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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine mittels einer Gießkernanordnung, wobei der Zylinderkopf mindestens einen integrierten Zylinderkühlkanal, mindestens einen integrierten Abgaskrümmerkanal und mindestens einen integrierten Krümmerkühlkanal aufweist und die Gießkernanordnung mindestens eine Gießkernhalterung, mindestens einen ersten Gießkern, der den Zylinderkühlkanal erstellt, mindestens einen zweiten Gießkern, der den Abgaskrümmerkanal erstellt, und mindestens einen dritten Gießkern, der den Krümmerkühlkanal erstellt, aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Gießkernanordnung und einen Zylinderkopf.
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Es ist bekannt, Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs nach Art des Oberbegriffs einzusetzen. Zur Erstellung eines Krümmerkühlkanals, welcher in einem späteren Betrieb innerhalb des Zylinderkopfs einen integrierten Abgaskrümmerkanal kühlt, wird ein Gießkern verwendet, der sich in der Gießkernanordnung netzwerkartig um einen den Abgaskrümmerkanal erstellenden Gießkern erstreckt. Aufgrund einer daraus resultierenden komplexen Struktur des Krümmerkühlkanals, ist der entsprechende Gießkern mehrteilig ausgeführt und muss in aufwendiger Weise durch Klebungen von einzelnen Gießkernteilen und Klebungen mit einer Gießkernhalterung hergestellt werden. Aufgrund der daraus resultierenden Klebestellen wird ein Auslösen der Gießkerne nach dem Gießvorgang erschwert. Ferner können Unregelmäßigkeiten im Guss und Gießhäute entstehen, welche nur sehr aufwendig entfernbar sind und die Güte der gegossenen Zylinderköpfe beeinflussen. Es wird ein Verfahren benötigt, welches dazu führt, dass die Gießkernanordnung in einfacher und sicherer Weise erstellt werden kann und gleichzeitig das Gießen des Zylinderkopfs in herkömmlicher Weise und mit hoher Güte ermöglicht.
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Beispielsweise ist aus der
DE 690 29 572 T2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Zylinderkopfes bekannt. Die
AT 414 022 B zeigt zudem einen Zylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine. Bei dieser ist es zur Verbesserung der Kühlung von thermisch hoch beanspruchten Bereichen vorgesehen, dass ein Aufnahmeschacht von einem an ein Feuerdeck grenzenden Ringkühlraum umgeben ist, welcher mit einem zweiten Kühlraum über zumindest einen Verbindungskanal verbunden ist. Weiterhin soll der Ringkühlraum über zumindest eine erste radiale Bohrung in einem unmittelbar an das Feuerdeck grenzenden Bereich eines Zylinderkopfes mit zumindest einer Durchtrittsöffnung und/oder mit dem ersten Kühlraum strömungsverbunden sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass alle Gießkerne jeweils unmittelbar an der Gießkernhalterung befestigt werden, dass dann der Zylinderkopf gegossen wird und dass an dem gegossenen Zylinderkopf durch Materialentfernung mindestens ein Strömungsverbindungskanal zwischen dem Zylinderkühlkanal und dem Krümmerkühlkanal ausgebildet wird. Durch das direkte Anordnen der Gießkerne auf der Gießkernhalterung wird verhindert, dass Klebungen zwischen mehreren Gießkernteilen vorgenommen werden müssen. Daraus ergibt sich, dass im gegossenen Zylinderkopf keine Gießhäute oder Unregelmäßigkeiten aufgrund von Klebestellen entstehen und die Gießkerne, welche vorzugsweise als verlorene Gießkerne, insbesondere Sandkerne, ausgebildet sind, sich leicht aus dem gegossenen Zylinderkopf lösen lassen. Die nachträgliche Herstellung des Strömungsverbindungskanals zwischen dem Zylinderkühlkanal führt dazu, dass der Strömungsverbindungskanal sehr exakt und, insbesondere in seinem Durchmesser, nach Bedarf hergestellt werden kann, wodurch eine maximale Durchflussmenge von später durch den Strömungsverbindungskanal durchfließendes Kühlmittel regulierbar ist. Zudem können sämtliche Gießkerne beabstandet voneinander auf der Gießkernhalterung befestigt werden, sodass keine Kontaktstellen, welche gießtechnisch kritisch sind, entstehen und somit eine hohe Güte beim Gießen des Zylinderkopfs erreicht wird. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Zylinderköpfe von V6-Motoren.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zylinderkühlkanal zusammen mit mindestens einem zu ihm gehörenden Kopplungskanal erstellt wird. Der Kopplungskanal ermöglicht eine einfache strömungstechnische Kopplung des Zylinderkühlkanals mit dem Krümmerkühlkanal, sodass der Kopplungskanal als Strömungsablaufkanal für den Krümmerkühlkanal fungiert.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kopplungskanal zwischen der von der Gießkernhalterung gebildeten Außenfläche des Zylinderkopfs und dem Krümmerkühlkanal liegend erstellt wird. Der Kopplungskanal ist derart ausgebildet, dass er sich unterhalb des Abgaskrümmerkanals erstreckt und somit den Abgaskrümmerkanal zusätzlich einseitig kühlt. Unter dem Begriff „unterhalb” wird hier verstanden, dass der Kopplungskanal in dem Bereich erstellt wird, der zwischen dem zweiten Gießkern und der Gießkernhalterung liegend erstellt wird. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Strömungsverbindungskanal sich vom Kopplungskanal zum Krümmerkühlkanal erstreckend hergestellt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgaskrümmerkanal zwischen der von der Gießkernhalterung erstellten Außenfläche des Zylinderkopfs und dem Krümmerkühlkanal liegend erstellt wird. Somit liegt der Krümmerkühlkanal ausgehend von der Außenfläche des Zylinderkopfs oberhalb des Abgaskühlkanals und kann somit besonders gut vom Abgaskrümmerkühlkanal abgestrahlte Wärme aufnehmen und ableiten. In Verbindung mit dem Kopplungskanal kann erreicht werden, dass der Abgaskrümmerkanal sowohl oberhalb als auch unterhalb gekühlt wird. Der Kopplungskanal dient dabei vorzugsweise als Strömungsablaufkanal für Kühlmittel, welches den Krümmerkühlkanal durchströmt. Somit wird Kühlmittel aus dem Krümmerkühlkanal in den Zylinderkühlkanal eingeleitet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Krümmerkühlkanal den Abgaskrümmerkanal mindestens bereichsweise übergreifend ausgebildet wird. Dadurch wird erreicht, dass der Abgaskrümmerkanal nicht nur einseitig am Abgaskrümmerkühlkanal angeordnet ist, sondern diesen bereichsweise umschließt, sodass eine besonders effektive Kühlung des gesamten Abgaskrümmerkanals ermöglicht wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass am Krümmerkühlkanal und/oder im Zylinderkühlkanal mindestens eine von außen zum Kopplungskanal führende Bearbeitungsaussparung erstellt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsaussparung am Kopplungskanal, insbesondere im Endbereich des Kopplungskanals, erstellt wird. Dadurch wird erreicht, dass der Strömungsverbindungskanal zwischen Kopplungskanal und Krümmerkühlkanal hergestellt werden kann. Die Anordnung im Endbereich des Kopplungskanals ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Kopplungskanals, da dieser dadurch vollständig von Kühlmittel, insbesondere von Kühlmittel, welches aus dem Krümmerkühlkanal austritt, durchströmt werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsaussparung für die Materialentfernung verwendet wird. Die Bearbeitungsaussparung ermöglicht somit insbesondere die Ausbildung des Strömungsverbindungskanals nach dem Gießen des Zylinderkopfs.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialentfernung spanend, insbesondere durch Bohren, erfolgt. Die spanende Bearbeitung ermöglicht eine sehr genaue Ausbildung des Strömungsverbindungskanals, die sehr sicher und wirtschaftlich durch bekannte Techniken erreicht werden kann. Zudem ist es denkbar, dass die Ausbildung des Strömungsverbindungkanals die nachträgliche Festlegung unterschiedlicher Kühlmittelströmraten innerhalb des Krümmerkühlkanals nach dem Gießen ermöglicht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Zylinderköpfe unterschiedlicher Kühlmittelströmraten auf Basis des gleichen Gießverfahrens hergestellt werden können.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsaussparung nach Materialentfernung dicht verschlossen wird. Es ist vorgesehen, dass nach einer Herstellung des Strömungsverbindungskanals mittels der Bearbeitungsaussparung, die Bearbeitungsaussparung kühlmitteldicht verschlossen wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsaussparung mittels einer Verschlussplatte verschlossen wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Gießkernanordnung zur Herstellung eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei der Zylinderkopf mindestens einen integrierten Zylinderkühlkanal, mindestens einen integrierten Abgaskrümmerkühlkanal, mindestens einen integrierten Krümmerkühlkanal aufweist und die Gießkernanordnung mindestens eine Gießkernhalterung, mindestens einen ersten Gießkern, der den Zylinderkühlkanal erstellt, mindestens einen zweiten Gießkern, der den Abgaskrümmerkanal erstellt, und mindestens einen dritten Gießkern, der den Krümmerkühlkanal erstellt, aufweist. Es ist vorgesehen, dass für die Durchführung des Gießvorgangs alle Gießkerne jeweils unmittelbar an der Gießkernhalterung befestigt sind. Die Befestigung der Gießkerne auf der Gießkernplatte kann entweder durch ein Einstecken von an den Gießkern ausgebildeten Zapfen in Stecköffnungen der Gießkernhalterung oder durch Einstecken von an der Gießkernhalterung ausgebildeten Steckzapfen in Stecköffnungen der Gießkerne erfolgen. Auch ist es denkbar, die Gießkerne auf der Gießkernhalterung anzukleben, da die daraus resultierenden Klebestellen im Außenbereich des erstellten Zylinderkopfs liegen und somit auf einfache Art und Weise entfernt werden können.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Gießkern auf der Gießkernhalterung von dem dritten Gießkern beabstandet angeordnet ist. Durch die beabstandete Anordnung ergeben sich für die Herstellung der Gießkernanordnung die Vorteile, dass sich diese vereinfacht, da Verbindungsstellen zwischen den Gießkernen nicht berücksichtigt und ausgearbeitet werden müssen. Dies führt zu einer Zeitersparnis bei Herstellung der Gießkernanordnung sowie beim Auslösen der Gießkerne nach Herstellung des Zylinderkopfs. Es ist vorgesehen, dass die Gießkerne als verlorene Gießkerne, insbesondere in Form von Sandkernen, ausgebildet sind.
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Weiter betrifft die Erfindung einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, hergestellt nach der vorangegangenen Beschreibung, mit mindestens einem integrierten Zylinderkühlkanal, mindestens einem integrierten Abgaskrümmerkanal und mindestens einem integrierten Krümmerkühlkanal. Es ist vorgesehen, dass zwischen dem Zylinderkühlkanal und dem Krümmerkühlkanal mindestens ein durch Materialentfernung erstellter Strömungsverbindungskanal ausgebildet ist.
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Die Zeichnungen beschreiben die Erfindung anhand einer Ausführungsform, und zwar zeigt:
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1 eine Gießkernanordnung in Explosionsdarstellung,
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2 die Gießkernanordnung und
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3 Kühlmittelstromverläufe anhand eines ersten und zweiten Gießkerns.
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Die 1 zeigt eine Gießkernanordnung 1 zum Gießen eines nicht dargestellten Zylinderkopfs einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einer V6 Zylinderanordnung. Die Gießkernanordnung 1 weist eine Gießkernhalterung 2, einen ersten Gießkern 3, einen zweiten Gießkern 4 und einen dritten Gießkern 5 auf. Zusätzlich ist ein vierter Gießkern 6 dargestellt, welcher auf der Gießkernhalterung 2 angeordnet dargestellt ist. Der vierte Gießkern 6 dient zur Erstellung einer Kettenkastenaussparung im Zylinderkopf. Die Gießkernanordnung 1 ist in Explosionsdarstellung gezeigt, welche in Richtung eines Pfeils 7 zusammengeführt werden kann. Es ist vorgesehen, dass beim Gießen des Zylinderkopfs der erste Gießkern 3 einen Zylinderkühlkanal erstellt. Zu diesem Zweck weist der erste Gießkern 3 Abschnitte 8 und 9 auf, welche Einlasskanäle des Zylinderkühlkanals erstellen. Zudem besitzt der Gießkern 3 Abschnitte 10, die einen Kopplungskanal ausbilden. Die Abschnitte 10 weisen Bereiche 10' auf, die Endbereiche des Kopplungskanals erstellen. Der zweite Gießkern 4 stellt beim Gießen des Zylinderkopfs einen Abgaskrümmerkanal her, welcher Abgas aus Zylindern der Brennkraftmaschine zu einem Abgastrakt durch den Zylinderkopf hindurch führt. Der dritte Gießkern 5 erstellt beim Gießen des Zylinderkopfs einen Krümmerkühlkanal. Er weist zwei erste Gießkernabschnitt 12 auf, welche beim Gießen Abschnitte des Krümmerkühlkanals erstellen, die nach dem Gießen durch Strömungsverbindungskanäle mit den Endbereichen des Kopplungskanals strömungstechnisch verbunden werden. Die Bereiche 10' des Gießkerns 3 werden durch im Wesentlichen kubische Fortsätze 11 unterstützt, welche sich nach einem Anordnen des ersten Gießkerns 3 auf der Gießkernhalterung 2 zwischen der Gießkernhalterung 2 und den Abschnitten 10 befinden. Die kubischen Bereiche erzeugen beim Gießen des Zylinderkopfs Bearbeitungsöffnungen, die es ermöglichen, in die Endbereiche des Kopplungskanals mit Werkzeug einzudringen, um Strömungsverbindungskanäle herzustellen. Weiter weist der dritte Gießkern 5 einen zweiten Gießkernabschnitt 14 auf, welcher nach außen verschlossen wird. Zudem weist der dritte Gießkern 5 einen dritten Gießkernabschnitt 15 auf, der beim Gießen des Zylinderkopfs einen Abschnitt des Krümmerkühlkanals als Einlasskanal des Krümmerkühlkanals erstellt. Zwischen dem dritten Gießkernabschnitt 15 und dem zweiten Gießkernabschnitt 14, weist der dritte Gießkern 5 eine Erstreckung auf, welche sich in Richtung eines Pfeils 16 erstreckt. Die Erstreckung verläuft quer zu dem nach dem Gießen vorhandenen Kopplungskanal. Die Gießkerne 3, 4 und 5 sind als einteilige Gießkerne 3, 4 und 5 ausgebildet. Insbesondere für den dritten Gießkern 5 ist die einteilige Ausführung sehr vorteilhaft, da bei einem Zusammenstellen der Gießkernanordnung 1 nur ein einzelner Gießkern 5 für die Erstellung des Krümmerkühlkanals eingebracht werden muss.
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Um die Gießkernanordnung 1 zusammenzuführen, wird zunächst der erste Gießkern 3 auf die Gießkernhalterung 2 aufgebracht und fixiert. Dies kann durch Stecken und/oder Kleben erfolgen. Anschließend folgt ein Anordnen des zweiten Gießkerns, welcher, bedingt durch eine notwendige Beabstandung späterer Kühlkanäle, beabstandet von dem ersten Gießkern 3 auf der Gießkernhalterung 2 angeordnet ist. Abschließend wird der dritte Gießkern 5 der Gießkernanordnung 1 hinzugefügt, wobei der dritte Gießkern 5 beabstandet zu den Gießkernen 3 und 4 angeordnet wird. Die Gießkernabschnitte 14 und 15 befinden sich nach dem Einbringen des dritten Gießkerns 5 in die Gießkernanordnung 5 in Kontakt mit der Gießkernhalterung 2.
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Die 2 zeigt die Gießkernanordnung 1 der 1 mit all ihren Merkmalen in einer zusammengefügten Darstellung. Es wird deutlich, dass aufgrund der geometrischen Ausgestaltung des Gießkerns 5 der zweite Gießkern 4 von dem dritten Gießkern 5 im Wesentlichen übergriffen wird. Der Krümmerkühlkanal, welcher nach dem Gießen erstellt ist, kann damit den Abgaskrümmerkanal sehr gut kühlen. Dies liegt auch daran, dass der zweite Gießkern 4 zwischen dem zweiten Abschnitt 14 und dem dritten Abschnitt 15 des dritten Gießkerns 5 angeordnet ist und sich der dritte Gießkern 5 oberhalb des zweiten Gießkerns 4 erstreckt. Ferner ist der Gießkern 5 schildartig ausgebildet, sodass eine von dem Abgaskrümmerkanal nach oben abgestrahlte Hitze sehr gut aufgenommen werden kann. Trotz der Ermöglichung guter Kühlleistungen eines Krümmerkühlkanals ist der dritte Gießkern 5 derart ausgestaltet, dass er auf einfache Weise auf die Gießkernhalterung 2 aufgebracht und bei Bedarf wieder entfernt werden kann, ohne dass zusätzliche Maßnahmen, wie ein Zusammenstellen aus mehreren Teilen, notwendig sind. Gestrichelt dargestellte Bohrungslinien 23 verdeutlichen die Lage von den Strömungsverbindungskanälen, die nach dem Gießen entlang der Bohrungslinien 23 zur Verbindung des Krümmerkühlkanals mit den Endbereichen des Kopplungskanals hergestellt werden.
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Die 3 zeigt einen Zylinderblock 17, auf dem der erste Gießkern 3 und der dritte Gießkern 5 aufgebracht sind, die einen späteren Kühlmittelströmungsverlauf verdeutlichen. Strömungspfeile 18 zeigen Zuflussrichtungen zu den entsprechenden Kühlmittelkanälen von nicht dargestelltem Kühlmittel an. Diese Zuflussrichtungen führen in die Abschnitte 8 und 9. Zudem verläuft ein Pfeil 18 zu dem dritten Gießkernabschnitt 15, wodurch dieser als Einlasskanal verwendet wird. Weitere Pfeile 19 verdeutlichen den Verlauf des Kühlmittelstroms innerhalb des Kühlmittelkanals. In den Abschnitten 10 sind Strömungsverbindungskanäle 20 dargestellt, welche den Ablauf des Kühlmittels aus dem Krümmerkühlkanal in den Zylinderkühlkanal ermöglichen. Pfeile 21 zeigen den Verlauf der Kühlmittelströme innerhalb des Zylinderkühlkanals an. Somit wird deutlich, dass Kühlmittel, welches durch den Krümmerkühlkanal fließt, dort erwärmt und teilweise anschließend in den Zylinderkühlkanal eingebracht wird. Schraffierte Bereiche 22 deuten diejenigen Bereiche an, in denen Bearbeitungsöffnungen nach dem Gießen vorliegen und die anschließend kühlmitteldicht verschlossen werden.
