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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf einen Verbundzylinderkopf für einen Verbrennungsmotor.
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HINTERGRUND
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Während des Motorbetriebs kann ein Zylinderkopf Kühlung benötigen und ein Fluidmantelsystem, das ein Kühlmittel, wie z. B. Wasser, enthält, kann vorgesehen sein. Verschiedene Bereiche des Zylinderkopfs können unter Belastung stehende Zonen mit einem geringen Packagingraum sein. Der Kopf kann unter Verwendung von Prozessen, darunter Gießen und Formen in einem Werkzeug, gebildet werden. Der Kopf kann verschiedene Merkmale aufweisen, wie z. B. komplexe Formen und Fluid durchgänge für einen Kühlmantel, ein Schmiersystem und dergleichen. Die Bereitstellung dieser komplexen Formen und Durchgänge kann sich schwierig gestalten. Beispielsweise kann ein Sandkern oder anderer Schmelzkern bei einem Niederdruckprozess zur Herstellung der gewünschten Merkmale verwendet werden; jedoch können sich Beschränkungen aufgrund der kleinen Abmessungen des gewünschten Merkmals, basierend auf Packagingbeschränkungen, aufgrund dessen, dass das Kernmaterial einem Hochdruckprozess nicht standhalten kann, dass das Kernmaterial zerdrückt wird, dass das Kernmaterial sich während des Prozesses verschiebt und dass der resultierende Zylinderkopf gewünschte Merkmale verliert oder anderweitig unvollständig ist, ergeben. Darüber hinaus stellen in das Verbundmaterial maschinell eingearbeitete oder direkt eingeformte Kühldurchgänge möglicherweise bei einem aus einem Verbundmaterial gebildeten Zylinderkopf ein unzulängliches Wärmemanagement und eine unzulängliche Kühlung für den Kopf während des Motorbetriebs bereit.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Ein inneres Strukturglied aus Metall weist eine erste Platte auf, die eine Deckfläche des Zylinderkopfs bildet und eine Reihe von gewölbten Zylinderdächern bildet. Das innere Glied weist Zylinderkopfschraubensäulen, die sich von der ersten Platte erstrecken, Auslassventilführungen, die durch erste Stützarme mit der ersten Platte verbunden sind, Einlassventilführungen, die durch zweite Stützarme mit der ersten Platte verbunden sind, und eine zweite Platte, die zur Befestigung an einem Auslasskrümmer konfiguriert ist und sich in einem Winkel zur ersten Platte erstreckt, auf. Ein äußeres Verbundglied wird durch das innere Glied gestützt und bildet einen Körper des Zylinderkopfs, der eine Einlassseitenwand, eine erste und eine zweite Endwand und eine der Deckfläche gegenüberliegende obere Wand umfasst. Das äußere Glied definiert einen Kühlmantel, Einlasskanäle und Auslasskanäle. Fluiddurchgänge des Kühlmantels werden durch Metallwände gebildet, die mit dem Verbundmaterial des äußeren Glieds in Kontakt stehen und von diesem umgeben sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Zylinderkopf bereitgestellt, wobei ein inneres Strukturglied eine Platte, die eine Deckfläche des Zylinderkopfs bildet und mindestens ein gewölbtes Zylinderdach bildet, und mehrere Zylinderkopfschraubensäulen, die sich von der Platte erstrecken, aufweist. Ein äußeres Glied wird durch das innere Strukturglied gestützt und bildet einen Kühlmantel, Einlasskanäle und Auslasskanäle.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Ein Struktureinsatz und ein Schmelzkerneinsatz werden in einem Werkzeug positioniert. Der Schmelzkerneinsatz ist dahingehend geformt, einen Kühlmantel zu bilden, und weist ein Schmelzkernmaterial auf, das in einer Metallschale allgemein eingekapselt ist. Es wird Material in das Werkzeug eingespritzt, um einen Körper zu bilden, der den Struktureinsatz und den Schmelzkerneinsatz umgibt, wodurch ein Kopfvorformling gebildet wird.
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Mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht einschränkende Vorteile verbunden. Beispielsweise wird bei einem zumindest teilweise aus einem Verbundmaterial gebildeten Block ein spezielles Wärmemanagement für jegliche Wärmegradienten-Hotspots benötigt, da das Verbundmaterial aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit als ein Isolator wirkt. Ein unabhängiger hohler Aluminiumkern, der in Kontakt mit einer Hochtemperaturquelle, beispielsweise dem Verbundzylinderkopf, verschachtelt ist, sorgt für einen Fluidmantel mit Wärmemanagement des Kopfes. Das Kühlmittel wird dazu verwendet, Wärme aus dem Motorzylinderkopf heraus zum Wärmetauscher, z. B. einem Kühler, abzuziehen. Der Fluidstromdurchgang ist in dem hohlen Aluminiumkern enthalten, in das umgebende Gehäuse eingeformt oder gegossen, wie z. B. einen angeformten Verbundzylinderblock.
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Die Oberfläche der äußeren Fläche des Fluidstromdurchgangs steht in direktem Kontakt mit dem Verbundmaterial und/oder dem sie haltenden Aluminiumlegierung-Druckgussteil. Der Durchgang stellt eine Wärmeflussleitung bereit, die überschüssige Wärme aus solchen Zonen entzieht, die dimensionale Stabilität erfordern, wobei die äußere Fläche oder Schale aus einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt ist, das Wärme effizient abführt und leitet. Der Kühlmanteleinsatz mit einer Aluminiumschale über dem Salzkern stellt eine Struktur zum Schutz des Salzkerns gegen Brechen oder anderweitiges Auflösen während des Herstellungsprozesses bereit. Der resultierende Kühlmittelkreislauf oder Kühlmantel im Kopf weist dünne Wände und Passagen mit einem kleineren Querschnitt auf. Der Kühlmanteleinsatz gestattet eine genaue Positionssteuerung und auch Kontrolle über die physische Form der Fluiddurchgänge für eine optimierte Wärmeübertragung aufgrund verbesserter Strömungskreislaufkonfigurationen, die sonst mit herkömmlichen Sandkernen oder Hochdruckguss- oder Formwerkzeugbeschränkungen nicht möglich wären. Die dünnen Querschnitte der Fluiddurchgänge gestatten, dass Kühlmittel neben die Hochtemperaturflussbereiche, wie Ventilsitze im Kopf, platziert werden. Ein Struktureinsatz wird mit dem Kopf verwendet, um dem Kopf zusätzliche Festigkeit zu verleihen, beispielsweise bei Verwendung mit einem Verbundmaterial, und führt zu einem Motor mit einem reduzierten Gewicht und einer erhöhten Kraftstoffeffizienz.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors dar, der zur Implementierung der offenbarten Ausführungsformen konfiguriert ist;
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2 stellt eine auseinandergezogene Ansicht des Zylinderkopfs von 2 dar;
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3 stellt eine Teilschnittansicht eines Zylinderkopfs gemäß einer Ausführungsform dar;
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4 stellt eine weitere Schnittansicht des Zylinderkopfs von 2 dar; und
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5 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausbilden des Zylinderkopfs von 2 dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hierin offenbart werden, sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist.
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1 stellt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 20 dar. Der Motor 20 weist mehrere Zylinder 22 auf, und ein Zylinder wird dargestellt. Der Motor 20 kann mehrere verschiedenartig angeordnete, darunter in Reihenkonfiguration und V-Konfiguration, Zylinder umfassen. Der Motor 20 weist eine Brennkammer 24 auf, die jeweils einem Zylinder 22 zugeordnet ist. Der Zylinder 22 wird durch Zylinderwände 32 und eine Kolbenanordnung 34 gebildet. Die Kolbenanordnung 34 ist mit einer Kurbelwelle 36 verbunden. Die Brennkammer 24 steht mit dem Einlasskrümmer 38 und dem Auslasskrümmer 40 in Strömungsverbindung. Ein Einlassventil 42 steuert den Strom vom Einlasskrümmer 38 in die Brennkammer 30. Ein Auslassventil 44 steuert den Strom von der Brennkammer 24 zum Auslasskrümmer 40. Das Einlass- und Auslassventil 42, 44 können zur Steuerung des Motorbetriebs auf verschiedene Weisen, die in der Technik bekannt sind, betrieben werden.
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Ein Kraftstoffeinspritzventil 46 führt Kraftstoff aus einem Kraftstoffsystem direkt in die Brennkammer 30 zu, so dass es sich bei dem Motor um einen Motor mit Direkteinspritzung handelt. Ein Niederdruck- oder Hochdruckkraftstoffeinspritzsystem kann mit dem Motor 20 verwendet werden, oder in anderen Beispielen kann ein Saugkanaleinspritzsystem verwendet werden. Ein Zündsystem umfasst eine Zündkerze 48, die dahingehend gesteuert wird, Energie in Form eines Funkens zum Entzünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 24 bereitzustellen. Bei weiteren Ausführungsformen können andere Kraftstoffzufuhrsysteme und Zündsysteme oder -methoden, darunter Selbstzündung, verwendet werden.
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Der Motor 20 umfasst eine Steuerung und verschiedene Sensoren, die dazu konfiguriert sind, der Steuerung Signale zur Verwendung beim Steuern der Luft- und Kraftstoffzufuhr zum Motor, des Zündzeitpunkts, der Leistungs- und Drehmomentabgabe vom Motor und dergleichen bereitzustellen. Motorsensoren können unter anderem einen Sauerstoffsensor im Auslasskrümmer 40, einen Motorkühlmitteltemperatursensor, einen Fahrpedalstellungssensor, einen Motorkrümmerdruck(MAP)-Sensor, einen Motorpositionssensor für die Position der Kurbelwelle, einen Luftmassensensor im Einlasskrümmer 38, einen Drosselklappenstellungssensor und dergleichen umfassen.
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Bei einigen Ausführungsformen wird der Motor 20 als die einzige Antriebsquelle bei einem Fahrzeug, wie z. B. einem herkömmlichen Fahrzeug oder einem Stopp-Start-Fahrzeug, verwendet. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Motor in einem Hybridfahrzeug verwendet werden, wobei eine zusätzliche Antriebsquelle, wie z. B. eine elektrische Maschine, zur Bereitstellung zusätzlicher Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht.
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Jeder Zylinder 22 wird in einem Viertaktprozess betrieben, der einen Einlasshub, einen Verdichtungshub, einen Zündhub und einen Auslasshub umfasst. In anderen Beispielen kann der Motor in einem Zweitaktprozess betrieben werden. Während des Einlasshubs öffnet sich das Einlassventil 42 und das Auslassventil 44 schließt, während sich die Kolbenanordnung 34 von der Oberseite des Zylinders 22 zur Unterseite des Zylinders 22 bewegt, um Luft vom Einlasskrümmer in die Brennkammer 24 einzutragen. Die Position der Kolbenanordnung 34 an der Oberseite des Zylinders 22 ist allgemein als oberer Totpunkt (TDC – Top Dead Center) bekannt. Die Position der Kolbenanordnung 34 an der Unterseite des Zylinders ist allgemein als unterer Totpunkt (BDC – Bottom Dead Center) bekannt.
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Während des Verdichtungshubs werden das Einlass- und Auslassventil 42, 44 geschlossen. Der Kolben 34 bewegt sich vom unteren Ende zum oberen Ende des Zylinders 22, um die Luft in der Brennkammer 24 zu komprimieren.
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Dann wird Kraftstoff in die Brennkammer 24 eingeleitet und gezündet. Bei dem gezeigten Motor 20 wird der Kraftstoff in die Kammer 24 eingespritzt und wird dann unter Verwendung der Zündkerze 48 gezündet. In anderen Beispielen kann der Kraftstoff durch Selbstzündung gezündet werden.
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Während des Verbrennungshubs dehnt sich das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 24 aus, wodurch eine Bewegung des Kolbens 34 vom oberen Ende des Zylinders 22 zum unteren Ende des Zylinders 22 verursacht wird. Die Bewegung der Kolbenanordnung 34 verursacht eine entsprechende Bewegung der Kurbelwelle 36 und bewirkt eine mechanische Drehmomentabgabe vom Motor 20. Der Verbrennungsprozess, der den Verbrennungshub verursacht, erzeugt Lasten und Kräfte am Motor 20. Eine durch das Verbrennungsereignis in der Kammer 24 verursachte Kraft am Motor übt eine Kraft auf die Fläche 50 des Kolbens 34 aus, und mindestens ein Teil der Kraft bewegt sich die Pleuelstange 52 herunter zu dem Hauptlager und der Kurbelwelle 36. Diese Kraft am Hauptlager kann als eine Reaktionskraft bezeichnet werden. Das Verbrennungsereignis in der Kammer 24 bewirkt auch eine Kraft am Zylinderkopf 62, die Befestigungspunkte, wie z. B. Kopfschrauben, zwischen dem Zylinderkopf 62 und einem Zylinderblock 60 belastet. Die Kraft an dem Zylinderkopf und den Kopfschrauben kann auch als eine Verbrennungskraft bezeichnet werden.
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Während des Auslasshubs bleibt das Einlassventil 42 geschlossen, und das Auslassventil 44 öffnet sich. Die Kolbenanordnung 34 bewegt sich von der Unterseite des Zylinders zur Oberseite des Zylinders 22, um die Abgase und Verbrennungsprodukte durch eine Reduzierung des Volumens der Kammer 24 aus der Brennkammer 24 zu entfernen. Die Abgase strömen aus der Brennkammer 24 und dem Zylinder 22 zum Auslasskrümmer 40 und zu einem Nachbehandlungssystem, wie z. B. einem Abgaskatalysator.
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Die Stellungen und Steuerzeiten des Einlass- und Auslassventils 42, 44 sowie der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt können für die verschiedenen Motortakte variiert werden.
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Der Motor 20 kann einen Zylinderblock 60 aufweisen. Ein Zylinderkopf 62 ist mit dem Block 60 verbunden und wirkt mit dem Block zur Bildung der Zylinder 22 und Brennkammern 24 zusammen. Der Kopf 62 umschließt die Brennkammer 24 und stützt des Weiteren die verschiedenen Ventile 42, 44 und das Einlass- und das Auslasssystem 38, 40. Eine Zylinderkopfdichtung oder ein anderes Dichtglied kann zwischen dem Block 60 und dem Kopf 62 dahingehend positioniert sein, die Brennkammer 24 abzudichten.
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Der Zylinderkopf 62 weist eine Deckfläche 66 auf, die mit einer entsprechenden Blockdeckfläche und der Dichtung zusammenwirkt, wenn sich der Motor 20 im zusammengebauten Zustand befindet. Der Kopf 62 weist gewölbte Zylinderdächer 68 oder andere Endwände auf, die mit den Zylinderwänden des Blocks 60 zur Bildung der Brennkammern 24 zusammenwirken. Die Zylinderdächer 68 sind konkav und können verschiedene Formen aufweisen, darunter bohnenförmig, pyramidenförmig, halbkugelförmig, winkelförmig und dergleichen. Die Dächer 68 definieren die Ventilsitze für das Einlass- und das Auslassventil 42, 44.
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In dem Motor 20 kann des Weiteren ein Fluidkreislauf 70 mit Fluiddurchgängen in dem Block 60 und/oder dem Kopf 62 zur Bereitstellung eines Stroms von Fluid, wie z. B. Kühlmittel oder Schmiermittel, durch den Motor zum Kühlen und/oder zum Schmieren vorgesehen sein. Der Fluidkreislauf kann des Weiteren einen Behälter, eine Pumpe 72, einen oder mehrere Wärmetauscher, wie z. B. einen Kühler oder eine Fahrgastraum-HVAC-Heizung (HVAC – Heating, Ventilation and Air Conditioning; Heizung, Lüftung und Klimatisierung), Ventile und andere Vorrichtungen umfassen.
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2 stellt eine auseinandergezogene schematische Ansicht eines Zylinderkopfs 100 gemäß einer Ausführungsform dar. Der Zylinderkopf 100 kann gemäß einem Beispiel als Kopf 62 bei dem Motor 20 verwendet werden. Der Kopf 100 wird aus mehreren Komponenten oder Elementen gebildet, die zusammen geformt werden, um die Struktur des Kopfs gemäß der folgenden Beschreibung bereitzustellen. Obgleich der Kopf 100 auseinandergezogen dargestellt wird, wäre es in der Realität nicht möglich, die Struktur nach dem Formen auf diese Art und Weise auseinanderzubauen. Mindestens einige der Komponenten oder Elemente können zur Bereitstellung eines „Verbund“kopfs aus einem Verbundmaterial hergestellt sein. Das Verbundmaterial kann bis zu 50 % kohlefaserverstärktes thermoaushärtendes Verbundharz umfassen, wobei das Harz auf Ester basiert oder auf Polyester basiert. In anderen Beispielen können andere Fasern, Teilchen oder Materialien in Verbindung mit dem Harz verwendet werden. Das Verbundmaterial kann eine gleichförmige Zusammensetzung aufweisen oder kann aus einer nicht gleichförmigen Zusammensetzung hergestellt sein. Der Zylinderkopf 100 wird zur Verwendung bei einem Vierzylinderreihenmotor dargestellt, jedoch können auch andere Konfigurationen in Betracht gezogen werden.
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In weiteren Beispielen, die im Folgenden beschrieben werden, kann der Motorzylinderkopf aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einem anderen Metall gegossen sein. In einem weiteren Beispiel kann der Motorzylinderkopf aus einem Verbundmaterial, darunter einem faserverstärkten Harz, oder anderen geeigneten Materialien gegossen oder geformt sein. Zusätzliche nicht einschränkende Beispiele von Verbundmaterialien und einem zugehörigen Prozess umfassen: ein thermoaushärtendes gemischtes Polyester/Vinylester-Harz mit Kohlefaser in einem Langfaserfüllstoff, das bei einem vakuumunterstützten Formpressprozess verwendet wird, einen eine Druckverformungsfüllung aufweisenden thermoaushärtenden Vinylester mit Kohlefaser in einem lang- und kurzfasergefüllten Gemisch, der bei einem vakuumunterstützten Formpressprozess verwendet wird, ein phenolkohlefasergefülltes verstärktes thermoaushärtendes Verbundmaterial, das bei einem Spritzgussprozess verwendet wird, ein biofasergefülltes thermoaushärtendes Vinylester-Verbundmaterial, das bei einem Blasformprozess verwendet wird, und ein glasgefülltes Polyester/Polyamid-Verbundmaterial, das bei einem Spritzgussprozess verwendet wird. Die Offenbarung ist nicht auf die hier enthaltenen Verbundmaterialien und Formprozesse beschränkt, und zusätzliche Materialien und Prozesse können gemäß dem Gedanken und Schutzumfang der Offenbarung verwendet werden.
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Der Kopf 100 ist als ein einstückiges Endstück ausgebildet, das eine minimale Nachbearbeitung wie z. B. maschinelle Bearbeitung, insbesondere für Fluiddurchgänge oder für Ventilführungen erforderlich macht. Der Kopf 100 weist ein inneres Glied 102 und ein äußeres Glied 104 auf.
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Das innere Glied 102 stellt die strukturelle Abstützung für den Kopf 100 bereit. Das innere Glied 102 kann aus einem Metall, wie z. B. Aluminium, einer Aluminiumlegierung, einer Eisenlegierung oder dergleichen gebildet sein. Das Glied 102 kann in einem Beispiel eine einzige integrale Komponente sein.
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Das Glied 102 weist eine Platte 104 auf, die mindestens einen Abschnitt der Deckfläche 106 des Zylinderkopfs 100 bereitstellt. Die Platte 104 und die Deckfläche bilden eine Reihe von gewölbten Zylinderdächern 108, die in 3–4 deutlicher dargestellt werden. Die gewölbten Zylinderdächer 108 stellen die Einlass- und Auslasskanäle für jeden Zylinder und jede Brennkammer bereit.
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Das innere Glied 102 weist des Weiteren eine Reihe von Kopfschraubensäulen 110 auf, die sich von der Platte 104 weg erstrecken. Die Kopfschraubensäulen 110 definieren eine mit einem Gewinde versehene Bohrung, eine Bohrung ohne Gewinde oder dergleichen, durch die sich die Kopfschrauben hindurch erstrecken und mit dem Block zum Zusammenbau des Motors zusammenwirken. Bei dem vorliegenden Beispiel sind die Kopfschraubensäulen 110 allgemein zylinderförmig und sind entlang der Länge der Platte 104 und auf beiden Seiten der Zylinderdächer 108 mit der Platte 104 verbunden. In einem weiteren Beispiel können die Kopfschraubensäulen 110 andere Formen aufweisen und können als symmetrische Paare oder asymmetrisch angeordnet sein.
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Das innere Glied 102 weist des Weiteren Einlassventilführungen 112 auf, die durch Stützarme 114 mit der Platte 104 verbunden sind. Die Einlassventilführungen 112 stützen den Ventilkörper der Einlassventile und richten diesen aus.
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Das innere Glied 102 weist Auslassventilführungen 116 auf, die durch Stützarme 118 mit der Platte 104 verbunden sind. Die Auslassventilführungen stützen den Ventilkörper der Auslassventile und richten diesen aus und schützen den Ventilkörper wärmetechnisch vor hohe Temperaturen aufweisenden Abgasen.
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Eine Platte 120 ist mit der Platte 104 verbunden und ist Teil des inneren Glieds 102. Die Platte 120 weist eine Befestigungsfläche auf, die zur Befestigung an einem Auslasskrümmer für den Motor konfiguriert ist. Die Platte ist somit auf der Auslassseite des Blocks positioniert und kann zumindest einen Abschnitt der Auslassseite bilden. Die Platte 120 bildet eine Reihe von Durchlässen 122, durch die die Abgase zum Krümmer strömen. Die Platte 120 kann in einem Winkel zur Platte 104 verbunden sein, beispielsweise kann die Platte 120 im Wesentlichen senkrecht zur Platte 104 sein. Die Platte 120 kann entlang einem ersten unteren Rand 124 mit der Platte 104 verbunden sein. Die Platte 120 kann entlang einem zweiten gegenüberliegenden oberen Rand 126 mit einer anderen Struktur, wie z. B. den Auslassventilführungen 116, unter Verwendung eines Brückenglieds 128 verbunden sein. In anderen Beispielen kann das Brückenglied 128 die Platte 120 mit den Kopfschraubensäulen 110 verbinden oder kann die Ventilführungen 116 mit den Kopfschraubensäulen 110 verbinden. Durch die Anbindung der Auslassventilführungen 116 und der Platte 120 unter Verwendung der zusätzlichen Struktur des Brückenglieds 128 kann die Festigkeit des Kopfs 100 erhöht werden, und Verformungen aufgrund von Biegekräften und -momenten, Torsionskräften und -momenten und Wärmeverformungen können verringert werden.
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Die Platte 104 kann Durchlässe 130 aufweisen, die dahingehend ausgebildet sind, dass sie sich über die Platte 104 hinweg erstrecken, um einen Fluidstrom dort hindurch zu gestatten. Beispielsweise können die Durchlässe 130 für einen Kühlmittelstrom in den Kopf 100 von einem entsprechenden Kühlmantel in dem Block sorgen. Die Durchlässe 130 können des Weiteren für Schmierungs- oder Ölablassdurchgänge zurück zu dem Block und dem Behälter sorgen.
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Der Kopf 100 weist des Weiteren ein äußeres Glied 150 auf. Das äußere Glied 150 kann aus einem zweiten unterschiedlichen Material als das innere Strukturglied 102 gebildet sein und ist in einem weiteren Beispiel aus einem Verbundmaterial gebildet, wie oben beschrieben wird. Das äußere Glied 150 wird beispielsweise bei einem Formprozess als ein integrales Teil um das innere Glied 102 herum ausgebildet.
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Das äußere Glied 150 bildet die Oberseite 152 oder obere Seite oder Wand des Kopfes 100, die Einlassseite 154 oder Einlassseitenwand des Kopfes und eine erste und eine zweite Endseite 156 oder Endwand des Kopfes. Das äußere Glied 150 kann einen Abschnitt der Deckfläche 106 in Verbindung mit dem inneren Glied 102 bilden. Das äußere Glied 150 kann des Weiteren einen Abschnitt der Auslassseite 158 oder Auslassseitenwand in Verbindung mit der Platte 120 des inneren Glieds 102 bilden. Die Oberseite 152 liegt der Deckfläche 106 allgemein gegenüber und kann eine Abdeckung oder ein zusätzliches Glied zum Abdichten des Motors erfordern.
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Das äußere Glied 150 definiert die Einlass- und Auslassdurchgänge und -kanäle für den Kopf 100. Die Einlass- und Auslassdurchgänge und -kanäle können Wände aufweisen, die durch das Material des äußeren Glieds 150 gebildet werden, so dass die Struktur des äußeren Glieds, z. B. das Verbundmaterial, in direktem Kontakt mit den Einlass- und/oder Abgasen steht. In anderen Beispielen können die Einlass- und Auslassdurchgänge und/oder -kanäle Wände aufweisen, die mit einem Metall ausgekleidet sind, so dass die Metallauskleidung zwischen der Struktur des äußeren Glieds, z. B. dem Verbundmaterial, und den Einlass- und/oder Abgasen positioniert ist. Bei dem Metall kann es sich um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handeln.
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Das äußere Glied 150 definiert verschiedene Fluidmäntel. Das äußere Glied 150 kann einen einzigen internen Kühlmantel bereitstellen oder kann einen oberen und einen unteren Kühlmantel bereitstellen usw. Das äußere Glied 150 definiert die Fluiddurchgänge für die Fluidmäntel und kann des Weiteren mindestens einige der Einlässe und Auslässe zu den Mänteln bereitstellen. Das äußere Glied 150 kann des Weiteren einen Schmiermantel oder Durchgänge für ein Schmiersystem umfassen.
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Der durch das äußere Glied 150 definierte Kühlmantel wird durch Fluiddurchgänge gebildet. Diese Fluiddurchgänge weisen eine Metallwand oder Metallauskleidung auf, die zwischen dem durch den Durchgang selbst bereitgestellten offenen Leerraum und der Verbundstruktur des äußeren Glieds 150 positioniert ist. Bei dem Metall kann es sich um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handeln.
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Die Durchgänge für den Kopf 100 können in dem äußeren Glied 150 durch einen oder mehrere Einsätze, darunter Schmelzkerneinsätze, während des Herstellungsprozesses ausgebildet werden, wie im Folgenden beschrieben wird. In der Darstellung ist der Einsatz 170 der Einsatz zum Ausbilden von Fluiddurchgängen in einem Kühlmantel für den Kopf 100. Der Einsatz 170 wird vor der Verwendung mit dem Werkzeug zur Ausbildung des Kopfs ausgebildet. Der Einsatz 170 umfasst einen Schmelzkernbereich 172. Der Schmelzkern 172 kann ein Salzkern, ein Sandkern, ein Glaskern, ein Schaumstoffkern oder gegebenenfalls ein anderes Schmelzkernmaterial sein. Eine Schale 174 umgibt oder kapselt den Schmelzkern 172 derart ein, dass er mindestens einen Abschnitt der äußeren Fläche des Schmelzkerns 172 abdeckt. Die Schale 174 kann aus einem Metall, darunter Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gebildet sein. Der Kern 172 wird allgemein in der gewünschten Form und Größe eines Abschnitts des Fluiddurchgangs oder im Wesentlichen eines gesamten Durchgangs bereitgestellt. In dem gezeigten Beispiel bildet der Schmelzkern 172 die Form eines Fluiddurchgangs für den Kühlmantel im Kopf 100. In weiteren Beispielen werden der Einsatz 170 und der Schmelzkern 172 mit einer Form und Dimensionierung zur Ausbildung anderer innerer Durchgänge in dem äußeren Glied 150, darunter Einlass- und/oder Auslassdurchgänge, versehen. In einem Beispiel stellt ein Einsatz 170 den Kühlmantel in dem Kopf 100 bereit. In weiteren Beispielen wirken mehrere Einsätze 170 dahingehend zusammen, Durchgänge, z. B. Einlass- und/oder Auslassdurchgänge, in dem Kopf auszubilden.
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Der Einsatz 170 kann verschiedene Kontaktpunkte, Kontaktflächen und Stege, die einen direkten Kontakt zwischen der Aluminiumschale 174 und der Platte 120 bereitstellen, umfassen. Der direkte Kontakt zwischen den beiden Metallkomponenten sorgt für einen Wärmeübertragungspfad zum Kühlmittel in den durch den Einsatz gebildeten Durchgängen und verbessert die Kühlung der Motorkomponente. Die Kontaktpunkte zwischen dem Einsatz 170 und der Platte 120 können an strategischen Stellen, z. B. in Hochtemperaturflusszonen aufgrund einer natürlichen Verbrennungsereigniswärmezunahme platziert werden, so dass konduktive Wärme in und entlang diesen Leitungen von Kontaktpunkten oder Stegen gemanagt werden kann. Beispielsweise können die Aluminiumschale 174 und die Platte entlang einer oberen Fläche der Platte 120 und in dem Bereich der Brennkammerwand in direktem Kontakt zueinander stehen. Der direkte Kontakt stellt einen Leitpfad zur Ableitung von Wärme von dem Kopf weg bereit. In einem Beispiel, das im Folgenden in 4 gezeigt wird, wird ein Leitpfad zur direkten Wärmeübertragung durch die obere Wand der Brennkammer 108 zur Schale 174 und zum Kühlmittel in einem Fluiddurchgang bereitgestellt. Die Kontaktpunkte zwischen der Aluminiumschale 174 und der Platte 120 werden für die gesamte Lebensdauer der Komponente basierend auf dem umgebenden äußeren Glied 150, z. B. einer umspritzten Verbundstruktur, aufrechterhalten.
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Einige der Durchgänge in dem äußeren Glied 150 des Kopfs 100 können unter Verwendung einer Formstruktur am Werkzeug gebildet werden oder können unter Verwendung eines Schmelzmaterialeinsatzes oder eines Einsatzes, der aus einem Schmelzkernmaterial ohne eine Metallschale hergestellt ist, gebildet werden, z. B. die Einlassdurchgänge mit eine niedrigere Temperatur aufweisenden Gasen und reduzierten Erosionsproblemen.
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Während des Betriebs des Motors wird eine Hin- und Herbewegung der Kolben in den Zylindern in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umgewandelt. Während des Betriebs des Motors werden die Kopfschrauben und die Schrauben des Kurbelwellenhauptlagers aufgrund von Kräften am Motor, die durch die Verbrennung in den Zylindern bewirkt werden, und ihren entsprechenden Reaktivlasten oder -kräfte belastet. Diese Kräfte können erhebliche Spannung und Ermüdung am Motor und am Motorkopf verursachen. Das innere Glied 102 verleiht dem Kopf eine zusätzliche Strukturstärke durch eine direkte Verbindung der Kopfschraubensäulen des Kopfs mit der des Blocks, so dass sich Verbundmaterial oder das Material des äußeren Glieds 150 nicht direkt im Lastpfad befindet. Im Hinblick auf eine Gewichtsreduzierung bei der Motorkonstruktion kann der Motorkopf aus alternativen Materialien hergestellt sein, wie z. B. einer Aluminiumlegierung, einem Verbundmaterial und dergleichen. Der Einsatz 102 kann aus einem vom Kopf verschiedenen Material hergestellt sein, z. B. einer Eisen- oder Aluminiumlegierung, um die gewünschte Festigkeit für den Kopf und den Motor bereitzustellen und als die primäre lasttragende Struktur in dem Kopf für die Kopfschrauben zu wirken, bei gleichzeitiger Dimensionierung für den begrenzten Packagingraum.
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3 stellt eine Teilschnittansicht des Zylinderkopfs 100 dar. Der Struktureinsatz 102 weist in der Darstellung eine Platte 104 auf, die die Deckfläche 106 bereitstellt. Die Platte 104 definiert einen gewölbten Bereich als das Zylinderdach 108, der des Weiteren einen Einlassventilsitz oder -durchlass 202 und einen Auslassventilsitz oder -durchlass 204 definiert.
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Das äußere Glied 150 bildet einen Einlasskanal 206 oder -durchgang, der mit dem Einlassdurchlass 202 strömungsverbunden ist und diesem Einlassgase, z. B. Luft, zuführt. Der Einlasskanal 206 weist in der Darstellung kein Schmelzkernmaterial auf und in einem Beispiel ist das Schmelzkernmaterial bereits von dem Kopf 100 entfernt worden.
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Das äußere Glied 150 bildet einen Auslasskanal 208 oder -durchgang, der mit dem Auslassdurchlass 204 strömungsverbunden ist und von diesem Abgase empfängt. Der Auslasskanal 208 weist in der Darstellung kein Schmelzkernmaterial auf und in einem Beispiel ist das Schmelzkernmaterial bereits von dem Kopf 100 entfernt worden. Der Auslasskanal 208 weist in der Darstellung Wände auf, die durch das Material der äußeren Struktur, z. B. ein Verbundmaterial, gebildet werden. In einem weiteren Beispiel kann der Auslasskanal 208 mit einer Metallwand ausgekleidet sein, wie im Folgenden beschrieben und bezüglich des Kühlmantels gezeigt wird.
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Ein Kühlmantel 220 ist in dem Kopf 100 durch das äußere Glied 150 gebildet. Der Kühlmantel 220 wird durch eine Reihe von miteinander verbundenen Fluiddurchgängen gebildet, die ein Kühlmittel zu verschiedenen Bereichen des Kopfs zum Wärmemanagement des Kopfs 100 leiten. Der Kühlmantel 220 wird durch den Einsatz 170 gebildet. Das Schmelzkernmaterial 172 befindet sich in der Darstellung in dem äußeren Glied 150, da es noch nicht bei einem nach der Formung erfolgenden Schritt vom Kopf 100 entfernt wurde. Das Schmelzkernmaterial 172 wird von der dünnwandigen Metallschale 174 umgeben oder eingekapselt. Die Dicke der dünnwandigen Metallschale 174 kann im Millimeterbereich liegen. Die Schale 174 bleibt in dem äußeren Glied 150, nachdem das Schmelzkernmaterial 172 von dem Kopf 100 entfernt wurde, so dass die Schale 174 die Durchgänge des Kühlmantels 220 auskleidet.
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Die Schale 174 wird als eine Barriere zwischen Fluiden in dem Mantel 220 und dem Material des äußeren Glieds 150 bereitgestellt. Ein äußeres Glied, das aus einem Verbundmaterial, z. B. einem Kohlefaserharzverbundstoff hergestellt ist, weist einen Porositätsgrad aufgrund der Fasern sowie etwaige Leerräume oder Mängel, die während des Formungsprozesses ausgebildet werden, auf. Somit wirkt die Schale 174 als eine Auskleidung zur Verhinderung eines Auslaufens oder von Fluidtransport in das äußere Glied 150.
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Die Schale 174 dient auch der Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Kopf 100 und den Fluiden in dem Kühlmantel 220. Ein äußeres Glied, das aus einem Verbundmaterial, z. B. einem Kohlefaserharzverbundstoff, hergestellt ist, weist eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als die Metallschale auf. Somit wirkt die Schale 174 als eine Wärmeleitung und verbessert die Wärmeübertragung auf das Fluid, um den Kopf 100 während des Betriebs effektiver und effizienter zu kühlen. In einem weiteren Beispiel kann die äußere Schale 174 mit verschiedenen Oberflächenmerkmalen an der Innenwand, die mit dem Fluid in Kontakt steht, oder an der Außenwand, die mit dem äußeren Glied 150 in Kontakt steht, versehen sein, um die Wärmeübertragung durch Erhöhen der Fläche und/oder Erzeugen gewünschter Strömungsmuster, z. B. Lamellen, Wirbel oder Drall induzierender Merkmale, verschiedener Oberflächenrauheiten und dergleichen zu verbessern.
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4 stellt eine weitere Querschnittsansicht des Kopfes 100 entlang einer anderen Teillinie dar. Die Einlassführung 112 für das Einlassventil ist mit der Platte 104 und dem gewölbten Zylinderdach 108 durch einen Stützarm 114 verbunden und ist Teil des Struktureinsatzes 102. Die Auslassführung 116 für das Auslassventil ist mit der Platte 104 und dem gewölbten Zylinderdach 108 durch einen Stützarm 118 verbunden und ist Teil des Struktureinsatzes 102.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, steht die Schale 174 in direktem Kontakt bei 230, wobei mindestens ein Abschnitt des Einsatzes 102 beispielsweise mit dem Zylinderdach 108 zwischen den Ventilführungen 112, 116 in Kontakt steht, um einen Wärmeübertragungspfad von der Brennkammer zum Kühlmittel in dem Mantel 220 bereitzustellen. Die Schale 174 steht des Weiteren bei 232 in direktem Kontakt mit der oberen Fläche der Platte 104 neben den Durchlässen 130, um eine verbesserte Wärmeübertragung und einen Leitpfad von der Deckfläche zum Kühlmittel bereitzustellen. Die Schale 174 und der Einsatz 102 können des Weiteren basierend auf Positionierungs- und Wärmeübertragungs-/Kühlanforderungen an anderen Stellen im Kopf 100 in direktem Kontakt zueinander stehen.
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Die Platte 120 ist in der Darstellung entlang einem unteren Rand oder Bereich 124 mit der Platte 104 verbunden. Die Platte 120 ist des Weiteren durch ein Brückenglied 128 mit einer Auslassführung 116 verbunden. Das Brückenglied 128 kann einen Durchgang umfassen, der Teil des Kühlmantels 220 zum Kühlen des Kopf in dem Bereich des Auslasskanals 208 ist. In anderen Beispielen kann das Brückenglied 128 eine massive Struktur ohne Fluiddurchgänge sein.
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In der Darstellung des Kopfes 100 sind die Schmelzkernmaterialien von dem Kühlmantel 220 entfernt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wirkt die Schale 174 als eine Auskleidung oder Wand für die Fluiddurchgänge des Mantels 220 und steht mit dem Material des äußeren Glieds 150 in Kontakt. Fluid, wie z. B. Kühlmittel, kann durch Durchlässe 130 in der Platte 104 in den oder aus dem Kopfkühlmantel 220 zu einem Motorblock strömen. Der Fluidmantel 220 kann des Weiteren andere Fluideinlässe und/oder -auslässe aufweisen, die an anderen Seiten des Kopfes 100 vorgesehen sind.
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5 stellt einen Prozess oder ein Verfahren 250 zum Ausbilden eines Kopfs für einen Motor, wie z. B. Kopf 100, dar. Verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens 250 können mehr oder weniger Schritte umfassen, und die Schritte können in einer anderen Reihenfolge als der dargestellten durchgeführt werden.
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Bei Schritt 252 wird der Schmelzkerneinsatz 170 vor Verwendung mit dem Werkzeug zur Bildung des Kopfs 100 gebildet. Zur Bildung des Einsatzes wird der Schmelzkern 172 in der gewünschten Form und Größe, zum Beispiel mittels eines Guss- oder Formprozesses mit dem Schmelzkernmaterial gebildet.
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Bei Schritt 254 wird die Schale 174 dann um den Kern 172 bereitgestellt. In einem Beispiel wird ein Druckguss- oder Gussprozesses zur Bildung der Schale 174 bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Integrität des Kerns 172 verwendet. Eine Form, Gussform oder ein Werkzeug können mit der Form des Einsatzes 170 versehen werden. Der Kern 172 wird in der Form positioniert, und die Schale 174 wird gegossen oder anderweitig um den Kern 172 herum ausgebildet. Die Schale 174 kann durch einen Niederdruckgießprozess durch Einspritzen von geschmolzenem Metall oder einem anderen Material in die Gussform gebildet werden. Das geschmolzene Metall kann bei einem niedrigen Druck zwischen 2–10 psi, 2–5 psi, unter Verwendung einer Gefällebeschickung oder eines anderen ähnlichen Niederdruckbereichs eingespritzt werden. Das für die Bildung der Schale 174 verwendete Material kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein, und falls das äußere Element 150 aus einem Metallmaterial gebildet ist, kann es das gleiche Metall oder die gleiche Metalllegierung sein wie das bzw. die zum Druckguss des Kopfs verwendete. Durch Bereitstellen des geschmolzenen Metalls bei einem niedrigen Druck wird der Schmelzkern 172 in der Hülle 174 gehalten. Nach dem Abkühlen der Hülle 174 wird der Einsatz 170 aus dem Werkzeug ausgeworfen.
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Bei Schritt 256 wird der Struktureinsatz 102 gebildet. In einem Beispiel wird der Struktureinsatz 102 unter Verwendung eines Metalls oder einer Metalllegierung durch Einspritzen von geschmolzenen Metall in ein Werkzeug gegossen oder anderweitig gebildet. Das Werkzeug weist verschiedene Flächen zum Formen und Definieren der Merkmale des Einsatzes 102 auf. In dem vorliegenden Beispiel wird der Struktureinsatz unter Verwendung eines Hochdruckgussprozesses gebildet. Das geschmolzene Metall kann Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder ein anderes geeignetes Material sein. Das geschmolzene Metall wird bei einem hohen Druck, d. h. 20.000 psi, eingespritzt, um die Motorkomponente zu bilden. Das geschmolzene Metall kann bei einem Druck von mehr oder weniger als 20.000 psi, beispielsweise im Bereich von 15000–30000 psi, eingespritzt werden und kann auf dem verwendeten Metall oder der verwendeten Metalllegierung, der Form des Formhohlraums und anderen Überlegungen basieren. In einem weiteren Beispiel wird der Struktureinsatz 102 aus Eisen, einer Eisenlegierung oder dergleichen bei einem Guss- oder Schmiedeprozess gebildet.
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In weiteren Beispielen wird der Einsatz 102 aus einem anderen geeigneten Material mit einer größeren Festigkeit als das Material des äußeren Glieds 150 des Kopfs gebildet.
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Der Einsatz 102 kann unter Verwendung eines endkonturnahen Gussprozesses gegossen werden und kann unter Verwendung eines Hochdruck- oder Niederdruckprozesses gegossen werden. Der Einsatz wird mit den oben beschriebenen Oberflächen- und Tribologiemerkmalen gebildet, und in weiteren Beispielen können zusätzliche Oberflächenmerkmale durch einen Prozess der maschinellen Bearbeitung oder dergleichen bereitgestellt werden. In weiteren Beispielen kann der Einsatz 102 unter Verwendung anderer geeigneter Herstellungsmethoden, darunter unter anderem Gießen, Pulvermetallurgiemethoden, Schmieden, maschinelle Bearbeitung, Stranggießen und Wärmebehandlung usw., gebildet werden. Der Einsatz 102 kann vor der Platzierung in das Werkzeug beschichtet werden, um eine verbesserte Bindung mit dem Material des äußeren Glieds 150 des Kopfs 100 bereitzustellen.
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In einem Beispiel werden die Schritte 254 und 256 separat durchgeführt, wobei der Schmelzkerneinsatz 170 und der Struktureinsatz 102 dem Werkzeug zur Ausbildung des Kopfs als separate eigenständige Komponenten bereitgestellt werden. In einem weiteren Beispiel wird der Schmelzkerneinsatz 170 als ein Einsatz oder eine Komponente in dem Werkzeug zur Ausbildung des Struktureinsatzes 102 bereitgestellt, und ein resultierender Kombinationseinsatz, der die Merkmale sowohl des Schmelzkerneinsatzes 170 als auch des Struktureinsatzes 102 umfasst, wird dem Werkzeug zur Ausbildung des Kopfs bereitgestellt. Dies kann angebracht sein, wenn beispielsweise das Brückenglied 128 einen Durchgang des Kühlmantels umfasst.
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Bei Schritt 258 sind der Schmelzkerneinsatz und der Struktureinsatz in einem Werkzeug zur Ausbildung des Kopfs positioniert, oder alternativ dazu ist ein Kombinationseinsatz in einem Werkzeug zur Ausbildung des Kopfs positioniert. In jedem Fall weist der Einsatz 170 Kontaktpunkte, Flächen und Stege, die mit Flächen des Struktureinsatzes 102 zusammenwirken und zusammenpassen, auf, die sowohl eine Positionierung der Einsätze bezüglich einander als auch einen direkten Kontakt für Wärmeübertragungspfade zwischen dem Struktureinsatz 102 und der Schale 174 des Einsatzes 170 während der Komponentenverwendung bereitstellen. Der Einsatz bzw. die Einsätze kann bzw. können verschiedene Positionierungsmerkmale aufweisen, die mit den Formen des Werkzeugs dahingehend zusammenwirken, den Einsatz bzw. die Einsätze in dem Werkzeug zu positionieren und auszurichten. Andere zusätzliche Einsätze können ebenfalls in dem Werkzeug vorgesehen und angeordnet sein, zum Beispiel Schmelzkerneinsätze zum Bilden der Einlass- oder Auslassdurchgänge, Schmierdurchgänge und dergleichen. Diese Einsätze können nur aus einem Schmelzkernmaterial gebildet sein oder können ein Schmelzkernmaterial aufweisen, das von einer Metallschale eingekapselt ist, wie hier beschrieben wird.
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Bei Schritt 260 wird der Kopf 100 durch Einspritzen von Material in das Werkzeug zur Ausbildung des Kopfs ausgebildet. Das Werkzeug kann mehrere Formen oder Schlitten umfassen, darunter Abdeckformen und Auswurfformen, die dahingehend zusammenwirken, einen Formhohlraum zu bilden, wobei die Flächen zur Ausbildung verschiedener Merkmale des Kopfes 100 geformt sind.
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In einem Beispiel wird ein Verbundstoffgemisch zur Bildung des äußeren Gleids 150 um die Einsätze 102, 170 herum und zur Bildung des Kopfs 100 eingespritzt. Das äußere Glied 150 kann unter Verwendung einer Formungsmethode, wie z. B. Spritzgießen, usw. um die Einsätze 102, 170 herum gebildet werden. Das Werkzeug wird gemäß der Herstellungsmethode für den Kopf 100 bereitgestellt und kann verschiedene Formen, Gussformen, Schlitten und dergleichen umfassen. Das Werkzeug kann des Weiteren verschiedene Einsätze oder Kerne zur Bereitstellung anderer Merkmale des Kopfs umfassen. Das Verbundmaterial verläuft um die Schale 174 des Einsatzes 170 herum und bildet eine Grenzfläche und/oder Bindung mit dieser. Während des Gussprozesses kann der Kopf durch einen Thermoaushärtungsprozess selbst aushärten, oder ein Autoklav oder dergleichen kann dazu verwendet werden, das Verbundmaterial auszuhärten. Das Formverfahren kann eine Spritzgussform oder Pressgussform umfassen, die beide zum Zeitpunkt der Produktion thermoausgehärtet werden. Der Kopf 100 wird dann von dem Werkzeug als eine unfertige Komponente oder ein Vorformling entfernt.
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In einem weiteren Beispiel wird ein geschmolzenes Metall zur Ausbildung des äußeren Glieds 150 um die Einsätze 102, 170 herum und zur Bildung des Kopfs 100 eingespritzt. In dem vorliegenden Beispiel kann es sich bei dem Prozess um einen Hochdruckgussprozess handeln, wobei Aluminium oder eine Aluminiumlegierung das Material des äußeren Glieds 150 bilden. Der Struktureinsatz 102 kann aus einer Eisenlegierung gebildet sein oder kann Aluminium oder eine andere Aluminiumlegierung sein. Das geschmolzene Metall fließt um die Einsätze 102, 170 herum und bildet eine Gusshaut um die Einsätze herum. Die Schale 174 des Schmelzkerneinsatzes 170 kann teilweise geschmolzen werden, um mit dem eingespritzten Metall zu verschmelzen und sich mit dem äußeren Glied 150 zu vereinigen. Die Gusshaut und die Schale bilden die Wände des Fluidmantels 220 in dem Kopf. Ohne die Schale 174 würde das eingespritzte geschmolzene Metall den Schmelzkern 172 auflösen. Das geschmolzene Metall kühlt unter Bildung des äußeren Glieds 150 und des Kopfes 100 ab. Der Kopf 100 wird dann von dem Werkzeug als eine unfertige Komponente oder ein Vorformling entfernt.
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Durch die Bereitstellung der Schale 174 bleibt der Schmelzkern 172 für eine spätere Verarbeitung zur Ausbildung der Durchgänge in dem Fluidmantel 220 intakt. Die Schale 174 gestattet kleiner dimensionierte Durchgänge und die Verwendung von Oberflächenmerkmalen, die ansonsten mit einem Hochdruckformungsprozess nicht verfügbar wären, da das Schmelzkernmaterial möglicherweise seine Form während des Prozesses nicht behält. Beispielsweise kann der Schmelzkerneinsatz 170 Durchgänge oder Merkmale innerhalb des Kühlmantels 220 im Millimeterbereich bereitstellen, wobei die Durchgänge eine Größe von weniger als 10 mm, 5 mm oder 2 mm und Oberflächenmerkmale mit einer Auflösung in der Größenordnung von 1 mm aufweisen. Ein herkömmlicher Schmelzmaterialguss oder Sandguss kann Oberflächenmerkmale oder Durchgänge mit diesen Abmessungen für einen Hochdruckformungsprozess nicht lösen, da das Schmelzkernmaterial in diesem Maßstab zerstört werden kann.
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Bei Schritt 262 wird die unfertige Kopfkomponente nachbearbeitet. Das Schmelzkernmaterial 172 des Einsatzes 170 bleibt in dem Kopf 100, wie in 3 gezeigt wird, und muss entfernt werden. In einem Beispiel wird der Schmelzkern 172 aus dem Kopf entfernt, um die Durchgänge in dem Mantel 220 zu bilden. Der Schmelzkern 172 kann mittels druckbeaufschlagtem Fluid, wie z. B. einem Hochdruckwasserstrahl, entfernt werden. In anderen Beispielen kann der Schmelzkern 172 unter Verwendung anderer Methoden entfernt werden, die in der Technik bekannt sind. Der Schmelzkern 172 wird in der vorliegenden Offenbarung basierend auf der Fähigkeit zur Entfernung des Kerns in einem nach dem Druckguss oder nach der Formung erfolgenden Prozess als Schmelzkern bezeichnet. Der Schmelzkern in der vorliegenden Offenbarung bleibt während des Druckguss- oder Formungsprozesses aufgrund der Schale 174, die ihn umgibt und schützt, intakt.
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Es können auch andere Maschinenbearbeitungs- oder Herstellungsschritte zur Nachbearbeitung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Deckfläche 106 gefräst oder maschinell bearbeitet werden. Bei einigen Ausführungsformen können zusätzliche Durchgänge oder Kanäle durch eine zusätzliche Endbearbeitung oder maschinelle Bearbeitung nach der Formung oder dem Guss bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann der Kopf 100 maschinell bearbeitet oder gebohrt und mit einem Gewinde versehen werden. Beispielsweise müssen die Kopfschraubensäulen 110 möglicherweise gebohrt und/oder mit einem Gewinde versehen werden.
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Nach der Nachbearbeitung des Kopfs 100 kann der Motor 20 durch Verbinden des Zylinderkopfs mit dem Block zusammengebaut werden, und der Motor 20 kann in ein Fahrzeug platziert werden.
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Mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht einschränkende Vorteile verbunden. Beispielsweise wird bei einem zumindest teilweise aus einem Verbundmaterial gebildeten Block ein spezielles Wärmemanagement für jegliche Wärmegradienten-Hotspots benötigt, da das Verbundmaterial aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit als ein Isolator wirkt. Ein unabhängiger hohler Aluminiumkern, der in Kontakt mit einer Hochtemperaturquelle, beispielsweise dem Verbundzylinderkopf, verschachtelt ist, sorgt für einen Fluidmantel mit Wärmemanagement des Kopfes. Das Kühlmittel wird dazu verwendet, Wärme aus dem Motorzylinderkopf heraus zum Wärmetauscher, z. B. einem Kühler, abzuziehen. Der Fluidstromdurchgang ist in dem hohlen Aluminiumkern enthalten, in das umgebende Gehäuse eingeformt oder gegossen, wie z. B. einen angeformten Verbundzylinderblock. Die Oberfläche der äußeren Fläche des Fluidstromdurchgangs steht in direktem Kontakt mit dem Verbundmaterial und/oder dem sie haltenden Aluminiumlegierung-Druckgussteil. Der Durchgang stellt eine Wärmeflussleitung bereit, die überschüssige Wärme aus solchen Zonen entzieht, die dimensionale Stabilität erfordern, wobei die äußere Fläche oder Schale aus einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt ist, das Wärme effizient abführt und leitet. Der Kühlmanteleinsatz mit einer Aluminiumschale über dem Salzkern stellt eine Struktur zum Schutz des Salzkerns gegen Brechen oder anderweitiges Auflösen während des Herstellungsprozesses bereit. Der resultierende Kühlmittelkreislauf oder Kühlmantel im Kopf weist dünne Wände und Passagen mit einem kleineren Querschnitt auf. Der Kühlmanteleinsatz gestattet eine genaue Positionssteuerung und auch Kontrolle über die physische Form der Fluiddurchgänge für eine optimierte Wärmeübertragung aufgrund verbesserter Strömungskreislaufkonfigurationen, die sonst mit herkömmlichen Sandkernen oder Hochdruckguss- oder Formwerkzeugbeschränkungen nicht möglich wären. Die dünnen Querschnitte der Fluiddurchgänge gestatten, dass Kühlmittel neben die Hochtemperaturflussbereiche, wie Ventilsitze im Kopf, platziert werden. Ein Struktureinsatz wird mit dem Kopf verwendet, um dem Kopf zusätzliche Festigkeit zu verleihen, beispielsweise bei Verwendung mit einem Verbundmaterial, und führt zu einem Motor mit einem reduzierten Gewicht und einer erhöhten Kraftstoffeffizienz.
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Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
