DE3723468A1

DE3723468A1 - Cylinder head for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE3723468A1
Application number: DE19873723468
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Rechberg; Lothar Bauer
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1987-07-16
Filing date: 1987-07-16
Publication date: 1989-01-26

Abstract

The invention describes a cylinder head (1) with bores (8, 9) in the combustion chamber plate (10), which allow the web area (2) to reduce the compressive stresses occurring there due to the thermal load. By reducing the stress, the temperature in the web area is lowered and the compressive yield point of the material increased so that the tensile stresses produced as the engine cools do not cause cracks and permanent deformations of the valve openings (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a cylinder head for a Internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine entsteht in den Wänden des Zylinderkopfes durch das Vorhandensein einer kalten Einlaßseite und einer warmen Auslaßseite ein Tempe raturgefälle. Dabei versucht der Innensteg der Brennraum platte infolge seiner höheren Temperatur sich mehr als die kälteren Außenstege auszudehnen. Dieser wird jedoch durch die Außenwände des Zylinderkopfes daran gehindert, wodurch in der heißen Stegzone Druckspannung entsteht. Infolge der dort herrschenden höheren Temperaturen kommt der Steg näher an die Werkstoffquetschgrenze (0,2-Grenze). Beim Überschreiten dieser Grenze erfährt der Steg eine merkli che Stauchung, die bei einer folgenden Kühlung des Zylin derkopfes zu Zugspannungen führt. Durch den dauernden Spannungswechsel bei Laständerungen und beim Abstellen des Motors entstehen in der Brennraumplatte feine Haarrisse, die zum Reißen des Steges führen können. Darüber hinaus kann durch Überschreitung der Quetschgrenze eine bleibende Verformung in der Brennraumplatte entstehen, die das Un rundwerden der Ventilöffnungen verursacht und damit einen örtlich begrenzten Ventiltrag bewirkt, welcher zu Ventil schlag und Leistungsabfall führt.When an internal combustion engine is operating, the Walls of the cylinder head due to the presence of a a cold inlet side and a warm outlet side a tempe maturity gradient. The inner bridge tries the combustion chamber plate, due to its higher temperature, more than that to expand colder outer webs. However, this is by the outer walls of the cylinder head prevented from doing so Compressive stress develops in the hot land zone. As a result of there the higher temperatures prevail the jetty closer to the material crushing limit (0.2 limit). At the If this limit is exceeded, the web experiences a strange che compression, which is the result of a subsequent cooling of the cylinder derkopfes leads to tensile stresses. Through the permanent Voltage changes when the load changes and when the Engine, fine hairline cracks appear in the combustion chamber plate, that can cause the web to tear. Furthermore can be permanent if the crushing limit is exceeded Deformation in the combustion chamber plate arise, which the Un rounding of the valve openings and thus a localized valve support which causes valve impact and drop in performance.

Um der Ventilsitzverformung und Rißbildung am Zylinderkopf entgegenzuwirken, wurde gemäß DE-PS 10 01 860 eine Lösung vorgeschlagen, wo im Zylinderkopfboden brennraumseitig Dehnfugen vorgesehen sind, die etwa so tief wie die halbe Dicke des Zylinderkopfbodens gehen und durch Blechgerüst ausgefüllt bzw. ausgekleidet sind, welches ohne metalli sche Bindung in den Zylinderkopf eingegossen ist. Bis zur angegebenen Tiefe der Dehnspalte, die kleiner als die Einsenkungstiefe für die Ventilsitzringe in die Bodenplat te hineingehen, gelingt es, die beim Erkalten der Boden platte sich ergebenden Zugspannungen abzubauen, jedoch bleibt die Spannungskonzentration am Ende der Dehnspalte vorhanden, und kann dort nach wie vor zur Rißbildung füh ren.About valve seat deformation and cracking on the cylinder head to counteract, was a solution according to DE-PS 10 01 860 proposed where in the cylinder head floor on the combustion chamber side Expansion joints are provided that are about as deep as half Go through the thickness of the cylinder head floor and through sheet metal scaffolding filled or lined, which without metalli cal bond is poured into the cylinder head. To specified depth of the expansion gap, which is smaller than that Countersink depth for the valve seat rings in the base plate te go in, it succeeds in cooling the floor to reduce the resulting tensile stresses, however the stress concentration remains at the end of the expansion gap present, and can still lead to cracking there ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf so zu gestalten, daß zur Vermeidung von Steg rissen der thermisch hoch belastete Steg sich mehr als die kälteren Außenwände dehnen kann, um Druckspannungen weit gehend abzubauen.The invention has for its object a To design the cylinder head so that to avoid web the thermally highly stressed web cracked more than that colder outer walls can stretch to compressive stresses far going to dismantle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnen de Merkmal des ersten Anspruchs gelöst.According to the invention, this object is characterized by the de feature of the first claim solved.

Der erfindungsgemäße Zylinderkopf weist in der Brennraum platte in axialer Richtung zur Bodenebene mindestens eine Bohrung auf, die vorteilhafterweise im Stegbereich in der Teilungsebene zwischen den Ein- und Auslaßventilen etwa parallel zur Brennraumplatte verläuft und annähernd senk recht zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte der Ein- und Auslaßventilöffnungen liegt. Die in der Stegzone auftretenden Druckspannungen werden durch die Wände der Hohlräume der Bohrung in Form von elastischen Deformatio nen abgefangen und dem Stegbereich eine Ausdehnungsmög lichkeit verschaffen, wodurch die vorhandenen Wärmespan nungen weitgehend abgebaut werden können.The cylinder head according to the invention points in the combustion chamber plate at least one in the axial direction to the floor level Hole on, which is advantageously in the web area in the Partition level between the intake and exhaust valves approximately runs parallel to the combustion chamber plate and is approximately vertical right to the connecting line of the centers of the Inlet and outlet valve openings. The one in the dock zone compressive stresses occurring are through the walls of the Cavities of the hole in the form of elastic deformity intercepted and the web area an expansion procure the existing heat savings can largely be reduced.

Aus der Patentschrift DE-PS 17 51 407 ist zwar ein Zylinderkopf für luftgekühlte Brennkraftmaschinen bekannt, wo zwecks intensiver Kühlung ein Druckölkanal unmittelbar oberhalb des die Ventilsitze trennenden Ventilsteges und Kühlrippen für die Luftkühlung oberhalb des Druckölkanals auf der Oberfläche des Zylinderkopfes angeordnet ist. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung im Zylinderkopf erreicht werden. Weiterhin ist aus der DE-PS 20 27 623 ein Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen bekannt, wo innerhalb der Kühlkanäle zur Verwirblung des Kühlflüssigkeitsstromes und Vergrößerung der Kühlfläche Einsätze angeordnet sind.From the patent DE-PS 17 51 407 is a Cylinder head known for air-cooled internal combustion engines, where a pressure oil duct for intensive cooling immediately above that separating the valve seats Valve land and cooling fins for air cooling above of the pressure oil channel on the surface of the cylinder head is arranged. This should be as uniform as possible Temperature distribution in the cylinder head can be achieved. Furthermore, from DE-PS 20 27 623 a cylinder head for Internal combustion engines are known where within the cooling channels for swirling the coolant flow and Enlargement of the cooling surface inserts are arranged.

Bei einem aus der GB-PS 5 48 101 bekannten Zylinderkopf ist durch einen am Schmiersystem angeschlossenen Kühlführungskanal im Bereich des Auslaßventils und im Stegbereich mittels Schmieröl die Ventilführung und der Zylinderkopfboden gekühlt.In a cylinder head known from GB-PS 5 48 101 through one connected to the lubrication system Cooling duct in the area of the exhaust valve and Bridge area by means of lubricating oil, the valve guide and the Cooled cylinder head floor.

Die vorgenannten Druckschriften befassen sich gezielt damit, durch Zwangsführung von Flüssigkeit innerhalb des Zylinderkopfes, diesen intensiv durch Wärmeabtragung durch das Kühlmittel zu kühlen und betreffen jedoch keine gattungsgemäße Brennkraftmaschine.The aforementioned publications deal specifically thus, by forcing liquid inside the Cylinder head, this intensively through heat transfer cool through the coolant and affect however no generic internal combustion engine.

Bei den nach der Erfindung ausgebildeten Zylinderköpfen ist es bei Neuherstellung wirtschaft licher den Hohlraum durch ein im Stegbereich eingegossenes dünnwandiges Rohr zu bilden was vom Zeitaufwand her und kostenmäßig günstig ist.In the cylinder heads designed according to the invention it is economical with new production licher the cavity by a cast in the web area to form thin-walled tube what time and is inexpensive.

Die Bohrung beansprucht in axialer Richtung eine Höhe, die der Einsenkungstiefe für die Ventilsitzringe in der Brenn raumplatte entspricht. Damit kann die durch Wärmeströmung auf der gesamten Ventilsitzhöhe in der senkrechten Rich tung entstehende Druckspannung abgefangen und durch Ver formung der Bohrungswandungen abgebaut werden.The bore occupies a height in the axial direction that the sinking depth for the valve seat rings in the furnace space plate corresponds. This can be done by heat flow on the entire valve seat height in the vertical direction the resulting compressive stress is intercepted and verified by Ver Formation of the bore walls are dismantled.

Je nach Zylinderkopfgröße und der entsprechenden Dicke der Brennraumplatte kann es vorteilhafter sein, mehrere Boh rungen gleichen Durchmessers übereinander zu schneiden bzw. mehrere Röhre im Stegbereich einzugießen die dem Steg die gewünschte Dehnungsmöglichkeit verschaffen, ohne die Stegpartie durch eine viel zu groß geschnittene Einzel bohrung oder Einzelrohr zu schwächen.Depending on the cylinder head size and the corresponding thickness of the Combustion chamber plate, it may be more advantageous to use several Boh cut the same diameter on top of each other or pour in several tubes in the area of the bridge provide the desired stretch without the Bridge section due to a single cut much too large weaken bore or single pipe.

Um den konstruktiv notwendigen seitlichen Mindestabstand zu den Ventilöffnungen beiderseits der Bohrungen zu halten und sich der Steggestaltung anzupassen, können diese auch kreisrund mit verschiedenen Durchmessern oder mit ovalem Querschnitt hergestellt werden. Dabei ist es gleichgültig ob sich die Querschnitte in axialer Richtung vergrößern oder verjüngen. To the minimum clearance required for construction to hold the valve openings on either side of the holes and to adapt to the web design, they can also circular with different diameters or with oval Cross section can be produced. It doesn't matter whether the cross sections increase in the axial direction or rejuvenate.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist die Bohrung durchgehend geführt. Diese Bohrungsausführung ist insbesondere bei Vierventilzylinderköpfen und höheren thermischen Motorbelastung, wie es bei schnellaufenden Hochleistungsmotoren vorkommt, zweckmäßig, um die gesamte Länge des thermisch hoch beanspruchten Stegbereiches zu decken, so daß dieser sich auf der gesamten Bohrungslänge verformen kann und die vorhandenen Druckspannungen weit gehend abbaut.In a further development of the invention according to claim 7 Continuous bore. This bore design is especially with four-valve cylinder heads and higher thermal engine load, as is the case with high-speed High performance engines occur, appropriate to the entire Length of the thermally highly stressed web area cover so that this extends over the entire length of the hole can deform and the existing compressive stresses far dismantling.

Nach Anspruch 8 und 9 ist es bei einem normal belasteten Zylinderkopf wirtschaftlicher, die Bohrung als Sackloch bohrung bis knapp vor die Bohrung der Einspritzdüse zu gestalten und offenzulassen.According to claims 8 and 9, it is a normal burden Cylinder head more economical, the bore as a blind hole bore up to just before the injection nozzle bore design and leave open.

Eine Ausführung nach Anspruch 10 und 11 stellt eine Ge staltung der Dehnungsbohrung dar, die dem thermischen Zustand des Zylinderkopfes individuell angepaßt werden kann. Der Belastung des Stegbereiches entsprechend, soll die Länge der Bohrung bzw. des eingegossenen Rohres bemes sen sein um der gesamten Stegzone die Möglichkeit zu ge ben, sich auszudehnen. Schneidet sich die Bohrung mit der Einspritzdüsenbohrung, so soll sie mit geeignetem Ver schlußteil gasdicht verschlossen werden, um ein Durchbla sen aus dem Brennraum des Zylinderkopfes zu unterbinden.An embodiment according to claim 10 and 11 provides a Ge Design of the expansion hole that the thermal Condition of the cylinder head can be adjusted individually can. Corresponding to the load on the web area the length of the hole or the cast pipe dimensioned be around the entire web zone the opportunity ben to expand. If the hole intersects with the Injector bore, so it should with a suitable Ver closing part to be sealed gas-tight in order to ensure a through-flow from the combustion chamber of the cylinder head.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nungen verwiesen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.To further explain the invention, reference is made to the drawing mentions in the preferred embodiments the invention are shown in simplified form.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Stegpartie am Zylin derkopf mit zwei übereinander verlaufenden Bohrungen. Fig. 1 shows a section through the web section on the Zylin derkopf with two bores running one above the other.

Fig. 2 einen Schnitt durch die Stegpartie am Zylin derkopf mit einem eingegossenen Rohr ovalen Querschnittes. Fig. 2 shows a section through the web section on the Zylin derkopf with a cast tube oval cross-section.

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines Vierventilzylinderkopfes mit einer durch gehenden Bohrung, die beidseitig verschlossen ist. Fig. 3 is a plan view of the bottom plate of a four-valve cylinder head with a through hole that is closed on both sides.

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines Zweiventilzylinderkopfes mit einer einseitig offenen Bohrung, die knapp vor der Einspritzdüsenbohrung endet. Fig. 4 is a plan view of the base plate of a two-valve cylinder head with a bore open on one side, which ends just before the injection nozzle bore.

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines Zweiventilzylinderkopfes mit einer Bohrung, die sich mit der Einspritzdüsenbohrung überschneidet und verschlossen ist. Fig. 5 is a plan view of the bottom plate of a two-valve cylinder head with a bore which overlaps with the injection nozzle bore and is closed.

In Fig. 1 und soweit mit anderen Figuren übereinstimmend, ist mit 1 ein Zylinderkopf bezeichnet mit Ein- und Auslaß ventilöffnungen 3, 4, mit Einsenkungen für die Ventilsitz ringe 5, 6 deren Mittelpunkte bei A ₁ und A ₂ liegen. Im Stegbereich 2 zwischen den Ventilöffnungen sind zwei Boh rungen 8, 9 gleichen Durchmessers angebracht, deren Achsen parallel zueinander in einer senkrechten Ebene zur Brenn raumplatte liegen und annähernd senkrecht zu der Verbin dungslinie der Mittelpunkte A ₁, A ₂ der Ein- und Aus laßventilöffnungen verlaufen. Die Bohrungen sind aufeinan der so angebracht, daß die parallel zur Brennraumplatte verlaufenden Tangente der oberen Bohrung in der Ebene der Einsenkung für die Ventilsitzringe verläuft.In Fig. 1 and as far as consistent with other figures, 1 denotes a cylinder head with inlet and outlet valve openings 3 , 4 , with depressions for the valve seat rings 5 , 6 whose centers are at A ₁ and A ₂ . In the web area 2 between the valve openings, two holes 8 , 9 of the same diameter are attached, the axes of which lie parallel to one another in a vertical plane to the combustion chamber plate and run approximately perpendicular to the connecting line of the center points A ₁ , A _{2 of} the inlet and outlet valve openings . The holes are mounted on one another in such a way that the tangent of the upper hole running parallel to the combustion chamber plate runs in the plane of the depression for the valve seat rings.

Die Größe des Bohrungsdurchmessers ist so gewählt, daß die Stegpartieteile zwischen Ventilöffnung und Bohrungen die erforderliche Stabilität gegen thermische und mechanische Beanspruchung aufweist und dennoch nachgiebig genug um Druckspannung im Steg an die Bohrungen weiterzuleiten. Dadurch werden die Spannungen im Stegbereich bzw. die Spannungsunterschiede in der Brennraumplatte weitgehend abgebaut, die das Verziehen der Ventilbohrungen und die Risse im Stegbereich verursachen.The size of the bore diameter is chosen so that the Web part parts between the valve opening and the holes required stability against thermal and mechanical Exhibits stress and yet is flexible enough Forward compressive stress in the web to the holes. As a result, the stresses in the web area or the Voltage differences in the combustion chamber plate largely degraded, the warping of the valve holes and the Cause cracks in the web area.

Ferner wird durch Spannungsabbau die Temperaturunter schiede im Zylinderkopf egalisiert, wodurch die Quetsch grenze (0,2-Grenze) des Werkstoffes im Stegbereich positiv erhöht, so daß die Stauchung im Rahmen der Elastizitäts grenze des Werkstoffes bleibt. Die beim Abkühlen des Zylinderkopfes innerhalb dieser Grenze erzeugten Zugspan nungen werden vom Werkstoff ohne bleibende Verformungen aufgenommen, ohne Rißbildungen im Stegbereich zu verursa chen.Furthermore, the temperature drops due to voltage reduction equalized in the cylinder head, causing the crush limit (0.2 limit) of the material in the web area positive increased so that the compression within the elasticity limit of the material remains. The cooling down of the Cylinder head generated within this limit tension The material is left without permanent deformation recorded without causing cracks in the web area chen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung wo im Stegbereich 2 ein dünn wandiges Rohr 12 mit einem ovalen Querschnitt eingegossen ist. Mit der ovalen Form kann unter gleichzeitiger Wahrung des Mindestabstands zu den Ventilsitzbohrungen die ge wünschte Steghöhe mit einer Bohrung gedeckt werden. Fig. 2 shows an embodiment where a thin-walled tube 12 with an oval cross section is cast in the web area 2 . With the oval shape, the desired web height can be covered with one hole while maintaining the minimum distance to the valve seat holes.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung mit Sicht auf die Bodenplat te eines Vierventilzylinderkopfes eines Hochleistungsmo tors mit je zwei Ein- und zwei Auslaßventilen. Um dem gesamten Stegbereich die Möglichkeit zu geben, sich ela stisch zu verformen und die Druckspannung optimal abzu bauen, sind durchgehende Bohrungen 8, 9 vorgesehen die sich mit der Einspritzdüsenbohrung 7 schneiden. Die Öff nungen sind jeweils mit einem geeigneten Verschlußteil 11 (z. B. Verschraubungsteil) gasdicht verschlossen, damit kein Druckblasen aus dem Brennraum des Zylinderkopfes entsteht. Fig. 3 shows a view with a view of the Bodenplat te a four-valve cylinder head of a high-performance engine with two inlet and two outlet valves. In order to give the entire web area the possibility of deforming ela stically and optimally reducing the compressive stress, through bores 8 , 9 are provided which intersect with the injection nozzle bore 7 . The openings are each sealed gas-tight with a suitable closure part 11 (e.g. screw part), so that no pressure bubbles arise from the combustion chamber of the cylinder head.

Die in Fig. 4 gezeigte kurze Ausführung der Bohrung ist für Motoren mit geringerer Leistung ausreichend. Die Bohrungen (8, 9) sind einseitig offen und enden kurz vor der Ein spritzdüsenbohrung. Dabei können die Bohrungen offen blei ben.The short version of the bore shown in FIG. 4 is sufficient for engines with lower power. The holes ( 8 , 9 ) are open on one side and end shortly before the injection nozzle hole. The holes can remain open.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Bohrungslänge der Mo torleistung und der Zylinderkopfgestaltung angepaßt, so daß die Länge der Bohrung den Stegbereich deckt, wo Druck spannungen aufgrund der thermischen Belastung zu erwarten sind. Überschneidet sich die Bohrung mit der Einspritzdü senbohrung, so muß sie wie schon bei Fig. 3 erwähnt, mit geeignetem Teil verschlossen werden.As is apparent from Fig. 5, the bore length of the engine power and the cylinder head design is adapted so that the length of the bore covers the land area where pressure stresses due to the thermal load are to be expected. If the bore overlaps with the injection nozzle bore, it must, as already mentioned in FIG. 3, be closed with a suitable part.

Claims

1. Cylinder head for an internal combustion engine with inlet and outlet valve openings ( 3 , 4 ) in the cylinder head, which are separated from one another by a web area ( 2 ), characterized in that the combustion chamber plate ( 10 ) in the web area has at least one expansion cavity closed to the combustion chamber ( 8 ).

2. Cylinder head according to claim 1, characterized in that the cavity ( 8 ) is a bore in the combustion chamber plate, the axis of which is approximately parallel to the combustion chamber plate and approximately perpendicular to the connecting line of the center points ( A ₁ , A ₂ ) of the input. and outlet valve openings ( 3 , 4 ).

3. Cylinder head according to claim 1, characterized in that the cavity ( 8 ) is formed by a thin-walled tube ( 12 ) cast in the web area ( Fig. 2).

4. Cylinder head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bore ( 8 ) is axially mounted in an area, the height of which corresponds to the depression depth of the valve openings equipped with valve seat rings.

5. Cylinder head according to one of the preceding claims, characterized in that with several bores ( 8 , 9 ) all have the same diameter ( Fig. 1).

6. Cylinder head according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 8 ) has an oval cross section.

7. Cylinder head according to one of claims 1 to 6, characterized in that the bores ( 8 , 9 ) are continuous bores ( Fig. 3).

8. Cylinder head according to one of claims 1 to 6, characterized in that the bores ( 8 , 9 ) are blind holes ( Fig. 4, 5).

9. Cylinder head according to claim 8 with a bore ( 7 ) for an injection nozzle or ignition aid, characterized in that the bores ( 8 , 9 ) go to just before the bore ( 7 ) ( Fig. 4).

10. Cylinder head according to one of claims 1 to 8, characterized in that the bores ( 8 , 9 ) go through the bore ( 7 ) ( Fig. 3, 5)

11. Cylinder head according to one of the preceding claims, characterized in that the bores ( 8 , 9 ) are closed gas-tight ( Fig. 3, 5).