DE10316172A1 - Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Ein Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder-Grundmaterial und über Kühlkanäle gekühlten Ventilsitzringen soll in seinem an die Brennkammern des Verbrennungsmotors angrenzenden Bereich, und zwar insbesondere in den Auslasskanalbereichen, festigkeitsmäßig verbessert werden. DOLLAR A Zu diesem Zweck zeichnet sich ein solcher Zylinderkopf durch folgende Merkmale aus: DOLLAR A - Die Ventilsitzringe zumindest zweier Ventile befinden sich innerhalb eines in das Zylinderkopfgrundmaterial eingesetzten Einsatzteiles aus einem gegenüber dem Zylinderkopfgrundmaterial anderen Einsatz-Material, DOLLAR A - die Kühlkanäle liegen innerhalb des Einsatzteiles, DOLLAR A - gegenüber dem Zylinderkopf-Grundmaterial sind die Kühlkanäle durch eine Zwischenwand verschlossen, wobei die Innenräume der Kühlkanäle das Zylinderkopfgrundmaterial nicht direkt kontaktieren.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein solcher Zylinderkopf ist beispielsweise beschrieben in der älteren, nicht vorveröffentlichten WO 02/097254 A1. Die Kühlkanäle sind dort über einen Teilumfang aus dünnem Stahlblech geformt.
• Ein gattungsgemäß ausgebildeter Zylinderkopf ist aus US 4,522,161 bekannt. Dort ist jeweils einem Gaswechselkanal ein Ventilsitzring mit einem darin teilweise eingearbeiteten Kühlkanal zugeordnet.
• Die Erfindung beschäftigt sich bei einem gattungsgemäßen Zylinderkopf mit dem Problem, die Dauerfestigkeit der an die Motor-Brennkammern angrenzenden Zylinderkopfbereiche zu verbessern und zwar insbesondere im Bereich der Motor-Auslassventile.
• Gelöst wird dieses Problem durch eine Ausbildung eines gattungsgemäßen Zylinderkopfes nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Bereich des Zylinderkopfes, der insbesondere direkt an die Auslassventile angrenzt und den Brennkammern des Motors zugewandt ist, einerseits durch ein Einsatzteil zu verstärken, das aus einem gegenüber dem Zylinderkopf-Grundmaterial dauerfesteren Material besteht und andererseits in diesem Einsatzteil eigenständig erzeugte Bauteile in der Form hochverschleißfester Ventilsitzteile vorzusehen. Kühlkanäle können bei einer solchen Ausbildung auf einfache Weise nahe an die Ventilsitzringe heranragen. Eine besonders einfache Ausbildung besteht in einem Einformen oder Einarbeiten nach außerhalb des Einsatzteiles zunächst offener Kühlkanäle, die durch ein einfaches Blechteil aus beispielsweise Stahl dicht abgedeckt werden. Zur Erzielung der dichten Abdeckung kann das Blechteil aufgeschweißt oder gelötet werden.
• Das Verbinden der Ventilsitzringe mit dem Einsatzteil einerseits und des Einsatzteiles mit dem Zylinderkopf-Grundmaterial andererseits kann in auf diesem technischen Gebiet an sich bekannter Weise erfolgen.
• Um eine möglichst gute Kühlung durch das die Kühlkanäle durchströmende Kühlmedium zu erreichen, sollte das Kühlmittel möglichst direkt von der Kühlmittelpumpe des Verbrennungsmotors in die Kühlkanäle eingeführt werden.
• Das Einsatzteil kann vorteilhafterweise größenmäßig derart ausgelegt sein, dass die Pfeifen für die Aufnahme der Zylinderkopfschrauben in das Einsatzteil integriert sind.
• Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten, zumindest zwei Ventilsitzringe umgreifenden Einsatzteiles besteht darin, dass die Stegbereiche zwischen den umfassten Ventilen materialmäßig gegen Rissgefahr gesichert werden können.
• Das Einsatzteil kann wird zweckmäßig so ausgebildet, dass es zusätzlich zu den Ventilsitzringen die Zündkerzen-, Glühstift- und Einspritzbohrungen umfasst.
• Die Größe des Einsatzteiles kann zweckmäßigerweise derart gewählt werden, dass der Bereich der Zylinderkopfdichtung, der für die Brennraumabdichtung vorgesehen ist, ausschließlich an das Einsatzteil angrenzt.
• Durch besondere Formgebung kann das Einsatzteil auch eine den Zylinderkopf versteifende Funktion ausüben.
• Der Zylinderkopf mit dem Einsatzteil einschließlich der sich in diesem befindlichen Ventilsitzringe stellt als Ganzes ein Verbundmaterial-Teil dar, bei dem die einzelnen Teile absolut fest miteinander verbunden sind und zwar in an sich bekannter Art durch eine Kombination aus Form- und Kraftschluss sowie intermetallischer Bindung.
• Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
• In dieser zeigt die einzige
• 1 einen Schnitt durch einen Zylinderkopfbereich mit zwei Auslassventil-Kanälen.
• In dem dargestellten Ventilkopfbereich befinden sich zwei Auslasskanäle 1, 2 eines Verbrennungsmotors.
• In diesem Bereich, der an Brennkammern des Verbrennungsmotors angrenzt, durchlaufen diese beiden Auslasskanäle 1, 2 ein Einsatzteil 3 mit zwei darin die jeweiligen Auslasskanäle direkt umgreifenden, eingefügten Ventilsitzringen 4.
• Die Materialien der Ventilsitzringe 4 und des Einsatzteiles 3 sind jeweils den dort vorliegenden Beanspruchungen entsprechend ausgelegt und unterscheiden sich daher untereinander und gegenüber dem Grundmaterial des Zylinderkopfes.
• In dem Einsatzteil 3 sind von außen beaufschlagbare, durchströmbare Kühlkanäle 5 vorgesehen, die jeweils eng benachbart den Ventilsitzringen 4 zugeordnet sind. Diese Kühlkanäle 5 sind von außen offen in das Einsatzteil 3 herstellungsmäßig eingeformt und anschließend noch vor einer Verbindung des Einsatzteils 3 mit dem Zylinderkopfgrundmaterial durch ein aufgeschweißtes Stahlblech 6 verschlossen.
• Das Einsatzteil 3 kann insbesondere als ein Verbundteil mit einem pulvermetallurgischen Verfahren aus beispielsweise dispersionsgehärtetem Sinteraluminium mit integrierten Sitzringen gefertigt werden oder als Aluminiumgussteil aus einer hochfesten Aluminiumlegierung mit eingegossenen Sitzringen gefertigt sein, während das Grundmaterial des Zylinderkopfes aus einer üblichen, nicht besonders anspruchsvollen Aluminiumlegierung gegossen sein kann. Entsprechende Möglichkeiten bieten sich für einen Zylinderkopf, der aus Gusseisen gegossen ist. Hier könnte das Einsatzteil aus Sinterstahl pulvermetallurgisch oder aus einem Vermikulargraphitguss oder GGG-Werkstoff gusstechnisch hergestellt sein. Gleichgültig, welcher Zylinderkopfgrundwerkstoff gewählt wird, lässt sich bei einem erfindungsgemäßen Verbundteil ein zu dem Zylinderkopfgrundwerkstoff mit einem ähnlichen Wärmeausdehungskoeffizienten kompatibler Werkstoff für das Einsatzteil finden, das speziell den Anforderungen an einen Werkstoff in dem an die Brennkammern des Verbrennungsmotors angrenzenden Bereich entspricht. Ein solcher Werkstoff könnte und müsste hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeitswerte sowie Druckkriechfestigkeit auch bei hohen Temperaturen sowie hohe Duktilität unter anderem aufweisen. Die Freiheit der Werkstoffauswahl und des Fertigungsprozesses für das Einsatzteil erschließen eine Vielzahl an Gestaltungsmöglichkeiten. Das Einsatzteil kann insbesondere die thermisch hoch beanspruchten Bereiche in den Ventilstegen und den mit einer hohen Druckbelastung beaufschlagten Bereich der Zylinderkopfdichtung umfassen, wodurch die Gefahr von Stegrissen und von Eindrückungen im Dichtbereich jeweils sicher vermieden werden kann.
• Weitere Vorteile sind durch die erfindungsgemäß einfache Gestaltung der Kühlkanäle im Einsatzteil und des Wasserkerns im Zylinderkopf gegeben. Während bei einem bisherigen konventionellen Zylinderkopf, insbesondere bei Mehrventilzylinderköpfen mit einer gedrehten Ventilsternanordnung oder einer Tandemanordnung der Kanäle, der Stegbereich mit einem einteiligen Wasserkern oft nur schwierig darzustellen ist und auch das Einfädeln der Kanäle in den Wasserkern nicht unproblematisch ist, ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Ausführung wesentlich günstigere Fertigungs- und Montagerandbedingungen. Außerdem können die Kühlkanäle direkter an die zu kühlenden Bereiche, das heißt die Bereiche mit einer besonders hohen thermischen Belastung, herangeführt werden.
• Bei einem Heranziehen des Einsatzteiles zur Befestigung der Zylinderkopfschraubenpfeifen kann der Kraftfluss hauptsächlich durch das Einsatzteil geleitet werden. Dadurch kann im Zylinderkopfdichtungsbereich eine besonders gleichmäßige Pressungsverteilung erreicht werden.

Claims (8)

1. Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinderkopf-Grundmaterial und über Kühlkanäle gekühlten Ventilsitzringen, gekennzeichnet durch die Merkmale – die Ventilsitzringe (4) zumindest zweier Ventile befinden sich innerhalb eines in das Zylinderkopfgrundmaterial eingesetzten Einsatzteiles (3) aus einem gegenüber dem Zylinderkopfgrundmaterial anderen Einsatz-Material, – die Kühlkanäle (5) liegen innerhalb des Einsatzteiles (3), – gegenüber dem Zylinderkopf-Grundmaterial sind die Kühlkanäle (5) durch eine Zwischenwand (6) verschlossen, wobei die Innenräume der Kühlkanäle (5) das Zylinderkopfgrundmaterial nicht direkt kontaktieren.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (6) ein Blech ist.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (6) ein Stahlblech ist.
4. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (6) mit dem Einsatzteil (3) verschweißt oder verlötet ist.
5. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (3) zusätzlich zu den Ventilsitzringen (4) die Zündkerzen-, Glühstift- und/oder Einspritzbohrungen umfasst.
6. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfeifen für die Aufnahme der Zylinderkopfschrauben in das Einsatzteil (3) integriert sind.
7. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (3) in einer den Zylinderkopf versteifenden Gestalt ausgebildet ist.
8. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Zylinderkopfdichtung, der zur Brennraumabdichtung dient, ausschließlich an das Einsatzteil (3) angrenzt.