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Die Erfindung-betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Einlasskanäle pro Zylinder im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, wobei der Einlasskanal durch eine Gussform vorgeformt wird und im Bereich des Ventilraumes jedes Einlasskanales ein vorzugsweise kegeliger Kontrollschnitt durch materialabtragende Bearbeitung durchgeführt wird. Weiters betrifft die Erfindung einen nach diesem Verfahren hergestellten Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen.
Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Einlasskanälen pro Zylinder einen Einlasskanal als Tangentialkanal auszubilden. Ein Tangentialkanal, der seinen Drall dadurch erzeugt, dass er die in den Zylinder einströmende Luft tangential auf die Zylinderwand richtet und dadurch eine um die Zylinderachse erfolgende Ladungsrotation erzeugt, hat gerade bei mehrventiligen Einlasssystemen, verglichen zum Spiralkanal, Vorteile hinsichtlich seines Wirkungsgrades, d. h., seiner Fähigkeit bei möglichst geringen Durchflusswiderständen einen hohen Drall zu erzeugen. Je grösser die Exzentrizität der Ventilposition in bezug auf die Zylindermitte ist, desto höher wird der Wirkungsgrad des Tangentialkanales.
Weiters ist es bekannt, einen Einlasskanal als Tumblekanal oder als Kombination zwischen einem Tumble- und einen Tangentialkanal auszubilden. Tumblekanäle erzeugen eine als Tumble bezeichnete Drallkomponente, deren Drehachse zur Zylinderachse normal und parallel zur Motorlängsachse steht.
Ein Nachteil sowohl des Tangential- als auch des Tumblekanales ist jedoch die starke Abhängigkeit des erzeugten Dralles von der Lage der gegossenen Kanalform im Bereich-des Ventiles. Dort werden im Zuge des Herstellungsprozesses scharfe Abrisskanten zwischen der gegossenen Kanalform und einem meist kegelig ausgeführten Kontrollschnitt erzeugt.
Diese Abrisskanten bewirken ein definiertes Abreissen der Strömung und bestimmen damit durch ihre Lage entscheidend den erzeugten Drall bzw. Tumble des Tangential- bzw. Tumblekanales. it herkömmlichen Giessverfahren, welche meistens eingelegte Sandformen verwenden, ist es kaum möglich, eine ausreichende Lagegenauigkeit des Kanalkernes zu erreichen, um sicherzustellen, dass die Drallunterschiede von Zylinder zu Zylinder in einem mehrzylindrigen Zylinderkopf bzw. von Zylinderkopf zu Zylinderkopf eines Fertigungsloses innerhalb der
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geforderten Toleranzen bleiben. Bei Zylinderköpfen mit mehreren Einlassventilen pro Zylinder wird meist darauf verzichtet, die Vorteile von zwei Tangentialkanälen zu nützen. Um die Empfindlichkeit gegen Gussversatz zu mildern, wird eine Kombination aus Spiral- und Tangentialkanal vorgezogen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und Einlasskanäle im Zylinderkopf zu schaffen, deren Drall- bzw. Tumbleerzeugung innerhalb der geforderten Toleranzen bleibt.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, dass auch in einem Einlassbereich stromaufwärts des Kontrollschnittes die Wände des Einlasskanales mit einem materialabtragenden Werkzeug bearbeitet werden. Diese spanende Bearbeitung kann sowohl durch mehrachsiges Drehen/Fräsen, Extruderhonen als auch durch bahngesteuertes Stossen erfolgen. Durch diese spanende Bearbeitung kann der drallbildende Bereich der Kanalwände exakt gestaltet werden. Eine einfache Bearbeitung lässt sich erreichen, wenn das materialabtragende Werkzeug durch die Mündungsöffnung des Einlasskanals zugestellt wird.
In einer kostengünstigen Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wände des bearbeiteten Einlassbereiches des Einlasskanales etwa zylindrisch geformt und zur Nachbearbeitung ein als Dreh-, Räum- oder Stosswerkzeug ausgebildetes Werkzeug axial zugestellt wird. Die einachsige Zustellung kann auch mit einfacheren Werkzeugmaschinen erfolgen.
Bessere Ergebnisse sind allerdings erzielbar, wenn zur Bearbeitung der Wände des Einlasskanales ein mehrachsig gesteuertes Werkzeug geführt wird. Dadurch kann ein strömungstechnisch optimal und exakt gestalteter Einlassbereich des Einlasskanales geformt werden.
Die zusätzlich zum Kontrollschnitt durchgeführte mechanische Materialabtragung der Wand jedes durch eine Gussform vorgeformten Einlasskanales im Einlassbereich in den Zylinder erlaubt es einen gewünschten Drall im Zylinder präzise auszubilden. Eine abrupte Querschnittsänderung zwischen dem unbehandelten gegossenen Anfangsbereich des Einlasskanales und den bearbeiteten Einlassbereich könnte einige der durch Behandlung erzielten Vorteile in Folge von Strömungsablösungen wieder zunichte machen. Um dies zu vermeiden, ist in einer bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsvariante vorgesehen,
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dass zwischen dem unbehandelten Anfangsbereich des gegossenen Einlasskanales und dem behandelten Einlassbereich ein Kompensationsbereich mit stetig abnehmendem Querschnitt ausgebildet ist.
Bei Verwendung einer einachsigen Werkzeugsteuerung weist der-bearbeitete Einlassbereich eine etwa zylindrische Form auf. Wird das als Drehwerkzeug ausgebildete Werkzeug hingegen mehrdimensional geführt, kann auch eine sich in Richtung Kontrollschnitt zumindest abschnittsweise verjüngende Form realisiert werden.
Ein sehr guter Drall im Zylinder lässt sich dann realisieren, wenn die Mittelachse des bearbeitete Einlassbereiches des Einlasskanals im Bereich der Abrisskante des Kontrollschnittes zur Ventilachse, vorzugsweise um etwa 300 bis 600, geneigt ist.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich bei einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Einlasskanälen pro Zylinder am deutlichsten, wenn alle Einlasskanäle bearbeitete Einlassbereich aufweisen. Damit werden genauere Einlassbereiche erreicht. Dabei kann zumindest ein Einlasskanal als Tangentialkanal oder auch als Tumblekanal ausgebildet sein. Somit sind Zylinderköpfe mit mehreren, ausschliesslich als Tangentialkanal bzw. ausschliesslich als Tumblekanal ausgebildeten Einlasskanälen möglich. Denkbar ist auch bei einem Zylinderkopf mit mehreren Einlasskanälen zumindest einen Einlasskanal als Tumblekanal und zumindest einen Einlasskanal als Tangentialkanal auszubilden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der spanend bearbeitete Einlassbereich mindestens eine entlang der Kanalmittellinie gemessene Länge aufweist, die dem Durchmesser der Mündungsöffnung des Einlasskanals in den Zylinder entspricht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. l einen Zylinderkopf mit erfindungsgemäss gefertigten als Tangentialkanäle ausgebildete Einlasskanäle im Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 den Zylinderkopf aus Fig. l in einem Schnitt nach der Linie II-II in Fig. l, Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 4, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 einen Zylinderkopf mit geneigt angeordneten Ventilachsen mit erfindungsgemäss
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gefertigten, als Tumblekanäle ausgebildete Einlasskanäle im Schnitt nach der Linie JV-V in Fig. 6 bzw. Fig. 7, Fig. 6 bzw.
Fig. 7 einen Zylinderkopf mit einem bzw. zwei bearbeiteten Tumblekanälen im Schnitt nach der Linie VI-VI bzw. VII-VII in Fig. 5, Fig. 8 eine weitere Ausführung der Erfindung im Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Fig. 9, Fig. 9 bzw. 10 den Zylinderkopf aus Fig. 9 im Schnitt nach der Linie IX-IX bzw.
X-X in Fig. 8, Fig. 11 ein Querschnitts-Verlaufs-Diagramm der erfindungsgemäss hergestellten Ausführungsvarianten von Einlasskanälen.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit gleichen Ziffern bezeichnet. Indexlose Bezugszeichen beziehen sich auf Ausführungen mit Tangentialkanälen, Bezugszeichen mit einem der Ziffern nachgestellten Index "a" betreffen Ausführungen mit Tumblekanälen. Gestrichene Bezugszeichen (') sind in Ausführungen mit mehrfacher Bearbeitung, ungestrichene Bezugszeichen in Varianten mit einfacher Bearbeitung verwendet.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Zylinderkopf 1 mit parallel zur Zylinderachse 16 angeordneten Ventilachsen 15 mit jeweils zwei als Tangentialkanäle 2 ausgeführte Einlasskanäle pro Zylinder 3. Die beiden Tangentialkanäle 2 richten die Strömung gegen die Zylinderwand 17 und erzeugen eine im Uhrzeigersinn gerichtete Ladungsrotation. Durch den Pfeil 4 ist die Haupteinströmrichtung der Ladung in den Zylinder 3 symbolisiert. Mit 5 ist ein kegeliger Kontrollschnitt im Mündungbereich 9 der Tangentialkanäle 2 in den Zylinder 3 bezeichnet, welcher Kontrollschnitt 5 an der unteren und seitlichen Kanalkontur eine Abrisskante 6 erzeugt. Die Kanalwände sind im an den Ventilraum 18 anschliessenden Einlassbereich 7 der Tangent- alkanäle 2 der in Fig. 1 und 2 abgebildeten Ausführungsvariante zylindrisch gestaltet.
Mit 8 ist im jeweiligen Längsschnitt durch den Zylinderkopf ein in Richtung der Kanalmittelachse 14 durch die Mündungsöffnung 9 eines Tangentialkanales 2 zugestelltes materialabtragendes Werkzeug 8 bezeichnet, welches ein Dreh-, Räum-oder Stosswerkzeug sein kann. Die Kanalmittelachse 14 der bearbeiteten Kanalform muss dabei gemessen in Bereich der Abrisskante 6 - in einem bestimmten Winkel a, vorzugsweise zwischen 300 und 600 zur Ventilachse 15 geneigt sein, um eine Abrisskante 6 für die Einlassströmung zu erzeugen und um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Mit 10 ist der unbehandelte gegossene Teil des Ein-
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lasskanales bezeichnet, welcher über den Kompensationsbereich 11 in den bearbeitete Einlassbereich 7 übergeht. Mit 12 ist schematisch die Kontur des unbehandelten Gussrohlings des Einlasskanales bezeichnet.
Der bearbeitete Einlassbereich weist etwa zumindest eine Länge L auf, die dem Durchmesser D des Mündungsbereiches 9 entspricht. Mit 19 ist eine durch die Zylinderachse 16 gehende Motorlängsebene bezeichnet.
Die Ausführungsvariante gemäss den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von den Fig. l und 2 dadurch, dass die Bearbeitung des Endbereiches des Tangentialkanales 2'in mehreren Richtungen erfolgt. Mit 8'ist in Fig. 3 wieder ein Drehwerkzeug, beispielsweise ein Kugelfräser bezeichnet. Der mit 7' symbolisierte Einlassbereich des Tangentialkanales 2'weist einen in Richtung Mündungsöffnung 9'sich abschnittsweise verjüngenden Querschnitt auf.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen einen Zylinderkopf la mit geneigt zur Zylinderachse 16a angeordneten Ventilachsen 15a. Wie in den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, sind die Einlasskanäle als Tumblekan le 2a ausgebildet. Während in Fig. 6 ein Tumblekanal 2a pro Zylinder 3a dargestellt ist, zeigt Fig. 7 eine Ausführung mit einem doppelten Tumblekanal 2a. Jeder Tumblekanal 2a erzeugt eine durch den Pfeil 4a symbolisierte Ladungsrotation, deren Drehachse etwa normal zur Zylinderachse 16a und parallel zur Motorlängsebene 19a steht. Auch hier erzeugt ein vorzugsweise kegeliger Kontrollschnitt 5a im Mündungsbereich der Tumblekanäle 2a in den Zylinder 3a an der unteren und seitlichen Kanalkontur eine Abrisskante 6a.
Die Kanalwände sind in den Ausführungsbeispielen 5 bis 7 im an den Ventilraum 18a anschliessenden Einlassbereich 7a-etwa zylin- drisch gestaltet. Mit 8a ist in Fig. 8 ein in axialer Richtung durch die Mündungsöffnung 9a eines Tumblekanales 2a zugestelltes materialabtragendes Werkzeug bezeichnet, welches wie in Fig. l und 2 ein Dreh-, Räum-oder Stosswerkzeug sein kann.
Die Mittelachse 14a der bearbeiteten Kanalform muss wieder in einem bestimmten Winkel aa, welcher vorzugsweise zwischen 300 und 600 beträgt, zur Ventilachse 15a geneigt sein, um eine Abrisskante 6a für die Einlassströmung zu erzeugen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Ähnlich den Fig. 3 und 4 kann das materialabtragende Werkzeug auch bei der Bearbeitung eines Tumblekanales mehrdimensional geführt sein, wodurch auch eine von der Zylinderform
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abweichende Formgebung des Einlasskanales möglich ist. Dieser Fall ist in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 9
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Tumblekanäle 2a', welche sich ausgehend von einem gemeinsamen Querschnitt, im Zylinderkopf la'aufteilen.
In Fig. 11 ist ein Querschnitts-Verlaufs-Diagramm für die erfindungsgemässen Ausführungsvarianten dargestellt. Die Linie A symbolisiert den Verlauf des Querschnitts 13 für die erfindungsgemässe, einfache Herstellungsvariante nach Fig. 1 und 2 bzw. 5 bis 7, Linie B zeigt den Verlauf des Querschnitts 13 für die Ausführung mit mehrfacher Bearbeitung nach Fig. 3 und 4, bzw. 8 bis 10. An den durch die Gussform be-
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kanals 2, 2', 2a, 2a'schliesst der bearbeitete Einlassbereich 7, 7'bzw. 7a, 7a'an, wobei im Übergangsbereich zwischen dem Einlassbereich 7, 7'bzw. 7a, 7a'und dem unbehandelten Anfangsbereich 10, 101 ein sich stromabwärts verjüngender Kompensationsbereich 11, 11'bzw. lla, lla'ausgebildet ist.
Die strichpunktierten Linien 12, 12'bzw. 12a, 12a'im Einlassbereich 7, 7'bzw. 7a, 7a'symbolisieren den Kanalquerschnitt des noch unbehandelten gegossenen Rohlings im Einlassbereich 7, 7'bzw. 7a, 7a'. Der bei der spanenden Bearbeitung erfolgende Materialabtrag ist schraffiert symbolisiert. Mit 5, 5'bzw. 5a, 5a'ist der Bereich des Kontrollschnittes angedeutet.