DE102004040145A1 - Fluiddurchströmtes Bauteil für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein fluiddurchströmtes Bauteil (2, 3) für eine Brennkraftmaschine (1) besteht aus einem offenporigen Metallschaumkörper (4), welcher zumindest an einem Teil seiner Oberfläche (6) derart verdichtet ist, dass die verdichtete Oberfläche (6) undurchlässig für Fluide ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein fluiddurchströmtes Bauteil für eine Brennkraftmaschine. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines fluiddurchströmten Bauteils für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
• Aus der DE 196 50 613 A1 ist ein Bauteil mit einem Kern aus einem Metallschaum bekannt, bei welchem der Metallschaumkern mit einem metallischen Gusswerkstoff umgossen und mit dem Gusswerkstoff stoffschlüssig verbunden ist. Eine bevorzugte Verwendung dieses Bauteils besteht in einem kühlbaren Motorblock, bei dem der Metallschaumkern die Kühlkanäle bildet, die von dem Kühlmedium durchströmt werden.
• In nachteiliger Weise stellt ein solcher Metallschaumkern in einem Kühlkanal jedoch einen verhältnismäßig hohen Strömungswiderstand dar, der zu einem entsprechenden Druckabfall führt. Mit einer in der DE 196 50 613 A1 vorgeschlagenen Anordnung ist eine ausreichende Versorgung sämtlicher zu kühlender Bereiche der Brennkraftmaschine somit nicht gewährleistet.
• Die DE 199 12 329 A1 beschreibt ein Zylinder-Kurbelgehäuse als Gussbauteil aus Leichtmetall, bei dem zur Verringerung der Masse desselben bei erhöhter Steifigkeit ein mit einer Metallschaumeinlage gefülltes Hohlprofil vorgesehen ist.
• Hierbei wird die Metallschaumeinlage von dem Material des Zylinder-Kurbelgehäuses umgossen.
• Zum allgemeinen Stand der Technik bezüglich offenporiger Metallschäume wird des weiteren auf die DE 101 23 456 A1 verwiesen.
• Bei heutigen Zylinderköpfen, die durch ein beispielsweise in der DE 197 35 012 C1 beschriebenes Verfahren mittels Sandgießen hergestellt werden, führt die immer mehr zunehmende Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine zu einem Zielkonflikt zwischen der auftretenden Temperatur und der Festigkeit des Zylinderkopfs.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein fluiddurchströmtes Bauteil für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welches in der Lage ist, bei hoher Festigkeit eine gute Kühlung des Bauteils zu ermöglichen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Durch die erfindungsgemäße Ausführung des fluiddurchströmten Bauteils aus einem Metallschaum kann vorteilhafterweise eine erhebliche Steigerung der Festigkeit bzw. der Steifigkeit des erfindungsgemäßen Bauteils bei geringerer Masse desselben erreicht werden, wobei sich des weiteren eine erheblich verbesserte Kühlung desselben aufgrund der beträchtlich erhöhten Oberfläche des Bauteils ergibt. Dadurch, dass der erfindungsgemäße Metallschaum offenporig ist, kann er von einem Fluid, insbesondere von einem Kühlmittel, vorzugsweise von Kühlwasser, durchströmt werden.
• Die Dichtheit des erfindungsgemäßen Bauteils nach außen wird dadurch erreicht, dass dieses zumindest an einem Teil seiner Oberfläche derart verdichtet ist, dass die verdichtete, homogene Oberfläche undurchlässig für Fluide ist.
• Eine besonders vorteilhafte Anwendung ergibt sich, wenn das erfindungsgemäße, fluiddurchströmte Bauteil als Zylinderkopf ausgebildet ist.
• Des weiteren kann vorgesehen sein, dass der Metallschaum aus einem Aluminiumwerkstoff besteht. Gerade ein Aluminiumwerkstoff bietet sich für das erfindungsgemäße Bauteil an, da Aluminium sowie die meisten technisch einsetzbaren Aluminiumlegierungen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und somit in der Lage sind, hohe Temperaturen innerhalb des erfindungsgemäßen Bauteils sehr schnell abzubauen.
• Eine verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 8 angegeben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich das Bauteil für die Brennkraftmaschine sehr einfach und prozesssicher herstellen.
• Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Grundform des Bauteils durch Aufschäumen des Metallwerkstoffs zu dem Metallschaumkörper in einer Form und/oder durch spanende Bearbeitung des aufgeschäumten Metallschaumkörpers hergestellt wird.
• Eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Bauteil geht aus den Merkmalen von Anspruch 14 hervor.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
• Dabei zeigen:
• 1 Eine sehr schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Bauteil; und
• 2 einen Schnitt durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine nach der Linie II-II aus 1.
• Eine in 1 sehr schematisch darstellte Brennkraftmaschine 1 weist ein Kurbelgehäuse 2 und einen an dem Kurbelgehäuse 2 in an sich bekannter, jedoch nicht näher dargestellter Weise angebrachten Zylinderkopf 3 auf. Sowohl bei dem Kurbelgehäuse 2 als auch bei dem Zylinderkopf 3 handelt es sich somit jeweils um Bauteile der Brennkraftmaschine 1.
• In 2 ist ein etwas detaillierterer Schnitt durch den Zylinderkopf 3 der Brennkraftmaschine 1 dargestellt und es ist zu erkennen, dass der Zylinderkopf 3 aus einem porösen, offenporigen Metallschaumkörper 4 besteht. Der Metallschaumkörper 4 weist eine Vielzahl von Poren 5 auf, wodurch er von einem Fluid, insbesondere einem Kühlmittel, beispielsweise einem üblichen Kühlwasser, durchströmt werden kann. An den Zylinderkopf 3 können Leitungen zum Zu- und Abführen des Kühlmittels angeschlossen sein, die zu dem offenporigen Innenbereich des Metallschaumkörpers 4 führen. In nicht dargestellter Weise kann der Metallschaumkörper 4 in seinem Inneren so gestaltet sein, dass sich eine bestimmte Fließrichtung für das Fluid ergibt.
• Um ein Austreten des Fluids aus dem Metallschaumkörper 4 zu verhindern, ist dieser zumindest an einem Teil seiner Oberfläche 6 derart verdichtet, dass diese verdichtete und dadurch vorzugsweise homogene Oberfläche 6 für Fluide undurchlässig ist. Im vorliegenden Fall ist die verdichtete Oberfläche 6 einem Einlasskanal 7, einem Auslasskanal 8, einer Brennraumbodenplatte 9 sowie mehreren Schraubenbohrungen 10 des Zylinderkopfs 3 zugeordnet. Dadurch wird ein Austreten des Fluids aus dem Metallschaumkörper 4 an diesen Bereichen des Zylinderkopfs 3 verhindert.
• Der Metallschaumkörper 4 wird durch Aufschäumen eines Metallwerkstoffs und anschließendes Verdichten zumindest eines Teils der Oberfläche 6 desselben hergestellt. Hierbei kann die Grundform des Zylinderkopfs 3 durch Aufschäumen des Metallwerkstoffs zu dem Metallschaumkörper 4 in einer nicht dargestellten Form oder durch spanende Bearbeitung des aufgeschäumten Metallschaumkörpers 4 hergestellt werden. Gegebenenfalls sind auch Kombinationen dieser beiden Verfahren möglich. Die spanende bzw. mechanische Bearbeitung des Metallschaumkörpers 4 kann beispielsweise aus Fräsen, Ausdrehen, Bohren oder dergleichen bestehen. Das Aufschäumen des Metallwerkstoffs zur Erzeugung des Metallschaumkörpers 4 wird an dieser Stelle nicht beschrieben, da es sich hierbei um ein an sich bekanntes Verfahren handeln kann. Der Metallschaumkörper 4 kann beispielsweise aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen, wie er üblicherweise bei aus dem Stand der Technik bekannten und meist durch Sandgießverfahren hergestellten Zylinderköpfen eingesetzt wird.
• Das Verdichten der Oberfläche 6 kann durch mechanisches Umformen mittels dazu geeigneter, nicht dargestellter Umformwerkzeuge durchgeführt werden, wobei es möglich ist, den Metallschaumkörper 4 an den zu verdichtenden Oberflächen 6 vor dem Verdichten anzuschmelzen, um eine einfachere Bearbeitbarkeit zu erreichen. Für das Anschmelzen des Metallschaumkörpers 4 eignet sich insbesondere ein Strahlverfahren, beispielsweise mit einem Laserstrahl. Alternativ zum Einsatz eines Laserstrahls könnte auch ein Elektronenstrahl oder ähnliches eingesetzt werden. Derjenige Bereich des Metallschaumkörpers 4, der auf diese Weise verdichtet wird, kann zuvor ein entsprechendes Übermaß erhalten, um nach dem Verdichten eine hohe Maßgenauigkeit erzielen zu können.
• In nicht dargestellter Weise könnten sich des weiteren an dafür geeigneten Stellen in dem Metallschaumkörper 4 aus Vollmaterial bestehende Einlegeteile befinden. Diese Einlegeteile könnten beispielsweise Laufbuchsen für nicht dargestellte Kolben, die Brennraumbodenplatte 9 oder auch Gewinde für Zündkerzen, Einspritzventile oder andere an dem Zylinderkopf 3 montierte Bauteile bilden. Hierbei wäre es möglich, die Einlegeteile bei der Herstellung des Metallschaumkörpers 4 in eine Gießform einzulegen und mit dem Metallwerkstoff des Metallschaumkörpers 4 zu umschäumen, um eine formschlüssige Verbindung zwischen den Einlegeteilen und dem Metallschaumkörper 4 herzustellen.
• Statt des Zylinderkopfes 3 könnte auch das Kurbelgehäuse 2 aus dem Metallschaumkörper 4 bestehen. Selbstverständlich wäre es auch möglich, sowohl das Kurbelgehäuse 2 als auch den Zylinderkopf 3 aus jeweiligen Metallschaumkörpern 4 herzustellen.

Claims (14)

1. Fluiddurchströmtes Bauteil für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem offenporigen Metallschaumkörper (4) besteht, welcher zumindest an einem Teil seiner Oberfläche (6) derart verdichtet ist, dass die verdichtete Oberfläche (6) undurchlässig für Fluide ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Zylinderkopf (3) ausgebildet ist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Oberfläche (6) wenigstens einem Einlasskanal (7) und/oder einem Auslasskanal (8) zugeordnet ist.
4. Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Oberfläche (6) einer Brennraumbodenplatte (9) zugeordnet ist.
5. Bauteil nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Oberfläche (6) wenigstens einer Schraubenbohrung (10) zugeordnet ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Metallschaumkörper (5) aus Vollmaterial bestehende Einlegeteile eingelegt sind.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaumkörper (4) aus einem Aluminiumwerkstoff besteht.
8. Verfahren zum Herstellen eines fluiddurchströmten Bauteils für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallwerkstoff zu einem Metallschaumkörper (4) aufgeschäumt und anschließend zumindest an einem Teil seiner Oberfläche (6) verdichtet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform des Bauteils (2, 3) durch Aufschäumen des Metallwerkstoffs zu dem Metallschaumkörper (4) in einer Form hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform des Bauteils (2, 3) durch spanende Bearbeitung des aufgeschäumten Metallschaumkörpers (4) hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaumkörper (4) vor dem Verdichten angeschmolzen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschmelzen mit einem Strahlverfahren (?) durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten durch mechanisches Umformen durchgeführt wird.
14. Brennkraftmaschine (1) mit einem fluiddurchströmten Bauteil (2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.