EP2024116B1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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EP2024116B1
EP2024116B1 EP07718459A EP07718459A EP2024116B1 EP 2024116 B1 EP2024116 B1 EP 2024116B1 EP 07718459 A EP07718459 A EP 07718459A EP 07718459 A EP07718459 A EP 07718459A EP 2024116 B1 EP2024116 B1 EP 2024116B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder head
screw
cylinder
bracing
insert
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07718459A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2024116A2 (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
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    • 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 Einguss founded, wherein outer structure and sprue made of different materials, wherein at least one sprue forms a support structure and at least one directionalenbutzen for receiving a cylinder head screw is formed.
  • 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 ° 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.
  • the EP 0 262 240 A1 describes a cylinder head having a bottom plate and a separately manufactured upper part, which are releasably connected to each other.
  • 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.
  • the DE 31 00 755 A1 describes a cylinder head for an internal combustion engine having 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.
  • 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.
  • the sprue per cylinder has at least one preferably central insert, which can serve for receiving a component opening into the combustion chamber.
  • the screw neck 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 receive 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 infusion consists of a truss-like frame, which is formed by the screw heads for the cylinder head bolts and is integrated in the over the oblique third braces of the central insert.
  • the second braces between the screw shanks 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 second and third braces support the gas exchange channels.
  • the first strut is annular, wherein preferably the first strut - viewed in plan view - is arranged in the region of the cylinder head gasket and is substantially reshaped to the contour of the cylinder head gasket.
  • the contour of the first 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 second or third bracing.
  • 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 over a second strut interconnected ringenbutzen, and each screw jack each have a second second strut, the two other second struts with the screw neck of an adjacent cylinder element connectable, preferably attachable to the screw neck, are.
  • the casting per cylinder has an annular first strut, wherein the annular first strut connectable to the screw neck of the respective cylinder, preferably attachable to the screw neck, is.
  • the first 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 is made of a material having a high modulus of elasticity 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 ° 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.
  • 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, in 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.
  • annular first struts 11 are provided, which connect the screw 5 with each other.
  • the fferenbutzen 5 are connected to each other via normal to the Butzenachsen 5a second Versttrebitch 8.
  • Third braces 9 connect the screw 5 with the insert 6. These third braces 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. In the exemplary embodiment, the obliquely inclined in the direction of fire deck third struts 9 also recordings 10 for valve guides. At each insert 6 a slug 16 is cast, which has a screw 16a for a clamping screw of a Injektorverschraubung.
  • the Einguss committee 4 consists in the embodiment per cylinder 20 of a cylinder member 19, and an annular first strut 11 in the fire deck 17. These two castings per cylinder 20 form into each other inserted by periodic continuation of the gate 4. In addition, as a conclusion of the cylinder head end of two screw 5 and a second Bracing 8 existing end piece 21 is provided, which in Fig. 11 is shown.
  • Each cylinder element 19 consists of at least two screw jack 5 and at least three second struts 8. Further, the cylinder member 19 may have an insert 6 and third struts 9, as in the FIG. 9 to FIG. 14 is shown.
  • the second and first struts 8, 11 have annular lugs 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 second strut 8 can be connected via the web 8a with the slug 16 of the insert 6.
  • 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. That in the FIG. 9 to FIG. 14 illustrated plug-in system of the support structure 4 facilitates insertion into the chill 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • 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, wobei zumindest ein Eingussstück eine Stützstruktur bildet und zumindest einen Schraubenbutzen zur Aufnahme einer Zylinderkopfschraube ausbildet.
  • 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 400°C). 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 A1 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 A1 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 A1 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.
  • Weiters ist aus der DE 10 2004/053362 A1 ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem eine Außenstruktur eingegossenen Eingussstück bekannt. Das Eingussstück bildet eine Stützstruktur aus und weist Schraubenbutzen für Zylinderkopfschrauben auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Zylinderkopf zu schaffen, welcher hohe Schwingfestigkeit und hohe thermische Wechselbeständigkeit aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Schraubenbutzen jedes Zylinders im Bereich des Feuerdeckes durch eine erste Verstrebung miteinander verbunden sind. 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 dritte 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 Injektorverschraubung 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 dritten Verstrebungen der zentrale Einsatz eingebunden ist. Die zweiten 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 zweiten und dritten Verstrebungen stützen die Gaswechselkanäle.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Verstrebung ringförmige ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die erste Verstrebung - im Grundriss betrachtet - im Bereich der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist und im Wesentlichen der Kontur der Zylinderkopfdichtung nachgeformt ist. Die Kontur der ersten 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 zweite oder dritte 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 zweite Verstrebung miteinander verbundene Schraubenbutzen, sowie pro Schraubenbutzen jeweils eine weitere zweite Verstrebung auf, wobei die beiden weiteren zweiten 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 erste Verstrebung aufweist, wobei die ringförmige erste Verstrebung mit den Schraubenbutzen des jeweiligen Zylinders verbindbar, vorzugsweise auf die Schraubenbutzen aufsteckbar, ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die erste 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 Elastizitätsmodul 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, sondern 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. 300°C) des Gusswerkstoffes vorgewärmt wird. Der Umschmelzvorgang wird bevorzugt in einem Laser-Umschmelzvorgang 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 Oberflächenwelligkeiten 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 und
    Fig. 12
    eine erste Verstrebung in einer Schrägansicht.
  • 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. Im Bereich des Feuerdeckes 17 sind der jeweiligen Kontur der Zylinderkopfdichtung nachgeformte ringförmige erste Verstrebungen 11 vorgesehen, welche die Schraubenbutzen 5 miteinander verbinden. Die Schraubenbutzen 5 sind über normal zu den Butzenachsen 5a ausgebildete zweite Versttrebungen 8 miteinander verbunden. Dritte Verstrebungen 9 verbinden die Schraubenbutzen 5 mit dem Einsatz 6. Diese dritten 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 dritten 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.
  • Das Eingussstück 4 besteht im Ausführungsbeispiel pro Zylinder 20 aus einem Zylinderelement 19, sowie einer ringförmigen ersten 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 Abschluss am Zylinderkopfende ein aus zwei Schraubenbutzen 5 und einer zweiten Verstrebung 8 bestehendes Abschlussstück 21 vorgesehen, welches in Fig. 11 gezeigt ist.
  • Jedes Zylinderelement 19 besteht aus zumindest zwei Schraubenbutzen 5 und zumindest drei zweiten Verstrebungen 8. Weiters kann das Zylinderelement 19 einen Einsatz 6 und dritte Verstrebungen 9 aufweisen, wie in den Fig. 9 bis Fig. 14 gezeigt ist. Die zweiten und ersten 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 zweite 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 Außenstruktur 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.

Claims (18)

  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, wobei zumindest ein Eingussstück (4) eine Stützstruktur (3) bildet und zumindest einen Schraubenbutzen (5) zur Aufnahme einer Zylinderkopfschraube ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenbutzen (5) jedes Zylinders (20) im Bereich des Feuerdeckes (17) durch eine erste Verstrebung (11) miteinander verbunden sind.
  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 zweite 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 dritte 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 erste Verstrebung (11) ringförmig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die erste Verstrebung (11) - im Grundriss betrachtet - im Bereich der Zylinderkopfdichtung 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 zweite oder dritte 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 zweite Verstrebung (8) miteinander verbundene Schraubenbutzen (5), sowie pro Schraubenbutzen (5) jeweils eine weitere zweite Verstrebung (8) aufweist, wobei die beiden weiteren zweiten 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 erste 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 Stahl oder aus Grauguss, vorzugsweise mit Kugelgraphit, besteht.
  18. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) die Form eines Fachwerkes aufweist.
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