EP0047835A1 - Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine - Google Patents

Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0047835A1
EP0047835A1 EP81105588A EP81105588A EP0047835A1 EP 0047835 A1 EP0047835 A1 EP 0047835A1 EP 81105588 A EP81105588 A EP 81105588A EP 81105588 A EP81105588 A EP 81105588A EP 0047835 A1 EP0047835 A1 EP 0047835A1
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EP
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oxide layer
cylinder head
area
valve
combustion engine
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Withdrawn
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EP81105588A
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Emil Dipl.-Ing. Lichtner
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Kloeckner Humboldt Deutz AG
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Kloeckner Humboldt Deutz AG
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    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides

Definitions

  • the invention relates to a device of the type specified in the preamble of the first claim.
  • Such a cylinder head is known from DE-OS 29 04 940. Deposits have the task of helping to prevent heat cracks in the floor area between the valves.
  • the oxide layer has a different thermal expansion than the light metal. This creates large tensile stresses in the oxide layer at operating temperature, so that the adjacent light metal area is also still under tensile stress. This prevents the otherwise on occurring compressive stresses that lead to heat cracks. Furthermore, the oxide layer prevents cavities from forming in the cylinder bottom area in the combustion chamber floor area, which were otherwise observed after a long period of use.
  • this oxide layer meant that sheet metal inserts had to be covered when the oxide layer was applied; which, on the one hand, was time-consuming and expensive.
  • a minimum adhesive distance of 2 mm had to be maintained, although this distance between the hole (s) and the adjacent webs could not be maintained for design reasons. That is why it has already been suggested to make the inserts from titanium. Although this has proven itself, the price for the insert has increased, so that the entire cylinder head has become more expensive.
  • this object is achieved by the characterizing features of the first claim.
  • the advantage of this arrangement is that the inserts - as previously known - can consist of sheet metal. They are only covered with a resistant material in the area where they can come into contact with the crack-preventing oxide layer.
  • An aluminum oxide layer that is applied by anodic oxidation has proven to be a crack-preventing oxide layer.
  • the cladding of the sheet inserts with aluminum or ceramic is particularly suitable. Methods for applying these materials to metal sheets are known per se and are also suitable for large-scale production. Since these materials are resistant to the crack-preventing oxide layer, the time-consuming covering of the bridge inlays is eliminated.
  • the exhaust valve opening is designated 2, the intake valve opening 3, and the somewhat curved cylinder head base 4.
  • the expansion joints 6 and 7 are filled with web inserts 8 (sheets) and can in particular have the cross-sectional shape visible in FIG. 2.
  • This embodiment has prevented the heat cracking in the bottom area between the valves, but not in every case that in the area of the nozzle and / or ignition aid bore 10, as well as those which in the presence of a firing channel originated from this and extend into the outer sealing area of the cylinder head bottom propagated with the cylinder barrel.
  • the cylinder head together with the web inserts, is immersed in an acid bath after manufacture, where the cylinder head is switched as an anode, and when direct or alternating current with a high current density is applied, a reinforced aluminum oxide layer forms that grows in firmly.
  • the cylinder head 1 remains in the bath.
  • the layer thickness is usually sufficient if it has grown to at least 50 pm.
  • the web inserts 8 are made of steel, they are attacked when the oxide layer is applied. For this reason, they are in their upper region, ie in the region in which they are in contact with the crack-preventing oxide layer long, coated with a layer that is not attacked by the crack-preventing oxide layer.
  • a coating made of aluminum or ceramic is suitable for this purpose, which is applied to the cylinder head base in a manner known per se before the web inserts are poured into the cylinder head base.

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Abstract

Ein Leichtmetallzylinderkopf (1) mit einer Oxidbeschichtung zum Schutz des Bodenbereichs (5) gegen Wärmespannungen und einer Bohrung (10) im Ventilsteg für Einspritzdüse, Starthilfe oder Schußkanal hat im Bereich zwischen den Ventilöffnungen (2, 3) eingegossene Stahlblecheinlagen (6, 7), die zum Schutz bei der Oxidierung des Brennraumbodens ihrerseits mit Aluminium oder Keramik beschichtet sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des ersten Anspruchs angegebenen Art.
  • Ein derartiger Zylinderkopf ist aus der DE-OS 29 04 940 bekannt. Einlagen haben hierin die Aufgabe, zur Verhinderung von Wärmerissen im Bodenbereich zwischen den Ventilen beizutragen.
  • Werden jedoch Zylinderköpfe mit zentraler Einspritzdüse oder einem Schußkanal und/oder Zündhilfe ausgerüstet, so können die Stegeinlagen nicht verhindern, daß im Bereich der Düsen-, Schußkanal- und Zündhilfebohrung Wärmerisse auftreten, die auch bis zu den Ventilsitzen oder bis zu den äußeren Dichtflächen am Zylinderboden laufen.
  • Aus diesem Grunde ist weiterhin in der Schrift vorgeschlagen worden, den gefährdeten Bodenbereich mit einer rißverhindernden Oxydschicht zu überziehen. Mit der Oxydschicht wird zum einen ein Abbau von Temperaturspitzen erreicht, so daß eine Vergleichsmäßigung der Zylinderkopfbodentemperatur erzielt wird. Zum anderen besitzt die Oxydschicht-gegenüber dem Leichtmetall eine unterschiedliche Wärmeausdehnung. Dadurch entstehen bei Betriebstemperatur große Zugspannungen in der Oxydschicht, so daß der angrenzende Leichtmetallbereich ebenfalls noch unter Zugspannung steht. Damit wird verhindert, daß die sonst auftretenden Druckspannungen eintreten, die zu Wärmerissen führen. Desweiteren wird durch die Oxydschicht verhindert, daß sich im Brennraumbodenbereich im Zylinderboden Lunker bilden, die sonst nach längerer Einsatzzeit bebachtet wurden.
  • Diese Oxydschicht bedingte jedoch, daß Einlagen aus Blech bei dem Aufbringen der Oxydschicht abgedeckt werden mußten; was zum einen zeitaufwendig und kostspielig war. Zum anderen mußte ein Mindestklebeabstand von 2 mm eingehalten werden, wobei dieser Abstand zwischen der (den) Bohrung (en) und den benachbarten Stegen aus konstruktiven Gründen nicht eingehalten werden konnten. Deshalb hat man bereits vorgeschlagen, die Einlagen aus Titan zu fertigen. Dies hat sich zwar bewährt, jedoch ist dadurch der Preis für die Einlage angestiegen, so daß sich der gesamte Zylinderkopf verteuerte.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshlab, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art Einlagen aufzuzeigen, die in der Herstellung billiger sind und ebenfalls gegenüber dem Verfahren zum Aufbringen der rißverhindernden Oxydschicht widerstandsfähig sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Einlagen - wie bisher bekannt - aus Blechen bestehen können. Sie werden nur in dem Bereich, in dem sie mit der rißverhindernden Oxydschicht in Kontakt gelangen können, mit einem widerstandsfähigen Material verkleidet.
  • Als rißverhindernde Oxydschicht hat sich eine Aluminiumoxydschicht, die durch anodische Oxydation aufgetragen wird, bewährt. Bei der Verwendung von Aluminiumoxyd als rißverhindernde Schutzschicht eignet sich insbesondere die Verkleidung der Blecheinlagen mit Aluminium oder Keramik. Verfahren zum Aufbringen dieser Materialen auf Bleche sind an sich bekannt und auch für eine Großserienfertigung geeignet. Da diese Materialien widerstandsfähig gegen die rißverhindernde Oxydschicht sind, fällt das zeitraubende Abdecken der Stegeinlagen fort.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es stellen dar:
    • Abb. 1 einen Zylinderkopf einer ventilgesteuerten Brennkraftmäschine in Draufsicht auf den Zylinderkopfboden;
    • Abb. 2 einen Zylinderkopf nach Abb. 1 im Schnitt nach der Linie II - II.
  • Bei dem abgebildeten Zylinderkopf 1 sind die Auslaßventil- öffnung mit 2, die Einlaßventilöffnung mit 3 und der etwas gewölbte Zylinderkopfboden mit 4 bezeichnet. Der zwischen den beiden Ventilöffnungen 2 und 3 liegende, thermisch hoch beanspruchte und daher besonders stark zur Rißbildung neigende Bodenbereich 5, welcher auch den Randbereich der Bohrung 10 für die Einspritzdüse und/oder Zündhilfe mit umschließen kann, ist gegen den außenliegenden Bodenbereich durch Dehnfugen 6 und 7 abgetrennt, die von Ventilöffnung zu Ventilöffnung verlaufen. Die Dehnfugen 6 und 7 sind mit Stegeinlagen 8 (Blechen) ausgefüllt und können insbesondere die in Abb. 2 sichtbare Querschnittsform aufweisen.
  • Diese Ausführungsform hat die Wärmerisse in den Bodenbereich zwischen den Ventilen verhindert, nicht jedoch in jedem Fall die im Bereich der Düsen- und/oder Zündhilfebohrung 10, sowie diejenigen, die bei Vorhandensein eines Schußkanals von diesem ausgingen und sich bis in den äußeren Dichtungsbereich des Zylinderkopfbodens mit dem Zylinderrohr fortpflanzten.
  • Aus diesem Grunde wird der Zylinderkopf nach der Herstellung mitsamt den Stegeinlagen in ein saures Bad getaucht, dort wird der Zylinderkopf als Anode geschaltet und bei Anlegen von Gleich- oder Wechselstrom hoher Stromdichte bildet sich eine verstärkte Aluminiumoxydschicht, die fest einwächst. Je nach Größe der zu beschichtenden Fläche und Schichtdicke der Oxydschicht verbleibt der Zylinderkopf 1 in dem Bad. Die Schichtstärke ist üblicherweise ausreichend, wenn sie auf mindestens 50 pm angewachsen ist. Je nach Größe des Zylinderkopfbodens kann es hierbei sinnvoll sein,den Bodenbereich, welcher nicht zu den rißgefährdeten Bereichen zählt, durch eine Maske abzudecken.
  • Da die Stegeinlagen 8 aus Stahl sind, werden sie be dem Aufbringen der Oxydschicht angegriffen. Aus diesem Grund sind sie in ihrem oberen Bereich, d. h. in dem Bereich, in dem sie mit der rißverhindernden Oxydschicht in Kontakt gelangen, mit einer Schicht überzogen, die von der rißverhindernden Oxydschicht nicht angegriffen wird. Geeignet ist hierfür ein Überzug aus Aluminium oder Keramik, der auf an sich bekannte Weise vor dem Eingießen der Stegeinlagen in den Zylinderkopfboden auf diese aufgebracht wird.

Claims (2)

1. Leichtmetallzylinderkopf für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, welcher in seinem zwischen den Ventilen liegenden Bodenbereich mindestens eine in diesem Boden eingelassene Einlage und eine im Brennraumbodenbereich vorgesehene Bohrung für eine Einspritzdüse oder einen Schußkanal und/oder eine Zündhilfe aufweist, wobei zumindest der zwischen den Ventilen liegende Bodenbereich einschließlich des Bohrungsbereiches mit einer' rißverhindernden Oxydschicht überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (8) in ihrem mit des Oxydschicht in Kontakt gelangenden Bereich mit einer gegenüber dem Verfahren zur Erzeugung der Oxydschicht widerstandsfähigem Material verkleidet ist.
2. Ventilgesteuerte Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Oxydschicht aus Aluminium besteht und durch anodische Oxydation erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (8) in dem mit der Oxydschicht in Kontakt gelangenden Bereich keramisiert oder aluminisiert ist.
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