EP1733133B1 - Wassergek hlter zylinderkopf für eine mehrzylindrige br ennkraftmaschine - Google Patents

Wassergek hlter zylinderkopf für eine mehrzylindrige br ennkraftmaschine Download PDF

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EP1733133B1
EP1733133B1 EP05726240.4A EP05726240A EP1733133B1 EP 1733133 B1 EP1733133 B1 EP 1733133B1 EP 05726240 A EP05726240 A EP 05726240A EP 1733133 B1 EP1733133 B1 EP 1733133B1
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EP
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cylinder head
water
combustion chamber
domes
cooled
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EP1733133A1 (de
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Michael Paul
Frank Ickinger
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/242—Arrangement of spark plugs or injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
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    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/006—Camshaft or pushrod housings
    • F02F2007/0063—Head bolts; Arrangements of cylinder head bolts

Definitions

  • the invention relates to a water-cooled cylinder head for a multi-cylinder internal combustion engine according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • a generic water-cooled cylinder head is for example from the DE 199 55 431 A1 known.
  • an internal combustion engine is known which comprises a rib structure with a longitudinal rib below the water jacket in the cylinder head.
  • the object of the invention is therefore to overcome the aforementioned disadvantages.
  • the cylinder head housing designed in light metal construction can be stiffened and the high-temperature-loaded combustion chamber calipers can be effectively anchored in the cylinder head housing.
  • the rib structure has a longitudinal rib which penetrates the water jacket.
  • a particularly effective support or suspension of the Brennraumkalotten is ensured if the longitudinal rib is provided centrally between the valve inlet and outlet side and connected to the individual spark plug dome.
  • the rib structure has diagonal ribs which are connected to the dome for the cylinder head bolts, the spark plug dome and the valve stem guides.
  • a particularly effective rib structure results when, in addition to the longitudinal and diagonal ribs, transverse ribs are provided which connect the dome for the cylinder head bolts introduced on the inlet and outlet side in the cylinder head housing.
  • FIG. 1 illustrated cylinder head housing 10 has three cylinder head sections 12, 14, 16 which have in its central region Einschraubötechnisch 18, 20, 22 for spark plugs. Above the screw-in openings 18, 20, 22, two valve stem guides 24, 26 and 28, 30 and 32, 34 for the intake valves are shown per cylinder. Corresponding valve stem guides 36, 38 or 40, 42 and 44, 46 for the outlet valves are provided below the screw-in openings 18, 20, 22.
  • the screwing of the cylinder head housing 10 with the crankcase takes place with the aid of four cylinder head bolts per cylinder.
  • four through holes 48a to 48d or 49a to 49d or 50a to 50d are provided in the cylinder head housing 10 for each cylinder head section 12, 14, 16.
  • a chain case 52 is formed, which receives in an upper portion 54, not shown sprocket for driving the intake camshaft.
  • the drive cam for the exhaust camshaft is arranged in a lower portion 56 of the chain box 52.
  • corresponding combustion bowls 58, 60, 62 are formed in the cylinder head housing, which are bounded by the so-called.
  • Brennraumkalotten 64, 66, 68 Above the combustion chamber calottes 64, 66, 68 water jackets 70, 72, 74 are formed, which are traversed transversely in the operation of the internal combustion engine from the cooling water - from the Ventilauslass- to the valve inlet side.
  • a rib structure for stiffening the cylinder head housing 10 and for supporting the Brennraumkalotten 64, 66, 68 is provided, which is described in more detail below.
  • section line II - II is provided over the three cylinder head sections 12, 14, 16 extending longitudinal rib 76 which, as shown Fig. 2 and 3 seen, is connected to the dome 77 of the screw-in openings 18, 20, 22 for the spark plugs.
  • the longitudinal rib extends in the direction of the water jacket 70, 72, 74 and is over - the water jacket penetrating ribs or
  • rib structure furthermore has, for each cylinder head section 12, 14, 16, two transverse ribs 82, which are respectively cast onto the dome 81 for the cylinder head screw connections, relative to the cylinder head longitudinal axis (see line II-II).
  • the webs 78 penetrating the water jacket 70, 72, 74 are aligned in such a way that, as guide ribs, they guide a part of the cooling water into the region of the spark plug dome 77 in a targeted manner.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • Ein gattungsgemäßer wassergekühlter Zylinderkopf ist beispielsweise aus der DE 199 55 431 A1 bekannt. Aus der JP 6202655 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Rippenstruktur mit einer Längsrippe unter dem Wassermantel im Zylinderkopf umfasst.
  • Generell ist man bei Kraftfahrzeugen bestrebt, unter anderem aus Gründen der Kraftstoffeinsparung das Gesamtgewicht des Fahrzeuges zu reduzieren. Bei den Motoren werden dazu beispielsweise für das Kurbel- und Zylinderkopfgehäuse zunehmend Leichtmetalllegierungen eingesetzt. Insbesondere bei Hochleistungsmotoren treten jedoch aufgrund der hohen spezifischen Leistung im Zylinderkopf Temperaturspitzen insbesondere im Bereich zwischen den Auslassventilen bzw. zwischen Auslassventil und Zündkerze auf. Dies führt zu Temperaturspannungen im Material und kann in Verbindung mit äußeren Lasten zu bleibenden Verformungen im Sitzringbereich und damit zu Ventilundichtigkeiten führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden.
  • Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Dadurch, dass im Zylinderkopfgehäuse eine Rippenstruktur integriert ist, kann das in Leichtmetallbauweise ausgeführte Zylinderkopfgehäuse versteift und die hoch temperaturbelasteten Brennraumkalotten wirksam im Zylinderkopfgehäuse verankert werden. Durch diese Strukturmaßnahmen ist sichergestellt, dass trotz hoher Temperaturbelastung der Zylinderkopf insbesondere im Bereich der Brennraumkalotten formstabil bleibt.
  • Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Zur optimalen Abstützung bzw. Strukturversteifung der Brennraumkalotten weist die Rippenstruktur eine den Wassermantel durchdringende Längsrippe auf.
  • Damit trotz der den Wassermantel durchdringenden Längsrippe ein ungehinderter Kühlmittelfluss von der Ventilauslass- zur Ventileinlassseite erfolgen kann, sind in der Längsrippe entsprechende Durchlassöffnungen ausgebildet.
  • Eine besonders wirksame Abstützung bzw. Aufhängung der Brennraumkalotten ist gewährleistet, wenn die Längsrippe zentral zwischen Ventilein- und auslassseite vorgesehen und an die einzelnen Zündkerzendome angebunden ist.
  • Zur weiteren Versteifung des Zylinderkopfgehäuses weist die Rippenstruktur Diagonalrippen auf, die an die Dome für die Zylinderkopfschrauben, die Zündkerzendome sowie die Ventilschaftführungen angebunden sind.
  • Eine besonders wirksame Rippenstruktur ergibt sich, wenn zusätzlich zu den Längs- und Diagonalrippen Querrippen vorgesehen sind, die die auf der Ein- und Auslassseite im Zylinderkopfgehäuse eingebrachten Dome für die Zylinderkopfschrauben miteinander verbinden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachstehend näher beschrieben ist.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Draufsicht auf ein Zylinderkopfgehäuse,
    Fig. 2
    einen Längsschnitt durch das Zylinderkopfgehäuse gemäß der Linie II - II in Fig. 1 und
    Fig. 3
    eine Perspektivansicht des entlang der Linie II-II aufgeschnittenen Zylinderkopfes.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Zylinderkopfgehäuse 10 weist drei Zylinderkopfabschnitte 12, 14, 16 auf, die in ihrem zentralen Bereich Einschrauböffnungen 18, 20, 22 für Zündkerzen aufweisen. Oberhalb der Einschrauböffnungen 18, 20, 22 sind jeweils pro Zylinder zwei Ventilschaftführungen 24, 26 bzw. 28, 30 bzw. 32, 34 für die Einlassventile dargestellt. Entsprechende Ventilschaftführungen 36, 38 bzw. 40, 42 bzw. 44, 46 für die Auslassventile sind unterhalb der Einschrauböffnungen 18, 20, 22 vorgesehen.
  • Die Verschraubung des Zylinderkopfgehäuses 10 mit dem Kurbelgehäuse erfolgt mit Hilfe von vier Zylinderkopfschrauben pro Zylinder. Dafür sind im Zylinderkopfgehäuse 10 für jeden Zylinderkopfabschnitt 12, 14, 16 vier Durchgangsbohrungen 48a bis 48d bzw. 49a bis 49d bzw. 50a bis 50d vorgesehen. Stirnseitig am Zylinderkopfgehäuse 10 ist ein Kettenkasten 52 ausgebildet, der in einem oberen Abschnitt 54 ein nicht dargestelltes Kettenritzel für den Antrieb der Einlassnockenwelle aufnimmt. In einem unteren Abschnitt 56 des Kettenkastens 52 ist das Antriebsritzel für die Auslassnockenwelle angeordnet.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind in dem Zylinderkopfgehäuse 10 entsprechende Brennraummulden 58, 60, 62 ausgebildet, die durch die sog. Brennraumkalotten 64, 66, 68 begrenzt sind. Oberhalb der Brennraumkalotten 64, 66, 68 sind Wassermäntel 70, 72, 74 ausgebildet, die im Betrieb der Brennkraftmaschine vom Kühlwasser - von der Ventilauslass- zur Ventileinlassseite - quer durchströmt sind.
  • Im Zylinderkopfgehäuse 10 ist eine Rippenstruktur zur Versteifung des Zylinderkopfgehäuses 10 und zur Abstützung der Brennraumkalotten 64, 66, 68 vorgesehen, die nachfolgend näher beschrieben ist.
  • Entlang der in Fig. 1 dargestellten Schnittlinie II - II ist eine sich über die drei Zylinderkopfabschnitte 12, 14, 16 erstreckende Längsrippe 76 vorgesehen, die, wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, an die Dome 77 der Einschrauböffnungen 18, 20, 22 für die Zündkerzen angebunden ist. Die Längsrippe erstreckt sich in Richtung des Wassermantels 70, 72, 74 und ist über - den Wassermantel durchdringende Rippen bzw.
  • Stege 78 - an die Brennraumkalotten 64, 66, 68 angegossen. Damit wird einerseits eine Versteifung des Zylinderkopfgehäuses 10 und andererseits eine Abstützung bzw. sichere Aufhängung der Brennraumkalotten 64, 66, 68 erreicht.
  • Wie aus Fig. 1 weiterhin ersichtlich, sind neben der Längsrippe 76 zur weiteren Versteifung des Zylinderkopfgehäuses 10 Diagonalrippen 80 vorgesehen, die an die Dome 81 für die Zylinderkopfschrauben, die Ventilschaftführungen 83 sowie die Zündkerzendome 77 angebunden bzw. angegossen sind. Die Rippenstruktur weist weiterhin für jeden Zylinderkopfabschnitt 12, 14, 16 zwei - bezogen auf die Zylinderkopflängsachse (siehe Linie II-II) - Querrippen 82 auf, die jeweils an die Dome 81 für die Zylinderkopfverschraubungen angegossen sind. Darüber hinaus sind die den Wassermantel 70, 72, 74 durchdringenden Stege 78 so ausgerichtet, dass sie als Leitrippen ein Teil des Kühlwassers gezielt in den Bereich des Zündkerzendomes 77 führen.

Claims (5)

  1. Wassergekühlter Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine, mit einem Gaswechselkanäle aufweisenden Zylinderkopfgehäuse (10), mit Durchgangsbohrungen (48,49, 50) für die Aufnahme von Zylinderkopfschrauben und mit Ventilschaftführungen (24 bis 46) für Ein- und Auslassventile, sowie mit Brennraumkalotten (64, 66, 68), die auf der dem Brennraum abgewandten Seite von einem Wassermantel (70, 72, 74) begrenzt sind, und mit jeweils einem Zündkerzendom (77), dessen Öffnung (18, 20, 22) zum Brennraum des jeweiligen Zylinders führt, wobei zur Versteifung des Zylinderkopfgehäuses (10) und/oder zur Abstützung der Brennraumkalotten (64, 66, 68) eine Rippenstruktur (76, 80, 82) im Zylinderkopfgehäuse integriert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rippenstruktur eine Längsrippe (76) aufweist, an der die Brennraumkalotten (64, 66, 68) der einzelnen Zylinderkopfabschnitte (12, 14, 16) abgestützt sind, wobei die Längsrippe (76) an die Dome (77) von Einschrauböffnungen (18, 20, 22) für in einem zentralen Bereich des Brennraumes (58, 60, 62) positionierten Zündkerzen angebunden ist, und wobei die Längsrippe (76) über den Wassermantel (70, 72, 74) durchdringende Stege (78) an die Brennraumkalotten (64, 66, 68) angegossen ist, die derart ausgerichtet sind, dass sie als Leitrippen ein Teil des Kühlwassers gezielt in den Bereich des Zündkerzendomes (77) führen.
  2. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippe (76) im Bereich des Wassermantels (70, 72, 74) zur Ausbildung von Durchlassöffnungen für das Kühlwasser Rippen bzw. Stege (78) aufweist.
  3. Wassergekühlter Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippe (76) zwischen Ventilein- und auslassseite vorgesehen und an die einzelnen Zündkerzendome (77) angegossen ist.
  4. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstruktur Diagonalrippen (80) aufweist, die an die Dome (81) für die Zylinderkopfschrauben, die Dome (83) für die Ventilschaftfiührungen (24 bis 46) sowie die Zündkerzendome (77) angegossen sind.
  5. Wassergekühlter Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstruktur Querrippen (82) aufweist, die an die Dome (81) für die Zylinderkopfschrauben angegossen sind.
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