-
Die
Erfindung betrifft eine Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere für
einen Dieselmotor nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie
ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Zylinderkopfes.
-
Die
Zylinderköpfe
von Brennkraftmaschinen schließen
die Brennräume
der genannten Brennkraftmaschinen nach oben hin ab und sind mit
einem Zylinderblock unter Vermittlung der Zylinderkopfdichtung verschraubt.
Zylinderköpfe
werden in der Regel aus Aluminiumlegierungen in Druckgussverfahren gegossen.
Es kann dabei für
jeden Zylinder der Brennkraftmaschine ein separates Teil vorgesehen sein,
es sind jedoch auch einteilige Zylinderköpfe, welche alle Zylinder der
Brennkraftmaschine abschließen,
aus dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Zylinderköpfe tragen Öffnungen
für die
Einlass- und Auslassventile der jeweiligen Zylinder sowie Durchgangsöffnungen
für Injektoren bei
Direkteinspritzung und Glühstiften
bei Dieselmotoren.
-
Insbesondere
Durchtrittsöffnungen
zur Aufnahme von Glühstiften
bei Dieselmotoren stellen einen thermomechanisch hoch belasteten
Bereich dar. Auf der brennraumseitigen Oberfläche der Zylinderköpfe bilden
sich durch derartige Belastungen Risse, welche an der Durchtrittsöffnung für den Glühstift beginnen
und sich von dieser aus radial ausdehnen. Bei entsprechendem Wachstum
solcher Risse kann dies zum Ausfall des gesamten Zylinderkopfes
führen, was
aufwändige
und teure Wartungsmaßnahmen
erfordert.
-
Um
Spannungen im Bereich der Durchtrittsöffnung für den Glühstift zu reduzieren, wird
gezielt die Nachgiebigkeit der unmittelbaren Umgebung der Durchtrittsöffnung auf
der brennraumseitigen Oberfläche
des Zylinderkopfes erhöht.
Hierzu werden insbesondere Entlastungskerben vorgesehen, welche mit
der Durchtrittsöffnung
für den
Glühstift
in Verbindung stehen. Solche Entlastungskerben bzw. Entlastungsnuten
sind allgemein bekannt und werden bislang beim Guss des Zylinderkopfes
mit dargestellt. Dies reduziert die Genauigkeit der Positionierung
der Kerben und erhöht
die Toleranzen bezüglich
ihrer Ausdehnung. Damit ist die Optimierung der Nachgiebigkeit des
Zylinderkopfes in der Umgebung der Durchtrittsöffnung für den Glühstift nicht immer in wünschenswertem
Ausmaß durchführbar.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf
der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass prozesstechnisch
einfach und toleranzarm Entlastungsnuten im Bereich einer Durchtrittsöffnung für einen
Glühstift in
den Zylinderkopf eingebracht werden können, um so die Entstehung
von Rissen im Zylinderkopf zu vermeiden oder deren Wachstum zu verlangsamen.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines solchen Zylinderkopfes bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
9 gelöst.
-
Ein
gattungsgemäßer Zylinderkopf
für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere für
einen Dieselmotor, weist eine brennraumseitige und eine außenseitige
Oberfläche
auf, wobei zwischen den Oberflächen
wenigstens eine Durchtrittsöffnung
zur Aufnahme eines Glühstiftes
vorgesehen ist. Weiterhin ist im Bereich der Durchtrittsöffnung in
der brennraumseitigen Oberfläche
eine jeweilige mit der zugeordneten Durchtrittsöffnung verbundene Entlastungsnut
angeordnet. Die Erfindung betrifft also sowohl einteilig als auch
mehrteilig ausgeführte
Zylinderköpfe.
Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die Entlastungsnut als mittels eines trennenden
Verfahrens erzeugten Nut ausgebildet ist. In anderen Worten wird die
Entlastungsnut nicht mehr beim Gießen des Zylinderkopfes mit
dargestellt, sondern erst nach Abschluss des urformenden Teils der
Herstellung des Zylinderkopfes in diesen eingebracht. Durch die
Verwendung trennender Verfahren ist eine genauere Positionierung
und Dimensionierung der Nut möglich. Damit
kann die Nachgiebigkeit des Materials des Zylinderkopfes im Bereich
der Durchtrittsöffnung
besser optimiert werden, so dass Rissbildung in diesem Bereich besser
vermieden bzw. verlangsamt werden kann.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Entlastungsnut als spanend erzeugte Nut ausgebildet. Insbesondere
erfolgt das Einbringen der Nut mittels eines Werkzeugs mit geometrisch
bestimmter Schneide, besonders bevorzugterweise durch Fräsen. Dies
ist sowohl kostengünstig
als auch prozesssicher durchzuführen,
so dass auf einfachste Weise die gewünschte Qualität der Nut
erzeugt werden kann. Alternativ hierzu ist es möglich, die Entlastungsnut als
durch Funkenerodieren erzeugte Nut auszubilden. Bei diesem Verfahren
wird das Werkstück
in einen Behälter
mit einer dielektrischen Flüssigkeit
eingebracht und Werkzeug und Werkstück sich einander soweit angenähert, bis
durch eine zwischen den beiden angelegte Spannung die Durchbruchsfeldstärke des
Dielektrikums erreicht wird. Durch die resultierende Entladung bildet
sich ein Plasmakanal zwischen Werkzeug und Werkstück und es
wird im Bereich dieses Plasmakanals Material thermisch aus dem Werkstück abgetragen
und durch die dielektrische Flüssigkeit
weggespült.
Damit sind besonders präzise
Konturen auf dem Werkstück formbar,
so dass durch dieses Verfahren sehr prozesssicher hochqualitative
Entlastungsnuten für
einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf
erzeugt werden können.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
verläuft
die Entlastungsnut in ihrer Haupterstreckungsrichtung radial bezüglich der
brennraumseitigen Oberfläche,
also bevorzugt radial bezüglich
des durch den Zylinderkopf abgedeckten Zylinders. Es hat sich hierbei
als besonders vorteilhaft herausgestellt, gewisse geometrische Verhältnisse
zwischen den Ausdehnungen der Entlastungsnut und dem Durchmesser
der Durchtrittsöffnung
zu wahren, um eine besonders effiziente Vermeidung der Rissbildung
im Bereich der Durchtrittsöffnung
zu erzielen. Das Verhältnis
einer Tiefe der Entlastungsnut in Richtung einer Flächennormalen
auf die brennraumseitige Oberfläche
zu einem Durchmesser der Durchtrittsöffnung beträgt dabei wünschenswerter Weise mindestens
0,5. Die Entlastungsnut ist also mindestens halb so breit wie der
Durchmesser der Durchtrittsöffnung,
kann jedoch auch breiter ausgebildet sein. Das Verhältnis von
Länge der
Entlastungsnut in ihrer Haupterstreckungsrichtung zum Durchmesser
der Durchtrittsöffnung
beträgt
weiterhin bevorzugter Weise mindestens 0,5. Das Verhältnis der
Breite der Entlastungsnut senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsrichtung
sowie senkrecht zur Flächennormalen
auf die brennraumseitige Oberfläche
zum Durchmesser der Durchtrittsöffnung
beträgt
weiterhin bevorzugterweise höchstens
2. Die gegebenen Werte setzen zunächst eine im Wesentlichen kubisch
ausgebildete Entlastungsnut voraus. Es sei jedoch angemerkt, dass
die Nutgeometrie auch hiervon abweichen kann. Die Breite der Entlastungsnut
ist bei abweichenden Nutgeometrien, insbesondere bei trogförmigen Nuten
oder Kehlnuten, dabei auf die maximale Breite der Nut, also gemessen
direkt an der Oberfläche
der Brennraumseite des Zylinderkopfes, bezogen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Durchtrittsöffnung
zwischen einer ersten und einer zweiten Aufnahmeöffnung für ein Einlassventil angeordnet.
Durch die vergleichsweise kalte Ladeluft ist in diesem Bereich die
thermomechanische Belastung besonders hoch, so dass die Anordnung
einer Entlastungsnut in diesem Bereich besonders vorteilhaft ist.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines
Zylinderkopfes der eingangs beschriebenen Art. Bei einem solchen
Verfahren wird zunächst
der Zylinderkopf gegossen, bevorzugterweise aus einer Aluminiumlegierung
unter Zuhilfenahme eines Druckgussverfahrens. Nach Abschließen dieses
urformenden Schrittes des Verfahrens wird in den Zylinderkopf eine
Entlastungsnut in eine brennraumseitige Oberfläche mittels eines trennenden
Verfahrens eingebracht. Hierbei kann es sich, wie bereits eingangs
geschildert um ein spanendes Verfahren, insbesondere mit geometrisch
bestimmter Schneide handeln. Besonders bevorzugt ist es hierbei,
die Nut durch Fräsen
in die brennraumseitige Oberfläche
des Zylinderkopfes einzubringen. Alternativ hierzu ist es möglich, die
Nut durch ein abtragendes Verfahren, insbesondere durch thermisches Abtragen
in die brennraumseitige Oberfläche
des Zylinderkopfes einzubringen. Im Besonderen sind hierbei das
Funkenerodieren, aber auch Laser- oder Elektronenstrahlabtragen
möglich.
Die Wahl des jeweils am besten geeigneten Verfahrens ist im Wesentlichen
abhängig
von der Materialqualität
des Zylinderkopfes. Insbesondere bei sehr harten Legierungen wird
es sich empfehlen, dem Funkenerodieren, Laser- oder Elektronenstrahlabtragen
den Vorzug vor dem Fräsen
zu geben.
-
Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung
näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes
von der Brennraumseite eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
aus betrachtet, und
-
2A und 2B eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes
in einem Ausschnittsbereich um eine Durchtrittsöffnung für einen Glühstift mit einer zugeordneten
Nut.
-
Der
im Ganzen mit 10 bezeichnete Zylinderkopf ist in 1 vom
zugeordneten Brennraum einer Brennkraftmaschine her dargestellt.
Man betrachtet also die brennraumseitige Oberfläche 12 des Zylinderkopfes.
In den Zylinderkopf 10 sind jeweils zwei Auslassventilöffnungen 14 und
zwei Einlassventilöffnungen 16 eingebracht,
die im Endzusammenbauzustand der zugeordneten Brennkraftmaschine
die jeweiligen Ventile tragen. Zentral im Zylinderkopf 10 ist weiterhin
eine Durchtrittsöffnung 18 zur
Aufnahme eines Injektors für
eine direkte Kraftstoffeinspritzung vorgesehen. Zwischen den Einlassventilöffnungen 16 ist
eine zusätzliche
Durchtrittsöffnung 20 zur
Aufnahme eines Glühstiftes
zum Vorwärmen
des Brennraums vorgesehen. Der Nahbereich 22 der Durchtrittsöffnung 20 für den nicht
gezeigten Glühstift
ist besonders von thermomechanischen Belastungen betroffen. In diesem
Bereich können
Stegrisse auftreten, welche sich direkt am Rand 24 der
Durchtrittsöffnung 20 bilden
und sich bezüglich
der Durchtrittsöffnung 20 im
Wesentlichen radial von dieser hinweg ausdehnen. Dies kann zu einem
Totalausfall des Zylinderkopfes 10 führen. Um dies zu vermeiden,
ist im Nahbereich 22 der Durchtrittsöffnung 20 eine Entlastungsnut 26 in
die brennraumseitige Oberfläche 12 des
Zylinderkopfes 10 eingebracht. Die Entlastungsnut 26 steht
dabei mit der Durchtrittsöffnung 20 in Verbindung
und erstreckt sich bezüglich
der Geometrie des Zylinderkopfes 10 radial von dieser nach
außen
hin weg. Hierdurch wird eine gezielte Materialschwächung im
Nahbereich 22 der Durchtrittsöffnung 20 eingebracht,
welche dem Zylinderkopf 10 erlaubt, bei hohen thermomechanischen
Belastungen im Nahbereich 22 der Durchtrittsöffnung 20 nachzugeben.
Dadurch wird Rissbildung vermieden. Sollten doch Risse entstehen,
insbesondere wenn die Brennkraftmaschine massiven Belastungen ausgesetzt
ist, wie beispielsweise hoher Momentenentnahme in einem relativ
kalten Zustand der Brennkraftmaschine, so dass es zu besonders hohen
thermischen Gradienten über
den Zylinderkopf 10 hinweg kommt, so kann die Entlastungsnut 26 noch
immer dazu beitragen, eine weitere Ausbreitung derartiger Risse einzuschränken. Die
Entlastungsnut 26 ist dabei bevorzugterweise durch ein
trennendes Verfahren nachträglich
in den Zylinderkopf 10 eingebracht. Dies ermöglicht eine
präzisere
Positionierung und Darstellung der Entlastungsnut 26 verglichen
mit bekannten Verfahren, bei welchen derartige Nuten beim Guss des
Zylinderkopfes 10 aus einer Aluminiumlegierung mit dargestellt
werden. Insbesondere werden zum trennenden Einbringen der Entlastungsnut 26 Werkzeuge
mit geometrisch bestimmten Schneiden zum spanenden Einbringen der
Nut verwendet. Bevorzugt ist hierbei das Fräsen.
-
Bei
besonders harten Zylinderköpfen
aus entsprechenden Aluminiumlegierungen kann es auch vorteilhaft
sein anstelle eines spanenden Verfahrens ein thermisch abtragendes
Verfahren zu verwenden. Hier bietet sich besonders das Funkenerodieren
an. Bei bestimmten Materialverhältnissen kann
es auch wünschenswert
sein, den Abtrag der Nut durch Laser- oder Elektronenstrahlabtragen durchzuführen.
-
Besonders
bedeutsam für
die Materialentlastung im Nahbereich 22 der Durchtrittsöffnung 20 ist dabei
die exakte Bestimmung der Geometrie der Entlastungsnut 26. 2A und 2B zeigen
hier die wesentlichen Verhältnisse
zwischen den Maßen
von Entlastungsnut 26 und Durchtrittsöffnung 20. 2A zeigt einen Querschnitt durch den Zylinderkopf 10. Die
Durchtrittsöffnung 20 für den Glühstift erstreckt sich,
wie ersichtlich ist, von der brennraumseitigen Oberfläche 12 des
Zylinderkopfes 10 zu einer außenseitigen Oberfläche 28 des
Zylinderkopfes 10. Die Entlastungsnut 26 steht
in direkter Verbindung zum Innenraum der Durchtrittsbohrung 20.
Um eine optimale Entlastung des Materials des Zylinderkopfes 10 im
Nahbereich 22 um die Durchtrittsöffnung 20 herum zu
erzielen, ist es vorteilhaft, die Tiefe d1 der
Nut 26 so zu wählen,
dass ein Verhältnis
der Tiefe d1 zu einem Durchmesser d2 der Durchtrittsöffnung 20 mindestens
0,5 beträgt.
Die Länge
d3 der Nut der Haupterstreckungsrichtung
sollte weiterhin so gewählt sein,
dass das Verhältnis
von d3 zum Durchmesser d2 der
Durchtrittsöffnung 20 mindestens
0,5 beträgt.
-
2b zeigt nochmals eine Draufsicht auf die
brennraumseitige Oberfläche 12 des
Zylinderkopfes 10. Die hier dargestellte Breite d4 der Entlastungsnut 26 sollte wiederum
so gewählt
sein, dass das Verhältnis
der Breite d4 zum Durchmesser d2 der
Durchtrittsöffnung 20 höchstens
2 beträgt.
Unter diesen Bedingungen wird eine optimale Entlastungswirkung auf
den Nahbereich 22 des Zylinderkopfes 10 ausgeübt, so dass
Rissbildung besonders gut vermieden wird.