EP3789599B1 - 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

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EP3789599B1
EP3789599B1 EP20199756.6A EP20199756A EP3789599B1 EP 3789599 B1 EP3789599 B1 EP 3789599B1 EP 20199756 A EP20199756 A EP 20199756A EP 3789599 B1 EP3789599 B1 EP 3789599B1
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EP
European Patent Office
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crack
cylinder head
wall
component
combustion engine
Prior art date
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EP3789599A1 (de
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Hans Müller
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
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 cylinder head of an internal combustion engine, according to claim 1.
  • cracks can tear. Coolant then escapes through such cracks into the combustion chamber, which can lead to water vapor in the exhaust gas. With large cracks, the combustion chamber can also fill with coolant when the engine is off, which can cause hydrolock when the engine is restarted. A crack in the web area of a cylinder head ultimately leads to a malfunction and engine failure.
  • inserts are known as crack stoppers which are cast as sheets in the cylinder head web area close to and parallel with the combustion chamber surface ( DE 28 47 249 C2 ).
  • bridge inserts are known ( DE 35 24 776 A1 ), where a material with the same or nearly the same thermal expansion as the cylinder head material is used to reduce mechanical stress on the cylinder head base and to prevent cracking.
  • the crack initiation area can extend over a relatively large surface.
  • the aforementioned known crack-stopping measures are therefore complex, with cast-in crack stoppers, in particular, requiring a correspondingly large spatial extent and placement close to the surface to function effectively. This can lead to thermal problems on the surface area of a cylinder head facing the combustion chamber in the immediate 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, in such a way that effective stopping of cracks is possible in a targeted manner with little effort.
  • a crack initiator is provided on the outer surface of a component wall in a crack-prone area.
  • This crack initiator forms a defined, localized crack starting point, thus preventing locally uncontrolled crack formation and propagation.
  • Such a combination of a defined crack initiator and a crack stopper allows them to be coordinated. Crack initiation is thus selectively injected by the crack initiator, thereby determining the direction of crack propagation. The crack can then be stopped in the deeper wall area, particularly in the web area of a cylinder head, by a crack stopper with a suitably small spatial extent. This allows for reduced effort and A reduced crack stop expansion reliably prevents tearing.
  • the crack stopper can advantageously be arranged deep within the component wall, particularly in a cylinder head web area, preferably at a depth of 40% to 95% of the component wall. Since crack initiation is not predictably defined in the prior art, crack stoppers are only arranged to approximately 20% of the component depth. Furthermore, in the prior art, the crack initiation area (length) to crack stopper ratio is 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 casting defects have a relatively greater influence on this ratio.
  • the invention is particularly advantageous in the thermomechanically highly stressed, crack-prone cylinder head land area, wherein the crack starter preferably runs on the outside of the wall on the valve land between the valve seats.
  • the crack initiator can run continuously along its entire length, in certain areas or at specific points, and/or be formed by material weakening with geometric measures.
  • the crack initiator is designed as a geometrically controlled crack point in the form of a notch.
  • a geometrically controlled crack point in the sense of a crack initiator can be formed by machining (e.g., milling), forming (e.g., embossing), or primary forming (casting) processes.
  • material can, if necessary, be removed by machining.
  • the material can be vaporized using an electron beam and/or a laser beam.
  • crack initiation is possible, if necessary, by melting the material, particularly using an electron beam and/or a laser beam and/or induction heating.
  • a notch used as a crack initiator can also be pre-cast or cast in, and additional elements can be advantageously used depending on the circumstances.
  • Suitable crack initiators can be produced with a casting made of metal/alloy and/or ceramic and/or glass and/or other materials, whereby such a casting is either not welded at all or only partially welded or inadequately welded, thus creating a controlled weakening of the material to facilitate crack initiation. This can also be achieved by melting in partially weldable wire and/or partially weldable plates and/or partially weldable 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 initiator can be formed in a comparative form not covered by the invention by targeted material embrittlement.
  • a ledeburite microstructure with a notch effect can be generated by melting the material and rapidly cooling it, particularly by self-quenching due to a high residual mass or by quenching media.
  • a notch effect in conjunction with material melting can also be achieved in cast iron materials by hardening and the generation of a martensite and/or bainite microstructure.
  • the crack initiator can be imprinted as a notch in GS (cast steel), GJS (dubistite cast iron), GJV (vermicular graphite cast iron), or an aluminum alloy as cylinder head material.
  • GS, GJS, GJV, GJL cast iron with In the case of lamellar graphite
  • an aluminum alloy a notch can also be produced by machining or post-processing.
  • the crack propagation direction is determined by the thermomechanical stress, which typically drives the crack towards the opposite side of the cylinder head combustion chamber surface.
  • the crack stop is located at a relatively large distance from this surface.
  • the crack stop is designed so that the crack no longer encounters any material in which further crack propagation can occur.
  • the crack stop can therefore be achieved by material removal using conventional machining processes such as drilling, milling, sawing, grinding, or by melting or vaporization.
  • Such a cavity can optionally be filled with a highly conductive solid, particularly a copper rod, or a thermally conductive powder, especially copper powder. This ensures heat conduction during normal operation despite the crack stop, thus minimizing the impact on thermal conditions.
  • a crack stop can also be achieved by separating the cylinder head material.
  • this can be accomplished by casting in material that does not weld to the cylinder head material, at least not on the side facing the crack, and therefore cannot transmit forces, thus preventing crack propagation.
  • a design that exerts little or no tensile stress in the surrounding cylinder head material is also advantageous.
  • Preferred materials are those that are either inserted into the mold while hot, are hollow inside, and/or deform plastically due to the shrinkage stresses of the cooling cylinder head material.
  • crack stoppers are advantageously made of materials that do not weld or only weld partially and/or are surrounded by a separating layer that prevents welding. Material and/or ceramic material and/or glass material and/or other materials may be used.
  • the crack initiator is spaced apart from the crack stopper by material through which the crack propagates.
  • crack propagation can be anticipated by extending the crack initiator notch to the crack stopper.
  • two or more crack stoppers each associated with a crack initiator, can be arranged one above the other in the component wall.
  • two or more crack stoppers are then arranged at different distances from the surface facing a combustion chamber.
  • a first crack stop viewed in the vertical axis direction, can be arranged above a valve seat ring support, and a second crack stop can be arranged below the valve seat ring support, above a water space. If these two crack stops are designed as bores, the first crack stop is sealed by the valve seat rings, while the second crack stop must be closed by plugs to prevent gas from passing through the individual channels.
  • the crack stop can run in a straight line as a bore at the smallest distance between two adjacent valve seats in the valve bridge and/or vertically below the crack starter.
  • the crack starter then runs as a notch parallel to it or in an arc and/or optionally offset from the smallest distance.
  • a targeted redirection of the cooling medium can be implemented, for example, by increasing the coolant flow rate.
  • Such a redirection can be achieved within the cylinder head and/or at the injector mounting sleeve through internal walls, thereby directing the cooling medium directly to the area around the crack stop.
  • the invention can generally be used on thermomechanically stressed component walls.
  • the invention can also be advantageously used on a tubular exhaust manifold of an internal combustion engine. Due to the hot exhaust gases in the exhaust manifold during operation, crack-prone areas can also occur here, where a combination of crack initiator and crack stopper can reliably prevent cracking.
  • FIG. 1 shows a top view of a section of a cylinder head 1 of an internal combustion engine in the area of two adjacent valve seats 2, 3.
  • a notch 4 is provided on the upper surface of the web wall 5 to act as a crack initiator, being slightly offset from the smallest valve seat spacing.
  • a bore 6 runs parallel to the web wall surface within the web wall 5, connecting the valve seats 2, 3 below the notch, and acts as a crack stop. For clarity, the valve seats in all figures are shown without seat rings.
  • Fig. 2 shows an alternative second arrangement of a combination of crack initiators and crack stoppers:
  • a notch 4a, 4b, 4c, 4d is arranged as a crack initiator in the valve bridge areas at the smallest valve seat distance.
  • the crack stoppers are located as bores 6a, 6b, 6c, 6d as shown in Fig. 1 downward offset from the notches 4a, 4b, 4c, 4d in the web wall 5 at the smallest valve seat spacing.
  • the bores 6a, 6b, 6c, 6d, acting as crack stoppers are each located above bearing surfaces 7 for (not shown) valve seat rings and above water chambers 8.
  • Fig. 3 is a third embodiment of an arrangement of a crack initiator as notch 4e and of two bores 6e and 6f as crack stoppers based on a section corresponding to the section area A in Fig. 2 depicted.
  • the notch 4e runs as a crack initiator on the surface of the web wall 5 at the smallest valve seat distance. This is the same as in the version according to... Fig. 2
  • the first bore 6e also acting as the first crack initiator, runs parallel to the notch 4e in the web wall 5 at the smallest valve seat distance, just above the bearing surfaces 7 for the valve seat rings. Since gas exchange between the valve seats must be prevented, bore 6e (as well as bore 6b in Fig.
  • a seal is achieved by the respective adjacent valve seat rings.
  • the additional bore 6f acting as a second crack stop, is located 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 plugs or other closures. However, such plugs or closures must not create a force-fit or form-fit that would allow a crack to propagate further. If, in this arrangement, a crack originating from the crack initiator (notch 4e) has propagated to the first crack stop corresponding to the first bore 6e, it should be regularly stopped there to prevent further propagation. In the event of further severe stress with additional crack formation, bore 6e then serves as the crack initiator for a second subsequent crack, which then originates from this point and is intercepted by the second crack stop, bore 6f.
  • Fig. 2 depicted. Similar to the third embodiment in Fig. 3 In this embodiment, the crack initiator 4f and the two crack stoppers 6g and 6h are positioned parallel to each other at the smallest valve seat distance. In the fourth embodiment, however, the notch 4f, acting as a crack initiator, extends downwards to the first crack stopper as a bore 6g.
  • This first crack stopper with the bore 6g already significantly reduces the notch stress and can only be considered a crack stopper in a limited sense, since the continuous notch 4f already predetermines an initial crack. If a crack develops starting from bore 6g, the second bore 6h then functions as the crack stopper.
  • the notch extended diagonally here to the stopper, can effectively predetermine an oblique crack path.
  • a combination crack initiator/crack stopper is shown in a further comparative form not covered by the invention.
  • Fig. 5 on a tubular exhaust duct 9 of an internal combustion engine.
  • a section through a crack-prone area 10 is shown in the plane of a notch 4g, acting as a crack initiator, and a cast-in insert 11, acting as a crack stop.
  • the notch 4g, acting as a crack initiator can be created, for example, by a wedge-shaped protrusion on the cast core of the exhaust duct, particularly if such an area is inaccessible to machining.
  • the crack stop, acting as an insert 11, can be formed by a cast-in but not welded steel sheet.

Landscapes

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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermisch und/oder mechanisch beanspruchte Bauteilwandung | eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine, nach dem Anspruch 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.
  • Aus der DE 34 05 904 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit in Brennraumwandungen angeordneten Dehnfugen bekannt. Die FR 2 736 969 A1 offenbart einen Gehäusebereich für Ventilsitze im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors. Aus der FR 2 654 775 A1 ist ein Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor mit zwischen den Ventilsitzen eingegossenen Einsätzen bekannt. Die DE 37 15 001 A1 offenbart einen Zylinderkopf aus Leichtmetall für eine Brennkraftmaschine.
  • 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 gebildet werden.
  • Konkret ist dazu der Rissstarter als geometrische Sollrissstelle in der Art einer Kerbe ausgeführt. 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 bei einer nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsform 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 bei einer nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsform 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.
  • Erfindungsgemäß ist der Rissstarter durch Material, durch das sich der Riss weiterbildet, vom Rissstopper beabstandet. Je nach den Gegebenheiten kann in einer nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsform 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 nicht von der Erfindung umfasste Vergleichsform 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 Rissstarter 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 nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsform 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 (6)

  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, und
    wobei der Rissstopper (6) als Bohrung geradlinig am geringsten Abstand zwischen zwei benachbarten Ventilsitzen (3) im Ventilsteg (5) verläuft und wobei 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, und
    wobei der Rissstarter (4) durch Material von dem Rissstopper (5) beabstandet ist.
  2. Bauteilwandung nach Anspruch 1, 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.
  3. 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.
  4. Bauteilwandung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumumlenkung im Zylinderkopf (1) und/oder an einer Injektoraufnahmehülse durchgeführt wird.
  5. 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.
  6. Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer thermisch und/oder mechanisch beanspruchten Bauteilwandung in Form eines Zylinderkopfstegbereichs einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4
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