WO2025213205A1 - Zylinderkopfsystem - Google Patents
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- WO2025213205A1 WO2025213205A1 PCT/AT2025/060156 AT2025060156W WO2025213205A1 WO 2025213205 A1 WO2025213205 A1 WO 2025213205A1 AT 2025060156 W AT2025060156 W AT 2025060156W WO 2025213205 A1 WO2025213205 A1 WO 2025213205A1
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- 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 cylinder head system for internal combustion engines, particularly for commercial vehicles, especially those operable with different combustion processes and/or fuels. Furthermore, the invention relates to a cylinder head for this cylinder head system and a method for producing at least two cylinder heads of the cylinder head system designed for different combustion processes.
- Cylinder heads for compression-ignition internal combustion engines and cylinder heads for spark-ignition internal combustion engines are currently either manufactured on different production lines or the same production line is used.
- spark-ignition internal combustion engines significant compromises in fuel consumption and power output must be accepted, which are unacceptable, especially for spark-ignition internal combustion engines with internal mixture formation.
- new production lines have been opened, particularly when changes or modifications to layouts, combustion processes, and/or fuels occur. This is not possible for commercial vehicles due to their long service life, or would be too costly.
- the object of the invention is to develop a cylinder head system which enables easy adaptation of the cylinder heads to different combustion processes and/or fuels during production.
- the cylinder head system has at least a first cylinder head - in particular for a self-igniting internal combustion engine - and a second cylinder head - in particular for a spark-ignited internal combustion engine - wherein
- the first cylinder head and the second cylinder head each have a group of cylinder head screw holes which are essentially the same in number, position and dimension, wherein
- the first cylinder head has at least one further cylinder head screw bore in at least one first cylinder and the second cylinder head has at least one injector bore in at least one second cylinder instead of the further cylinder head screw bore at a substantially identical position.
- first cylinder head and the second cylinder head • a substantially identical valve pattern with substantially identical positions of inlet and outlet ports, with substantially identical valve guides, identical inlet valves and substantially identical outlet valves and/or
- the first cylinder head and the second cylinder head have substantially identical transitions for coolant and lubricant in the fire deck to a cylinder block connectable to the cylinder head.
- the first cylinder head and the second cylinder head each have a substantially identical arrangement and design of a central bore arranged in the region of a cylinder axis for receiving a central component opening into the cylinder.
- Essentially identical here means that there is a match in position, quality, shape and/or geometry between the identical elements, possibly taking into account defined minor deviations, for example due to casting tolerances, manufacturing tolerances and machining tolerances. These defined minor deviations can, for example, amount to a maximum of 5% of a corresponding characteristic reference value.
- Characteristic reference values can be, for example, the diameter of the cylinder head bolt bores, the distance between the cylinder head bolt bores and/or the distance of the cylinder head bolt axis from a cylinder axis, the distance of a crossover from a reference axis, the cross-section of a crossover, the distance of a valve axis of an intake valve or exhaust valve from a cylinder axis and/or from another valve axis, the distance of a camshaft axis and/or camshaft bearing and/or valve levers from an engine longitudinal center plane, the distance of the camshaft axis and/or camshaft bearing and/or valve levers from a cylinder head sealing plane, the type of valve lever, the diameter of a central bore or similar.
- the first cylinder head and the second cylinder head have almost identical cylinder head bores.
- the first cylinder head has one more cylinder head bore—namely, the wider cylinder head bolt bore—than the second cylinder head for at least one cylinder.
- the The second cylinder head has at least one fewer cylinder head bolt bore per cylinder than the first cylinder head.
- the second cylinder head has space for an injector bore to accommodate an injector for direct fuel injection or injection into the combustion chamber or for indirect fuel injection or injection into an intake manifold.
- spark-ignition internal combustion engines cope better with low cylinder injection pressures than compression-ignition engines. This makes it possible to omit at least one cylinder head bolt in the second cylinder head.
- the second cylinder head is designed with an injector bore instead of the additional cylinder head bolt bore.
- the injector bore in the second cylinder head is located essentially in the same position as the additional cylinder head bore in the first cylinder head.
- the first cylinder head has six cylinder head bolt holes and the second cylinder head has five cylinder head bolt holes.
- the principle of the invention is also suitable for other numbers of cylinder head bolts.
- the additional cylinder head bolt bore of the first cylinder head is arranged in a first transverse engine plane containing a first cylinder axis of the first cylinder head, preferably in the region of a first intake bridge between two first intake ports of the first cylinder head.
- the injector bore of the second cylinder head is arranged in a second transverse engine plane containing a second cylinder axis of the second cylinder head, preferably in the region of a second intake bridge between two second intake ports of the second cylinder head.
- the first cylinder head and the second cylinder head have intake valves and exhaust valves with essentially identical valve patterns.
- a valve pattern refers to the number, positioning, and arrangement of intake valves and exhaust valves.
- the valve pattern can, in particular, also include the dimensions of the intake valves and exhaust valves.
- the first cylinder head and the second cylinder head can each have, for example, a parallel valve pattern, wherein two centers of the intake ports and/or exhaust ports each form a straight line that runs parallel to a longitudinal plane of the engine or a transverse plane of the engine.
- a parallel valve pattern the stroke axes of at least two adjacent intake valves and/or exhaust valves span a plane which is parallel to an engine longitudinal axis.
- the first and second cylinder heads can each have a rotated valve pattern, with two centers of the intake ports and/or exhaust ports spanning a straight line that runs at an angle to a longitudinal engine plane or a transverse engine plane.
- the stroke axes of at least two adjacent intake valves and/or exhaust valves span a plane that runs at an angle to a longitudinal engine axis or a transverse engine axis.
- the stroke axes of at least two adjacent intake valves and exhaust valves each span a plane which is inclined to a longitudinal engine axis or a transverse engine axis.
- the cylinder heads advantageously have two exhaust openings per cylinder, each controllable by an exhaust valve, which can be connected to at least one exhaust port.
- the cylinder heads advantageously have two intake ports per cylinder, each controllable by an intake valve, which are fluidly connected to at least one intake port, wherein at least one intake port leading to an intake valve is preferably designed to generate swirl or tumble.
- each intake port is fluidly connected to an intake port, wherein the intake ports extend from separate lateral intake flange openings.
- the two intake ports are fluidly connected to a common intake port extending from a lateral intake flange opening.
- the intake flange openings are arranged on different sides of a transverse engine plane containing the cylinder axis, with the intake ports preferably being arranged symmetrically to the transverse engine plane.
- the additional cylinder head bolt bore is arranged between two first intake ports in the first cylinder head, and the injector bore is arranged between two second intake ports in the second cylinder head.
- the cylinder heads each have at least one camshaft, with the camshaft preferably being arranged on an exhaust side of the respective cylinder head module.
- the number and arrangement of the camshafts are the same for the first cylinder head and the second cylinder head.
- the cylinder heads each have at least one valve lever, preferably designed as a rocker arm. The number and arrangement of the valve levers are preferably the same for the first cylinder head and the second cylinder head.
- the cylinder heads each have a central bore in the region of the cylinder axis for receiving a central component opening into a combustion chamber cover surface.
- a cylinder head for the cylinder head system which has five cylinder head screw bores in at least one cylinder, wherein the cylinder head screw bores are each arranged in the region of a first, second, third, fourth and fifth corner of a - preferably substantially equilateral or regular - virtual hexagon and wherein the injector bore is arranged in the region of a sixth corner of the virtual hexagon.
- the object of the invention is further achieved by a method for producing at least two cylinder heads of the cylinder head system designed for different combustion processes in that the first cylinder head and the second cylinder head are produced on the same production line, wherein the first cylinder head and the second cylinder head are produced in the same production line with
- the first cylinder head is provided with at least one further cylinder head screw bore and at least one injector bore is formed in the second cylinder head in place of the further cylinder head screw bore at a substantially identical position and
- the first cylinder head and the second cylinder head in the same production line are each provided with a central bore arranged in the region of the cylinder axis for receiving a central component opening into the cylinder, with the substantially identical arrangement and the substantially identical design.
- the object is further achieved according to the invention by using a first cylinder head for a first internal combustion engine operating according to the diesel combustion process and a second cylinder head for a second internal combustion engine operating according to the Otto combustion process in that the second internal combustion engine has one cylinder head screw less per cylinder than the first internal combustion engine, wherein in the second internal combustion engine, instead of a cylinder head screw, a fuel injector opening into a combustion chamber cover surface or a low-pressure fuel injector opening into an inlet channel is arranged in the injector bore.
- the fuel is introduced directly into the combustion chamber via the fuel injector in the combustion chamber cover surface, for example when hydrogen is used as fuel, at a pressure in the range of approximately 15 bar to approximately 40 bar (depending on a load range).
- Fig. 1 shows a first cylinder head in a plan view
- Fig. 2 shows the first cylinder head in a section along the line II-II in Fig. 1,
- Fig. 3 shows a second cylinder head in a first embodiment in a plan view
- Fig. 5 shows a second cylinder head in a second embodiment in a plan view
- Fig. 6 shows a production line for machining and manufacturing cylinder heads with the cylinder head system according to the invention.
- references numbers "..a” refer to the first cylinder head and its “first” components
- reference numbers “..b” refer to the second cylinder head and its “second” components.
- the cylinder head system 1 uses a modular cylinder head manufacturing concept for producing first cylinder heads 10a and second cylinder heads 10b on the same production line 2 (production line).
- First 10a and second cylinder heads 10b which are manufactured on this single production line 2, are also referred to herein as cylinder head modules.
- cylinder head modules In the production line 2, several processing stations 3 are connected by material flow systems based on the line principle (see Fig. 6). If necessary, buffer lines for the cylinder head modules (not shown) can be integrated into the production line 2 to compensate for cycle differences, setup times, or short-term malfunctions in individual components.
- the cylinder head modules are designed for internal combustion engines that operate with various combustion processes—self-ignited or spark-ignited—and/or different fuels.
- the first cylinder heads 10a are suitable for self-igniting fuels such as diesel fuel, for example, while the second cylinder heads 10b are suitable for spark-ignited fuels such as natural gas, hydrogen, ethanol, and methanol.
- Figs. 1 and 2 show a first cylinder head 10a and Figs. 3 to 5 show second cylinder heads 10b.
- the first cylinder heads 10a and the second cylinder heads 10b each have a group of cylinder head bolts 11a, 11b, which are essentially identical in number, position, and dimensioning.
- the first cylinder head 10a has at least one further cylinder head bolt bore 12a for at least one cylinder 13a - preferably per cylinder 13a.
- the further cylinder head bolt bore 12a is arranged in the region of a first transverse engine plane öa containing a first cylinder axis 14a of the first cylinder head 10a, which is normal to the first longitudinal engine plane sa spanned by the first cylinder axes 14a of a plurality of first cylinders 13a, for example in the region of a first intake valve bridge 15a between two intake openings 16a of the first cylinder head 10a.
- a high-pressure fuel injector for direct fuel injection into the combustion chamber is arranged in the first cylinder head 10a (see Fig. 1).
- All cylinder head bolt bores 11a, 12, i.e. the group of first cylinder head bolt bores 11a and the at least one further cylinder head bolt bore 12 together, are evenly distributed in the first cylinder head 10a for each cylinder 13a and are arranged, for example, in the plan view in the shape of an equilateral or regular first hexagon Sa.
- the number and dimensions of the cylinder head bolts accommodated by the first cylinder head bolt bores 11a, 12 are designed for the maximum forces occurring in a diesel combustion process.
- cylinder head bolts per cylinder 13a thus enable the high peak pressure required for the diesel combustion process, but in a spark-ignition combustion process would not allow for optimal placement of a fuel injector, in particular a high-pressure fuel injector for direct injection into the combustion chamber, for mixture formation.
- a fuel injector in particular a high-pressure fuel injector for direct injection into the combustion chamber, for mixture formation.
- Possible positions for a low-pressure fuel injector for intake manifold injection in a spark-ignition combustion process are indicated in Fig. 1 with reference symbol PI.
- Reference symbol Z indicates the possible location of an ignition source for a spark-ignited combustion process.
- the second cylinder head 10b is designed with one fewer cylinder head screw bore than the first cylinder head 10a in at least one second cylinder 13b—for example, every second cylinder 13b.
- the second cylinder head 10b has five second cylinder head screw bores 11b in at least one second cylinder 13b—preferably per second cylinder 13b—while the corresponding first cylinder head 10a—as already mentioned—is designed with a total of six cylinder head screw bores 11a, 12.
- the five second cylinder head screw bores 11b of the second cylinder head 10b can—as in the first cylinder head 10a—each be arranged in the region of a first, second, third, fourth, and fifth corner of a virtual—for example, equilateral or regular—second hexagon Sb, with an injector bore 18 being arranged in the region of a sixth corner of the virtual second hexagon Sb.
- the second hexagon Sb may correspond in shape and dimensions to the first hexagon Sa of the first cylinder head 10a.
- the second cylinder head 10b therefore has at the location of the further cylinder head screw bore 12 of the first cylinder head 10a at a substantially identical position - i.e. in the region of a second inlet valve bridge 15b between two second inlet openings 16b - at least one injector bore 18 for receiving a fuel injection device 19.
- first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b each have a substantially identical valve pattern 20a, 20b with substantially identical positions of the inlet openings 16a, 16b and outlet openings 21a, 21b, with essentially the same valve guides, the same intake valves 22a, 22b and essentially the same exhaust valves 23a, 23b (see Fig. 1, 3, 5).
- the valve pattern 20a, 20b refers to the number, positioning, and arrangement of intake valves 22a, 22b and exhaust valves 23a, 23b—as viewed from above.
- the valve pattern 20a, 20b can also include, in particular, the dimensions of the intake valves 22a, 22b and exhaust valves 23a, 23b.
- valve pattern 20a, 20b of each cylinder head 10a, 10b can be twisted or parallel.
- a parallel valve pattern 20a, 20b - shown in Figs. 1, 3, 5 - the centers of the inlet openings 16a, 16b and the outlet openings 21a, 21b are arranged on straight lines gl, g2, g3, g4, as viewed in a plan view of the inlet openings 16a, 16b and the outlet openings 21a, 21b, which are arranged parallel or normal to a longitudinal center plane sa, sb spanned by the cylinder axes 14a, 14b.
- the centers of the inlet openings 16a, 16b and the outlet openings 21a, 21b are arranged on corresponding straight lines gl, g2, g3, g4, which enclose an angle other than 0 with the longitudinal center plane sa, sb.
- the centers of the inlet openings 16a, 16b and outlet openings 21a, 21b are defined by the intersection points of the stroke axes 220a, 220b and 230a, 230b with the cross sections of the inlet openings 16a, 16b and outlet openings 21a, 21b, respectively.
- each cylinder head 10a, 10b has a valve train structure 24a, 24b with at least one camshaft 25a, 25b mounted in the cylinder head 10a, 10b via camshaft bearings for actuating intake valves 22a, 22b and exhaust valves 23a, 23b via valve lever bearings, also mounted in the cylinder head 10a, 10b.
- At least one camshaft 25a, 25b is arranged on an exhaust side of the cylinder head 10a, 10b.
- the valve axes 220a, 220b of the intake valves 22a, 22b and the valve axes 230a, 230b of the exhaust valves 23a, 23b can be parallel or inclined to one another.
- the valve train structures 24a, 24b can be designed essentially the same for the first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b (Fig. 2, 4).
- the first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b can therefore have a substantially identical valve train structure 24a, 24b with substantially identical camshafts 25a, 25b, substantially identical camshaft bearings, substantially identical valve levers 26a, 26b, substantially identical valve lever axes 27a, 27b and substantially identical valve lever bearings. Furthermore, the first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b can have essentially identically arranged and designed (not further shown) transitions for coolant and lubricant in the fire deck to a cylinder block connectable to the cylinder head 10a, 10b.
- first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b can each have a substantially identical arrangement and design of a central bore 28a, 28b arranged in the region of a cylinder axis 14a, 14b for receiving a central component 29a, 29b opening into the combustion chamber cover surface 34a, 34b.
- This central component 29a, 29b can be a prechamber or a high-pressure fuel injector in the first cylinder head 10a and an ignition source Z in the second cylinder head 10b.
- Each cylinder head 10a, 10b has an inlet channel structure 11a, 11b with at least one inlet channel 12a, 12b and two inlet openings 13a, 13b and an exhaust channel structure 16a, 16b with at least one exhaust channel 17a, 17b with two exhaust channel openings 18a, 18b.
- the exhaust channel structure 30a, 30b is essentially identical in the first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b and has, for example, a common inlet channel 31a, 31b extending from the outlet openings 21a, 21b for each cylinder.
- the intake port structure 32a, 32b can also be designed essentially identically in the first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b and each have a common or individual intake ports 33a, 33b leading to the intake openings 16a, 16b.
- these can originate from separate, for example, lateral intake flange openings (not shown), which can be arranged on different sides of the transverse engine plane öa, öb containing the cylinder axis 14a, 14b.
- At least one intake opening 16a, 16b or one intake port 33a, 33b can be designed to generate swirl, as indicated by the arrows in Figs. 1, 3 and 5.
- an injector bore 18 for a fuel injector 181 opening into the second combustion chamber cover surface 34b for the direct injection of fuel into the combustion chamber is arranged in place of the further cylinder head bolt bore 12 approximately in the region of the second intake valve bridge 15b between the two second intake openings 16b.
- the second intake ports 33b of the second intake port structure 32b are routed on both sides of the injector bore 18.
- additional low-pressure fuel injectors can be arranged at positions P2.
- Fig. 5 shows a second embodiment of a second cylinder head 10b designed for intake manifold injection of a spark-ignited fuel, having a second intake port structure 32b in which a single common second intake port 33b leads to the two intake openings 16b.
- the common intake port 33b and the injector bore 18 for a low-pressure fuel injector 182 opening into the second intake port 33b are arranged at the position of the further cylinder head bolt bore 12 of the first cylinder head 10a. This positioning of the low-pressure fuel injector 182 is particularly advantageous for homogenizing the fuel-air mixture.
- the second intake port structure 32b can be designed symmetrically to the second engine transverse plane öb.
- the method according to the invention for producing at least two cylinder heads 10a, 10b of the cylinder head system 1 designed for different combustion processes provides that the first cylinder head 10a and the second cylinder head 10b are produced in separate production processes on the same production line 2 (Fig. 6).
- first group of first cylinder head screw bores 11a with a defined number, position and dimension as well as a further cylinder head screw bore 12 at a defined position are formed in the first cylinder head 10a.
- a second group of second cylinder head bolt holes 11b with a defined number, position, and dimension is formed into the second cylinder head 10b.
- the number, position, and dimension of the second group of second cylinder head bolts 10b corresponds to the number, position and dimensioning of the first group of first cylinder head bolt bores 11b.
- an injector bore 18 is formed in the second cylinder head 10b at a position corresponding to the position of the further cylinder head bolt bore 12 of the first cylinder head 10a.
- the injector bore 18 for direct fuel injection opens either into the second combustion chamber cover surface 34b of the second cylinder head 10b (Fig. 3) to accommodate a fuel injector 181 or into a common second intake port 33b of the second cylinder head 10b for intake manifold injection to accommodate a low-pressure fuel injector 182 (Fig. 4).
- valve patterns 20a, 20b - in particular intake openings 16a, 16b, exhaust openings 21a, 21b, valve seats and valve guides, central bores 28a, 28b, valve train structure 24a, 24b - in particular camshaft bearings and rocker arm bearings -, transitions for coolant and lubricant - in particular in the fire deck 35a, 35b - and various flange surfaces can be manufactured or machined.
- first cylinder heads 10a which are designed for self-igniting combustion processes - for example for diesel fuels - and second cylinder heads 10b, which are designed for externally ignited combustion processes - for example for natural gas, hydrogen, or methanol - on one and the same production line 3.
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Abstract
Um in der Produktion eine einfache Adaptierung der Zylinderköpfe (10a, 10b) auf unterschiedliche Brennverfahren und/oder Kraftstoffe zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) auf derselben Produktionslinie (2) hergestellt werden, wobei der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) in derselben Produktionslinie (2) mit jeweils einer Gruppe von Zylinderkopfschraubenbohrungen (11a, 11b) versehen werden, welche für den ersten Zylinderkopf (10a) und den zweiten Zylinderkopf (10b) in Anzahl, Position und Dimensionierung, im Wesentlichen gleich ausgeführt werden, wobei der erste Zylinderkopf (10a) mit zumindest einer weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung (12) versehen wird und in den zweiten Zylinderkopf (10b) an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung (12) an einer im Wesentlichen gleichen Position zumindest eine Injektorbohrung (18) eingeformt wird.
Description
Zylinderkopfsystem
Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopfsystem für - insbesondere mit verschiedenen Brennverfahren und/oder Kraftstoffen betreibbare - Brennkraftmaschinen, insbesondere für Nutzfahrzeuge. Weiters betrifft die Erfindung einen Zylinderkopf für dieses Zylinderkopfsystem und ein Verfahren zur Herstellung von zumindest zwei für unterschiedliche Brennverfahren konzipierte Zylinderköpfe des Zylinderkopfsystems.
Zylinderköpfe für selbstgezündete Brennkraftmaschinen und Zylinderköpfe für fremdgezündete Brennkraftmaschinen werden bisher entweder auf verschiedenen Produktionslinien gefertigt oder es wird hierfür dieselbe Produktionslinie verwendet, wobei dann aber bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wesentliche Kompromisse bei Verbrauch und Leistungsausbeute in Kauf genommen werden müssen, welche insbesondere bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit innerer Gemischbildung inakzeptabel sind. Weiters werden bisher insbesondere bei Umstellungen und Änderungen von Anordnungen, Brennverfahren und/oder Kraftstoffen neue Produktionslinien eröffnet. Dies ist bei Nutzfahrzeugen auf Grund deren Langlebigkeit nicht möglich bzw. wäre zu aufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zylinderkopfsystem zu entwickeln, welches in der Produktion eine einfache Adaptierung der Zylinderköpfe auf unterschiedliche Brennverfahren und/oder Kraftstoffe ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Zylinderkopfsystem zumindest einen ersten Zylinderkopf - insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine - und einem zweiten Zylinderkopf - insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine - aufweist, wobei
• der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf jeweils eine Gruppe von Zylinderkopfschraubenbohrungen aufweist, welche in Anzahl, Position und Dimensionierung im Wesentlichen gleich ausgeführt ist, wobei
• der erste Zylinderkopf bei zumindest einem ersten Zylinder zumindest eine weitere Zylinderkopfschraubenbohrung aufweist und der zweite Zylinderkopf bei zumindest einem zweiten Zylinder an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung an einer im Wesentlichen gleichen Position zumindest eine Injektorbohrung aufweist.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf
• ein im Wesentlichen gleiches Ventilbild mit im Wesentlichen gleichen Positionen von Einlassöffnungen und Auslassöffnungen, mit im Wesentlichen gleichen Ventilführungen, gleichen Einlassventilen und im Wesentlichen gleichen Auslassventilen und/oder
• eine im Wesentlichen gleiche Ventiltriebstruktur mit im Wesentlichen gleich angeordneten Nockenwellen, im Wesentlichen gleich angeordneten Nockenwellenlagern und im Wesentlichen gleich angeordneten Ventilhebeln aufweisen.
Vorzugsweise weisen der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf im Wesentlichen gleiche Übertritte für Kühlmittel und Schmiermittel im Feuerdeck zu einem an den Zylinderkopf anschließbaren Zylinderblock auf. Weiter vorzugsweise weisen der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf eine im Wesentlichen gleiche Anordnung und Gestaltung jeweils einer im Bereich einer Zylinderachse angeordneten Zentralbohrung zur Aufnahme eines in den Zylinder mündenden zentralen Bauteils auf.
Im Wesentlichen gleich bedeutet hier, dass eine Übereinstimmung in der Lage, Beschaffenheit, Form und/oder Geometrie zwischen den gleichenden Elementen besteht, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von definierten geringen Abweichungen, beispielsweise in Folge von Gusstoleranzen, Fertigungstoleranzen und Bearbeitungstoleranzen. Diese definierten geringen Abweichungen können beispielsweise maximal 5% eines entsprechenden charakteristischen Bezugswertes betragen. Charakteristische Bezugswerte können beispielsweise der Durchmesser der Zylinderkopfschraubenbohrungen, der Abstand der Zylinderkopfschraubenbohrung zueinander und/oder der Abstand der Zylinderkopfschraubenachse von einer Zylinderachse, der Abstand eines Übertrittes von einer Bezugsachse, der Querschnitt eines Übertrittes, der Abstand einer Ventilachse eines Einlassventils oder Auslassventils von einer Zylinderachse und/oder von einer anderen Ventilachse, der Abstand einer Nockenwellenachse und/oder Nockenwellenlager und/oder Ventilhebeln von einer Motorlängsmittelebene, der Abstand der Nockenwellenachse und/oder Nockenwellenlager und/oder Ventilhebeln von einer Zylinderkopfdichtebene, die Art der Ventilhebel, der Durchmesser einer Zentralbohrung oder ähnliches sein.
Der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf weisen fast gleiche Zylinderkopfbohrungen auf. Im Detail weist der erste Zylinderkopf für zumindest einen Zylinder eine Zylinderkopfbohrung mehr - nämlich die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung - auf als der zweite Zylinderkopf. Mit anderen Worten weist der
zweite Zylinderkopf insgesamt pro Zylinder zumindest eine Zylinderkopfschraubenbohrung weniger auf als der erste Zylinderkopf. Durch das Weglassen einer Zylinderkopfschraube bei zumindest einem Zylinder ist beim zweiten Zylinderkopf Platz für eine Injektorbohrung zur Aufnahme eines Injektors zur direkten Kraftstoffeinspritzung oder -einblasung in den Brennraum bzw. oder zur indirekten Kraftstoffeinspritzung oder -einblasung in ein Saugrohr.
Im Rahmen der Erfindung wurde überraschend erkannt, dass fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit geringen Zylindereinspritzdrücken besser zurechtkommen als selbstgezündete. Dadurch ist es möglich, beim zweiten Zylinderkopf die zumindest eine Zylinderkopfschraube wegzulassen.
Insbesondere ist der zweite Zylinderkopf an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung mit einer Injektorbohrung ausgeführt. Die Injektorbohrung befindet sich dabei beim zweiten Zylinderkopf im Wesentlichen an der gleichen Position wie die weitere Zylinderkopfbohrung beim ersten Zylinderkopf.
In einer konkreten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Zylinderkopf sechs Zylinderkopfschraubenbohrungen und der zweite Zylinderkopf fünf Zylinderkopfschraubenbohrungen aufweist. Das Prinzip der Erfindung eignet sich aber auch für andere Anzahlen von Zylinderkopfschrauben.
Günstigerweise ist die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung des ersten Zylinderkopfs in einer, eine erste Zylinderachse des ersten Zylinderkopfes beinhaltenden, ersten Motorquerebene, vorzugsweise im Bereich einer ersten Einlassbrücke zwischen zwei ersten Einlasskanälen des ersten Zylinderkopfes angeordnet. Dem entsprechend ist die Injektorbohrung des zweiten Zylinderkopfes in einer, eine zweite Zylinderachse des zweiten Zylinderkopfes beinhaltenden, zweiten Motorquerebene, vorzugsweise im Bereich einer zweiten Einlassbrücke zwischen zwei zweiten Einlasskanälen des zweiten Zylinderkopfes, angeordnet.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf Einlassventile und Auslassventile mit im Wesentlichen gleichen Ventilbildern aufweisen. Unter einem Ventilbild wird die Anzahl, Positionierung und Anordnung von Einlassventilen und Auslassventilen verstanden. Das Ventilbild kann insbesondere auch die Dimensionierung der Einlassventile und Auslassventile beinhalten.
Der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf können jeweils beispielsweise ein paralleles Ventilbild aufweisen, wobei jeweils zwei Mitten der Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen eine Gerade aufspannen, welche parallel zu einer Motorlängsebene oder einer Motorquerebene verläuft. Mit anderen Worten, bei
einem parallelen Ventilbild spannen die Hubachsen von zumindest zwei benachbarten Einlassventilen und/oder Auslassventilen eine Ebene auf, welche parallel zu einer Motorlängsachse.
Alternativ dazu können der erste und der zweite Zylinderkopf jeweils ein verdrehtes Ventilbild aufweisen, wobei jeweils zwei Mitten der Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen eine Gerade aufspannen, welche geneigt zu einer Motorlängs- ebene oder einer Motorquerebene verläuft. Oder wieder mit anderen Worten ausgedrückt: Bei einem verdrehten Ventilbild spannen die Hubachsen von zumindest zwei benachbarten Einlassventilen und/oder Auslassventilen eine Ebene auf, welche geneigt zu einer Motorlängsachse oder einer Motorquerachse verläuft.
Die Hubachsen von zumindest zwei benachbarten Einlassventilen und Auslassventilen spannen jeweils eine Ebene auf, welche geneigt zu einer Motorlängsachse oder einer Motorquerachse verläuft.
Die Zylinderköpfe weisen dabei günstigerweise jeweils pro Zylinder zwei jeweils durch ein Auslassventil steuerbare Auslassöffnungen auf, welche mit zumindest einem Auslasskanal strömungsverbindbar sind.
Weiters weisen die Zylinderköpfe vorteilhafterweise jeweils pro Zylinder zwei durch jeweils ein Einlassventil steuerbare Einlassöffnungen auf, welche mit zumindest einem Einlasskanal strömungsverbindbar sind, wobei vorzugsweise zumindest ein zu einem Einlassventil führender Einlasskanal drallerzeugend oder tumbleer- zeugend ausgebildet ist. In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist jede Einlassöffnung mit jeweils einem Einlasskanal strömungsverbindbar, wobei die Einlasskanäle von separaten seitlichen Einlassflanschöffnungen ausgehen. In einer anderen Ausführung der Erfindung sind die beiden Einlassöffnungen mit einem gemeinsamen Einlasskanal strömungsverbindbar, welcher von einer seitlichen Einlassflanschöffnung ausgeht.
Bevorzugt sind die Einlassflanschöffnungen auf unterschiedlichen Seiten einer die Zylinderachse beinhaltenden Motorquerebene angeordnet, wobei vorzugsweise die Einlasskanäle symmetrisch zu der Motorquerebene angeordnet sind. Zwischen zwei ersten Einlasskanälen ist vorteilhafterweise beim ersten Zylinderkopf die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung und zwischen zwei zweiten Einlasskanälen beim zweiten Zylinderkopf die Injektorbohrung angeordnet.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zylinderköpfe jeweils zumindest eine Nockenwelle aufweisen, wobei vorzugsweise die Nockenwelle auf einer Auslassseite des jeweiligen Zylinderkopfmoduls angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die Anzahl und Anordnung der Nockenwellen beim ersten Zylinderkopf und beim zweiten Zylinderkopf gleich.
Günstigerweise weisen die Zylinderköpfe jeweils zumindest einen vorzugsweise als Kipphebel ausgebildeten Ventilhebel auf. Vorzugsweise sind die Anzahl und Anordnung der Ventilhebel beim ersten Zylinderkopf und beim zweiten Zylinderkopf gleich.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zylinderköpfe jeweils im Bereich der Zylinderachse eine Zentralbohrung zur Aufnahme eines in einer Brennraumdeckfläche mündenden zentralen Bauteils aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt weiterhin mit einem Zylinderkopf für das Zylinderkopfsystem, welcher bei zumindest einem Zylinder fünf Zylinderkopfschraubenbohrungen aufweist, wobei die Zylinderkopfschraubenbohrung jeweils im Bereich einer ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ecke eines - vorzugsweise im Wesentlichen gleichseitigen oder regelmäßigen - virtuellen Sechseckes angeordnet sind und wobei im Bereich einer sechsten Ecke des virtuellen Sechseckes die Injektorbohrung angeordnet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiters durch ein Verfahren zur Herstellung von zumindest zwei für unterschiedliche Brennverfahren konzipierte Zylinderköpfe des Zylinderkopfsystems dadurch gelöst, dass der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf auf derselben Produktionslinie hergestellt werden, wobei der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf in derselben Produktionslinie mit
• jeweils einer Gruppe von Zylinderkopfschraubenbohrungen versehen werden, welche in Anzahl, Position und Dimensionierung im Wesentlichen gleich ausgeführt werden, wobei
• der erste Zylinderkopf mit zumindest einer weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung versehen wird und in den zweiten Zylinderkopf an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung an einer im Wesentlichen gleichen Position zumindest eine Injektorbohrung eingeformt wird und
• wobei vorzugsweise in den ersten Zylinderkopf und in den zweiten Zylinderkopf im Wesentlichen gleiche Übertritte für Kühlmittel und Schmiermittel im Feuerdeck zum Anschluss an einen an den Zylinderkopf anschließbaren Zylinderblock eingeformt werden und wobei vorzugsweise der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf in derselben Produktionslinie mit
• dem gleichen Ventilbild mit gleichen Ventilpositionen, gleichen Ventilführungen, gleichen Einlassventilen und gleichen Auslassventilen,
• dem im Wesentlichen gleichen Ventiltriebstruktur mit im Wesentlichen gleichen Nockenwellen, im Wesentlichen gleichen Nockenwellenlagern, im Wesentlichen gleichen Ventilhebeln, im Wesentlichen gleichen Ventilhebelachsen und im Wesentlichen gleichen Ventilhebellagern versehen werden.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung werden der erste Zylinderkopf und der zweite Zylinderkopf in derselben Produktionslinie mit der im Wesentlichen gleichen Anordnung und der im Wesentlichen gleichen Gestaltung jeweils einer im Bereich der Zylinderachse angeordneten Zentralbohrung zur Aufnahme eines in den Zylinder mündenden zentralen Bauteils versehen.
Die Aufgabe wird weiters erfindungsgemäß unter Verwendung eines ersten Zylinderkopfes für eine nach dem Diesel-Brennverfahren arbeitende erste Brennkraftmaschine und eines zweiten Zylinderkopfes für eine nach dem Otto-Brennverfahren arbeitende zweite Brennkraftmaschine dadurch gelöst, dass die zweite Brennkraftmaschine pro Zylinder eine Zylinderkopfschraube weniger aufweist als die erste Brennkraftmaschine, wobei bei der zweiten Brennkraftmaschine an Stelle einer Zylinderkopfschraube ein in einer Brennraumdeckfläche mündender Kraftstoffinjektor oder ein in einen Einlasskanal mündender Niederdruck-Kraftstoffinjektor in der Injektorbohrung angeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung wird über den Kraftstoffinjektor in der Brennraumdeckfläche, beispielsweise bei einer Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff, dieser mit einem Druck im Bereich von etwa 15 bar bis etwa 40 bar (abhängig von einem Lastbereich) direkt in den Brennraum eingebracht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen schematisch
Fig. 1 einen ersten Zylinderkopf in einer Draufsicht,
Fig. 2 den ersten Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen zweiten Zylinderkopf in einer ersten Ausführungsvariante in einer Draufsicht,
Fig. 4 diesen zweiten Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 einen zweiten Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Draufsicht und
Fig. 6 eine Produktionslinie zur Bearbeitung und Fertigung von Zylinderköpfen mit dem erfindungsgemäßen Zylinderkopfsystem.
Referenznummern ,,..a" beziehen sich auf den ersten Zylinderkopf und dessen „erste" Komponenten, Referenznummern ,,..b" beziehen sich auf den zweiten Zylinderkopf und dessen „zweite" Komponenten.
Das erfindungsgemäße Zylinderkopfsystem 1 verwendet ein modulares Zylinderkopffertigungskonzept zur Fertigung von ersten Zylinderköpfen 10a und zweiten Zylinderköpfen 10b auf derselben Produktionslinie 2 (Fertigungslinie). Erste 10a und zweite Zylinderköpfe 10b, die auf dieser einzigen Produktionslinie 2 gefertigt werden, werden hier auch als Zylinderkopfmodule bezeichnet. In der Produktionslinie 2 sind mehrere Bearbeitungsstationen 3 durch Materialflusssysteme nach dem Linienprinzip verbunden (siehe Fig. 6). Gegebenenfalls können zum Ausgleich von Taktunterschieden, Rüstzeiten oder kurzfristigen Störungen an Einzelkomponenten nicht weiter dargestellte Pufferstrecken für die Zylinderkopfmodule in die Produktionslinie 2 integriert sein.
Die Zylinderkopfmodule sind für Brennkraftmaschinen konzipiert, welche mit verschiedenen Brennverfahren - selbstgezündet oder fremdgezündet - und/oder verschiedenen Kraftstoffen - betrieben werden. Die ersten Zylinderköpfe 10a sind beispielsweise für selbstzündende Kraftstoffe wie Dieselkraftstoff, die zweiten Zylinderköpfe 10b für fremdgezündete Kraftstoffe wie zum Beispiel Erdgas, Wasserstoff, Ethanol, Methanol geeignet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen ersten Zylinderkopf 10a und die Fig. 3 bis 5 zweite Zylinderköpfe 10b.
Die ersten Zylinderköpfe 10a und die zweiten Zylinderköpfe 10b weisen jeweils eine Gruppe von Zylinderkopfschrauben 11a, 11b auf, welche in Anzahl, Position und Dimensionierung im Wesentlichen gleich ausgeführt ist. Darüber hinaus weist der erste Zylinderkopf 10a bei zumindest einem Zylinder 13a - vorzugsweise pro Zylinder 13a - zumindest eine weitere Zylinderkopfschraubenbohrung 12a auf. Die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung 12a ist im Bereich einer eine ersten Zylinderachse 14a des ersten Zylinderkopfes 10a beinhaltenden ersten Motorquerebene öa angeordnet, die normal zur durch die ersten Zylinderachsen 14a mehrerer erster Zylinder 13a aufgespannten ersten Motorlängsebene sa ausgebildet ist, beispielsweise im Bereich einer ersten Einlassventilbrücke 15a zwischen zwei Einlassöffnungen 16a des ersten Zylinderkopfes 10a. Im Bereich einer ersten Ein- lass/Auslassventilbrücke 17a zwischen einer ersten Einlassöffnung 16a und einer ersten Auslassöffnung 21a ist beim ersten Zylinderkopf 10a ein Hochdruck-Kraftstoffinjektor zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum angeordnet (siehe Fig. 1).
Alle Zylinderkopfschraubenbohrungen 11a, 12, also die Gruppe der ersten Zylinderkopfschraubenbohrungen 11a und die zumindest eine weitere Zylinderkopfschraubenbohrung 12 zusammen, sind beim ersten Zylinderkopf 10a bei jedem Zylinder 13a gleichmäßig verteilt und beispielsweise im Grundriss in Form eines beispielsweise gleichseitigen oder regelmäßigen ersten Sechseckes Sa angeordnet. Die Zahl und Dimensionierung der durch die ersten Zylinderkopfschraubenbohrungen 11a, 12 aufgenommenen Zylinderkopfschrauben ist auf die bei einem Dieselbrennverfahren maximal auftretende Kräfte ausgelegt. Diese sechs Zylinderkopfschrauben pro Zylinder 13a ermöglichen also den für das Dieselbrennverfahren nötigen hohen Spitzendruck, würden aber bei einem fremdgezündeten Brennverfahren keine für eine Gemischbildung optimale Platzierung eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Hochdruck-Kraftstoffinjektors zur Direkteinspritzung in den Brennraum, ermöglichen. Mögliche Positionen für einen Niederdruck-Kraftstoffinjektor zur Saugrohreinspritzung bei einem fremdgezündetem Brennverfahren sind in Fig. 1 mit Bezugszeichen PI angedeutet. Mit Bezugszeichen Z ist die mögliche Lage einer Zündquelle für ein fremdgezündetes Brenn verfahren angedeutet.
Der zweite Zylinderkopf 10b ist bei zumindest einem zweiten Zylinder 13b - beispielsweise jedem zweiten Zylinder 13b - mit einer Zylinderkopfschraubenbohrung weniger ausgeführt als der erste Zylinderkopf 10a. In den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen weist der zweite Zylinderkopf 10b bei zumindest einem zweiten Zylinder 13b - vorzugsweise pro zweitem Zylinderl3b - fünf zweite Zylinderkopfschraubenbohrungen 11b auf, während der korrespondierende erste Zylinderkopf 10a - wie bereits erwähnt - mit insgesamt sechs Zylinderkopfschraubenbohrungen 11a, 12 ausgebildet ist. Die fünf zweiten Zylinderkopfschraubenbohrungen 11b des zweiten Zylinderkopfes 10b können - wie beim ersten Zylinderkopf 10a - jeweils im Bereich einer ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ecke eines virtuellen - beispielsweise gleichseitigen oder regelmäßigen - zweiten Sechseckes Sb angeordnet sein, wobei im Bereich einer sechsten Ecke des virtuellen zweiten Sechseckes Sb eine Injektorbohrung 18 angeordnet ist. Das zweite Sechseck Sb kann in Form und Abmessungen dem ersten Sechseck Sa des ersten Zylinderkopfes 10a entsprechen.
Der zweite Zylinderkopf 10b weist also an der Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung 12 des ersten Zylinderkopfes 10a an einer im Wesentlichen gleichen Position - also im Bereich einer zweiten Einlassventilbrücke 15b zwischen zwei zweiten Einlassöffnungen 16b - zumindest eine Injektorbohrung 18 zur Aufnahme einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 auf.
Im Übrigen weisen der erste Zylinderkopf 10a und der zweite Zylinderkopf 10b jeweils ein im Wesentlichen gleiches Ventilbild 20a, 20b mit im Wesentlichen gleichen Positionen der Einlassöffnungen 16a, 16b und Auslassöffnungen 21a, 21b,
mit im Wesentlichen gleichen Ventilführungen, gleichen Einlassventilen 22a, 22b und im Wesentlichen gleichen Auslassventile 23a, 23b auf (siehe Fig. 1, 3, 5).
Unter entilbild 20a, 20b wird die Anzahl, Positionierung und Anordnung von Einlassventilen 22a, 22b und der Auslassventilen 23a, 23b - in einer Draufsicht - verstanden. Das Ventilbild 20a, 20b kann insbesondere auch die Dimensionierung der Einlassventile 22a, 22b und Auslassventile 23a, 23b inkludieren.
Das Ventilbild 20a, 20b jedes Zylinderkopfes 10a, 10b kann verdreht oder parallel ausgebildet sein.
Bei einem - in den Fig. 1, 3, 5 dargestellten - parallelen Ventilbild 20a, 20b sind, in einer Draufsicht auf die Einlassöffnungen 16a, 16b und Auslassöffnungen 21a, 21b betrachtet, die Mitten der Einlassöffnungen 16a, 16b und der Auslassöffnungen 21a, 21b auf Geraden gl, g2, g3, g4 angeordnet, die parallel bzw. normal zu einer durch die Zylinderachsen 14a, 14b aufgespannten Längsmittelebene sa, sb angeordnet sind. Bei einem nicht weiter dargestellten verdrehten Ventilbild 20a, 20b dagegen sind die Mitten der Einlassöffnungen 16a, 16b und der Auslassöffnungen 21a, 21b auf entsprechenden Geraden gl, g2, g3, g4 angeordnet, die mit der Längsmittelebene sa, sb einen Winkel ungleich 0 einschließen. Die Mitten der Einlassöffnungen 16a, 16b und Auslassöffnungen 21a, 21b werden durch die Schnittpunkte der Hubachsen 220a, 220b bzw. 230a, 230b mit den Querschnitten der Einlassöffnungen 16a, 16b bzw. Auslassöffnungen 21a, 21b definiert.
Weiters weist jeder Zylinderkopf 10a, 10b eine Ventiltriebstruktur 24a, 24b mit zumindest einer über Nockenwellenlager im Zylinderkopf 10a, 10b gelagerten Nockenwelle 25a, 25b zur Betätigung von Einlassventilen 22a, 22b und Auslassventilen 23a, 23b über mittels Ventilhebellager ebenfalls im Zylinderkopf 10a, 10b gelagerte Ventilhebel 26a, 26b auf. Zumindest eine Nockenwelle 25a, 25b ist auf einer Auslassseite des Zylinderkopfes 10a, 10b angeordnet. Die Ventilachsen 220a, 220b der Einlassventile 22a, 22b und die Ventilachsen 230a, 230b der Auslassventile 23a, 23b können parallel oder geneigt zueinander ausgebildet sein. Die Ventiltriebstrukturen 24a, 24b können für den ersten Zylinderkopf 10a und den zweiten Zylinderkopf 10b im Wesentlichen gleich ausgebildet sein (Fig. 2, 4).
Der erste Zylinderkopf 10a und der zweite Zylinderkopf 10b können also eine im Wesentlichen gleiche Ventiltriebstruktur 24a, 24b mit im Wesentlichen gleichen Nockenwellen 25a, 25b, im Wesentlichen gleichen Nockenwellenlagern, im Wesentlichen gleichen Ventilhebeln 26a, 26b, im Wesentlichen gleichen Ventilhebelachsen 27a, 27b und im Wesentlichen gleichen Ventilhebellagern aufweisen.
Ferner können der erste Zylinderkopf 10a und der zweite Zylinderkopf 10b im Wesentlichen gleich angeordnete und gestaltete (nicht weiter dargestellte) Übertritte für Kühlmittel und Schmiermittel im Feuerdeck zu einem an den Zylinderkopf 10a, 10b anschließbaren Zylinderblock aufweisen.
Darüber hinaus können der erste Zylinderkopf 10a und der zweite Zylinderkopf 10b eine im Wesentlichen gleiche Anordnung und Gestaltung jeweils einer im Bereich einer Zylinderachse 14a, 14b angeordneten Zentralbohrung 28a, 28b zur Aufnahme eines in die Brennraumdeckfläche 34a, 34b mündenden zentralen Bauteils 29a, 29b aufweisen. Dieser zentrale Bauteil 29a, 29b kann beim ersten Zylinderkopf 10a eine Vorkammer oder ein Hochdruck- Kraftstoffinjektor und beim zweiten Zylinderkopf 10b eine Zündquelle Z sein.
Jeder Zylinderkopf 10a, 10b weist eine Einlasskanalstruktur 11a, 11b mit zumindest einem Einlasskanal 12a, 12b und zwei Einlassöffnungen 13a, 13b und eine Auslasskanalstruktur 16a, 16b mit zumindest einem Auslasskanal 17a, 17b mit zwei Auslasskanalöffnungen 18a, 18b auf.
Die Auslasskanalstruktur 30a, 30b ist beim ersten Zylinderkopf 10a und dem zweiten Zylinderkopf 10b im Wesentlichen gleich ausgeführt und weist beispielsweise pro Zylinder jeweils einen gemeinsamen von den Auslassöffnungen 21a, 21b ausgehenden Einlasskanal 31a, 31b auf.
Auch die Einlasskanalstruktur 32a, 32b kann beim ersten Zylinderkopf 10a und beim zweiten Zylinderkopf 10b im Wesentlichen gleich ausgeführt sein und jeweils einen gemeinsamen oder einzelne zu den Einlassöffnungenl6a, 16b führende Einlasskanäle 33a, 33b aufweisen. Im Falle von separaten Einlasskanälen 33a, 33b können diese von separaten beispielsweise seitlichen Einlassflanschöffnungen (nicht dargestellt) ausgehen, welche auf unterschiedlichen Seiten der die Zylinderachse 14a, 14b beinhaltenden Motorquerebene öa, öb angeordnet sein können. Zumindest eine Einlassöffnung 16a, 16b bzw. ein Einlasskanal 33a, 33b kann drallerzeugend ausgebildet sein, wie mit den Pfeilen in den Fig. 1, 3 und 5 angedeutet ist .
Da jedoch unterschiedliche Brennverfahren unterschiedliche Strömungs- und Kraftstoffeinspritzverhältnisse erfordern, ist es meist vorteilhaft, die Einlasskanalstruktur 32a, 32b beim ersten Zylinderkopf 10a und beim zweiten Zylinderkopf 10b an die jeweiligen Anforderungen und räumlichen Gegebenheiten anzupassen.
Die Einlasskanalstruktur 32a des ersten Zylinderkopfes 10a kann - wie in Fig. 1 angedeutet - mit jeweils zu einer ersten Einlassöffnung 16a führenden zwei einzelnen ersten Einlasskanälen 33a (siehe strichlierte Linien) oder einem für beide erste Einlassöffnungen 16a gemeinsamen Einlasskanal 33a (siehe durchgezogene
Linien) ausgeführt sein. Im Falle von zwei einzelnen ersten Einlasskanäle 33a sind diese neben oder um die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung 12 geführt.
Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten ersten Ausführungsvariante eines für fremdgezündete Kraftstoffe ausgelegten zweiten Zylinderkopfes 10b ist eine Injektorbohrung 18 für einen in die zweite Brennraumdeckfläche 34b mündenden Kraftstoffinjektor 181 zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung 12 etwa im Bereich der zweiten Einlassventilbrücke 15b zwischen den beiden zweiten Einlassöffnungen 16b angeordnet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die zweiten Einlasskanäle 33b der zweiten Einlasskanalstruktur 32b beidseits der Injektorbohrung 18 geführt. Optional können an den Positionen P2 zusätzlich Niederdruck- Kraftstoffinjektoren angeordnet sein.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsvariante eines für Saugrohreinspritzung eines fremdgezündeten Kraftstoffes konzipierten zweiten Zylinderkopfes 10b mit einer zweiten Einlasskanalstruktur 32b, bei der ein einziger gemeinsamer zweiter Einlasskanal 33b zu den beiden Einlassöffnungen 16b führt, wobei der gemeinsame Einlasskanal 33b und die Injektorbohrung 18 für einen in den zweiten Einlasskanal 33b mündenden Niederdruck-Kraftstoffinjektor 182 an der Position der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung 12 des ersten Zylinderkopfes 10a angeordnet sind. Diese Positionierung des Niederdruck-Kraftstoffinjektors 182 ist besonders vorteilhaft für die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Insbesondere beim zweiten Zylinderkopf 10b kann die zweite Einlasskanalstruktur 32b symmetrisch zur zweiten Motorquerebene öb ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von zumindest zwei für unterschiedliche Brennverfahren konzipierte Zylinderköpfe 10a, 10b des Zylinderkopfsystems 1 sieht vor, dass der erste Zylinderkopf 10a und der zweite Zylinderkopf 10b in separaten Herstellungsvorgängen auf derselben Produktionslinie 2 hergestellt werden (Fig. 6).
Beim Herstellungsvorgang des erste Zylinderkopfes 10a in der Produktionslinie 2 wird eine erste Gruppe von ersten Zylinderkopfschraubenbohrungen 11a mit einer definierten Anzahl, Position und Dimensionierung sowie eine weitere Zylinderkopfschraubenbohrung 12 an einer definierten Position in den ersten Zylinderkopf 10a eingeformt.
Beim Herstellungsvorgang des zweiten Zylinderkopfes 10b in derselben Produktionslinie 2 wird eine zweite Gruppe von zweiten Zylinderkopfschraubenbohrungen 11b mit einer definierten Anzahl, Position und Dimensionierung in den zweiten Zylinderkopf 10b eingeformt. Die Anzahl, Position und Dimensionierung der zweiten Gruppe von zweiten Zylinderkopfschrauben 10b entspricht der Anzahl, Position
und Dimensionierung der ersten Gruppe von ersten Zylinderkopfschraubenbohrungen 11b. An der Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung 12 des ersten Zylinderkopfes 10a wird in den zweiten Zylinderkopf 10b an einer Position, die der Position der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung 12 des ersten Zylinderkopfes 10a entspricht, eine Injektorbohrung 18 eingeformt. Je nach Ausführung des zweiten Zylinderkopfes 10b mündet die Injektorbohrung 18 für direkte Kraftstoffeinspritzung zur Aufnahme eines Kraftstoff injektors 181 entweder in der zweiten Brennraumdeckfläche 34b des zweiten Zylinderkopfes 10b (Fig. 3) oder für Saugrohreinspritzung zur Aufnahme eines Niederdruck-Kraftstoffinjektors 182 in einem gemeinsamen zweiten Einlasskanal 33b des zweiten Zylinderkopfes 10b (Fig. 4).
Weiters können beim Herstellungsvorgang des ersten Zylinderkopfes 10a und des zweiten Zylinderkopfes 10b in derselben Produktionslinie 2 Ventilbilder 20a, 20b - insbesondere Einlassöffnungen 16a, 16b, Auslassöffnungen 21a, 21b, Ventilsitze und Ventilführungen, Zentralbohrungen 28a, 28b, Ventiltriebstruktur 24a, 24b - insbesondere Nockenwellenlager und Kipphebellager-, Übertritte für Kühlmittel und Schmiermittel - insbesondere im Feuerdeck 35a, 35b - und diverse Flanschflächen gefertigt oder bearbeitet werden.
Durch die Erfindung ist es möglich erste Zylinderköpfe 10a, welche für selbstzündende Brennverfahren -beispielsweise für Dieselkraftstoffe - konzipiert sind, und zweite Zylinderköpfe 10b, welche für fremdgezündete Brennverfahren - beispielsweise für Erdgas, Wasserstoff, oder Methanol - konzipiert sind, auf ein und derselben Produktionslinie 3 zu fertigen.
Claims
1. Zylinderkopfsystem (1) für - insbesondere mit verschiedenen Brennverfahren und/oder Kraftstoffen betreibbare - Brennkraftmaschinen, insbesondere für Nutzfahrzeuge, mit zumindest einem ersten Zylinderkopf (10a, 10b) - insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine - und einem zweiten Zylinderkopf (10b) - insbesondere für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine -, wobei
• der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils eine Gruppe von Zylinderkopfschraubenbohrungen (11a, 11b) aufweist, welche in Anzahl, Position und Dimensionierung im Wesentlichen gleich ausgeführt ist, wobei
• der erste Zylinderkopf (10a) für zumindest einen ersten Zylinder (13a) zumindest eine weitere Zylinderkopfschraubenbohrung (12) aufweist und der zweite Zylinderkopf (10b) an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung (12) für zumindest einen zweiten Zylinder (13b) an einer im Wesentlichen gleichen Position zumindest eine Injektorbohrung (18) aufweist.
2. Zylinderkopfsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b)
• ein im Wesentlichen gleiches Ventilbild (20a, 20b) mit im Wesentlichen gleichen Positionen von Einlassöffnungen (16a, 16b) und Auslassöffnungen (21a, 21b), mit im Wesentlichen gleichen Ventilführungen, gleichen Einlassventilen (22a, 22b) und im Wesentlichen gleichen Auslassventilen (23a, 23b) und/oder
• eine im Wesentlichen gleiche Ventiltriebstruktur (24a, 24b) mit im Wesentlichen gleich angeordneten Nockenwellen (25a, 25b), im Wesentlichen gleich angeordneten Nockenwellenlagern und im Wesentlichen gleich angeordneten Ventilhebeln (26a, 26b) aufweisen.
3. Zylinderkopfsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) im Wesentlichen gleiche Übertritte für Kühlmittel und Schmiermittel im Feuerdeck zu einem an den Zylinderkopf (10a, 10b) anschließbaren Zylinderblock aufweisen.
4. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b)
• eine im Wesentlichen gleiche Anordnung und Gestaltung jeweils einer im Bereich einer Zylinderachse (14a, 14b) angeordneten Zentralbohrung (28a, 28b) zur Aufnahme eines in den Zylinder (13a, 13b) mündenden zentralen Bauteils (29a, 29b) aufweisen.
5. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zylinderkopf (10b) für zumindest einen Zylinder (13b) insgesamt zumindest eine Zylinderkopfschraubenbohrung (11b) weniger als der erste Zylinderkopf (10a) aufweist.
6. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) bei zumindest einem Zylinder (13a) sechs Zylinderkopfschraubenbohrungen (11a, 12) und der zweite Zylinderkopf (10b) fünf Zylinderkopfschraubenbohrungen (11b) aufweist.
7. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung (12) des ersten Zylinderkopfs (10a) in einer eine erste Zylinderachse (14a) des ersten Zylinderkopfes (10a) beinhaltenden ersten Motorquerebene (öa), vorzugsweise im Bereich einer ersten Einlassventilbrücke (15a) zwischen zwei ersten Einlasskanälen (33a) des ersten Zylinderkopfes (10a) angeordnet ist.
8. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Injektorbohrung (18) des zweiten Zylinderkopfs (10b) im Bereich einer eine zweite Zylinderachse (14b) des zweiten Zylinderkopfes (10b) beinhaltenden zweiten Motorquerebene (öb), vorzugsweise im Bereich einer zweiten Einlassbrücke (15b) zwischen zwei zweiten Einlasskanälen (33b) des zweiten Zylinderkopfes (10b), angeordnet ist.
9. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) Einlassventile (22a, 22b) und Auslassventile (23a, 23b) mit im Wesentlichen gleichen Ventilbildern (20a, 20b) aufweisen.
10. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils ein paralleles Ventilbild (20a, 20b) aufweisen, wobei jeweils zwei Mitten der Einlassöffnungen (16a, 16b) und/oder Auslassöffnungen
(21a, 21b) eine Gerade (gl, g2, g3, g4) aufspannen, welche parallel zu einer Motorlängsebene (sa, sb) oder einer Motorquerebene (öa, öb) verläuft.
11. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils ein verdrehtes Ventilbild aufweisen, wobei jeweils zwei Mitten der Einlassöffnungen (16a, 16b) und/oder Auslassöffnungen (21a, 21b) eine Gerade (gl, g2, g3, g4) aufspannen, welche geneigt zu einer Motorlängsebene (sa, sb) oder einer Motorquerebene (öa, öb) verläuft.
12. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils pro Zylinder (13a, 13b) zwei jeweils durch ein Auslassventil (23a, 23b) steuerbare Auslassöffnungen (21a, 21b) aufweisen, welche mit zumindest einem Auslasskanal (31a, 31b) strömungsverbindbar sind.
13. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils pro Zylinder (13a, 13b) zwei durch jeweils ein Einlassventil (22a, 22b) steuerbare Einlassöffnungen (16a, 16b) aufweisen, welche mit zumindest einem Einlasskanal (33a, 33b) strömungsverbindbar sind, wobei vorzugsweise zumindest ein zu einem Einlassventil (22a, 22b) führender Einlasskanal (33a, 33b) drallerzeugend oder tumbleerzeugend ausgebildet ist.
14. Zylinderkopfsystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einlassöffnung (16a, 16b) mit jeweils einem Einlasskanal (33a, 33b) strömungsverbindbar ist, wobei die Einlasskanäle (33a, 33b) von separaten Einlassflanschöffnungen ausgehen.
15. Zylinderkopfsystem (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (33a, 33b) symmetrisch zur Motorquerebene (öa, öb) angeordnet sind.
16. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Zylinderkopf (10a) zwischen zwei ersten Einlasskanälen (33a) die weitere Zylinderkopfschraubenbohrung (12) und beim zweiten Zylinderkopf (10b) zwischen zwei zweiten Einlasskanälen (33b) die Injektorbohrung (18) angeordnet ist.
17. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils zumindest eine Nockenwelle (25a, 25b) aufweisen, wobei vorzugsweise die Nockenwelle (25a, 25b) auf einer Auslassseite des jewei-
ligen Zylinderkopfes (10a, 10b) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Anzahl und Anordnung der Nockenwellen (25a, 25b) beim ersten Zylinderkopf (10a) und beim zweiten Zylinderkopf (10b) gleich ist.
18. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils zumindest einen vorzugsweise als Kipphebel ausgebildeten Ventilhebel (26a, 26b) aufweisen, wobei vorzugsweise die Anzahl und Anordnung der Ventilhebeln (26a, 26b) beim ersten Zylinderkopf (10a) und beim zweiten Zylinderkopf (10b) gleich ist.
19. Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) jeweils im Bereich der Zylinderachse (14a, 14b) eine Zentralbohrung (28a, 28b) zur Aufnahme eines in einer Brennraumdecke (34a, 34b) mündenden zentralen Bauteils (29a, 29b) aufweisen.
20. Zylinderkopf (10b) für ein Zylinderkopfsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (10b) bei zumindest einem Zylinder (13b) fünf Zylinderkopfschraubenbohrungen (11b) aufweist, wobei die Zylinderkopfschraubenbohrung (11b) jeweils im Bereich einer ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ecke eines virtuellen - vorzugsweise im Wesentlichen gleichseitigen oder regelmäßigen - Sechseckes (Sb) angeordnet sind und wobei im Bereich einer sechsten Ecke des virtuellen Sechseckes (Sb) eine Injektorbohrung (18) angeordnet ist.
21. Verfahren zur Herstellung von zumindest zwei für unterschiedliche Brennverfahren konzipierte Zylinderköpfe (10a, 10b) des Zylinderkopfsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) auf derselben Produktionslinie (2) hergestellt werden, wobei der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) in derselben Produktionslinie (2) mit
• jeweils einer Gruppe von Zylinderkopfschraubenbohrungen (11a, 11b) versehen werden, welche für den ersten Zylinderkopf (10a) und den zweiten Zylinderkopf (10b) in Anzahl, Position und Dimensionierung im Wesentlichen gleich ausgeführt werden, wobei
• der erste Zylinderkopf (10a) mit zumindest einer weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung (12) versehen wird und in den zweiten Zylinderkopf (10b) an Stelle der weiteren Zylinderkopfschraubenbohrung (12) an einer im Wesentlichen gleichen Position zumindest eine Injektorbohrung (18) eingeformt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) in derselben Produktionslinie (2) mit dem gleichen Ventilbild (20a, 20b) mit gleichen Ventilpositionen, gleichen Ventilführungen, gleichen Einlassventilen (22a, 22b) und gleichen Auslassventilen (23a, 23b) versehen werden.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) in derselben Produktionslinie (1) mit der im Wesentlichen gleichen Ventiltriebstruktur (24a, 24b) mit im Wesentlichen gleichen Nockenwellen (25a, 25b), im Wesentlichen gleichen Nockenwellenlagern, im Wesentlichen gleichen Ventilhebeln (26a, 26b) versehen werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Zylinderkopf (10a) und in den zweiten Zylinderkopf (10b) in derselben Produktionslinie (1) Übertritte für Kühlmittel und Schmiermittel im Feuerdeck (35a, 35b) zum Anschluss an einen an den Zylinderkopf (10a, 10b) anschließbaren Zylinderblock, mit im Wesentlichen gleicher Anordnung und im Wesentlichen gleicher Gestaltung, eingeformt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinderkopf (10a) und der zweite Zylinderkopf (10b) in derselben Produktionslinie (1) mit im Wesentlichen gleicher Anordnung und im Wesentlichen gleicher Gestaltung jeweils einer im Bereich der Zylinderachse (14a, 14b) angeordneten Zentralbohrung (28a, 28b) zur Aufnahme eines in den Zylinder (13a, 13b) mündenden zentralen Bauteils (29a, 29b) versehen werden.
26. Verwendung eines ersten Zylinderkopfes (10a) für eine nach dem Diesel- Brennverfahren arbeitende erste Brennkraftmaschine und eines zweiten Zylinderkopfes (10b) für eine nach dem Otto-Brennverfahren arbeitende zweite Brennkraftmaschine bei einem Zylinderkopfsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennkraftmaschine pro Zylinder (13b) eine Zylinderkopfschraube (11b) weniger aufweist als die erste Brennkraftmaschine, wobei bei der zweiten Brennkraftmaschine an Stelle einer Zylinderkopfschraube (11b) ein in einer Brennraumdeckfläche (34b) mündender Kraftstoff injektor (181) oder ein in einen Einlasskanal (33b) mündender Niederdruck-Kraftstoffinjektor (182) in der Injektorbohrung (18) angeordnet ist.
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