DE102004062522B4 - Zylinderkopf mit Versteifung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer zumindest 1-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung eines Kraftfahrzeugs.
- Zylinderköpfe von mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen benötigen eine ausreichende Versteifung, damit sie den beim Verbrennungsvorgang entstehenden Spitzendrücken dauerhaft standhalten können. Darüber hinaus müssen Zylinderköpfe eine ausreichende Wärmeabfuhr aufweisen, um den thermischen Belastungen ebenfalls dauerhaft standhalten zu können. So ist es beispielsweise aus der
DE 35 46 436 C2 bekannt, einen Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine vorzusehen, der flüssigkeitsgekühlt ist. Der Zylinderkopf weist unterschiedliche Abstützungen auf, um damit die im Zylinderkopf angeordneten Kanüle für Ventile, Lager, Zündvorrichtung, Ein- und Auslasskanäle versteifen zu können. Aus derDE 42 22 801 C2 wiederum geht ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine hervor, bei dem ein oberer und ein unterer Kühlwasserraum durch eine parallel zum Zylinderkopfboden verlaufende Trennwand vollständig voneinander getrennt sind. Die Trennwand dient neben der Abtrennung der beiden Kühlwasserkreisläufe auch zur Versteifung im Zylinderkopf. Aus derUS 4,889,080 geht wiederum ein Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine hervor, welcher ein Flammdeck, ein Öldeck und ein dazwischen angeordnetes Zwischendeck aufweist. Des Flammdeck stützt sich hierbei am Zwischendeck ab. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Versteifung eines Zylinderkopfes, insbesondere für hohe Spitzendrücke zur Verfügung zu stellen, um eine Bauteilfestigkeit gewährleisten und hohe Spitzendrücke dauerhaft zulassen zu können.
- Diese Aufgabe wird mit einem Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
- Erfindungsgemäß weist ein Zylinderkopf einer zumindest 1-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise 4-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei einem Kraftfahrzeug ein Flammdeck und ein Öldeck auf. Zwischen dem Flammdeck und dem Öldeck ist ein Zwischendeck angeordnet. Weiterhin erstreckt sich zumindest eine Injektorpfeife vom Öldeck zumindest zum Zwischendeck. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Zwischendeck sich an der Injektorpfeife, vorzugsweise an einem Injektordom anschließt, der im Bereich des Flammdecks annähernd mittig angeordnet ist. Das Zwischendeck erstreckt sich vom Flammdeck aus betrachtet konkavförmig nach außen, so dass das Zwischendeck sich in einem Bereich zwischen 40% bis 60% eines Abstandes zwischen Flammdeck und Öldeck an eine Seitenwand des Zylinderkopfes anschließt. Zwischendeck, Flammdeck und Öldeck sind dabei vorzugsweise einstückig miteinander verbunden. Aufgrund der konkaven Gestalt gelingt es dabei, dass eine erhöhte Versteifung und insbesondere eine größere Druckaufnahme über das Zwischendeck zur Verfügung gestellt wird, Die konkave Gestalt ist vorzugsweise durchgängig gestaltet. Sie kann jedoch auch durch Abschnitte unterbrochen sein, die annähernd eben verlaufen. Es hat sich zum einen als vorteilhaft erwiesen, dass das Zwischendeck von einem mittleren Bereich des Zylinderkopfes nach außen hin ansteigt. Darüber wird eine vergrößerte Fläche zur direkten Druckaufnahme zur Verfügung gestellt. Zum anderen erlaubt eine geschwungene Gestalt des Zwischendecks eine verbesserte Verteilung von Wärmedehnungen.
- Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Zwischendeck zumindest teilweise gewölbeförmig ist und zumindest annähernd parallel zum Flammdeck und/oder Öldeck auf die Seitenwand stößt. Die Seitenwand kann dabei beispielsweise senkrecht zum Zwischendeck verlaufen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Seitenwand eine Neigung aufweist, so dass zwischen dem Zwischendeck und der Seitenwand ein Winkel gebildet wird, der kleiner als 90° ist. Insbesondere liegt der Winkel in einem Bereich zwischen 40° und 75°.
- Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein zweigeteilter Wassermantel im Zylinderkopf angeordnet ist, wobei ein unterer Wassermantel zwischen dem Flammdeck und dem Zwischendeck verläuft und ein oberer Wassermantel zwischen dem Öldeck und dem Zwischendeck verläuft, Die Wassermäntel können beispielsweise vollständig voneinander getrennt vorliegen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Zwischendeck zumindest einen Durchbruch aufweist, der den unteren und den oberen Wassermantel verbindet. Beispielsweise ist ein Durchbruch in einem Bereich des Zwischendecks angeordnet, der parallel zum Flammdeck und/oder Öldeck verlauft.
- Eine zusätzliche Steigerung einer Versteifung im Zylinderkopf wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass zumindest einander gegenüberliegend jeweils zwei Rippen das Flammdeck versteifen, wobei die Rippen sich tangential von der Injektorpfeife und insbesondere vom Injektordom erstrecken, tangential mit Ventilführungen verbunden sind und in Schraubenpfeifen einer Zylinderkopfverschraubung übergehen. Die Rippen kreuzen sich jeweils diagonal, so dass sich zwei gegenüberliegende Kreuzungsbereiche der jeweils zwei Rippen ergeben. Für einen Zylinder sind somit zumindest vier Rippen vorgesehen, die eine Diagonalverstrebung erzielen. Vorzugsweise kreuzen sich jeweils zwei Rippen diagonal, die nur mit Einlassventilführungen beziehungsweise nur mit Auslassventilführungen einstückig verbunden sind. Durch diese Art eines Rippenverlaufes ist sichergestellt, dass Querkräfte und Drehmomente, die am Zylinderkopf angreifen, nicht zu einer Lageänderung von Bauteilen im Zylinderkopf in Bezug zum Motorblock führen. Darüber hinaus erlaubt eine Querversteifung so wie vorgesehen, einen verbesserten Ausgleich von Wärmedehnungen im Zylinderkopf, die sich beispielsweise bei unterschiedlich schnellem Aufheizen des Materials in einer Startphase ergeben können. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die jeweils zwei Rippen sich über das Öldeck hinaus erstrecken. Die Schraubenpfeifen der Zylinderkopfverschraubung sind ebenfalls über das Öldeck hinaus angeordnet. Auf diese Weise kann das Öldeck einerseits selbst über die Rippen stabilisiert werden. Zum anderen wird aufgrund der über das Öldeck hinausgreifenden Erstreckung eine verbesserte Abstützung der zwischen den Schraubenpfeifen angeordneten Elemente des Zylinderkopfes gegen Drehmomente erreicht.
- Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die jeweils zwei Rippen in einem Bereich oberhalb eines Öldeck in die Schraubenpfeifen übergehen, der außerhalb einer Ventilfederauflage liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass eine ungestörte Einbau- und Betriebsmöglichkeit eines Ventiltriebes vorliegt. Darüber hinaus kann dadurch die Ventilfederauflage spanend bearbeitet werden, ohne dass dadurch die Rippen ebenfalls einer Bearbeitung unterworfen werden müssten. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rippen mit dem Zwischendeck einstückig verbunden sind. Durch die Abstützung der Rippen einerseits an den Schraubenpfeifen der Zylinderkopfverschraubung, andererseits an dem Injektordom beziehungsweise an der Injektorpfeife sowie an den Ventilführungen gelingt es, die in das konkav geformte Zwischendeck eingeleiteten Spannungen über die Rippen aufzunehmen und an die Zylinderkopfverschraubung direkt weiterleiten zu können. Auf diese beispielhafte Weise ergibt sich ein Kraftfluss vom Flammdeck direkt in die Zylinderkopfverschraubung in den Motorblock.
- Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rippen sich vom etwa mittig angeordneten Injektordom beziehungsweise der Injektorpfeife nach außen erstrecken, wobei eine erste Rippenaußengeometrie schräg in Richtung Schraubenpfeifen und Öldeck ansteigt. Vorzugsweise sind die Rippen in einem unteren Bereich eines Injektors angesetzt und verlaufen schräg nach oben, wobei die Rippen in einem Bereich des Öldecks an die Schraubenpfeifen angebunden sind. Auf diese Weise wird der Injektorbereich besonders gegenüber dem von einem Brennraum des Zylinders aufgeprägten Druck stabilisiert. Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine zweite Rippenaußengeometrie vor einem Übergang in die Schraubenpfeifen eine kleinere Steigung aufweist als die erste Rippenaußengeometrie, so dass die Rippe sich in einem Längsschnitt betrachtet, verlängert. Dadurch ergibt sich eine verlängerte Anschlussfläche von der Rippe an die Schraubenpfeife. Dadurch gelingt es, die in der Rippe herrschenden Spannungen auf eine größere Fläche übertragen zu können und dadurch für eine geringere Belastung zu sorgen.
- Vorzugsweise ist der Zylinderkopf aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigt, wobei der Zylinderkopf Bestandteil einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine ist. Neben einer Aluminiumlegierung kann auch anderes Gussmaterial eingesetzt werden, zum Beispiel eine Magnesiumlegierung, Graphitguß, insbesondere Vermikulargraphitguß (CGI). Ein vorgeschlagener Zylinderkopf ist insbesondere in der Lage, Spitzendrücke von über 200 bar dauerhaft abfangen zu können. Eine vorteilhafte Anwendung eines Zylinderkopfes liegt insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit einem Spitzendruck von mehr als 180 bar vor, beispielsweise einem Reihen-6-Zylinder-Dieselmotor.
- Weitere Ausgestaltungen sind in der nachfolgenden Zeichnung angegeben. Die dort in den einzelnen Figuren wiedergegebenen beispielhaften Merkmale sind jedoch nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr können diese Merkmale mit anderen Merkmalen anderer Figuren beziehungsweise mit Merkmalen aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden. Es zeigen:
-
1 Einen Querschnitt durch einen beispielhaften Zylinderkopf, -
2 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf aus1 und -
3 eine Aufsicht auf eine beispielhafte Ausgestaltung von Rippen in einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf. -
1 zeigt einen ersten Zylinderkopf1 in einem Querschnitt. Der Zylinderkopf1 weist ein Flammdeck2 sowie ein Öldeck3 auf. Zwischen dem Flammdeck2 und dem Öldeck3 ist ein Zwischendeck4 angeordnet, welches eine konkave Gestalt aufweist. Das Zwischendeck4 ist an eine Injektorpfeife5 einstückig angeschlossen. In der Injektorpfeife5 kann eine Einspritzvorrichtung wie auch eine Zündvorrichtung, die jeweils nicht näher dargestellt sind, vorgesehen sein. Die Injektorpfeife5 bildet in ihrem unteren Bereich einen Injektordom6 . Das Zwischendeck4 weist vorzugsweise eine Anbindung an den unteren Bereich der Injektorpfeife5 und damit an den Injektordom6 auf. Das Zwischendeck4 läuft in eine Seitenwand7 aus. Die Seitenwand7 ist beispielsweise als Verstrebung ausgebildet. Diese Verstrebung ist daher geneigt im Zylinderkopf1 verlaufend. Daher geht das Zwischendeck4 am von der Injektorpfeife5 entgegengesetzten Ende in die Seitenwand7 in einen Winkel über, der ungleich 90° ist. Vorzugsweise kann die Seitenwand auch Bestandteil eines Domes einer Zylinderkerze sein. Auch kann das Zwischendeck4 in ein Element übergehen, das eine andere Funktionszuordnung im Zylinderkopf hat als die einer Wand. Das Zwischendeck4 kann einen oder mehrere Durchbrüche8 aufweisen. Über die Durchbrüche8 kann ein oberer Wassermantel9 mit einem unteren Wassermantel10 in Verbindung treten. Weiterhin ist aus dem Querschnitt des Zylinderkopfes1 eine erste Rippe11 und eine zweite Rippe12 sowie eine dritte Rippe13 und eine vierte Rippe14 zu entnehmen. Die Rippen11 bis14 sind an die mittig angeordnete Injektorpfeife5 und dort insbesondere an den Injektordom6 beziehungsweise an den unteren Bereich der Injektorpfeife5 angeschlossen. Am gegenüberliegenden Ende der Rippen11 bis14 verlaufen diese einstückig in Schraubenpfeifen15 , durch die eine Zylinderkopfverschraubung hindurchgeführt wird. Die Schraubenpfeifen15 erstrecken sich dabei über das Öldeck3 hinaus. Dadurch können die Rippen11 bis14 ebenfalls sich zumindest teilweise im Bereich des Überganges in die Schraubenpfeifen15 über das Öldeck3 hinaus erstrecken. Die zweite Rippe12 beispielsweise weist eine erste Rippenaußengeometrie16 auf. Diese verläuft von der Injektorpfeife5 kommend ansteigend hin zur Schraubenpfeife15 . - Eine zweite Rippenaußengeometrie
17 , die der ersten Rippenaußengeometrie16 gegenüber angeordnet ist, weist beispielsweise in einem ersten Bereich ebenfalls ein Ansteigen auf. Darin schließt sich jedoch ein zweiter Bereich an, in dem der ansteigende Winkel abfällt. Insbesondere verläuft in dem zweiten Bereich die zweite Rippenaußengeometrie17 annähernd parallel zum Öldeck3 . Auf diese Weise verlängert sich die zweite Rippe12 , so dass eine größere Fläche für den Übergang von der Rippe in die Schraubenpfeife15 zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine Versteifung weiter erhöht werden. Des weiteren kann die Gestalt der Rippe auch beispielsweise durch einen Verlauf des Wassermantels beeinflusst werden. -
2 zeigt den Zylinderkopf1 aus1 in einem Längsschnitt. Das Zwischendeck4 ist hierbei schematisch angedeutet und eingezeichnet. Es trennt wiederum den oberen Wassermantel9 vom unteren Wassermantel10 . Aus der schematischen Ansicht des Längsschnittes ist zu erkennen, dass das Zwischendeck4 hierbei im unteren Bereich der Injektorpfeife5 und damit quasi am Injektordom6 angeschlossen ist. Vorzugsweise kann die Injektorpfeife5 mit ihrer Ausnehmung18 zumindest teilweise in das Material des Zwischendecks4 hineinlaufen. Insbesondere kann das Zwischendeck4 einen Tellerbereich19 bilden, in dessen Mitte die Injektorpfeife5 angeordnet ist. Weiterhin ist aus2 zu entnehmen, dass das Zwischendeck4 von der Injektorpfeife5 kommend in einem Außenbereich des Zylinderkopfes1 in eine dortige Seitenwand übergeht, wobei dieser Übergang in einem Höhenbereich angeordnet ist, der zwischen 40% bis 60% des Abstandes zwischen Flammdeck2 und Öldeck3 beträgt. Insbesondere geht das Zwischendeck4 weder in das Flammdeck2 ein, noch in das Öldeck3 . Vielmehr ist das Zwischendeck4 getrennt von Flammdeck2 und Öldeck3 im Zylinderkopf1 angeordnet. -
3 zeigt einen zweiten Zylinderkopf20 in schematischer Ansicht. Dargestellt sind vier Schraubenpfeifen21 , die über Seitenwände22 miteinander verbunden sind. Mittig angeordnet in diesem Ausschnitt des zweiten Zylinderkopfes20 ist eine Injektorpfeife23 . Weiterhin sind Einlassventilführungen24 und Auslassventilführungen25 vorhanden. Die Ventilführungen24 ,25 wie auch die Injektorpfeifen23 sind mit den Schraubenpfeifen21 über vier Rippen26 miteinander einstückig verbunden. Jeweils zwei Rippen26 kreuzen sich diagonal und bilden darüber einen ersten Kreuzungsbereich27 beziehungsweise eine zweiten Kreuzungsbereich28 . Die beiden Kreuzungsbereiche27 ,28 liegen einander gegenüber, getrennt durch die Injektorpfeife23 . Die Rippen26 sind tangential an die Injektorpfeife23 angebunden. Gleiches gilt auch für die Anbindung an die Ventilführungen24 ,25 . Die Ventilführungen24 ,25 können dabei derart angeordnet sein, dass die Rippen26 zumindest weitgehendst gradlinig verlaufen. Sie können jedoch auch so zueinander versetzt angeordnet sein, dass die Rippen26 jeweils abschnittsweise eben sind, wobei diese Abschnitte in einem Winkel zueinander stehen, der durch die Position von Ventilführungen24 ,25 und Schraubenpfeifen21 mit Injektorpfeife23 abhängig ist. Durch die tangentiale Anbindung der Rippen gelingt es, eine besondere Versteifung der Ventilführungen auch für eine Stabilisierung der nicht näher dargestellten Wassermäntel und der dafür vorgesehenen Einbauten ausnutzen zu können. -
4 zeigt einen dritten Zylinderkopf29 in schematischer Ansicht. Rippen30 verlaufen hierbei von Schraubenpfeifen31 hin zu einem Injektor32 , wobei die Rippen zumindest annähernd tangential an die Schraubenpfeifen31 und/oder den Injektor32 angebunden sind. Aus gießtechnischen Erwägungen kann es beispielsweise zu Abweichungen kommen, so dass die Rippen30 sich insbesondere beim Nähern an den Injektor32 nicht überschneiden. Bei dieser schematischen Ausgestaltung des Zylinderkopfs29 sind die Rippen30 nicht an Ventilpfeifen33 angeschlossen und verlaufen an diesen vorbei.
Claims (14)
- Zylinderkopf (
1 ) einer zumindest 1-Zylinder-Verbinnungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Flammdeck (2 ) und mit einem Öldeck (3 ), wobei zwischen dem Flammdeck (2 ) und dem Öldeck (3 ) ein Zwischendeck (4 ) angeordnet ist, wobei sich zumindest eine Injektorpfeife (5 ) vom Flammdeck (2 ) zum Öldeck (3 ) hin erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (4 ) sich an einem unteren Bereich der Injektorpfeife (5 ), insbesondere einem Injektordom (6 ) anschließt, die im Bereich des Flammdecks (2 ) annähernd mittig angeordnet ist, und das Zwischendeck (4 ) vom Flammdeck (2 ) aus betrachtet sich konkavförmig nach außen erstreckt, so dass das Zwischendeck (4 ) sich in einem Bereich zwischen 40% bis 60% eines Abstandes zwischen Flammdeck (2 ) und Öldeck (3 ) an eine Seitenwand (7 ) anschließt, wobei zumindest einander gegenüberliegend jeweils zwei Rippen (11 ,12 ) das Flammdeck (2 ) versteifen, die sich tangential von der Injektorpfeife (5 ) nach außen erstrecken, tangential mit Ventilführungen (24 ,25 ) verbunden sind und in Schraubenpfeifen (15 ) einer Zylinderkopfverschraubung übergehen, wobei die Rippen (11 ,12 ) sich jeweils diagonal kreuzen, so dass sich zwei gegenüberliegende Kreuzungsbereiche (27 ,28 ) ergeben. - Zylinderkopf (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (4 ) zumindest teilweise gewölbeförmig ist und zumindest annähernd parallel zum Flammdeck (2 ) und/oder Öldeck (3 ) verlaufend auf die Seitenwand (7 ) stößt. - Zylinderkopf (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (4 ) zwischen einem zweigeteilten Wassermantel angeordnet ist, wobei ein unterer Wassermantel (10 ) zwischen dem Flammdeck (2 ) und dem Zwischendeck (4 ) verläuft und ein oberer Wassermantel (9 ) zwischen dem Öldeck (3 ) und dem Zwischendeck (4 ) verläuft. - Zylinderkopf (
1 ) nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischendeck (4 ) zumindest einen Durchbruch (8 ) aufweist, der den unteren (10 ) und den oberen (9 ) Wassermantel miteinander verbindet. - Zylinderkopf (
1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (8 ) gegossen ist. - Zylinderkopf (
1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Durchbruch maschinell hergestellt ist. - Zylinderkopf (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Rippen (11 ,12 ) zur Versteifung des Zylinderkopfes (1 ) sich über das Öldeck (3 ) hinaus erstrecken. - Zylinderkopf (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Rippen (11 ,12 ) in einem Bereich oberhalb des Öldecks (3 ) in Schraubenpfeifen (15 ) übergehen, wobei der Bereich außerhalb einer Ventilfederauflage liegt. - Zylinderkopf (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11 ,12 ) mit dem Zwischendeck (4 ) einstückig verbunden sind. - Zylinderkopf (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11 ,12 ) sich von der etwa mittig angeordneten Injektorpfeife (5 ) nach außen hin erstrecken, wobei eine erste Rippenaußengeometrie (16 ) schräg in Richtung Schraubenpfeife (15 ) ansteigt. - Zylinderkopf (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11 ,12 ) in einem unteren Bereich der Injektorpfeife (5 ) ansetzen und schräg nach oben verlaufen, wobei die Rippen (11 ,12 ) in einem Bereich des Öldecks (3 ) an die Schraubenpfeifen (15 ) angebunden sind. - Zylinderkopf (
1 ) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Rippenaußengeometrie (17 ) vor einem Übergang in die Schraubenpfeife (15 ) eine kleinere Steigung aufweist, so dass zumindest eine Rippe (11 ,12 ) sich in einer Längsausrichtung betrachtet verlängert. - Zylinderkopf (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1 ) Bestandteil einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine ist. - Anwendung eines Zylinderkopfes nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Kraftfahrzeug mit einem Dieselmotor mit einem Spitzendruck von mehr als 180 bar.
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