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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Zylinderkopfplatten
hinsichtlich ihrer thermischen
Belastbarkeit zu verbessern und
dabei die,, ,Herstellung der Zylinderkopfplattabn auch aus solchen keramischen Werkstoffen
zu ermöglichen, die aufgruhd ihres hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bisher
nicht mit Erfolg eingesetzt werden konnten.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Zylinderkopfplatte bewirkt eine
Anordnung der Einspritzdüsenõffnung nahe bei dem Mittelpunkt der im Påtentanspruch
1 näher beschriebenen Drei- bzw. Vierecke. Ist außer der Öffnung zum Einsetzen der
Einspritzdüse auch noch eine Öffnung für eine Zündkerze vorgesehen, wobei diese
Öffnungen zumeist benachbart liegen, bilden diese beide Öffnungen den Mittelpunkt
der,vorbeschriebenen Drei- bzw. Vierecke. Die Montage der erfindungsgemäßen Zylinderkopfplatte
erfolgt in an sich bekannter Weise durch Einschrumpfen oder Einspannen im Zylinderkopf.
Um ihre Aufgabe als wärmeisolierendes Bauteil erfüllen zu können, werden die zusätzlichen
Bohrungen, bzw. die zusätzliche Bohrung,, verschlossen, vorzugsweise dadurch, daß
ein die Bohrung verschließender Stopfen durch die Zylinderkopfplatte geführt und
im Zylinderkopf befestigt wird. Der Stopfen verfügt dazu über eine etwas größere
Dicke als die Zylinderkopfplatte und kann durch Einkleben, Einlöten, vorzugsweise
aber durch Einschrumpfen im Zylinderkopf befestigt werden. Die Materialauswahl für
den Stopfen ist an sich nicht kritisch, so kann der Stopfen aus den in diesem Motorenbereich
üblicherweise verwendeten Metallen, vorzugsweise aber aus Keramik hergestellt sein,
die einen gleichen oder geringeren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der
Zylinderkopfplatte. Besonders bevorzugt wird der Stopfen aus dem gleichen Material
hergestellt, aus dem auch die Zylinderkopfplatte besteht, weil dadurch in besonders
einfacher Weise die bestehende Forderung erfüllt wird, daß bei keiner Betriebstemperatur
eine Druckeinwirkung durch den Stopfen auf die Zylinderkopfplatte erfolgt.
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Besteht der Stopfen aus gleichem Material wie die Zylinderkopfplatte,
genügt es, einen Spalt von 1/sog mm zwischen der zusätzlichen Bohrung und dem Umfang
des Stopfens vorzusehen.
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Die höhere Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Zylinderkopfplatte,
die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht,
erklärt sich voraussichtlich durch die bessere Verteilung der thermisch und mechanisch
induzierten Druckkräfte.
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Bei den bisher bekannten Zylinderkopfplatten kam es infolge des hohen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ZrO2 im Zwickel zwischen den Öffnungen
für das Einlaß- und Auslaßventil, insbesondere an den Öffnungen für Einspritzdüse
und Zündkerze und im Bereich der geringsten Stegbreiten, zu stark unterschiedlichen
Deformationen und damit zu unerwünscht hohen Zugspannungen, während bei einer Zylinderkopfplatte
gemäß vorliegender Erfindung infolge der durch Anordnung von einer oder zwei zusätzlichen
Bohrungen in der Zylinderkopfplatte erzielten höheren Symmetrie nicht nur auf dem
Ventilsteg zwischen den Öffnungen.für Ein-und Auslaßventil ein verbessertes Elastizitätsverhalten
resultiert.
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Von den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zylinderkopfplatten ist die
Ausführungsform mit einer zusätzlichen Bohrung besonders bevorzugt, weil sie besonders
einfach herzustellen ist und sich für viele Einsatzzwecke als absolut ausreichend
erwiesen hat. Daneben sind aber
auch die Ausführungsformen mit zwei zusätzlichen
Bohrungen hervorragend geeignet, und werden insbesondere dann angewendet, wenn es
darum geht, besonders hohe Spannungsdifferenzen zu kompensieren.
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Als keramische Werkstoffe kommen neben dem bereits erwähnten teilstabilisierten
Zirkoniumoxid vorzugsweise Mullit, eine Abmischung aus Mullit und Zirkoniumoxid
und Siliziumnitrid zur Anwendung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zusätzliche Bohrung
in der Zylinderkopfplatte so anzulegen, daß ihr Bohrungsrand mindestens 2 mm vom
Umfang der Zylinderkopfplatte entfernt liegt. Aus Gründen höherer Sicherheit und
zur Erzielung einer besseren Abdichtung kann jedoch ein Abstand bis zu 5 mm zwischen
Bohrungsrand der zusätzlichen Bohrung und Umfang der Zylinderkopfplatte vorgesehen
werden.
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Wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lediglich
eine zusätzliche Bohrung in der Zylinderkopfplatte vorgesehen, soll gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform die Größe des Flächeninhaltes der zusätzlichen
Bohrung mindestens 25% der Größe des Flächeninhaltes der Öffnung für den Einlaßventilsitz
betragen. Zweckmäßigerweise soll die Größe des Flächeninhaltes der zusätzlichen
Bohrung jedoch die Größe des Flächeninhaltes der Öffnung für den Einlaßventilsitz
nicht übersteigen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit zwei zusätzlichen
Bohrungen beträgt vorzugsweise die Gesamtinhaltsfläche der zusätzlichen Bohrungen
mindestens 40% der Größe des Flächeninhaltes der Öffnung zum Einsetzen des Einlaßventilsitzes.
Auch hier gilt in gleicher Weise, daß die Gesamtfläche der beiden zusätzlichen Bohrungen
nicht größer sein soll als die Fläche der Öffnung zum Einsetzen des Einlaßventilsitzes.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Zylinderkopfplatte
mit einer zusätzlichen Bohrung kann es zur Erzielung einer besonders gleichmäßigen
Druckverteilung zweckmäßig sein, daß der Mittelpunkt der zusätzlichen Bohrung bis
zu einer Länge von 10% des Durchmessers der Zylinderkopfplatte neben der Mittellinie
liegt, die senkrecht auf der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Öffnungen
zum Einsetzen von Einlaß- und Auslaßventilsitzring steht.
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Verbindet man den Mittelpunkt der zusätzlichen Bohrung mit den Mittelpunkten
der Öffnungen zum Einsetzen des Einlaßventilsitzes und Auslaßventilsitzes sowie
diese beiden Mittelpunkte, so entsteht ein Dreieck, bei dem die Verbindungslinie
zwischen den Mittelpunkten der Öffnungen zum Einsetzen des Einlaß- und Auslaßventilsitzringes
die Grundlinie bildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind dabei
die Winkel zwischen der Grundlinie dieses Dreiecks und den Verbindungslinien mit
dem Mittelpunkt der zusätzlichen Bohrung in einer Größe von jeweils 40 bis 75 Grad
ausgebildet.
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Vorzugsweise unterscheiden sich die Stegbreiten zwischen den Bohrungsrändern
der Öffnungen zum Einsetzen von Einlaß- bzw. Auslaßventilsitzring und dem Bohrungsrand
der zusätzlichen Bohrung um nicht mehr als 10%. Die Stegbreiten zwischen dem Bohrungsrand
der zusätzlichen Bohrung und den Bohrungsrändern der herkömmlichen Öffnungen (Einlaß-
bzw. Auslaßventil) können aber auch einen größeren Unterschied aufweisen, sollten
sich jedoch um nicht mehr als das Doppelte unterscheiden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der zwei zusätzliche
Bohrungen so in der Zylinderkopfplatte
angeordnet sind, daß ihre
beiden Mitteipunkte die beiden Eckpunkte eines Vierecks bilden, die der von den
Mittelpunkten der Öffnungen für die Ventilsitze begrenzten Grundlinie des Vierecks
gegenüberliegen, sind die Mittelpunkte der zusätzlichen Bohrungen näher an derjenigen
der beiden Mittellinien angeordnet, die senkrecht auf der Verbindungslinie zwischen
den Mittelpunkten der Öffnungen zum Einsetzen von Einlaß- und Auslaßventilsitzringen
steht, als die Mittelpunkte der Öffnungen zum Einsetzen der Ventilsitzringe für
das Einlaß- und Auslaßventil. Die Anordnung der zusätzlichen Bohrungen erfolgt dabei
zweckmäßigerweise so, daß die Stegbreite sowohl zwischen den Bohrungsrändern der
zusätzlichen Bohrungen als auch die Stegbreite zwischen den Bohrungsrändern der
zusätzlichen Bohrungen und den Bohrungsrändern der Öffnungen zum Einsetzen von Einlaß-
und Auslaßventilsitz kleiner ist als die doppelte Stegbreite zwischen den Bohrungsrändern
der Öffnungen zum Einsetzen des Einlaß- und Auslaßventilsitzes.
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Zweckmäßigerweise sind die Stege bei einer Ausführungsform, bei der
zwei zusätzliche Bohrungen in der Zylinderkopfplatte so angeordnet sind, daß ihre
Mittelpunkte, die durch eine Diagonale verbindbaren Eckpunkte eines Vierecks bilden,
dessen beide anderen Eckpunkte durch die Mittelpunkte der Öffnungen für das Einsetzen
der Ventilsitzringe gebildet werden so ausgebildet, daß die Stegbreiten zwischen
den Bohrungsrändern der zusätzlichen Bohrungen und den Bohrungen für die Ventilsitzringe
kleiner als die doppelten Stegbreiten zwischen den Bohrungen zum Einsetzen der Ventilsitzringe
sind. Die Mittelpunkte der zusätzlichen Bohrungen können dabei, wie bei der vorbeschriebenen
Ausführungsform, mit nur einer zusätzlichen Bohrung bis zu einer Länge von 10% des
Durchmessers der Zylinderkopfplatte neben derjenigen Mittellinie liegen, die senkrecht
auf der Verbindungslinie steht, die die beiden Mittelpunkte der Öffnungen zum Einsetzen
von Einlaß-und Auslaßventilsitzring verbindet. Die Winkel, die zwischen der Verbindungslinie
der Mittelpunkte für das Einsetzen der Einlaß- und Auslaßventilsitzringe und den
Linien zwischen diesen Mittelpunkten und den Mittelpunkten der zusätzlichen Öffnungen
gebildet werden, können zwischen 40 und 75 Grad liegen.
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Im vorliegenden Fall wird die erfindungsgemäße Zylinderkopfplatte
anhand einer Ausführungsform beschrieben, bei der in die Öffnungen für die Einlaß-
und Auslaßventile Ventilsitzringe eingesetzt werden. Die Zylinderkopfplatte ist
jedoch auf diese Ausführungsform nicht beschränkt, so daß die Ausbildung der Ventilsitze
in der Zylinderkopfplatte selbst von der Erfindung mit umfaßt wird.
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Vorzugsweise erfolgt die Verwendung der Zylinderkopfplatte bei einem
Dieselmotor, ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
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Die Zylinderkopfplatte wird bevorzugt im Zylinderkopf eines 2-Ventilmotors
eingesetzt, ohne auf dieses Einsatzgebiet beschränkt zu sein. Der Einsatz kann jedoch
auch bei drei- bis 4-Ventilmotoren erfolgen, wobei natürlich die Abdichtung mit
einem Stopfen entfällt und alle Bohrungen zur Aufnahme eines Ventiles bzw. Ventilsitzringes
dienen. Im Falle eines 4-Ventilers dienen dabei je zwei Bohrungen für Ein- und Auslaßventile.
Die Größe aller Bohrungen bei Motoren mit mehr als je einem Ein- und Auslaßventil
ist dabei vorzugsweise gleich.
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Die nachfolgenden Figuren dienen der näheren Erläuterung, ohne daß
die Zylinderkopfplatte auf die ge-
zeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Unter
der in der Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendeten Bezeichnung »Stegbreite«
ist die Stelle geringster Breite zwischen den Bohrungsrändern der zusätzlichen Öffnungen
bzw. der Öffnungen zum Einsetzen der Ventilsitzringe zu verstehen. Die gezeigten
Ausführungsformen betreffen Zylinderkopfplatten, die eine Öffnung zum Einsetzen
einer Einspritzdüse aber keine Öffnung zum Einsetzen einer Zündkerze aufweisen.
Es zeigt F i g. 1 die Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Zylinderkopfplatte
mit einer zusätzlichen Bohrung, Fig. 2 die Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
einer Zylinderkopfplatte mit zwei zusätzlichen Bohrungen, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel
mit zwei zusätzlichen Bohrungen, wobei der Gesamtflächeninhalt der zusätzlichen
Bohrungen gegenüber dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch vergrößert
ist, F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit zwei zusätzlichen Bohrungen, die jedoch
gegenüber den in F i g. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen anders angeordnet sind
und Fig.5 einen Längsschnitt entsprechend Linie V-V der F i g. 1 durch ein Ausführungsbeispiel
eines Zylinderkopfes mit montierter Zylinderkopfplatte, deren zusätzliche Bohrung
durch einen Stopfen verschlossen ist F i g. 1 zeigt eine Zylinderkopfplatte 1 mit
einer Öffnung 3 zum Einsetzen eines Einlaßventilsitzringes und eine Öffnung 4 für
einen Auslaßventilsitzring 10 (F i g. 5). Eine zusätzliche Bohrung 2 ist so angeordnet,
daß deren Mittelpunkt M 2 den Schnittpunkt der beiden Schenkel eines Dreiecks bildet
und dabei der Grundlinie B gegenüberliegt, auf der die beiden Mittelpunkte M3 und
M4 die beiden anderen Eckpunkte des Dreiecks bilden. Die Verschiebung a des Mittelpunktes
M2 seitlich zur Mittellinie y, die senkrecht auf der Grundlinie B steht, um 3 mm
entspricht 2,2% des Durchmessers dder Zylinderkopfplatte 1. Die Bohrungsränder 7
der Öffnungen 3, 4 und der zusätzlichen Bohrung 2 haben einen Abstand von 8 bis
14 mm vom Umfang Uder Zylinderkopfplatte 1. Zwischen den Bohrungsrändern 7 derÖffnungen
3, 4 ist die Stegbreite b ' um 3 mm schmaler ausgebildet als die Stegbreite b zwischen
den Bohrungsrändern dieser beiden Öffnungen und Bohrungsrand 7 der zusätzlichen
Bohrung 2. Eine nahe dem Schnittpunkt der Mittellinien x, y angeordnete Öffnung
8 dient zum Einsetzen einer Einspritzdüse. Die Größe des Flächeninhaltes der zusätzlichen
Bohrung 2 beträgt 66% der Größe des Flächeninhaltes der Öffnung 3.
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Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Zylinderkopfplatte
1' entspricht die Anlage der Öffnungen 3,4 und 8 dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Gegenüber Fig. 1 wird hier jedoch ein Ausführungsbeispiel mit zwei zusätzlichen
Bohrungen 5 und 6 gezeigt, wobei die Mittelpunkte M5 und M6 der Bohrungen 5 und
6 die beiden Eckpunkte eines Vierecks bilden, die der von den Mittelpunkten M3,
M4 begrenzten- Grundlinie C des Vierecks gegenüberliegen.
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Die Anordnung der Mittelpunkte M5 und M6 ist dabei einmal so, daß
sie näher an der senkrecht zur Grundlinie stehenden Mittellinie y liegen als die
Mittelpunkte M3 und M4 und andererseits gegenüber der anderen Mittellinie x einen
unterschiedlichen Abstand aufweisen, um sicherzustellen, daß zwischen dem Bohrungsrand
7 der im Vergleich zur Öffnung 4 etwas größeren Öffnung 3 und dem Bohrungsrand 7
der Öffnung 5 eine gleiche Stegbreite resultiert wie zwischen den Bohrungsrändern
7 der Öffnung 4 und der zusätzlichen Bohrung 6.
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Die Stegbreite zwischen den Bohrungsrändern 7 der
zusätzlichen
Bohrungen 5 und 6 ist ca. 70% größer als die Stegbreite zwischen den Bohrungsrändern
7 der Öffnungen 3 und 4. Die Stegbreite zwischen den Bohrungsrändern 7 der Öffnungen
5 und 6 und den Bohrungsrändern 7 der Öffnungen 3 und 4 ist ca. 30% größer als die
Stegbreite zwischen den Bohrungsrändern 7 der Öffnungen 3 und 4. Die Größe des Gesamtflächeninhalts
der zusätzlichen Bohrungen 5 und 6 beträgt 40% der Größe des Flächeninhaltes der
Öffnung 3.
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Das in F i g. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Zylinderkopfplatte
1" entspricht im wesentlichen der in F i g. 2 gezeigten Anordnung. Die Größe der
Gesamtinhaltsfläche der zusätzlichen Bohrungen 5 und 6 beträgt hier jedoch ca. 67%
der Flächengröße der Öffnung 3.
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Die Stegbreite b zwischen den Bohrungsrändern 7 der zusätzlichen Bohrungen
5 und 6 und zwischen Bohrungsrändern 7 der Bohrungen 5, 6 und 3, 4 sind im Vergleich
zu der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform schmaler.
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F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zylinderkopfplatte 1111, bei der die Mittelpunkte M5 und M6 der zusätzlichen Bohrungen
5, 6 so angeordnet sind, daß sie die durch die Diagonale D verbindbaren Eckpunkte
eines Vierecks bilden, dessen beiden andere Eckpunkte durch die Mittelpunkte M3/M4
der Öffnungen 3,4 gebildet werden. Die Stegbreiten zwischen den Bohrungsrändern
der Bohrungen 3 und 5 bzw. 3 und 6 sind gleich aber geringfügig schmäler ausgebildet
als zwischen den Bohrungsrändern 7 der Bohrungen 4 und 5 bzw. 4 und 6. Die Stegbreite
zwischen den Bohrungsrändern 7 der Bohrungen 3, 4 ist demgegenüber größer.
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F i g. 5 zeigt einen Zylinderkopf 12, in dem Kühlwasserkanäle 13
ausgebildet sind und weiterhin ein Ventil 14, einen Ventilsitzring 10, der in die
Öffnung 4 einer Zylinderkopfplatte 1 eingelassen ist, wobei diese in einen im Zylinderkopf
12 ausgebildeten Kragen 11 eingeschrumpft ist. Eine zusätzliche Bohrung 2 ist mit
einem Stopfen 9, der in eine entsprechende Bohrung 15 des Zylinderkopfes 12 eingeschrumpft
ist, verschlossen.
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