DE3935497C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Luftverdichtende Brennkraftmaschinen weisen häufig außer ihrem Hauptbrennraum auch noch einen im Zylinderkopf angeordneten Nebenbrennraum, wie z. B. eine Vorkammer oder eine Wirbelkammer auf. In diesem Nebenbrennraum findet die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemischs statt und der dabei entstehende Heißgasstrahl gelangt über einen Schußkanal in den Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine. Beim Einsatz einer Vorkammer als Nebenbrennraum ist außerdem noch in demselben ein Prallstift angeordnet und der Nebenbrennraum weist an seinem zum Hauptbrennraum hin weisenden Ende einen mit Düsenöffnungen versehenen Brennerboden auf. Üblicherweise werden derartige Nebenbrennräume aus einem hochwarmfesten Material hergestellt, mit Hilfe dessen die dort auftretenden hohen Temperaturen beherrscht werden können. Als Beispiel für ein solches Material sei hier Nimonic 80 genannt.

Ein Nachteil dieser Materialien besteht darin, daß sie zur Aufkohlung neigen, das heißt daß Karbide entstehen, der Kohlenstoff in das Metall hineindiffundiert und dieses aufreißt, so daß es spröde wird. An besonders beanspruchten Stellen des Nebenbrennraumes kann es dadurch zu Schäden kommen. So zeigt sich z. B. eine Rißbildung an den dünnen Stegen zwischen den Düsenöffnungen im Brennerboden. Zur Vermeidung derartiger Schäden muß ein anderer Werkstoff verwendet werden. Denkbar ist der Einsatz von Keramikmaterialien, jedoch weisen diese den Nachteil auf, daß sie bei Raumtemperatur nicht duktil genug sind, das heißt also nicht gut bearbeitbar sind. Ein anderer Werkstoff ist mit sogenannten Oxid-Dispersions-Superlegierungen (ODS) gegeben, die jedoch ihre Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen einbüßen und außerdem teuer sind.

In der DE-Zeitschrift "Nickel-Berichte", März 1960, Heft 3, wird eine Nickel-Aluminium-Legierung aus NiAl₃-Mischkristallen als besonders warm-korrosionsfest beschrieben, die daher als vorteilhafter Werkstoff für die in der Erfindung beschriebenen Bauteile erscheint. Bei den Mischkristallen handelt es sich jedoch um eine Al-Legierung mit einem Nickelgehalt von z. B. 3-6 Gewichtsprozent. Die Atome nehmen bei der Ausscheidungshärtung statistische Plätze in der Gitterstruktur ein. Die in o. g. "Nickel-Bericht" erwähnte Erhöhung der Warmfestigkeit von Aluminiumgußlegierungen bezieht sich dabei auf die geringe Warmfestigkeit von Aluminiumlegierungen im allgemeinen und kann diese beispielsweise von 200°C auf 300°C steigern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die besonders wärmebe­ anspruchten Teile eines Nebenbrennraumes einer Brennkraft­ maschine aus einem Material herzustellen, welches bei aus­ reichender Duktilität zur Bearbeitung bei Raumtemperatur und niedrigen Herstellungs- und Bearbeitungskosten eine genügend große Hochwarmfestigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge­ löst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Auch bei den in der DD-PS 2 22 930 beschriebenen Werkstoffen handelt es sich um Aluminiumlegierungen aus Mischkristallen mit einem Nickel-Gehalt von ca. 4-10 Gewichtsprozent, für die das oben Gesagte entsprechend gilt.

Die hier beschriebenen Werkstoffe sind also für eine Verwendung bei besonderen Anforderungen an die Warmfestigkeit nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung is es daher, die besonders wärmebeanspruchten Teile eines Nebenbrennraumes einer Brennkraftmaschine aus einem Material herzustellen, welches bei ausreichender Duktilität zur Bearbeitung bei Raumtemperatur und niedrigen Herstellungs- und Bearbeitungskosten eine genügend große Hochwarmfestigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Teile eines im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordneten Nebenbrennraumes, die besonders wärmebeansprucht sind, wie der mit Öffnungen versehene zum Hauptbrennraum reichende Brennerboden des Schußkanals sowie der im Nebenbrennraum angeordnete Prallstift sind aus einem Werkstoff intermetallischer Phase, wie z. B. Ni₃Al oder NiAl hergestellt. Der Brennerboden ist dabei als gesondertes Teil hergestellt und anschließend mit dem Nebenbrennraum verbunden, z. B. verschweißt.

Dieser Werkstoff Ni₃Al-Intermetallische Phase besteht dabei aus ca. 90 Gewichtsprozent Nickel und ca. 10 Gewichtsprozent Aluminium, welche gegossen werden und so abgekühlt werden, daß keine Ausscheidung stattfindet, sondern ein kompakter Werkstoff mit geordneter Gitterstruktur entsteht.

Derartige Werkstoffe intermetallischer Phase weisen eine Warmfestigkeit im Bereich von 1000°C auf, also in einem Bereich, wie er an thermisch hochbelasteten Bauteilen in Brennkraftmaschinen vorkommt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer im Zylinderkopf,

Fig. 2 eine Vorkammer im Schnitt.

In Fig. 1 ist mit 1 eine im Schnitt dargestellte Brenn­ kraftmaschine, bestehend aus einem Zylinderblock 2 und einem Zylinderkopf 3, bezeichnet. Der Zylinderblock 2 ent­ hält einen in einem Zylinder geführten Kolben 4, der über eine an seinem Kolbenbolzen 5 angelenkte Pleuelstange 6 mit einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine 1 verbunden ist sowie einen Kühlwassermantel 7. Zylinderblock 2, Zylinderkopf 3 und Kolben 4 schließen einen Hauptbrennraum ein, in dem die eigentliche Verbren­ nung abläuft. Der Zylinderkopf 3 weist in bekannter Art eine Nockenwelle 8 auf, die über an ihr vorgesehene Steuer­ nocken 9 und Tassenstößel 10 Gaswechselventile 11 entgegen der Kraft ihrer Ventilfedern 12 öffnet und somit einen Gasstrom durch Gasführungskanäle 13 ermöglicht. Nach oben ist der Zylinderkopf 3 dabei durch eine an ihm befestigte Zylinderkopfhaube 14 geschlossen. Außerdem nimmt der Zylin­ derkopf 3 einen in ihn einsetzbaren Nebenbrennraum 15 auf, der - wie hier gezeigt - eine Vorkammer sein kann, in der der Verbrennungsprozeß eingeleitet wird. In diese Vorkam­ mer 15 wird über eine mit ihr verbundene Einspritzdüse 16, die über eine Leitung 17 mit Kraftstoff versorgt wird, Kraftstoff dosiert eingespritzt und dort gezündet. Als Zündhilfe ist eine Glühkerze 18 vorgesehen. Außerdem zeigt diese Figur den in der Vorkammer 15 eingesetzten Prall­ stift 19 sowie den von der Vorkammer 15 sich zum Haupt­ brennraum hin erstreckenden Schußkanal 20.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der Vorkammer 15 aus Fig. 1, bei der aus Gründen der Übersichtlichkeit die Einspritzdüse und die übrigen in Fig. 1 dargestellten Bauteile weggelassen sind. Mit den in Fig. 1 dargestell­ ten Teilen übereinstimmende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. So sind die in die Vorkammer 15 hineinragende Glühkerze 18 und der Prallstift 19 zu sehen. Der nach der Zündung auftretende Heißgasstrahl trifft auf diesen Prallstift 19 und gelangt von dort durch den Schuß­ kanal 20 und die im Brennerboden 21 der Vorkammer 15 ange­ ordneten Düsenöffnungen 22 in den hier nicht gezeigten Hauptbrennraum, in welchem die eigentliche Verbrennung stattfindet. Wie der Figur leicht zu entnehmen ist, unter­ liegen der Prallstift 19 und der Brennerboden 21 hohen Wärmebelastungen durch den Heißgasstrahl. Die sogenannte Aufkohlung, das heißt Karbidbildung mit Diffusion von Koh­ lenstoff in das Metall des Brennerbodens 21 führt zu einer Versprödung des Materials mit daraus folgender Rißbildung im Brennerboden 21 in den zwischen den Düsenöffnungen 22 befindlichen Stegen 23. Aus diesem Grund sind der Prall­ stift 19 und der Brennerboden 21 aus einem Werkstoff inter­ metallischer Phase hergestellt, welches eine hohe Tempera­ turfestigkeit aufweist. Als geeignet hat sich dabei die intermetallische Phase Ni₃Al erwiesen, die keine Aufkoh­ lungserscheinung zeigt, gegenüber Oxidation an Luft wider­ standsfähig ist und ein gutes Heißgaskorrosionsverhalten bei den im Betrieb der Brennkraftmaschine vorkommenden Gasen aufweist. Eine Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion kann durch den Einsatz von NiAl er­ zielt werden, welches darüberhinaus noch leichter ist. Um eine zur Bearbeitung gewünschte ausreichende Duktilität des Werkstoffes bei Raumtemperatur zu erreichen, kann dem Werkstoff noch Bor hinzugeführt werden. Auf diese Weise können die Bauteile einfacher und kostengünstig herge­ stellt werden. So kann z. B. der Prallstift 19 durch Drehen gefertigt werden und der Brennerboden 21 durch Schmieden. Die Eigenschaften des Werkstoffes erlauben außerdem eine gute Schweißbarkeit, so daß der Brennerboden 21 durch Elek­ tronenstrahlschweißen, aber auch durch Löten mit der Vor­ kammer 15 einfach und haltbar verbunden werden kann. Es können selbstverständlich noch weitere zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften und des Korrosionsverhaltens geeignete Elemente, wie z. B. Hafnium, Mangan, Eisen, Tan­ tal, Zirkonium, Titan, Kobalt, Silizium oder Niob, dem Werkstoff beigemengt werden.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrennraum und einem im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordneten Neben­ brennraum, der über einen Schußkanal mit dem Hauptbrenn­ raum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Heißgasstrahl beaufschlagten Teile (19, 21) des Nebenbrennraums (15) aus einem Material intermetalli­ scher Phase bestehen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerboden (21) des Nebenbrennraums (15) aus einem Material intermetallischer Phase besteht.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Nebenbrennraum (15) angeordneter Prallstift (19) aus einem Material intermetallischer Phase besteht.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus intermetallischer Phase Ni₃Al be­ steht.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus intermetallischer Phase NiAl besteht.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerboden (21) mit dem Nebenbrennraum (15) ver­ schweißt ist.