EP0056107A1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a cylinder head made of an aluminum alloy for an internal combustion engine, with at least one surface serving as the combustion chamber floor, which in particular has at least two openings for gas exchange valves and at least one bore for an injection nozzle and / or ignition aid, and also with a sealing surface delimiting each combustion chamber floor .
- the web area between the gas exchange valves should have a high ductility (thermal shock resistance), whereas the sealing surface should retain a high residual hardness (pressure creep resistance) at elevated temperatures.
- the object of the invention is to improve the mechanical properties of an aluminum cylinder head, in particular the heat resistance, in such a way that a higher power yield is made possible with the same service life or a longer service life is achieved with the same power.
- the combustion chamber floor or part of the combustion chamber floor and the sealing surface delimiting the combustion chamber consist of at least one insert made of dispersion-hardened sintered aluminum. Since the cylinder head and the insert or inserts consist of the same basic material and consequently have the same coefficient of thermal expansion, the bond between the components can no longer loosen as a result of different thermal expansion.
- the weight of an aluminum cylinder head reinforced in this way is no greater than that of a cast in a conventional manner.
- Druckkriechfesttechnik and thermal shock resistance of dispersion-hardened sintered aluminum materials are also at a higher to 50 0 C Temperaturbeaüfschlagung than usual in today's internal combustion engines are even greater than in all known heat-resistant aluminum casting alloys.
- the sintered parts are preferably cast into the cylinder head.
- the sintered aluminum inserts can also be made in the cylinder head is pressed in or mechanically anchored there.
- Another option for connecting the components is welding using an electron beam, laser beam or other welding technology.
- the cylinder head can be made of a less heat-resistant, more castable aluminum alloy that does not need to be heat-aged.
- these less heat-resistant aluminum alloys also offer the advantage of lower material costs.
- these inserts can also be used with cylinder heads made of other materials, such as. B. gray cast iron can be used.
- 1 denotes the cylinder head, 2 the openings for the gas exchange valves and 3 the bore for an injection nozzle.
- a sintered part 4 is used as the combustion chamber floor and sealing surface.
- the sealing surface 5 and the web portion 6 consist of two separate sintered parts.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einer als Brennraumboden dienenden Fläche, die insbesondere wenigstens zwei Durchbrüche für Gaswechselventile und wenigstens eine Bohrung für eine Einspritzdüse und/oder Zündhilfe aufweist, sowie ferner mit einer jeden Brennraumboden begrenzenden Dichtfläche.
- Die Beanspruchung des Zylinderkopfs im Bereich des Brennraumbodens und im Bereich der Dichtfläche zwischen Zylinderkopf und Zylinderrohr stellt an den Werkstoff zwei konträre Forderungen. Die Stegpartie zwischen den Gaswechselventilen soll ein hohe Duktilität (Thermoschockbeständigkeit) aufweisen, wogegen die Dichtfläche eine hohe Resthärte (Druckkriechfestigkeit) bei erhöhten Temperaturen behalten soll.
- In den heutigen Hochleistungsmotoren treten in der Stegpartie Temperaturen von 280° bis 300° C auf. Beabsichtigte Leistungssteigerungen von Brennkraftmaschinen verursachen, wenn alle konstruktiven Maßnahmen zur Optimierung der Kühlung ausgeschöpft sind, eine höhere thermische Belastung der Zylinderköpfe, insbesondere im Bereich des Stegs zwischen Ein- und Auslaßkanal. Die bekannten warmfesten Aluminium-Gußlegierungen können diese Forderung nicht mehr oder nur für eine zu kurze Betriebsdauer erfüllen, wenn die Temperaturbeaufschlagung des Brennraums 300° C übersteigt. Es ist bekannt (DE-OS 14 26 122), zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit Einsätze aus einem warmfesteren Material wie z. B. Stahl oder hochlegiertem Graphitguß in die Brennraumböden einzubringen. Durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der verschiedenen Werkstoffe lockert sich der Verbund zwischen den Teilen aber nach einiger Zeit und es kann zu gravierenden Schäden führen. Zudem wird das Gewicht des Aluminiumzylinderkopfs merklich erhöht.
- Bei den Dichtflächen, insbesondere im Bereich des Auslaßkanals, führen die erhöhten Temperaturen auch bei den als warmfest bekannten Aluminium-Gußlegierungen zu einem erheblichen Abfall der durch die Ausscheidungshärtung erzielten Härte. Dadurch ist die Druckkriechfestigkeit der Dichtflächen zu gering, so daß es zur Undichtigkeit zwischen Zylinderkopf und Zylinderrohr kommt. In die Dichtfläche eingegossene oder mechanisch verankerte Einlagen aus anderen Werkstoffen, wie sie in den
- DE-OS 20 59 219 und 28 38 797 beschrieben werden, weisen dieselben Nachteile auf wie sie oben bereits bei den Stegeinsätzen angesprochen wurden. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die mechanischen Eigenschaften eines Aluminiumzylinderkopfes, insbesondere die Warmfestigkeit, so zu -verbessern, daß bei gleicher Lebensdauer eine höhere Leistungsausbeute ermöglicht wird oder bei gleicher Leistung eine höhere Lebensdauer erreicht wird.
- Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Brennraumboden oder ein Teil des Brennraumbodens und die den Brennraum begrenzende Dichtfläche aus mindestens einem Einsatz aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium besteht. Da der Zylinderkopf und der oder die Einsätze aus dem gleichen Grundstoff bestehen und demzufolge den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, kann sich der Verbund zwischen den Bauteilen nicht mehr infolge unterschiedlicher Wärmedehnung lockern. Das Gewicht eines derart armierten Aluminiumzylinderkopfes ist nicht höher als das eines auf herkömmliche Art gegossenen. Druckkriechfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit von dispersionsgehärteten Aluminium-Sinterwerkstoffen sind auch bei einer um 500 C höheren Temperaturbeaüfschlagung als sie in den heutigen Brennkraftmaschinen üblich sind noch größer als bei allen bekannten warmfesten Aluminium-Gußlegierungen.
- Vorzugsweise werden die Sinterteile in den Zylinderkopf eingegossen. Als Ausführungsvariante können die Einsätze aus Sinteraluminium auch in den Zylinderkopf eingepreßt oder dort mechanisch verankert werden. Als weitere Möglichkeit der Verbindung der Bauteile bietet sich das Einschweißen mittels Elektronenstrahl, Laserstrahl oder sonstiger schweißtechnischer Verfahren an.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Zylinderkopf aus einer weniger warmfesten, besser gießbaren Aluminiumlegierung hergestellt sein, die nicht warm ausgelagert zu werden braucht. Neben den gießtechnischen Vorteilen, die die Verarbeitung vereinfachen, bieten diese weniger warmfesten Aluminiumlegierungen auch den Vorteil geringerer Materialkosten. Prinzipiell können diese Einsätze auch bei Zylinderköpfen aus anderen Werkstoffen, wie z. B. Grauguß, verwendet werden.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen. Diese zeigen die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen anhand eines luftgekühlten Zylinderkopfs.
- Es stellen dar:
- Fig. 1 Zylinderkopf mit einteiligem Brennraum-Dichtflächen-Einsatz,
- Fig. 2 Zylinderkopf mit einteiligem Brennraum-Dichtflächen-Einsatz im Schnitt,
- Fig.- 3 Zylinderkopf mit getrennten Einsätzen für Stegpartie und Dichtfläche,
- Fig. 4 Zylinderkopf mit getrennten Einsätzen für Stegpartie und Dichtfläche im Schnitt.
- In den Fig. 1 bis 4 sind mit 1 jeweils der Zylinderkopf, mit 2 die Durchbrüche für die Gaswechselventile und mit 3 die Bohrung für eine Einspritzdüse bezeichnet. In den Fig. 1 und 2 ist ein Sinterteil 4 als Brennraumboden und Dichtfläche eingesetzt. In den Fig. 3 und 4 bestehen die Dichtfläche 5 und die Stegpartie 6 aus zwei getrennten Sinterteilen.
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (5, 6) aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium mit unterschiedlichen den konträren Werkstoffanforderungen entsprechenden Dispersoiden hergestellt sind.
dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (5, 6, 4) in den Zylinderkopf (1) eingegossen sind.
dadurch gekennzeichnet, daß der öder die Einsätze (4, 5, 6) in den Zylinderkopf (1) eingepreßt sind.
dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (4, 5, 6) im Zylinderkopf (1) mechanisch verankert sind.
dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Einsätze (4, 5, 6) mittels Elektronenstrahl, Laserstrahl oder sonstiger schweißtechnischer Verfahren in den Zylinderkopf (1) eingeschweißt sind.
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (1) aus einer weniger warmfesten, besser gießbaren Aluminiumlegierung hergestellt und nicht warm ausgelagert ist.
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