DE102022116178A1

DE102022116178A1 - lightweight cylinder head

Info

Publication number: DE102022116178A1
Application number: DE102022116178.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bey; Maximilian Dunker; Can Kayacan
Original assignee: FEV Europe GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: FEV Europe GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2022-11-24
Also published as: DE102023001162A1

Abstract

Ein Zylinderkopf 1 hat eine Außengeometrie, die ein Gesamtvolumen des Zylinderkopfs 1 umschreibt. Dabei ist der Massenanteil im Gesamtvolumen kleiner als 55%, bevorzugt kleiner als 45% und insbesondere kleiner als 40%.A cylinder head 1 has an external geometry that describes an overall volume of the cylinder head 1 . The mass fraction in the total volume is less than 55%, preferably less than 45% and in particular less than 40%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leichtbauzylinderkopf.The present invention relates to a lightweight cylinder head.

Zylinderköpfe sind allgemein bekannt und liegen in einem Verbrennungsmotor am Ende des Motorblocks und sorgen dafür, dass die Zylinder mit Frischluft und Brennstoff versorgt werden, wie auch, dass das Verbrennungsgas abgeleitet wird und bilden zusammen mit dem Kurbelgehäuse und Kolben den Brennraum. EP 1 554 483 B1 zeigt einen Zylinderkopf mit einer konstruktiven Aufteilung in ein untenliegendes Flammdeck und ein darüber liegendes Oberdeck. Bekannt ist aus DE 10 2017 112 216 A1 , dass Zylinderköpfe in additiven Herstellverfahren gefertigt werden können.Cylinder heads are well known and are located in an internal combustion engine at the end of the engine block and ensure that the cylinders are supplied with fresh air and fuel, as well as that the combustion gas is discharged and together with the crankcase and pistons form the combustion chamber. EP 1 554 483 B1 shows a cylinder head with a structural division into a flame deck below and an upper deck above it. is known from DE 10 2017 112 216 A1 that cylinder heads can be manufactured using additive manufacturing processes.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, additive Fertigungstechniken der Herstellung eines Zylinderkopfs verbessert einzusetzen, um so einen Zylinderkopf zu erhalten, der auf ein geringes Leistungs-Gewicht und hohe Steifigkeit/Festigkeit optimiert ist.The object of the present invention is to improve the use of additive manufacturing techniques for the production of a cylinder head in order to obtain a cylinder head that is optimized for low power-to-weight ratio and high rigidity/strength.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved with the means of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ein Zylinderkopf mit einer Außengeometrie bereitgestellt, die ein Gesamtvolumen des Zylinderkopfs umschreibt, wobei der Massenanteil im Gesamtvolumen kleiner als 55%, bevorzugt kleiner als 45% und insbesondere kleiner als 40 % ist. In konkreten Anwendungsfällen kann er 35 +/-2% betragen. In bereits bekannten Zylinderköpfen wird, gerade wenn das Zylinderkopfmaterial aus Aluminium besteht, ein höherer Materialanteil benötigt. Es wurde erkannt, dass über zielgerichtete Berechnungen mit Finite-Elemente-Methoden, an diversen Stellen Material eingespart werden kann. Bei größeren Werten ist typischerweise das Optimierungspotential nicht ausreichend ausgeschöpft und bei geringeren Anteilen würde die Gesamtfestigkeit unzulässig reduziert. Hierdurch reduziert sich nicht nur das Gewicht des Zylinderkopfs, sondern es verbessert sich auch die Aufwärmgeschwindigkeit beim Start des Motors, was das schnellere Erreichung von besseren Leistungswerten und Abgasbedingungen bewirkt. In konkreten Anwendungen kann der Massenanteil 35% +/-2 % betragen. Der Massenanteil ist definiert als das Volumen, das das Material des Zylinderkopfs (ausschließlich möglicher Anbauteile) im Verhältnis zu dem Gesamtvolumen ausmacht.According to the invention, a cylinder head is provided with an external geometry that describes a total volume of the cylinder head, the mass fraction in the total volume being less than 55%, preferably less than 45% and in particular less than 40%. In specific applications it can be 35 +/-2%. In already known cylinder heads, a higher proportion of material is required, especially when the cylinder head material is made of aluminum. It was recognized that material can be saved at various points through targeted calculations using finite element methods. In the case of larger values, the potential for optimization is typically not sufficiently exhausted, and in the case of lower proportions, the overall strength would be impermissibly reduced. This not only reduces the weight of the cylinder head, but also improves the warm-up speed when the engine is started, which means that better performance and emission conditions are achieved more quickly. In specific applications, the mass fraction can be 35% +/-2%. The mass fraction is defined as the volume that the material of the cylinder head (excluding any add-on parts) makes up in relation to the total volume.

Zudem kann der Erfindungsgedanke derart ausgedrückt werden, dass der Zylinderkopf (funktional) in ein Flammdeck und ein Oberdeck aufgeteilt wird und im Oberdeck keine Ölrücklaufkanäle angeordnet sind. Das Flammdeck ist insbesondere als der Bereich benachbart zu dem Motorblock definiert, in dem erhöhte thermische Belastungen bestehen und in dem sich die Verbrennungskräfte verstärkt auswirken. Aus diesen Gründen ist hier ein höherer Materialanteil notwendig. Auch sind hier die Ladungswechselkanäle angeordnet. Vom Motorblock räumlich entfernt ist das Oberdeck angeordnet, welches der Aufnahme von Anbauteilen dient, nämlich insbesondere von Ventilspielausgleichselementen. Ferner wird Raum für Ventilantriebskomponenten geschaffen.In addition, the idea of the invention can be expressed in such a way that the cylinder head is divided (functionally) into a flame deck and an upper deck and no oil return channels are arranged in the upper deck. In particular, the flame deck is defined as the area adjacent to the engine block where there are increased thermal loads and where the combustion forces have a greater impact. For these reasons, a higher proportion of material is necessary here. The gas exchange channels are also arranged here. The upper deck is arranged at a distance from the engine block and serves to accommodate add-on parts, namely valve clearance compensation elements in particular. Furthermore, space is created for valve drive components.

Für einen Fachmann der Zylinderkopfentwicklung ist es üblich, für die entsprechenden Komponenten eine gezielte Ölversorgung und Ölableitung bereitzustellen. Es wurde jedoch erkannt, dass sich bei einer gewichts- und kraftoptimierten Verbesserung des Zylinderkopfs in ihm ein freier Bereich ergibt, der ggf. großvolumig sind. Dieser freie Bereich liegt insbesondere innerhalb des Oberdecks. Konkret können die freien Bereiche nach unten, in das Flammdeck dorthin verlängert werden, wo kein Materialbedarf besteht. So kann das von einem Verbraucher verwendete Öl unmittelbar in den freien Bereich abgegeben werden. Dort fließt oder tropft es selbsttägig herunter, so dass es sich dort in einem unteren Bereich ansammelt und von dort abgeleitet wird. Die Begriffe „Oberdeck“ und „Flammdeck“ können auch derart definiert sein, als dass sie sich in ihrer Lage entweder ober- oder unterhalb dieses „unteren Bereichs“ befinden, in dem das Öl sich sammelt, um von dort abgeleitet zu werden. Das Oberdeck erstreckt sich über die gesamte Grundfläche des Zylinderdecks. Ein „Ölrücklaufkanal“ wird insbesondere als ein konkreter Bereich zum gerichteten Fließen von einem definierten Startpunkt zu einem definierten Zielpunkt gesehen. Insbesondere kann bei einem (Ölrücklauf-)Kanal ein Verhältnis von einem Durchmesser eines Fließkanals zu dessen Länge größer als bspw. 5 sein. Der Fließquerschnitt über den Lauf eines (Ölrücklauf-)Kanals ist weitgehend konstant und/oder ohne Querschnittssprünge.For a person skilled in the cylinder head development, it is usual to provide a targeted oil supply and oil drain for the corresponding components. However, it was recognized that if the cylinder head were to be improved in terms of weight and power, there would be a free area in it that might have a large volume. This free area is in particular within the upper deck. In concrete terms, the free areas can be extended downwards into the flame deck where there is no need for material. Thus, the oil used by a consumer can be released directly into the free area. There it flows or drips down of its own accord, so that it collects in a lower area and is drained from there. The terms "upper deck" and "flame deck" may also be defined as being located either above or below this "lower area" where oil collects for drainage. The upper deck extends over the entire base area of the cylinder deck. An "oil return channel" is seen in particular as a specific area for directional flow from a defined starting point to a defined destination point. In particular, in the case of an (oil return) channel, a ratio of a diameter of a flow channel to its length can be greater than 5, for example. The flow cross section over the course of an (oil return) channel is largely constant and/or without cross-sectional jumps.

Ferner kann der Zylinderkopf ein Flammdeck umfassen, welches sich durch die Oberseiten der Ladungswechselkanäle von einem Oberdeck abgrenzt und der Massenanteil im Volumen zwischen der Ebene der Ventilfedersitze und des Flammdecks ist kleiner als 80%, bevorzugt kleiner als 65% und besonders bevorzugt kleiner als 50%. Diese Verhältnisse des Massenanteils, sowie die Verhältnisse der anderen Ansprüche, beschreiben jeweils Unterschiede zum Stand der Technik, da dort höhere Massenanteile zur Verwendung kamen.Furthermore, the cylinder head can include a flame deck, which is delimited from an upper deck by the tops of the gas exchange channels, and the mass fraction in the volume between the plane of the valve spring seats and the flame deck is less than 80%, preferably less than 65% and particularly preferably less than 50% . These ratios of the mass fraction, as well as the ratios of the other claims, each describe differences from the prior art, since higher mass fractions were used there.

Vorteilhaft ist insbesondere, wenn Injektorträger in Verlängerungen zu Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind. Dabei ist der Massenanteil der Volumen zwischen benachbarten Injektorträgern kleiner als 75%. Bevorzugt ist der Massenanteil kleiner als 65% und besonders bevorzugt ist er kleiner als 55%. Hierbei wird insbesondere der Volumenanteil innerhalb des Oberdecks betrachtet. In diesen Bereichen ist die Anforderung an die mechanische Festigkeit zur Aufnahme der Verbrennungskräfte kaum gegeben. Es wurde erkannt, dass hier der Materialanteil gesenkt werden kann.It is particularly advantageous if injector carriers are arranged in extensions to the cylinders of an internal combustion engine. Here is the crowd Proportion of volumes between adjacent injector carriers less than 75%. The mass fraction is preferably less than 65% and particularly preferably less than 55%. Here, the volume fraction within the upper deck is considered in particular. In these areas, there is hardly any requirement for the mechanical strength to absorb the combustion forces. It was recognized that the proportion of material can be reduced here.

Insbesondere kann der Zylinderkopf Aufnahmen für Verbraucher von Öl, wie einem Ventilspielausgleichselement, umfassen. Dabei umfasst der Zylinderkopf Zuführkanäle zum Zuführen von Öl zu den Verbrauchern, und abstromseitig von den Verbrauchern ist eine Ölführung als ein freier Bereich definiert, und der freie Bereich ist bei funktionsmäßiger Verwendung des Zylinderkopfs zu weniger als 30% mit Öl gefüllt und bevorzugt zu weniger als 10% mit Öl gefüllt ist. Grundsätzlich gilt als Prinzip für das Design von Hydrauliksystemen, dass die Fließquerschnitte unter normalen Betriebsbedingungen weitgehend mit Öl gefüllt sein sollen. Der freie Bereich wird insbesondere als eine freie Kavität gesehen, die frei vom Material des Zylinderkopfs ist. Anders ausgedrückt: Für den freien Bereich sind ein oder mehrere Ablaufkanäle definiert, ohne dass eine Zwangsführung von Öl abstromseitig des freien Bereichs in einen der Ablaufkanäle vorgesehen ist, wobei eine „Zwangsführung“ aufgrund der Schwerkraft unberücksichtigt bleibt.In particular, the cylinder head can include receptacles for consumers of oil, such as a valve clearance compensation element. Here, the cylinder head includes supply passages for supplying oil to the consumers, and downstream of the consumers an oil passage is defined as a free area, and the free area is less than 30% filled with oil in functional use of the cylinder head, and preferably less than 10% filled with oil. The basic principle for the design of hydraulic systems is that the flow cross-sections should be largely filled with oil under normal operating conditions. In particular, the free area is seen as a free cavity which is free of the material of the cylinder head. In other words, one or more drainage channels are defined for the free area, without a constrained flow of oil being provided downstream of the free area into one of the drainage channels, whereby a “constrained flow” due to gravity is not taken into account.

Insbesondere ist für das Strömen des Schmieröls im Zylinderkopf ein freier Bereich vorgesehen und bei entsprechenden Einbaubedingungen sind im unteren Bereich Leitflächen vorgesehen, entlang derer das Öl zu Sammelkanälen fließen kann. Dann ist das Öl über einen Rücklaufkanal aus dem Zylinderblock ableitbar. Insbesondere kann das Strömen an den Leitflächen zweidimensional sein. Das heißt: Während das Fließen innerhalb eines Rohres/Kanals lediglich in eine Richtung stattfindet, kann sich an den Leitflächen eine seitliche Ausgleichströmung entwickeln, falls ein Ölüberschuss in der idealen (schwerkraftsbedingten) Fließrichtung nicht möglich ist. Insbesondere ist für das Öl im freien Bereich kein definierter Fließquerschnitt vorgesehen. Die Eigenschaft von Kanälen ist, dass sie so eingerichtet sind, dass sie bei bestimmungsgemäßer Benutzung komplett mit Öl gefüllt sein können.In particular, a free area is provided for the flow of the lubricating oil in the cylinder head, and with appropriate installation conditions, guide surfaces are provided in the lower area, along which the oil can flow to the collecting channels. The oil can then be drained from the cylinder block via a return channel. In particular, the flow at the guide surfaces can be two-dimensional. This means: While the flow within a pipe/channel only takes place in one direction, a lateral compensating flow can develop on the guide surfaces if an excess of oil in the ideal (due to gravity) flow direction is not possible. In particular, no defined flow cross section is provided for the oil in the free area. The property of channels is that they are set up in such a way that they can be completely filled with oil when used as intended.

Der Zylinderkopf kann bevorzugt einen inneren freien Bereich umfassen, der durch Außenwände des Zylinderkopfs begrenzt ist, wobei die Innen- und/oder Außenseite(n) der Wände Rippen oder bionische Strukturen umfassen. Als eine bionische Struktur werden insbesondere Rippen verstanden, die kraftflussoptimiert angeordnet sind, also insbesondere im Übergang zu einer Bezugsfläche ohne (spitze) Winkel auskommen, sondern größtmögliche Übergangsradien aufweisen und dabei wird auf Materialanhäufungen verzichtet. Ferner kann eine Oberfläche des Zylinderkopfs mit einem Netz von vorstehenden und sich schneidenden Rippen verstärkt sein und insbesondere die Rippen eine Wabenstruktur bilden. Auch kann bevorzugt der Zylinderkopf keine Materialanhäufungen des Volumens eines Würfels der Kantenlänge von größer 2 cm umfassen.The cylinder head may preferably comprise an inner free area bounded by outer walls of the cylinder head, the inner and/or outer side(s) of the walls comprising ribs or bionic structures. A bionic structure is understood to mean, in particular, ribs that are arranged in a force-flow-optimized manner, i.e. without (acute) angles in particular in the transition to a reference surface, but instead have the greatest possible transition radii and material accumulations are dispensed with. Further, a surface of the cylinder head may be reinforced with a network of protruding and intersecting ribs, and in particular, the ribs form a honeycomb structure. The cylinder head can also preferably not have any accumulations of material having the volume of a cube with an edge length of more than 2 cm.

Ferner kann ein Zylinderkopf zumindest eine Schraubenbohrung für eine Verschraubung mit einem Motorblock aufweisen und benachbart zu der Schraubenbohrung ist ein Ölrücklaufkanal zum Auslass von Öl aus dem Zylinderkopf vorgesehen. Zumindest zwei Sammelkanäle vereinigen sich unmittelbar vor dem Auslass aus dem Zylinderkopf in den Ölrücklaufkanal, und die Sammelkanäle sind zumindest zu 80% koaxial um die Schraubenbohrung geführt. Die Sammelkanäle können insbesondere keinen Querschnitt von größer 10 mm aufweisen. Insbesondere teilen sich die Sammelkanäle vor dem Umströmen der Schraubenbohrung aus einem Ölkanal auf, so dass die Schraubenbohrung durch Ölkanäle umlaufend geschlossen umgeben ist. Aufgrund der benötigten Kraftübertragung von der Schraubenspannkraft auf den Zylinderkopf wird hier eine gewisse Materialanhäufung benötigt. Aber es wird kein Vollmaterial benötigt. Sondern es können Hohlräume zulässig sein, wie dies bei z.B. einer Hohlprofil-Konstruktion gegeben ist. Derartige Hohlräume werden für Ölkanäle genutzt. Durch das Radial-Umlaufen von Kanälen um die Schraubenbohrung wird eine (Rotations-)Symmetrie erzielt.Furthermore, a cylinder head can have at least one bolt bore for bolting to an engine block, and an oil return channel for draining oil from the cylinder head is provided adjacent to the bolt bore. At least two plenums join into the oil return passage just prior to discharge from the cylinder head, and the plenums are at least 80% coaxial about the bolt bore. In particular, the collecting channels cannot have a cross section of more than 10 mm. In particular, the collecting channels split up from an oil channel before the flow around the screw hole, so that the screw hole is surrounded by oil channels in a closed manner. Due to the required power transmission from the screw tensioning force to the cylinder head, a certain accumulation of material is required here. But no solid material is required. Instead, cavities can be permissible, as is the case with a hollow profile construction, for example. Such cavities are used for oil channels. A (rotational) symmetry is achieved by the radial circulation of channels around the screw bore.

Ferner ist vorteilhaft, wenn der Zylinderkopf gegenüberliegend einer Motorblockseite eine Nockenwellenmodulseite aufweist und nockenwellenmodulseitig einen umlaufend geschlossenen Rahmen zur Verbindung und Dichtung gegenüber einem Nockenwellenmodul vorgesehen ist. Dabei ist innerhalb des Rahmens ein hoher Flächenanteil eines Durchlasses vorgesehen, über den Öl von dem Nockenwellenmodul in den Zylinderkopf strömen oder tropfen kann und das Verhältnis des Durchlasses zur Gesamtfläche des Rahmens ist größer als 30% bevorzugt größer als 50% und insbesondere größer als 70%. Hierdurch wird ein Abtropfen von Öl aus dem Nockenwellenmodul in den freien Bereich des Zylinderkopfs ermöglicht.Furthermore, it is advantageous if the cylinder head has a camshaft module side opposite an engine block side and a peripherally closed frame is provided on the camshaft module side for connection and sealing with respect to a camshaft module. A large proportion of the area of a passage is provided within the frame, via which oil can flow or drip from the camshaft module into the cylinder head, and the ratio of the passage to the total area of the frame is greater than 30%, preferably greater than 50% and in particular greater than 70%. . This allows oil to drip out of the camshaft module into the free area of the cylinder head.

Zudem ist vorteilhaft, wenn der Zylinderkopf Außenseiten mit einer weitgehend gleichen Wanddicke von insbesondere 2 mm +/- 0,3 mm aufweist. Innenliegende Verstärkungselemente können die mechanisch notwendige Festigkeit bewirken, so dass eine relativ geringe Wanddicke ausreichend sein kann.In addition, it is advantageous if the cylinder head has outer sides with a largely uniform wall thickness of, in particular, 2 mm +/- 0.3 mm. Interior reinforcing elements can bring about the mechanically necessary strength, so that a relatively small wall thickness can be sufficient.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Motorblock mit einem entsprechenden Zylinderkopf.The invention also relates to an engine block with a corresponding cylinder head.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfs 1,
2 einen Schnitt X-X durch den Zylinderkopf der 1,
3 einen Schnitt Y-Y durch den Zylinderkopf der 1,
4 einen Schnitt Z-Z durch den Zylinderkopf der 1,
5 eine Detailansicht einer Wabenstruktur einer Wand und
6 bis 8 jeweils Varianten von Ablaufkanalführungen benachbart zu einem Ölrücklaufkanal 50.

The invention is explained below by way of example with reference to figures. Show it:

1 a perspective view of a cylinder head 1,
2 a section XX through the cylinder head of 1 ,
3 a section YY through the cylinder head of 1 ,
4 a section ZZ through the cylinder head 1 ,
5 a detailed view of a honeycomb structure of a wall and
6 until 8th each variant of drainage channel guides adjacent to an oil return channel 50.

1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf 1. Er hat im Wesentlichen zwei gegenüberliegende Oberflächen, nämlich eine unten liegende motorblockseitige Oberfläche 2, an welcher der Motorblock befestigt und mit einer umlaufenden Dichtfläche gegen ihn abgedichtet wird. Gegenüberliegend von der motorblockseitigen Oberfläche 2 ist eine nockenwellenmodulseitige Oberfläche 3 angeordnet, an der ein Nockenwellenmodul (nicht dargestellt) befestigt wird. Das Nockenwellenmodul umfasst die Nockenwelle. Es ist aus 1 sofort ersichtlich, dass innerhalb des Zylinderkopfs ein sehr großer materialfreier Bereich vorgesehen ist. Zur besseren Erläuterung dieses Sachverhalts wird der Zylinderkopf 1 (zumindest gedanklich) in zwei unterschiedliche Ebenen heruntergebrochen, nämlich in ein Flammdeck 5 und ein Oberdeck 6. Das Flammdeck 5 ist benachbart zu dem Motorblock und umfasst Ladungswechselkanäle 65, also die Kanäle über die Frischluft in den Motor ein- und Verbrennungsgase aus dem Motor abgeleitet werden. Ferner umfasst das Flammdeck 5 bevorzugt Kühlkanäle 56, nämlich insbesondere einen Wassermantel, um entsprechende Komponenten, wie z.B. die Auslasskanäle zu kühlen. Aus diesem Grund ist in dem Flammdeck 5 ein höherer Materialanteil als im Oberdeck 6 vorgesehen. In einer alternativen Definition kann das Flammdeck bis zur mittleren Höhe des Zylinderkopfs 1 gehen, also etwa bis zu den Ventilfedern. Im Oberdeck 5 werden diverse Komponenten gelagert. Dazu zählen Ventilspielausgleichselemente 30 und Injektorträger 35. Auch können im Oberdeck Ölleitungen (nicht dargestellt) angeordnet sein, die diese Komponenten, sofern sie einen Ölbedarf haben, mit Öl versorgen. Ferner können im Oberdeck Strukturen, wie Stege 10 oder Wände 11 vorgesehen sein. Die Stege 10 und Wände 11 sind über Festigkeitsberechnungen derart optimiert, dass sie einerseits eine minimale Masse aufweisen und andererseits auch die notwendige Stabilität des Zylinderkopfs selbst (z.B. Verwindungssteifigkeit), wie auch Positioniergenauigkeit der enthaltenen Komponenten gegeben ist. Abgesehen davon kann das Oberdeck 6 bevorzugt materialfrei ausgeführt sein. In 1 sind vier Injektorträger 35 gezeigt, die insbesondere in unmittelbarer Verlängerung von den Zylindern des Motorblocks (nicht dargestellt) angeordnet sind und in denen (Treibstoff-)Injektoren gelagert werden. Oberdeckseitig können die Injektorträger 35 z.B. als zylindrische/konische Erhebungen ausgeführt sein, die umlaufend freigestellt sind, wobei aber dünne Verbindungsstege zu benachbarten Strukturen bestehen können. So sind in 1 Stege 10 gezeigt, die in der Ebene der Nockenwellenmodulverbindung angeordnet sind und die einzelnen Injektorträger 35 miteinander verbinden. Ferner sind Schraubenbohrungen 32 gezeigt, zur Einbringung von Zylinderkopfschrauben, um hierüber den Zylinderkopf 1 mit dem Motorblock zu verbinden. Ferner sind vier Glühkerzensitze 27 gezeigt. Gleichwertig können bei einem Ottomotor an vergleichbarer Stelle Zündkerzensitze vorgesehen sein. Ferner sind Aufnahmen für Ventilspielausgleichselemente 30 gezeigt. Über nicht dargestellte Ölkanäle, die in den Zylinderblock 1 eingeformt sind, werden die Ventilspielausgleichselemente 30 mit Öl versorgt. 1 1 shows a perspective view of a cylinder head 1 according to the invention. It essentially has two opposite surfaces, namely a lower surface 2 on the engine block side, to which the engine block is fastened and sealed against it with a circumferential sealing surface. Opposite the engine block side surface 2 is a camshaft module side surface 3 to which a camshaft module (not shown) is attached. The camshaft module includes the camshaft. it's over 1 immediately apparent that a very large material-free area is provided within the cylinder head. For a better explanation of this situation, the cylinder head 1 is (at least conceptually) broken down into two different levels, namely a flame deck 5 and an upper deck 6. The flame deck 5 is adjacent to the engine block and includes gas exchange channels 65, i.e. the channels via the fresh air into the Engine intake and combustion gases are discharged from the engine. Furthermore, the flame deck 5 preferably comprises cooling ducts 56, namely in particular a water jacket, in order to cool corresponding components, such as the outlet ducts. For this reason, a higher proportion of material is provided in the flame deck 5 than in the upper deck 6 . In an alternative definition, the flame deck can go up to the middle height of the cylinder head 1, ie approximately up to the valve springs. Various components are stored on the upper deck 5. These include valve clearance compensation elements 30 and injector carrier 35. Oil lines (not shown) can also be arranged in the upper deck, which supply these components with oil if they require oil. Furthermore, structures such as webs 10 or walls 11 can be provided in the upper deck. The webs 10 and walls 11 are optimized via strength calculations in such a way that on the one hand they have a minimum mass and on the other hand the necessary stability of the cylinder head itself (eg torsional rigidity) as well as positioning accuracy of the components contained is given. Apart from that, the upper deck 6 can preferably be designed without material. In 1 four injector carriers 35 are shown, which are arranged in particular in the immediate extension of the cylinders of the engine block (not shown) and in which (fuel) injectors are mounted. On the upper deck side, the injector carriers 35 can be designed, for example, as cylindrical/conical elevations that are free all the way around, although there can be thin connecting webs to adjacent structures. So are in 1 Webs 10 are shown, which are arranged in the plane of the camshaft module connection and connect the individual injector carriers 35 to one another. Screw bores 32 are also shown for the introduction of cylinder head screws in order to connect the cylinder head 1 to the engine block. Furthermore, four glow plug seats 27 are shown. Equivalently, spark plug seats can be provided at a comparable point in an Otto engine. Furthermore, recordings for valve clearance compensation elements 30 are shown. The valve clearance compensation elements 30 are supplied with oil via oil ducts (not shown) which are formed in the cylinder block 1 .

Im Flammdeck 5 sind gemäß 1 Einlasskanäle 24 für Frischluft in den jeweiligen Brennraum gezeigt. Auf der gegenüberliegenden Seite sind Auslasskanäle (nicht dargestellt) angeordnet. Ferner umfasst das Flammdeck 5 Ölrücklaufkanäle 50, über die Öl, welches von Verbrauchern abfließt, über den Motorblock in einen Ölvorratsbereich abgeleitet wird. Zudem ist in 1 ein Kanal 55 zur Abgasrückführung gezeigt. Dieser ist über einen Abgaskrümmer mit den Auslasskanälen verbunden und ermöglicht es, zur Optimierung der Verbrennungs- und Verbrauchseigenschaften einen Teil des Abgases in die zugeführte Frischluft zu mischen.In the Flammdeck 5 are according to 1 Inlet ducts 24 for fresh air shown in the respective combustion chamber. Outlet channels (not shown) are arranged on the opposite side. Furthermore, the flame deck 5 includes oil return channels 50, via which oil which drains from consumers is drained via the engine block into an oil storage area. In addition, 1 a channel 55 for exhaust gas recirculation is shown. This is connected to the exhaust ports via an exhaust manifold and makes it possible to mix part of the exhaust gas with the incoming fresh air in order to optimize the combustion and consumption properties.

Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, dass im Oberdeck 5 keine Kanäle für den Ölrückfluss vorgesehen sind. Bei herkömmlichen Zylinderköpfen sind üblicherweise für jeden Verbraucher ein konstruktiv vorgesehener Zufluss und ein entsprechender Abfluss dadurch vorgesehen, dass entsprechende Kanäle bereitgestellt werden. Wie vorstehend erläutert, hat z.B. das Ventilspielausgleichselement 30 einen Ölbedarf und ist dafür an eine Ölversorgung angeschlossen. Das verbrauchte Öl wird aber nicht gezielt, also über dafür konstruktiv vorgesehene Kanäle zurückgeführt, sondern an ein freies Volumen innerhalb des Zylinderkopfs 1, wie insbesondere innerhalb des Oberdecks 6 abgegeben. Dieses freie Volumen ist ein materialfreier Bereich, der sich über die gesamte Breite und Länge des Zylinderkopfs erstreckt. Grundsätzlich wurde der Zylinderkopf derart optimiert, dass Materialanhäufungen dort vermieden werden, wo sie nicht für die Lagerung von Komponenten oder die Festigkeit des Zylinderkopfs 1 benötigt werden. Es wurde erkannt, dass Kanäle für das Rückführen des Öls eingespart werden können, wenn das verbrauchte Öl direkt in das freie Volumen abgegeben wird. Weiter unten liegend sind Flächen angeordnet, die das Öl (trichterförmig) in Sammelkanäle 52 und/oder Ölrücklaufkanäle 50 leiten. Diese Flächen können insbesondere obere Seiten des Flammdecks 5 sein, die mit entsprechenden Neigungen versehen sind. Beispielsweise kann ein Einlasskanal 24 und/oder ein Auslasskanal derart gestaltet sein, dass er eine (relativ dünne) Wand umfasst und innenliegend das Gas gefördert wird und die Außengeometrie an das freie Volumen angrenzt und unmittelbar zur Leitung des Öls zum Eingang eines entsprechenden Kanals 50, 52 dient. Anders ausgedrückt: Die konstruktive Optimierung der Ein- und Auslasskanäle hängt dann nicht nur von der optimalen Gasführung innerhalb der Kanäle ab, sondern dient auch dem Ziel, dass Oberflächen geschaffen werden, damit (bei entsprechender lagemäßiger Ausrichtung des Zylinderkopfs 1) der beschriebene Ölrücklauf gut funktioniert. Bei dieser Optimierung wird auch auf das Vermeiden von unnötigen Materialanhäufungen, wie z.B. zu großen Wandstärken geachtet. Es ist in 1 erkennbar, dass die Nockenwellenmodulseite 3 des Zylinderkopfs eine Vielzahl an Öffnungen umfasst, so ist der Materialanteil dieser Fläche recht niedrig. Auch im Nockenwellenmodul wurde insbesondere eine entsprechende materialeinsparende Optimierung durchgeführt, so dass das dort verbrauchte Öl durch eine entsprechend große Fläche in den Zylinderkopf 1 geleitet wird. Ferner zeigt 1 Ventilführungen 40, in welchen die Ein- und Auslassventile aufgenommen werden. Die Fläche 41 ist eine Fläche in der Ebene der Motorblockseite 2 und dient als Ventilfedersitz 41.A special feature of the present invention is in particular that no channels for the oil return flow are provided in the upper deck 5 . In conventional cylinder heads, a constructively provided inflow and a corresponding outflow are usually provided for each consumer by providing corresponding channels. As explained above, the valve clearance compensation element 30, for example, requires oil and is therefore connected to an oil supply. However, the used oil is not returned in a targeted manner, that is to say via channels provided for this purpose structurally, but is released to a free volume within the cylinder head 1 , such as in particular within the upper deck 6 . This free volume is a material-free area that extends over the entire width and length of the cylinder head. Basically the cylinder head was optimized in such a way that material accumulations are avoided where they are not required for the storage of components or the strength of the cylinder head 1. It was recognized that channels for returning the oil can be saved if the used oil is released directly into the free volume. Arranged further down are surfaces which direct the oil (in the form of a funnel) into collecting channels 52 and/or oil return channels 50 . In particular, these surfaces can be upper sides of the flame deck 5, which are provided with corresponding slopes. For example, an inlet duct 24 and/or an outlet duct can be designed in such a way that it comprises a (relatively thin) wall and internally the gas is conveyed and the outer geometry is adjacent to the free volume and directly for guiding the oil to the entrance of a corresponding duct 50, 52 serves. In other words: The structural optimization of the intake and exhaust ports then not only depends on the optimal gas flow within the ports, but also serves the purpose of creating surfaces so that (with the appropriate positional alignment of the cylinder head 1) the oil return described works well . During this optimization, attention is also paid to avoiding unnecessary accumulations of material, such as excessive wall thicknesses. It is in 1 recognizable that the camshaft module side 3 of the cylinder head comprises a large number of openings, the proportion of material in this area is quite low. A corresponding material-saving optimization was also carried out in the camshaft module in particular, so that the oil consumed there is conducted into the cylinder head 1 through a correspondingly large area. Furthermore shows 1 Valve guides 40, in which the intake and exhaust valves are included. Surface 41 is a surface in the plane of engine block side 2 and serves as valve spring seat 41.

Der Ölfluss findet wie folgt statt: Über eine Ölpumpe wird frisches Öl einem Sammelbehälter entnommen und nachfolgend gefiltert. Danach wird das Öl in Zufuhrölleitungen geleitet. Beispielsweise kann an einer axialen Stirnfläche des Zylinderkopfs 1 eine oder mehrere Zufuhrölleitungen (nicht gezeigt) angeordnet sein, oder durch vertikale Kanäle, die von dem Flammdeck hochgeführt werden. Von dort wird das Öl zu den Verbrauchern innerhalb des Zylinderkopfs (und ggf. auch in das Nockenwellenmodul) abgegeben. Nachfolgend wird das verbrauchte Öl in den freien Bereich des Zylinderkopfs 1 abgegeben. Vertikal untenliegend sind im freien Bereich Leitflächen angeordnet, die das Öl zu Sammel- und/oder Ölrücklaufkanälen 50, 52 führen. Die gesamte Oberfläche von dem Flammdeck 5, die in Richtung zu dem Oberdeck 6 ausgerichtet ist, kann derart ausgerichtet sein, dass sie (bei betriebsgemäßer Orientierung) frei von Konkavitäten ist, die ein/e Becken/Wanne für Öl bilden könnten. So wird die effektive Ableitung des Öls aus dem Zylinderkopf 1 unterstützt. Die Ölrückführung kann über den Ölrücklaufkanal 50 in den Motorblock oder über eine andere externe Ölführung realisiert werden.The oil flow takes place as follows: Fresh oil is taken from a collection container via an oil pump and then filtered. After that, the oil is fed into supply oil lines. For example, one or more supply oil ducts (not shown) may be arranged on an axial face of the cylinder head 1, or through vertical channels leading up from the flame deck. From there, the oil is delivered to the consumers inside the cylinder head (and possibly also to the camshaft module). Subsequently, the used oil is discharged into the free area of the cylinder head 1. Guide surfaces are arranged vertically below in the free area, which guide the oil to collecting and/or oil return channels 50, 52. The entire surface of the flame deck 5 oriented towards the upper deck 6 may be oriented such that it is (in operational orientation) free of concavities which could form a pool/pan for oil. This supports the effective drainage of the oil from the cylinder head 1. The oil can be returned to the engine block via the oil return channel 50 or via another external oil supply.

In 2 ist die Unterteilung des Zylinderkopfs in vertikaler Richtung in das Flammdeck 5 und das Oberdeck 6 gut erkennbar. Zudem sind in dem Flammdeck 5 Kühlmittelkanäle 56 gezeigt, die einen Wassermantel bilden. Auch ist die Abgasrückführung 55 erkennbar. Die Darstellung der 3 ist ein Schnitt durch eine unten liegende Ebene des Zylinderblocks, also direkt benachbart zur unteren Außenseite in Richtung des Motorblocks. Zunächst sind die Ladungswechselkanäle 65 gezeigt. Über die Bohrungen 60 wird mit Zylinderkopfschrauben eine Verschraubung mit dem Motorblock erreicht. Umlaufend bzw. benachbart zu den Zylinderkopfschrauben sind die Rücklaufkanäle 50 und Sammelkanäle 52 angeordnet. Zudem ist eine Vielzahl von Kavitäten 52 gezeigt, die wie „Lunker“ innerhalb des Volumens des Flammdecks 5 angeordnet sind. Die Herstellung des Zylinderkopfs 1 geschieht insbesondere durch eine additive Fertigung (3D-Druck), so dass diese Kavitäten 52 bewusst konstruktiv vorgesehen sind.In 2 the division of the cylinder head in the vertical direction into the flame deck 5 and the upper deck 6 is clearly visible. Also shown in the flame deck 5 are coolant channels 56 that form a water jacket. The exhaust gas recirculation 55 can also be seen. The representation of 3 is a section through a lower plane of the cylinder block, i.e. directly adjacent to the lower outside in the direction of the engine block. The gas exchange channels 65 are shown first. A screw connection to the engine block is achieved via the bores 60 with cylinder head screws. The return channels 50 and collecting channels 52 are arranged circumferentially or adjacent to the cylinder head screws. In addition, a large number of cavities 52 are shown, which are arranged within the volume of the flame deck 5 like “shrinkage cavities”. The cylinder head 1 is produced in particular by additive manufacturing (3D printing), so that these cavities 52 are deliberately provided structurally.

4 zeigt einen Schnitt Z-Z, der ein Schnitt quer zur Längsachse des Zylinderkopfs 1 ist und dabei zu den Bohrungen 32 der Zylinderkopfverschraubung ausgerichtet ist. 5 zeigt eine Wand, wie z.B. eine Außenwand, die das Gesamtvolumen des Zylinderkopfs 1 umschreibt und die mit einer vorstehenden wabenartigen Struktur versehen ist. Es sind also vorstehende Rippen gezeigt, die flächig miteinander vernetzt sind. Diese Rippen erhöhen die Festigkeit der entsprechenden Wand und erhöhen dabei nur geringfügig das Gesamtgewicht. Bevorzugt sind die Rippen nicht an den bereits beschriebenen Leitflächen für das Öl angeordnet. 4 shows a section ZZ, which is a section transverse to the longitudinal axis of the cylinder head 1 and is aligned with the bores 32 of the cylinder head screw connection. 5 Fig. 1 shows a wall, such as an outer wall, circumscribing the overall volume of the cylinder head 1 and provided with a protruding honeycomb structure. Protruding ribs are thus shown, which are networked with one another over a large area. These ribs increase the strength of the corresponding wall while only slightly increasing the overall weight. The ribs are preferably not arranged on the guiding surfaces for the oil already described.

6 bis 8 zeigen Detailansichten zur Erläuterung der Anbindung der Ölrücklaufkanäle 50 an die Sammelkanäle 52. Diese sind bevorzugt unmittelbar benachbart zu den Bohrungen 32 für die Zylinderkopfschrauben. So ist bspw. in 6 eine entsprechende Bohrung 32 innerhalb eines Ringes, der durch die beiden gezeigten Sammelkanäle 52 gebildet wird. Von dem freien Volumen innerhalb des Zylinderkopfs 1 wird das Öl in einen gemeinsamen Kanal (in 6 oben links) geführt. Dort wird dieser Strom in zwei Teilströme, nämlich die gezeigten Sammelkanäle 52 aufgeteilt und danach wieder vereinigt, nämlich in den Ölrücklaufkanal 50. Dieser Aufbau hat diverse Vorteile: Zunächst wird radial umlaufend um die Schraubenbohrung 52 eine weitgehend gleiche Massenverteilung erzielt, was Ungleichgewichte für die Schraubkräfte vermeidet. Ferner ist grundsätzlich benachbart zu Verschraubungen ein erhöhter Massenanteil vorzusehen, da die Schraubkräfte verteilt werden müssen, um eine möglichst gleichmäßige Flächenpressung der Dichtfläche zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Motorblock sicherzustellen. Gewisse Kavitäten sind dabei zulässig und vorteilhaft, da sich dadurch ein Hohlprofil-Design ergibt, was bekanntermaßen bei gleichem Materialeinsatz zu einer besseren Festigkeit führt. So können Materialeinsparungen benachbart zu der Zylinderkopfverschraubung effektiv zur Ölrückführung genutzt werden. Dadurch werden gesondert vorzusehende Ölkanäle eingespart und das Gesamtgewicht gesenkt. Auch produktionstechnisch gibt es Vorteile. Kanäle mit einem Durchmesser von größer 10 mm sind in additiven Fertigungsverfahren nur erschwert druckbar. Durch entsprechende Kanalaufteilungen werden übergroße Fließquerschnitte vermieden und so problematische Produktionsbedingungen vermieden. Und 7 und 8 zeigen alternative Aufteilungen von einem Fließkanal in zwei getrennte Fließkanäle mit einer nachfolgenden Wiederzusammenführung, die auch in Bezug auf das erste Ziel der Reduktion von übergroßen Fließquerschnitten und gleichzeitig einer besseren Materialnutzung optimiert sind. So ist in diesen Figuren jeweils der Fließquerschnitt für das Öl gezeigt. Wenn man sich in 7 oder 8 eine entsprechend eWand hinzudenkt, so erkennt man unmittelbar, dass durch die innenliegenden Kanäle im Sinne eines Hohlprofil-Konstrukts die Gesamtfestigkeit höher ist, als bei Ausführungen mit nur einem Fließquerschnitt eines größeren Durchmessers oder einer Wand ohne einen innenliegenden Ölkanal. 6 until 8th show detailed views to explain the connection of the oil return channels 50 to the collecting channels 52. These are preferably directly adjacent to the bores 32 for the cylinder head bolts. For example, in 6 a corresponding bore 32 within an annulus formed by the two collection channels 52 shown. From the free volume inside the cylinder head 1, the oil is drawn into a common channel (in 6 above left). There, this flow is divided into two partial flows, namely the collecting channels 52 shown, and then reunited, namely in the oil return channel 50. This structure has various advantages: First, a largely equal mass distribution is achieved radially circumferentially around the screw bore 52, which creates imbalances for the screwing forces avoids. Furthermore, is basically adjacent to screw exercises to provide an increased mass fraction, since the screwing forces must be distributed in order to ensure the most uniform possible surface pressure of the sealing surface between the cylinder head 1 and the engine block. Certain cavities are permissible and advantageous because this results in a hollow profile design, which is known to lead to better strength with the same material usage. In this way, material savings adjacent to the cylinder head screw connection can be used effectively for oil return. This eliminates the need for separate oil channels and reduces the overall weight. There are also advantages in terms of production technology. Channels with a diameter of more than 10 mm are difficult to print in additive manufacturing processes. Appropriate channel divisions avoid oversized flow cross-sections and thus avoid problematic production conditions. and 7 and 8th show alternative divisions of one flow channel into two separate flow channels with a subsequent rejoining, which are also optimized with regard to the first goal of reducing oversized flow cross-sections and at the same time better material utilization. The flow cross section for the oil is shown in each of these figures. When you look in 7 or 8th If you think of a corresponding e-wall, you can immediately see that the internal channels in the sense of a hollow profile construction mean that the overall strength is higher than in designs with only one flow cross-section of a larger diameter or a wall without an internal oil channel.

Vorstehend wurde die Erfindung bevorzugt in Bezug auf einen Motor mit mehreren Zylindern beschrieben. Die Erfindung ist ebenso bei einem Einzylindermotor verwendbar. Bevorzugt ist der Zylinderkopf aus Aluminium gefertigt. Bei anderen Materialen, wie z.B. Stahl kann die Konstruktion aufgrund der höheren Festigkeit von Stahl mit weniger Materialanhäufungen auskommen. Folglich ist typischerweise der Massenanteil bei einem Aluminiumzylinderkopf höher, als bei einem, der aus Stahl gefertigt ist.The invention has been described above with reference to an engine having a plurality of cylinders. The invention is also applicable to a single cylinder engine. The cylinder head is preferably made of aluminum. With other materials, such as steel, the construction can do with fewer material accumulations due to the higher strength of steel. Consequently, the mass fraction of an aluminum cylinder head is typically higher than one made of steel.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 1554483 B1 [0002]
DE 102017112216 A1 [0002]

Claims

Cylinder head (1) with an external geometry that describes a total volume of the cylinder head (1), the mass fraction in the total volume being less than 55%, preferably less than 45% and in particular less than 40%.

Cylinder head (1) with a flame deck (5) and an upper deck (6), no oil return channels being arranged in the upper deck (6).

Cylinder head (1) according to claim 1 or 2 , having injector supports (35) arranged in extensions to cylinders of an internal combustion engine when the cylinder head (1) is connected to the internal combustion engine, the injector supports (35) rising above a top of a flame deck (5), the volume between the injector supports (35) of adjacent cylinders has a mass fraction of less than 75% and the mass fraction is preferably less than 65% and particularly preferably less than 55%, and in particular this mass fraction is in the lower area of the injector bracket (35), i.e. up to the position of the valve springs is.

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, wherein the cylinder head (1) comprises a flame deck (5) which is delimited by the tops of the gas exchange channels (65) from an upper deck (6) and the mass fraction in the volume between the plane of the valve spring seats (41) and flame deck is less than 80%, preferably less than 65% and most preferably less than 50%.

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, wherein the cylinder head (1) comprises an upper deck (5) which is delimited from a flame deck (6) in particular by the upper sides of the load exchange channels (65) and injector carriers (35) are provided in the upper deck which comprise an injector support stub defined from the top of the flame deck (6) to valve spring seats (41) and the mass fraction in volume between adjacent injector support stubs is less than 80%, preferably less than 65% and more preferably less than 50%.

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, wherein the cylinder head (1) comprises an upper deck (5) which is delimited from a flame deck (6) in particular by the upper sides of the load exchange channels (65) and injector carriers (35) are provided in the upper deck , which comprise an injector support stub defined from the top of the flame deck (6) to valve spring seats (41) and a volume that runs cylindrically around the injector support stubs and extends radially to an inside of an outer wall of the cylinder head (1), a mass fraction of less 75% and the mass fraction is preferably less than 65% and particularly preferably less than 55%.

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, which comprises receptacles for consumers of oil, such as a valve clearance compensation element (30), the cylinder head (1) comprising feed channels for supplying oil to the consumers (30), downstream of the consumers ( n) an oil guide is defined as a free area, and the free area is less than 30%, preferably less than 10%, filled with oil when the cylinder head (1) is used functionally.

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, wherein a free area for the flow of the lubricating oil is provided in the cylinder head (1) and the cylinder head (1) with appropriate installation conditions on the flame deck (5) comprises guide surfaces in which the oil is freely Collection channels can flow and the oil can be derived via a return channel (50) from the cylinder block (1), in particular to an engine block, so that it can be routed from there into an oil collection container.

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, in which the material-free area, in which the oil can move freely after being discharged from a consumer (30), extends over all cylinders of the cylinder head (1).

Cylinder head (1) according to one of the preceding claims, wherein the free area, which is defined in particular as a downstream side of at least one consumer that is arranged in the cylinder head (1) or a camshaft module connected thereto and in the free area, no defined flow cross section.

Cylinder head (1) having a bolt bore (32) for bolting to an engine block, an oil return passage (50) for draining oil from the cylinder head (1) being provided adjacent to the bore and two collection passages (52) immediately in front of each other the outlet from the cylinder head in the oil return channel (50), wherein the collecting channels (52) are guided at least 80% coaxially around the screw bore (32) and in particular the collecting channels (52) before the flow around the screw bore (32) consists of a Divide the oil channel (53) so that the screw hole (32) is surrounded by oil channels that are closed all the way round.