EP3789599A1 - Thermisch und/oder mechanisch beanspruchte bauteilwandung eines fluid- und/oder gasführenden bauteils, insbesondere eines zylinderkopfs einer brennkraftmaschine - Google Patents

Thermisch und/oder mechanisch beanspruchte bauteilwandung eines fluid- und/oder gasführenden bauteils, insbesondere eines zylinderkopfs einer brennkraftmaschine Download PDF

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EP3789599A1
EP3789599A1 EP20199756.6A EP20199756A EP3789599A1 EP 3789599 A1 EP3789599 A1 EP 3789599A1 EP 20199756 A EP20199756 A EP 20199756A EP 3789599 A1 EP3789599 A1 EP 3789599A1
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EP
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crack
component wall
component
cylinder head
starter
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Hans Müller
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MAN Truck and Bus SE
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MAN Truck and Bus SE
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    • 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
    • F02F2001/248—Methods for avoiding thermal stress-induced cracks in the zone between valve seat openings

Definitions

  • the invention relates to a thermally and / or mechanically stressed component wall of a fluid-carrying and / or gas-carrying component, in particular a cylinder head of an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • the webs between the valves are particularly critical areas where cracks occur during engine operation, extending into an adjacent cooling water space can tear through. Cooling water then escapes through such cracks into the combustion chamber, which can lead to water vapor in the exhaust gas.
  • the combustion chamber can also fill up with coolant, which can lead to a water hammer when the internal combustion engine is restarted. A tear in the web area of a cylinder head ultimately leads to a malfunction and failure of the internal combustion engine.
  • crack area at which a crack can develop can extend over a relatively large area.
  • the above known crack stopper measures are therefore expensive, with in particular cast-in crack stoppers requiring a correspondingly large spatial extent for their function and are to be arranged close to the surface. This can lead to thermal problems in the surface area of a cylinder head facing the combustion chamber in the vicinity of a crack stopper.
  • the object of the invention is to design a thermally and / or mechanically stressed component wall of a fluid-carrying or gas-carrying component, in particular in the web area of a cylinder head of an internal combustion engine, so that cracks can be effectively stopped in a targeted manner with little effort.
  • a crack starter is provided on the outside of the wall, which forms a defined localized crack starting point so that locally uncontrolled crack formation and crack propagation can be prevented.
  • a crack stopper can be used to coordinate them.
  • a crack formation is thus injected specifically by the crack starter, whereby the crack propagation direction is specified from there and the crack can then be stopped in the deeper wall area, in particular in the web area of a cylinder head, by means of a crack stopper with an adapted small spatial extent.
  • a tear can thus be reliably avoided with reduced effort and a reduced crack stopper expansion.
  • the crack stopper can advantageously be arranged deep in the component wall, in particular in a cylinder head web area, preferably at 40% to 95% depth of the component wall. Since the start of a crack cannot be predicted in a defined manner in the state of the art, crack stoppers are only arranged up to about 20% in the component depth. This is also part of the state of the art Crack start area (length) to crack stopper ratio at 1: 1.2 to 1: 1.5. According to the invention, the ratio is 1: 2 to 1: 6. This is due to the fact that the casting defects have a relatively greater influence on this ratio.
  • the invention can be used particularly advantageously in the area of the cylinder head web that is subject to high thermomechanical loads and is at risk of cracking, the crack starter preferably running on the outside of the wall on the valve web between the valve seats.
  • the crack starter can, depending on the structural conditions and load conditions, run continuously over its entire length or in regions or at certain points and / or be formed by material weakening with geometric measures and / or by material property measures.
  • the crack starter can be designed as a geometric predetermined crack point in the form of a notch.
  • a geometric predetermined crack point in the sense of a crack starter can be formed for this purpose by cutting (for example milling) or reshaping (for example embossing) or primary forming (casting) processes.
  • material can optionally be vaporized, in particular by means of an electron beam and / or a laser beam.
  • a crack starter by melting the material in particular by means of an electron beam and / or by means of a laser beam and / or by means of induction heating, is also possible.
  • a notch as a crack starter can also be pre-cast or poured in, whereby additional elements can also advantageously be used depending on the circumstances.
  • Suitable crack starters are made with a sprue Metal / alloy and / or ceramics and / or glass and / or other materials can be produced, with such a cast-in part not or possibly only welded on one side or inadequately so that there is a targeted material weakening for a crack start. Furthermore, this can be achieved by melting down only partially welded wire and / or partially welded platelets and / or partially welded powder.
  • Well-welded materials are also possible if they have different physical properties, such as thermal conductivity and / or thermal expansion, than the base material.
  • a crack starter can alternatively or additionally be formed by targeted material embrittlement.
  • a structure made of ledeburite with a notch effect can be created by melting material and rapid cooling, in particular by self-quenching through a high residual mass or through quenching media.
  • a notch effect in connection with material melting can also be achieved in cast iron materials through hardening and the creation of a martensite and / or bainite structure.
  • the crack starter can be embossed as a notch on GS (cast steel), GJS (cast iron with spheroidal graphite), GJV (cast iron with vermicular graphite) or an aluminum alloy as the cylinder head material.
  • GS, GJS, GJV, GJL cast iron with lamellar graphite
  • an aluminum alloy a notch can also be machined or reworked.
  • the crack propagation direction is determined by the thermomechanical stress, which usually drives the crack in the direction of the opposite side of the cylinder head combustion chamber surface.
  • the crack stopper is now at a relatively large distance from the cylinder head combustion chamber surface.
  • the crack stopper can thus be achieved by removing material using the usual machining processes, such as drilling, milling, sawing, grinding, or by melting or evaporation.
  • Such a cavity can optionally be filled with a highly conductive solid, in particular a copper rod or a thermally conductive powder, in particular a copper powder. In this way, in normal operation, heat conduction is achieved despite the crack stopper and the thermal conditions are less influenced as a result.
  • a crack stopper by separating the cylinder head material can also be sufficient, which can be achieved by pouring in material that does not weld to the cylinder head material at least on the side facing the crack and thus cannot transmit any forces, which prevents crack propagation.
  • a construction that exerts little or no tensile stress in the surrounding cylinder head material is also advantageous. Preference is given here to material that is either placed in the casting mold in the hot state, is hollow on the inside and / or is plastically deformed by the shrinkage stresses of the cooling cylinder head material, with crack stoppers advantageously not or only partially welded materials and / or from one to one welding Preventing separating layer surrounding material and / or ceramic material and / or glass material and / or other materials can be used.
  • the crack starter is spaced from the crack stopper by the material through which the crack develops.
  • crack propagation can be anticipated by extending the crack starter notch to the crack stopper.
  • two or more crack stoppers assigned to a crack starter can be arranged one above the other in the component wall. In a valve web area of a cylinder head, two or more crack stoppers are then arranged at different distances from the surface facing a combustion chamber.
  • a first crack stopper viewed in the vertical axis direction, can be arranged above a valve seat insert and a second crack stopper below the valve seat insert above a water space. If these two crack stoppers are designed as bores, the first crack stopper is sealed by the valve seat rings, while the second crack stopper has to be closed with plugs in order to prevent the passage of gas through the individual channels.
  • the crack stopper can run as a bore in a straight line at the smallest distance between two adjacent valve seats in the valve web and / or run vertically below the crack starter.
  • the crack starter then runs as a notch parallel to it or in an arc and / or optionally offset to the smallest distance.
  • a specific cooling medium deflection can be provided there, for example by means of a higher volume flow of the cooling medium.
  • Such a cooling medium deflection can take place in the cylinder head and / or can also take place in the cylinder head and / or on the injector receiving sleeve through walls, as a result of which the cooling medium is directed directly onto the area around the stopper.
  • a preferred application of the invention is in a cylinder head web area of an internal combustion engine, but the invention can generally be used on thermomechanically stressed component walls.
  • the invention can also be used advantageously on a tubular exhaust duct of an internal combustion engine, in particular an exhaust manifold.
  • the operationally hot exhaust gases in the exhaust duct can also result in areas at risk of cracking, where a crack can be reliably prevented with a combination of crack starter and crack stopper.
  • a method for producing a component wall according to the invention with a crack starter and crack stopper is also claimed.
  • Fig. 1 a plan view of a partial area of a cylinder head 1 of an internal combustion engine in the area of two adjacent valve seats 2, 3 is shown.
  • a notch 4 is attached to the top of the web wall 5, the notch 4 being slightly displaced with respect to the smallest valve seat spacing.
  • a hole 6 runs as a crack stopper parallel to the web wall surface within the web wall 5 as a connection between the valve seats 2, 3 below the notch. For better visibility, the valve seats of all figures are drawn without seat rings.
  • Fig. 2 shows an alternative second arrangement of a combination of crack starters and crack stoppers: To do this shows Fig. 2 a perspective top view of a portion of a four-valve cylinder head 1 with four valve seats 3a, 3b, 3c, 3d.
  • a notch 4a, 4b, 4c, 4d is arranged here as a crack starter in the valve web areas at the smallest valve seat spacing.
  • the crack stoppers are located as bores 6a, 6b, 6c, 6d as in FIG Fig. 1 offset downwards to the notches 4a, 4b, 4c, 4d in the web wall 5 at the smallest valve seat spacing.
  • the bores 6a, 6b, 6c, 6d as crack stoppers are each arranged above bearing surfaces 7 for valve seat rings (not shown) and above water spaces 8.
  • FIG. 13 is a third embodiment of an arrangement of a crack starter as a notch 4e and of two bores 6e and 6f as a crack stopper based on a section corresponding to the cutting area A in FIG Fig. 2 shown.
  • the notch 4e runs as a crack starter on the surface of the web wall 5 on smallest valve seat distance.
  • the first bore 6e as the first crack starter also runs parallel to the notch 4e in the web wall 5 at the smallest valve seat spacing just above the bearing surfaces 7 for the valve seat rings. Since gas exchange between the valve seats must be prevented, in the case of bore 6e (as in the case of bore 6b in FIG Fig.
  • a seal is made by the respective adjacent valve seat rings.
  • the further bore 6f as a second crack stopper is arranged in the web wall 5 parallel to the first bore 6e below the bearing surfaces 7 but above the water space 8. Sealing can be achieved here by stoppers or other closures. Such stoppers or closures, however, must not provide a force fit and / or form fit to such an extent that a crack could continue as a result. If, with this arrangement, a crack has run through starting from the crack starter as a notch 4e to the first crack stopper corresponding to the first bore 6e, it should regularly be stopped from further spreading there. In the event of a further heavy load with a further crack formation, the hole 6e then serves as a crack starter for a second subsequent crack, which then starts from here in a defined manner and is intercepted with the second crack stopper as hole 6f.
  • Fig. 2 shown. Similar to the third embodiment in FIG Fig. 3 Here the crack starter 4f and the two crack stoppers 6g and 6h lie parallel on top of each other at the smallest valve seat distance.
  • the notch 4f as a crack starter is continued down to the first crack stopper as a bore 6g.
  • This first crack stopper with the bore 6g already brings about a considerable reduction in the notch stress and is only to be regarded as a quasi crack stopper, because the solid notch 4f a first crack is already given.
  • the second bore 6h then has the function of the crack stopper.
  • the notch here continued diagonally up to the stopper can, as it were, dictate an inclined course of the crack.
  • a crack starter / crack stopper combination is shown in a further fifth embodiment Fig. 5 on a tubular exhaust duct 9 of an internal combustion engine.
  • the notch 4g as a crack starter can be produced, for example, in that a wedge-shaped bulge is present on the casting core of the exhaust gas duct, in particular when such an area is not accessible for machining.
  • the crack stopper as an insert 11 can be formed by a cast but not welded sheet steel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermisch und/oder mechanisch beanspruchte Bauteilwandung (5) eines fluidführenden und/oder gasführenden Bauteils, in Form eines Zylinderkopfs (1) einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem durch die Beanspruchung rissgefährdeten Bereich, in dem sich betriebsbedingt von der Wandaußenseite her ein Riss in die Bauteilwandung (5) hinein ausbildet, und mit wenigstens einem Rissstopper (6), der in der Bauteilwandung (5) im Rissverlauf angeordnet ist und eine weitere Rissausbreitung, insbesondere durch die Bauteilwandung (5) hindurch in kritische Bauteilbereiche (8), verhindert. Im rissgefährdeten Bereich (5; 10) an der Wandaußenseite ist dabei ein Rissstarter (4) vorgesehen, der eine definiert lokalisierte Rissausgangsstelle bildet, so dass eine lokal unkontrollierte Rissausbildung und Rissausbreitung verhindert wird. Ferner ist das Bauteil ein Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine und die beanspruchte Bauteilwandung ein Ventilsteg (5) zwischen benachbarten Ventilsitzen (3), wobei vorgesehen ist, dass der Rissstarter (4) wandaußenseitig am Ventilsteg (5) zwischen den Ventilsitzen (3) verläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermisch und/oder mechanisch beanspruchte Bauteilwandung eines fluidführenden und/oder gasführenden Bauteils, insbesondere eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bekannt, dass Bauteilwandungen fluidführender oder gasführender Bauteile, die unter thermischer oder thermomechanischer Beanspruchung stehen, zu Rissbildungen neigen. In an sich bekannter Weise lässt sich die Rissneigung durch massive Konstruktionen und/oder Dehnfugen und/oder eine Herabsetzung der Temperaturbeaufschlagung reduzieren. Speziell im Motorenbau sind diese Maßnahmen aber nur bedingt einsetzbar: einer Massivbauweise sind aufgrund der Gewichts- und Kostensituation enge Grenzen gesetzt. Auch die thermische Beaufschlagung lässt sich praktisch nicht verringern, da die betriebsmäßige Verbrennung in einer Brennkraftmaschine aus thermodynamischen Gründen bei hoher Temperatur gefahren wird. Auch die hohe Literleistung heutiger Brennkraftmaschinen bedingt eine hohe thermische Beaufschlagung, wobei insbesondere ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine hohen thermomechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Bekanntermaßen sind dabei die Stege zwischen den Ventilen besonders kritische Bereiche an denen im motorischen Betrieb Risse entstehen, die bis in einen angrenzenden Kühlwasserraum durchreißen können. Durch solche Risse entweicht dann Kühlwasser in den Brennraum, was zu Wasserdampf im Abgas führen kann. Bei großen Rissen kann bei Motorstillstand auch der Verbrennungsraum mit Kühlflüssigkeit volllaufen, was zu einem Wasserschlag beim Wiederstarten der Brennkraftmaschine führen kann. Ein Durchriss im Stegbereich eines Zylinderkopfs führt letztendlich zu einer Fehlfunktion und einem Ausfall der Brennkraftmaschine.
  • Es ist bereits bekannt, eine Rissausbreitung in einer solchen thermomechanisch beanspruchten Bauteilwandung, insbesondere ein Durchlaufen eines Risses in kritische Bereiche, speziell im Zylinderkopfstegbereich einer Brennkraftmaschine durch einen sogenannten Rissstopper zu verhindern. Beispielsweise sind als Rissstopper Einlagen bekannt, die im Zylinderkopfstegbereich als eingegossene Bleche dicht unter der Brennraumoberfläche und parallel zu dieser eingegossen sind ( DE 28 47 249 C2 ). Weiter sind solche Stegeinlagen bekannt ( DE 35 24 776 A1 ), bei denen ein Material mit gleicher bzw. annähernd gleicher Wärmedehnung wie das Zylinderkopfmaterial verwendet ist, um eine mechanische Belastung des Zylinderkopfbodens zu verringern und eine Rissbildung zu vermeiden.
  • Das Rissgebiet, an dem ein Riss entstehen kann (Rissstart) kann sich über eine relativ große Fläche erstrecken. Die vorstehenden bekannten Rissstopper-Maßnahmen sind daher aufwendig, wobei insbesondere eingegossene Rissstopper für ihre Funktion eine entsprechend große räumliche Ausdehnung erfordern und nahe an der Oberfläche anzuordnen sind. Dies kann zu thermischen Problemen am zum Brennraum weisenden Oberflächenbereich eines Zylinderkopfs im Nahbereich eines Rissstoppers führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermisch und/oder mechanisch beanspruchte Bauteilwandung eines fluidführenden oder gasführenden Bauteils, insbesondere im Stegbereich eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine, so auszubilden, dass ein wirksames Abstoppen von Rissen gezielt mit geringem Aufwand möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im rissgefährdeten Bereich einer Bauteilwandung an der Wandaußenseite ein Rissstarter vorgesehen ist, der eine definiert lokalisierte Rissausgangsstelle bildet, so dass damit eine lokal unkontrollierte Rissausbildung und Rissausbreitung verhindert werden kann. Durch eine solche Kombination eines definierten Rissstarters und eines Rissstoppers können diese aufeinander abgestimmt werden. Eine Rissentstehung wird somit gezielt durch den Rissstarter injiziert, wodurch von dort ausgehend die Rissfortschrittsrichtung vorgegeben wird und der Riss dann im tieferen Wandbereich, insbesondere im Stegbereich eines Zylinderkopfs durch einen Rissstopper mit angepasster geringer räumlicher Ausdehnung gestoppt werden kann. Damit kann mit reduziertem Aufwand und einer reduzierten Rissstopperausdehnung ein Durchriss sicher vermieden werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Kombination Rissstarter/Rissstopper kann der Rissstopper vorteilhaft tief in der Bauteilwandung, insbesondere in einem Zylinderkopfstegbereich, vorzugsweise in 40 % bis 95 %iger Tiefe der Bauteilwandung angeordnet werden. Da im Stand der Technik ein Rissstart nicht definiert vorhersehbar ist, werden dort Rissstopper nur bis zirka 20 % in der Bauteiltiefe angeordnet. Im Stand der Technik liegt zudem das Rissstartbereich-(Länge)-zu Rissstopper-Verhältnis bei 1:1,2 bis 1:1,5. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis 1:2 bis 1:6. Dies ist dadurch bedingt, dass die Gussfehler einen relativ größeren Einfluss auf dieses Verhältnis haben.
  • Besonders vorteilhaft ist die Erfindung im thermomechanisch hochbelasteten, rissgefährdeten Zylinderkopfstegbereich einsetzbar, wobei der Rissstarter bevorzugt wandaußenseitig am Ventilsteg zwischen den Ventilsitzen verläuft.
  • Der Rissstarter kann dabei je nach den konstruktiven Gegebenheiten und Belastungsgegebenheiten über seine gesamte Länge durchgehend oder bereichsweise oder punktuell verlaufen und/oder durch Materialschwächungen mit geometrischen Maßnahmen und/oder durch Materialeigenschaftsmaßnahmen gebildet werden.
  • Konkret kann dazu der Rissstarter als geometrische Sollrissstelle in der Art einer Kerbe ausgeführt sein. Insbesondere kann dazu durch spanende (zum Beispiel Fräsen) oder umformende (zum Beispiel Prägen) oder urformende (Gießen) Verfahren eine geometrische Sollrissstelle im Sinne eines Rissstarters ausgebildet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer mechanischen Entfernung von Material mit einem spanenden Verfahren kann gegebenenfalls Material insbesondere mittels Elektronenstrahl und/oder mittels Laserstrahl verdampft werden. Ebenso ist gegebenenfalls ein Rissstarter durch Materialaufschmelzen insbesondere mittels Elektronenstrahl und/oder mittels Laserstrahl und/oder mittels Induktionserhitzung möglich.
  • Eine Kerbe als Rissstarter kann auch vorgegossen oder eingegossen werden, wobei auch Zusatzelemente vorteilhaft je nach den Gegebenheiten verwendet werden können. Geeignete Rissstarter sind mit einem Eingussteil aus Metall/Legierung und/oder Keramik und/oder Glas und/oder sonstige Materialien herstellbar, wobei ein solches Eingussteil nicht oder gegebenenfalls nur einseitig oder mangelhaft verschweißt ist, so dass eine gezielte Materialschwächung für einen Rissstart vorliegt. Weiter kann dies durch Einschmelzen von nur teilverschweißendem Draht und/oder teilverschweißenden Plättchen und/oder teilverschweißendem Pulver erreicht werden. Gut verschweißte Materialien sind auch möglich, wenn diese andere physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmedehnung haben als das Grundmaterial.
  • Weiter kann ein Rissstarter alternativ oder zusätzlich durch eine gezielte Materialversprödung ausgebildet werden. Beispielsweise kann bei Eisengusswerkstoffen durch Aufschmelzen von Material und schnelles Abkühlen ein Gefüge aus Ledeburit mit einer Kerbwirkung erzeugt werden, insbesondere durch Selbstabschreckung durch eine hohe Restmasse oder durch Abschreckmedien. Eine Kerbwirkung in Verbindung mit einem Materialaufschmelzen kann bei Eisengusswerkstoffen auch durch Härten und der Erzeugung eines Gefüges Martensit und/oder Bainit erreicht werden. Mit einer einfachen Maßnahme kann der Rissstarter als Kerbe bei GS (Stahlguss), GJS (Gusseisen mit Kugelgraphit), GJV (Gusseisen mit vermicularem Graphit) oder einer Aluminiumlegierung als Zylinderkopfmaterial geprägt werden. Bei GS, GJS, GJV, GJL (Gusseisen mit lamellarem Graphit) oder einer Aluminiumlegierung kann eine Kerbe auch spanend erzeugt oder nachbearbeitet werden.
  • Ausgehend vom Rissstarter ist die Rissfortschrittsrichtung durch die thermomechanische Beanspruchung vorgegeben, welche den Riss üblicherweise in Richtung der gegenüberliegenden Seite der Zylinderkopfbrennraumoberfläche treibt. Hier nun in relativ großem Abstand zur Zylinderkopfbrennraumoberfläche befindet sich der Rissstopper. Der Rissstopper wird so ausgeführt, dass der Riss kein Material mehr vorfindet, worin noch ein Rissfortschritt stattfinden kann. Der Rissstopper kann somit durch eine Materialentfernung mit den üblichen spanabhebenden Verfahren, wie Bohren, Fräsen, Sägen, Schleifen oder durch Ausschmelzen oder Verdampfen erreicht werden. Ein solcher Hohlraum kann gegebenenfalls durch einen gut leitenden Feststoff, insbesondere einen Kupferstab oder ein wärmeleitendes Pulver, insbesondere ein Kupferpulver verfüllt werden. Damit wird im Normalbetrieb eine Wärmeleitung trotz des Rissstoppers erreicht und die thermischen Verhältnisse werden dadurch weniger beeinflusst.
  • Es kann aber auch ein Rissstopper durch eine Trennung von Zylinderkopfmaterial ausreichen, was durch Eingießen von Material erreichbar ist, das nicht mit dem Zylinderkopfmaterial zumindest an der dem Riss zugewandten Seite verschweißt und somit keine Kräfte übertragen kann, wodurch der Rissfortschritt unterbunden wird. Vorteilhaft ist auch eine Konstruktion, die keine oder wenig Zugspannung im umgebenden Zylinderkopfmaterial ausübt. Bevorzugt ist hier Material, das entweder im heißem Zustand in die Gießform eingelegt wird, innen hohl ist und/oder sich durch die Schrumpfspannungen des abkühlenden Zylinderkopfmaterials plastisch verformt, wobei Rissstopper dazu vorteilhaft nicht oder nur teilweise verschweißende Materialien und/oder von mit einer ein Verschweißen verhindernder Trennschicht umgebendes Material und/oder Keramikmaterial und/oder Glasmaterial und/oder sonstige Materialien verwendet werden.
  • Der Rissstarter ist durch Material, durch das sich der Riss weiterbildet, vom Rissstopper beabstandet. Je nach den Gegebenheiten kann in einer alternativen Ausführungsform ein Rissfortschritt dadurch vorweggenommen werden, dass die Rissstarterkerbe bis zum Rissstopper weitgeführt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform können in der Bauteilwandung zwei oder mehr einem Rissstarter zugeordnete Rissstopper übereinander angeordnet werden. In einem Ventilstegbereich eines Zylinderkopfs sind dann zwei oder mehr Rissstopper in unterschiedlichen Abständen zu der einem Brennraum zugewandten Oberfläche angeordnet.
  • Bei einem Ventilsteg eines Zylinderkopfs kann dazu ein erster Rissstopper, in Hochachsenrichtung gesehen, oberhalb einer Ventilsitzringauflage und ein zweiter Rissstopper unterhalb der Ventilsitzringauflage oberhalb eines Wasserraums angeordnet sein. Wenn diese beiden Rissstopper als Bohrungen ausgeführt sind, wird der erste Rissstopper durch die Ventilsitzringe abgedichtet, während der zweite Rissstopper durch Stopfen verschlossen werden muss, um einen Gasübertritt der einzelnen Kanäle zu verhindern.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Rissstopper als Bohrung geradlinig am geringsten Abstand zwischen zwei benachbarten Ventilsitzen im Ventilsteg verlaufen und/oder senkrecht unterhalb des Rissstarters verlaufen. Der Rissstarter verläuft dann als Kerbe parallel dazu oder bogenförmig und/oder gegebenenfalls versetzt zum geringsten Abstand.
  • Damit im Falle eines Risses und dessen Stopps am Rissstopper dieser Bereich trotz des Risses eine ausreichend Kühlung erfährt und damit die Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine gewährleistet ist, kann dorthin eine gezielte Kühlmediumumlenkung zum Beispiel durch einen höheren Volumenstrom des Kühlmediums vorgesehen werden. Eine solche Kühlmediumumlenkung kann im Zylinderkopf und/oder kann mit in Zylinderkopf und/oder an der Injektoraufnahmehülse durch Wandungen erfolgen, wodurch das Kühlmedium direkt auf den Bereich um den Stopper gelenkt wird.
  • Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht zwar bei einem Zylinderkopfstegbereich einer Brennkraftmaschine, die Erfindung kann jedoch allgemein an thermomechanischen beanspruchten Bauteilwandungen verwendet werden. Insbesondere kann die Erfindung auch vorteilhaft an einem rohrförmigen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Abgaskrümmer verwendet werden. Durch die betriebsmäßig heißen Abgase im Abgaskanal können sich auch hier rissgefährdete Bereiche ergeben, an denen mit einer Kombination aus Rissstarter und Rissstopper ein Durchriss sicher verhindert werden kann.
  • Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bauteilwandung mit Rissstarter und Rissstopper beansprucht.
  • Anhand einer Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform einer Kombination aus Rissstarter und Rissstopper an einem Ventilstegbereich einer Brennkraftmaschine,
    Fig. 2
    eine zweite Ausführungsform einer Kombination Rissstarter und Rissstopper an einem Ventilstegbereich,
    Fig. 3
    eine dritte Ausführungsform einer Kombination aus Rissstarter und Rissstopper an einem Ventilstegbereich,
    Fig. 4
    eine vierte Ausführungsform einer Kombination aus Rissstarter und Rissstopper an einem Ventilstegbereich, und
    Fig. 5
    eine fünfte Ausführungsform einer Kombination aus einem Rissstarter und einem Rissstopper an einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine.
  • In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Teilbereich eines Zylinderkopfs 1 einer Brennkraftmaschine im Bereich zweier benachbarter Ventilsitze 2, 3 gezeigt. Als Risstarter ist eine Kerbe 4 an der Oberseite der Stegwandung 5 angebracht, wobei die Kerbe 4 etwas verschoben gegenüber dem geringsten Ventilsitzabstand liegt. Eine Bohrung 6 verläuft als Rissstopper parallel zur Stegwandoberfläche innerhalb der Stegwandung 5 als Verbindung der Ventilsitze 2, 3 unterhalb der Kerbe. Zur besseren Erkennbarkeit sind die Ventilsitze aller Figuren ohne Sitzringe gezeichnet.
  • Fig. 2 zeigt eine alternative zweite Anordnung einer Kombination von Rissstartern und Rissstoppern:
    Dazu zeigt Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf einen Teilbereich eines Vier-Ventilzylinderkopfs 1 mit vier Ventilsitzen 3a, 3b, 3c, 3d. Im Gegensatz zur Fig. 1 ist hier jeweils eine Kerbe 4a, 4b, 4c, 4d als Rissstarter in den Ventilstegbereichen am geringsten Ventilsitzabstand angeordnet. Die Rissstopper liegen als Bohrungen 6a, 6b, 6c, 6d wie in Fig. 1 nach unten versetzt zu den Kerben 4a, 4b, 4c, 4d in der Stegwandung 5 am geringsten Ventilsitzabstand. Die Bohrungen 6a, 6b, 6c, 6d als Rissstopper sind dabei jeweils oberhalb von Auflageflächen 7 für (nicht dargestellte) Ventilsitzringe und oberhalb von Wasserräumen 8 angeordnet.
  • In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Anordnung eines Rissstarters als Kerbe 4e und von zwei Bohrungen 6e und 6f als Rissstopper anhand eines Schnitts entsprechend dem Schnittbereich A in Fig. 2 dargestellt. Wie in Fig. 2 verläuft die Kerbe 4e als Rissstarter an der Oberfläche der Stegwandung 5 am geringsten Ventilsitzabstand. Ebenso wie in der Ausführung nach Fig. 2 verläuft auch die erste Bohrung 6e als erster Rissstarter parallel zur Kerbe 4e in der Stegwandung 5 am geringsten Ventilsitzabstand kurz über den Auflageflächen 7 für die Ventilsitzringe. Da ein Gasaustausch zwischen den Ventilsitzen verhindert werden muss, kann bei der Bohrung 6e (ebenso wie bei der Bohrung 6b in Fig. 2) eine Abdichtung durch die jeweiligen angrenzenden Ventilsitzringe erfolgen. Die weitere Bohrung 6f als zweiter Rissstopper ist in der Stegwandung 5 parallel zur ersten Bohrung 6e unterhalb der Auflageflächen 7 jedoch oberhalb des Wasserraums 8 angeordnet. Ein Abdichten kann hier durch Stopfen oder sonstige Verschlüsse erreicht werden. Durch solche Stopfen bzw. Verschlüsse darf aber kein Kraft- und/oder Formschluss so weit gegeben sein, dass dadurch ein Riss weiterlaufen könnte. Wenn bei dieser Anordnung ein Riss ausgehend vom Rissstarter als Kerbe 4e bis zum ersten Rissstopper entsprechend der ersten Bohrung 6e durchgelaufen ist, soll er dort regelmäßig an einer weiteren Ausbreitung gestoppt werden. Bei einer weiteren starken Beanspruchung mit einer weiteren Rissausbildung dient dann hier die Bohrung 6e als Rissstarter für einen zweiten anschließenden Riss, der dann definiert von hier ausgeht und mit dem zweiten Rissstopper als Bohrung 6f abgefangen wird.
  • In Fig. 4 ist in einer vierten Ausführungsform eine weitere alternative Anordnung einer Kerbe 4f als Rissstarter in Kombination mit zwei Bohrungen 6g, 6h als zwei Rissstopper an einem Stegwandbereich 5 entsprechend dem Bereich B aus Fig. 2 dargestellt. Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform in Fig. 3 liegen hier der Rissstarter 4f und die beiden Rissstopper 6g und 6h parallel übereinander am geringsten Ventilsitzabstand. Bei der vierten Ausführungsform ist jedoch die Kerbe 4f als Rissstarter nach unten bis zum ersten Rissstopper als Bohrung 6g weitergeführt. Dieser erste Rissstopper mit der Bohrung 6g bewirkt bereits eine erhebliche Verringerung der Kerbspannung und ist nur quasi als Rissstopper anzusehen, da durch die durchgezogene Kerbe 4f bereits ein erster Riss vorgegeben ist. Wenn sich von der Bohrung 6g ausgehend ein Riss bildet, hat dann die zweite Bohrung 6h die Funktion des Rissstoppers. Die Kerbe hier schräg weitergeführt bis zum Stopper kann quasi einen schrägen Verlauf des Risses vorgeben.
  • Die Anwendung einer Kombination Rissstarter/Rissstopper zeigt in einer weiteren fünften Ausführungsform Fig. 5 an einem rohrförmigen Abgaskanal 9 einer Brennkraftmaschine. Hier ist ein Schnitt durch einen rissgefährdeten Bereich 10 in der Ebene einer Kerbe 4g als Rissstarter und einer eingegossenen Einlage 11 als Rissstopper gezeigt. Die Kerbe 4g als Rissstarter kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass am Gießkern des Abgaskanals eine keilförmige Auswölbung vorhanden ist, insbesondere dann wenn ein solcher Bereich einer Bearbeitung nicht zugänglich ist. Der Rissstopper als Einlage 11 kann durch ein eingegossenes aber nicht verschweißtes Stahlblech gebildet sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinderkopf
    2
    Ventilsitz
    3
    Ventilsitz (3a, 3b, 3c, 3d)
    4
    Kerbe, Rissstarter (4a, 4b, 4c, 4d, 4f, 4g)
    5
    Stegwandung
    6
    Bohrung, Rissstopper (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g, 6h)
    7
    Auflagefläche für Ventilsitzringe
    8
    Wasserraum
    9
    Abgaskanal
    10
    rissgefährdeter Bereich
    11
    Einlage

Claims (14)

  1. Thermisch und/oder mechanisch beanspruchte Bauteilwandung (5) eines fluidführenden und/oder gasführenden Bauteils, in Form eines Zylinderkopfs (1) einer Brennkraftmaschine,
    mit wenigstens einem durch die Beanspruchung rissgefährdeten Bereich, in dem betriebsbedingt von der Wandaußenseite her ein Riss in die Bauteilwandung (5) hinein ausbildbar ist, und
    mit wenigstens einem Rissstopper (6) der in der Bauteilwandung (5) im rissgefährdeten Bereich und/oder im Rissverlauf angeordnet ist und eine weitere Rissausbreitung, insbesondere durch die Bauteilwandung (5) hindurch in kritische Bauteilbereiche (8), verhindert,
    wobei, insbesondere zur Verhinderung einer lokal unkontrollierten Rissausbildung und Rissausbreitung, im rissgefährdeten Bereich (5; 10) an der Wandaußenseite ein Rissstarter (4) vorgesehen ist, der eine definiert lokalisierte Rissausgangsstelle bildet,
    wobei das Bauteil ein Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine und die beanspruchte Bauteilwandung ein Ventilsteg (5) zwischen benachbarten Ventilsitzen (3) ist, wobei vorgesehen ist, dass der Rissstarter (4) wandaußenseitig am Ventilsteg (5) zwischen den Ventilsitzen (3) verläuft.
  2. Bauteilwandung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rissstarter (4) über seine gesamte Länge durchgehend oder bereichsweise oder punktuell verläuft und/oder durch Materialschwächungen mit geometrischen Maßnahmen und/oder durch Materialeigenschaftsmaßnahmen gebildet ist.
  3. Bauteilwandung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rissstarter als geometrische Sollrissstelle in der Art einer Kerbe (4) oder durch Materialveränderungen ausgebildet ist, die durch wenigstens eine der nachfolgenden Maßnahmen erzeugt sind:
    - durch mechanisches Entfernen mit einem spanenden Verfahren;
    - durch Verdampfen von Material, insbesondere mittels Elektronenstrahl und/oder mittels Laserstrahl;
    - durch Materialaufschmelzen, insbesondere mittels Elektronenstrahl und/oder mittels Laserstrahl und/oder mittels Induktionsleistung;
    - als vorgegossene oder eingegossene Kerbe (4);
    - durch ein Eingussteil (11), insbesondere aus Metall und/oder Keramik und/oder Glas, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass das Eingussteil nicht oder gegebenenfalls nur einseitig verschweißt ist;
    - durch Einschmelzen von nur teilverschweißendem Draht und/oder teilverschweißenden Plättchen und/oder teilverschweißendem Pulver;
    - als Kerbwirkung durch Aufschmelzen von Material und schnelles Abkühlen, wobei ein Gefüge aus Ledeburit bei Eisengusswerkstoffen erzeugt wird, insbesondere durch Selbstabschreckung durch eine hohe Restmasse oder durch Abschreckmedien; und/oder
    - als Kerbwirkung in Verbindung mit einem Materialaufschmelzen durch Härten und damit Erzeugen eines Gefüges Martensit und/oder Bainit bei Eisengusswerkstoffen.
  4. Bauteilwandung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rissstarter als Kerbe (4) bei GS, GJS, GJV oder Aluminiumlegierung geprägt oder bei GS, GJS, GJV, GJL oder Aluminiumlegierung spanend erzeugt wird.
  5. Bauteilwandung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rissstopper (6) als Materialaussparung oder Durchbruch in der Bauteilwandung (5) ausgebildet ist, insbesondere erzeugt wird durch:
    - mechanisches Entfernen von Material, insbesondere als Bohrung (6),
    und/oder
    - durch Verdampfen und/oder durch Ausschmelzen von Material, wobei gegebenenfalls vorgesehen ist, dass der Hohlraum des Rissstoppers mit einem wärmeleitenden Feststoff, insbesondere einem Kupferstab oder mit einem wärmeleitenden Pulver, insbesondere einem Kupferpulver, verfüllt wird.
  6. Bauteilwandung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rissstopper durch Eingießen von Material (11) erzeugt wird, insbesondere durch Eingießen:
    - von nicht oder nur teilweise verschweißendem Material und/oder
    - von mit einer ein Verschweißen verhindernder Trennschicht umgebenen Material und/oder
    - von Keramikmaterial und/oder
    - von Glasmaterial,
    erzeugt wird.
  7. Bauteilwandung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kerbe (4f) als Rissstarter mit ihrer Tiefe bis zum Rissstopper (6g) verlängert ist.
  8. Bauteilwandung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bauteilwandung zwei oder mehr Rissstopper (6e, 6f) übereinander angeordnet sind, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass zwei oder mehr Rissstopper (6e, 6f) in einem Ventilstegbereich eines Zylinderkopfs (1) in unterschiedlichen Abständen zu der einem Brennraum zugewandten Oberfläche angeordnet sind.
  9. Bauteilwandung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ventilsteg als Bauteilwandung (5) ein erster Rissstopper (6e), in Hochachsenrichtung gesehen, oberhalb einer Ventilsitzringauflage (7) und ein zweiter Rissstopper (6f) unterhalb der Ventilsitzringauflage (7) und oberhalb eines Wasserraums (8) angeordnet sind, wobei für den Fall, dass der zweite Rissstopper (6f) als Bohrung ausgebildet ist, diese gasdicht verschlossen ist.
  10. Bauteilwandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rissstopper (6) als Bohrung geradlinig am geringsten Abstand zwischen zwei benachbarten Ventilsitzen (3) im Ventilsteg (5) verläuft und/oder dass der Rissstopper (6), bezogen auf eine Hochachsenrichtung, senkrecht unterhalb des Rissstarters verläuft, wobei der Rissstarter (4) als Kerbe parallel dazu oder bogenförmig und/oder gegebenenfalls versetzt zum geringsten Abstand verläuft.
  11. Bauteilwandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einem Kühlkanal des Zylinderkopfs (1) zugewandten Seite des Rissstoppers eine Kühlung durch das Kühlmedium, insbesondere durch eine Kühlmediumumlenkung, vorgesehen ist.
  12. Bauteilwandung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumumlenkung im Zylinderkopf (1) und/oder an einer Injektoraufnahmehülse durchgeführt wird.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Rissstoppers und Rissstarters in einer thermisch und/oder mechanisch beanspruchten Bauteilwandung in Form eines Zylinderkopfstegbereichs einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  14. Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug mit einer thermisch und/oder mechanisch beanspruchten Bauteilwandung in Formeines Zylinderkopfstegbereichs einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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