Zylinderkopf und Verfahren zur Herstellung

Abstract

 Eine wärmeisolierende Auskleidung (1) in der Abgasleitung (4) eines Zylinderkopfes (5) besteht aus einem Sinterformkörper (2) aus keramischem Werkstoff, der eine Umhüllung (3) aus anorganischen Fasern enthält oder daraus besteht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine wärmeisolierende Auskleidung aus keramischem Werkstoff für eine metallumgossene Heißgasleitung, insbesondere im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

[0002] Wärmeisolierende Auskleidungen in Form von hohlen Sinterformkörpern aus keramischen Werkstoffen und deren Anwendung in Heißgasleitungen, wie z.B. Abgasleitungen im Zylinderkopf und Auspuffkrümmern sind bekannt. Diese hohlen Sinterformkörper werden z.B. bei der Herstellung eines Zylinderkopfes mit Metall umgossen. Das Innere des hohlen Sinterformkörpers kann dabei ggf. in an sich bekannter Weise mit Formsand gefüllt werden, um eine Zerstörung des Sinterformkörpers durch die beim Gießen auftretenden Drücke zu vermeiden.

[0003] Ältere Verfahren zur Herstellung solcher mit Metall zu umgießenden hohlen Sinterformkörper aus keramischen Werkstoffen sind in der DE-PS- 21 63 717 und 23 54 254 beschrieben. Diese Vorschläge sehen Mischungen aus Siliziumoxid und Aluminiumoxid, bzw. lehmhaltige Schamotte, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Sillimanit, Mullit, Zirkon, Chromit, Magnesia-Klinker, Siliziumcarbid, Elektrokorund, Quarzgut, Kyanit, Magnesia, geschmolzenen Spinell, Siliziumnitrid, Chrommagnesia, Chrommagnesit, Vermikulit, Vermikulitasbest, Baryt, gebrannte Diatomen-Erde und Bimsstein und als Bindemittel Tonerde oder Aluminiumphosphat zur Herstellung von Sinterformkörpern vor.

[0004] Nachteilig bei diesen Vorschlägen ist wie z.B. bei Siliziumcarbid und Aluminiumoxid die zu geringe Isolierwirkung, während aus anderen Werkstoffen, wie z.B. aus Quarzgut hergestellte Sinterformkörper eine noch nicht befriedigende Festigkeit aufweisen.

[0005] Die DE-AS 27 50 290 sieht ein Aluminiumtitanat mit 50 bis 60 Gew.% Aluminiumoxid, 40 bis 45 Gew.% Titanoxid, 2 bis 5 Gew.% Kaolin und 0,1 bis 1 Gew.% Magnesiumsilikat und für den fraglichen Anwendungsbereich besonders zugeschnittenen Materialeigenschaften vor. Obwohl Aluminiumtitanat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, hat sich auch dieser Vorschlag auf breiter Ebene nicht durchsetzen können. Nachteilig ist insbesondere die noch zu geringe Festigkeit des Aluminiumtitanats und ferner, daß nur dünne Wandstärken von ca. 2 bis 3 mm des Sinterformkörpers erzielbar sind, so daß die tatsächlich erreichbare Isolierwirkung noch unbefriedigend bleibt. Insbesondere bei mit Aluminium umgossenen Heißgasleitungen kommt es infolge der geringen Temperaturbeständigkeit und dadurch notwendigen intensiven Kühlung des Aluminiums zu hohen Energieverlusten.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese bekannten Nachteile zu beseitigen und die als wärmeisolierende Auskleidung bekanntgewordenen Sinterformkörper in ihrer wärmeisolierenden Wirkung und ihrer thermischen-und mechanischen Belastbarkeit zu. verbessern. Insbesondere will die Erfindung eine wärmeisolierende Auskleidung zur Verfügung stellen, die auch für eine Ummantelung mit Aluminium geeignet ist, dabei eine ausgezeichnete Isolierwirkung aufweist und über eine erhöhte thermische und mechanische Belastbarkeit verfügt.

[0007] Eine weitere Aufgabe sieht die Erfindung darin, auch solche keramischen Werkstoffe zu verwenden, die bisher wegen ihrer unzureichenden Isolierwirkung und/oder ihrer geringen mechanischen und thermischen Belastbarkeit bei den bekannten konstruktiven Lösungen und für sich allein sich auf breiter Ebene nicht durchsetzen konnten.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine wärmeisolierende Auskleidung aus keramischem Werkstoff für eine metallumgossene Heißgasleitung, insbesondere im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors vor, die dadurch gekennzeichnet, ist, daß die wärmeisolierende Auskleidung aus einem Sinterformkörper aus keramischem Werkstoff besteht, der eine anorganische Fasern enthaltende oder daraus bestehende Umhüllung aufweist.

[0009] Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, wärmeisolierende Auskleidungen für mit Metall zu umgießende Heißgasleitungen mit erheblich höherer Wanddicke herzustellen und dadurch verbesserte Isolierwirkungen zu erzielen. Die Wanddicke der erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Auskleidung kann dabei im Vergleich zu den bisher für diesen Verwendungszweck vorgeschlagenen Sinterformkörpern bis zu dreimal höher sein. Die Erfindung ermöglicht es damit, Zylinderköpfe und nachgeschaltete Abgasführungen aus Aluminium statt aus Grauguß herzustellen, ohne daß dabei erhöhter Kühlaufwand erforderlich ist. Die erfindungsgemäße wärmeisolierende Auskleidung ist aber auch hervorragend für die Ummantelung mit Grauguß geeignet, insbesondere dann, wenn die Wandstärke des Graugußmantels sehr hoch ist und dadurch beim Erstarren der Gußschmelze hohe Druckkräfte auftreten. Die elastische Faserumhüllung wirkt gegenüber den beim Gießen durch Erstarren der Schmelze auftretenden Druckkräften als Puffer und vermeidet eine Deformierung oder Zerstörung der wärmeisolierenden Auskleidung, indem sie Spannungsspitzen, die durch Massenanhäufungen, insbesondere beim Gießen mit Grauguß, aber auch beim Aluminiumguß, auftreten, abbaut.

[0010] Die Herstellung der erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Auskleidung erfolgt, indem zunächst in an sich bekannter Weise ein Sinterformkörper aus keramischem Werkstoff, z.B. durch Schlickerguß, hergestellt und in üblicher Weise gesintert wird.

[0011] Anschließend wird auf diesen Sinterformkörper eine anorganische Fasern enthaltende oder daraus bestehende Umhüllung aufgebracht. Die anorganischen Fasern werden dazu mit einem organischen oder anorganischen Bindemittel vermischt und auf den Sinterformkörper aufgetragen. Als anorganisches Bindemittel wird vorzugsweise der gleiche keramische Werkstoff verwendet, aus dem auch der mit den Fasern zu umhüllende Sinterformkörper besteht. Zur Erzeugung einer optimalen Belastbarkeit der erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Auskleidung während des Umgießens mit einer metallischen Schmelze, insbesondere mit einer Graugußschmelze, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nur solche anorganischen Fasern zur Herstellung der Umhüllung zu verwenden, die eine kurzzeitige Temperaturbelastbarkeit bis mindestens 1500 °C aufweisen. Als hervorragend geeignet haben sich mineralische Fasern erwiesen, insbesondere Fasern aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Mullit oder Kaolinit.

[0012] Die Schichtdicke der Umhüllung bestimmt im wesentlichen die Handhabbarkeit beim Umgießen mit einer metallischen Schmelze un41 die wärmeisolierende Wirkung. Als besonders geeignet haben sich Schichtdicken von 1 bis 7 mm erwiesen, wobei die Umhüllung eine Dichte von 0,8 bis 1,2 g/cm³ aufweist.

[0013] Als keramische Werkstoffe zur Herstellung des mit anorganischen Fasern zu umhüllenden Sinterformkörpers haben sich als besonders geeignet erwiesen: Mullit, Zirkonoxid, Magnesium-Aluminiumsilikat (MAS), insbesondere Cordierit, Magnesium-Aluminiumtitanat (MAT), Aluminiumtitanat (AT) oder

[0014] Lithiumaluminiumsilikat (LAS), von denen insbesondere Aluminiumtitanat hervorragend geeignet ist. Auch Mischungen dieser kermaischen Werkstoffe sind zur Herstellung des Sinterformkörpers geeignet.

[0015] Zur Verbindung der anorganischen Fasern mit dem Sinterformkörper werden in einer zweckmäßigen Ausführungsform die vorstehend genannten keramischen Werkstoffe in Form von Schlickersuspensionen verwendet. In besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung werden dabei Schlickersuspensionen solcher keramischen Werkstoffe verwendet, aus denen auch der zu umhüllende Sinterformkörper hergestellt ist. Hierbei hat sich als eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform ein Sinterformkörper aus Aluminiumtitanat erwiesen, der eine Umhüllung aus anorganischen Fasern enthält, die mit Aluminiumtitanat als Bindemittel auf dem Formkörper befestigt sind.

[0016] Es sind aber auch organische Bindemittel zur Herstellung der Umhüllung möglich. Auch wenn diese Bindemittel bei der im Anschluß an den Auftrag der anorganischen Fasern zur Verdampfung von Wasser oder Lösungsmittel durchgeführten Erhitzung verbrannt werden, reicht die Haftung der anorganischen Fasern auf dem Sinterformkörper für viele Anwendungsbereiche aus. In diesem Fall besteht die Umhüllung des Sinterformkörpers lediglich aus anorganischen Fasern.

[0017] Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Auskleidung besteht darin, daß auf einen aus keramischem Werkstoff hergestellten Sinterformkörper anorganische Fasern, die in einer aus keramischem Werkstoff bestehenden Schlickerlösung enthalten sind, aufgespritzt werden.

[0018] Zur näheren Erklärung der Erfindung dient die Figur und die zugehörige Beschreibung, ohne daß die Erfindung auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt ist.

[0019] In der Figur ist eine Abgasleitung 4 in einem teilweise dargestellten Zylinderkopf 5 eines Verbrennungsmotors dargestellt. Die wärmeisolierende Auskleidung 1 der Abgasleitung 4 besteht aus einem Sinterformkörper 2 aus Aluminiumtitanat mit einer Wanddicke von 2 mm und einer Umhüllung 3 aus Kaolinitfasern, die mit Aluminiumtitanat als Bindemittel mit dem Sinterformkörper 2 verbunden sind. Die Schichtdicke der Umhüllung 3 beträgt 5 mm. Die Dichte der Umhüllung beträgt 1,05 g/cm³.

Ansprüche

1. Wärmeisolierende Auskleidung aus keramischem Werkstoff für eine metallumgossene Heißgasleitung, insbesondere im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Auskleidung (1) aus einem Sinterformkörper (2) aus keramischem Werkstoff besteht, der eine anorganische Fasern enthaltende oder daraus bestehende Umhüllung (3) aufweist.

2. Sinterformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern kurzzeitig bis mindestens 1500 °C temperaturbelastbar sind.

3. Sinterformkörper nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern mineralische Fasern sind.

4. Sinterformkörper nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mineralischen Fasern aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Mullit oder Kaolinit bestehen.

5. Sinterformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) eine Schichtdicke D von 1 bis 7 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm aufweist.

6. Sinterformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) eine Dichte von 0,8 bis 1,2 g/cm³ aufweist.

7. Wärmeisolierende Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterformkörper (2) aus Mullit, Zirkonoxid, Magnesium-Aluminiumsilikat (MAS), insbesondere Cordierit, Magnesium-Aluminiumtitanat (MAT), Aluminiumtitanat (AT) oder Lithium-Aluminiumsilikat (LAS) besteht.

8. Wärmeisolierende Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) aus anorganischen Fasern und einem keramischen Werkstoff als Bindemittel für die anorganischen Fasern besteht.

9. Wärmeisolierende Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Auskleidung (1) aus einem Sinterformkörper (2) aus Aluminiumtitanat besteht, der eine aus anorganischen Fasern und Aluminiumtitanat gebildete Umhüllung (3) aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung einer wärmeisolierenden Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern aus einer einen keramischen Werkstoff enthaltenden Schlickersuspension auf den Sinterformkörper (2) aufgespritzt werden.

Zeichnung