DE102010021226A1 - Metalllegierungsgussteile mit eingegossen Rohren für eine Fluidströmung - Google Patents

Metalllegierungsgussteile mit eingegossen Rohren für eine Fluidströmung Download PDF

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Abstract

Ein Motorhauptgussteil wie z. B. ein Motorblock oder ein Zylinderkopf, der entweder aus einer Magnesium- oder Aluminiumlegierung hergestellt ist, weist ein/e eingegossene/s Metallrohr oder -form auf, welche/s innerhalb desselben eingebettet ist. Das Rohr oder die Form ermöglicht eine Zirkulation einer Flüssigkeit, während es/sie die Gussteillegierung im Wesentlichen physisch von der zirkulierenden Flüssigkeit isoliert und dadurch eine korrosive Wechselwirkung zwischen diesen begrenzt oder eliminiert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft Metalllegierungsgussteile mit eingegossen Metallrohren für Fluidzirkulationsdurchgänge. Im Spezielleren betrifft diese Erfindung Metalllegierungsgussteile mit Eingussrohren für eine Kühlmittelströmung oder eine andere Fluidströmung, wobei das Metall oder die Metalllegierungszusammensetzung des Rohres das Bilden des Gussteiles ermöglicht, das Gussteil vor einer Korrosion durch das/die Fluid/e isoliert und eine Verstärkung für das Gussteil bereitstellen kann. Als ein Beispiel kann ein Motorblock aus einer Magnesiumlegierung für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor unter Verwendung von Kupferrohren, Edelstahlrohren oder dergleichen als Kerne gegossen werden, um Durchgänge um jeden Verbrennungszylinder des Motorgussteiles herum für die Strömung eines wasserhaltigen Kühlmittels bereitzustellen, um dadurch die Magnesiumlegierung vor Korrosion durch das wasserhaltige Kühlmittel zu schützen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es besteht fortwährender Bedarf, das Gewicht von Metallgussteilen, die in vielen hergestellten Gegenständen verwendet werden, zu reduzieren. Der Bedarf ist besonders akut, wenn die Gussteile in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Für solche Anwendungen können relativ leichtgewichtige Metalllegierungen zur Verfügung stehen. Wenn das Gussprodukt jedoch Kontakt mit einem Fluid zum Kühlen, Schmieren oder für andere Zwecke er fordert, ist die chemische Wirkung eines solchen Fluids auf das Material aus der leichteren Legierung zu berücksichtigen.
  • Zum Beispiel sind Magnesiumlegierungen (und sogar bestimmte Aluminiumlegierungen) Kandidaten für Motorzylinderblöcke für benzinbetriebene Verbrennungsmotoren. Solche Legierungen können jedoch durch die wasserhaltigen Kühlmittel und die Schmiermittel korrodiert werden. Das Ersetzen dieser Fluide ist nicht zweckmäßig, da sie weithin verfügbar und das Produkt jahrelanger Entwicklung und effektiver Verwendung sind. Des Weiteren ist es keineswegs sicher, dass Ersatzfluide irgendwie weniger aggressiv für die umgebenden Legierungen sein werden.
  • Es besteht ein aktueller Bedarf, die Verwendung von leichtgewichtigen Magnesiumlegierungsgussteilen, Aluminiumlegierungsgussteilen und anderen Gussteillegierungen in Kombination mit Fluiden, die vorgesehen sind, um in Gegenständen, welche aus solchen Metallzusammensetzungen bestehen, verwendet zu werden, vorzusehen. Es besteht ein Bedarf, die Verwendung einer Metalllegierung vorzusehen, um einen Gussgegenstand herzustellen, der einen Kontakt mit einem Fluid erfordert, welches mit der Metallzusammensetzung chemisch nicht verträglich ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es gibt in der Konstruktion von Gussgegenständen, die Durchgänge für eine Flüssigkeitsströmung erfordern, Möglichkeiten, wo eine bevorzugte Kombination einer flüssigen Zusammensetzung und einer Gusslegierungszusammensetzung zu einem chemischen Angriff von Gussteilflächen führt, die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen. Diese Erfindung verwendet Eingussrohre, um das erwünschte Gussmetall von einer aggressiven Flüssigkeit zu isolieren, die andererseits für die Funktion des Gussgegenstandes bevorzugt wird.
  • Es werden Metalllegierungsgussgegenstände mit Eingussrohren für eine Fluidströmung innerhalb des und/oder durch den Gegenstand/es gebildet. Die Zusammensetzung des Rohres ist für das Gießen eines fehlerfreien Gegenstandes bestimmt, welcher ein Erwärmen und Abkühlen erfahren kann, mit einem geeigneten Grenzflächenkontakt zwischen der Rohroberfläche und dem Gussmetall. Die Rohrform und -zusammensetzung sind auch gewählt, um den Durchgang des Fluids und den Schutz des Gussmetalls vor einem chemischen Angriff durch das Fluid zu berücksichtigen. In vielen Ausführungsformen der Erfindung werden die Rohre aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist durch das Gießen eines Magnesiumlegierungszylinderblocks für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges veranschaulicht. Dieselbe Legierung kann zum Gießen des Zylinderkopfes und/oder von Kurbelgehäuseteilen des Motors verwendet werden. Die Verwendung von Magnesiumlegierungen reduziert das Gewicht von Motorkomponenten merklich, allerdings sind Materialien auf Magnesiumbasis anfällig für Korrosion durch wasserhaltige Kühlmittel und andere Fluidmaterialien, die durch einen Zylinderblock zirkulieren.
  • Es wurden wirksame Wasser/Glykol-Kühlmittelformulierungen für die Zirkulation zwischen einem äußeren Wärmetauscher und dem Zylinderblock erdacht. Das Kühlmittel wird durch Kühlmittelkanäle gepumpt, die um jeden Zylinder des Gussblockes herum gebildet sind, um die nicht gebrauchte Wärme von der Aktivität des Verbrennungsprozesses und des sich hin- und herbewegenden Kolbens in jedem Zylinder abzuführen. Die Kolben und andere bewegliche Teile des Motors können auch mit einer flüssigen Zusammensetzung auf Kohlenwasserstoffbasis geschmiert sein. Dieses Schmieröl kann auch durch Kanäle in dem Gussmotorblock gepumpt werden und die zirkulierende Kohlenwasserstoffflüssigkeit kann Wasser aus dem Verbrennungsprozess in dem Motor erhalten.
  • In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform sind Leitungen für zirkulierende Motorfluide, die mit einer gewählten Magnesiumlegierung (oder einer anderen gewählten Legierung) reagieren können, aus Rohren gebildet, die als Gießkerne dienen, und eine Magnesiumlegierungsschmelze wird um solche rohrförmigen Leitungen herum gegossen. Wenn die Flüssigkeit ein Kühlmittel ist, werden die Rohre wahrscheinlich aus einem Metall bestehen, das eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweist. Und die Rohrzusammensetzung muss eine Solidustemperatur und mechanische Eigenschaften aufweisen, die es zulassen, dass eine Metallschmelze um eine Rohrstruktur und -form herum gegossen wird, die wie ein Gießkern innerhalb eines Gießformhohlraumes angeordnet ist. Diese Strategie dient dazu, dass das Gussmetall eine geeignete Bindung oder Grenzfläche mit frei liegenden Flächen des/der Rohre/s für die vorgesehene Funktion der Flüssigkeit bildet. Das Rohrmaterial ist derart gewählt, dass es mit der Flüssigkeit, die es durch das Gussteil hindurch leitet, verträglich ist und einer unerwünschten chemischen Wirkung mit der Flüssigkeit standhält, während es mit der Funktion der Flüssigkeit zusammenwirkt. Zum Beispiel kann/können in der Ausführungsform eines Magnesiumlegierungszylinderblocks das/die Eingussrohr/e aus Kupfer, einer Legierung auf Kupferbasis, Edelstahl oder einer anderen Eisenlegierung gebildet sein.
  • Die Form des Rohres und seine Wanddicke (oder -dicken) sind für den/die spezielle/n Gegenstand und Funktion bestimmt. Wenn das Rohr z. B. in einem Gusszylinderblock ein Kühlmittel um eine Zylinderbohrung führen soll, kann ein Rohr mit einem geeigneten Innendurchmesser wie eine Spi rale vorgewickelt sein, um es in dem Gussteil um jeden Zylinder herum einzubetten. Die Querschnittsfläche des Rohres kann für seine Kühl-(und mögliche Verstärkungs)-Funktion rund, quadratisch oder anderweitig geformt sein. Die Rohre für jeden Gusszylinder können für eine bevorzugte Kühlmittelströmung für die Motorkonstruktion verbunden sein. Es können andere Rohrformen für die Zylinderblockausführungsform erdacht werden. Zum Beispiel kann das Rohr in der Form eines ringförmigen Zylinders vorhanden sein, welcher derart dimensioniert ist, dass er mit der Motorzylinderbohrung, mit einer inneren Zylinderwand, die eng um die Zylinderwand des Gussteiles herum beabstandet ist, und einer äußeren rohrförmigen Zylinderwand mit einem größeren Durchmesser, die von der inneren rohrförmigen Wand für eine erwünschte Kühlmittelströmung von der gemeinsamen Achse der Zylinder nach oben oder unten beabstandet ist, koaxial ist.
  • Somit ist es ein Ziel der Erfindung, die Verwendung eines gießbaren Metalllegierungsmaterials in Kombination mit einem flüssigen Material bei der Herstellung eines Fertigungsgegenstandes zuzulassen, wobei die Metalllegierung und die Flüssigkeit andernfalls unerwünschte chemische Reaktionen an ihren Grenzflächen erfahren würden. Durch Verwendung eines geeigneten eingegossen Barriererohres, um eine Flüssigkeit von den Gussteilflächen zu trennen, können die Vorteile einer andernfalls unverträglichen Kombination einer Flüssigkeit und Gussteillegierung genutzt werden.
  • Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, welche in dieser Patentbeschreibung folgen wird. Es wird auf illustrative Zeichnungen Bezug genommen, welche in dem nächsten Abschnitt der Patentbeschreibung beschrieben sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in einer Phantomskizze einen Gusszylinderblock mit vier Zylindern in Reihe. Es ist eine repräsentative Kühlrohrschlangengeometrie (wie 3A) gezeigt, die innerhalb des Gussblocks angeordnet ist, wobei eine spiralförmige Rohrschlange dicht bei jeder der vier Gusszylinderwände vorhanden ist, um eine Fluidströmung fortschreitender Reihe innerhalb der Rohrschlangen zur Motorzylinderkühlung vorzusehen.
  • 2A zeigt eine einzelne spiralförmige Rohrschlange, die in einer zylindrischen Form für eine Kühlmittelströmung um die Gusszylinderfläche des Zylinderblocks herum gewickelt ist.
  • 2B veranschaulicht eine Rohrschlange für einen Zylinderabschnitt eines Gussblocks, wobei die Rohrschlange für eine Kühlmittelströmung nach oben und unten entlang der Achse eines Zylinders und fortschreitend um den Umfang des Zylinders herum geformt ist.
  • 3 zeigt ein komplexeres Fluidzirkulationssystem auf der Basis von Anordnungen von einzelnen Rohrschlangen, die in einer Reihenkonfiguration angeordnet sind. In 3A werden Rohrschlangen gleicher Geometrie verwendet; in 3B sind die Rohrschlangen wiederum in einer Reihenkonfiguration gezeigt, die einzelnen Rohrschlangen unterscheiden sich jedoch in der Anzahl von Windungen in jeder Rohrschlange.
  • 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Fluidzirkulationssystems auf der Basis von Anordnungen der einzelnen Rohrschlangen, die in einer parallelen Konfiguration angeordnet sind.
  • 5 zeigt einen Kühlmantel: 5A zeigte eine perspektivische Gesamtdarstellung; 5B zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung von 5A im Schnitt entlang der Mittellinien der Verbinder; und 5C zeigt eine Darstellung eines Querschnittes der in 5B in Perspektive gezeigten Struktur und eine fragmentarische Darstellung der um sie herum gegossenen Motorkomponentenstruktur.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 ist eine illustrative Darstellung der Anwendung der Erfindung auf einen repräsentativen Vierzylinder-Motorblock, der allgemein die Merkmale und Attribute einer solchen Komponente beinhaltet. Der Zylinderblock oder Motorblock 100, in einer Skizze gezeigt, ist ein maschinell bearbeitetes Gussteil, das Zylinder 102 für die Kolben eines Mehrzylinder-Hubkolben-Verbrennungsmotors enthält. Die Oberseite 104 des Motors ist allgemein maschinell zu einer flachen Fläche gearbeitet, die geeignet ist, mit einem Zylinderkopf, nicht gezeigt, mit minimaler Abdichtung zusammenzupassen. Der Block ist auch geeignet, eine Befestigung des Zylinderkopfes und des Kurbelgehäuses zu ermöglichen, während Befestigungspunkte wie z. B. Kernangüsse 106 und Montageflansche, z. B. bei 108 gezeigt, für Zusatzmechanismen wie z. B. Lichtmaschinen, Kraftstoffpumpen und dergleichen vorgesehen sind, während er Durchgänge für Kühlmittel und Schmiermittel beinhaltet.
  • Eine Verbundrohrstruktur 20, die zur Zirkulation eines Motorkühlmittels vorgesehen ist, wobei einzelne Rohrschlangen die Zylinder 102 umgeben, ist vollständig in der Gussmetalllegierung des Gussmotorblocks 100 eingebettet gezeigt, um die praktische Umsetzung der Erfindung zu veranschaulichen. Der Fachmann wird einsehen, dass die rohrförmige Struktur 20 nur einen Teil eines komplexeren Kreislaufsystems bildet, von denen einige außerhalb des Motorblocks liegen und weitere Kreislaufpfade, eine Wasserpumpe und einen Kühler umfassen, von denen in dieser Darstellung keines gezeigt ist. Es wird allerdings einzusehen sein, dass, während sich die Erläuterung auf die in 1 gezeigte Implementierung konzentriert, diese beispielhaft und nicht einschränkend sein soll, und dass diese Erfindung an anderen gegossenen Motorkomponenten wie z. B. dem Zylinderkopf oder an anderen Kreislaufpfaden durch den Motorblock hindurch ausgeführt sein kann.
  • Motorblöcke und Zylinderköpfe werden durch Metallgießen, allgemein ein Gießprozess unter Verwendung einer Sandform, hergestellt. In diesem Prozess wird eine Form oder ein Muster, die/das allgemein der erwünschten äußeren Form und den Abmessungen der Gusskomponente entspricht, in einem Behälter positioniert. Das Volumen des Behälters, das durch das Muster nicht eingenommen wird, wird dann mit Sand gefüllt, welcher allgemein verdichtet oder niedergestampft wird. Um es dem Sand besser zu ermöglichen, die durch das Muster und den Behälter definierte Form beizubehalten, und um ihn dadurch für flüssiges Metall undurchlässig zu machen, wird der Sand allgemein ein Bindemittel enthalten. Das Muster wird dann entfernt und hinterlässt einen Hohlraum, der durch die Ränder des verdichteten Sandes definiert ist und dessen Form und Abmessungen das Muster nachbilden. Diese Schritte haben eine Sandform erzeugt.
  • Bei einfachen Gussteilen wird der Formhohlraum dann mit einem flüssigen Metall gefüllt, welches abkühlen und erstarren gelassen wird. Nach dem Erstarren wird das Gussteil aus der Sandform entfernt und gibt allgemein das Muster wieder.
  • Es können komplexere Formen mit internen Merkmalen unter Verwendung zusätzlicher Sandstrukturen, die als Kerne (welche auch Sandbindemittel aufweisen) bekannt sind, gegossen werden, welche, wenn sie in dem Formhohlraum positioniert sind, dieses Volumen einnehmen und dadurch den Zutritt der Metallschmelze verhindern. Nach dem Erstarren des flüssigen Metalls können diese Kerne aufgelöst oder mechanisch aus dem Gussteil entfernt werden, um einen Hohlraum oder Hohlräume zurückzulassen.
  • Herkömmlich verarbeitete Motor-Hauptkomponenten, Kopf und Block, welche primäre Anwendungen für diese Erfindung sind, erfordern eine extensive Verwendung von Kernen, um integrale Fluidzirkulationspfade auszubilden. Diese Erfindung beinhaltet den Einbau von vorbereitend zusammengebauten Fluidzirkulationsdurchgängen, welche zum Steuern der Verteilung eines einzigen Fluids vorgesehen sind, in das Gussteil, um so eine Vielfalt von temporären Sandkernen mit einer begrenzten Anzahl von permanenten Eingusskernen effektiv zu ersetzen.
  • Viel von dem Kühlvermögen der vorbereitend zusammengebauten Fluiddurchgänge ist durch die inneren Abmessungen der Durchgänge vorgegeben, da diese die Strömungseigenschaften vorgeben werden. Die äußeren Abmessungen sind für die Fluidströmung von geringerer Bedeutung, werden jedoch auf die strukturellen Eigenschaften der Fluiddurchgänge einen bedeutenden Einfluss haben. Somit können die Fluiddurchgänge durch ein Abspreizen und andere Mittel zur strukturellen Verstärkung wie z. B. die Verwendung einer Rohrleitung mit einer größeren Wanddicke strukturell dazu gebracht werden, der Gussstruktur eine wesentliche Verstärkung zu verleihen, ohne dass dies nachteilig für ihre Rolle bei der Unterstützung der Motorkühlung ist.
  • Infolgedessen ermöglicht diese Erfindung: die Konstruktion und die Verlaufsführung eines Fluidzirkulationssystems, das einfacher optimiert werden kann, um ihr technisches Ziel einer Motorkühlung oder Motorschmierung zu erreichen; die Eliminierung von mehreren Kernen in Verbindung mit einer nützlichen Vereinfachung des Gießprozesses; die Einführung von Fluiddurchgängen, deren korrosionsbeständige Eigenschaften von dem Gussteilmaterial unabhängig sind; und die Möglichkeit, die Gussstruktur durch die Einführung von Fluidzirkulationspfaden mit strukturellem Leistungsvermögen allgemein zu versteifen.
  • Im Speziellen ermöglicht diese Erfindung, wenn sie in Verbrennungsmotoren verwendet wird, die aus kriechfesten Magnesiumlegierungen wie z. B. AJ62 (Mg-6Al-2Sr), AS21 (Mg-2Al-1Si), AXJ530 (Mg-5Al-3Ca-0,2Sr), AMT Legierung SC1 (Mg-Nd-Ce-Zn-Zr) und Dead Sea Magnesiumlegierung MRI230D (Mg-5Al-2,5Ca-1Sn) hergestellt sind, die Verwendung von derzeitigen Frostschutz-, Korrosionsschutzformulierungen direkt in Magnesiummotoren und beugt Problemen im Zusammenhang mit Feuchtigkeit in dem Schmiermittel vor. Ebenso gibt es einige Aluminiumgusslegierungen, die auf Grund von Korrosionsproblemen (von wasserhaltigen Motorkühlmitteln) gegenwärtig nicht für Motorkomponenten verwendet werden, welche jedoch mit dieser Erfindung eine Motorgussanwendung finden würden. Im Speziellen würden Legierungszusammensetzungen, die großteils den Zusammensetzungen der bekannten Sandgusslegierungen A356 und B319 und Hockdruckgusslegierungen A383 und A380, jedoch mit zugesetzten Legierungszusätzen von bis zu 5 Gewichtsprozent Kupfer für ver besserte mechanische Eigenschaften entsprechen, für Motorgussanwendungen mit dieser Erfindung geeignet gemacht werden.
  • In einem Verbrennungsmotor ist die Wärmequelle die Kraftstoffverbrennung in den Zylindern. Somit ist es das vordringliche Ziel eines jeden Kühlschemas, diese Wärme durch Zirkulation eines Kühlmittels, vorzugsweise so eng wie möglich an den Zylinderwänden, sofort abzuführen. Demzufolge sollte sich jedes alternative Kühlschema auch auf die sofortige Abfuhr von Wärme von dem Motorblock oder -kopf konzentrieren und es wird somit die Herstellung von Kühlsystemen erfordern, die für diese Rolle maßgeschneidert sind.
  • Ein einfacher Ansatz, um dies zu erreichen, besteht darin, den Zylinder mit einer Kühlrohrschlange zu umgeben. Beispiele für solche Rohrschlangen 10 sind in den 2A und 2B gezeigt, von denen beide eine allgemein zylindrische Form aufweisen und sich nur in der Verlaufsführung der Rohrleitung unterscheiden. In 2A ist die Rohrschlange allgemein spiralförmig um die Mittellinie des Zylinders herum, den sie umgibt; in 2B sind die Rohrschlangensegmente parallel zu der Zylinderachse und in umgekehrter Richtung an jedem Ende des Zylinders orientiert. Die Rohrschlange kann ohne weiteres hergestellt werden, z. B. indem eine Rohrleitung eines beliebigen passenden Bereiches bei Raum- oder erhöhter Temperatur um einen Dorn herum gebildet wird. Die Rohrleitung kann durch einen beliebigen passenden Prozess hergestellt werden, wird jedoch am einfachsten über einen Extrusionsprozess, allgemein bei erhöhter Temperatur, gebildet werden.
  • Es ist zu beachten, dass die Rohrschlange 10 lineare Endbereiche 3 und 5 mit Öffnungen 2 bzw. 4 umfasst. Es wird einzusehen sein, dass, wie gezeigt, kein spezieller Vorteil mit der Wahl der Öffnung 2 oder Öffnung 4 für den Fluideinlass verbunden ist. Sobald jedoch eine Wahl getroffen wurde, wird die verbleibende Öffnung gezwungenermaßen der Auslass sein. Lediglich der Einfachheit halber wird in den/der folgenden Zeichnungen und Beschreibung die Öffnung 2 als der Fluideinlass bezeichnet und die Öffnung 4 wird als der Fluidauslass bezeichnet.
  • Die speziellen in 2 gezeigten Rohrschlangengeometrien sind lediglich beispielhaft und sollen nicht einschränkend sein. Der Fachmann wird erkennen, dass viele alternative Rohrschlangenkonfigurationen und Fluidströmungspfade möglich sind. Zum Beispiel könnten die Rohrschlangen der 2A und 2B einen Fluideinlass zu einer zentralen Rohrschlangenschleife aufweisen, wo das Fluid auf zwei getrennte Pfade aufgeteilt und an jedem Ende der Rohrschlange austreten würde, d. h., beide Öffnungen 2 und 4 würden in dieser Konfiguration Auslässe sein. Unter Fortführung dieser Prozedur könnte schließlich jede Rohrschlangenschleife einzeln von einem Einlasssammler versorgt werden und ihr Kühlmittel zu einem Auslasssammler austragen.
  • Die meisten flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren, die in Fahrzeugen verwendet werden, beinhalten mehrere Zylinder. Somit wird eine Reihe von einzelnen Rohrschlangen wie z. B. jene, die in 2 gezeigt ist, erforderlich sein, um mehrere Zylinder zu kühlen, da für eine vergleichbare Kühlung jeder Zylinder seine eigene Kühlrohrschlange benötigen wird. Die Rohrschlangen können in einer Reihenkonfiguration, wie allgemein in 3 gezeigt, oder in einer parallelen Konfiguration, wie allgemein in 4 gezeigt, angeordnet sein.
  • In der Reihenkonfiguration 20 von 3A ist der Auslass 4 der Rohrschlange 10 durch einen Verbinder 12 mit dem Einlass 2a einer Rohrschlange 10a verbunden. Der Auslass 4a der Rohrschlange 10a wiederum versorgt den Einlass 2b der Rohrschlange 10b über einen Verbinder 12a. Diese Abfolge, dass der Auslass einer speziellen Rohrschlange Kühlmittel an den Einlass der nachfolgenden Rohrschlange liefert, setzt sich fort, bis die letzte Rohrschlange erreicht ist und das Kühlmittel dann zu einem geeigneten Wärmetauscher (nicht gezeigt), weitergeleitet wird, um für weitere Durchgänge durch den Motor gekühlt zu werden. Dies ist die in 1 gezeigte Konfiguration, wie sie in dem Motorblock eines Vierzylindermotors eingebaut sein würde.
  • Eine potenzielle Schwierigkeit mit der einfachen Reihenkonfiguration von 3A besteht darin, dass die Kühlwirkung des Kühlmittels abnehmen kann, wenn es sich erwärmt. Somit kann die Kühlwirkung der Rohrschlange 10 größer sein als jene der Rohrschlange 10c, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in dem Block führt. Dies kann dadurch berücksichtigt werden, indem die Rohrschlangengeometrie von Rohrschlange zu Rohrschlange geändert wird, anstatt einfach eine fixe Rohrschlangengeometrie zu verwenden. Ein Beispiel dieser Ausführungsform ist in 3B gezeigt, die eine Reihe von Rohrschlangen, auch in Reihenkonfiguration und wie in 3A angeordnet, veranschaulicht, in der jedoch die Rohrschlange 10 4 Windungen beinhaltet, die Rohrschlange 10a 5 Windungen beinhaltet, die Rohrschlange 10b 6 Windungen beinhaltet und die Rohrschlange 10c 7 Windungen beinhaltet. Es ist zu beachten, dass diese speziellen Rohrschlangengeometrien nicht einschränkend sein sollen und lediglich zu Illustrationszwecken gewählt sind. Sie sind weder repräsentativ noch typisch für irgendeine spezielle Anwendung.
  • Ein anderer Ansatz zur Minimierung der Temperaturgradienten ist in der Ausführungsform von 4 gezeigt, in der das Kühlmittel von einem Sammler 30 in eine Reihe von parallel angeordneten Rohrschlangen (1010c) zugeführt wird, wobei der Auslass jeder Rohrschlange in einen zwei ten Sammler 40 austrägt, bevor es zu dem Wärmetauscher (nicht gezeigt) weitergeleitet und rezirkuliert wird.
  • Es ist offensichtlich, dass die Fähigkeit einer rohrförmigen Kühlleitung, jeden speziellen Ort in der Komponente zu kühlen, von der Distanz des Ortes von der Kühlleitung abhängen wird. Diese Variabilität in der Kühlwirkung kann zum Vorteil verwendet werden, indem die Einlass- und Auslassleitungen zu den zylindrischen Rohrschlangen durch lokal heiße Gebiete verlaufen, welche entweder experimentell oder durch mathematisches Modellieren identifiziert werden, um eine zusätzliche Kühlung vorzusehen. Somit kann im Gegensatz zu der einfachen Verlaufsführung, die in den Fig. veranschaulicht ist, die Verlaufsführung, der in der Praxis gefolgt wird, deutlich komplexer sein.
  • Die eigenständige Beschaffenheit der rohrförmigen Kühldurchgänge, welche die Rohrschlange umfassen, kann jedoch nachteilig für die Kühlung des Zylinders sein. Für eine maximale Kühlung sollte die Rohrschlange knapp neben der Zylinderwand angeordnet sein. Wenn die Rohrschlange jedoch knapp neben der Zylinderwand angeordnet ist, wird die Kühlwirkung mit dem Abstand von der Rohrschlange zu der Zylinderwand invers variieren. Dies mag bei kompakten Rohrschlangengeometrien, wo einzelne Schleifen in Kontakt mit anstoßenden Schleifen stehen, insbesondere wenn eine quadratische Rohrleitung verwendet wird, kein großes Problem darstellen, offenere Rohrschlangenkonfigurationen können jedoch zu unerwünschten Temperaturgradienten in der Zylinderwand führen.
  • Eine letzte Ausführungsform, die dieses Problem überwindet, ist in den 5A–C gezeigt. 5A zeigt ein Fluidzirkulationssystem 50, welches den Zylinder umgibt und in 5C selbst von einem Abschnitt eines Motorblockgussmaterials 60 umgeben ist. In dieser Ausführungsform ist das Fluidzirkulationssystem 50 als ein zylindrischer Ringraum hergestellt, der durch einen inneren Zylinder 52, einen äußeren Zylinder 54 und an seinen Enden durch zwei ebene Ringräume 56 und 58 begrenzt ist. Der äußere Zylinder 54 beinhaltet einen Fluideinlass 2 und einen Fluidauslass 4. Falls erwünscht kann die Strömung im Inneren des zylindrischen Ringraumes weiter modifiziert oder durch die Einführung von Umlenkblechen oder Strömungsdrosseln oder anderen geometrischen Merkmalen (nicht gezeigt) gesteuert sein.
  • Wie gezeigt, könnte die Mantelstruktur aus zwei Rohrsegmenten hergestellt sein, die koaxial positioniert sind und durch ringförmige Bereiche begrenzt sind, welche aus/von flachen Blechen geschnitten oder abgeschert sind, wobei Eintritts- und Austrittskanäle aus Bereichen eines Rohres mit noch kleinerem Durchmesser erzeugt sind. Das Ganze könnte dann durch einen Schweißprozess dauerhaft zusammengebaut werden. Allerdings wären die Details der Konstruktion und Herstellung dieser Mantelstrukturen für den Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres verständlich, und die oben angeführte Beschreibung soll beispielhaft und nicht einschränkend sein.
  • Wiederum würde eine Anzahl dieser Mantelstrukturen, eine für jeden Motorzylinder, erforderlich sein. Wie im Fall der Rohrschlangengeometrie kann eine Reihen- oder parallele Konfiguration verwendet werden, welche die Verwendung einer Rohrleitung oder anderer geeigneter Verbindungen zu und von der Mantelstruktur erfordert. Ferner, wenn sie in einer Reihenkonfiguration verwendet wird, könnte die detaillierte Geometrie der Fluidzirkulation innerhalb der einzelnen Mantelstrukturen modifiziert werden, um einen ausgeglichenen Wärmeentzug aus allen Zylindern zu erzielen. Schließlich kann die Verlaufsführung der Einlass- und Auslass leitungen wiederum Vorteile in der Steuerung lokaler Hochtemperaturgebiete mit sich bringen.
  • Es ist vorgesehen, dass diese vorgefertigten Fluidzirkulationssysteme aus einfachen, handelsüblichen Formen wie Rohren oder Platten hergestellt sind. Auf einer Rohrleitung basierende Strukturen könnten praktikabel aus einer durchgehenden Länge einer Rohrleitung hergestellt sein, allgemeiner wird jedoch eine Reihe von einzelnen Elementen oder Formen zusammengebaut und dauerhaft aneinander befestigt, um eine kontinuierliche leckfreie Struktur zu bilden, die in der Lage ist, das Fluid mithilfe eines geeigneten Zwanges wie z. B. von einer Wasserpumpe entsprechend entlang eines vorbestimmten Pfades zu leiten.
  • Die Positionierung des Fluidzirkulationssystems ist durch das Ziel eines maximalen Wärmeentzugs aus dem Motor zu dem Kühlfluid vorgegeben. Somit, wie am besten im 5C gezeigt, wird das Fluidzirkulationssystem so nahe wie möglich an den Zylinderwänden 102 und der Oberseitenfläche des Blocks 104 positioniert.
  • Wenngleich das Hauptaugenmerk auf Kühlsysteme und nicht auf Schmiersysteme gerichtet war, ist unmittelbar einzusehen, dass ein Schmiermittel innerhalb des Motors durch Aufnahme von ähnlichen rohrförmigen Schmiermittelverteilungssystemen einfach weitergeleitet werden kann. Im Fall von Schmiersystemen besteht allerdings begrenzter Bedarf an den komplexeren Konstruktionen, die für die Kühlsysteme veranschaulicht sind, und es sollten einfachere Rohrkonfiguration die Folge sein.
  • Die gesamte Fluidzirkulationsstruktur wird vorgefertigt, d. h., als eine vollständige Verbundstruktur zusammengebaut, bevor sie in die Gießform eingebracht und in das Gussteil eingebaut wird. Ferner sollte die Fluidzir kulationsstruktur, sobald sie vorgefertigt ist, stabil sein, sodass sie sich vor oder während des Gießprozesses nicht verziehen oder neu ausrichten wird. Somit können die Strukturen auch versteifende oder stabilisierende Elemente beinhalten, die in den Fig. nicht bezeichnet wurden, da sie, falls sie erforderlich sind, für einzelne Gussteile spezifisch sein werden. Es wird auch nicht notwendig sein, diese Strukturen in der Form in einer reproduzierbaren Position relativ zu dem Formhohlraum und allfälligen Kernen, z. B. Kernen für die Zylinder, zu positionieren. Die allgemeine Prozedur, um dies zu bewerkstelligen, ist dem Fachmann gut bekannt.
  • Eine zweite Ausführungsform zur Positionierung der Fluidzirkulationsstrukturen besteht darin, diese in/mit Polystyrolschaum einzubetten oder zu umgeben und den Polystyrolschaum innerhalb der Form zu positionieren. Der Vollformgießprozess ist ein gut bekannter Metallgießprozess, der für Motorgussteile verwendet wurde. Dieser Prozess verwendet eine Form oder ein Muster aus Polystyrolschaum, welche/s von der Sandform nicht körperlich entfernt wird, um einen Formhohlraum zu hinterlassen, sondern stattdessen in dem Formhohlraum belassen wird, um durch einen Kontakt mit der Metallschmelze entfernt oder „ausgebrannt” zu werden. Wie hier in Erwägung gezogen, kann die Fluidzirkulationsstruktur in einer Polystyrolschaumstruktur eingebettet sein, welches das gesamte Gussteil repräsentiert, oder es könnte nur die Zirkulationsstruktur in dem Polystyrolschaum eingebettet sein. Im ersten Fall würde es eine Variante des „Vollform” gießprozesses bilden, während es im zweiten Fall einfach ein geschäumter Einsatz in einem herkömmlichen Sandgießprozess sein würde.
  • Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Einbaus vorgefertigter Kühldurchgänge ist für die Herstellung von Magnesiummotorkomponenten im Hinblick auf die Problematik der Frostschutzverträglichkeit gegeben. Infol gedessen sollte beachtet werden, dass der Vollformgießprozess zur Verwendung mit Magnesium nicht gut geeignet ist, da die Erfahrung gezeigt hat, dass der geringe Wärmegehalt des Magnesiums nicht in der Lage ist, genug Wärmeenergie zu liefern, um den gesamten Polystyrolschaum zuverlässig zu entfernen oder „auszubrennen”. Wenn allerdings der einzige Abschnitt der gesamten Form, der Polystyrolschaum enthält, jenes Gebiet ist, das die Zirkulationsstruktur beinhaltet, muss das stärker begrenzte Schaumvolumen, das zu entfernen ist, kein Hindernis für die Verwendung von Magnesium sein.
  • Idealerweise sollte die chemische Zusammensetzung der Fluidzirkulationsstrukturen von drei Überlegungen geleitet sein:
    der Schmelzpunkt der Fluidzirkulationsstruktur sollte höher sein als der Schmelzpunkt des Gussteilmaterials, um sicherzustellen, dass die Fluidzirkulationsstruktur während des Gießprozesses nicht durch die Metallschmelze aufgelöst wird oder andernfalls mit der Metallschmelze nachteilig reagiert;
    das Gussteilmaterial und die Fluidzirkulationsstruktur sollten in der Lage sein, eine metallurgische Bindung zu bilden, um die Effizienz der Wärmeübertragung über die Grenzfläche hinweg zu maximieren;
    die Ausdehnungskoeffizienten des Gussteilmaterials und der Fluidzirkulationsstruktur sollten ähnlich sein, um sowohl Wärmespannungen zu minimieren als auch den Sitz zwischen den beiden über den gesamten Motorbetriebstemperaturbereich zu maximieren.
  • Einige nicht einschränkende Beispiele von Materialkombinationen, die diese Kriterien erfüllen, sind: Kupfer oder Edelstahl, in einer Aluminium legierung gegossen; Edelstahl, in einer Magnesiumlegierung gegossen; Aluminium, in einer Aluminiumlegierung gegossen. Somit können ähnliche oder ungleiche Materialien verwendet werden.
  • Es können ähnliche Materialien verwendet werden, vorausgesetzt, dass der Zusatz von Legierungselementen zu Aluminium oder Magnesium, um eine geeignete Gussteillegierung für Motorkomponenten hervorzubringen, den Schmelzpunkt der Legierung relativ zu dem Reinmetall unbedingt herabsetzen wird.
  • Allerdings werden Metalle nicht mit einer Temperatur, die ihrem Schmelzpunkt entspricht, in die Form hinein gegossen. Vielmehr ist die Gießtemperatur um eine entsprechende Anzahl von Graden erhöht, überhitzt. Die Überhitzungswärme kompensiert zumindest teilweise die Wärmeverluste, welche die Metallschmelze vor und während ihres Einbringens in die Form erfährt. Dies ist notwendig, damit die Form mit flüssigen Metall gefüllt werden kann, bevor die Erstarrung bis zu dem Punkt voranschreitet, an dem die Metallbeschickungskanäle fest werden und erstarren und einen Zutritt zu der Form zu dem zuletzt hinein gegossenen Metall verhindern.
  • Somit wird, vorausgesetzt, dass der Schmelzpunkt des Reinmetalls, das dem primären Legierungsbestandteil des Gussteilmetalls entspricht, ausreichend hoch ist, sodass er höher ist als die Gießtemperatur der Gussteillegierung, das Reinmetall nicht schmelzen.
  • Das Gussmetall und das Strukturmetall (der Einfachheit halber wird in diesem Abschnitt der Ausdruck „Strukturmetall” verwendet, um das Material der Fluidzirkulationsstruktur zu bezeichnen, gleichgültig, ob ein rohrförmiges Fabrikat oder aus eigenen Komponenten hergestellt) oder die oben angegebenen Kombinationen sind allesamt in der Lage, eine metal lurgische Bindung zu bilden. Es wird jedoch einzusehen sein, dass Oxid- oder Verunreinigungsschichten auf der Rohrleitung ein Benetzen des Strukturmetalls durch die Gusslegierung verhindern und eine metallurgische Bindungsbildung unterbinden können. Darauf kann, falls erforderlich, durch Aufbringen eines Flussmittels oder eines anderen oberflächenaktiven Mittels auf das Strukturmetall eingegangen werden, um eine saubere Oberfläche zu fördern, die geeignet ist, um die erwünschte metallurgische Bindung zu bilden.
  • Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Metallen variiert invers mit dem Schmelzpunkt des Metalls, wobei Metalle mit einem höheren Schmelzpunkt niedrigere lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten auf weisen und Metalle und Legierungen mit einem niedrigeren Schmelzpunkt höhere lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Somit werden die Kombinationen aus einer/m ähnlichen Gussteillegierung und Strukturmetall automatisch ähnliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Kombinationen von unähnlichen Metallen werden zwangsläufig zu Unterschieden in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten führen und größere Wärmespannungen erzeugen. Unter der Voraussetzung, dass die gegossene Motorkomponente der erzeugten Spannung standhalten kann, muss dies kein Hinderungsgrund sein und Strukturmetalle mit einem höheren Schmelzpunkt können akzeptabel sein und können der Komponente zusätzliche Vorteile wie z. B. eine erhöhte Steifigkeit verleihen.
  • Man betrachte beispielsweise die folgende Prozedur zum Gießen eines Edelstahlkühlsystems. Das Kühlsystem kann ohne weiteres aus einem dünnwandigen geschweißten oder nahtlosen Rohr hergestellt werden, das aus einem austenitischen Edelstahl der Qualität 304 hergestellt ist, der eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bereitstellt. Diese Qualität bietet auch eine hervorragende Schweißbarkeit und ermöglicht es, das Kühlsystem je nach Bedarf aus einer einzigen Länge einer Rohrleitung oder aus einer geschweißten Anordnung von rohrförmigen Formen herzustellen.
  • Da dies für eine Kühlanwendung vorgesehen ist, wo eine maximale Wärmeübertragung erwünscht ist, sollte der Kühlrohrschlange die maximale Möglichkeit geboten werden, an den Edelstahl zu binden. Somit sollte nach einem entsprechenden Reinigen und Beizen des Rohraußendurchmessers dieser mit einem geeigneten Flussmittel beschichtet werden, um die Bindung zu unterstützen. Geeignete Flussmittel sind im Handel erhältlich oder es kann die in dem US-Patent 3 728 783 beschriebene Chloridformulierung verwendet werden.
  • Dann werden das oberflächenbehandelte Kühlsystem, vorzugsweise mit seinen vorübergehend abgedichteten Öffnungen, um ein Eindringen der Gussteillegierung zu verhindern, und weitere Elemente wie z. B. Kerne in einer Sandform positioniert, die trockenen Seesand, Siliciumoxid, Zirkon oder Chromit umfasst und Gemische von Sulfiden, Fluoriden und Ammoniumkomplexen beinhaltet, um eine Reaktion der Magnesiumschmelze mit der Form zu unterbinden. Um auch ihre mechanische Integrität zu erhöhen, wird die Sandform eines von einer Vielfalt von organischen Bindemitteln beinhalten, welche auf Urethan basieren können. Es wird einzusehen sein, dass, um eine entsprechende Einleitung der Metallschmelze in die Form und Verteilung der Metallschmelze innerhalb der Form zu erreichen, Elemente zusätzlich zu dem Formhohlraum erforderlich sein werden. Diese umfassen Angusstrichter, Zuläufe und Steiger.
  • Eine Magnesiumlegierung bei einer Gießtemperatur zwischen 625°C und 725°C wird unter einer Schutzatmosphäre aus Schwefelhexafluorid allgemein in einer Konzentration von weniger als 1% in trockener Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid in die Form hinein gegossen und erstarren gelassen.
  • Wenn es erstarrt ist, wird das erstarrte Gussteil aus der Sandform im Allgemeinen mechanisch entfernt, und jene Merkmale, die zusätzlich zu der erwünschten Form vorhanden sind, d. h. der Angusstrichter, der/die Zulauf/Zuläufe und der/die Steiger werden entfernt und hinterlassen die erwünschte Gussform mit dem in ihrem Inneren positionierten Edelstahlkühlsystem.
  • Die Vorteile dieser Erfindung in Bezug auf die Eliminierung einer korrosiven Wechselwirkung zwischen dem Kühlfluid und dem Motorblock wurden in Bezug auf derzeitige Motorblockmaterialien und derzeitige Kühlmittelformulierungen veranschaulicht. Somit werden durch die praktische Umsetzung der Erfindung Korrosionsprobleme, welche die Wahl sowohl des Motorgussteilmaterials als auch die Wahl der Kühlmittelchemie bestimmen oder beeinflussen könnten, irrelevant. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Vorteile der Verwendung alternativer Motorgussteilmaterialen und/oder alternativer Motorkühlmittelformulierungen untersucht werden können, ohne die Korrosionsverträglichkeit zu berücksichtigen. Zum Beispiel wären Aluminiumlegierungen mit einer höheren Leistungsfähigkeit möglich, wenn ein höherer Kupfergehalt ohne Korrosion toleriert werden könnte. Und moderne Motorkühlmittelformulierungen wie z. B. Kupfer- und Kupferoxid-Nanodispersionen in einem Trägerfluid wären attraktiver, wenn eine Korrosionsverträglichkeit mit dem Motorgussmaterial nicht von Belang wäre.
  • Während einige bevorzugte Ausführungsformen bereitgestellt wurden, um die Erfindung besser zu beschreiben, sind diese rein beispielhaft und sind nicht als einschränkend auszulegen – weitere Formen können durch den Fachmann ohne weiteres angepasst werden. Somit ist der Schutzumfang der Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 3728783 [0055]

Claims (10)

  1. Zylinderblockgussteil oder Zylinderkopfgussteil für einen Verbrennungsmotor, wobei das Gussteil aus einer Magnesium- oder Aluminiumgusslegierung gebildet ist, das Gussteil einen Flüssigkeitsströmungsdurchgang umfasst, der für eine Strömung einer flüssigen Zusammensetzung vorgesehen ist, welche für die Gusslegierung chemisch zerstörend ist, wobei der Flüssigkeitsströmungsdurchgang aus einem eingegossen Metallrohr einer Metallzusammensetzung gebildet ist, welche die Gusslegierung von der Flüssigkeit isoliert, während zugelassen wird, dass die Flüssigkeit in dem Zylinderblock oder Zylinderkopf ihrer vorgesehenen Funktion dient.
  2. Gussteil nach Anspruch 1, wobei die Magnesiumgusslegierung eine kriechfeste Legierung ist.
  3. Gussteil nach Anspruch 1, wobei die Metallzusammensetzung des Metallrohres aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, Kupfer oder Kupferlegierungen und Eisen oder Eisenlegierungen einschließlich Edelstahl besteht.
  4. Gussteil nach Anspruch 1, wobei die flüssige Zusammensetzung Ethylenglykol und Wasser umfasst.
  5. Verfahren zum Übertragen einer erhöhten Korrosionsfestigkeit von auf Wasser basierenden Kühlmitteln auf eine aus einer Gussteille gierung hergestellte gegossene Motorkomponente, welches die Schritte umfasst, dass: ein Material gewählt wird, welches (i) gegen Korrosion durch auf Wasser basierende Kühlmittel beständig ist, (ii) nicht zerstörend mit der Gussteillegierung reagiert und (iii) einen Schmelzpunkt aufweist, der höher ist als die Gießtemperatur der Gussteillegierung; ein kontinuierliches, leckfreies Kühlmittelzirkulationssystem aus dem gewählten Material hergestellt wird; die Oberfläche des Kühlmittelzirkulationssystems behandelt wird, um sie für eine Reaktion mit der Gussteillegierung vorzubereiten; das hergestellte Kühlmittelzirkulationssystem in einer Form angeordnet wird, die zum Gießen der Motorkomponente vorgesehen ist; die Gussteillegierung bei einer gewählten Gießtemperatur in die Form hinein gegossen wird; und zugelassen wird, dass die Gussteillegierung erstarrt und das zumindest eine vorgefertigte Fluidzirkulationssystem einbezieht, wobei das Fluidzirkulationssystem in die Motorkomponente hinein gegossen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Gussteillegierung eine Magnesiumlegierung ist.
  7. Hergestelltes Kühlmittelzirkulationssystem nach Anspruch 5, wobei das hergestellte Kühlmittelzirkulationssystem eine permanent angebrachte Anordnung von strukturellen Formen umfasst, die zumindest ein Rohr umfassen, wobei das Kühlmittelzirkulationssystem derart aufgebaut ist, dass es leckfrei ist.
  8. Magnesium- oder Aluminiumgussmotorblock für einen Verbrennungsmotor, wobei der gegossene Block zwei oder mehrere zylindri sche Volumina für Motorverbrennungsprozesse umfasst und wobei ein zirkulierendes Fluid innerhalb eines eingegossen vorgefertigten Fluidzirkulationssystems enthalten ist, welches eine Vielzahl von spiralförmigen Rohrschlangen umfasst, von denen jede eines der zylindrischen Volumina umgibt, wobei die Rohrschlangen eine Anzahl von Windungen umfassen.
  9. Magnesium- oder Aluminiumgussmotorblock nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von spiralförmigen Rohrschlangen in einer parallelen oder Reihenkonfiguration angeordnet ist und jede Rohrschlange eine gleiche Anzahl von Windungen umfasst.
  10. Magnesium- oder Aluminiumgussmotorblock nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl der spiralförmigen Rohrschlangen in einer parallelen oder Reihenkonfiguration angeordnet ist und zumindest eine spiralförmige Rohrschlange mit einer kleineren oder größeren Anzahl von Windungen als zumindest eine der restlichen Rohrschlangen umfasst.
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