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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Zylinderreihe
einer Brennkraftmaschine mit kalottenförmig begrenzten Brennräumen und vier hängenden
Ventilen je Zylinder, deren Achsen - vom Brennraum ausgehend
- V-förinig angeordnet sind, nämlich jeweils zwei einander gegenüberliegenden
größeren Einlaß- und kleineren Auslaßventilen, wobei die von den Achsen der diametral
gegenüberliegenden Ventile bestimmten Ebenen durch die Zylinderachse verlaufen und
zueinander senkrecht stehen und mit der Längsmittelebene der Zylinderreihe bzw.
mit den durch die Zylinderachsen laufenden Querebenen einen Winkel von etwa
15 bis 30' einschließen und wobei die Einlaßkanäle und die Zündkerzen
etwa parallel zu den Zylinderachsen angeordnet sind und die Einlaßventile in den
der Längsmittelebene benachbarten Ebenen liegen.
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Bekannt ist ein Zylinderkopf dieser Bauart (österreichische
Patentschrift 174 503), bei dem die einander kreuzweise gegenüberliegenden,
gleichartigen Ventilpaare gleiche V-Winkel einschließen. Obwohl diese Ausbildung
bereits eine sehr gedrängte Bauart mit kleinen Zylinderabständen ermöglicht, sind
doch bei kleineren Zylindereinheiten noch Schwierigkeiten vorhanden, die Ventile
bei vorgegebenem Zylinderabstand unterzubringen. Außerdem ist hierbei nachteilig,
daß die Ventilgrößen die etwa kugelige Oberfläche der Brennräume nicht bestmöglich
ausnutzen können, wodurch wertvolle Abstriche an den Ventilquerschnitten und damit
am Füllungsgrad und an der Leistung der Maschine sich ergeben. Schließlich bestehen
bei der bekannten Ausbildung auch noch dahingehend räumliche Schwierigkeiten, den
Zylinder-kopf als einteiliges Gußteil auszubilden, das lediglich Deckel und
kleine Anbauteile aufweist, weil sich die Einlaßventile so stark übergreifen, daß
dazwischen nicht genügend Raum für Lagerstellen von Ventilantriebselementen vorhanden
ist. Vielmehr ist dort eine Aufteilung des Zylinderkopfes in mehrere Gußteile unumgänglich,
um die Steuerungsteile zu lagern und den Zugang für die Bearbeitung zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf der eingangs
beschriebenen Bauart mit höchster Leistungsausbeute so weiterzubilden, daß eine
fertigungsgerechte, einteilige Konstruktion mit wenig Anbauteilen erreicht wird,
die auch ausreichende Steifigkeit aufweist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Vereinigung der für sich
bekannten Merkmale, daß die Achsen der beiden Einlaßventile einen kleineren V-Winkel
einschließen als die Achsen der beiden Auslaßventile und daß die kleinsten Abstände
der Umfangslinien der Ventilöffnungen von der Zylinderkopf-Zylindertrennfläche bei
allen Ventilen etwa gleich und möglichst klein sind. Dabei wird durch die Anwendung
kleinerer V-Winkel bei den Einlaßventilen und größerer V-Winkel bei den Auslaßventilen
bei gleichzeitig engster Annäherung aller Ventile an die Trennfläche zwischen Zylinderkopf
und Zylinder eine bestmögliche Ausnutzung der kugeligen Brennraumoberfläche erreicht
sowie gleichzeitig das Ineinandergreifen der Ventilschäfte und der daran befestigten
Ventilfedem in Längsrichtung der Zylinderreihe begünstigt, weil nämlich die äußeren,
tiefer liegenden Ventilschäfte und -federn flacher angeordnet sind und die inneren,
höher liegenden Ventilschäfte und -federn steiler zu stehen kommen, so daß sie voneinander
einen größeren Abstand erhalten oder bei gleichem Abstand die einzelnen Zylinder
enger aneinander angeordnet werden können. Außerdem ermöglicht dies bei gegebenem
Zylinderabstand auch die Anwendung von Ventilfedern mit größerem Windungsdurchmesser.
Schließlich begünstigt die vergleichsweise steile Anordnung der Einlaßventile eine
einteilige Ausbildung des Zylinderkopfes, weil die Ventilschäfte der Einlaßventile
in Längsrichtung der Zylinderreihe einander weniger übergreifen und damit diese
oder deren gedachte Verlängerungen die obere Begrenzungsfläche des Zylinderkopfes
in kleinerem Abstand von der Zylinderachse durchstoßen, wodurch Raum für Lager-
und Befestigungsstellen sowie Versteifungswandungen zwischen jeweils einem Einlaßventil
und dem benachbarten Auslaßventil des nächsten Zylinders gewonnen wird.
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Durch die Ausbildung und Anordnung der Wandungen der Einlaßkanäle
und der mit diesen verbundenen Querwände, die an die Längsaußenwandungen anschließen,
wird eine Längs- und Querverrippung erzielt, die eine den durch den hohen Füllungsgrad
einer solchen Brennkraftmaschine verursachten hohen Drücken, Kräften und Momenten
gerecht werdende Steifigkeit des Zylinderkopfes ergibt. Die Querwände sind dabei
zugleich für die Aufnahme der Steuerungs-Lnd Befestigungsteile des Zylinderkopfes
mit herangezogen. Die Steuerungs- und Befestigungsteile in den Querwänden, nämlich
die Schwinghebellagerichsen und die Zylinderkopfschrauben, sind dabei i.uch noch
so zueinander angeordnet, daß die Schwinghebellagerachsen in ihren Lagerbohrungen
durch die Werkstoffpressung der eng daran vorbeiführenden Zylinderkopfschrauben
spielfrei und damit gegen Ausschlagen dieser Lagerbohrungen während des Betriebes
sicher gehalten werden.
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Damit die Einlaßkanäle in ihrem Ouerschnitt nicht beschränkt werden
müssen, sind diese um einen größeren Winkelbetrag aus der Längsmittelebene herausgedreht
als die Einlaßventile. Auf diese Weise sind zwischen den benachbarten Einlaßkanälen
zweier benachbarter Brennräume ausreichende Dichtflächen in den Trennebenen sowie
im rnnem des Zylinderkopfes Kühlwasserdurchtritte möglich, die eine gleichbleibende
Begrenzungsebene des Kühlwasserraumes über die ganze Längsausdehnung des Zylinderkopfes
zulassen. Solche Kühlwasserdurchtritte sind auch zwischen den Bohrungen für die
Zylinderkopfschrauben und den Wandungen der Einlaßkanäle vorgesehen, wodurch eine
in der Höhe einschnürungsfreie Ausbildung der Kühlwasserdurchtritte gewährleistet
ist.
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Für die Lagerung der an den Einlaßventilen angreifenden Schwinghebel
sind Lagerungselemente im Winkelbereich zwischen Einlaßkanal und Einlaßventil so
angeordnet, daß sie den dort zur Verfügung stehenden Winkelraum günstig ausnutzen.
Diese Lagerstellen lassen sich von der Oberseite des Zylinderkopfes her bearbeiten.
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Durch die Möglichkeit, einen einzigen, die ganze Oberseite verschließenden
Deckel zu verwenden, ergeben sich sowohl bei der Bearbeitung als auch beim Zusammenbau
und der Wartung Vorteile. Die Oberseite des Zylinderkopfes weist hierfür eine einzige,
in einem Arbeitsgang bearbeitbare Dicht- und Anschlußebene auf. Der Deckel kann
als komplette Einheit mit den Ansaugstutzen, Einlaßdrosselvorrichtungen und deren
Betätigungselementen vormontiert, befestigt
und bei Wartungsarbeiten
entfernt werden, wobei nur wenige Verbindungen und Anschlüsse vorgenommen bzw. gelöst
werden müssen. Die seitlich an den Längsaußenwandungen des Zylinderkopfes vorgesehenen
öffnungen ermöglichen sowohl die Bearbeitung der Federauflageflächen für die Auslaßventile
als auch die Zugänglichkeit für Zusammenbau- und Wartungsarbeiten an den Steuerungsteilen
dieser Ventile.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf die Ventilanordnung
in einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit Reihenanordnung
der Zylinder ohne Zylinderkopfwandteile, F i g. 2 eine Seitenansicht der Ventilanordnung
nach F i g. 1,
F 1 g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-111 in F i
g. 1 mit vereinfachter Darstellung der angrenzenden Zylinderkopfwandteile,
F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 1 mit vereinfachter
Darstellung der angrenzenden Zylinderkopfwandteile, F i g. 5 eine Ansicht
der Unterseite des Zylinder-Kopfes nach den F i g. 1 bis 4 ohne Ventile und
sonstige Anbauteile, F i g. 6 eine Ansicht der Oberseite des Zylinderkopfes
nach F i g. 5,
F i g. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig.
5,
F i g. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII in F i
g. 5,
F i g. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in F i
g. 6,
F i g. 1,0 einen Schnitt nach der Linie X-X in F i
g. 7,
F i g. 11 einen Längsschnitt nach der Linie XI-XI in Fig.
7 und F i g. 12 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes
ohne Deckel und sonstige Anbauteile. Der Zylinderkopf 1 für eine Zylinderreihe
einer Viertakt-Brennkraftmaschine weist kugelige Brennräume 2 auf, in denen jeweils
vier Ventile angeordnet sind, die einander paarweise gegenüberliegen, und zwar jeweils
zwei Einlaßventile 3 und zwei Auslaßventile 4. Die gleichartigen Ventilpaare
3, 4 schließen miteinander jeweils einen V-Winkel a bzw. ß ein (F
i g. 3 und 4). Der V-Winkel a der Einlaßventile 3
ist kleiner
als der V-Winkel ß der Auslaßventile 4. Außerdem sind die Ventilpaare
3, 4 bzw. das von den durch ihre Achsen X, 4bestimmten Ebenen
5', 6'
in Draufsicht gebildete rechtwinkelige Kreuz um einen Winkel
y gegenüber der Längsmittelebene 5 der Zylinderreihe und den Querebenen
6 verdreht (F i g. 1). Auf diese Weise übergreifen die Achsen
Y, 4' bzw. die Schäfte der Ein- und Auslaßventile 3, 4 und die Ventilfedern
Y', 4*' einander - wie besonders aus F i g. 2 ersichtlich
- in Richtung der Längsmittelebene 5. Durch die steilere Anordnung
der Einlaßventile 3 und die flachere Anordnung der Auslaßventile 4 bzw. deren
Achsen Y, 4' und deren Ventilfedern Y' und 4" wird das übergreifen dieser
Teile begünstigt, so daß bei gegebenen Größen der Ventile 3, 4 und Ventilfedem
Y, 4*' ein besonders enges Zusammenrücken der Zylinderbohrungen
7 ermöglicht wird oder bei gegebenem Abstand der Zylinderbohrungen
7 die Anwendung von Ventilfedern Y', 4" mit ausreichend großem Windungsdurchmesser
gewährleistet ist. Außerdem ermöglicht diese Ausbildung der V-Winkelx,
ß der Ventile 3, 4 bei untereinander etwa gleicher Annäherung der
Umfangslinien der Ventilöffnungen 13, 14 an die Zylinderkopf-Zylinder-Trennfläche
l' und somit an die Begrenzung der Brennräume 2 eine bestmögliche Ausnutzung
der Oberflächen der kugeligen Brennräume 2 durch die Ventile 3 und 4, wodurch
zugleich ein günstiges Größenverhältnis zwischen den Abmessungen der größeren Einlaßventile
3 und der kleineren Auslaßventile 4 erreicht wird. Ferner ergibt sich dabei
eine sowohl fertigungstechnisch als auch für den Ablauf des Verbrennungsvorganges
günstigste Anordnung der Zündkerze 8 bzw. des Zündkerzengewindes
8' in der Zylinderachse 9 und damit in der Mitte des Brennraumes 2.
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Die Ausbildung des Zylinderkopfes 1 als einteiliges, nur mit
einfachen Deckeln und kleineren Anbauteilen versehenes Gußteil 10 nach den
F i g. 5
bis 12 für die Ventilanordnung nach den F i g. 1
bis
4 ist wie folgt durchgeführt: Die Zylinderkopfunterseite (F i g. 5) enthält
kugelige Brennräume 2 mit Ventilöffnungen 13, 14 und Zündkerzenbohrungen
8', Bohrungen 12 für Zylinderkopfschrauben und Durchtrittsöffnungen
11 für das Kühlwasser. Die Achsen Y, 4' der Ventile 3, 4 bzw.
die von ihnen bestimmten Ebenen S', 6' bilden ein rechtwinkeliges Kreuz,
das aus der Längsmittelebene 5 und den Querebenen 6 um den Winkel
y verdreht ist. Die Achsen 3'
der Einlaßventile 3 schließen
einen kleineren V-Winkel oc ein als die Achsen 4' der Auslaßventile 4 (Winkel
ß; F i g. 3, 4, 7 und 8). An die Ventilöffnungen
13, 14 schließen sich die Einlaßkanäle 23 bzw. die Auslaßkanäle 24
an. Die Einlaßkanäle 23 erstrecken sich etwa parallel zur jeweiligen Zylinderachse
9 zur oberen Begrenzungsebene V' des Zylinderkopfes 1 hin.
Die Achsen 23' der Einlaßkanäle 23
bzw. die von diesen bestimmten Ebenen
5" sind dabei um einen größeren Winkel y' aus der Längsmittelebene
5 der Zylinderreihe um die Zylinderachsen 9
gedreht als der Winkel
y der gedrehten Ebenen 5', 6'
(F i g. 6 und 11). Die
Einlaßkanäle 23 zweier benachbarter Brennräume 2 können daher einen großen
Durchgangsquerschnitt erhalten, ohne zu eng aneinander angeordnet zu sein. Die Auslaßkanäle
24 ver-. laufen etwa parallel zu den Ebenen 6 auf kurzem Wege nach außen
und enden in Anschlußflanschen 24' für Auspuffrohrleitungen (F i g. 8, 12),
wodurch eine geringe Aufheizung des Gußteiles 10 des Zylinderkopfes
1 durch die heißen Abgase gewährleistet ist.
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Zur Kühlung der Wandungen der Brennräume 2 und der Auslaßkanäle 24
sind über die Durchtrittsöffnungen 11 mit dem nicht dargestellten Zylinderwassermantel
verbundene Kühlwasserräume 21 vorgesehen (F i g. 7 bis 11). Die Kühlwasserräume
21 der einzelnen Brennräume 2 stehen über Kühlwasserdurchtritte 21' zwischen jeweils
zwei Einlaßkanälen 23
und weitere Kühlwasserdurchtritte 21" zwischen den Einlaßkanälen
23 und den Bohrungen 12 für die Zylinderkopfschrauben miteinander so in Verbindung,
daß in Richtung der Längsmittelebene 5 in der Höhe der Kühlwasserdurchtritte
21", 21" keine Einschnürungen gegeben sind. Dadurch wird eine Ansammlung von Luft-
oder Wasserdampfblasen ausgeschlossen und ein gleichmäßiger Durchfluß des Kühlwassers
durch die Kühlwasserräume 21 ohne die Gefahr einer örtliche Überhitzung gewährleistet.
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Im Bereich über den Kühlwasserräumen 21 schließen
an
die Wandungen 23" der Einlaßkanäle 23
Querwände 19 an und verbinden
die Wandungen 23"
mit den Längsaußenwandungen 17 des Zylinderkopfes
1 (F i g. 6 und 9). Außerdem stehen die Wandungen 23"' der
Einlaßkanäle 23 jeweils eines Brennraumes 2 über die Wandungen
18' der Zugangskanäle 18 für die Zündkerzen unter sich in Verbindung,
während die Wandungen 23"' der aneinandergrenzenden Einlaßkanäle 23 der benachbarten
Brennräume 2 im Bereich ihrer engsten Annäherung unmittelbar ineinander übergehen.
Auf diese Weise wird ein Längs- und Querrippenverband geblidet, der dem Gußteil
10 des Zylinderkopfes 1 eine besonders hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit
verleiht. Von diesem Längs- und Querrippenverband werden Kammern 20 gebildet, die
jeweils den Schaft eines Einlaßventils 3 mit Ventilfeder Y' eines Brennraumes
2 und jeweils den Schaft eines Auslaßventils 4 mit Ventilfeder 4" eines benachbarten
Brennraumes 2 mit den zugehörigen Steuerungsteilen, wie Nockenwellenabschnitt, Schwinghebel
und deren Lagerelemente, aufnehmen. Für die Lagerung dieser Teile enthalten die
Querwände 19 im Bereich der oberen Begrenzungsebene V' des Zylinderkopfes
offene, mit nicht dargestellten Lagerdeckeln zu ergänzende Lagerstellen 22 für die
Nockenwellen (F i g. 6). Zur Befestigung der Lagerdeckel sind Paß- und Gewindebohrungen
22' vorgesehen. Die Querwände 19 enthalten außerdem Lagerstellen 25 mit beiderseitigen
Augen 25' für nicht dargestellte Schwinghebellagerachsen sowie an ihrer tiefsten
Stelle Durchbrechungen 26 für die ungehinderte Ableitung des Schmieröles
(F i g. 9). An den Querwänden 19 lehnen sich die Bohrungen 12 für
die Zylinderkopfschrauben an, deren pfeifenförmige Wandungen 12' sowohl an den Querwänden
19 als auch an den Wandungen 23" der Einlaßkanäle 23 anschließen.
Die Bohrungen 12 kreuzen mit geringem Abstand die Lagerstellen 25, wodurch
bei angezogenen Zylinderkopfschrauben, insbesondere bei angesenkten Stützflächen
12" für die Köpfe der Zylinderkopfschrauben, infolge der Werkstoffpressung ein Klemmen
der Schwinghebellagerachsen in den Lagerstellen 25 erreicht wird. Dieses
Klemmen begegnet der Gefahr, daß diese Lagerstellen 25
durch die hohen über
die Schwinghebel eingeleiteten Lagerkräfte während des Betriebes ausgeweitet werden,
denn das Gußteil 10 wird vorzugsweise aus Leichtmetall hergestellt, und die
Lagerpassungen weisen aus Einbaugründen einen leichtgängigen Schiebesitz auf. In
die Kammern 20 münden schließlich noch weitere Lagerbohrungen 27, die durch
Augen 27' an den Längsaußenwandungen 17 hindurchgebohrt sind und nicht
dargestellte Lagerbolzen fär Steuerschwinghebel der Auslaßventile 4 aufnehmen.
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In den Boden 20' der Kammern 20 sind gleichachsig mit den Achsen
3' und 4' der Ventile 3, 4 Ansenkungen 28 und 29 für
die Auflage der Ventilfedern Y' und 4" eingearbeitet, an die sich Bohrungen
28' und 29' für die Ventilführungen 28" und 29"
anschließen.
Gleichfalls innerhalb der Kammern 20 sind an den Wandungen 23" der Einlaßkanäle
23
Auflage- und Befestigungsflächen 30 mit Befestigungsgewinde
30' angeordnet, die quer zur bzw. in Richtung einer Winkelhalbierenden
31 des von den Achsen 3" der Einlaßventile 3 und den Achsen
23'
der Einlaßkanäle 23 eingeschlossenen Winkels verlaufen. Diese Befestigungselemente
dienen der Lagerung von Schwinghebeln für die Steuerung der Einlaßventile
3. Ihre Bearbeitung ist von der Oberseite des Gußteiles 10 her möglich.
Um auch die Bearbeitung der Ansenkungen 29 und Bohrungen 29' von oben
her zu ermöglichen sowie für die Zugänglichkeit beim Zusammenbau und bei Wartungsarbeiten
weisen die Kammern 20 in den Längsaußenwandungen 17 durch nicht dargestellte
Deckel verschließbare Öffnungen 32 auf (F i g. 6, 9 und 12). Für
je einen Deckel je Seite sind ein durchgehender Dichtflansch 32'und
mehrere Befestigungsgewinde 3Z' vorgesehen.
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Für eine vorteilhafte Bearbeitung und für den Abschluß der Oberseite
des Gußteiles 10 des Zylinderkopfes 1 mit einem einzigen einteiligen
Deckel sind alle vertikalen Wandungen 12', 17, 18', 19 und 23" bis
zur oberen Begrenzungsebene l"* des Zylinderkopfes hochgezogen. Die abzudichtenden
Endflächen der Längsaußenwandungen 17, der Wandungen 18', der Zündkerzenzugangsbohrungen
18 und der Wandungen 23" der Einlaßkanäle 23 weisen hierfür
eine ausreichende Flächenbreite auf (F i g. 6
und 9).