DE2407528B2 - Zylinderkopf fuer brennkraftmaschinen mit sitzringen fuer ventile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei nebeneinander liegende, mit in Ausnehmungen des Zylinderkopfes eingepreßten Sitzringen versehene Öffnungen für Ein- und/oder Auslaßventile vorgesehen sind, wobei jeder Sitzring an der dem benachbarten Sitzring zugewandten Seite seiner den größten Durchmesser bildenden Außenfläche eine parallel zur Ausnehmungsachse verlaufende ebene Abflachung aufweist und der auf ihren größten Durchmesser bezogene Mittenabstand der zwei Sitzringe geringer als die Summe der Radien ihrer Außenfläche ist.

Zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen sind bekanntlich hohen thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt. Die wohl am höchsten beanspruchte Stelle bildet dabei eier allein schon aus Platzgründen schmale Stegbereich zwischen zwei Ventilöffnungen, der zudem vielfach 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 Werkstoffsich auszudehnen versucht, jedoch durch den kälteren Umfangsteil 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 Fließbereich liegende Zugspannungen abgelöst. Nach einer mehr oder weniger großen Anzahl von solchen Lastwechselspieien 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 Wassereinbruch das gesamte Triebwerk zerstört werden kann.

Die beschriebenen Wärmespannungen werden außerdem von Spannungen überlagert, die durch den sich verändernden Lastbereich 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 als der Einlaßkanal

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 Dehnspalien eine Rißbildung nicht vollständig vermieden werden.

Gemäß der DT-PS 10 0) 860 wurden die beschriebenen Pehnspalten mit einem Blechgerüst ausgefüllt, 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 nicht vermieden. Auch durch eine Umbördelung der Bleche bzw. des Gerüstes von verhältnismäßig kleinen Radius am Grund der Dehnspalten änderte sich daran nichts.

In Weiterverfolgung des gleichen Gedankens wurde durch die DT-PS 12 94 093 bekannt, die Dehnspalten auf ihrem Grund in einen zu einer rechtwinkelig zur Zylinderlängsachse zylinderseitig liegenden Ebene symmetr.sehen, 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 Dehnspalten, 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 Annsse 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.

Schließlich wurde, wie eingangs bereits beschrieben, durch die GB-PS 7 00 846 ein Zylinderkopf bekannt, bei dem jeder Sitzring an der dem benachbarten Sitzring zugewandten Seite seiner den größten Durchmesser bildenden Außenfläche eine parallel zur Ausnehmungsachse verlaufende ebene Abflachung aufweist. Der größte Außendurchmesser dieser Silzringe ist dabei auf der dem Brennraum zugekehrten Seite vorgesehen. Nach oben hin, also an der dem Brennraum abgewandten Seite sind die Sitzringe stark stufenförmig abgesetzt und diese abgesetzten Teile sind fest in Ausnehmungen des Zylinderkopfes eingepreßt. Dadurch liegen auch die die Absätze bildenden, parallel zur Zylinderkopfunterseite laufenden Flächen fest im Zylinderkopf an. Im Bereich der größten Außendurchmesser

üegen die Sitzringe mit Spiel in Ausnehmungen des Zylinderkopfes, wobei dieses Spie! auch für die einander zugekehrten ebenen Abflachungen gilt, tin solches Spie! ist durchaus mit den bereits erwähnten Dehnspalten zu vergleichen, denn es wird sich schon nach kurzer Zeit mit harten Verbrennungsrückständen zusetzen und damit unwirksam werden. Ferner hat speziell der Spalt bzw. das Spiel zwischen den ebenen Flachen den Nachteil, daß der Zylinderkopfsteg auch weiterhin direkt den im Brennraum herrschenden Temperaturen ausgesetzt ist. so daß Rißbildungen nach wie vor nicht unterbunden werden. Durch die hochgezogenen und erst mit ihrem oberen Teil in den Zylinderkopfboden eingepreßten Sitzringe bleibt der Steg zwischen beiden auch weiterhin nur sehr schmal und kann daher nur unzureichend gekühlt werden, so daß sich auch in dieser Beziehung keine Verbesserung ergibt. Schließlich darf nicht übersehen werden, daß die Herstellung und Einpassung der Sitzringe nach der genannten GB-PS teuer und kompliziert ist und keine Garantie für einen immer dichten Abschluß der Ventile infolge Verziehen der Sitzringe bieiet.

Aufgabe der Erfindung ist es, all die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Zylinderkopf der eingangs "nd vorstehend beschriebenen Art dahingehend auszubilden, daß mit einfachen und billigen Mitteln vor allem das Auftreten von Stegrissen in jedem Falle verhindert wird.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sitzringe über ihre gesamte Höhe mit ihrem Außendurchmesser in die Ausnehmungen eingepreßt sind und daß sich die Abflachungen über die gesamte Höhe der Sitzringe erstrecken und fest aneinander anliegen.

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

Durch die erfindungsgemä3e Ausbildung wird erreicht, daß der vom Zylinderkopf am meisten beanspruchte Teil, nämlich der Steg zwischen zwei Ventilen, vollkommen entfällt und auch nicht unmittelbar den Temperaturen im Brennraum ausgesetzt ist. so daß auch keine Spannungen und Risse in ihm mehr auftreten können, die im Laufe der Zeit zur Zerstörung des gesamten Zvlinderkopfes führen können. Hinzu kommt, daß der Kühlraum zwischen den Ötfnungen für die Ventile durch die Ausbildung der Sitzringe wesentlich weiter an den Brennraum herangeführt werden kann. Die Abflachungen der Sitzringe bringen genügend Material zwischen je zwei Ventilsitzöff'iungen. um den Steg /Li 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 diesem 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 eingcpre'i; ist. so uaß auch unterschiedliche Temperaturen, aw beispielweise beim Ein- und Ausiaiivemi!. nicht zur '->_■, Wirkung kommen. Schließlich darl nicht unerwähnt bleiben, daß die aufgezeigte Ausführung einfach und billig in der Herstellung ist, denn der Zylinderkopf als Gußteil ist erheblich einfacher und die Form der Sitzringe absolut unkompliziert.

Die Abflachungen verlaufen, um möglichst gleiche Größen zu erhalten, wie beim Gegenstand der GB-PS 7 00 846 jeweils senkrecht zu der die Mittelpunkte dtr beiden öffnungen miteinander verbindenden Achse.

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 in weiterer Ausbildung der Erfindung noch vorgeschlagen, den Innendurchmesser der Sitzringe auch exzentrisch zum Außendurchmesser vorzusehen. Durch diese 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 werden.

Den Gegenstand der Erfindung weiter ausbildende Einzelheiten können aus der nachfolgenden Beschreibung von drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen entnommen werden. Es zeig!

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

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Zvlinderkopfes mit der Anordnung der Sitzringe nach F'ig. 1.

Fig. 3 die Anordnung von zwei Sitzringen gemäß F i g. !,jedoch mit exzentrischen Innendurchmessern.

F i g. 4 die Anordnung von vier Sitzringen gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Sitzring 1 für ein Auslaßventil und ein weiterer, im Durchmesser etwas größerer Sitzring 2 für ein Einlaßventil angedeutet, deren Außenflächen 3 und 4 an den einander zugewandten Seiten jeweils eine ebene Abflachung 5 aufweisen. Mit diesen ebenen Abfiachungcn 5 liegen die beiden Sitzringe 1, 2 aneinander an. Die Länge L der Abflachungen 5, die zum besseren Verständnis in allen Figuren etwas übertrieben grüß dargestellt ist, wird zweckmäßigerweise 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 v. wodurch ihre Längen nahezu gleich sind.

F i g. 2 zeigt einen Teil eines wassergekühlten Zvlinderkopfes 6, in dem die Sitzringe I, 2 durch Unterkühlung eingepreßt sind. Die Höhe // der Sit/ringe 1, 2, welche sich natürlich vor allern 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 Einlaßkanal 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 /u erkennen, jedoch sind die Innendurchmesser d der Sit/ringe 1, 2 gegenüber ihren Außendurchmessern D exzentrisch angeordnet, wodurch der Abstand der Ventile vergrößert werden kann.

F i g. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   I. Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei nebeneinander liegende, mit in Ausnehmungen des Zylinderkopfes eingepreßten Sitzringen versehene öffnungen für Ein- und/oder Auslaßventile vorgesehen sind, wobei jeder Sitzring an der dem benachbarten Sitzring zugewandten Seite seiner den größten Durchmesser bildenden Außenfläche eine parallel zur Ausnehmungsachse verlaufende ebene Abflachung aufweist und der auf ihren größten Durchmesser bezogene Mittenabstand der zwei Sitzringe geringer als die Summe der Radien ihrer Außenfläche ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzringe (1,2) über ihre gesamte Höhe (H) mit ihrem Außendurchmesser in die Ausnehmungen eingepreßt sind und daß sich die Abfiachungen (5) über die gesamte Höhe der Sitzringe erstrecken und fesi aneinander anliegen.
2. 2. Zylinderkopf nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von mehr a/s zwei nebeneinander liegenden, mit Sitzringen (I, 2) versehenen öffnungen (7,8) im Zylinderkopf (6) die Sitzringe (I, 2) an ihren Außenflächen (3, 4) jeweils zwei Abflachungen (5) aufweisen und daß die mit zwei Abfiachungen (5) versehenen Sitzringe (i, 2) an jeweils einer Abflachung (5) von zwei benachbarten Sitzringen (1,2) anliegen.
3. 3. Zylinderkopf nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L) der Abflachung (5) zum mittleren Durchmesser der Sitzringe (1,2) etwa 1:5 beträgt.
4. 4. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innendurchmesser (d) der Sitzringe (1,2) exzentrisch zum Außendurchmesser (D) vorgesehen ist.