EP0120223A2 - Wärmeisolierter Zylinderkopfboden eines Kolbenmotors - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the cylinder head of a piston engine with a heat-insulating component which consists of a body formed by sintering ceramic materials and which has openings for valves, spark plugs or injection nozzles.
- DE-OS 28 21 506 has already proposed covering the inner surface of a cylinder head with a composite insulating plate.
- the composite insulating plate described consists of an actual insulating layer and a metallic support plate firmly connected to it.
- the insulating layer faces the combustion chamber and either consists of quartz glass, silicon nitride or silicon carbide and is either melted or sintered onto the metallic support plate or the insulating layer has a multilayer structure with a particularly porous intermediate layer, which is preferably formed from beads of the insulating material.
- a disadvantage of such a cylinder head is that the usual arrangement of several separate openings for valves, spark plugs and injection nozzles is difficult and as a result a single opening must be provided in the composite insulation panel.
- Another disadvantage lies in the complicated structure, in particular in the fact that the actual insulating layer requires a metallic support plate due to its low strength.
- a cylinder head was known in which a heat-insulating component made of aluminum titanate is inserted into a heat-resistant body made of silicon nitride, and this composite part is shrunk into a metallic support body that can be formed by the cylinder head.
- the heat-resistant body forming the bottom of the cylinder head faces the combustion chamber and protects the heat-insulating component from mechanical stress.
- the heat-insulating component has the shape of a circular disk with a collar attached on the edge to accommodate the heat-resistant body.
- the multilayer structure of the individual components made of different materials is also disadvantageous here, which results from the low strength of the aluminum titanate.
- Another disadvantage is that the composite part consisting of a heat-insulating component and a heat-resistant body cannot be clamped in, but requires a supporting body to protect the aluminum titanate.
- cylinder heads with heat-insulating components made of materials have become known from the prior art, which either have a low thermal expansion and a low thermal conductivity combined with a low strength (aluminum titanate) or such materials, which have a low thermal conductivity and high strength, but also have a high thermal expansion (zirconium oxide). All of these known proposals have proven to be of little use.
- the object of the present invention is to develop a cylinder head which has a good insulating effect on the combustion chamber side, the requirement for a long service life being raised at the same time as the component causing the insulation, even under increased stress.
- the invention aims to provide a cylinder head with a heat-insulating component, and which has excellent strength against mechanical forces, in particular against thermally induced stresses.
- the invention also has the task of providing a heat-insulating component which has a simple structure which can be assembled in a simple manner in the cylinder head and at the same time has a firm fit in the cylinder head.
- the invention also intends to provide a component which makes the separate manufacture and assembly of valve seats made of a different material superfluous and which enable the valve seats to be formed directly in the heat-insulating component.
- the present invention makes it possible to produce a heat-insulating component with an excellent insulating effect without the heat-insulating component having a multilayer structure the insulating layer or the attachment of a support plate, as described in DE-OS 28 21 506, is required.
- the present invention also makes it possible to dispense with a heat-resistant body, as is known from DE-OS 30 39 718 for protecting the heat-insulating component.
- the invention also succeeds in producing a component which is simple and easy to assemble in terms of its construction and which has a considerably longer service life than the known plates made of zirconium oxide.
- the relatively good strength of the plate made of mullite with embedded zirconium oxide makes it possible to design the cylinder head in such a way that the plate clamped or shrunk in the cylinder head can also perform a sealing function between the engine block and the cylinder head.
- the cylinder head is characterized in that valve seats are incorporated into the circular plate.
- the manufacture of the valve seats from the same material from which the heat-insulating component is also made is a further simplification.
- the height of the valve seats can be such that they protrude beyond the thickness of the circular plate and can also be fastened in the cylinder head .
- a mullite with zirconium oxide embedded therein has significantly higher values, the flexural strength preferably being> 300 MPa, very particularly preferably up to 450 MPa. It is also preferred that the fracture toughness K Ic > 3.4 MPa ⁇ m and the modulus of elasticity ⁇ 200 GPa.
- the porosity of the circular plate is preferably ⁇ 3%, very particularly preferably ⁇ 2%.
- the manufacture of the circular plate is not tied to the use of certain raw materials.
- Mullite so-called enamel mullite
- zirconium oxide can be used, to which zirconium oxide is added, but it can also be e.g. aluminum oxide and zirconium silicate are assumed.
- the grain size of zirconium oxide is of particular importance.
- the average grain size in the sintered circular plate should not be> 2 ⁇ m, but should preferably be between 0.1 and 1.0 ⁇ m. It is preferred that between 10 and 70% - measured by the X-ray diffraction method on the unprocessed fired surface (as fired) - of the incorporated zirconium oxide be present in the tetragonal modification.
- the circular plate can be produced by sintering pressed moldings at temperatures between 1,400 and 1,700 ° C. A further improvement in the material properties can be achieved by hot isostatic repressing at max. 1,650 ° C and max. one hour at max. 1,000 bar possible.
- a cylinder head 1 in which a circular plate 2 is shrunk into a collar 6 formed in the cylinder head.
- the mean grain size of the zirconium oxide embedded in the mullite is 1.1 ⁇ m; 16.% of the zirconium oxide is in the tetragonal modification.
- the circular plate 2 forms the largest part of the Cylinder head bottom 9 and delimits the cylinder head 1 against the combustion chamber 10 formed by cylinder walls 12 and a piston, not shown.
- a valve seat 3 made of steel is formed in the circular plate 2.
- a bore 4 is used to insert an injector, not shown.
- the figure also shows a valve 5 and cooling water channels 7. It can be seen that a seal can be made directly between the circular plate and the engine block containing the cylinder bore.
- FIG. 2 shows the circular plate 2 described in relation to FIG. 1, bores 11, 14 being provided for inlet and outlet valves.
- Valve seats 3 made of steel are embedded in the circular plate 2.
- a bore 4 is used to insert an injection nozzle.
- Arrows A, A ' indicate the area of the circular plate which is normally particularly at risk from thermally induced voltages, but in which, according to the present invention, the thermally induced voltages lie outside the critical area.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft den Zylinderkopf eines Kolbenmotors mit einem wärmeisolierenden Bauteil, das aus einem durch Sintern keramischer Werkstoffe gebildeten Körper besteht und das Öffnungen für Ventile, Zündkerzen oder Einspritzdüsen aufweist.
- Zur Vermeidung von Wandungsverlusten wurde in der DE-OS 28 21 506 bereits vorgeschlagen, die Innenfläche eines Zylinderkopfes durch eine Verbundisolierplatte abzudecken. Die beschriebene Verbundisolierplatte besteht aus einer eigentlichen Isolierschicht und aus einer mit ihr fest verbundenen metallischen Stützplatte. Die Isolierschicht ist dem Brennraum zugewandt und besteht entweder aus Quarzglas, Siliciumnitrid bzw. Siliciumcarbid und ist entweder auf die metallische Stützplatte aufgeschmolzen oder aufgesintert oder die Isolierschicht besitzt einen mehrlagigen Aufbau mit einer besonders porösen Zwischenschicht, die vorzugsweise aus Kügelchen des Isolierstoffes gebildet wird. Nachteilig bei einem solchen Zylinderkopf ist, daß die übliche Anordnung von mehreren separaten öffnungen für Ventile, Zündkerzen und Einspritzdüsen schwierig ist und infolgedessen eine einzige Öffnung in der Verbundisolierplatte vorgesehen werden muß. Ein weiterer Nachteil liegt in dem komplizierten Aufbau, insbesondere darin, daß die eigentliche Isolierschicht infolge ihrer geringen Festigkeit eine metallische Stützplatte benötigt.
- Durch die DE-OS 30 39 718 wurde ein Zylinderkopf bekannt, in dem ein aus Aluminiumtitanat bestehendes, wärmeisolierendes Bauteil in einen aus Siliciumnitrid bestehenden warmfesten Körper eingesetzt ist und dieses Verbundteil in einen metallischen Stützkörper, der vom Zylinderkopf gebildet werden kann, eingeschrumpft ist. Der den Boden des Zylinderkopfes bildende warmfeste Körper ist dem Brennraum zugewandt und schützt das wärmeisolierende Bauteil vor mechanischer Beanspruchung. Das wärmeisolierende Bauteil hat die Form einer Kreisscheibe mit einem randseitig angebrachten Kragen zur Aufnahme des warmfesten Körpers. Nachteilig ist auch hier der mehrlagige Aufbau der aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden einzelnen Bauteile, der sich aus der geringen Festigkeit des Aluminiumtitanats ergibt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das aus wärmeisolierendem Bauteil und warmfestem Körper bestehende Verbundteil nicht eingespannt werden kann, sondern zum Schutz des Aluminiumtitanats unbedingt einen Stützkörper benötigt.
- Aus der Literaturstelle Woods/Oda "PSZ"-Ceramics for Adiabatic Engine Components, veröffentlicht in SAE-Technical Papers Series sind auch bereits Zylinderköpfe mit eingeschrumpften Platten aus teilstabilisiertem Zirkonoxid (PSZ) bekanntgeworden, haben sich aber nicht durchsetzen können, weil die thermisch induzierten Spannungen infolge der hohen thermischen Ausdehnung des Zirkonoxids, insbesondere im Bereich der Ventilbohrungen zu Rissen, vor allem in radialer Richtung geführt haben.
- Zusammenfassend sind damit aus dem Stand der Technik Zylinderköpfe mit wärmeisoliereden Bauteilen aus Werkstoffen bekanntgeworden, die entweder eine geringe thermische Ausdehnung und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, verbunden mit einer geringen Festigkeit aufweisen (Aluminiumtitanat) oder solche Werkstoffe, die zwar eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Festigkeit, aber auch eine hohe thermische Ausdehnung besitzen (Zirkonoxid). Alle diese bekannten Vorschläge haben sich als wenig geeignet erwiesen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Entwicklung eines Zylinderkopfes, der brennraumseitig eine gute Isolierwirkung aufweist, wobei an das die Isolierung bewirkende Bauteil gleichzeitig die Forderung einer hohen Lebensdauer, auch bei erhöhter Beanspruchung, erhoben wird. Insbesondere will die Erfindung einen Zylinderkopf mit einem wärmeisolierenden Bauteil zur Verfügung stellen, und das gegenüber mechanischen Kräften insbesondere gegenüber thermisch induzierten Spannungen eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist.
- Die Erfindung hat auch die Aufgabe, ein wärmeisolierendes Bauteil zur Verfügung zu stellen, das über einen einfachen Aufbau verfügt, das in einfacher Art und Weise im Zylinderkopf zu montieren ist und dabei einen festen Sitz im Zylinderkopf erhält. Die Erfindung will auch ein Bauteil zur Verfügung stellen, das die separate Herstellung und Montage von aus einem anderen Werkstoff hergestellten Ventilsitzen überflüssig macht und die Ausbildung der Ventilsitze direkt in dem wärmeisolierenden Bauteil ermöglichen.
- Es wurde nun gefunden, daß die Lösung des anstehenden Problems dadurch gelingt, daß die dem Brennraum gegenüberliegende Fläche des Zylinderkopfes bei einem Verbrennungsmotor von einer kreisförmigen, im Zylinderkopf eingeschrumpften oder eingespannten Platte abgedeckt ist, bestehend aus: 2 bis 30 Vol.% Zirkon- und/oder Hafniumoxid mit einem Zusatz von O bis 3 Mol.% der Oxide des Magnesiums, Kalziums oder Yttriums, bezogen auf Zirkon- und/oder Hafniumoxid, maximal 0,5 Gew.% sonstiger oxidischer Verunreinigungen, Rest Mullit.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein wärmeisolierendes Bauteil mit einer ausgezeichneten Isolierwirkung herzustellen, ohne daß das wärmeisolierende Bauteil einen mehrschichtigen Aufbau der Isolierschicht oder die Anbringung einer Stützplatte, wie sie in der DE-OS 28 21 506 beschrieben sind, benötigt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch den Verzicht auf einen warmfesten Körper, wie er aus der DE-OS 30 39 718 zum Schutz des wärmeisolierenden Bauteils her bekannt ist. Schließlich gelingt es der Erfindung auch, ein in seiner Bauform einfaches und leicht montierbares Bauteil herzustellen, das eine wesentlich höhere Lebensdauer als die bekannten Platten aus Zirkonoxid aufweist.
- Die hervorragende Eignung der erfindungsgemäß in einem Zylinderkopf zu verwendenden Platte ist insofern überraschend, als Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid nicht über die hohen Festigkeitswerte von teilstabilisiertem Zirkonoxid verfügt. Somit war nicht zu erwarten, daß eine aus Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid hergestellte Platte den hohen, durch thermische Belastung induzierten Spannungen, standhalten würde, die im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors auftreten. Voraussichtlich läßt sich dieses jedoch dadurch erklären, daß infolge der geringen thermischen Ausdehnung, die auf den Außenrand der Platte einwirkenden Zugspannungen kleiner bleiben als die Zugfestigkeit des Werkstoffes. Bei einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf, bei dem die Platte durch Einschrumpfen befestigt ist, ergibt sich aufgrund der dabei entstandenen Vorspannung, die den thermisch induzierten Zugkräften entgegenwirkt, ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor.
- Die relativ gute Festigkeit der aus Mullit mit eingelagertem Zirkonoxid hergestellten Platte ermöglicht es, den Zylinderkopf so auszubilden, daß die in den Zylinderkopf eingespannte oder eingeschrumpfte Platte auch eine Abdichtfunktion zwischen Motorblock und Zylinderkopf übernehmen kann.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Zylinderkopf dadurch gekennzeichnet, daß Ventilsitze in die kreisförmige Platte eingearbeitet sind. Die Herstellung der Ventilsitze aus dem gleichen Werkstoff, aus dem auch das wärmeisolierende Bauteil hergestellt ist, stellt eine weitere Vereinfachung dar. Die Ventilsitze können dabei in ihrer Höhe so ausgebildet sein, daß sie die Dicke der kreisförmigen Platte überragen und zusätzlich im Zylinderkopf befestigt sein können.
- In einer besonders bevorzugten.Ausführungsform ist der Zylinderkopf durch die folgenden Merkmale der kreisförmigen Platte gekennzeichnet:
- a) eine stoffliche Zusammensetzung von:
- 7 bis 25 Vol.% Zirkon- und/oder Hafniumoxid, mit einem Zusatz von 1 bis 2,8 Mol.% eines oder mehrerer Oxide des Magnesiums, Kalziums, und Yttriums, bezogen auf Zirkon- und/oder Hafniumoxid,
- O bis O,5 Gew.% sonstiger oxidischer Verunreinigungen,
- Rest Mullit,
- wobei sich alle Teile auf 100 Vol.% ergänzen,
- b) eine Bruchfestigkeit δB > 250 MPa,
- c) eine Bruchzähigkeit KIC von mindestens 3,0 MPa √ m,
- d) eine Wärmeleitfähigkeith λ < 6 W/(m·K),
- e) ein Elastizitätsmodul < 220 GPa,
- f) eine lineare thermische Ausdehnung a < 5,5 x 10 6 K-1.
- In ganz besonders bevorzugter Weise weist ein Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid noch wesentlich höhere Werte auf, wobei die Biegebruchfestigkeit bevorzugt > 300 MPa, ganz besonders bevorzugt bis 450 MPa beträgt. Es wird auch bevorzugt, daß die Bruchzähigkeit KIc > 3,4 MPa √ m und der Elastizitätsmodul < 200 GPa betragen. Die Porosität der kreisförmigen Platte liegt bevorzugt < 3 %, ganz besonders bevorzugt < 2 %.
- Die Herstellung der kreisförmigen Platte ist nicht an die Verwendung bestimmter Ausgangsrohstoffe gebunden. Es kann z.B. Mullit, sogenannter Schmelzmullit, verwendet werden, dem Zirkonoxid zugesetzt wird, es kann aber auch z.B. von Aluminiumoxid und Zirkonsilikat ausgegangen werden. Eine besondere Bedeutung kommt der Korngröße des Zirkonoxids zu. Die durchschnittliche Korngröße sollte in der fertig gesinterten kreisförmigen Platte nicht > 2 µm sein, bevorzugt aber zwischen 0,1 und 1,0 µm liegen. Es wird bevorzugt, daß zwischen 10 und 70 % - gemessen nach der Röntgenbeugungsmethode an der unbearbeiteten gebrannten Oberfläche (as fired) - des eingelagerten Zirkonoxids in der tetragonalen Modifikation vorliegen.
- Die Herstellung der kreisförmigen Platte kann durch Sintern gepreßter Formkörper bei Temperaturen zwischen 1.400 und 1.700 °C erfolgen. Eine weitere Verbesserung der Materialeigenschaften ist durch eine heißisostatische Nachverpressung bei max. 1.650 °C und max. einer Stunde bei max. 1.000 bar möglich.
- Die nachfolgenden Figuren dienen der näheren Erläuterung der Erfindung, ohne daß die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist.
- Es zeigen:
- Figur 1 einen Längsschnitt entsprechend Linie I-I der Figur 2 durch ein Ausführungsbeispiel des Zylinderkopfes,
- Figur 2 die Unteransicht unter die in Figur 1 als wärmeisolierendes Bauteil gezeigte, flache Kreisscheibe aus Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid.
- In Figur 1 ist ein Zylinderkopf 1 gezeigt, in den eine kreisförmige Platte 2 in einen im Zylinderkopf ausgebildeten Kragen 6 eingeschrumpft ist. Die kreisförmige Platte 2 hat eine stoffliche Zusammensetzung aus 22 Gew.% (= 12,9 Vol.%) Zirkonoxid, dem 1,4 Mol.% MgO zugefügt sind, 77,8 Gew.% (= 87,02 Vol.%) Mullit und 0,2 Gew.% (= 0,08 Vol.%) oxidischer Verunreinigungen, wie Si02 und Na20. Die mittlere Korngröße des in den Mullit eingelagerten Zirkonoxids beträgt 1,1 µm; 16.% des Zirkonoxids liegen in der tetragonalen Modifikation vor. Die kreisförmige Platte 2 bildet den größten Teil des Zylinderkopfbodens 9 und grenzt den Zylinderkopf 1 gegen den von Zylinderwänden 12 und einem nichtgezeigten Kolben gebildeten Brennraum 10 ab. In der kreisförmigen Platte 2 ist ein Ventilsitz 3 aus Stahl ausgebildet. Eine Bohrung 4 dient zum Einsetzen einer nichtgezeigten Einspritzdüse. Die Figur zeigt weiterhin ein Ventil 5 und Kühlwasserkanäle 7. Es it erkennbar, daß eine Abdichtung direkt zwischen kreisförmiger Platte und dem die Zylinderbohrung enthaltenden Motorblock erfolgen kann.
- Figur 2 zeigt die zu Figur 1 beschriebene kreisförmige Platte 2, wobei Bohrungen 11, 14 für Ein-und Auslaßventile vorgesehen sind. In der kreisförmigen Platte 2 sind Ventilsitze 3 aus Stahl eingelassen. Eine Bohrung 4 dient wie oben erwähnt zum Einsetzen einer Einspritzdüse. Pfeile A, A' geben den Bereich der kreisförmigen Platte an, der normalerweise durch thermisch induzierte Spannungen besonders gefährdet ist, bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung die thermisch induzierten Spannungen aber außerhalb des kritischen Bereiches liegen.
Claims (3)
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