DE4025994A1 - Zylinderkopf fuer motoren, insbesondere fuer solche mit kompressionszuendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylin­ derkopf, insbesondere für Motoren mit Kompressionszün­ dung, wie zum Beispiel Dieselmotoren.

Es ist bekannt, daß die Hauptelemente, die den antrei­ benden Teil eines Motors mit Kompressionszündung bilden, gewöhnlich Diesel-Motoren genannt, in drei Hauptgruppen zusammengefaßt werden können: Die festen Strukturen, enthaltend den Motorblock, das Kurbelgehäuse, den Zylin­ der mit Laufbuchse und den Zylinderkopf; die Kurbelele­ mente enthaltend den Kolben, die Kolbenstange, den Pleuel, die Kurbelwelle und die Lager; und schließlich die Verteilerelemente mit den entsprechenden Schaltungen. Was von allen diesen Elementen in diesem speziellen Falle vorwiegend interessiert, ist der Zylinderkopf.

In der heute entwickelten Nomenklatur erweist sich der Zylinderkopf als ein sehr wichtiges Element, da er die Struktur bildet, welche die Verteilerelemente enthält (wenn auch nur zum Teil), d. h. das Ansaug- und das Ab­ laßventil (die im Takt mit dem Kolben mit einer wech­ selweisen Bewegung versehen sind), die Einspritzdüse, in die (im Falle von indirekter Einspritzung) die Vorkammer der Verbrennung eingearbeitet ist, und die zusammen mit dem Kolben die Verbrennungskammer für den Dieseltreib­ stoff bildet.

Normalerweise sind die beiden obengenannten Ventile auf dem Zylinderkopf eines neben dem anderen angeordnet und verschließen die jeweiligen Ansaug- und Ablaßöffnungen, welche die Verbindung zu der Verbrennungskammer erlauben, während die Einspritzdüse im Verhältnis zu den beiden Ventilen in der Mitte und quer zu diesen selbst angeord­ net ist, das heißt auf dem seitlichen Teil des Zylinder­ kopfes, auf jeden Fall jedoch direkt mit der Verbren­ nungskammer in Verbindung oder indirekt, wenn eine Vor­ kammer vorhanden ist.

Ein so ausgelegter Zylinderkopf ist von erheblicher Zu­ verlässigkeit, bringt jedoch strukturelle Grenzen mit sich, insbesondere was die modernen Zylinderköpfe be­ trifft, die für schnelle Dieselmotoren hergestellt sind, also durch Guß aus Leichtmetall- oder Aluminumlegierun­ gen von geringem Gewicht (leichte Materialien und von er­ heblicher Wärmeentsorgung). Diese sind darauf zurückzu­ führen, daß in einigen Bereichen des Zylinderkopfes, ge­ nauer gesagt in dem Teil in der Nähe der Ansaug- und Ab­ laßventile, wo die Verbrennungswirkung am stärksten ist, dieser übermäßigen Wärmebelastungen unterliegt. Die Tem­ peraturkontrolle in diesem Bereich des Zylinderkopfes hat die Planer unvermeidbar dazu gebracht, die in Frage kom­ menden Leistungen zu begrenzen, um die Lebensdauer und den Wirkungsgrad des Motors zu gewährleisten.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher der, die hier erwähnten Nachteile zu vermeiden, und zwar durch die Her­ stellung eines Zylinderkopfes für Dieselmotoren, der eine größere Widerstandsfähigkeit und eine bessere Wärmeent­ sorgung aufweist, ohne in bezug auf die Struktur den Zy­ linderkopf selbst zu verändern.

Die Erfindung, die durch die Ansprüche gekennzeichnet ist, beseitigt die obenerwähnten Nachteile durch einen Zylinderkopf, der in der Nähe des Stegbereiches, in dem der Zylinderkopf selbst die Ansaug- und Ablaßöffnungen miteinander verbindet, und oberhalb einer Verbrennungs­ kammer eine Auflage aus einem Material von hohem Wärmewi­ derstand aufweist, die sich bis in den Bereich der Öff­ nungen erstreckt, so daß ein Bereich von erheblichem Wi­ derstand und Ableitung der durch die Verbrennung erzeug­ ten Wärme gebildet wird.

Einer der durch die vorliegende Erfindung erreichten Vor­ teile besteht im wesentlichen darin, daß ein Zylinder­ kopf mit den gleichen Abmessungen benutzt werden kann wie die der Zylinderköpfe der normalen Produktion, jedoch mit einem mehr oder weniger weiten, auf jeden Fall aber immer spezifisch angeordneten Bereich versehen, der in bezug auf Wärmewiderstand weitaus höhere Eigenschaften auf­ weist. Dieser Bereich erlaubt somit eine schnelle Ab­ leitung der Wärme mit der Möglichkeit, die Eigenschaften der Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Elementes zu erweitern.

Die Erfindung wird nachstehend detaillierter beschrieben, und zwar unter Zuhilfenahme der Zeichnungen, die eine rein als Beispiel gedachte und nicht begrenzende Verwirk­ lichungsform darstellen, von denen

Abb. 1 in Plandarstellung den betreffenden Zylinder­ kopf der vorliegenden Erfindung zeigt;

Abb. 2 zeigt einen Schnitt II-II in zerlegter Dar­ stellung des Zylinderkopfes aus Abb. 1;

Abb. 3 zeigt in einer gleichen Plandarstellung wie die in Abb. 1 die Elemente einer Konstruktions­ variante des betreffenden Zylinderkopfes der vor­ liegenden Erfindung;

Abb. 4 zeigt einen Schnitt IV-IV aus Abb. 3.

Übereinstimmend mit den Abbildungen ist der Zylinderkopf als Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der bei Dieselmotoren verwendet wird, mit 1 bezeichnet und beschreibt mit dem entsprechenden Motorblock, der hier nicht beschrieben ist, da von gewöhnlicher Ausle­ gung, eine Verbrennungskammer 2 (schematisch gezeigt durch die Linien der Abmessungen des entsprechenden Kol­ bens). Dieser Zylinderkopf 1 ist außerdem zur Aufnahme und als Halterung mit Hilfe von entsprechenden Sitzen 3a und 3b von Verteilerventilen 4a und 4b zum Öffnen und/ oder Schließen entsprechender Öffnungen 5 zum Ansaugen der Luft beziehungsweise zum Ablassen der Verbrennungs­ gase (s. Abb. 4) bestimmt.

Dieser Zylinderkopf 1 trägt ebenfalls eine Einspritzdüse 6, die zwecks Einspritzung des Kraftstoffes ebenfalls mit der Verbrennungskammer 2 in Verbindung ist und dazu dient, die Verbrennungskammer 2 selbst mit zerstäubtem Kraftstoff zu speisen.

Der Zylinderkopf 1 nach dieser Lösung, der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, weist im Bereich des Steges, wo er die Ansaug- und Ablaßöffnungen 5 miteinan­ der verbindet, und oberhalb der Verbrennungskammer 2 eine Auflage 7 aus einem Material mit hohem Wärmewiderstand auf, die sich bis in den umlaufenden Bereich der Öffnun­ gen 5 erstreckt, so daß ein Bereich von hohem Widerstand und der Ableitung der Wärme gebildet ist, die während der Verbrennung erzeugt wird.

Genauer gesagt wird diese Auflage 7 (s. Abb. 1) aus einer Platte 8 gebildet, die zum Beispiel aus Stahl oder aus besonderen Legierungen hergestellt ist (das heißt aus ei­ nem Material mit einem guten Wärmewiderstand), und die zwischen den beiden Sitzen 3a und 3b zur Aufnahme der entsprechenden Ventile 4a und 4b angeordnet und ergänzend in einen mit 9 bezeichneten und in den Zylinderkopf 1 eingearbeiteten Sitz einsetzbar ist, so daß sie den Ver­ bindungssteg zwischen den beiden Sitzen selbst zur Auf­ nahme der Ventile kopiert und eine ununterbrochene Ober­ fläche beschreibt.

In dem speziellen Falle der Abb. 1 ist die Platte 8 beiderseitig so profiliert, daß ein doppelter Bogen er­ zeugt wird, der einen Teil eines jeden der Sitze 3a und 3b zur Aufnahme der Ventile bildet. Natürlich sind Be­ festigungsmittel vorhanden, die in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet sind, und die der Platte 8 eine stabile Verbindung derselben in dem Sitz 9 des Zylinderkopfes 1 erlauben.

Im Detail werden diese Befestigungsmittel 10 in dem dar­ gestellten Falle aus einer Anzahl von Spreiznieten 11 ge­ bildet (eine davon ist in der Abb. 2 vollständig sichtbar), die paarweise auf der Platte 8 angeordnet und jeweils mit einem Stift 12 versehen sind, der in die Mit­ te der Niete selbst einschiebbar ist, um diese zu sprei­ zen. Diese Stifte 12 erlauben die Befestigung der Niete innerhalb einer entsprechenden Bohrung 13, die in den Zylinderkopf 1 eingearbeitet ist.

In einer alternativen Verwirklichungsform, die zum Teil in den Abb. 3 und 4 gezeigt wird, ist die Platte 8 aus einem einzigen Körper zusammen mit einer zylindri­ schen Buchse 14a (allgemein Sitz genannt) zur Aufnahme und zum Halten eines der Ansaug- oder Ablaßventile 4a und 4b hergestellt, eine Buchse, die normalerweise mit einer zweiten Buchse 14b den eigentlichen Arbeitssitz der obengenannten Ventile bildet.

Nach beendeter Montage an dem Zylinderkopf 1, befindet sich die auf der Buchse 14a hergestellte Platte 8 mit ih­ rem freien und bogenförmig profilierten Ende 8a in Berüh­ rung mit oder dicht an der anderen Buchse 14b angeordnet. In einer weiteren alternativen Lösung gegenüber den vor­ stehend gezeigten kann das Element 7 direkt als Auflage­ material in dem obengenannten Bereich des Steges herge­ stellt sein, beispielsweise durch die herkömmliche Tech­ nik des Plasma-Spray, durch die ein pulverförmiges Mate­ rial (vorzugsweise Keramik oder andere metallene Super­ legierungen) auf den bestimmten Bereich "geschossen" wird, und zwar von einer Flüssigkeit mit sehr hoher Tem­ peratur, die in der Lage ist, das pulverförmige Material zu erweichen oder zum Teil zu schmelzen, so daß ein An­ haften in Form eines mehr oder weniger dicken Films mög­ lich ist. In diesem letzteren Falle zeigt sich der Zylin­ derkopf vollkommen dem in Abb. 1 gezeigten ähnlich, mit dem einzigen Unterschied, daß er keine Befestigungs­ mittel 10 aufweist.

Insgesamt bieten alle gezeigten Lösungen eine erhebliche und weitreichende Sicherheit was die Widerstandsfähigkeit und die Ableitung der Wärme gerade in den Bereichen be­ trifft, in denen normalerweise die größten thermischen Belastungen entstehen. Dadurch ist es möglich, auf die Verbrennung einzuwirken, indem die Temperatur in der Kam­ mer erhöht wird mit der daraus sich ergebenden Verbesse­ rung der Eigenschaften des Motors, wobei die konstrukti­ ven Elemente des Motors selbst unverändert bleiben. Die so ausgelegte Erfindung unterliegt zahlreichen Ände­ rungen und Varianten, die alle in den Bereich des erfin­ derischen Konzepts fallen. Außerdem können alle Details durch technisch gleichwertige Elemente ersetzt werden.

Claims (6)

1. Zylinderkopf für Motoren, insbesondere für solche mit Kompressionszündung wie Dieselmotoren, enthaltend ei­ nen Motorblock zur Aufnahme von wenigstens einem Kolben mit wechselweiser Bewegung und einem Zylinderkopf (1), der oberhalb des genannten Motorblocks angeordnet ist und mit diesem zusammen eine Verbrennungskammer (2) be­ schreibt, die dazu dient, mit Hilfe entsprechender Sitze (3a und 3b) Verteilerventile (4a und 4b) aufzunehmen, die ebenfalls mit einer alternativen Bewegung zum Öffnen und/ oder Schließen entsprechender Öffnungen (5) zum Ansaugen von Luft beziehungsweise zum Ablassen von Verbrennungs­ gasen versehen und voneinander durch einen Stegbereich getrennt sind, wobei der genannte Zylinderkopf (1) au­ ßerdem eine Einspritzdüse (6) trägt, die ebenfalls mit der Verbrennungskammer (2) in Verbindung steht und dazu dient, die mit Kraftstoff zu speisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er in dem Stegbereich, in dem der genannte Zylinderkopf (1) die genannten Öffnungen zum Ansaugen und Ablassen miteinander verbindet, eine Auflage (7) aus Ma­ terial mit hohem Wärmewiderstand aufweist, die sich bis zu den genannten Öffnungen (5) erstreckt, so daß ein Be­ reich mit hohem Wärmewiderstand und Ableitung der durch die Verbrennung erzeugten Wärme gebildet wird.

2. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte Auflage (7) aus einer Platte (8) besteht, die zwischen den genannten beiden Sitzen (3a und 3b) zur Aufnahme der genannten beiden Ventile (4a und 4b) angeordnet und ergänzend in einen in den genannten Zylinderkopf (1) eingearbeiteten Sitz (9) einsetzbar ist, so daß der genannte Steg zur Verbindung der genannten beiden Öffnungen (5) kopiert wird, wobei die genannte Platte (8) beiderseitig so profiliert ist, daß ein dop­ pelter Bogen hergestellt wird, der einen Teil eines jeden der genannten Sitze (3a und 3b) zur Aufnahme der Ventile bildet, und wobei Befestigungsmittel (10) vorgesehen sind, die auf die genannte Platte (8) wirken und dazu dienen, diese fest mit dem genannten Zylinderkopf (1) zu verbinden.

3. Zylinderkopf nach Patentanspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannten Befestigungsmittel (10) aus einer Anzahl von Nieten (11) bestehen, die jeweils mit einem mittleren Stift (12) versehen sind, der dazu dient, durch Spreizen die Niete selbst in einer entsprechenden Bohrung (13) zu blockieren, die in den genannten Zylin­ derkopf (1) eingearbeitet ist.

4. Zylinderkopf nach Patentanspruch 2, bei dem dieser genannte Zylinderkopf (1) mit einem Paar von zylindri­ schen Buchsen (14a und 14b) zur Aufnahme und zum Halten der genannten Ansaug- und Ablaßventile (4a und 4b) ver­ sehen ist, die längs in entsprechende und in den genann­ ten Zylinderkopf (1) eingearbeitete Bohrungen eingesetzt und mit einem ihrer Enden die genannten Öffnungen (5) zum Ansaugen und Ablassen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Platte (8) in Querrichtung mit wenig­ stens einer der genannten zylindrischen Buchsen (14a) zur Aufnahme des Ventils fest verbunden und mit ihrem freien Ende (8a) in der Nähe der oder im Kontakt mit der anderen Buchse (14b) angeordnet ist.

5. Zylinderkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte Auflage (7) aus einem Film aus Keramikmaterial oder aus einer metallenen Superlegie­ rung besteht.

6. Zylinderkopf nach den vorstehenden Patentansprüchen und nach dem was unter Bezugnahme auf die Abbildungen in den Zeichnungen und zu den erwähnten Zwecken beschrieben und gezeigt wurde.