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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine mehrere Zylinder aufweisende Brennkraftmaschine, mit einem integrierten Abgaskrümmer und mit von einem Ventilsitz bis zum Abgaskrümmer erstreckten Auslasskanälen, wobei der Zylinderkopf aus einem ersten Werkstoff, insbesondere einer Leichtmetalllegierung besteht und die Auslasskanäle und/oder der Abgaskrümmer zumindest abschnittsweise von einem in dem Zylinderkopf eingegossenen Mantel ausgekleidet sind.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes für eine mehrere Zylinder aufweisende Brennkraftmaschine, bei dem der Zylinderkopf in einer Kavität aus einem ersten Werkstoff gegossen wird, wobei vor dem Gießen ein einen Abgaskrümmer und/oder Auslasskanäle der Brennkraftmaschine zumindest abschnittsweise auskleidender Mantel aus einem zweiten Werkstoff in der Kavität positioniert wird.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art sind aus der Druckschrift
DE 10 2011 114 771 A1 bekannt. Diese zeigt einen Zylinderkopf, bei dem eine die Oberfläche des Abgaskrümmers bildende Beschichtung zumindest abschnittsweise aus einem thermisch beständigen und isolierend wirkenden Werkstoff, vorzugsweise aus einem Metall und/oder einer Keramik, gebildet ist. Dieser Zylinderkopf wird mit einem Verfahren hergestellt, bei dem auf den Gießkern zumindest abschnittsweise die thermisch isolierend wirkende Beschichtung aufgetragen wird. Das Auftragen der Beschichtung auf den Gießkern ist mit geringem Fertigungsaufwand und individualisiert möglich, indem die Beschichtung mittels eines Spritzverfahrens, beispielsweise des Lichtbogendrahtspritzens oder des Flammspritzens, aufgetragen wird.
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Es sind weiterhin durch die Druckschrift
DE 10 2007 026 123 A1 ein Zylinderkopf mit eingegossenem Abgaskrümmer und ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes mit integriertem Abgaskrümmer bekannt. Der in diesem Stand der Technik beschriebene Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine umfasst einen eingegossenen Abgaskrümmer, der aus einem Wärme isolierenden, porösen Werkstoff hergestellt ist, wobei eine dem Werkstoff des Zylinderkopfes zugewandte Oberfläche des Abgaskrümmers eine offenporige Oberflächenstruktur aufweist und eine einem hohlen Innenraum des Abgaskrümmers zugewandte Innenfläche geschlossen ausgebildet ist. Zur Herstellung des Zylinderkopfes ist vorgesehen, dass der Abgaskrümmer als Kanalgießkern mit Ummantelung hergestellt und umspritzt oder umgossen wird.
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Die Druckschrift
DE 100 54 006 A1 zeigt einen Abgaskrümmer, der außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist und aus einem zweischaligen Blechmantel besteht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf und ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass der Wirkungsgrad des integrieren Abgaskrümmers verbessert und zugleich die Herstellung eines Zylinderkopfes mit integriertem Abgaskrümmer vereinfacht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Zylinderkopf gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer vorgesehen, bei dem der Mantel aus mehreren Abschnitten und/oder Segmenten gebildet ist. Die Unterteilung des vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Metallblech hergestellten Mantels erleichtert die Herstellung sowie die Lagerung und den Transport des Mantels. Darüber hinaus wird die Positionierung des Mantels in einer Kavität durch die Unterteilung wesentlich erleichtert. Der Mantel, welcher in der Regel die räumliche Struktur der Auslasskanäle und des Abgaskrümmers wiedergibt, hat in seiner Gesamtheit eine entsprechend aufwendige Geometrie. Die einzelnen Abschnitte und Segmente hingegen können ohne Weiteres leicht in einer Kavität positioniert werden und sind wegen ihrer gedrungeneren Form bei der Herstellung und der Logistik anfällig für auf sie einwirkende Kräfte.
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Der Werkstoff des Mantels ist ein Metallblech, vorzugsweise aus einer Edelstahllegierung. Bei einer besonderen Ausführungsform ist vorzugsweise auf der dem Zylinderkopf zugewandten Oberfläche des Mantels zumindest abschnittsweise eine Isolierschicht aufgetragen. Die Isolierschicht besteht beispielsweise aus einer Keramik.
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Vorteilhaft ist es, dass die Segmente durch zumindest eine Trennungsfläche begrenzt sind. Die Teilungsebene der Segmente ist im Wesentlichen parallel zu der Erstreckung der Auslasskanäle und/oder des Abgaskrümmers orientiert. In einer üblichen Einbauposition einer Brennkraftmaschine ist die Trennungsfläche somit annähernd horizontal ausgerichtet. Hierdurch ist es möglich, den Mantel beziehungsweise einzelne Abschnitte des Mantels als Oberschale und Unterschale auszubilden. Hierdurch wird nicht nur die Herstellung des möglichst dünnwandigen Mantels erleichtert. Auch die Handhabung des Mantels, insbesondere bei der Positionierung in der Kavität, ist durch die Segmentierung erleichtert. Dies kommt vor allem dann zum Tragen, wenn in dem Mantel oder einem Abschnitt des Mantels ein Sandkern positioniert werden soll.
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Günstig ist es, dass die Abschnitte durch Teilungsebenen begrenzt sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckung der Auslasskanäle und/oder des Abgaskrümmers orientiert sind. Hierdurch werden, wie auch mit der Segmentierung, die Herstellung, Logistik und schließlich die Positionierung in der Kavität erleichtert. Darüber hinaus kann die Querschnittsgeometrie des Mantels in der Teilungsebene so angelegt sein, dass bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern die Anzahl der Gleichteile erhöht werden kann und die Abschnitte je nach Typ der Brennkraftmaschine modular verwendet werden.
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Dabei hat es sich als dienlich erwiesen, dass der Mantel in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Zylindern in Abschnitte unterteilt ist. Hierdurch wird die modulare Verwendung von gleichteiligen Abschnitten ausgenutzt. Dies gilt insbesondere für den Einsatz bei Typenreihen von Brennkraftmaschinen mit variierender Anzahl an Zylindern. Vorzugsweise ist der Zylinderkopf daher so ausgeführt, dass jedem Zylinder ein Abschnitt zugeordnet ist.
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Darüber hinaus sind in dem Übergangsbereich zwischen zwei Zylindern keine Auslasskanäle vorhanden, sodass die Unterteilung des Mantels lediglich durch die dortige Querschnittsgeometrie des Abgaskrümmers bestimmt ist. Die hierzu bevorzugte Ausführungsform des Zylinderkopfes sieht vor, dass zumindest einer der Abschnitte alle Auslasskanäle eines Zylinders umfasst.
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Eine praktische Weiterbildung der Erfindung ist es, dass einige der Abschnitte und/oder Segmente im Bereich ihrer Kanten einen aufgeweiteten Querschnitt aufweisen. Hierdurch wird es möglich, dass die Wärmedehnung des Mantels kompensiert werden kann. Die Werkstoffe des Mantels und des Zylinderkopfes weisen möglicherweise unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Durch die Unterteilung des Mantels in Abschnitte und Segmente wird die absolute Ausdehnung des Mantels reduziert. So werden Spannungen im Werkstoff, Ablösungen des Mantels von dem Zylinderkopf und den Strömungsquerschnitt mindernde Faltungen des Mantels vermieden. Eine weiterführende Optimierung der Kompensation der Wärmedehnung ist die Ausbildung der Aufweitungen an den Kanten der Abschnitte und/oder Segmente. Bei benachbarten Abschnitten oder Segmenten bilden die einander zugewandten Kanten, von denen eine mit einer Aufweitung versehen ist, einen Schiebesitz für die Abschnitte beziehungsweise Segmente. Dieser Schiebesitz bietet Raum für die thermisch bedingte Ausdehnung eines oder mehrerer Abschnitte beziehungsweise Segmente, sodass benachbarte Abschnitte und Segmente hierdurch nicht beeinflusst werden.
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Vorzugsweise ist für den Schiebesitz vorgesehen, dass bei einem zusammengesetzten Mantel benachbarte Abschnitte und/oder benachbarte Segmente abschnittsweise überlappend angeordnet sind. Bei einer solchen Überlappung sind die reguläre Kante und/oder die aufgeweitete Kante über die Trennebene beziehungsweise über die benachbarte Kante hinaus erstreckt. Diese Überlappung bringt nicht nur die oben bereits genannten Vorteile für eine Kompensation der Wärmeausdehnung mit sich, sie ermöglicht darüber hinaus eine für das Gießen des Zylinderkopfes prozesssichere Positionierung von Formsand in dem Hohlraum des Mantels. Dieser Formsand dient der Stützung des Mantels beim Guss und kann aufgrund der Überlappung nicht aus dem Hohlraum hinaus in die Kavität der Gussform gelangen.
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Vorzugsweise weist die Aufweitung von der Kante an eine Erstreckung auf, die der maximalen Wärmedehnung der beiden benachbarten Abschnitte oder Segmente entspricht.
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Weiterhin ist es dienlich, dass die Segmente eines Abschnittes durch ein insbesondere stoffschlüssig wirkendes Verbindungsmittel verbunden sind. Hierdurch können die aus Segmenten bestehenden Abschnitte vorgefertigt werden. Durch das Verbindungsmittel bleiben diese als eine in sich formfestere Einheit erhalten. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der Hohlraum des Abschnittes auch in Vorfertigung mit einem Sandkern ausgestattet sein soll. Als bevorzugtes Verbindungsmittel sind in jedem Abschnitt oder an jeder Kante zumindest drei punktuelle Schweißnähte vorgesehen. Schweißpunkte haben den Vorteil, dass eine Relativbewegung der Segmente zur Kompensation der Wärmeausdehnung zwischen den Schweißnähten möglich ist.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 10.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem vor dem Positionieren des Mantels in der Kavität Abschnitte und/oder Segmente des Mantels hergestellt werden. Die Positionierung des Mantels in der Kavität erfolgt dabei in einem Stück oder durch die sukzessive Positionierung einzelner Abschnitte und/oder Segmente in der Kavität. Weiterhin ist vorgesehen, dass vor dem Positionieren und/oder mit dem Positionieren des Mantels in der Kavität in beliebiger Reihenfolge und Wiederholung benachbarte Segmente des Mantels zusammengeführt und/oder verbunden und/oder benachbarte Abschnitte des Mantels zusammengesteckt und/oder einzelne Abschnitte oder der ganze Mantel mit einem Sandkern ausgestattet werden. Hierdurch ist es möglich, einen auf die Geometrie der Kavität beziehungsweise des Zylinderkopfes abgestimmten Herstellungsprozess zu wählen. Dies führt zu einer Vereinfachung der Herstellung und zu einer Verbesserung der Qualität, welches sich auch günstig auf den Wirkungsgrad des Abgaskrümmers auswirkt.
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Bei einem Zylinderkopf mit eingegossenem Abgaskrümmer und einem wie vorstehend beschriebenen mehrteiligen Mantel ergeben sich darüber hinaus noch die Vorteile, dass die Abgastemperatur höher ist und am Abgasturbolader mehr Energie zur Verfügung steht, die Bauteiltemperatur im Zylinderkopf geringer ist, weniger Bauraum benötigt wird, insbesondere im Vorderwagen in Y-Richtung der frei werdende Platz ungefähr 30 Millimeter beträgt und eine barrierefreie Montage des Abgasturboladers möglich ist. Darüber hinaus ergibt sich ein Gewichtsvorteil von ungefähr 1200 Gramm sowie weitere Vorteile durch den Entfall von Dichtungen und Verschraubungen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine schematische Draufsicht auf einen Zylinderkopf;
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2 eine geschnittene schematische Darstellung eines Ausschnitts des Zylinderkopfes;
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3 eine schematische Ansicht eines zusammengesetzten Mantels des Zylinderkopfes;
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4 eine schematische Explosivdarstellung der Abschnitte und Segmente des Mantels;
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5 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes des Mantels;
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6 eine schematische Ansicht des Mantels mit einer Beschichtung;
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7 eine schematische Explosivdarstellung der Beschichtung des Mantels.
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Die 1 und 2 zeigen einen Zylinderkopf 1 für eine hier nicht weiter dargestellte Brennkraftmaschine mit drei Zylindern 2. Neben der in 1 dargestellten Draufsicht auf den Zylinderkopf 1 ist in 2 der Zylinderkopf 1 in einer geschnittenen Darstellung wiedergegeben. Der Zylinderkopf 1 umfasst einen integrierten Abgaskrümmer 3 und sechs von deren jeweiligem Ventilsitz 4 bis zum Abgaskrümmer 3 erstreckte Auslasskanäle 5. Die Auslasskanäle 5 und/oder der Abgaskrümmer 3 sind zumindest abschnittsweise von einem in dem Zylinderkopf 1 eingegossenen Mantel 6 ausgekleidet. Der Zylinderkopf 1 besteht aus einem ersten Werkstoff, vorzugsweise einem Leichtmetall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung. Der Mantel 6 besteht aus einem zweiten, vom ersten abweichenden Werkstoff, vorzugsweise aus einer Edelstahllegierung. Dabei ist der Mantel 6 aus einem dünnen Blech 7 geformt, welches eine Beschichtung 8 aufweist. Vorzugsweise ist die Beschichtung 8 auf der dem Zylinderkopf 1 zugewandten Oberfläche des Mantels 6 aufgetragen. Die Beschichtung 8 besteht bevorzugt aus einer Keramik und wirkt als eine Isolierschicht.
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Die 3 und 4 zeigen, dass der Mantel 6 aus mehreren Abschnitten 9 besteht. Die Abschnitte 9 sind durch zwei Teilungsebenen 10 begrenzt. Die Teilungsebenen 10 sind im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckung der Auslasskanäle 5 und/oder des Abgaskrümmers 3 beziehungsweise senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases orientiert, wobei die Teilungsebenen 10 zwischen zwei benachbarten Zylindern 2 angeordnet sind, sodass jedem Zylinder 2 ein Abschnitt 9 zugeordnet ist und jeder Abschnitt 9 alle Auslasskanäle 5 eines Zylinders 2 umfasst. Jeder der Abschnitte 9 besteht darüber hinaus aus zwei Segmenten 11. Die Segmente 11 sind durch eine Trennungsfläche 12 begrenzt, welche im Wesentlichen parallel zu der Erstreckung der Auslasskanäle 5 und/oder des Abgaskrümmers 3 orientiert ist. Dabei kann die Trennungsfläche 12 gekrümmt sein. Somit besteht der gezeigte Mantel 6 aus sechs Elementen 9, 11, die unabhängig voneinander oder zusammen hergestellt und an den Produktionsort des Zylinderkopfes 1 transportiert werden. Zur Herstellung des Zylinderkopfes 1 werden die Abschnitte 9 und Segmente 11 in einer hier nicht dargestellten Kavität einer Gussform positioniert und von dem ersten Werkstoff umgossen.
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In den 2, 4 und 5 ist zu erkennen, dass von einander zugewandten Kanten 13, 14 der Abschnitte 9 und Segmente 11 jeweils eine Kante 13 entsprechend einem aufgeweiteten Querschnitt ausgeführt ist, sodass die aufgeweitete Kante 13 die andere Kante 14 überlappen kann. Bei einem zusammengesetzten Mantel 6 sind benachbarte Abschnitte 9 und/oder benachbarte Segmente 11 derart ausgeführt, dass eine gegenseitige Überlappung im Bereich der Kanten 13, 14 als eine in 5 gezeigte Schiebehülse 15 wirkt. Die Schiebehülse 15 lässt eine thermisch bedingte gegenseitige Ausdehnung 16 der Abschnitte 9 beziehungsweise Segmente 11 zu. Die Ausdehnung 16 ist durch einen Pfeil angedeutet. In einigen Abschnitten 9 sind die Segmente 11 durch mehrere in den 6 und 7 gezeigte Verbindungsmittel 17 aneinander fixiert. Die Verbindungsmittel 17 sind zum Beispiel Punktschweißnähte.
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Die 6 und 7 zeigen die Beschichtung 8 des Mantels 6. Die Beschichtung 8 bedeckt nicht die gesamte dem Zylinderkopf 1 zugewandte Oberfläche des Mantels 6, sondern ist im Bereich der Kanten 13, 14, insbesondere im Bereich der Schiebehülsen 15 ausgespart.
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Die Beschichtung 8 kann auf das Blech 7, welches den Mantel 6 bildet, zuvor aufgebracht worden sein. Es ist aber auch möglich, dass die Beschichtung 8 als separates Bauteil ausgebildet ist, die formschlüssig das Blech 7 bzw. den Mantel 6 umgibt.
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Mit der Beschichtung, ob aufgetragen oder als separates Bauteil, wird eine Isolierschale zur Einstellung des Wärmeüberganges und als Kompensationsraum gegen Wärmespannungen geschaffen. Während in 6 und 7 Kanten 13, 14 und Schiebehülsen 15 von der Beschichtung ausgespart wurden, ist es ebenfalls möglich, diese Bereiche auch zu beschichten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Zylinder
- 3
- Abgaskrümmer
- 4
- Ventilsitz
- 5
- Auslasskanal
- 6
- Mantel
- 7
- Blech
- 8
- Beschichtung
- 9
- Abschnitt
- 10
- Teilungsebene
- 11
- Segment
- 12
- Trennungsfläche
- 13
- Kante (aufgeweitet)
- 14
- Kante
- 15
- Schiebehülse
- 16
- Ausdehnung
- 17
- Verbindungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011114771 A1 [0003]
- DE 102007026123 A1 [0004]
- DE 10054006 A1 [0005]
