DE102006043832A1 - Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit verlängerter Lebensdauer - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und mit einem Zylinderblock, die über Schraubverbindungen miteinander fixiert sind, wobei zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock eine Zylinderkopfdichtung angeordnet ist, wobei zwischen zwei Zylindern jedem jeweils eine separate Entspannungsnut im Zylinderkopf zugeordnet ist. Die Erfindung ist auch bei Einzel-Zylinderköpfen einsetzbar. Des Weiteren wird ein Verfahren vorgeschlagen, mittels dem eine optimierte Auslegung zumindest eines Zylinderkopfes ermöglicht wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf oder mehreren Einzel-Zylinderköpfen und einem Zylinderblock, die über Schraubverbindungen miteinander fixiert sind.
• Bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen insbesondere für Nutzfahrzeuge wie auch Lastkraftwagen besteht die Problematik, eine ausreichende Gasdichtigkeit zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock zu erzielen, andererseits den hierbei auftretenden Spannungen gerecht werden zu können. Aus der DE 37 27 598 C2 ist daher bekannt, eine Verbesserung einer Gasdichtigkeit dadurch zu erzielen, dass die verwendete Zylinderkopfdichtung durch eine Nut im Zylinderkopf und im Zylinderblock zentriert wird. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass sich aufgrund der auftretenden Belastungen kein Versatz zwischen Zylinderkopfgehäuse, Zylinderlaufbuchse und Kurbelgehäuse ergibt. Daher ist auch eine Positionierungsnut dem Zylinderkopfgehäuse gegenüber in einem Zylinderlaufbuchsenbund angeordnet. Durch Aufbringen von Presskräften bei einer Verschraubung der Bauteile miteinander wird des Weiteren sichergestellt, dass durch das Zusammenspiel der Nuten mit der Zylinderkopfdichtung eine ausreichende Gasdichtigkeit durch Verquetschen erzielt wird. Aus der DE 103 44 110 A1 wiederum geht hervor, dass ebenfalls Nuten im Bereich von Zylindergehäuse und Zylinderkopf genutzt werden. Aus der Druckschrift geht hervor, dass zur Vermeidung von Wärmespannungen im Material des Zylinderkopfes eine Entlastungsrinne vorgesehen sein soll, die zwischen zwei Kühlmittelräumen des Zylinderkopfes in einer Bodenplatte angeordnet ist. Dadurch soll der Wärmeeintrag, der über zwei benachbarte Brennräume in eine Bodenplatte erfolgt und zu den Kühlmittelräumen weitergetragen wird, ausgeglichen werden. Des Weiteren soll die Entlastungsrille ein leichtes Verschieben auf der Zylinderkopfdichtung bzw. auf dem Zylindergehäuse zulassen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine so auszulegen, dass sie eine hohe Langzeitfestigkeit aufweist, insbesondere bei Spitzendrücken über 200 bar im Zylinderraum.
• Diese Aufgabe wird mit einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit dem Merkmal des Anspruches 1 sowie mit einem Verfahren zur Ermittlung einer optimierten Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
• Es wird eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf oder mehreren Zylinderköpfen und einem Zylinderblock vorgeschlagen, die über Schraubverbindungen miteinander fixiert sind, wobei zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock eine Zylinderkopfdichtung angeordnet ist. Zwischen zwei Zylindern ist jedem jeweils eine separate Entspannungsnut im Zylinderkopf zugeordnet, die vorzugsweise jeweils innerhalb der Gasabdichtung der Zylinderkopfdichtung liegen, bezogen auf den jeweiligen Zylinder. Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass für das System der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine insbesondere bei hohen Drücken über 200 bar im Zylinderraum das Gesamtsystem im Zusammenspiel mit ihren jeweiligen einzelnen Komponenten zu beachten und aufeinander abgestimmt sein muss. Während es bei den früheren Auslegungen ausreichend gewesen ist, auf spezifische Bauteilgeometrien Rücksicht zu nehmen, löst sich hiervon der vorliegende Absatz dadurch, dass einerseits jeder einzelne Zylinderraum und von diesem ausgehend Einflüsse wie Druck, Temperatur, Materialermüdung etc. betrachtet werden. Andererseits wird das Gesamtsystem und die Wirkung für jeden einzelnen Zylinder in diesem Gesamtsystem betrachtet. Das hat dazu geführt, dass jedem Zylinder jeweils zumindest eine separate Entspannungsnut im Zylinderkopf zugeordnet ist, die wiederum jeweils von der Zylinderkopfdichtung abgedeckt ist.
• Bevorzugt wird die Zylinderkopfdichtung dabei derart ausgelegt, dass diese für jeden Zylinder eine Gasabdichtung zur Verfügung stellt, beispielsweise über einen oder mehrere Stopper und/oder Sicken. Eine einem Zylinder zugeordnete Entspannungsnut ist sodann innerhalb eines durch die Gasabdichtung definierten Durchmessers im Zylinderkopf angeordnet. Auf diese Weise kann insbesondere jedem Zylinder innerhalb der Gasabdichtung im Zylinderkopf eine oder mehrere Entspannungsnuten zugeordnet sein. Dadurch wird sichergestellt, dass sich für jeden Zylinderbereich und zugeordneten Zylinderkopfbereich eine verbesserte thermomechanische Festigkeit bei hohen Drücken ergibt. Aufgrund der sich für den Einzelzylinder insbesondere in dem empfindlichen Bereich der hohen Drücke und Temperaturen ergebenden verbesserten Entspannung hinsichtlich mechanischer Kräfte im Material bei gleichzeitig verbessertem Wärmeeintrag und Wärmefluss durch die Auswirkung der Entspannungsnut im Material des Zylinderkopfes ergibt sich insgesamt für den Verbund der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf und Zylinderblock trotz hoher Verschraubungskräfte eine verbesserte Standzeit. Bei diesem Zusammenspiel kommt auch der Zylinderkopfdichtung als abgestimmte Komponente eine besondere Bedeutung zu.
• Vorzugsweise wird bei Einsatz der Zylinderkopfdichtung eine Metall-Zylinderkopfdichtung genutzt, die mehrere Metalllagen aufweist. Insbesondere werden mehrere Stahlbleche miteinander verbunden, die zur Erhöhung der örtlichen Pressung Sicken oder Blecheinfassungen aufweisen können. Des Weiteren können auch Elastomerbeschichtungen vorgesehen sein. Die Metall-Zylinderkopfdichtung kann einen oder mehrere Stopper aufweisen, die in der Lage sind, die Dichtspaltschwingungen wie gewünscht zu beeinflussen. Der Stopper kann hierbei in Form einer Höhenprofilierung in einer oder mehreren der Lagen der Zylinderkopfdichtung gebildet sein. Die Stopper haben vorzugsweise eine Höhe von 0,1 mm bis 0,15 mm. Daneben besteht die Möglichkeit einen so genannten plastischen Stopper vorzusehen. Bei diesem wird dessen Höhenprofil durch eine plastische Anpassung beim Verschrauben von Zylinderkopf und Zylinderblock erzielt. Neben einem einfachen Stopper besteht die Möglichkeit, dass auch ein Doppelstopper genutzt wird. Hierbei kann ein Stopper entlang eines Brennraumumfanges durch einen Pfalzbördel gebildet werden, wobei ein zweiter Stopper hinter einer Sicke durch eine Überlappung von zwei Lagen realisiert wird. Mittels beispielsweise einer Laserschweißnaht können die beiden Stopperlagen im Überdeckungsbereich miteinander verbunden werden. Daneben besteht die Möglichkeit einen Doppelstopper jedoch auch auf andere Art und Weise herstellen zu können. Bevorzugt ist es, wenn bei zwei Stoppern, die als Gasabdichtung für einen Zylinder Verwendung finden, unterschiedliche Materialdicken genutzt werden. Auf diese Weise ist eine Pressungsverteilung einstellbar. Bevorzugt wird dieses angewandt, wenn eine Zylinderbuchse genutzt wird.
• Der Stopper in einer Zylinderkopfdichtung kann verschiedenste Geometrien aufweisen. Beispielsweise kann dieser eine trapezförmige Gestalt aufweisen oder auch als einfache ebene Fläche gebildet sein. Die Zylinderkopfdichtung kann zusätzlich oder alternativ auch Sicken oder Stahlringe aufweisen.
• Es können jedoch auch Zylinderkopfdichtungen Verwendung finden, die keinen Stopper aufweisen. Beispielsweise können auch Metall-Weichstoff-Zylinderkopfdichtungen angewendet werden. Hierbei ist beispielsweise ein metallisches Trägerblech mit jeweils beidseitig aufgebrachter Weichstofflage und einer Kunststoffbeschichtung versehen. Durch Umbördelung kann auf diese Weise eine Gasdichtwirkung erzielt werden.
• Bei der Auswahl der Zylinderkopfdichtung kann des Weiteren darauf abgestellt werden, ob der Zylinderkopf und/oder der Zylinderblock aus einem Leichtmetall aufgebaut sind. Bei entsprechender Auslegung der Kräfte wie auch Wärmeverteilung kann es beispielsweise vorteilhaft sein, auf einen Stopper im Rahmen der Zylinderkopfdichtung verzichten zu können. Als Leichtmetall kann beispielsweise eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Auch besteht die Möglichkeit, eine Magnesiumlegierung einzusetzen sowie Bauteile, die eine Aluminium-Magnesium-Kombibauweise vorsehen. Eine Anzahl an verwendeten Lagen in der Zylinderkopfdichtung, Sicken und Stopper sowie eventueller Beschichtungen wird somit im Zusammenspiel mit der Auslegung der Entspannungsnut optimiert.
• Die jedem Zylinder zugeordnete Entspannungsnut kann unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass innerhalb des durch die Gasabdichtung definierten Durchmessers zumindest zwei Entspannungsnuten angeordnet sind, die zueinander annähernd parallel verlaufen. Bevorzugt ist hierbei, dass die annähernd parallel verlaufenden Entspannungsnuten in Querrichtung zur Kurbelwellenachse angeordnet sind. Hierbei können die beiden Entspannungsnuten jeweils einander gegenüberliegend getrennt durch die Zylinderbohrung innerhalb des durch die Gasabdichtung definierten Durchmessers im Zylinderkopf angeordnet sein.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass zumindest eine Entspannungsnut kreisförmig um den zugeordneten Zylinder verläuft. Auch kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Entspannungsnut einen unterbrochenen Verlauf aufweist. Hierbei ist insbesondere die Möglichkeit gegeben, dass sich bei virtueller Weiterführung der jeweiligen Enden der Entspannungsnuten eine kreisförmige Gestalt ergibt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Grund einer Entspannungsnut unterschiedliche Höhen und Tiefen aufweist. Damit kann einerseits dem jeweiligen Material, was im Zylinderkopf vorliegt, Rechnung getragen werden, insbesondere der Geometrie hinsichtlich der Anordnung und des Verlaufs der Kühlung. Zum anderen ist über die Möglichkeit, einen Grund der Entspannungsnut unterschiedlich tief auszuführen bzw. mit an- und absteigendem Profil zu versehen, die Möglichkeit gegeben, Ausgleichsspannungen durch gezielte Kerbwirkungen um den Zylinder herum im Zylinderkopf zu schaffen.
• Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Entspannungsnut im Zylinderkopf zumindest im wesentlichen frei von der Zylinderkopfdichtung selbst bleibt, wenn der Zylinderkopf und der Zylinderblock über die Schraubverbindung miteinander fixiert sind. Dieses ermöglicht, dass beispielsweise eine Trennung zwischen einer Fixierung der Zylinderkopfdichtung beispielsweise im Zylinderblock und der eigentlichen Abdichtung zur Gasdichtigkeit über die Gasabdichtung erfolgt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Zylinderkopfdichtung mit einem zumindest annähernd planen Bereich die Entspannungsnuten abdeckt oder zumindest teilweise abdeckt. Hierdurch kann eine teilweise Abdichtung der Nut oder Nuten erreicht werden, obwohl die eigentliche Gasabdichtung die Nuten außerhalb umschließt. Die Nut bzw. die Nuten sind dann nur teilweise zum Brennraumvolumen zu zählen, beeinflussen also das Verdichtungsverhältnis in geringem Maße.
• Durch gezielte Anordnung der Entspannungsnuten im Zylinderkopf in Bezug auf den jeweiligen Zylinder im Gasabdichtungsbereich der Zylinderkopfdichtung wird des Weiteren eine Freigabe einer Dehnungskonzentration in einem Ventilsteg ermöglicht. Wird beispielsweise eine umlaufende Entspannungsnut im Zylinderkopf in seiner Flammdeckseite vorgesehen, besteht die Möglichkeit, eine Freigabe der Dehnungskonzentration richtungsunabhängig vorzusehen. Durch aufeinander abgestimmte, teilweise umlaufende Entspannungsnuten können die Dehnungskonzentrationen teilweise freigegeben werden, während sie in anderen Richtungen bewusst aufrecht erhalten werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, beispielsweise über annähernd geradlinig verlaufende Entspannungsnuten eine Freigabe einer Dehnungskonzentration nur in eine Richtung zu erzielen.
• Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer optimierten Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Zylinderkopf und Zylinderblock sind miteinander zu verschrauben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
• – Eingabe einer FEM-fähigen Darstellung einer Startkonfiguration bezüglich zumindest des Zylinderblocks, des Zylinderkopfes und deren Verschraubung,
• – Eingabe einer FEM-fähigen Darstellung einer Startkonfiguration bezüglich einer Zylinderkopfdichtung unter Berücksichtigung zumindest einer Gasabdichtung, die jeweils um zumindest einer ersten und zweiten, zueinander benachbarten Zylinderbohrung verteilt angeordnet ist,
• – Eingabe einer Startkonfiguration von zumindest jeweils einer der ersten und der zweiten Zylinderbohrung zugeordneten Entspannungsnut, wobei die Startkonfiguration eine Lage der Entspannungsnut zwischen der Gasabdichtung und der dazugehörigen Zylinderbohrung berücksichtigt, und
• – Berechnung eines thermomechanischen Ermüdungsverhaltens zumindest des Zylinderkopfes unter Optimierung zumindest eines Geometrieparameters betreffend die Entspannungsnuten im Hinblick auf das thermomechanische Ermüdungsverhalten.
• Vorzugsweise weist das Verfahren eine Optimierung der Anordnung der Entspannungsnuten auf, wobei diese insbesondere innerhalb einer Gasabdichtung einer Zylinderkopfdichtung jeweils einem Zylinder zugeordnet werden. Neben einer Optimierung der Anordnung wie auch der Geometrie wird auch eine Optimierung vorzugsweise der Anzahl der Entspannungsnuten vorgenommen. Darüber hinaus kann das Verfahren vorsehen, dass aus einer hinterlegten Datenbibliothek eine Vielzahl an unterschiedlichen Zylinderkopfdichtungsparametern zur Verfügung gestellt wird und im Rahmen der Optimierung zwischen verschiedenen Zylinderkopfdichtungen eine automatisierte Auswahl und deren Änderung erfolgt, bis eine optimierte Lösung im Zusammenspiel mit dem Ermüdungsverhalten und der Anordnung und Geometrie der Entspannungsnuten gefunden wird.
• Das Verfahren ist insbesondere in der Lage, hinsichtlich der Auswahl der Entspannungsnuten für jeden einzelnen Zylinder optimierte Auswahlen zur Verfügung zu stellen. Dadurch, dass als Startkonfiguration die Geometrien aller Körper vorgegeben werden, können Spannungsberechnungen dynamisch vorgenommen werden, bei denen der Einfluss einer Kühlung, von Vibrationen und thermischen Einflüssen auch über die Zylinder, deren Strukturen wie auch hinsichtlich der Ventilstege Berücksichtigung finden können. Aufgrund dieses kombinierten Ansatzes wird nicht nur ein Ausschnitt des Zylinderkopfes allein betrachtet, sondern vielmehr auch das Gesamtsystem, um davon abgeleitet eine optimierte Lösung hinsichtlich der Anordnung und Ausgestaltung der Entspannungsnuten zylinderindividuell aber angepasst an das Gesamtkonzept auffinden zu können.
• Hierzu ist es beispielsweise möglich, dass neben den dynamischen Berechnungen auch ein Alterungsprozess der Materialien mit einfließt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die miteinander verbundenen Komponenten der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine auch eine entsprechende Langzeitlebigkeit aufweisen. Vorzugsweise wird bei dem Verfahren nach Ermittlung einer Lösung anhand einer thermomechanischen Berechnung anschließend eine Überprüfung einer Dauerfestigkeit ausgeführt. Liegt diese unterhalb eines vorgebbaren Wertes, kann mit geänderten Parametern eine erneute Berechnung durchgeführt werden.
• Vorzugsweise wird bei dem Verfahren eine Anzahl von Stoppern oder Sicken zumindest jeweils der ersten und der zweiten Zylinderordnung verteilt zugeordnet, um eine Gasabdichtung zu erstellen. Diese werden im Rahmen der Optimierung berücksichtigt und beispielsweise hinsichtlich der Anordnung, ihres Aufbaus, Eigenschaften wie auch Geometrien optimiert.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Die aus den Figuren hervorgehenden Ausgestaltungen sind jedoch nur beispielhaft angegeben und nicht beschränkend auszulegen. Die dort hervorgehenden Merkmale sind jeweils untereinander wie auch mit Merkmalen, die oben beschrieben sind, zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar, die nicht weiter im Detail beschrieben sind. Es zeigen:
• 1: eine schematische Ansicht eines Ausschnittes aus einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei der im Zylinderkopf eine separate Entspannungsnut je Zylinder angeordnet ist,
• 2: eine schematische Übersichtsdarstellung einer möglichen ersten Ausgestaltung der Entspannungsnut,
• 3: eine mögliche zweite Variante einer Ausgestaltung der Entspannungsnut,
• 4: eine Berechnung der Lebensdauer in Bezug auf unterschiedliche Anordnungen der Entspannungsnut im Zylinderkopf,
• 5: eine schematische Übersicht hinsichtlich der Lebensdauer unter Beachtung verschiedener Aspekte hinsichtlich der Entspannungsnut, jeweils aufgetragen auf der x-Achse und voneinander getrennt,
• 6: eine schematische Ansicht einer möglichen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahren, und
• 7: eine schematische Ansicht eines Zylinderkopfes von unten mit Anordnungen verschiedener Entspannungsnuten.
• 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine 1. Dargestellt in dieser schematischer Ansicht ist ein Zylinderkopf 2, der mit einem nicht näher dargestellten Zylinderblock 3 über eine Schraubverbindung 4 verbunden ist. Bezüglich der Schraubverbindung 4 sind Bohrungen 5 im Zylinderkopf 2 dargestellt, durch die die nicht näher dargestellten Zylinderkopfschrauben in den Zylinderblock eingeschraubt werden können. Zwischen dem Zylinderblock 3 und dem Zylinderkopf 2 ist des Weiteren eine Zylinderkopfdichtung 6 angeordnet. Die Zylinderkopfdichtung ist bezüglich jedem Zylinder mit einer Gasabdichtung 7 versehen. Der Zylinderkopf weist gemäß diesem Beispiel eine erste Entspannungsnut 8 und eine zweite Entspannungsnut 9 auf, bezogen auf einen Durchmesser 10, der sich aus der Gasabdichtung 7, die um den eigentlichen Zylinderraum verläuft, definieren lässt. Die Spannungsnuten 8, 9 sind innerhalb des Durchmessers 10 angeordnet. Vorzugsweise sind diese auch von der Zylinderkopfdichtung 6 jeweils überdeckt. Gemäß der dargestellten Weiterbildung ist beispielsweise vorgesehen, dass die Entspannungsnuten 8, 9 in einem Bereich von Kühlungsdurchbrüchen im Zylinderkopf angeordnet sind, die über den Entspannungsnuten 8, 9 verlaufen. Eine weitere Ausgestaltung, die ebenfalls mit in die schematische Ansicht integriert ist, zeigt eine Zylinderlaufbuchse 12 mit einem Steg 13, der um die Zylinderlaufbuchse 12 herum angeordnet ist. Die Entspannungsnuten 8, 9 sind hierbei einerseits innerhalb des Durchmessers 10 und andererseits über den Steg 13 mit der Zylinderkopfdichtung 6 abgedeckt. Da eine Druckübertragung und damit hervorgerufene Spannungen bei der Verschraubung von Zylinderkopf 2 und Zylinderblock 3 insbesondere bei unterschiedlichen Materialpaarungen unterschiedliche Spannungsverläufe hervorbringt, hat sich aufgrund der thermischen Belastung herausgestellt, dass die in 1 dargestellte Anordnung besonders für Nutzfahrzeugmotoren und insbesondere Lastkraftwagenmotoren vorteilhaft ist.
• 2 zeigt in schematischer Darstellung zum einen den Ausschnitt aus 1 und zum anderen eine erste Ausgestaltung des Verlaufs einer dritten Entspannungsnut 14. Die dritte Entspannungsnut 14 verläuft innerhalb des Durchmessers, der durch die Gasabdichtung 7 vorgegeben ist. Unterhalb des Ausschnitts aus 1 ist eine Aufsicht in exemplarischer Weise dargestellt. Die Gasabdichtung 7 wie auch die dritte Entspannungsnut 14 und ihre jeweilige Lage sind dabei durch die strichpunktgezogenen Pfeile gekennzeichnet. Nur kursorisch sind die Einlass- und Auslassventile im Zylinderkopf schematisch dargestellt. Die dritte Entspannungsnut 14 ist kreisförmig durchgehend verlaufend, insbesondere mit einer konstanten Breite und einer konstanten Tiefe. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Breite wie auch die Tiefe variieren, insbesondere je nach Auftreten der Spannungen im Zylinderkopf selbst.
• 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung ausgehend von dem Ausschnitt aus 1 bezüglich der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine 1. Hierbei ist innerhalb der Gasabdichtung 7 im Zylinderkopf 2 eine vierte Entspannungsnut 15 und eine fünfte Entspannungsnut 16 angeordnet. Beide Entspannungsnuten 15, 16 verlaufen parallel zueinander und sind insbesondere in Querrichtung zu einer nicht näher dargestellten Kurbelwelle der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Die Entspannungsnuten 15, 16 weisen vorzugsweise gleiche Abmaße auf. Sie können jedoch auch unterschiedliche Abmaße insbesondere aufgrund der jeweiligen Lage des nicht näher dargestellten Zylinders aufweisen. So können sich beispielsweise die Breite wie auch die Tiefe der vierten und der fünften Entspannungsnuten 15, 16 voneinander unterscheiden.
• 4 zeigt exemplarisch eine Untersuchung einer Tiefe einer Entspannungsnut im Zylinderkopf. Hierzu ist auf der x-Achse in normierter Weise die Tiefe der Entspannungsnut angegeben. Auf der y-Achse ist die ermittelte Lebensdauer angegeben. Im schematisch angedeuteten Zylinderkopfbereich sind neben den Ventilen auch Regionen angegeben, die jeweils für sich betrachtet kritische Spannungen aufweisen. Durch Auslegung der Nut hinsichtlich ihrer Tiefe kann erzielt werden, dass die Spannungen in den jeweiligen Regionen insgesamt so abgebaut werden, dass sich bei der Beurteilung der Lebensdauer über alle Regionen eine Angleichung ergibt. Im dargestellten Fall sind die Lebensdauern für die Region 4 und die Region 7 angegeben. Es ergibt sich eine besonders gute Lebensdauer, sofern sich die Tiefe der Nut in einem speziellen Bereich befindet. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, ist es bevorzugt, wenn dieser Bereich 0,5 bis 0,75 der normierten Tiefe umfasst. Die normierte Tiefe bezieht sich dabei auf eine Maximaltiefe, die im Rahmen eines Optimierungsverfahrens untersucht wird. Bei dem hier dargestellten Beispiel wurde als maximale Tiefe 6 mm herangezogen. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, dass als maximale Tiefe größere oder kleinere Werte herangezogen werden können. Beispielsweise kann ein optimierter Bereich in Abhängigkeit von verschiedenen weiteren Parametern beispielsweise eine Tiefe zwischen 15 mm bis 3 mm betragen.
• 5 zeigt bezüglich einer Optimierung in beispielhafter Ausgestaltung eine vorteilhafte Beeinflussung der Lebensdauer. Diese wird als Lebensdauerfaktor auf der y-Achse angezeigt. Auf der x-Achse geben die ersten fünf Säulen die ermittelten Werte für den Faktor hinsichtlich unterschiedlicher Tiefen d an, die sich bei einer thermomechanischen Festigkeitsuntersuchung, eine so genannte TMF-Analyse, ergeben haben. Die nächsten beiden Säulen, die mit I. gekennzeichnet sind, zeigen den Effekt an, der sich durch die spezielle Anordnung einer Entspannungsnut im Zylinderkopf ergibt. Daran anschließend folgt der Einfluss einer Breite w auf den Lebensdauerfaktor. Die drei dazugehörigen Säulen sind unter II. zusammengefasst. Die sich daran anschließenden beiden weiteren Säulen geben den Einfluss der Geometrie der Entlastungsnut auf den Lebensdauerfaktor wieder. Die beiden Säulen sind unter III. zusammengefasst. Wie anhand der verschiedenen Werte für unterschiedliche Tiefen d zu entnehmen ist, ist es besonders bevorzugt, wenn ein spezieller Bereich der Tiefe eingehalten wird. In dem hier dargestellten Fall sollte es ein Tiefenbereich zwischen 0,75 und 0,5 der normierten Tiefe sein. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Lebensdauerfaktoren bei Verlassen des Bereiches sehr schnell absenken, so dass eine zu erwartende Betriebsfestigkeit abgesenkt wird.
• Die aus 5 bezeichneten Säulen I. bis III. sind bei einer konstanten Tiefe d ermittelt worden. Die aus I. hervorgehenden Säulen geben an, was sich aufgrund der Positionie rung einer Entspannungsnut an einer ursprünglich kritischen Stelle ergibt: eine Verschiebung der kritischen Stelle an einer anderen Position. Während diese anfangs in der Nut gewesen ist, was in der linken, mit der kleinen Säule wiedergegeben wird, wurde diese in eine andere Position verschoben. Hierbei ist angestrebt worden, dass die kritische Stelle aus der Entspannungsnut selbst in einen Bereich einer Ventilbrücke verschoben wird. Dadurch ist es gelungen, den Lebensdauerfaktor um das Fünffache ansteigen zu lassen. Die Entspannungsnut ist dabei innerhalb der Gasabdichtung angeordnet. Der Bereich II gibt den Einfluss der Breite w wieder. Hierbei ist zu entnehmen, dass mit einer größeren Breite ein erhöhter Lebensdauerfaktor erzielbar ist. Allerdings ist feststellbar, dass bei Überschreiten einer maximalen Breite der Faktor sehr stark abfällt. Der Bereich III gibt den Einfluss der Geometrie der Entspannungsnut auf den Faktor wieder. Hierbei hat sich herausgestellt, dass bei Vermeidung von scharfen Kanten innerhalb der Entspannungsnut der entsprechende Faktor stark angehoben werden kann.
• Die aus 5 hervorgehende Untersuchung der thermomechanischen Festigkeit wird gemäß des oben beschriebenen Verfahrens beispielsweise dadurch ermittelt, dass zuerst eine Optimierung einer Nuttiefe erfolgt, bevor eine Optimierung einer Nutbreite ausgeführt. Sind die Nutbreite wie auch die Nuttiefe festgelegt, kann die Nutgeometrie weiter verbessert werden. Der Einfluss der Verschiebung der kritischen Stelle aufgrund der Anordnung der Entspannungsnut innerhalb des Durchmessers, der durch die Gasabdichtung definiert wird, kann dabei ebenfalls wiederum berücksichtigt werden.
• Es hat sich als bevorzugt herausgestellt, dass als Bezugsgröße für eine Tiefe der Entspannungsnut eine Flammdeckstärke herangezogen wird. Vorzugsweise weist die Tiefe einen Wert zwischen 15 % bis 30 % einer Flammdeckstärke auf. Als Flammdeckstärke ist hierbei der Abstand zwischen der äußeren Flammdecke, die an den Zylinderraum angrenzt und einer im Zylinderkopf angeordneten Begrenzung der Flammdeckstärke durch einen dort im Bereich der Nut verlaufenden Kühlwassermantel festgelegt. Als Breite einer Entspannungsnut wird vorzugsweise ein Bereich gewählt, der zwischen 2 % bis 3 % eines Bohrungsdurchmessers des jeweiligen zugeordneten Zylinders umfasst.
• Wie weitere Untersuchungen festgestellt haben, wird trotz der Anordnung einer Entspannungsnut zu jedem Zylinder eine Dauerhaltbarkeit des Zylinderkopfes nicht beeinträchtigt. Die Berechnungen haben diesbezüglich ergeben, dass eine Sicherheit gegen Dauerbruch bei verschiedenen Tiefen und Breiten der Entspannungsnut insbesondere nach einer jeweiligen Optimierung sogar zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit führen.
• Vorteilhafterweise kann daher das Verfahren vorsehen, dass in einem ersten Optimierungsverfahren die Beeinflussung hinsichtlich der thermomechanischen Festigkeit ermittelt wird, bevor eine Dauerhaltbarkeit gemäß einer HCF-Untersuchung erfolgt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass zwar aus Spannungsgesichtspunkten optimierte Bauteilgeometrien trotzdem auch aus Dauerfestigkeitsgesichtspunkten tatsächlich genutzt werden können.
• 6 zeigt in äußerst vereinfachter Darstellung einen exemplarischen Ablauf einer möglichen Ausgestaltung des beanspruchten Verfahrens. Beispielsweise werden in einem ersten Schritt verschiedene Geometrie als Startkonfiguration vorgegeben. Beispielsweise kann eine Geometrie Geo 1 für den Zylinderkopf, eine Geometrie Geo 2 für den Zylinderblock und eine Geometrie Geo 3 für die Schraubverbindung vorgegeben werden. Weitere zusätzliche Startparameter wie auch Randparameter können ebenfalls eingebbar sein. Dieses kann insbesondere eine Geometrie wie auch Anordnung von einer oder mehreren Nuten betreffen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, nur einen oder mehrere, insbesondere alle Zylinder sowie jeweils zugehörige Entspannungsnuten im Zylinderkopf mittels einer Startgeometrie vorgeben zu können. Anschließend kann beispielsweise über eine Bibliothek eine Startgeometrie hinsichtlich einer Zylinderkopfdichtung Geo X ausgelesen werden. In einem Optimierungsblock 17 können sodann eine oder mehrere Geometrien optimiert werden. Vorzugsweise werden hierbei parallele Rechnungen hinsichtlich der Entspannungsnuten, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sind, vorgenommen, um anschließend den Einfluss der Entspannungsnuten untereinander auf die Gesamtgeometrie von Zylinderkopf und Zylinderblock ermessen zu können. Hierbei geht auch insbesondere ein Wärmefluss unter verschiedenen Betriebsbedingungen ein. Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass nicht nur ein einzelner Betriebspunkt bei der Optimierung herangezogen wird, sondern die Optimierung auch unterschiedliche Anforderungen an die Mehrzylinder-Brennkraftmaschine berücksichtigt. Aus der Optimierung können einerseits neue Startparameter bzw. Startgeometrien hervorgehen, die in einer weiteren Optimierungserrechung genutzt werden. Des Weiteren können diese jedoch ebenfalls genutzt werden, um mit einem anderen Geometriesatz hinsichtlich beispielsweise der Zylinderkopfdichtung Berechnungen durchführen zu können. Dazu sind beispielsweise unterschiedliche Arten von Zylinderkopfdichtungen in der Bibliothek hinterlegt. Anstelle oder zusätzlich zu der Zylinderkopfdichtung können jedoch auch andere Parameter bzw. Geometrien im Rahmen der Optimierung verändert werden. Am Ende des Optimierungsverfahrens wird vorzugsweise eine direkt für eine Herstellung geeignete Computerdatei 18 erstellt. Mittels dieser ist beispielsweise eine gießgerechte Konstruktionszeichnung erstellbar. Auch können mit der Computerdatei 18 weitere FEM-Berechnungen ausgeführt werden.
• 7 zeigt in schematischer Ansicht eine 6-Zylinder-Reihen-Maschine 19, wobei hiervon der Zylinderkopf, schematisch vereinfacht wiedergegeben ist, dessen Außenkonturen gestrichelt dargestellt sind. Zur exemplarischen Ansicht ist einerseits für jeden Zylinder die Lage der Gasabdichtung als geschlossener Vollkreis dargestellt. Zum anderen sind exemplarisch, ohne jedoch vollständig zu sein, verschiedene Ausgestaltungen angegeben, wie Entspannungsnuten lagenmäßig wie auch hinsichtlich ihrer Form ausgeführt sein können.
• Die Entspannungsnuten weisen unterschiedliche Verläufe, Anordnungen wie auch Abmessungen auf. Der besseren Übersichtlichkeit halber werden im Folgenden die Entspannungsnuten in 7 mit kleinen Buchstaben gekennzeichnet. Die Entspannungsnut a weist beispielsweise eine größere Breite in der Mitte auf als an ihren jeweiligen beiden Enden. Die gegenüberliegende Entspannungsnut b hingegen weist in ihrer Mitte eine geringere Breite auf als an ihren jeweiligen Enden. Die Entspannungsnuten a, b liegen sich einander gegenüber und haben beispielsweise die gleiche Erstreckung. Diese kann jedoch auch unterschiedlich sein. Die hinsichtlich der Entspannungsnuten a, b dargestellten Merkmale sind jedoch nicht in ihrer Zusammenstellung miteinander beschränkt. Vielmehr können die Entspannungsnuten a, b wie auch die nachfolgenden beschriebenen Geometrien von Entspannungsnuten jeweils miteinander bei der Anordnung bezüglich eines Zylinders gemischt werden.
• Im benachbarten Bereich der weiteren Gasabdichtung sind vier Entspannungsnuten c, d, e, f angeordnet. Während die Entspannungsnuten c, d bogenförmig verlaufen, sind die Entspannungsnuten e, f zumindest annähernd gradlinig verlaufend. Die Entspannungsnuten sind gemäß dieser Darstellung punktsymmetrisch angeordnet. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, ergibt sich somit ein Gegenüberliegen der Entspannungsnuten b, e, wobei jede einem einzelnen Zylinder zugeordnet ist. Diese Entspannungsnuten verlaufen zumindest annähernd quer zu einer nicht dargestellten Kurbelwelle. Zusätzlich kann eine Entspannungsnut g zwischen den Zylindern angeordnet sein. Die Entspannungsnut g ist gestrichelt angeordnet und liegt außerhalb eines Abdichtungsbereiches eines Zylinders. Diese Entspannungsnut g kann beispielsweise im Zylinderblock und/oder im Zylinderkopf angeordnet sein.
• Eine Entspannungsnut h wiederum verläuft unterbrochen, bildet aber hierbei einen annähernd vollständigen Kreis, der innerhalb der Gasabdichtung angeordnet ist. Die jeweiligen Teilentspannungsnuten können dabei annähernd gleich sein. Sie können jedoch ebenfalls unterschiedliche Breiten wie auch Tiefen aufweisen sowie hinsichtlich ihrer Geometrie der Entspannungsnut voneinander unterschiedlich sein.
• Eine Entspannungsnut i ist komplementär zu einer gegenüberliegend angeordneten Entspannungsnut j bezüglich einer weiteren Ausgestaltung. Die Entspannungsnuten i, j sind bevorzugt Kreisbögen, deren Erstreckung geringer ist als ebenfalls innerhalb der Gasabdichtung angeordnete Entspannungsnuten k, l. Die Entspannungsnut k ist hierbei dem Entspannungsnutenverlauf der Entspannungsnut h gegenüberliegend angeordnet. Dadurch ergibt sich eine Verlagerung kritischer Belastungsstellen hin zu einem dickeren Material.
• In der nachfolgenden Darstellung von Entspannungsnuten m, n ist beispielhaft dargestellt, dass die Anordnung auch versetzt zu einer Längsachse entsprechend der Kurbelwellenachse sein kann. Dieses hängt vom sich ergebenden Belastungsprofil im Zylinderkopf wie aber auch im Gesamtverbund von Zylinderkopf und Zylinderblock ab.
• Nachfolgend ist dargestellt, dass neben kreisbogenförmigen Geometrien zusätzlich auch gradlinige Geometrien die Form von Entspannungsnuten prägen können. Beispielsweise ist eine Entspannungsnut o der Entspannungsnut m gegenüberliegend. Während sich letztere in Richtung der Entspannungsnut o erstreckt und dabei eine winklige Lage zu der nicht dargestellten Kurbelwelle annimmt, ist die Entspannungsnut quer dazu ausgerichtet. Durch entsprechende quer wie auch winklig angeordnete Entspannungsnuten besteht somit die Möglichkeit, weitere Verlagerungsmöglichkeiten von kritischen Bereichen aus dem Gasabdichtungsbereich des Zylinderkopfes verlagern und dabei die Lebensdauer erhöhen zu können.

Claims (17)

1. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) mit einem Zylinderkopf (2) oder Einzelzylinderköpfen und mit einem Zylinderblock (3), die über Schraubverbindungen (4) miteinander fixiert sind, wobei zwischen dem Zylinderkopf (2) und dem Zylinderblock (3) eine oder mehrere Zylinderkopfdichtungen (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Zylindern jedem jeweils eine separate Entspannungsnut (8) im Zylinderkopf (2) zugeordnet ist.
2. Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfdichtung (6) zumindest jeweils eine Gasabdichtung (7) im Bereich eines jeden Zylinders aufweist, wobei im Zylinderkopf (2) innerhalb eines durch die Gasabdichtung (7) definierten Durchmessers (10) um einen Zylinder eine Entspannungsnut (8) angeordnet ist.
3. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des definierten Durchmessers (10) zumindest zwei Entspannungsnuten (8, 9) angeordnet sind, die zueinander annähernd parallel verlaufen.
4. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kurbelgehäuse eine Zylinderbuchse eingesetzt ist und zumindest eine der Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) einem Steg (13) der Zylinderbuchse direkt gegenüberliegt.
5. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfdichtung (6) mit einem zumindest annähernd planen Bereich die Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) abdeckt oder teilweise abdeckt.
6. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) zumindest im wesentlichen frei von der Zylinderkopfdichtung (6) sind.
7. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) kreisförmig um den Zylinder verläuft.
8. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) zumindest teilweise quer zu einer seriellen Anordnung der Zylinder verlaufen.
9. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Entspannungsnut (8, 9, 14, 15, 16) einen unterbrochenen Verlauf aufweist.
10. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grund der Entspannungsnut (8) unterschiedliche Höhen und Tiefen aufweist.
11. Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Zylinderkopf (2) ein Leichtmetall aufweist und die Zylinderkopfdichtung (6) ohne einen Stopper ausgebildet ist.
12. Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderblock (3) aus Leichtmetall ist.
13. Verfahren zur Ermittlung einer optimierten Verbindung von Zylinderkopf (2) und Zylinderblock (3) einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1), die miteinander zu verschrauben sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Eingabe einer FEM-fähigen Darstellung einer Startkonfiguration bezüglich zumindest des Zylinderblocks (3), Zylinderkopfs (2) und deren Verschraubung, – Eingabe einer FEM-fähigen Darstellung einer Startkonfiguration bezüglich einer Zylinderkopfdichtung (6) unter Berücksichtigung von zumindest einer Gasabdichtung oder Sicken, die jeweils um zumindest einer ersten und einer zweiten, zueinander benachbarten Zylinderbohrung (5) verteilt angeordnet ist oder sind, – Eingabe einer Startkonfiguration von zumindest jeweils einer der ersten und der zweiten Zylinderbohrung (5) zugeordneten Entspannungsnut (8), wobei die Startkonfiguration eine Lage der Entspannungsnut (8) zwischen der Gasabdichtung und der zugehörigen Zylinderbohrung (5) berücksichtigt, und – Berechnung eines thermomechanischen Ermüdungsverhaltens zumindest des Zylinderkopfs (2) unter Optimierung zumindest eines Geometrieparameters betreffend die Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) im Hinblick auf das thermomechanische Ermüdungsverhalten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung der Anordnung der Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) berechnet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierung der Anzahl der Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) berechnet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer hinterlegten Datenbibliothek eine Vielzahl an unterschiedlichen Zylinderkopfdichtungsparametern zur Verfügung gestellt wird und im Rahmen der Optimierung zwischen verschiedenen Zylinderkopfdichtungen (6) eine automatisierte Auswahl und deren Änderung erfolgt, bis eine optimierte Lösung im Zusammenspiel mit dem Ermüdungsverhalten und der Anordnung und Geometrie der Entspannungsnuten (8, 9, 14, 15, 16) gefunden wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Stoppern oder Sicken zumindest jeweils der ersten und der zweiten Zylinderbohrung verteilt zugeordnet sind und bei der Optimierung berücksichtigt werden.