EP2840251B1

EP2840251B1 - Injektorbohrungsring

Info

Publication number: EP2840251B1
Application number: EP14002306.0A
Authority: EP
Inventors: Jens Ehle; Raimund Ponsa; Wilhelm Feuser; Slawomir Fukacz
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2014-07-05
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2034-07-05
Also published as: DE102013013090A1; EP2840251A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektorbohrungsring.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Führung des Injektors mit Hilfe eines im Zylinderkopf integrierten Injektordoms (wie in der WO2006/072333A1 veröffentlicht) oder mit Hilfe einer separaten Hülse (z.B. aus Kupfer oder Stahl, wie in der DE 10 2010 033 710 A1 veröffentlicht) erfolgt. Im ersten Fall sind die Maße der erforderlichen Bohrung in der Bodenplatte durch den Außendurchmesser des Injektor-Düsenelementes gegeben; im zweiten Fall sind die Maße der Bohrung durch den Außendurchmesser der verwendeten Hülse gegeben. Nachteilig daran ist, dass in beiden Fällen der Bohrungsdurchmesser und damit ein wichtiger Einflussparameter der lokalen Steifigkeit der Bodenplatte nicht oder nur sehr geringfügig variiert werden kann.
Weiterhin ist bekannt, dass im Einsatz der Verbrennungskraftmaschine an der Bodenplatte des Zylinderkopfes hohe wechselnde Beanspruchungen durch das Aufheizen und Abkühlen des Aggregats auftreten. Die lokalen Beanspruchungen sind von der Temperaturlast des Zylinderkopfes und der Steifigkeitsverteilung innerhalb der Bodenplatte abhängig und können zu Anrissen infolge einer thermomechanischen Ermüdung (Thermo Mechanical Fatigue TMF) führen. Besonders gefährdet hinsichtlich derartiger Anrisse sind die Stegbereiche zwischen zwei Ventilen und der Bereich der Injektorbohrung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, mit der die Beanspruchungen in der Injektorbohrung bzw. in den Ventilstegen gezielt beeinflusst werden können, um das Risiko von TMF-Anrissen zu minimieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Einsenkung und ein Einsetzen eines Injektorbohrungsrings (TMF-Stützring) im Bereich der Injektorbohrung des Zylinderkopfes, wie im Anspruch 1 definiert, gelöst. Die Geometrie des Ringes und die Auswahl des Werkstoffes (E-Modul, Festigkeit) und des Einpressübermaßes haben einen entscheidenden Einfluss auf den Erfolg dieser Maßnahme und sind als Auslegungsparameter jeweils individuell festzulegen, so dass sich die lokalen Beanspruchungen in dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine reduzieren und die thermomechanische Schädigung minimiert. An dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung wird zur Positionierung und zur Einführung des Injektors in den Brennraum eine Bohrung in der Bodenplatte des Zylinderkopfes vorgesehen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, einen Injektorbohrungsring (TMF-Stützring) zu verwenden, der die in der Zylinderkopfbodenplatte vorgesehene Injektorbohrung umschließt und der eine gezielte Beeinflussung der lokalen Steifigkeit erlaubt.
An der Injektorbohrung wird hierzu eine Einsenkung gefertigt, in die dieser Ring eingesetzt und mittels Reibschluss gehalten wird (Presspassung). Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, den Ring unmittelbar beim Gießen einzusetzen und über Formschluss mit dem Zylinderkopf zu verbinden.
Die Geometrie des Ringes, die Auswahl des Werkstoffes (E-Modul, Festigkeit) und ggf. die Wahl des Einpressübermaßes haben einen entscheidenden Einfluss auf den Erfolg dieser Maßnahme und sind als Auslegungsparameter jeweils individuell festzulegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Um die mechanischen Beanspruchungen im Bereich der Injektorbohrung zu reduzieren, werden diese Parameter so gewählt, dass die örtlich hohe Belastung von dem Injektorbohrungsring (Stützring) getragen wird und die Zylinderkopfstruktur im Vergleich zu der Situation ohne Stützring entlastet wird. Die Lebensdauer im Bereich der Injektorbohrung wird dadurch erhöht. Werkstoff und Einpressübermaß des Ringes sind in diesem Fall so auszuwählen, dass einerseits eine ausreichende Stützwirkung erzielt wird, andererseits aber keine übermäßigen Zugspannungen in der Ringaufnahme des Zylinderkopfes entstehen, die sich wiederum kontraproduktiv auf die Betriebsfestigkeit auswirkt.
Um die mechanischen Beanspruchungen in den Ventilstegen zu reduzieren, kann der Injektorbohrungsring in einer möglichen Ausführungsvariante als "weicher" Ring auch dazu verwendet werden, die Steifigkeit der Bodenplatte einzustellen und diese gezielt zu verringern. In diesem Fall wird die thermische Dehnungsbehinderung und die mechanische Beanspruchung der Ventilstege reduziert. Die Lebensdauer im Bereich der Ventilstege wird dadurch erhöht.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
Es zeigen:

Figur 1: Zylinderkopf mit einer Injektorhülse
Figur 2: den Schnitt A-A aus Figur 1
Figur 3: das Detail B aus Figur 1
Figur 4: das Beispiel einer Bodenplatte eines Zylinderkopfs und der typischen TMF-gefährdeten Bereiche
Figur 5: die Bodenplatte des Zylinderkopfes in Schnittdarstellung
Figur 6: die Bodenplatte des Zylinderkopfs mit Injektorbohrungsring und Injektorhülse
Figur 7: das Detail A aus Figur 6
Figur 8: die Proportionen des geschnittenen Injektorbohrungsring

Figur 1 zeigt eine typische Anwendung bei einem Zylinderkopf, der mit einer Injektorhülse ausgeführt ist. Durch die Injektorbohrung hindurch verläuft die Schnittlinie A-A, die in Figur 2 dargestellt wird.Weiter zeigt Figur 2 ein Detail B, das in der Figur 3 offenbart wird. In Detail B in Figur 3 wird der Zylinderkopf mit der Injektorhülse 3 gezeigt. Um die Injektorhülse 3 herum ist ein sogenannter TMF-Stützring 2 konzentrisch so angeordnet, dass er mit dem in den Brennraum ragenden Ende der Injektorhülse 3 und dem Zylinderkopfbodenplatte im Wesentlichen bündig abschliesst.
Figur 4 zeigt ein Beispiel einer Bodenplatte eines Zylinderkopfes und der typischen TMF-gefährdeten Bereiche. Zu sehen sind die Injektorbohrung 1 und die Ventilstege 2.
Geeignete Werkstoffe für den Injektorbohrungsring sind unter anderem Stähle, Aluminiumlegierungen oder Kupfer bzw. Kupferlegierungen.
Figur 5 zeigt eine Bodenplatte des Zylinderkopfes in Schnittdarstellung mit der Injektorbohrung und einer am brennraumseitigen Ende der Injektorbohrung angeordneten Einsenkung zur Aufnahme des Injektorbohrungsrings.
In Figur 6 wird eine Bodenplatte des Zylinderkopfes mit einem Injektorbohrungsring und einer Injektorhülse im Detail A dargestellt, das in der folgenden Figur 7 detailreicher offenbart wird.
Figur 7 stellt das Detail A aus Figur 6 dar. In Detail A aus Figur 6 wird der Zylinderkopf 1 mit der Injektorhülse 3 gezeigt. Um die Injektorhülse 3 herum ist ein sogenannter TMF-Stützring 2, der auch als Injektorbohrungsring 2 bezeichnet wird konzentrisch so angeordnet, dass er mit dem in den Brennraum ragenden Ende der Injektorhülse 3 und dem Zylinderkopfbodenplatte im Wesentlichen bündig abschließt.
In Figur 8 werden typische Abmessungen des Injektorbohrungsringes 2 aus Figur 7 dargestellt.

Claims

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, die ein Kurbelgehäuse und eine darin drehbar gelagerte Kurbelwelle aufweist, an der jeweils mit einem Kolben verbundene Pleuel angelenkt sind, wobei der Kolben in einem von dem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Brennraums bewegbar ist, umfassend wenigstens eine Nockenwellen, die je Zylinder wenigstens ein Gaswechselventil, insbesondere ein Einlassventile und ein Auslassventil steuert, wobei ein Injektor in eine zentrale Ausnehmung einsetzbar ist, die als von schmierölführenden und/oder kühlmittelführenden Räumen getrennter Bereich ausgebildet ist, wobei sich die Ausnehmung vom Brennraum aus durch den Zylinderkopf hindurch erstreckt, und wobei die Führung des Injektordoms mit Hilfe einer separaten Hülse (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dem Brennraum zugewandten Bereich des Zylinderkopfs um die Injektorhülse (3) herum ein TMF-Stützring [Injektorbohrungsring; Thermo Mechanical Fatigue (TMF)] (2) konzentrisch so angeordnet ist, dass er mit dem in den Brennraum ragenden Ende der Injektorhülse (3) und der Zylinderkopf-Bodenplatte im Wesentlichen bündig abschließt.
Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der TMF-Stützring aus Kupfer ausgeführt ist.
Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der TMF-Stützring aus Aluminium angeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der TMF-Stützring aus Stahl angeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der TMF-Stützring aus einer Legierung angeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Außendurchmesser des Stützrings zu Innendurchmesser des Stützrings im Wesentlichen in einem Bereich von 1,25 bis 2,1 liegt, die Höhe des Stützrings beträgt in etwa das 0,4 bis 1,4-fache des Innendurchmessers des Stützrings.
Zylinderkopf nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der TMF-Stützring geschweißt, gelötet, geschrumpft, geklebt, oder gesintert ausgeführt wird.