AT523188B1

AT523188B1 - Zylinderkopf für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT523188B1
Application number: ATA51074/2019A
Authority: AT
Inventors: Grillenberger Dipl Ing Dieter (Fh); Blaindorfer Gerd
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-09-15
Also published as: AT523188A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Zylinderkopf (1) und ein Verfahren zur Fertigung eines Zylinderkopfs (1) mit zumindest einem Skelett (12) aus einem Grundwerkstoff mit einem Feuerdeck (F), das zur Verbindung mit einem Zylinderblock der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei durch Zylinderblock und Zylinderkopf (1) zumindest ein Brennraum (2) gebildet ist, und zumindest ein brennraumnaher Kühlmantel (8) benachbart an den Brennraum (2) angeordnet ist, wobei - insbesondere zur Verstärkung des Zylinderkopfs (1) - eine Einlage (4) aus einem zweiten Werkstoff Teile des Zylinderkopfs (1) bildet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen kostengünstigeren und verbesserten Zylinderkopf (1) anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zumindest eine brennraumnahe Kühlmantel (8) durch die Einlage (4) zumindest teilweise begrenzt ist, und dass die Einlage (4) mit dem Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) über ein Fügeverfahren verbunden ist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Skelett aus einem Grundwerkstoff mit einem Feuerdeck, das zur Verbindung mit einem Zylinderblock der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei durch Zylinderblock und Zylinderkopf zumindest ein Brennraum gebildet ist, und zumindest ein brennraumnaher Kühlmantel benachbart an den Brennraum angeordnet ist, wobei - insbesondere zur Verstärkung des Zylinderkopfs - eine Einlage aus einem zweiten Werkstoff Teile des Zylinderkopfs bildet, und der zumindest eine brennraumnahe Kühlmantel durch die Einlage zumindest teilweise begrenzt ist, und die Einlage mit dem Skelett des Zylinderkopfs über ein Fügeverfahren verbunden ist.

[0002] Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fertigung eines derartigen Zylinderkopfs, mit zumindest einem Skelett aus einem Grundwerkstoff mit einem Feuerdeck, das zur Verbindung mit einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei durch Zylinderblock und Zylinderkopf zumindest ein Brennraum gebildet ist, und zumindest ein brennraumnaher Kühlmantel benachbart an den Brennraum angeordnet ist, wobei - insbesondere zur Verstärkung des Zylinderkopfs - eine Einlage aus einem zweiten Werkstoff Teile des Zylinderkopfs bildet, und der zumindest eine brennraumnahe Kühlmantel durch die Einlage zumindest teilweise begrenzt ist, und die Einlage mit dem Skelett des Zylinderkopfs über ein Fügeverfahren verbunden wird.

[0003] Unter Skelett versteht sich hier ein Grundkörper, der entweder im Inneren des Zylinderkopfs oder im Sinne eines Exoskeletts außen einen Teil des Zylinderkopfs bildet. Die Einlage kann dabei unlösbar oder lösbar fest mit dem Grundkörper verbunden sein. Sie dient vorzugsweise der Verstärkung und übernimmt Funktionen der Kraftleitung und Ahnliches.

[0004] Derartige Einlagen wie sie bei dem gegenständlichen Zylinderkopf Anwendung finden, zeigt beispielsweise DE 10 2004 053 362 A1. Daraus ist ein verstärkendes Bauteil für einen Zylinderkopf bekannt, das in ein Skelett aus einem aluminiumhaltigen Werkstoff des Zylinderkopfs zur Verstärkung eingegossen wird. Außerdem können Wände von Hohlräumen mit einem zweiten Werkstoff beschichtet und so ebenfalls verstärkt werden. Die Einlage dient dazu eine hohe Steifigkeit bei geringerem Gewicht des Zylinderkopfs zu erreichen. Die Einlage ist in das Skelett aus dem Leichtmetall Aluminium eingegossen. Dadurch entsteht jedoch der Nachteil, dass nach dem Vorgang des Gießens des Skeletts abermals ein Gussvorgang durchgeführt werden muss. Es müssen daher alle Kerne für vorgesehene Ausnehmungen im Skelett angebracht werden. Dies sorgt für einen erheblichen Aufwand in der Fertigung und begrenzt wesentlich den Gestaltungsfreiraum. Auch können Wandstärken aufgrund der Natur des Fertigungsvorgangs stark variieren. So ist zur Erreichung der erforderlichen Genauigkeiten ein stark steigender Aufwand nötig. Dies führt in weiterer Folge zu größerem Zeitaufwand und steigenden Kosten. Auch ist bei Fehlern in der Fertigung der Einlage der gesamte Zylinderkopf fehlerhaft und dementsprechend auszuscheiden.

[0005] Aus der AT 130981 B, der DE 286319 C, der US 2730085 A, der DE 2054594 A1 und der US 3115125 A gehen Zylinderköpfe hervor, die Einlagen aufweisen, wobei die Einlagen mittels eines Fügeverfahrens mit dem Skelett des Zylinderkopfs verbunden ist. AT 130981 B zeigt dabei einen Zylinderkopf mit einem Körper aus einem Stahlgussstück als Grundwerkstoff. Der Zylinderkopf weist ein Feuerdeck auf, das auch einen Brennraum begrenzen soll. Es wird zur Bildung des Feuerdecks auf das Stahlgussstück eine Platte angefügt. Die Platte wird nur auf das Stahlgussstück aufgelegt und dort angefügt. Sie bildet keine Einlage am Skelett. Weiters ist zwischen Platte und Stahlgussstück der brennraumnahe Kühlmantel vorgesehen, sodass der Temperaturgradient gering ist und es nicht zu Verformungen oder thermischen Spannungen kommt. Durch diese Vorgehensweise wird jedoch keine ausreichende Verstärkung des Zylinderkopfs erreicht.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen verbesserten Zylinderkopf anzugeben, bei dem thermische Spannungen reduziert sind.

[0007] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Einlage eine Wandstärke aufweist, die maximal 2 mm beträgt und vorzugsweise 1,5 mm und 2 mm beträgt. Dadurch entsteht der

Vorteil, dass thermische Verformungen in der Einlage, so geringe Absolutwerte aufweisen, dass sie das Skelett aus dem Grundwerkstoff nicht verformen und vernachlässigbar sind.

[0008] Dadurch wird ein möglichst homogenes Verhalten der verschiedenen Bauteile erreichet und unterschiedliches Verhalten der Werkstoffe aufgrund der differierenden Materialeigenschaften wird reduziert. Durch diese geringe Erstreckung sind Verformungswege bei äußerer mechanischer Belastung oder durch thermische Belastung noch derart gering, sodass diese durch die gefügte mechanische Verbindung zwischen Skelett und Einlage kompensiert werden.

[0009] Die Aufgabe wird auch durch das obige Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einlage mit dem Skelett des Zylinderkopfs über ein Fügeverfahren zusammengefügt wird, wobei die Einlage eine Wandstärke aufweist, die maximal 2 mm beträgt und vorzugsweise zwischen 1,5 mm und 2 mm beträgt.

[0010] Unter einem Fügeverfahren sind Verfahren zu verstehen, bei denen zumindest zwei einzelne Bauteile, zwei Einzelteile in einem festen Zustand zusammengefügt werden. Gießen ist kein Fügeverfahren und die Einlage wird nicht in das Skelett eingegossen.

[0011] Fehler beim Guss wirken sich dadurch meist nur mehr auf das jeweilige Bauteil aus, und nicht auf den gesamten Zylinderkopf, was zu einer Verringerung des Ausschusses bei der Produktion führt.

[0012] Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Einlage mit dem Skelett des Zylinderkopfs entweder über eine Pressverbindung oder Stoffschluss verbunden ist. Zur Herstellung einer Pressverbindung weisen die Einlage und das Skelett eine Ubermaßpassung auf. Bei einem zugehörigen Verfahren wird die Einlage in das Skelett des Zylinderkopfs eingepresst oder es wird das Skelett in die Einlage eingepresst. Die Verbindung über Stoffschluss wird beispielsweise durch Verschweißen oder Löten mit einem Hilfsstoff durchgeführt. Beim Verfahren zur Herstellung des Zylinderkopfs wird dazu die Einlage stoffschlüssig mit dem Skelett verbunden. Die angewandten Fügeverfahren zeichnen sich durch die Herstellung genauer und dauerhafter Verbindungen aus, die selbst hoher Belastung standhalten. Aber auch Verbindungen, die durch Hybridfügen hergestellt werden, sind einsetzbar. In thermisch unkritischen Bereichen vom Feuerdeck entfernt ist sogar Kleben insbesondere in Kombination mit einer anderen Verbindungsform möglich.

[0013] Ventilsitze sind in der Regel separate Teile, die im Zylinderkopf zum Kontakt mit Ventiltellern zum Verschluss von Gaswechselkanälen eingesetzt werden. Dies soll bessere Verschleißeigenschaften, höhere Festigkeit und eine verbesserte Dichtfläche zwischen Ventilteller und Ventilsitz ermöglichen. Bei einer besonderen Ausführung des Zylinderkopfs wird hier im Unterschied zu herkömmlichen Zylinderköpfen vorgesehen, dass die Einlage Ventilsitze des Zylinderkopfs bildet. Dadurch werden im Vergleich zu separaten Ventilsitzen verbesserte Wärmeableitung sowie eine bessere mechanische Spannungsverteilung im gesamten Zylinderkopf erreicht. Auch wird das Ablösen des Ventilsitzes vom Zylinderkopf durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen Skelett und Ventilsitz verhindert. Darüber hinaus können dadurch größere Ventildurchmesser und geringere Druckverluste durch Verringerung des Strömungsbeiwerts erzielt werden. Die Verringerung des Strömungsbeiwerts wird ermöglicht durch die Reduktion der scharfen Kanten im Bereich der Wand und durch die Möglichkeit geringere Wandstärken zu verwenden. An scharfen Kanten würde laminare Strömung ablösen.

[0014] Zur Verbesserung der Dichtheit ist in einer besonders vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass die Einlage eine Dichtfläche zur Auflage einer Zylinderkopfdichtung aufweist.

[0015] Es ist günstig, wenn die Einlage Rippen oder zumindest eine Rippenstruktur zur Versteifung aufweist. Dadurch kann ein höherer Widerstand einer Verformung entgegengesetzt werden. Dadurch wird auch das Ablösen der Einlage vom Skelett durch Verformung aufgrund von Krafteinflüssen auf die Einlage verhindert. Aufgrund der Rippen beziehungsweise der Rippenstruktur sind durch den Zylinderkopf höhere mechanische Lasten aufnehmbar und höhere Zünddrücke möglich. Die Versteifung führt zur besseren Aufnahme und besseren Verteilung der mechanischen Lasten, die vom Zünddruck herrühren.

[0016] Ein besonders vorteilhafter Zylinderkopf kann erreicht werden, wenn die Einlage hinsichtlich des Kühlmittels vollständig zum Skelett hin abgedichtet ist. Dadurch können Leckagen vollständig vermieden werden.

[0017] Hinsichtlich der Kühlung durch erzwungene Konvektion des Zylinderkopfes ist besonders günstig, wenn die Einlage im Bereich des Kühlmantels Rippen oder zumindest eine Rippenstruktur zur Leitung einer Kühlmittelströmung aufweist. Auch wird derart die mit einem Kühlmittel in Kontakt stehende Oberfläche erhöht und so kann die Wärmeableitung aus dem Zylinderkopf in das Kühlmittel signifikant gesteigert werden.

[0018] Dadurch, dass der brennraumnahe Kühlmantel in der Einlage integriert ist, wird ein gegenüber dem Skelett vollständig gegenüber dem Skelett abgedichteter Kühlmantel erreicht. Mit der oben beschriebenen zusätzlichen Rippenstruktur oder den Rippen in das Innere des Kühlmantels hinein wird die Kühlmittelströmung optimal geführt und gleitet und das Kühlmittel kann besser verteilt werden. Außerdem führt diese Maßnahme zu geringeren Druckverlusten im Kühlmittelkreislauf und so zu einer insgesamt verbesserten Kühlung. Das führt in weiterer Folge zu geringeren Temperaturen des Zylinderkopfs.

[0019] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Einlage den Brennraum begrenzt.

[0020] Eine Steigerung der positiven Effekte der Einlage kann außerdem erreicht werden, wenn die Einlage eine Vorkammer bildet.

[0021] Durch die Integration der Vorkammer und/oder des Brennraums in der Einlage können die Wandstärken des Zylinderkopfs stark reduziert werden, größere Ventildurchmesser sind realisierbar, es kommt zur Verringerung der für Dichtungen benötigten Flächen sowie zu insgesamt verringerten Bauteiltemperaturen und dadurch geringeren auftretenden thermischen Spannungen. In weiterer Folge können insgesamt im Zylinderkopf geringere Wandstärken erreicht werden. Die Aufnahme höherer Zünddrücke und größerer mechanischer Lasten ist möglich.

[0022] Es ist günstig, wenn die Einlage zumindest Teile von Ladungswechselkanälen bildet und vorzugsweise die Ladungswechselkanäle im Bereich eines Feuerdecks des Zylinderkopfs vollständig umfasst. Dadurch wird ein geringerer Wärmeeintrag in das Skelett des Zylinderkopfs erreicht.

[0023] Vorteilhafterweise reicht die Einlage bis zu einer Abgasführung zu einem Turbolader, der mit dem Brennraum über die Ladungswechselkanäle strömungsverbunden beziehungsweise durch die Gaswechselventile strömungsverbindbar ist. Diese Abgasführung wird üblicherweise als Port-Liner bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform wird ein geringerer Wärmeeintrag vom Abgas in das Skelett erreicht. Es ist ein höherer Isolationsgrad möglich und die an den Turbolader weitergegebene Wärmeenergie ist aufgrund der reduzierten Wärmeverluste entlang der Ladungswechselkanäle höher.

[0024] Der positive Effekt verstärkt sich, wenn das Skelett aus einem Leichtmetall und vorzugsweise aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

[0025] Es ist besonders günstig, wenn die Einlage einen Brennraum-Stopper aufweist, wobei der Brennraum-Stopper im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgeführt ist, der an seiner Grundfläche in einen Hauptkörper der Einlage übergeht, wobei der Brennraum-Stopper einteilig und einstückig mit dem Hauptkörper der Einlage ausgeführt ist und bevorzugt eine Höhe zwischen 100 bis 200 um aufweist. Dadurch entsteht der Vorteil, dass die Verbrennung besser kontrolliert und auf den Brennraum begrenzt werden kann. Brennraum-Stoppern kommt dabei eine ähnliche Funktion wie etwa Kolbenringen zu.

[0026] Zur Erreichung eines Isolationseffektes ist in einer besonderen Ausführung vorgesehen, dass der zweite Werkstoff eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der zweite Werkstoff vorzugsweise Stahl ist.

[0027] Hinsichtlich des mechanischen Verhaltens ist es günstig, wenn der zweite Werkstoff ein höheres Elastizitätsmodul als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der zweite Werkstoff vorzugsweise Stahl ist.

[0028] Diese Materialeigenschaften werden nicht nur von Stahl, sondern auch von vielen anderen Werkstoffen erreicht, die als Reinstoff oder als Legierung verwendet werden können. So kann beispielsweise in einer alternativen Ausführung auch eine Einlage aus Keramik vorgesehen werden.

[0029] Es ist vorteilhaft, wenn der Grundwerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist. Dadurch ist das Skelett des Zylinderkopfs auf üblichem, erprobtem und günstigem Weg fertigbar und das Skelett ist durch die geringe Dichte von Aluminium dementsprechend von geringerer Masse.

[0030] Eine besonders hohe Qualität der Einlage mit hoher Genauigkeit kann erreicht werden, wenn die Einlage durch ein additives Direktmetall-Druckverfahren hergestellt wird.

[0031] Ähnlich hohe Anforderungen werden durch die Einlage erfüllt, wenn diese durch Feinguss hergestellt wird.

[0032] Ebenfalls betrifft die Erfindung eine Einlage für einen Zylinderkopf mit einem Skelett aus einem Grundwerkstoff insbesondere zur Verstärkung, wobei die Einlage aus einem zweiten Werkstoff gebildet ist, wobei die Einlage einen Kühlmantel zumindest teilweise begrenzt, der als Hohlraum in der Einlage ausgeführt ist.

[0033] In einer ersten Ausführung weist die Einlage Ventilsitze auf.

[0034] Weiters kann die Einlage eine Dichtfläche zur Auflage einer Zylinderkopfdichtung aufweisen.

[0035] Günstiger ist, wenn die Einlage Rippen oder zumindest eine Rippenstruktur zur Versteifung aufweist und/oder, wenn die Einlage eine Wandstärke zwischen 1,5 mm und 2 mm aufweist.

[0036] Aus Sicht der thermischen Eigenschaften ist es günstiger, wen die Einlage einen Brennraum begrenzt und/oder, wenn die Einlage eine Vorkammer bildet und diese begrenzt.

[0037] Es ist vorteilhaft, wenn die Einlage zumindest Teile von Ladungswechselkanälen bildet.

[0038] Zur lokalen Beschränkung des Schadvolumens durch die Verbrennung im Brennraum ist in bestimmten Ausführungen vorgesehen, dass die Einlage einen Brennraum-Stopper aufweist.

[0039] Um für den Turbolader das Abgas auf einem hohen Entropielevel zu halten, ist es günstig, wenn der zweite Werkstoff eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweist, wobei der zweite Werkstoff vorzugsweise Stahl ist, da dadurch Wärmeverluste durch Wärmedurchgang durch den Grundwerkstoff verringert werden.

[0040] Mechanisch betrachtet ist es von Vorteil, wenn der zweite Werkstoff ein höheres Elastizitätsmodul als Aluminium aufweist, wobei der zweite Werkstoff vorzugsweise Stahl ist.

[0041] Die Einlage kann durch ein additives Direktmetall-Druckverfahren oder durch Feinguss hergestellt werden.

[0042] In weiterer Folge wird die Erfindung anhand der nicht einschränkenden Ausführung in den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

[0043] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer Ansicht auf ein Feuerdeck; [0044] Fig. 2 einen Einleger des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs in einer Draufsicht; [0045] Fig. 3 den Zylinderkopf in einem Schnitt entlang der Linie Ill-III gemäß Fig. 1; [0046] Fig. 4 den Zylinderkopf in einem Schnitt entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 1; und [0047] Fig. 5 den Zylinderkopf in einem Schnitt entlang der Linie V-V gemäß Fig. 1.

[0048] In Fig. 1 ist ein Zylinderkopf 1 in einer Ansicht von einem Feuerdeck F aus gezeigt. Dabei ist die Begrenzung eines Brennraums 2 durch den Zylinderkopf 1 erkennbar. Außerdem sind für einen nicht näher gezeigten Zylinder vier Ladungswechselkanäle 3 zu sehen. Zur besseren Erkennbarkeit der Details um die Ladungswechselkanäle 3 sind keine Tellerventile zum Verschluss

der Ladungswechselkanäle 3 eingezeichnet.

[0049] Bei dem gezeigten Zylinderkopf 1 sind von diesen vier Ladungswechselkanälen 3 zwei Kanäle als Einlasskanäle und zwei Kanäle als Auslasskanäle vorgesehen. Dabei ist diese Anzahl und Anordnung der Ladungswechselkanäle 3 zur Einbringung eines Brennstoffes in den Brennraum 2 nur beispielhaft zur Erklärung des Prinzips der Erfindung. Die Erfindung kann auch bei jeder anderen beliebigen Anzahl und Anordnung der Ladungswechselkanäle 3 Einsatz finden.

[0050] Fig. 2 zeigt eine Einlage 4 des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs 1 in einer Draufsicht. Dabei sind Ventilsitze 5 für die Auflage der nicht gezeigten Tellerventile durch die Einlage 4 gebildet. Am Ventilsitz 5 wird zwischen Zylinderkopf 1 und Tellerventil abgedichtet um Einlass und Auslass des Brennstoffes und somit die Fluidströmung zu unterbrechen.

[0051] Die Einlage 4 weist Rippen 6 zur Versteifung und zur Leitung einer Kühlmittelströmung 7 auf. Die Kühlmittelströmung 7 ist dabei schematisch mit strichlierten Pfeilen skizziert.

[0052] Durch die Einlage 4 wird ein brennraumnaher Kühlmantel 8 gebildet, der vollständig in der Einlage 4 integriert ist. Der Kühlmantel 8 wird entlang der Pfeile mit dem Bezugszeichen 7 von Kühlmittel durchströmt. Es tritt dabei Kühlmittel an drei Stellen von außen in etwa radialer Richtung zu einem Zentrum Z ein. Dabei wird das Kühlmittel entlang der Rippen 6 geleitet und umströmt den Bereich der Ventile in günstiger Art und Weise entweder entlang eines Bereichs der Ventilbrücken 9 oder in Umfangsrichtung außen an einem Ventil vorbei. Die drei Eintritte sind dabei hier in Verlängerung der Ventilbrücken 9 angeordnet. Gegenüber eines mittleren Kühlmitteleintritts 10 ist ein Kühlmittelaustritt 11 vorgesehen. Ein Teil des Kühlmittels, der durch diesen mittleren Kühlmitteleintritt 10 einströmt, strömt in etwa geradlinig zum Zentrum Z und von dort geradlinig zum Kühlmittelaustritt 11.

[0053] Die Umlenkung des Kühlmittelstroms 7 vom mittleren Kühlmitteleintritt 10 und von den anderen beiden Kühlmitteleintritten in die peripheren Bereiche wird jeweils durch die Wölbung der Rippen 6 und die Anordnung der Rippen 6 erreicht. Ein Teil der Rippen 6 erreicht dabei die Umlenkung eines Teils des Kühlmittelstroms 7 nach außen.

[0054] Vom mittleren Kühlmitteleintritt 10 wird ein Großteil der Kühlmittelströmung 7 durch die nach außen, von dem Kühlmitteleintritt 10 weggewölbten Rippen 6 zum Zentrum Z geleitet.

[0055] In einer alternativen Ausführung weist die Einlage eine Rippenstruktur auf. Dabei sind die Rippen nicht einzigartig und allein ausgebildet, sondern eine Vielzahl von kleineren Rippen sind nebeneinander angeordnet.

[0056] Der Kühlmittelaustritt 11 ist auf der Seite der beiden Auslasskanäle angeordnet, die hier in der gezeigten Ausführung jeweils einen größeren Kanaldurchmesser als die beiden Einlasskanäle aufweisen.

[0057] Ein Skelett 12 des Zylinderkopfs 1 ist in Fig. 3 sichtbar. Auch die Anordnung der Einlage 4 geht detailliert aus Fig. 3 hervor. Dabei ist um einen Auslasskanal 3a herum ein sogenannter Portliner 4a durch die Einlage 4 gebildet. Der Portliner 4a dient dabei dazu, die Wärmeableitung vom Auslasskanal 3a zum Zylinderkopf 1 zu verringern und die im Abgasturbolader nutzbare Energie zu vergrößern. Außerdem werden durch die Einlage 4 die vom Zylinderkopf 1 maximal ertragbaren Temperaturen erhöht und gleichzeitig die dafür nötigen Abmessungen verringert.

[0058] Das Skelett 12 besteht dabei in den gezeigten Ausführungen aus einem Grundwerkstoff, der vorteilhafterweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist. Die Einlage 4 besteht günstigerweise aus Stahl. Diese Kombination von Stahl und Aluminium oder Stahl und Aluminiumlegierung ist eine vorteilhafte. Alternativ sind auch andere Werkstoffkombinationen möglich.

[0059] Auch die Ventilsitze 5 für die Einlasskanäle und die Auslasskanäle 3a sind vollständig von der Einlage 4 gebildet.

[0060] Die Einlage 4 weist in der gezeigten Ausführung eine Wandstärke von 1,5 mm auf. Aber in anderen Ausführungen sind Wandstärken von bis zu 2 mm möglich.

[0061] Von der Einlage 4 umschlossen ist der Kühlmantel 8 um die Ladungswechselkanäle 3 und

um eine Zündvorrichtung 13 angeordnet. Das Kühlmittel wird dazu vom Skelett 12 durch einen Wasserübertritt 14 in den Kühlmantel 8 in der Einlage 4 eingeleitet.

[0062] Rippen 6 sind in Fig. 4 sichtbar. Außerdem ist eine optionale Vorkammer V schematisch in Fig. 4 angedeutet. Dabei ist der Hohlraum, der die Vorkammer V bildet, vollständig durch die Einlage 4 umfasst.

[0063] Ebenfalls schematisch ist ein optionaler seitlicher Kraftstoffinjektor | angedeutet.

[0064] Das genaue Aussehen der Rippen 6 lässt sich aus Fig. 5 entnehmen. Durch die entstehenden Hohlräume der Einlage 4 und deren Rippen 6 wird der Kühlmantel 8 gebildet.

[0065] Für alternative Ausführungen ist mit strichlierter Linie ein Brennraum-Stopper 15 angedeutet. Dieser begrenzt den Schadraum der Verbrennung im Brennraum 2. Der Brennraum-Stopper 15 schließt dabei direkt an die als Dichtfläche 16 ausgebildete Anschlussfläche des Zylinderkopfs 1 an einen nicht gezeigten Zylinderblock an. Diese Dichtfläche 16 schließt hier den Grundkörper der Einlage 4 ab, die dann in den Körper des Brennraum-Stoppers 15 übergeht. Der Brennraum-Stopper 15 weist dabei eine Höhe H von 100 bis 200 um auf.

Claims

Patentansprüche

1. Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Skelett (12) aus einem Grundwerkstoff mit einem Feuerdeck (F), das zur Verbindung mit einem Zylinderblock der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei durch Zylinderblock und Zylinderkopf (1) zumindest ein Brennraum (2) gebildet ist, und zumindest ein brennraumnaher Kühlmantel (8) benachbart an den Brennraum (2) angeordnet ist, wobei - insbesondere zur Verstärkung des Zylinderkopfs (1) - eine Einlage (4) aus einem zweiten Werkstoff Teile des Zylinderkopfs (1) bildet, und der zumindest eine brennraumnahe Kühlmantel (8) durch die Einlage (4) zumindest teilweise begrenzt ist, und die Einlage (4) mit dem Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) über ein Fügeverfahren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) eine Wandstärke aufweist, die maximal 2 mm beträgt und vorzugsweise zwischen 1,5 mm und 2 mm beträgt.

2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) mit dem Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) über eine Pressverbindung verbunden ist.

3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) mit dem Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) über Stoffschluss verbunden ist.

4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) Ventilsitze (5) des Zylinderkopfs (1) bildet.

5. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) eine Dichtfläche (16) zur Auflage einer Zylinderkopfdichtung aufweist.

6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) Rippen (6) oder zumindest eine Rippenstruktur zur Versteifung aufweist.

7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) hinsichtlich des Kühlmittels vollständig zum Skelett (12) hin abgedichtet ist.

8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) im Bereich des Kühlmantels (8) Rippen (6) oder zumindest eine Rippenstruktur zur Leitung einer Kühlmittelströmung (7) aufweist.

9. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) den Brennraum (2) begrenzt.

10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) eine Vorkammer (V) bildet.

11. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) zumindest Teile von Ladungswechselkanälen (3) bildet und vorzugsweise die Ladungswechselkanäle (3) im Bereich eines Feuerdecks (F) des Zylinderkopfs (1) vollständig umfasst.

12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (3) einen Brennraum-Stopper (15) aufweist, wobei der Brennraum-Stopper (15) im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgeführt ist, der an seiner Grundfläche auf einem Grundkörper der Einlage (4) aufsitzt, wobei der Brennraum-Stopper (15) einteilig und einstückig mit dem Grundkörper der Einlage (4) ausgeführt ist und bevorzugt eine Höhe (H) zwischen 100 bis 200 um aufweist.

13. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der zweite Werkstoff vorzugsweise Stahl ist.

14. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff ein höheres Elastizitätsmodul als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der zweite Werkstoff vorzugsweise Stahl ist

15. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

16. Verfahren zur Fertigung eines Zylinderkopfs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit zumindest einem Skelett (12) aus einem Grundwerkstoff mit einem Feuerdeck (F), das zur Verbindung mit einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei durch Zylinderblock und Zylinderkopf (1) zumindest ein Brennraum (2) gebildet ist, und zumindest ein brennraumnaher Kühlmantel (8) benachbart an den Brennraum (2) angeordnet ist, wobei - insbesondere zur Verstärkung des Zylinderkopfs (1) - eine Einlage (4) aus einem zweiten Werkstoff Teile des Zylinderkopfs (1) bildet, und der zumindest eine brennraumnahe Kühlmantel (8) durch die Einlage (4) zumindest teilweise begrenzt ist, und die Einlage (4) mit dem Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) über ein Fügeverfahren verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) mit dem Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) zusammengefügt wird, wobei die Einlage (4) eine Wandstärke aufweist, die maximal 2 mm beträgt und vorzugsweise zwischen 1,5 mm und 2 mm beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) in das Skelett (12) des Zylinderkopfs (1) eingepresst wird oder dass das Skelett (12) in die Einlage (4) eingepresst wird zur Herstellung einer Pressverbindung zwischen Skelett (12) und Einlage

(4).

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) stoffschlüssig mit dem Zylinderkopf (1) verbunden wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) durch ein additives Direktmetall-Druckverfahren hergestellt wird.

20. Verfahren zur Fertigung eines Zylinderkopfs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (4) durch Feinguss hergestellt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen