DE3513126A1

DE3513126A1 - Fluessigkeitsgekuehlter vierventil-zylinderkopf fuer eine mehrzylindrige brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3513126A1
Application number: DE19853513126
Authority: DE
Inventors: Edgar 7000 Stuttgart Brütsch; Ernst 7056 Weinstadt Gobien; Gerhard Dipl.-Ing. 7022 Leinfelden Haussmann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1985-04-12
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1986-10-30
Also published as: JPS61237868A; IT8620059A1; FR2580335B1; IT1190622B; JPH0260859B2; US4658763A; IT8620059A0; FR2580335A1; DE3513126C2

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft"..- ' Daim 15 948/4

Stuttgart 18. März 1985

H EPT da-re

Fliissigkeitsgekühlter Vierventil-Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Vierventil-Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem bekannten Zylinderkopf dieser Bauart (DE-AS 24 20 051) ist der Zylinderkopfboden im wesentlichen nur über die quer verlaufenden Stützwände an der Zylinderkopfdecke abgestützt. Hierdurch ergeben sich in den Brennraumabschnitten und im besonderen Maße in den Ventilstegen aufgrund der großen Gasdrücke sowie der hohen Verbrennungstemperaturen kritische Spannungszustände, die zu Stegbrüchen bzw. Durchbiegungen des Zylinderkopfbodens führen können. Hinzu kommt, daß die Druckkräfte aus den Zylinderkopfschrauben hauptsächlich nur über die Stützwände in den Zylinderkopfboden eingeleitet werden, wodurch weder eine günstige Verteilung der Druckkräfte auf andere Zylinderkopfwände noch eine gleichmäßige Anpressung des Zylinderkopfes am Zylindergehäuse möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Zylinderkopf so auszubilden, daß bei einem gießtechnisch einfachen Aufbau eine höhere Kopfsteifigkeit, insbesondere aber eine höhere Steifigkeit der brennraumseitigen Abschnitte des Zylinderkopfbodens neben einer guten Verteilung der in diesen eingeleiteten Druckkräfte erzielt wird.

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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Längsrippe in der Zylinderkopfdecke und deren Anbindung an die rohrförmige Kammer der Zündkerze wird eine Versteifung des Zylinderkopfes, insbesondere der brennraumseitigen Bodenabschnitte erreicht. In Verbindung mit den Rippenstegen ergibt sich dabei eine günstige Verteilung der von den Spannschrauben über die Stützsäulen in den Zylinderkopfboden eingeleiteten Spannkräfte und der auf den brennraumseitigen Bodenabschnitt einwirkenden Gaskräfte. Diese werden dabei einerseits von den Kammern und der Längsrippe und andererseits von den Rippenstegen und den mit diesen verbundenen Stützwänden abgefangen, wodurch ein steifer Verband zwischen •Zylinderkopfboden und -decke und damit eine gleichmäßige Anpressung des Zylinderkopfes am Zylinderblock erreicht wird.

Durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 läßt sich die Längsrippe derart in die deckenabschnitte der Zylinderkopfdecke integrieren, daß diese auf beiden Seiten eine glatte Oberfläche hat. Die dabei durch die Längsrippe gebildete "Stufe" stört keinesfalls den Schmierölrücklauf aus dem Steuerraum bzw. die Wasserströmung im Wasserraum, da der Ölablauf aus dem Steuerraum sowie die Kühlwasserzuführung in den Wasserraum jeweils über entsprechende Öffnungen im tieferliegenden Deckenabschnitt erfolgt. Durch einen insgesamt stetig steigenden Verlauf der Deckenabschnitte können Dampfblasen restlos über die im Bereich des höherliegenden Deckenabschnittes angeordneten Auslaßöffnungen aus dem Wasserraum abgeführt werden.

Gemäß den Merkmalen des Anspruches 4 erhält die Zylinderkopfdecke in Einbaulage des Motors in vorteilhafter Weise einen etwa horizontalen Verlauf.

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Durch die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 wird insbesondere bei einem Zylinderkopf mit zwei V-förmig zueinander verlaufenden Ventilreihen und zwei im Steuerraum gelagerten Nockenwellen neben der gewünschten erhöhten Steifigkeit des Zylinderkopfbodens gleichzeitig eine erhöhte Steifigkeit des Steuerraumbereiches erzielt.

Durch die Merkmale des Anspruches 7 wird neben einer ungehinderten Verteilung der jeweiligen Flüssigkeiten in Zylinderkopflängsrichtung weiterhin eine günstige gieß- und formtechnische Gestaltung der Wasser- und Ölkerne erreicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes nach der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Figur 1 einen Teil eines zu einem Zylinder gehörenden Abschnittes des Zylinderkopfes in der Draufsicht,

Figur 2 den Zylinderkopf aus Figur 1 im Querschnitt nach der Linie H-II,

Figur 3 den Zylinderkopf aus Figur 1 im Querschnitt nach der Linie III-III,

Figur 4 den Zylinderkopf aus Figur 1 im Querschnitt nach der Linie IV-IV,

Figur 5 einen Schnitt durch den Zylinderkopf aus Figur III nach der Linie V-V.

Ein Zylinderkopf 1 für eine Mehrzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine besteht aus einem einteiligen Gußstück mit einem Zylinderkopfboden 2 und den von diesem nach oben bis zu einer Deckeltrennebene 3 ab-

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führenden längsseitigen - 4,5 und stirnseitigen Außenwänden 6. Zusammen mit dem Zylinderkopfboden 2 umschließen die Außenwände 4, 5 und 6 einen Raum, der durch eine mit Abstand vom Zylinderkopfboden 2 angeordnete Zylinderkopfdecke 7 in einen Kühlwasserraum 8 und einen darüberliegenden bis zur Deckeltrennebene 3 reichenden Steuerraum 9 unterteilt ist. In dem an sich zerklüfteten Kühlwasserraum 8 ragen quer zur Zylinderkopflängsrichtung verlaufende Ventilkanäle 10 und 11 hinein, die sich von Mündungsöffnungen 12, 13 im Zylinderkopfboden 2 bis zu den längsseiti gen Außenwänden 4, 5 erstrecken. Zwischen den Ventilkanälen 10, 11 befindet sich eine Kammer 14 zum Einsatz einer Zündkerze oder einer Einspritzdüse, die ausgehend von der Deckeltrennebene 3 den Steuer- 9 und Kühlwasserraum 8 zylinderaxial durchsetzt und etwa mittig in einen Brennraum 15 eines Zylinders ausmündet. Zwischen den einzelnen Brennräumen 15 der Zylinder erstrecken sich vom Zylinderkopfboden 2 bis zur Zylinderkopfdecke 7 reichende quer-verlaufende Stützwände 16, in deren Verlauf Stützsäulen 17 eingeformt sind, die mit durchgehenden Bohrungen 18 zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben versehen sind. Über die Zylinderkopfschrauben wird der Zylinderkopf am kurbelgehäuseseitigen Zylindergehäuse befestigt. Beiderseits der Stützsäulen 17 sind in den Stützwänden 16 Durchbrüche 18, 19 vorgesehen, über die die einzelnen brennraumseitigen Abschnitte des Wasserraumes 8 in Längsrichtung miteinander verbunden sind.

Zur Versteifung der brennraumseitigen Bodenabschnitte des Zylinderkopfbodens 2 ist die Zylinderkopfdecke 7 durch eine Längsrippe 20 verstärkt, die in der Längsmittelebene des Zylinderkopfes 1 mit ihrer Schmalseite 21 hochkant-stehend angeorndet ist und sich über die gesamte Länge des Zylinderkopfes erstreckt. Die im Verlauf der Längsrippe 20 liegenden Kammern 14 und die Stützwände 16 sind mit dieser verbunden. Außerdem sind die brennraumseitigen Bodenabschnitte durch besondere Rippenstege 22 im Bereich der Stützwände 16 an der Längsrippe abgestützt. Die dabei in der Längsmittelebene des Zylinderkopfes 1 längs verlaufenden Rippenstege 22 bilden mit dem in diesem

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Abschnitt sich erstreckenden Teil der Stützwände 16 eine Kreuzrippe 23. Durch die in benachbarte brennraumseitige Bodenabschnitte übergreifenden Rippenstege 22 ergibt sich eine weitere Versteifung des gesamten Zylinderkopfbodens 2.

Die Zylinderkopfdecke 7 ist um einen Winkel OC gegenüber dem Zylinderkopfboden 2 in Querrichtung geneigt angeordnet. Der Winkel Oi entspricht dabei dem Schräglagenwinkel der Brennkraftmaschine im Einbauzustand. Durch diese Neigung der Zylinderkopfdecke 2 entgegen der Motorschräglage erhält diese im Einbauzustand eine etwa horizontale Lage, wodurch eine übermäßige Pfützenbildung von aus den Lagerstellen der Nockenwellen austretendem Schmieröl verhindert wird.

Durch die Längsrippe 20 wird die Zylinderkopfdecke 7 in zwei Deckenabschnitte 24 und 25 unterteilt. Damit die Zylinderkopfdecke 7 trotzdem auf beiden Seiten eine durchgehende glatte Oberfläche erhält, sind die Deckenabschnitte 24 und 25 um die Höhe der Längsrippe 20 in vertikaler Richtung des Zylinderkopfes 1 zueinander versetzt angeordnet. Hierdurch erhält die Zylinderkopfdecke 7 einen Z-förmigen Verlauf, wobei der linksseitige Deckenabschnitt 24 den unteren Wandteil bildet, der von der Außenwand 4 zur Längsrippe 20 hin fallend verläuft und etwa in Höhe der unteren Schmalseite 21 in diese übergeht. Dementsprechend bildet der rechte Deckenabschnitt 25 den oberilegenden Wandabschnitt, der parallel versetzt zum Deckenabschnitt 24 sich von der Rippenoberseite bis zur rechten Außenwand 5 hin erstreckt.

Wie die Figuren 2 bis 4 zeigen, haben die Außenwände 4 und 5im oberen Bereich des Steuerraumes 9 einen nach außen geneigten Verlauf, wodurch sich ein etwa V-förmig gestalteter Steuerraum 9 ergibt.

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In den sich durch die schräg verlaufenden Wandteilen ausbildenden Winkelräumen sind Lagerstühle 26 und 27 für die Lagerung der beiden im Zylinderkopf angeordneten Nockenwellen vorgesehen. Die Lagerstühle sind geteilt ausgeführt und bestehen aus unteren an den seitlichen Außenwänden 4 und 5 angegossenen Lagerstuhlschalen 28 bzw. 29 und mit diesen verschraubbaren Lagerstuhldeckein, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Teilungsebene 30 zwischen Lagerstuhldeckel und -schale 28, 29 liegt dabei in Höhe der Deckeltrennebene Um eine besonders steife Nockenwellen lagerung zu erzielen, sind die einzelnen Lagerstuhlschalen 28, 29 jeweils in den durch die Stützwände 16 verlaufenden Querebenen des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Desweiteren sind die jeweils in einer Querebene sich gegenüberliegenden Lagerstuhlschalen 28 und 29 mit den in der gleichen Querebene angeordneten Stützsäulen 17 und diese wiederrum über einen von der Zylinderkopfdecke 7 nach oben abstehenden Querverbindungssteg 31 untereinander verbunden. Durch diesen gegenseitigen Verbund der seitlichen Lagerstuhl schalen 28, 29 über die Stützsäulen 17 und die Querverbindungsstege 31 entstehen in der Querebene der Stützwände 16 verlaufende Quergurte, die zu einer Versteifung des Zylinderkopfes in Querrichtung beitragen. Da außerdem die Quergurte über die Stützsäulen 17 sowie die Querverbindungsstege 31 an die Zylinderkopfdecke 7 angegossen sind, ergibt sich eine günstige Verteilung der auf den Zylinderkopf einwirkenden Spann- und Gaskräfte.

Zwischen den Stützsäulen 17 verbleibt ein etwa symmetrisch zur Längsmittelachse sich über die gesamte Länge des Zylinderkopfes 1 und von der Deckeltrennebene 3 bis zur Zylinderkopfdecke 7 hin erstreckender Freiraum 32. Unterbrochen ist der Freiraum 32 lediglich durch die in diesen vorstehenden Querverbindungsstege 31 und die Kammern 14. Um eine feste Anbindung der im Steuerraum 9 ansonsten frei stehend angeordneten Kammern 14 an die Quergurte bzw. Stützsäulen 17 zu erreichen, sind die zum Freiraum 32 hin vorstehenden seitlichen Quergurtabschnitte 35, 36 und die Kammern 14 an je einer längs gerichteten Rippe 33, 34 angebunden. Die dabei dünnwandig ausgebildeten Rippen

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33, 34 erstrecken sich als seitliche Begrenzung des Freiraumes über die gesamte Länge des Zylinderkopfes 1. Die Rippen 33 und bilden mit den Quergurten einen den Steuerraum 9 aussteifenden Kreuzverband, der über die Querverbindungsstege 31, die Kammern und die Stützsäulen 17 eine Anbindung an die Zylinderkopfdecke 7 und den Zylinderkopfboden 2 hat, wodurch sich ebenfalls eine günstige Verteilung der in den Zylinderkopfd 1 eingeleiteten Gas- und Spannkräfte ergibt.

In den zwischen benachbarten Lagerstühlen 26 bzw. 27 einer Nockenwelle liegenden Steuerraumabschnitten 37 und 38 sind in Gehäuseansätzen 39, 40 je zwei in Längsrichtung nebeneinander liegende Zylinderbohrungen 41 bzw. 42 zur Aufnahme der Ventilstößeltassen vorgesehen. Dabei sind die Gehäuseansätze 39 an die Außenwand 4, die benachbarten Lagerstühle 26 und über je einen wannenförmigen Zwischenboden 43 an die Rippe 33 angeformt. In gleicher Weise sind die Gehäuseansätze 40 an die Außenwand 5, die Lagerstühle 27 und über den wannenförmigen Zwischenboden 44 an die Rippe 34 angebunden. Desweiteren sind in den Deckenabschnitten 24 und 25 fluchtend zu den Zylinderbohrungen 41, 42 Führungsbohrungen 45, 46 für die in den Zylinderkopf einzusetzenden Ventile angeordnet. Die Längsmittelachsen der Bohrungen 39, 40 und 43, 44 verlaufen dabei geneigt zur Zylinderkopf-Hochachse, woraus sich eine V-förmige Anordnung der Ventile im Zylinderkopf 1 ergibt.

In den Zwischenboden 43, 44 sind öffnungen 47 vorgesehen, über die aus den Nockenwellenlagern austretendes Schmieröl in den darunterliegenden Bereich des Steuerraumes 9 und von dort über Rück1aufkanäle 48 in das Kurbelgehäuse abgeleitet wird. Die Rücklaufkanäle 48 befinden sich dabei im Übergangsbereich zwischen Außenwand 4 und Deckenabschnitt Damit sich das Schmieröl im Steuerraum 9 in Längsrichtung ungehindert verteilen kann, sind in den Quergurten entsprechende Durchbrüche

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vorhanden.

Die Zuführung des Kühlwassers in den Kühlwasserraum 8 erfolgt über Einlaßöffnungen 50 im Zylinderkopfboden 2. Von dort aus verteilt sich das Kühlwasser über den gesamten Kühlwasserraum 8 und wird aus diesem über Auslaßöffnungen 51 abgeführt. Dadurch, daß die Rücklaufkanäle 48 und die Auslaßöffnungen 51 getrennt an verschiedenen Seiten des Zylinderkopf-Gehäuses angeordnet sind, strömen Kühlwasser und Schmieröl gegensinnig zueinander, wobei das Kühlwasser im Wasserraum 8 an der durch die Längsrippe 20 gebildeten "Stufe" aufwärts und das Schmieröl im Steuerraum 9 über die "Stufe" abwärts strömt. Durch diese Strömungsverhältnisse werden insbesondere Rückstauungen von Schmieröl oder Dampfblasen an der Längsrippe 20 verhindert.

Durch eine entsprechende Teilung des Zylinderkopfes 1 in ein Nockenwellengehäuse und ein Kühlwassergehäuse kann die Fertigung des gesamten Zylinderkopfgehäuses vereinfacht werden. Die Trennung zwischen beiden Gehäuseteilen erfolgt dabei dicht unterhalb des Zwischenbodens 43, 44 und der Gehäuseansätze 39 und 40. Bei dieser geteilten Zylinderkopfausführung kann der ansonsten notwendige ölkern entfallen. Außerdem wird ein besserer Zugang zum Entgraten der Zylinderkopfbohrungen 41, 42 sowie der Ölrücklaufkanäle 48 erzielt.

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- Leerseite -

Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 15 948/4

Stuttgart 18. März 1985

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Patenansprüche

IJ Flüssigkeitsgekühlter Vierventil-Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine aus einem Gußstück mit einem von seitlichen Außenwänden, dem Zylinderkopfboden und einer mit Abstand von diesem darüberllegenden Zylinderkopfdecke begrenzten Kühlwasserraum, mit einem über diesem von der Zylinderkopfdecke und den bis zu einer Deckeltrennebene reichenden Außenwänden umschlossenen Steuerraum, mit in den Kühlwasserraum hineinragenden und von Mündungsöffnungen im Zylinderkopfboden bis zu den seitlichen Außenwänden abführenden Ventilkanälen, mit einer zwischen den Ventilkanälen zumindest den Kühlwasserraum zylinderaxial
durchsetzenden rohrförmigen Kammer für eine Zündkerze oder Einspritzdüse und ferner mit innerhalb des Kühlwasserraumes sich
in Querrichtung zwischen den Brennraumabschnitten des Zylinderkopfbodens von diesem bis zur Zylinderkopfdecke erstreckenden
Stützwänden, die mit eingeformten Stützsäulen für Bohrungen zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben versehen sind,
gekennzeichnet durch
eine in der Ebene der Zylinderkopfdecke (7) sich über die Länge des Zylinderkopfes (1) erstreckende Längsrippe (20) die in ihrem Verlauf mit den rohrförmigen Kammern (14) und den Stützwänden (16) verbunden ist, und die im Bereich der Stützwände (16) durch in benachbarte Brennraumabschnitte übergreifende längs-verlaufende

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Rippenstege (22) am Zylinderkopfboden (2) abgestützt ist.
2. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderkopfdecke (7) aus zwei in Längsrichtung höhenversetzt verlaufenden Deckenabschnitten (24, 25) besteht, welche über die Längsrippe (20) miteinander verbunden sind.
3. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der längsseitige Deckenabschnitt (24) von der Außenwand (4) zur Längsrippe (20) hin fallend verläuft und etwa in Höhe der Rippenunterseite (21) in diese übergeht, und daß der zum linksseitigen Deckenabschnitt (24) um die Rippenhöhe parallel versetzte rechte Deckenabschnitt (25) von der Rippenoberseite ausgehend sich zur rechten Außenwand (5) hin erstreckt.
4. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderkopfdecke - in Querrichtung gesehen - schräg zum Zylinderkopfboden (2) verläuft und dabei mit diesem einen Winkel ( oC ) einschließt, der etwa dem Schräglagenwinkel der Brennkraftmschine im Einbauzustand entspricht.
5. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 mit V-förmig hängend in zwei Reihen beiderseits schräg zur Längsmittelebene angeordneten Ventilen und mit zwei etwa in den Ebenen der beiden Ventilreihen über den Ventilen liegenden Nockenwellen, die in an den i:ängsseitigen Außenwänden des Steuerraumes angeformten Lagerstühlen gelagert sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstühle (26, 27) in der vertikalen Querebene der Stützwände (16) angeordnet sind, deren Teilungsebene (30) in der Deckel-

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trennebene (3) liegt und die zusammen mit den bis zur Deckeltrennebene (3) verlängerten Stützsäulen (17) und zwischen diesen sich erstreckenden Quer-Verbindungsstegen (31) zu Quergurten zusammengeschlossen sind.
6. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quergurte im Bereich der Deckeltrennebene (3) durch mindestens eine mit ihrer Schmalseite hochkant—stehend und sich in Zylinderlängsachse erstreckende Rippe (33, 34) versteift sind, an der gleichzeitig die Kammern (14) angebunden sind.
7. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stützwände (16) zumindest auf beiden Seiten der Stützsäulen (17) mit Durchbrüchen (18, 19 undn50) versehen sind.
8. Flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderkopf-Gehäuse in ein Nockenwellengehäuse und ein Kühlwassergehäuse unterteilt ist, wobei die Teilungsfuge zwischen beiden Gehäuseteilen dicht unterhalb des Zwischenbodens (43, 44) und der Gehäuseansätze (39, 40) verläuft.