DE3307114A1

DE3307114A1 - Zylinderkopf eines kolbenmotors

Info

Publication number: DE3307114A1
Application number: DE19833307114
Authority: DE
Inventors: ULf Dipl.-Min. Dr. 7066 Baltmannsweiler Dworak; Dieter Dipl.-Ing. Dr. 7311 Hochdorf Fingerle; Martti Johan Antero Dipl.-Ing. Rönninge Hakulinen; Ulrich Dipl.-Ing. Dr. 7520 Leonberg Krohn; Hans Dipl.-Chem. Dr. 7307 Aichwald Olapinski; Bengt Nils Johan Dipl.-Ing. Nykvarn Palm
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1984-09-06
Also published as: EP0120222A3; ES286126U; US4524732A; ES286126Y; DE3307114C2; JPS59162345A; EP0120222A2

Description

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Zylinderkopf eines Kolbenmotors

Die vorliegende Erfindung betrifft den Zy]inderkopf eines Kolbenmotors mit einem durch Sintern hergestellten wärmeisolierenden Bauteil aus Aluminiumtitanat, das öffnungen für Ventile, Zündkerzen oder Einspritzdüsen aufweist.

Zur Vermeidung von Wändungsverlusten wurde in der DE-OS 28 21 506 bereits vorgeschlagen, die Innenfläche eines Zylinderkopfes durch eine Verbundisolierplatte abzudecken. Die beschriebene Verbundisolierplatte besteht aus einer eigentliehen Isolierschicht und aus einer mit ihr fest verbundenen metallischen Stützplatte. Die Isolierschicht ist dem Brennraum zugewandt und besteht entweder aus Quarzglas, Siliziumnitrid bzw. Siliziumcarbid und ist entweder auf die metallische Stützplatte aufgeschmolzen oder aufgesintert oder die Isolierschicht besitzt einen mehrlagigen Aufbau mit einer besonders porösen Zwischenschicht, die vorzugsweise aus Kügelchen des Isolierstoffes gebildet wird. Nachteilig bei einem solchen Zylinderkopf ist, daß die übliche Anordnung von mehreren separaten Öffnungen für Ventile, Zündkerzen und Einspritzdüsen schwierig ist und infolgedessen eine einzige Öffnung in der Verbundisolierplatte vorgesehen werden muß. Ein weiterer Nachteil liegt in dem komplizierten Aufbau, insbesondere darin, daß die eigentliche Isolierschicht infolge ihrer geringen Festigkeit eine metallische

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Stützplatte benötigt.

Durch die DE-OS 30 39 718 wurde ein Zylinderkopf bekannt, in dem ein aus Siliziumnitrid bestehender warmfester Körper in ein aus Aluminiumtitanat bestehendes wärmeisolierendes Bauteil eingesetzt und dieses Verbundteil in einen metallischen Stützkörper, der ggf. vom Zylinderkopf gebildet wird, eingeschrumpft ist. Der den Boden des Zylinderkopfes bildende warmfeste Körper ist dem Brennraum zugewandt und schützt das wärmeisolierende Bauteil vor mechanischer Beanspruchung. Das wärmeisolierende Bauteil hat die Form einer Kreisscheibe mit einem randseitig angebrachten Kragen zur Aufnahme des warmfesten Körpers. Nachteilig ist auch hier der mehrlagige Aufbau der aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden einzelnen Bauteile, der sich aus der geringen Festigkeit des Aluminiumtitanates erklärt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das aus wärmeisolierendem Bauteil und warmfestem Körper bestehende Verbundteil im Zylinderkopf zusätzlichen Platz beansprucht und dadurch die komplizierten Ausbildungen der Kühlwasserkanäle beeinträchtigt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß eine Abdichtung des Zylinderkopfes gegen die Zylinderlaufbüchse infolge der geringen Festigkeit des Aluminiumtitanats nicht im Boreich des Aluminiumtitanat-BauteiIs vorgenommen werden kann, so daß die Abdichtung auf dem gut wärmeleitenden warmfesten Körper mit dem Nachteil einer Wärmebrückenbildung erfolgt. Eine Abdichtung außerhalb des Verbund-Bauteils aus

Aluminiumtitanat ist nicht möglich, weil aus Konstruktionsgründen die Ventilbohrungen bis an den Rand des Bauteils zu führen sind. Da Aluminiumtitanat einen niedrigen Ε-Modul hat, ist es notwendig, den Zylinderkopf zum Einschrumpfen des Verbundteils relativ hoch zu erhitzen, was als weiterer Nachteil zu gelten hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bestehenden Nachteile zu überwinden und zur Erzielung einer befriedigenden Isolierwirkung im Zylinderkopf ein warmeisolierendes Bauteil zur Verfügung zu stellen, das in den Zylinderkopf eingesetzt werden kann, ohne daß Wärmebrücken zum Zylinderkopf oder Motorblock entstehen, und das ferner über einen einfachen Aufbau und eine geringe Bauhöhe verfügt, so daß die Ausbildung von Kühlwasserkanälen zumindest in diesem kritischen, dem Brennraum benachbarten Bereich, nicht behindert wird. Weiterhin soll das wärmeisolierende Bauteil eine ausreichende Festigkeit gegenüber mechanischen Kräften, insbesondere Druckkräften aufweisen.

Eine weitere Aufgabe sieht die-Erfindung darin, für einen festen Sitz des Bauteils im Zylinderkopf zu sorgen und gleichzeitig eine einfache Montagemöglichkeit für das wärmeisolierende Bauteil zu entwickeln. Insbesondere will die Erfindung eine Möglichkeit schaffen, die das Einspannen des wärmeisolierenden Bauteils ermöglicht, ohne daß das wärmeisolierende Bauteil zum Schutz vor auftretenden Druckkräften einen warmfesten Körper benötigt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Zylinderkopf eines Kolbenmotors mit einem durch Sintern hergestellten wärmeisolierenden Bauteil aus Aluininiumtitanat, das Öffnungen für Ventile, Zündkerzen oder Einspritzdüsen aufweist, vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß als wärmcisolierendes Bauteil eine in einen flachen und im Zylinderkopf eingespannten oder eingeschrumpften Kreisring aus Zirkonoxid eingeschrumpfte kreisförmige Platte aus Alunii.niumtitanat den größten Teil des Zylinderkopfbodo ns bildet.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, infolge der hohen Festigkeit des Zirkonoxids das wärraeisolierende Bauteil aus kreisförmiger Aluminiumtitanatplatte und Zirkonoxid-Kreisring in den Zylinderkopf einzuspannen, wobei zur Abdichtung zwischen Bauteil und Motorblock eine an sich bekannte Zylinderkopfdichtung aus Stahl Verwendung finden kann. Zur Montage des Zylinderkopfes kann das wärmeisolierende Bauteil durch Passitz oder durch eine temporäre Klebeverbindung im Zylinderkopf fixiert sein. Bevorzugt wird aber eine Befestigung durch Schrumpfsitz, wobei ein Montageverfahren darin besteht, das Bauteil abzukühlen und einzupassen. In bevorzugtem Montageverfahren kann aber auch der gesamte Zylinderkopf erhitzt werden, worauf das Bauteil eingefügt wird und man den Zylinderkopf erkalten läßt.

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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung beisteht darin, daß die Anordnung einer kreisförmigen Platte aus A]uminiumtitanat in einem Kreisring aus Zirkonoxid die Einspannung eines solchen Bauteils im Zylinderkopf ermöglicht, ohne daß infolge der geringen Festigkeit der Aluminiumtitanatplatte die Gefahr der Zerstörung besteht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das erfindungsgemäße wärmeisolierende Bauteil es infolge der geringen und mit Alurniniumtitanat vergleichbaren Wärmeleitfähigkeit des Zirkonoxids erlaubt, die gesamte dem Brennraum geyenüberliegonde Fläche dos Zylinderkopfes aus isolierendem Werkstoff zu bilden. Gegenüber dem aus der DE-OS 30 39 718 bekannten Zylinderkopf vermeidet die"vorliegende Erfindung die Ausbildung von Wärmobrücken, da es durch die hohe Festigkeit des Zirkonoxids möglich ist, die Abdichtung gegenüber dem Brennraum auf dem Kreisring aus Zirkonoxid durchzuführen. Gegenüber der DE-OS 28 21 506 besteht der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß ein mehrschichtiger und komplizierter Aufbau der Isolierschicht entfällt und es außerdem möglich ist, separate öffnungen für Ventilsitze, Zündkerzen und Einspritzdüsen in de in wärinei sol i erenden Bauteil vorzusehen. Die Ventilsitze können aus Stahl hergestellt sein, wegen soincr hohen Verschleißfestigkeit ist jedoch die Ausbildung von Venli 1 r, i tzon .ius Zirkonoxid bevorzugt.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Kreisring aus teilstabilisiertem Zirkonoxid. Unter teilstabilisiertem Zirkonoxid (PSZ) wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mit den Oxiden des Kalziums, Magnesiums und Yttriums teilstabilisiertes Zirkonoxid verstanden, bei dem die kubische Phase 80 Gew.% des Zirkonoxidanteils nicht überschreitet. Die Korngröße des Zirkonoxids liegt i^m fertig gesinterten Kreisring bei durchschnittlich 50 /im.

Die hervorragende Eignung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit einer kreisförmigen von einem Kreisring aus Zirkonoxid eingefaßten Aluminiumtitanatplatte erklärt sich wie folgt: die höchsten Temperaturen entstehen in dem den Bohrungen benachbarten Bereich, insbesondere in dem durch die Bohrungen für das Aus- und Einlaßventil gebildeten Zwickel. Der äußere Bereich der kreisförmigen Platte ist dagegen durch den Kontakt mit der Dichtung bzw. mit dem gekühlten Motorblock grundsätzlich weniger temperaturbeansprucht. Durch den Kunstgriff, die Kreisplatte aus einem gut isolierenden Material geringer linearer thermischer Ausdehnung, nämlich aus Aluminiumtitanat herzustellen, sind die auf den Kreisring thermisch induzierten Spannungen so gering, daß sie in keinem Fa]I zu einer Rissbildung in diesem aus Zirkonoxid bestehenden Bauteil führen, obwohl die thermische Ausdehnung von Zirkonoxid um mehr als das Dreifache höher liegt als die von Aluminiumtitanat.

Infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit des Zirkonoxids tritt aber trotzdem kein Verlust an Isolierwirkung ein.

Die nachfolgenden Figuren dienen der näheren Erläuterung der Erfindung, ohne daß die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes entsprechend Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 die Untersicht unter die in Fig. 1 als wärmeisolierendes Bauteil gezeigte kreis

förmige Platte aus Aluminiumtitanat, die in einen Kreisring aus teilstabilisiertem Zirkonoxid eingeschrumpft ist.

in den in Fig. 1 gezeigten Zylinderkopf 1 ist als wärmeisolierendes Bauteil eine kreisförmige Platte 2 aus Aluminiumtitanat/ die in einen Kreisring 12 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid eingeschrumpft •ist, eingespannt. Das aus kreisförmiger Platte 2 und Kreisring 12 bestehende Bauteil bildet den größten Teil des Zylinderkopfbodens 9, so daß lediglich Kragen 6, in den der Kreisring 12 eingespannt ist, einen nicht isolierenden Bestandteil des Zylinderkopfbodens 9 bildet, der aber außerhalb des Brennraumes 10 liegt. Ein in die kreisförmige Platte 2 eingelassener Ventilsitz 3 besteht aus teilstabilisiertem Zirkonoxid (PSZ).

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Eine Bohrung 4 dient zur Aufnahme einer nicht gezeigten Einspritzdüse. Im Zylinderkopf 1 sind Kühlwasserkanäle 7 ausgebildet, ferner ist ein Auslaßventil 5 gezeigt, sowie mit 8 bezeichnete ZyIinderkopfschrauben. Die Abdichtung von Zylinderkopf 1 gegen den Brennraum 10 erfolgt mit einer Zylinderkopfdichtung 15 zwischen Kreisring 12 und Zylinderwänden 13.

In Figur 2 ist die in Figur 1 gezeigte kreisförmige Platte 2 aus Aluminiumtitanat, die in einen Kreisring 12 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid einqeschrumpft ist, in der Untersicht dargestellt. In der kreisförmigen Platte 2 aus Aluminiumtitanat dienen Bohrungen 11 und 14 zum Einsetzen der Ventilsitze 3 für Ein- und Auslaßventile. Ventilsitze 3 aus teil stabilisiertem Zirkonoxid sind in die Bohrungen 11, 14 eingelassen. Die Bohrung 4 dient wie oben erwähnt zum Einsetzen einer Einspritzdüse.

Pfeile A, A geben den Bereich der kreisförmigen Platte an, der normalerweise durch thermisch induzierte Spannunejen besonders gefährdet ist, bei dem gemäß der vorlieaenden Erfindung die thermisch induzierte Spannung aber außerhalb des kritischen Bereiches liegt.

Eino in den vorstehenden Figuren nicht gezeigte bevorzugte Möcrlichkeit besteht in der Ausbildung· von Ventilsitzen mit einer FÖhe, die größer ist als die Dicke der kreisförmigen Platte, so daß die Ventilsitze in entsprechenden Ausnehmungen des Zylinderkopfes eingeschrumpft werden können.

Claims

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Anmelder: Feldmühle Aktiengesellschaft/

Fritz-Vomfelde-Platz 4, 4000 Düsseldorf 1

Anlage zur Eingabe vom 28.2.1983 Pat/12.9 91/Kb-mey

Patentansprüche

Zylinderkopf eines Kolbenmotors mit einem durch Sintern hergestellten wärmeisolierenden Bauteil aus Aluminiumtitanat, das Öffnungen zur Aufnahme von Ventilsitzen, Zündkerzen oder Einspritzdüsen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeisolierendes Bauteil eine in einen flachen und im Zylinderkopf (1) eingespannten oder eingeschrumpften Kreisring (12) aus Zirkonoxid eingeschrumpfte kreisförmige Platte (2) aus Aluminiumtitanat den größten Teil des Zylinderkopfbodens (9) bildet.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Kreisring (12) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht.
3. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das teilstabilisierte Zirkonoxid eine Porosität kleiner 3 % aufweist.

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4. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daß das teil stabilisierte Zirkonoxid einen 8O Gev7.% nicht überschreitenden Anteil der kubischen Modifikation aufweist, daß ferner der Anteil der tetragonalen Modifikation zwischen 20 und 60 Gew.% liegt und daß der Anteil der monoklinen Modifikation nicht größer als 6 Gew.% ist. Wobei sich die Anteile der einzelnen Modifikationen auf 100 Gew.% erganzen.
5. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebruch-

festigkeith _Ώ des teilstabilisierten Zirkon- ·] 5 oxids mindestens 400 MPa beträgt.