DE19638000C1 - Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinder­ kopf für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Neue Dichtungskonzepte wie z. B. Mehrlagen-Metalldichtungen zwi­ schen Zylinderkopf und Zylinder-Kurbelgehäuse stellen höhere Anforderungen an die Dichtungspressungsverteilung als bisher. Derartige Zylinderkopfdichtungen weisen einen Bördel (einen nicht federnden Bereich aus mehreren Blechlagen von z. B. 2,5 mm Breite und ca. 1,3 mm Höhe) an der Brennraumoberkante jedes Zy­ linders bzw. einer Zylinderlaufbuchse sowie federnde Sicken hinter dem Bördel auf, die auch bei vollständig festgezogenen Zylinderkopfschrauben auf den Bördel einen Freiraum von ca. 0,05 mm behalten sollen, um ihre elastischen Eigenschaften zu erhalten. Über den Bördel wird der Zylinderkopf mit dem Kurbel­ gehäuse verspannt, während die Sicken die Abdichtung des Brenn­ raumes gegen den Gasdruck übernehmen. Diese Sicken sind emp­ findlich gegenüber allzugroßen elastischen Bewegungen, welche zu Dauerbrüchen entlang der Sicken-Kammlinie führen können. Es kommt daher bei Verwendung solcher Dichtungen besonders darauf an, unter allen Betriebszuständen eine Mindestanpreßkraft in allen Dichtbereichen zu gewährleisten.

Wie beispielsweise in der DE 38 19 655 dargestellt, werden normalerweise die Schraubenkräfte über die Schraubenkopfauf­ lage der Schraubenpfeifen aufgenommen und über die Schrauben­ pfeifen, die Wände der Einlaß- und Auslaßkanäle, den Ein­ spritzdüsen- oder Zündkerzenschacht, eine zwischen benach­ barten Brennräumen vorgesehene Stützstrebe und die Außenwände zum Zylinderkopfboden und von dort über den Bördel der Zylin­ derkopfdichtung in das Kurbelgehäuse eingeleitet. In allen kraftführenden Teilen entstehen entsprechend der jeweiligen Kraftdichte Verformungen, wobei insbesondere die Schrauben­ auflagenbereiche, die Ventilsitzbereiche und der Zylinder­ kopfboden (Brennraumboden) gefährdet sind. Darüber hinaus ver­ formen sich der Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse auch unter der Wirkung des Gasdruckes und der Temperatur. Dadurch werden die Dichtflächen uneben und die Dichtungspressungsverteilung wird ungleichmäßig. Aus der DE 33 26 685 ist es zwar bekannt, zur Erhöhung der Standfestigkeit des Zylinderkopfbodens und der Kanäle im Bodenbereich die Querschnittsfläche der Schrauben­ pfeifen nach einer bestimmten Formel auszulegen, jedoch wird hierdurch die Dichtungspressung insbesondere zwischen den Zy­ linderkopfschrauben nicht wesentlich erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in der Struktur des Zylinderkopfes den Kraftfluß zwischen den Auflage flächen der Zylinderkopfschrauben und der Zylinderkopfdichtung so zu steu­ ern und die Steifigkeit des Zylinderkopfes so einzustellen, daß eine Mindestdichtungspressung insbesondere in den die Brennräu­ me umgebenden Auflagebereichen der Dichtung in allen Betriebs­ zuständen eingehalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird eine Struktur geschaf­ fen, die zwischen den Auflageflächen der Zylinderkopfschrauben und der Auflagefläche der Zylinderkopfdichtung am Zylinderkopf­ boden fachwerkartige Streben vorsieht, durch welche die Schrau­ benkräfte gezielt auch auf die Bereiche der Dichtung zwischen den Zylinderkopfschrauben geleitet werden und ein Durchbiegen des Zylinderkopfes und eine dadurch bewirkte Entlastung der Dichtung in diesen Bereichen verhindert oder verringert wird. Die Steifigkeit der einzelnen, von den Streben gebildeten Kraftpfade von den Schraubenköpfen zu den jeweiligen Aufla­ gebereichen der Zylinderkopfdichtung soll so abgestimmt werden, daß die Dichtungspressungsverteilung gleichmäßig ist.

Je länger der jeweilige Kraftpfad ist, desto größer muß der wirksame Querschnitt der Strebe im Vergleich zu den Quer­ schnitten anderer Kraftpfade sein. Schon zur Verringerung des Materialaufwandes sollten die Streben daher möglichst kurz sein. Zu dem wirksamen Querschnitt zählen auch die gege­ benenfalls mit der Strebe verbundenen Materialbereiche von Ein­ laß- und Auslaßkanälen, sofern sie im Kraftfluß liegen. Die einzelnen Kräfte ergeben sich aus der Verteilung der aufge­ brachten Schraubenkraft auf die einzelnen Kraftpfade unter Be­ rücksichtigung der Größe des jeweils zu beaufschlagenden Berei­ ches, z. B. bei angrenzenden Zylindern. Da schon geringe Krüm­ mungen des Kraftpfades zu einer deutlich verringerten Steifig­ keit führen, sollten die Kraftpfade, d. h. die Streben, mög­ lichst gerade sein. Jede Strebe sollte möglichst nahe der Krafteinleitungsstelle, also der Schraubenkopf-Auflagefläche der Schraubenpfeife, angebunden sein, um eine Kraftumlenkung und eine dadurch bewirkte Belastung angrenzender Bauteile auf Biegung oder durch Querkräfte zu vermeiden. Grundsätzlich soll­ te jeder einzelne Kraftpfad entsprechend seinem Kraftanteil hinsichtlich seiner Länge und seiner Steifigkeit so ausgelegt werden, daß die durch die Streben bewirkten Steifigkeiten des Zylinderkopfes den örtlichen Steifigkeiten des Zylinderkopfes umgekehrt proportional sind, damit sich die angestrebte gleich­ mäßige Dichtungsflächenpressung einstellt.

Zusammenfassend werden mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag fol­ gende Vorteile erreicht:

• a) Verbesserung der Dichtungsflächenpressung zwischen den Zylinderkopfschrauben,
• b) Reduzierung der Deformationen kraftflußnaher Bereiche (Brennraumboden, Ventilsitzringe, Ventilführungen, Nocken­ wellen-Lagerung), damit z. B. geringere Ventilbeanspruchung,
• c) Reduzierung der Spannungen in den Bereichen nahe den Auflageflächen der Zylinderkopfdichtung (z. B. bördelnahe Bereiche) durch umlenkungsfreie Kraftpfade,
• d) Möglichkeit der Reduzierung der Zylinderkopf-Schrauben­ kräfte,
• e) Gewichtseinsparung durch strukturmechanisch günstig gestaltete Kraftübertragungselemente.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordneten Abschnittes eines Vierventil-Zylinderkopfes, wobei die Zylinder­ kopfdecke teilweise weggeschnitten ist und die Auslaß­ kanäle der Übersicht halber weggelassen sind,

Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführung von Fig. 1, wobei die Zylinderkopfdecke zur Veranschaulichung der fachwerk­ artigen Verstrebung des Zylinderkopfes weggelassen wurde,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verstrebung bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verstrebung bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung und die

Fig. 5 und 6 eine schematische Darstellung von weiteren möglichen Verstrebungen eines Zylinderkopfes.

In Fig. 1 ist der einem Zylinder einer Mehrzylinder-Brenn­ kraftmaschine zugeordnete Abschnitt eines Vierventil-Zylin­ derkopfes dargestellt, der Außenwände 1 (von denen nur die rückwärtige gezeigt ist), einen Zylinderkopfboden 2 und eine Zylinderkopfdecke 3 aufweist, die zusammen einen Kühlwasser­ raum 4 begrenzen. Die Decke 2 ist teilweise weggeschnitten, um die darunterliegenden Teile sichtbar zu machen. Der Kühl­ wasserraum 4 ist von zwei Einlaßkanälen 5 durchsetzt, die von Einlaßventilsitzen 6 im Boden 2 ausgehen, von denen nur einer gestrichelt eingezeichnet ist, sowie von nicht gezeigten Aus­ laßkanälen, die in Auslaß-Ventilsitze 7 im Boden 2 münden. Fer­ ner erstreckt sich durch den Wasserraum 4 ein Schacht 8, der eine Zündkerze oder ein Einspritzventil aufnimmt. Zwischen dem Boden 2 und der Decke 3 erstrecken sich Schraubenpfeifen 9 mit Längsbohrungen 10, welche die Zylinderkopfschrauben aufnehmen, mit denen der Zylinderkopf auf das nicht gezeigte Zylinderkur­ belgehäuse aufgeschraubt wird. Die Unterseite des Bodens 2 bil­ det eine Auflagefläche für eine nicht gezeigte Zylinderkopf­ dichtung.

Mit den Zylinderkopfschrauben soll nicht nur eine mechanische Verbindung zwischen Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse ge­ schaffen, sondern auch eine Dichtungspressung auf die Zylinder­ kopfdichtung ausgeübt werden. Eine ausreichende Dichtungspres­ sung erfolgt bei den üblichen Zylinderköpfen vor allem in den Bereichen der Unterseite des Zylinderkopfbodens, welche die die Zylinderkopfschrauben aufnehmenden Bohrungen 10 in den Schrau­ benpfeifen 9 umgeben, während in den dazwischen liegenden Be­ reichen die Dichtungspressung wesentlich geringer ist. Um in allen Betriebsbereichen eine ausreichende Dichtungspressung auch zwischen den Zylinderkopfschrauben zu erreichen, sind Streben 11 vorgesehen, die an die Schraubenpfeifen 9 in deren oberen Bereich nahe ihrer Schraubenkopf-Auflageflächen 12 ange­ formt sind und sich zum Zylinderkopfboden 2 zwischen benachbar­ ten Schraubenpfeifen 9 erstrecken. Auf diese Weise werden die Schraubenkräfte gezielt auch auf die Bereiche der Zylinderkopf­ dichtung zwischen den Zylinderkopfschrauben geleitet und eine gleichmäßige Verteilung der Dichtungspressung über den Umfang jedes Brennraumes auf die Zylinderkopfdichtung erreicht. Gleichzeitig werden thermische Verzüge des Zylinderkopfbodens 2 und Verformungen durch die Gaskräfte, die Unebenheiten zur Fol­ ge haben, weitgehend vermieden. Wie ersichtlich, bilden die beiden, von benachbarten Schraubenpfeifen 9 ausgehenden Streben 11 zusammen ein V.

In Fig. 3 ist die Verstrebung des in Fig. 1 gezeigten Zylin­ derkopfes für die Seite, durch die sich die Einlaßkanäle 5 er­ strecken (in Fig. 1 die rückwärtige Seite), schematisch darge­ stellt. Wie ersichtlich, werden die Schraubenkräfte P mit einem Kraftanteil P1 über die Schraubenpfeifen 9 und mit einen Kraftanteil P2 über die Streben 11 auf den Zylinderkopfboden 2 übertragen.

Die Streben 11 sind in der Zeichnung aus Anschaulichkeits­ gründen als eigenständige Bauteile dargestellt, sie sind jedoch tatsächlich Bestandteile des aus einem Gußstück bestehenden Zy­ linderkopfes.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich von dem­ jenigen von Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß auf der Einlaß- und/oder Auslaßseite die von benachbarten Schrauben­ pfeifen 9 ausgehenden Streben 11 sich über die betreffenden Gaswechselkanäle 14 auf den Zylinderkopfboden 2 abstützen und daß benachbarte Schraubenpfeifen 9 nahe ihren Auflageflächen 12 für die Zylinderkopfschrauben durch Querstege 15 miteinander verbunden sind, die mit der hier weggelassenen Zylinderkopfdec­ ke 3 einstückig sind. Diese Querstege 15 wirken zusammen mit der Zylinderkopfdecke 3 als Zugstreben und sollen Querbewegun­ gen der Schraubenkopf-Auflagestellen, hervorgerufen durch die Querkomponente der Kraft P2 (Fig. 3) vermeiden. Die Wände der Gaswechselkanäle 14 liegen in diesem Fall im Kraftfluß der Kraftanteile P2, wie in Fig. 4 gezeigt. Derartige Querstreben können auch bei der Ausführung von Fig. 1 vorgesehen werden, wie in Fig. 3 strichpunktiert angedeutet.

Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungen sind in den Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt.

In Fig. 5 vereinigen sich die von benachbarten Schrauben­ pfeifen 9 ausgehenden Streben 11 in einem Abstand vom Zylinder­ kopfboden 2 und sind durch einen parallel zu den Schraubenpfei­ fen verlaufenden Steg 16 mit dem Zylinderkopfboden 2 verbun­ den. Auch hier können benachbarte Schraubenpfeifen entsprechend Fig. 2 durch einen als Zugstrebe wirkenden Quersteg 15 mitein­ ander verbunden sein.

In Fig. 6 schneiden sich die von benachbarten Schraubenpfeifen 9 ausgehenden Streben 11 und stützen sich in einem Abstand von­ einander am Zylinderkopfboden 2 ab. Dadurch werden die Kraftan­ teile P2 der Schraubenkraft P an zwei Stellen zwischen benach­ barten Zylinderkopfschrauben auf die Zylinderkopfdichtung über­ tragen, wodurch die Dichtungspressungsverteilung über den Um­ fang des Brennraumes weiter vergleichmäßigt wird. Außerdem wer­ den Verzüge und Verformungen des Zylinderkopfbodens praktisch vollständig vermieden. Auch bei diesem Beispiel können Querste­ ge 15 zwischen benachbarten Schraubenpfeifen vorgesehen werden.

Claims (8)

1. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine aus einem Gußstück mit einem von Außen­ wänden (1), einem Zylinderkopfboden (2) und einer Zylinder­ kopfdecke (3) begrenzten Kühlwasserraum (4), der von Einlaß- und Auslaßkanälen (5) durchsetzt ist, und mit Zylinderkopf­ schrauben aufnehmenden Schraubenpfeifen (9), die sich zwischen der Zylinderkopfdecke (3) und dem Zylinderkopfboden (2) er­ strecken, wobei der Zylinderkopfboden eine Auflagefläche für eine Zylinderkopfdichtung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schraubenpfeifen (9) ange­ formte Streben (11) vorgesehen sind, die sich von einem oberen, der Zylinderkopfdecke (3) benachbarten Bereich der Schrauben­ pfeifen (9) zum Zylinderkopfboden (2) zwischen benachbarten Schraubenpfeifen (9) erstrecken.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von zwei benachbarten Schrau­ benpfeifen (9) ausgehenden Streben (11) schräg in Richtung auf den Zylinderkopfboden (2) verlaufen und zusammen ein V bilden

3. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die schrägen Streben (11) bis zum Zylinderkopfboden (2) erstrecken.

4. Zylinderkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (11) an die Einlaß- und/oder Auslaßkanäle (15) angeformt sind.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die von benachbarten Schrau­ benpfeifen (9) ausgehenden schrägen Streben (11) in einem Ab­ stand vom Zylinderkopfboden (2) vereinigen und durch einen par­ allel zu den Schraubenpfeifen (9) verlaufenden Steg (16) mit dem Zylinderkopfboden verbunden sind.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von zwei benachbarten Schrau­ benpfeifen (9) ausgehenden Streben (11) schräg bis zum Zylin­ derkopfboden verlaufen und sich schneiden.

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (11) jeweils von einer Stelle nahe der Schraubenkopf-Auflagefläche (12) der Schrauben­ pfeife (9) ausgehen.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch sich zwischen benachbarten Schraubenpfei­ fen (9) erstreckende, parallel zur Zylinderkopfdecke (3) ver­ laufende Querstege (15), die an die Schraubenpfeifen (9) nahe deren Schraubenkopf-Auflageflächen (12) angeformt sind.