EP0890020B1 - Verfahren zur herstellung von zylinderköpfen für verbrennungsmotoren - Google Patents

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EP0890020B1
EP0890020B1 EP97916394A EP97916394A EP0890020B1 EP 0890020 B1 EP0890020 B1 EP 0890020B1 EP 97916394 A EP97916394 A EP 97916394A EP 97916394 A EP97916394 A EP 97916394A EP 0890020 B1 EP0890020 B1 EP 0890020B1
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valve
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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
    • F01L3/08—Valves guides; Sealing of valve stem, e.g. sealing by lubricant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • 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

  • the invention relates to a method for manufacturing of cylinder heads for internal combustion engines according to the Preamble of claim 1.
  • valve seat rings or retracting hollow cylindrical valve guides requires a considerable manufacturing outlay, e.g. B. machining of valve seat ring, valve guide and cylinder head to the necessary installation tolerances to comply with, and also a correct position Positioning before installing the rings or Valve guides in the cylinder head.
  • machining of valve seat ring, valve guide and cylinder head to the necessary installation tolerances to comply with, and also a correct position Positioning before installing the rings or Valve guides in the cylinder head.
  • a Surface treatment e.g. B. by laser remelting or alloys, are significant amounts of energy needed this method with an efficiency of Lasers of 3% appear to be very uneconomical leaves.
  • valve seat rings pour high density into cylinder heads, here arises between the cylinder head material and Valve seat ring no intimate connection (DE 39 37 402 A1). Essentially, the ring stops in the Cylinder head only by mechanical clamping, which means there is no intimate contact with the cylinder head and there is a risk that the rings fall out.
  • This solution also has the disadvantage of one oxidized transition from valve seat ring to Cylinder head; the resulting layer works insulating and prevents high conductive Heat transfer.
  • the invention aims to remedy these disadvantages.
  • the object of the invention is accordingly a solution for the design of cylinder heads develop by directly pouring in Valve seat rings and valve guides of the manufacturing outlay can be reduced and where nevertheless an intimate connection of the Valve seat rings and the valve guides to the Cylinder head material and thus an increase in thermal conductivity can be achieved.
  • this object is achieved in a method of manufacturing cylinder heads for Internal combustion engines according to the characteristics in the license plate of claim 1.
  • Valve seat rings and valve guides with an open one Pore volumes of 5 to 15% are used.
  • liquid aluminum penetrates into the pores of the tempered valve seat rings and valve guides and fill it out.
  • Cylinder head material used aluminum so increased the thermal conductivity of the materials Proportion of infiltrated aluminum.
  • an insulating intermediate layer in the area Cylinder head and valve seat ring or valve guide avoided, causing heat conduction from the aforementioned Component to the cooling circuit in the cylinder head is increased.
  • the invention also offers the option of instead conventional seat ring and guide materials the basis of iron or copper ceramic materials use that specifically for infiltration through liquid light metals are designed.
  • pouring liquid aluminum into the mold can either under gravity or under pressure, if necessary with variable pressure ratios be made.
  • valve seat rings and valve guides warm up before pouring. This can either be done after the insertion together with the mold or before Be placed in the mold.
  • the drawing shows a section of a section in Area of an inlet or outlet channel Cylinder head after the casting process.
  • Aluminum melt 1 is the casting core 2 with graded Sections not yet removed.
  • the casting core 2 contains an upper cylindrical section 3 and below a second cylindrical section 4 with a larger one Diameter.
  • the transition between the two Sections 3, 4 form a flat ring shoulder 5, while the second section 4 at its lower end via an annular shoulder 6 to the outer surface of the cylindrical casting core 2 connects.
  • the upper section 3 a prefabricated valve guide 7 and on the lower one Section 4 a prefabricated valve seat ring 8 hung up.
  • the corner area is between the cylindrical portion 4 and the Ring shoulder 6 according to the contour of the Valve seat ring 8 is formed.
  • Valve seat ring 8 and valve guide 7 are with a open pore volume of 5 to 15% and before preheated before insertion. During the pouring process of the The cylinder head penetrates liquid aluminum into the pores the temperature-controlled valve seat rings and guides 8, 7 and fill it out. The important thing here is uniformity Distribution of the filled pores as well as sufficient Basic strength of the components to be cast.
  • pore volume to adjust the valve train components in a graded manner, d. that is, the area with the high thermal and mechanical stress a pore volume of ⁇ 2% has, while the area towards the cylinder head Pore volume in the limit range described above owns. This can be achieved through different degrees of compaction during a Nachpreßvorganges, which is based on the schematic representation in Fig. 2 is explained.
  • a powder mixture consisting of an iron-based alloy specially composed for valve seat rings, is molded in a mold 9 to a density of, for example, 6.4 to 6.8 g / cm 3 in accordance with stage 1 of FIG. 2 with a stamp 10 to form a body 11 with an inclined surface Pre-pressed surface.
  • This green body is then sintered in a stage 2 at a temperature between 900 and 1200 ° C.
  • the sintered blank is given a densification with the aid of a stamp 12, only a geometrically predetermined area of the ring being deformed.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Herstellung von Zylinderköpfen ist es zur Zeit bekannt, in den fertig gegossenen Zylinderkopf aus Aluminium oder Grauguß Ventilsitzringe und Ventilführungen mit einer bestimmten Gebrauchsdichte in entsprechende Bohrungen des Zylinderkopfes einzuziehen. Daneben gibt es Bestrebungen, den Zylinderkopfwerkstoff der Vertilsitzoberfläche zu behandeln, um den hohen motorischen Beanspruchungen gerecht zu werden.
Die bekannte Methode, Ventilsitzringe bzw. hohlzylindrische Ventilführungen einzuziehen, erfordert einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand, z. B. spanende Bearbeitung von Ventilsitzring, Ventilführung und Zylinderkopf, um die notwendigen Einbautoleranzen einzuhalten, und ferner eine lagerichtige Positionierung vor dem Einbau der Ringe bzw. Ventilführungen in den Zylinderkopf. Bei einer Oberflächenbehandlung, z. B. durch Laserumschmelzen oder -legieren, werden erhebliche Mengen an Energie benötigt, die diese Methode bei einem Wirkungsgrad des Lasers von 3 % als sehr unwirtschaftlich erscheinen läßt.
Es hat auch Bestrebungen gegeben, Ventilsitzringe mit hoher Dichte in Zylinderköpfe einzugießen, hierbei entsteht jedoch zwischen Zylinderkopfmaterial und Ventilsitzring keine innige Verbindung (DE 39 37 402 A1). Im wesentlichen hält der Ring im Zylinderkopf nur durch mechanische Verklammerung, wodurch kein inniger Kontakt zum Zylinderkopf vorhanden ist und somit die Gefahr besteht, daß die Ringe herausfallen. Auch hat diese Lösung den Nachteil eines oxydierten überganges vom Ventilsitzring zum Zylinderkopf; die dabei entstehende Schicht wirkt isolierend und verhindert einen hohen leitenden Wärmeübergang.
Die Erfindung will diesen Nachteilen abhelfen. Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, für die Gestaltung von Zylinderköpfen eine Lösung zu entwickeln, bei der durch direktes Eingießen von Ventilsitzringen und Ventilführungen der fertigungstechnische Aufwand verringert werden kann und bei der dennoch eine innige Anbindung der Ventilsitzringe und der Ventilführungen an das Zylinderkopfmaterial und damit eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit erzielbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren gemäß den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden Ventilsitzringe und Ventilführungen mit einem offenen Porenvolumen von 5 bis 15 % eingesetzt. Während des Gießvorganges des Zylinderkopfes, z. B. durch Niederdruckguß, dringt flüssiges Aluminium in die Poren der temperierten Ventilsitzringe und Ventilführungen und füllt diese aus. Hierbei erfolgt eine innige Verbindung beider Werkstoffe. Wird als Zylinderkopfmaterial Aluminium verwendet, so erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe um den Anteil des infiltrierten Aluminiums. Zusätzlich wird eine isolierende Zwischenschicht im Bereich Zylinderkopf und Ventilsitzring bzw. Ventilführung vermieden, wodurch die Wärmeleitung vom vorgenannten Bauteil zum Kühlkreislauf im Zylinderkopf erhöht wird. Auf spanende Fertigungsschritte, sowohl bei der Zylinderkopfbearbeitung als auch bei der Herstellung der Ventilsitzringe bzw. Ventilführungen, kann verzichtet werden.
Die Erfindung bietet auch die Möglichkeit, anstelle konventioneller Sitzring- und Führungswerkstoffe auf der Basis von Eisen bzw. Kupfer keramische Werkstoffe einzusetzen, die speziell für die Infiltration durch flüssige Leichtmetalle konzipiert sind.
Das Eingießen von flüssigem Aluminium in die Form kann entweder unter Schwerkraft oder unter Druck, gegebenenfalls mit variablen Druckverhältnissen vorgenommen werden.
Es ist zweckmäßig, Ventilsitzringe und Ventilführungen vor dem Eingießen zu erwärmen. Dies kann entweder nach dem Einlegen zusammen mit der Gußform oder vor dem Einlegen in die Gußform vorgenommen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Möglichkeit, das Porenvolumen von Ventilsitzringen und Ventilführungen gradiert einzustellen, d. h., daß der Bereich mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen ein geringeres Porenvolumen, z. B. von < 2 % aufweist, während die Bereiche zum Zylinderkopf hin ein Porenvolumen im vorstehend beschriebenen Grenzbereich besitzen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung können unterschiedliche Verdichtungsgrade in den Ventilsitzringen und/oder Ventilführungen während eines Nachpreßvorganges erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
eine Schnittansicht eines Zylinderkopfes im Bereich einer Ventilführung mit Ventilsitzring und Ventilführung und
Fig. 2
eine Prinzipskizze zur Herstellung gradierter Porosität.
Die Zeichnung zeigt als Ausschnitt einen Schnitt im Bereich eines Einlaß- oder Auslaßkanals eines Zylinderkopfes nach dem Gießvorgang. Aus der erstarrten Aluminiumschmelze 1 ist der Gießkern 2 mit abgestuften Abschnitten noch nicht entfernt. Der Gießkern 2 enthält einen oberen zylindrischen Abschnitt 3 und darunter einen zweiten zylindrischen Abschnitt 4 mit größerem Durchmesser. Den übergang zwischen den beiden Abschnitten 3, 4 bildet eine ebene Ringschulter 5, während der zweite Abschnitt 4 an seinem unteren Ende über eine Ringschulter 6 an die äußere Mantelfläche des zylindrischen Gießkernes 2 anschließt.
Vor dem Gießvorgang wird auf den oberen Abschnitt 3 eine vorgefertigte Ventilführung 7 und auf den unteren Abschnitt 4 ein vorgefertigter Ventilsitzring 8 aufgelegt. Wie die Zeichnung zeigt, ist der Eckbereich zwischen dem zylindrischen Abschnitt 4 und der Ringschulter 6 entsprechend der Kontur des Ventilsitzringes 8 ausgebildet.
Ventilsitzring 8 und Ventilführung 7 werden mit einem offenen Porenvolumen von 5 bis 15 % hergestellt und vor dem Einlegen vorgewärmt. Während des Gießvorganges des Zylinderkopfes dringt flüssiges Aluminium in die Poren der temperierten Ventilsitzringe und -führungen 8, 7 und füllt diese aus. Wichtig ist dabei die gleichmäßige Verteilung der gefüllten Poren sowie eine ausreichende Grundfestigkeit der einzugießenden Bauteile.
Bei Bedarf besteht die Möglichkeit, das Porenvolumen der Ventiltriebskomponenten gradiert einzustellen, d. h., daß der Bereich mit der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung ein Porenvolumen von < 2 % aufweist, während der Bereich zum Zylinderkopf hin ein Porenvolumen im vorstehend beschriebenen Grenzbereich besitzt. Dies kann erreicht werden durch unterschiedliche Verdichtungsgrade während eines Nachpreßvorganges, der nachfolgend anhand der schematischen Darstellung in Fig. 2 erläutert wird.
Eine Pulvermischung, bestehend aus einer für Ventilsitzringe speziell zusammengesetzten Eisenbasislegierung, wird in einer Form 9 auf eine Dichte von beispielsweise 6,4 bis 6,8 g/cm3 entsprechend Stufe 1 der Fig. 2 mit einem Stempel 10 zu einem Körper 11 mit geneigter Oberfläche vorgepreßt. Anschließend wird dieser Grünling in einer Stufe 2 bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200 °C gesintert. Der gesinterte Rohling erhält in einer Stufe 3 mit Hilfe eines Stempels 12 eine Nachverdichtung, wobei nur ein geometrisch vorbestimmter Bereich des Ringes verformt wird. Damit ergibt sich bei entsprechenden Preßdrücken ein Körper 13 mit einem Dichtegradienten vom unverformten Bereich (Dichte 6,4 bis 6,8 g/cm3) zum verformten Bereich (Dichte > 7,2 g/cm3). Der Bereich mit der niedrigen Dichte, d. h. der radial äußere Bereich eines Ventilsitzringes, bildet die spätere Kontaktfläche mit dem Zylinderkopf, während der radial innere Bereich des Ventilsitzringes mit der hohen Dichte die spätere Funktionsfläche darstellt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren durch Vergießen des flüssigen Zylinderkopfmaterials, insbesondere Aluminium, in eine Zylinderkopfform, die einen Gießkern enthält, der abgestufte Abschnitte im Bereich des Ventilsitzringes und der Ventilführung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilsitzringe (8) und Ventilführungen (7) aus einem für deren Herstellung üblichen Werkstoff auf Eisen- oder Kupfer-Basis durch Pressen und Sintern derart hergestellt werden, daß sie ein offenes Porenvolumen von 5 bis 15 % aufweisen, daß je ein Ventilsitzring (8) und/oder je eine Ventilführung (7) auf die abgestuften Abschnitte (4, 3) des Gießkernes (2) aufgelegt werden, daß anschließend flüssiges Aluminium in die vorgewärmte Gußform eingegossen wird und daß nach dem Erstarren der Aluminiumschmelze (1) der Gießkern (2) in üblicher Weise entfernt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Aluminium unter Schwerkraft oder Druck in die Form eingegossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingießen des flüssigen Aluminiums unter variablen Druckverhältnissen vorgenommen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußform einschließlich Ventilsitzringe (8) und Ventilführungen (7) vor dem Gießen erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitzringe (8) und Ventilführungen (7) vor dem Einlegen in die Gußform erwärmt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Ventilsitzringe (8) und/oder Ventilführungen (7) durch unterschiedliche Verdichtungsgrade in Bereichen mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen ein Porenvolumen von < 2 % erzeugt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Nachpreßvorganges unterschiedliche Verdichtungsgrade in den Ventilsitzringen (8) und/oder Ventilführungen (7) erzeugt werden.
EP97916394A 1996-03-29 1997-03-26 Verfahren zur herstellung von zylinderköpfen für verbrennungsmotoren Expired - Lifetime EP0890020B1 (de)

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