EP0773351B1 - Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes mit zwei unterschiedlichen Ventilsitzen - Google Patents

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EP0773351B1
EP0773351B1 EP19960114721 EP96114721A EP0773351B1 EP 0773351 B1 EP0773351 B1 EP 0773351B1 EP 19960114721 EP19960114721 EP 19960114721 EP 96114721 A EP96114721 A EP 96114721A EP 0773351 B1 EP0773351 B1 EP 0773351B1
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EP
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valve seat
cylinder head
seat member
electric current
outer circumferential
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EP19960114721
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Junichi Inami
Shuhei Adachi
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Yamaha Motor Co Ltd
Original Assignee
Yamaha Motor Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/22—Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats

Definitions

  • This invention relates to a method for producing a cylinder head unit of an internal combustion engine, said cylinder head unit comprising a cylinder head body, an air intake system communicating with a combustion chamber at an at least one intake port opening, an exhaust system communicating with the combustion chamber at an at least one exhaust port opening, said intake and exhaust port openings are each operable by respective intake and exhaust valves guided by respective valve guides accommodated in respective valve guide holes, whereby a valve seat made of a material different from that of the cylinder head body is bonded to each of the respective intake and exhaust port openings, and to a valve seat member for a valve seat of an internal combustion engine having a cylinder head unit comprising a cylinder head body, an air intake system communicating with a combustion chamber at an at least one intake port opening, an exhaust system communicating with the combustion chamber at an at least one exhaust port opening, said intake and exhaust port openings are each operable by respective intake and exhaust valves guided by respective valve guides accommodated in respective valve guide holes.
  • the contact surface area varies. It will be easily appreciated that the variation in the contact surface area causes variation in the amount of heat generated by electric resistance during press contact, which in turn causes variation in the sinking amount.
  • said valve seat surface comprises a flat plane transverse to the axis of the respective opening, first and second inside tapered surfaces continuing to the respective opening and an outside tapered surface continuing to the combustion chamber.
  • the inner circumferential surface is formed by a slant surface approximately parallel to the outside tapered surface of the valve seat seating surface, and an axial surface extending axially from the inner circumferential side edge of said slant surface, and that the top surface connects the outer circumferential surface and the slant surface and being approximately parallel to the flat plane of the valve seat seating surface.
  • the bottom surface (51) comes into contact with the apex (45) of the annular projection, and the larger diameter side end portion projects into the recess (12); further, the angle ⁇ between the outside tapered surface (44) of the valve seat seating surface (40) and the outer circumferential surface (50), and the angle ⁇ between the first inside tapered surface (42) of the valve seat seating surface (40) and the bottom surface (51), are set so as to satisfy the relation ⁇ ⁇ ⁇ .
  • a pressure device (24) shown in FIG. 5 to FIG. 7 is used for bonding the valve seat members (20) to the valve seat seating surfaces (40) of the cylinder head body 11.
  • This pressure device (24) has a lower platen (26) fixed to the lower portion of a base frame (25), and an upper platen (27) is disposed upwardly of the lower platen (26) for vertical movement so as to be able to come into contact with the lower platen (26).
  • the upper platen (27) is fixed to the lower end of a rod (28a) which is the end portion of a cylinder device (28) mounted to the upper portion of the base frame vertically.
  • a guide rod (32) is inserted from the recess (12) side into the valve guide hole (11a) of the port on which the valve seat member (20) is bonded.
  • the guide rod (32) is made of a metallic rod (32a) covered with insulating material such as alumina, and has a length such that it protrudes from the end face of the cylinder head body (11) on the combustion chamber side when inserted into the valve guide hole (11a) and held in place by a stopper (32c).
  • the insulating member (32b) is formed, in this embodiment, using a method in which ceramic material such as alumina is flame sprayed and then finished by polishing.
  • the applied current pattern is as follows: the first electric current I1 for a period t1, then a rest period r1, next the second electric current I2 larger than the first current I1 for a period t2, a rest period r2 again, finally the third current I3 larger than the second current I2 for a period t3, and while the second pushing force P2 is applied at the final stage of bonding, the electric current value is reduced to 0. That is, the current value is increased stepwise. Pressure conversion from the first pushing force P1 to the second pushing force P2 is performed during the time the second electric current I2 is applied and when a time t4 has elapsed after the electric current value was changed to the second current I2.
  • the crystalline structure near the interface turns to eutectic alloy between Cu in the film (22) and Al alloy in the cylinder head body (11), that is, into the state capable of changing from solid phase to liquid phase at lower temperature than pure Cu or Al alloy of the cylinder head body (11) does.
  • the state near the interface at this time is shown schematically in FIG. 9.
  • the portion where said eutectic alloy layer is produced as a result of the mutual atom diffusion, is designated by symbol A.

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Claims (27)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfeinheit eines Verbrennungsmotors, wobei die Zylinderkopfeinheit aufweist einen Zylinderkopfkörper (11) , ein Lufteinlaßsystem, das mit einer Verbrennungskammer (12) an zumindest einer Einlaßkanalöffnung (13a) kommuniziert, ein Auslaßsystem, das mit der Verbrennungskammer (12) an zumindest einer Auslaßkanalöffnung (14a) kommuniziert, wobei jede der Einlaß- und Auslaßkanalöffnungen (13a, 14a) durch jeweilige Einlaß- und Auslaßventile (17, 18), geführt durch die jeweilige Ventilführungen (15, 16), die in den Ventilführungsbohrungen (11a) aufgenommen sind, betätigbar sind, wobei ein Ventilsitz (19), hergestellt aus einem Material unterschiedlich von demjenigen des Zylinderkopfkörpers (11), und haftverbunden ist mit jeder der jeweiligen Einlaß- und Auslaßkanalöffnungen (13a, 14a); dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Ventilsitz (19) durch metallurgisches Haftverbinden eines jeweiligen Ventilsitzteiles (20) auf eine Ventilsitz-Sitzoberfläche (40), der jeweiligen Einlaß- und Auslaßkanalöffnungen (13a, 14a) gebildet ist, wobei ein ringförmiger Vorsprung (46), bestehend aus zwei Flächen (41, 42) und vorspringend von der inneren Umfangsseite der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) der jeweiligen Öffnung (13a, 14a) gebildet ist, und daß das Ventilsitzteil (20) eine äußere Umfangsfläche (50), die zu ihrer Mitte hin geneigt ist und eine Bodenfläche (51), die sich von der äußeren Umfangsfläche (50) fortsetzt und mit einem geringeren Neigungswinkel als diejenige der äußeren Umfangsfläche (50) fortsetzt zur Mitte der Öffnungen (13a, 14a) hin geneigt ist, wobei die Bodenfläche in Linienberührung mit dem Vorsprung (46) ist, wenn das Ventilsitzteil (20) auf die jeweilige Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) gesetzt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitzoberfläche (40) aufweist eine ebene Fläche (41), die quer zu der Achse der jeweiligen Öffnung (13a, 14a) verläuft, und eine erste und eine zweite innere konische Oberfläche (42, 43), die sich zu der jeweiligen Öffnung (13a, 14a) fortsetzen, und eine äußere, konische Oberfläche (44), die sich zu der Verbrennungskammer (12) fortsetzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Fläche (41) und die erste innere konische Oberfläche (42) den ringförmigen Vorsprung (46) bilden, der einen Scheitelpunkt (45) mit einem stumpfen Winkel hat.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ringförmigen Ventilsitzteiles (20) durch die äußere Umfangsfläche (50), die Bodenfläche (51), eine innere Umfangsfläche (52) und eine obere Fläche (53), begrenzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Umfangsfläche (52) durch eine geneigte Fläche (52a), die ungefähr parallel zu der äußeren konischen Fläche (44) der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) verläuft, und eine axiale Fläche (52b) gebildet wird, die sich axial von der inneren umfangsseitigen Kante der schrägen Fläche (52a) erstreckt, und daß die obere Fläche (53), die die äußere Umfangsfläche (50) und die schräge Fläche (52a) verbindet, und ungefähr parallel ist zu der ebenen Fläche (41) der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) verläuft.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Winkel (a) zwischen der äußeren konischen Fläche (44) der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) und der äußeren Umfangsfläche (50), und ein zweiter Winkel (β) zwischen der ersten, inneren konischen Fläche (42) der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) und der Bodenfläche (51) so festgelegt sind, daß sie der Beziehung α ≥ β genügen.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallurgische Haftverbindung der Ventilsitzrohlinge (20)enthält:
    (a) Anordnen des Ventilsitzteiles (20) auf der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40) der Öffnungen (13a, 14a) der Zylinderkopfeinheit (11), und
    (b) Drücken einer Elektrode (33) gegen die Endfläche des Ventilsitzteiles (20) gegenüberliegend zur Zylinderkopfeinheit (11) mit einer Druckrichtung mit einer Achse (C) des Einlaß- oder Auslaßventiles (17, 18) übereinstimmend, wobei die Elektrode (33) vorgesehen ist, um Elektrizität durch das Ventilsitzteil (20) an die Zylinderkopfeinheit (11) zu legen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Vorschieben einer Führungsstange (32), die koaxial mit der Elektrode (33) ausgerichtet ist, derart daß die Führungsstange (32) in die Ventilführungsbohrung (11a) eindringt und gleichzeitig die Elektrode führt, um die Druckrichtung mit der Achse ( C ) des Ventiles (17, 18) in Übereinstimmung zu bringen, wobei die Führungssstange (32) an der Elektrode (33) befestigt oder von dieser getrennt ist.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkraft und /oder die Elektrizität nach einem vorgegebenen Muster angewendet werden.
  10. Verfahren nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Stufe (a) die Elektode (33) das Ventilsitzteil (20) magnetisch anzieht, zum Anordnen des Ventilsitzteiles (20) auf der Ventilsitz-Sitzoberfläche.
  11. Verfahren nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach den Stufen (a) und / oder (b) die Elektrode (33) gedreht wird, um zu prüfen, ob das Ventilsitzteil (20) richtig eingesetzt ist.
  12. Verfahren nach Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster für die Preßkraft aufweist eine erste Druckkraft (P1), die in einer frühen Stufe des Haftverbindungsprozesses angewendet wird und anschließend eine zweite Druckkraft (P2), die mit einem bestimmten höheren Wert angelegt wird, bis die Verbindung fertiggestellt ist.
  13. Verfahren nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster der angewandten Elektrizität oder des Stromes erst bestimmt, nachdem eine Zeit nach Anlagen der ersten Druckkraft (P1) verstrichen ist, wobei ein erster elektrischer Strom (I1) für eine erste Zeitdauer (t1) angelegt wird, gefolgt von einer ersten Ruheperiode (r1) mit abnehmender elektrischer Stromstärke, danach ein zweiter elektrischer Strom (12) für einen zweiten Zeitabschnitt (t2) angelegt wird, gefolgt von einer zweiten Ruheperiode (r2) mit abnehmender elektrischer Stromstärke und abschließend ein dritter elektrischer Strom (13) angelegt wird, der für eine dritte Zeitdauer (t3) angelegt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des ersten bis dritten elektrischen Stromes (I1, I2, I3) folgende Beziehung erfüllen: I1< I2 < I3.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckkraft (P2) während des zweiten Zeitabschnittes (t2) beginnt, der zweite elektrische Strom (12) angelegt wird, nachdem eine vierte Zeitdauer (t4) verstrichen, nachdem der elektrische Stromwert auf einen zweiten elektrischen Stromwert (12) geändert worden ist, wobei während des Anlegens der zweiten Druckkraft (P2) in der abschließenden Stufe des Haftverbindens der elektrische Stromwert auf 0 reduziert wird.
  16. Verfahren nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste bis vierte Zeitabschnitt die folgenden Werte hat: t1 = t2 = t3 = 0.1 sec (6/60 sec), und t4 = 0.05 sec (3/60 sec)    wobei die Druckkräfte folgende Werte haben: P1 = 12 kN und P2 = 24kN.
  17. Verfahren nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des elektrischen Stromes zwischen den Einlaß- und den Auslaßkanalöffnungen veränderbar sind, derart daß die Werte des elektrischen
    Stromes, die an der Auslaßkanalöffnung angewendet werden, größer sind, als die Werte,
    die an den Einlaßkanalöffnungen angewendet werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des angelegten Stromes wie folgt sind:
       Einlaßkanalöffnung: 11 = 64 kA, 12 = 68 kA, 13 = 72 kA, und
       Auslaßkanalöffnung: 11 = 70 kA, 12 = 75 kA, 13 = 80 kA,
       wobei alle Werte eine Streubreite von ± 4 kA haben können.
  19. Verfahren nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsitzteil (20) aus einer Sinterlegierung auf Fe-Basis hergestellt wird, mit einer Beschichtung (22) eines Metalles oder einer Metallegierung versehen ist, die in der Lage ist eine eutektische Legierung mit der Zylinderkopfeinheit (11) zu bilden.
  20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zylinderkopfeinheit (11) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus AC4C, AC4B, und AC2B besteht, wie sie im Japanischen Industrie Standard (JIS) angegeben ist.
  21. Verfahren nach zumindest eine der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Einsinkens des Ventilsitz-Grundmateriales (20) in die Öffnung (13a, 14a) kontinuierlich während des gesamten Haftverbindungsprozesses gemessen wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Einsinkens des Ventilsitz-Grundmateriales (20) in die Öffnung (13a, 14a) gesteuert wird, insbesondere auf der Basis des gemessenen Einsinkwertes.
  23. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Haftverbindungsprozeß ein Endbearbeitungsprozeß angewandt wird, derart daß eine Länge (A), die den projizierten Bereich bestimmt, eine maximale Dicke (B) und ein Winkel () zwischen der äußeren Umfangsfläche und der bearbeiteten Fläche des Ventilsitzes (19) den Beziehungen genügt: A ≥ 2 mm, B ≥ 0,9 mm und  ≥ 30°
  24. Ventilsitzteil (20) für einen Ventilsitz (19) eines Verbrennungsmotors, die eine Zylinderkopfeinheit aufweist, mit einem Zylinderkopfkörper (11), einem Lufteinlaßsystem, das in Verbindung mit einer Verbrennungskammer (12) an mindestens einer Einlaßkanalöffnung (13a) kommuniziert, einem Auslaßsystem, das mit der Verbrennungskammer (12) an mindestens einer Auslaßkanalöffnung (14a) kommuniziert, wobei die Einlaß- und Auslaßkanalöffnungen (13a, 14a) durch jeweilige Einlaß- und Auslaßventile (17, 18) betätigbar sind, die durch jeweilige Ventilführungen (15, 16), aufgenommen in jeweiligen Ventilführungsbohrungen (11a), geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsitzteil (20) aus einem Metall oder aus einer Metallegierung besteht, die in der Lage ist, eine eutektische Legierung mit der Zylinderkopfeinheit (11) zu bilden und das aus eine äußere Umfangsfläche (50) aufweist, die hin zu ihrer Mitte geneigt ist und eine Bodenfläche (51), die sich von der äußeren Umfangsfläche (50) fortsetzt und mit einem geringeren Neigungswinkel als die äußere Umfangsfläche (50) in eine Richtung von dieser Umfangsfläche (50) weg geneigt ist, wobei die Grundfläche (51) so gestaltet ist, daß sie in Linienberührung mit einem Vorsprung (46) kommen kann, der von der inneren Umfangsfläche der Ventilsitz-Sitzoberfläche (40), der jeweiligen Einlaß- oder Auslaßkanalöffnung (13a, 14a) der Zylinderkopfeinheit (11) vorspringt.
  25. Ventilsitzteil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ringförmigen Ventilsitzteiles (20) durch die äußere Umfangsfläche (50), die Bodenfläche (51), eine innere Umfangsfläche (52) und eine obere Fläche (53) begrenzt wird.
  26. Ventilsitzteil nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Umfangsfläche (52) durch eine geneigte Fläche (52a) und eine axiale Fläche (52b) gebildet wird, die sich axial von der inneren umfangsseitigen Kante der geneigten Fläche (52a) erstreckt, und daß die obere Fläche (53), die äußere Umfangsfläche (50) und die geneigte Fläche (52a) verbindet.
  27. Ventilsitzteil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 26 dadurch gekennzeichnet, daß das besagtes Ventilsitzteil (20) aus einer <Sinterlegierung auf Fe-Basis hergestellt wird, die mit einer Beschichtung (22) aus Metall oder einer Metallegierung versehen ist, die in der Lage ist, ein eutektische Legierung mit der Zylinderkopfeinheit (11) zu bilden.
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