DE102004004753A1

DE102004004753A1 - Zylinderkopfhaube

Info

Publication number: DE102004004753A1
Application number: DE102004004753A
Authority: DE
Inventors: Torsten Hilpert; Andreas Weber
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-18
Also published as: EP1559876B1; US20050188937A1; US7137372B2; EP1559876A2; JP4624119B2; ATE510112T1; EP1559876A3; JP2005233182A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfhaube, insbesondere zur Abdeckung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Öleinfüllstutzen, wenigstens einer Ölabscheidevorrichtung und wenigstens einer Ventileinrichtung. Die Zylinderkopfhaube wird durch eine Unterschale und eine Oberschale gebildet, wobei die Funktionselemente der Zylinderkopfhaube aus zwei Segmenten gebildet ist, wobei ein Segment integral an der unteren Schale und das zweite Segment integral an der oberen Schale angeordnet ist und die jeweiligen Segmente durch kommunizierende Dichtungskonturen verbunden sind. Wesentliche Funktionsteile des Ölabscheiders sind an der Unterschale und an der Oberschale angeordnet, wobei eine Ölabscheidevorrichtung durch einen Zyklon gebildet wird, wobei der Becher des Zyklons an der Unterschale und das Tauchrohr des Zyklons an der Oberschale angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfhaube, insbesondere zur Abdeckung des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zylinderkopfhauben haben die Aufgabe, den Raum des Zylinderkopfes zur Außenseite des Motors abzuschließen. Innerhalb des Zylinderkopfes sind, bedingt durch den Betrieb der Brennkraftmaschine, überwiegend Blow-by-Gase aus dem Verbrennungsprozess sowie Öltröpfchen aus dem Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine vorhanden. Diese im Zylinderkopfraum vorhandenen Gas- und Flüssigkeitsmengen werden üblicherweise über Abscheidevorrichtungen geführt und wieder dem Ansaugbereich zugeleitet. Solche Abscheidevorrichtungen zum Trennen der Ölanteile des Kurbelgehäusegases werden üblicherweise in unmittelbarer Nähe der Zylinderkopfhaube oder idealerweise in der Zylinderkopfhaube integriert eingebracht.

Aus der DE 101 27 819 ist die Anordnung einer Vorabscheideeinrichtung, einer Zyklonabscheideeinrichtung und einer Feinabscheideeinrichtung integriert in der Zylinderkopfhaube einer Brennkraftmaschine bekannt. Es wird eine Zylinderkopfhaube gezeigt, an welcher eine Vorabscheideeinrichtung, eine Zyklonabscheideeinrichtung, eine Feinabscheideeinrichtung und eine Ventileinrichtung kaskadenförmig angeordnet sind. Die erwähnten Funktionselemente sind einzeln und in unmittelbarer Nähe nebeneinander auf der Unterschale der Zylinderkopfhaube angeordnet. Alle Funktionselemente werden von einer Gehäusehalbschale überdeckt. Die Gehäusehalbschale dient nur zum dichtenden Abschließen gegenüber der Umgebungsseite und weist weiterhin keine Funktion zum Abscheideprozess auf. Nachteilig hierbei ist, dass für die Fertigung der einzelnen Funktionselemente ein hoher konstruktiver und fertigungstechnischer Aufwand benötigt wird und ein hoher Materialbedarf besteht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zylinderkopfhaube zu schaffen, an welcher Abscheidevorrichtungen, insbesondere Ölabscheidevorrichtungen integriert werden können, welche fertigungstechnisch vorteilhaft herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zylinderkopfhaube eignet sich insbesondere zur Abdeckung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine und zur Integration von Ölabscheidevorrichtungen in die Zylinderkopfhaube.

Die Zylinderkopfhaube besteht aus einer Unterschale, an welcher auf der Unterseite ein umschließender Dichtflansch angeordnet ist, über welchen die Zylinderkopfhaube mit dem Zylinderkopf verbunden ist. Die nach oben gewölbte Haubenform umschließt den gesamten Zylinderkopf. Weiterhin sind in der Haube Funktionskonturen angebracht, welche jeweils ein Segment für eine Funktionseinheit bilden. Die jeweiligen Funktionseinheiten sind insbesondere als Ölabscheidevorrichtungen vorgesehen. Die an der Unterschale vorhandenen Funktionskonturen werden wiederum von einer Dichtungskontur umschlossen. Eine an der Unterschale vorhandene Funktionskontur bildet ein Segment für einen Zyklonabscheider, wobei dieses Funktionssegment den Becher des Zyklons darstellt. Dieser Becher ist derart in die Unterschale integriert, dass der untere Wandungsabschluss des Bechers in den Zylinderkopfraum ragt und der obere Wandungsabschluss des Bechers in die Oberseite der Unterschale hineinragt. An der Becherwandung ist auf der geöffneten Seite des Bechers eine tangentiale Aussparung angebracht. Der Becher verjüngt sich auf der unteren Seite durch einen Konus bis auf ein kleines Verbindungsloch, das einen Verbindungsquerschnitt zum Zylinderkopfraum herstellt. An der Unterschale der Zylinderkopfhaube ist somit der Becher des Zyklons als ein Funktionssegment integriert. Die Oberschale der Zylinderkopfhaube überdeckt die Funktionskontur der Unterschale und dichtet diese mit kommunizierenden Dichtungskonturen ab. Weiterhin ist in der Oberschale ein die Oberschale durchdringendes Tauchrohr angeordnet, welches in seiner Position konzentrisch zum Becher angeordnet ist. Das Tauchrohr ragt in montiertem Zustand mit seiner Innenkante bis in den konischen Bereich des Bechers und durchdringt im oberen Bereich die Oberschale und bildet auf der Außenseite der Oberschale einen geeigneten Anschluss bzw. einen Saugstutzen zur Verbindung mit einem Volumenstrom. Um den Einbauraum im Zylinderkopf optimal auszunutzen, können auch mehrere Zyklone nebeneinander angeordnet werden, welche dann parallel ge schaltet sind oder durch vorgesehene Aktoren dem Volumenstrom angepasst optional zu- oder abgeschaltet werden. Die mit Öldampf belasteten Gase aus dem Zylinderkopfraum werden so durch die Oberseite des Bechers tangential angesaugt und erfahren durch ihre Anströmung eine rotierende, spiralförmige Bewegung bis zur Mündungsseite des Tauchrohrs. Von der Mündungsseite des Tauchrohrs werden sie durch die Oberschale abgesaugt und in der Regel wieder dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zugeführt. Die im Gas vorhandenen Ölpartikel werden durch die Rotation um das Tauchrohr an die Wandung des Bechers geschleudert und fließen der Schwerkraft folgend durch ein Verbindungsloch in den Zylinderkopfraum ab. Der Zyklonabscheider kann auch mit weiteren Fein- oder Grobabscheidern kombiniert werden, welche ebenso integral in die Zylinderkopfhaube integriert sind, wie z. B. ein Labyrinthabscheider.

Die erfindungsgemäße Zylinderkopfhaube ermöglicht es in vorteilhafter Weise, durch die Integration von zusammenwirkenden Funktionssegmenten in die Ober- und die Unterschale, die Anzahl sonst zusätzlicher Bauteile zu reduzieren. Einzelteile, die sonst separat gefertigt und gefügt werden müssen, sind bereits in die Ober- bzw. Unterschale integriert und erfüllen ihre Funktion nach der Montage. Zusätzlich erforderliche Funktionselemente, wie z. B. Federn, Membrane, Ventile oder Verschlusselemente können bereits vor dem Fügevorgang der Schalen montiert werden. Durch die Integration der Funktionssegmente ergibt sich auch ein konstruktiver Spielraum, durch welchen der notwendige Raumbedarf verringert werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Materialwahl von Kunststoffspritzguss für beide Schalenteile, wobei die Teilungsebene der Werkzeuge in den Bereich des Zyklons gelegt werden kann, wodurch sich eine hinterschnittsfreie Konstruktion des Werkzeuges ermöglicht. Der zusätzliche Werkzeugaufwand kann bei dieser Gestaltung auf einen Seitenschieber minimiert werden. Neben der variablen Gestaltungsmöglichkeit, die sich durch die Auswahl des Kunststoffspritzgusses ergibt, ist mit diesem Kunststoffmaterial auch ein angestrebter Gewichtsvorteil zu erreichen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich bei Verwendung von Kunststoffmaterial dahingehend, dass die beiden Schalen über die korrespondierenden Dichtflächen miteinander verschweißt werden. Neben einer Kleb-, Schraub- oder Rastverbindung ergibt sich durch eine Schweißverbindung die Möglichkeit, auf zusätzliche Verbindungsteile zu verzichten und eine dauerhaft dichte und zuverlässige Verbindung herzustellen. Auf zusätzliche Elemente, wie Dichtungen und Verbindungselemente kann beim Schweißverfahren verzichtet werden, wodurch sich auch ein Raumvorteil im Verbindungsbereich ergibt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ergibt sich durch die Einformung eines Reservoirs in der Unterschale, wobei das Reservoir durch die Oberschale dichtend verschlossen werden kann und ein weiteres Funktionsteil darstellt. Dieses Reservoir kann z. B. die Funktion eines Behälters wahrnehmen, welcher beispielsweise eine Kompensation von Druckspitzen an einem weiteren Funktionselement gewährleistet. In diesem Fall ist das Reservoir über einen Anschlussstutzen durch einen Strömungsquerschnitt mit einem weiteren Funktionselement verbunden. Vorteilhaft hierbei ist, dass das angeordnete Reservoir eine Zusatzfunktion bildet, welche unabhängig von der Funktion der Zylinderkopfhaube genutzt werden kann. Durch die räumliche Integrierung des Reservoirs in die Zylinderkopfhaube kann der zur Verfügung stehende Raum genutzt werden, und es wird an anderer Stelle ein Einbauraum eingespart.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht sich durch die Anordnung eines Reservoirs, wobei das Reservoir durch ein Verbindungsloch mit einer Zykloneinheit kommuniziert, wobei der Boden des Reservoirs geodätisch tiefer angeordnet sein muss als das Verbindungsloch zum Zyklonabscheider. Idealerweise ist an einem Tiefpunkt des Reservoirs ein Ventil angeordnet, welches das Reservoir beim Anliegen von Unterdruck nach oben hin verschließt. Bei dieser Anordnung sammelt sich während des Betriebszustandes des Motors das abgeschiedene Öl, welches durch das Verbindungsloch in das Reservoir fließt, im Reservoir an und wird bei abgestelltem Motor durch das Öffnen des Rücklaufventils in den Zylinderkopfraums abfließen. Durch das Verschließen des Reservoirs im Betriebszustand des Motors wird ein Volumenstrom durch das Verbindungsloch im Zyklonraum ausgeschlossen. Somit wird das gesamte Abscheidegas, welches durch den Zyklon strömt, durch die tangentiale Aussparung angesaugt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Zyklons erhöht. Auf diese Weise werden Vorteilhaft auch die Funktionsteile, welche den Ölabfluss des abgeschiedenen Öles regeln in die Zylinderkopfhaube integriert.

Es ist weiterhin vorteilhaft, ein Druckregelventil in Verbindung mit dem Zyklonabscheider anzubringen. Hierbei bietet es sich an, den Grundkörper des Druckregelventils in direkter Verlängerung zum Tauchrohr des Zyklons anzuordnen und die übrigen Funktionselemente des Druckregelventils, wie beispielsweise Federn, Membranen, Verschlussventil und Deckel, separat an das Druckregelventil zu montieren. Eine Möglichkeit, das Druckregelventil mit dem Tauchrohr zu verbinden, wird auch durch eine Steckverbindung er möglicht, wobei in dieser Ausführungsform an der Oberschale oder am Körper des Druckregelventils eine Muffe vorhanden sein muss. Vorteilhaft bei einer direkten Verbindung zwischen dem Gehäuse des Druckregelventils und der Oberschale ist die weitere Integration von Funktionselementen in ein einzelnes Bauteil, wodurch die Handhabung und Logistik im Bereich der Fertigung und Montage verringert werden kann. Weiterhin kann auf Befestigung und Verbindungsteile zwischen Druckregelventil und Zylinderkopfhaube verzichtet werden. Die direkte Querschnittsverlängerung, welche vom Tauchrohr in das Druckregelventil übergeht, verringert mögliche Strömungswiderstände, wodurch sich das Tauchrohr relativ schlank gestalten lässt. Die ölbehafteten Verbrennungsgase aus dem Zylinderkopfraum werden somit durch den Becher des Zyklonabscheiders tangential angeströmt, in Rotation gebracht und rotieren weiter spiralförmig zur unteren Seite des Tauchrohres, von welchem sie angesaugt werden. Im weiteren Verlauf strömen die vorgereinigten Gase durch das Druckregelventil über den Saugstutzen zurück zum Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
Hierbei zeigt
1 die Unterschale einer Zylinderkopfhaube in perspektivischer Ansicht und
2 den Vollschnitt durch eine komplettierte Zylinderkopfhaube in Höhe eines mit dem Druckregelventil kombinierten Zyklons. Der 1 entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist die Unterschale 11 der Zylinderkopfhaube dargestellt, an welcher jeweils ein Segment mehrerer Funktionselemente eingeformt ist. Die drei nebeneinander angeordneten Becher 16 bilden in zusammengebautem Zustand mit der nicht dargestellten Oberschale, an welcher die mit dem Becher 16 kommunizierenden nicht dargestellten Tauchrohre der Oberschale angeordnet sind, das Funktionselement des Zyklonabscheiders. Die Außenseite der Becher 16 hat freie Verbindung zum Zylinderkopfraum 22. In montiertem Zustand sind die Stirnseiten der Becher 16 durch die Oberschale verschlossen, so dass die Kurbelgehäusegase nur über die tangentialen Aussparungen 17 angeströmt werden können. Die Becher verengen sich in einem konischen Bereich bis zu einer Trennwand 19b eines direkt angrenzenden Reservoirs 19 und kommunizieren durch ein in 2 dargestelltes Verbindungsloch 18 mit dem Reservoir 19. Das Funktionselement des Zyklons ist in montiertem Zustand durch die Dichtungskontur 14, welche mit der Dichtungskontur der nicht dargestellten Oberschale kommuniziert, dichtend verschlossen, wodurch die Funktion des Zyklons gewährleistet wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umläuft die Dichtungskontur 14 alle einzelnen Funktionselemente. Es ist jedoch auch möglich, die einzelnen Funktionselemente räumlich voneinander zu trennen und mit mehreren Oberschalen abzuschließen. Im Fall des durch den Becher 16 und das in 2 dargestellte Tauchrohr 15 wirkenden Zyklonabscheiders wird in montiertem Zustand das Kurbelgehäusegas aus dem Zylinderkopfraum 22 über die tangentiale Aussparung 17 angesaugt und rotiert spiralförmig in Richtung der konischen Seite des Bechers 16, wo es in seiner Strömungsrichtung umgekehrt wird und weiter durch das Tauchrohr abströmt. Durch die Rotation lagern sich an der inneren Wandung des Bechers 16 Ölpartikel ab und fließen infolge der Strömungsrichtung und der Schwerkraft durch den konischen Bereich, durch das Verbindungsloch 18 (siehe 2) in das Reservoir 19. Der Neigungswinkel der Becher 16 muss so ausgewählt werden, dass gegenüber dem Reservoir 19 eine leicht abschüssige Neigung besteht. Die drei nebeneinander angeordneten Becher 16 sind durch einen Verbindungssteg 24 mit der Unterschale verbunden, es ist jedoch auch möglich, die Becher direkt angrenzend an eine Wange der Unterschale 11 anzuordnen. Die obere Seite der Becher 16, an welchen sich auch die tangentialen Aussparungen 17 befinden und die Oberseite des Verbindungssteges 24 bilden somit die obere Teilungsebene des Werkzeuges. Als weiteres Funktionssegment eines Funktionselementes bildet sich in montiertem Zustand ein Druckbehälter 28, wobei die Funktion des Druckbehälters 28 nach der Montage einer nicht dargestellten Oberschale 12, die den Druckbehälter dichtend verschließt, gewährleistet ist. Der Druckbehälter 28 ist auch zur Unterseite bzw. zum Zylinderkopfraum 22 durch eine eingeformte Bodenplatte 26 dichtend abgeschlossen. Ein weiteres Funktionssegment des Funktionselementes Öleinfüllstutzen 27 bildet sich in montiertem Zustand mit der in 1 nicht dargestellten Oberschale 12. Auch dieses Segment ist in montiertem Zustand durch die Dichtungskontur 14 mit der Oberschale 12 dichtend abgeschlossen. Zur unteren Seite des Zylinderkopfraums 22 hin wird das Funktionssegment Öleinfüllstutzen 27 zwar durch die Abschirmplatte 25 abgedeckt, jedoch stellt die Abschirmplatte 25 nur einen Spritzschutz für das Öl dar, und das Abfließen des Öls muss an den Rändern der Abschirmplatte 25 gewährleistet sein.
In 2 ist das Funktionselement des Zyklonabscheiders sichtbar, wobei beide Funktionssegmente bzw. die Oberschale 12 und die Unterschale 11 miteinander dichtend verbunden sind. In der ausschnittsweise dargestellten Zylinderkopfhaube 10 ist die Unterschale 11 durch nicht dargestellte Verbindungselemente an dem Zylinderkopf 23 befestigt. Die Oberschale 12 ist sowohl mit den Dichtungskonturen 14 als auch mit den Stirnseiten des Bechers 16 dichtend verbunden. Das Druckregelventil 13 ist in direkter Verlängerung des Tauchrohres 15 in die Oberschale 12 integriert. Das Tauchrohr 15 mündet im konischen Bereich des Bechers 16. Die tangentiale Aussparung 17 ist im abgebildeten Ausführungsbeispiel auf der Oberseite angeordnet, diese kann jedoch ebenso seitlich oder auf der Unterseite angeordnet sein. Direkt angrenzend zum Becher 16 ist das Reservoir 19 angeordnet, welches durch ein Verbindungsloch 18 durch die Trennwand 19b mit dem Becher kommuniziert. Das Reservoir wird an den Stirnseiten seiner Seitenwände ebenso durch die umlaufende Dichtungskontur 14 dichtend abgeschlossen. Im Tiefpunkt des Reservoirs 19 ist ein Rücklaufloch 20 angeordnet, welches im Betriebszustand des Motors durch das Rücklaufventil 21 verschlossen ist und sich im Stillstand des Motors öffnet. Die sich bildende Funktionseinheit des Zyklonabscheiders kann einzeln oder auch parallel mit mehreren Zyklonabscheidern angeordnet sein. Auch ist die Anordnung eines Reservoirs 19 nicht zwingend notwendig, da ein Abfließen der abgeschiedenen Flüssigkeit auch durch das Verbindungsloch 18 direkt in den Zylinderkopfraum 22 denkbar ist. Im Betriebszustand des Motors werden die Kurbelgehäusegase durch den 13a, welcher mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, angesaugt. Dadurch strömen die Kurbelgehäusegase aus dem Zylinderkopfraum 22 durch die tangentiale Aussparung 17 in den Becher 16 und werden dadurch rotierend um das Tauchrohr 15 geleitet, wodurch sich die Ölpartikel an den Wandungen des Bechers 16 ablagern und der Schwerkraft und der Strömungsrichtung folgend durch das Verbindungsloch 18 in das Reservoir 19 abfließen können. Die vorgereinigten Gase werden durch das Druckregelventil 13 über den Saugstutzen 13a wieder zum Ansaugtrakt geführt. Die abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich im Reservoir 19, wobei das Rücklaufventil 21 den Rücklauf 20 im Betriebszustand verschließt und bei Teillast bzw. im Leerlauf oder Stillstand des Motors das Rücklaufventil das Reservoir wieder öffnet. Bei geöffnetem Rücklaufventil 21 fließt das abgeschiedene Öl in den Zylinderkopfraum 22 ab.

Claims

Zylinderkopfhaube, insbesondere zur Abdeckung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Öleinfüllstutzen, wenigstens eine Ölabscheidevorrichtung und wenigstens eine Ventileinrichtung, wobei die Kontur der Zylinderkopfhaube durch eine Unterschale und eine Oberschale gebildet ist, wobei die Funktionselemente jeweils aus zwei Segmenten gebildet sind, wobei jeweils ein Segment integral an der unteren Schale und das zweite Segment integral an der oberen Schale angeordnet ist und die jeweiligen Segmente durch kommunizierende Dichtungskonturen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wesentliche Funktionsteile der Ölabscheidevorrichtung an der Unterschale und an Oberschale angeordnet sind, dergestalt das als Ölabscheidevorrichtung wenigstens ein Zyklon angeordnet ist, wobei der Becher des Zyklons an der Unterschale und das Tauchrohr des Zyklons an der Oberschale angeordnet ist.
Zylinderkopfhaube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schalen der Zylinderkopfhaube aus Kunststoffspritzguss hergestellt sind.
Zylinderkopfhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalen komplett mit den jeweils angeordneten Segmenten verschweißt sind.
Zylinderkopfhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Funktionselement ein Reservoir gebildet ist.
Zylinderkopfhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir durch ein Verbindungsloch mit dem Ölablauf des Zyklons verbunden ist, wobei an einem Tiefpunkt des Reservoirs ein Ventil angeordnet ist, welches das Reservoir im Saugzustand verschließt.
Zylinderkopfhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Funktionsteil ein Unterdruckbehälter gebildet ist.
Zylinderkopfhaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregelventil an eine Schale angespritzt ist.