Ein Rennzeichen dieses Aufbaus ist die recht aufwendige Bearbeitung der Dichtflächen für den oberen Wassermantel und die Zündkerzenbutzen. Es sind drei Bearbeitungsflächen notwendig und außerdem müssen die Steuergehäuse irn Zusammenbau bearbeitet werden, um die Nocken- welle und Tassenstößel, die zur Betätigung der Ventile notwendig sind, aufzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in Druckguß herstellbaren ein-oder zweiteiligen Querstrom-Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit vier Ventilen pro Zylinder so zu gestalten, daß die Fertigung (Gießbarkeit, die maschinelle Fertigung, und die Montage der Ventile und der Nockenwellen) einfacher, sicherer und kostengünstiger wird, daß die Längs-und Quersteifigkeit größer ist, daß die Kühlung des Zylinderkopfes effektiver und einfacher zu gestalten ist, und daß die beiden Einspritz-Varianten (Saugrohr-oder Direkt-) ohne großen Aufwand realisierebar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist der obere nockenwellenseitige Wasserraum mittels zweier getrennter Kerne bewegbar in der oberen Druckgußform ausgeformt. Der untere zylinderseitige Wasserraum ist nach unten entformbar. erstreckt sich entlang der Brennräume des Motors, und ist mit dem oberen nockenwellenseitigen Wasserraum durch Steigkanäle, die durch kleine Kerne entformt werden, im Bereich der Zylinderkopfschrauben verbunden. Weil der Kern fìir den oberen nockenwellenseitigen Wasserraum von oben entformbar ist, ist der Zylinderkopf fiir einen Ventiltrieb mit Schlepphebeln geeignet, deren Rotationspunkte nach außen orientiert sind, wodurch die erste Aufgabe dieser Erfindung gelöst ist.

Einerseits ist die Fertigung und Montage des Ventiltriebes unabhängig von den Teilen, die den Wasserraum abschließen, andererseits sind die Möglichkeiten, kleinere oszillierende Massen fur den Ventiltrieb zu realisieren, größer als bei TassenstöBeln. Außerdem ist eine Ventilabschal- tung bei Verwendung von Gabelrollenschlepphebel einfacher zu gestalten.

Der obere nockenwellenseitige Wasserraum kann durch den Zvlinderkopfdeckel oder durch einen kleinen separaten Deckel geschlossen werden. Dieser Deckel kann an den Zylinder- kopf geschraubt, geklebt oder lasergeschweißt werden, was die Quersteifigkeit des Zylinderkopfes erhöht ; damit ist die zweite Aufgabe dieser Erfindung gelöst.

Durch die oben beschriebene Gestaltung des Zylinderkopfes kann man einfach und preis- wert für die Kühlung das Längsströmungsprinzip realisieren, was die Gleichmäßigkeit der Zylin- derkopftemperatur und die Effzienz der Kühlung verbessert ; so wird die dritte Aufgabe dieser Erfindung gelöst.

Das Wasser kommt vom Motorblock am Ende des Zylinderkopfes und fließt durch den oberen Wasserraum und durch die unteren Wasserräume in Richtung Zylinderkopfvorderseite. In dem vorderen Bereich des Zylinderkopfes kann das Kühlwasser entweder durch den oberen Teil des Zylinderkopfdeckels oder durch den vorderen Teil des Zylinderkopfes zum Kühler fließen.

Für den Zylinderkopf mit Direkteinspritzung ist die Gestaltung des Brennraumes, die An- ordnung und die Form der Einlaßkanäle entscheidend für die Funktionsfahigkeit des Motors, be- sonders bei einer der beiden Möglichkeiten. und zwar bei.. weiter Lage"des Einspritzventils oder besser ausgedrückt beim wandgeführten Brennverfahren. Grundsätzlich können Otto-Direktein- spritzungs-Konzepte entsprechend dem Abstand zwischen Injektor und Zündkerze unterschieden werden. In einer"engen Lage"wird die in geringer Distanz zum Injektor angeordnete Zündkerze direkt vom Einspritzstrahl beaufschlagt. Der Gemischtransport zur Zündkerze erfolgt praktisch ausschließlich durch die Strahlenergie (strahlgeführt) und wird weder durch die Ladungsbewegung und deren turbulenten Schwankungen noch durch die Brennraumgeometrie nennenswert beein- flußt. Bei"weiter Lage", d. h. deutlich vergrößertem Abstand zwischen Injektor und Zündkerze bleiben die Ventilgrößen gegenüber dem Motor mit Saugrohreinspritzung praktisch unverändert.

Der vergrößerte geometrische Abstand bedingt auch eine längere Zeit für den Transport des Kraft- stoffes vom Injektor zur Zündkerze. Dadurch verbessert sich zwar der Aufbereitungszustand des Gemisches, zugleich verstärkt sich aber der Einfluß der turbulenten Fluktuationen im Brennraum und die Schichtungsfahigkeit nimmt ab. Deshalb muss diese letzte Grundkonfiguration mit ver- schiedenen Ladungsbewegungskonzepten-Drall-und Rollsystemen-kombiniert werden.

Bei diesem Druckguß-Zylinderkopfist die Möglichkeit von der Saugrohreinspritzung auf Direkteinspntzung zu wechseln einfach durchzuführen (die"weiter Lage"ist dabei vorteilhafter).

Im Falle der Direkteinspritzung sind die Kanäle einzeln (für jedes Ventil ein Einlaßkanal) und in einer Ebene rechtwinklig auf die Längsachse des Motors orientiert, so daß die Entformung sehr einfach ist. Die Einlaßkanäle müssen auch so steil gestellt werden, daß die Wand der Kanäle bis zur Steckachse der Schlepphebel reicht, um Platz für die Einspritzventile zu schaffen (die Öffnung für das Einspritzventil muß auch entformbar sein). Die Durchmesser der Einlaßventile und der Einlaßkanäle eines Zylinders sind unterschiedlich, was dazu führt daß die Einlaßventile asymme- trisch gegenüber der Mittelebene des Zylinders liegen, und der Abstand zur Zündkerze unter- schiedlich ist. Die große Neigung, die Asymmetrie zur Zylindermitte (in der Längsachse des Mo- tors) dient einer gezielten Ladungsschichtung (Drall-und Rollbewegung des frischen Gemisches im Makrobereich und Ladungshomogenisierung im Mikrobereich). Natürlich müssen in beiden Arten von Einspritzsystemen die Befestigungspunkte für die Sauganlagen, die Ventileanordnung und die Ventilbetätigung dieselbe sein. um die Fertigungsstraße nicht zu verteuern. Deshalb muß auch der Einlaßflansch in beiden Fällen parallel sein, so wird die letzte Aufgabe dieser Erfindung gelöst.

Da der Kraftstoffstrahl in diesem Fall wandgeführt ist, muß der Kolbenboden muldenför- mig ausgeführt sein, damit die Strömung des Kraftstoffes (der Strahl ist konisch) zur Zündker- zenelektrode führt, wenn der Motor bei Teillast mit geschichteter Ladung betrieben ist. Die Form und Tiefe dieser Mulde wird von den Testergebnissen bestimmt. Die Erfindung ist anhand eines in mehreren Zeichnungen dargestelllten Ausfúhrungsbeispieles beschrieben. Es zeigt : Fig 1 die Anordnung der Entformungskeme für den Wasserraum unten (motorblockseitig) mit Brennraum und den Wasserraum oben (nockenwellenseitig) mit Ölraum, Fig 2 einen Querschnitt durch die Mitte des Zylinders mit den verschiedenen Möglichkeiten den oberen Wasserraum abzudichten, die Lage des Einspritzventils für Saugrohreinspritzung, die Kühlbohrung zwischen Auslaßventilsitzen, Fig 3 einen Querschnitt durch die Ventile mit der unterschiedlichen Ausführung der Ven- tilbetätigung, Fig 4 einen Querschnitt durch die Zylinderkopfschrauben mit den Verbindungsbohrungen zwischen unterem (motorblockseitig) und oberem (nockenwellenseitig) Wasserraum, Fig 5 eine Ansicht von oben auf den nockenwellenseitigen Wasserraum mit der n-dtfleren Rippe und dem Ölraum mit den Befestigungsaugen für den Wasserraumdeckel und die Nocken- wellenlager, Fig 6 eine Draufsicht auf die beiden Wasserräume und die Darstellung der Kühlwasser- strömung entlang des Zylinderkopfes, Fig 7 einen Längsschnitt des Zylinderkopfes und des Deckels mit Darstellung der Kühlwas- serströmung und Fig 8 einen Querschnitt durch die Ventile für den Zylinderkopf mit direkter Einspritzung.

Der in den Figuren 1 bis 8 dargestellte ein-oder zweiteilige Zvlinderkopf 1 hat 4 Ventile und ist druckgußfähig gestaltet. Der Zvlinderkopf enthält Einlaßkanäle 2 und Auslaßkanäle 3, die von den teilweise dargestellte Ventilen 4 und 5 beherrscht werden (Fig 3). Die Schäfte sind von nicht dargestellte VentilfUhrungen geführt, die in entsprechende Bohrungen 6 und 7 eingesetzt sind. Im zentralen Bereich des Zylinderkopfes ist für jeden Zylinder ein zur Aufnahme einer Zündkerze bestimmter Butzen 8 vorgesehen. Der obere nockenwellenseitige Wasserraum 9 ist mittels zweier gesonderter Kerne 10 und 11. die unter einem kleinen Winkel ß in dem oberen 01- raumkern 12 bewegbar sind, ausgeformt, um zwischen Zündkerzenbutzen, Einlaß-und Auslaßka- nälen möglichst nahe an die obere Wand des Brennraumes zu gelangen, wobei die beiden Kerne in dem Bereich zwischen den Zündkerzenbutzen aneinander stoßen (Fig 1). Dieser Ölraumkem ist Bestandteil der nicht dargestellten oberen DruckguBform. Man kann aber den gesamten Ölraum- kern zweigeteilt mit jeweils integrierten Wasserraumkernen ausführen, die unter einem kleinen Winkel ß bewegbar sind. Das hängt davon ab, wie einfach man dieses Werkzeug gestalten will, um noch ein genaues Gußteil zu erreichen. Jeder Zündkerzenbutzen 8 ist von diesem oberen Wasser- raum 9 umgeben, der nach oben offen ist, so daß er durch einen Kern, integriert in den Ölraum- kern 12, erzeugt werden kann. Dieser obere Kühlwasserraum 9 erstreckt sich entlang des gesamten Motors (Fig 5). Weiter sind im Zylinderkopfdruckgußteil motorblockseitig die Brennraummulden 13 zusammen mit dem unteren Kühlmittelraum 14 ausgebildet. Der untere Wasserraum 14 er- streckt sich rund um die Brennräume entlang des gesamten Motors (Fig 6). Die beiden Wasser- räume sind im Bereich der Zylinderkopfschrauben beidseitig durch Steigkanäle, die durch geson- derte Kerne 15 entformt werden. verbunden (Fig 4), auch im Bereich zwischen den Auslaßkanä- len, wobei diese Bohrungen 16 wegen ihres kleinen Durchmessers durch maschinelle Bearbeitung gefertigt werden müssen (Fig 3). Die beiden Wasserräume können durch einen zusätzlichen Kern 17 hinter dem letzten Brennraum verbunden werden, um die Speisung des oberen Wasserraumes mit Kühlwasser im Falle der Längsstromkühlung zu ermöglichen (Fig 7). Man kann entlang dieses oberen Wasserraumes eine Rippe 18 (Fig 4,5 und 7) bilden, die die Längssteifigkeit erhöht, weil sie die Zündkerzenbutzen aller Zylinder verbindet. Der obere Wasserraum kann durch den Zylin- derkopfdeckel 19 oder durch einen kleinen separaten Deckel 20 geschlossen werden (Fig 2 und 3, rechts und links). Dieser Deckel kann an den Zylinderkopf geschraubt, geklebt oder laserge- schweißt werden, was die Quersteifigkeit des Zylinderkopfes erhöht. Irn Falle des Verschraubens kann man bei den beiden Möglichkeiten (Zylinderkopfdeckel oder separater Deckel) eine Gummi- formdichtung verwenden (21 und 22). Die Abdichtung des oberen Wasserraumes kann im Falle des separaten Deckels mit Flüssigdichtung erfolgen (23). Man kann den Zylinderkopfals einteilig betrachten, wenn der obere Wasserraum mit dem Zylinderkopfdeckel 19 geschlossen ist, oder als zweiteilig, wenn er durch den separaten Deckel 20 geschlossen ist, und der Deckel geklebt oder lasergeschweißt ist.

Der Zylinderkopfdeckel kann an der oberen Seite des Zylinderkopfes, oder auch an der in- neren Seite des Zylinderkopfes, wie üblich, entkoppelt verschraubt werden. Die Gummiformdich- tung 21 (die Teile berühren sich Metall auf Metall) bzw. 22 (die Teile sind entkoppelt) ist natür- lich, je nach ausgeführter Variante, unterschiedlich.

Falls die Gefahr zu größer Öltemperatur besteht, kann man das Auslaßventil länger ausfüh- ren und in dem Raum zwischen Federteller und Auslaßkanal einen zusätzlichen Wasserraum 24 durch einen Seitenkern schaffen. Dieser Raum wird vom Ende des Zylinderkopfes her mit Wasser gespeist ist durch einen lasergeschweißten Deckel 25 abgedichtet und mit dem oberen Wasser- raum verbunden (siehe Fig 3 Auslaßseite). Aus Kostengründen, und um die Warmlaufphase zu verkürzen kann man auf diesen seitlichen Wasserraum zur zusätzlichen Kühlung verzichten und einen Öl-Wasser-Wärmetauscher in dem Offilter integrieren (gehäuselose Al-Wärmetauscher in Stapelbauweise). Einerseits werden die Abgase nicht gekühlt, was fur das schnellere Heizen des Katalysators notwendig ist und andererseits wird das schnellere Erreichen der Motorsbetriebstem- peratur durch den direkten Kontakt zwischen dem Öl und den Wänden des Auslaßkanals erleich- tert. Das kann den Kraftstoffverbrauch und den Emissionsausstoss senken.

Die Fertigung und Montage des Ventiltriebes und der Nockenwellenlager ist unabhängig von den Teilen, die den Wasserraum abschließen. Die Rollenschlepphebel 26 können auf hydrauli- schen Elementen 27 gelagert werden (Fig 3 Einlaßseite). Im Falle von Gabelrollenschlepphebeln 28 werden sie auf einer Steckachse 29 gelagert (Fig 3 Auslaßseite). Die Bearbeitung der Auflage- flache für die Ventilfedern 30 und 31 und der Nockenwellenlager 32 und 33 (die Nockenwellen- lagerdeckel sind nicht dargestellt) ist auch unabhängig von der Gestaltung der Deckel 19 oder 20.

Das Kühlwasser kommt vom Motorblock am Ende des Zylinderkopfes (im Bereich des letzten Zylinders) durch die Ausnehmungen der Zylinderkopfdichtung und fließt durch den oberen nok- kenwellenseitigen Wasserraum und durch die unteren motorblockseitigen Wasserräume in Rich- tung Zylinderkopfvorderseite. In dem vorderen Bereich des Zylinderkopfes kann das Kühlwasser entweder durch den oberen Teil des Zylinderkopfdeckelsl9 zum Kühler fließen, was die Entliif- tung des Kühlsystems vereinfacht, oder durch den vorderen Teil des Zylinderkopfes (abhänging von der Aggregateanordnung oder ob der Kettenkastendeckel integriert ist oder nicht).

Bei diesem Druckguß-Zylinderkopf sind die beiden Einlaßventile jedes Zylinders unter- schiedlich bezüglich der Lage, des Durchmessers, sowie der Neigung zur Zylinderachse. Die Mitte des ersten Ventilsitzes 34, der einen kleineren Durchmesser als der Ventilsitz 35 hat (Dl < D2), ist naher an der Mittelebene des Zylinders in Querrichtung des Motors. Deshalb kann dieses Ventil weiter von der Mittelebene des Zylinders in Längsrichtung des Motors als das andere positioniert werden, so daß eine Asymmetrie gegenüber der Mitte des Zylinders in Draufsicht entsteht. Die Entscheidung, welche Einlaßventillage (in Längsrichtung des Motors) gewählt wird, d. h. ob das kleinere Einlaßventil in Richtung Zylinderkopfvorderseite ist oder nicht, muß in Abstimung mit der Sauganlage getroffen werden. In jedem Fall müssen die Kontaktpunkte 36 der Einlaßventile mit den Schlepphebeln in Querrichtung des Motors gleich sein, so daß die Funktionsfahigkeit des Ventiltriebes mit indentischen Gabelrollenschlepphebeln für die Einlaßseite und die Auslaßseite gewährleistet ist. Natürlich sollen aus Kostengründen in beiden Arten von Einspritzsystemen die Ventilanordnung und die Ventilbetätigung dieselbe sein.

Bei diesem Druckguß-Zylinderkopfist die Möglichkeit, von der Saugrohreinspritzung auf Direkteinspritzung zu wechseln einfach durchzuführen. Die Entformung der Auslaß-und Einlaß- kanäle 2 und 3 (Fig 2-in Draufsicht nicht dargestellt) bei Saugrohr-Einspritzung ist leicht reali- sierbar. Die Kanäle sind leicht in Richtung Zylindermitte geneigt und laufen so zusammen, daß zwei bewegbare Kerne pro Zylinder und Seite notwendig sind. Die Auslaßkanäle können auch einzeln in einer Ebene rechtwinklich zur Längsachse des Motors sein, um Platz für die Kühlkanäle 16 zu schaffen. Die Einspritzvendle 37 sind in der Sauganlage untergebracht und spritzen auf bei- de Einlaßventilen. Der Einlaßflansch 38 (Saugrohreinspritzung) muß parallel zum Flansch 39 (Fig 8) (Direkteinspritzung) sein, und die Befestigungspunkte für die beiden Sauganlagen müssen das gleiche Bohrbild haben, um die Fertigung zu vereinfachen. Im Falle der Direkteinspritzung sind die Einlaßkanäle einzeln (für jedes Ventil ein Einlaßkanal), parallel, und in einer Ebene rechtwinklig zur Längsachse des Motors orientiert, so daß die Entformung sehr einfach ist. Die Einlaßkanale, die auch unterschiedliche Durchmesser haben, müssen auch so steil gestellt werden, daß die Wand der Kanäle bis zur Steckachse der Schlepphebel reicht, um Platz für die Einspritzventile zu schaf- fen (die Öffnung für das Einspritzventil 40 muß dabei auch entformbar sein). Deshalb kann die Achslage der Einlaßkanäle unterschiedliche Höhe haben. Das Einspritzventil 40 ist zwischen die Einlaßventile und Zylinderwand montiert, das bedeutet leicht asymmetrisch gegenüber der Mitte des Zylinders, so daß der Abstand zu den Ventilsitzen gleich ist.