内燃机的引导流体和/或气体的构件尤其气缸盖的受热和/或机械负荷的构件壁.pdf

本发明涉及内燃机的引导流体和/或引导气体的构件尤其气缸盖的受热和/或机械负荷的构件壁，带有：至少一个由于负荷而受裂纹威胁的区域，在其中，裂纹受运行条件决定地从壁外侧形成到构件壁(5)中；和至少一个裂纹阻止部(6)，其在构件壁(5)中布置在裂纹伸延部中且防止进一步的裂纹扩展，尤其穿过构件壁(5)扩展到重要的构件区域(8)中。根据本发明，在受裂纹威胁的区域(5;10)中在壁外侧处设置有裂纹起始部(4)，其形成限定地定位的裂纹起始部位，从而防止局部非受控的裂纹形成和裂纹扩展。

权利要求书
1.   内燃机的引导流体和/或引导气体的构件尤其气缸盖(1)的受热和/或机械负荷的构件壁(5)，带有：
至少一个由于负荷而受到裂纹威胁的区域，在其中裂纹可受运行条件决定地从壁外侧形成到所述构件壁(5)中，和
至少一个裂纹阻止部(6)，其在所述构件壁(5)中布置在受裂纹威胁的区域和/或裂纹伸延部中且防止裂纹尤其穿过所述构件壁(5)进一步扩展到重要的构件区域(8)中，
其特征在于，
尤其为了防止局部非受控地裂纹形成和裂纹扩展，在受裂纹威胁的区域(5;10)中在壁外侧处设置有裂纹起始部(4)，其形成限定地定位的裂纹初始部位。

2.   根据权利要求1所述的构件壁，其特征在于，所述构件为内燃机的气缸盖(1)，且受到负荷的所述构件壁为在邻近的阀座(3)之间的阀桥接部(5)，其中，优选设置成，所述裂纹起始部(4)在阀座(3)之间的所述阀桥接部(5)的壁外侧伸延。

3.   根据权利要求1或权利要求2所述的构件壁，其特征在于，所述裂纹起始部(4)在其整个长度上连续地或局部地或点状地伸延和/或通过利用几何措施的材料削弱和/或通过材料特性措施形成。

4.   根据权利要求1至3中任一项所述的构件壁，其特征在于，所述裂纹起始部构造为呈缺口(4)的形式的几何的理论开裂部位或通过材料改变形成，其通过至少一个以下措施产生：
－通过利用切削的方法机械地去除；
－通过使材料蒸发，尤其借助于电子射线和/或激光射线；
－通过使材料熔化，尤其借助于电子射线和/或激光射线和/或感应能量；
－作为浇注或镶铸的缺口(4)；
－通过镶铸件(11)，其尤其包含金属和/或陶瓷和/或玻璃，其中，优选设置成，所述镶铸件没有或必要时仅在一侧被焊接；
－通过熔化仅部分地起焊接作用的线材和/或部分地起焊接作用的薄板和/或部分地起焊接作用的粉剂；
－作为通过熔化材料和快速的冷却的切口效应，其中，在铸铁材料中产生包含莱氏体的组织，尤其通过自淬火、很高的剩余质量或淬火介质；和/或
－作为通过淬火和由此在铸铁材料中产生组织马氏体和/或贝氏体的切口效应结合材料熔化。

5.   根据权利要求1至4中任一项所述的构件壁，其特征在于，作为缺口(4)的所述裂纹起始部在GS、GJS、GJV或铝合金的情况下冲制产生，或在GS、GJS、GJV、GJL或铝合金的情况下切削产生。

6.   根据权利要求1至5中任一项所述的构件壁，其特征在于，所述裂纹阻止部(6)构造为所述构件壁(5)中的材料凹处或穿孔，尤其通过以下方式产生：
－机械地去除材料，尤其作为孔(6)，和/或
－通过使材料蒸发和/或熔化材料，其中，必要时设置成，所述裂纹阻止部的空腔填充有导热的固体材料，尤其铜棒，或填充有导热的粉剂，尤其铜粉。

7.   根据权利要求1至6中任一项所述的构件壁，其特征在于，所述裂纹阻止部通过镶铸材料(11)产生，尤其通过镶铸这样的材料产生：
－没有或仅部分地起焊接作用的材料和/或
－利用阻止焊接的分离层包围的材料和/或
－陶瓷材料和/或
－玻璃材料。

8.   根据权利要求1至7中任一项所述的构件壁，其特征在于，缺口(4f)作为裂纹起始部以其深度延伸直至所述裂纹阻止部(6g)。

9.   根据权利要求1至8中任一项所述的构件壁，其特征在于，在所述构件壁中相叠地布置有两个或多个裂纹阻止部(6e,6f)，其中，优选设置成，两个或多个裂纹阻止部(6e,6f)在气缸盖(1)的阀桥接区域中相对于面对燃烧室的表面布置成带有不同的间距。

10.   根据权利要求9所述的构件壁，其特征在于，在阀桥接部作为构件壁(5)时，在竖轴方向上来看，第一裂纹阻止部(6e)布置在阀座环形支承(7)之上，而第二裂纹阻止部(6f)布置在所述阀座环形支承(7)之下和水腔(8)之上，其中，针对这种情况，即，所述第二裂纹阻止部(6f)构造为孔，其气密地密封。

11.   根据权利要求2至10中任一项所述的构件壁，其特征在于，所述裂纹阻止部(6)作为孔笔直地以最小的距离在两个邻近的阀座(3)之间在所述阀桥接部(5)中伸延，和/或所述裂纹阻止部(6)关于竖轴方向竖向地在所述裂纹起始部之下伸延，其中，所述裂纹起始部(4)作为缺口与裂纹阻止部(6)平行地或者弓形地和/或必要时错位最小的间距伸延。

12.   根据权利要求2至11中任一项所述的构件壁，其特征在于，在所述裂纹阻止部的面对所述气缸盖(1)的冷却通道的侧部上设置成通过冷却介质尤其通过冷却介质换向进行冷却。

13.   根据权利要求12所述的构件壁，其特征在于，在所述气缸盖(1)中和/或在喷射器容纳套筒处执行冷却介质换向。

14.   根据权利要求1所述的构件壁，其特征在于，所述构件为内燃机的管状的排气通道(9)，其中，优选设置成，在构件壁的受裂纹威胁的区域(10)外侧布置有作为裂纹起始部的缺口(4g)，且在所述构件壁中布置有裂纹阻止部(11)，其尤其作为镶铸的衬件。

15.   根据权利要求14所述的构件壁，其特征在于，所述裂纹起始部作为缺口(4g)通过在铸造的排气通道(9)的铸芯处的楔形的凸出部制成，和/或所述裂纹阻止部通过镶铸的优选非焊接的钢板(11)形成。

16.   一种用于制造在根据上述权利要求中任一项所述的受热和/或机械负荷的构件壁中的裂纹阻止部和裂纹起始部的方法。

17.   车辆，尤其商用车，其带有根据权利要求1至15中任一项所述的受热和/或机械负荷的构件壁，尤其带有内燃机的气缸盖桥接区域。

说明书内燃机的引导流体和/或气体的构件尤其气缸盖的受热和/或机械负荷的构件壁
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前续部分的内燃机的引导流体和/或引导气体的构件(尤其气缸盖)的受热和/或机械负荷的构件壁。
背景技术
已知引导流体或引导气体的构件的构件壁(其经受热或热力负荷)倾向于开裂。开裂倾向可以本身已知的方式通过实心结构和/或伸缩缝(Dehnfuge)和/或降低温度加载减轻。但特别在马达构造中，这些措施仅可有条件地来使用：实心结构类型由于重量和成本情况受到严格的限制。同样，热加载实际上不可降低，因为在内燃机中的有关运行的燃烧出于热力学的原因在很高的温度下进行。目前的内燃机的很高的升功率还取决于很高的热加载，其中，尤其内燃机的气缸盖经受很高的热力负荷。在此，众所周知的是，在阀之间的桥接部是特别重要的区域，在该处在马达驱动的运行期间出现裂纹，其可穿透直到邻接的冷却水腔中。于是，由于这样的裂纹，冷却水泄漏到燃烧室中，这可导致在排气中的水蒸气。在很大的裂纹的情况下，燃烧室还可在马达静止状态中被冷却液体填满，这可在重启内燃机时引起水冲击。在气缸盖的桥接区域中的穿透裂纹最终导致内燃机的功能性故障和失灵。
已经已知，阻止在这种受热力负荷的构件壁中的裂纹扩展，尤其阻止裂纹通到重要的区域中，特别在内燃机的气缸盖桥接区域中通过所谓的裂纹阻止部(Rissstopper)来阻止。例如，作为裂纹阻止部已知衬件(Einlage)，其在气缸盖桥接区域中作为镶铸的板片密封地镶铸在燃烧室表面之下且镶铸成平行于燃烧室表面(DE 28 47 249 C2)。此外，已知这样的桥接衬件(DE 35 24 776 A1)，在其中使用带有与气缸盖材料相同或近似相同的热膨胀的材料，以便降低气缸盖底部的机械负载且避免开裂。
裂纹区域(在该处可出现裂纹(裂纹起始))可在相对很大的面上延伸。因此，上述的已知的裂纹阻止措施花费很大，其中，尤其镶铸的裂纹阻止部为了其功能需要相应很大的空间扩展且应布置在表面附近。这可在气缸盖的朝燃烧室指向的表面区域处在裂纹阻止部的附近区域中引起热方面的问题。
发明内容
本发明的目的在于尤其在内燃机的气缸盖的桥接区域中如此构造引导流体或引导气体的构件的受热和/或机械负荷的构件壁，即，可有针对性地以很小的花费实现有效地止住裂纹。
该目的利用独立权利要求的特征来实现。有利的改进方案为从属权利要求的对象。
根据本发明设置成，在构件壁的受裂纹威胁的区域中在壁外侧处设置有裂纹起始部(Rissstarter)，其形成受限定地定位的裂纹初始部位，从而可由此防止局部非受控的裂纹形成和裂纹扩展。通过这样组合限定的裂纹起始部和裂纹阻止部可使其彼此协调。因此，裂纹出现有针对性地通过裂纹起始部引入，由此以该处为起点预定裂纹传播方向，且然后，裂纹可在更深的壁区域中(尤其在气缸盖的桥接区域中)通过带有合适的很小的空间扩展的裂纹阻止部阻止。由此可以降低的花费和降低的裂纹阻止范围可靠地避免穿透裂纹。
在根据本发明组合裂纹起始部/裂纹阻止部的情况下，裂纹阻止部可有利地很深地布置在构件壁中，尤其布置在气缸盖桥接区域中，优选布置在构件壁的40%至95%的深度中。因为在现有技术中，裂纹起始不可以限定的方式预料，所以此处裂纹阻止部仅以构件深度的直至大约20%来布置。此外，在现有技术中，裂纹起始区域(长度)与裂纹阻止部之比为1:1.2至1:1.5。根据本发明，比为1:2至1:6。这是由于铸造缺陷对该比值有相对更大的影响。
特别有利地，本发明可使用在受很高的热力负载的、受裂纹威胁的气缸盖桥接区域中，其中，裂纹起始部优选在阀座之间的阀桥接部的壁外侧伸延。
在此，裂纹起始部可根据结构情况和负载情况在其整个长度上连续地或局部地或点状地伸延和/或通过利用几何措施的材料削弱和/或通过材料特性措施形成。
具体地，可为此将裂纹起始部实施为呈缺口的形式的几何的理论开裂部位。尤其可为此通过切削的(例如铣削)或变形的(例如冲制)或成形的(铸造)方法在裂纹起始部的意义中构造几何的理论开裂部位。
备选地或除了利用切削的方法机械地去除材料之外，必要时可使材料尤其借助于电子射线和/或借助于激光射线蒸发。同样，必要时裂纹起始部可通过材料熔化实现，尤其借助于电子射线和/或激光射线和/或感应加热。
还可浇注或镶铸作为裂纹起始部的缺口，其中，还可有利地根据情况使用附加元件。合适的裂纹起始部可利用包含金属/合金和/或陶瓷和/或玻璃和/或其他的材料的镶铸件制成，其中，这种镶铸件没有或必要时仅在一侧或不完全地被焊接，从而存在用于裂纹起始的有针对性的材料削弱。此外，这可通过熔化仅部分地起焊接作用的线材和/或部分地起焊接作用的薄板和/或部分地起焊接作用的粉剂实现。很好地焊接的材料同样是可行的，如果其具有不同于基本材料的物理特性，例如导热性和/或热膨胀。
此外，裂纹起始部可备选地或附加地通过有针对性的材料脆化形成。例如可针对铸铁材料通过熔化该材料和快速地冷却产生带有切口效应的包含莱氏体的组织，尤其通过自淬火、很高的剩余质量(Restmasse)或淬火介质。对于铸铁材料，切口效应结合材料熔化还可通过淬火和产生组织马氏体和/或贝氏体达到。对于作为气缸盖材料的GS(铸钢)、GJS(球墨铸铁)、GJV(蠕墨铸铁)或铝合金，可利用简单的措施将裂纹起始部冲制为缺口。对于GS、GJS、GJV、GJL(片墨铸铁)或铝合金，还可切削地产生或最后加工产生缺口。
以裂纹起始部为起点，裂纹传播方向通过热力负荷预定，其通常朝气缸盖燃烧室表面的相对而置的侧部的方向上引起裂纹。在此，裂纹阻止部现在相对于气缸盖燃烧室表面以相对很大的间距存在。裂纹阻止部如此实施，即，裂纹不再遇到这样的材料，在其中还可发生裂纹传播。因此，裂纹阻止部可通过利用通常的切削加工的方法(例如钻孔、铣削、锯、磨削或通过熔化或蒸发)实现材料去除。这种空腔可必要时通过很好的传导性的固体材料(尤其铜棒)或导热的粉剂(尤其铜粉)来填充。由此，在正常运行中，尽管有裂纹阻止部，仍实现热传导，且热力工况较小地由此受到影响。
但通过分开气缸盖材料的裂纹阻止部同样可是足够的，这可通过镶铸材料实现，该材料至少在面对裂纹的侧部处并未与气缸盖材料相焊接且因此不可传递力，由此阻止裂纹传播。这样的结构同样是有利的，其在包围的气缸盖材料中不施加或施加很小的拉应力。在此优选是这样的材料，其或者在热的状态中放入到铸模中、内部是空心的和/或通过冷却的气缸盖材料的收缩应力塑性变形，其中，裂纹阻止部为此有利地使用没有或仅部分地起焊接作用的材料和/或利用阻止焊接的分离层包围的材料和/或陶瓷材料和/或玻璃材料和/或其他的材料。
裂纹起始部与裂纹阻止部通过这样的材料间隔开，裂纹传播通过该材料。根据给定条件，在一备选的实施方式中可由此预料裂纹传播，即，裂纹起始缺口延伸直至裂纹阻止部。
在另一实施方式中，可在构件壁中相叠地布置与裂纹起始部相关联的两个或多个裂纹阻止部。于是，在气缸盖的阀桥接区域中，两个或多个裂纹阻止部相对于面对燃烧室的表面以不同的间距来布置。
在气缸盖的阀桥接部中，在竖轴方向上来看，第一裂纹阻止部可为此布置在阀座环形支承之上，而第二裂纹阻止部在阀座环形支承之下布置在水腔之上。如果两个裂纹阻止部实施为孔，第一裂纹阻止部通过阀座圈密封，而第二裂纹阻止部必须通过塞子封闭，以便阻止单独的通道的气体转移。
在另一实施方式中，裂纹阻止部可作为孔笔直地以最小的距离在两个邻近的阀座之间在阀桥接部中伸延和/或竖向地在裂纹起始部之下伸延。于是，裂纹起始部作为缺口平行于裂纹阻止部或者弓形地和/或必要时错位最小的间距伸延。
为了在裂纹的情况下和在其止住在裂纹阻止部处的情况下该区域尽管有裂纹仍经受足够的冷却且为了保证内燃机的工作效率，可在该处设置有针对性的冷却介质换向，例如通过冷却介质的更高的体积流量。这种冷却介质换向可在气缸盖中和/或可连同在气缸盖中和/或在喷射器容纳套筒处通过壁实现，由此使冷却介质直接转向到围绕阻止部的区域上。
虽然本发明的优选的应用存在于内燃机的气缸盖桥接区域中，然而，本发明通常可用于经受热力负荷的构件壁。本发明尤其还可有利地用于内燃机的管状的排气通道，尤其排气歧管。由于在排气通道中的在运行期间的热的排气，在此同样可产生受裂纹威胁的区域，在该处可利用裂纹起始部和裂纹阻止部的组合可靠地防止穿透裂纹。
此外，对用于制造带有裂纹起始部和裂纹阻止部的根据本发明的构件壁的方法主张权利。
附图说明
借助附图阐述本发明的实施例。其中：
图1显示了在内燃机的阀桥接区域处的包含裂纹起始部和裂纹阻止部的组合部的第一实施方式，
图2显示了在阀桥接区域处的包含裂纹起始部和裂纹阻止部的组合部的第二实施方式，
图3显示了在阀桥接区域处的包含裂纹起始部和裂纹阻止部的组合部的第三实施方式，
图4显示了在阀桥接区域处的包含裂纹起始部和裂纹阻止部的组合部的第四实施方式，以及
图5显示了在内燃机的排气通道处的包含裂纹起始部和裂纹阻止部的组合部的第五实施方式。
参考标号列表
1 气缸盖
2 阀座
3 阀座(3a,3b,3c,3d)
4 缺口,裂纹起始部(4a,4b,4c,4d,4f,4g)
5 桥接壁
6 孔,裂纹阻止部(6a,6b,6c,6d,6e,6f,6g,6h)
7 用于阀座圈的支承面
8 水腔
9 排气通道
10 受裂纹威胁的区域
11 衬件。
具体实施方式
在图1中在两个邻近的阀座2、3的区域中显示了内燃机的气缸盖1的部分区域的俯视图。作为裂纹起始部，缺口4设置在桥接壁5的上侧处，其中，缺口4相对于最小的阀座间距移动少许。孔6作为裂纹阻止部平行于桥接壁表面在桥接壁5之中作为阀座2、3的连接部在缺口之下伸延。为了更好的可识别性，所有的附图的阀座显示出没有座圈(Sitzring)。
图2显示了裂纹起始部和裂纹阻止部的组合部的备选的第二布置方案：
为此，图2显示了带有四个阀座3a、3b、3c、3d的四阀式气缸盖1的部分区域的透视性的俯视图。在此，相比于图1，缺口4a、4b、4c、4d作为裂纹起始部以最小的阀座间距相应布置在阀桥接区域中。裂纹阻止部作为孔6a、6b、6c、6d如在图1中那样向下关于缺口4a、4b、4c、4d错位地以最小的阀座间距处在桥接壁5中。在此，孔6a、6b、6c、6d作为裂纹阻止部相应布置在用于(未示出的)阀座圈的支承面7之上且布置在水腔8之上。
在图3中借助相应于图2中的截面区域A的截面示出了作为缺口4e的裂纹起始部和作为裂纹阻止部的两个孔6e和6f的布置方案的第三实施方式。如在图2中那样，作为裂纹起始部的缺口4e在桥接壁5的表面处以最小的阀座间距伸延。如同在根据图2的实施方案中那样，作为第一裂纹阻止部的第一孔6e还平行于缺口4e在桥接壁5中以最小的阀座间距在略高于用于阀座圈的支承面7之上伸延。因为必须防止在阀座之间的气体交换，所以可在孔6e中(如同在图2中的孔6b那样)通过相应的邻接的阀座圈进行密封。然而，作为第二裂纹阻止部的另一孔6f在桥接壁5中平行于第一孔6e在支承面7之下布置在水腔8之上。在此，密封可通过塞子或其他的封闭件实现。但不应由于这种塞子或封闭件在如此程度上产生力配合和/或形状配合，即，裂纹可由此继续伸延。如果在该布置方案中裂纹以作为缺口4e的裂纹起始部为起点通至相应于第一孔6e的第一裂纹阻止部，通常应在此阻止裂纹继续扩展。在带有进一步的裂纹形成的进一步的强大的负荷的情况下，那时孔6e在此用作用于紧接的第二裂纹的裂纹起始部，其那时受限地从此处开始且利用作为孔6f的第二裂纹阻止部拦住。
在图4中以第四实施方式相应于图2的区域B在桥接壁区域5处示出了作为裂纹起始部的缺口4f组合作为两个裂纹阻止部的两个孔6g、6h的另一备选的布置方案。类似于图3中的第三实施方式，在此裂纹起始部4f和两个裂纹阻止部6g和6h以最小的阀座间距平行相叠。然而，在第四实施方式中，作为裂纹起始部的缺口4f向下继续延伸直至作为孔6g的第一裂纹阻止部。第一裂纹阻止部与孔6g已经引起显著降低切口应力且仅在一定程度上看作裂纹阻止部，因为已经通过穿过的缺口4f预定第一裂纹。如果以孔6g为起点形成裂纹，那么第二孔6h具有裂纹阻止部的功能。在此倾斜地继续延伸直至阻止部的缺口可在一定程度上预定裂纹的倾斜的走向。
在图5中以另一第五实施方式显示了在内燃机的管状的排气通道9处应用组合裂纹起始部/裂纹阻止部。在此，在作为裂纹起始部的缺口4g和作为裂纹阻止部的镶铸的衬件11的平面中显示了通过受裂纹威胁的区域10的截面。作为裂纹起始部的缺口4g例如可由此产生，即，在排气通道的铸芯处存在楔形的凸出部，尤其当不可接近加工的这样的区域时。作为衬件11的裂纹阻止部可通过镶铸的但非焊接的钢板形成。