DE2407528A1

DE2407528A1 - Zylinderkopf fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2407528A1
Application number: DE19742407528
Authority: DE
Inventors: Walter Rasch
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-02-16
Filing date: 1974-02-16
Publication date: 1975-09-25
Also published as: JPS5344610B2; US4011852A; IT1031451B; GB1494244A; DE2407528B2; JPS5169711A; FR2261421A1; CH587415A5; DD116658A5; FR2261421B3; SE7501689L

Description

Mas chinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 5· Februar 1974

Zylinderkopf für ,Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei nebeneinanderliegende, mit Sitzringen versehene Öffnung^für Einumd/ öder Auslaßventile vorgesehen sind.

Es ist bekannt, daß zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen hohen"thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind. Sofern die Ein- und/oder Auslaßventile im Zylinderkopf untergebracht sind, bildet die wohl am höchsten beanspruchte Stelle der allein schon aus Platzgründen schmale Stegbereich zwischen zwei yentilöffnungen, der zudem viel fach auch nur unzureichend gekühlt werden kann. Durch die zwangsläufig ungleichmäßige Erwärmung des Zylinderkopfes treten in diesem Stegbereich z.T. große Druckspannungen auf, da der den Steg bildende Werkstoff sich auszudehnen versucht, jedoch durch den kälteren TJmfangs-

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teil des Zylinderkopfes daran gehindert wird. So kommt es zu einer Stauchung des Stegbereiches bis in den plastischen Bereich hinein. Bei der nachfolgenden Abkühlung verringern sich die Druckspannungen wieder und werden schließlich infolge der vorangegangenen Stauchung im kalten zustand durch ebenfalls im Fliesbereieh liegende Zugspannungen abgelöst. Nach einer mehr oder weniger großen Anzahl von solchen Lastwechselspielen kommt es zu ersten Anrissen, und beim weiteren Betrieb sogar zu durchgehenden Rissen, durch die nicht nur der Zylinderkopf unbrauchbar wird, sondern beispielsweise bei wassergekühlten Motoren durch einen v/ass er einbruch das gesamte Triebwerk zerstört v/erden kann.

Die beschriebenen Wärmespannungen werden außerdem von Spannungen überlagert, die durch den sich verändernden Lastbereieh des Motors auftreten. Schließlich wird der Stegbereich zusätzlich beansprucht wenn, wie üblich, ein Auslaßventil neben einem Einlaßventil angeordnet ist, denn der Auslaßkanal weist entschieden höhere Temperaturen alu der Einlaßkanal auf. b

Um die Rissbildung in den Stegen zwischen zwei Ventilen zu verhindern, hat man in diesem Bereich den Zylinderkopfboden brennraumseitig bereits mit engen Dehnspalten versehen, die etwa so tief wie die Hälfte der Zylinderkopfbodendicke sind.

Dadurch wurden zwar die Spannungen an der Oberfläche ausgeglichen, jedoch füllten sich diese Dehnspalten in kurzer Zeit mit harten Verbrennungsrückständen und wurden unwirksam.. Außerdem konnte immer noch am Grund der Dehnspalten eine Rißbildung nicht vollständig vermieden werden.

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Gemäß der PT-PS 1 001 860 ist es bekannt geworden, die beschriebenen Dehnspalte mit einem Blechgerüst auszufüllen, welches ohne metallische Verbindung in den Zylinderkopf eingegossen ist. Hierdurch konnten sich die Spalte·zwar nicht mehr zusetzen, jedoch die Rißbildung am Grund derselben wurde ebenfalls nicht vermieden. Diese Gefahr konnte auch durch eine Umbördelung der Bleche bzw. des Gerüstes von verhältnismäßig kleinen Radius am Grund der Dehnspalte nicht abgestellt werden.

In Weiterverfolgung des gleichen Gedankens wurde schließlich durch die I>T-PS 1 294 093 bekannt, die,. Dehnspalte auf ihrem Grund in einen zu einer rechtwinkelig zur Zylinderlängsachse zylinderseitig liegenden Ebene symmetrischen, schwach konkav gekrümmt verlaufenden Bogen übergehen zu lassen. Die Dehnspalten biegen also gleichermaßen in die Wirkungsebenen der Spannungen ein und verlaufen in dieser allgemeinen Richtung ohne sprunghafte Richtungsänderung über eine nennenswerte Strecke. Die T- oder winkelförmigen Dehnspalte, die.ebenfalls mit Blechen ausgelegt sind, haben zwar eine weitere Verbesserung gebracht, jedoch konnten durch sie die Spannungen im Inneren des Steges dennoch nicht voll vermieden werden und es wurden auch weiterhin Anrisse festgestellt. Auch hat sich herausgestellt, daß der Lösungsgedanke relativ schwer in die Praxis umsetzbar und die Ausführung daher im Verhältnis zu dem erreichten Erfolg teuer ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art das Auftreten von Stegrissen mit möglichst einfachen und billigen Mitteln in jedem Falle zu verhindern.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Sitzring an der dem benachbarten Sitzring zugewandte« Seite an seiner Außenfläche eine tangentiale Abflachung aufweist und daß die Sitzringe mit diesen Abflachungen un-

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mittelbar aneinander anliegen.

Bei Vorhandensein von mehr als zwei nebeneinanderliegenden mit Sitzringen versehenen Öffnungen in einem Zylinderkopf weisen die Sitzringe an ihren Außenflächen jeweils zwei Abflachungen auf, wobei die mit zwei Abflachungen versehenen Sitzringe an jeweils einer Abflachung von zwei benachbarten Sitzringen anliegen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht, daß der vom Zylinderkopf am meisten beanspruchte Teil, nämlich der Steg zwischen zwei Ventilen, vollkommen entfällt, so daß auch keine Spannungen und Risse in diesen mehr auftreten können, die im Laufe der Zeit zur Zerstörung des gesamten Zylinderkopfes führen können. Die Abflachungen bringen genügend Material zwischen je. zwei Ventilsitzöffnungen, um den Steg zu ersetzen. Da die Sitzringe aus einem anderen Material ( legierter Grauguß mit hoher Festigkeit, erhöhter Warmfestigkeit und Härte ca. 400 HV ) wie der Zylinderkopf ( beispielsweise Grauguß mit einer Härte von 200 bis 240 HB ) bestehen und gegenüber diese«! an allen Stellen eine nahezu gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung erfahren, können sie einer Rißbildung nicht unterliegen. Hier kommt noch hinzu, daß jeder Sitzring getrennt hergestellt und in den Zylinderkopf eingepreßt ist, so daß auch unterschiedliche Temperaturen, wie beispielsweise beim Ein- und Auslaßventil, nicht zur Wirkung kommen. Schließlich darf nicht unerwähnt bleiben, daß die aufgezeigte Ausführung einfach und billig in der Herstellung ist, denn der Zylinderkopf als Gußteil ist erheblich einfacher und die Herstellung der Sitzringe praktisch nicht teurer als bisher.

Die Abflachungen verlaufen, um möglichst gleiche Größen zu erhalten, vorteilhaft jeweils senkrecht zu der die Mit-

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telpunkte der beiden Öffnungen miteinander verbindenden Achse und reichen über die gesamte Höhe der Sitzringe. Durch das letztgenannte Merkmal wird nicht nur die Aussparung für die Sitzringe und die Herstellung derselben vereinfacht, es wird vor allem der besagte gefährdete Steg so weit zurückgezogen, daß er ausreichend gekühlt v/erden kann und vollkommen außerhalb der Spannungszone liegt.

Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das Verhältnis der Länge der tangentialen Abflachung zum mittleren Durchmesser der jeweils nebeneinander liegenden Sitzringe etwa 1:5 zu wählen. '. --■ ■

Schließlich wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen., den Innendurchmesser der Sitzringe zentrisch, wie üblich, oder auch exzentrisch zum Außendurchmesser vorzusehen. Durch letztgenannte Maßnahme kann vor allem bei einem etwas grösseren Abstand zwischen zwei Ventilöffnungen Material für den Sitzring gespart und dieser selbst elastischer bezüglich der Wärmeausdehnung gehalten v/erden.

Einzelheiten der Erfindung können aus der nachfolgenden Beschreibung von drei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen entnommen werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung von zwei Sitzringen gemäß der Erfindung ,

Pig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Zylinderkopfes mit der Anordnung der Sitzringe nach Fig. 1,

Pig. 3 die Anordnung von zv/ei Sitzringen gemäß Fig. 1, jedoch mit exzentrischen Innendurchmessern,

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Fig* 4 die Anordnung von vier Sitzringen gemäß der Erfindung .

In. Fig. List ein Sitzring 1 für ein Auslaßventil und ein v/eiterer, im Durchmesser etwas größerer Sitzring 2 für ein Einlaßventil angedeutet, deren Außenflächen 3 und 4 an den einander zugewandten Seiten jeweils eine tangentiaie Abflachung 5 aufweisen. Mit diesen tangentialen Abflachungen 5 liegen die beiden Sitzringe 1, 2 aneinander an. Die Länge L der Abflachungen 5» die zum besseren Verständnis in allen Figuren etwas übertrieben groß dargestellt ist, wird zweekmäßigerweise derart gewählt, daß sie zum mittleren Durchmesser der aneinanderliegenden Sitzringe in einem Verhältnis von etwa 1:5 steht. Bei üblichen Sitzringen mit etwa 50 bis 60 mm Durchmesser kommt also eine Länge von etwa 10 mm in Frage. Die Abflachungen 5 verlaufen senkrecht zu der die Mittelpunkte der Ventilsitze miteinander verbindenden Achse x, wodurch ihre Längen nahezu gleich sind.

2 zeigt einen Seil eines wassergekühlten z^linderkopfes 6, in dem die Sitzringe 1, 2 durch Unterkühlung eingepreßt sind. Die Höhe H der Sitzringe 1, 2_/welche sich natürlich vor allem nach der Ausbildung der Ventile richtet,· ist in jedem Falle so groß gewählt, daß der zwischen den beiden öffnungen 7, 8, welche hier den Aus- und Einlaß kanal darstellen, noch verbleibende Steg 9 außerhalb .der Spannungszone liegt und gut gekühlt werden kann.

In Fig. 3 sind wieder die Sitzringe 1, 2 mit den an ihren Außenflächen 3, 4 vorgesehenen Abflachungen 5 zu erkennen, jedoch sind die Innendurchmesser d der Sitzringe 1., 2 ge-genüber ihren Außendurchmessern D exzentrisch angeordnet, wodurch der Abstand der Ventile vergrößert werden kann.

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4 schließlich zeigt, wie die Erfindung auch bei Anordnung von vier Ventilen in einem Zylinderkopf angewendet werden kann. In einem solchen Falle weisen die Außenflächen 3, 4 der Sitzringe 1, 2 jeweils zwei Abflachungen 5 auf, mit denen sie an den jeweils benachbarten Sitzringen anliegen.

Es wird ausdrücklich noch erwähnt, daß die Erfindung nicht nur auf die Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll. Auch bei etwaigen Bohrungen für beispielsweise Einspritzdüsen oder Zündkerzen, welche mit einem Sitzring versehen sind und in nur geringem Abstand zu einem Ventilsitzring liegen, kann der Gedanke Anwendung finden.

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Claims

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 5. Februar 1974

Patentansprüche

1. zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei nebeneinander liegende, mit Sitzringen versehene Öffnungen für Ein- und/oder Auslaßventile vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sitzring (1, 2) an der dem benachbarten Sitzring (1, 2) zugewandten Seite an seiner Außenfläche (3, 4) eine tangentiale Abflachung (5) aufweist und daß die Sitzringe (1,2) mit diesen Abflachungen (5) unmittelbar aneinander anliegen.

2. zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorhandensein von mehr als zwei nebeneinander liegenden, mit Sitzringen (1> 2) versehenen öffnungen (7, 8) im Zylinderkopf (6) die Sitzringe (1, 2) an ihren Außenflächen (3, 4) jeweils zwei Abflachungen (5) aufweisen, und daß die mit zwei Abflachungen (5) versehenen Sitzringe (1, 2) an jeweils einer Abflachung (5) von zwei benachbarten

Sitzringen (1, 2) anliegen.

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!). zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 _;und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachungen (5) jeweils senkrecht zu der die Mittelpunkte der beiden Öffnungen (7, 8 ) miteinander verbindenden Achse (x) verlaufen.

4. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß" die tangential en Abflachungen (5) über die gesamte Höhe (H) der Sitzringe (1, 2) verlaufen.

5. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L) der tangentialen Abflachung (5) zum mittleren Durchmesser der Sitzringe (1, 2) etwa 1:5 beträgt.

6. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (d) der Sitzringe (1, 2) wie an sich bekannt zentrisch zum Außendurchmesser (D) vorgesehen ist.

7. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (d) der Sitzringe (1, 2) exzentrisch zum Außendurchmesser (D) vorgesehen ist.

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