DE3851638T2 - Keramische Fütterung für Kanäle. - Google Patents
Keramische Fütterung für Kanäle.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Fütterungen für Kanäle zur Auskleidung von Innenflächen von Auspuffkanälen bzw. Ausströmöffnungen in Benzinmotoren, Dieselmotoren, o. ä.
- Die Umweltverschmutzung durch Autoabgase wurde zu einem schwerwiegenden gesellschaftlichen Problem, und die darin enthaltenen giftigen Substanzen wurden hauptsächlich durch Katalysatoren entfernt. Hinsichtlich der Ressourcen und der Kosten wurde verlangt, daß man die verwendeten Mengen von Edelmetallen wie Pt oder Rh, die als diese Katalysatoren verwendet werden, verringert. Weiters weisen die in letzter Zeit immer häufiger hergestellten Motoren des Vierventiltyps insoferne ein Problem auf, als die Reinigungsleistung der Katalysatoren aufgrund der verringerten Abgastemperatur verschlechtert wird. Als ein Verfahren zur Lösung dieser Probleme wurde herkömmlicherweise vorgeschlagen, die Temperaturen der Abgase durch die wärmeisolierende Wirkung von keramischen Fütterungen bzw. Einlagen für Kanäle bzw. Auspuffkanäle zu erhöhen, mit denen die Innenflächen von Motorauspuffkanälen ausgekleidet sind. Um keramische Fütterungen für Kanäle an die Motorauspuffkanäle anzupassen, werden die keramischen Fütterungen für Kanäle mit einem Metall wie Aluminium dann gleichzeitig einsatzgegossen, wenn die Motorzylinderköpfe erzeugt werden. Aufgrund des Schrumpfens durch die Verfestigung des geschmolzenen Metalls kommt es jedoch zu einer großen Druckspannung. Das Problem besteht also darin, daß der Keramikabschnitt selbst dann bricht, wenn sich eine Spannung auf ein Keramikmaterial hoher Festigkeit lokal konzentriert.
- Die japanische Patentanmeldung Nr. 46-26.330 schlägt hingegen Keramikmaterialien für hohle röhrenförmige Elemente vor, die mit einem Metall einsatzzugießen sind.
- Die japanische Patentanmeldung Nr. 46-26.330 betrifft eine Erfindung, worin ein Keramikelement aus hochfestem Keramikmaterial auf Tonerdebasis oder Siliziumkarbidbasis in seinem Oberflächenabschnitt porös gemacht wird, um dem Schrumpfen eines Metalls während des Kühlens standzuhalten. Ein solches Verbundmaterial befindet sich jedoch in einem nachgebenden (?) Zustand, in dem feine Risse latent vorhanden sind. Wenn ein solches Verbundmaterial folglich in einem Abschnitt verwendet wird, der starken Schwingungen ausgesetzt ist, z. B. in einem Motor, besteht die Gefahr, daß die Risse sich ausbreiten, wodurch die Haltbarkeit entscheidend verschlechtert wird.
- Zusätzlich zum oben erwähnten Verfahren des Stands der Technik wurden viele Versuche unternommen, die Druckspannungen, die aufgrund eines geschmolzenen Metalls während des Schrumpfens beim Verfestigen auftreten, durch das Beschichten der äußeren Peripherie eines Keramikelements mit einer Schicht aus Asbest, Keramikfasern aus Tonerde o. ä. zu verringern, die als Pufferelement bzw. -glied zwischen dem Metall- und Keramikelement bzw. -glied durch Anwendung einer elastischen Kraft angeordnet wird, welche die Schicht aufweist (z. B. offengelegte japanische Patentanmeldungen Nr. 52-121.114 und 59-175.693). Da jedoch die äußere Peripherie des Keramikelements mit den Keramikfasern beschichtet ist, ist ein Endprodukt aufgrund der höheren Anzahl an Verfahrensschritten teurer. Weiters liegt ein großes Problem dieses Verfahrens darin, daß sich die Kanalfütterung vom Metallelement ablöst, wenn die Elastizität der Keramikfaserschicht wegen der hohen Temperaturen und der Schwingungen während des Motorbetriebs verloren geht.
- Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 60-169.655 schlägt hohle röhrenförmige Keramikelemente vor, in denen zumindest eine hochdruckfeste Verstärkung um die äußere periphere Oberfläche davon vorgesehen ist. Da solche Keramikelemente Tialit (Aluminiumtitanat) und Zirkonerde jeweils als Keramikkörper und Verstärkung verwenden, sind die Unterschiede der Wärmedehnung und im Elastizitätsmodul zwischen ihnen so groß, daß die Keramikelemente dem Wärmeschock und der Wärmespannung nicht standhalten können und beim Einsatzgießen mit Aluminium brechen.
- Weiters wurden viele Versuche vorgeschlagen, ein solches Brechen zu verhindern, indem man die Kanalfütterungen selbst aus einem hochfesten Material herstellt. Da sich jedoch eine äußerst große Spannung auf einen vertieften Abschnitt konzentriert, z. B. einen Zentralabschnitt einer Kanalfütterung des Zweitrommeltyps bzw. -rohrtyps bzw. - zylindertyps, die in einem Motor des Vierventiltyps verwendet wird, worin die Oberfläche nach innen vertieft ist, kann die Rißbildung dort nicht vollständig verhindert werden.
- Die vorliegende Erfindung zielt zumindest teilweise darauf ab, die oben erwähnten Probleme der Verfahren des Stands der Technik zu lösen und keramische Fütterungen für Kanäle vorzusehen, die keine Risse aufgrund der während des Einsatzgießens entstehenden Druckspannung aufweisen, die sich während der Verwendung nicht ablösen und leicht einsatzgegossen werden können.
- In ihren wiederholt durchgeführten Forschungen zur Lösung der oben angeführten Probleme stellten die Erfinder fest, daß das Brechen des Keramikelements bzw. -glieds aufgrund der Druckspannung während des Einsatzgießens öfter eintritt bzw. auffälliger ist, wenn sich die (Auspuff-) Kanalfütterung bzw. -einlage vom Einsatzgußmetall ablöst, und daß die Spannungskonzentration durch das Verhindern des Ablösens verringert wird, wodurch das Auftreten von Rissen in bemerkenswerter Weise eingeschränkt wird.
- Die erfindungsgemäße Fütterung bzw. Einlage bzw. Auskleidung für Kanäle ist in Anspruch 1 definiert.
- Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen, wobei festzuhalten ist, daß Modifizierungen, Variationen und Änderungen derselben durch den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung vorgenommen werden können.
- Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird auf die beigelegten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kanalfütterung zur Verwendung in einem Motor des Vierventiltyps ist;
- Fig. 2 eine Schnittansicht der in einen Motorkopf einsatzgegossenen Kanalfütterung ist;
- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer keramischen Fütterung für Kanäle gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
- Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer keramischen Fütterung für Kanäle gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
- Fig. 5 eine keramische Fütterung für Kanäle gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
- Fig. 6 eine weitere keramische Fütterung für Kanäle gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
- Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, umfaßt die herkömmliche Kanalfütterung 1 für einen Motor des Vierventiltyps zwei Kanäle 2,2 und eine einzige Auslaß- bzw. Auspufföffnung 3, und ein vertiefter Abschnitt 4 ist in einem Zwischenabschnitt zwischen den Kanälen 2,2 ausgebildet.
- Es folgt eine ausführliche Erklärung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete Beispiele:
- In Fig. 3 umfaßt eine Kanalfutterkörper 1 für einen Motor des Vierventiltyps zwei Kanäle 2,2 und eine einzelne Auslaßöffnung 3. Der Kanalfutterkörper 1' besteht in dieser Ausführungsform aus einem Keramikmaterial, das hauptsächlich aus Aluminiumtitanat besteht und einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist. Genauer gesagt enthält das Keramikmaterial nicht weniger als 65% Aluminiumtitanat als eine kristalline Phase, der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Kristalle davon ist nicht weniger als 10 um und der Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit und die Porosität betragen jeweils von 500 bis 20.000 MPa (50 bis 2.000 kgf/mm²), von 50 bis 400 MPa (5 bis 40 kgf/mm²) und von 5 bis 35%. Ein vertiefter Abschnitt 4 ist am äußeren peripheren Abschnitt des Keramikfutterkörpers 1' zwischen zwei Kanälen 2,2 ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist ein spannungsfreisetzender Schlitz 7 in einer Wand des Kanalfutterkörpers 1' gegenüber dem vertieften Abschnitt 4 ausgebildet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Schlitz 7 dieser Ausführungsform von einer oberen Endfläche der Auslaßöffnung 3 zum unteren Abschnitt des vertieften Abschnitts entlang einer gasfließenden Richtung auf einer Mittellinie des Kanalfutterkörpers 1 ausgebildet.
- Fig. 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kanalfütterungen. Wie aus der Ausführungsform von Fig. 4 ersichtlich, kann ein Schlitz 7 von einer unteren Endfläche einer Auslaß- bzw. Auspufföffnung zu einem oberen Abschnitt eines vertieften Abschnitts 4 ausgebildet sein. Alternativ dazu können sich die Schlitze 7, wie aus Fig. 5 ersichtlich, auch nur entlang zentraler Abschnitte oberer und unterer Wände des Kanalfutterkörpers gegenüber einem vertieften Abschnitt 4 erstrecken. Wie aus der vierten Ausführungsform von Fig. 6 ersichtlich, können die Schlitze 7 in rechten und linken Seitenwänden des Kanalfutterkörpers 1' ausgebildet sein.
- Die Schlitzbreite kann in einem Bereich von etwa 0,5 bis 3 mm liegen. Es ist vorzuziehen, daß Keramikfasern o. ä. mit einem niedrigen Elastizitätsmodul in die Schlitze 7 eingebettet sind. Die Keramikfasern sind eingebettet, um zu verhindern, daß geschmolzenes Metall in die Kanalfütterung eintritt. Hinsichtlich des Materials, der Ausgestaltung, der Art des Einbettens, usw. der Keramikfasern bestehen demnach keine Beschränkungen. Wie bei herkömmlichen Kanalfütterungen dieses Typs werden die so beschaffenen Kanalfütterungen mit einem Metall wie Aluminium bei der Herstellung von Zylinderköpfen einsatzgegossen und dienen dazu, die Wärmeisolierung der Innenflächen von Auslaßöffnungen in dem Zustand zu verbessern. Da jedoch ein spannungsfreisetzender Schlitz 7 in der äußeren peripheren Oberflächenwand der erfindungsgemäßen keramischen Kanalfütterung ausgebildet ist, wird der Kanalfutterkörper 1 selbst aufgrund dieses Schlitzes gebogen, um eine Spannungskonzentration zu vermeiden, sogar wenn eine große Druckspannung auf den Kanalfutterkörper 1' aufgrund des Schrumpfens eines geschmolzenen Metalls durch das Verfestigen während des Einsatzgießens wirkt. Dadurch kann verhindert werden, daß die Kanalfütterung aufgrund von Spannungskonzentration Risse bildet. Insbesondere wenn ein Material, das hauptsächlich aus Aluminiumtitanat besteht und einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, als Kanalfütterung verwendet wird, wie dies in den obigen Ausführungsformen der Fall ist, konnte man keine Risse feststellen, selbst wenn die Kanalfütterung mit Aluminium in einer Dicke von 5 cm einsatzgegossen wurde. Außerdem lösen sich die erfindungsgemäßen keramischen Fütterungen für Kanäle im Gegensatz zu herkömmlichen keramischen Fütterungen für Kanäle, um die außen keramische Fasern gewickelt sind, während der Verwendung nicht ab und erleichtern das Einsatzgießen.
- Aus der obigen Erläuterung bzw. Erklärung geht klar hervor, daß die erfindungsgemäßen Kanalfütterungen bzw. Auspuffauskleidungen 6 bzw. -einlagen natürlich eine ausgezeichnete inhärente wärmeisolierende Wirkung aufweisen können, das Brechen aufgrund von Druckspannung während des Einsatzgießens ausschließen, sich während der Verwendung nicht ablösen und das Einsatzgießen erleichtern. Da die vorliegende Erfindung somit keramische Fütterungen bzw. Einlagen bzw. Auskleidungen für (Auspuff-) Kanäle bereitstellt, welche die Probleme der Verfahren des Stands der Technik lösen, ist die Erfindung von großem praktischen Nutzen.
Claims (6)
1. Keramische Fütterung für Kanäle (1) mit einem Kanalfutterkörper (1') aus einem
Keramikmaterial zum Einsatzgießen und einem Auslaßdurchgang (3), der durch eine
obere Wand, eine untere Wand und erste und zweite Seitenwände definiert ist, und
zumindest zwei Kanälen (2), die voneinander beabstandet sind und dazwischen einen
vertieften Abschnitt (4) definieren, gekennzeichnet durch einen Schlitz (7) zum
Aufnehmen von Spannung, die während des Einsatzgießens auf den genannten
Kanalfutterkörper wirkt, wobei sich der genannte Schlitz vollständig durch und
zumindest entlang eines Teils zumindest einer der genannten oberen Wand, der
genannten unteren Wand und der genannten ersten und zweiten Seitenwände des
genannten Kanalfutterkörpers erstreckt.
2. Keramische Fütterung für Kanäle nach Anspruch 1, die weiters keramische Fasern
innerhalb des Schlitzes oder der Schlitze (7) umfaßt.
3. Keramische Fütterung nach Anspruch 1 oder 2, worin sich der genannte Schlitz (7) in
den genannten vertieften Abschnitt (4) erstreckt.
4. Keramische Fütterung für Kanäle nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, worin das
genannte Keramikmaterial ein Keramikmaterial auf Aluminiumtitanatbasis ist.
5. Keramische Fütterung für Kanäle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das
genannte Keramikmaterial einen Elastizitätsmodul im Bereich von 500 bis 2000 MPa
(50 bis 2000 kp/mm²) aufweist.
6. Keramische Fütterung für Kanäle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin sich
der genannte Schlitz (7) von einer Endstirnseite des Auslaßdurchgangs (3) des
Kanalfutterkörpers (1') entlang einer Richtung erstreckt, in der ein Gas durch den
Auslaßdurchgang (3) fließt.
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