DE3700651A1 - Cylinder head for air-cooled internal combustion engines - Google Patents

Cylinder head for air-cooled internal combustion engines

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Abstract

Material problems can occur due to increased stresses between the valve seats and thermal overloading of individual zones of the cylinder head, especially in air-cooled internal combustion engines, the cylinder heads of which are composed of an aluminium material. Variable heating of the cylinder head leads to irregular expansion, which, due to the distortion of the engine parts, leads to sealing problems between cylinder head and cylinder. Heat distortion and mechanical wear can be considerably reduced in that ceramic fibres are purposely incorporated in the aluminium material in view of the thermal and mechanical stresses to be expected. Sealing problems between cylinder head and cylinder can be overcome by the insertion of a fibre-reinforced ring of aluminium material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für luftgekühlte Brennkraftmaschinen aus einem Aluminiumwerkstoff.The invention relates to a cylinder head for air-cooled Internal combustion engines made of an aluminum material.

Wie bereits aus der Literatur bekannt ist, werden Alu­ miniumwerkstoffe mit keramischen Fasern gegen mechanische und thermische Belastungen erfolgreich geschützt. Zu einem besonderen Erfolg im Automobilbau führte dabei die Faserver­ stärkung von Aluminiumkolben. Bewährt haben sich dabei keramische Kurzfasern, beispielsweise auf der Basis von Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid (MTZ Mo­ tortechnische Zeitschrift 47 (186) 3, Seite 88). Die keramischen Kurzfasern haben eine Länge von wenigen Zehntelmillimetern und Durchmesser im Bereich einiger Zehntausendstel bis Tausendstel Millimeter. Die Kurzfasern werden in einem Anteil von bis zu 20% dem Aluminiumwerk­ stoff beigemischt.As is already known from the literature, aluminum materials with ceramic fibers are successfully protected against mechanical and thermal loads. The fiber reinforcement of aluminum pistons led to particular success in automotive engineering. Ceramic short fibers, for example those based on aluminum oxide, silicon carbide and silicon nitride, have proven successful (MTZ Motortechnische Zeitschrift 47 (186) 3, page 88 ). The ceramic short fibers have a length of a few tenths of a millimeter and a diameter in the range of a few tens of thousands to a thousandth of a millimeter. The short fibers are mixed with the aluminum material in a proportion of up to 20%.

Zylinderköpfe, vor alllem bei luftgekühlten Brennkraft­ maschinen, bestehen üblicherweise aus Aluminiumwerk­ stoffen. Die Zylinderköpfe sind, wie die Kolben, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Verschleiß tritt besonders an der Dichtfläche zum Zylinder auf. Die Zylin­ der der Motoren sind in der Regel aus einem anderen Werk­ stoff als die Zylinderköpfe. Bei luftgekühlten Motoren ist beispielsweise der Zylinder meist aus Grauguß oder aus einer Stahllegierung. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Zylinderkopf­ werkstoffs und des Zylinderwerkstoffs entstehen Span­ nungen, die sich besonders nachteilig an der Dichtfläche zwischen Zylinder und Zylinderkopf auswirken können. In­ folge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten kommt es zu Spannungen an der Dichtfläche und am Steg zwischen den Ventilen, die zu Materialverwerfungen und damit zu Un­ dichtigkeiten führen können. Bei herkömmlichen Zylinder­ köpfen versucht man, bei diesen Mängeln dadurch Abhilfe zu schaffen, daß die Dichtflächen beispielsweise hartanodi­ siert werden.Cylinder heads, especially with air-cooled internal combustion machines usually consist of an aluminum plant fabrics. The cylinder heads, like the pistons, are one exposed to high thermal loads. Wear occurs especially on the sealing surface to the cylinder. The cylin  those of the motors are usually from another plant fabric than the cylinder heads. With air-cooled engines for example, the cylinder is usually made of gray cast iron or a steel alloy. Because of the different thermal expansion coefficient of the cylinder head material and the cylinder material produce chip Solutions that are particularly disadvantageous on the sealing surface between cylinder and cylinder head. In follows the different expansion coefficients there is tension on the sealing surface and on the web between the valves that lead to material warping and thus to un can lead to leaks. With conventional cylinders one tries to remedy these deficiencies create that the sealing surfaces, for example, hard anodi be settled.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, die zusätzlich not­ wendigen Maßnahmen zum Schutz gegen Verschleiß und thermischer Überlastung durch einfachere Maßnahmen zu er­ setzen.The object of the invention is that additionally agile measures to protect against wear and tear thermal overload due to simpler measures put.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1.The task is solved with the help of the label the features of claim 1.

Durch die Einbettung von keramischen Fasern in den Alu­ miniumwerkstoff des Zylinderkopfs kann gezielt auf dessen Verschleißverhalten und auf seine Wärmeausdehnung Einfluß genommen werden. Mit Hilfe der keramischen Fasern können erhebliche Festigkeitsstärkungen erreicht werden.By embedding ceramic fibers in the aluminum The material of the cylinder head can be targeted to its Wear behavior and influence on its thermal expansion be taken. With the help of ceramic fibers considerable strengthening can be achieved.

Da der Zylinderkopf unterschiedliche Zonen thermischer und mechanischer Beanspruchung aufweist, und dadurch besonders die Gefahr besteht, daß sich die Form des Zylinderkopfs wesentlich ändert, ist es sinnvoll, vorzugsweise die thermisch hochbelasteten Zonen des Zylinderkopfs mit kera­ mischen Fasern zu armieren, damit eine gleichmäßige Aus­ dehnung aller Zonen des Zylinderkopfs erreicht und eine Verformung möglichst vermieden wird.Because the cylinder head has different zones of thermal and has mechanical stress, and therefore particularly there is a risk that the shape of the cylinder head  changes significantly, it makes sense, preferably the Zera of the cylinder head with high thermal loads with kera mix fibers to reinforce, so that a uniform out expansion of all zones of the cylinder head and one Deformation is avoided as far as possible.

Zur Unterstützung dieser Bemühungen wird ein direkter Zu­ sammenhang zwischen dem Verhältnis der thermischen Be­ lastung der einzelnen Zonen des Zylinderkopfs und dem An­ teil der keramischen Fasern in dem Aluminiumwerkstoff her­ gestellt. Mit Hilfe des Anteils der keramischen Fasern kann der Ausdehnungskoeffizient des Aluminiumwerkstoffs gesteuert werden. Ein höherer Anteil keramischer Fasern bedeutet einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und gleichzeitig einen erhöhten Schutz vor Verschleiß. Aus diesem Grund sollen vorzugsweise die Dichtflächen zum Zy­ linder und die Ventilstege einen erhöhten Anteil von kera­ mischen Fasern aufweisen. Der Faseranteil in diesen Zonen soll die Faseranteile in den thermisch weniger belasteten Zonen wesentlich übersteigen.To support these efforts, a direct move is relationship between the ratio of thermal loading load of the individual zones of the cylinder head and the An part of the ceramic fibers in the aluminum material posed. With the help of the share of ceramic fibers can be the coefficient of expansion of the aluminum material to be controlled. A higher proportion of ceramic fibers means a lower coefficient of thermal expansion and at the same time increased protection against wear. Out for this reason, preferably the sealing surfaces to the Zy linder and the valve webs an increased proportion of kera mix fibers. The fiber content in these zones the fiber components in the thermally less stressed Zones significantly exceed.

Als keramische Fasern werden alle bekannten keramischen Kurzfasern Anwendung finden können, die mit dem Aluminium­ werkstoff eine gute Verbindung eingehen, d. h. die eine gute Benetzbarkeit mit dem Aluminiumwerkstoff aufweisen.All known ceramic fibers are used as ceramic fibers Short fibers can be used with aluminum make a good connection, d. H. the one have good wettability with the aluminum material.

Die nach den vorhergehend beschriebenen Kriterien vorge­ sehene Verteilung der keramischen Fasern innerhalb des Aluminiumwerkstoffs im Zylinderkopf bedeutet zum einen eine gezielte Steuerung der Ausdehnung des Aluminium-Zylinderkopfes so, daß möglichst seine Form nicht geändert wird und dadurch keine Undichtigkeiten in­ folge Verzugs auftreten. Erreicht werden kann diese un­ gleichmäßige Verteilung der keramischen Fasern in dem Zylinderkopf durch eine gezieltes Umgießen keramisierter Einlegeteile während des Eingießens der Schmelze in die Form. Das ermöglicht den Anteil der keramischen Fasern im Bereich des Zylinderkopfsteges zwischen den Ventilen und an der Dichtfläche zum Zylinder auf einen Anteil von bei­ spielsweise 20% zu bringen.The pre according to the criteria described above see distribution of the ceramic fibers within the Aluminum material in the cylinder head means on the one hand a targeted control of the expansion of the Aluminum cylinder head so that its shape if possible is not changed and therefore no leaks in consequent delay occur. This can be achieved  uniform distribution of the ceramic fibers in the Cylinder head ceramized by targeted casting Inserts while pouring the melt into the Shape. This enables the proportion of ceramic fibers in the Area of the cylinder head web between the valves and on the sealing surface to the cylinder to a share of to bring for example 20%.

Einer besonderen mechanischen Belastung ist der Bereich zwischen Zylinderkopf und Zylinder ausgesetzt. Bei unter­ schiedlichen Werkstoffen des Zylinderkopfs und des Zylin­ ders entstehen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungs­ koeffizienten mechanische Spannungen an der Dichtfläche zwischen Zylinderkopf und Zylinder. So hat beispielsweise das Gußeisen eines Zylinders einen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten von 11×10-6 cm/°C, während der Wärmeaus­ dehnungskoeffizient des Aluminiumwerkstoffs des Zylinder­ kopfs 23×10-6cm/°C beträgt. Erfindungsgemäß ist des­ halb vorgesehen, daß zwischen Zylinderkopf und Zylinder ein mit keramischen Fasern verstärkter Ring aus einem Alu­ miniumwerkstoff eingelegt wird. Dieser Ring ist zum einen der mechanischen Wechselbeanspruchung zwischen Zylinder­ kopf und Zylinder ausgesetzt und zum anderen gleichzeitig der thermischen Belastung aus dem Verbrennungsvorgang im Zylinderraum. Deshalb muß der vorgesehene Ring besonders gegen eine unkontrollierte thermische Ausdehnung geschützt sein, was durch die Einlagerung keramischer Fasern in dem Werkstoff des Ringes erreicht werden kann. Durch eine ge­ nau berechnete Zuteilung keramischer Fasern in dem Werk­ stoff des Ringes kann erreicht werden, daß er sowohl bei der thermischen als auch der mechanischen Beanspruchung einen zu krassen Übergang von dem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Gußeisens des Zylinders auf den des Alu­ miniumwerkstoffs des Zylinderkopfes verhindert. The area between the cylinder head and the cylinder is exposed to a special mechanical load. With different materials of the cylinder head and the cylinder, mechanical stresses arise on the sealing surface between the cylinder head and the cylinder due to different thermal expansion coefficients. For example, the cast iron of a cylinder has a coefficient of thermal expansion of 11 × 10 -6 cm / ° C, while the coefficient of thermal expansion of the aluminum material of the cylinder head is 23 × 10 -6 cm / ° C. According to the invention is half provided that between the cylinder head and cylinder a reinforced with ceramic fibers ring made of an aluminum minium material. This ring is exposed on the one hand to the mechanical alternating stress between the cylinder head and the cylinder and on the other hand to the thermal load from the combustion process in the cylinder chamber. Therefore, the ring provided must be particularly protected against uncontrolled thermal expansion, which can be achieved by embedding ceramic fibers in the ring material. By a precisely calculated allocation of ceramic fibers in the material of the ring can be achieved that it prevents a too blatant transition from the thermal expansion coefficient of the cast iron of the cylinder to that of the aluminum material of the cylinder head, both in the thermal and the mechanical stress.

Das wird dann möglich, wenn der Anteil der keramischen Fasern im Ring auf einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein­ gestellt wird, der zwischen dem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Werkstoffs des Zylinders und dem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten des Aluminiumwerkstoffs des Zylinderkopfs liegt. Durch eine mittlere Einstellung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ringes wird erreicht, daß der Übergang von dem einen Werkstoff auf den anderen nicht zu krass wird. Beispielsweise wäre es dadurch mög­ lich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rings bei 17× 10 -6cm/°C einzustellen, was einen mittleren Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ringes bedeutet, zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Zylinders und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Zylinderkopfs. Mit Hilfe dieser Maßnahme würde vorteilhaft eine gleichmäßige Ausdehnung von Zylin­ der und Zylinderkopf erreicht, wodurch Dichtigkeits­ probleme zwischen Zylinderkopf und Zylinder infolge von Verzug weitgehend vermieden würden.This becomes possible when the proportion of ceramic fibers in the ring is set to a coefficient of thermal expansion that lies between the coefficient of thermal expansion of the material of the cylinder and the coefficient of thermal expansion of the aluminum material of the cylinder head. A medium setting of the thermal expansion coefficient of the ring ensures that the transition from one material to the other does not become too blatant. For example, this would make it possible to set the coefficient of thermal expansion of the ring at 17 × 10 -6 cm / ° C, which means an average value of the coefficient of thermal expansion of the ring, between the coefficient of thermal expansion of the material of the cylinder and the coefficient of thermal expansion of the material of the cylinder head. With the help of this measure, a uniform expansion of the cylinder and the cylinder head would advantageously be achieved, as a result of which sealing problems between the cylinder head and the cylinder as a result of warping were largely avoided.

Claims (6)

1. Zylinderkopf für luftgekühlte Brennkraftmaschinen aus einem Aluminiumwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumwerkstoff mit keramischen Fasern armiert ist.1. Cylinder head for air-cooled internal combustion engines made of an aluminum material, characterized in that the aluminum material is reinforced with ceramic fibers. 2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch und mechanisch hochbelasteten Zonen des Zylinderkopfs mit keramischen Fasern armiert sind.2. Cylinder head according to claim 1, characterized in that the thermally and mechanically highly stressed zones of the cylinder head with ceramic Fibers are reinforced. 3. Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der keramischen Fasern im Aluminiumwerkstoff in direktem Verhältnis zur thermischen Belastung der einzelnen Zonen des Zylinder­ kopfs steht.3. Cylinder head according to claim 1 or 2, characterized in that the proportion of ceramic Fibers in the aluminum material in direct relation to the thermal load of the individual zones of the cylinder heads up. 4. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen zum Zylinder mit keramischen Fasern armiert sind. 4. Cylinder head according to one of the preceding types claims, characterized in that the sealing surfaces to the cylinder are reinforced with ceramic fibers.   5. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zylinderkopf und Zy­ linder ein Ring mit einem aus keramischen Fasern ver­ stärkten Aluminiumwerkstoff eingelegt ist.5. Cylinder head according to one of the preceding types claims, characterized in that between the cylinder head and Zy linder a ring with a ceramic fiber ver strong aluminum material is inserted. 6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der keramischen Fa­ sern im Ring auf einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein­ gestellt ist, der zwischen dem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Werkstoffs des Zylinders und dem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten des Aluminiumwerkstoffs des Zy­ linderkopfs liegt.6. cylinder head according to claim 5, characterized in that the proportion of the ceramic Fa sern in the ring on a coefficient of thermal expansion is placed between the thermal expansion coefficients of the material of the cylinder and the heat expansion coefficient of the aluminum material of the Zy linderkopfs lies.
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