EP2024116A2 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine

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Publication number
EP2024116A2
EP2024116A2 EP07718459A EP07718459A EP2024116A2 EP 2024116 A2 EP2024116 A2 EP 2024116A2 EP 07718459 A EP07718459 A EP 07718459A EP 07718459 A EP07718459 A EP 07718459A EP 2024116 A2 EP2024116 A2 EP 2024116A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder head
cylinder
insert
schraubenbutzen
strut
Prior art date
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Granted
Application number
EP07718459A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2024116B1 (de
Inventor
Robert Roithinger
Franz Langmayr
Michael Howlett
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from AT9162006A external-priority patent/AT502249A2/de
Priority claimed from AT20332006A external-priority patent/AT502971B1/de
Application filed by AVL List GmbH filed Critical AVL List GmbH
Publication of EP2024116A2 publication Critical patent/EP2024116A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2024116B1 publication Critical patent/EP2024116B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/38—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling the cylinder heads being of overhead valve type

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine in lightweight construction with at least one infused into an external structure sprue, said outer structure and sprue made of different materials. Furthermore, the invention relates to a cylinder head made of gray cast iron for a reciprocating engine, in particular an internal combustion engine, with at least one opening into a combustion chamber opening for a gas exchange channel which can be closed by a lifting valve, wherein the lifting valve rests in the closed state on a valve seat formed by the cylinder head. Furthermore, the invention relates to a method for producing this cylinder head.
  • the increasing power density, especially of passenger car diesel cylinder heads is limited by the fatigue strength and the thermal cycling stability of the cylinder head. Due to the increasing peak pressures, in particular in the area of the water jacket and the gas exchange channels, there is a lack of vibration resistance resulting in vibration breaks.
  • the thermal entry into the cylinder head is an approximately constant part of the power. As a result, the amplitudes of the surface temperatures increase at least proportionally to the power density, resulting in insufficient thermal cycling resistance to damage the cylinder head in each thermal cycle.
  • a high fatigue strength can be realized by cylinder heads of gray cast iron, in particular of GJV (cast iron with vermicular graphite). Switching from aluminum alloys to gray cast iron leads to an increase in the fatigue strength in critical zones by about 50%.
  • the disadvantage of cast iron cylinder heads is the poorer thermal conductivity, which is worse by about a factor of 5, than with Al-Si-Mg alloys. This leads to higher maximum temperatures for cast iron heads (about 400 0 C). This temperature level is already reached at moderate power densities. Increasing temperature load due to higher power density would lead to a strong decrease in the strength and thus the service life due to thermo-mechanical cracking.
  • the geometric conditions of relatively close-packed engines in passenger cars lead to a massive decrease in life under thermal load alternately.
  • EP 0 262 240 A1 describes a cylinder head which has a bottom plate and a separately manufactured upper part, which are releasably connected to one another.
  • the bottom plate consists of a material with higher high-temperature strength and lower thermal conductivity than the upper part.
  • the disadvantage is that the composite zone is formed in a highly loaded area, and that a poor heat transfer through the bottom plate takes place, resulting in a high thermal cycling during power cycling with appropriate material damage and high component temperatures on the gas side.
  • DE 31 00 755 A1 describes a cylinder head for an internal combustion engine, which has a reinforcement with one or more inserts of dispersion-hardened sintered aluminum between the valve webs.
  • the bonding of the aluminum sintered part in the casting process is very difficult because the transition region is located in a thermally and mechanically highly stressed zone. The long-term strength properties can not be improved with the measures mentioned.
  • valve seat for a cylinder head of an internal combustion engine to fuse a filler material by introducing energy at that point with the cylinder head on which the valve seat is to be formed.
  • Such valve seats and processes for their preparation are known from publications WO 2004/048756 A1, DE 199 12 889 A1, DE 103 29 912 B4 or WO 99/02839 A1.
  • DE 102 18 563 A1 discloses a method for producing valve seats using a laser plating process.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and to provide a cylinder head which has high fatigue strength and high thermal cycling stability.
  • Another object of the invention is to produce stable and wear-resistant valve seats in a cylinder head of the type mentioned in the simplest possible way.
  • the sprue forms a support structure and at least forms a screw neck for receiving a cylinder head bolts.
  • the sprue per cylinder has at least one preferably central insert, which can serve for receiving a component opening into the combustion chamber.
  • At least two fferenbutzen are connected to each other via at least one preferably normal to the Butzenachsen arranged second brace, wherein the fferenbutzen and / or the insert may be formed as a cylindrical sleeve.
  • the central insert is not formed to the gas side of the fire deck, so as not to adversely affect the heat conduction there. Rather, between the insert and the gas side is a region of the outer structure, wherein the insert is embedded in the outer structure.
  • the cylindrical insert takes on - depending on the engine type - a spark plug or an injector. The shape of the insert is designed according to the intended application.
  • the insert is designed to accommodate an injector, then it is advantageous if a slug for receiving a screw of an injector screw connection is cast onto the insert.
  • the slug thus absorbs the screw-in hole for a clamping screw of the injector screw connection.
  • a problem zone is defused on the cylinder head, since the required clamping forces for aluminum materials are critically high.
  • the sprue consists of a truss-like frame, which is formed by the screw heads for the cylinder head bolts and in which the central insert is integrated via the oblique second braces.
  • the first struts between the screw-trimmings prevent the structure in the upper deck from stretching and thus causing a cyclical bend on the gas deck.
  • the central cylinder formed by the insert therefore acts as a stabilizing column.
  • the first and second braces support the gas exchange channels.
  • the fferenbutzen each cylinder in the fire deck are connected by a preferably annular third brace with each other, particularly preferably the third brace - viewed in plan view - is arranged in the region of the cylinder head gasket.
  • the contour of the third strut retraces the cylinder head gasket to increase its sealing effect.
  • the sprue piece forms at least one receptacle for a valve guide of a gas exchange valve, wherein preferably the receptacle is connected to the screw neck or the insert, wherein a support for a valve spring can be integrated into the receptacle. It can be provided that at least one receptacle for a valve guide of the gas exchange valve is integrated into a conical first or second strut.
  • the sprue is designed in several parts and preferably has one cylinder element per cylinder, wherein cylinder elements of adjacent cylinders can preferably be connected to one another via plug connections.
  • each cylinder element has two bolt trims connected to one another via a first strut, and in each case a further first strut per screw strut, the two further first struts being connectable to the screw struts of an adjacent cylinder element, preferably attachable to the screw struts.
  • the casting per cylinder has an annular third strut, wherein the annular third strut connectable to the screw neck of the respective cylinder, preferably attachable to the screw neck, is.
  • the third strut of at least one cylinder can be plugged onto the screw neck of the cylinder.
  • the outer structure may be made of a light metal, for example of an aluminum alloy, or of a copper alloy. This ensures that the cylinder head on the fire deck side has the highest possible thermal conductivity and is designed so that the thermal cycling induces the lowest possible voltages.
  • the sprue made of steel or gray cast iron, preferably with nodular graphite.
  • the support structure formed by the sprue consists of a material which has a high elasticity. tucismodul has to ensure a low level of deformation. The high alternating strength is necessary to resist the cyclic gas loads.
  • the use of steel or pre-cast high strength gray cast iron with nodular graphite meets these requirements.
  • the support structure is pre-cast per cylinder and placed with the cores in a chill mold and poured.
  • the support structure has the shape of a framework whose form is based on the needs of the gas exchange channels.
  • valve seat rings also screw pipes or the camshaft bearings can be integrated.
  • support for the injector support can be realized. A simple and positionally accurate arrangement in the chill casting mold is possible when the sprue is made in several parts, with individual parts such as screw, use, recording and / or bracing by plug connections are connected to each other.
  • the cast structure is remelted in the region of the valve seat. It is not added material, but only the original cast structure remelted.
  • the component is preheated before the remelting to a temperature above the martensite start temperature (about 300 0 C) of the casting material.
  • the remelting process is preferably carried out in a laser remelting process.
  • a ledeburitic microstructure is formed from the melt by rapid cooling.
  • the solidification is essentially defined by the high heat conduction from the melt into the base material.
  • the solidification front therefore moves from the melting boundary in the direction of the component surface, whereby the directional structure of the Ledeburit arises. Furthermore, the solidification front transports defects to the surface. These are eliminated with the finishing.
  • valve seat thus consists of the cast iron base material of the cylinder head.
  • the remelting process thus achieves a wear-resistant structure of the valve seat without the need to press in a valve seat ring. As a result, a radial press fit is avoided, resulting in a better heat dissipation in the region of the valve seat and it saves installation space and manufacturing costs.
  • the remelted structure remains stable even at temperatures that are achieved, for example, on exhaust valves of turbocharged engines.
  • FIG. 1 shows a cylinder head according to the invention in a first oblique view
  • FIG. 2 shows the cylinder head in a combustion chamber side oblique view from above.
  • FIG. 11 shows an end part of the sprue piece in an oblique view
  • Fig. 12 is a third strut in an oblique view
  • FIG. 13 shows the valve seat region of a cylinder head in section after machining
  • the cylinder head 1 for a plurality of cylinders has an outer structure 2 of a light metal, for example, an aluminum alloy or a copper alloy into which a casting 4 forming a support structure 3 is embedded.
  • the support structure 3 is shaped like a truss and consists of steel or gray cast iron.
  • the sprue 4 forms ringenbutzen 5 for cylinder head bolts, inserts 6 for receiving injectors or spark plugs, and recordings 7 for valve guides.
  • the fferenbutzen 5 are connected to each other via normal to the Butzenachsen 5a first stiffeners 8. Second struts 9 connect the screw 5 with the insert 6.
  • These second struts 9 are inclined at an angle ⁇ ⁇ 90 °, preferably ⁇ 60 ° to the slug axes 5a and the insert shaft 6a and extend from the screw 5 starting in the direction of the fire deck 17 to the inserts 6.
  • the obliquely inclined in the direction of the fire deck second struts 9 also recordings 10 for valve guides.
  • the slug 16 is cast, the. has a screw 16a for a clamping screw of a Injektorverschraubung.
  • the sprue 4 in the exemplary embodiment per cylinder 20 consists of a cylinder element 19, and an annular third strut 11 in the region of the fire deck 17. These two castings per cylinder 20 are inserted into each other by periodic continuation of the gate 4. In addition, is as a conclusion of the cylinder head end a consisting of two ringenbutzen 5 and a first strut 8 existing end piece 21, which is shown in Fig. 11.
  • Each cylinder element 19 consists of at least two screw 5 and . At least three first struts 8. Furthermore, the cylinder element 19 can have an insert 6 and second struts 9, as shown in FIGS. 9 to 14. The first and third struts 8, 11 have annular eyelets 12, 13, in which the screw 5 are inserted. By inserting the eyelets 12 on the screw 5 also cylinder elements 19 of a plurality of cylinders 20 can be connected to each other.
  • a first strut 8 per cylinder can be connected to the slug 16 of the insert 6 via the web 8a.
  • the cylinder head 1 is made by the outer structure 2 on the side of the fire deck 17 of a material with the highest possible thermal conductivity and is designed so that the thermal cycling induced as low as possible voltages.
  • the material of the outer structure 2 is, for example, an aluminum alloy or a copper alloy.
  • the sprue 4 within the outer structure 2, however, consists of a material which has such a high modulus of elasticity to ensure a low level of deformation. Furthermore, the sprue 4 should also have a high alternating strength in order to resist the cyclic gas load.
  • the gate 4 thus offers high-strength gray cast iron with nodular graphite (GJS) or steel.
  • GJS nodular graphite
  • a support structure 3 per cylinder is pre-cast and placed with the cores for the gas exchange channels in the chill mold and cast.
  • the plug-in system of the support structure 4 shown in FIGS. 9 to 14 facilitates insertion into the chill casting mold.
  • the gas side of the cylinder head 1 can be designed as a spherical cap as part of the design possibilities of Ventilverkippung.
  • the aluminum alloy of the outer structure 2 has a high thermal conductivity. It has the necessary structural properties without heat treatment, which is to be avoided because of the pouring solution. Therefore, it is ideally low-alloyed aluminum with as homogeneous a structure as possible without internal notches and with the highest possible elongation at break.
  • the existing of steel or nodular casting 4 has the shape of a framework whose form is based on the needs of the gas exchange channels. It is possible to co-pour the valve seat rings. Screw pipes can also be integrated. Furthermore, support for the injector support can be integrated into the sprue 4.
  • outer structure 2 and support structure 3 fulfills the extreme requirements occurring at different locations primarily by the appropriate choice of materials and by a corresponding shaping of the support structure 3, or the combustion chamber boundaries. It is therefore much better suited to endure extreme loads than homogeneous cast iron components, which can not stand the thermal stress or aluminum alloys, which are not at a sufficient level with the rigidity and fatigue strength.
  • the cylinder head 101 of gray cast iron illustrated in FIGS. 13 and 14 for a reciprocating piston engine, for example an internal combustion engine, has at least one gas exchange opening 102 opening into a combustion chamber 108 for a gas exchange duct 103, which can be opened by a lift valve 104.
  • the lift valve 104 is seated in the closed state on a valve seat 105 formed by the cylinder head 101 itself.
  • the valve seat 105 is hardened by a local laser remelting process, wherein the cast structure 106 is brought to the melting point in the region of the valve seat 105.
  • the cylinder head 101 Before the actual remelting process, the cylinder head 101 is heated to a preheating temperature (about 300 ° C.) of the respective material in order to reduce the tendency to distort, as well as to reduce the risk of cracking. Rapid cooling produces a ledeburitic microstructure in the remelting zone from the melt. This results in the valve seat region 105 is a defect-free, finely structured remelt layer with high hardness (500-600 Hv 5) and good ductility, which has a high resistance to wear and fatigue.
  • a preheating temperature about 300 ° C.
  • an addition 107 has to be taken into account, which is then processed together with the valve guide after remelting, for example.

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Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine in Leichtbauweise mit zumindest einem in eine Außenstruktur eingegossenen Eingussstück, wobei Außenstruktur und Eingussstück aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Ferner betrifft die Erfindung einen Zylinderkopf aus Grauguss für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer in einen Brennraum mündenden Öffnung für einen Gaswechselkanal, welche durch ein Hubventil verschließbar ist, wobei das Hubventil im geschlossenen Zustand auf einen durch den Zylinderkopf gebildeten Ventilsitz aufliegt. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Zylinderkopfes.
Die steigende Leistungsdichte, insbesondere von PKW-Diesel-Zylinderköpfen wird durch die Schwingfestigkeit und die thermische Wechselbeständigkeit des Zylinderkopfes beschränkt. Mangelnde Schwingfestigkeit führt dazu, dass es in Folge der ansteigenden Spitzendrücke besonders im Bereich des Wassermantels und der Gaswechselkanäle zu Schwingbrüchen kommt. Der thermische Eintrag in den Zylinderkopf ist ein etwa konstanter Anteil der Leistung. Dadurch steigen die Amplituden der Oberflächentemperaturen mindestens proportional zur Leistungsdichte, was bei ungenügender thermischer Wechselbeständigkeit zu einer Schädigung des Zylinderkopfes in jedem thermischen Zyklus führt.
Eine hohe Schwingfestigkeit kann durch Zylinderköpfe aus Grauguss, insbesondere aus GJV (Gusseisen mit Vermikulargraphit) realisiert werden. Ein Umstieg von Aluminiumlegierungen auf Grauguss führt zu einem Anstieg der Schwingfestigkeit in kritischen Zonen um etwa 50%. Der Nachteil von Zylinderköpfen aus Grauguss ist allerdings die schlechtere Wärmeleitfähigkeit, die um etwa einen Faktor 5 schlechter ist, als bei Al-Si-Mg-Legierungen. Dies führt zu höheren Maximaltemperaturen bei Graugussköpfen (etwa 4000C). Dieses Temperaturniveau wird bereits bei moderaten Leistungsdichten erreicht. Steigende Temperaturbelastung durch höhere Leistungsdichte würde zu starkem Absinken der Festigkeit und damit der Lebensdauer durch thermo-mechanische Rissbildung führen. Darüber hinaus führen die geometrischen Bedingungen von relativ dicht gepackten Motoren bei Personenkraftwagen zu einem massiven Absinken der Lebensdauer unter thermischer Wechsellast.
Die Anforderungen an Schwingfestigkeit und Steifigkeit würden somit für einen Zylinderkopf aus Stahl, bzw. Gusseisen, die Anforderungen hinsichtlich der thermischen Wechselbeständigkeiten eher für einen Zylinderkopf aus Aluminium sprechen. Es ist bereits bekannt, Zylinderköpfe aus Komposit- Werkstoffen herzustellen.
Die EP 0 262 240 Al beschreibt einen Zylinderkopf, welcher eine Bodenplatte und einen separat hergestellten Oberteil aufweist, die miteinander lösbar verbunden sind. Die Bodenplatte besteht dabei aus einem Werkstoff mit höherer Hochtemperaturfestigkeit und niedrigerer Wärmeleitfähigkeit als der Oberteil. Nachteilig ist, dass die Verbundzone in einem hochbelasteten Bereich ausgebildet ist, sowie dass ein schlechter Wärmetransport durch die Bodenplatte erfolgt, was zu einer hohen thermischen Wechselbelastung bei Leistungszyklierung mit entsprechender Werkstoffschädigung und zu hohen Bauteiltemperaturen auf der Gasseite führt.
Aus der EP 0 462 850 Al ist es bekannt, bei einem Zylinderkopf einen faserverstärkten Einsatz zwischen den Ventilöffnungen zur Erhöhung der Wandfestigkeit einzugießen. Dabei können Probleme hinsichtlich der Bindung in der Übergangszone auftreten. Weiters nachteilig ist, dass die geringere Wärmeleitfähigkeit zu steigenden Temperaturamplituden führt. Darüber hinaus weisen Verbundmaterialien starke Tendenz zur Versprödung auf, was die Lebensdauer unter thermischer Wechselbelastung stark herabsetzt.
Die DE 31 00 755 Al beschreibt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, welcher eine Armierung mit einem oder mehreren Einsätzen aus dispersionsgehärtetem Sinteraluminium zwischen den Ventilstegen aufweist. Die Bindung des Aluminiumsinterteils im Gießprozess ist allerdings sehr schwierig, da der Übergangsbereich in einer thermisch und mechanisch hoch belasteten Zone liegt. Die Langzeitfestigkeitseigenschaften können mit den genannten Maßnahmen nicht verbessert werden.
Es ist bekannt, zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein Zusatzmaterial durch Einbringen von Energie an derjenigen Stelle mit dem Zylinderkopf zu verschmelzen, an welcher der Ventilsitz gebildet werden soll. Derartige Ventilsitze und Verfahren zu deren Herstellung sind aus den Veröffentlichungen WO 2004/048756 Al, DE 199 12 889 Al, DE 103 29 912 B4 oder WO 99/02839 Al bekannt. Weiters ist aus der DE 102 18 563 Al ein Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattier-Prozesses bekannt.
Ferner ist es bekannt, das Gefüge von metallischen Gusswerkstoffen durch lokale Aufschmelzvorgänge zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes zu verändern.
Aufschmelzverfahren sind relativ aufwändig und kostenintensiv, da ein vom Gussgefüge unterschiedliches verschleißfestes Material aufgebracht werden muss. Weiters ist es bekannt, Ventilsitze induktiv zu härten. Nachteilig ist allerdings, dass die Struktur von induktiv gehärteten Sitzen bei höheren Temperaturen, wie sie zum Beispiel an Auslassventilen von aufgeladenen Brennkraftmaschinen erreicht werden können, nicht ausreichend stabil ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Zylinderkopf zu schaffen, welcher hohe Schwingfestigkeit und hohe thermische Wechselbeständigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise stabile und verschleißfeste Ventilsitze zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Eingussstück eine Stützstruktur bildet und zumindest einen Schraubenbutzen zur Aufnahme einer Zylinderkopfschrauben ausbildet. Vorzugsweise weist das Eingussstück pro Zylinder zumindest einen vorzugsweise zentralen Einsatz auf, der zur Aufnahme eines in den Brennraum mündenden Bauteiles dienen kann.
Zur Erhöhung der Schwingfestigkeit ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei Schraubenbutzen miteinander über zumindest eine vorzugsweise normal zu den Butzenachsen angeordnete zweite Verstrebung verbunden sind, wobei der Schraubenbutzen und/oder der Einsatz als zylindrische Hülse ausgebildet sein kann. Der zentrale Einsatz ist dabei nicht bis zur Gasseite des Feuerdeckes ausgebildet, um die Wärmeleitung dort nicht negativ zu beeinflussen. Vielmehr befindet sich zwischen dem Einsatz und der Gasseite ein Bereich der Außenstruktur, wobei der Einsatz in die Außenstruktur eingebettet ist. Der zylindrische Einsatz nimmt - je nach Motortyp - eine Zündkerze oder einen Injektor auf. Die Form des Einsatzes wird entsprechend dem beabsichtigten Einsatzbereich gestaltet. Ist der Einsatz für die Aufnahme eines Injektors ausgebildet, so ist es vorteilhaft, wenn an den Einsatz ein Butzen zur Aufnahme einer Schraube einer Injektor- verschraubung angegossen ist. Der Butzen nimmt somit das Einschraubloch für eine Klemmschraube der Injektorverschraubung auf. Damit ist eine Problemzone am Zylinderkopf entschärft, da die erforderlichen Klemmkräfte für Aluminiumwerkstoffe kritisch hoch sind.
Das Eingussstück besteht aus einem fachwerkartigen Rahmen, der von den Schraubenbutzen für die Zylinderkopfschrauben gebildet wird und in den über die schrägen zweiten Verstrebungen der zentrale Einsatz eingebunden ist. Die ersten Verstrebungen zwischen den Schraubenbutzen verhindern eine Dehnung der Struktur im Oberdeck und damit eine zyklische Biegung am Gasdeck. Der durch den Einsatz gebildete zentrale Zylinder wirkt daher wie eine stabilisierende Säule. Die ersten und zweiten Verstrebungen stützen die Gaswechselkanäle. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schraubenbutzen jedes Zylinders im Bereich des Feuerdeckes durch eine vorzugsweise ringförmige dritte Verstrebung miteinander verbunden sind, wobei besonders vorzugsweise die dritte Verstrebung - im Grundriss betrachtet - im Bereich der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist. Die Kontur der dritten Verstrebung zeichnet die Zylinderkopfdichtung nach, um deren Abdichtwirkung zu verstärken.
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Eingussstück zumindest eine Aufnahme für eine Ventilführung eines Gaswechselventils ausbildet, wobei vorzugsweise die Aufnahme mit dem Schraubenbutzen oder dem Einsatz verbunden ist, wobei eine Auflage für eine Ventilfeder in die Aufnahme integriert sein kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Aufnahme für eine Ventilführung des Gaswechselventils in eine konische erste oder zweite Verstrebung integriert ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Eingussstück mehrteilig ausgeführt ist und vorzugsweise ein Zylinderelement pro Zylinder aufweist, wobei Zylinderelemente benachbarter Zylinder vorzugsweise über Steckverbindungen miteinander verbindbar sein können. Vorzugsweise weist dabei jedes Zylinderelement zwei über eine erste Verstrebung miteinander verbundene Schraubenbutzen, sowie pro Schraubenbutzen jeweils eine weitere erste Verstrebung auf, wobei die beiden weiteren ersten Verstrebungen mit den Schraubenbutzen eines benachbarten Zylinderelementes verbindbar, vorzugsweise auf die Schraubenbutzen aufsteckbar, sind. Weiters kann vorgesehen sein, dass das Eingussstück pro Zylinder eine ringförmige dritte Verstrebung aufweist, wobei die ringförmige dritte Verstrebung mit den Schraubenbutzen des jeweiligen Zylinders verbindbar, vorzugsweise auf die Schraubenbutzen aufsteckbar, ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die dritte Verstrebung zumindest eines Zylinders auf die Schraubenbutzen des Zylinders aufsteckbar ist. Diese Maßnahmen erleichtern das Einsetzen des Eingussstückes in die Kokillengussform.
Die Außenstruktur kann aus einem Leichtmetall, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, oder aus einer Kupferlegierung bestehen. Damit ist gewährleistet, dass der Zylinderkopf auf der Feuerdeckseite möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und so gestaltet ist, dass die thermische Wechselbelastung möglichst geringe Spannungen induziert.
Um eine hohe Wechselfestigkeit des Zylinderkopfes zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das Eingussstück aus Stahl oder aus Grauguss, vorzugsweise mit Kugelgraphit, besteht. Im Unterschied zur Außenstruktur besteht die durch das Eingussstück gebildete Stützstruktur aus einem Material, das einen hohen Elastizi- tätsmodul aufweist, um ein geringes Deformationsniveau zu gewährleisten. Die hohe Wechselfestigkeit ist notwendig, um den zyklischen Gaslasten Widerstand zu leisten. Durch die Verwendung von Stahl oder vorgegossenem hochfestem Grauguss mit Kugelgraphit werden diese Anforderungen erfüllt. Die Stützstruktur wird pro Zylinder vorgegossen und mit den Kernen in eine Kokillengussform gelegt und eingegossen. Die Stützstruktur hat dabei die Form eines Fachwerkes, dessen Form sich an den Notwendigkeiten der Gaswechselkanäle orientiert. Es ist dabei denkbar, die Ventilsitzringe mitzugießen, auch Schraubenpfeifen oder die Nockenwellenlager können integriert werden. Darüber hinaus ist eine Unterstützung der Injektorauflage realisierbar. Eine einfache und lagegenaue Anordnung in der Kokillengussform ist möglich, wenn das Eingussstück mehrteilig ausgeführt ist, wobei einzelne Teile wie Schraubenbutzen, Einsatz, Aufnahme und/oder Verstrebungen durch Steckverbindungen miteinander verbindbar sind.
Zur Erzeugung von stabilen und verschleißfesten Ventilsitzen ist vorgesehen, dass das Gussgefüge im Bereich des Ventilsitzes umgeschmolzen wird. Es wird dabei kein Material hinzugefügt, sonder nur das ursprüngliche Gussgefüge umgeschmolzen.
Um die Rissgefahr, sowie die Neigung zum Verziehen zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil vor dem Umschmelzvorgang auf eine Temperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur (ca. 3000C) des Gusswerkstoffes vorgewärmt wird. Der Umschmelzvorgang wird bevorzugt in einem Laser-Umschmelz- vorgang durchgeführt.
In der Umschmelzzone entsteht aus der Schmelze durch rasches Abkühlen ein ledeburitisches Gefüge. Die Erstarrung ist im Wesentlichen durch die hohe Wärmeleitung von der Schmelze in das Grundmaterial definiert. Die Erstarrungsfront bewegt sich daher von der Aufschmelzgrenze in Richtung der Bauteiloberfläche, wodurch die gerichtete Struktur das Ledeburit entsteht. Weiters transportiert die Erstarrungsfront Defekte an die Oberfläche. Diese werden mit der Endbearbeitung beseitigt.
Um die beim Umschmelzen entstehende Deformation sowie Oberfiächenwellig- keiten ausgleichen zu können, ist eine Zugabe zu berücksichtigen, die dann nach dem Umschmelzen zum Beispiel gemeinsam mit der Ventilführung bearbeitet wird.
Zum Unterschied zu bekannten Aufschmelzverfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren kein Material zugeführt, sondern nur das Gussgefüge umgeschmolzen. Der Ventilsitz besteht somit aus dem Gusseisen-Grundwerkstoff des Zylinderkopfes. Durch den Umschmelzvorgang wird somit ein verschleißbeständiges Gefüge des Ventilsitzes erreicht, ohne dass ein Ventilsitzring eingepresst werden muss. Dadurch wird ein radialer Presssitz vermieden, es ergibt sich eine bessere Wärmeabfuhr im Bereich des Ventilsitzes und es werden Bauraum und Fertigungskosten eingespart.
Im Vergleich zu induktiv gehärteten Ventilsitzen bleibt das umgeschmolzene Gefüge auch bei Temperaturen, wie sie etwa an Auslassventilen von aufgeladenen Motoren erreicht werden, stabil.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer ersten Schrägansicht;
Fig. 2 den Zylinderkopf in einer brennraumseitigen Schrägansicht von oben;
Fig. 3 den Zylinderkopf aus der Seite des Brennraumes;
Fig. 4 den Zylinderkopf von oben;
Fig. 5 das Eingussstück in einer Seitenansicht;
Fig. 6 das Eingussstück in einer Schrägansicht;
Fig. 7 das Eingussstück in einer Draufsicht;
Fig. 8 ein Zylinderelement des Eingussstückes in einer Schrägansicht;
Fig. 9 dieses Zylinderelement in einer Seitenansicht;
Fig. 10 das Zylinderelement in einer weiteren Seitenansicht;
Fig. 11 einen Abschlussteil des Eingussstückes in einer Schrägansicht;
Fig. 12 eine dritte Verstrebung in einer Schrägansicht;
Fig. 13 den Ventilsitzbereich eines Zylinderkopfes im Schnitt nach der Bearbeitung; und
Fig. 14 diesen Ventilsitzbereich nach dem Umschmelzvorgang vor der Endbearbeitung.
Der Zylinderkopf 1 für mehrere Zylinder weist eine Außenstruktur 2 aus einem Leichtmetall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung auf, in welche ein eine Stützstruktur 3 bildendes Eingussstück 4 eingebettet ist. Die Stützstruktur 3 ist fachwerkartig geformt und besteht aus Stahl oder aus Grauguss. Das Eingussstück 4 bildet Schraubenbutzen 5 für Zylinderkopfschrauben, Einsatzteile 6 zur Aufnahme von Injektoren oder Zündkerzen, sowie Aufnahmen 7 für Ventilführungen aus. Die Schraubenbutzen 5 sind über normal zu den Butzenachsen 5a ausgebildete erste Versteifungen 8 miteinander verbunden. Zweite Verstrebungen 9 verbinden die Schraubenbutzen 5 mit dem Einsatz 6. Diese zweiten Verstrebungen 9 sind unter einem Winkel α <90°, vorzugsweise <60°, zu den Butzenachsen 5a und den Einsatzachse 6a geneigt und verlaufen von den Schraubenbutzen 5 ausgehend in Richtung des Feuerdeckes 17 zu den Einsätzen 6. Im Ausführungsbeispiel bilden die schräg in Richtung Feuerdeck geneigten zweiten Verstrebungen 9 auch Aufnahmen 10 für Ventilführungen aus. An jeden Einsatz 6 ist ein Butzen 16 angegossen, der. ein Einschraubloch 16a für eine Klemmschraube einer Injektorverschraubung aufweist.
Weiters sind im Bereich des Feuerdeckes 17, der jeweiligen Kontur der Zylinderkopfdichtung nachgeformte ringförmige dritte Verstrebungen 11 vorgesehen, welche die Schraubenbutzen 5 miteinander verbinden.
Das Eingussstück 4 besteht im Ausführungsbeispiel pro Zylinder 20 aus einem Zylinderelement 19, sowie einer ringförmigen dritten Verstrebung 11 im Bereich des Feuerdecks 17. Diese beiden Gussteile pro Zylinder 20 bilden ineinander gesteckt durch periodische Fortsetzung das Eingussstück 4. Zusätzlich ist als Ab- schluss am Zylinderkopfende ein aus zwei Schraubenbutzen 5 und einer ersten Verstrebung 8 bestehendes Abschlussstück 21 vorgesehen, welches in Fig. 11 gezeigt ist.
Jedes Zylinderelement 19 besteht aus zumindest zwei Schraubenbutzen 5 und. zumindest drei ersten Verstrebungen 8. Weiters kann das Zylinderelement 19 einen Einsatz 6 und zweite Verstrebungen 9 aufweisen, wie in den Fig. 9 bis Fig. 14 gezeigt ist. Die ersten und dritten Verstrebungen 8, 11 weisen ringförmige Ösen 12, 13 auf, in welche die Schraubenbutzen 5 eingesteckt werden. Durch Einstecken der Ösen 12 auf die Schraubenbutzen 5 können auch Zylinderelemente 19 mehrerer Zylinder 20 miteinander verbunden werden.
Wie aus den Fig. 8 und Fig. 10 hervorgeht, kann pro Zylinder eine erste Verstrebung 8 über den Steg 8a mit dem Butzen 16 des Einsatzes 6 verbunden sein. Der Zylinderkopf 1 besteht durch die Außenstruktur 2 auf der Seite des Feuerdecks 17 aus einem Material mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit und ist so gestaltet, dass die thermische Wechselbelastung möglichst geringe Spannungen induziert. Das Material der Außenstruktur 2 ist beispielsweise eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung. Das Eingussstück 4 innerhalb der Außen- struktur 2 besteht dagegen aus einem Material, welches einen so hohen E-Modul aufweist, um ein geringes Deformationsniveau zu gewährleisten. Weiters sollte das Eingussstück 4 auch eine hohe Wechselfestigkeit aufweisen, um der zyklischen Gaslast Widerstand zu leisten. Als Werkstoff für das Eingussstück 4 bietet sich somit hochfester Grauguss mit Kugelgraphit (GJS) oder Stahl an. Dabei wird eine Stützstruktur 3 pro Zylinder vorgegossen und mit den Kernen für die Gaswechselkanäle in die Kokillengussform gelegt und eingegossen. Das in den Fig. 9 bis Fig. 14 dargestellte Stecksystem der Stützstruktur 4 erleichtert das Einsetzen in die Kokillengussform.
Die Gasseite des Zylinderkopfes 1 kann im Rahmen der konstruktiven Möglichkeiten der Ventilverkippung als Kugelkalotte ausgeführt sein. Die Aluminiumlegierung der Außenstruktur 2 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Sie hat die notwendigen Gefügeeigenschaften ohne Wärmebehandlung, welche wegen der Eingusslösung zu vermeiden ist. Daher handelt es sich idealerweise um niedrig legiertes Aluminium mit möglichst homogener Struktur ohne innere Kerben und mit möglichst hoher Bruchdehnung.
Das aus Stahl oder Kugelgraphit bestehende Eingussstück 4 hat die Form eines Fachwerkes, dessen Form sich an den Notwendigkeiten der Gaswechselkanäle orientiert. Es ist möglich, die Ventilsitzringe mitzugießen. Auch Schraubenpfeifen können integriert werden. Weiters ist eine Unterstützung der Injektorauflage in das Eingussstück 4 integrierbar.
Die Kombination aus Außenstruktur 2 und Stützstruktur 3 erfüllt die an unterschiedlichen Orten auftretenden extremen Anforderungen primär durch die entsprechende Wahl der Werkstoffe und durch eine entsprechende Formgebung der Stützstruktur 3, bzw. der Brennraumbegrenzungen. Sie ist daher wesentlich besser geeignet, extreme Lasten zu ertragen, als homogene Bauteile aus Gusseisen, das die thermische Belastung nicht erträgt oder aus Aluminiumlegierungen, die mit der Steifigkeit und Schwingfestigkeit nicht auf hinreichendem Niveau sind.
Der in Fig. 13 und Fig. 14 dargestellte Zylinderkopf 101 aus Grauguss für eine Hubkolbenmaschine, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, weist zumindest eine in einen Brennraum 108 mündende Gaswechselöffnung 102 für einen Gaswechselkanal 103 auf, welche durch ein Hubventil 104 erschließbar ist. Das Hubventil 104 sitzt im geschlossenen Zustand auf einem durch den Zylinderkopf 101 selbst gebildeten Ventilsitz 105 auf. Der Ventilsitz 105 ist durch einen lokalen Laser-Umschmelzvorgang gehärtet, wobei das Gussgefüge 106 im Bereich des Ventilsitzes 105 auf Schmelztemperatur gebracht wird. Vor dem eigentlichen Umschmelzvorgang wird der Zylinderkopf 101 auf eine Vorwärmtemperatur (ca. 3000C) des jeweiligen Werkstoffes erwärmt, um die Neigung zum Verziehung, sowie die Rissgefahr zu reduzieren. Durch rasches Abkühlen entsteht in der Um- schmelzzone aus der Schmelze ein ledeburitisches Gefüge. Dadurch ergibt sich im Ventilsitzbereich 105 eine defektfreie, fein strukturierte Umschmelzschicht mit hoher Härte (500-600 Hv 5) und guter Duktilität, welche einen hohen Widerstand gegen Verschleiß und gegen Ermüdung aufweist.
Um die beim Umschmelzen entstehende Deformation, sowie Welligkeit ausgleichen zu können, ist eine Zugabe 107 zu berücksichtigen, die dann nach dem Umschmelzen beispielsweise gemeinsam mit der Ventilführung bearbeitet werden.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine in Leichtbauweise mit zumindest einem in eine Außenstruktur (2) eingegossenen Eingussstück (4), wobei Außenstruktur (2) und Eingussstück (4) aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eingussstück (4) eine Stützstruktur (3) bildet und zumindest einen Schraubenbut- zen (5) zur Aufnahme einer Zylinderkopfschraube ausbildet.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) pro Zylinder (20) zumindest einen vorzugsweise zentralen Einsatz (6) zur Aufnahme eines in den Brennraum mündenden Bauteiles ausbildet.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schraubenbutzen (5) miteinander über zumindest eine vorzugsweise normal zu den Butzenachsen (5a) angeordnete erste Verstrebung (8) verbunden sind.
4. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schraubenbutzen (5) mit dem Einsatz (6) über zumindest eine zweite Verstrebung (9) verbunden ist, wobei vorzugsweise die Verstrebung mit der Butzenachse (5a) und der Einsatzachse (6a) einen Winkel (α) <90°, vorzugsweise <60° einschließt.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenbutzen (5) und/oder der Einsatz (6) als zylindrische Hülse ausgebildet ist.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (6) von der Gasseite des Feuerdeckes (17) durch die Außenstruktur (2) getrennt ist.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Einsatz (6) ein Butzen (16) zur Aufnahme einer Schraube einer Injektorverschraubung angegossen ist.
8. Zylinderkopf (1) nach einem Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenbutzen (5) jedes Zylinders (20) im Bereich des Feuerdeckes (17) durch eine vorzugsweise ringförmige dritte Verstrebung (11) miteinander verbunden sind, wobei besonders vorzugsweise die dritte Verstrebung (11) - im Grundriss betrachtet - im Bereich der Zylinderkopf- dichtung angeordnet ist und im Wesentlichen der Kontur der Zylinderkopfdichtung nachgeformt ist.
9. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) zumindest eine Aufnahme (10) für eine Ventilführung eines Gaswechselventils ausbildet, wobei vorzugsweise die Aufnahme (10) mit dem Schraubenbutzen (5) oder dem Einsatz (6) verbunden ist.
10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflage für eine Ventilfeder des Gaswechselventils in die Aufnahme (10) integriert ist.
11. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Aufnahme (10) für eine Ventilführung in die erste oder zweite Verstrebung (8, 9) integriert ist.
12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) mehrteilig ausgeführt ist und vorzugsweise ein Zylinderelement (19) pro Zylinder (20) aufweist.
13. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Zylinderelemente (19) benachbarter Zylinder (20) vorzugsweise über Steckverbindungen miteinander verbindbar sind.
14. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zylinderelement (19) zwei über eine erste Verstrebung (8) miteinander verbundene Schraubenbutzen (5), sowie pro Schraubenbutzen (5) jeweils eine weitere erste Verstrebung (8) aufweist, wobei die beiden weiteren ersten Verstrebungen (8) mit den Schraubenbutzen (5) eines benachbarten Zylinderelementes (19) verbindbar, vorzugsweise auf die Schraubenbutzen (5) aufsteckbar, sind.
15. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Verstrebung (8) zumindest eines Zylinders (20) auf die Schraubenbutzen (5) des Zylinders (20) aufsteckbar ist.
16. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenstruktur (2) aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, oder einer Kupferlegierung besteht.
17. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) aus Stahlt oder aus Grauguss, vorzugsweise mit Kugelgraphit, besteht. - 2 -
18. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) die Form eines Fachwerkes aufweist.
19. Zylinderkopf (101) aus Grauguss für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer in einen Brennraum (108) mündenden Öffnung (102) für einen Gaswechselkanal (103), welche durch ein Hubventil (104) verschließbar ist, wobei das Hubventil (104) im geschlossenen Zustand auf einen durch den Zylinderkopf (101) gebildeten Ventilsitz (105) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgefüge (106) im Bereich des Ventilsitzes (105) durch einen Umschmelzvorgang, vorzugsweise durch einen Laser-Umschmelzvorgang, gehärtet ist.
20. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopf (101) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgefüge (106) im Bereich des Ventilsitzes (105) umgeschmolzen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgefüge (106) vor dem Umschmelzvorgang auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, wobei vorzugsweise die Vorwärmtemperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur des Gusswerkstoffes des Zylinderkopfes (101) liegt.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen des Gussgefüges (106) durch einen Laserumschmelz- vorgang erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeschmolzene Gussgefüge (106) beschleunigt abgekühlt wird, so dass ein ledeburitisches Gefüge entsteht.
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