EP0132505A2 - Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff - Google Patents

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EP0132505A2
EP0132505A2 EP84103938A EP84103938A EP0132505A2 EP 0132505 A2 EP0132505 A2 EP 0132505A2 EP 84103938 A EP84103938 A EP 84103938A EP 84103938 A EP84103938 A EP 84103938A EP 0132505 A2 EP0132505 A2 EP 0132505A2
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cylinder head
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zone
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Gerd Frank
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Kloeckner Humboldt Deutz AG
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    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/248—Methods for avoiding thermal stress-induced cracks in the zone between valve seat openings

Definitions

  • the invention relates comprises a cylinder head of an E isenwerkstoff, particularly Graugußzylinderkopf, for a valve-controlled internal combustion engine, provided with a valve seat and a valve seat member valve openings for at least one inlet and an outlet valve.
  • cylinder heads made of light metal are usually used, since, in addition to the weight advantage, they have very good thermal conductivity and the heat generated during operation of the internal combustion engine is relatively easily transferred to a cooling medium, e.g. Cooling air or cooling liquid can be removed.
  • a cooling medium e.g. Cooling air or cooling liquid can be removed.
  • a cylinder head made of an iron material in particular gray cast iron but also spheroidal iron or vermicular graphite cast iron.
  • a disadvantage of a cylinder head made of an iron material must, however, be considered that, owing to a considerably lower thermal conductivity, heat dissipation is in many cases inadequate, so that such a cylinder head does not perform any frictional movements in the sealing area between the cylinder tube and cylinder head, but in particular in the valve land area the high temperatures are very susceptible to cracking.
  • valve web area of the cylinder head lying between the valve openings is hardened, in particular induction, flame or insert g , is hardened.
  • valve seat for intake and exhaust valves is incorporated directly into the valve openings
  • the cylinder head base region forming the valve seats is surface-hardened, the valve seat hardness zone merging into the valve web hardness zone.
  • the valve seat members eg valve seat inserts, provided as in claim 3
  • the valve seat members in the area of V entilsteges sheathing cylinder head bottom area is hardened, wherein the valve seat ring hardening zone merges back into the valve land hardening zone.
  • a firing channel or a starting aid include commonly provided directly on the valve bridge region and thus in uncured cylinder heads, the Ri ß - formation danger strongly favored.
  • the hardening layer has a sufficient thickness on the one hand in order to protect the cylinder head base region adequately but on the other hand does not have a thickness which is too great to prevent excessive tensile stresses, particularly on the coolant side of the cylinder head, let develop. It is therefore proposed in a development of the invention for a cylinder head with a coolant chamber provided between the valve openings that the depth of the hardness zones, but in particular the valve web hardness zone, is 0.1 to 0.2 of the distance between the cylinder head base and the coolant chamber. With such a depth of hardness, optimal hardness results could be achieved, particularly with a view to avoiding hardness cracks.
  • the exhaust valve openings are designated 2, the inlet valve openings 3, the cylinder head base generally 4 and the bore for an injection nozzle 5.
  • the cylinder head base 4 is hardened between the valve openings 2 and 3, the bore for the injection nozzle 5 and the valve seats 6.
  • the individual hardness zones are dashed shown separately from one another, with 7 denoting the valve web hardness zone, 8 denoting the valve seat hardness zone and 9 denoting the bore hardness zone.
  • the bore hardness zone and the valve seat hardness zone merge into the valve web hardness zone 7.
  • Fig. 2 illustrates in a cross-sectional view the cylinder head according to the invention according to Fig. L, wherein the cylinder head between the valve openings 2 and 3 has a coolant chamber 9, for example for water or cooling oil, and the valve seats are incorporated directly into the valve openings.
  • the hardness depth of the hardness zones 7, 8 and 9 is 0.1 to 0.2 of the distance A between the cylinder head base 4 and the coolant chamber 10.
  • valve openings 2 and 3 are provided with valve seat rings 11.
  • valve seat rings 11 only the cylinder head base area encased in the valve seat ring in the region of the valve web is hardened, this valve seat ring hardening zone being designated by 12.

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Abstract

Es wird ein Zylinderkopf (1) aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Graugußzylindertkopf, für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der mit einem Ventilsitz (6) bzw. einem Ventilsitzelement (11) versehene Ventilöffungen (2, 3) für zumindest ein Einlaß- und ein Auslaßventil aufweist. Um insbesondere der Rißanfälligkeit des Ventilsteges (13) vorzubeugen, ist zumindest der zwischen den Ventilöffnungen (2, 3) liegende Ventilstegbodenbereich (13) des Zylinderkopfes (1) gehärtet, insbesondere induktions-, flammen- oder einsatzgehärtet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Graugußzylinderkopf, für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, der mit einem Ventilsitz bzw. einem Ventilsitzelement versehene Ventilöffnungen für zumindest ein Einlaß- und ein Auslaßventil aufweist.
  • Bei schnellaufenden und insbesondere auch luftgekühlten Brennkraftmaschinen finden üblicherweise Zylinderköpfe aus Leichtmetall Verwendung, da diese neben dem Gewichtsvorteil eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und die im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallende Wärme relativ problemlos an ein Kühlmedium, z.B. Kühlluft oder auch Kühlflüssigkeit, abgeführt werden kann. Bei Leichtmetallzylinderköpfen besteht jedoch an der Verbindungsstelle zwischen Zylinderkopf und dem üblichen Zylinderrohr aus Grauguß das Problem, daß in dieser Dichtfläche aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Leichtmetallzylinderkopf und Graugußzylinderrohr verschleißintensive Reibungsbewegungen auftreten, die zu Undichtigkeiten und somit einer beschränkten Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine führen können.
  • Diese letztgenannten Nachteile können durch einen Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Grauguß aber auch Sphäroguß oder Gußeisen mit Vermiculargraphit, weitgehend vermieden werden. Als nachteilig bei einem Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff muß jedoch angesehen werden, daß aufgrund einer erheblich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vielfach in nur unzureichender Weise möglich ist, so daß ein derartiger Zylinderkopf zwar im Dichtbereich zwischen Zylinderrohr und Zylinderkopf keine Reibungsbewegungen ausführt, jedoch insbesondere im Ventilstegbereich aufgrund der hohen Temperaturen sehr rißanfällig ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Risanfälligkeit eines Zylinderkopfes aus einem Eisenwerkstoff der eingangs genannten Art insbesondere im Ventilstegbereich wesentlich zu vermindern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumiadest der zwischen den Ventilöffnungen liegende Ventilstegbodenbereich des Zylinderkopfes gehärtet, insbesondere induktions-, flammen- oder einsatzgehärtet, ist. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, insbesondere die Stauchgrenze des Zylinderkopfwerkstoffes im Ventilstegbodenbereich zu erhöhen, so daß die bei der Erwärmung des Zylinderkopfes durch die Brenngase der Brennkraftmaschine entstehenden Druckspannungen und die bei der Abkühlung des Zylinderkopfwerstoffes nach Außerbetriebsetzen der Brennkraftmaschine entstehenden Zugspannungen wesentlich verringert sind. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, aufgrund der erheblich verringerten thermischen Wechselbeanspruchungen des Ventilstegbodenbereiches Ventilstegrisse zu vermeiden.
  • Für Zylinderköpfe, bei denen der Ventilsitz für Einlaß-und Auslaßventile direkt in die Ventilöffnungen eingearbeitet ist, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der die Ventilsitze bildende Zylinderkopfbodenbereich oberflächengehärtet ist, wobei die Ventilsitzhärtezone in die Ventilsteghärtezone übergeht. Ist dagegen der Zylinderkopf mit Ventilsitzelementen, z.B. Ventilsitzringen, versehen, so wird entsprechend Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der die Ventilsitzelemente im Bereich des Ventilsteges ummantelnde Zylinderkopfbodenbereich gehärtet ist, wobei die Ventilsitzringhärtezone wieder in die Ventilsteghärtezone übergeht. Hierdurch können die insbesondere auch an Auslaßventilen entstehenden erheblichen thermischen Wechselbeanspruchungen weiter verringert werden, so daß die Ventilsitzhärtezone und die Ventilsteghärtezone in vorteilhafter Weise zusammenwirken, so daß dadurch die Rißbildungsgefahr minimiert ist.
  • Weiterhin ist es ebenfalls möglich, in die gehärtete Zylinderkopfbodenzone eine Bohrung für eine Einspritzdüse, einen Schußkanal oder eine Zündhilfe einzubeziehen, die üblicherweise unmittelbar am Ventilstegbereich vorgesehen werden und somit bei ungehärteten Zylinderköpfen die Riß- bildungsgefahr sehr stark begünstigt.
  • Wesentlich bei dem erfindungsgemäß gehärteten Zylinderkopf ist es, daß die Härteschicht einerseits eine ausreichende Dicke aufweist, um somit den Zylinderkopfbodenbereich ausreichend zu schützen, andererseits aber auch nicht eine zu große Dicke aufweist, um keine all zu hohen Zugspannungen, insbesondere auf der Kühlmittelseite des Zylinderkopfes, entstehen zu lassen. Deshalb wird in Weiterbildung der Erfindung für einen Zylinderkopf mit einem zwischen den Ventilöfffnungen vorgesehenen Kühlmittelraum vorgeschlagen, daß die Tiefe der Härtezonen, insbesondere aber der Ventilsteghärtezone, 0,1 bis 0,2 des Abstandes zwischen Zylinderkopfboden und Kühlmittelraum beträgt. Mit einer derartigen Härtetiefe konnten optimale Härteergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von Härterissen erreicht werden.
  • Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand ausgewählter Beispiele näher erläutert. Es stellen dar:
    • Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Zylinderkopfboden;
    • Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der Linien II-II in Fig. 1;
    • Fig. 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfbodens, der mit Ventilsitzringen ausgestattet ist.
  • Bei dem in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Zylinderkopf 1 sind die AuslaBventilöffnungen mit 2, die Einlaßventil- öffungen mit 3, der Zylinderkopfboden allgemein mit 4 und die Bohrung für eine Einspritzdüse mit 5 bezeichnet.
  • Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Zylinderkopfboden 4 zwischen den Ventilöffnungen 2 und 3, der Bohrung für die Einspritzdüse 5 und der Ventilsitze 6 gehärtet. Die einzelnen Härtezonen sind dabei gestrichelt voneinander getrennt dargestellt, wobei im einzelnen mit 7 die Ventilsteghärtezone, mit 8 die Ventilsitzhärtezone, mit 9 die Bohrungshärtezone bezeichnet ist. Wie ersichtlich, gehen die Bohrungshärtezone und die Ventilsitzhärtezone in die Ventilsteghärtezone 7 über.
  • Fig. 2 verdeutlicht in einer Querschnittsdarstellung den erfindungsgemäßen Zylinderkopf nach Fig. l, wobei der Zylinderkopf zwischen den Ventilöffungen 2 und 3 einen Kühlmittelraum 9 aufweist, beispielsweise für Wasser oder Kühlöl, und die Ventilsitze direkt in die Ventilöffnungen eingearbeitet sind. Die Härtetiefe die Härtezonen 7, 8 und 9 betragen dabei 0,1 bis 0,2 des Abstandes A zwischen Zylinderkopfboden 4 und Kühlmittelraum 10.
  • Das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 3 ist im wesentlichen ähnlich gestaltet wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, wobei jedoch hier Ventilöffnungen 2 und 3 mit Ventilsitzringen 11 versehen sind. Hierbei ist ausschließlich der die Ventilsitzringe im Bereich des Ventilsteges ummantelte Zylinderkopfbodenbereich gehärtet, wobei diese Ventilsitzringhärtezone mit 12 bezeichnet ist.

Claims (5)

  1. l. Zylinderkopf (1) aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Graugußzylinderkopf, für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, der mit einem Ventilsitz (6) bzw. einem Ventilsitzelement (11) versehene Ventilöffnungen (2, 3) für zumindest ein Einlaß- und ein AuslaBventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zwischen den Ventilöffnungen (2, 3) liegende Ventilstegbodenbereich (13) des Zylinderkopfes (1) gehärtet, insbesondere induktions-, flammen- oder einsatzgehärtet, ist.
  2. 2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daB der die Ventilsitze (6) bildende Zylinderkopfbodenbereich oberflächengehärtet ist, wobei die Ventilsitzhärtezone (8) in die Ventilsteghärtezone (7) übergeht.
  3. 3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der die Ventilsitzelemente (11) im Bereich des Ventilsteges (13) ummantelnde Zylinderkopfbodenbereich gehärtet ist, wobei die Ventilsitzringhärtezone (12) in die Ventilsteghärtezone (17) übergeht.
  4. 4. Zylinderkopf (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine im Zylinderkopfbodenbereich (4) vorgesehene Bohrung (5) für eine Einspritzdüse und/oder einen Schußkanal und/oder eine Zündhilfe aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsbodenbereich gehärtet ist, wobei die Bohrungshärtezone (9) in die Ventilsteghärtezone (7) übergeht.
  5. 5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche l bis 4 ' mit einem zwischen den Ventilöffnungen (2, 3) vorgesehenen Rühlmittelraum (10),
    dadurch gekennzeichnet, daß die Härtetiefe der Härtezonen (7, 8, 9, 12), insbesondere der Ventilsteghärtezone (7), 0,1 bis 0,2 des Abstandes (A) zwischen Zylinderkopfboden (4) und Kühlmittelraum (10) beträgt.
EP84103938A 1983-07-28 1984-04-09 Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff Expired EP0132505B1 (de)

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