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Die
Erfindung betrifft einen Brennraumeinleger zur form- und/oder kraftschlüssigen
Festlegung in einem Zylinderkopf mit jeweils wenigstens einer Durchbrechung
für Ein- und Auslassventile. Insbesondere ist ein solcher
Brennraumeinleger pulvermetallurgisch gefertigt.
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Im
modernen Motorenbau geht der Trend zu energieeffizienten und leistungsstarken
Aggregaten mit hohem Wirkungsgrad. Hohe Wirkungsgrade und hohe Leistung
können vor allem auch mittels höherer Verbrennungstemperaturen
und -drücke erzielt werden.
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Die
konventionell im Motorenbau verwandten Materialien setzen hier Grenzen.
So wurde sowohl bei aus Aluminium wie auch bei aus Gusseisen gefertigten
Zylinderköpfen vermehrt Rissbildung (Verzug oder Kriechvorgänge)
beobachtet, da die verwendeten Werkstoffe den Belastungen vor allem in
der Spitze nicht mehr Stand halten.
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Aktuell
wird versucht, dieser Probleme durch eine verbesserte Kühlung
und durch die Optimierung der Werkstoffe und Herstellungsverfahren
Herr zu werden. Da aber die Bauteile – beispielsweise Zylinderköpfe – verschiedenen
Anforderungen gerecht werden müssen, muss eine Optimierung
auf der einen Seite häufig durch eine Verschlechterung
an einem anderen Punkt erkauft werden.
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Die
im Motorenbau verwendeten Werkstoffe sind in der Regel auf eine
ausreichende Wärmeableitung hin optimiert. Insbesondere
die für Aluminiummotoren verwandten Legierungen zeichnen
sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von bis
zu 240 W/mK (bei Reinaluminium), 160 W/mK bei Zylinderkopflegierungen
aus.
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Die
hohe Wärmeleitfähigkeit der im Motorenbau verwendeten
Werkstoffe ist ambivalent. Aus thermodynamischen Gründen
ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und damit Wärmeableitung
unerwünscht, da sie geeignet ist, den Wirkungsgrad herabzusetzen,
was die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Motors vermindert.
Andererseits ist eine gute Wärmeleitfähigkeit
zur Schonung der Materialien erwünscht; bei Belastungen
im Grenzbereich ist eine Temperatursenkung an kritischen Stellen,
beispielsweise den Brücken zwischen zwei Ventilöffnungen
durchaus lebensdauerverlängernd.
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Moderne
Motoren mit hoher Verbrennungseffizienz werden insbesondere im Bereich
der Auslassventile hoch beansprucht. Gerade bei Lkw-Motoren kommt
es hier bei Druckspitzen zu Rissbildungen, da die Werkstoffe den
Drücken bei den herrschenden Temperaturen nicht mehr Stand
halten.
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Maßnahmen
zur effizienteren Kühlung dieser Bereiche sind zwar geeignet,
dem vorzubeugen, jedoch bleiben die so gefertigten Motoren deutlich hinter
ihrem Optimum zurück. Insbesondere gilt dies für
die Warmlaufphase, in der die gute Wärmeleitfähigkeit
der Werkstoffe und die effiziente Kühlung das rasche Aufheizen
auf die Arbeitstemperatur verhindern und zu vermehrtem Schadstoffausstoss
und erhöhtem Treibstoffverbrauch führen kann.
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Es
wurde bereits versucht, dieses Problem mit einem keramischen Bauteil,
das Öffnungen zur Aufnahme von Ventilsitzen und dergleichen
besitzt und in den Zylinderkopf eines Kolbenmotors eingesetzt wird,
zu begegnen. Für solche Bauteile wurden insbesondere Zirkonoxidkeramiken
vorgeschlagen, siehe
DE
33 07 115 A . Die Keramikmaterialien haben eine Wärmeleitfähigkeit
von weniger als 6 W/mK.
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Diese
Brennraumeinleger aus Zirkonoxidkeramik haben sich in der Praxis
jedoch nicht durchgesetzt. Grund hierfür ist vermutlich
die geringe Zugfestigkeit bzw. Biegesteifigkeit, die zu einem vorzeitigen Verschleiß bzw.
Bruch führt. Wegen der geringen Wärmeausdehnung
der Keramikbauteile wird eine deutlich höhere Überdeckung
im Vergleich zu Stahlteilen wie Ventilsitzringen bei der Montage
im Zylinderkopf benötigt, um ein Herausfallen der Platten
bei Betriebstemperatur zu vermeiden. Die unweigerlich auftretenden
Spannungen führen dann zur raschen Ermüdung des
Materials. Die hohe Druckfestigkeit, die auf der positiven Seite
dieses Materials steht, wird mit einer geringen Zugfestigkeit und
Zähigkeit erkauft.
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Angesichts
dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Zylinderkopf
von Verbrennungsmotoren so zu gestalten, dass die vorstehend geschilderten
Nachteile vermieden und insbesondere ein gegenüber hoher
Druck- und Temperaturbelastung beständiger Zylinderkopf
bereit gestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Brennraumeinleger der eingangs genannten
Art gelöst, der aus einem metallischen Werkstoff mit einer
Wärmeleitfähigkeit von weniger als 60 W/mK und
einem E-Modul von mehr als 100 kN/mm2 gefertigt
ist.
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Das
erfindungsgemäße Zylinderkopfkonzept erlaubt bei
hoher Temperaturbelastung des Zylinderkopfes Spitzendrücke
von deutlich mehr als 200 Bar im Brennraum. Damit ist ein solcher
Zylinderkopf für Kraftfahrzeugmotoren im Hochleistungssektor
und insbesondere auch für Lkw-Motoren geeignet.
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Die
erfindungsgemäßen Brennraumeinleger haben insbesondere
eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 10 bis
50 W/mK und besonders bevorzugt von 10 bis 40 W/mK. Das E-Modul
sollte bei mehr als 130 kN/mm2 liegen.
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Bevorzugter
Werkstoff für den erfindungsgemäßen Brennraumeinleger
ist Stahl mit der vorgenannten Wärmeleitfähigkeit
und dem angegebenen E-Modul. Dabei kommen eine Reihe von Stahlqualitäten
in Frage, insbesondere Schnellstahl mit beispielsweise einer Wärmeleitfähigkeit
von ca. 15 W/mK, aber auch Stahlqualitäten, wie sie traditionell für
die Fertigung von Ventilsitzringen verwandt werden, etwa Kobald-Molybdän-Stähle
wie CoMo12, sowie Stähle auf Schnellstahlbasis wie z. B.
AR16, AR18 und AR20. Es können aber auch niedrig-legierte
Stähle eingesetzt werden, etwa solche mit einer Wärmeleitfähigkeit
von 30 W/mK, die aus einem anderen Werkstoff gefertigte Ventilsitzringe
darin integriert enthalten. Diese integrierten Ventilsitzringe können
auch separat gefertigt und in den Einleger eingebracht sein, etwa
durch Einsintern, Eingießen oder Pressfügen.
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Die
Brennraumeinleger können gegossen, umgeformt bzw. gebaut
sein, werden aber bevorzugt pulvermetallurgisch hergestellt. Die
pulvermetallurgische Fertigung erlaubt insbesondere zwei vorteilhafte
Varianten, nämlich zum einen die Anwendung der Double-Layer-Technik,
bei der die Funktionsbereiche eine auf die Funktion bezogene besondere
Zusammensetzung erhalten, und zum anderen die Beeinflussung der
Wärmeleitfähigkeit in Richtung auf einen gewünschten
Wert. Insbesondere ist es aber möglich, mit der Pulvertechnologie
den Grundkörper der Brennraumeinlegers aus einem vergleichsweise preiswerten
Stahl zu fertigen und die kostenträchtigen Speziallegierungen
auf die Funktionsbereiche zu beschränken.
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Bei
der Double-Layer-Technik werden insbesondere die den Ventilsitzen
zugeordneten Randbereiche, aber auch ansonsten hoch beanspruchte
Bereiche mit einer höher temperaturbeständigen
Legierung, ggf. auch mit einem höheren Wärmeleitvermögen,
ausgestattet. So kann z. B. ein niedrig-legierter Stahl in diesen
Grenzflächen mit einer CoMo12-Legierung kombiniert werden.
Kombinationen mit anderen Stahlqualitäten für
Ventilsitzringe sind ebenfalls möglich.
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Die
Infiltrationstechnik erlaubt es, die Wärmeleitfähigkeit
des Brennraumeinlegers gezielt auf einen gewissen Wert einzustellen.
Hierzu wird das freie Porenvolumen des Brennraumeinlegers, das im Allgemeinen
auf 5 bis 12% eingestellt wird, mit einem mehr oder weniger leitfähigem
metallischen Material infiltriert, vorzugsweise mit Kupfer, aber
auch mit Aluminium. Legierungen dieser beiden Metalle mit dritten
Metallen sind ebenfalls möglich. Das Porenvolumen liegt
bevorzugt im Bereich von 5 bis 10%. Dies entspricht einer Dichte
des gesinterten Brennraumeinlegers von 6,8 bis 7,0 bei einer theoretischen Dichte
von etwa 7,8 g/cm3.
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Der
erfindungsgemäße Brennraumeinleger wird, ähnlich
wie bisher schon die Ventilsitzringe, in den Zylinderkopf an dazu
vorgesehener Stelle in einen entsprechenden Ausschnitt eingegossen,
eingefügt, eingepresst oder eingeschrumpft. Die Abdichtung
des Brennraums ergibt sich direkt zwischen Laufbuchse und Stahlplatte
durch ein geeignetes Füge- und Dichtungsverfahren. Es versteht
sich, dass der Einleger alle für den Betrieb auch sonst
notwendigen Bohrungen und Funktionsbereiche besitzt.
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Gegenüber
keramischen Brennraumeinlegern besitzen die erfindungsgemäßen
Produkte eine erheblich verbesserte Zähigkeit und insbesondere Biegeverhalten.
Das Wärmeausdehnungsverhalten liegt im Bereich üblicher
metallischer Werkstoffe, weshalb mit einer relativ geringeren Überdeckung (60–80 μm)
gearbeitet werden kann, als bei keramischen Werkstoffen. Gleichzeitig
kann die gegenüber herkömmlichen Zylinderkopfmaterialien
deutlich verminderte Wärmeleitfähigkeit den Temperaturhaushalt des
Motors in der Warmlaufphase erheblich verbessern. Im Allgemeinen
kann davon ausgegangen werden, dass sich die Warmlaufzeit verkürzt.
Auf diese Art und Weise kann das Abgasverhalten des Motors positiv
beeinflusst werden.
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Im Übrigen
erlaubt die besondere Fertigung des Brennraumeinlegers aus metallischen
Werkstoffen eine Verbesserung der Druckbeständigkeit insbesondere
im Brückenbereich zwischen Ventilöffnungen gegenüber
den üblichen Zylinderkopfmaterialien. Hierdurch können
Motordrücke von mehr als 200 Bar ohne Weiteres kompensiert
werden. Die höhere Festigkeit dieser Wertstoffe, die auf
den Zweck hin optimiert sind, erlaubt ferner die Vergrößerung
der Ventilöffnungen.
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Neben
Erhöhung der Belastbarkeit des Zylinderkopfbereiches und
Erhöhung der Steifigkeit ergibt sich insbesondere eine
Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung im
Zylinderkopfbereich und dadurch auch eine geringere thermische Belastung
des Kopfmaterials. Die geringere Wärmeleitfähigkeit
des Brennraumeinlegers führt insbesondere zu einer schnellen
Aufheizung im Bereich der Ventilöffnung und insgesamt zu
einer Erhöhung des Temperaturregimes in diesem Bereich.
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Die
beiliegenden Abbildungen dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Brennraumeinleger mit
vier Ventilöffnungen,
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2 einen
in Double-Layer-Technik gefertigten Brennraumeinleger im Schnitt
und
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3 einen
Brennraumeinleger mit integrierter Ventilsitzringgeometrie.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Brennraumeinleger 1 mit
insgesamt vier Ventilöffnungen 3/4 für
jeweils zwei Ein- und zwei Auslassventile. Der Brennraumeinleger
ist scheibenförmig ausgebildet und weist im Bereich seines
oberen/äußeren Seitenrandes 11 einen
senkrechten Verlauf und im Bereich des darunter liegenden Seitenrandes 12 einen leicht
einwärts geneigten Bereich mit einer Neigung im Bereich
von 3 bis 15° auf. Diese Geometrie dient der Verbesserung
der Einpressbarkeit in einen Zylinderkopf.
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Brennraumeinleger 1 im
Schnitt, der im Bereich der Ventilöffnungen in Double-Layer-Technik
gefertigt ist. Dies bedeutet, dass bei der pulvermetallurgischen Fertigung
der Bereich um die Ventilöffnungen 3/4 eine speziell
auf diesen Funktionsbereich abgestimmter Stahl eingesetzt wird,
der sich von dem Stahl der weiteren Platte qualitativ unterscheidet.
Insbesondere kommen in diesem Funktionsbereich für Ventilsitzringe
geeignete Stahlqualitäten zum Einsatz, während
für die Platte selbst ein niedrig legierter Stahl verwandt
werden kann. Diese Bereiche 13 sind durch besondere Schraffur
gekennzeichnet.
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3 zeigt
einen in einem Zylinderkopf 2 eingebauten erfindungsgemäßen
Brennraumeinleger 1 mit in die Einlassöffnung 3 eingesetztem
Einlassventil 5 und in die Auslassöffnung 4 eingesetztem Auslassventil 6.
Der Brennraumeinleger hat eine integrierte Ventilsitzringgeometrie,
und ist insgesamt aus einem Material gefertigt, dass die Funktionseigenschaften
eines Ventilsitzringes aufweist. Durch Dichtungen 7 ist
die Abdichtung der Platte gegen den Brennraum gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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