DE3728530A1 - Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 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 Druckspannungen entstehen. lnfolge 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 zum Ventil­ schlag und Leistungsabfall führt.

Um der Ventilsitzverformung und Rißbildung am Zylinderkopf entgegenzuwirken, ist 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 metal­ lische 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. Dabei kann die zwischen dem Blechgerüst und dem Schlitz bei der Abkühlung sich bildende Dehnfuge fortwäh­ rend mit Verbrennungsrückständen gefüllt werden und nach kurzer Betriebsdauer ihre Wirkung verlieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder­ kopf so zu gestalten, daß zur Vermeidung von Stegrissen der thermisch hoch belastete Steg sich mehr als die kälte­ ren Außenwände dehnen kann, um Druckspannungen weitgehend abzubauen, wobei die für die Ausdehnung bei Druck- und Zugspannung erforderliche Dehnfuge permanent von Verbren­ nungsrückständen frei bleiben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnen­ de Merkmal des ersten Anspruchs gelöst.

Der erfindungsgemäße Zylinderkopf weist im Stegbereich einen brennraumseitig offenen Schlitz auf, der mit einer Stegeinlage gefüllt ist, wobei die Dehnfuge brennraumsei­ tig verschlossen und abgeschirmt von jeglichen Verbren­ nungsrückständen innerhalb der Stegeinlage sich befindet. Infolgedessen ist gewährleistet, daß sowohl die beim Auf­ wärmen des Steges sich ergebenden Druckspannungen als auch die beim Erkalten des Zylinderkopfes sich bildenden Zug­ spannungen weitgehend abgebaut werden, so daß etwaige Folgeschäden in Form von Rißbildung oder Unrundwerden der Ventilöffnungen nicht mehr auftreten können.

Der Schlitz ist brennraumseitig offen und ist am Ende der Schnittiefe gerundet, um dort eine Spannungskonzentration entgegenzuwirken. Die Tiefe des Schlitzes entspricht in etwa die der Einsenkungsbohrungen der Ventilsitzringe. Damit soll die durch Wärmeströmung entstandene Druckspan­ nung auf der gesamten Ringhöhe durch die Schlitzverformung abgefangen und durch die Nachgiebigkeit der Dehnfuge abge­ baut werden.

Der Schlitzverlauf im Steg ist so gewählt, daß dieser die Ein- von der Auslaßseite abtrennt. Der wesentlich wärmere Stegteil auf der Seite des Auslaßventiles kann sich dann ausdehnen, ohne bei der noch kälteren Einlaßseite des Steges Druckspannung hervorzurufen.

Gemäß Anspruch 4 besteht die Stegeinlage aus einem gefal­ teten Blechteil, das mindestens auf einer seiner Längssei­ ten herausragende Klemmabschnitte hat. Die Stegeinlage kann in den Schlitz eingeschoben oder im Zylinderkopf eingegossen werden, wobei die Klemmabschnitte der Stegein­ lage den notwendigen Halt innerhalb des Schlitzes bzw. im Zylinderkopf Material verschaffen.

Nach Anspruch 5 kann die Stegeinlage auf einfache Weise aus einem Stück dünnen Rohr, das passend wellenartig abge­ plattet ist, hergestellt werden, das sowohl im Zylinder­ kopf eingegossen oder in den Schlitz eingeschoben werden kann.

Eine besondere Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 6, 7, 8 und 9 stellt eine Variante dar, wo die Stegeinlage nach dem Einschieben in den Schlitz mit der Bodenplatte verstiftet wird. Mit mindestens einem Stift, der in einer Bohrung eingeführt wird, die durch die Bodenplatte und die Stegeinlage geht, wird diese in den Schlitz fixiert. Die Bohrung verläuft zweckmäßigerweise schräg von der Aufnah­ mebohrung des Ventilsitzrings auf der Einlaßseite zu der gegenüberliegenden Aufnahmebohrung des Ventilsitzringes auf der Auslaßseite durch die Stegeinlage, so daß der Befestigungsstift in seiner Lage nachher von den Ventil­ sitzringen gesichert ist.

Wie bereits erwähnt, kann die Stegeinlage in einem vorge­ fertigten Schlitz eingeführt werden, was den Vorteil hat, daß man schon vorhandene Zylinderköpfe nachträglich damit ausrüsten kann, um Stegrisse entgegenzuwirken. Die Steg­ einlage ist so dimensioniert, daß sie den Schlitz voll­ ständig auffüllt. Infolgedesssen kann kein zusätzlicher Schadraum entstehen, der die Verbrennung des Motors evtl. ungünstig beeinflussen kann. Ebenfalls kann die Stegein­ lage bei der Zylinderkopfherstellung mit eingegossen wer­ den. Dabei ist es unwesentlich, ob zwischen der Stegeinla­ ge und dem Zylinderkopfmaterial eine metallische Bindung besteht oder nicht, da gemäß Erfindung die Dehnfuge, die die Spannungen im Stegbereich abbaut, innerhalb der Steg­ einlage liegt.

Sollte die beim Gießen eingesetzte Stegeinlage bei der späteren mechanischen Bearbeitung der Bodenplatte so abge­ schnitten sein, daß die Dehnfuge brennraumseitig geöffnet wird, so muß diese mit einem zusätzlichen Teil wieder verschlossen werden. Ein keilförmiges Verschlußteil kann in die Dehnfuge getrieben werden, um damit diese ver­ schlossen zu halten.

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Stegpartie des Zylinderkopfes mit einem zwischen der Ein- und der Auslaßseite liegenden Schlitz mit einer mit seitlichen Krallen versehenen Stegeinlage,

Fig. 2 Schnittdarstellung von Ausführungsformen verschiedener Stegeinlagen, die in den Schlitz eingeführt oder im Zylinderkopf mit eingegossen werden können,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Stegpartie des Zylinderkopfes mit einer durch Stift gehaltene Stegeinlage, welche quer durch den Steg und durch die Stegeinlage geht und beidseitig durch die Ventilsitzringe fixiert ist,

Fig. 4 eine andere Ausführung einer in den Schlitz geführten und mit Stift befestigten Stegein­ lage, wobei der Stift von der Brennraum­ seite her durch den Steg und die Stegeinlage geht,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Stegpartie des Zylinderkopfes mit einer gegossenen Steg­ einlage,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Bodenplatte, wo der Schlitzverlauf im Stegbereich gezeigt ist.

In Fig. 1 und soweit mit anderen Figuren übereinstimmend, ist mit 1 ein Zylinderkopf bezeichnet, mit Ein- und Aus­ laßventilöffnungen 3, 4 mit Einsenkungen 8, 9 für die Ven­ tilsitzringe 5, 6, deren Mittelpunkte bei A 1 und A 2 liegen. Im Bereich des Steges 2 zwischen den Ventilöffnungen ver­ läuft ein Schlitz 11, dessen Längsachse annähernd senk­ recht zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte A 1, A 2 der Ein- und Auslaßventilöffnungen verläuft. Der Schlitzboden ist gerundet, damit dort Kerbspannungen bzw. Spannungskon­ zentrationen gemieden werden. Eine Stegeinlage 12 aus gefaltetem Blech mit seitlich angebrachten Klemmabschnitte 13 ist in den Schlitz geschoben und durch die Klemmab­ schnitte an die Schlitzwände festgedrückt. Je nach Steg­ einlagenlänge können je Seite eine lange oder mehrere kurze Klemmabschnitte nebeneinander z. B. im Stanzverfah­ ren, hergestellt und nach außen gebogen werden. Die Steg­ einlage ist in ihrer Tiefe so bemessen, daß der Spalt vollständig gefüllt wird, so daß kein zusätzlicher Schad­ raum entsteht, der das Kompressionsverhältnis ändert, und den Verbrennungsverlauf demzufolge negativ beeinflußt.

Die im Inneren der Stegeinlage sich befindliche Dehnfuge 14 ist vom Brennraum abgeschirmt. Verbrennungsrückstände und Ablagerungen können daher nicht dort hingelangen. Die Atmung des Schlitzes durch die permanent freibleibende Dehnfuge ist gewährleistet, so daß die Dehnspannungen, die bei der Erwärmung des Zylinderkopfes im Stegbereich ent­ stehen, fortlaufend abgebaut werden können. Eine Werk­ stoffstauchung, die bei Erkaltung des Zylinderkopfes in Zugspannung wechselt und zu Stegrissen und Verzug der Ventilsitzringe führt, ist somit gemieden.

Fig. 2 zeigt verschiedene Ausführungen der Stegeinlage 12 in Schnittdarstellung. Bei der Ausführung "A" werden die Blechenden in Form von seitlichen durchgehenden Klemmab­ schnitte gebogen und dienen bei der Einführung der Steg­ einlage in den Schlitz als Krallen, die der Stegeinlage in ihrer Lage einen festen Halt verschaffen.

Die Stegeinlage nach Ausführung "B" ist taschenförmig vollständig verschlossen aus gefaltetem Blech hergestellt, wobei das nach außen gebogene Endteil als Klemmabschnitt dient, die später die Stegeinlage in den Schlitz festhält.

Bei den Ausführungen nach "A" und "B" ist bei der Stegein­ lage durch die Formgebung eine gewisse Federwirkung vor­ handen, die dem Teil innerhalb des Schlitzes einen zusätz­ lichen Halt verschafft.

Auf eine einfache Weise ist die Stegeinlage nach Ausfüh­ rung "C" aus einem Rohrstück hergestellt, das beidseitig wellenartig auf der gesamten Länge plattgedrückt ist. Die Berg-Tal-Form verschafft der Stegeinlage innerhalb des Schlitzes einen festen Sitz und die darin eingeschlossene Dehnfuge ist absolut von jeglichen Ablagerungen aus dem Brennraum geschützt.

Bei den genannten Stegeinlagen ist es unwesentlich, ob der evtl. sich befindliche Freiraum zwischen dem Schlitz und der Stegeinlage mit Ablagerungen von den Verbrennungsrück­ ständen verstopft wird oder nicht, da dieser Raum für die Dehnung des Steges irrelevant ist. Ferner können auch diese Stegeinlagen beim Gießen des Zylinderkopfes im Steg­ bereich eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt eine Stegeinlage 12, die in den Schlitz ein­ geführt ist und durch einen Stift 17 in Position gehalten wird. Durch eine gemeinsame Bohrung durch den Steg und die Stegeinlage, die von der Aufnahmebohrung des Ventilsitz­ rings auf der einen Seite zu der Aufnahmebohrung des Ven­ tilsitzrings auf der gegenüberliegenden Seite verläuft, wird der Stift eingeführt, und in seiner Lage durch die eingesetzten Ventilsitzringe gesichert.

Eine andere Auführungsform ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Verstiftung brennraumseitig erfolgt. Diese Ausführung eignet sich besonders für Zylinderköpfe ohne Ventilsitz­ ringe, wo die Fixierung der Stegeinlage mit einem oder mehreren Stiften erfolgt, der durch eine Bohrung getrieben wird, die in den gemeinsamen Wandungen vom Steg und Steg­ einlage geschnitten ist.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung mit einer Stegeinlage, die beim Gießen des Zylinderkopfes im Stegbereich eingesetzt wird. Die Dehnfuge kann durch einen sogenannten (verlore­ nen Kern) oder ähnliches Verfahren hergestellt werden. Schon beim Einlegen der Stegeinlage in der Gießform soll darauf geachtet werden, daß bei der nachfolgenden mechani­ schen Bearbeitung der Bodenplatte die Dehnfuge verschlos­ sen bleibt und nicht von dem Werkzeug während der Bearbei­ tung geöffnet wird. Sollte dies dennoch geschehen, muß die Dehnfuge nachträglich, z. B. durch einen Keil oder ähnli­ ches geschlossen werden.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Bodenplatte des Zylinderkopfes, wo der Schlitzverlauf im Stegbereich zu sehen ist. Seine Längsachse steht annähernd senkrecht auf der Linie, die A 1 mit A 2 verbindet. Die Länge des Schlit­ zes ist so bemessen, daß sie den Stegbereich in der Ven­ tilzone deckt, um die Dehnung in diesem Bereich zu gewähr­ leisten.

Der Schlitz kann sich mit der Einspritzdüsenbohrung 7 schneiden und ist bei 2- und 4-Zylinderköpfen anwendbar. Schneidet sich der Schlitz mit der Einspritzdüsenbohrung, so muß die Stegeinlage entsprechend aus zwei Teilen herge­ stellt werden.

Claims (11)

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventilöffnungen (3, 4) in der Bodenplatte, mit einem dazwischen liegenden Steg (2), mit mindestens einer Stegeinlage (12), die in einem brennraumseitig of­ fenen Schlitz (11) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegeinlage in ihrer Mitte eine Dehnfuge (14) aufweist, die brennraumseitig ver­ schlossen ist.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (11) im Bodenbe­ reich gerundet ist und bei mit Ventilsitzringen bestücktem Zylinderkopf etwa der Tiefe der Aufnahmebohrungen (8, 9) der Ventilsitzringe entspricht.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (11) im Steg (2) zwischen den Ein- und Auslaßventilen etwa senkrecht zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte (A 1, A 2) der Ein- und Auslaßventilöffnungen (3, 4) verläuft (Fig. 6).

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegeinlage (12) aus einem gefalteten Blechteil besteht, welches mindestens auf einer seiner Längsseiten herausragende Klemmabschnitte (13) aufweist.

5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegeinlage (12) aus einem abgeplatteten Rohrstück besteht, welches beidseitig auf der gesamten Länge wellenartig geformt ist (Fig. 2c).

6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegeinlage zusammen mit der Bodenplatte mit mindestens einem Stift (17) gehalten ist (Fig. 3, 4).

7. Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (17) durch die Bo­ denplatte (10) und die Stegeinlage (12) geht (Fig. 3).

8. Zylinderkopf nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift durch die Bohrung (16) in der Stegeinlage geht, welche fluchtend mit einer im Steg liegenden Bohrung (15) liegt und deren Achse etwa parallel zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte (A 1, A 2) der Ein- und Auslaßventilöffnungen (3, 4) verläuft (Fig. 3).

9. Zylinderkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (15) im Steg von der Aufnahmebohrung des Ventilsitzrings auf der einen Seite zu der Aufnahmebohrung des Ventilsitzrings auf der gegenüberliegenden Seite des Steges schräg verläuft.

10. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in den offenen Schlitz (11) eingeschobene Stegeinlage diesen vollständig auffüllt und mit der Ebene der Bodenplatte brennraumseitig bündig verläuft.

11. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegeinlage in den Zylin­ derkopf eingegossen ist.