DE2711136C2

DE2711136C2 - Leichtmetallzylinderkopf für eine luftgekühlte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2711136C2
Application number: DE19772711136
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. 5000 Köln Herrmann; Leo Dipl.-Ing. 5039 Geiß Lichtblau; Albert 5000 Köln Nolte; Herbert 5040 Brühl Schleiermacher; Anton 5000 Köln Schmitz
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1977-03-15
Publication date: 1984-11-29
Also published as: DE2711136A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallzylinderkopf für eine luftgekühlte Brennkraftmaschine mit Ventilen zur Steuerung des Gaswechsels, in dessen Boden im Bereich höherer Betriebstemperaturen, insbesondere im Steg zwischen den Ventilen, in metallischer Bindung mit dem Leichtmetallumguß ein Einsatz eingegossen ist.

Bei Zylinderköpfen von luftgekühlten Brennkraftmaschinen ergeben sich durch die unterschiedlichen Temperaturen von Frischgas und Abgas und damit von Einlaß- und Auslaßkanälen bzw. Einlaß- und Auslaßventilen, sowie durch die Wärmezufuhr vom Brennraum her sehr unterschiedliche Betriebstemperaturen im Zylinderkopfboden. Aufgrund des allgemein hohen Temperaturniveaus bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen gilt der Steg zwischen den Ventilen als die besonders gefährdete Stelle, an der die höchsten Temperaturspannungen auftreten. Durch die starke Gliederung des Zylinderkopfes mit seinen vielen Funktionsteilen lassen sich an Stellen mit hohen Temperaturen nicht genügend Kühlrippen anbringen, um die unterschiedlichen örtlich anfallenden Wärmemengen wirkungsvoll abzuführen. Die Folge ist, daß für besonders gefährdete Stellen mitunter die zulässige Warmfestigkeitsgrenze überschritten wird, so daß es zu Deformationen des Zylinderkopfes kommt. Insbesondere entstehen beim Abkühlen des Zylinderkopfes aufgrund der starken vorhergegangenen Wärmedehnungen Zugspannungen, die zu Rissen beispielsweise im Ventilsteg führen. Damit ergeben sich in der Regel undichte Auslaßventile und Durchblasespalte an der Dichtfläche des Zylinders, wodurch ein Zylinderkopf binnen kurzer Zeit völlig unbrauchbar wird.

In der DE-PS 10 01 860 ist auf einen Stand der Technik Bezug genommen, nach dem Leichtmetallzylinderköpfe für luftgekühlte Brennkraftmaschinen nach der Brennraumseite zu mit einem Blechgerüst ausgekleidet sind, welches eine metallische Bindung mit dem Leichtmetallumguß eingeht und die gefährdeten Stellen des leichtmetallenen Teiles des Zylinderkopfes schützen soll. Dabei hat man auch schon den leichtmetallenen Steg zwischen den Ein- und Auslaßöffnungen von außen her angeschlitzt Infolge der verschiedenen Wärmedehnung zwischen dem Blechgerüst und dem leichtmetallenen Teil des Zylinderkopfes tritt hier — wie sich herausgestellt hat — eine Störung in der Wärmeübertragung ein. Insoweit war mit diesem Vorschlag keine befriedigende Lösung für die Wärmeprobleme eines luftgekühlten Leichtmetallzylinderkopfes gegeben. Der Gegenstand dieser Druckschrift selber besteht in

ίο der Gestaltung eines luftgekühlten Leichtmetallzylinderkopfes, in dessen Boden zum Schutz des Steges brennraumseitigenge Dehnspalte vorgesehen sind, welche durch ein ohne metallische Bindung eingegossenes Blechgerüst ausgefüllt sind. Diese Gestaltung dient der Vermeidung der unerwünschten Stegrisse und geht von den gegebenen Temperaturverhältnissen im luftgekühlten Zylinderkopf aus, ohne in bezug auf diese Temperaturverhältnisse einan Ansatz zur Bekämpfung der Schadensursache, nämlich der hohen Temperaturdifferenzen und der damit verbundenen Spannungen zu liefern.

Aus der DE-OS 25 15 160 ist ein Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Stegpartie auf der kühlmittelbespülten Seite mit einer von einem Blech ausgefüllten Fuge versehen ist, welches Blech in den Kühlmittelstrom hineinragt Dadurch soll die Gefährdung der Stegpartie einerseits durch eine Herabsetzung der Stegtemperätur und andererseits durch eine größere Nachgiebigkeit der kälteren umgebenden Wandpartien vermindert werden.

Aus der DE-OS 19 50 704 ist ein Zylinderkopf für eine luftgekühlte Brennkraftmaschine bekannt, bei dem im Bereich der Stegzone zwischen den Ventilen ein sogenanntes Wärmerohr eingesetzt ist. Dies ist deshalb nachteilig, weil das Wärmerohr einen erheblichen Raumbedarf hat und damit die Optimierung der Zylinderkopfkonstruktion in bezug auf Gaskanalführungen und Lage des Einspritzventiles beeinträchtigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Leichtmetallzylinderkopf der eingangs genannten Art die durch die unterschiedlichen Temperaturen von Frischgas und Abgas bzw. durch das hohe Temperaturgefälle zwischen Brenngasen und Kühlluft vorgegebenen Temperaturdifferenzen, insbesondere die örtlichen Hochtemperaturbereiche im Bereich des Zylinderkopf bodens und dort im Bereich der Stegzone, abzubauen und eine gleichmäßige Wärmeverteilung und Wärmeabfuhr in diesem Bereich zu erzielen.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Einsatz ein beispielsweise aus Kupfer bestehender Metallkörper ist, der sich vom Ventilsteg in beide Richtungen um die Ventilöffnungen hin ausdehnt und bis in die kühleren Nachbarzonen hineinreicht

Durch diese Ausbildung wird die Temperaturspitze im Bereich der Stegzone abgebaut und die Wärme wirk sam verteilt Die bessere Temperaturverteilung bewirkt eine Senkung der Höchsttemperatur und einen größeren Sicherheitsabstand von der zulässigen Warmfestigkeitsgrenze. Dieser Sicherheitsabstand kann zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine genutzt werden.

Bei unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leichtmetall und dem Einsatz ist es vorteilhaft, wenn der Metallkörper als Iamelliertes Paket ausgebildet ist, dessen Lamellen quer zur Haupt dehnungsrichtung angeordnet sind.

Die zunächst fest aufeinander gepreßten Lamellen des Metallkörpers können sich dabei mit zunehmender Wärmedehnung um einen kleinen Spalt öffnen, um der

stärkeren Wärmedehnung des Leichtmetalles nachzugeben.

Um die wirkungsvolle Wärmeabfuhr vom Zylinderkopfboden an die Kühlluft zu erreichen, kain nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Metallkörper kühlluftseitig aus dem Zylinderkopfbc4en herausragen oder mit dem Zylinderkopf boden abschließen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt

Abb. 1 zeigt einen Leichtmetallzylinderkopf einer luftgekühlten Brennkraftmaschine im Querschnitt durch die Ventilkanäle,

A b b. 2 zeigt den in A b b. 1 gezeigten Zylinderkopf in der Ansicht auf den Zylinderkopfboden von der Brennraumseite her.

In A b b. 1 ist ein Zylinderkopf 1 im Schnitt durch den Ein- und Auslaßkanal 2,3 dargestellt Der zwischen den beiden Kanälen 2, 3 verbleibende Ventilsteg 4 wird durch die Lage des mittig im Kolbenboden ^zeichnerisch nicht dargestellt) angeordneten Brennraums stark aufgeheizt Eine weitere unerwünschte Aufheizung des Ventilsteges 4 erfolgt vom Auslaßkanal 3 her. Dadurch sind der Ventilsteg 4 und der Bereich um den Auslaßkanal 3 besonders gefährdet Zur besseren Wärmeverteilung ist in den Ventilsteg 4 ein Metallkörper 5 aus Kupfer eingegossen, der sich vom Ventilsteg 4 in beide Richtungen um die Ventilöffnungen hin ausdehnt. Der Metallkörper 5 ist allseitig vom Leichtmetall des Zylinderkopfbodens 7 umgeben, so daß er als tragendes Element mit dem Zylinderkopfboden verbunden ist und diesen nicht schwächt, wie es bei Kühlkanälen und Kühhäumen der Fall ist. Oberhalb des eingegossenen Metallkörpers 5 geht der Zylinderkopfboden 7 in Kühlrippen 6 über, die dem durch die Mitte des Zylinderkopfes geführten Luftstrom ausgesetzt sind. Abweichend von der zeichnerischen Darstellung kann der Metallkörper 5 auch aus dem Zylinderkopfboden 7 herausragen und in die Kühlrippen übergehen. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Zylinderkopfbodens 7 wird an den heißesten Stellen des Zylinderkopfes die Temperatur gesenkt und die Wärme in Bereiche mit niedrigerer Temperatur abgeleitet, so daß die höchstzulässige Bauteiltemperatur nicht überschritten wird.

In A b b. 2 ist der in A b b. 1 gezeigte Zylinderkopf 1 in der Ansicht auf den Zylinderkopfboden 7 dargestellt. Die Umrißlinie 8 des Metallkörpers 5 zeigt dessen Ausdehnung zum Ventilsteg 4 und zum Auslaßkanal 3, um die Temperaturcpitzen in diesen Bereichen zum kühleren Rand 9 des Zylinderkopfbodens 7 und zum Einlaßkanal 2 abzuleiten.

Um unterschiedliche Dehnungen zwischen dem Leichtmetall des Zylinderkopfes 1 und dem eingegossenen Metallkörper 5 aufzufangen, kann der Metallkörper 5 aus einem dicht aufeinander gepackten Lamellenpaket bestehen, dessen Schichtlinien parallel zur Linie 10 verlaufen. Bei starker Dehnung des Zylinderkopfbodens 7 können sich die im Anfang fugenlos geschichteten Lamellen um einen winzigen Betrag voneinander abheben, um die Spannungen im Zylinderkopfboden trotz des Verbundgusses gering zu halten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leichtmetallzylinderkopf für eine luftgekühlte Brennkraftmaschine mit Ventilen zur Steuerung des Gaswechsels, in dessen Boden im Bereich höherer Betriebstemperaturen, insbesondere im Steg zwischen den Ventilen, in metallischer Bindung mit dem Leichtmetallumguß ein Einsatz eingegossen ist, d a -durch gekennzeichnet, daß der Einsatz ein beispielsweise aus Kupfer bestehender Metallkörper (5) ist, der sich vom Ventilsteg (4) in beide Richtungen um die Ventilöffnungen hin ausdehnt und bis in die kühleren Nachbarzonen hineinreicht

2. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (5) als iamelliertes Paket ausgebildet ist» dessen lamellen quer zur Hauptdehnungsrichtung angeordnet sind.

3. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (5) kühlluftseitig aus dem Zylinderkopfboden (7) herausragt oder mit dem Zylinderkopfboden (7) abschließt