DE102004001908A1

DE102004001908A1 - Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004001908A1
Application number: DE200410001908
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Betsch; Dirk Dipl.-Ing. Heinrich; Timo Dipl.-Ing. Schmidt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit Gaswechselkanälen und einem Kühlmittelraum, der die Gaswechselkanäle zumindest teilweise umfasst. In den Zylinderkopf sind den Kühlmittelraum begrenzende Versteifungselemente (6, 7) zwischen zwei benachbarten Gaswechselkanälen eingegossen. Die Versteifungselemente (6, 7) sind aus einem Werkstoff hergestellt, der eine größere Festigkeit aufweist als das den Kühlmittelraum umgebende Zylinderkopfmaterial, beispielsweise Stahl.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Aus der DT 26 02 434 A1 ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Gaswechselkanal mit einer Blechwandung versteifend und isolierend ausgekleidet ist.

Weiterhin ist aus der DT 15 76 376 B2 ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Ventilsitzringe nicht eingepresst, sondern in den Zylinderkopf eingegossen sind. Dadurch soll eine verbesserte Verbindung zwischen Zylinderkopf und Ventilsitzring erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur verbesserten Versteifung eines filigranen Kühlmittelraumes eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine zeichnet sich durch Versteifungselemente aus, die den Kühlmittelraum begrenzen und die zwischen zwei benachbarten Gaswechselkanälen eingegossen sind. Diese Versteifungselemente sind aus einem Werkstoff hergestellt, der eine größere Festigkeit aufweist als das den Kühlmittelraum umgebende Zylinderkopfmaterial.

Zwischen zwei Gaswechselkanälen, insbesondere zwischen zwei Auslasskanälen, ist der Kühlmitteldurchtritt im Allgemeinen sehr eng gestaltet, da einerseits nur wenig Bauraum zur Verfügung steht und andererseits bei engen Strömungsquerschnitten das Kühlmittel mit großer Geschwindigkeit durchströmt und damit eine bessere Kühlung des entsprechenden Wandbereiches gegeben ist. Dieser enge Kühlmitteldurchtritt ist beim Gießen aufgrund seiner filigranen Sandkernstruktur gefährdet. Es besteht die Gefahr, dass der Gießkern bereits bei der Montage beschädigt wird oder dass er beim Eingießen des flüssigen Metalls zerstört wird. Weiterhin ist der enge Kühlmitteldurchtritt im Betrieb, insbesondere bei hohem Wärmeanfall in den Auslasskanälen, durch die hohe Temperatur gefährdet. Trotz der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit im Kühlmitteldurchtritt erhitzt sich dieser Wandbereich stark, so dass es zu Materialermüdungen bei gleichzeitigen großen Wärmespannungen kommen kann, die noch zusätzlich durch Verformungen, die aus der Gaskraft herrühren, verstärkt werden.

Wenn jedoch erfindungsgemäß der Kühlmitteldurchtritt durch Versteifungselemente, die aus einem Werkstoff größerer Festigkeit hergestellt sind, versteift wird, ist der Kühlmitteldurchtritt sowohl bei der Herstellung des Zylinderkopfes als auch im Betrieb gegen Beschädigung oder Ausfall gesichert. Zylinderköpfe werden meist aus einer Aluminiumlegierung gegossen, so dass es relativ einfach ist, einen Werkstoff zu wählen, der sich mit Aluminium umgießen lässt und der eine höhere Festigkeit aufweist. Das Versteifungselement wird bei der Herstellung des Gießkerns des Kühlmittelraumes um den Gießkern der zu versteifenden Bereiche angeordnet und beim Gießen von der Schmelze des Zylinderkopfwerkstoffes umschlossen und festgegossen. Nach dem Erkalten des Gussstückes wird das Versteifungselement ebenso wie der restliche Zylinderkopf von Gießsand befreit.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Versteifungselement aus Stahl hergestellt. Ein stählernes Versteifungselement lässt sich von einer Aluminiumlegierung gut umgießen und wird aufgrund der beim Herstellungsprozess geringeren Wärmeausdehnung nach dem Gießen vom umgebenden Werkstoff fest umklammert, so dass Kräfte in das Versteifungselement eingeleitet bzw. -übertragen werden können, ohne dass es zu einem Ausbrechen oder Ablösen des Versteifungselements kommt. Weiterhin ist ein stählernes Versteifungselement kostengünstig herzustellen und weist gute Wärmeübertragungseigenschaften auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Versteifungselement als geschlossenes Rohrstück ausgebildet. Bei einer derartigen Ausführung des Versteifungselementes ist ein sehr großes Maß an zusätzlicher Steifigkeit im Bereich des Kühlmittelraumes zwischen zwei Auslasskanälen gegeben. Weiterhin ist ein unabhängig von Gusstoleranzen genau definierter Querschnitt für die Kühlmittelströmung erreicht. Das Rohrstück, das das Versteifungselement bildet, wird bereits beim Formen des Gießkernes in die Form eingelegt und bildet mit dem Gießkern ein integrales Formteil.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Versteifungselement als längsgeschlitztes Rohrstück ausgebildet. Ein längsgeschlitztes Rohrstück bietet den Vorteil, dass es einfacher an einem Gießkern anzubringen ist, da es über einen bereits fertigen Gießkern mit dem Schlitz eingesetzt werden kann. Weiterhin bietet ein längsgeschlitztes Rohrstück den Vorteil des geringeren Platzbedarfs, da der Schlitz gezielt ausgerichtet werden kann. Beim Gießen des Zylinderkopfes wird der Schlitz mit flüssigem Zylinderkopfmaterial ausgegossen

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Versteifungselement als eine um den Kühlmittelraumabschnitt gewundene Spirale ausgebildet. Eine Stahldraht oder Stahlband lässt sich einfach als Spirale mit unterschiedlichem Durchmesser und/oder beliebigem Verlauf einer Mittenlinie herstellen und damit ideal auf den oftmals krümmungsreichen Kühlmittelraum zwischen zwei Gaswechselkanälen anpassen. Bei der Herstellung der Gießkerne wird die Spirale in eine Kernform eingelegt, in ihr fixiert und von Kernsand teilweise umfasst. Beim Abgießen des Zylinderkopfes wird die Spirale vom Zylinderkopf material umschlossen und es entsteht dabei Formschluss. Im Hinblick auf die durch die Gaskraft hervorgerufenen Verformungen in diesem Bereich, führt die Spirale zu einer erheblichen lokalen Versteifung und steigert die Haltbarkeit des Zylinderkopfes im sensiblen Bereich der Ventilkühlung.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen Gaswechselventilen und einem Schacht für beispielsweise einem Injektor zusätzliche Versteifungselemente vorgesehen. Ebenso wie zwischen den extrem heißen Auslasskanälen ist es auch möglich, die Struktur anderer hochbelasteter Bereiche des Kühlmittelraumes mit Versteifungselementen zu verbessern. Bevorzugt werden zusätzliche Versteifungselemente in besonders filigrane und für Brüche anfällige Bereiche eingesetzt. Das sind beispielsweise die Bereiche im Kühlmittelraum, die zwischen Gaswechselkanälen und die zwischen einem Schacht für den Injektor und den Gaswechselkanälen, Ventilsitzen und Ventilstegen liegen.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigen:
1 einen Gießkern eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit Rohrstücken,
2 einen Gießkern eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit gewundenen Drahtspiralen,
3 einen Querschnitt durch einen Gießkern mit einem geschlossenen Rohrstück und
4 einen Querschnitt durch einen Gießkern mit einem längsgeschlitzten Rohrstück.
In der 1 ist ein Teil eines Gießkernes 1 eines nicht näher gezeigten Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine dargestellt. Der Gießkern 1 ist aus Formsand hergestellt und bildet den Kühlmittelraum eines Zylinderabschnittes des Zylinderkopfes. Der Gießkern 1 umschließt zwei nicht gezeigte Auslasskanäle, die wiederum durch einen anderen Gießkern erzeugt werden, mit den Kernabschnitten 2, 3, 4 und mit zwei weiteren Kernabschnitten, die die seitlichen Kühlmittelzuläufe 8 bilden. Der Kernabschnitt 2 ist zwischen den beiden Auslasskanälen angeordnet und bildet im fertigen Zylinderkopf einen Kühlkanal, durch den die beiden Auslasskanäle gekühlt werden. Die mittig im Zylinderkopf ungefähr symmetrisch angeordneten Kernabschnitte 4 grenzen an die Auslasskanäle. Im Bereich des Überganges 5 in den Kernabschnitt 2 grenzen die mittigen Kernabschnitte 4 zwischen den Auslasskanälen an einen nicht dargestellten Schacht für einen Injektor, der annähernd in der Mitte des Zylinders bzw. zwischen den vier Gaswechselkanälen angeordnet ist.
Im fertigen Zylinderkopf strömt das Kühlmittel durch die seitlichen Kühlmittelzuläufe 8 in den gesamten Kühlmittelraum, der durch den Gießkern 1 gebildet wird, jedoch anstatt mit Formsand mit Kühlflüssigkeit befüllt ist. Von den seitlichen Kühlmittelzuläufen 8 strömt das Kühlmittel durch den Kernabschnitt 2, der zwischen den Auslasskanälen angeordnet ist. Durch die Kernabschnitte 3 strömt ebenfalls eine Teilmenge des Kühlmittels in den Kühlmittelraum des Zylinderkopfes. Über die mittigen Kernabschnitte 4 wird das Kühlmittel auf die sogenannte Einlassseite des Zylinderkopfes geleitet und verlässt dort erwärmt den Zylinderkopf.
Der vom Kernabschnitt 2 gebildete Kühlmittelkanal, der zwischen den Auslasskanälen angeordnet ist, und die beiden von den mittigen Kernabschnitten 4 gebildeten Kühlmittelkanäle sind aufgrund ihrer Nähe zu den Auslasskanälen thermisch höher belastet als beispielsweise ein Kühlmittelkanal, der auf der Einlassseite des Zylinderkopfes angeordnet ist. Da die Kernabschnitte 2, 4 nur einen kleinen Strömungsquerschnitt und demzufolge nur eine kleine Oberfläche zur Wärmeübertragung aufweisen, ist die Kühlung des Zylinderkopfes in diesen Bereich nicht optimal. Weiterhin ist der gesamte Zylinderkopf durch die hohen Drücke, die aus der Verbrennung herrühren, und durch hohe Schraubenkräfte der Zylinderkopf schrauben mechanisch hoch belastet, was zu Spannungen in der gesamten Zylinderkopfstruktur führt.
Um ein Reißen und damit Versagen des Zylinderkopf zu vermeiden sind an den hochbelasteten Stellen der Kernabschnitte 2, 4 Versteifungselemente 6 angebracht. Diese Versteifungselemente 6 sind in Form von Stahlringen ausgeführt, die um den Gießkern 1 angeordnet sind. Die Versteifungselemente 6 werden bei der Herstellung des Gießkernes 1 in die Form für den Gießkern eingelegt und anschließend wird die Form mit Formsand gefüllt, so dass die Versteifungselemente vom Formsand gehalten werden und diesen bereits beim Gießen des Zylinderkopfes versteifen. Beim Gießen verbinden sich die Versteifungselemente 6 mit dem eigentlichen Zylinderkopfmaterial – vorliegend einer Aluminiumlegierung – und bilden eine feste Einheit, die auch nach Erkalten des Gussteils und Entleeren von Formsand bestehen bleibt. Auf diese Weise wird der Zylinderkopf und hier insbesondere der Kühlmittelraum an einer kritischen und hochbelasteten Stelle wirkungsvoll versteift. Das Versteifungselement 6 kann außer in Form eines Stahlringes auch durch ein geschlossenes oder längsgeschlitztes Rohrstück gebildet sein.
In der 1 ist ebenfalls ein Teil eines Gießkernes 1 eines nicht näher gezeigten Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine dargestellt. Es gelten die gleichen Bezeichnungen und Beziehungen wie in der 1, jedoch sind die Versteifungselemente 7 um die mittigen Kernabschnitte 4 in Form einer Drahtspirale als Variante zu den Rohrstücken aus 1 ausgeführt.
In der 3 ist ein Querschnitt durch einen Gießkernabschnitt 4 mit einem geschlossenen Rohrstück 6.1 als Versteifungselement gezeigt. Das geschlossene Rohrstück 6.1 wird in einer zweiteiligen Kernform 9 gehalten und beim Herstellen des Gießkernes mit Formsand gefüllt.
In der 4 ist ein Querschnitt durch einen Gießkernabschnitt 4 mit einem geschlitzten Rohrstück 6.2 als Versteifungselement gezeigt. Ein geschlitztes Rohrstück 6.2 bietet unter Umständen nicht die Steifigkeit wie ein geschlossenes Rohrstück 6.1 aus 3, aber durch den Längsschlitz lässt es sich in einer Form zur Gießkernherstellung besser positionieren und es bietet durch geringeren Bauraumbedarf geometrische Vorteile.

Claims

Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit Gaswechselkanälen und einem Kühlmittelraum, der die Gaswechselkanäle zumindest teilweise umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zylinderkopf den Kühlmittelraum begrenzende Versteifungselemente (6, 7) zwischen zwei benachbarten Gaswechselkanälen eingegossen sind, wobei die Versteifungselemente aus einem Werkstoff hergestellt sind, der eine größere Festigkeit aufweist als das den Kühlmittelraum umgebende Zylinderkopfmaterial.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (6, 7) aus Stahl hergestellt ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (6) als geschlossenes Rohrstück (6.1) ausgebildet ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (6) als längsgeschlitztes Rohrstück (6.2) ausgebildet ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement als eine um den Kühlmittelraumabschnitt gewundene Spirale (7) ausgebildet ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gaswechselventilen und einem Schacht für beispielsweise einem Injektor zusätzliche Versteifungselemente (6, 7) vorgesehen sind.