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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlasskanals eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Im Rahmen der Serienfertigung von Zylinderköpfen für Verbrennungskraftmaschinen, welche Einlasskanäle aufweisen, über welche Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in Brennräume der Verbrennungskraftmaschine strömen kann, hat es sich gezeigt, dass es zu fertigungsbedingten Toleranzen kommt, welche die Strömungseigenschaften der Einlasskanäle negativ beeinflussen. Daraus resultieren ungünstige Strömungseigenschaften für die Luft beziehungsweise das Luft-Kraftstoff-Gemisch, welche das Verbrennungs-, Verbrauchs- sowie Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen können.
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Aus der
DE 10 2009 030 056 A1 ist ein Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher zumindest ein in einen Brennraum mündenden, Tumble erzeugend ausgebildeten Einlasskanal aufweist. Eine Kanalwand des Einlasskanals weist dabei unmittelbar stromaufwärts eines Ventilsitzringes im Bereich einer der Zylinderachse entfernteren ersten Seite eine eingeformte Strömungsabrisskante auf. Die Kanalwand ist im Bereich einer der Zylinderachse näheren, der Abrisskante gegenüberliegenden zweiten Seite im Wesentlichen stetig oder übergangslos zwischen einem Materialabtragen nachbearbeiteten und einem unbearbeiteten gegossenen Kanalbereich ausgebildet. Auch bei diesem Zylinderkopf kommt es im Rahmen seiner Fertigung zu fertigungsbedingten Toleranzen, welche das Verbrennungs-, Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine negativ beeinflussen können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Einlasskanals eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches eine derartige Ausgestaltung des Einlasskanals ermöglicht, so dass ein sehr effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Einlasskanals eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines Einlasskanals eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine wird der Einlasskanal nach dem Gießen des Zylinderkopfes, wobei auch der Einlasskanal ausgebildet wird, in einem Innenumfangsbereich im Bereich einer Austrittsöffnung des Einlasskanals durch ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren mittels eines Werkzeugs nachbearbeitet. Dabei wird durch das spanabhebende Bearbeitungsverfahren eine Strömungsabrisskante des Einlasskanals ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Einlasskanal bei dem spanabhebenden Bearbeitungsverfahren in dem Innenumfangsbereich zunächst mittels eines ersten Werkzeugs vorbearbeitet und anschließend mittels eines zweiten Werkzeugs zur Ausbildung der Strömungsabrisskante nachbearbeitet wird. Dadurch, dass die Strömungsabrisskante im Rahmen des Bearbeitungsverfahrens mittels zwei voneinander unterschiedlichen Werkzeugen ausgebildet wird, weist die Strömungsabrisskante eine sehr genaue Lage in dem Einlasskanal auf. Dies kommt den Strömungseigenschaften des Einlasskanals zugute, da die Strömungsabrisskante an einer erwünschten Position ausgebildet ist und somit eine den Einlasskanal insbesondere in einem verbrennungsmotorischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durchströmende Strömung von Luft oder eines Luft-Kraftstoff-Gemisches auf eine gewünschte Art und Weise beeinflussen kann, wobei aus dieser erwünschten Beeinflussung der Strömung durch die Strömungsabrisskante ein sehr effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultiert.
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Bei dieser Beeinflussung der Strömung durch die Strömungsabrisskante handelt es sich beispielsweise um die Erzeugung einer so genannte Tumble-Bewegung als Ladungsbewegung, wobei diese Strömung walzenartig um eine Achse rotiert, welche zumindest im Wesentlichen parallel zu der Drehachse einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verläuft. Mit anderen Worten ist durch die Strömungsabrisskante infolge ihrer sehr präzisen Lagepositionierung eine sehr gute Ladungsbewegung darstellbar, welche das Verbrennungs-, Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine positiv beeinflusst, so dass die Verbrennungskraftmaschine einen niedrigen Kraftstoffverbrauch sowie geringe Emissionen aufweist.
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Die Lage der Strömungsabrisskante in dem Einlasskanal ist infolge des spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens mit zwei unterschiedlichen Werkzeugen von der Ausbildung des Einlasskanals durch das Gießen des Zylinderkopfes entkoppelt und hängt lediglich von der Positioniergenauigkeit der Werkzeuge beim spanabhebenden Bearbeitungsverfahren ab. Diese Positioniergenauigkeit ist dabei sehr präzise, so dass die Strömungsabrisskante sehr präzise an der gewünschten Position ausgebildet werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet auch eine Nachbearbeitung des kompletten Einlasskanals nach dem Gießen des Zylinderkopfes. Zur Ausbildung der Strömungsabrisskante und zur sehr genauen Positionierung dieser reicht es aus, den Einlasskanal lediglich bereichsweise in dem Innenumfangsbereich mittels des spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens zu bearbeiten. Dies hält die Herstellungskosten für den Zylinderkopf und damit für die gesamte Verbrennungskraftmaschine gering.
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Des Weiteren sind Produktionseinflüsse durch das Gießen auf die strömungstechnischen Eigenschaften des Einlasskanals minimiert, woraus eine weitere Verbesserung des Verbrennungs-, Verbrauchs- und Emissionsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine resultiert, da erhebliche Einschränkungen der Applikationsparameter der Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise der Zündwinkel, Einspritzzeitpunkt etc., nicht vonnöten sind, um fertigungsbedingte Schwankungen des Gießens zu kompensieren. Dies ist der Fall, da aufgrund des erfindungsgemäßen, spanabhebenden Bearbeitungsverfahren die strömungstechnischen Eigenschaften des Einlasskanals von dem Gießen des Zylinderkopfs und dessen Einfluss auf die strömungstechnischen Eigenschaften entkoppelt sind.
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Darüber hinaus ergeben sich in der konstruktiven Auslegung des Einlasskanals und dessen Geometrie neue Freiheitsgrade, die zu einer Verbesserung von strömungstechnischen Kennwerten, wie beispielsweise dem Durchfluss des Einlasskanals, der Ladungsbewegung etc. und damit zu verbesserten Eigenschaften der Verbrennungskraftmaschine führen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Strömungsabrisskante mittels des ersten Werkzeugs vorausgebildet, wobei die Strömungsabrisskante mittels des zweiten Werkzeugs fertig ausgebildet und somit ausgeprägt wird. Diese zweistufige Herstellung der Strömungsabrisskante erlaubt eine strömungstechnisch besonders günstige Ausgestaltung sowie eine sehr genaue Positionierung der Strömungsabrisskante im Einlasskanal. Dies kommt dem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit einem geringen Kraftstoffverbrauch sowie geringen Emissionen weiterhin zugute.
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Als erstes und/oder als zweites Werkzeug werden zum Beispiel Fräser beziehungsweise Fräsköpfe verwendet, welche eine sehr genaue Ausgestaltung sowie Positionierung der Strömungsabrisskante ermöglichen. Zudem ist der Einlasskanal dadurch besonders schnell und damit kostengünstig vor- und nachbearbeitbar, was die Kosten für den Zylinderkopf in einem geringen Rahmen hält. Die Verwendung eines zumindest im Wesentlichen birnenförmigen Fräsers als erstes Werkzeug gewährleistet eine besonders günstige Vorbearbeitung des Einlasskanals im Innenumfangsbereich zur Darstellung besonders günstiger Strömungseigenschaften desselbigen. Durch den birnenförmigen Fräser sind gewünscht zu bearbeitende Bereiche des Innenumfangsbereich zu bearbeiten und anderweitige Bereiche von einer solchen Bearbeitung auszusparen. Dies erlaubt eine besonders effiziente und ökonomische Bearbeitung des Einlasskanals, was mit niedrigen Kosten zur Durchführung des Verfahrens einhergeht.
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Dabei wird das erste Werkzeug, insbesondere der birnenförmige Fräser, beim Vorbearbeiten im Wesentlichen entlang einer senkrecht zu der Austrittsöffnung des Einlasskanals verlaufenden Achse bewegt. Das erste Werkzeug wird durch die Austrittsöffnung, aus welcher die Ladung (Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch) aus dem Einlasskanal in einen dem Einlasskanal zugeordneten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine strömt, entlang der Achse in den Einlasskanal eingeführt, um den Innenumfangsbereich bedarfsgerecht vorzubearbeiten. Diese axiale Bewegung des ersten Werkzeugs kann auf schnelle Art und Weise durchgeführt werden, was ebenso geringen Kosten zur Durchführung des Verfahrens zuträglich ist.
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Wird das zweite Werkzeug beim Nachbearbeiten im Wesentlichen schräg zu der senkrecht zu der Austrittsöffnung des Einlasskanals verlaufenden Achse bewegt, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch die Strömungsabrisskante strömungstechnisch sehr günstig ausgebildet und ausgeprägt werden kann zur Darstellung sehr guter Strömungseigenschaften des Einlasskanals. Dabei wird das zweite Werkzeug durch die Austrittsöffnung in den Einlasskanal eingeführt und ein gewünschter Wandungsbereich, insbesondere ein Kanalboden, des Einlasskanals zur fertigen Ausgestaltung der Strömungsabrisskante nachbearbeitet. Auch diese axiale Bewegung des zweiten Werkzeugs kann schnell und einfach durchgeführt werden, so dass die gesamte Zeit sowie die Gesamtkosten für das verfahren zum Herstellen des Einlasskanals als gering zu beziffern sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als zweites Werkzeug ein im Wesentlichen zylindrischer Fräser mit einer wesentlichen kreisrunden Grundfläche verwendet, wobei der Fräser bevorzugt die Form eines geraden Zylinders aufweist. Dieser zylindrische Fräser weist nur geringe Kosten auf, was die Gesamtkosten zur Durchführung des Verfahrens gering hält. Des Weiteren ermöglicht er eine besonders präzise und strömungstechnisch günstige Ausbildung der Strömungsabrisskante, was den sehr guten Strömungseigenschaften des Einlasskanals und damit dem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt.
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Die schnelle und somit kostengünstige Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin positiv beeinflusst, wenn der Einlasskanal beim Vorbearbeiten sowie beim Nachbearbeiten mittels einer Fixiereinrichtung in derselben Aufspannposition fixiert wird. Dies bedeutet, dass die Fixierung des Einlasskanals beziehungsweise des Zylinderkopfes nach dem Vorbearbeiten nicht zunächst aufgehoben und anschließend der Einlasskanal beziehungsweise Zylinderkopf wieder gegebenenfalls in einer anderen Lage im Raum neu fixiert werden muss, sondern vielmehr in der gleichen Aufspannposition verbleiben kann, wodurch sowohl die Zeit zur Durchführung des Verfahrens als auch die Kosten insbesondere für eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens gering gehalten werden können.
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Auch kann das Bearbeitungsverfahren mittels der beiden Werkzeuge mehrspindlig durchgeführt werden, wobei der Einlasskanal lediglich mittels einer mehrspindligen Fräseinrichtung mit einer Mehrzahl von Fräsern als erstes und zweites Werkzeug vorbearbeitet und nachbearbeitet wird. Daraus resultieren weitere Kosten-, Qualitäts- und Zeitvorteile.
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Der Einlasskanal des Zylinderkopfes wird beispielsweise mittels eines Sandgussverfahrens ausgebildet, wobei zur Ausbildung des Einlasskanals ein Kern vorgesehen ist, so dass zur Ausbildung des Einlasskanals die Stelle, wo der Kern angeordnet ist, von Gussmaterial ausgespart bleibt. Das Sandgussverfahren ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung des Zylinderkopfes und damit des Einlasskanals, wobei infolge des erfindungsgemäßen, spanabhebenden Bearbeitungsverfahren das Sandgussverfahren sowie dessen Einflüsse auf die strömungstechnischen Einflüsse des Einlasskanals entkoppelt sind von den strömungstechnischen Eigenschaften des Einlasskanals, die hochpräzise und auf gewünschte Art und Weise bedarfsgerecht mittels des spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens dargestellt werden. Etwaige, bei dem Sandgussverfahren auftretende Lageabweichungen können somit durch das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren schnell und kostengünstig ausgeglichen werden beziehungsweise beeinflussen die strömungstechnischen Eigenschaften des Einlasskanals nicht, da die Strömungsabrisskante durch das hochpräzise, mechanische Bearbeitungsverfahren ausgebildet wird. Dies vermeidet auch sich an die Herstellung des Zylinderkopfes anschließende, aufwändige und kostenintensive Kontrollverfahren sowie eine hohe Quote an auszusondierenden Ausschussteilen.
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Wird die Strömungsabrisskante unmittelbar stromauf eines Ventilsitzes des Einlasskanals, insbesondere unmittelbar stromauf eines Ventilsitzrings, ausgebildet, so ist dies insofern vorteilhaft, als dadurch die Ladungsbewegung, insbesondere die Tumble-Bewegung, an einer besonders günstigen Stelle im Einlasskanal kurz vor einem Eintritt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine darstellbar ist. Dies wirkt sich positiv auf das Verbrennungs-, Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine auswirkt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Einlasskanals eines Zylinderkopfes, welcher im Rahmen eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahren nach dem Gießen mit einem birnenförmigen Fräser vorbearbeitet wird;
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2 ausschnittsweise eine Vorderansicht des Einlasskanals gemäß 1, welcher im Rahmen des spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens mit einem geradzylindrischen Fräser nachbearbeitet wird; und
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Einlasskanals gemäß den vorhergehenden Figuren, bei welchem im Rahmen des spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens eine Strömungsabrisskante ausgebildet wird, deren Wirkung auf eine der Einlasskanal durchströmende Ladung dargestellt ist.
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Die 1 zeigt einen Einlasskanal 10 für einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine, durch welchen bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine Ladung gemäß einem Richtungspfeil 12 hindurch strömt. Bei dieser Ladung handelt es sich beispielsweise um von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft oder um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch. Der Einlasskanal 10 umfasst einen Ventilsitzring 14 sowie eine Ventilführung 16, mittels welcher ein Gaswechselventil in Form eines Einlassventils 18 (3) entlang einer Richtung gemäß einem Richtungspfeil 20 axial bewegbar zu halten ist. Das Einlassventil 18 wird beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise von einem korrespondierenden Nocken angetrieben und von dem Nocken zwischen einer eine Austrittsöffnung 22 des Einlasskanals 10 verschließenden Schließstellung und zumindest einer die Austrittsöffnung 22 frei gebenden Offenstellung entlang der Richtung gemäß dem Richtungspfeil 20 bewegt. In der Schließstellung sitzt das Einlassventil 18 mit einem Ventilteller 24 des Einlassventils 18 auf dem Ventilsitzring 14 auf, so dass die Ladung nicht über die Austrittsöffnung 22 in einen korrespondierenden Brennraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine einströmen kann.
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In der Offenstellung gibt das Einlassventil 18 die Austrittsöffnung 22 frei, und die Ladung kann in den Brennraum einströmen, woraufhin eine Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches stattfindet.
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Wie in der Zusammenschau mit 3 deutlich wird, weist der Einlasskanal 10 an einem Kanalboden 26 des Einlasskanals 10 eine Strömungsabrisskante 28 auf, welche eine Bewegung der Ladung, die so genannte Ladungsbewegung, gemäß Richtungspfeilen 30 derart beeinflusst, dass die Ladung als Ladungsbewegung eine so genannte Tumble-Bewegung durchführt. Bei einer solchen Tumble-Bewegung rotiert die Ladung um eine zumindest im Wesentlichen parallel zur Drehachse einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gemäß einem Richtungspfeil 32 verlaufende Achse. Diese Tumble-Bewegung führt zu einer sehr guten Durchmischung der Luft und des Kraftstoffes, woraus eine sehr effiziente Verbrennung und damit ein sehr gutes Verbrennungs-, Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine resultieren.
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Der Zylinderkopf und damit der Einlasskanal 10 werden mittels eines Sandgussverfahrens unter Einsatz zumindest eines Kerns hergestellt. Um nun fertigungsbedingte Toleranzen des Sandgussverfahrens von den strömungstechnischen Eigenschaften des Einlasskanals 10 zu entkoppeln und um die Strömungsabrisskante 28 an einer besonders günstigen und erwünschten Stelle im Einlasskanal 10 auszubilden, wird der Einlasskanal 10 beziehungsweise dessen Kanalboden 26 in einem Innenumfangsbereich 34 mittels eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens nachbearbeitet, wobei zunächst der Kanalboden 26 mittels eines birnenförmigen Fräsers bearbeitet wird. Der birnenförmige Fräser wird zur Bearbeitung des Kanalsbodens 26 zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Austrittsöffnung 22 gemäß einem Richtungspfeil 36 in den Einlasskanal 10 eingeführt, wobei die Strömungsabrisskante 28 vorausgebildet wird. Währenddessen sind der Zylinderkopf und damit der Einlasskanal 10 mittels einer Fixiereinrichtung in einer bestimmten Aufspannposition fixiert.
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An die Vorbearbeitung des Kanalbodens 26 mittels des birnenförmigen Fräsers schließt sich eine Nachbearbeitung des Kanalbodens 26 mittels eines geradzylindrischen Fräsers 40 (2) an, welcher gemäß einem Richtungspfeil 38 schräg zur Austrittsöffnung 22 in den Einlasskanal 10 eingeführt wird. Zur Nachbearbeitung des Kanalbodens 26 und zur fertigen Ausbildung und Ausprägung der Strömungsabrisskante 28 wird der geradzylindrische Fräser 40 entlang einer Bewegungsbahn 42 geführt, woraus sich zusammen mit dem Durchmesser des geradzylindrischen Fräsers 40 ein Bearbeitungsbereich 44 des Kanalbodens 26 durch den geradzylindrischen Fräser 40 ergibt. Der Bearbeitungsbereich 44 ist in der 1 als dreidimensionaler Bearbeitungsbereich 44 dargestellt. Die Bearbeitungsbahn 42 folgt dabei möglichst gut der Kontur des Kanalbodens 26, um optimale Strömungsquerschnitte des Einlasskanals 10 zu realisieren.
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Das Nachbearbeiten durch den geradzylindrischen Fräser 40 erfolgt dabei in derselben Aufspannposition des Zylinderkopfes beziehungsweise des Einlasskanals 10, in welcher schon die Vorbearbeitung mittels des birnenförmigen Fräsers erfolgt ist. Dies reduziert die Zeit und damit die Kosten zum Durchführen des spanabhebenden Bearbeitungsverfahren zur Ausbildung der Strömungsabrisskante 28 beziehungsweise zum Bearbeiten des Kanalbodens 26.
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Wie den 1 bis 3 zu entnehmen ist, wird die Strömungsabrisskante 28 bezogen auf die Strömungsrichtung der Ladung gemäß dem Richtungspfeil 12 unmittelbar stromauf des Ventilsitzrings 14 ausgebildet, so dass die durch die Strömungsabrisskante 28 bewirkte Tumble-Bewegung als Ladungsbewegung der Ladung sich besonders gut auf die Durchmischung des Kraftstoffs mit der Luft und damit auf einen effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Die anhand den 1 bis 3 erläuterte, zweistufige Bearbeitung des Kanalbodens 26 zur Ausbildung der Strömungsabrisskante 28 minimiert die Produktionseinflüsse des Sandgussverfahrens auf die strömungstechnischen Eigenschaften des Einlasskanals 10, woraus sich ein sehr gutes Verbrennungs-, Verbrauchs- und Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine ergibt. Außerdem bietet diese zweistufige Bearbeitung konstruktive Freiheitsgrade zur Darstellung optimaler, strömungstechnischer Eigenschaften des Einlasskanals 10 und damit zur Darstellung von verbesserten, motorischen Eigenschaften der Verbrennungskraftmaschine.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009030056 A1 [0003]
