DD143094A1

DD143094A1 - Zylinderkopf fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DD143094A1
Application number: DD79212297A
Authority: DD
Inventors: Alfred Urlaub
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1979-04-18
Publication date: 1980-07-30
Also published as: US4290396A; JPS54140012A; HU179763B; IN151902B; GB2021685B; IT7921800A0; DE2816923A1; SE7903412L; IT1113886B; RO77468A; FR2423643A1; SU974939A3; DE2816923C2; GB2021685A

Description

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Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei am brennraumseitigen Ende mit Ventilsitzringen versehene Gaswechselkanäle vorgesehen sind, wobei der Steg zwischen den Ventilsitzringen durch eine Platte vom Brennraum abgeschirmt ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen sind bekanntlich hohen thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt. Die wohl am höchsten beanspruchte Stelle bildet dabei der allein schon aus Platzgründen schmale Stegbereich zwischen zwei Gaswechselkanälen, der zudem vielfach auch nur unzureichend gekühlt werden kann. Durch die zwangsläufig ungleichmäßige Erwärmung des Zylinderkopfes treten in diesem Stegbereich zum Teil große Druckspannungen auf, da der den Steg bildende Werkstoff sich auszudehnen versucht, jedoch durch den kälteren Umfangsteil des Zylinderkopfes daran gehindert wird. So kommt es zu einer Stauchung des Stegbereiches bis in den plastischen Bereich hinein. Bei der nachfolgenden Abkühlung verringern sich die Druckspannungen wieder und werden schließlich infolge der vorangegangenen Stauchung im kalten Zustand durch ebenfalls im Fließbereich liegende

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Zugspannungen abgelöst. Nach einer mehr oder weniger großen Anzahl von solchen Lastwechselspielen kommt es zu ersten Anrissen, die beim weiteren Betrieb sogar zu durchgehenden Rissen, durch die nicht nur der Zylinderkopf unbrauchbar wird, sondern beispielsweise bei wassergekühlten Motoren durch.einen Wassereinbruch das gesamte Triebwerk zerstört werden kann· .

Die beschriebenen V/ärmespanmingen werden außerdem von Spannungen überlagert, die durch den sich verändernden Last-=- bereich des Motors auftreten. Schließlich wird.der Stegbereich zusätzlich beansprucht, wenn, wie üblichj ein Auslaßventil neben einem Einlaßventil angeordnet is.t, denn der Auslaßkanal v/eist entschieden höhere Temperaturen als der Einlaßkanal auf·

Um die Rißbildung in den Stegen zwischen zwei Ventilen zu verhindern, hat man in diesem Bereich den Zylinderkopfboden brennraumseitig bereits mit engen Dehnspalten versehen, die etwa so tief wie die Hälfte der Zylinderkopfbodenmitte sind. Dadurch wurden zwar die Spannungen an der Oberfläche ausgeglichen, jedoch füllten sich diese Dehnspalten in kurzer Zeit mit harten Verbrennungsrückständen und wurden unwirksam. Außerdem konnte immer noch am Grund der Dehnspalten eine Rißbildung nicht vollständig vermieden werden.

Gemäß der DE-PS 1 001 860 wurden die beschriebenen Dehnspalten mit einem Blechgerüst ausgefüllt, welches ohne metallische Bindung in den Zylinderkopf eingegossen ist..Hierdurch konnten sich die Spalte zwar nicht mehr zusetzen, jedoch die Rißbildung am Grund derselben wurde nicht vermieden* Auch eine Umbördelung der Bleche bzw» des Gerüstes von

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verhältnismäßig kleinem Radius am Grund der Dehnspalten änderte daran nichts. ι

In Weiterverfolgung des gleichen Gedankens wurde durch die DE-PS 1 294 093 bekannt, die Dehnspalten auf ihrem •Grund in einen zu einer rechtwinkelig zur Zylinderlängsachse zylinderseitig liegenden Ebene symmetrischen, schwach konkav gekrümmt laufenden Bogen übergehen zu lassen. Die Dehnsp'alten biegen also gleichermaßen in die Wikrungsebenen der Spannungen ein und verlaufen in dieser allgemeinen Richtung ohne sprunghafte Richtungsänderung über eine nennenswerte Strecke. Die T- oder winkelförmigen Dehnspalten, die ebenfalls mit Blechen ausgelegt sind, haben zwar eine weitere Verbesserung gebracht, jedoch konnten durch sie die Spannungen im Inneren des Steges dennoch nicht vollständig vermieden werden und es wurden auch weiterhin Anrisse festgestellt. Auch hat sich herausgestellt, daß der Lösungsgedanke relativ schwer in die Praxis umsetzbar und die Ausführung daher im Verhältnis zu dem erreichten Erfolg teuer ist»

Durch die DE-AS 2 407 528 wurde ein Zylinderkopf bekannt, bei dem jeder Sitzring an der dem benachbarten Sitzring zugewandten Seite seiner den größten Durchmesser bildenden Außenfläche eine parallel zur Ausnehmungsachse verlaufende ebene Abflachung aufweist. Die Sitzringe werden derart in Ausnehmungen des Zylinderkopfes eingepreßt, daß sie mit ihren Abflachungen fest aneinander anliegen. Bei dieser Ausführung hat sich gezeigt, daß die Herstellung kompliziert ist,, denn es darf kein Spalt entstehen, andererseits aber dürfen auch keine zu hohen Spannungen auftreten.

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Schließlich wurde, wie eingangs beschrieben, durch die DE-OS"2 459 186 ein Zylinderkopf bekannt, bei dem der Steg zwischen den Ventilsitzringen durch eine Platte, genau gesagt durch eine Wärmeschutzplatte, vor der unmittelbaren Einwirkung der Verbrennung geschützt wird» Diese Wärmeschutzplatte wird entweder von einem der Gaswechselkanäle aus in Führungen eingeschoben oder von der Zylinderkopfwand aus eingedreht und durch die Sitzringe festgehalten bzw· fixiert. Sie besteht aus warmfestern Werkstoff und ist gerade so groß, daß sie die gefährdete Zone abdeckt. Eine derartige Anordnung schützt den Steg zwar vor unmittelbarer Feuereinwirkung, die auftretende Wärme wird jedoch nach wie vor in ihn eingeleitet, v/o sie nur sehr schlecht abführbar ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Zylinderkopf mit verbesserten Gebrauchswerteigenschaften auszubilden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die genannten ITachteile mit einfachen Mitteln vermieden werden und eine einwandfreie Y/ärmeabfuhr aus dem Bereich des Steges erfolgt, durch die ein Auftreten-von Stegrissen ausgeschaltet ist.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst,.daß die Platte als WärmeleitechiId ausgebildet ist, welches im Bereich des Steges zwischen ihm und der Zylinderkopfwand einen Hohlraum bildet und im Bereich gut kühlbarer Zy-

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linderkopfwandteile satt an diesen anliegt.

Der Hohlraum hat vor allem den Zweck, daß die Wärme gar nicht erst in den Steg eingeleitet bzw. nur so weit eingeleitet wird, als sie für ihn absolut ungefährlich ist. Ansonsten pflanzt sie sich im Wärmeleitschild fort und ' geht erst in den satt an der Zylinderkopfwand anliegenden Bereichen in den Zylinderkopf über, wo sie das Kühlmittel unmittelbar aufnimmt und abführt. Damit kann der Steg selbst nicht mehr übermäßig beansprucht werden. Im Bereich der gut kühlbaren Zylinderkopfwandteile soll das Wärmeleitschild natürlich möglichst breitflächig ausgebildet sein·

Um Störungen der Gemischbildung und Verbrennung und das Ansetzen von Ölkohle zu vermeiden, wird nach der Erfindung vorgeschlagen, das WärmeIeitschild so in eine in der Zylinderkopfwand vorgesehene Ausnehmung einzulegen und durch Schrauben, Schweißen, Schrumpfen o. ä. zu befestigen, daß es mit dem Zylinderkopfboden eine Ebene bildet.

Der Hohlraum selbst wird vorzugsweise durch eine Ausnehmung im Wärmeleitschild gebildet, wobei diese als eine in Richtung der die Mitten der Ventilsitze verbindenden Geraden verlaufende Längsnut hergestellt oder auch nur in Richtung zur Zylinderkopfwand hin offen sein kann.' Im Bereich des Steges soll das Wärmeleitschild, ebenfalls um Ölkohleansätze zu vermeiden, an den Außendurchmessern der Ventilsitzringe anliegen.

Sofern mit sehr hohen Wärmespannungen im Wärmeleitschild zu rechnen ist, wird schließlich noch vorgeschlagen, dieses in einer Ebene senkrecht zu der die Mitten der Ventil-

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sitzringe verbindenden Geraden zu teilen und diese beiden Teile entweder zu überlappen.oder auch nur mit einer engen Dehnfuge aneinanderstoßen zu lassen.

Es versteht sich von selbst, daß das Wärmeleitschild auch an anderen, gefährdeten Stellen des Zylinderkopfes angeordnet werden könnte und daß. es absolut unterschiedliche Formen haben kann. So ist es durchaus möglich, auch irgendwelche Aussparungen an bestimmten Stellen vorzunehmen, wenn diese sich nicht zur Wärmeableitung eignen.

Ausführung3beJ3piel

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen: '

Pig» 1: die Ansicht eines Zylinderkopfes nach der Erfindung von der Brennraumseite aus,

Pig« 2': einen Schnitt II-II durch den Zylinderkopf nach Pig« 1,

Pig. 3ί ein Wärmeleitschild anderer Ausführung von der Brennraumseite aus,

Pig· 4-ί eine Seitenansicht des Wärmeleitschildes nach Pig· 3.

In den Pig. 1 und 2 weist ein nur zum Teil dargestellter Zylinderkopf 1 Gaswechselkanäle, bestehend aus einem Einlaßkanal 2 und einem Auslaßkanal 3 auf, die am brennraum-

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seitigen Ende mit Ventilsitzringen 4; 5 versehen sind. Weiterhin ist eine dem Brennraum zugekehrte Fläche 6 des Zylinderkopfes 1 gezeigt· Zwischen den Gaswechselkanälen 2; 3 verbleibt vom Zylinderkopf 1 ein relativ schmaler Steg 7, der bekanntlich als die am höchsten beanspruchte Stelle bezeichnet wird und in dem sich immer wieder Risse bilden, zumal er noch unzureichend kühlbar ist, denn der Kühlwasserraum 8 kann aus Festigkeitsgründen nicht näher an die Ventilsitzringe 4; 5 herangezogen werden. Dieser Steg 7 ist von einem Wärmeleitschild 9 überdeckt, welches im kritischen Bereich eine einen isolierenden Hohlraum bildende Ausnehmung 10 aufweist und an Zylinderkopfwandteilen 11; 12, die gut kühlbar sind, möglichst breitflächig ausgebildet ist. Das Wärmeleitschild 9 wird hier, wie Fig. 2 zeigt, in eine in der Zylinderkopfwand 6 vorgesehene Ausnehmung bündig mit dem Zylinderkopfboden und durch Schrauben 13 befestigt. Im Bereich des Steges 7 liegt es an den Außenflächen der Ventilsitzringe 4; 5 an und bildet so eine Abschirmung. Auf diese Weise erfolgt eine weitgehende Wärmeableitung aus dem Bereich des Steges 7 in Bereiche, wo eine gute Ableitung gegeben ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen lediglich eine Ausführungsform des Wärmeleitschildes, und zwar ist hier die den isolierenden Hohlraum bildende Ausnehmung 14 seitlich geschlossen und nur zum Steg 7 hin offen. Außerdem besteht das Wärmeleitschild aus zwei Teilen 9a; 9b, die etwa in der Mitte durch eine Schrägfläche 15 überlappt sind oder unter Einhaltung einer engen Dehnfuge aneinanderstoßen. Derartige Ausführungen können bei*Auftreten von hohen Wärmespannungen Anwendung finden.

Schließlich können auch mehrere Ausnehmungen 10; 14 angebracht sein, wenn beispielsweise auch die Einspritzdüse abgeschirmt werden soll.

Claims

10.9*1979 WPF02F/212 297 55 334/28 Erfindungsanspruch

1· Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei am brennraumseitigen Ende mit Ventilsitzringen versehene Gaswechselkanäle vorgesehen sind, wobei der Steg sswischen den Ventilsitzringen durch eine Platte vom.Brennraum abgeschirmt ist, gekennzeichnet dadurch,· daß die Platte als Wärmeleitschild (9) ausgebildet ist, welches im Bereich des Steges (7) zwischen ihm und der Zylinderkopfwand (6) einen Hohlraum bildet und im Bereich gut kühlbarer Zylinderkopfwandteile (11 j 12) satt an diesen anliegt»

2* Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Hohlraum durch eine Ausnehmung (10; 14) im Wärme-, leitschild (9; 9a; 9b) gebildet wird·

3· Zylinderkopf nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausnehmung (10) als eine in Richtung der die Mitten der Ventilsitzringe (4; 5) verbindenden Geraden verlaufende Längsnut ausgebildet ist.

4* Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das V/ärme le it schild (9) wenigstens im Bereich des Steges (7) an den Außendurchmessern der Ventilsitzringe (4; 5) anliegt«.

5» Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Wärmeleitschild (9; 9a; 9b) in eine in der Zylinderkopfwand. (6) vorgesehene Ausnehmung einlegbar und durch Schrauben (13), Schweißen, Schrumpfen o· ä» befestigbar

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6· Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Wärmeleitschild (9; 9a; 9b) im Bereich der gut kühlbaren Zylinderkopfwandteile (11; 12) möglichst breitflächig ausgebildet ist.

7· Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausnehmung (14) nur in Richtung zur Zylinderkopfwand (6) hin offen ist.

8. Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Wärmeleitschild (9; 9a; 9b) Öffnungen oder Aussparungen zum Durchführen oder Vorbeileiten einer Kraftstoff-Einspritzdüse, einer Zündkerze o. a. vorgesehen sind.

9· Zylinderkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Wärmeleitschild (9a; 9b) in einer Ebene senkrecht zu der die Mitten der Ventilsitzringe (4; 5) verbindenden Geraden geteilt ist und daß beide Teile (9a; 9b) eine Überlappung (15) aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnung