernden Gaswechselventils 7 verlaufenden Bohrung angeordnet ist. Dabei tritt der Gaswechselkanal 3 seitlich in den Einsatz 6 ein und an der zum Brennraum 8 der Brennkraftmaschine gerichteten Stirnseite 9 des Einsatzes 6 wieder aus. Durch den Einsatz 6 ist eine Ventilschaftführung 12 gebildet, an dem eine nicht dargestellte Ventilschaftabdichtung montiert werden kann, die eine Abdichtung gegenüber dem Ölraum 15 bildet.
  • Der Einsatz 6 ragt mit seiner oberen Stirnseite 18 bis zum Ölraum 15 des Zylinderkopfes, während sich eine obere Kante 13 an einer Stufe 19 der Bohrung zur Aufnahme des Einsatzes 6 abstützt. Damit kann sich die Ventilfeder 20 unmittelbar auf dem Einsatz 6 abstützen und der Einsatz 6 kann zusammen mit dem Gaswechselventil 7, der Ventilfeder 20, dem Federteller 21 mit den Federtellerkeilen 22 sowie einer nicht dargestellten Ventilschaftabdichtung vormontiert in die Bohrung im Rumpf 1 des Zylinderkopfes eingepreßt werden. Es ist so möglich, zusammen mit dem mündungsnahen Bereich 5 eines Gaswechselkanals 3 einen vormontierten Ventilmodul bereitzustellen, welcher den Fertigungsaufwand bei der Montage des Zylinderkopfes gegenüber den vorher beschriebenen Ausführungen weiter reduziert. Bei einem solchen Ventilmodul kann selbstverständlich auch ein separater Ventilsitzring vorgesehen sein, der dann bei der Vormontage zwischen Gaswechselventil 7 und Einsatz 6 eingelegt wird. Der Ventilsitz kann jedoch auch vom Einsatz 6 gebildet sein.
  • Ein Einsatz 6 nach der Erfindung wird insbesondere bei Einlaßkanälen angewendet werden; er ist aber ebenso bei Auslaßkanälen anwendbar, so daß ein Zylinderkopf nach der Erfindung sowohl mit jeweils einem Einsatz 6 an einem oder an mehreren Einlaßkanälen, an einem oder an mehreren Auslaßkanälen oder sowohl an Einlaß- als auch an Auslaßkanälen ausführbar ist.
  • Für die Erfindung sind eine Vielzahl weiterer Ausführungsbeispiele denkbar, indem z. B. zwei mündungsnahe Bereiche von getrennten Einlaßkanälen eines Zylinders in einem prismatisch gestalteten Einsatz angeordnet sind, in dem dann auch noch die dazugehörigen beiden Gaswechselventile mit ihren Ventilfedern vormontiert sein können.
  • Weitere Varianten ergeben sich dadurch, daß der Einsatz kegelförmig ausgeführt ist. Damit kann die Menge des gegenüber dem Rumpfmaterial wertvolleren Materials für den Einsatz reduziert werden.
  • Die Erfindung schafft die Voraussetzungen, einen Zylinderkopf mit relativ einfachen Mitteln so zu fertigen, daß der Ladungswechselwirkungsgrad als Faktor des Gesamtwirkungsgrades einer Brennkraftmaschine durch hohe strömungstechnische Güte der Ladungswechselkanäle auch im schwierigen Übergang zwischen gerade verlaufendem Kanalabschnitt und Ventilsitz einen guten Wert erreicht. Dabei können für die Fertigung des gesamten Kanalverlaufs Urformverfahren eingesetzt werden, d. h. die Fertigung kann mit geringen Kosten erfolgen, da keine manuelle mechanische Nacharbeit im Kanalverlauf erforderlich ist. Der Einsatz 6 kann als Sinterteil hergestellt werden, wobei in an sich bekannter Weise ein Gradientenwerkstoff Verwendung finden kann, mit dem im Bereich des Ventilsitzes hohe Härte und im Bereich der Ventilführung gute Lagereigenschaften realisiert werden können.

Claims (2)

  1. Zylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, bei dem zumindest einer der Gaswechselkanäle (3) im mündungsnahen Bereich durch einen im Zylinderkopf befindlichen sich mit seiner Längsachse in einer Ebene parallel oder deckungsgleich mit der Längsachse des bzw. der Gaswechselventile (7) erstreckenden in einer entsprechenden Bohrung des Rumpfes (1) des Zylinderkopfes befindlichen Einsatz (6) gebildet ist und der mündungsnahe Bereich (5) dieses Gaswechselkanals (3) seitlich in den Einsatz (6) eintritt und an dessen zum Brennraum (8) hin gerichteten Stirnseite (9) austritt, wobei zentrisch zu dieser Austrittsöffnung der Teller des Gaswechselventils (7) angeordnet ist, der Einsatz (6) oberhalb des in ihm verlaufenden mündungsnahen Bereiches (5) des Gaswechselkanals (3) eine Ventilführung (12) bildet und sich an einer umlaufenden Stufe (19) der Bohrung im Rumpf (1) des Zylinderkopfes abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) mit seiner oberen Stirnseite (18) unmittelbar die Ventilfeder (20) trägt.
  2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Einsatz mehrere mündungsnahe Bereiche von in einer Reihe angeordneten Gaswechselkanälen verlaufen.
EP94108022A 1993-06-03 1994-05-25 Zylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0627547B1 (de)

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EP0627547A1 EP0627547A1 (de) 1994-12-07
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