DE102010008890B4

DE102010008890B4 - Motorzylinderkopf-Kühlmerkmale und Verfahren zur Ausbildung

Info

Publication number: DE102010008890B4
Application number: DE102010008890.0A
Authority: DE
Inventors: Jose Manuel Lopez-Crevillen; Edward R. Romblom; Robert J. Moran
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: CN101915177B; DE102010008890A1; CN101915177A; US20100224144A1; US8146544B2

Abstract

Verfahren, das umfasst:Gießen eines Zylinderkopfs (14, 16) mit einem integrierten eingegossenen Auslasskrümmer (26), der einen Zwischenabgasdurchgang (40) in Fluidverbindung mit Auslasskanälen (38) und einen Abgasauslassdurchgang (42) in Fluidverbindung mit dem Zwischenabgasdurchgang (40) definiert, wobei der gegossene Zylinderkopf (14, 16) einen Kühlmittelhohlraum (28) umfasst, um ein Kühlfluid aufzunehmen, wobei der Kühlmittelhohlraum (28) einen ersten und einen zweiten Abschnitt (46, 48) umfasst, die sich um einen äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs (42) erstrecken und durch eine erste eingegossene Wand (60) voneinander getrennt sind;maschinelles Bearbeiten der ersten eingegossenen Wand (60), um eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (46, 48) des Kühlmittelhohlraums (28) zu schaffen, und Ausbilden eines ersten Kühlmitteldurchgangs um den äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs (42), gekennzeichnet durchEinsetzen eines maschinellen Bearbeitungswerkzeugs (64, 66) in einen eingegossenen zweiten Kühlmitteldurchgang (52), der sich durch eine untere Oberfläche (58) des Zylinderkopfs (14, 16) und in den zweiten Abschnitt (48) des Kühlmittelhohlraums (28) erstreckt, vor dem maschinellen Bearbeiten, wobei der zweite Kühlmitteldurchgang (52) eine Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelhohlraum (28) und einer Kühlfluidzufuhr schafft; undmaschinelle Bearbeiten einer zweiten eingegossenen Wand (62) im Zylinderkopf (14, 16), wobei sich die zweite eingegossene Wand (62) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (46, 48) des Kühlmittelhohlraums (28) entlang des äußeren Umfangs des Abgasauslassdurchgangs (42) erstreckt, wobei der erste Kühlmitteldurchgang einen durchgehenden Fluidpfad um den äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs (42) nach dem maschinellen Bearbeiten der zweiten eingegossenen Wand (62) schafft.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfs.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit, die nicht unbedingt Stand der Technik bilden.
Motoranordnungen können einen Zylinderkopf mit einem eingegossenen integrierten Auslasskrümmer umfassen. Auslasskrümmer, die einteilig mit einem Zylinderkopf ausgebildet sind, können einen Abgasauslass umfassen, der näher an den Auslasskanälen des Zylinderkopfs angeordnet ist als bei herkömmlichen Auslasskrümmern. Die größere Nähe des Abgasauslasses zu den Auslasskanälen kann dazu führen, dass am Abgasauslass höhere Temperaturen auftreten. Diese höheren Temperaturen können zu erhöhten Wärmebelastungen, die auf den Auslasskrümmer aufgebracht werden, und sogar zum Schmelzen von Bereichen des Auslasskrümmers wie z. B. des Auslassflansches führen. Während dieser Hochtemperaturbedingungen können Abschnitte des Auslassflansches, die Schraubenlöcher definieren, weich werden, was den abgedichteten Eingriff zwischen dem Auslassflansch und einer anderen Komponente wie z. B. einem Turboladerkrümmer verringert.
Aus DE 697 16 168 T2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, wobei der Zylinderkopf einen ersten und einen zweiten Kühlhohlraum aufweist, welche durch zwei gebohrte Kanäle verbunden sind. Das Bohren der Kanäle erfolgt durch eingearbeitete Öffnungen in der äußeren Oberfläche des Zylinderkopfs hindurch, welche nach dem Bohren wieder verschlossen werden. Weitere Zylinderköpfe und Verfahren zu deren Herstellung sind in EP 2 003 320 A1 , DE 692 32 067 T2 und AT 505 591 A2 beschrieben.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfs mit einem eingegossenen integrierten Auslasskrümmer anzugeben.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein Verfahren zum Ausbilden eines Zylinderkopfs kann das Gießen des Zylinderkopfs so, dass er einen integrierten eingegossenen Auslasskrümmer umfasst, umfassen. Der integrierte eingegossene Auslasskrümmer kann einen Zwischenabgasdurchgang in Fluidverbindung mit Auslasskanälen und einen Abgasauslassdurchgang in Fluidverbindung mit dem Zwischenabgasdurchgang definieren. Der Gusszylinderkopf kann einen Kühlmittelhohlraum umfassen, um ein Kühlfluid aufzunehmen. Der Kühlmittelhohlraum kann einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfassen, die sich um einen äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs erstrecken und durch eine erste eingegossene Wand voneinander getrennt sind. Das Verfahren kann ferner das maschinelle Bearbeiten der ersten eingegossenen Wand umfassen, um eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Kühlmittelhohlraums zu schaffen. Die maschinelle Bearbeitung der ersten eingegossenen Wand kann einen ersten Kühlmitteldurchgang ausbilden, der durch den ersten und den zweiten Abschnitt des Kühlmittelhohlraums und den maschinell bearbeiteten Durchgang um den äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs erzeugt wird.
Ein Gusszylinderkopf kann einen Auslasskanal, einen Auslasskrümmer und einen Kühlmittelhohlraum umfassen. Der Auslasskrümmer kann mit dem Auslasskanal in Fluidverbindung stehen. Der Auslasskrümmer kann einen Abgasauslassdurchgang und einen Zwischenabgasdurchgang definieren, der eine Fluidverbindung zwischen dem Auslasskanal und dem Abgasauslassdurchgang schafft. Der Kühlmittelhohlraum kann einen ersten und einen zweiten Abschnitt umfassen, die sich um einen äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs erstrecken. Der erste und der zweite Abschnitt können über einen ersten maschinell bearbeiteten Durchgang miteinander in Fluidverbindung stehen.
Der erste und der zweite Abschnitt des Kühlmittelhohlraums können um einen gesamten äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs miteinander in Fluidverbindung stehen.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier gegebenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Erläuterungszwecke bestimmt und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht begrenzen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur Erläuterungszwecken und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung keineswegs begrenzen.

1 ist eine schematische Darstellung einer Motoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine perspektivische Ansicht des Zylinderkopfs des Motors von 1;
3 ist eine fragmentarische Schnittansicht des Zylinderkopfs von 2 in einem ersten Zustand;
4 ist eine fragmentarische Schnittansicht des Zylinderkopfs von 2 und eines ersten Werkzeugs;
5 ist eine fragmentarische Schnittansicht des Zylinderkopfs von 2 und eines zweiten Werkzeugs; und
6 ist eine fragmentarische Schnittansicht des Zylinderkopfs von 2 in einem zweiten Zustand.

Entsprechende Bezugszeichen geben in den ganzen verschiedenen Ansichten der Zeichnungen entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben. Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder die Verwendungen nicht begrenzen.
In 1 ist eine beispielhafte Motoranordnung 10 schematisch dargestellt. Die Motoranordnung 10 kann einen Motorblock 12, einen ersten Zylinderkopf 14, einen zweiten Zylinderkopf 16 und eine Ventiltriebanordnung 18 umfassen. Der Motorblock 12 kann eine V-Konfiguration aufweisen, die eine erste und eine zweite Zylinderreihe bildet, die einen ersten und einen zweiten Satz von Zylinderbohrungen 20 definieren, die in einem Winkel relativ zueinander angeordnet sind, um die V-Konfiguration zu bilden. Obwohl sie als V-Konfiguration dargestellt ist, ist die vorliegende Offenbarung selbstverständlich keineswegs auf Motoren mit V-Konfiguration begrenzt. Die vorliegende Offenbarung gilt gleichermaßen für eine Vielfalt von anderen Motorkonfigurationen, einschließlich Reihenmotoren, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Der erste Zylinderkopf 14 kann mit der ersten Reihe gekoppelt sein und der zweite Zylinderkopf 16 kann mit der zweiten Reihe gekoppelt sein.
Die Motoranordnung 10 kann eine Innenauslasskonfiguration bilden, bei der Einlasskanäle 24 an einer Außenseite des ersten und des zweiten Zylinderkopfs 14, 16 angeordnet sind und Auslasskanäle 38 an einer Innenseite des ersten und des zweiten Zylinderkopfs 14, 16 angeordnet sind. Obwohl sie als Innenauslasskonfiguration dargestellt ist, gilt die vorliegende Offenbarung selbstverständlich gleichermaßen für Außenauslasskonfigurationen.
Der erste und der zweite Zylinderkopf 14, 16 können im Allgemeinen einander ähnlich sein. Daher wird der erste Zylinderkopf 14 mit dem Verständnis, dass die Beschreibung gleichermaßen für den zweiten Zylinderkopf 16 gilt, nachstehend beschrieben. Mit zusätzlichem Bezug auf 2 und 6 kann der erste Zylinderkopf 14 Einlasskanäle 24, einen integrierten Auslasskrümmer 26 und einen Kühlmittelhohlraum 28 definieren. Die Einlasskanäle 24 können im Allgemeinen für eine Strömung von Luft in die Zylinderbohrungen 20 sorgen. Der integrierte Auslasskrümmer 26 kann mit dem ersten Zylinderkopf 14 als einteiliges Gussstück ausgebildet werden, wie nachstehend genauer erörtert. Der Kühlmittelhohlraum 28 kann ein Kühlfluid von einer Kühlmittelzufuhr empfangen, um eine gewünschte Temperatur des Zylinderkopfs 14 während des Motorbetriebs aufrechtzuerhalten.
Wie in 1 zu sehen ist, kann die Ventiltriebanordnung 18 Einlassnockenwellen 30, Auslassnockenwellen 32, Einlassventile 34 und Auslassventile 36 umfassen. Die Einlass- und die Auslassnockenwellen 30, 32 können am ersten und am zweiten Zylinderkopf 14, 16 drehbar abgestützt sein. Die Einlassnockenwellen 30 können mit den Einlassventilen 34 in Eingriff stehen, um selektiv eine Fluidverbindung zwischen den Zylinderbohrungen 20 und den Einlasskanälen 24 zu schaffen. Die Auslassnockenwellen 32 können mit den Auslassventilen 36 in Eingriff stehen, um selektiv eine Fluidverbindung zwischen den Zylinderbohrungen 20 und dem integrierten Auslasskrümmer 26 zu schaffen.
Wie in 2 und 6 zu sehen ist, kann der integrierte Auslasskrümmer 26 Auslasskanäle 38, einen Zwischenabgasdurchgang 40, einen Abgasauslass 42 und einen Auslassflansch 44 umfassen. Der Kühlmittelhohlraum 28 kann sich durch den integrierten Auslasskrümmer 26 erstrecken. Der Kühlmittelhohlraum 28 kann einen ersten und einen zweiten Abschnitt 46, 48 umfassen. Der erste und der zweite Abschnitt 46, 48 können eingegossene Merkmale sein. Der erste Abschnitt 46 kann sich um eine erste Umfangsausdehnung einer Wand 51 erstrecken, die den Abgasauslass 42 definiert, und der zweite Abschnitt 48 kann sich um eine zweite Umfangsausdehnung der Wand 51 erstrecken, die den Abgasauslass 42 definiert. Wie in 6 zu sehen ist, können der erste und der zweite Abschnitt 46, 48 des Kühlmittelhohlraums 28 in einem zweiten (oder fertig gestellten) Zustand miteinander in Fluidverbindung stehen, wobei sie sich um einen ganzen Umfang der Wand 51 erstrecken, die den Abgasauslass 42 definiert.
Ein erster Durchgang 50 kann sich durch eine äußere Wand 54 des integrierten Auslasskrümmers 26 und in den ersten Abschnitt 46 des Kühlmittelhohlraums 28 erstrecken. Der erste Durchgang 50 kann ein Gewinde 56 an einem oberen Abschnitt davon zum Eingriff mit einem Temperatursensor (nicht dargestellt) umfassen. Alternativ kann der erste Durchgang 50 bedeckt und abgedichtet sein (nicht dargestellt). Ein zweiter Durchgang 52 (in 5 zu sehen) kann sich durch eine untere Oberfläche 58 des ersten Zylinderkopfs 14 erstrecken und kann einen Fluiddurchgang zur Verbindung mit einer Kühlmittelzufuhr (nicht dargestellt) bilden. Die Kühlmittelzufuhr kann eine Kühlmittelströmung vom Motorblock 12 umfassen und kann durch eine als Düse ausgebildete Öffnung [engl.: orificed opening] in einer Dichtung (nicht dargestellt) dosiert werden, die zwischen dem Motorblock 12 und dem ersten Zylinderkopf 14 angeordnet ist.
Die Ausdehnung des Kühlmittelhohlraums 28 um einen ganzen Umfang des Abgasauslasses 42 kann eine verbesserte Kühlung für den Auslassflansch 44 des integrierten Auslasskrümmers 28 schaffen. Als nicht begrenzendes Beispiel kann die Ausdehnung des Kühlmittelhohlraums 28 den Auslassflansch 44 unter einer vorbestimmten Temperatur halten, um einen abgedichteten Eingriff mit einer unterstromigen Komponente wie z. B. einem Turboladerkrümmer (nicht dargestellt) sicherzustellen. Insbesondere kann die Ausdehnung des Kühlmittelhohlraums 28 im Allgemeinen verhindern, dass der Bereich des Auslassflansches 44, der Schraubenlöcher 45 definiert, weich wird und/oder sich verformt.
3-5 stellen im Allgemeinen den ersten Zylinderkopf 14 während verschiedener Stufen der Ausbildung dar. 3 stellt im Allgemeinen den ersten Zylinderkopf 14 in einem ersten (oder anfänglichen) Zustand dar. Wie in 3 zu sehen ist, ist ein Abschnitt eines anfänglichen Gussstücks des ersten Zylinderkopfs 14 mit einer ersten und einer zweiten Wand 60, 62, die die Fluidströmung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 46, 48 des Kühlmittelhohlraums 28 behindern, gezeigt. Die erste und die zweite Wand 60, 62 können im Allgemeinen zueinander entgegengesetzt entlang des äußeren Umfangs der Wand 51 des Abgasauslasses 42 angeordnet sein und können an einer Grenzfläche ausgebildet sein, an der ein erster und ein zweiter Gießkern (nicht dargestellt) während des Gießens des ersten Zylinderkopfs 14 aneinander anliegen. Während des Gießens kann sich geschmolzenes Material wie z. B. Aluminium, das zum Ausbilden des ersten Zylinderkopfs 14 verwendet wird, in den Bereich ausdehnen, in dem die Gießkerne aneinander anliegen, was die erste und die zweite Wand bildet.
Um die erste und die zweite Wand 60, 62 zu beseitigen, können maschinelle Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden. Als nicht begrenzendes Beispiel können die erste und die zweite Wand 60, 62 gebohrt werden, wie in 4 und 5 zu sehen. In 4 kann ein erstes maschinelles Bearbeitungswerkzeug 64 den ersten Durchgang 50 im ersten Zylinderkopf 14 ausbilden. Das erste maschinelle Bearbeitungswerkzeug 64 kann mit einer oberen Oberfläche des integrierten Auslasskrümmers 26 im Allgemeinen benachbart zum Abgasauslass 42 in Eingriff kommen. Als nicht begrenzendes Beispiel kann das erste maschinelle Bearbeitungswerkzeug 64 einen Bohrdorn umfassen. Das erste maschinelle Bearbeitungswerkzeug 64 kann sich um einen Abstand in den ersten Abschnitt 46 des Kühlmittelhohlraums 28 erstrecken, der ausreicht, um mit der ersten Wand 60 in Eingriff zu kommen. Das erste maschinelle Bearbeitungswerkzeug 64 kann im Allgemeinen die erste Wand 60 entfernen, was eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 46, 48 des Kühlmittelhohlraums 28 schafft.
In 5 kann ein zweites maschinelles Bearbeitungswerkzeug 66 innerhalb des zweiten Durchgangs 52 im ersten Zylinderkopf 14 angeordnet werden. Als nicht begrenzendes Beispiel kann das zweite maschinelle Bearbeitungswerkzeug 66 einen Bohrdorn umfassen. Der zweite Durchgang 52 kann während des Gießens des ersten Zylinderkopfs 14 ausgebildet werden. Das zweite maschinelle Bearbeitungswerkzeug 66 kann in einem Winkel relativ zur unteren Oberfläche 58 des ersten Zylinderkopfs 14 orientiert werden und kann sich in den zweiten Abschnitt 48 des Kühlmittelhohlraums 28 erstrecken. Das zweite maschinelle Bearbeitungswerkzeug 66 kann sich in den zweiten Abschnitt 48 um einen Abstand erstrecken, der ausreicht, um mit der zweiten Wand 62 in Eingriff zu kommen. Das zweite maschinelle Bearbeitungswerkzeug 66 kann im Allgemeinen die zweite Wand 62 entfernen, was eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 46, 48 des Kühlmittelhohlraums 28 schafft. Nach der maschinellen Bearbeitung der ersten und der zweiten Wand 60, 62 durch das erste und das zweite maschinelle Bearbeitungswerkzeug 64, 66 kann ein im Allgemeinen durchgehender Strömungspfad zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 46, 48 des Kühlmittelhohlraums 28 um den ganzen Umfang des Abgasauslasses 42 existieren.

Claims

Verfahren, das umfasst: Gießen eines Zylinderkopfs (14, 16) mit einem integrierten eingegossenen Auslasskrümmer (26), der einen Zwischenabgasdurchgang (40) in Fluidverbindung mit Auslasskanälen (38) und einen Abgasauslassdurchgang (42) in Fluidverbindung mit dem Zwischenabgasdurchgang (40) definiert, wobei der gegossene Zylinderkopf (14, 16) einen Kühlmittelhohlraum (28) umfasst, um ein Kühlfluid aufzunehmen, wobei der Kühlmittelhohlraum (28) einen ersten und einen zweiten Abschnitt (46, 48) umfasst, die sich um einen äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs (42) erstrecken und durch eine erste eingegossene Wand (60) voneinander getrennt sind; maschinelles Bearbeiten der ersten eingegossenen Wand (60), um eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (46, 48) des Kühlmittelhohlraums (28) zu schaffen, und Ausbilden eines ersten Kühlmitteldurchgangs um den äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs (42), gekennzeichnet durch Einsetzen eines maschinellen Bearbeitungswerkzeugs (64, 66) in einen eingegossenen zweiten Kühlmitteldurchgang (52), der sich durch eine untere Oberfläche (58) des Zylinderkopfs (14, 16) und in den zweiten Abschnitt (48) des Kühlmittelhohlraums (28) erstreckt, vor dem maschinellen Bearbeiten, wobei der zweite Kühlmitteldurchgang (52) eine Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelhohlraum (28) und einer Kühlfluidzufuhr schafft; und maschinelle Bearbeiten einer zweiten eingegossenen Wand (62) im Zylinderkopf (14, 16), wobei sich die zweite eingegossene Wand (62) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (46, 48) des Kühlmittelhohlraums (28) entlang des äußeren Umfangs des Abgasauslassdurchgangs (42) erstreckt, wobei der erste Kühlmitteldurchgang einen durchgehenden Fluidpfad um den äußeren Umfang des Abgasauslassdurchgangs (42) nach dem maschinellen Bearbeiten der zweiten eingegossenen Wand (62) schafft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das maschinelle Bearbeiten Bohren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Kühlmitteldurchgang (50) nach dem maschinellen Bearbeiten um eine Gesamtheit des äußeren Umfangs durchgehend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das maschinelle Bearbeiten der ersten eingegossenen Wand (60) das Ausbilden einer Öffnung (50) durch eine äußere Wand (54) des eingegossenen Auslasskrümmers (26) umfasst, um zur ersten eingegossenen Wand (60) zu gelangen, wobei insbesondere die Öffnung (50) einen Temperatursensor-Montagebereich bildet, das insbesondere ferner das Ausbilden eines Gewindes (56) in einer inneren Bohrung der Öffnung (50) zum Eingriff mit einem Temperatursensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eingegossene Auslasskrümmer (26) einen Auslassflansch (44) umfasst, wobei der erste Kühlmitteldurchgang zwischen dem Auslassflansch (44) und dem Zwischenabgasdurchgang (40) angeordnet ist, wobei insbesondere der erste Kühlmitteldurchgang benachbart zum Auslassflansch (44) angeordnet ist, um den Auslassflansch (44) zu kühlen.