DE19942780A1 - Zylinderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine aus Gußeisen mit Vermikulargraphit mit je Zylinder (1) wenigstens einem Gaseinlaßkanal (6) mit wenigstens einem zugordneten Einlaßventil (17) und wenigstens einem Gasauslaßkanal (7) mit wenigstens einem zugordneten Auslaßventil (18).

Description

Für Kolbenbrennkraftmaschinen werden die Zylinderblöcke so­ wohl im Hinblick auf die Kosten als auch im Hinblick auf die besonderen Vorteile des Werkstoffs aus Gußeisen mit Lamellen­ graphit hergestellt. Neben der guten Gießbarkeit und auch der guten Bearbeitbarkeit von Gußeisen mit Lamellengraphit spielt auch das hohe Dämpfungsvermögen und bei Erhalt der Gußhaut auch die Korrosionsbeständigkeit eine große Rolle. Ein Nach­ teil des Gußeisens mit Lamellengraphit ist dadurch gegeben, daß die verästelten Graphitlamellen die metallische Matrix unterbrechen, so daß die Zugfestigkeit begrenzt ist und der Werkstoff keine Dehnbarkeit besitzt. Diese Materialeigen­ schaften begrenzten bisher den Einsatz von Gußeisen auf die Herstellung von Zylinderblöcken, die praktisch nur statisch beansprucht werden. Dementsprechend bestand die Notwendig­ keit, für die Zylinderköpfe andere Materialien einzusetzen, wie beispielsweise Aluminium.

Da jedoch bei Werkstoffpaarungen von derart unterschiedlichen Werkstoffen wie Gußeisen für den Zylinderblock auf der einen Seite und Aluminium für den Zylinderkopf auf der anderen Sei­ te hinsichtlich der unterschiedlichen Eigenschaften, insbe­ sondere hinsichtlich der Wärmedehnung Probleme auftreten kön­ nen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine Kol­ benbrennkraftmaschine einen Zylinderkopf zu schaffen, der von den Materialeigenschaften her dem Material des Motorblocks entspricht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Zy­ linderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine aus Gußeisen mit Vermikulargraphit mit je Zylinder wenigstens einem Gaseinlaß­ kanal mit wenigstens einem zugeordneten Einlaßventil und we­ nigstens einem Gasauslaßkanal mit wenigstens einem zugeordne­ ten Auslaßventil.

Die Verwendung von Vermikulargraphit bietet den Vorteil, daß zum einen sowohl der Zylinderblock als auch der Zylinderkopf aus praktisch einem Material bestehen und damit hinsichtlich der thermischen Eigenschaften etwa identisch sind. Der beson­ dere Vorteil eines Zylinderkopfs aus Gußeisen mit Vermikular­ graphit besteht darin, daß dieses Gußeisen einerseits in etwa die Duktilität und Zugfestigkeit eines Gußeisens mit Kugel­ graphit aufweist und damit dynamischen und pulsierenden Bean­ spruchungen ausgesetzt werden kann. Gegenüber einem Gußeisen mit Lamellengraphit sind bei Vermikulargraphit die Graphitla­ mellen an ihren Enden nicht mehr spitz zulaufend, sondern in­ folge einer speziellen Schmelzbehandlung an den Enden keu­ lenartig verdickt ausgebildet. Damit wird die beim Gußeisen mit Laminargraphit infolge der spitz zulaufenden Graphitla­ mellen verursachte Kerbwirkung vermieden, so daß ein Gußeisen mit Vermikulargraphit eine meßbare Dehnung aufweist und somit die guten Eigenschaften eines Gußeisens mit Lamellengraphit, wie beispielsweise hohes Dämpfungsvermögen, mit denen des Gußeisens mit Kugelgraphit, nämlich Verbesserung der Duktili­ tät, vereint ist.

Da bei einem Gußeisen mit Vermikulargraphit die gute Gießbar­ keit eines hochgekohlten Gußeisenwerkstoffs erhalten bleibt, besteht die Möglichkeit, ein so komplexes Gußstück, wie einen Zylinderkopf auch in dünnwandiger Ausführung abzugießen. Da­ mit werden für das Gießen einer Großserie im Sandguß ideale Bedingungen geschaffen, da die Verwendung von stabilen Kernen für möglich ist. Da Gußeisen mit Vermikulargraphit eine nied­ rige Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist der Wärmeaustausch zwi­ schen dem heißen Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine und dem Kühlmittel der Motorkühlung niedriger als bei der Verwendung eines Zylinderkopfes aus Aluminium. Das bedeutet, daß bei hö­ heren Abgastemperaturen auch ein höheres Energieangebot für einen nachgeschalteten Turbolader zur Verfügung steht, so daß der Wirkungsgrad der Kolbenbrennkraftmaschine verbessert wer­ den kann. Ein Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Art ist da­ her besonders geeignet für Kolbenbrennkraftmaschinen mit ho­ hem Verbrennungsdruck, d. h. aufgeladene Kolbenbrennkraftma­ schinen mit Selbstzündung und mit Fremdzündung.

Ein besonderer Vorteil der Ausbildung eines Zylinderkopfes für eine Kolbenbrennkraftmaschine aus einem Gußeisen mit Ver­ mikulargraphit besteht ferner darin, daß im Hinblick auf die Festigkeitseigenschaften dieses Materials einerseits und der besonderen Ausbildung der Eisenmatrix in Verbindung mit den Graphitablagerungen andererseits, die Notwendigkeit entfällt, in den Zylinderkopf Führungshülsen für die Gaswechselventile aus einem anderen Material einsetzen zu müssen. Vielmehr ist es möglich, erfindungsgemäß die Führungen für die Gaswechsel­ ventile unmittelbar in das Gußeisenmaterial einzuarbeiten, da die Verschleißfestigkeit eines Gußeisens mit Vermikulargra­ phit in Verbindung mit dem Selbstschmiereigenschaften über die Graphitablagerungen in Verbindung mit der Motorölschmie­ rung die geforderte Lebensdauer erfüllt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ventilsitze der Gaswechselventile unmittelbar in das Zy­ linderkopfmaterial eingearbeitet sind. Die günstigen Werk­ stoffeigenschaften eines Gußeisens mit Vermikulargraphit bie­ ten hierbei die Möglichkeit, daß eingesetzte Ventilsitzringe aus einem anderen Material entfallen können und die Ventil­ sitze unmittelbar in das Material des Zylinderkopfes eingear­ beitet werden können.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Zylinderkopf durch perlitisches Gußeisen mit Vermikulargraphit gebildet wird. Dies bietet die Möglich­ keit, die Führungen für die Gaswechselventile und/oder die Bereiche der Ventilsitze induktiv zu härten.

Die gute Gießbarkeit von hochgekohlten Gußeisensorten, zu de­ nen auch ein Gußeisen mit Vermikulargraphit gehört, bietet ferner den Vorteil, daß die Wandstärken der Einlaßkanäle und der Auslaßkanäle und überwiegend alle stegförmigen und/oder - wandförmigen Bereiche eines Zylinderkopfes durchgehend etwa 3 mm aufweisen. Ohne Änderung der Gestaltfestigkeit ist es da­ mit möglich, Zylinderköpfe zu schaffen, die den geforderten mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen standhal­ ten, gleichwohl ein niedriges Gewicht aufwiesen.

Besonders vorteilhaft ist der Zylinderkopf der erfindungsge­ mäßen Art für Kolbenbrennkraftmaschinen, bei denen je Zylin­ der zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile vorgesehen sind. Bei dieser Anwendung ist insbesondere für die Geometrie des Gaseinlasses mit zwei getrennten Gaseinlaßkanälen eine sehr komplizierte Gestaltung erforderlich. Bei gegebenen re­ lativ kleinen Zylinderdurchmessern von beispielsweise 70 mm ist nur mit den vorstehend bezeichneten geringen Wandstärken auch eine Reduzierung der Baugröße und eine Reduzierung des Gewichtes im Vergleich zu herkömmlichen Bauformen möglich.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilhorizontalschnitt durch einen Zylinder­ kopf in der Höhe der Gaseinlaß- und Gasauslaßka­ näle gem. der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1 in größerem Maßstab.

Der in Fig. 1 wiedergegebene Teilhorizontalschnitt durch ei­ nen Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Selbst­ zündung, der den Bereich oberhalb eines angedeuteten Zylin­ ders 1 darstellt, läßt erkennen, daß dem Zylinder 1 jeweils zwei Gaseinlaßöffnungen 2.1, 2.2, und zwei Gasauslaßöffnungen 3.1, 3.2 zugeordnet sind, für die entsprechende Gaswechsel­ ventile vorgesehen sind. Im Bereich der Zylinderachse 4 ist dann eine Öffnung 5 für die Einführung einer Einspritzdüse vorgesehen.

Den beiden Gaseinlaßöffnungen 2.1 und 2.2 sind entsprechend gesonderte Gaseinlaßkanäle 6.1 und 6.2 zugeordnet, wobei der Gaseinlaßkanal 6.1 im Übergang zur Gaseinlaßöffnung 2.1 als sogenannter Spiraleinlaß ausgebildet ist, um dem in den Zy­ linder 1 beim Ansaughub einströmenden Gas einen Drall aufzu­ prägen, der zu einer verbesserten Durchmischung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches im Zylinder bewirkt.

Die Gasauslaßöffnungen 3.1 und 3.2 münden in einen gemeinsa­ men Gasauslaßkanal 7 ein.

Sowohl die Gaseinlaßkanäle 6.1 und 6.2 als auch der Gasaus­ laßkanal 7 sind jeweils endseitig mit einem Flanschbereich 8 bzw. 9 versehen, an dem jeweils der Luftansaugtrakt einer­ seits und der Gasauslaßtrakt andererseits anflanschbar ist.

Wie die Schnittdarstellung gemäß Fig. 1 erkennen läßt, ist der Zylinderkopf im Bereich eines Zylinders jeweils mit vier Durchgangslöchern 10 versehen, die jeweils durch sogenannte Säulen 11 geführt sind.

In Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1 in größerem Maßstab dargestellt. Die Schnittdarstel­ lung läßt erkennen, daß die Gaseinlaßöffnungen, hier die Ga­ seinlaßöffnung 2.1 und die Gasauslaßöffnungen, hier die Gas­ auslaßöffnung 3.1, in ihrem Übergangsbereich in den Zylinder­ raum 15 als Ventilsitze 16 ausgebildet sind. Das hier darge­ stellte Ausführungsbeispiel besteht aus perlitischem Grauguß mit Vermikulargraphit, so daß die Ventilsitze 16 für das hier nur schematisch strichpunktiert angedeutete Einlaßventil 17 und das Auslaßventil 18 unmittelbar in das Material des Zylinderkopfes eingearbeitet sind. Die Einführung gesonderter Ventilsitzringe kann somit entfallen. Um hier die Wider­ standsfähigkeit der Ventilsitze zu verbessern, ist der die Ventilsitze 16 begrenzende Bereich des Zylinderkopfmaterials induktiv gehärtet.

Oberhalb der Ventilsitze 16 und koaxial hierzu sind im Zylin­ derkopf hülsenförmige Führungen 19 für die Schäfte der Gas­ wechselventile 17 und 18 eingeformt. Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften von Gußeisen mit Vermikulargraphit kann auch hier die Verwendung besonderer Führungshülsen, bei­ spielsweise aus Bronze oder Stahl entfallen, so daß die Schäfte der Gaswechselventile 17 und 18 unmittelbar über die angeformten Hülsen 19 des Zylinderkopfes geführt werden kön­ nen.

Der für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung vor­ gesehene Zylinderkopf ist auf seiner dem schematisch angedeu­ teten Motorblock 20 zugekehrten Seite ebenflächig ausgebil­ det, wobei bei hier die Unterfläche 21 des Zylinderkopfes ein ebenflächiges Brennraumdach bildet.

Für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung wäre der Bereich der Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen jedoch so auszubilden, daß diese jeweils in ein dachförmig zur Zylin­ derachse 14 ansteigendes Brennraumdach auslaufen. Die notwen­ dige Zündkerze wäre dann in der entsprechend zu gestaltenden Öffnung 5 anzuordnen. Bei einer Kraftstoffdirekteinspritzung wäre die Einspritzdüse zwischen den beiden Gaseinlaßkanälen 6.1 und 6.2 schräg in den Zylinderraum hinein ausgerichtet anzuordnen, wie dies in Fig. 1 mit der Öffnung 22 angedeutet ist.

Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung ist an dieser Stelle die Glühkerze zu plazieren.

Der oberhalb der Unterfläche 21 angeordnete, die Gas­ einlaßkanäle 6 und die Gasauslaßkanäle 7 umschließende Be­ reich des Zylinderkopfes ist als Kühlmitteldurchtritt 12 aus­ gebildet, so daß das Kühlmittel sowohl unterhalb der Gasein­ laßkanäle 6 und der Gasauslaßkanäle 7 als auch oberhalb der Gaseinlaßkanäle 6 und der Gasauslaßkanäle 7 entsprechend hin­ durchgeführt werden kann.

Wie die Schnittzeichnung gemäß Fig. 2 erkennen läßt, sind die Wandstärken der Gaseinlaßkanäle 6 und der Gasauslaßkanäle 7 und überwiegend alle anderen stegförmigen und/oder wandförmi­ gen Teile im wesentlichen durchgehend mit der gleichen Wand­ stärke ausgebildet, wobei hier eine Wandstärke von 3 mm ein­ gehalten werden kann.

Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, sind die Gasauslaßkanäle 7 vom Kühlmittel der Kolbenbrennkraftmaschine umströmt sind. Da Gußeisen mit Vermikulargraphit eine gegenüber anderen Zylin­ derkopfwerkstoffen, beispielsweise Aluminium, reduzierte Wär­ meleitfähigkeit aufweist, wird in diesem Bereich dem Abgas auch eine entsprechend geringere Wärmemenge entzogen, so daß für eine Abgasturbine eines nachgeschalteten Turboladers ein höheres Energieangebot zur Verfügung steht.

Claims (7)

1. Zylinderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine aus Gußei­ sen mit Vermikulargraphit mit je Zylinder (1) wenigstens ei­ nem Gaseinlaßkanal (6) mit wenigstens einem zugeordneten Ein­ laßventil (17) und wenigstens einem Gasauslaßkanal (7) mit wenigstens einem zugeordneten Auslaßventil (18).

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (19) für die Gaswechselventile (17, 18) durch das Zylinderkopfmaterial des Zylinderkopfes selbst gebildet werden.

3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ventilsitze (16) unmittelbar in das Zylinder­ kopfmaterial eingearbeitet sind.

4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch perlitisches Gußeisen mit Vermikulargraphit als Zylinderkopfmaterial.

5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventilsitze (16) und/oder die Führungen (19) für die Gaswechselventile (17, 18) gehärtet sind.

6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wandstärken der Gaseinlaßkanäle (6) und der Gasauslaßkanäle (7) und überwiegend alle stegförmigen und/oder wandförmigen Teile durchgehend etwa 3 mm aufweisen.

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß je Zylinder (1) zwei Einlaßventile (17) und zwei Auslaßventile (18) vorgesehen sind.