DE10017968C1 - Im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordneter Auslasskanal - Google Patents

Abstract

Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopfgußteil und mindestens einem aus dünnwandigem Material geformten Auslaßkanal, durch den und das Zylinderkopfgußteil ein teilweise mit Formsand gefüllter Ringraum gebildet ist, wobei der Auslaßkanal mittels blechartiger Befestigungsflansche im Zylinderkopfgußteil eingegossen ist, wobei von dem Ringraum ein Entgasungskanal abzweigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftma­ schine mit einem Zylinderkopfgußteil und mindestens einem aus dünnwandigem Material geformten Auslaßkanal, durch den und das Zylinderkopfgußteil ein teilweise mit Formsand gefüllter Rin­ graum gebildet ist, wobei der Auslaßkanal mittels blechartiger Befestigungsflansche im Zylinderkopfgußteil eingegossen ist.

Es ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einem aus Blech geformten, durch einen Ringraum vom Zylinderkopfgußteil getrennten Auslaßkanal aus der DE 26 17 938 A1 bekannt.

Die beim Abgießen des Zylinderkopfes aus dem Formsand im Ring­ raum um den den Auslaßkanal bildenden Blechkanal entweichenden heißen Gase werden durch den Formsand entlang des Auslaßkanals nach außen in Richtung des Sandkernes auf der Auslaßseite ge­ führt. Die Gase strömen über einen engen Querschnitt, nämlich den Ringraumquerschnitt abzüglich der Querschnittsfläche, die von Sandkörnern bedeckt ist. Beim Austritt aus dem Zylinderkopf wird der Querschnitt des Formsandes - und damit auch der Strö­ mungsquerschnitt für die Gase - wegen der Halteeinrichtung für den Blechkanal nochmals wesentlich verkleinert.

In den Gußbereichen um den Ventilsitz des Zylinderkopfes, die weit weg sind von den Stellen, an denen das Gas aus dem Sand­ kern den Zylinderkopf verläßt, besteht die erhöhte Gefahr, daß sich Lunker im Gußmaterial bilden. Gerade im Bereich um den Ventilsitz, der einen Teil der Brennraumbegrenzung bildet, ist wegen der großen Materialbelastung ein lunkerfreies Gußgefüge erforderlich.

Ein weiterer Nachteil ist die im Bereich des Auspuffflansches offene Verbindung des Spaltes nach außen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Entga­ sen des Formsandes im Ringraum um den den Auslaßkanal bildenden Blechkanal zu ermöglichen, um eine Lunkerbildung in diesem Zy­ linderkopfbereich zu verhindern.

Die Aufgabe erfindungsgemäß wird dadurch gelöst, daß von dem Ringraum ein Ent­ gasungskanal abzweigt.

In den Unteransprüchen sind noch vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Bei einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug sind die Grenzwerte für die Abgasemission streng limitiert. Um diese Grenzwerte einzuhalten ist es von Vorteil, wenn die dafür vor­ gesehener. Katalysatoren im Abgasstrang möglichst schnell ihre Betriebstemperatur erreichen. Dafür ist es erforderlich, daß wenig Wärme aus dem Abgas entnommen wird, weniger Wärme an das Kühlwasser durch den Portliner oder Blechkanal gelangt und mehr Wärme zum Abgasturbolader und Katalysator gebracht wird.

Dies geschieht zum Beispiel innerhalb des Zylinderkopfes durch wärmeisolierte Auslaßkanäle, sogenannte Portliner. Die Portli­ ner können zum Beispiel aus Keramik sein oder die Auslaßkanäle sind aus dünnem Metall (hochwarmfestem Blech) und mit einer isolierenden Luftschicht versehen, die einen Ringraum zwischen dem Auslaßkanal und dem Zylinderkopfgußteil bildet.

Diese isolierende Luftschicht wird beim Herstellen des Zylin­ derkopfes dadurch hergestellt, daß um den fertiggeformten Aus­ laßkanal eine dünne Schicht aus Formsand gelegt wird, die nach Erkalten des Zylinderkopfgußteils entfernt wird, zum Beispiel gleichzeitig mit dem Formsand des sogenannten Wasserkernes beim Putzen des Gußrohlinges. Dazu sind eine oder mehrere Verbin­ dungen des Sandkernes mit einem Außenkern des Zylinderkopfes notwendig. Der Außenkern kann zum Beispiel der Kern auf der Auslaßseite, der Brennraumseite oder der Ölraumseite sein.

Ein weiterer Grund für eine Verbindung des innenliegenden Sand­ kernes, der die isolierende Luftschicht bilden soll, mit einem Außenkern besteht in der Notwendigkeit eine Möglichkeit zur Entgasung des Formsandes zu schaffen. Sowohl die Luft zwischen den einzelnen Sandkörnern als auch die Bindemittel im Formsand entgasen bei den hohen Gießtemperaturen und müssen aus dem zu gießenden Teil einfach und schnell entweichen können. Falls dies nicht gewährleistet ist, können sich im Gußmaterial Gas­ blasen, sogenannte Lunker, bilden. Gerade bei einem hochbean­ spruchten Bauteil wie einem Zylinderkopf muß man unter allen Umständen Gefügestellen, die mechanisch und/oder thermisch hohbelastet sind, lunkerfrei gießen.

Das bedeutet, daß man den Entgasungskanal mit einem möglichst großen Querschnitt ausführen soll. Vorteilhafterweise ist der Entgasungskanal, beziehungsweise der den Entgasungskanal bil­ dende Sandkern, möglichst in der Mitte des zu entgasenden Ker­ nes, hier der den Ringraum um den Auslaßkanal bildende Sand­ kern, angebracht. Dadurch ist durch die kurzen Wege ein leich­ tes Entgasen möglich, auch der Endbereiche des um den Auslaßka­ nal angebrachten Sandkernes.

Der aus dünnem Material bestehende Auslaßkanal wird im Bereich des Ventilsitzes und der Ventilführung durch flanschartige Aus­ formungen am Kanal im Zylinderkopfgußrohteil eingegossen. Auf­ grund eventuell unterschiedlicher Wärmeausdehnungen zwischen dem Auslaßkanal (Werkstoff z. B. Stahlblech) und dem Zylinder­ kopfgußrohteil (Werkstoff z. B. eine Aluminium- oder Graugußle­ gierung) kann es nötig sein, das auspuffflanschseitige Ende des Auslaßkanals, das relativ weit entfernt vom Ventilbereich liegt, mittels eines Loslagers zu lagern, z. B. eines Schiebe­ sitzes in einem eingegossenen Blechflansch.

Um den Wärmeübergang im Auslaßkanal zu verringern, genügt eine dünne Luftschicht zur Isolation. Ein dünnwandiger Sandkern kann bedeuten, daß der Sand beim Gießen des Zylinderkopfes zusammen­ bäckt und beim Putzen des Zylinderkopfes nur unvollständig ent­ fernt werden kann. Sorgfältiges und damit teures Putzen, wie es z. B. für die Wasserräume und Ölkanäle im Zylinderkopf zwingend notwendig ist, kann für den Ringraum um den Auslaßkanal und den Entgasungskanal entfallen. Durch eventuell vorhandenen Restsand ist die Isolationseigenschaft des Ringraumes um den Auslasska­ nal nur unwesentlich verringert.

Um ein gutes Entgasen des Ringraumes um den Auslaßkanal beim Gießen zu ermöglichen, ist es von Vorteil, den Entgasungskanal in Gießlage nach oben zu führen. Wenn der Zylinderkopf mit der Brennraumseite nach unten gegossen wird (übliches Gießverfah­ ren) führt der Entgasungskanal nach oben in den Außenform des gesamten Zylinderkopfkernpakets. Bei einer anderen Gießlage wird entsprechend verfahren.

Nach dem Gießen und Putzen des Zylinderkopfrohteils wird der Entgasungskanal verschlossen. Ein Verschließen ist notwendig, da durch den unter Umständen vorhandenen Schiebesitz am aus­ puffflanschseitigen Ende Abgase in den Ringraum treten können. Ein Übertritt von Abgasen in den Ölraum oder in sonstige Berei­ che des Motors ist nicht zulässig. Da sich im Ringraum und Ent­ gasungskanal Formsand befindet, und durch Motorbewegungen los­ gerüttelt werden kann, ist der Entgasungskanal außerdem zu verschließen, um ein Übertritt von Sandkörnern in irgendeinen Motorenbereich zu verhindern.

Das Verschließen des Entgasungskanals erfolgt als erster Ar­ beitsgang nach dem Putzen. Ein Austreten von Sandkörnern ist nicht nur während des Motorbetriebes zu verhindern, sondern be­ reits beim Vermessen und bei der Bearbeitung des Zylinder­ kopfrohteils können Sandkörner die Funktion der Meßmaschinen und der Präzisionsbearbeitungsmaschinen beeinträchtigen. D. h. das Verschließen des Entgasungskanals erfolgt noch in der Put­ zerei, damit keine Sandkörner während der folgenden Bearbeitung aus dem Kanal fallen.

Der Verschluß des Entgasungskanals ist ein einfacher Ver­ schlußstopfen, Verschlußdeckel (wie z. B. als Kernlochdeckel be­ kannt) oder eine Verschlußscheibe. Diese Verschlußelemente wer­ den durch einen Preßsitz im Zylinderkopf gehalten, oder sie werden mit dem Zylinderkopf verschweißt. Derartige Verfahren sind im Gießereibereich anwendbar, wozu die Putzerei dazuge­ hört.

Ein erfindungsgemäßer Entgasungskanal ist sowohl bei einem Aus­ laßkanal als auch bei mehreren Auslaßkanälen pro Zylinder ein­ setzbar. Bei z. B. zwei Auslaßkanälen pro Zylinder verlaufen die beiden Kanäle üblicherweise nahe beieinander, so daß die Ring­ räume zur Isolation zusammenwachsen. Das ermöglicht einen ge­ meinsamen Sandkern, der mit einem gemeinsamen Entgasungskanal versehen ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anhand von Ausführungsbeispielen nachfolgend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Zylinderkopfgußteils entlang eines Auslaßkanals im Schnitt,

Fig. 2 einen waagrechten Schnitt durch das Zylinderkopfgußteil durch zwei Auslaßkanäle an einem Zylinder,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Zylinderkopfgußteil senkrecht zur Kanalrichtung zweier Auslaßkanäle, wobei der Entgasungskanal mit einem Verschlußdeckel verschlossen ist,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Zylinderkopfgußteil senkrecht zur Kanalrichtung zweier Auslaßkanäle, wobei der Entgasungskanal mit einer eingeschweißten Verschluß­ scheibe verschlossen ist und

Fig. 5 einen Schnitt durch das Zylinderkopfgußteil senkrecht zur Kanalrichtung zweier Auslaßkanäle, wobei der Entgasungskanal mit einem eingeschweißtem Verschlußstop­ fen verschlossen ist.

In einem Zylinderkopf 1 gemäß Fig. 1 befinden sich für ein nicht gezeigtes Auslaßventil ein Ventilsitz 2, eine Ventilführung 3, ein Auspuffflansch 4 und ein Auslaßkanal 5, der vom Ventilsitz am Brennraum 6 bis zum Auspuffflansch bogenförmig verläuft. Der Auslaßkanal 5 wird durch ein dünnwandiges Material 7 gebildet, das im Bereich des Ventilsitzes 2 und der Ventilführung 3 mit­ tels blechartiger Befestigungsflansche 8, 9 im Zylinderkopf 1 eingegossen ist. Am auspuffflanschseitigen Ende des Auslaßka­ nals 5 ist der Auslaßkanal mittels einer Schiebesitzlagerung 10 in einem Befestigungsflansch 11 gelagert. Der Befestigungs­ flansch 11 ist im Zylinderkopf 1 eingegossen.

Außer in unmittelbarer Nähe der Befestigungsflansche 8, 9, 11 ist um den Auslaßkanal ein Ringraum 12 angeordnet, der mit Luft und restlichem Formsand gefüllt ist.

Vom Ringraum 12 führt ein Entgasungskanal 13 nach oben außer­ halb des Ölraumes 14 ab. Der Entgasungskanal 13 ist an seinem ölraumseitigen Ende verschlossen. Eine Kanalführung des Entga­ sungskanals 13 nach oben setzt voraus, daß der Zylinderkopf 1 mit dem Brennraum 6 nach unter und dem Ölraum nach oben gegos­ sen wird.

Ein Wärmeübertritt vom Auslaßkanal 5 in den Ölraum 14 und vor allem in den Wasserraum 15 findet wegen der isolierenden Luft­ schicht im Ringraum 12 nur in geringem Maße statt.

In Fig. 2 sind zwei nebeneinanderliegende Auslaßkanäle 5 und 5' gezeigt. Die Auslaßkanäle 5 und 5' weisen einen zusammenge­ wachsenen Ringraum 12 auf. Das dünnwandige Material 7 und 7' der beiden Kanalwände ist getrennt voneinander geführt und mün­ det im Bereich des Auspuffflansches 4 in einen Befestigungs­ flansch 11, der aus Gründen der Platzökonomie einteilig für beide Kanäle ausführbar ist.

In den Fig. 3 bis 5 sind unterschiedliche Verschlußmöglichkeiten des Entgasungskanals 13 gezeigt.

In Fig. 3 ist ein als Kernlochdeckel ausgebildeter Verschlußdec­ kel 16 für den Entgasungskanal 13 vorgesehen.

Eine in Fig. 4 gezeigte Verschlußmöglichkeit mittels einer ver­ schweißten Verschlußscheibe 17 verlangt keine oder nur eine ge­ ringe Bearbeitung des Zylinderkopfes 1 im Bereich der Öffnung des Entgasungskanals 13. Die Verschlußscheibe wird in den zum Beispiel stufig gegossenen Entgasungskanal 13 eingelegt. Danach wird die Scheibe mit dem Zylinderkopf 1 verschweißt, um den Entgasungskanal 13 dauerhaft zu verschließen.

Eine weitere Möglichkeit den Entgasungskanal 13 zu verschlie­ ßen, ist in Fig. 5 in Form eines eingepressten Verschlußstopfens 18 gezeigt, der wie in Fig. 4 mit dem Zylinderkopf 1 verschweißt wird.

Claims (3)

1. Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder­ kopfgußteil und mindestens einem aus dünnwandigem Material ge­ formten Auslaßkanal, durch den und das Zylinderkopfgußteil ein teilweise mit Formsand gefüllter Ringraum gebildet ist, wobei der Auslaßkanal mittels blechartiger Befestigungsflansche im Zylinderkopfgußteil eingegossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Ringraum (12) ein Entgasungskanal (13) abzweigt.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entgasungskanal (13) zur Entgasung des Formsandes in Gießlage des Zylinderkopfgußteiles (1) nach oben führt.

3. Zylinderkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entgasungskanal (13) nach dem Gießen durch ein Ver­ schlußteil (16; 17; 18) verschlossen wird.