DE3714229A1 - Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die mechanische und thermische Belastung der Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen ist insbesondere bei Hoch­ leistungsmotoren sehr hoch. Durch die Wechselwirkung der heißen Abgase auf der Auslaßseite und der kalten Luftströ­ mung auf der Einlaßseite treten im Stegbereich zwischen den Gaswechselventilen thermische Belastungen auf, die von der Bodenplatte des Zylinderkopfes abgefangen werden müs­ sen. Die wechselnde und durch intermittierenden Betrieb ungleichmäßig auftretende Wärmebelastung kann zu Verfor­ mungen und Rißbildungen bei der Bodenplatte sowie zu Un­ rundwerden der Ventilsitze in den Kanalöffnungen führen.

Aus der DE-OS 33 23 693 ist ein Zylinderkopf für einen luftgekühlten Dieselmotor bekannt, wo der Brückenbereich vom Umfangsgebiet des Kopfbodens durch Dilatationsfugen getrennt ist. Diese Dilatationsfugen laufen in vorgegebe­ nen Winkeln zu den Außenwänden des Kopfes und liegen ge­ neigt zur Zylinderkopfachse, so daß sich die Abstände der Dilatationsfugen von der Zylinderkopfachse vergrößern. Aus bearbeitungstechnischen Gründen haben die Fugen einen veränderlichen Abstand zur Brennraumachse. Die eine Fuge verläuft gerade und schräg zur Zylinderachse, während der anderen Fuge einem Kreisbogen folgt.

Eine derartige Ausführung muß beim Gießen bzw. beim Her­ stellen genauestens bearbeitet werden. Bei so einer kom­ plizierten Form der Fugen ist mit einer relativ hohen Ausschußquote zu rechnen, was unwirtschaftlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zur Vermei­ dung von Wärmerissen im Zylinderkopfboden anzuordnenden Dehnspalte so auszubilden, daß sie einfach und mit zuläs­ sig hohen Toleranzen herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnen­ de Merkmal des ersten Anspruchs gelöst. Ein radialer Spalt um die Ventilsitzöffnung ermöglicht eine freie Wärmedeh­ nung der Zylinderkopfplatte, ohne daß sich im Stegbereich Spannungsspitzen bilden die Ventilsitzverformungen verur­ sachen.

Den radialen Spalt um den Sitzring der Einlaßseite anzu­ ordnen ist insbesondere bei wassergekühlten Zylinderköpfen vorteilhaft, da die Stegpartie durch den darüberliegenden Wasserraum intensiv gekühlt wird, und als Zone der Ver­ gleichmäßigung des Temperaturgefälles zwischen der Aus­ laß- und der Einlaßseite des Zylinderkopfes dient, so daß man mit einer geringeren Spaltbreite auskommt. Bei luftge­ kühlten Motoren ist es vorteilhaft, den radialen Spalt direkt auslaßseitig anzuordnen, um der heißen Partie des Auslaßventils die Möglichkeit zu geben, sich unmittelbar ausdehnen zu können. Die in diesem Bereich liegenden Teile (Zylinderkopfsteg, Ventilsitzring und Ventil) weisen im Betrieb verschiedene Temperaturen auf und dehnen sich daher verschieden. Durch den radialen Spalt wird eine nachgiebige Verbindung geschaffen durch die Wärmespannun­ gen unmittelbar entlastet werden.

Je nach Motorbelastung, Art und Intensität der Kühlung ist es vorteilhaft, die Ein- und die Auslaßseite mit einem radialen Spalt zu versehen, um einen optimalen Spannungs­ abbau in der Bodenplatte zu erreichen und das Temperatur­ niveau zu vergleichmäßigen. Dabei ist es zweckmäßig, den radialen Spalt teilkreisbogenartig zu gestalten. Ein oder mehrere Kreisbögen mit einem Winkel von 90 bis 120°, die zweckmäßigerweise im Stegbereich um die Ventilsitzringe eingearbeitet sind, genügen um diesem Zylinderkopfteil freie Ausdehnung zu verschaffen und thermische Stabilität im Stegbereich herzustellen. Eine Vergrößerung des teil­ kreisförmigen Spaltbogens bis hin zu einem Vollkreis kann je nach Erfordernissen vorteilhaft sein.

Bei einem Vierventilzylinderkopf ist der Kreisbogenspalt vorteilhafterweise im Bereich zwischen den Auslaßventil­ öffnungen plaziert, wo erfahrungsgemäß auch die Spannungs­ spitzen zu erwarten sind.

Der radiale Spalt weist eine geringe Breite auf, die je nach Motorparametern zwischen 0,1 und 1 mm liegt. Dadurch ist gewährleistet, daß kein schädliches Volumen im Ver­ brennungsraum entsteht, das den Verbrennungsvorgang beein­ trächtigen kann.

Der radiale Spalt kann nach den wirtschaftlichen Aspekten entweder direkt in die Zylinderkopfplatte eingearbeitet werden, was vorteilhaft bei einer nachträglichen Einfüh­ rung bei bestehenden Zylinderköpfen und bei Zylinderköpfen aus Leichtmetall ist, oder als Aussparung am Außenumfang des Ventilsitzrings hergestellt werden. Insbesondere bei Ausführungen mit Teilspalt kann der zu bearbeitende Kreis­ bogen brennraumseitig gezielt im Stegbereich angebracht werden und der Ventilsitzring kann nachträglich in jeder beliebigen Lage in der dafür vorgesehenen Bohrung einge­ preßt werden. Erfordert die Sachlage einen vollen Spalt am Umfang der Ventilöffnung, so ist zu überlegen, ob der Spalt nicht bei der Herstellung der Ventilsitzringe im Zuge der mechanischen Bearbeitung hergestellt werden soll.

Die Spalthöhe ist zweckmäßigerweise auf der Hälfte der Höhe des Ventilsitzrings limitiert, um die Haftung des Sitzes und die Wärmeabfuhr nicht zu beeinträchtigen. Auch um die Haftung des Ventilsitzrings zu garantieren ist vorgesehen, bei mit Spalt versehenen Ventilöffnungen Ven­ tilsitzringe einzubauen, die etwas höher sind als die, die für andere Öffnungen vorgesehen sind. Die tragende Höhe des Sitzrings soll, je nach Winkelgröße des Spaltes, etwa 0,2 bis 0,25 des Außendurchmessers des Ringes sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nungen verwiesen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines Vierventilzylinderkopfs mit radialen Spalten im Stegbereich zwischen den Außlaßöffnungen,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines Zweiventilzylinderkopfs mit einem radialen Spalt zum Stegbereich in der Einlaß­ öffnung,

Fig. 3 einen Schnitt an einer Ventilöffnung am Zylinderkopf mit einem radialen Spalt im Zylinderkopfboden, wobei a) der Spalt brennraumseitig im unteren Bereich, der für den Sitzring vorge­ sehene Öffnung angebracht ist, b) der Spalt im oberen Bereich, der für den Sitzring vorgesehene Öffnung un­ tergebracht ist,

Fig. 4 a) eine radiale Aussparung, die im unteren Bereich des Sitzrings eingearbeitet ist, b) eine radiale Aussparnung, die im oberen Bereich des Sitzringes eingearbeitet ist.

In Fig. 1, und soweit mit den anderen Figuren übereinstim­ mend, ist mit 1 ein Zylinderkopfboden bezeichnet, der zwei Einlaßöffnungen 2 mit Ventilsitzringen 4 und zwei Auslaß­ öffnungen 3 mit Ventilsitzringen 5 und im Stegbereich 7 eine Einspritzdüsenöffnung 8 aufweist. Um die Auslaßöff­ nungen 3 ist jeweils ein radialer Spalt 6 im Zylinderkopf­ boden eingearbeitet, die im Stegbereich des Zylinderkopf­ bodens liegen und den Teilbereich 9 zwischen beiden Aus­ laßventilen angrenzen. Die zwischen den beiden Auslaßven­ tilen liegende Stelle, die der intensiven Wärmeentwicklung aus beiden Auslaßöffnungen ausgesetzt ist, kann sich aus­ dehnen ohne Spannungsstau in der Bodenplatte zu verursa­ chen.

In Fig. 2 ist ein Zweiventilzylinderkopf gezeigt, wo ein­ laßventilseitig der radiale Spalt 6 angebracht ist. Demge­ mäß kann die Auslaßseite 3 mit einem radialen Spalt auch versehen werden, oder falls erforderlich bei Zwei- oder Mehrventilzylinderköpfen die Ventilöffnungen alle oder zum Teil, ganz oder teilweise entsprechend bespaltet werden.

Fig. 3 zeigt Spaltausführungen, die durch Aussparungen am Zylinderkopfboden aufgeführt sind. Bei der linken Ausfüh­ rung (a) ist die Aussparung im unteren Bereich der für den Sitzring vorgesehenen Öffnung eingearbeitet, während rechts (b) die Aussparung im oberen Bereich der Öffnung liegt. Die entwickelte Wärme am Ventilsitzring sowie die Intensität des Ventildruckes auf seinem Sitz sind die Kriterien, wonach zu entscheiden ist, ob der Spalt oben oder unten angebracht wird. Es soll gewährleistet werden, daß neben einer optimalen Wärmeableitung und spannungs­ freien Ausdehnung dieser Partie auch die Haftung des Ven­ tilsitzrings am Zylinderkopf gewährleistet ist.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, wo der Spalt durch Abdrehung des Ventilsitzrings im unteren Bereich (a) oder im oberen bereich (b) nach dem Einschrumpfen des Rings im Zylinder­ kopfboden entsteht. Diese Ausführung kann angewendet wer­ den, wenn der radiale Spalt auf dem vollen Umfang eingear­ beitet wird. Ist der Spalt nur bogenartig herzustellen, dann empfiehlt es sich, diesen am Zylinderkopfboden einzu­ arbeiten, um diesen auch gezielt im Stegbereich herstellen zu können. Diese Ausführung ist wesentlich leichter als einen mit einem Bogenspalt hergestellten Ventilsitzring beim Einschrumpfen genau so zu justieren, daß der Spalt in den Stegbereich fällt.

Bei den in Fig. 3 und 4 ausgeführten Beispielen sollte entschieden werden, ob der Spalt im oberen oder im unteren Bereich liegen soll, je nachdem wie groß der Kreisbogen des herzustellenden Spalts ist, und wie intensiv der auf dem Sitzring ausgeübte Ventildruck ist. Bei einem starken Ventildruck ist es vorteilhafter, den Spalt im oberen Bereich zu verlegen, um den Sitzring auf seiner Ventil­ stoßebene mehr Halt zu geben. Ist die Ventildruckintensi­ tät nicht zu hoch, dafür aber die Wärmebelastung, z. B. an einem Auslaßventil, so ist zugunsten eines unten liegenden Spalt zu entscheiden.

Auch wenn die Zylinderköpfe aller Hochleistungsmotoren heutzutage ausnahmslos mit Ventilsitzringen ausgestattet sind, ist die Erfindung auch für Zylinderköpfe ohne Ven­ tilsitzringe geeignet und kann dort angewendet werden.

Claims (13)

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit minde­ stens einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal (2, 3) und mit in der Zylinderkopfplatte (1) eingesetztem Ventilsitz­ ring (4, 5) in der Einlaß- und Auslaßkanalöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ventilsitzring und dem Zylinderkopfmaterial ein radialer Spalt (6) vorge­ sehen ist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt (6) um den Sitzring des Einlaßventils angeordnet ist.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt um den Sitz­ ring des Auslaßventils angeordnet ist.

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt ein Kreisbo­ gen ist, dessen Winkel zwischen 90° und 120° liegt.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt (6) im Steg­ bereich (7) zwischen den Ventilöffnungen liegt.

6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt eine im Verhältnis zum Sitzringdurchmesser geringere Breite auf­ weist.

7. Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen 0,1 und 1 mm liegt.

8. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Vierventilzylinder­ kopf der radiale Spalt im Stegbereich zwischen den Auslaß­ ventilöffnungen und den Einlaßventilöffnungen liegt.

9. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt (6) in der Zylinderkopfplatte (1) eingearbeitet ist.

10. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Spalt (6) als Aussparung am Umfang des Ventilsitzrings eingearbeitet ist.

11. Zylinderkopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalthöhe etwa die Hälfte der Höhe des Ventilsitzrings ist.

12. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Spalt versehene Kanal­ öffnung mit einem Ventilsitzring ausgerüstet ist, der höher als der für die Kanalöffnung ohne Spalt vorgesehene Ventilsitzring ist.

13. Zylinderkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Höhe eines in einer Kanalöffnung mit Spalt angeordneten Ventilsitzrings etwa das 0,2 bis 0,25-fache seines Außendurchmessers ist.