-
Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Sie
geht von der deutschen Patentanmeldung
DE 25 14 592 A1 aus. In
dieser ist ein aus mehreren Teilen zusammengebauter, flüssigkeitsgekühlter Einzelzylinderkopf
für eine
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit je zwei nebeneinander angeordneten Einlass-
und Auslassventilen beschrieben. Der Zylinderkopf besteht aus einem
gegossenen Oberteil und einer zwischen diesem Oberteil und dem Brennraum angeordneten,
aus zwei Teilen zusammengesetzten, doppelwandigen Bodenplatte mit
Durchbrüchen
für die
Gaswechselventile und eine Kraftstoffeinspritzdüse. Der sandwichartige Aufbau
wurde gewählt,
da die Zylinderleistung von Hubkolben-Brennkraftmaschinen für gleiche
Hubvolumen durch die stetige Steigerung der Aufladedrücke und
der Erhöhung
der Brennkraftmaschinendrehzahl ständig angestiegen ist. Die damit
verbundene wesentlich höhere
thermische und mechanische Belastung kann der vorgeschlagene Zylinderkopf
problemlos aufnehmen, da seine Bodenplatte und sein Kopf- oder Oberteil
miteinander verlötet
oder verschweißt
werden. Typischerweise werden gattungsgemäße Zylinderköpfe vollständig aus
einem Stahlwerkstoff hergestellt.
-
Nachteilig
an der beschriebenen Ausgestaltung ist das hohe Gewicht des Zylinderkopfes.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen leichteren gattungsgemäßen Zylinderkopf
aufzuzeigen.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 dadurch gelöst,
dass das Bodenteil aus einem eisenmetallischen Werkstoff und das
Kopfteil aus einem Leichtmetall ist.
-
Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist es möglich
einen sehr leichten Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit sehr
hohen spezifischen Leistungen zu bauen. Somit ist es möglich, die Größe der Brennkraftmaschine
und damit das Gewicht der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Hieraus resultiert
wiederum die Reduzierung des Kraftfahrzeuggewichts, ohne Nachteile
in der Fahrleistung zu erhalten. Darüber hinaus hat das heißere Bodenteil, welches
beispielsweise aus Grauguss ist, eine spezifisch niedrigere und
das tendenziell kältere
Kopfteil, welches beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ist,
eine spezifisch höhere
Wärmedehnung.
Relativbewegungen in der Trennebene zwischen dem Bodenteil und dem
Kopfteil sind bei Wärmeunterschieden
somit minimiert, wodurch eine deutlich verbesserte Dichtheit in
der Tennebene erzielt wird. Weiter weist das Bodenteil eine sehr
gute Verschleißfestigkeit
auf. Hierdurch können
Gaswechselventilsitzringe entfallen, d. h. die Fertigung der Gaswechselventilsitze
kann direkt an dem Bodenteil erfolgen. Hierdurch werden keine zusätzlichen
Spannungen bzw. Vorplastifizierungen in den Gaswechselventilsitzbereichen
eingebracht. Dies führt
zu einer wesentlich verringerten Verformungsneigung der Gaswechselventilsitzumgebung
aufgrund von Temperaturunterschieden, die beispielsweise durch Ovalisierung
der Gaswechselventilsitzphasen entstehen. Hieraus resultiert in
vorteilhafter Weise eine wesentlich verbesserte Gaswechselventildichtheit.
-
Die
Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 2 und
3 erlaubt die einfache Zerlegung des Zylinderkopfes. Eine Reparatur
des Zylinderkopfes ist problemlos möglich. Sollte beispielsweise
ein Riss in dem Bodenteil entstehen, so kann der Zylinderkopf durch
einfaches Ersetzen des Bodenteils im Rahmen einer Reparatur repariert
werden.
-
Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
4 ermöglicht
die konstruktiv beste und mechanisch am höchsten belastbare Anbindung
des Bodenteils an das Kopfteil. Durch die zentrale Anbindung des
Bodenteils an das Kopfteil wird eine ausgesprochen homogene Kraftflussverteilung
im Boden- und Kopfteil erzielt. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass
das Bodenteil mit dem Brennstoffeinspritzventil oder einer Zündeinrichtung
oder einem Brennstoffeinspritzventil mit einer Zündeinrichtung direkt an das Kopfteil
angeschraubt wird oder, dass eine Halterung oder Montagehülse für das Brennstoffeinspritzventil bzw.
die Zündeinrichtung
oder dem Brennstoffeinspritzventil mit der Zündeinrichtung vorgesehen wird, mit
der das Bodenteil gegen das Kopfteil verspannt wird. Das Brennstoffeinspritzventil
oder die Zündeinrichtung
oder das Brennstoffeinspritzventil mit der Zündeinrichtung wird in diesem
Fall in die Halterung eingefügt
oder eingeschraubt.
-
Eine
weitere Homogenisierung des Kraftflusses in dem Boden- und dem Kopfteil
wird durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
5 erzielt. Vorzugsweise werden vier weitgehend äquidistant von der Brennraumachse
entfernte, einander gegenüberliegende
Verschraubungspunkte gewählt.
-
Durch
die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
6 kann der erfindungsgemäße Zylinderkopf nicht
nur für
selbstzündende
Brennkraftmaschinen, sondern auch für fremdgezündete Brennkraftmaschinen verwendet
werden.
-
Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
7 wirkt sich positiv auf das Brennverfahren aus.
-
Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
8 ermöglicht
eine einfache Bearbeitung der zueinander korrespondierenden Oberflächen von
Bodenteil und Kopfteil.
-
Ferner
wird durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
8 die Verwendung eines Dichtelementes gem. Patentanspruch 9 zwischen
dem Bodenteil und dem Kopfteil vereinfacht, wobei vorzugsweise eine
Blechsickendichtung vorgesehen wird.
-
Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 10
ermöglicht
die bestmögliche
Kühlung
der brennraumnahen Bereiche im Bodenteil des Zylinderkopfes.
-
Im
Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
anhand von zwei Figuren näher
erläutert.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf;
-
2 zeigt
eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bodenteil.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 einer
nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Der Zylinderkopf besteht
im wesentlichen aus einem, einem Brennraum 2 der Brennkraftmaschine
zugewandten Bodenteil 3 aus einem ersten metallischen Werkstoff,
sowie einem geodätisch über dem
Bodenteil 3 angeordneten Kopfteil 4 aus einem
zweiten metallischen Werkstoff. Während das Bodenteil 3 aus
einem eisenmetallischen Werkstoff, vorzugsweise Grauguss, besteht
ist das Kopfteil 4 aus einem Leichtmetall, vorzugsweise einer
Aluminiumlegierung.
-
Im
Bereich einer Brennraumlängsachse 2' ist in einer
Bohrung 11 im Kopfteil 4 eine Halterung 10 für ein Brennstoffeinspritzventil
oder einer Zündeinrichtung,
wie z. B. einer Zündkerze
oder einem Brennstoffeinspritzventil mit einer Zündeinrichtung vorgesehen. Das
Bodenteil 3 und das Kopfteil 4 sind, wie unter 2 näher erläutert, mittels
Schraubverbindungen lösbar
miteinander verbindbar. Die Halterung 10 weist brennraumseitig
ein Außengewinde auf,
welches in ein korrespondierendes Innengewinde im Bodenteil 3 eingeschraubt
wird. Mit diesem, bezüglich
dem Brennraum 2 zentralen Verschraubungspunkt, wird ein
homogener Kraftfluss, bzw. eine homogene Spannungsverteilung im
Bodenteil 3 erzielt. Das Bodenteil 3 und das Kopfteil 4 sind
in einer weitgehend planen Trennebene A-A getrennt. Im endmontierten
Zustand wird in der Trennebene A-A ein in 1 nicht
dargestelltes Dichtelement angeordnet, welches das Austreten von
Kühl- und Schmiermittel
aus dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1 verhindert.
Das Bodenteil 3 ist brennraumseitig weitgehend kalottenförmig ausgeformt,
um eine möglichst
gleichmäßige Flammenausbreitung
für ein effizientes
Brennverfahren zu erzielen. Ferner weist das Bodenteil 3 kühlmittelführende Bereiche 7, 7' auf, die zumindest
abschnittsweise weitgehend parallel zur Brennraumwandung ausgeformt
sind. Durch diese Ausgestaltung wird eine sehr gleichmäßige Kühlung des
Brennraums 2 erzielt.
-
In 2,
in der für
gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen gelten wie in 1,
ist die Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bodenteil 3 im
Bereich der Trennebene A-A dargestellt. Wie aus 2 erkennbar
ist, ist der erfindungsgemäße Zylinderkopf nicht
nur für
1-Zylinder-Brennkraftmaschinen geeignet, sondern für beliebige
Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen. Hierbei kann es sich sowohl um
selbstzündende
als auch um fremdgezündete
Brennkraftmaschinen handeln. Zentral im Bodenteil 3 ist
eine Gewindebohrung, mit Blick in den Brennraum 2 angeordnet.
Sie dient zum Einschrauben der Halterung 10 in das Bodenteil 3.
Radial um die Gewindebohrung sind vier Gaswechselven tilöffnungen 8, 8' angeordnet,
zwei Gaswechseleinlassventile und zwei Gaswechselauslassventile.
Die Gaswechselventilöffnungen 8, 8' der Gaswechseleinlassventile
weisen einen größeren Außendurchmesser
auf als die der Gaswechselauslassventile. Radial außen um die Gaswechselventilöffnungen 8, 8' sowie zwischen
den Gaswechselventilöffnungen 8' der Gaswechselauslassventile
sind die kühlmittelführenden
Bereiche 7, 7' in
das Bodenteil 3 eingeformt. Diese erstrecken sich zumindest
abschnittsweise weitgehend parallel zur Brennraumwandung, wodurch
eine effiziente Kühlung
des Brennraumes 2 erzielt wird. Zwischen jeweils einer
Gaswechselventilöffnung 8, 8' eines Gaswechseleinlass-
und eines Gaswechselauslassventils ist eine Öffnung 9, 9' mit einem Gewinde
vorgesehen. Jede Öffnung 9, 9' ist zur Aufnahme
einer Zündeinrichtung,
wie z. B. einer Zündkerze
vorgesehen. In weiteren Ausführungsbeispielen
kann nur eine oder im Fall einer selbstzündenden Brennkraftmaschine
keine Öffnung
vorgesehen werden. Die geometrische Lage der Öffnung 9, 9' kann in weiteren Ausführungsbeispielen
selbstverständlich
variieren.
-
Zum
Verschrauben des Zylinderkopfes 1 mit einem Kurbelgehäuse, weist
dieser vier Verschraubungspunkte 5, 5' und 6, 6' auf, die weitgehend äquidistant
zur Brennraumlängsachse 2' und einander gegenüberliegend
angeordnet sind, um eine möglichst
homogene Spannungsverteilung im Zylinderkopf 1, insbesondere
im Bodenteil 3 zu erreichen. Weitere in 2 nicht
bezifferte Bohrungen dienen einer Kühlmittel- und einer Schmiermittelzu-
und -abfuhr.
-
Erfindungsgemäß ist der
Zylinderkopf 1 aus Gewichtsgründen in ein relativ niedriges,
den Brennraum 2 einschließendes Bodenteil 3 mit
einem höheren
Gewicht und ein relativ hohes Kopfteil 4 mit einem niedrigeren
Gewicht getrennt. Das Bodenteil 3 ist in seinen mechanischen
und thermischen Eigenschaften derart ausgeführt, dass es alle auftretenden Belastungen über alle
Zylinder und über
die Hauptverschraubung im Kurbelgehäuse schadenfrei und nahezu
verformungsfrei selbst übertragen
kann. Das Bodenteil 3 ist aus einem eisenmetallischen Werkstoff,
beispielsweise aus Grauguss, in entsprechend steifer Struktur hergestellt.
Das relativ hohe Kopfteil 4 des Zylinderkopfes 1 ist
aus einem möglichst
leichten Werkstoff wie z. B. einer Aluminiumlegierung und vorzugsweise
in einem lost-foam- oder Druckgussverfahren hergestellt und ebenfalls
in entsprechend steifer Struktur ausgeführt. Hierdurch können Brennkraftmaschinen
mit sehr hohen spezifischen Leistungen und Drehmomenten gebaut werden.
Die Brennkraftmaschinengröße und damit
das Brennkraftmaschinengewicht können
reduziert werden. Darüber hinaus
wird das Fahrzeuggewicht durch die Verwendung einer kleineren Brennkraftmaschine
ohne Nachteile in der Fahrleistung reduziert. Das heißere Bodenteil 3 aus
einem eisenmetallischen Werkstoff hat eine spezifisch niedrigere
Wärmedehnung
als das tendenziell kältere
Kopfteil 4 aus einem Leichtmetall, z. B. einer Aluminiumlegierung.
Dies führt
dazu, dass eine Relativbewegung bei Temperaturunterschieden zwischen
Bodenteil 3 und Kopfteil 4 beim Betrieb der Brennkraftmaschine
minimiert werden. Die Abdichtung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes 1 in
der Trennebene A-A ist somit wesentlich einfacher.
-
Der
erfindungsgemäße Zylinderkopf 1 ist
ferner derart zu teilen, dass nur die unmittelbaren Bereiche der
Durchgangsgewinde zum Brennraum 2 zur Aufnahme von einer
Zündeinrichtung
(mindestens einer), wie z. B. einer Zündeinrichtung und/oder einem Brennstoffeinspritzventil
(mindestens eines) gegen Gashochdruck abgedichtet werden müssen. Zur Dichtheitserreichung
sind die Gehäuse
von der Zündeinrichtung
und dem Brennstoffeinspritzventil entsprechend der erforderlichen
Verschraubungskraft zu verstärken.
-
Wird
entsprechend 1 ein gewindeloses Brennstoffeinspritzventil
verwendet, erfolgt die zentrale Verschraubung über eine entsprechende Halterung 10 für das Brennstoffeinspritzventil.
Die Trennfläche
A-A ist eine ebene Fläche
senkrecht zu der Brennraumlängsachse 2'. Die beiden
Zylinderkopfteile, das Bodenteil 3 und das Kopfteil 4 werden
in der Teilungsebene mit einer Dichtung, beispielsweise einer Blechsickendichtung, über die
zuvor beschriebene Verschraubung abgedichtet und bei Bedarf mit Passhülsen fixiert.
Die Blechsickendichtung muss im wesentlichen nur als Niederdruckabdichtung
zur Abdichtung gegen Kühlmittel
und Schmiermittel ausgeführt
sein. Eine Hochdruckabdichtung des Brennraumes 2 für Verbrennungsgase
muss nur unmittelbar an der Krafteinleitungsstelle des Brennstoffeinspritzventils
bzw. der Halterung 10 bzw. an den Zündvorrichtungen erfolgen. Im
Falle einer inhomogenen Magerverbrennung muss der eingespritzte
Kraftstoff über
ein hochvariables Brennstoffeinspritzventil mit unter anderem veränderlichen
Strahlkegelwinkel des Hohlkegeleinspritzstrahls und Brennstoffeinspritzdrücken bis
zu 1000 bar und/oder eine abgestimmte Ladungsbewegung der angesaugten
Luft, z. B. über entsprechend
räumlich
gekrümmte
Einlasskanäle,
zu den Zündvorrichtungen
geleitet werden.
-
Bei
ausreichend hoher Verschleißfestigkeit des
Bodenteils 3, welches durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
gegeben ist, können
Gaswechselventilsitzringe entfallen. Die Fertigbearbeitung der Gaswechselventilsitze
kann direkt an dem Bodenteil 3 erfolgen, d. h. es werden
keine weiteren zusätzlichen
Spannungen bzw. Vorplastifizierungen in den Sitzringaufnahmebereichen
generiert. Hieraus resultiert eine kleinere Verformungsneigung der
Gaswechselventilsitzumgebung aufgrund von Temperaturunterschieden,
die beispielsweise eine Ovalisierung der Sitzphasen reduzieren oder
vermeiden, woraus eine bessere Gaswechselventildichtheit resultiert.
-
- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Brennraum
- 2'
- Brennraumlängsachse
- 3
- Bodenteil
- 4
- Kopfteil
- 5,
5'
- Verschraubungspunkt
- 6,
6'
- Verschraubungspunkt
- 7,
7'
- Kühlmittelführender
Bereich
- 8,
8'
- Gaswechselventilöffnung
- 9,
9'
- Öffnung
- 10
- Halterung
- 11
- Bohrung