ZYLINDERKOPF-GUSSROHTEIL, GEGOSSENER ZYLINDERKOPF FüR

DIESEL-VERBRENNUNGSMOTOREN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG

EINES ZYLINDERKOPF-GUSSROHTEILS

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopf-Gussrohteil zur Herstellung eines Zylinderkopfes für mit Dieselkraftstoff betriebene Verbrennungsmotoren, mit einer im fertig bearbeiteten Zustand zur Montage an einer korrespondierenden Dichtfläche eines Motorblocks bestimmten Dichtfläche, die an einem Dichtflächenabschnitt des Zylinderkopf-Gussrohteils ausgebildet ist, dessen Dicke im Gusszustand eine Bearbeitungszugabe gegenüber seiner nach einer spanabhebenden Fertigbearbeitung der Dichtfläche erhaltenen Nenndicke aufweist, und einen Brennraumbereich umfasst, der einem in dem Motorblock eingeformten Brennraum zugeordnet ist.

Des Weiteren behandelt die Erfindung einen aus einer Metallschmelze gegossenen Zylinderkopf für mit Dieselkraftstoff betriebene Verbrennungsmotoren, mit einer zur Montage an einer korrespondierenden Dichtfläche eines Motorblocks bestimmten, durch spanabhebende Fertigbearbeitung erzeugten Dichtfläche, die einen Brennraumbereich umfasst, der einem in dem Motorblock eingeformten Brennraum zugeordnet ist.

Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Gießen eines Zylinderkopf-Gussrohteils, bei dem eine Metallschmelze, insbesondere eine Leichtmetallschmelze, in eine Gießform gegossen wird, die einen das Zylinderkopf- Gussrohteil abbildenden Formhohlraum umfasst, der eine an dem Zylinderkopf-Gussrohteil eine Dichtfläche abbildende Begrenzungsfläche aufweist, und bei dem nach dem Abguss, Erstarren und Ausformen des Zylinderkopf-Gussrohteils die Dichtfläche mittels einer spanabhebenden Bearbeitung fertig bearbeitet wird, indem im Bereich der Dichtfläche Gussmaterial über eine Dicke abgenommen wird, um eine zur Montage an einer korrespondierenden Dichtfläche eines Motorblocks fertig bearbeitete Dichtfläche zu erzeugen.

Bei Zylinderköpfen für Dieselverbrennungsmotoren, insbesondere bei Direkteinspritzmotoren, hat der Brennraumbereich keine kalottenförmige Geometrie, wie sie bei Zylinderköpfen für Benzinmotoren üblicherweise vorgesehen ist, sondern ist planeben in die ebenso plane Dichtfläche eingearbeitet, mit der der Diesel-Zylinderkopf im montierten Zustand an der ihm zugeordneten Dichtfläche des jeweiligen Motorblocks anliegt. Der Brennraumbereich des Zylinderkopfs liegt auf diese Weise in der Dichtebene zum Motorblock.

Um die Dichtfläche mit der für einen dauerhaft sicher dichten Sitz erforderlichen Genauigkeit fertigen zu können, wird beim Zylinderkopf-Gussrohteil üblicherweise eine Bearbeitungszugabe vorgegossen, welche bei der Fertigbearbeitung des Zylinderkopfes abgespant wird. In der Praxis beträgt die im Zuge der Fertigbearbeitung abgetragene, als Bearbeitungszugabe vorgesehene zusätzliche Dicke des die Dichtfläche tragenden Abschnitts des

Zylinderkopf-Rohteils üblicherweise 2 mm bis 3 mm. Der spanabhebende Abtrag dieser Dicke ermöglicht es, die Dichtfläche mit der erforderlichen Planebenheit hochgenau herzustellen .

Im praktischen Einsatz ist der Brennraumbereich des Zylinderkopfs aufgrund der bei Dieselmotoren auftretenden hohen Drücke und hohen Temperaturen am stärksten beansprucht. Diese Belastung führt insbesondere bei aus Leichtmetalllegierungen gegossenen Zylinderköpfen an den üblicherweise in ihre Brennraumbereiche eingearbeiteten Ventilsitzen und Ventilstegen zu einer erhöhten Rissanfälligkeit. Diese Anfälligkeit ist insbesondere unter Berücksichtigung dem Wunsch nach noch höher belastbaren Zylinderköpfen problematisch, der seitens der Hersteller und Verwender von Dieselmotoren im Hinblick auf eine möglichst hohe Leistungsausbeute erhoben wird.

Gerade dann, wenn die Zylinderköpfe aus einem Leichtmetallwerkstoff, beispielsweise einer Aluminium- Legierung, hergestellt werden sollen, können diese Forderungen bisher nur mit erheblichem legierungstechnischen, konstruktiven oder verfahrenstechnischen Aufwand erfüllt werden. So kann die Belastbarkeit der Ventilsitze im Bereich des Brennraums beispielsweise durch Eingießen von aus höher belastbaren Metallen hergestellten Elementen verbessert werden. Der mit dem Eingießen der Ventilsitze verbundene Aufwand und die für ihre ausreichend feste Einbindung in das Leichtmetall des Zylinderkopfes erforderlichen Maßnahmen verursachen jedoch einen zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand. Gleiches gilt für die Möglichkeit, die Festigkeits- und

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Dehnungseigenschaften des Brennraumbereichs durch eine nachträgliche Wärmebehandlung zu erhöhen.

Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein auf einfache Weise erzeugbares Zylinderkopf- Gussrohteil zu schaffen, aus dem sich auf einfache Weise ein Zylinderkopf für Dieselmotoren mit optimierter Belastbarkeit herstellen lässt. Ebenso sollte ein entsprechend ausgebildeter, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, gießtechnisch mit anschließender spanender Nachbearbeitung hergestellter Zylinderkopf für Dieselmotoren angegeben werden, der auch den gestiegenen Anforderungen an die Belastbarkeit derartiger Zylinderköpfe dauerhaft standhält. Schließlich sollte die Erfindung auch ein zur Herstellung derartiger Zylinderköpfe geeignetes Verfahren zur Verfügung stellen.

In Bezug auf das Gussrohteil ist diese Aufgabe ausgehend von einem Zylinderkopf-Gussrohteil der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst worden, dass bei einem solchen Gussrohteil erfindungsgemäß die Bearbeitungszugabe des Dichtflächenabschnitts im Brennraumbereich der Dichtfläche höchstens 15 % des übermaßes des Dichtflächenabschnitts im übrigen Bereich der Dichtfläche beträgt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die statischen und dynamischen Eigenschaften des von der Dichtfläche des zu erzeugenden Zylinderkopfes umfassten Brennraumbereiches maßgeblich durch die Ausbildung des Gussgefüges beeinflusst werden. Der wesentlich von der Erstarrungsgeschwindigkeit abhängenden Gefügefeinheit kommt dabei eine besondere Bedeutung zu.

Beim Abgießen der Leichtmetallschmelze wird die Erstarrung durch Wärmeentzug über die Gießform gelenkt und läuft an der Kontaktfläche zwischen Gießform und in die Gießform gefüllter Schmelze am schnellsten ab. Indem die Erfindung vorschlägt, die Dicke der im Brennraumbereich vorhandenen Bearbeitungszugabe auf ein Minimum zu beschränken, wird nun erreicht, dass das im Brennraumbereich oberflächennah vorhandene, schnell erstarrte Gussgefüge auch nach der für die Herstellung der erforderlichen Planheit der Dichtfläche unvermeidbaren spanabhebenden Bearbeitung an der Oberfläche des Brennraumbereichs nicht abgetragen, sondern erhalten bleibt. Entsprechend gut sind dort die mechanischen Eigenschaften, verglichen mit den weiter im Inneren gelegenen, langsamer erstarrten Bereichen des gegossenen Zylinderkopfes. Der Brennraumbereich behält also das besterstarrte Gefüge und kann somit bei längerer Lebensdauer höher belastet werden.

Hinsichtlich eines mit den eingangs angegebenen Merkmalen ausgestatteten Zylinderkopfes für mit Dieselkraftstoff betriebene Verbrennungsmotoren besteht die Lösung der voranstehend angegebenen Aufgabe dementsprechend darin, dass der Zylinderkopf erfindungsgemäß in dem Brennraumbereich angrenzend an dessen Oberfläche ein Gussgefüge aufweist, das dem Gussgefüge entspricht, welches im an die Oberfläche angrenzenden Bereich der Dichtfläche vor deren spanabhebender Fertigbearbeitung vorhanden ist.

Schließlich sieht die erfindungsgemäße Lösung der oben angegebenen Aufgabe in Bezug auf ein Verfahren der eingangs angegebenen Art vor, dass die Begrenzungsfläche der Gießform eine Erhebung umfasst, die in der Dichtfläche des Zylinderkopf-Gussrohteils einen Brennraumbereich einformt,

in dem die Erhebung eine sich im Wesentlichen parallel zur Begrenzungsfläche erstreckende Oberfläche aufweist, die in einem Abstand zur Dichtfläche angeordnet ist, der mindestens 85 % der Dicke des im Zuge der spanabhebenden Fertigbearbeitung von der Dichtfläche abgetragen Materials beträgt .

Den verschiedenen Verkörperungen der Erfindung gemeinsam ist, dass der in die Dichtfläche des Zylinderkopfes eingeformte Brennraumbereich schon beim Abgießen des Zylinderkopfes so endabmessungsnah erzeugt wird, dass im Brennraumbereich bei der nach dem Guss für die Herstellung ihrer Planheit unvermeidbaren spanabhebenden Bearbeitung der Dichtfläche allenfalls nur noch ein minimaler Materialabtrag erfolgt. Auf diese Weise bleibt im von der Dichtfläche umfassten Brennraumbereich des fertig bearbeiteten Zylinderkopfes ein schnell erstarrtes Gussgefüge von feiner Struktur erhalten.

Praktische Untersuchungen haben ergeben, dass die in erfindungsgemäßer Weise gestalteten und hergestellten Zylinderköpfe in ihrem jeweiligen Brennraumbereich Zugfestigkeiten aufweisen, die um 5 % bis 15 % höher sind als die Zugfestigkeiten von konventionell ausgebildeten und bearbeiteten, aus denselben Gusslegierungen erzeugten Zylinderköpfen. Zudem haben diese Untersuchungen eine gegenüber den konventionellen Zylinderköpfen um 15 % bis 25 % erhöhte Dehnbarkeit der erfindungsgemäßen Zylinderköpfe ergeben.

Die erfindungsgemäß erzielten Eigenschaftsverbesserungen lassen sich durch eine Minimierung der Bearbeitungszugabe im Brennraumbereich der Dichtfläche weiter optimieren. Dementsprechend sehen vorteilhafte Ausgestaltungen der

Erfindung vor, die Bearbeitungszugabe im Brennraumbereich auf höchstens 10 %, insbesondere 7 % und weiter bevorzugt höchstens 4 % des übermaßes des Dichtflächenabschnitts im übrigen Bereich der Dichtfläche zu beschränken. So liegt bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Zylinderkopf- Gussrohteil das übermaß der Dicke im Brennraumbereich beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm, während es in der übrigen, den Brennraumbereich umfassenden Dichtfläche in konventioneller Weise weiterhin 2 mm bis 3 mm betragen kann.

Nachfolgend wird Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines aus einer konventionellen Aluminiumgusslegierung gegossenen Zylinderkopf- Gussrohteils im Querschnitt;

Fig. 2 einen Ausschnitt einer Gießform zum Gießen des in Fig. 1 dargestellten Zylinder-Gussrohteils im Querschnitt;

Fig. 3 einen Ausschnitt eines aus dem in Fig. 1 gezeigten Zylinderkopf-Gussrohteil fertig bearbeiteten Zylinderkopfes im Querschnitt.

Das Zylinderkopf-Gussrohteil 1 weist an seiner in Montagestellung unteren Seite eine Dichtfläche 2 auf, die sich über die gesamte Breite und Länge des Zylinderkopf- Gussrohteils 1 erstreckt. Schon im in Fig. 1 dargestellten,

unbearbeiteten Gussrohzustand ist die Dichtfläche 2 im Wesentlichen planeben ausgebildet.

Die Dichtfläche 2 umfasst einen Brennraumbereich 3, der einem Brennraum eines hier nicht dargestellten Motorblocks zugeordnet ist. In den Brennraumbereich 3 sind ein Ventilsitz 4 für ein nicht dargestelltes Einlassventil und ein Ventilsitz 5 für ein ebenso nicht dargestelltes Auslassventil eingeformt. Zusätzlich sind in das Zylinderkopf-Gussrohteil 1 Kühlkanäle 6,7 eingeformt, deren Verbindungsöffnung zum Anschluss an entsprechende Kanäle des Motorblocks in der Dichtfläche 2 beabstandet zum Brennraumbereich 3 münden.

Die Dichtfläche 2 wird mit dem Brennraumbereich von einem sich über die Breite und Länge des Zylinderkopf- Gussrohteils 1 erstreckenden Dichtflächenabschnitts 8 getragen. Dieser im Bereich zwischen den sich parallel zur Dichtfläche 2 verlaufenden Abschnitten der Kühlkanäle 6,7 und der Dichtfläche 2 vorhandene Dichtflächenabschnitt 8 wird in der Fachsprache auch als "Brennraumdeck" bezeichnet .

Im Bereich der Dichtfläche 2 ist die Dicke D des Dichtflächenabschnitts 8 im Gussrohzustand um eine Bearbeitungszugabe D _z2 dicker als die Nenndicke D _n des Dichtflächenabschnitts 8 im fertig bearbeiteten, in Fig. 3 dargestellten Zustand. In der Praxis beträgt die Bearbeitungszugabe D _z2 beispielsweise 2 mm.

Im Gegensatz zum Bereich der Dichtfläche 2 ist der Dichtflächenabschnitt 8 im Brennraumbereich 3 nur geringfügig dicker als die vorgeschriebene Nenndicke Dn im fertig bearbeiteten Zustand. So beträgt beim Zylinderkopf-

Gussrohteil 1 die Bearbeitungszugabe D _z3 im Brennraumbereich 3 nur 0,1 mm, also 5 % der Bearbeitungszugabe D _z2 .

In Folge der minimierten Dicke der Bearbeitungszugabe Dz3 weist das Zylinderkopf-Gussrohteil 1 im Brennraumbereich 3 ausgehend von dessen freier Oberfläche über eine Tiefe T ein in Folge der dort schnell vorangeschrittenen Erstarrung feines Gussgefüge auf, das bis in den Bereich der Nenndicke D _n des fertig bearbeiteten Zylinderkopfes Z hineinreicht. Im Bereich der Dichtfläche 2 ist im Bereich der Nenndicke D _n dagegen nur ein relativ grobes Gefüge vorhanden, da dort aufgrund des durch die größere Bearbeitungszugabe D _z2 größeren Abstands zur freien Oberfläche der Dichtfläche 2 das Aluminium-Gussmaterial langsamer erstarrt ist als in den oberflächennahen Bereichen.

Zum Gießen des Zylinderkopf-Gussrohteils 1 ist eine Gießform 100 vorgesehen, die mit ihren Seitenwänden 101,102 und ihrem Boden 103 einen Gießformhohlraum 104 umgibt. Gießkerne 105 dienen dabei zum Abbilden der Ventilsitze 4,5 und der Kühlkanäle 6 bzw. 7 des Zylinderkopf-Gussrohteils 1.

Um einerseits die Dichtfläche 2 und andererseits den in die Dichtfläche 2 des Zylinderkopf-Gussrohteils 1 eingeformten Brennraumbereich 3 zu erzeugen, ist am Boden 103 der Gießform 100 eine dem Gießformhohlraum 104 zugeordnete, plane Begrenzungsfläche 106 ausgebildet. Diese weist in ihrem dem Brennraumbereich 3 des Zylinderkopf-Gussrohteils 1 zugeordneten Abschnitt eine Erhebung 107 auf, deren Außenkontur der Form des Brennraumbereichs 3 entspricht. Die Erhebung 107 besitzt dabei an ihrer freien Oberseite eine plane Oberfläche 108, die parallel zur

Begrenzungsfläche 106 ausgerichtet ist. Die Höhe H, in der die Oberfläche 108 oberhalb der Begrenzungsfläche 106 angeordnet ist, beträgt dabei 95 % der im Bereich der Dichtfläche 2 an das Zylinderkopf-Gussrohteil 1 anzugießenden Bearbeitungszugabe Dz ₂ , im vorliegenden Fall also 1, 9 mm.

Bei der Fertigbearbeitung des Zylinderkopf-Gussrohteils 1 werden die dicke Bearbeitungszugabe D _z2 im Bereich der Dichtfläche 2 und die Bearbeitungszugabe D _z3 im Brennraumbereich 3 durch eine spanabhebende Fräsbearbeitung abgetragen, so dass am fertig bearbeiteten Zylinderkopf Z eine planebene Dichtfläche F gebildet ist, die stufenlos in den von ihr umfassten, ebenso planebenen Brennraumbereich R übergeht. Der Materialabtrag im Bereich der Dichtfläche 2 ist dabei so groß, dass an der freien Oberfläche der fertig bearbeiteten Dichtfläche F nur noch das relativ grobe Gussgefüge vorhanden ist. Demgegenüber ist im Brennraumbereich R des fertig bearbeiteten Zylinderkopfes Z aufgrund des dort sehr viel geringeren Materialabtrags noch das feine, durch die schnelle oberflächennahe Erstarrung entstandene Gussgefüge vorhanden. Dieses stellt sicher, dass im Brennraumbereich R des fertig bearbeiteten Zylinderkopfes Z eine erhöhte Festigkeit und verbesserte Dehnwerte vorliegen.

Nach der Montage des fertig bearbeiteten Zylinderkopfes Z an der ihm zugeordneten Dichtfläche des hier nicht gezeigten Motorblocks liegen der Brennraumbereich R und die ihn umfassende Dichtfläche F des Zylinderkopfes Z in derselben Dichtebene. Der Brennraumbereich R deckt dabei den ihm zugeordneten Brennraum des Motorblocks ab.

BEZUGSZEICHEN

1 Zylinderkopf-Gussrohteil

2 Dichtfläche des Zylinderkopf-Gussrohteils

3 Brennraumbereich 4,5 Ventilsitze

6,7 Kühlkanäle

8 Dichtflächenabschnitt des Zylinderkopf- Gussrohteils 1

100 Gießform

101,102 Seitenwände

103 Boden der Gießform 100

104 Gießformhohlraum

105 Gießkerne

106 Begrenzungsfläche

107 Erhebung

108 Oberfläche der Erhebung 107

D Dicke des Dichtflächenabschnitts 8

D _n Nenndicke des Dichtflächenabschnitts 8 im fertig bearbeiteten Zustand D _z2 Bearbeitungszugabe

D _z3 Bearbeitungszugabe im Brennraumbereich 3 H Höhe, in der die Oberfläche 107 oberhalb der

Begrenzungsfläche 105 angeordnet ist F Dichtfläche des Zylinderkopfes Z R Brennraumbereich des Zylinderkopfes Z T Tiefe, über die ein feines, schnell erstarrtes

Gefüge vorliegt Z fertig bearbeiteter Zylinderkopf