DE4026986A1 - Zylinderkopf fuer verbrennungsmotoren sowie formsatz fuer dessen herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf eines Verbrennungs­ motors, ferner einen metallischen Formsatz oder Druckgußsatz zum Herstellen eines solchen Zylinderkopfes.

Druckgießen wird immer häufiger angewandt zum Herstellen von Zylinderköpfen von massenproduzierten, vergleichsweise sparsa­ men Verbrennungsmotoren. Druckgießen basiert auf dem Vorgang des Einspritzens von geschmolzenem Metall wie einer Aluminium­ legierung in einen metallischen Form- oder Gesenksatz unter Druck.

Um eine sanfte Strömung vom Motoreinlaß in die Ventilöffnung zu erreichen, ist es vonnöten, einen Einlaßkanal zu definieren, der sich allmählich und sanft von einer Öffnung ausgehend krümmt. Die Öffnung befindet sich in einer Seitenwand des Zy­ linderkopfes zu einer Einlaßöffnung, die mit der Verbrennungs­ kammer kommuniziert. Angenommen, die axiale Linie des Zylinders erstreckt sich vertikal, so erstreckt sich der Einlaßkanal im wesentlichen horizontal nahe der Öffnung an der Seitenwand des Zylinderkopfes, führt aber aus einer im wesentlichen vertikalen Stellung zu der Einlaßöffnung.

Um also einen Einlaßkanal, der die gewünschte Gestaltung hat, zu definieren, ist es erforderlich, den Einlaßkanal zu krümmen. Allerdings muß der Einlaßkanal von einem Kern definiert sein, wenn der Zylinderkopf durch Druckgießen hergestellt wird.

Dieser Kern muß so eine Gestalt haben, daß er aus dem Gußzylin­ derkopf zur Fertigstellung des Gießvorgangs herausgezogen wer­ den kann. Deswegen waren Einlaßkanäle von herkömmlichen Ver­ brennungsmotoren entweder gerade oder allenfalls bogenförmig. Das japanische Gebrauchsmuster, dargelegt in der Veröffent­ lichung Nr. 56-26 928, enthält einen Gesenksatz, der einen gebo­ genen Kern beinhaltet zum Definieren eines gekrümmten Kanals. Herkömmliche Gesenksätze sind jedoch völlig unzureichend, wenn der Einlaßkanal beispielsweise räumlich gekrümmt sein soll, um Störungen mit anderen Teilen des Motors zu vermeiden, wie der Öffnung zum Aufnehmen der Ventilstößel, zum Betätigen des Motor-Ventil-Mechanismus, Bohrlöcher zum Hindurchführen der Be­ festigungsbolzen zum Sichern des Zylinderkopfes am Zylinder­ block, und Kanäle zum Kühlen von Luft und Wasser.

Angesichts solcher Probleme des Standes der Technik ist es vor­ rangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren herzustellen, der ausgestattet ist mit einem Einlaßkanal und/oder einem Auslaßkanal, der möglichst eine gekrümmte Gestalt haben sollte, um Störungen mit anderen Teilen des Motors zu vermeiden, und der Einlaßluft und/oder Ab­ gas in einer möglichst sanften Weise leitet.

Zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinder­ kopf für Verbrennungsmotoren zu schaffen, der sehr kompakt und leicht herzustellen ist.

Drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinder­ kopf für Verbrennungsmotoren zu schaffen, der viel Spielraum läßt bezüglich des Layout des Motors, selbst wenn er im Druckgießverfahren hergestellt werden soll.

Ein viertes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gesenk­ system oder einen Gesenksatz zu schaffen, die geeignet sind zur Herstellung eines solchen Zylinderkopfes.

Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung können er­ füllt werden durch das Schaffen eines Zylinderkopfes für Ver­ brennungsmotoren, der folgendes umfaßt: Einen Zylinderkopf­ hauptteil, der eine Vertiefung hat, die einen Teil der Verbren­ nungskammer definiert; eine Einlaßöffnung, die ausgestattet ist mit einem Einlaßventil, das mit der Verbrennungskammer verbun­ den ist; einen Einlaßkanal, der sich vom äußeren Ende des Zy­ linderkopfhauptteils zu der Einlaßöffnung erstreckt; eine Ab­ gasöffnung, die ausgestattet ist mit einem Abgasventil, welches verbunden ist mit der Verbrennungskammer; und ein Auslaßkanal, der sich vom äußeren Ende des Zylinderkopfhauptteils zu der Ab­ gasöffnung erstreckt; schließlich der Einlaßkanal oder der Aus­ laßkanal, definiert durch einen schraubenlinienförmigen Kanal, der einen konstanten Krümmungsradius um seine axiale Mittel­ linie seiner schraubenlinienförmigen Gestalt hat.

Gemäß dieser Struktur, und durch passendes Bestimmen des Radius der Krümmung und der Gewindesteigung der Schraubenlinie, ist es möglich, eine gewünschte dreidimensional gekrümmte Gestalt zu formen, die andere Teile nicht beeinträchtigt. Außerdem ist es nicht vonnöten, daß die Struktur der Druckplatte sehr komplex ist, solang der Kern entlang einer zentralen axialen Linie der Spirale herausgezogen werden kann, indem man ihn um die Mittel­ linie der Schraubenlinie herum herauszieht.

Der Schraubenlinienkanal kann eine Querschnittsfläche haben, welche über seine gesamte Länge konstant ist oder welche von einer der angeschlossenen Öffnungen aus, die verbunden sind mit der Verbrennungskammer, allmählich ansteigt zu seinem äußeren Ende. In jedem Falle ist es möglich, den Kern herauszuziehen zum Definieren des Kanals.

Gemäß einer bevorzugten Verwirklichung der vorliegenden Erfin­ dung erstrecken sich der Einlaßkanal und der Auslaßkanal von der Verbrennungskammer im wesentlichen in einer wechselseitig senkrechten Stellung. Dabei ist der eine der Kanäle ein schraubenlinienförmiger Kanal, während der andere Kanal ein im wesentlichen gerader Kanal oder ein einfacher gekrümmter gebo­ gener Kanal sein kann.

Alternativ können sich der Einlaßkanal und der Auslaßkanal von der Verbrennungskammer aus im wesentlichen in wechselseitig ge­ genüberliegenden und parallelen Richtungen erstrecken, wobei der Einlaß- und der Auslaßkanal beide aus einem schraubenli­ nienförmigen Kanal bestehen, der einen konstanten Krümmungsra­ dius um eine axiale Mittellinie seiner spiralen Gestalt hat.

Solch ein Zylinderkopf kann in herkömmlicher Weise mit einem Gesenksatz hergestellt werden, der folgendes umfaßt: Einen Hauptgesenksatz zum Formen des Zylinderkopfhauptteils; und einen Kern zum Formen des schraubenlinienförmigen Kanals, aus­ gestattet mit der Spiralgestalt einer konstanten Krümmung und drehbar um eine axiale Mittellinie der Schraubengestalt mit Rücksicht auf den Hauptgesenksatz. So ist es möglich, den Kern herauszuziehen, indem man ihn dreht, wie er herausgezogen wird. Der Kern kann entweder mit Rücksicht auf den Hauptgesenksatz frei drehbar sein, oder er kann ausgestattet sein mit Führungs­ vorrichtungen zum Drehen des Kerns um die axiale Mittellinie seiner spiralen Gestalt gleichzeitig mit einer Bewegung zum Herausziehen des Kerns aus einem Gußzylinderkopf.

Die Erfindung ist im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführung des Zylinderkopfes gemäß der vorliegenden Erfin­ dung, gemäß Schnittlinie I-I von Fig. 2;

Fig. 2 ist auch eine Schnittansicht, gemäß Schnittlinie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführung des Zylinderkopfes gemäß der vorliegenden Erfin­ dung, gemäß Schnittlinie III-III von Fig. 4;

Fig. 4 ist auch eine Schnittansicht, mitgenommen von Linie IV-IV von Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Fragmentschnittansicht einer Druckplatte zum Herstellen des Zylinderkopfes gemäß der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Fragmentschnittansicht einer anderen Ausführung der Druckplatte gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den dargestellten Ausführungen sind gleiche Teile mit gleichen Ziffern gekennzeichnet.

Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführung des Zylinderkopfes 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Zylinderkopf 1 ist aus eine Druckguß-Aluminiumlegierung hergestellt und hat flache obere und untere Oberflächen 2 und 3 zum Sichern einer Kopfum­ hüllung (in den Zeichnungen nicht gezeigt) und zum Verbinden des Zylinderkopfes 1 mit einem Zylinderblock (in den Zeichnun­ gen nicht gezeigt). Die untere Oberfläche 3 des Zylinderkopfes 1 ist ausgestattet mit einer keilförmigen Vertiefung, die eine Verbrennungskammer 4 definiert. Die Dachpartie dieser Verbren­ nungskammer 4 ist ausgestattet mit einer Einlaßöffnung 5 und einer Abgasöffnung 6, eine neben der anderen, welche beide ge­ öffnet und geschlossen werden von einem Einlaßventil und einem Abgasventil (in den Zeichnungen nicht gezeigt). Die Ventilstößelführungen 7 sind eingebettet in einen Teil des Zylinderkopfes 1, der sich oberhalb der Einlaßöffnung 5 und der Abgasöffnung 6 befindet.

Gemäß Fig. 2 ist ein Paar der Kopfbolzenbohrungen 8 rechts an­ geordnet von der Einlaß- und der Abgasöffnung 5 und 6, und ein Paar von gleichen Kopfbolzenbohrungen 9 ist links angeordnet von der Einlaß- und Abgasöffnung 5 und 6. Außerdem ist ein Paar von Ventilanhubstangenbohrungen 10 links von den Kopfbolzen­ bohrungen 9 angebracht, um ein Paar von Ventilanhubstangen 18 zum Betätigungen des Ventilmechanismus durchzulassen. Ein Teil, welches an die Einlaß- und die Abgasöffnung 5 und 6 angrenzt, ist versehen mit einer Zündkerzenbefestigungsbohrung 11 zum ge­ windeartigen Aufnehmen eines freien Endes einer Zündkerze (nicht in den Zeichnungen gezeigt) .

Ein Einlaßkanal 12 erstreckt sich von der Einlaßöffnung 5 zu der linken Seite der Oberfläche des Zylinderkopfes 1. Dieser Einlaßkanal 12 erweitert sich im äußeren Durchmesser nach außen hin. Er ist verbunden mit einem äußeren Teil, nachdem er sich durch den Raum erstreckt zwischen den Zylinderkopfbolzen­ bohrungen 9, welche sich auf der linken Seite in Fig. 2 befin­ den, und zwischen den Ventilanhubstangenbohrungen 10, wobei seine axiale Linie eine spirale Gestalt um eine axiale Mittel­ linie bildet, die einen bestimmten Kreisbewegungsdurchmesser R und eine Steigung P hat.

Ein Auslaßkanal 13, der sich von der Abgasöffnung 6 nach draußen erstreckt, kann entweder gerade sein oder, wie auf einer vertikalen Ebene entworfen, gekrümmt sein. Diese ge­ krümmte Gestalt muß einen konstanten Krümmungsradius haben und sich in einer Ebene erstrecken (oder zweidimensional sein), so daß der Kern zum Definieren des Auslaßkanals 13 herausgezogen werden kann. Der Durchmesser des Auslaßkanals 13 kann entweder im wesentlichen konstant oder wahlweise allmäh­ lich ansteigen von der Abgasöffnung zu seiner Öffnung 17 auf einer Seitenwand des Zylinderkopfes 1.

Eine Seitenwand des Zylinderkopfes 1 ist ausgestattet mit einer Vielzahl von Kühlungsrippen 14 zum Verbessern der Kühlungswir­ kung. Zwischen dem Einlaßkanal 5 und der unteren Oberfläche 3 des Zylinderkopfes 1 ist ein Luftkanal 15 zum Leiten der Küh­ lungsluft gegossen.

Um die Verbrennungseffizienz bei niedrigen und mittleren Ge­ schwindigkeiten zu verbessern, wird es vorgezogen, den Einlaß­ kanal zu verlängern, um die Einlaßträgheit auszunutzen und um den Winkel, unter welchem der Zustrom in die Verbrennungskammer eintritt, zu vergrößern, um einen Wirbel in der Verbrennungs­ kammer herzustellen. Um die Länge des Einlaßkanals zu verlän­ gern, während der Zylinder sehr kompakt gehalten wird, ist es vorzuziehen, den Einlaßkanal quer durch den Zwischenraum zwischen den Ventilanhubstangenbohrungen auszudehnen. Um jedoch diesen Anforderungen zu genügen, ist es notwendig, dem Einlaß­ kanal eine dreidimensionale Gestalt zu geben. Auf diese Weise wird es unmöglich gemacht, den Kern zum Gießen des Einlaßkanals herauszuziehen. Dies zwang bisher zu einer beträchtlichen Be­ schränkung der Anwendung des Druckgießverfahrens beim Herstel­ len von Zylinderblöcken.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Einlaßkanal 12 jedoch in Gestalt schraubenlinienförmig oder spiralig geformt, mit einer konstanten Krümmung um eine bestimmte Linie, in der Weise, daß sich der Kanal sanft in Richtung der Einlaßöffnung 5 in ihrem projizierten Bild auf eine Seitenoberfläche krümmt (siehe Fig. 1). Die Einlaßöffnung 5 und die Öffnung 16 an einer Zylinderkopfseitenwand sind gegeneinander versetzt, und der Einlaßkanal 12 führt durch den Zwischenraum zwischen den Zylin­ derkopfbolzenbohrungen 9 und den Ventilanhubstangenbohrungen 10.

Durch solches Bestimmen der Gestalt des Einlaßkanals 12 ist es möglich, die Öffnung 16 an der Zylinderkopfseitenwand und die Einlaßöffnung 5 entlang einer schrägen Linie miteinander zu verbinden und die Veränderung in der Querschnittsfläche des Kanals, der zu der Einlaßöffnung 5 führt, allmählich herbeizu­ führen. Deshalb wird es möglich, die volumetrische Effizienz des Motoreinlasses zu verbessern. Außerdem kann ein gewünschter Kühlungseffekt erreicht werden, wenn ein Luftkanal 15, der eine relativ große Querschnittsfläche hat, unter den Einlaßkanal de­ finiert werden kann.

Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Darstellung des Zylinderkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Darstellung er­ strecken sich ein Einlaßkanal 12 und ein Auslaßkanal 13 in genau entgegengesetzten Richtungen des Zylinderkopfes 1′, so daß ein Tangentialmotor gebildet wird. Der Einlaßkanal 12 er­ streckt sich zwischen einem Paar der Bohrungen 9 zum Aufnehmen der Gewindebolzen zum Sichern des Zylinderkopfes 1′ an einen Zylinderblock. Der Auslaßkanal 13 erstreckt sich ebenso zwischen den entsprechenden Bohrungen 8 zum Aufnehmen der Ge­ windebolzen zum Sichern des Zylinderkopfes 1′ am Zylinderblock. Eine relativ große Öffnung 10 ist auf einer Seite (oberes Ende, gesehen in Fig. 4) des Zylinderkopfes 1′ vorgesehen, um Stößel 18 zum Betätigen der Einlaß- und Auslaßventile mittels Kipphe­ beln, die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind, aufzunehmen.

Auch in dieser Darstellung sind in der Einlaßkanal 12 und Aus­ laßkanal 13 jeweils schraubenlinienförmig gestaltet, die eine konstante Krümmung um die axiale Mittellinie ihrer spiralen Ge­ stalt hat. So sind, wie am besten in Fig. 4 dargestellt, die Einlaß- und Auslaßkanäle 12 und 13 von den Bohrungen 8 und 9 zum Aufnehmen der Gewindebolzen hinwegverdreht, um Störungen dazwischen zu vermeiden. Die Einlaß- und Auslaßkanäle 12 und 13 sind dreidimensional gekrümmt.

So werden, gemäß dieser Darstellung, sowohl der Einlaßkanal 12 und der Auslaßkanal 13 sanft und dreidimensional gekrümmt, so daß sich der Flußwiderstand minimiert, um Störungen mit anderen Teilen des Motors zu vermeiden und um es möglich zu machen, daß die Kerne zum Definieren der Einlaß- und Auslaßkanäle heraus­ gezogen werden können, wie nachstehend erläutert. Die Einlaß- und Auslaßkanäle können auch eine relativ große Länge für den dafür zugelassenen Raum im Zylinderkopf haben. Die Trägheit der Einlaßluft und des Auslaßgases kann günstig zum Verbessern der Effizienz des Motors ausgenutzt werden.

Fig. 5 zeigt eine metallische Preßform oder eine Druckplatte 21 zum Herstellen des Zylinderkopfes 1 oder 1′. Diese Druck­ platte 21 besteht aus einer Hauptdruckplatte 22, die eine Seitenwand des Zylinderkopfes definiert und einem Kern 23, ver­ bunden mit der Hauptdruckplatte 22 zum Definieren des Einlaß­ kanals 12 oder des Auslaßkanals 13. Der Kern 23 ist von spira­ ler oder schraubenlinienförmiger Gestalt, um zu der Gestalt des entsprechenden Kanals zu passen, und ist verbunden mit der Hauptdruckplatte 22, so daß er um die Mittellinie C seiner spi­ ralen Gestalt herum drehbar ist. Sobald die Druckplatte (in den Zeichnungen nicht gezeigt) geschlossen wird, wird der Kern 23 daran gehindert, sich mit einem Einsteckbolzen 24 zu drehen. Sobald die Druckplatte geöffnet wird, indem man den Kern 23 frei drehen läßt, kann der Kern 23 herausgezogen werden, wäh­ rend er um die Mittellinie der schraubenlinienförmigen oder spiraligen Gestalt gedreht wird, sowie die Hauptdruckplatte 22 von dem Gießzylinderkopf linear entlang der Mittellinie der Spiralgestalt, während er um die Mittellinie der Spiralgestalt gedreht wird, sowie die Hauptdruckplatte 22 von dem Gießzylin­ derkopf linear entlang der Mittellinie der Spiralgestalt ent­ fernt wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Darstellung der Druckplatte 21 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das untere Ende 26 eines Kerns 23 dieser Druckplatte 21 paßt in ein Führungsglied 25, welches an der Druckplatte gesichert ist. Eine spiralförmige Rinne 27 ist um das untere Ende des Kerns 23 herumgeformt, und ein Zapfen 29, der aus der inneren Umfangsfläche einer Aufnahmebohrung 28 hervorragt, wird von der spiralen Rinne 27 festgehalten. Gemäß dieser Darstellung wird dem Kern 23 eine Rotationsbewegung ge­ geben, wenn das Führungsglied 25 axial bewegt wird, und der Kern 23 kann in derselben Weise wie in der vorherigen Darstel­ lung herausgezogen werden.

So ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen drei­ dimensional gekrümmten Einlaß- und/oder Auslaßkanal zu formen, indem man einen Kern benutzt, welcher herausgezogen werden kann. Deshalb können ein Einlaßkanal und/oder ein Auslaßkanal, die eine gekrümmte Gestalt haben, die sanft an eine Einlaß- oder Auslaßöffnung führt, mittels eines Druckgießverfahrens in einer Stellung, welche nicht die Zylinderkopfbolzenlöcher, die Ventilanhubstangenlöcher und andere Teile des Motors, beein­ trächtigt, haben. Die vorliegende Erfindung ist deswegen sehr effektiv im Vereinfachen des Verfahrens des Herstellens von herkömmlichen Verbrennungsmotoren.

Claims (9)

1. Zylinderkopf für Verbrennungsmotoren, der folgendes umfaßt:
einen Zylinderkopfhauptteil, der eine Vertiefung hat, welche einen Teil der Verbrennungskammer definiert;
eine Einlaßöffnung, welche ausgestattet ist mit einem Ein­ laßventil, das mit der genannten Verbrennungskammer verbun­ den ist;
einen Einlaßkanal, der sich von einem äußeren Ende des be­ sagten Zylinderkopfhauptteils zur besagten Einlaßöffnung erstreckt;
eine Auslaßöffnung, die ein Auslaßventil aufweist, welches verbunden ist mit der besagten Verbrennungskammer;
einen Auslaßkanal, der sich von einem äußeren Ende des be­ sagten Zylinderkopfhauptteils zu der besagten Auslaßöffnung erstreckt;
wobei wenigstens eine der besagten schraubenlinienförmigen Einlaß- und Auslaßkanäle definiert ist durch einen schrau­ benlinienförmigen Verlauf mit konstantem Krümmungsradius um eine axiale Mittellinie ihre schraubenlinienförmigen Ge­ stalt hat.

2. Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schraubenlinienförmige Kanal eine Querschnittsfläche hat, welche im wesentlichen über seine ganze Länge konstant ist.

3. Ein Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schraubenlinienförmige Kanal eine Querschnitts­ fläche hat, welche sich allmählich von einer der besagten angeschlossenen Öffnungen vergrößert, welche die Verbren­ nungskammer mit seinem äußeren Ende verbinden.

4. Ein Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf mittels eines Druckgießverfahrens her­ gestellt ist.

5. Ein Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Einlaßkanal und der Auslaßkanal von der Ver­ brennungskammer im wesentlichen in einer gegenseitig senk­ rechten Richtung erstrecken, wobei eine der Kanäle einen schraubenlinienförmigen Verlauf hat, während der andere Kanal einen im wesentlichen geraden oder zweidimensional gekrümmten Verlauf hat.

6. Ein Zylinderkopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Einlaßkanal und der Auslaßkanal von der Ver­ brennungskammer aus im wesentlichen in entgegengesetzten und parallelen Richtungen erstrecken, und jeweils einen schraubenlinienförmigen Verlauf haben, mit konstantem Krüm­ mungsradius um die axiale Mittellinie der Schraubenlinie.

7. Gesenksatz zum Herstellen eines Zylinderkopfes gemäß An­ spruch 1, der folgendes umfaßt:
einen Hauptgesenksatz zum Formen des Zylinderkopfhaupt­ teils; und
einen Kern zum Formen des schraubenlinienförmigen Kanals, wobei die Schraubenlinie eine konstante Krümmung aufweist, drehbar um eine zentrale axiale Linie der genannten Schrau­ benlinie in Bezug auf den Hauptgesenksatz.

8. Gesenksatz gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern in Bezug auf den Hauptgesenksatz frei rotierbar und mit Mitteln zum selektiven Sichern des besagten Kerns gegen seine Drehbewegung um besagte axiale Linie ausgestat­ tet ist.

9. Gesenksatz gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptgesenksatz ausgestattet ist mit Führungsvor­ richtungen zum Verdrehen des Kerns um eine axiale Mittel­ linie seiner Schraubenlinie gleichzeitig mit einer Bewegung zum Herausziehen des Kerns aus einem Gußzylinderkopf.