WO1999005405A1 - Im druckgussverfahren herstellbarer leichtmetall-zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte brennkraftmaschine mit vier ventilen pro zylinder - Google Patents

Im druckgussverfahren herstellbarer leichtmetall-zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte brennkraftmaschine mit vier ventilen pro zylinder Download PDF

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WO1999005405A1
WO1999005405A1 PCT/EP1998/004504 EP9804504W WO9905405A1 WO 1999005405 A1 WO1999005405 A1 WO 1999005405A1 EP 9804504 W EP9804504 W EP 9804504W WO 9905405 A1 WO9905405 A1 WO 9905405A1
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cylinder head
light metal
cover
intake
engine
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Sergiu Valentin Lipcan
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Sergiu Valentin Lipcan
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • 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
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    • 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
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • Light alloy cylinder head that can be manufactured using the Druckgufl process for a liquid-cooled internal combustion engine with four valves per cylinder
  • the invention relates to a light-alloy cylinder head which can be produced in the die-casting process and is based on the technical state of the art, as described in DE4311648 AI.
  • a characteristic of this structure is the rather complex processing of the sealing surfaces for the upper water jacket and the spark plug connector. Three machining surfaces are required and the control housing must also be machined in the assembly to accommodate the camshaft and bucket tappets that are required to operate the valves.
  • the invention has for its object to design a die-cast one- or two-piece cross-flow cylinder head for a liquid-cooled internal combustion engine with four valves per cylinder so that the manufacture (castability, mechanical production, and the assembly of the valves and the camshafts) It becomes simpler, safer and cheaper that the longitudinal and transverse stiffness is greater, that the cooling of the cylinder head is more effective and simple, and that the two injection variants (intake manifold or direct) can be implemented without great effort.
  • the upper water chamber on the camshaft side is shaped so that it can move in the upper die-casting mold by means of two separate cores.
  • the lower cylinder-side water chamber is demoldable downwards, extends along the combustion chambers of the engine, and is connected to the upper camshaft-side water chamber by riser channels, which are demolded by small cores, in the area of the cylinder head screws. Because the core for the upper water chamber on the camshaft side can be removed from the top, the cylinder head is suitable for a valve train with rocker arms, the rotation points of which are oriented outwards, thereby achieving the first object of this invention.
  • valve train manufacture and assembly of the valve train is independent of the parts that close off the water space, and on the other hand, the possibilities for realizing smaller, oscillating masses for the valve train are greater than with bucket tappets.
  • valve shutdown is simpler when using fork roller rocker arms.
  • the upper camshaft side water chamber can be closed by the cylinder head cover or by a small separate cover.
  • This cover can be screwed, glued or laser welded to the cylinder head, which increases the transverse rigidity of the cylinder head; this solves the second object of this invention.
  • the longitudinal flow principle can be implemented simply and inexpensively for cooling, which improves the uniformity of the cylinder head temperature and the efficiency of the cooling; this is how the third object of this invention is achieved.
  • the water comes from the engine block at the end of the cylinder head and flows through the upper water space and through the lower water spaces towards the front of the cylinder head.
  • the cooling water can flow either through the upper part of the cylinder head cover or through the front part of the cylinder head to the radiator.
  • the ducts are oriented individually (one inlet duct for each valve) and in one plane at right angles to the longitudinal axis of the engine, so that demolding is very simple.
  • the inlet ducts must also be set so steep that the wall of the ducts extends to the thru-axle of the rocker arm to make room for the injection valves (the opening for the injection valve must also be demouldable).
  • the diameter of the intake valves and the intake ports of a cylinder are different, which means that the intake valves are asymmetrical with respect to the central plane of the cylinder and the distance from the spark plug is different.
  • the large inclination, the asymmetry to the center of the cylinder (in the longitudinal axis of the engine) serves for a targeted charge stratification (swirl and roll movement of the fresh mixture in the macro range and charge homogenization in the micro range).
  • the attachment points for the suction systems, the valve arrangement and the valve actuation must be the same, in order not to make the production line more expensive. Therefore, the inlet flange must be parallel in both cases, so the last object of this invention is achieved.
  • the piston crown must be trough-shaped so that the flow of the fuel (the jet is conical) leads to the spark plug electrode when the engine is operated with stratified charge at partial load.
  • the shape and depth of this trough is determined by the test results.
  • FIG. 2 shows a cross section through the center of the cylinder with the various options for sealing the upper water space, the position of the injection valve for intake manifold injection, the cooling hole between exhaust valve seats,
  • FIG. 6 is a plan view of the two water spaces and the representation of the cooling water flow along the cylinder head
  • Fig. 7 is a longitudinal section of the cylinder head and the cover showing the cooling water flow
  • FIG 8 shows a cross section through the valves for the cylinder head with direct injection.
  • the one or two-part cylinder head 1 shown in Figures 1 to 8 has 4 valves and is designed to be die-cast.
  • the cylinder head terminates intake ports 2 and exhaust ports 3, which are controlled by the valves 4 and 5 shown in part (Fig. 3).
  • the stems are guided by valve guides, not shown, which are inserted into corresponding bores 6 and 7.
  • a slug 8 intended for receiving a spark plug is provided for each cylinder.
  • the upper water chamber 9 on the camshaft side is formed by means of two separate cores 10 and 11, which can be moved at a small angle ⁇ in the upper oil chamber core 12, in order to get as close as possible to the upper wall of the combustion chamber between spark plug sleeves, inlet and outlet channels , with the two cores abutting in the area between the spark plug studs (Fig. 1).
  • This oil space core is part of the upper die, not shown.
  • the entire oil chamber core can be divided into two, each with integrated water chamber cores that can be moved at a small angle ⁇ . It depends on how easy you want to design this tool in order to achieve a precise casting.
  • Each spark plug plug 8 is surrounded by this upper water chamber 9, which is open at the top, so that it can be generated by a core, integrated in the oil chamber core 12.
  • This upper cooling water chamber 9 extends along the entire engine (Fig. 5).
  • the combustion chamber troughs 13 are formed together with the lower coolant chamber 14 in the cylinder head die-cast part on the engine block side.
  • the lower water chamber 14 extends around the combustion chambers along the entire engine (FIG. 6).
  • the two water spaces are connected in the area of the cylinder head screws on both sides by riser channels, which are removed from the mold by separate cores 15 (FIG. 4), also in the area between the outlet channels, these bores 16 having to be machined due to their small diameter (FIG. 3 ).
  • the two water spaces can be connected by an additional core 17 behind the last combustion chamber in order to enable the upper water space to be supplied with cooling water in the case of longitudinal flow cooling (FIG. 7).
  • a rib 18 (FIGS. 4, 5 and 7) can be formed along this upper water space, which increases the longitudinal rigidity because it connects the spark plug caps of all cylinders.
  • the upper water space can be closed by the cylinder head cover 19 or by a small separate cover 20 (Fig. 2 and 3, right and left). This cover can be screwed, glued or laser welded to the cylinder head, which increases the transverse rigidity of the cylinder head. In the case of screwing, you can use a rubber seal for the two options (cylinder head cover or separate cover) Use molded seal (21 and 22).
  • the upper water chamber can be sealed with a liquid seal (23).
  • a liquid seal 23.
  • the cylinder head cover can be screwed decoupled on the upper side of the cylinder head, or on the inner side of the cylinder head, as usual.
  • the gasket form 21 (the parts touch metal on metal) or 22 (the parts are decoupled) is of course different, depending on the version carried out.
  • the outlet valve can be made longer and an additional water space 24 can be created in the space between the spring plate and the outlet channel by means of a side core.
  • This space is fed with water from the end of the cylinder head, is sealed by a laser-welded cover 25 and is connected to the upper water space (see Fig. 3 exhaust side).
  • a laser-welded cover 25 is connected to the upper water space (see Fig. 3 exhaust side).
  • the exhaust gases are not cooled, which is necessary for the faster heating of the catalytic converter, and on the other hand, the quicker reaching of the engine operating temperature is facilitated by the direct contact between the oil and the walls of the exhaust duct. This can reduce fuel consumption and emissions.
  • the manufacture and assembly of the valve train and camshaft bearings is independent of the parts that close off the water space.
  • the roller rocker arms 26 can be mounted on hydraulic elements 27 (Fig. 3 inlet side). In the case of fork roller drag levers 28, they are mounted on a thru axle 29 (FIG. 3 outlet side).
  • the machining of the contact surfaces for the valve springs 30 and 31 and the camshaft bearings 32 and 33 (the camshaft bearing caps are not shown) is also independent of the design of the caps 19 or 20.
  • the cooling water comes from the engine block at the end of the cylinder head (in the area of the last cylinder) through the recesses in the cylinder head gasket and flows through the upper camshaft-side water chamber and through the lower engine block-side water chambers towards the front of the cylinder head.
  • the cooling water can either flow through the upper part of the cylinder head cover 19 to the radiator, which simplifies the ventilation of the cooling system, or through the front part of the cylinder head (depending on the assembly arrangement or whether the chain box cover is integrated or not).
  • the two inlet valves of each cylinder are different in terms of their position, diameter and inclination to the cylinder axis.
  • the center of the first valve seat 34 which has a smaller diameter than the valve seat 35 (Dl ⁇ D2), is closer to the central plane of the cylinder in the transverse direction of the engine. Therefore, this valve can be positioned farther from the central plane of the cylinder in the longitudinal direction of the engine than the other, so that there is an asymmetry with respect to the center of the cylinder in plan view.
  • the decision as to which intake valve position (in the longitudinal direction of the engine) is selected, ie whether or not the smaller intake valve is in the direction of the cylinder head, must be made in coordination with the intake system.
  • the contact points 36 of the inlet valves with the rocker arms in the transverse direction of the engine must be the same, so that the functionality of the valve train with identical fork roller rocker arms for the inlet side and the outlet side is ensured.
  • the valve arrangement and the valve actuation should be the same in both types of injection systems.
  • the inlet channels are individual (one inlet channel for each valve), parallel, and oriented in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the engine, so that demolding is very simple.
  • the inlet channels which also have different diameters, must also be set so steep that the wall of the channels extends as far as the thru-axle of the rocker arm to make room for the injection valves (the opening for the injection valve 40 must also be demoldable). Therefore, the axial position of the inlet channels can have different heights.
  • the injector 40 is mounted between the intake valves and the cylinder wall, which means slightly asymmetrical with respect to the center of the cylinder so that the distance to the valve seats is the same.

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Abstract

Für einen im Druckgußverfahren herstellbaren, ein- oder zweiteiligen Leichtmetall-Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, der aus mindestens einem Hauptteil besteht, der als Druckgußteil ausgebildet ist, der Gaswechsel-Einlaß- und -Auslaßkanäle (2, 3) sowie Einlaß- und Auslaßventilführungen und nach oben offenen Kühlmittelraum (90) aufweist, wobei der Kühlmittelraum (9) nockenwellenseitig mittels zweier gesonderter unter einem kleinen Winkel in dem oberen Ölraumkern bewegbarer Kerne entlang des gesamten Motors ausgeformt ist, und von einem Zylinderkopfdeckel (einteiliger Zylinderkopf) (19) oder einem separaten Deckel (zweiteiliger Zylinderkopf) (20) abgedeckt ist.

Description

Im Druckguflverfahren herstellbarer Leichtmetall-Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit vier Ventilen pro Zylinder
Patentbeschreibung
Die Erfindung betrifft einen im Druckgußverfahren herstellbaren Leichtmetall-Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und geht dabei von dem technischen Stand aus, wie er in der DE4311648 AI beschrieben ist.
Ein Kennzeichen dieses Aufbaus ist die recht aufwendige Bearbeitung der Dichtflächen für den oberen Wassermantel und die Zündkerzenbutzen. Es sind drei Bearbeitungsflächen notwendig und außerdem müssen die Steuergehäuse im Zusammenbau bearbeitet werden, um die Nockenwelle und Tassenstößel, die zur Betätigung der Ventile notwendig sind, aufzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in Druckguß herstellbaren ein- oder zweiteiligen Querstrom-Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit vier Ventilen pro Zylinder so zu gestalten, daß die Fertigung (Gießbarkeit, die maschinelle Fertigung, und die Montage der Ventile und der Nockenwellen) einfacher, sicherer und kostengünstiger wird, daß die Längs- und Quersteifigkeit größer ist, daß die Kühlung des Zylinderkopfes effektiver und einfacher zu gestalten ist, und daß die beiden Einspritz- Varianten (Saugrohr- oder Direkt-) ohne großen Aufwand realisierebar sind.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist der obere nockenwellenseitige Wasserraum mittels zweier getrennter Kerne bewegbar in der oberen Druckgußform ausgeformt. Der untere zylinderseitige Wasserraum ist nach unten entformbar, erstreckt sich entlang der Brennräume des Motors, und ist mit dem oberen nockenwellenseitigen Wasserraum durch Steigkanäle, die durch kleine Kerne entformt werden, im Bereich der Zylinderkopfschrauben verbunden. Weil der Kern für den oberen nockenwellenseitigen Wasserraum von oben entformbar ist, ist der Zylinderkopf für einen Ventiltrieb mit Schlepphebeln geeignet, deren Rotationspunkte nach außen orientiert sind wodurch die erste Aufgabe dieser Erfindung gelöst ist. Einerseits ist die Fertigung und Montage des Ventiltriebes unabhängig von den Teilen, die den Wasserraum abschließen, andererseits sind die Möglichkeiten, kleinere oszillierende Massen für den Ventiltrieb zu realisieren, größer als bei Tassenstößeln. Außerdem ist eine Ventilabschaltung bei Verwendung von Gabelrollenschlepphebel einfacher zu gestalten.
Der obere nockenwellenseitke Wasserraum kann durch den Zylinderkopfdeckel oder durch einen kleinen separaten Deckel geschlossen werden. Dieser Deckel kann an den Zylinder- kopf geschraubt, geklebt oder lasergeschweißt werden, was die Quersteifigkeit des Zylinderkopfes erhöht; damit ist die zweite Aufgabe dieser Erfindung gelöst.
Durch die oben beschriebene Gestaltung des Zylinderkopfes kann man einfach und preiswert für die Kühlung das Längsströmungsprinzip realisieren, was die Gleichmäßigkeit der Zylinderkopftemperatur und die Effizienz der Kühlung verbessert; so wird die dritte Aufgabe dieser Erfindung gelöst.
Das Wasser kommt vom Motorblock am Ende des Zylinderkopfes und fließt durch den oberen Wasserraum und durch die unteren Wasserräume in Richtung Zylinderkopfvorderseite. In dem vorderen Bereich des Zylinderkopfes kann das Kühlwasser entweder durch den oberen Teil des Zylinderkopfdeckels oder durch den vorderen Teil des Zylinderkopfes zum Kühler fließen.
Für den Zylinderkopf mit Direkteinspritzung ist die Gestaltung des Brennraumes, die Anordnung und die Form der Einlaßkanäle entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Motors, besonders bei einer der beiden Möglichkeiten, und zwar bei ..weiter Lage" des Einspritzventils oder besser ausgedrückt beim wandgeführten Brennverfahren. Grundsätzlich können Otto-Direktein- spritzungs-Konzepte entsprechend dem Abstand zwischen Injektor und Zündkerze unterschieden werden. In einer „engen Lage" wird die in geringer Distanz zum Injektor angeordnete Zündkerze direkt vom Einspritzstrahl beaufschlagt. Der Gemischtransport zur Zündkerze erfolgt praktisch ausschließlich durch die Strahlenergie (strahlgefuhrt) und wird weder durch die Ladungsbewegung und deren turbulenten Schwankungen noch durch die Brennraumgeometrie nennenswert beeinflußt. Bei „weiter Lage", d.h. deutlich vergrößertem Abstand zwischen Injektor und Zündkerze bleiben die Ventilgrößen gegenüber dem Motor mit Saugrohreinspritzung praktisch unverändert. Der vergrößerte geometrische Abstand bedingt auch eine längere Zeit für den Transport des Kraftstoffes vom Injektor zur Zündkerze. Dadurch verbessert sich zwar der Aufbereitungszustand des Gemisches, zugleich verstärkt sich aber der Einfluß der turbulenten Fluktuationen im Brennraum und die Schichtungsfahigkeit nimmt ab. Deshalb muss diese letzte Grundkonfiguration mit verschiedenen Ladungsbewegungskonzepten - Drall- und Rollsystemen - kombiniert werden.
Bei diesem Druckguß-Zylinderkopf ist die Möglichkeit von der Saugrohreinspritzung auf Direkteinspritzung zu wechseln einfach durchzuführen (die "weiter Lage" ist dabei vorteilhafter). Im Falle der Direkteinspritzung sind die Kanäle einzeln (für jedes Ventil ein Einlaßkanal) und in einer Ebene rechtwinklig auf die Längsachse des Motors orientiert, so daß die Entformung sehr einfach ist. Die Einlaßkanäle müssen auch so steil gestellt werden, daß die Wand der Kanäle bis zur Steckachse der Schlepphebel reicht, um Platz für die Einspritzventile zu schaffen (die Öffnung für das Einspritzventil muß auch entformbar sein). Die Durchmesser der Einlaßventile und der Einlaßkanäle eines Zylinders sind unterschiedlich, was dazu führt, daß die Einlaßventile asymmetrisch gegenüber der Mittelebene des Zylinders liegen, und der Abstand zur Zündkerze unterschiedlich ist. Die große Neigung, die Asymmetrie zur Zylindermitte (in der Längsachse des Motors ) dient einer gezielten Ladungsschichtung (Drall- und Rollbewegung des frischen Gemisches im Makrobereich und Ladungshomogenisierung im Mikrobereich). Natürlich müssen in beiden Arten von Einspritzsystemen die Befestigungspunkte für die Sauganlagen, die Ventileanordnung und die Ventilbetätigung dieselbe sein, um die Fertigungsstraße nicht zu verteuern. Deshalb muß auch der Einlaßflansch in beiden Fällen parallel sein, so wird die letzte Aufgabe dieser Erfindung gelöst.
Da der Kraftstoffstrahl in diesem Fall wandgeführt ist, muß der Kolbenboden muldenförmig ausgeführt sein, damit die Strömung des Kraftstoffes (der Strahl ist konisch) zur Zündkerzenelektrode führt, wenn der Motor bei Teillast mit geschichteter Ladung betrieben ist. Die Form und Tiefe dieser Mulde wird von den Testergebnissen bestimmt. Die Erfindung ist anhand eines in mehreren Zeichnungen dargestelllten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt:
Fig 1 die Anordnung der Entformungskeme für den Wasserraum unten (motorblockseitig) mit Brennraum und den Wasserraum oben (nockenwellenseitig) mit Ölraum,
Fig 2 einen Querschnitt durch die Mitte des Zylinders mit den verschiedenen Möglichkeiten den oberen Wasserraum abzudichten, die Lage des Einspritzventils für Saugrohreinspritzung, die Kühlbohrung zwischen Auslaßventilsitzen,
Fig 3 einen Querschnitt durch die Ventile mit der unterschiedlichen Ausführung der Ventilbetätigung,
Fig 4 einen Querschnitt durch die Zylinderkopfschrauben mit den Verbindungsbohrungen zwischen unterem (motorblockseitig) und oberem (nockenwellenseitig) Wasserraum,
Fig 5 eine Ansicht von oben auf den nockenwellenseitigen Wasserraum mit der mittleren Rippe und dem Ölraum mit den Befestigungsaugen für den Wasserraumdeckel und die Nockenwellenlager,
Fig 6 eine Draufsicht auf die beiden Wasserräume und die Darstellung der Kühlwasserströmung entlang des Zylinderkopfes, Fig 7 einen Längsschnitt des Zylinderkopfes und des Deckels mit Darstellung der Kühlwasserströmung und
Fig 8 einen Querschnitt durch die Ventile für den Zylinderkopf mit direkter Einspritzung.
Der in den Figuren 1 bis 8 dargestellte ein- oder zweiteilige Zylinderkopf 1 hat 4 Ventile und ist druckgußfahig gestaltet. Der Zylinderkopf endiält Einlaßkanäle 2 und Auslaßkanäle 3, die von den teilweise dargestellte Ventilen 4 und 5 beherrscht werden (Fig 3). Die Schäfte sind von nicht dargestellte Ventilführungen geführt, die in entsprechende Bohrungen 6 und 7 eingesetzt sind. Im zentralen Bereich des Zylinderkopfes ist für jeden Zylinder ein zur Aufnahme einer Zündkerze bestimmter Butzen 8 vorgesehen. Der obere nockenwellenseitige Wasserraum 9 ist mittels zweier gesonderter Kerne 10 und 11. die unter einem kleinen Winkel ß in dem oberen Öl- raumkern 12 bewegbar sind, ausgeformt, um zwischen Zündkerzenbutzen, Einlaß- und Auslaßkanälen möglichst nahe an die obere Wand des Brennraumes zu gelangen, wobei die beiden Kerne in dem Bereich zwischen den Zündkerzenbutzen aneinander stoßen (Fig 1). Dieser Ölraumkern ist Bestandteil der nicht dargestellten oberen Druckgußform. Man kann aber den gesamten Ölraumkern zweigeteilt mit jeweils integrierten Wasserraumkernen ausführen, die unter einem kleinen Winkel ß bewegbar sind. Das hängt davon ab, wie einfach man dieses Werkzeug gestalten will, um noch ein genaues Gußteil zu erreichen. Jeder Zündkerzenbutzen 8 ist von diesem oberen Wasserraum 9 umgeben, der nach oben offen ist, so daß er durch einen Kern, integriert in den Ölraumkern 12, erzeugt werden kann. Dieser obere Kühlwasserraum 9 erstreckt sich entlang des gesamten Motors (Fig 5). Weiter sind im Zylinderkopfdruckgußteil motorblockseitig die Brennraummulden 13 zusammen mit dem unteren Kühlmittelraum 14 ausgebildet. Der untere Wasserraum 14 erstreckt sich rund um die Brennräume entlang des gesamten Motors (Fig 6). Die beiden Wasserräume sind im Bereich der Zylinderkopfschrauben beidseitig durch Steigkanäle, die durch gesonderte Kerne 15 entformt werden, verbunden (Fig 4), auch im Bereich zwischen den Auslaßkanälen, wobei diese Bohrungen 16 wegen ihres kleinen Durchmessers durch maschinelle Bearbeitung gefertigt werden müssen (Fig 3). Die beiden Wasserräume können durch einen zusätzlichen Kern 17 hinter dem letzten Brennraum verbunden werden, um die Speisung des oberen Wasserraumes mit Kühlwasser im Falle der Längsstromkühlung zu ermöglichen (Fig 7). Man kann entlang dieses oberen Wasserraumes eine Rippe 18 (Fig 4, 5 und 7) bilden, die die Längssteifigkeit erhöht, weil sie die Zündkerzenbutzen aller Zylinder verbindet. Der obere Wasserraum kann durch den Zylinderkopfdeckel 19 oder durch einen kleinen separaten Deckel 20 geschlossen werden (Fig 2 und 3, rechts und links). Dieser Deckel kann an den Zylinderkopf geschraubt, geklebt oder lasergeschweißt werden, was die Quersteifigkeit des Zylinderkopfes erhöht. Im Falle des Verschraubens kann man bei den beiden Möglichkeiten (Zylinderkopfdeckel oder separater Deckel) eine Gummi- formdichtung verwenden (21 und 22). Die Abdichtung des oberen Wasserraumes kann im Falle des separaten Deckels mit Flüssigdichtung erfolgen (23). Man kann den Zylinderkopf als einteilig betrachten, wenn der obere Wasserraum mit dem Zylinderkopf deckel 19 geschlossen ist, oder als zweiteilig, wenn er durch den separaten Deckel 20 geschlossen ist, und der Deckel geklebt oder lasergeschweißt ist.
Der Zylinderkopfdeckel kann an der oberen Seite des ZyKnderkopfes, oder auch an der inneren Seite des Zylinderkopfes, wie üblich, entkoppelt verschraubt werden. Die Gunrmiformdich- tung 21 (die Teile berühren sich Metall auf Metall) bzw. 22 (die Teile sind entkoppelt) ist natürlich, je nach ausgeführter Variante, unterschiedlich.
Falls die Gefahr zu größer Öltemperatur besteht, kann man das Auslaßventil länger ausführen und in dem Raum zwischen Federteller und Auslaßkanal einen zusätzlichen Wasserraum 24 durch einen Seitenkern schaffen. Dieser Raum wird vom Ende des Zylinderkopfes her mit Wasser gespeist, ist durch einen lasergeschweißten Deckel 25 abgedichtet und mit dem oberen Wasserraum verbunden (siehe Fig 3 Auslaßseite). Aus Kostengründen, und um die Warmlaufϊphase zu verkürzen kann man auf diesen seitlichen Wasserraum zur zusätzlichen Kühlung verzichten und einen Öl- Wasser- Wärmetauscher in dem Ölfilter integrieren (gehäuselose AI- Wärmetauscher in Stapelbauweise). Einerseits werden die Abgase nicht gekühlt, was für das schnellere Heizen des Katalysators notwendig ist und andererseits wird das schnellere Erreichen der Motorsbetriebstemperatur durch den direkten Kontakt zwischen dem Öl und den Wänden des Auslaßkanals erleichtert. Das kann den Kraftstoffverbrauch und den Emissionsausstoss senken.
Die Fertigung und Montage des Ventiltriebes und der Nockenwellenlager ist unabhängig von den Teilen, die den Wasserraum abschließen. Die Rollenschlepphebel 26 können auf hydraulischen Elementen 27 gelagert werden (Fig 3 Einlaßseite). Im Falle von Gabelrollenschlepphebeln 28 werden sie auf einer Steckachse 29 gelagert (Fig 3 Auslaßseite). Die Bearbeitung der Auflageflächen für die Ventilfedem 30 und 31 und der Nockenwellenlager 32 und 33 (die Nockenwellen- lagerdeckel sind nicht dargestellt) ist auch unabhängig von der Gestaltung der Deckel 19 oder 20. Das Kühlwasser kommt vom Motorblock am Ende des Zylinderkopfes (im Bereich des letzten Zylinders) durch die Ausnehmungen der Zylinderkopfdichtung und fließt durch den oberen nok- kenwellenseitigen Wasserraum und durch die unteren motorblockseitigen Wasserräume in Richtung Zylinderkopfvorderseite. In dem vorderen Bereich des Zylinderkopfes kann das Kühlwasser entweder durch den oberen Teil des Zylinderkopfdeckels 19 zum Kühler fließen, was die Entlüftung des Kühlsystems vereinfacht, oder durch den vorderen Teil des Zylinderkopfes (abhänging von der Aggregateanordnung oder ob der Kettenkastendeckel integriert ist oder nicht). Bei diesem Druckguß-Zyiinderkopf sind die beiden Einlaßventile jedes Zylinders unterschiedlich bezüglich der Lage, des Lurchmessers, sowie der Neigung zur Zylinderachse. Die Mitte des ersten Ventilsitzes 34, der einen kleineren Durchmesser als der Ventilsitz 35 hat (Dl < D2), ist näher an der Mittelebene des Zylinders in Querrichtung des Motors. Deshalb kann dieses Ventil weiter von der Mittelebene des Zylinders in Längsrichtung des Motors als das andere positioniert werden, so daß eine Asymmetrie gegenüber der Mitte des Zylinders in Draufsicht entsteht. Die Entscheidung, welche Einlaßventillage (in Längsrichtung des Motors) gewählt wird, d. h. ob das kleinere Einlaßventil in Richtung Zylinderkopf vorderseite ist oder nicht, muß in Abstimung mit der Sauganlage getroffen werden. In jedem Fall müssen die Kontaktpunkte 36 der Einlaßventile mit den Schlepphebeln in Querrichtung des Motors gleich sein, so daß die Funktionsfahigkeit des Ventiltriebes mit indentischen Gabelrollenschlepphebeln für die Einlaßseite und die Auslaßseite gewährleistet ist. Natürlich sollen aus Kostengründen in beiden Arten von Einspritzsystemen die Ventilanordnung und die Ventilbetätigimg dieselbe sein.
Bei diesem Druckguß-Zylinderkopf ist die Möglichkeit, von der Saugrohreinspritzung auf Direkteinspritzung zu wechseln einfach durchzuführen. Die Entformung der Auslaß- und Einlaßkanäle 2 und 3 (Fig 2 - in Draufsicht nicht dargestellt) bei Saugrohr-Einspritzung ist leicht realisierbar. Die Kanäle sind leicht in Richtung Zylindermitte geneigt und laufen so zusammen, daß zwei bewegbare Kerne pro Zylinder und Seite notwendig sind. Die Auslaßkanäle können auch einzeln in einer Ebene rechtwinküch zur Längsachse des Motors sein, um Platz für die Kühlkanäle 16 zu schaffen. Die Einspritzventile 37 sind in der Sauganlage untergebracht und spritzen auf beide Einlaßventilen. Der Einlaßflansch 38 (Saugrohreinspritzung) muß parallel zum Flansch 39 (Fig 8) (Direkteinspritzung) sein, und die Befestigungspunkte für die beiden Sauganlagen müssen das gleiche Bohrbild haben, um die Fertigung zu vereinfachen. Im Falle der Direkteinspritzung sind die Einlaßkanäle einzeln (für jedes Ventil ein Einlaßkanal), parallel, und in einer Ebene rechtwinklig zur Längsachse des Motors orientiert, so daß die Entformung sehr einfach ist. Die Einlaßkanäle, die auch unterschiedliche Durchmesser haben, müssen auch so steil gestellt werden, daß die Wand der Kanäle bis zur Steckachse der Schlepphebel reicht, um Platz für die Einspritzventile zu schaffen (die Öffnung für das Einspritzventil 40 muß dabei auch entformbar sein). Deshalb kann die Achslage der Einlaßkanäle unterschiedliche Höhe haben. Das Einspritzventil 40 ist zwischen die Einlaßventile und Zylinderwand montiert, das bedeutet leicht asymmetrisch gegenüber der Mitte des Zylinders , so daß der Abstand zu den Ventilsitzen gleich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Im Druckgußverfahren herstellbarer, ein- oder zweiteiliger Leichtmetall- Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit hängenden Ventilen, der mindestens einen eine Zündkerze aufnehmenden Butzen (8) pro Zylinder aufweist, und aus mindestens einem Haupteil (2) besteht, der als Druckgußteil ausgebildet ist und Gaswechsel- Einlaß- und - Auslaßkanäle (2 und 3) sowie Einlaß- und Auslaßventilführungen und nach oben offenen Kühlflüssigkeitraum (9) aufweist der von einem Zylinderkopfdeckel (19) (einteiliger Zylinderkopf) oder einem separaten Deckel (20) (zweiteiliger Zylinderkopf) abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet,
-daß der Kühlmittelraum (9) nockenwellenseitig mittels zweier gesonderter unter einem kleinen Winkel ß in dem oberen ein- oder zweiteilig ausgeführten Ölraumkern (12) bewegbarer Kerne (10 und 11) entlang des gesamten Motors ausgeformt ist wobei
-die Kerne 10 und 11 im Bereich der zwischen gegenüberliegenden Querstromkanälen (2 und 3) und zwischen Zündkerzenbutzen (8) verlaufenden Mittenebene des Zylinderkopfes bündig aneinander stoßen.
2. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
-daß der obere Kühlmittelraum (9) mit dem gesamten oberen Ölraum nockenwellenseitig mittels des in Zylindermittenebene zweigeteilten Kernes (12), der auslaßseitig den Kern (11) und einlaßseitig den Kern (10) fest beinhaltet, unter einem kleinen Winkel ß bewegbar ausgeformt wird.
3. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet,
-daß die zur Aufnahme der Zündkerzen vorgesehenen Butzen (8) und eine zur Erhöhung der Steifigkeit vorgesehene Rippe (18) mittels Ausnehmungen in den Kühlmantelkemen (10 and 11) ausgeformt sind.
4. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
-daß im Druckgußteil motorblockseitig, den Brennraummulden (13) benachbart ein sich entlang des Motors erstreckender Kühlwassermantel (14) ausgeformt ist, der mit dem oberen Kühlmittelraum (9) durch Kühlsteigkanäle in Verbindung steht, -die im Bereich der Zylinderkopfschrauben mittels bewegbarer Kerne (15) ausgeformt werden, und
-die im Bereich zwischen den Auslaßventilsitzen durch maschinell erzeugte Bohrungen
(16) entstehen.
5. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet,
-daß der obere Kühlmittelraum (9) durch einen kleinen Deckel (20), der an den Zylinderkopf geklebt, lasergeschweißt, oder mit Dichtung versehen geschraubt, abgeschlossen ist, oder -daß der obere Kühlmittelraum (9) durch den mit Dichtung versehenen Zylinderkopfdeckel (19) unmittelbar abgeschlossen ist.
6. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
-daß dieser zwischen dem Auslaßkanal (3), dem Federteller (31) und dem oberen Kühlmittelraum (9), einen durch einen Seitenkern erzeugten Kühlflüssigkeitraum (24), der durch einen lasergeschweißten Deckel (25) geschlossen ist aufweist wobei
-dieser Raum von dem unteren Kühlmittelraum (14) durch einen Steigkanal am Ende des Zylinderkopfes mit Wasser gespeist wird.
7. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
-daß der Kühlwasseraustritt durch den vorderen Bereich des Zylinderkopfdeckels, oberhalb des Nockenwellentriebes, oder durch den Kettenkastendeckel und den Steuertrieb stattfindet.
8. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet,
-daß jeder Einlaßventilsitz und damit jedes Einlaßventil eines Zylinders (34 und 35) zur besseren Gemischverwirbelung unterschiedliche Durclimesser haben, um eine mehr asymmetrische Positionierung der Einlaßventile zur Zylinder-Miπenebene zu ermöglichen, wobei
-die oberen Enden (36) der beiden Einlaßventile jedes Zylinders dieselbe Lage in Querrichtung des Motors haben, um dieselben Schlepphebel für Ein- und Auslaßventieltrieb verwenden zu können, und
-die Einlaßkanäle des Zylinderkopfes mit Direkteinspritzung parallel zur Öffnung des Ein- spritzventiles liegen, um eine einfache Entformung zu ermöglichen.
9. Leichtmetall- Zylinderkopf nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet,
-daß der Einlaßflansch des Zylinderkopfes mit Saugrohreinspritzung parallel zum Einlaßflansch des Zylinderkopfes mit Direkteinspritzung liegt, wobei
-die Befestigungspunkte für die beiden Sauganlagen das gleiche Bohrbild haben.
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