DE3940845C1 - - Google Patents

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DE3940845C1
DE3940845C1 DE3940845A DE3940845A DE3940845C1 DE 3940845 C1 DE3940845 C1 DE 3940845C1 DE 3940845 A DE3940845 A DE 3940845A DE 3940845 A DE3940845 A DE 3940845A DE 3940845 C1 DE3940845 C1 DE 3940845C1
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Manfred Dipl.-Ing. 7303 Neuhausen De Batzill
Herbert Dipl.-Ing. Ampferer (Fh), 7123 Sachsenheim, De
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 36 41 129 C1 ist ein Nockenwellen-Lagerrahmen für eine Reihenbrennkraftmaschine mit vier Ventilen pro Zylinder bekannt, welcher als separates Teil auf das Zylinderkopfgrundgehäuse aufgeschraubt wird. Dieser Lagerrahmen besteht aus einem Gußteil mit zwischen den Zylindern und an den beiden Enden des Zylinderkopfes quer zur Längsrichtung verlaufenden Stegen sowie mit zwei in Längsrichtung parallel verlaufenden Stegen, die auf den seitlichen Gehäusewänden des Zylinderkopfes aufliegen. In den quer verlaufenden Stegen sind untere Lagerhalbschalen für die Lager von Nockenwellen ausgebildet, deren obere Hälften durch voneinander getrennte, auf den Nockenwellen-Lagerrahmen aufschraubbare Lagerdeckel gebildet werden. Dieser Lagerrahmen ermöglicht eine separate Vormontage der Nockenwellen mit ihren Lagern. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, daß trotz der separaten Nockenwellenlagerung ein aufwendig gestaltetes Zylinderkopfgehäuse verbleibt, das z.B. aufgrund der darin angeordneten Aufnahmen für die Tassenstößel Hinterschneidungen aufweist und somit nur mit verlorenem Kern gegossen werden kann. Das dabei entstehende Gefüge und die Oberfläche sind bezüglich der Festigkeit nicht optimal.
In der DE 38 19 655 ist ein Vierventil-Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine offenbart, in der die Aufnahmen für die Tassenstößel paarweise brillenartig zusammengefaßt sind. Dieser Zylinderkopf weist eine komplizierte Formgebung auf, die aufgrund der vielen Hinterschneidungen auf der der Brennraumseite gegenüberliegenden Deckseite ein Sandgußverfahren erforderlich macht. Dieses Verfahren benötigt eine gründliche und zeitaufwendige Reinigung der Deckseite nach dem Gießen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf hoher Steifigkeit für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der in einem einfachen Gußverfahren herstellbar ist und es ermöglicht, daß dieser Zylinderkopf maschinell montierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere, die Erfindung vorteilhaft ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.
Von besonderem Vorteil bei dieser Erfindung ist es, daß sowohl die Nockenwellenlagerung als auch die der Führung der Tassenstößel dienenden Aufnahmen aus dem Zylinderkopfgehäuse herausgelöst sind. Dadurch ist die dem Brennraum zugewandte Unterseite und die dieser Unterseite gegenüberliegende Zylinderkopfdeckseite aufgrund der einfachen Formgebung in einem gemeinsamen Gußverfahren, z.B. Kokillenguß herstellbar. Das dabei entstehende Gußgefüge weist eine große Homogenität und gegenüber den bekannten Lösungen verbesserte Werkstoffkennwerte auf. Das Risiko von Rißbildungen im Zylinderkopfgehäuse ist dadurch deutlich verringert.
Der Träger ist unabhängig vom Zylinderkopfgehäuse im Druckgußverfahren herstellbar und anschließend kostengünstig zu bearbeiten. Trägerober- und -unterteil umfassen jeweils Teile eines Mittelsteges sowie Teile von mehreren Querstegen. Zur Aussteifung der Querstege sind keine gesonderten, gewichtserhöhenden Längsstege im Träger angeordnet, vielmehr wird diese Funktion von beiderseits des Mittelsteges im Trägerunterteil verlaufenden Streben übernommen, die Tassenstößel führende Aufnahmen umfassen, welche untereinander über Brücken verbunden sind. Jede Aufnahme ist wiederum über mindestens eine Stütze an dem im Trägerunterteil verlaufenden Teil des Mittelsteges abgestützt. Bei einer bevorzugten Anwendung gemäß Anspruch 9 in einer Brennkraftmaschine mit jeweils zwei Einlaß- und zwei Auslaßventilen pro Zylinder sind die der Tassenstößellagerung dienenden, paarweise zusammenwirkenden Aufnahmen eines Zylinders über eine als Rippe ausgebildete Brücke miteinander verbunden, während die Brücke zwischen zu benachbarten Zylindern gehörende Aufnahmen als Lagerunterteile von Lagern für zwei Nockenwellen ausgebildet ist. Somit entsteht ein leichtgewichtiger, steifer Träger, dessen Streben durch ihre Gestaltung zur Aussteifung des Trägers beitragen und als Lagerung für Tassenstößel wirken.
In einer anderen Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 10 sind die paarweise zusammenwirkenden Aufnahmen eines Zylinders über eine als Lagerunterteil eines Lagers einer Nockenwelle ausgebildete Brücke verbunden, wobei die Brücke zwischen zu benachbarten Zylindern gehörende Aufnahmen über eine als Rippe ausgebildete Brücke verbunden sind.
In beiden Ausführungen der Erfindung erweitert sich der Mittelsteg oberhalb jedes Zylinders kreisringförmig zu mindestens einem Ringelement. Die von den Ringelementen gebildeten Durchgangsöffnungen gestatten das Montieren einer Zündkerze oder einer Einspritzvorrichtung. Bei einer weiteren Ausführung mit zwei Ringelementen oberhalb jedes Zylinders läßt sich beispielsweise eine Doppelzündung realisieren, wobei dann bevorzugt zwei Ventile pro Zylinder angeordnet sind.
Bei allen Ausführungen der Erfindung ist die Kontur des Trägeroberteils der des Trägerunterteils angepaßt, d.h., es trägt eine dementsprechende Anzahl von Ringelementen im Mittelsteg und die Lageroberteile für die Lager der Nockenwellen sind jeweils über den als Lagerunterteil ausgebildeten Brücken des Trägerunterteils angeordnet. Zur weiteren Aussteifung des Trägers können im Trägeroberteil zwischen den Querstegen Versteifungsrippen angeordnet sein. Er ist somit vorteilhaft bei selbst- wie auch bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehr Ventilen pro Zylinder sowie einfacher oder doppelter Zündkerzenanordnung verwendbar.
Ein weiterer, wichtiger Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die Erfindung große Freiheiten bei der Ventillage bezüglich des Brennraumes sowie bei der Anordnung der Zylinderkopfschrauben gegeben sind. Bei einer Brennkraftmaschine mit z.B. vier Ventilen pro Zylinder, die sphärisch zum Brennraum angeordnet sind, ist eine beanspruchungsgerechte und leicht zugängliche Anordnung der Zylinderkopfschrauben bei im Zylinderkopfgehäuse angeordneten Tassenstößelführungen und gleichzeitiger Forderung nach geringster Baulänge der Brennkraftmaschine nicht zu erfüllen. Erst das erfindungsgemäße Herauslösen der Nockenwellenlagerung und der Tassenstößel ermöglicht freie Zugänglichkeit zu den Bohrungen im Zylinderkopfgehäuse, die der Durchgangsöffnung der Zylinderkopfschrauben dienen und ermöglicht eine belastungsgerechte Anordnung dieser Bohrungen in Bereichen maximaler Festigkeit des darunterliegenden Zylinderblockes.
Die Zylinderkopfmontage erfordert zunächst das Einführen der Ventile in das Zylinderkopfgehäuse und das Anbringen der Zylinderkopfschrauben. Anschließend werden die Ventilfedern sowie die Ventilteller angebracht. Im Anschluß daran kann entweder der komplett vormontierte Träger als gesamte Einheit auf das Zylinderkopfgehäuse geschraubt werden oder aber dessen Einzelteile aufeinanderfolgend montiert werden. Im letzteren Fall werden zunächst das Trägerunterteil eingelegt und die Tassenstößel in die Aufnahmen geführt. Anschließend werden die Nockenwellen eingelegt und das Trägeroberteil auf das Trägerunterteil geschraubt, ebenso wie der gesamte Träger auf das Zylinderkopfgehäuse.
Der Träger kann komplett maschinell vormontiert werden und anschließend maschinell am Zylinderkopfgehäuse angebracht werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht eines Zylinderkopfes, unterteilt in aufeinander folgende Abschnitte der Montage,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 1 und
Fig. 5 eine weitere Ausführung der Erfindung.
Der Zylinderkopf 1 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine weist ein auf einem Zylinderblock 2 angeordnetes Zylinderkopfgehäuse 3 und einen darauf montierten Träger 4 auf, in dem Nockenwellen 5 in Lagern 6 angeordnet sind. Der Zylinderkopf 1 weist pro Zylinder vier sphärisch angeordnete Ventile 7 mit ihnen zugeordneten Federn 8 und Federtellern 9 auf. Die Ventile 7 werden von konischen Nocken 10 unmittelbar über Tassenstößel 11 betätigt. Die Mittellängsachsen V der Ventile 7, entlang derer die Ventile 7 bewegt werden, schneiden die Mittellängsachsen N der jeweiligen Nockenwelle 5.
Der Träger 4 besteht aus einem Trägeroberteil 12 und einem Trägerunterteil 13. Ferner weist der Träger 4 einen als Längssteg 14 verlaufenden Mittelsteg 15 auf, der parallel zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verläuft und im Trägeroberteil 12 sowie im Trägerunterteil 13 ausgebildet ist. Beiderseits des Mittelsteges 15 und parallel dazu beabstandet verlaufen im Trägerunterteil 13 Streben 16, die aus Aufnahmen 17 für die Tassenstößel 11 und diese Aufnahmen 17 verbindende Brücken 18 gebildet sind. Die Aufnahmen 17 sind koaxial zu den Mittellängsachsen V der Ventile 7 angeordnet.
Quer zu dem Mittelsteg 15 und den Streben 16 verlaufen Querstege 19, die im Trägeroberteil 12 und im Trägerunterteil 13 ausgebildet sind. In der zwischen Trägeroberteil 12 und Trägerunterteil 13 verlaufenden, planen Trennebene 20 verlaufen die Mittellängsachsen N der Nockenwelle 5. Die Lager 6 sind jeweils aus Lageroberteil 21 im Trägeroberteil 12 und als Lagerunterteil 22 im Trägerunterteil 13 gebildet.
Jede Aufnahme 17 ist über mindestens eine Stütze 23 am Trägerunterteil 13 angebunden. Die Streben 16 verlaufen mit den Stützen 23 unterhalb der Trennebene 20.
Oberhalb jedes Zylinders der Brennkraftmaschine erweitet sich der Mittelsteg 15 kreisringförmig zu einem Ringelement 24, welches dabei eine Durchgangsöffnung 25 umschließt und konzentrisch zur Zylinderlängsachse Z angeordnet ist. Sie ermöglicht das Einschieben eines Tubus 26, der den Zugang zu einer Zündkerze 27 ermöglicht.
Im Träger 4 ist ein Schmiermittelkanalsystem angeordnet, welches an den Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Dieses System umfaßt Kanäle 28, 29, 30, wobei die Kanäle 28, 29 innerhalb des Trägeroberteiles 12 im Mittelsteg 15 und in den Querstegen 19 verlaufen und die Kanäle 30 in den Stützen 23 angeordnet sind. Der Kanal 28 ist an einer nicht gezeigten, beliebigen Stelle an den Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen und dient als Verteiler für das Schmieröl in die Kanäle 29, 30. Die Durchgangsöffnungen 25 werden vom Kanal 28 gleichmäßig umströmt, so daß die im Bereich der Ringelemente 24 an das Trägerunterteil 13 angeschlossene Kanäle 30 die Aufnahmen 17 mit Schmieröl zur Führung der Tassenstößel versorgen. Im Bereich der Querstege 19 zweigen Kanäle 30 vom Kanal 28 ab und führen Schmieröl zu den Lagern 6 der Nockenwellen 5. Die Brücken 18 sind zwischen den zu einem Zylinder gehörenden Aufnahmen 17 als Rippen 31 ausgeführt. Diese Rippen 31 können entfallen, wenn bei einem geringen Abstand der zugehörigen Aufnahmen 17 diese direkt zusammengegossen werden.
Zwischen zwei nebeneinanderliegenden, zu benachbarten Zylindern gehörenden Aufnahmen 17 sind die Brücken 18 als die Lagerunterteile 22 ausgeführt. Im Bereich dieser Lagerunterteile 22 sind zwischen den Streben 16 verlaufend die Querstege 19 angeordnet und einteilig mit den Lagerunterteilen 22 ausgeführt. Unterhalb der Lagerunterteile 22 weisen die Querstege 19 Vorsprünge 22 auf, die dafür sorgen, daß die benachbart eines Quersteges 19 liegenden Aufnahmen 17 über ihre gesamte Bauhöhe steif miteinander verbunden sind.
In dem im Trägeroberteil 12 verlaufenden Teil der Querstege 19 sind die Lageroberteile 21 ausgebildet. Beiderseits der Lageroberteile 21 und im Bereich des Mittelsteges 15 sind im Trägeroberteil 12 Bohrungen 33 angeordnet, die gemeinsam mit weiteren Bohrungen 33 im Trägerunterteil 13 und im Zylinderkopfgehäuse 3 Schraubverbindungen 34, 35 ermöglichen.
Beim Zusammenbau des zuvor beschriebenen Teiles wird zunächst das Zylinderkopfgehäuse 3 mit Zylinderkopfschrauben 36 am Zylinderblock 2 befestigt, nachdem die Ventile 7 in entsprechende Führungen geschoben wurden. Zur Aufnahme der Zylinderkopfschrauben 36 sind im Zylinderkopfgehäuse Bohrungen 37 vorgesehen. Anschließend werden die Federn 8 und die Federteller 9 an den Ventilen 7 angebracht. Zu diesem Zeitpunkt ergibt sich das in Fig. 1 in dem mit A bezeichneten Abschnitt dargestellte Bild für den gesamten Zylinderkopf. Im Anschluß daran kann, wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, der komplett mit den Nockenwellen 5 und den Tassenstößeln 11 bestückte Träger 4 als gesamte Einheit oder aber in Einzelteilen aufeinanderfolgend montiert werden. Letztere Möglichkeit wird im folgenden näher beschrieben.
Das Trägerunterteil 13 wird zunächst an drei Berührungsflächen 38 auf das Zylinderkopfgehäuse 3 gelegt, anschließend werden die Tassenstößel 11 in die Aufnahmen 17 geschoben. Es ergibt sich das in dem mit B bezeichneten Abschnitt in Fig. 1 dargestellte Bild für den gesamten Zylinderkopf.
Nach dem Einlegen der Nockenwellen 5 in die Lagerunterteile 22 (Abschnitt C in Fig. 1) wird das Trägeroberteil 12 mit den Schraubverbindungen 34 am Trägerunterteil 13 fixiert. Die Schraubverbindungen 35 durchdringen die Berührungsflächen 38 und verspannen das Trägerunterteil 13 zwischen Zylinderkopfgehäuse 3 und Trägeroberteil 12 und befestigen den Träger 4 im Zylinderkopf 1 (Abschnitt D in Fig. 1). Abschließend wird eine Haube 39 auf den Zylinderkopf 1 aufgesetzt. Diese Haube 39 umschließt den Träger 4 U-förmig und liegt auf einem Flansch 40 auf, der gemeinsam mit den Berührungsflächen 38 bearbeitet werden kann. Vorteilhafterweise ist die zwischen Haube 39 und Flansch 40 liegende Fläche völlig plan und weist keinerlei Bohrungen auf, so daß eine einfache Abdichtung möglich ist.
In die Durchgangsöffnung 25 wird der Tubus 26 gesteckt, der den Zündkerzenbereich mittels zweier Dichtungen 41 in einer Öffnung 42 der Haube 39 und in einer Haltung 43 im Zylinderkopfgehäuse 3 abdichtet. Die Anordnung der Schraubverbindungen 34, 35 in der Ebene, in der die Zylinderkopfschrauben angeordnet sind, ermöglicht eine optimale, belastungsgerechte Krafteinleitung vom Träger 4 bis in den Zylinderblock 2.
Wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, kann die Erfindung auch vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen mit z.B. zwei oder drei Ventilen pro Zylinder angewendet werden. Bei zwei Ventilen 7 liegen sich die entsprechenden Aufnahmen 17 in einer Ebene gegenüber, die parallel zu und in der Mitte von zwei Querstegen 19 liegt. In einer Ausführung mit Doppelzündung und zwei Ventilen liegen sich vorteilhafterweise zwei Aufnahmen 17 zwischen zwei Querstegen 19 diagonal gegenüber. Der Mittelsteg 15 weist dann für jeden Zylinder zwei Ringelemente 24 auf, welche sich ebenfalls diagonal gegenüberliegen können.
Gemäß Fig. 5 sind bei einer weiteren Ausführung der Erfindung die Querstege 19 oberhalb jedes Zylinders der Brennkraftmaschine angeordnet und nehmen dabei jeweils ein Ringelement 24 auf. Jeweils zwei einem Zylinder zugeordnete Aufnahmen 17 sind unterhalb eines als Brücke 18 wirkenden Lagerunterteiles 22 zusammengegossen. Zwei nebeneinanderliegende, zu benachbarten Zylindern gehörende Aufnahmen 17 sind durch eine Rippe 31 verbunden.

Claims (16)

1. Zylinderkopf einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einem geteilten Träger zur Aufnahme von Nockenwellen, die über Tassenstößel auf Ventile wirken, wobei der Lager für die Nockenwellen aufweisende Träger vom Zylinderkopfgehäuse lösbar ausgebildet ist und in Richtung der Kurbelwelle parallel und beabstandet zueinander verlaufende Längsstege und rechtwinklig dazu verlaufende Querstege aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) als Längsstege (14) verlaufende Streben (16) aufweist, wobei die Streben (16) aus Aufnahmen (17) für die Tassenstößel (11) und diese Aufnahmen (17) verbindende Brücken (18) gebildet sind.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (17) jeweils mittels zweier Brücken (18) in einer Strebe (16) gehalten sind, wobei die ersten Brücken (18) als Lagerunterteile (22) der Lager (20) für die Nockenwellen (5) und die zweiten Brücken (18) als Rippen (31) ausgebildet sind.
3. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Träger (4) zwischen zwei Streben (16) ein als Längssteg (14) verlaufender Mittelsteg (15) angeordnet ist.
4. Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (15) und die Querstege (19) jeweils in einem den Träger (4) bildenden Trägeroberteil (12) und Trägerunterteil (13) ausgebildet sind.
5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (16) im Trägerunterteil (13) ausgebildet sind.
6. Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Mittelsteg (15) oberhalb jedes Zylinders der Brennkraftmaschine kreisringförmig zu mindestens einem Ringelement (24) erweitert und dabei jeweils eine Durchgangsöffnung (25) umschließt.
7. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Querstegen (19) erste das Trägeroberteil (12) und das Trägerunterteil (13) miteinander verbindende Schraubverbindungen (34) und zweite, den Träger (4) am Zylinderkopfgehäuse (3) haltende Schraubverbindungen (35) angeordnet sind.
8. Zylinderkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (17) koaxial zu den Mittellängsachsen (V) der Ventile (7) angeordnet sind.
9. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte, über eine Rippe (31) verbundene Aufnahmen (17) oberhalb eines Zylinders der Brennkraftmaschine angeordnet sind (Fig. 1).
10. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte, über ein Lagerunterteil (22) verbundene Aufnahmen (17) oberhalb eines Zylinders der Brennkraftmaschine angeordnet sind (Fig. 5).
11. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstege (19) zwischen benachbarten Ringelementen (24) verlaufen und daß die Querstege (19) Lagerunterteile (22) umfassen (Fig. 1).
12. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb jedes Zylinders der Brennkraftmaschine ein Ringelement (24) koaxial zur Zylinderachse (Z) angeordnet ist und daß die Querstege (19) das Ringelement (24) umfassen.
13. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufnahme (17) eine Stütze (23) aufweist, die aus einem Stück mit dem Trägerunterteil (13) gebildet und an den Mittelsteg (15) angebunden ist.
14. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Träger (4) ein die Lager (20) und die Aufnahmen (17) versorgendes, Kanäle (28, 29, 30) umfassendes Schmiermittelkanalsystem angeordnet ist.
15. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (28) im Mittelsteg (15) oberhalb der zwischen Trägeroberteil (12) und Trägerunterteil (13) verlaufenden Ebene (20) angeordnet ist und daß die Kanäle (29) oberhalb dieser Ebene (20) in den Querstegen (19) von dem Kanal (28) abzweigend angeordnet sind.
16. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 14 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (30) mittig in den Stützen (23) verlaufend angeordnet sind und an den im Ringelement (24) verlaufenden Kanal (28) angeschlossen sind.
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