DE2816923C2 - Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei am brennraumseitigen Ende mit Ventilsitzringen versehene Gaswechselkanäle vorgesehen sind, wobei der Steg zwischen den Ventilsitzringen durch eine Platte, die in so einer Ausnehmung an der Stirnseite des Zylinderkopfes angebracht ist, vom Brennraum abgeschirmt ist und die Platte, die als Wärmeschutzschild für den Steg ausgebildet ist, an der Wand des Zylinderkopfes und wenigstens im Bereich des Steges an den AuBendurchmessern der Ventilsitzringe anliegt

Zylinderköpfe von Brennkraftmaschinen sind bekanntlich hohen thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt Die wohl am höchsten beanspruchte Stelle bildet dabei der allein schon aus Platzgründen schmale Stegbereich zwischen zwei Gaswechselkanälen, der zudem vielfach auch nur unzureichend gekühlt werden kann. Durch die zwangsläufig ungleichmäßige Erwärmung des Zylinderkopfes treten in diesem Stegbereich zum Teil große Druckspannungen auf, da der den Steg bildende Werkstoff sich auszudehnen versucht, jedocli durch den kälteren Umfangsteil des Zylinderkopfes daran gehindert wird.

So kommt es zu einer Stauchung des Stegberejehes 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 Lastwechselspielen kommt es zu ersten Anrissen, die 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 auf.

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 Zylinderkopfbodenmitte 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.

Gemäß der DE-PS 10 01 860 wurden die beschriebenen Dehnspalten mit einem Blechgerüst ausgefüllt, welches ohne metallische Bindung 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 kleinem Radius am Grund der Dehnspalten änderte daran nichts.

In Weiterverfolgung des gleichen Gedankens wurde durch die DE-PS 12 94 093 bekannt, die Dehnspalten auf ihrem Grund in einen zu einer rechtwinkelig zur Zylinderlängsachse zylinderseitig liegenden Ebene symmetrischen, schwach konkav gekrümmt laufenden 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 vollständig 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

Durch die DE-AS 24 07 528 wurde 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. Die Sitzringe werden derart in Ausnehmungen des Zylinderkopfes eingepreßt, daß sie mit ihren Abflachungen fest aneinander anliegen. Bei dieser Ausführung hat sich gezeigt, daß die Herstellung

kompliziert ist, deim es darf kein Spalt entstehen, andererseits aber dürfen auch keine zu hohen Spannungen auftreten.

Schließlich wurde, wie eingangs beschrieben, durch die DE-OS 24 59 186 ein Zylinderkopf bekannt, bei dem der Steg zwischen den Ventilsitzringen durch ein Wärmeschutzschild vor der unmittelbaren Einwirkung der Verbrennung geschützt wird. Dieses Wärmeschutzschild wird entweder von einem der Gaswechselkanäle aus in Führungen eingeschoben oder von der Zylinderkopfwand aus eingedreht und durch die Sitzringe festgehalten bzw. fixiert Es besteht aus warmfestem Werkstoff und ist gerade so groß, daß es die gefährdete Zone abdeckt Eine derartige Anordnung schützt den Steg zwar vor unmittelbarer Feuerein wirkung, die auftretende Wärme wird jedoch nach wie vor in ihn eingeleitet wo sie nur sehr schlecht abführbar ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf dahingehend zu verbessern, daß eine einwandfreie Wärmeabfuhr aus dem Bereich des Steges zwischen dem Einlaß- und Auslaßventil erfolgt, wodurch ein Auftreten von Stegrissen ausgeschaltet ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmeschutzschild durch eine Ausnehmung im Bereich des Steges zwischen sich und der Zylinderkopfwand einen an sich bekannten thermisch isolierenden Hohlraum bildet und daß das Wärmeschutzschild im Bereich der gut kühlbaren Zylinderkopfwandteile breitflächig ausgebildet ist und an diesen Wandteilen satt anliegt JQ

Es ist zwar bekannt, isolierende Hohlräume an bestimmten Stellen im Brennraum (DE-PS 10 98 283) oder an den inneren Wänden des Zylinderkopfes (DE-OS 26 09 765) vorzusehen. In beiden Fällen will man Wärmeableitungen verhindern. Im ersten Fall will man im Brennraum an gewissen Stellen eine höhere Temperatur erzielen, um dort eine bessere Kraftstoffaufbereitung zu erreichen und im zweiten Fall will man einen absolut heißen Brennraum erhalten, aus dem so wenig wie möglich Wärme abgeführt wird Dies ist auch die Aufgabe bei der US-PS 34 08 995, bei der eine den ganzen Zylinderkopfboden abdeckende Platte aus Isoliermaterial vorliegt

Dagegen soll bei der vorliegenden Erfindung so viel wie möglich Wärme abgeführt werden. Da eine Abführung der Wärme aus dem schmalen Stegbereich aber nur unvollkommen möglich ist werden zur Verhinderung der gefürchteten Stegrisse Maßnahmen getroffen, daß erstens einmal die Wärme nicht erst so stark in den Steg eingeleitet wird und zweitens eine sehr gute Wärmeabfuhr aus dem Bereich des Steges erfolgt

Ihr Hohlraum hat vor allem den Zweck, daß die Wärme gar nicht erst in den Steg eingeleitet bzw. nur so weit eingeleitet wird, als sie für ihn absolut ungefährlich ist Ansonsten pflanzt sie sich im Wärmeschutzschild fort und geht erst in den satt an der Zylinderkopfwand anliegenden Bereichen in den Zylinderkopf über, wo sie das Kühlmittel unmittelbar aufnimmt und abführt Damit kann der Steg selbst nicht mehr übermäßig beansprucht werden. Im Bereich der gut kühlbaren Zylinderkopfwandteile ist dabei das Wärmeschutzschild breitflächig ausgebildet.

Um Störungen der Gemischbildung und Verbrennung und das Ansetzen von Ölkohle zu vermeiden, wird weiter vorgeschlagen, das Wärmeschutzschild in die in &5 der Zylinderkopfwand vorgesehene Ausnehmung einzulegen und durch Schrauben, Schweißen, Schrumpfen o. ä. zu befestigen, daß es mit dem Zylinderkopfboden eine Ebene bildet

Der Hohlraum selbst wird durch eine Ausnehmung im Wärmeschutzschild gebildet, wobei diese als eine in Richtung d<ir die Mitten der Ventilsitze verbindender, Geraden verlaufende Längsnut hergestellt oder auch nur in Richtung zur Zylinderkopfwand hin offen sein kann. Im Bereich des Steges liegt das Wärmeschutzschild, ebenfalls um Ölkohleansätze zu vermeiden, an den Außendurchmessern der Ventilsitzringe an.

Sofern mit sehr hohen Wärmespannungen im Wärmeschutzschild zu rechnen ist, wird schließlich noch vorgeschlagen, dieses in einer Ebene schräg zu der die Mitten der Ventilsitzringe verbindenden Geraden zu teilen und diese beiden Teile entweder zu überlappen oder auch nur mit einer engen Dehnfuge aneinanderstoßen zu lassen.

Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung von zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen entnommen werden. Es zeigt

F i g. 1 die Ansicht eines Zylinderkopfes nach der Erfindung von der Brennraumseite aui,

Fig.2 einen Schnitt H-II durch den Zylinderkopf nach Fig. 1,

Fig.3 ein Wärmeschutzschild anderer Ausführung von der Brennraumseite aus und

Fig.4 eine Seitenansicht des Wärmeschutzschildes nach F i g. 3.

In den F i g. 1 und 2 weist ein nur zum Teil dargestellter Zylinderkopf 1 Gaswechselkanäle, bestehend aus einem Einlaßkanal 2 und einem Auslaßkanal 3 auf, die am brennraumseitigen Ende mit Ventilsitzringen 4, 5 versehen sind. Die dem Brennraum zugekehrte Fläche des Zylinderkopfes ist mit 6 bezeichnet Zwischen den Gaswechselkanälen 2, 3 verbleibt vom Zylinderkopf 1 ein relativ schmaler Steg 7, der bekanntlich als die am höchsten beanspruchte Stelle bezeichnet wird und in dem sich immer wieder Risse bilden, zumal er noch unzureichend kühlbar ist denn der Kühlwasserraum 8 kann aus Festigkeitsgründen nicht näher an die Ventilsitzringe 4,5 herangezogen werden. Dieser Steg 7 ist von einem Wärmeschutzschild 9 überdeckt welches im kritischen Bereich eine einen isolierenden Hohlraum bildende Ausnehmung 10 aufweist und an Zylinderkopfwandteilen 11,12, die gut kühlbar sind, breitflächig ausgebildet ist Das Wärmeschutzschild wird hier, wie F i g. 2 zeigt, in eine in der Zylinderkopfwand 6 vorgesehene Ausnehmung bündig mit dem Zylinderkopfboden und durch Schrauben 13 befestigt Im Bereich des Steges 7 liegt es an den Außenflächen der Ventilsitzringe 4, 5 an und bildet so eine Abschirmung. Auf diese Weise erfolgt eine weitgehende Wärmeableitung aus dem Bereich des Steges 7 in Bereiche, wo eine gute Ableitung gegeben ist

Die F i g. 3 und 4 zeigen lediglich eine Variante des Wärmeschutzschildes, und zwar ist hier die den isolierenden Hohlraum bildende Ausnehmung 14 seitlich geschlossen und nur zum Steg 7 hin offen. Außerdem besteht das Wärmeschutzschild aus zwei Teilen 9a, 9b, die etwa in der Mitte durch eine Schrigfläche 15 überlappt sind oder unter Einhaltung einer engen Dehnfuge einanderstoßen. Derartige Ausführungen können bei Auftreten von hohen Wärmespannungen Anwendung finden.

Schließlich können auch mehrere Ausnehmungen 10, 14 angebracht sein, wenn beispielsweise auch die Einspritzdüse abgeschirmt werden soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen, in dem wenigstens zwei am brennraumseitigen Ende mit Ventilsitzringen versehene Gaswechselkanäle vorgesehen sind, wobei der Steg zwischen den Ventflsitzringen durch eine Platte, die in einer Ausnehmung an der Stirnseite des Zylinderkopfes angebracht ist, vom Brennraum abgeschirmt ist und die Platte, die als Wärmeschutzschild für den Steg ausgebildet ist, an der Wand des Zylinderkopfes und wenigstens im Bereich des Steges an den Außendurchmessern der Ventilsitzringe anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschutzschild (9) durch eine Ausnehmung (10,14) im Bereich des Steges (7) zwischen sich und der Zylinderkopfwand (6) einen an sich bekannten thermisch isolierenden Hohlraum bildet, und daß das Wärmeschutzschild (9) im Bereich der gut kühlbaren Zylinderkopfwandteile (11,12) breitflächig ausgebildet ist unda* diesen Wandteilen satt anliegt

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (10) als eine in Richtung der die Mitten der Ventilsitzringe (4, 5) verbindenden Geraden verlaufende Längsnut ausgebildet ist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschutzschild (9; 9a, 9b) durch Schrauben (13), Schweißen, Schrumpfen o. ä. befestigbar ist

4. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da? die Ausnehmung (14) nur in Richtung zur Zylinderkopfwand (6) hin offen ist

5. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeschutzschild (9; 9a, 9b) Öffnungen oder Aussparungen zum Durchführen oder Vorbeileiten einer Kraftstoff-Einspritzdüse, einer Zündkerze o. a. vorgesehen sind.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschutzschild (9a, 9b)'m einer Ebene schräg zu der die Mitten der Ventilsitzringe (4,5) verbindenden Geraden geteilt ist und daß beide Teile (9a, 9b) eine Überlappung (15) aufweisen.