DE3307115C2

DE3307115C2 - Zylinderkopf eines Kolbenmotors

Info

Publication number: DE3307115C2
Application number: DE3307115A
Authority: DE
Inventors: ULf Dipl.-Min. Dr. 7066 Baltmannsweiler Dworak; Dieter Dipl.-Ing. Dr. 7311 Hochdorf Fingerle; Martti Johan Antero Dipl.-Ing. Rönninge Hakulinen; Ulrich Dipl.-Ing. Dr. 7520 Leonberg Krohn; Hans Dipl.-Chem. Dr. 7307 Aichwald Olapinski; Bengt Nils Johan Dipl.-Ing. Nykvarn Palm
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1985-09-05
Also published as: US4519359A; DE3307115A1; EP0120223A2; ES290653Y; JPS59162344A; ES290653U; EP0120223A3

Abstract

Bei einem Zylinderkopf eines Kolbenmotors ist die dem Brennraum (10) gegenüberliegende Fläche des Zylinderkopfes (1) von einer Platte (2) abgedeckt, die Öffnungen für Ventile, Zündkerzen oder Einspritzdüsen aufweist. Die Platte (2) besteht aus Mullit mit 2 bis 30 Vol.-%, darin eingelagertem Zirkon- und/oder Hafniumoxid, dem 0 bis 3 Mol-% der Oxide des Magnesiums, Kalziums oder Yttriums, bezogen auf Zirkon- und/oder Hafniumoxid zugesetzt sind, sowie aus maximal 0,5 Gew.-% sonstiger oxidischer Verunreinigungen.

Description

a)

b)

das Bauteil eine kreisförmige und im Zylinderkopf (1) eingespannte oder eingeschrumpfte Platte (2) ist, die dem Brennraum (10) unmittelbar gegenüberliegt und eine stoffliche Zusammensetzung von 7 bis 25% Zirkon- und/oder Hafniumoxid, mit einem Zusatz von 1 bis 2,8 MoL% eines oder mehrerer Oxide des Magnesiums, Kalziums und Yttriums, bezogen auf Zirkon- urd/oder Hafniumoxid,
0 bis 0,5 G?fw,-% sonstiger oxidischer Verunreinigungen, Rest MuIHt aufweist, wobei sich alle Teile auf 100 VoL-% ergänzen,
die kreisförmige Platte folgende Materialkennwerte aufweist:

eine Bruchfestigkeit ό_Β > 250 MPa,
eine Bruchzähigkeit K_tc von mindestens 3,0MPa₁Zm,

eine Wärmeleitfähigkeit λ < 6 W/(m - K),
einen Elastizitätsmodul < 220 GPa und
eine lineare thermische Ausdehnung λ < 5,5 · 10⁶ · K-'.

Die vorliegende Erfindung betrifft den Zylinderkopf eines Kolbenmotors mit einem durch Sintern aus keramischem Werkstoff hergestellten wärmeisolierenden, kreisförmig ausgebildeten Bauteil, das öffnungen zur Aufnahme von Ventilsitzen, Zündkerzen oder Einspritzdüsen besitzt.

Zur Vermeidung von Wandungsverlusten wurde in der DE-OS 28 21 506 bereits vorgeschlagen, die Innenfläche eines Zylinderkopfes durch eine Verbundisolierplatte abzudecken. Die beschriebene Verbundisolierplatte besteht aus einer eigentlichen Isolierschicht und aus einer mit ihr fest verbundenen metallischen Stützplatte. Die Isolierschicht ist dem Brennraum zugewandt und besteht entweder aus Quarzglas.Siliciumnitrid bzw. Siliciumcarbid und ist entweder auf die metallische Stützplatte aufgeschmolzen oder aufgesintert oder die Isolierschicht besitzt einen mehrlagigen Aufbau mit einer besonders porösen Zwischenschicht, die vorzugsweise aus Kügelchen des Isolierstoffes gebildet wird. Nachteilig bei einem solchen Zylinderkopf ist, daß die übliche Anordnung von mehreren separaten öffnungen für Ventile, Zündkerzen und Einspritzdüsen schwierig ist und infolgedessen eine einzige öffnung in der Verbundisolierplatte vorgesehen werden muß. Ein weiterer Nachteil liegt in dein komplizierten Aufbau, insbesondere darin, daß die eigentliche Isolierschicht infolge ihrer geringen Festigkeit eine metallische Stützplatte benötigt.

Durch die DE-OS 30 39 718 wurde ein Zylinderkopf bekannt, in dem ein aus Aluminiumtitanat bestehendes, wärmeisolierendes Bauteil in einen aus Siliciumnitrid bestehenden warmfesten Körper eingesetzt ist und dieses Verbundteil in einen metallischen Stützkörper, der vom Zylinderkopf gebildet werden kann, eingeschrumpft ist Der den Boden des Zylinderkopfes bildende warmfeste Körper ist dem Brennraum zugewandt und schützt das wärmeisolierende Bauteil vor mechanischer Beanspruchung. Das wärmeisolierende Bauteil hat die Form einer Kreisscheibe mit einem randseitig angebrachten Kragen zur Aufnahme des warmfesten Körpers. Die geringe Festigkeit von Alumink'mtitanat läßt nicht zu, das wärmeisolierende Bauteil direkt gegenüber dem Brennraum anzuordnen und erfordert die aufwendige Konstruktion eines mehrlagigen Körpers aus verschiedenen und in ihren Eigenschaften aufeinander abgestimmten Eigenschaften. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das aus wärmeisolierendem Bauteil und warmfestem Körper bestehende Verbundteil nicht eingespannt werden kann, sondern zum Schutz des Aluminiumtitanats unbedingt einen Stützkörper benötigt

Aus der Literaturstelle Woods/Oda »PSZ«-Ceramics for Adiabatic Engine Components, veröffentlicht in SAE-Technical Papers Series 2/1982 sind auch bereits Zylinderköpfe mit eingeschrumpften Platten aus teilstabilisiertem Zirkonoxid (PSZ) bekanntgeworden, haben sich aber nicht durchsetzen können, weil die thermisch induzierten Spannungen infolge der hohen thermischen Ausdehnung des Zirkoroxids, insbesondere im Bereich der Ventilbohrungen zu Rissen, vor allem in radialer Richtung geführt haben.

Zusammenfassend sind damit aus dem Stand der Technik Zylinderkopf*; mit wärmeisolierenden Bauteilen aus Werkstoffen bekanntgeworden, die entweder eine geringe thermische Ausdehnung und eine geringe Wärmeleitfähigkeit verbunden mit einer geringen Festigkeit aufweisen (Aluminiumtitanat) oder solche Werkstoffe, die zwar eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Festigkeit, aber auch eine hohe thermische Ausdehnung besitzen (Zirkonoxid). Alle diese dekannten Vorschläge haben sich als wenig geeignet erwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Zylinderkopf zu entwickeln, der brennraumseitig durch ein Bauteil isoliert ist, das eine ausgezeichnete Isolierwirkung und gleichzeitig hohe Festigkeit gegenüber mechanischen Kräften und insbesondere gegenüber thermisch induzierten Spannungen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsrnäßig dadurch gelöst, daß das Bauteil eine kreisförmige und im Zylinderkopf eingeschrumpfte oder eingespannte Platte ist, die dem

so Brennraum unmittelbar gegenüberliegt und eine stoffliche Zusammensetzung von 7 bis 25 Vol.-% Zirkon- und/ oder Hafniumoxid, mit einem Zusatz von 1 bis 2,8 Mol.% eines oder mehrerer Oxide des Magnesiums, Kalziums und Yttriums, bezogen auf Zirkon- und/oder Hafniumoxid,

0 bis 0,5 Gew.-% sonstiger oxidischer Verunreinigungen,

Rest Mullit aufweist,
wobei sich alle Teile auf 100 Vol.-% ergänzen, und

wobei die kreisförmige Platte folgende Materialkennwerte aufweist:

eine Bruchfestigkeit Jß > 250 MPa,
eine Bruchzähigkeit /Gr von mindestens 3,0 MPa i/m,
eine Wärmeleitfähigkeit λ < 6 W/(m ■ K),

ein Elastizitätsmodul < 220GPa.
eine lineare thermische Ausdehnung
»< 5,5 · 10" · K-'.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein wärme-

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isolierendes Bauteil mit einer ausgezeichneten Isolierwirkung herzustellen, ohne daß das wärmeisolierende Bauteil einen mehrschichtigen Aufbau der Isolierschicht oder die Anbringung einer Stützplatte, wie sie in der DE-OS 28 21 506 beschrieben sind, benötigt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch den Verzicht auf einen warmfesten Körper, wie er aus der DE-OS 30 39 718 zum Schutz des wärmeisolierenden Bauteils her bekannt ist Schließlich gelingt es der Erfindung auch, ein in seiner Bauform einfaches und leicht montierbares Bauteil herzustellen, das eine wesentlich höhere Lebensdauer als die bekannten Platten aus Zirkonoxid aufweist.

Die hervorragende Eignung der erfindungsgemäß in einem Zylinderkopf zu verwendenden Platte ist insofern überraschend, als MuIHt mit darin eingelagertem Zirkonoxid nicht über die hohen Festigkeitswerte von teilstabilisiertem Zirkonoxid verfügt Somit war nicht zu erwarten, daß eine aus Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid hergestellte Platte den hohen, durch thermische Belastung induzierten Spannungen, standhalten würde, die im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors auftreten. Voraussichtlich läßt sich dieses jedoch dadurch erklären, daß infolge der geringen thermischen Ausdehnung, die auf den Außenrand der Platte einwirkenden Zugspannungen kleiner bleiben als die Zugfestigkeit des Werkstoffes. Bei einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf, bei dem die Platte durch Einschrumpfen befestigt ist, ergibt sich aufgrund der dabei entstandenen Vorspannung, die den thermisch induzierten Zugkräften entgegenwirkt, ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor.

Die relativ gute Festigkeit der aus Mullit mit eingelagertem Zirkonoxid hergestellten Platte ermöglicht es, den Zylinderkopf so auszubilden, daß die in den Zylinderkopf eingespannte oder eingeschrumpfte Platte auch eine Abdichtfunktion zwischen motorblock und Zylinderkopf übernehmen kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Zylinderkopf dadurch gekennzeichnet, daß Ventilsitze in die kreisförmige Platte eingearbeitet sind. Die Herstellung der Ventilsitze aus dem gleichen Werkstoff, aus dem auch das wärmeisolierende Bauteil hergestellt ist, stellt eine weitere Vereinfachung dar. Die Ventilsitze können dabei in ihrer Höhe so ausgebildet sein, daß sie die Dicke der kreisförmigen Platte überragen und zusätzlich im Zylinderkopf befestigt sein können.

In ganz besonders bevorzugter Weise weist ein Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid noch wesentlich höhere Werte auf, wobei die Biegebruchfestigkeit bevorzugt > 300 MPa, ganz besonders bevorzugt bis 450MPa beträgt. Es wird auch bevorzugt, daß die Bruchzähigkeit K_/c > 3,4 MPav/m und der Elastizitätsmodul < 200 GPa betragen. Die Porosität der kreisförmigen Platte liegt bevorzugt < 3%, ganz besonders bevorzugt < 2%.

Die Herstellung der kreisförmigen Platte ist nicht an die Verwendung bestimmter Ausgangsrohstoffe gebunden. Es kann z. B. Mullit, sogenannter Schmelzmullit, verwendet werden, dem Zirkonoxid zugesetzt wird, es kann aber auch z, B, von Aluminiumoxid und Zirkonsilikat ausgegangen werden. Eine besondere Bedeutung kommt der Korngröße des Zirkonoxids zu. Die durchschnittliche Korngröße sollte in der fertig gesinterten kreisförmigen Platte nicht > 2 μητι sein, bevorzugt aber zwischen 0.1 und Ι,Ομ.π liegen. Es wird bevorzugt, daß zwischen 10 und 70% - gemessen nach der RöntgenbcuKungsrnethode an der unbearbeiteten gebrannten Oberfläche (as fired) — des eingelagerten Zirkoncxids in der tetragonalen Modifikation vorliegen.

Die Herstellung der kreisförmigen Platte kann durch Sintern gepreßter Formkörper bei Temperaturen zwisehen 1400 und 1700⁰C erfolgen. Eine weitere Verbesserung der Materialeigenschaften ist durch eine heißisostatische Nachverpressung bei max. 1650⁰C und max. einer Stunde bei max. 1000 bar möglich.

Die nachfolgenden Figuren dienen der näheren Erläuterung der Erfindung, ohne daß die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt entsprechend Linie I-1 der F i g. 2 durch ein Ausführungsbeispiel des Zylinderkopfes und

F i g. 2 die Unteransicht unter die in F i g. 1 als wärmeisolierendes Bauteil gezeigte, flache Kreisscheibe aus Mullit mit darin eingelagertem Zirkonoxid.

In Fig. 1 ist ein Zylinderkopf 1 gezeigt, in den eine kreisförmige Platte 2 in einen im Zylinderkopf ausgebildeten Krager. 6 eingeschrumpft ist. Die kreisförmige Platte 2 hat eine stoffliche Zusarn- -insetzung aus 22 Gew.-% (= 12,9 VoL-°/b) Zirkonrxid, dem l,4Mol.-% MgO zugefügt sind, 77,8Gew.-% (= 87,02 Vol.-%) Mullit und 0,2 Gew.-% (= 0,08 Vol.-%) oxidischer Verunreinigungen, wie SiO₂ und Na2C. Die mittlere Korngröße des in den Mullit eingelagerten Zirkonoxids beträgt 1,1 μπι; 16% des Zirkonoxids liegen in der tetragonalen Modifikation vor. Die kreisförmige Platte 2 bildet den größten Teil des Zylinderkopfbodens 9 und grenzt den Zylinderkopf 1 gegen den von Zylinderwänden 12 und einem nichtgezeigten Kolben gebildeten Brennraum 10 ab. In der - kreisförmigen Platte 2 ist ein Ventilsitz 3 aus Stahl ausgebildet Eine Bohrung 4 dient zum Einsetzen einer nichtgezeigten Einspritzdüse. Die Figur zeigt weiterhin ein Ventil 5 und Kühlwasserkanäle 7. Es ist erkennbar, daß eine Abdichtung direkt zwischen kreisförmiger Platte und dem die Zylinderbohrung enthaltenden Motorblock erfolgen kann.

F i g. 2 zeigt die zu F i g. 1 beschriebene kreisförmige Platte 2, wobei Bohrungen 11, 14 für Ein- und Auslaßventiio vorgesehen sind. In der kreisförmigen Platte 2 sind Ventilsitze 3 aus Stahl eingelassen. Eine Bohrung 4 dient wie oben erwähnt zum Einsetzen einer iinspritzdüse. Pfeile A, A'geben den Bereich der kreisförmigen Platte an, der normalerweise durch thermisch induzierte Spannungen besonders gefährdet ist, bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung die thermisch induzierten Spannungen aber außerhalb des kritischen Bereiches liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Zylinderkopf eines Kolbenmotors mit einem durch Sintern aus keramischem Werkstoff hergestellten wärmeisolierenden, kreisförmig ausgebildeten und im Zylinderkopf befestigten Bauteil, das Öffnungen zur Aufnahme von Ventilsitzen, Zündkerzen oder Einspritzdüsen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß