DE102010055724A1

DE102010055724A1 - Gussteil, insbesondere Zylinderkurbelgehäuse oder Zylinderkopf mit Kühleinrichtungen für die Abfuhr der Verbrennungswärme

Info

Publication number: DE102010055724A1
Application number: DE102010055724A
Authority: DE
Inventors: Klaus Arnold; Stefan Schöffel; Roman Wagner; Frank Ungerbühler
Original assignee: NEUE HALBERG-GUSS GmbH; NEUE HALBERG GUSS GmbH
Current assignee: NEUE HALBERG-GUSS GmbH; NEUE HALBERG GUSS GmbH
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Bei einem Gussteil für ein Zylinderkurbelgehäuse ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die durch ein separates Kühlelement gebildet ist, welches ganz oder teilweise in das Gussteil eingebettet ist und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Grundmaterial des Gussteils aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gussteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gussteils.
Moderne Verbrennungsmotoren sind zunehmend auf eine erhöhte Leistung ausgelegt wie auch mit Blickpunkt auf ein geringes Gewicht im Rahmen eines Downsizing des Motors. Zwangsläufig führt dies zu Problemen bei der Wärmeableitung der im Motorbetrieb erzeugten Verbrennungswärme. Hierzu bedient man sich üblicher Weise Kühlkanälen, die in modernen Verbrennungsmotoren überall dort vorgesehen sind, wo erhöhte Temperaturbeanspruchungen auftreten, insbesondere auch in schmalen Bereichen eines Zylinderkurbelgehäuses, wie etwa den Zylinderstegen, oder im Zylinderkopf. Kritische Temperaturbereiche sind insbesondere im oberen Totpunkt der Zylinder. Das Einbringen von Kühlkanälen erfolgt hierbei über Kreuzbohrungen zwischen den Zylindern oder das Einsägen von Schlitzen bei Open-Deck-Bauweise oder durch Vorgießen von Zylinderdurchgängen mit dem Wassermantelkern aus Kernsand. Üblich ist ferner der Einsatz von Glaskernen zur Bildung von Hohlbereichen für den Durchfluss von Kühlwasser.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gussteil zu schaffen, welches sich durch eine sehr gute Wärmeableitung auszeichnet und zwar insbesondere auch in dünnwandigen Bereichen sowie in einfacher Weise herstellbar ist und sich auch für komplexe Strukturen eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet sind. Ferner zeichnet sich die Erfindung durch ein einfaches Verfahren für die Herstellung eines Gussteils mit erhöhter Wärmeableitung aus.
Nach Maßgabe der Erfindung wird als Kühleinrichtung ein Kühlelement insbesondere in Form einer Kühlplatte oder eines Kühlstreifens verwendet, welches eine weit höhere Wärmeleitfähigkeit als das Gussmaterial aufweist und damit sich für eine entsprechende Wärmeableitung eignet. Dieses kann als separates Kühlelement alternativ oder zusätzlich zu Kühldurchgängen bzw. Kühlpassagen im Gussteil angeordnet sein. Das Kühlelement kann hierbei entweder vollständig im Gussmaterial eingebettet sein oder nur teilweise. Durch die höhere Wärmeleitfähigkeit trägt diese Maßnahme zu einer guten Wärmeabfuhr bei. Bevorzugt werden derartige Kühlelemente in den Hochtemperaturbereichen eines Motors verwendet und können insbesondere auch in schmalen Bereichen eingesetzt werden, wie etwa in Zylinderstegen. Die Montage derartiger Kühlelemente erfolgt in sehr einfacher Weise. Diese werden entweder in den Kern eingeschossen oder durch Einstecken am Kern befestigt. Nach dem Gießvorgang sind die Kühlelemente fest im Gusswerkstoff integriert bzw. gehalten.
Materialmäßig sind die Kühlelemente so ausgelegt, dass diese den hohen Gießtemperaturen standhalten können ebenso wie dem Strömungsdruck und dem metallischen Lösungsvermögen des Gießmetalls. Als Werkstoffe für das Kühlelement eignen sich Metalle, Metalllegierungen, Metallverbundwerkstoffe, wie plattiertes oder galvanisch beschichtetes Material, aber auch Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Grafite und deren Mischungen. Hierbei soll das Material des Kühlelements eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50% des Gusseisenwerkstoffs aufweisen, vorzugsweise mehr als 100% und insbesondere vorzugsweise mehr als 300% als die Wärmeleitfähigkeit des Gusseisens aufweisen. Zweckmäßigerweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kühlelements ≥ 75 W/mK, insbesondere ≥ 99 W/mK. Als Material eignet sich insbesondere Reineisen mit einem Eisenanteil von etwa 99,8 bis 99,9% und ein Wärmeleitfähigkeit von ≥ 75 W/mK. Insbesondere für Gussteile aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen werden Kernspangen mit noch höherer Wärmeleitfähigkeit als im Falle von Gusseisen-Grundmaterial verwendet, wobei die Leitfähigkeit ≥ 145 W/mK, insbesondere im Bereich von 145 bis 160 W/mK liegt. Bei Verwendung von Kupfer, etwa in einer Nickelhülle, oder Graphit kann die Wärmeleitfähigkeit bis etwa 400 W/mK bzw. bis etwa 600 W/mK liegen.
Zweckmäßigerweise ist die Oberfläche des Kühlelements maximiert, was durch Ausbildung von Rippen, Noppen und Lamellen erfolgt, die in geeigneter Größe und geeignetem Abstand verwendet werden und zwar bedarfsweise je nach Anwendungsfall sowie Größe und Dicke des Kühlelements.
Bei Einbettung des Kühlelements dienen diese Vorsprünge auch zur innigeren Verzahnung mit dem Material des Gussteils.
Bekanntermaßen wird im Eisengussbereich im Stand der Technik der Wassermantelkern geschlichtet. Zweckmäßigerweise bleibt aber der eingeschossene Kühlstreifen schlichtefrei, was mit Hinsicht auf einen guten Wärmeübergang vorteilhaft ist. Erreicht werden kann dies insbesondere durch eine zusätzliche Beschichtung des Kühlelements vor dem Schlichten, die als Schutzschicht eine Schlichtung des Kühlelements verhindert bzw. die Anhaftung der Schlichte verhindert und deren Entfernung nach dem Trocknen durch Abblasen ermöglicht. Das Kühlelement kann hierbei für die verschiedensten Gießverfahren, wie insbesondere Druckguss, Kokillenguss und Sandguss eingesetzt werden. Die Beschichtung des Kühlelements kann durch Plattieren oder galvanisches oder chemisches Beschichten erfolgen oder auch durch eine keramischen Überzug. Selbstverständlich kann das Kühlelement bei den verschiedenen Metalllegierungen für Gussteile, insbesondere Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe wie Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV), mit Lamellengraphit, (GJL) oder mit Kugelgraphit (GJS) sowie Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen verwendet werden.
Verfahrensmäßig kann das Kühlelement in den Kern, d. h. den Wassermantelkern eingeschossen oder aber separat eingesteckt werden. Nach dem Gießvorgang wird das Gussteil den üblichen Standardreinigungsverfahren unterzogen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen in rein schematischer Weise beschrieben. Darin zeigen
1 eine Draufsicht auf einen Teil eines Wassermantelkerns im Bereich eines Zylinderstegs zwischen Zylindern eines Zylinderkurbelgehäuses aus Guss
2 eine Seitenansicht eines Wassermantelkerns im Bereich der Zylinder mit eingesteckten Kühlelementen im Bereich der formenden Zylinderstege sowie
3 eine schematische Seitenansicht eines Kühlelements nach dem Gießvorgang, wobei nur der Gussteilbereich um das Kühlelement dargestellt ist.
1 zeigt einen Teil eines typischen Wassermantelkerns, wie er zur gusstechnischen Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses verwendet wird. Der hier nur teilweise dargestellte Wassermantelkern ist mit 1 bezeichnet. In diesen Kern 1 ist im Zylinderstegbereich 2 zwischen zwei benachbarten Zylinderbereichen ein platten- oder streifenförmiges Kühlelement eingeschossen, welches mit 3 bezeichnet ist.
Der hier verwendete Begriff von Kühlstreifen und Kühlplatte für das Kühlelement differenziert sich dergestalt, dass Kühlstreifen ein Kühlelement ist, dessen Länge 2mal größer als dessen Breite ist, wohingegen eine Platte als Kühlelement definiert ist, welches quadratisch ist oder im Wesentlichen rechteckförmig, wobei die Länge weniger als das 2fache der Breite beträgt. Selbstverständlich ist unter Kühlstreifen und Kühlplatte auch ein Kühlelement zu verstehen, welche im Wesentlichen streifenförmig oder plattenförmig ausgestaltet ist. Auch geometrisch davon abweichende Gestaltungen können bei Eignung verwendet werden, was letztendlich auch davon abhängt, wo innerhalb des Gussteils das oder die Kühlelemente vorgesehen sind. Konturierte Kühlelemente, deren Kontur dem Zylinderverlauf ein Stück weit folgen, so dass im Zylinderstegbereich der Gusswerkstoff mit gleichbleibender Dicke ausgeführt ist, können auch zum Einsatz kommen.
2 zeigt einen Wassermantelkern mit zwei benachbarten Kühlstreifen 3, die im kritischen Temperaturbereich eines Zylinderkurbelgehäuses platziert sind, nämlich im Bereich des oberen Totpunkts der Zylinder, wo die höchste Temperatur während des Verbrennungsvorgangs des Motor erreicht wird.
Das Kühlelement als Kühlstreifen oder Kühlplatte kann entweder in den Wassermantelkern eingeschossen sein oder aber in den Wassermantelkern gesteckt sein. Beim Gießvorgang wird das Kühlelement je nach Anordnung im Wassermantelkern ganz oder teilweise umgossen und damit in das Gussteil fest eingegossen und dient dort zur Wärmeableitung.
Das Kühlelement zeichnet sich dadurch aus, dass es eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als das Gussteil, also das gegossene Material aufweist, dessen Wärmeleitfähigkeit in etwa 42 W/mK, bei Gusseisenwerkstoffen, beträgt. Im Falle der teilweisen Einbettung steht das Kühlelement entsprechend über das Gussteil vor und bildet sozusagen zusätzliche Kühlrippen.
Das Kühlelement ist hierbei aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit gebildet, insbesondere einer Wärmeleitfähigkeit, die wenigstens 50% höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Gussmaterials. Ein solches Kühlelement trägt somit zur besseren Wärmeableitung insbesondere in Hochtemperaturbereichen eines Zylinderkurbelgehäuses oder Zylinderkopfes bei.
Das Material des Kühlelements muss hierbei der Gießtemperatur des Werkstoffs standhalten ebenso wie dem Strömungsdruck und dem metallischen Lösungsvermögen des Gießmetalls. Als Materialien können sowohl Metalle, Metalllegierungen, Metallverbundwerkstoffe, wie plattiertes oder galvanisch beschichtetes Material verwendet werden, aber auch Keramikmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Das Kühlelement kann insbesondere an den beiden Hauptflächen, also den großen Platten- oder Streifenoberflächen mit einer oberflächenvergrößernden Struktur, insbesondere Verrippungen oder mit Noppen versehen sein oder als Lamellenstruktur ausgebildet sein, also dünne Rippen oder eng benachbarten Plättchen, welche die wirksame Oberfläche vergrößern und damit den Wärmeableitungseffekt noch verstärken.
3 zeigt exemplarisch und in rein schematischer Weise einen Schnitt durch ein Kühlelement 3, welches beidseits an den großen Platten- oder Streifenoberflächen von Gussmaterial bedeckt ist. Das dargestellte Kühlelement ist hierbei aus Vollmaterial gebildet, weist also keine Hohlräume auf. Mit diesen Kühlelementen lassen sich auch dünnwandige Bereiche eines Zylinderkurbelgehäuses in punkto einer guten Wärmeableitung auslegen, so dass man bedarfsweise ohne dort integrierte Kühlkanäle auskommen kann. Selbstverständlich können die Kühlelemente auch im Verbund mit entsprechenden Kühlkanälen verwendet werden. Die Kühlelemente rechnen sich insbesondere bei komplex gestalteten Bereichen eines Gehäuses, insbesondere dünnwandigen Bereichen, sind bzgl. des Anwendungsfalls aber nicht darauf beschränkt.

Claims

Gussteil, insbesondere Zylinderkurbelgehäuse oder Zylinderkopf mit Kühleinrichtungen für die Abfuhr der Verbrennungswärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung mindestens ein separates, ganz oder teilweise in das Gussteil eingebettetes Kühlelement (3) aufweist, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Grundmaterial des Gussteils aufweist.
Gussteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) durch eine Kühlstreifen, eine Kühlplatte oder ein konturiertes Kühlelement gebildet ist.
Gussteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement aus einem Material gebildet ist, dessen Wärmeleitfähigkeit ≥ 50%, vorzugsweise ≥ 100%, insbesondere bevorzugt ≥ 300% größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Gusseisen
Gussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kühlelements (3) ≥ 75 W/mK, insbesondere ≥ 100 W/mK, insbesondere bevorzugt ≥ 145 W/mK beträgt.
Gussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) aus Metall, insbesondere einer Metalllegierung, Metallverbundwerkstoff, wie plattiertes oder galvanisch beschichtetes Material, aus keramischem Material, oder auf Kupfer- oder Grafitbasis oder einem Verbund aus diesen Materialien gebildet ist.
Gussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen des Kühlelements (3), insbesondere dessen Hauptflächen mit einer oberflächenvergrößernden Struktur, insbesondere mit rippen-, lamellen- oder noppenartigen Vorsprüngen ausgebildet ist, die vorzugsweise eng beabstandet zueinander angeordnet sind.
Gussteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur für die Einbettung in das Gussteil eine Verzahnung mit dem Gussmaterial bildet und in das Gussteil eingebettete Bereiche als Kühlrippen oder Kühllamellen bilden.
Gussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) schlichtefrei ist.
Gussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) mit einer Schutzschicht gegen hohe Gießtemperaturen geschützt ist, die insbesondere durch Plattieren, galvanisches oder chemisches Beschichten erfolgt oder die Beschichtung aus einem keramischen Überzug ausgebildet ist.
Gussteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) im Zylindersteg (2) insbesondere im oberen Totpunktbereich des Zylinders und/oder im Zylinderkopf angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gussteils mit Kühlkanälen, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses oder eines Zylinderkopfes nach einem der vorhergehenden Ansprüche unter Verwendung eines Wassermantelkernes, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement in den Wassermantelkern gesteckt oder mit in den Wassermantelkern eingeschossen wird und das Gussteil unter Verwendung dieses Wassermantelkerns gegossen wird.