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Dokumentenidentifikation DE3100755C2 23.02.1989
Titel Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Anmelder Klöckner-Humboldt-Deutz AG, 5000 Köln, DE
Erfinder Krczal, Robert, 5650 Solingen, DE
DE-Anmeldedatum 13.01.1981
DE-Aktenzeichen 3100755
Offenlegungstag 02.09.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1989
IPC-Hauptklasse F02F 1/24
IPC-Nebenklasse F02F 1/00   
Zusammenfassung Ein Zylinderkopfwerkstoff hat zwei gegensätzliche Forderungen zu erfüllen. Die Stegpartie zwischen den Gaswechselventilen soll eine hohe Duktilität aufweisen, wogegen die Dichtfläche zwischen Zylinderkopf und Zylinderrohr eine hohe Druckkriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen behalten soll. Bei weiteren Leistungssteigerungen von Brennkraftmaschinen, die eine höhere thermische Belastung der Zylinderköpfe nach sich ziehen, könnten die bekannten warmfesten Aluminiumgußlegierungen diese Forderungen nicht mehr erfüllen. Das bekannte Armieren mit Einsätzen aus einem warmfesterem Material zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit bringt das Problem mit sich, daß sich der Verbund zwischen den Teilen durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der verschiedenen Werkstoffe mit der Zeit lockert. Bei einer Armierung mit einem oder mehreren Einsätzen aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium (Fig. 3) tritt dieses Problem nicht auf, da der Zylinderkopf und die Einsätze aus dem gleichen Grundwerkstoff bestehen und somit den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einer als Brennraumboden dienenden Fläche, die insbesondere wenigstens zwei Durchbrüche für Gaswechselventile und wenigstens einer Bohrung für eine Einspritzdüse und/oder Zündhilfe aufweist, sowie ferner mit einer jeden Brennraumboden begrenzenden Dichtfläche.

Die Beanspruchung des Zylinderkopfs im Bereich des Brennraumbodens und im Bereich der Dichtfläche zwischen Zylinderkopf und Zylinderrohr stellt an den Werkstoff zwei konträre Forderungen. Die Stegpartie zwischen den Gaswechselventilen soll eine hohe Duktilität (Thermoschockbeständigkeit) aufweisen, wogegen die Dichtfläche eine hohe Resthärte (Druckkriechfestigkeit) bei erhöhten Temperaturen behalten soll.

In den heutigen Hochleistungsmotoren treten in der Stegpartie Temperaturen von 280° bis 300°C auf. Beabsichtigte Leistungssteigerungen von Brennkraftmaschinen verursachen, wenn alle konstruktiven Maßnahmen zur Optimierung der Kühlung ausgeschöpft sind, eine höhere thermische Belastung der Zylinderköpfe, insbesondere im Bereich des Stegs zwischen Ein- und Auslaßkanal. Die bekannten warmfesten Aluminium-Gußlegierungen können diese Forderung nicht mehr oder nur für eine zu kurze Betriebsdauer erfüllen, wenn die Temperaturbeaufschlagung des Brennraums 300°C übersteigt. Es ist bekannt (DE-OS 14 26 122), zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit Einsätze aus einem warmfesteren Material wie z. B. Stahl oder hochlegiertem Graphitguß in die Brennraumböden einzubringen. Durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der verschiedenen Werkstoffe lockert sich der Verbund zwischen den Teilen aber nach einiger Zeit und es kann zu gravierenden Schäden führen. Zudem wird das Gewicht des Aluminiumzylinderkopfs merklich erhöht.

Bei den Dichtflächen, insbesondere im Bereich des Auslaßkanals, führen die erhöhten Temperaturen auch bei den als warmfest bekannten Aluminium-Gußlegierungen zu einem erheblichen Abfall der durch die Ausscheidungshärtung erzielten Härte. Dadurch ist die Druckkriechfestigkeit der Dichtflächen zu gering, so daß es zur Undichtigkeit zwischen Zylinderkopf und Zylinderrohr kommt. In die Dichtfläche eingegossene oder mechanisch verankerte Einlagen aus anderen Werkstoffen, wie sie in der DE-OS 20 59 219 und der DE-OS 28 38 797 beschrieben werden, weisen dieselben Nachteile auf wie sie oben bereits bei den Stegeinsätzen angesprochen wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanischen Eigenschaften eines Aluminiumzylinderkopfes, insbesondere die Warmfestigkeit, so zu verbessern, daß bei gleicher Lebensdauer eine höhere Leistungsausbeute ermöglicht wird oder bei gleicher Leistung eine höhere Lebensdauer erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brennraumboden oder ein Teil des Brennraumbodens und die den Brennraum begrenzende Dichtfläche aus mindestens einem Einsatz aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium besteht.

Da der Zylinderkopf und der oder die Einsätze aus dem gleichen Grundstoff bestehen und demzufolge den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, kann sich der Verbund zwischen den Bauteilen nicht mehr infolge unterschiedlicher Wärmedehnung lockern. Das Gewicht eines derart armierten Aluminiumzylinderkopfes ist nicht höher als das eines auf herkömmliche Art gegossen. Druckkriechfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit von dispersionsgehärteten Aluminium-Sinterwerkstoffen sind auch bei einer um 50°C höheren Temperaturbeaufschlagung als sie in den heutigen Brennkraftmaschinen üblich sind noch größer als bei allen bekannten warmfesten Aluminium-Gußlegierungen.

Vorzugsweise werden die Sinterteile in den Zylinderkopf eingegossen. Als Ausführungsvariante können die Einsätze aus Sinteraluminium auch in den Zylinderkopf eingepreßt oder dort mechanisch verankert werden. Als weitere Möglichkeit der Verbindung der Bauteile bietet sich das Einschweißen mittels Elektronenstrahl, Laserstrahl oder sonstiger schweißtechnischer Verfahren an.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Zylinderkopf aus einer weniger warmfesten, besser gießbaren Aluminiumlegierung hergestellt sein, die nicht warm ausgelagert zu werden braucht. Neben den gießtechnischen Vorteilen, die die Verarbeitung vereinfachen, bieten diese weniger warmfesten Aluminiumlegierungen auch den Vorteil geringerer Materialkosten. Prinzipiell können diese Einsätze auch bei Zylinderköpfen aus anderen Werkstoffen, wie z. B. Grauguß, verwendet werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen. Diese zeigen die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen anhand eines luftgekühlten Zylinderkopfs. Es zeigt

Fig. 1 einen Zylinderkopf mit einteiligem Brennraum-Dichtflächen-Einsatz,

Fig. 2 einen Zylinderkopf mit einteiligem Brennraum- Dichtflächen-Einsatz im Schnitt,

Fig. 3 einen Zylinderkopf mit getrennten Einsätzen für Stegpartie und Dichtfläche und

Fig. 4 einen Zylinderkopf mit getrennten Einsätzen für Stegpartie und Dichtfläche im Schnitt.

In den Fig. 1 bis 4 sind mit 1 jeweils der Zylinderkopf, mit 2 die Durchbrüche für die Gaswechselventile und mit 3 die Bohrung für eine Einspritzdüse bezeichnet. In den Fig. 1 und 2 ist ein Sinterteil 4 als Brennraumboden und Dichtflächen eingesetzt. In den Fig. 3 und 4 bestehen die Dichtfläche 5 und die Stegpartie 6 aus zwei getrennten Sinterteilen.


Anspruch[de]
  1. 1. Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer als Brennraumboden dienenden Fläche, die insbesondere wenigstens zwei Durchbrüche für Gaswechselventile und wenigstens eine Bohrung für eine Einspritzdüse und/oder Zündhilfe aufweist, sowie ferner mit einer jeden Brennraumboden begrenzenden Dichtfläche, gekennzeichnet dadurch, daß der Brennraumboden oder ein Teil des Brennraumbodens und die den Brennraumboden begrenzende Dichtfläche aus einem Einsatz (4) aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium besteht.
  2. 2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden oder ein Teil des Brennraumbodens und die den Brennraumboden begrenzende Dichtfläche aus mindestens zwei getrennten Einsätzen (5, 6) aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium bestehen.
  3. 3. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (5, 6) aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium mit unterschiedlichen den konträren Werkstoffanforderungen entsprechenden Dispersoiden hergestellt sind.
  4. 4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (5, 6, 4) in den Zylinderkopf (1) eingegossen sind.
  5. 5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (4, 5, 6) in den Zylinderkopf (1) eingepreßt sind.
  6. 6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (4, 5, 6) im Zylinderkopf (1) mechanisch verankert sind.
  7. 7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (4, 5, 6) mittels Elektronenstrahl, Laserstrahl oder sonstiger schweißtechnischer Verfahren in den Zylinderkopf (1) eingeschweißt sind.
  8. 8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (1) aus einer weniger warmfesten, besser gießbaren Aluminiumlegierung hergestellt und nicht warm ausgelagert ist.






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