DE4333509A1 - Anordnung mit einem Zylinderkopf und einer darin gehaltenen Wirbelkammer - Google Patents

Description

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

Eine gattungsgemäße Anordnung ist bekannt aus der DE-40 09 716-A1 (F02B19/08). Diese beschreibt einen metallischen Einsatz, der auf einer Umfangsfläche eine Rändelung aufweist, die sich in das Ma­ terial des Zylinderkopfes eingräbt und so eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen Bauteilen herstellt. Durch diesen Formschluß wird sowohl eine Verdrehsicherung des Einsatzes als auch eine eindeutige axiale Fixierung desselben gewährleistet. Problematisch ist jedoch, daß die von der Rändelung in den Zylin­ derkopf eingebrachten Kerben Ausgangspunkte für Rißbildungen sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Anord­ nungen unter Beibehaltung ihrer positiven Eigenschaften dahinge­ hend zu verbessern, daß auch bei hohen Beanspruchungen des Zy­ linderkopfes eine ausreichende Rißsicherheit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Wei­ terbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß sind also im Bereich der Preßpassung zwischen Zy­ linderkopf und metallischem Einsatz die für den Formschluß vorge­ sehenen Flächen überwiegend nach der Art eines glatten Zylinder­ mantels gebildet, wobei an wenigstens einer der Flächen in dem Zylindermantel eine Vertiefung vorgesehen ist. Diese Maßnahme be­ ruht auf der erfinderseitigen Erkenntnis, daß durch gezielt ein­ gebrachte plastische Verformung zwischen Wirbelkammer und Zy­ linderkopf eine Verklammerung ohne Rißbeschädigung bewirkt werden kann. Dieser Effekt kann einmal dadurch erreicht werden, daß der aufgrund seiner Nähe zum Brennraum thermisch höher beanspruchte Wirbelkammereinsatz eine stärkere Ausdehnung erfährt als der Zy­ linderkopf und diesen demzufolge mit starker Preßkraft beauf­ schlagt. Unter der Wirkung dieser Preßkraft beginnt der Werkstoff des Zylinderkopfes zu fließen, und zwar in die erfindungsgemäß vorgesehenen Vertiefungen hinein. Durch diese plastische Verfor­ mung wird somit ein Formschluß erzielt, der auch nach der Abküh­ lung der Brennkraftmaschine Bestand hat.

Besonders vorteilhaft ist eine sorgfältige Abstimmung bei der Werkstoffauswahl. Unter Berücksichtigung der für das Wirbel­ kammer- und Zylinderkopfmaterial spezifischen Wärmeausdehnungsko­ effizienten kann die Formschlußwirkung gezielt eingestellt wer­ den.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird wenig­ stens eine der zum Formschluß vorgesehenen Flächen mit wenigstens einem im wesentlichen axial verlaufenden und konusartig ausgebil­ deten Fließkanal versehen, dessen engeres Kanalende in eine Ver­ tiefung der den Fließkanal aufnehmenden Fläche mündet. Besonders für den bevorzugten Fall einer Anbringung von mehreren Fließkanä­ len auf einem umlaufenden Flansch des Einsatzes wird auf diese Weise erreicht, daß schon beim Einpressen des Einsatzes Material des Zylinderkopfes in den Fließkanal hineingezwungen wird und diesen im weiteren Verlauf des Einpreßvorganges am engeren Ende des Kanalendes wieder verläßt. Die hinter diesem Kanalende ange­ brachte Vertiefung, beispielsweise in Form einer Ringnut, ist da­ bei in ihrer Breite so bemessen, daß das durch den Fließkanal hindurchgezwungene Material durch Stauwirkung eine Hinterschnei­ dung mit dem Einsatz bildet und so einen Formschluß herstellt. Auch diese Art der Verbindung sorgt - wie die thermisch erzeugte Verklammerung - dafür, daß im Bereich des Formschlusses das Mate­ rial des Zylinderkopfes nicht geschwächt wird, weil durch die plastische Verformung beim Kaltfließen keine Einkerbungen entste­ hen. Durch Fließkanäle wird somit die Wirkung des an sich schon genügenden Formschlusses aus der thermischen Ausdehnung noch po­ sitiv verstärkt.

Erfindungsgemäße Anordnungen können besonders dann kostengünstig hergestellt werden, wenn beispielsweise bei dem metallischen Ein­ satz die Fließkanäle und die zugehörigen Vertiefungen bei einem Urformprozeß wie Gießen oder Sintern von vornherein mit vorgese­ hen werden. Denkbar ist aber auch eine nachträgliche Anbringung durch spanabhebende Bearbeitung. Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie ohne großen konstruktiven Aufwand bislang bekannte Anordnungen ersetzen kann.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gehaltenen Wirbel­ kammereinsatz,

Fig. 2 und 3 Varianten für den Wirbelkammereinsatz gemäß Fig. 1.

Gleiche Bauteilabschnitte weisen die gleiche Bezifferung auf.

Man erkennt in Fig. 1 in Schnittdarstellung einen beispielsweise aus einer Aluminiumgußlegierung bestehenden Zylinderkopf 1 einer hier nicht weiter gezeigten Brennkraftmaschine, in dem ein - hier in einer Seitenansicht gezeigter - metallischer Einsatz 2 zur Bildung einer Wirbelkammer 3 gehalten ist. Ein zylindermantelar­ tiger Ringflansch 4 des Einsatzes 2 liegt an einer umlaufenden Schulter 5 des Zylinderkopfes 1 auf und ist hier mit einem konu­ sartigen Fließkanal 6 versehen, dessen engeres Kanalende 7 in ei­ ne als Ringnut 8 ausgebildete Vertiefung mündet. Diese weist zur Vermeidung von Kerbwirkungen abgerundete Kanten auf und unter­ teilt den Ringflansch 4 in eine obere Flanschfläche 4.1 und eine untere Flanschfläche 4.2. Mit 9 ist Fließmaterial bezeichnet, das zum Zylinderkopf 1 gehört und den Fließkanal 6 durchsetzt. Bei einem Einpressen des Einsatzes 2 in den Zylinderkopf 1 gelangt das Fließmaterial 9 um die zweckmäßigerweise abgerundeten Kanten des engeren Kanalendes 7 herum in die Vertiefung 8 und bildet dort Hinterschneidungen 10 und 11, die einen Formschluß zwischen Zylinderkopf 1 und Einsatz 2 herstellen.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier auf dem Umfang des umlaufenden Ringflansches 4 nur ein Fließkanal dargestellt. Eine besonders feste Verbindung zwischen Zylinderkopf 1 und Einsatz 2 läßt sich jedoch dann erzielen, wenn mehrere Fließkanäle gleich­ mäßig oder unregelmäßig auf den Umfang des Ringflansches 4 ver­ teilt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Anordnung von Fließkanälen ist auch denkbar in einem mit 12 bezeichneten mittleren Bereich oder einem mit 13 bezeichneten oberen Bereich des Einsatzes 2.

Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 sind auf dem Ringflansch 4 Schiebekanäle angeordnet, die gerade oder kegelig (siehe 6′) aus­ geführt sein können und sich über die gesamte axiale Länge des Ringflansches 4 erstrecken. Auch an solchen Schiebekanälen sind die Einläufe abgerundet. Von besonderer Bedeutung ist eine umlau­ fende Fase 14, deren Schrägungswinkel γ vorzugsweise einen Be­ trag von 3 bis 5° aufweist. Diese Anschrägung ermöglicht eine ho­ he Prozeßsicherheit bei der automatisierten Montage des Einsatzes 2. Förderlich in diesem Zusammenhang ist auch eine geringfügige Verkleinerung des Durchmessers der unteren Fasenkante gegenüber dem Durchmesser des unteren Ringflanschteils.

Im Hinblick auf die Erzeugung von Vertiefungen im Ringflansch 4 können ergänzend oder alternativ zu den bereits beschriebenen Va­ rianten Kugel- oder Ellipsoidkalotten 15 bzw. 16 vorgesehen wer­ den, in die ebenfalls Fließkanäle 6.1 bis 6.3 einmünden (siehe Fig. 3). Eine mit diesen Geometrien vergleichbare Wirkung kann auch dadurch erzielt werden, daß die Ringnut 8 durch glatte Zy­ lindersegmentabschnitte unterbrochen ist (siehe 6′′ in Fig. 2).

Um den erfindungsgemäß angestrebten Erfolg sicherzustellen, muß bei der Werkstoffauswahl für den Einsatz 2 darauf geachtet wer­ den, daß dieser wesentlich schwerer plastisch verformbar ist als der ihn umgebende Werkstoff des Zylinderkopfes.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Wärmeausdehnungskoeffizierten α der verwendeten Werkstoffe für den Zylinderkopf 1 und den Einsatz 2 so gewählt, daß entsprechend den Betriebstemperaturen T der betreffenden Bauteile folgende Be­ ziehung gilt:

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zeigt stellvertretend für alle Varianten, daß durch die Ausbildung der Hinterschneidungen 10 und 11 ein Formschluß hergestellt werden kann, der auch bei höchster Temperaturbelastung noch ausreichende Sicherheit bietet. Der in der Regel höhere Ausdehnungskoeffizient des Zylinderkopfmaterials sorgt dafür, daß die Hinterschneidungen 10 und 11 durch Tempera­ turdehnung noch größer werden und damit einen verbesserten Halt ermöglichen. Andererseits schrumpfen sie bei einer Temperaturab­ kühlung auch nicht so weit zusammen, daß sie durch die engere Öffnung 7 des Kanals 6 hindurchfallen können. Durch leichte Ab­ rundungen auch der Einlaßkanten des Fließkanals 6 werden Einker­ bungen im Zylinderkopf 1 weitestgehend vermieden. Die gesamte An­ ordnung wird dadurch weniger anfällig für kerbinduzierte Rißbil­ dung.

Erfinderseitige Untersuchungen haben ergeben, daß zufriedenstel­ lende Ergebnisse auch ohne Fließkanäle bei bloßem Vorhandensein einer Ringnut oder mehrerer Kugelkalotten erreicht werden können. Durch beliebige Kombination der in den Unteransprüchen angegebe­ nen Maßnahmen kann ein hohes Maß an Funktionssicherheit erzielt werden.

Claims (10)

1. Anordnung mit einem Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftma­ schine und einer durch einen metallischen Einsatz (2) gebilde­ ten Wirbelkammer (3), die mittels einer Preßpassung in dem Zy­ linderkopf (1) in der Weise gehalten ist, daß im Bereich der Preßpassung wenigstens eine der einander zugeordneten Flächen des Einsatzes (2) oder des Zylinderkopfes (1) eine Kontur zur Bildung eines Formschlusses mit der anderen Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen überwiegend nach der Art eines glatten Zylindermantels gebildet sind und an wenig­ stens einer der Flächen in dem Zylindermantel wenigstens eine Vertiefung (Ringnut 8) vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung in einem umlaufenden Flansch (Ringflansch 4) des Einsatzes (2) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an we­ nigstens einer der Flächen wenigstens ein im wesentlichen ko­ nusartiger und in axialer Richtung verlaufender Fließkanal (6) vorgesehen ist, der mit einem engeren Kanalende (7) in eine Vertiefung (Ringnut 8) der einen Fläche mündet.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Flansch (Ringflansch 4) als Vertiefung eine Ringnut (8) aufweist, die

• - die Außenfläche des Flansches (4) in eine obere, der Wir­ belkammer zugewandte Flanschfläche (4.1) und eine untere, dem Boden des Einsatzes (2) zugewandte Flanschfläche (4.2) unterteilt,
• - eine Einmündung für den Fließkanal (6) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ nem vorgegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine für die sich einstellenden Temperaturen im metallischen Einsatz (2) und im Zylinderkopf (1) im Hinblick auf die Wärmeausdeh­ nungskoeffizierten α dieser Bauteile gilt:

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehre­ re, vorzugsweise gleichmäßig, auf dem Umfang des Flansches verteilte Fließkanäle vorgesehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der Zylindermantelfläche zur Vertiefung (Ringnut 8) abgerundet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Zylinderkopfes (1) eine niedrigere Streckgrenze aufweist als derjenige des metallischen Einsatzes (2).

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen nach der Art einer Ellipsoid- oder Kugelkalotte gebildet ist 10. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ringflansch (4) mehrere auf dem Umfang verteilte Vertiefungen vorgesehen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Vertiefungen individuell Fließkanäle zugeordnet sind.