Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfbefes
tigung an einem Zylinderblock eines Verbrennungsmotors,
mit einem am Zylinderkopf angeflanschten Einlasskrümmer
für das Kraftstoff-Luft-Gemisch und einem Auslasskrümmer
für das verbrannte Abgas.
Insbesondere im Automobilbau wird ein sehr ho
her Konstruktions- und Fertigungsaufwand im Hinblick auf
Kraftstoffeinsparung und Schadstoffreduzierung betrieben.
Die aufwendigsten und kostspieligsten derartiger Systeme
werden insbesondere im Zylinderkopf des Verbrennungsmo
tors installiert, wie beispielsweise Dieseldirektein
spritzung, Kanalabschaltung, variable Ventiltriebe und
Benzindirekteinspritzung.
Zylinderköpfe werden üblicherweise mit dem Zy
linderblock dadurch verbunden, dass vom Zylinderkopf aus
einsteckbare Zylinderkopfschrauben, Stehbolzen, Führungs
hülsen und dergleichen eingesteckt und mit zugehörigen
Gewindelöchern im Zylinderblock verschraubt werden.
Aus der DE-AS 23 14 793 ist eine solche Zylin
derkopfbefestigung für Hubkolbenmaschinen bekannt. Wei
terhin wirken die jeweils zwischen zwei benachbarten Zy
linderköpfen vorgesehenen Zylinderkopfschrauben über eine
Brücke auf die Zylinderköpfe ein. Die schrägen Auflage
flächen korrespondieren zu entsprechend geneigten Gegen
flächen an den Brücken, um eine hohe Kantenpressung im
Befestigungsbereich zu erreichen.
Weiterhin offenbart die DE-OS 23 31 510 eine
Befestigungsvorrichtung für Auspuffsammelrohre. Am Ven
tilantriebsgehäuse, welches Teil des Zylinderkopfes ist,
und am Zylinderkopf selbst sind Einspannklauen angegos
sen, die abgeschrägte Flächen aufweisen. Das Auspuffsam
melrohr besitzt dazu korrespondierende abgeschrägte
Stützflächen, die mit den Einspannklauen in Eingriff
bringbar sind. Zwischen den Einspannklauen des Zylinder
kopfes bzw. des Ventilantriebsgehäuses einerseits und den
schrägen Stützflächen des Auspuffsammelrohres anderer
seits wird ein elastisches Element, z. B. ein geschlitz
tes Rohr, eingeschlossen, um eine unterschiedliche Wärme
ausdehnung der beteiligten Bauteile zu vermeiden und so
mit einen unterschiedlichen Druck auf die Zylinderkopf
dichtung zu verhindern. Dennoch sind die üblichen Zylin
derkopfschrauben zur Verbindung des Zylinderkopfes mit
dem Zylinderblock erforderlich.
Die an sich üblichen Verbindungen des Zylinder
kopfes bzw. der Zylinderköpfe mit dem Zylinderblock mit
tels Zylinderkopfschrauben, Stehbolzen, Schraubenpfeifen
usw. führt zwangsläufig immer zu eine Beengung des Frei
raumes im Befestigungsbereich, insbesondere hinsichtlich
der Gestaltung der Gaswechselkanäle, die durch den Ein
lasskrümmer und den Auslasskrümmer gebildet werden. Dies
führt zu ungünstigen Luftströmungsverläufen der Ein- und
Auslasskanäle. Die eingeschränkten Gestaltungsmöglichkei
ten dieses sensiblen Motorbereiches führt letztendlich zu
höherem Kraftstoffverbrauch durch schlechtere Verbrennung
bei ungünstiger Luftströmung und darüber hinaus zu kos
tenintensiver Gestaltung der Strömungskanäle im Zylinder
kopf. Es werden schlechtere Werte bei der Schadstoffredu
zierung durch ungünstige Strömungsverhältnisse, schlech
tere Kühlung durch stark eingeschränkten Wasserraum, spe
ziell im Brennraumbereich, und eine höhere Klopfneigung
des Motors erreicht. Neue Luftströmungssysteme zur Erzeu
gung eines stärkeren Dralls für die Dieseleinspritzung,
Kanalabschaltung und Benzineinspritzung usw. zur Kraft
stoff-Verbrauchsoptimierung sind besonders bei Kleinmoto
ren mit geringem Zylinderabstand nicht möglich. Ferner
sind neben dem hohem Konstruktionsaufwand und den kost
spieligen Entwicklungskosten auch ein großer Bauaufwand
für komplizierte Kanal- und Brennraumgestaltungen mit
schlechterem Wirkungsgrad die Folge. Diese Kosten erhöhen
sich natürlich mit steigender Zylinderzahl des Motors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine
Zylinderkopfbefestigung an einem Zylinderblock eines
Verbrennungsmotors der eingangs genannten Art zu schaf
fen, bei der auf die üblichen Zylinderkopf-Schraubenbe
festigungen verzichtet werden kann, um Freiraum für neu
artige Gestaltungen der Gaswechselkanäle im Zylinder
kopf-/Zylinderblock-Bereich zur Verfügung zu stellen, die
wirtschaftlich vorteilhaftere Motorkonstruktionen ermög
lichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge
löst, dass der Zylinderkopf mittels vom Zylinderblock aus
einsetzbaren, lösbaren Befestigungselementen mit dem Zy
linderblock fest verbunden ist.
Das Einsetzen der Befestigungselemente vom Zy
linderblock aus, d. h. quasi von unten nach oben in den
Zylinderkopf bewirkt ein festes Anziehen des Zylinderkop
fes am Zylinderblock und sichert dabei eine wirksame Ver
bindung. Durch diese Maßnahmen werden eine Reihe von Vor
teilen erzielt. Durch den umgekehrten Einsatz der sonst
üblichen Zylinderkopf-Befestigungsteile, die von oben vom
Zylinderkopf aus nach unten in den Zylinderblock geführt
werden, wird mehr Freiraum zur Gestaltung der Strömungs
kanäle geschaffen. Es können somit günstigere Luftströ
mungsverläufe durch einfacher und optimaler Formen und
Verläufe der Kanäle geschaffen werden, die zu einer bes
seren Kraftstoff-Verbrennung und somit zu geringerem
Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß führen. Dadurch
werden neue Strömungssysteme, besonders bei Kleinmotoren
möglich, da mehr Freiraum für bessere Drallerzeugung bei
Dieseleinspritzung, Kanalabschaltung und Benzineinsprit
zung usw. zur Verfügung steht. Die Fertigungswerkzeuge
für die Ein- und Auslasskanäle können in der Herstellung
einfacher und kostengünstiger gestaltet und der Material
einsatz erheblich verringert werden. Schließlich können
die Klopfneigung des Motors, die Kühlwasserströmung im
gesamten Brennraum- bzw. Zylinderkopfbereich verbessert
und das Motorgewicht reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Zylinderkopfbefestigung
ist insbesondere für alle Otto- und Dieselmotoren mit un
terschiedlichen Zylinderzahlen, sowohl im Zwei- als auch
im Mehrventilbetrieb geeignet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfin
dung sind im Zylinderkopf zueinander beabstandete Stangen
ausgebildet, die parallel zur Verbindungsebene des Zylin
derkopfes und des Zylinderblockes verlaufen und in die
vom Zylinderblock aus einsetzbare Schrauben eingreifen.
Sonach befinden sich die Stangen in einer Ebene beabstan
det zur Verbindungsebene zwischen Zylinderkopf und Zylin
derblock. Der Abstand der Stangen bezieht sich auch dar
auf, dass diese bezogen auf den Querschnitt des Zylinder
kopfes und des Zylinderblockes beabstandet, also etwa
symmetrisch zueinander in Bezug zur senkrechten Achse im
Zylinderkopf liegen.
Um die im Zylinderkopf eingesetzten Stangen mit
dem Zylinderblock in Verbindung bringen zu können, sind
die Stangen mit Gewindebohrungen versehen, in welche die
Schrauben vom Zylinderblock aus eingreifen.
Zur Erreichung einer besonders haltbaren Ver
bindung des Zylinderkopfes mit dem Zylinderblock wird es
häufig erforderlich sein, die Stangen aus einem anderem
Material herzustellen als der Zylinderkopf und der Zylin
derblock. Dies erfordert eine optimale Lagerung der Stan
gen. Bevorzugt sind daher die Stangen in speziell hierfür
vorgesehenen Führungsbohrungen im Zylinderkopf gelagert.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der erfin
dungsgemäßen Zylinderkopfbefestigung weist der Zylinder
kopf zueinander beabstandete Gewindebohrungen auf, in die
vom Zylinderblock aus einsetzbare Schrauben eingreifen.
Dabei werden einfach Schrauben vom Zylinderblock aus nach
oben in den Zylinderkopf geführt und in den hierfür vor
gesehenen Gewindebohrungen verspannt. Die Oberseite bzw.
der obere Bereich des Zylinderkopfes ist daher frei von
Schrauben bzw. Schraubenköpfen.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung
der Erfindung sind beidseitig des Zylinderkopfes und des
Zylinderblockes Schraubenpaare vorgesehen, die jeweils
durch einen wippend gelagerten Hebel miteinander verbun
den sind, wobei jeweils eine Schraube eines Schraubenpaa
res im Zylinderkopf verschraubt ist und die jeweils an
dere Schraube des Schraubenpaares den im Zylinderblock
wippend gelagerten Hebel gegen die im Zylinderkopf ver
schraubte Schraube verspannt. Der wippende Hebel gewähr
leistet durch den Wippeffekt ein festes Verspannen des
Zylinderkopfes gegen den Zylinderblock. Da über den wip
pend gelagerten Hebel jeweils ein Schraubenpaar gehaltert
wird, genügen erheblich kürzer Schrauben mit kurzen
Schäften, die in den Zylinderkopf eingreifen. Dadurch
wird der Freiraum zur Gestaltung der Strömungskanäle wei
ter vergrößert und schafft größeren konstruktiven Spiel
raum.
Zum Zwecke einer einfachen Montage des Zylin
derkopfes und des Zylinderblockes weist der im Zylinder
block wippend gelagerte Hebel bevorzugt ein gabelförmig
geöffnetes Langloch auf. Dadurch kann erst eine Schraube
des Schraubenpaares im Zylinderkopf verschraubt, der He
bel mit der Gabel unter dessen Schraubenkopf geschoben
und nachfolgend die andere Schraube des Schraubenpaares
in das Durchgangsloch des Hebels eingeschoben und am Zy
linderblock befestigt werden.
Eine andere Verbindungsmöglichkeit des Zylin
derkopfes mit dem Zylinderblock ergibt sich dadurch, dass
beidseitig des Zylinderkopfes und des Zylinderblockes je
weils eine am Zylinderblock befestigte Schraube vorgese
hen ist, die einen in den Zylinderkopf eingreifbaren,
wippend gelagerten Hebel im Zylinderblock verspannt.
Hierbei werden zwar Schrauben gespart und es müssen keine
Gewindebohrungen in den Zylinderkopf eingebracht werden,
allerdings ist eine spezielle Ausbildung des wippend ge
lagerten Hebels erforderlich. Vorteilhafterweise ist da
her der am Zylinderblock wippend gelagerte Hebel abgewin
kelt, wobei die vom Zylinderblock weg ragende Abwinkelung
in eine dazu korrespondierende Aussparung im Zylinderkopf
eingreift. Die Aussparung kann bereits beim Gießen des
Zylinderkopfes integriert werden.
Um den Wippeffekt des am Zylinderblock gelager
ten Hebels zu bewirken, weist nach einer ersten Ausbil
dung der am Zylinderblock wippend gelagerte Hebel eine
Erhöhung auf, um welche der Hebel beim Verspannen mittels
der Schrauben wippen kann. Alternativ dazu kann die für
den wippend gelagerten Hebel vorgesehene Auflagefläche am
Zylinderblock eine Erhöhung aufweisen. Die Erhöhung ge
stattet eine hinreichende Hebelwirkung zum Festklemmen
des Zylinderkopfes.
Des Weiteren kann die Hebelwirkung noch dadurch
erhöht werden, dass die Unterseiten der Schrauben und die
Schraubenauflageflächen des wippend gelagerten Hebels
ballig ausgebildet sind. Dabei ist die Unterseite der
Schrauben konkav und die Schraubenauflageflächen des He
bels konvex ausgebildet oder umgekehrt.
Der bauliche und Montageaufwand für die erfin
dungsgemäße Zylinderkopfbefestigung kann dadurch verrin
gert werden, dass der Zylinderblock Lagerböcke zur Auf
nahme der Schrauben aufweist. Diese sind zweckmäßiger
weise gleich am Zylinderkopf und/oder am Zylinderblock
angegossen und bestehen aus dem gleichen Material.
In Abhängigkeit von der Größe und der Platzie
rung des detaillierten konstruktiven Gestaltung des Mo
tors kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die zuein
ander beabstandeten Befestigungselemente im Zylinderblock
und im Zylinderkopf in Einsetzrichtung zueinander geneigt
angeordnet sind. Durch diese Maßnahme können die Strö
mungskanäle usw. im Inneren des Zylinderkopfes variabel
gestaltet werden.
Anstelle vormals sehr langer Schrauben bzw.
Schraubenpfeifen werden für die Verbindung des Zylinder
kopfes mit dem Zylinderblock vorzugsweise Außen- bzw. In
nentorx-Schrauben oder Außen- bzw. Innensechskant-Schrau
ben verwendet. Insbesondere Torx-Schrauben sind stark be
lastbar und bei der Montage leicht handhabbar.
Mit diesen relativ geringen und unkomplizierten
Änderungen am Zylinderkopf und Zylinderblock und einer
starken Vereinfachung durch Entfall der ehemals langen
Schrauben bzw. Schraubenpfeifen ist nun der Zylinderkopf
erheblich einfacher in der Gussgestaltung. Es ist viel
mehr Freiraum für völlig neue Zylinderkopfsysteme, auch
bei Kleinmotoren, möglich. Natürlich ist die Anzahl der
vom Zylinderblock aus einsetzbaren Befestigungselemente
von der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors abhän
gig und nimmt mit steigender Zylinderzahl zu.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke
wird in der nachfolgenden Beschreibung an einem Ausfüh
rungsbeispiel, das in den Zeichnungen dargestellt ist,
näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Zylin
derkopfes und eines damit verbundenen
Zylinderblockes eines Kraftfahrzeug-
Verbrennungsmotors mit einer erfin
dungsgemäßen Zylinderkopfbefestigung
nach einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Teilansicht des Zylinderkopf-/
Zylinderblockbereiches nach Fig. 1 in
einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Teilansicht im Querschnitt eines
Zylinderkopfes und eines damit ver
bundenen Zylinderblockes nach einer
dritten Ausführungsform,
Fig. 4 eine Ansicht entlang der Linie A-A
gemäß Fig. 3,
Fig. 5 eine Teilansicht im Querschnitt eines
Zylinderkopfes und eines damit ver
bundenen Zylinderblockes nach einer
vierten Ausführungsform und
Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie B-B
gemäß Fig. 5.
Ein Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug
umfasst gemäß den Fig. 1 bis 6 im Wesentlichen einen Zy
linderblock 1, einen Zylinderkopf 2 sowie einen Einlass
krümmer 3 und einen Auslasskrümmer 4. Im Zylinderkopf 2
ist eine Zündkerze 5 befestigt. Des Weiteren befinden
sich im Zylinderkopf 2 mindestens ein Einlassventil 6 und
ein Auslassventil 7. Der Zylinderblock 1 schließt einen
Kolben 8 und eine Pleuelstange 9 ein, welche an einer
nicht dargestellten Kurbelwelle befestigt ist.
Der Einlasskrümmer 3, an dem sich eine Kraft
stoffeinspritzdüse 10 eines Kraftstoffeinspritzsystems
des Kraftfahrzeuges befindet, und der Auslasskrümmer 4
besitzen endseitig jeweils einen Flansch 11, wobei die
Flansche 11 an entgegengesetzten Seiten des Zylinderkop
fes 2 und des Zylinderblockes 1 anliegen.
Bei der Ausführungsform der Zylinderkopfbefes
tigung am Zylinderblock 1 nach Fig. 1 sind im Querschnitt
symmetrisch zueinander zwei schräg verlaufende Schrauben
12 in am Zylinderblock 1 angegossenen Lagerböcken 13 ein
gesetzt. Diese Schrauben 12 münden in parallel zur Ver
bindungsebene zwischen dem Zylinderblock 1 und dem Zylin
derkopf 2 eingesetzten Stangen 14 im Zylinderkopf 2. Die
Schrauben 12 werden durch in den Lagerböcken 13 ausgebil
deten Durchgangslöchern 15 geführt und greifen in die in
den Stangen 14 befindliche Gewindebohrungen 16 ein. Be
vorzugt sind die Schrauben 12 als Außentorx-Schrauben
ausgebildet.
Die Stangen 14 sind in die im Zylinderkopf 2
eingebrachten Führungsbohrungen 17 gelagert. Die Schrau
ben 12, die durch Durchgangsbohrungen 15 im Zylinderkopf
2 gesteckt werden, klemmen über die Stangen 14 mit den
Gewindebohrungen 16, deren Anzahl vorzugsweise der Anzahl
der Zylinder des Motors entsprechen, den Zylinderkopf 2
an den Zylinderblock 1.
Bei der Montage wird die jeweilige, in der
Führungsbohrung 17 zum Zwecke des Spiel- und Montageaus
gleiches drehbare Stange 14 in die Führungsbohrung 17 ho
rizontal eingesteckt. Anschließend werden die Schrauben
12 durch die Durchgangslöcher 15 der Lagerböcke 13 vom
Zylinderblock 1 aus in den Zylinderkopf 2 geschoben und
mit den Stangen 14 verschraubt.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung zeigt nur
eine Seite der Zylinderkopfbefestigung. Die Schraube 12
wird über das Durchgangsloch 15 im Lagerbock 13 des Zy
linderblockes 1 eingesteckt und in eine zum Durchgangs
loch korrespondierende Gewindebohrung 16 im Zylinderkopf
2 eingeschraubt. Die schräge Ausrichtung der Schraube 12
bewirkt eine enorm feste Verbindung des Zylinderkopfes 2
mit dem Zylinderblock 1.
Bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausfüh
rungsform der Verbindung des Zylinderkopfes 2 mit dem Zy
linderblock 1 sind symmetrisch zwei Paare von Schrauben
12 vorgesehen, wobei die innen liegenden Schrauben 12 in
kurze Gewindebohrungen 16 im Zylinderkopf 2 eingreifen.
Im Zylinderblock 1 werden diese Schrauben 12 durch Durch
gangslöcher 15 im Zylinderblock 1 geführt. Die außen lie
genden Schrauben 12, die kürzer sind als die innen lie
genden Schrauben 12, sind in Gewindebohrungen 16 des Zy
linderblockes 1 verschraubt. Zwischen den Paaren von
Schrauben 12 befindet sich jeweils ein wippend gelagerter
Hebel 18, der gemäß Fig. 4 mit einem gabelförmig geöffne
ten Langloch 19 für die innere, in den Zylinderkopf 2
führende Schraube 12 und einem Durchgangsloch 15 für die
außen liegende kürzere Schraube versehen ist. Gemäß Fig.
4 ist der Hebel 18 beispielhaft in eine Aussparung 20 im
Zylinderblock 1 eingebracht, die den Wassermantel 21 des
Kühlsystems des Motors abschirmt.
Auf der rechten Seite der Fig. 3 ist der Hebel
18 mit einer Erhöhung 22 versehen, die eine wippende La
gerung des Hebels 18 bewirkt. Im Gegensatz dazu ist auf
der linken Seite gemäß Fig. 3 eine Erhöhung 22 als Aufla
gefläche am Zylinderblock 1 ausgebildet.
Zunächst werden die innen liegenden Schrauben
12 in die Gewindebohrungen 16 im Zylinderkopf 2 festge
schraubt. Anschließend wird der Zylinderkopf 2 zentriert
auf den Zylinderblock 2 aufgesetzt, wobei die Schrauben
12 im Zylinderkopf 2 durch die Durchgangslöcher 15 im Zy
linderblock 1 gelangen, die einen entsprechend großen
Durchmesser besitzen. Danach werden die Hebel 18 mit den
gabelförmig geöffneten Langlöchern 19 jeweils unter den
Kopf der innen liegenden Schraube 12 geschoben. Unter den
Schraubenkopf kann über das gabelförmige Langloch eine
Unterlegscheibe aufgelegt oder stattdessen Schrauben 12
verwendet werden, die einen integrierten Flansch aufwei
sen. Anschließend werden die außen liegenden kürzeren
Schrauben 12 am Zylinderblock 1 mit den Lagerböcken 13
verschraubt. Über die Erhöhungen 22 der Hebel 18 bzw. am
Zylinderblock 1 ergibt sich eine Hebelwirkung, über die
der Zylinderkopf 2 quasi durch eine federnde Verbindung
festgeklemmt wird. Um eine gleichmäßige Kraftauflage
fläche an den Hebeln 18 zu erzielen, sind die Anlage
flächen 23 und formgerecht passend dazu die Unterseiten
24 der Schraubenköpfe ballig ausgebildet und liegen ge
geneinander an.
Im Unterschied zu dieser Ausbildung zeigt die
Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 den Hebel 18 in
einer anderen Gestalt. Der Hebel 18 ist mit einer S-för
migen Abwinkelung 25 versehen, wobei dieser nur mit einer
kurzen Schraube 12, die durch eine Durchgangsloch 16 im
Hebel 18 führt, in einer Gewindebohrung 16 im Zylinder
block 1 verschraubt ist. Das entgegengesetzte freie Ende
des Hebels 18 mündet in einer Aussparung 26 im Zylinder
kopf 2 und liegt an einer Auflagefläche 27 der Aussparung
26 auf. Wiederum ist der Hebel 18 und/oder die Auflage
fläche am Zylinderblock 1 mit einer Erhöhung 22 zur Er
zielung einer besseren Hebelwirkung versehen.