DE19806272C1

DE19806272C1 - Im Druckgußverfahren herstellbarer Leichtmetallzylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit drei Ventilen pro Zylinder

Info

Publication number: DE19806272C1
Application number: DE1998106272
Authority: DE
Inventors: Sergiu-Valentin Lipcan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2018-02-17

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1 und geht von einem technischen Stand aus, wie er in der DE 32 24 945 C1 und auch in der EP 0 113 450 A1 beschrieben ist.

Die Kennzeichen dieser beiden Aufbauten zeigen, daß der Druckguß-Zylinderkopf nicht für die Drei-Ventiler Anordnung konzipiert ist, daß der Drei-Ventil-Zylinderkopf nicht für das Druckgußver fahren vorgesehen ist, und daß beide Ausführungen die Direkteinspritzung nicht berücksichtigten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leichtmetalldruckguß Querstrom-Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte fremdgezündete Viertakt-Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit drei Ventilen pro Zylinder so zu gestalten, daß die Gießbarkeit einfacher, sicherer und kostengünstiger wird, daß die Kühlung des Zylinderkopfes effektiver und einfacher zu gestalten ist, und daß die beiden Einspritz-Varianten (Saugrohr- oder Direkt-) ohne großen Aufwand realisierbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst, wobei insbesondere der V-Winkel der Ventile verkleinert wurde, speziell der Winkel der Einlaßventile zur Zylinderachse.

Trotz dieser Verkleinerung der V-Win kel, aber durch eine günstige Anordnung der Ventile, wurde der Längskühlkanal größer im Querschnitt. Dadurch wurde die Gießbarkeit durch einen kräftigeren zentralen Schieber leichter. Ebenso wird so der Ventiltrieb durch kleine Rollenschlepphebel möglich, was für deren Funktionsfähigkeit von Vorteil ist.

Die beiden Einlaßventile pro Zylinder, die parallel angeordnet sein können, und die Einlaßkanäle, die parallel zueinander verlaufen, haben unterschiedliche Durchmesser, was dazu führt, daß die Einlaßventile asymmetrisch gegenüber der Quermittelebene des Zylinders liegen, und der Abstand zur Zündkerze unterschiedlich ist. Diese Asymmetrie dient einer gezielten Ladungsschichtung (Drall- und Rollbewegung des frischen Gemisches im Makrobereich und Ladungshomogenisierung im Mikrobereich), wenn der Motor mit Direkteinspritzung bei Teillast betrieben wird. Durch diese Anordnung der Ventile und den ausgewähl ten Ventiltrieb mit Rollenschlepphebeln kann man die Öffnungszeiten und den Hub der beiden Einlaßven tile unterschiedlich gestalten.

Die Zündkerze ist zwischen den Einlaßventilen, leicht asymmetrisch gegenüber der Quermittelebene des Zylinder, wo das Auslaßventil sitzt, angeordnet. Der Winkel der Zündkerzenlängsachse zur Zylinder achse ist größer als bei den Einlaßventilen, damit deren freie Zugänglichkeit auf der relativ kalten Einlaßseite gewährleistet ist und genug Raum für die Ventilfeder der Einlaßventile und das hydraulische Element für den Auslaßventiltrieb verbleibt. Durch diese Anordnung der Ventile und die zentrale Lage der Zündkerze kann man eine optimale Anordnung der Quetschspalte im Brennraum und einen günstigen Verbrennungs vorgang erreichen.

Das Einspritzventil ist zwischen Zündkerze und Zylinderwand gegenüber dem Auslaßventil positio niert. Durch diese Lage kann der Einspritzstrahl die Nähe der Zündkerze erreichen, was die Schichtfähigkeit des Gemisches erhöhen wird.

Der motorblockseitige offene ringförmige Wasserraum kann durch geradlinige Steigkanäle mit dem Längskühlkanal verbunden werden. Sie benötigen keine Verschlußdeckel, weil sie direkt durch den oben genannten Wasserraum entformt werden können. Durch diese Gestaltung und Anordnung können gezielt thermisch hoch belastete Stellen des Zylinderkopfes, insbesondere die Umgebung des Auslaßventilsitzes, gekühlt werden. Außerdem wird die Öltemperatur im Zylinderkopf durch dessen gute Kühlung niedrig gehalten.

In den beigelegten Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt A-A durch das Auslaßventil, Zündkerze und Einspritzventil eines Druckguß Quer strom-Zylinderkopfes für wassergekühlte fremdgezündete Viertakt-Mehrzylinder Brennkraftmaschinen mit drei Ventilen pro Zylinder gemäß der Linie in Fig. 2,

Fig. 2 einen schematische Draufsicht eines Druckguß Querstrom-Zylinderkopfes für wassergekühlte fremdgezündete Viertakt-Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit drei Ventilen pro Zylinder,

Fig. 3 einen Schnitt B-B durch ein Einlaßventil des obengenannten Druckguß-Zylinderkopfes gemäß der Linie in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt D-D parallel mit der Zylinderkopfdichtungsseite des obengenannten Druckguß- Zylinderkopfes gemäß der Linie in Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt C-C durch die Zylinderkopfschrauben des obengenannten Druckguß-Zylinderkopfes gemäß der Linie in Fig. 2 und

Fig. 6 eine Erhebungskurve der beiden Einlaßventile.

Ein Leichtmetall-Druckguß Querstrom-Zylinderkopf 1 für wassergekühlte fremdgezündete Viertakt- Mehrzylinder Brennkraftmaschinen enthält drei Ventile 2, 3 und 4 in V-Stellung zueinander. Die zwei Einlaßventile 3 und 4 können parallel zueinander liegen und haben unterschiedliche Durchmesser. Zur Zylinderachse 5 können die Einlaßventile 3 und 4 parallel sein oder weisen einen kleinen Winkel zur Einlaßseite des Zylinderkopfes auf. Eine Nockenwelle 6 ist im Bereich der Mittelebene zwischen den Auslaß- und Einlaßventilenden angeordnet. Für den Ventiltrieb sind Rollenschlepphebel 7 angeordnet, die auf die hydraulischen Elemente 8 gelagert sind. Im Falle eines größeren V-Winkels der Ventile können die Rollenschlepphebel auf einer nicht dargestellten Steckachse zwischen die Ventilfedern gelagert werden und die hydraulischen Elemente, die integriert werden können, wirken direkt auf die Ventile.

Die Zündkerze 9 ist zwischen den Einlaßventilen, möglichst nah am Auslaßventilsitz, angeordnet und ihre Längsachse hat einen größeren Winkel zur Zylinderachse 5 als die Schäfte der Einlaßventile 3 und 4. Dadurch kommt der Raumbedarf der Zündkerze nicht in Konflikt mit dem Raumbedarf der Einlaßventil federn 10 und des hydraulischen Elements 8 für den Auslaßventiltrieb. Weil die Einlaßventilsitze unter schiedliche Durchmesser haben, sind die Mittelebenen der Einlaßventile und Einlaßkanäle asymmetrisch zu der Quermittelebene der Zylinder (rechtwinklig auf der Motorlängsachse). Dadurch ist auch die Zündkerze leicht asymmetrisch positioniert, weil das Zündkerzengewinde gleichen Abstand zu den Einlaßventilsitzen (aus Festigkeitsgründen) haben muß. Darüber hinaus weist die Zündkerze 9 und deren elektrischer Anschluß eine besonders günstige Zugänglichkeit für die Wartung von der relativ kalten Einlaßseite des Zylinderkopfes.

Der Durchmesser des Auslaßventilsitzes 11 ist kleiner als der Radius des Zylinders und der Sitz muß eng tangierend an der Kontur des Zylinders angebracht werden, damit die Zündkerze möglichst in der Mitte des Brennraumes Platz findet. Zu diesem Zweck liegen auch die Einlaßventilsitze 12 und 13 möglichst tangierend an der Kontur des Zylinders.

Bei der Saugrohreinspritzung kann das Einspritzventil (in Fig. 3 nicht dargestellt) wie üblich in der Sauganlage untergebracht werden und zwar in dem Einlaßkanal mit dem größeren Durchmesser. Im Falle der Direkteinspritzung ist das Einspritzventil 14 zwischen die Einlaßventile und die Zylinderwand in derselben Ebene wie die Zündkerze auf der Gegenseite des Auslaßventiles positioniert. Die Achse der Einlaßkanäle 15 und 16 und des Einspritzventiles 14 müssen parallel sein, um die Entformung der Einlaßseite leichter und kostengünstiger zu machen. Durch diese Neigung kann der Einspritzstrahl die Nähe der Zündkerze besser erreichen, was die Schichtfähigkeit des frischen Gemisches erhöht. Die Anordnung der Ventile, die nahezu zentrische Lage der Zündkerze, die Asymmetrie der Einlaßventile zur Quermittele bene des Zylinders haben auch eine günstige Auswirkung für die Erreichung einer gezielten Ladungs schichtung, was wichtig für den Verbrennungsverlauf bei der Direkteinspritzung im Teillastbereich ist.

Im Brennraum 17, außerhalb der drei Ventilteller, kann man eine relativ große dreiteilige Quetschfläche 18 ausbilden, die zusammen mit dem flachen Boden des nicht dargestellten Kolbens einen Quetschspalt bildet und das kann den Verbrennungsvorgang günstig beeinflußen. Die Ladungsschichtung kann noch verbessert werden, indem man die Einlaßventile mit unterschiedlichen Öffnungszeiten betreibt. Weil jedes Ventil durch eine eigene Nocke betrieben wird, kann man für das kleine Einlaßventil 4 einen kleineren Hub 19 und 19a und eine kürzere Öffnungszeit wählen, so wie in Fig. 6 dargestellt ist. Ob die Einlaßventile gemeinsam öffnen oder schließen, das kann nur durch Funktionsteste bestimmt werden. Die Entformung der Einlaßseite, inklusiv Einlaßkanäle und die Öffnung für das Einspritzventil erfolgt durch einen Schieber, der in der Richtung von deren Achsen bewegbar ist.

Die Entformung der Auslaßkanäle 20 erfolgt ähnlich, aber um eine thermische Abkoppellung zwi schen den heißen Abgasen und dem Öl (Ölrücklaufbohrungen 29 und nockenwellenseitiger Ölraum 30) zu erzielen und Materialanhäufungen zu vermeiden, müssen tiefe Ausformungen 28 im Zylinderkopf, rund um den Auslaßkanal, vorgesehen werden, so wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Die Materialspitzen, die an den Trennstellen zum Ventilsitz entstehen, können durch maschinelle Bearbeitung mit einem Scheibenfräser entfernt werden.

Der Druckguß-Zylinderkopf weist motorblockseitig einen nischenförmigen Wasserraum 21 auf, der zusammen mit dem Brennraum 17 in der Gießform ausgebildet ist und entformt werden kann. Dieser Wasserraum erstreckt sich rund um die Brennräume entlang des gesamten Motors. Über den Brennräumen 17 ist ein Längskühlkanal 22 angeordnet, der zu den nicht dargestellten Stirnseiten des Zylinderkopfes entformbar ist. Dieser Längskühlkanal liegt zwischen Zündkerze 9, Ventilführung 23 (Auslaß) und Ventilführung 24 (Einlaß). Die beiden Wasserräume sind durch Steigkanäle 25 und 26, die durch kleine Kerne entformt werden, im Bereich der Zylinderkopfschrauben verbunden. Für eine bessere Kühlung der Auslaßventilsitze können die Steigkanäle 25 in geringer Entfernung beidseitig dieser Sitze, statt im Bereich der Zylinderkopfschrauben, angeordnet werden (Fig. 4). Die Kühlung der Einlaßventilsitze und des Einspritzventiles erfolgt durch frisches Gemisch. Deshalb können die Steigkanäle 26 entfallen, sofern sie nicht wegen der Entlüftung notwendig sind. Falls die Kühlung des Einspritzventiles nicht ausreichend ist, kann eine Längskühlbohrung 27 zwischen den Einlaßkanälen (motorblockseitig) und dem Einspritzventil vorgesehen werden, die durch maschinelle Bearbeitung von der Stirnseite des Zylinderkopfes entsteht. Um Kosten zu sparen kann die Öffnung dieser Kühlbohrungen für das Kühlwasserthermometer verwendet werden.

Durch die oben beschriebene Gestaltung ergibt sich ein kostengünstiger Zylinderkopf mit geringem Gewicht, weil er nur einen kleinen Wasserinhalt hat, und man kann einfach und preiswert das Längsströ mungsprinzip für die Kühlung realisieren. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Zylinderkopftemperatur und die Effizienz der Kühlung. Auch kann eine gute Durchströmung mit weniger Energieaufwand erzielt werden. Das Kühlwasser kommt vom nicht dargestellten Motorblock am Ende des Zylinderkopfes (im Bereich des letzten Zylinders) durch entsprechende Ausnehmungen der nicht dargestellten Zylinderkopf dichtung und fließt durch den Längskühlkanal und durch den motorblockseitigen Wasserraum in Richtung Zylinderkopfvorderseite. In dem vorderen Bereich des nicht dargestellten Zylinderkopfes kann das Kühlwasser entweder durch den oberen Teil des nicht dargestellten Zylinderkopfdeckels zum Kühler fließen, was die Entlüftung des Kühlsystems vereinfacht, oder durch den vorderen Teil des Zylinderkopfes (abhängig davon, wie die Nebenaggregate angeordnet sind und ob der Kettenkastendeckel integriert ist oder nicht).

Claims

1. Im Druckgießverfahren herstellbarer Leichtmetall-Querstrom-Zylinderkopf für eine flüssigkeits gekühlte fremdgezündete Viertakt-Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, der aus einem Hauptteil (1) besteht, als Druckgußteil ausgebildet ist und

1. mit drei in V-Stellung hängenden Ventilen pro Zylinder ausgestaltet;
2. wobei je Zylinder zwei Einlaßventile (3 und 4) meistens parallel entsprechend dem einlaßseitigen V-Schenkel und
3. ein Auslaßventil (2) entsprechend dem auslaßseitigen V-Schenkel sowie
4. das Auslaßventil in einer mit der Zylinderachse identischen Ebene zwischen den beiden Einlaßven tilen, angeordnet sind und
5. eine Zündkerze (9), unter einem größeren Winkel zur Zylinderachse als die Einlaßventile, zwischen den Ventilen und dem Einspritzventil (14) in der Mitte des Brennraumes angeordnet, und
6. ein Einspritzventil (14) zwischen Zündkerze (9) und Zylinderwand, gegenüber dem Auslaßventil (2), angeordnet und
7. mit in einer Reihe angeordneten Brennräumen (17) und
8. mit einem rings um die Brennräume angeordneten, motorblockseitig offen, ausgebildeten Wasser raum (21), und
9. mit einem vorgegossenen Längskühlkanal (22), der parallel zur Brennraumreihe und zwischen die ser Reihe und der Ventilfederreihe angeordneten ist, und
10. mit einer Längskühlbohrung (27), die (bei Bedarf) zwischen die Einlaßkanäle (15, 16) und das Einspritzventil (14), auch parallel zur Brennraumreihe, gebohrt ist, und
11. mit Steigkanälen (24 und 25) quer zur Brennraumreihe zwischen dem Wasserraum (21) und dem Längskühlkanal (22), und
12. mit, wegen thermischer Abkoppelung der Auslaßkanäle (20) von den Ölräumen (29 und 30), vorgegossenen Ausnehmungen (28),

dadurch gekennzeichnet,

1. daß, die Einlaßventilsitze (12 und 13) und die dazugehörigen Ventilteller der Einlaßventile (3 und 4) unterschiedlichen Durchmesser aufweisen,
2. wobei die Einlaßventilschäfte, die vorzugweise parallel zueinander und parallel zur Zylinderachse (5) sind, oder einen kleinen Winkel zur Einlaßseite aufweisen,
3. daß die Einlaßventile (3 und 4) und die dazugehörigen Einlaßkanäle (15 und 16), wegen unter schiedlicher Durchmesser eine leichte Asymmetrie gegenüber der Quermittelebene des Zylinders aufweisen,
4. daß die Zündkerze (9) zwischen den Einlaßventilen (15 und 16), leicht asymmetrisch gegenüber der Quermittelebene des Zylinders in der Ebene mit dem Einspritzventil (22) angeordnet ist,
5. wobei die Längsachse der Zündkerze (9) einen größeren Winkel zu der Zylinderachse (5) als die Längsachse der Einlaßventile aufweist.

2. Leichtmetall-Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Einlaßkanäle (15 und 16) und die Öffnung für das Einspritzventil (22) parallel liegen,
2. daß zwischen dem Auslaßkanal einerseits und den Ölrücklaufbohrungen (29) und dem Ölraum (30) andererseits eine Ausnehmung (28) in der Seitenwand angeordnet ist.

3. Leichtmetall Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die vorgegossene Längskühlbohrung (22) über der Reihe der Brennräume zwischen die V- förmig zueinander angeordneten Auslaßventilführungen (23) einerseits, Einlaßventilführungen (24) und die Wand der Zündkerze (9) andererseits und über dem Gewinde der Zündkerze (9) angeordnet ist,
2. sodaß die Längskühlbohrung (27) zwischen die Einlaßkanäle (15, 16) und das Einspritzventil (14), auch parallel zur Brennräumereihe, gebohrt werden kann, falls die Kühlung des Einspritzventiles nicht ausreichend ist.