DE102007020927A1

DE102007020927A1 - Zylinderkopf und Herstellungsverfahren für einen Zylinderkopf

Info

Publication number: DE102007020927A1
Application number: DE102007020927A
Authority: DE
Inventors: Jan Zimmermann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06
Also published as: CN101333974A; US20080271700A1; CN101333974B

Abstract

Ein Zylinderkopf (10) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs weist einen mit einem Zylinder (20) verbindbaren Strömungskanal (16) zur Abgasabfuhr oder zur Frischluftzufuhr auf. Über einen Verbindungskanal (14) ist mit dem Strömungskanal (16) ein Luftkanal (12) verbunden, um Gas, insbesondere Abgas, Frischluft oder Kurbelgehäusegase, in den Strömungskanal (16) einzublasen. Erfindungsgemäß ist der Luftkanal (12) durch Gießen hergestellt. Dadurch wird erreicht, dass der Zylinderkopf (10) durch eine einfache Herstellung eine gute Sekundärlufteinblasung ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges oder Hybridfahrzeuges.
Um einen Zylinder eine Brennkraftmaschine mit Frischluft zu versorgen oder das Abgas abzuführen, ist in dem Zylinderkopf jeweils ein Strömungskanal zur Abgasabfuhr bzw. Frischluftzufuhr vorgesehen. Um die Verbrennung in dem Zylinder zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, der Frischluftzufuhr zusätzlich Luft beispielsweise Abgas, zuzuführen. Ferner kann es vorteilhaft sein, dem Abgas zusätzliche Frischluft zuzuführen, um eine nachfolgende Abgasbehandlung zu verbessern. Um diese Sekundärlufteinblasung zu ermöglichen, ist es aus DE 199 40 010 A1 bekannt, in den Zylinderkopf einen Luftkanal durch maschinelle Bearbeitung, das heißt Bohren, vorzusehen. Der Luftkanal ist über einen Verbindungskanal mit dem Strömungskanal verbunden, so dass von dem Luftkanal aus Luft in Strömungskanal eingeblasen werden kann.
Nachteilig bei einem derartigen Zylinderkopf ist, dass der Luftkanal verhältnismäßig lang ist, so dass die Herstellung zeitaufwändig und kostenintensiv ist. Ferner ist es erforderlich, bei der Konstruktion des Zylinderkopfes genügend Material vorzusehen, um den gebohrten Luftkanal ausbilden zu können. Hierbei ist insbesondere darauf zu achten, dass der Luftkanal keine anderen Kanäle beispielsweise Ölversorgungskanäle schneidet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der bei einem einfachen Ausbau eine Sekundärlufteinblasung ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Zylinderkopf ist für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges oder Hybridmotors, weist einen mit einem Zylinder verbindbaren Strömungskanal auf. Der Strömungskanal kann zur Abgasabfuhr oder zur Frischluftzufuhr dienen. Über einen Verbindungskanal ist mit dem Strömungskanal ein Luftkanal zur Einblasung von Gas, insbesondere Abgas, Frischluft oder Kurbelgehäusegase (Blowby), in den Strömungskanal verbunden. Erfindungsgemäß ist der Luftkanal durch Gießen hergestellt.
Dadurch, dass der Luftkanal bereits bei der urformenden Herstellung des Zylinderkopfes vorgesehen wird, ist es nicht mehr erforderlich, den Luftkanal durch Bohren aus dem Vollen herzustellen. Ferner kann dadurch Material eingespart werden. Zur Ausbildung des Luftkanals kann beim Gießen des Zylinderkopfes ein Kern verwendet werden, der hinsichtlich seiner Geometrie kaum Anforderungen unterliegt. Insbesondere ist es möglich, einen Kern zu verwenden, der zu einem geschlängelten, gebogenen und/oder gewundenen Luftkanal führt. Dadurch ist es möglich, dass der Luftkanal an anderen Einbauten des Zylinderkopfes vorbeigeführt werden kann. Dies führt zu einem besonders kompakten Design des Zylinderkopfes, wodurch das Gewicht der Brennkraftmaschine sinkt und der CO₂-Ausstoß eines Kraftfahrzeuges sinkt und eine CO₂-Reduktion erreicht wird.
Vorzugsweise weist der Luftkanal mindestens einen Bogenabschnitt auf, damit in der näheren Umgebung des Luftkanals beispielsweise eine Bohrung im Zylinderkopf vorgesehen werden kann. Innerhalb des Bogenabschnitts wird durch den Luftkanal ein Bogen definiert. Innerhalb dieses Bogens kann außerhalb des Luftkanals eine Bohrung oder eine sonstige Einbaute des Zylinderkopfes vorgesehen sein. Der Luftkanal kann somit aufgrund seiner Formgestaltung an den sonstigen Einbauten vorbeigeführt werden. Beispielsweise kann der Luftkanal im Bereich des Bogenabschnitts an einem noch durch Bohren herzustellenden Ölversorgungskanal vorbeigeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Zylinderkopf einen Kühlkanal zur Kühlung des Zylinders auf. Die Kühlung des Zylinders umfasst insbesondere auch die Kühlung von Brennraum und/oder Ventilsitzen und/oder Zündkerze und/oder sonstige zum Zylinder benachbart angeordnete Einbauten, die beispielsweise durch Wärmeleitung thermisch mit dem Zylinder verbunden sind. Der Kühlkanal kann insbesondere ebenfalls durch Giessen hergestellt sein. Der Kühlkanal ist insbesondere im eingebauten Zustand des Zylinderkopfes zwischen dem Luftkanal und dem Zylinder angeordnet. Mit Hilfe des Kühlkanals kann beispielsweise Kühlwasser in die Nähe des Zylinders geführt werden, um den Zylinder zu kühlen. Der Kühlkanal kann beispielsweise einen Kühlraum aufweisen, der den Zylinder an seiner Mantelfläche zumindest teilweise umschließt. Dadurch, dass der Kühlkanal zwischen dem Luftkanal und dem Zylinder angeordnet werden kann, kann der Kühlkanal besonders nahe an den Zylinder herangeführt werden. Insbesondere ist es möglich, dass der Kühlkanal den Zylinder zumindest in einen Teilbereich an seiner Mantelfläche umströmt. Hierzu kann sich der Kühlkanal im Bereich des Zylinders verzweigen, wobei die einzelnen Verzweigungen den Zylinder im Wesentlichen halbschalenförmig umströmen können, wobei die beiden halbschalenförmigen Verzweigungen einen Kühlraum ausbilden können, der im Vergleich zum übrigen Kühlkanal ein großes Volumen aufweisen kann, um einen hohen Temperaturanstieg beim Kühlen des Zylinder zu vermeiden. Der Kühlkanal ist hierzu im Wesentlichen halbschalenförmig an einer ersten Umfangsseite des Zylinders und an einer mit der ersten Umfangsseite verbundenen im Wesentlichen halbschalenförmigen zweiten Umfangsseite des Zylinders entlang geführt. Dadurch, dass der Luftkanal nahezu beliebig gestaltet sein kann, kann auch die Form des Kühlkanals optimal gewählt werden, ohne Nachteile an einem Ölraum der Brennkraftmaschine in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere kann der Kühlkanal strömungsgünstig optimiert werden, um den Kühlmittelstrom gezielt auf zuvor definierte Bereiche des Zylinders zu lenken.
Durch die Freiheit bei der geometrischen Ausgestaltung des Luftkanals, ist es insbesondere möglich, möglichst nah am Zylinder Luft einzublasen. Der Strömungskanal weist insbesondere eine Verbindungsöffnung zur Verbindung des Strömungskanals mit dem Zylinder auf. Ferner kann der Strömungskanal eine Ventilöffnung zur Anordnung eines Ventils bzw. zum Einpressen einer Ventilführung aufweisen. Mit Hilfe des Ventils kann beispielsweise die Verbindungsöffnung geschlossen und geöffnet werden. Vorzugsweise mündet der Verbindungskanal, der insbesondere durch Gießen hergestellt sein kann, zwischen der Verbindungsöffnung und der Ventilöffnung in den Strömungskanal. Der Strömungskanal kann daher besonders nah an dem Zylinder in den Strömungskanal münden und vorzugsweise in die Verbindungsöffnung übergehen. Der Strömungskanal kann hierzu beispielsweise die Verbindungsöffnung in im Wesentlichen axialer Richtung tangieren. Da der Verbindungskanal besonders nah an der Verbindungsöffnung endet, kann der Verbindungskanal erforderlichenfalls besonders einfach durch Bohren hergestellt werden, indem der Verbindungskanal von der Ventilöffnung her gebohrt wird. Insbesondere, wenn der Verbindungskanal durch Gießen hergestellt wird, kann zur Herstellung des Verbindungskanals ein Kern verwendet werden, auf den sich der Kern für den Luftkanal abstützen kann. Eine Beschädigung des Kerns während des Gießvorgangs wird dadurch sicher vermieden.
Vorzugsweise ist der Luftkanal mit mehreren Zylindern, beispielsweise vier Zylindern, insbesondere mit allen Zylindern der Brennkraftmaschine verbindbar. Es ist somit ausreichend, genau einen Luftkanal zur Abgaszufuhr und/oder genau einem Luftkanal zur Frischluftzufuhr in dem Zylinderkopf vorzusehen. Besonders bevorzugt weist der Zylinderkopf sowohl einen wie vorstehend beschriebenen Luftkanal zur Abgaszufuhr als auch ein wie zuvor beschriebenen Luftkanal zur Frischluftzufuhr auf. Hierzu ist der Luftkanal mit mindestens einem als Auslasskanal ausgebildeten Strömungskanal verbunden. Ferner ist ein weiterer Luftkanal vorgesehen, der mit mindestens einem als Einlasskanal ausgebildeten weiteren Strömungskanal verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, die einen Zylinderblock mit mindestens einem Zylinder aufweist. Der Zylinderblock ist mit einem Zylinderkopf verbunden, der wie vorstehend beschrieben, aus- und weitergebildet sein kann. Der Zylinder wird insbesondere mit Hilfe eines Kühlkanals gekühlt, der im Bereich des Zylinderblocks den Zylinder umströmt und zumindest teilweise durch den Zylinderkopf ausgebildet wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs, der wie vorstehend beschrieben, aus- und weitergebildet sein kann. Hierbei wird zunächst eine Gussform für den Zylinderkopf bereitgestellt. Anschließend wird ein Luftkanalkern zur Ausbildung des Luftkanals angeordnet, wobei der Luftkanalkern insbesondere zumindest teilweise gebogen ist. Der Luftkanalkern wird bei einer ersten Stirnseite und bei einer zweiten Stirnseite von der Gussform gehalten. Anschließend wird die Gussform mit einem Gießgut, insbesondere Gusseisen, Aluminium oder dergleichen gefüllt. Danach kühlt das Gießgut ab, bis es erstarrt. Schließlich wird der Luftkanalkern, beispielsweise durch Fräsen entfernt, so dass der erfindungsgemäße Zylinderkopf hergestellt ist. Besonders bevorzugt werden ferner in der Gussform die Verbindungskanalkerne zur Ausbildung des Verbindungskanals in der Gussform angeordnet, die mit dem Luftkanalkern verbunden sind. Die Verbindungskanalkerne dienen nicht nur dazu, den Verbindungskanal auszubilden, sondern auch, um den Luftkanalkern zu stützen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische vereinfachte Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes,
2 eine schematische perspektivische vereinfachte Ansicht des Zylinderkopfes mit den in 1 dargestellten Bauteilen,
3 eine schematische perspektivische Rückansicht des Zylinderkopfes und
4 eine schematische perspektivische Schnittansicht des Zylinderkopfes.
Bei dem in 1 stark vereinfacht dargestellten Zylinderkopf ist lediglich ein Luftkanal 12 dargestellt, der über insgesamt vier Verbindungskanäle 14 jeweils mit einem als Abgaskanal ausgeführten Strömungskanal 16 verbunden ist. Der Strömungskanal 16 kann über eine Verbindungsöffnung 18 mit einem Zylinder 20 verbunden werden. Ferner sind weitere Strömungskanäle 22 zur Frischluftzufuhr vorgesehen, mit denen jeweils ein weiterer nicht dargestellter Luftkanal verbunden sein kann.
Der Luftkanal 12 weist mehrere Bogenabschnitte 24 auf, durch die jeweils ein Bogen 26 definiert wird. Durch diese Bogen 26 wird innerhalb des Bogenabschnitts 24 ein Bereich freigegeben, in dem eine Bohrung oder sonstige Einbauten außerhalb des Luftkanals 12 angeordnet werden können, ohne dass der Luftkanal 12 eine störende Geometrie aufweist.
Zwischen dem Luftkanal 12 und dem Zylinder 20 kann ein Kühlkanal 28 angeordnet sein, mit dessen Hilfe beispielsweise Kühlwasser zu den Zylindern 20 geleitet werden kann. Der in 2 geschnitten dargestellte Kühlkanal 28 fördert Kühlwasser entlang des Pfeils 30 auf den Zylinder 20 zu.
Wie insbesondere in 3 zu sehen ist, ermöglicht die im Wesentlichen frei gestaltbare Geometrie des durch Gießen hergestellten Luftkanals 12 eine besonders kompakte Bauweise des Zylinderkopfs 10. Gleichzeitig ermöglichen die Bögen 26 die Zugängigkeit zu weiteren Bauteilen des Zylinderkopfes 10.
Insbesondere ist es möglich, die Luft aus dem Luftkanal 12 möglichst nahe am Zylinder 20 dem Strömungskanal 16 zuzuführen (4). Der Verbindungskanal 14 kann hierzu zwischen der Verbindungsöffnung 18 und einer Ventilöffnung 32, in der eine Ventilführung eingepresst werden kann, in den Strömungskanal 16 einmünden.

10: Zylinderkopf
12: Luftkanal
14: Verbindungskanal
16: Strömungskanal
18: Verbindungsöffnung
20: Zylinder
22: weiterer Strömungskanal
24: Bogenabschnitt
26: Bogen
28: Kühlkanal
30: Pfeil
32: Ventilöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19940010 A1 [0002]

Claims

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen mit einem Zylinder (20) verbindbaren Strömungskanal (16) zur Abgasabfuhr oder Frischluftzufuhr und einen über einen Verbindungskanal (14) mit dem Strömungskanal (16) verbundenen Luftkanal (12) zur Einblasung von Gas, insbesondere Abgas, Frischluft oder Kurbelgehäusegase, in den Strömungskanal (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (12) durch Giessen hergestellt ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (12) mindestens einen Bogenabschnitt (24) zur Anordnung einer Bohrung außerhalb des Luftkanals (12) und im Wesentlichen innerhalb des durch den Bogenabschnitts (24) definierten Bogen (26).
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere durch Giessen hergestellter Kühlkanal (28) zur Kühlung des Zylinders (20) vorgesehen ist, wobei der Kühlkanal (28) im eingebauten Zustand des Zylinderkopfs (10) zwischen dem Luftkanal (12) und dem Zylinder (20) angeordnet ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (28) derart ausgebildet ist, dass der Kühlkanal (28) im eingebauten Zustand des Zylinderkopfs (10) den Zylinder (20) zur Umströmung des Zylinders (20) an einer im Wesentlichen halbschalenförmigen ersten Umfangsseite des Zylinders (20) und an einer mit der ersten Umfangsseite verbundenen im Wesentlichen halbschalenförmigen zweiten Umfangsseite des Zylinders (20) entlang geführt ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (16) eine Ventilöffnung (32) zur Anordnung eines Ventils und eine Verbindungsöffnung (18) zur Verbindung des Strömungskanals (16) mit dem Zylinder (20) aufweist und der insbesondere durch Giessen hergestellte Verbindungskanal (14) zwischen der Verbindungsöffnung (18) und der Ventilöffnung (32) in den Strömungskanal (16) mündet.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (12) mit vier Zylindern (20), insbesondere mit allen Zylindern (20) verbindbar ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (12) mit mindestens einem als Auslasskanal ausgebildeten Strömungskanal (16) verbunden ist und ein weiterer Luftkanal (12) vorgesehen ist, der mit mindestens einen als Einlasskanal ausgebildeten weiteren Strömungskanal (18) verbunden ist.
Brennkraftmaschine mit einem mindestenseinen Zylinder (20) aufweisenden Zylinderblock, der mit einem Zylinderkopf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: Bereitstellen einer Gussform für den Zylinderkopf (10), Anordnen eines insbesondere zumindest teilweise gebogenen Luftkanalkerns zur Ausbildung des Luftkanals (12), wobei der Luftkanalkern an einer ersten Stirnseite und an einer zweiten Stirnseite von der Gussform gehalten wird, Füllen der Gussform mit einem Gießgut, Abkühlen des Gießguts bis zur Erstarrung und Entfernen des Luftkanalkerns.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Luftkanalkern verbundene Verbindungskanalkerne zur Ausbildung des Verbindungskanals (14) in der Gussform angeordnet werden, um den Luftkanalkern zu stützen.