DE1170119B - Zylinderkopf und Dauerkern zum Giessen von Zylinderkoepfen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B 22 d

Deutsche Kl.: 31 c - 25/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G 31032 VI a/31 c
29. November 1960
14. Mai 1964

Im Gießverfahren hergestellte Zylinderköpfe für Kolbenmaschinen mit mindestens einem Ventil und einem Kanal für den Durchlaß von Arbeitsmitteln haben meist eine recht komplizierte Gestalt. Im besonderen Maße trifft das für Brennkraftmaschinen mit Luftstromkühlung und mindestens zwei Ventilen mit den dazugehörigen Gaskanälen für den Ein- und Auslaß zu. Das Bestreben, ein Maschinenbaumuster, bzw. eine Maschinenbaumusterreihe, d. h. 1-, 2-, 3-, 4- usw. Zylindermaschinen mit ein und denselben Bauteilen in großen Serien zu fertigen, bringt es zwangläufig mit sich, daß auch die Zylinderköpfe in großen Stückzahlen gegossen werden. Um diese großen Stückzahlen möglichst rationell zu fertigen, sind bisher die äußeren Umrißformen so ausgebildet, daß sie im Kokillengußverfahren herstellbar sind, während die Kanäle, insbesondere die Gaskanäle und etwa vorhandene Kühlluftdurchströmkanäle bislang so gestaltet sind, daß die erforderlichen Kerne nach dem Guß beim Entfernen zerstört werden müssen, was jedesmal die Neuanfertigung dieser Kerne und eine beachtliche Putzarbeit am gegossenen Zylinderkopf erfordert.

Kerne, die längs ihrer Seelenachse nach dem Gießvorgang unversehrt aus dem Gußstück ziehbar und somit unverändert für eine große Serie hintereinander erfolgender Gießvorgänge verwendbar sind, sogenannte Dauerkerne mit einer geraden oder kreisbogenstückförmigen — also in einer Ebene liegenden — Seelenachse sind an sich bekannt. Derartige Dauerkerne sind jedoch für Zylinderköpfe, insbesondere für Brennkraftmaschinen, in den allermeisten Fällen nicht anwendbar, da sie nur die Herstellung der Gaskanäle in einer ganz bestimmten, äußerst beschränkten und daher wegen des kornplizierten Allgemeinaufbaues eines Zylinderkopfes nicht zu verwirklichenden Gestaltgebung zulassen.

Die Erfindung betrifft einen Dauerkern für einen oder mehrere Arbeitsmittelkanäle beim Gießen von Zylinderköpfen für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, der längs seiner Seelenachse gezogen werden kann, der durch eine dreidimensional gekrümmte Seelenachse, deren Punkte auf einer Schraubenlinie liegen, sowie einen Querschnitt, der in Ziehrichtung mindestens stetig zunimmt, gekennzeichnet ist, und einen Zylinderkopf mit mindestens einem Arbeitsmittelkanal, der mit einem derartigen Dauerkern hergestellt ist. Mit der Erfindung sind unter anderem die Vorteile erreichbar, daß erstens der die Innenwand des Arbeitsmittelkanals formende Kern für viele hintereinander zu gießende Zylinderköpfe in unveränderter Form immer wieder Zylinderkopf und Dauerkern zum Gießen von
Zylinderköpfen

Anmelder:

Gesellschaft für Linde's Eismaschinen
Aktiengesellschaft,

Zweigniederlassung Höllriegelskreuth,
Höllriegelskreuth bei München

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing Wolfgang Ulbrich, Pullach (Isartal)

verwendbar ist, zweitens lediglich ein Arbeitsgang für das Herausziehen des Kerns aus dem Zylinderkopf erforderlich ist, während die Arbeitsgänge für das bisherige Zerstören des Kernes im gegossenen Zylinder und das sogenannte Putzen der Kanalinnenwand entfallen, und drittens die Oberfläche der Kanalinnenwand in ihrer Beschaffenheit besser ist, wodurch die Strömungswiderstände herabgesetzt sind.

Ein ernndungsgemäßer Zylinderkopf insbesondere mit Luftströmkühlung und je einem Ventil und Kanal für den Ein- und Auslaß von Arbeitsmittel, wobei die Ventile beiderseits der Zylinderachse, in Richtung der Kurbelwellenachse und quer zum Luftstrom angeordnet sind, kann vorteilhafterweise die Merkmale aufweisen, daß die Drehachse zur dreidimensional gekrümmten Seelenachse eines Kanals die Ebene des Ventilsitzes innerhalb diesem und an einer der Zylinderachse etwa gegenüberliegenden Stelle durchstößt und schräg nach oben und gegen die Kühlluftanblaseseite geführt ist, so daß die Kanalöffnung über dem Zylinderkopfboden und an der Anblaseseite liegt, und/oder daß die Drehachse zur dreidimensional gekrümmten Seelenachse eines Kanals etwa in der Trennebene zwischen Zylinderkopf und Zylinder, etwa senkrecht zur Luftstromrichtung und etwa die Zylinderbohrung berührend liegt. Mit den erstgenannten Merkmalen läßt sich ein Kanal gestalten, dessen Einströmöffnungen über dem Zylinderkopfboden und an der Anblaseseite liegt, also ein für viele Zwecke bekannterweise sehr günstiger Falloder Steigkanal in den Zylinderhubraum. Die zweitgenannten Merkmale sind zur Gestaltung eines Ar-

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beitioittelkanals günstig, der an einer Seitenfläche, insbesondere der Rückseite des Zylinderkopfes ausmünden soll.

Bisher sind die Kanäle so ausgebildet, daß ihr Öffnungsquerschnitt und die Fläche des damit zusammenfallenden Anschlußflansches in einer Ebene liegen, die zu anderen zu bearbeitenden Ebenen am Zylinderkopf parallel bzw. im rechten Winkel steht, um eine günstige Voraussetzung für ihre Bearbeitung zu schaffen. Da insbesondere bei Reihenmotoren der sich an diese Fläche anschließende Krümmer längs des Blockes verlegt ist, ist es nach einem in den Rahmen dieser Erfindung gehörenden Gedanken aus Strömungs- und baulichen Gründen günstiger, wenn bei der Führung des Kanals in dem Zylinderkopf schon die Form des sich anschließenden Krümmers berücksichtigt ist. Insbesondere Auslaßkrümmer sollen oft tiefer als der Auslaßkanal im Kopf liegen, so daß sich ein besonders günstiger Gaskanal ergibt, wenn, bezogen auf einen Zylinderkopf für stehenden Zylinder, die Kanalöffnung schräg nach unten und zur Seite gerichtet ist. Durch die günstige bauliche Gesamtanordnung und die verbesserten Strömungsverhältnisse wird dabei der etwaige Nachteil bei der Herstellung der Anschlußflanschfläche mehr als aufgehoben. In vorteilhafter Weise läßt sich die vorstehende Anordnung vervollkommnen, wenn lediglich die Richtung des Kanals an der Austrittsöffnung schräg nach unten und zur Seite weist, während die Anschlußfläche für den Flansch des Krümmers schräg dazu in einem bearbeitungstechnisch günstigeren Winkel, also vorzugsweise parallel zu einer Hauptbearbeitungsebene liegt, oder senkrecht dazu steht.

Zylinderköpfe der hier in Frage kommenden Art sind häufig mit kugelkalottenförmigen Brennraumboden und Ventilen in V-Stellung ausgerüstet. Für derartige Zylinderköpfe ist es unter Umständen besonders vorteilhaft, wenn die dreidimensional gekrümmte Seelenachse eines Kanals zur Ebene durch die Ventilachsen einen spitzen Winkel einschließt, die Ventilachse des auf sie bezogenen Gaskanals etwa in einem rechten Winkel kreuzt und den Zylinder bzw. dessen gedachte Verlängerung etwa berührt.

Durch entsprechende Wahl der geometrischen Kenndaten für die dreidimensional gekrümmte Seelenachse und die Kanalquerschnittsflächen lassen sich für die projektierte Zylinderkopfgestalt die gewünschten Gaskanalanordnungen zumindest in zufriedenstellender Annäherung finden, wobei die Beachtung der übrigen vorgenannten kennzeichnenden Merkmale in jedem Falle die Eigenschaft der ziehbaren Kerne gegeben ist. Vorteilhaft für die Strömung ist der etwa konstant bleibende Krümmungsradius innerhalb der Gaskanäle.

Um eine einwandfreie, zu den Ventilsitzen koaxiale Führung der Ventilschäfte zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die Ventilführungsbuchsen nur so weit mit Festsitz in den Zylinderkopf einzupassen, daß sie im wesentlichen mit dem ganzen Umfang mit der Bohrung im Zylinderkopf in Berührung stehen.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes an einem Zylinderkopf für eine luftstromgekühlte Maschine mit einem Einlaß- und einem Auslaßventil dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf den Zylinderkopf;

F i g. 2 und 3 zeigen Schnitte durch die Ventilachsebene in Richtung bzw. entgegen der Richtung des anblasenden Luftstromes;

F i g. 4 stellt den Schnitt durch die Mittelebene, in Richtung des Luftstromes und

Fig. 5 einen Schnitt in der Ebene der Einlaßventilachse in Richtung des Luftstromes dar;
Fig. 6 zeigt an einer Gaskanalform das mindestens stetige Anwachsen der Radiusvektoren der fortschreitenden Kanalquerschnittsfläche.

Die Luftstromanblaserichtung ist durch die Pfeile 1 veranschaulicht. Die Zylinderbohrung ist mit 2 und

ίο deren Achse mit 3 bezeichnet. Die Achsen 4 und 5 der Ventile sind hier parallel und liegen in einer Ebene, in der auch die Zylinderachse 3 liegt und die senkrecht zur Kühlstromrichtung 1 steht. Der Zylinderkopf ist ein Gußstück und besteht aus einem Boden 6, einem oberen plattenförmigen Teil 7, der mit den Wänden 8 eine Ventilhebelkammer 9 bildet, den zwischen dem Boden 6 und dem plattenförmigen Teil 7 liegenden Wänden 10 für den Einlaßkanal und 11 für den Auslaßkanal, den Pfeifen 12 und 13, in die eine Einlaß- bzw. Auslaßventilführung einpreßbar ist, und Pfeifen 14, 15, 16 und 17, die mit Bohrungen versehen sind, durch die die Zugankerschrauben zur Befestigung des Zylinderkopfes hindurchführbar sind. Außerdem ist der Zylinderkopf zur Vergrößerung seiner gekühlten Oberfläche mit Kühlrippen in

- bekannter Art und Weise versehen, die aus Deutlichkeitsgründen in die Figuren nicht eingezeichnet sind. Auch ein Lagerbock für die Kipphebelwelle ist in der Ventilkammer 9 nicht eingezeichnet. In den Bohrungen 18 und 19 sind die nicht gezeichneten Verkleidungsrohre für die Ventilstoßstangen in den plattenförmigen Teil 7 geführt. Die Ventilstoßstangen liegen bei diesem Zylinderkopf an der Abluftseite. Etwa in dem von der unterbrochenen Zackenlinie 20 gekennzeichneten Raum kann eine nicht eingezeichnete Fremdzündeinrichtung, Kraftstoffeinspritzdüse oder Nebenbrennkammer, z. B. eine Vor- oder Wirbelkammer mit einer Einspritzdüse angeordnet sein.

In dem Boden 6 sind Ventilsitzringe 21 für das Einlaß- und 22 für das Auslaßventil eingepreßt.

Die Innenwand des Einlaßkanals 10 hat die geometrische Form der Einhüllenden einer Kugel 23, die sich aus dem Ventilsitzring 21 um und längs einer Geraden der Drehachse 24 bis zur Kanalöffnung am oberen plattenförmigen Teil 7 bewegt, wobei ihr Durchmesser mindestens stetig anwächst. Der Mittelpunkt dieser Kugel beschreibt dabei eine Schraubenlinie um die Seelenachse 25. Mit 23 α und 23 b sind zwei Kugeln in Zwischenlagen eingezeichnet, wobei die Kugel 23 α etwas größer als die Kugel 23 und die Kugel 23 b etwas größer als die Kugel 23 α ist. In diesem Falle ist der Abstand des Kugelmittelpunktes von der Drehachse 24, der konstant ist, kleiner als der Halbmesser der Kugel 23. Zur Anbringung eines Einlaßkrümmers kann es zweckmäßig sein, den Einlaßkanal in einer Ebene, die etwa durch die Gerade 27 markiert ist, ausmünden zu lassen.
Die Innenwand des Auslaßkanals 11 hat im wesentlichen die geometrische Form der Einhüllenden einer Kugel 28, die sich aus dem Durchlaßquerschnitt des Ventilsitzringes 22 mit einem festen Abstand um die Drehachse 29 dreht und dabei auch längs dieser in einem konstanten Verhältnis von Rotation zu Translation fortschreitet, so daß ihr Mittelpunkt die Seelenachse 30 beschreibt. Mit 28 a und 28 b sind Zwischenlagen der Kugel angedeutet, wobei der Durchmesser der Kugel 28 a größer als der der

Kuge/ 28 und der der Kugel 28 b wiederum größer als der der Kugel 28 a ist. Da es anzustreben ist, daß die Innenwand jedes Gaskanals möglichst stufenlos in den Ventilsitzring übergeht, und da der Ventilsitzring 22 an der Stelle des kleinsten Krümmungsradius der Innenwand aus dieser hervorstehen würde, ist in diesem Falle eine Korrekturmöglichkeit gezeigt, die darin besteht, daß die die Einhüllende erzeugenden Kugeln etwa nach der strichliert gezeichneten Kurve 31 (F i g. 4) abgeflacht sind. Eine nach Bearbeitung des Sitzes für den Ventilsitzring 22 verbleibende, in den Gaskanal hineinreichende Kante kann dann zweckmäßigerweise mittels Schleifen von Hand entfernt werden. Damit entsteht ein einwandfreier Übergang. Dieser Auslaßkanal ergibt eine sehr zweckmäßige Form und Lage seiner Ausmündung 32, da die Anschlußfläche für einen nicht gezeichneten Auslaßkrümmer schräg nach abwärts und zur Seite gerichtet liegt, wodurch sich, insbesondere bei Mehr-Zylinderreihen-Maschinen übermäßige Krümmungen des Auslaßkrümmers nach abwärts und zur Seite erübrigen. Damit werden der allgemeine Aufbau und die Strömungsverhältnisse der Auspuffgase verbessert und die Umrißmasse des Maschinenquerschnittes vorteilhaft verkleinert. Außerdem wird die Gesamtlänge des Kanals günstig verkürzt.

Der gezeigte Zylinderkopf hat nicht nur den Vorteil, daß die Gaskanäle im Kokillengußverfahren herstellbar sind, sondern seine Außenformen sind einschließlich der Verrippung und des mittleren Kühlluftströmungskanals ebenfalls im Kokillengußverfahren herstellbar, wie das leicht einzusehen ist. Darüber hinaus zeigt er aber noch den Vorteil, daß über der Stegpartie, d. h. der engsten Stelle zwischen den Gaskanälen ein ausreichend großer Querschnitt für den mittleren Kühlluftströmungskanal zur Verfügung steht und außerdem zwischen der Auspuffkanalwand 11 und dem oberen plattenförmigen Teil 7 ein Kühlluftquerschnitt 33 vorhanden ist, so daß die Hitze vom Auslaßkanal nicht unmittelbar in die Ventilkammer 9 geleitet ist. Ferner ist unschwer erkennbar, daß die Pfeifen 12 und 13 ausreichend mit Kühlrippen versehen werden können, so daß auch die Ventilführungen gut gekühlt sind. Obwohl die Gesamtbreite des Zylinderkopfes im Verhältnis zur Bohrung 2 vorteilhafterweise sehr gering ist, bietet der Aufbau genügend Strömungsquerschnitte für den Kühlluftstrom, so daß sich eine umfangreiche Verrippung und intensive Kühlung bewerkstelligen läßt. Im Verhältnis zur allgemeinen Dimensionierung ergeben sich große und zumindest annähernd kreisförmige Kanalquerschnitte, wodurch die Strömungseigenschaften in den Gaskanälen ganz besonders gut sind. Bei dieser Anordnung ist auch die Möglichkeit gegeben, die Muttern oder Köpfe der Zylinderkopf-Zugankerschrauben entweder direkt am Boden 6, etwa über dem plattenförmigen Teil 7 oder in jeder beliebigen Zwischenlage anzubringen.

Je nach Wahl der Lage der Drehachse, um die sich die Kugel in einem gewählten Abstand dreht und längs der sie in einem gewählten Maße fortschreitet, wobei das Verhältnis der Rotation und der Translation im wesentlichen konstant ist, können die Gaskanäle eine Form erhalten, die der gewünschten optimalen, zumindest in großer Annäherung entspricht, wobei die Eigenschaft der Ziehbarkeit der Kerne nach dem Guß gegeben ist.

Fig. 6a zeigt einen Gaskanal in einem Schnitt, in dem die Drehachse 41 als Punkt und die Seelenachse als Kreisbogen erscheint. Fig. 6b und 6c zeigen die zwei dazugehörigen anderen Risse. Die Kanalinnenwand 43 ist die geometrische Form der Fläche, die vom Umfang einer sich senkrecht zur Schraubenlinie 42 längs dieser bewegenden Kanalquerschnittsfläche gebildet ist. Diese Kanalquerschnittsfläche ist in verschiedenen Lagen längs der Seelenachse 42 um die Abstände dieser Lagenpunkte auf der Seelenachse 42 zur Drehachse 41 in die Zeichenebene gedreht. Diese sind durch die die Kanalinnenwand formenden Umfange 44, 45, 46, 47, 48, 49, kenntlich gemacht.

Die Kanalöffnung 50 liegt mit der Flanschanschlußfläche in einer Ebene 50 a, die aus Gründen besonders vereinfachter Bearbeitung parallel oder senkrecht zu anderen Hauptbearbeitungsebenen des Zylinderkopfes liegen soll.

In den Umfang 44 sind beispielsweise zwei beliebige Radiusvektoren 51 und 52 eingezeichnet, denen in den Umfangen 45 bis 49 die Radiusvektoren 53, 55, 57, 59, 61 bzw. 54, 56, 58, 60, 62 entsprechend zugeordnet sind. Es ist erkennbar, daß die zugeordneten Radiusvektoren 51 bis 61 bzw. 52 bis 62 in einer Richtung der Seelenachse, hier vom Ventilsitz zur Kanalöffnung 50 anwachsen. Da dies für alle Radiusvektoren aller Umfange zutrifft, ist die Kanalinnenwand mit Hilfe eines zerstörungsfrei ziehbaren Kernes gießbar.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Dauerkern für die Arbeitsmittelkanäle beim Gießen von Zylinderköpfen für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, der längs seiner Seelenachse gezogen wird, gekennzeichnet durch eine dreidimensional gekrümmte Seelenachse, deren Punkte auf einer Schraubenlinie liegen, sowie einen Querschnitt, der in Ziehrichtung mindestens stetig zunimmt.

2. Zylinderkopf mit mindestens einem Arbeitsmittelkanal, hergestellt mit einem Dauerkern nach Anspruch 1.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 2 mit Luftstromkühlung und je einem Ventil und Kanal für den Ein- und Auslaß von Arbeitsmittel, wobei die Ventile beiderseits der Zylinderachse, in Richtung der Kurbelwellenachse und quer zum Luftstrom angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse zur dreidimensional gekrümmten Seelenachse eines Kanals die Ebene des Ventilsitzes innerhalb dieses und an einer der Zylinderachse etwa gegenüberliegenden Stelle durchstößt und schräg nach oben und gegen die Kühlluftanblaseseite geführt ist, so daß die Kanalöffnung über dem Zylinderkopfboden und an der Anblaseseite liegt.

4. Zylinderkopf nach Anspruch 2 mit Luftstromkühlung und je einem Ventil und Kanal für den Ein- und Auslaß von Arbeitsmittel, wobei die Ventile beiderseits der Zylinderachse, in Richtung der Kurbelwellenachse und quer zum Luftstrom angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse zur dreidimensional gekrümmten Seelenachse eines Kanals etwa in der Trennebene zwischen Zylinderkopf und Zylinder, etwa senkrecht zur Luftstromrichtung und etwa die Zylinderbohrung berührend liegt.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf einen Zylinderkopf für einen stehenden Zylinder, die Kanalöffnung schräg nach unten und zur Seite gerichtet ist.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf einen Zylinderkopf für einen stehenden Zylinder, der Gaskanal an der öffnung schräg nach unten und zur Seite gerichtet ist, die Anschlußfläche für den Flansch jedoch in einer Hauptbearbeitungsebene liegt bzw. senkrecht dazu steht.

7. Zylinderkopf nach Anspruch 2 mit kugelkalottenförmigem Brennraumboden und Ventilen in V-Stellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse zur dreidimensional gekrümmten

Seelenachse eines Kanals zur Ebene durch die Ventilachsen einen spitzen Winkel einschließt, die Ventilachse des auf sie bezogenen Gaskanals etwa in einem rechten Winkel kreuzt und den Zylinder bzw. dessen gedachte Verlängerung etwa berührt.

8. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilführungsbuchsen nur so weit mit Festsitz in den Zylinderkopf eingepaßt sind, daß sie im wesentlichen mit dem ganzen Umfang mit der Bohrung im Zylinderkopf in Berührung stehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
G. Lieby, Gestaltung von Druckgußteilen, Stuttgart, 1949, S. 58, 59.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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