DE3721029C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
- F02F1/24—Cylinder heads
- F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
- F02F1/28—Cylinder heads having cooling means for air cooling
- F02F1/30—Finned cylinder heads
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine
Brennkraftmaschine, der im zwischen den Ein- und Auslaßventilen
befindlichen Stegbereich seiner den Brennraum
begrenzenden Wand mindestens eine Stegeinlage hat, die
aus einem Eingießteil besteht und so in diese Wand eingebettet
ist, daß sie sich mit einer Hauptabmessung senkrecht
zu deren Oberfläche erstreckt.
Derartige Zylinderköpfe sind beispielsweise bereits durch die
DE-PS 10 01 860 und die DE-AS 12 94 093 bekannt. Die dort
vorhandenen, aus Blechen bestehenden Stegeinlagen bilden
beim Eingießen in den Zylinderkopf in dessen Werkstoff
Dehnfugen, die durch die Einlagen gegen Verkokung
geschützt und so dauerfunktionsfähig erhalten werden
sollen.
Bei Zylinderköpfen, insbesondere bei luftgekühlten
Zylinderköpfen aus Leichtmetall, ist vor allem deren Steg,
der sich zwischen den Ventilöffnungen im Zylinderkopfboden
befindet, hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt, während
die davon weiter entfernt liegenden Zonen des
Zylinderkopfes wesentlich kühler bleiben. Hierdurch und
durch die thermische Wechselbeanspruchung des
Zylinderkopfes zwischen Betrieb und Stillstand entstehen
in den hohen Betriebstemperaturen ausgesetzten Zonen, wie
im vorgenannten Steg, abwechselnd Zug- und
Druckspannungen, die den Werkstoff des Zylinderkopfes über
die Fließgrenze hinaus beanspruchen und zu einer
Rißbildung, im Bereich der Stege sogar zu einem
Stegdurchriß führen können, wodurch der Zylinderkopf
unbrauchbar wird.
Mit der Einarbeitung von durch Stegbleche ausgefüllten
Dehnfugen gemäß dem oben geschilderten vorbekannten Stand
der Technik hat man versucht, dies zu vermeiden. Hierdurch
gelang es zwar, die Zug- und Druckspannungen von der
brennraumseitigen Stegoberfläche so weit in die Tiefe des
Steges und damit in kühlere Zonen des Zylinderkopfes
zurückzuverlegen, wie die Dehnfugen tief sind. Dadurch
wurde die Gefahr der Materialbelastung oberhalb der
Fließgrenze am Dehnfugengrund zwar geringer, jedoch war
die Gefahr der Rißbildung, insbesondere des Ein- und
Weiterreißens im Werkstoff des Zylinderkopfes nicht
restlos beseitigt. Außerdem wurde beim Gießen des
Zylinderkopfes der Materialfluß durch die in den Steg des
Zylinderkopfes hineinragenden Bleche empfindlich gestört
und auch der Kristallisationsablauf durch die
unterschiedliche Wärmeleitung von Stegblech und Werkstoff
des Steges nachteilig verändert. Hierdurch war bei der
Erstarrung und Abkühlung des gegossenen Zylinderkopfes
wiederum die Entstehung von Warmrissen im Dehnfugengrund
gegeben, die sich im Motorbetrieb zu
Temperaturwechselrissen ausweiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Zylinderkopf das Auftreten
von Warmrissen am Grund der die Stegeinlagen aufnehmenden
Dehnfugen beim Abkühlen des Zylinderkopfes nach dessen
Gießen zu vermeiden, und zwar durch entsprechende
Verringerung der auf den Dehnfugengrund wirkenden
Schrumpfspannungen.
Da durch die spätere Wärmebehandlung
die beim Abkühlen nach dem Gießen entstandenen
Werkstoffspannungen abgebaut werden, ist es das Ziel der Erfindung,
eine Rißbildung durch
Schrumpfspannungen zumindest bis zu deren Abbau durch die
Wärmebehandlung zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Stegeinlage mindestens einen Durchbruch, ein Fenster oder
einen seitlichen Einschnitt hat.
Hierdurch wird eine völlige
Trennung des beiderseits der Stegeinlage befindlichen Werkstoffmaterials
des Zylinderkopfes vermieden. Vielmehr ist
das Material durch die Durchbrechung, das Fenster oder den
Einschnitt hindurch zusammenhängend. Dadurch wird die Entstehung
von Warmrissen im Dehnfugengrund bei der Erstarrung und
Abkühlung des gegossenen Zylinderkopfes vermieden und die
Ausbildung eines sonst nach der Abkühlung des Zylinderkopfes
sichtbaren Schrumpfspaltes zwischen Stegeinlage und Zylinderkopfmaterial
weitgehend vermindert. Damit kann die Dehnfuge
die ihr zugedachte Funktion, nämlich die Umlenkung der durch
Temperaturwechsel bedingten Zug- und Druckspannungen in
kühlere Werkstoffbereiche des Zylinderkopfes erfüllen, ohne
daß am Dehnfugengrund Anrisse entstehen. Ferner wird durch
die erfindungsgemäß vorgesehene Durchbrechung, durch das
Fenster oder den Einschnitt beim Gießen des Zylinderkopfes
ein besserer Materialfluß erreicht, was die Bildung von
verwirbelten Oxidhäuten verringert. Außerdem entsteht ein
besserer Wärmefluß und dadurch ein besserer Kristallisationsablauf,
wodurch Gefügemängel und Lunker vermieden werden.
Es ist zwar bereits bekannt, an der dem Brennraum zugewandten
Seite der Zylinderkopfwand ein Stahlblech anzuordnen, das
Durchbrüche mit in diese Wand hineingebogenen Rändern besitzt.
Dieses Stahlblech soll eine im wesentlichen ganzflächige
Auskleidung der Zylinderkopfwand bilden und erstreckt sich
daher parallel zu der den Brennraum begrenzenden Wandoberfläche
und nicht senkrecht zu dieser. Dabei dienen die vorerwähnten
Durchbrüche dazu, mit ihren umgebogenen eingebetteten Rändern
eine bessere Verankerung dieser Auskleidung an der Zylinderkopfwand
herbeizuführen, nicht aber dazu, Warmrisse im
Umgußmaterial zu verhüten.
Die bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf vorgesehene Stegeinlage
kann nicht nur einen Durchbruch, ein Fenster oder
einen seitlichen Einschnitt, sondern deren mehrere haben,
wobei diese die verschiedensten Formen besitzen können,
wie z. B. Kreisform, Langlochform, Rechteckform,
quadratische Form od. dgl. Die Fläche oder die Summe der
Flächen des oder der Durchbrüche bzw. Fenster oder Einschnitte
sollte so dimensioniert werden, daß sie mindestens
den gewünschten Teil der auf den Fugengrund wirkenden
Schrumpfspannungen aufnehmen kann, wobei sie jedoch nicht
größer sein sollte als die kleinste Stegquerschnittsfläche,
bezogen (begrenzt) auf die Tiefe der Stegeinlage, um unter
Betriebsspannungen als Sollbruchstelle zu wirken und nicht
die Wirkung der Dehnfuge aufzuheben. Dabei kann es vorteilhaft
sein, daß der Abstand des Mittelpunktes des oder der
Durchbrüche, Fenster oder Einkschnitte von dem eingebetteten
Stegrand mindestens ein Viertel der Gesamttiefe der Stegeinlagen
beträgt.
Bevorzugt sollte die Gesamtfläche des oder der
Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte der Stegeinlage
mindestens den Wert F besitzen, der folgender Gleichung
entspricht:
wobei:
F = Fläche des Durchbruches bzw. Gesamtfläche aller Durchbrüche in mm²
S = beobachtete Spaltbreite bei Köpfen ohne durchbrochenes Stegblech in mm
E = Elastizitätsmodul des Stegmaterials in N/mm²
b = Breite des Stegbleches in mm an der Stelle des Durchbruches (mittlere Breite) in mm
t₁ = Tiefe des Durchbruches, gemessen von der Endstelle des Stegbleches
t = Tiefe des gesamten Stegbleches am unbearbeiteten Kopf in mm
y = % Angabe des gewünschten Spannungsabbaues auf y%
l₀ = Abstand der Stegbleche zueinander in mm
σ zul = zul-Spannung des Stegmaterials bei niederer Temperatur in N/mm².
F = Fläche des Durchbruches bzw. Gesamtfläche aller Durchbrüche in mm²
S = beobachtete Spaltbreite bei Köpfen ohne durchbrochenes Stegblech in mm
E = Elastizitätsmodul des Stegmaterials in N/mm²
b = Breite des Stegbleches in mm an der Stelle des Durchbruches (mittlere Breite) in mm
t₁ = Tiefe des Durchbruches, gemessen von der Endstelle des Stegbleches
t = Tiefe des gesamten Stegbleches am unbearbeiteten Kopf in mm
y = % Angabe des gewünschten Spannungsabbaues auf y%
l₀ = Abstand der Stegbleche zueinander in mm
σ zul = zul-Spannung des Stegmaterials bei niederer Temperatur in N/mm².
Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Stegeinlage sowie deren Anordnung in
einem Zylinderkopf werden anhand der Zeichnung im
folgenden näher beschrieben. Es zeigten
Fig. 1 bis 3 drei Ausführungsformen in
Einzeldraufsicht,
Fig. 4 die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in
eingegossener Lage mit den in der
vorstehenden Formel enthaltenen Parametern,
Fig. 5 die Anordnung zweier Stegeinlagen gemäß
der Erfindung in einem Zylinderkopf im
Schnitt und
Fig. 6 diese Anordnung in Draufsicht auf den
Boden des Zylinderkopfes.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen einer
Stegeinlage gemäß der Erfindung besitzen gleiche
Abmessungen und sind in ihrem in den Zylinderkopf
einzugießenden, in den Figuren obenliegenden Bereich
gewölbt. In diesem gewölbten Bereich besitzt die Einlage
in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 eine einzige
fensterartige Durchbrechung 1 in Form eines Langloches,
während die Ausführungsform gemäß Fig. 2 statt dessen drei
fensterartige Durchbrechungen 2 in kreisrunder Form hat.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind zwei Reihen von
kleineren, im Querschnitt kreisrunden lochartigen
Durchbrechungen 3 vorgesehen. Alle diese Durchbrechungen
gewährleisten nach dem Eingießen der Stegeinlage in den
Zylinderkopf eine Verbindung des beiderseits der
Stegeinlage befindlichen Werkstoffes des Zylinderkopfes,
wodurch die vorstehend geschilderten Vorteile erreicht
werden.
Fig. 4 veranschaulicht, daß die Stegeinlagen nur mit
ihrem gewölbten, die Durchbrechung 1 enthaltenden Teil in
den Zylinderkopf 4 eingegossen werden. Der andere Teil der
Stegeinlagen bildet eine Haltelasche 10, die beim Gießen
zur Fixierung der Stegeinlage in der Gießform dient. Sie
wird dann vom fertigen Gußteil mit ihrer über die
Gußoberfläche 11 hinausragenden Länge durch mechanische
Bearbeitung abgetrennt. Fig. 4 zeigt ferner die
Spaltbreite s, die sich bei Zylinderköpfen 4 mit einer
darin eingegossenen Stegeinlage 5 ergeben würde, die nicht
die erfindungsgemäß vorgesehenen Durchbrüche, Fenster oder
Einschnitte hat.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Zylinderkopf, der zwei
Stegeinlagen 8 hat, die an den beiden Seiten des zwischen
den Ventilöffnungen 6 im Zylinderkopfboden befindlichen
Steges 7 angeordnet sind.
Claims (8)
1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, der im
zwischen den Ein- und Auslaßventilen befindlichen
Stegbereich seiner den Brennraum begrenzenden Wand
mindestens eine Stegeinlage hat, die aus einem
Eingießteil besteht und so in diese Wand eingebettet
ist, daß sie sich mit einer Hauptabmessung senkrecht
zu deren Oberfläche erstreckt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stegeinlage mindestens einen Durchbruch (1, 2, 3),
ein Fenster oder einen seitlichen Einschnitt hat.
2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche, Fenster oder
Einschnitte (1, 2, 3) der Stegeinlage nicht größer
ist als die Fläche des kleisnten Stegquerschnittes,
bezogen auf die Tiefe (t) der Stegeinlage.
3. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche aller
Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) der
Stegeinlage nicht kleiner ist als 10% der Fläche des
kleinsten Stegquerschnittes, bezogen auf die Tiefe
(t) der Stegeinlage.
4. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche, Fenster oder
Einschnitte der Stegeinlage höchstens halb so groß
ist wie die Fläche des kleinsten Stegquerschnittes,
bezogen auf die Tiefe (t) der Stegeinlage.
5. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittenabstand t₁ des oder der Durchbrüche,
Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) von dem eingebetteten
Stegrand mindestens ein Viertel der Gesamttiefe t der
Stegeinlage beträgt.
6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittenabstand t des oder der Durchbrüche,
Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) mindestens ein
Drittel der Gesamttiefe t der Stegeinlage beträgt.
7. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand des oder der Durchbrüche, Fenster
oder Einschnitte von der Zylinderoberfläche kleiner
ist als die in Richtung dieses Abstandes gemessene
Höhe der Durchbrüche od. dgl.
8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1
bis 7, mit zwei im Abstand einander
gegenüberliegenden Stegblechen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche aller
Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) der
Stegeinlage mindestens den Wert F besitzt, der
folgender Gleichung entspricht:
Priority Applications (6)
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DE19873721029 DE3721029A1 (de) | 1987-06-25 | 1987-06-25 | Zylinderkopf fuer eine brennkraftmaschine |
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EP88105551A EP0296320B1 (de) | 1987-06-25 | 1988-04-07 | Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine |
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Family Applications (2)
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---|---|---|---|
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EP3374621B1 (de) | 2015-11-11 | 2020-10-28 | Ford Otomotiv Sanayi Anonim Sirketi | Mehrteiliger zylinderkopf |
DE102018007546A1 (de) * | 2018-09-25 | 2020-03-26 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen | Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils |
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---|---|---|---|---|
DE1734875U (de) * | 1955-02-12 | 1956-11-29 | Daimler Benz Ag | Zylinderkopf. |
DE1294093B (de) * | 1967-10-25 | 1969-04-30 | Kloeckner Humboldt Deutz Ag | Zylinderkopf fuer Brennkraftmaschinen |
DE2904940C2 (de) * | 1979-02-09 | 1983-04-21 | Klöckner-Humboldt-Deutz AG, 5000 Köln | Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine |
DE3034591C2 (de) * | 1980-09-13 | 1985-10-03 | Klöckner-Humboldt-Deutz AG, 5000 Köln | Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine |
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1987
- 1987-06-25 DE DE19873721029 patent/DE3721029A1/de active Granted
-
1988
- 1988-04-07 ES ES198888105551T patent/ES2027721T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1988-04-07 EP EP88105551A patent/EP0296320B1/de not_active Expired - Lifetime
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- 1988-06-20 US US07/209,051 patent/US4854275A/en not_active Expired - Fee Related
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DE3721029A1 (de) | 1989-01-05 |
EP0296320A3 (en) | 1989-11-29 |
ATE71187T1 (de) | 1992-01-15 |
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