CYLINDER HEAD MADE OF A FERROUS MATERIAL

Abstract: 1. A cylinder head (1) made of a ferrous material, especially grey cast iron, for a valve-controlled internal combustion engine, the cylinder head having valve apertures (2, 3), each of which is provided with a valve seat (6), for at least one each inlet and outlet valve, in which at least the valve web region (13) located in the cylinder head's bottom between the valve apertures (2, 3) is surface-hardened, characterized in that the cylinder head's bottom region forming the valve seats (6) is surface-hardened, that each hardened valve seat zone (8) merges into the hardened valve web zone (7), and in that the depth of hardening of at least the hardened valve web zone (7) is equivalent to between 0.1 and 0.2 times the distance (A) between the cylinder head bottom (4) and a coolant chamber (10) arranged between the valve apertures (2, 3).

Description: Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Graugusszylinderkopf, für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, der mit einem Ventilsitz bzw. einem Ventilsitzelement versehene Ventilöffnungen für zumindest ein Einlass- und ein AuslaB- ventil aufweist. Bei schnellaufenden und insbesondere auch luftgekühlten Brennkraftmaschinen finden üblicherweise Zylinderköpfe aus Leichtmetall Verwendung, da diese neben dem Gewichtsvorteil eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und die im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallende Wärme relativ problemlos an ein Kühlmedium, z.B. Kühlluft oder auch Kühlflüssigkeit, abgeführt werden kann. Bei Leichtmetallzylinderköpfen besteht jedoch an der Verbindungsstelle zwischen Zylinderkopf und dem üblichen Zylinderrohr aus Grauguss das Problem, dass in dieser Dichtfläche aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Leichtmetallzylinderkopf und Graugusszylinderrohr verschleissintensive Reibungsbewegungen auftreten, die zu Undichtigkeiten und somit einer beschränkten Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine führen können. Diese letztgenannten Nachteile können durch einen Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Grauguss aber auch Sphäroguss oder Gusseisen mit Vermiculargraphit, weitgehend vermieden werden. Als nachteilig bei eines Zylinderkopf aus einem Eisenwerkstoff muss jedoch angesehen werden, dass aufgrund einer erheblich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabfuhr vielfach in nur unzureichender Weise möglich ist, so dass ein derartiger Zylinderkopf zwar im Dichtbereich zwischen Zylinderrohr und Zylinderkopf keine Reibungsbewegungen ausführt, jedoch insbesondere im Ventilstegbereich aufgrund der hohen Tesp4raturen sehr rissanfällig ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Ri anfilligkeit eines Zylinderkopfes aus einem Eisenwerk- stoff der eingangs genannten Art insbesondere im Ventilstegbereich wesentlich zu vermindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemµss dadurch gelöst, dass zu zumindest der zwischen den Ventilöffnungen liegende Ventilstegbodenbereich des Zylinderkopfes gehärtet, insbesondere ibauXtions-, flammen- oder einsatzgehärtet, ist. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, insbesondere die Btauchgrenze des Zylinderkopfwerkstoffes im Ventilstegbodenbereich zu erhöhen, so dass die bei der Erwarmung des Zylinder kopfes durch die Brenngase der Brennkraftmaschine entstehenden Druckspannungen und die bei der Abkühlung des Zylinderkopfwerstoffes nach Ausserbetriebsetzen der Brennkraftmaschine entstehenden Zugspannungen wesentlich verringert sind. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, aufgrund der erheblich verringerten thermischen Wechselbeanspruchungen des Ventilstegbodenbereiches Vw tilstegrisse zu vermeiden. Für Zylinderköpfe, bei denen der Ventilsitz für Einlassund Auslassventile direkt in die Ventilöffnungen eingearbeitet ist, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass der die Ventilsitze bildende Zylinderkopfbodenbereich oberflächengehärtet ist, wobei die Ventilsitzhärtezone in die Ventilsteghärtezone übergeht. Ist dagegen der Zylinderkopf mit Ventilsitzelementen, z.B. Ventilsitzringen, versehen, so wird entsprechend Anspruch 3 vorgeschlagen, dass der die Ventilsitzelemente im Bereich des Ventilsteges ummantelnde Zylinderkopfbodenbereich gehärtet ist, wobei die Ventilsitzringhärtezone wieder in die Ventilsteghärtezone übergeht. Hierdurch können die insbesondere auch an Auslassventilen entstehenden erheblichen thermischen Wechselbeanspruchungen weiter verringert werden, so dass die Ventilsitzhärtezone und die Ventilsteghärtezone in vorteilhafter Weise zusammenwirken, so dass dadurch die Rissbildungsgefahr minimiert ist. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, in die gehärtete Zylinderkopfbodenzone eine Bohrung für eine Einspritzdüse, einen Schusskanal oder eine Zündhilfe einzubeziehen, die üblicherweise unmittelbar am Ventilstegbereich vorgesehen werden und somit bei ungehärteten Zylinderköpfen die Rissbildungsgefahr sehr stark begünstigt. Wesentlich bei dem erfindungsgemäss gehärteten Zylinderkopf ist es, dass die Härteschicht einerseits eine ausreichende Dicke aufweist, um somit den Zylinderkopfbodenbereich ausreichend zu schützen, andererseits aber auch nicht eine zu grosse Dicke aufweist, um keine all zu hohen Zugspannungen, insbesondere auf der Kühlmittelseite des Zylinderkopfes, entstehen zu lassen. Deshalb wird in Weiterbildung der Erfindung für einen Zylinderkopf mit einem zwischen den Ventilöfffnungen vorgesehenen Kühlmittelraum vorgeschlagen, dass die Tiefe der Härtezonen, insbesondere aber der Ventilsteghärtezone, 0,1 bis 0,2 des Abstandes zwischen Zylinderkopfboden und Kühlmittelraum beträgt. Mit einer derartigen Härtetiefe konnten optimale Härteergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von Härterissen erreicht werden. Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand ausgewählter Beispiele näher erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Zylinder kopfboden; Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der Linien II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemässen Zylinder kopfbodens, der mit Ventilsitzringen ausgestattet ist. Bei dem in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Zylinderkopf 1 sind die Auslassventilöffnungen mit 2, die Einlassventil bffungen mit 3, der Zylinderkopfboden allgemein mit 4 und die Bohrung für eine Einspritzdüse mit 5 bezeichnet. Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Zylinderkopfboden 4 zwischen den Ventilöffnungen 2 und 3, der Bohrung für die Einspritzdüse 5 und der Ventilsitze 6 gehärtet. Die einzelnen Härtezonen sind dabei gestrichelt voneinander getrennt dargestellt, wobei im einzelnen mit 7 die Ventilsteghärtezone, mit 8 die Ventilsitzhärtezone, mit 9 die Bohrungshärtezone bezeichnet ist. Wie ersichtlich, gehen die Bohrungshärtezone und die Ventilsitzhärtezone in die Ventilsteghärtezone 7 über. Fig. 2 verdeutlicht in einer Querschnittsdarstellung den erfindungsgemässen Zylinderkopf nach Fig. 1, wobei der Zylinderkopf zwischen den Ventilöffungen 2 und 3 einen Kühlmittelraum 9 aufweist, beispielsweise für Wasser oder Kühlöl, und die Ventilsitze direkt in die Ventilöffnungen eingearbeitet sind. Die Härtetiefe die Härtezonen 7, 8 und 9 betragen dabei 0,1 bis 0,2 des Abstandes A zwischen Zylinderkopfboden 4 und Kühlmittelraum 10. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 3 ist im wesentlichen ähnlich gestaltet wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, wobei jedoch hier Ventilöffnungen 2 und 3 mit Ventilsitzringen 11 versehen sind. Hierbei ist ausschliesslich der die Ventilsitzringe im Bereich des Ventilsteges ummantelte Zylinderkopfbodenbereich gehärtet, wobei diese Ventilsitzringhärtezone mit 12 bezeichnet ist.

Claims: PatentansPrUche 1. Zylinderkopf (1) aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Graugusszylinderkopf, für eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine, der mit einem Ventilsitz (6) bzw. einem Ventilsitzelement (11) versehene Ventilöffnungen (2, 3) für zumindest ein Einlass- und ein Auslassventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der zwischen den Ventilöffnungen (2, 3) liegende Ventilstegbodenbereich (13) des Zylinderkopfes (1) gehärtet, insbesondere in duktions-, flammen- oder einsatzgehärtet, ist. 2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Ventilsitze (6) bildende Zylinderkopfbodenbereich oberflächengehärtet ist, wobei die Ventilsitzhärtezone (8) in die Ventilsteghärtezone (7) übergeht. 3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Ventilsitzelemente (11) im Bereich des Ventilsteges (13) ummantelnde Zylinderkopfbodenbereich gehärtet ist, wobei die Ventil sitzringhärtezone (12) in die Ventilsteghärtezone (17) übergeht. 4. Zylinderkopf (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine im Zylinderkopfbodenbereich (4) vorgesehene Bohrung (5) für eine Einspritzdüse und/oder einen Schusskanal und/oder eine Zündhilfe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrungsbodenbereich gehärtet ist, wobei die Bohrungshärtezone (9) in die Ventilsteghärtezone (7) übergeht. 5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem zwischen den Ventilöffnungen (2, 3) vorgesehenen Kühlmittelraum (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Härtetiefe der Härtezonen (7, 8, 9, 12), insbesondere der Ventilsteghärtezone (7), 0,1 bis 0,2 des Abstandes (A) zwischen Zylinderkopfboden (4) und Kühlmittelraum (10) beträgt.

Inventors: FRANK, GERD, NEUSSEL, PAUL, DR.
Applicants: KLOCKNER-HUMBOLDT-DEUTZ AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: F02F1
IPC codes: F02B3, F02F1