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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem
Zylinder sowie mit mindestens einem Zylinderkopf, der auf einem
Zylinderblock aufgesetzt ist, einem Brennraum, der zu einer Seite durch
einen Kolben, der innerhalb des Zylinderblocks hubbeweglich angeordnet
ist, und zur anderen Seite durch ein Flammdeck begrenzt ist, das
als eine dem Brennraum zugewandte Oberfläche des Zylinderkopfes
ausgeführt ist, wobei am Flammdeck mindestens ein Auslasskanal
mit einem Auslassventil und mindestens ein Einlasskanal mit einem
Einlassventil vorgesehen ist, und zwischen dem Zylinderkopf und dem
Zylinderblock eine Zylinderkopfdichtung angeordnet ist.
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Es
ist bekannt, dass das Flammdeck, insbesondere der Bereich des Ventilsteges,
der zwischen zwei Ventilen sich befindet, hohen thermischen Wechselspannungen
ausgesetzt ist, da in Folge ungleicher Materialanhäufung und
ungleicher Kühlverhältnisse sich ein sehr differenziertes
Temperaturfeld am Zylinderkopf brennraumseitig herausbildet, welches
zwangsläufig zu Wärmespannungen führt. Durch
Erhitzen im Motorbetrieb und Abkühlen im Leerlauf oder
Stillstand kommt es zur Ausbildung von Wechselspannungen, die am
Flammdeck, insbesondere am Ventilsteg schließlich zur Rissbildung
oder zur Zerstörung der Zylinderköpfe führen
können. Die stetig steigende spezifische Motorleistung
führt ferner zu einer Erhöhung der mittleren Wärmeströme, die
vom Gas im Brennraum an das Flammdeck und die weiteren den Brennraum
umgebenden Bauteile abgeführt werden. Daraus resultiert
eine Erhöhung der Materialtemperaturen im Flammdeck, die
durch Optimierung des Kühlwassermantels und der Kühlung
nur teilweise ausgeglichen werden kann.
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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 Kanäle für Ventile,
Lager, Zündvorrichtungen, Ein- und Auslasskanäle
versteifen zu können. Hierdurch können thermische
Belastungen, die auf das Flammdeck wirken, reduziert werden. Nachteiligerweise
hat sich gezeigt, dass bei den neuen Brennkraftmaschinen die Tendenz
zu thermischen Beanspruchungen des Zylinderkopfes weiter steigt. Die
Kombination aus hoher mechanischer und thermischer Last am Flammdeck
erfordert weitere Maßnahmen, um die thermischen Belastungen
am Zylinderblock zu reduzieren.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine zu
schaffen, bei der die genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere eine
Brennkraftmaschine bereitgestellt wird, bei der wirksam der Wärmeeintrag
in das Flammdeck reduziert werden kann.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. In den abhängigen
Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
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Dazu
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zylinderkopfdichtung
einen Schutzbereich aufweist, der zumindest teilweise in den Brennraum
hineinragt, wodurch die thermische Belastung des Flammdecks reduzierbar
ist. Der Kerngedanke dieser Erfindung ist, dass der Schutzbereich
derart sich in den Brennraum erstreckt, dass eine Abschirmung zumindest
eines Teilbereichs des Flammdecks gegen einen Wärmeeintrag
aus dem Gas des Brennraums gezielt erreicht werden kann. Zum einen
kann wirksam die aus dem Brennraum auf das Flammdeck wirkende Wärmestrahlung
durch den Schutzbereich abgeschirmt werden. Zum anderen nimmt der Schutzbereich
der Zylinderkopfdichtung Wärmeströme aus dem Brennraum
konvektiv auf. Da der als Abschirmung wirkende Schutzbereich vorteilhafterweise
nur eine sehr geringe Wandstärke hat, kann die Temperatur
des Schutzbereiches der Gastemperatur des Brennraumes schnell folgen,
so dass sich die für den Wärmeübergang
relevante Temperaturdifferenz stark verringert. Der vom Gas im Brennraum
an die Kopfdichtung im Schutzbereich abgeführte Wärmestrom
wird so reduziert und ist bereits niedriger als der ohne Abschirmung
an das Flammdeck direkt abgeführte Wärmestrom
wäre. Bevorzugt befindet sich zwischen der Kopfdichtung
im Schutzbereich und dem Zylinderkopf bzw. dem Flammdeck ein dünner Spalt,
der ein Wärmeübergang an das Flammdeck wirksam
behindert. Somit kann eine deutliche Reduzierung des Wärmestroms
von der Kopfdichtung in das Flammdeck erreicht werden. Insgesamt
bedeuten die Abschirmung der Wärmestrahlung und die geringeren
konvektiven Wärmeströme eine deutliche Reduzierung
des Wärmeeintrages in das Flammdeck, wodurch einer Schädigung
des Zylinderkopfes entgegengewirkt wird. Ein weiterer wesentlicher
Vorteil dieser Erfindung ist, dass durch einen geringfügigen
zusätzlichen Bauaufwand, das bedeutet, dass die Zylinderkopfdichtung
mit einem kleinen Bereich in den Brennraum hineinragt, der Wärmeeintrag
zum Flammdeck wesentlich reduziert werden kann und zugleich die
Voraussetzung für eine reibungslose Serienfertigung gegeben
ist. Die Zylinderkopfdichtung sowie der Schutzbereich bilden hierbei
ein gemeinsames Bauteil.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die
Zylinderkopfdichtung als ein Stanz- und/oder Prägeteil
ausgeführt. Die Werkzeuge zur Herstellung einer derartigen
erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung müssen
nur geringfügig modifiziert werden, um entsprechende Schutzbereiche
für das Flammdeck bereitzustellen. Vorteilhafterweise ist die
Zylinderkopfdichtung mehrlagig aus Stahlblechen hergestellt. Zur
sicheren Gasabdichtung sind zur Erhöhung der örtlichen
Pressung Sicken, Blecheinfassungen und/oder Stopper vorgesehen.
An Flüssigkeitsdurchgängen vom Zylinderblock zum
Zylinderkopf kann es sinnvoll sein, die Dichtwirkung auch durch
Elastomer-Beschichtungen zu erhöhen.
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Vorzugsweise
deckt der Schutzbereich das Flammdeck zumindest teilweise ab, wodurch
die thermische Belastung des Flammdecks reduzierbar ist. In einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme sind mehr als 5% der
Fläche des Flammdecks, bevorzugt mehr als 20% der Fläche
des Flammdecks, mehr bevorzugt mehr als 50% der Fläche
des Flammdecks und besonders bevorzugt mehr als 90% der Fläche
des Flammdecks durch den Schutzbereich abgedeckt. Die Geometrie
des Schutzbereiches der Zylinderkopfdichtung kann unterschiedlichste
Formen aufweisen. In einer möglichen Ausführungsform
der Erfindung weist der Schutzbereich der Zylinderkopfdichtung mindestens
eine Öffnung auf, die insbesondere dem Auslasskanal und/oder dem
Einlasskanal und/oder einem im Zylinderkopf angeordneten Injektor
oder weiteren Bauteilen des Zylinderkopfes zugeordnet ist. Vorzugsweise
ist die Größe der Öffnung jeweils dem
zugehörige Auslasskanal, Einlasskanal oder dem entsprechenden
Bauteil des Zylinderkopfes angepasst. Ebenfalls ist es denkbar,
dass zumindest bereichsweise der Einlasskanal und/oder der Auslasskanal
des Zylinderblocks durch den Schutzbereich abgedeckt wird. Entsprechend
der Geometrie des Schutzbereichs innerhalb des Brennraumes kann
zusätzlich die Gasströmung im Brennraum beeinflusst
werden.
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In
einer möglichen Ausführungsform der Kopfdichtung
mit integrierter Abschirmung kann besonders der Bereich zwischen
den Ventilen, der so genannte Ventilsteg abgeschirmt werden. Da
insbesondere der Bereich der Ventilstege hohen thermischen Wechselspannungen
und hohen lokalen Temperaturen ausgesetzt ist, kann es von Vorteil
sein, dass durch ein gezieltes Abschirmen des Ventilstegs durch
den Schutzbereich, der Zylinderkopf vor einer etwaigen Zerstörung
wirksam geschützt werden kann.
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Erfindungsgemäß liegt
der Schutzbereich der Zylinderkopfdichtung am Flammdeck nur lose
an. Hierdurch wird eine einfache Montage der Gesamtanordnung erreicht.
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Ebenfalls
ist es denkbar, dass die Zylinderkopfdichtung derart mechanisch
gegen den Zylinderkopf vorgespannt ist, dass der Schutzbereich stets am
Flammdeck anliegt. Eine derartige Vorspannung bewirkt, dass die
Zylinderkopfdichtung, insbesondere der Schutzbereich sich möglichst
wenig vom Zylinderkopf bzw. vom Flammdeck lösen kann. Eine
derartige Zylinderkopfdichtung wäre fertigungstechnisch einfach
durch ein lokales Tiefziehen oder Prägen, ganz ähnlich
dem Einprägen einer Sicke darstellbar. Bei Montage der
Kopfdichtung wird diese gegen das Flammdeck gedrückt.
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In
einer weiteren Alternative ist es denkbar, dass zwischen dem Schutzbereich
der Zylinderkopfdichtung und dem Flammdeck ein definierter Abstand
vorliegt. Dieser Abstand kann als Isolationsspalt dienen, wodurch
ein Wärmeübergang in das Flammdeck wesentlich
reduziert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist es alternativ möglich, dass erst während
des Betriebes der Brennkraftmaschine sich ein Isolationsspalt aufgrund
der Wärmedehnung des Zylinderkopfes, insbesondere des Flammdecks,
sich einstellt, wodurch ebenfalls eine Reduzierung des Wärmestroms
in das Flammdeck über diesen Isolationsspalt erzielt werden
kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Oberfläche
des Schutzbereiches, insbesondere die dem Brennraum zugewandte Oberfläche
des Schutzbereiches reflektierend ausgestaltet. Hierdurch wir die
innerhalb des Brennraums wirkende Wärmestrahlung zuverlässig
vom Schutzbereich reflektiert, so dass nur ein sehr geringer Teil
auf das Flammdeck wirken kann.
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Vorteilhafterweise
weist der Schutzbereich eine Beschichtung auf, die einen thermischen
Schutz der Zylinderkopfdichtung bietet, insbesondere weist die Beschichtung
einen niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten auf. In einer
möglichen Ausführungsform kann die Beschichtung
z. B. eine Keramikbeschichtung sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind.
Dabei können die in den Ansprüchen und in der
Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung
mit einem Schutzbereich, der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
hineinragt,
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2 eine
Seitenansicht auf eine Brennkraftmaschine mit einer Zylinderkopfdichtung
gemäß 1 und
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3 eine
weitere Ausführungsform der Positionierung der Zylinderkopfdichtung
innerhalb des Brennraumes der Brennkraftmaschine.
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1 und 2 zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine,
die einen Zylinderkopf 10 aufweist, der auf einem Zylinderblock 20 aufgesetzt
ist. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine einen Brennraum 21 auf,
der zu einer Seite durch einen Kolben 22 begrenzt ist,
der innerhalb des Zylinderblocks 20 hubbeweglich gelagert
ist. Zur anderen Seite ist der Brennraum 21 durch ein Flammdeck 11 begrenzt.
Hierbei stellt das Flammdeck 11 die dem Brennraum 21 zugewandte
Oberfläche des Zylinderkopfes 11 dar. In 1 ist
rein schematisch das Flammdeck 11 angedeutet. Auf der Fläche,
die innerhalb des gestrichelten Kreises begrenzt ist, liegt das
Flammdeck 11 auf. Hierbei weist das Flammdeck 11 zwei
Auslasskanäle 12a mit jeweils einem Auslassventil 12b sowie
zwei Einlasskanäle 13a mit jeweils einem Einlassventil 13b auf.
Gemäß der Schnittdarstellung aus 2 ist
lediglich ein Auslasskanal 12a mit einem Einlasskanal 13a und
den dazugehörigen Ventilen 12b, 13b dargestellt.
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Zwischen
dem Zylinderkopf 10 und dem Zylinderblock 20 befindet
sich eine Zylinderkopfdichtung 30, die mit einem Schutzbereich 31 ausgeführt ist,
der in den Brennraum 21 hineinragt. Der Schutzbereich 31 der
Zylinderkopfdichtung 30 ist also der Bereich, der das Flammdeck 11 vom
Brennraum 21 abdeckt. Zwischen der Zylinderkopfdichtung 30 und dem
Zylinderkopf 10 besteht keine direkte, mechanische Verbindung,
das bedeutet, dass die Zylinderkopfdichtung 30 mit Ihrem
Schutzbereich 31 am Flammdeck 11 lose anliegt.
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Es
hat sich gezeigt, dass gerade der Ventilsteg 14, der zwischen
den Ventilen 12b, 13b sich befindet, hohen thermischen
Belastungen aus dem Brennraum 21 ausgesetzt ist. Die Zylinderkopfdichtung 30 bewirkt
somit, dass der Zylinderkopf 10, insbesondere das Flammdeck 11 vor
Wärmestrahlung zuverlässig abgeschirmt wird. Die
zweite Aufgabe der Zylinderkopfdichtung 30 ist, dass ein
Wärmeübergang zum Zylinderkopf 10 gering
gehalten wird, da die Zylinderkopfdichtung 30 mit dem Schutzbereich 31 als
eine Art Isolationsschicht zum Flammdeck 11 wirkt. Die
Zylinderkopfdichtung 30 besteht aus mehreren Metalllagen,
wobei gleichzeitig diese mehrlagige Zylinderkopfdichtung 30 keine
guten Wärmeleiteigenschaften aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird nahezu komplett das gesamte Flammdeck 11 durch den
Schutzbereich 31 der Zylinderkopfdichtung 30 abgedeckt.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform ist
es selbstverständlich denkbar, dass lediglich nur definierte
Bereiche, wie beispielsweise der Ventilsteg 14, durch den
Schutzbereich 31 abgeschirmt werden. Unterschiedlichste
Geometrien des Schutzbereichs 31 sind denkbar. Um eine
hinreichende Abschirmung des Wärmeeintrages auf das Flammdeck 11 zu
erzielen, kann es ausreichen, dass lediglich der Schutzbereich 31 um
einen definierten Weg X in den Brennraum 21 hineinragt,
welches in 2 angedeutet ist. In einer derartigen
Ausführungsform könnte beispielsweise auf eine
Abdeckung des Ventilstegs 14 durch den Schutzbereich 31 verzichtet
werden.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist
der Schutzbereich 31 vier große Öffnungen 32, 33 auf,
die den Auslasskanälen 12a und den Einlasskanälen 13a zugeordnet
sind. Mittig zu diesen vier Öffnungen 32, 33 ist
eine kleine Öffnung 34 für einen im Zylinderkopf 10 nicht
explizit dargestellten Injektor vorgesehen. Eine weitere nicht dargestellte Öffnung
kann ebenfalls vorgesehen sein, die für einen Glühstift
dient, der im Zylinderkopf 10 angeordnet sein kann.
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Gemäß 1 und 2 ist
die Zylinderkopfdichtung 30 als ein Stanz- und Prägeteil
ausgeführt. Die Öffnungen 32, 33, 34 können
ebenfalls alternativ über ein Laserverfahren hergestellt
werden. Die Materialstärke der Zylinderkopfdichtung 30 mit
Ihrem Schutzbereich 31 liegt im Bereich zwischen 0,2 bis 0,4
mm. Alternative Materialstärken sind selbstverständlich
in weiteren Ausführungsbeispielen denkbar. Die dargestellte
Zylinderkopfdichtung 30 wird in einem Stanzwerkzeug in
lediglich einem Bearbeitungsschritt hergestellt, in dem die genannten Öffnungen 32, 33, 34 über
einen Stanzvorgang mechanisch getrennt werden, wodurch der Brennraum 21 freigelegt
wird.
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Um
den lokalen Anpressdruck über die Zylinderkopfdichtung 30 zu
modifizieren, weist die Zylinderkopfdichtung 30 nicht explizit
dargestellte Sicken und Stopper auf, die beispielsweise aufgeprägt
werden können. Die Sicken sind hierbei wellenartig ausgebildet
und verlaufen vorzugsweise um den Brennraum 21. Da während
des Betriebes der Brennkraftmaschine der Zylinderkopf 10 einen
Schwingweg durchläuft, sorgen die Sicken für eine
zuverlässige Dichtfunktion. Der Stopper, der ebenfalls
als Dichtelement wirkt, sorgt hauptsächlich dafür,
dass die auftretenden Biegeschwingungen sich nicht auf die Sicken
fortsetzen, wodurch eine zuverlässige Dichtung etwaig aufgehoben
werden könnte.
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Das
in 1 und 2 beschriebene Ausführungsbeispiel
kann auch derart modifiziert werden, dass zwischen dem Schutzbereich 31 der
Zylinderkopfdichtung 30 und dem Flammdeck 11 ein
definierter Abstand 1 vorliegt, welches in 3 angedeutet
ist. Während des Betriebs gelangt heißes Gas aus dem
Brennraum 21 in den Spalt 1, wobei innerhalb des
Spaltes 1 nur sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten
sich einstellen. Es entsteht eine Art Gaspolster, das eine gute
Isolationswirkung für das Flammdeck 11 entstehen
lässt. Durch eine derartig einfache Maßnahme,
kann zusätzlich eine Reduzierung des Wärmeeintrags
in das Flammdeck 11 erreicht werden.
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- 1
- Abstand
zwischen dem 11 und 30
- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Flammdeck
- 12a
- Auslasskanal
- 12b
- Auslassventil
- 13a
- Einlasskanal
- 13b
- Einlassventil
- 14
- Ventilsteg
- 20
- Zylinderblock
- 21
- Brennraum
- 22
- Kolben
- 30
- Zylinderkopfdichtung
- 31
- Schutzbereich
- 32
- Öffnung
(Auslasskanal)
- 33
- Öffnung
(Einlasskanal)
- 34
- Öffnung
- X
- Weg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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