DE69232067T2

DE69232067T2 - Verbesserter zylinderkopf eines verbrennungsmotors oder dergleichen und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69232067T2
Application number: DE69232067T
Authority: DE
Inventors: Stanley J. Hinkle; Thomas M. Keelan
Original assignee: Detroit Diesel Corp
Current assignee: Detroit Diesel Corp
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2012-06-06
Also published as: CA2109309A1; CA2109309C; US5354608A; AU2247792A; EP0587802A1; WO1992022736A2; KR0123558B1; US5705266A; MX9202646A; DE69232067D1; WO1992022736A3; EP1088612A1; EP0587802B1; US5239956A

Description

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallguß-Teil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung Zylinderköpfe für Verbrennungsmotoren zur Verwendung in Zwei- oder Viertakt-Dieselmotorenvorrichtungen sowie in anderen Motorenvorrichtungen, die darauf ausgerichtet sind, die von den Abgasen an den Zylinderkopf abgegebene Wärme zu reduzieren und die Temperatur der Abgase, welche den Zylinderkopf anregen, zu maximieren.
Ebenso wird ein Verfahren zum Gießen von Metallteilen beschrieben.

Hintergrund der Erfindung

Der Einsatz von Zylinderköpfen mit geringer Wärmeabfuhr in Verbrennungsmotoren, und insbesondere in Abgas- und Luftsystemen bei Dieselmotoren weist mehrere Vorteile auf. Diese Vorteile bestehen unter anderem in einer geringeren Belastung des Kühlsystems, in einer verbesserten Leistung, Zuverlässigkeit und Ausdauer des Motors sowie in der Einsparung von Kraftstoff. Zum Großteil wird hier von dem Synergieeffekt profitiert, welche die einzelnen Gestaltungsmerkmale aufeinander haben. Beispielsweise werden die Zylinderköpfe, welche die hochtemperierten Abgase von der Verbrennungskammer zu einem Abgassammler transportieren, im allgemeinen mit Wasser gekühlt. Im gleichen Maße, wie die Wärme der Abgase reduziert werden kann, werden auch die Anforderungen an das Kühlsystem reduziert, was vorteilhafterweise zu Kühlsystemen führen kann, die eine geringere Kapazität haben und mit geringeren Kosten verbunden sind.
Ferner sind unter der Voraussetzung, daß die von den Abgasen an den Zylinderkopf abgegebene Wärme reduziert werden kann, auch die Abgase selbst heißer und die in diesen freiwerdende Energie kann sinnvoll zur Turboaufladung oder andersweitigen Vorbearbeitung der für die Verbrennung eingesetzte Motoreneinlaßluft verwendet werden.
Daher wurde beim Stand der Technik ein an die vorgesehene Stelle gegossenes Hitzeschild aus rostfreiem Stahl in den Abgaskanälen des Zylinderkopfs eingesetzt. Die Hitzeschilder dienten als hitzeisolierende Luftlücken zwischen den heißen Abgasen, welche die Verbrennungskammer anregen, und der Oberfläche der gegossenen Zylinderwand, welche die die Hitzeschilder umfassenden Hohlräume der Abgaskanäle definieren. Die gegenüberliegende Seite dieser gegossenen Wand ist in Kontakt mit einem Kühlmittel, das durch den Zylinderkopf zirkuliert. Durch ein Verringern des Wärmeverlusts der heißen Gase in den Abgaskanälen ist mehr Wärmeenergie aus den Abgasen verfügbar, wo diese beispielsweise von einem Turboauflader produktiv eingesetzt werden kann.
Bei der oben beschriebenen bekannten Konstruktion dienten die Abgasschilder dazu, eine Luftlücke zwischen der Außenfläche des Schilds und der mit Wasser gekühlten Kanalwand des gegossenen Zylinderkopfes herzustellen, wodurch die von dem Abgas an den Zylinderkopf und damit an das Kühlmittel des Zylinderkopfes übertragene Wärme verringert wird. Indem die an das Kühlmittel übertragene Wärme verringert wurde, wurde die Belastung des Kühlsystems (d. h. die gesamte an das Kühlmittel abgeführte Wärme) typischerweise um ganze 15-23% reduziert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch das Abschirmen der Abgase von dem gegossenen Zylinderkopf mehr Wärmeenergie aus den Abgasen in dem Turboauflader eingesetzt werden kann, wodurch die gesamte Wärmeeffizienz des Motors angehoben wird.
Durch die Verwendung des Eingußverfahrens ist das gegossene Abgasschild aus rostfreiem Stahl in der Zylinderkopfgußform angeordnet noch ehe das Eisen gegossen wird. Während das Eisen gegossen wird, dient eine dünne Schicht Sand um die Außenseite des Schildes dazu, zwischen der angrenzenden Innenwand des Zylinderkopfes und dem Schild einen Zwischenraum zu erhalten. An bestimmten Bereichen des Schilds verschmilzt das Eisen mit dem Schild, wodurch eine Diffusionsverbindung entsteht. Dieses Verbinden führt zu einer Permanentverbindung dieser beiden Teile. Wenn der Guß ausgekühlt ist, wird der Sand entfernt und die Luftlücke bleibt bestehen, wobei diese immerhin 90% oder mehr des Oberflächenbereichs der Abgasausgangspassage durch den Zylinderkopf (Abgaskanal) abdeckt.
Das Eingußverfahren weist gegenüber dem Verfahren, bei dem ein Schild nach dem Gußverfahren eingesetzt wird, verschiedene Vorteile auf. So wird beispielsweise der vorhandene Raum hervorragend genützt, da kein Spielraum für ein Zusammenbauen vonnöten ist. Außerdem wird zum Bearbeiten des Zylinderkopfes weit weniger Zeit benötigt, da zusammengehörige Flächen des Zylinderkopfes und des Schildes an den gewünschten Schnittstellen einstückig miteinander verbunden sind. Somit kommt eine vollständige Anordnung direkt aus der Gußform.
Die Funktion der geringen Wärmeabfuhr des Zylinderkopfes konzentriert sich auf das Abgasschild aus rostfreiem Stahl. Die Bezeichnung "Schild" wird hier verwendet, da es Aufgabe des Teiles ist, das Kühlmantelsystem gegenüber unerwünschte Abgaswärme abzuschirmen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muß ein Material eingesetzt werden, das sehr hohen Temperaturen standhält und korrosionsbeständig ist. Da die Luftlücke die von den Abgasen ausgehende Übertragung von Wärme reduziert, erreicht das Schild Abgastemperaturen, die bei einem Zweitakt-Dieselmotor typischerweise etwa bei oder leicht über 480ºC (900ºF) liegen. Ein bekanntes geeignetes Material für eine derartige Hitzeschildvorrichtung ist der rostfreie Stahl AISI 347.
Das Schild selbst ist ein Gußprodukt, das durch ein vakuumgestütztes Gußverfahren hergestellt wird und das Gießen von verschiedenen Materialien mit sehr dünnen Wänden, d. h. mit einer Dicke von ca. 0,178 cm (0,070 Inch), und einer verbesserten Abmessungsstabilität ermöglicht. Ein derartiges Verfahren ist im US- Patent Nr. 4,340,108 beschrieben.
Das Verfahren zum Gießen des Schildes an die vorgesehene Stelle ist ähnlich dem üblichen Sand-Standguß (englisch: gravity sand casting), wobei hier die unten beschriebenen Abweichungen auftreten. Nachdem das Schild gegossen ist, wird das Ende des Schildes in einem Bearbeitungsvorgang gefertigt, wobei dieses Ende mit dem Abgassammler verbunden wird, um einen dichten und gleitfähigen Kontakt mit einer Flanschdichtung herzustellen, die zwischen der Schnittstelle des Dichtungszylinderkopfes des Abgassammlers angeordnet ist. Eine derartige gleitfähige Dichtungsanordnung ist im allgemeinen in Fig. 6 dargestellt. Sobald die Schilder gefertigt sind, können diese plattiert werden, um eine verbesserte Diffusionsverbindung mit dem gegossenen Eisen zu ermöglichen. Sodann wird das Schild in einen Kernkasten gelegt. Durch ein Cold-Box-Verfahren wird das Schild plaziert und eine gewünschte Menge Sand wird um das Schild geblasen, um die Luftlücke auszubilden und das Innere des Schildes auszufüllen.
Bei Motoren, in denen jede Verbrennungskammer zwei oder mehrere Abgaskanäle hat, und insbesondere für den Fall, daß diese einander diametral gegenüberliegen, ist es nicht ungewöhnlich, zwei Schilder zu verwenden und ein Paar Abgaskanalkerne vorzusehen, welche die Schilder als einen einzigen Kern enthalten, wodurch die Abgaspassage für eine Zylinderposition in dem Zylinderkopf gebildet wird. Hierbei wird ein auf Graphit basierender feuerfester Überzug (Kernschlichte) auf den Kern übertragen, um ein Bonden an verschiedenen Stellen des Schilds zu verhindern. Kernschlichten werden normalerweise auf Kerne übertragen, um ein Entfernen von Sand von der resultierenden Eisenoberfläche zu ermöglichen.
Mit dem abschließenden Gießen des Zylinderkopfes wird der Kernsand entfernt, wobei unter anderem eine Luftlücke zwischen dem Hitzeschild und dem Inneren des Zylinderkopfes entsteht. Im Anschluß daran kann auf dem Hitzeschild an dem der Abgasauslaßöffnung nächsten Ende eine Flanschdichtung angeordnet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, der die von den Abgasen an den Motor selbst abgeführte Wärme minimal halten kann.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die Leistungsfähigkeit von Verbrennungsmotoren zu erhöhen, indem die Wärmeabfuhr an die Zylinderköpfe verringert wird und dadurch die Anforderung an das Kühlsystem, überschüssige Hitze abzuführen, reduziert wird, wobei zugleich die verfügbare Energie der Abgase erhöht wird, welche durch verschiedene Wärmegewinnverfahren gewonnen werden kann, um zusätzliche Motorenleistung abzuleiten.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkopf zur Verfügung zu stellen, wobei der Zylinderkopf ein Hitzeschild in den Abgaskanälen hat, das aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist und dabei hitzebeständiger als das Material des Zylinderkopfes selbst ist und zwischen dem Abgaskanal und dem Zylinder eine Isolierschicht herstellt, die eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit hat.
Ein weiteres Ziel ist es, ein während des Gießens des Zylinderkopfes an die vorgesehene Stelle gegossenes (englisch: cast in place) Hitzeschild zur Verfügung zu stellen, wobei das Hitzeschild durch ein während des Gießens des Zylinderkopf stattfindendes Diffusionsbonden mit dem Zylinderkopf verbunden wird.
Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, das zuvor genannte Hitzeschild als einen Kern mit einem Dichtungsmittel vorzusehen, das an einem Ende des Hitzeschilds nahe einem Abgassammler mit einem Dichtungselement angeordnet ist, wobei das Hitzeschild dazu geeignet ist, an die vorgesehene Stelle gegossen und mit dem Zylinderkopf-Gußteil durch Diffusionsbonden über seinem Außendurchmesser verbunden zu, wobei ein enger Gleitsitz mit dem Hitzeschild an seiner Innenseite entsteht, um einen Gleitkontakt mit dem Hitzeschild zu erzeugen, wenn sich das Hitzeschild ausdehnt und zusammenzieht während Abgase durch den Zylinderkopf geleitet werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Hitzeschild- und Dichtungselementkombination mit Mitteln zu versehen, welche dafür sorgen, daß diese sich radial ausdehnen kann wenn die Abgase durch den Zylinderkopf transportiert werden.
Das Dokument JP 62 211 138 beschreibt ein Metallgußteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Metallgußteil nach den angefügten Ansprüchen zur Verfügung gestellt.
Eine Ausführungsform umfaßt einen Gußeisen-Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor mit einem Hauptabschnitt und einem hochtemperaturfesten Abgas- Hitzeschild aus Stahl das über ein Paar Enden verfügt und dazu geeignet ist, sich von einer Verbrennungskammer an einem der Enden des Hitzeschildes bis zu einem Abgassammler am anderen Ende zu erstrecken. Das Abgas-Hitzeschild ist an seinen Enden vom Hauptabschnitt getragen und dabei über im wesentlichen den gesamten verbleibenden Abschnitt des Abgas-Hitzeschilds von dem Hauptabschnitt beabstandet, um eine hitzeisolierende Kammer um das Abgas- Hitzeschild zwischen dessen beiden Enden zu bilden. Die hitzeisolierende Kammer ist mit einem hitzeisolierenden Keramikmaterial mit hohlen Keramikpartikeln gefüllt und an beiden Enden des Abgas-Hitzeschilds mit einer Dichtung abgedichtet, wobei das hitzesolierende Keramikmaterial in dem Zylinderkopf angeordnet ist.
Diese und weitere Ziele sowie Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welche in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen steht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine allgemeine Perspektivansicht einer Verbrennungsmaschine, die mit einem verbesserten Zylinderkopf nach der vorliegenden Erfindung ausgestattet sein kann;
Fig. 2 ist eine Draufsicht im teilweisen Querschnitt eines Abschnitt eines Zylinderkopfes nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht entlang der Linien 3-3 der Fig. 2;
Fig. 4 ist eine auseinandergezogene Ansicht auf den in Fig. 3 mit "4" gekennzeichneten kreisförmigen Ausschnitt, welche einzelne Elemente des Abgas-Hitzeschilds und der Dichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine Perspektivansicht der in den Fig. 2-4 dargestellten Dichtung im teilweisen Querschnitt;
Fig. 6 ist eine der Fig. 5 ähnliche Darstellung, wobei hier jedoch eine Flanschdichtung eines Abgas-Hitzeschildes gemäß dem Stand der Technik gezeigt ist;
Fig. 7-10 sind Schnittansichten ähnlichen den Fig. 5 und 6, wobei jede dieser Figuren eine alternative Ausführungsform der Dichtung des Abgas-Hitzeschilds nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11 ist eine Perspektivansicht eines beschriebenen Gußkerns umfassend das Abgas-Hitzeschild;
Fig. 12 ist eine Seitenansicht des in Fig. 11 dargestellten Gußkerns;
Fig. 13 ist eine Leistungskurve der vergleichsweisen Wärmeleitfähigkeit des in dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf verwendeten HCP- Materials ("A") im Vergleich zur Luftlücken-Gestaltungsform (englisch: air-gap design) ("B") des Standes der Technik; und
Fig. 14 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Gießen des Zylinderkopfes nach der vorliegenden Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsform

Anhand des Zweitakt-Dieselmotors der Fig. 1 ist der Effekt einer verbesserten Zylinderkopf-Konstruktion mit geringer Wärmeabfuhr gut zu verstehen sowie die Gesamtleistung des Motors und der Synergie-Effekt, der in Kombination mit einem Luft-/Abgassystem als Teil des Motors erzielt wird. Es ist zu erkennen, daß der Motor, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist, ein V-Motor ist, der Abgassammler 12 auf gegenüberliegenden Seiten des Motors hat. Eine Eintrittsplenumkammer (englisch: intake plenum) ist im "V-Bereich" des Motorblocks unterhalb eines Turboladers 14 angeordnet. Eine Art Roots-Gebläse (nicht dargestellt) ist oberhalb des "V" des Motorblocks angeordnet. Der Turbolader 14 nimmt Abgase von dem Abgassammler 12 über die Auspuffleitung 16 auf. Die Abgasenergie wird vom Turbolader dazu eingesetzt, Eintrittsluft, die vom Kompressionsausgang des Turboladers 18 an das Roots-Gebläse abgegeben wird, bei erhöhtem Druck zu komprimieren, wobei diese Luft sodann an die Eintrittsplenumkammer weitergeleitet wird. Die Verfügbarkeit von Abgasen mit einem höheren Hitzegehalt erhöht die gesamte thermische Effizienz des Motors. Zusätzlich kann das Eingangsluftsystem zur Versorgung der Verbrennungskammer mit einem Bypass-Gebläse (englisch: bypass blower) (direkt unterhalb des Turboladers 14 angeordnet, jedoch nicht dargestellt) versehen werden.
Der Motor ist wassergekühlt. Die Wasserpumpe, Lüftung sowie der Kühler sind nicht dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß die Kapazität und die Größe des Kühlungssystems direkt von der Energiemenge abhängt, die von den Abgasen abgeleitet werden muß, um die Arbeitstemperatur im Motor annehmbar gering zu halten.
Im folgenden wird der oben genannte Synergie-Effekt verdeutlicht. Indem die Temperatur der Abgase erhalten wird, während diese durch die Abgaskanäle geleitet werden, kann die Wärmeenergie vorteilhaft in dem Luftsystem des Motors eingesetzt werden. Wenn nun zugleich die Übertragung der Wärme von den Abgasen, die durch den Zylinderkopf geleitet werden, an das Kühlmittel reduziert wird, verringert sich die Anforderung an das Kühlsystem.
Des weiteren kann dadurch, daß der Motor mehr Nutzkraft zur Verfügung stellt, die gleiche PS-Leistung bei geringerem Treibstoffverbrauch erzielt werden. Somit wird ein Verringern der Größe der Einspritzanlage ermöglicht, wodurch auch die Temperatur der in der Verbrennungskammer erzeugten Abgase verringert werden, was wiederum den Kreis des Synergie-Effekts schließt.
Anhand der Fig. 2 und 3 ist zu erkennen, daß der Zylinderkopf, der allgemein das Bezugszeichen 20 trägt, vier Abgaskanäle 22 hat sowie einen Kanal 24 für eine Glühkerze und Wasserauslasskanäle 26. Jedes der beiden Hitzeschilder 28 ist an die vorgesehene Stelle gegossen und erstreckt sich von einem Ende 30, dem Eingang, welcher am nächsten zu den Abgasventilsitzen 32 angeordnet ist, zu einem gegenüberliegenden Ende 34, welches den Ausgang bildet und an den Eingang des Abgassammlers 12 (in Fig. 1 dargestellt) grenzt.
Die Kühlwasserausgänge 26, die an den Zylinderkopf grenzen, sind mit einer Reihe von Wasserkühlpassagen 36, welche über den Zylinderkopf verteilt sind, verbunden. Der Zylinderkopf wird an geeigneter und mit 38 gekennzeichneter Stelle, angebohrt, um ein Wassertemperatur-Meßelement aufzunehmen, sowie an weiteren geeigneten und mit 40 gekennzeichneten Stellen, um ein Mittel zum Halten einer Abgasventil-Betriebsanordnung (nicht dargestellt) auf dem Zylinderkopf zur Verfügung zu stellen. Abgasventile 42 müssen im Zylinderkopf angeordnet sein. Die Ventilköpfe 44 sitzen auf der Verbrennungsseite des Zylinderkopfes. Der Abgasventilschacht 46 jedes Ventils erstreckt sich vertikal durch den Zylinderkopf 20 und das jeweilige Abgas-Hitzeschild 28 und wird innerhalb der Bohrung einer jeweiligen Ventilführung 48 gehalten.
Es ist zu erkennen, daß ein unterer Bereich jeder Führung 48 durch das gegossene Abgasschild verläuft.
Wie nun insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist eine vertikale abgestufte Bohrung 50 dazu vorgesehen, eine Einspritzanlage zu tragen. Diese ist im gleichen Abstand zu den Abgaskanälen 22 angeordnet.
Das bevorzugte Gußmaterial des Zylinderkopfes enthält folgende chemischen Stoffe und Mikrostrukturen:

Chemische Zusammensetzung (in % des Gewichts):

Kohlenstoff gesamt 3,40-3,60
Mangan 0,60-0,90
Silizium 1,80-2,10
Chrom 0,21 MAX.
Nickel 0,05-0,10
Kupfer 0,30-0,50
Phosphat (Phos) 0,05 MAX.
Schwefel 0,15 MAX.
Molybdän 0,25-0,40

Mikrostruktur:

- Komplett perletische Matrix mit abgeschiedener eutektischer Zellgröße.
- Mindestens 90% Graphit Typ A mit Flockengröße 5-7.

Brinell-Härtegrad:

HB 179-229
Das Abgas-Hitzeschild 28 besteht aus einem im Vergleich zu dem Gußeißen-Zylinderkopf hochtemperaturfesten Material. Das bevorzugt für das Hitzeschild verwendete Material ist ein AISI 347 rostfreier Stahl. Vorzugsweise wird das Schild im Guß hergestellt unter Verwendung eines vakuumgestützten Gußverfahrens, welches ermöglicht, daß verschiedene Materialien mit sehr dünnen Wänden und einer besonderen Abmessungsstabilität gegossen werden. Die Dicke des Abgasschildes liegt vorzugsweise bei 0,178 cm (0,070 Inch). Das Gußverfahren für das Abgasschild ist beschrieben in dem US-Patent Nr. 4,340,108 und ist als solches kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
Wie im Detail später noch beschrieben wird, wird das Abgasschild 26 an die vorgesehene Stelle gegossen, während der Zylinderkopf gegossen wird, wodurch sichergestellt wird, daß das Schild an dem Zylinderkopf in den mit 52 gekennzeichneten Bereichen befestigt ist und von diesem getragen wird, wobei diese Bereiche an dem Ende des Abgasschildes gelegen sind, das am nächsten zu der Verbrennungsseite des Zylinderkopfes an den Ventilsitzen liegt, sowie in den mit 54 gekennzeichneten Bereichen, in denen die Ventilführungen 48 durch die Abgasschildwand hindurch verlaufen. Schließlich ist das Abgasschild an seinem gegenüberliegenden Ende 34 gehalten, das am nächsten zur Seitenwand 56 gelegen ist, an welcher der Abgassammler 12 befestigt ist (wie in Fig. 1 dargestellt). Dieser Halt wird sichergestellt durch einen ringförmigen Dichtungsring 58 aus beruhigtem Stahl (englisch: solid steel), welcher durch Diffusionsbonden mit dem Gußteil an dessen Außenkante befestigt und in dem Abgasschild durch einen festen Gleitsitz eingepaßt ist und dabei mit der Innenfläche auf einem gefertigten und sich axial erstreckenden Steg 60 angeordnet in Eingriff ist. Es ist zu sehen, daß das Ende 34 des Abgasschildes 26, das von dem Dichtungsring gehalten wird, mit dem Zylinderkopf bei einem kurzen Abstand d von der Seitenwand 56 abschließt. Der Gleitsitz mit der Ringdichtung und die Beabstandung des Endes des Abgasschildes innerhalb des Zylinderkopfes sorgt dafür, daß sich das Abgasschild in axialer Richtung entlang der Längsachse x ausdehnen kann, wenn heiße Abgase durch das Abgasschild transportiert werden. Der Dichtungsring 58 sorgt ebenso dafür, daß das Abgasschild radial wärmedehnbar ist und ist vorzugsweise aus einem rostfreien Stahlmaterial der Serie 300 hergestellt, welches eine Streckgrenze hat, die in etwa der des Abgasschildes entspricht.
Das Abgasschild ist im befestigten Zustand zu dem Zylinderkopfe beabstandet und definiert dabei einen Zwischenraum 62 entlang seinem gesamten Umfang und seiner Länge, wobei die Halterungspunkte 52, 54 und 58 eine Ausnahme bilden.
Der Zwischenraum 62 ist mit hohlen Keramikpartikeln (englisch: hollow ceramic particles, HCPs) gefüllt. Diese hohlen Keramikpartikel werden im folgenden als "HCPs" bezeichnet. Aufgrund der Selektion der HCPs bezüglich ihrer Größe und Größenordnung und aufgrund dessen, daß diese hohl und keramisch sind, ist für einen äußerst effektiven Isolierschutz gesorgt gegenüber der Abgabe von Wärme an die Oberflächen des Zylinderkopfes selbst, wobei die Abgase durch das Abgasschild aus rostfreiem Stahl geleitet werden. Die HCP-Schicht bildet Teil eines Gußkerns, der das Abgasschild umfaßt, wie später noch näher erläutert wird, derart daß beim Gießen des Zylinders auch die HCPs an die vorgesehene Stelle gegossen werden und dort durch die Abgrenzung, welche durch die Ringdichtung 58 und das Diffusionsbonden an den verbleibenden Halterungsbereiche 52 und/oder 54 des Abgasschildes gebildet wird.
Bevorzugte HCPs umfassen einige gebräuchliche hitzebeständige Metalloxid- Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Hafnium und. Zirconium ebenso wie nichtmetallische Oxide, wie beispielsweise Silizium und Calciumoxide.
Beispiele dieser Materialien bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung und Partikelgröße sind im folgenden in Tabelle I dargestellt: Tabelle I Spezifizierung der hohlen Keramikpartikel Chemische Zusammensetzung: metallische/nichtmetallische Oxide Partikelgröße
Die bevorzugten Materialien sind die unter 1 und 2 in der Tabelle aufgelisteten, die von Zeeland Industries/USA unter der Bezeichnung G-3800 bzw. G-3500 vertrieben werden, wobei das zuerst genannte Material das am meisten bevorzugte ist.
Die beschriebenen HCP-Materialien werden als Schichtenmischung auf dem Abgasschild durch einen organischen Harzträger zusammengehalten, der vorzugsweise etwa 1% bis etwa 3,5% des ungehärteten HCP/Harz-Gemisches ausmacht. Ein größerer Harzanteil kann dazu führen, daß eine unerwünschte Menge Gas während dem Gießen des Zylinderkopfes entsteht. Ein geringerer Harzanteil kann zu einer unerwünscht geringen Kernstärke führen.
Wie der Fachmann weiß, kann eine beliebige Anzahl an organischen Trägern verwendet werden. Das grundsätzliche Kriterium für den Träger ist, daß die Menge minimal gehalten wird, um nicht nur das Entstehen von Gas während dem Gießen des Zylinderkopfes gering zu halten, sondern auch um sicherzustellen, daß die HCPs selbst über den gesamten Querschnitt der HCP-Schicht 62 miteinander in Kontakt sind. Es wurde von den Erfindern herausgefunden, daß der Kontakt von HCPs minimaler Größe eine beträchtliche Resistenz gegenüber Hitzeleitfähigkeit von dem Abgasschild durch die Isolierschicht 62 fördert. Andererseits sollte der Harzgehalt nicht derart gering gewählt sein, daß eine unerwünscht geringe Kernstärke entsteht.
Eine bevorzugte Mischung des HCP-Materials mit dem Harzträger liegt bei 97,56 HCP und 2,54% organischem Harzträger, wobei das HCP-Material den Beispielen 1 und 2 der Tabelle I entspricht.
Wie bereits angemerkt, besteht ein bedeutendes Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, wie das Abgasschild durch die Ringdichtung 58 an gewünschter Stelle gehalten wird. In Fig. 4 und 5 ist ein bevorzugtes Ringdichtungselement, gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 58, dargestellt, das als einheitliche Struktur hergestellt ist und welches in der Gestaltungsform der Fig. 8 mit getrennten Randbereiche 70 und 72 zu sehen ist, welche, wie am besten in Fig. 5 zu erkennen, die jeweiligen Abgaskanalschilder des Abgasschildaufbaus auf der linken und rechten Seite abdecken. Die Randbereiche 70, 72 sind an einer gemeinsamen Schnittstelle 74 miteinander verbunden. Der Ring 58 hat einen massiven Querschnitt und ein beträchtlicher Abschnitt seiner radialen Breite ist innerhalb des Zylinderkopfgusses gehalten und durch Diffusionsbonden mit diesem verbunden. Die innere Umfangsfläche 76 der Dichtung ist in Fig. 4 im Querschnitt in Richtung der radial inneren konvexen Fläche dargestellt, so daß sie mit der erzeugten Fläche oder dem Steg 60 des Abgasschilds einen Linienkontakt erzeugt.
Der beschriebene Aufbau des bevorzugten Ringdichtung unterscheidet sich deutlich von dem als Stand der Technik bekannten Aufbau wie dieser in Fig. 6 zu sehen ist. Es ist zu erkennen, daß die Dichtung der Fig. 6 eine getrennte flanschartige Dichtung ist, die nicht Teil des Gusses ist, sondern dazu geeignet ist, nach dem Guß und der Fertigung des Zylinderkopfes in Gleitsitz-Eingriff mit dem Steg 60 des Abgasschildes zu kommen. Dies geschieht als letzter Schritt der Fertigung. Das Flanschschild 78 ist somit geeignet, durch eine geeignete Dichtung 80, die zwischen dem Abgassammler und der Seitenwand 56 des Zylinderkopfes angeordnet ist, oder durch jedes andere geeignete Mittel an vorgesehener Stelle gehalten zu werden. Bei der Ringdichtung der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, ermöglicht die Flanschdichtung 78 eine axiale sowie radiale Ausdehnung des Abgasschilds.
Alternative Ausführungsformen des Ringdichtungselements 58 sind in den Fig. 7, 9 und 10 dargestellt, wobei diese allesamt aus Metall und vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehen. In Fig. 7 ist eine flanschartige Dichtung 82 mit einem radialen Flansch 84 und einer Dichtungslippe 86 an die vorgesehene Stelle gegossen. Die Dichtungslippe steht in Eingriff mit dem Steg 60 des Abgasschildes und weist axial in Richtung der Seitenwand 56. Alternativ kann diese auch nach innen weisen. In Fig. 9 besteht die Ringdichtung aus einem massiven O-Ring 88, der in den Zylinderkopf eingebettet ist, wobei der diametrale Abschnitt des O- Rings mit dem Steg 60 des Abgasschilds einen Linienkontakt bildet. In Fig. 10 ist eine O-ringartige Dichtung 92 innen hohl, um eine größere radiale Elastizität zu bieten als dies bei der Ausführungsform der Fig. 9 der Fall ist.
In Fig. 8 ist zu sehen, daß die Ringdichtung 90 auch in den Zylinderkopfe eingegossen sein kann. Anders ausgedrückt ist die Ringdichtung als getrenntes Element abnehmbar. Ein Gleitsitz mit dem Steg 60 des Abgasschilds wird aufrechterhalten, indem der Steg 60 vor dem Anbringen in der Gußform des Zylinderkopfes als Kern mit einer dünnen Hitzeschutzschlichte versehen wird. Es ist festzustellen, daß man sich hierbei von dem im folgenden beschriebenen und in den Fig. 11 und 12 dargestellten Verfahren zur Bereitung eines Abgasschild- /HCP-Mischungskerns, entfernt.
Um den in Fig. 11 und 12 zusammengesetzten Abgasschild-/Isolierkern zu bereiten wird der Abgasschild-Guß an einem Ende fertig bearbeitet, um den Steg 60 zu erzeugen, und ebenso im Bereich 52 der Einlässe des Abgaskanals des Zylinderkopfes, um eine saubere Oberfläche zu erhalten, mit welcher der Zylinderkopf durch Diffusionsbonden verbunden wird. Ebenso werden die Ventilführungsbereich 94 und 96 des Abgasschildes gebohrt, um eine saubere Oberfläche 54 in der Wand des Abgasschildes zu erhalten, innerhalb welcher die Ventilführungen 48 des Zylinderkopfes diffusionsgebondet werden (englisch: diffusion bonded). Anschließend wird das Ringdichtungselement 58 auf den Steg 60 gepreßt. Das Abgasschild wird sodann in einer geeigneten Form angeordnet und die HCP- Isolierschicht wird um den Außenumfang und die Länge des Abgasschildes gegossen und ein Kernsand 98 füllt das gesamte Innere des Abgasschildes und den axial äußeren Bereich des Stegs 60 auf einer Seite der Ringdichtung 58. Der obere Bereich der Ringdichtung bleibt frei oder, in anderen Worten, kommt nicht in Kontakt mit einer HCP- oder Kernsandanwendung. Ebenso die Bereiche an den Einlaßenden 52 der Abgaskanäle des Schilds, um somit ein Diffusionsbonden des Zylinderkopfes mit dem Abgasschild und der Ringdichtung beim Gießen des Zylinderkopfes zu ermöglichen.
Es können auch andere Konstruktionen zum Gießen des Hitzeschildes an vorgesehener Stelle vorgesehen werden. So kann beispielsweise das Diffusionsbonden auf eines der Einlaßenden, Auslaßenden oder die Ventilführungen beschränkt werden, wobei die Schnittstelle des übrigen Zylinderkopfes mit dem Hitzeschild als Gleitsitz vorgesehen ist, wie im Hinblick auf Fig. 8 beschrieben.
Der Abgaskanalkern, welcher die Schilder umfaßt, kann als einzelner zusammengesetzter Gußkern, wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt vorgesehen sein. Alternativ ermöglichen gewisse Zylinderkopfkonstruktionen, wie beispielsweise in den Fig. 2 und 3 dargestellt, daß die beiden Abgasschilder als einheitlicher zusammengesetzter Gußkern bereitet werden, wodurch ferner die Herstellung vereinfacht und die HCP-Materialmenge in dem Bereich der Glühkerze erhöht wird.
Nach dem Aushärten des zusammengesetzten Kerns wird dieser in der zum Gießen des Zylinderkopfes verwendeten Sandform plaziert. Nach dem Gießen des Zylinderkopfes wird der Kernsand 98 aus der Zylinderkopf-Gußform geschüttelt, wodurch die Wasserpassagen definiert werden und um den Sand aus dem Inneren des Abgasschildes als auch aus anderen Stellen in dem Guß zu entfernen.
Somit ist das Gießen des Zylinderkopfes abgeschlossen, worauf die Bearbeitung sowie damit verbundene Arbeitsvorgänge folgen, welche diese Erfindung nicht betreffen. Das komplette beschriebene Verfahren ist in Fig. 14 als Diagramm dargestellt.
Die Funktions- sowie Herstellungseffizienz des zuvor beschriebenen Zylinderkopfes unterscheidet sich deutlich vom relevanten Stand der Technik. Beispielsweise ist ein Unterschied allein darin zu sehen, daß zwischen dem Abgasschild und dem Zylinderkopf eine Luftlücke vorgesehen ist. In Fig. 13 ist ein Performance-Vergleich des Isolationsmittels für Luft gegenüber den HCPs dargestellt, wobei zu bemerken ist, daß die Wärmeleitfähigkeit des gemäß der vorliegenden Erfindung im Zylinderkopf, der mit A gekennzeichnet ist, eingesetzten HCP-Materials bei jeder Temperaturdifferenz (welche für gewöhnlich zwischen 37,8ºC bis 315,6ºC (100ºF bis 600ºF) liegt) zwischen der hießen Seite des Hitzeschildes und der Oberfläche des Kopfgusses, der an das Hitzeschild grenzt, d. h. der Bereich, der den HCP-Hohlraum bildet, relativ konstant bleibt. Dahingegen ist bei dem Zylinderkopf, für den eine Luftlücke zwischen dem Abgasschild und dem Zylinderkopf vorgesehen ist und der mit B gekennzeichnet ist, ein deutlicher Temperaturanstieg bei dieser Temperaturdifferenz zu verzeichnen. In der abschließenden Analyse ist ein Rückgang der Wärmeleitfähigkeit um 40% weniger als bei der mit C gekennzeichneten Zylinderkopfkonstruktion mit Luftlücke zu erzielen, wobei dies das erzeugte Temperaturdifferential für mittlere Zylinderkopf-/Motorbereich- Arbeitsbedingungen darstellt.
Zwar wurde hierin die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung detailliert beschrieben; dennoch ist für den Fachmann im betreffenden Gebiet zu erkennen, daß zahlreiche alternative Formen und Ausführungsmöglichkeiten bestehen, um die Erfindung gemäß den folgenden Ansprüche umzusetzen.

Claims

1. Metallgußteil umfassend eine Keramikmaterial-Schicht mit hohlen Keramikpartikeln, dadurch gekennzeichnet daß das Gußteil einen ersten Metallabschnitt (20) aus einem ersten Metall und einen zweiten Metallabschnitt (26) aus einem zweiten Metall hat, wobei die Keramikmaterial-Schicht ein Kernmaterial bildet, das den ersten von dem zweiten Abschnitt trennt.

2. Metallgußteil nach Anspruch 1, wobei die Keramikpartikel gleichmäßig über ein Kunstharzträgermaterial verteilt sind und die hohlen Keramikpartikel jedes für sich über das gesamte Kernmaterial in engem Oberflächenkontakt mit angrenzenden einzelnen hohlen Keramikpartikeln sind.

3. Metallgußteil nach Anspruch 2, wobei die hohlen Keramikpartikel im allgemeinen sphärisch sind und ihr Durchmesser in einem Bereich von etwa 10. Mikrometer bis etwa 2,5 Millimeter liegt.

4. Metallgußteil nach Anspruch 3, wobei die hohlen Keramikpartikel im allgemeinen sphärisch sind und ihr Durchmesser in einem Bereich von etwa 10 Mikrometer bis etwa 450 Mikrometer liegt.

5. Metallgußteil nach Anspruch 4, wobei der Durchmesser der hohlen Keramikpartikel in einem Bereich von etwa 200 Mikrometer bis etwa 450 Mikrometer und der durchschnittliche Durchmesser bei etwa 325 Mikrometer liegt.

6. Metalgußteil nach Anspruch 5, wobei die hohlen Keramikpartikel zu etwa 66 Prozent aus Silikat und zu etwa 33 Prozent aus Aluminiumoxid bestehen und der Rest Spurenmaterialien sind.

7. Metallgußteil nach Anspruch 6, wobei die hohlen Keramikpartikel etwa 99,0 bis 96,5 Prozent des Gewichtes des Kernmaterials ausmachen und der Kunstharzträger organisch ist und etwa 1,0 bis 3,5 Prozent des Gewichtes des Kernmaterials vor dem Aushärten des Kernmaterials ausmacht.

8. Metallgußteil nach Ansprüch 7, wobei die hohlen Keramikpartikel etwa 97,5 Prozent und der Träger etwa 2,5 Prozent ausmachen.

9. Metallgußteil nach Anspruch 1, wobei das erste Metall kohlenstoffarmes Gußeisen ist und das zweite Metall kohlenstoffreicher rostfreier Stahl ist.

10. Metallgußteil nach Anspruch 9, wobei der zweite Abschnitt (26) und die Keramikmaterial-Schicht einen zusammengesetzten Kern bilden, um den der erste Abschnitt (20) gegossen wird, wodurch der zweite Abschnitt (26) und die Keramikmaterial-Schicht relativ zum ersten Abschnitt an die vorgesehene Stelle gegossen werden.

11. Metallgußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor umfassend einen Gußeisen-Zylinderkopf mit einem Hauptabschnitt aus einem ersten Metall und einem hochtemperaturfesten Abgas-Hitzeschild aus Stahl (26) aus einem zweiten Metall, das über ein Paar Enden verfügt und dazu geeignet ist, sich von einer Verbrennungskammer an einem der Enden des Hitzeschildes bis zu einem Abgassammler am anderen Ende (34) zu erstrecken; wobei

das Abgas-Hitzeschild (26) von dem nahe den Enden angeordneten Hauptabschnitt getragen wird und über im wesentlichen den gesamten verbleibenden Abschnitt des Abgas-Hitzeschilds (26) von dem Hauptabschnitt (20) beabstandet ist, um eine hitzeisolierende Kammer (62) um das Abgas- Hitzeschild (26) zwischen dessen beiden Enden zu bilden;

die hitzeisolierende Kammer (62) mit dem hitzeisolierenden Keramikmaterial mit hohlen Keramikpartikeln gefüllt ist;

die hitzeisolierende Kammer (62) in der Nähe der beiden Enden des Abgas- Hitzeschilds (26) abgedichtet ist und das hitzeisolierende Keramikmaterial innerhalb des Zylinderkopfs (20) angeordnet ist.

12. Die Kombination nach Anspruch 11 mit einem an die vorgesehene Stelle gegossenen hochtemperaturfesten Abgas-Hitzeschild aus Stahl (26), wobei das hitzeisolierende Keramikmaterial innerhalb des Zylinderkopfs angeordnet ist.

13. Die Kombination nach Anspruch 12, wobei das Abgas-Hitzeschild (26) mit dem Hauptabschnitt (20) durch Diffusionsbonden (52; 54) verbunden ist.

14. Die Kombination nach Anspruch 13, wobei das eine Ende des Abgas-Hitzeschilds (26) mit dem Hauptabschnitt durch Diffusionsbonden verbunden wird.

15. Die Kombination nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Dichtungsmittel an dem einen Ende (34) des Abgas-Hitzeschilds (26) zur Abdichtung des hitzeisolierenden Keramikmaterials innerhalb der hitzeisolierenden Kammer (62);

wobei das Dichtungsmittel den äußeren Rand des Abgas-Hitzeschilds (26) komplett umgibt und in Gleitsitz-Eingriff mit dem Abgas-Hitzeschild ist, um die Buchse zu tragen und es der Buchse zu ermöglichen, sich bei veränderten Abgastemperaturen relativ zu dem Hauptabschnitt (20) axial auszudehnen und zusammenzuziehen.

16. Die Kombination nach Anspruch 15, wobei das Dichtungsmittel Teil des Hauptabschnitts (20) ist.

17. Die Kombination nach Anspruch 16, wobei das Dichtungsmittel (58) aus einem hochtemperaturfesten Stahlmaterial besteht und während des Gießens des Hauptabschnitts (20) durch Diffusionsbonden mit dem Hauptabschnitt (20) verbunden wird.

18. Die Kombination nach Anspruch 17, wobei das Abgas-Hitzeschild (26) im allgemeinen ringförmig ist und das Dichtungsmittel (58) eine ringförmige Dichtung hat; und

die ringförmige Dichtung relativ zu dem Schild elastisch ist und, wenn sich das Schild bei hohen Abgastemperaturen radial ausdehnt, sich die Dichtung innerhalb einer Grenze radial verdichtet, wodurch bei relativ hohen Abgastemperaturschwankungen ein effektiver Verdichtungseffekt und Gleitsitz erzielt wird.

19. Die Kombination nach Anspruch 17, wobei die ringförmige Dichtung (92) ein hohles Querprofil hat, wodurch eine verbesserte radiale Elastizität der Dichtung erzielt wird.

20. Die Kombination nach Anspruch 18, wobei die ringförmige Dichtung (82) einen radial geformten Flanschabschnitt (84) hat, dessen radial äußeren Ränder mit dem Hauptabschnitt und dessen radial inneren Ränder mit einem Dichtungslippenabschnitt (86) durch Diffusionsbonden verbunden werden; wobei sich der Dichtungslippenabschnitt (86) der Achse des Abgas-Hitzeschilds (26) radial nähert und mit diesem in Gleitsitz-Eingriff ist.

21. Die Kombination nach Anspruch 13, wobei

das Abgas-Hitzeschild (26) im allgemeinen ringförmig ist, aus einem hochtemperaturfesten Stahlmaterial besteht und an einem Ende eine Einlaßöffnung hat, um Abgase von einer Verbrennungskammer aufzunehmen, und an dem anderen Ende eine Auslaßöffnung hat, durch welche die Abgase in einen Abgassammler (12) geleitet werden;

das Abgas-Hitzeschild ein ringförmiges Dichtungsmittel (58) an dem äußeren Umfang der Buchse (26) an deren einem Ende (34) hat, und wobei das Dichtungsmittel mit der Buchse in Gleitsitz-Eingriff ist;

der äußere Umfang der Buchse (26) an dem einen Ende eine Fertigfläche ist, um den engen Gleitsitz-Eingriff innerhalb des ringförmigen Dichtungsmittels (58) zu erleichtern;

das Abgas-Schild (26) an vorgesehener Stelle innerhalb des Zylinderkopfs (20) gegossen wird, indem das Abgas-Hitzeschild als zusammengesetzter Gußkern vorgesehen ist, der ein erstes Kernmaterial hat, das über den Umfang der Buchse von dem einen benachbart zu dem ringförmigen Dichtungsmittel (58) angeordneten Ende bis zu einem Punkt als Schicht aufgetragen wird, der sich in nur geringer Entfernung von dem anderen Ende des Hitzeschilds befindet, wodurch das andere Ende mit dem Hauptabschnitt durch Diffusionsbonden verbunden wird;

das erste Kernmaterial die hohlen Keramikpartikel enthält, die vor dem Gießen durch einen Kunstharzträger zusammengehalten werden und über den Kunstharzträger gleichmäßig verteilt sind;

die hohlen Keramikpartikel jedes für sich über die gesamte hitzeisolierende Kammer in engem Oberflächenkontakt mit angrenzenden einzelnen hohlen Keramikpartikeln sind;

wodurch die Hitze beim Gießen effizient durch das Kernmaterial geleitet wird und die Menge Kunstharzträgermaterial minimal gehalten werden kann, um die Gasmenge zu reduzieren, die durch den Kunstharzträger erzeugt wird, wenn dieser der Hitze des Gußmetalls ausgesetzt ist.

22. Verfahren zum Gießen von Metallteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sandform verwendet wird, um zumindest einen Abschnitt des zu gießenden Teiles zu definieren und eine Verbesserung darin besteht, daß zumindest ein Abschnitt der Sandform eine Schicht von hohlen Keramikpartikeln verwendet.