DE2904940C2

DE2904940C2 - Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2904940C2
Application number: DE2904940A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 5000 Köln Giebel; Emil Dipl.-Ing. 5068 Odenthal Lichtner; Gerd 5060 Berg. Gladbach Ungeringer
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Ahc-Oberflaechentechnik Friebe & Reininghaus GmbH
Priority date: 1979-02-09
Filing date: 1979-02-09
Publication date: 1983-04-21
Also published as: US4433653A; DE2904940A1; US4337735A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, welcher in seinem zwischen den Ventilen liegenden Bodenbereich zumindest eine in diesen Boden eingelassene Metalleinlage und eine im Brennraumbodenbereich vorgesehene Bohrung für eine Einspritzdüse oder einen Schußkanal und/oder eine Zündhilfe aufweist.

Ein derart gattungsgemäßer Zylinderkopf ist aus der DE-PS 12 94 093 bekannt. Die Metallstegeinlagen haben hier die Aufgabe, zur Verhinderung von Wärmerissen im Bodenbereich zwischen den Ventilen beizutragen.

Werden jedoch Zylinderköpfe mit zentraler Einspritzdüse oder einem Schußkanal und/oder Zündhilfe ausgerüstet, so können die Stegeinlagen nicht verhindern, daß im Bereich der Düsen-, Schußkanal- und/oder Zündhilfebohrung Wärmerisse auftreten, die auch bis zu den Ventilsitzen oder bis zu den äußeren Dichtflächen am Zylinderboden laufen.

Es ist aus der AT-PS 1 99 944 bekannt, die mit den Verbrennungsgasen in unmittelbarer Berührung stehenden Wandungsteile des Zylinderkopfes mit einer aufgespritzten Schutzschicht zu überziehen, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt. Hierbei soll die eine Komponente aus einem temperaturbeständigen Metalloxid bestehen und somit als Isolationsmaterial wirken und die andere Komponente eine große Zähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, die der Rißgefahr und der Beschädigung z. B. der Ventilsitze entgegenwirkt. Einer aufgespritzten Schutzschicht haftet aber der grundsätzliche Nachteil an, daß vor dem Aufbringen der Spritzschicht eine intensive Haftgrundvorbehandlung notwendig ist, um eine ausreichende Haftfestigkeit der Schicht auf dem Grundwerkstoff sicherzustellen, was aber insbesondere bei Zylinderköpfen von Brennkraftmaschinen Schwierigkeiten bereitet und fertigungstechnisch sehr aufwendig ist. Ein weiterer wesentlicher Nachteil einer aufgespritzten Schutzschicht besteht darin, daß sich abhängig von der Bauteilgeometrie im Rahmen der Fertigungstoleranz unterschiedliche Schichtdicken ergeben, womit unmittelbar und unkontrollierbar ein unterschiedliches Temperatur- und Spannungsverhalten der Schutzschicht verbunden ist

Aus dem DE-GM 19 02 282 ist es weiterhin bekannt, den Zylinderkopfbodenbereich mit Materiallagen zu überziehen, die abbrand- und korrosionsmindernde Eigenschaften aufweisen. Eine derart ausgebildete zusätzliche Schutzschicht erfordert ebenfalls eine vor dem Aufbringen der Schutzschicht intensive Haftgrundvorbehandlung des Grundwerkstoffes und birgt ebenfalls die Gefahr in sich, daß unterschiedliche Schichtdikken der Schutzschicht unkontrollierbar ein unterschiedliches Temperatur- und Spannungsverhalten verursachen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Leichtmetallzylinderkcpf derart weiterzubilden, daß keine Wärmerisse im Brennraumbereich des Zylinderkopfbodens auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einem Leichtmetallzylinderkopf der eingangs genannten Art dadurch gelöst daß zumindest der zwischen den Ventilen liegende Bodenbereich einschließlich des Bohrungsbereiches mit einer durch anodische Oxidation gebildeten rißverhindernden Oxidschicht überzogen ist und daß die Metalleinlage aus einem gegenüber der anodischen Oxidation widerstandsfähigen Material hergestellt ist

Mit der durch anodische Oxidation hergestellten rißverhindernden Oxidschicht wird zum einen ein Abbau von Temperaturspitzen erreicht, so daß eine Vergleichmäßigung der Zylinderkopfbodentemperatur erzielt wird. Zum anderen besitzt die Oxidschicht gegenüber dem Leichtmetall eine unterschiedliche Wärmeausdehnung, wodurch bei Betriebstemperatur große Zugspannungen in der Oxidschicht entstehen, so daß der angrenzende Leichtmetallbereich ebenfalls noch unter Zugspannung steht. Damit wird also verhindert, daß die sonst auftretenden Druckspannungen eintreten, die zu Wärmerissen führen. Des weiteren wird durch die anodische Oxidschicht verhindert, daß sich im Brennraumbereich im Zylinderkopfboden Lunkerstellen bilden, die nach längerer Einsatzzeit beobachtet wurden. Das anodische Oxidationsverfahren, mit dem die rißverhindernde Oxidschicht erfindungsgemäß hergestellt wird, ist an sich bekannt und wird teilweise auch zwischen den Dichtflächen zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderrohr angewendet. Eine durch anodische Oxidation hergestellte Oxidschicht wird aus dem Grundwerkstoff selbst gebildet, in dem der Oberflächenbereich oxidiert, wobei — vereinfacht dargestellt — Teile dieser Oxidschicht in den Grundwerkstoff hineinwachsen und mit ihm eine sehr feste Verbindung eingehen. Es handelt sich also um eine Veränderung des Werkstoffgefüges an der Oberfläche, das eine sehr große Sprödigkeit aufweist und somit grundsätzlich nicht mit einer mechanisch aufgebrachten zusätzlichen Schutzschicht vergleichbar ist. Das anodische Oxidationsverfahren konnte bisher nicht bei einem gattungsgemäßen Zylinderkopf mit Stegeinlagen angewendet werden, weil die bisher verwendeten Stegeinlagen aus Eisen durch die anodische Oxidschicht angegriffen und zerstört werden. Ein an sich bekanntes Abdecken allein der Stegeinlagen vor der anodischen Oxidation bringt nicht die gewünschten Erfolge, da ein Mindestklebeabstand von 2 mm eingehalten werden muß, wobei dieser Abstand zwischen der (den) Bohrung(en) und der benachbarten Stegeinlagen aus konstruktiven Gründen nicht eingehalten werden kann. Damit könnte aber einerseits entweder die Bohrung für die Einspritzdüse, den Schußkanal und/

oder die Zündhilfe nur ungenügend mit der Oxidschicht überzogen oder nicht zentral angeordnet werden. Zum anderen eignet sich die Abdeckung nicht für eine industrielle Großserienfertigung, da aufgrund von Toleranzen beim Gießen diese Abdeckung· immer von Hand angebracht werden müßte, was sehr zeit- und lohnintensiv wäre. Durch die erfindun?>gemäße Lehre ist es jedoch in überraschender Weise durch das günstige Zusammenwirken von Metalleinlagen und der durch anodische Oxidation gebildeten Oxidschicht möglich get orden, gerade diese gefährdeten Zylinderkopfbodenbereiche wirkungsvoll gegen Wärmerisse zu schützen.

Da es erfindungsgemäß nicht notwendig ist, den gesamten Zylinderkopfboden im Brennraumbereich mit der Oxidschicht zu überziehen, können die übrigen Flächen durch eine Maske abgedeckt werden. Dies kann automatisch durchgeführt werden, da nur sichergestellt sein muß, daß nur die Bodenflächen im Bereich des Ventilstegs und — je nach Vorhandensein — der Einspritzdüsen- und/oder Zündhiifebohrung und/oder der Schußkanalbohrung sicher mit der Oxidschicht bedeckt werden müssen und der Übergang zwischen behandelter Fläche und unbehandelter Fläche fließend ist.

Versuche haben ergeben, daß als ein gegenüber der Oxidschicht widerstandsfähiges Material insbesondere Titan in Frage kommt.

Wie weitere Versuche gezeigt haben, ist eine ausreichende Wirkung der Oxidschicht dann gewährleistet, wenn sie mindestens 50 μιτι stark ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

A b b. 1 den Zylinderkopf einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine in Draufsicht auf den Zylinderkopfboden, und

Abb.2 den Zylinderkopf einer ventilgesteuerten Brennkraftmaschine im Schnitt nach der Linie H-U.

Bei dem abgebildeten Zylinderkopf 1 sind die Auslaßventilöffnung mit 2, die Einlaßventilöffnung mit 3 und der etwas gewölbte Zylinderkopfboden mit 4 bezeichnet Der zwischen den beiden Ventüöffnungen 2 und 3 liegende, thermisch hoch beanspruchte und daher besonders stark zur Rißbildung neigende Bodenbereich 5, welcher auch den Randbereich der Bohrung 10 für die

'0 Einspritzdüse und/oder Zündhilfe mit umschließt, ist gegen den außenliegenden Bodenbereich durch Dehnfugen 6 und 7 abgetrennt, die leichtgewölbt zur einer die Mittelpunkte beider Ventüöffnungen 2 und 3 verbindenden Linie von Ventilöffnung zu Ventilöffnung verlaufen.

υ Die Dehnfugen 6 und 7 sind mit Blechen ausgefüllt und können insbesondere die in A b b. 2 sichtbare Querschnittsform aufweisen.

Diese Ausführungsform verhindert die Wärmerisse in den Bodenbereich zwischen den Ventilen, nicht jedoch in jedem Fall die im Bereich der Düsen- und/oder Zündhiifebohrung 10 sowie diejenigen, die bei Vorhandensein eines Schußkanals von diesem ausgingen und sich bis in den äußeren Dichtungsbereich des Zylinderkopfbodens mit dem Zylinderrohr fortpflanzten.

Aus diesem Grunde wird der Zylinderkopf nach der Herstellung mitsamt den Stegeinlagen in ein saures Bad getaucht, dort wird der Zylinderkopf als Anode geschaltet und bei Anlegen von Gleich- oder Wechselstrom hoher Stromdichte bildet sich eine verstärkte Aluminiumoxidschicht, die fest eindiffundiert. Je nach Größe der zu beschichtenden Fläche und Schichtdicke der Oxidschicht verbleibt der Zylinderkopf 1 in dem Bad. Die Schichtstärke ist ausreichend, wenn sie auf mindestens 50 μιη angewachsen ist. Je nach Größe des Zylinderkopfbodens kann es hierbei sinnvoll sein, den Bodenbereich, welcher nicht zu den rißgefährdeten Bereichen zählt, durch eine Maske abzudecken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, welcher in seinem zwischen den Ventilen liegenden Bodenbereich zumindest eine in diesen Boden eingelassene Metalleinlage und eine im Brennraumbodenbereich vorgesehene Bohrung für eine Einspritzdüse oder einen Schußkanal und/oder eine Zündhilfe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zwischen den Ventilen (2,3) liegende Bodenbereich einschließlich des Bohrungsbereiches mit einer durch anodische Oxidation gebildeten rißverhindernden Oxidschicht überzogen ist und daß die Metalleinlage aus einem gegenüber der anodischen Oxidation widerstandsfähigen Material hergestellt ist.

2. Leichtmetallzylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalleinlage aus Titan besteht

3. Leichtmetallzylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht mindestens 50 μΐη stark ist