DE102018112664A1 - cylinder head - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor und ein Herstellungsverfahren für einen Zylinderkopf.
Erfindungsgemäß umfasst der Zylinderkopf einen Kühlkanal (1a, 1b, 1c, 1 d), der durch ein Kühlmittel durchströmbar ist zum Kühlen bestimmter Bereiche des Zylinderkopfes, wobei der Kühlkanal (1a, 1b, 1c, 1d) zumindest bereichsweise als Gitterstruktur (2) ausgebildet ist.

Figure DE102018112664A1_0000
The invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine and a production method for a cylinder head.
According to the invention, the cylinder head comprises a cooling passage (1a, 1b, 1c, 1d) through which a coolant can flow for cooling certain areas of the cylinder head, the cooling passage (1a, 1b, 1c, 1d) being formed at least in regions as a grid structure (2) is.
Figure DE102018112664A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf und ein Herstellungsverfahren für einen Zylinderkopf.The invention relates to a cylinder head and a manufacturing method for a cylinder head.

Aus der DE 102011101857 A1 ist es bekannt, Bereiche von in der KFZ-Technik verwendeten Bauteile mittels eines generativen Fertigungsverfahren herzustellen. Ein solches Bauteil kann beispielsweise ein Zylinderkopf sein.From the DE 102011101857 A1 It is known to produce portions of components used in automotive engineering by means of an additive manufacturing process. Such a component may for example be a cylinder head.

Der erfindungsgemäße Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Kühlkanal, der durch ein Kühlmittel durchströmbar ist zum Kühlen bestimmter Bereiche des Zylinderkopfes, wobei der Kühlkanal zumindest bereichsweise als Gitterstruktur ausgebildet ist.The cylinder head according to the invention for an internal combustion engine comprises a cooling channel through which a coolant can flow for cooling certain areas of the cylinder head, wherein the cooling channel is formed at least in regions as a lattice structure.

Ein möglicher Vorteil ist, den Kühlkanal mit einem für das Kühlen der Bereiche vorteilhaften Querschnitt auszubilden, und durch die Gitterstruktur die erforderliche Steifigkeit und/oder Stabilität des Zylinderkopfes in diesem Bereich zu gewährleisten. Des Weiteren ermöglicht die Erfindung, Kühlkanäle in Bereichen vorzusehen oder in Bereiche auszudehnen, in denen dies mit Kühlkanälen ohne besondere Maßnahmen aufgrund von mechanischen Anforderungen nicht möglich ist, und auf diese Weise beispielsweise eine Wärmeabfuhr zu verbessern.A possible advantage is to form the cooling channel with a cross section which is advantageous for the cooling of the regions, and to ensure the required rigidity and / or stability of the cylinder head in this region through the grid structure. Furthermore, the invention makes it possible to provide cooling channels in areas or expand into areas in which this is not possible with cooling channels without special measures due to mechanical requirements, and in this way, for example, to improve heat dissipation.

Der Kühlkanal kann, je nach Anforderung, bereichsweise oder vollständig als Gitterstruktur ausgebildet sein. So kann beispielsweise im Querschnitt ein Bereich des Kühlkanals frei bleiben und/oder die Gitterstruktur nur abschnittsweise ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Gitterstruktur nur dort ausgebildet, wo die Gitterstruktur zur Steifigkeit oder Stabilität beitragen muss. Dies hat den Vorteil, eine Behinderung des Durchströmverhaltens des Kühlmittels durch die Gitterstruktur zu verringern.Depending on the requirement, the cooling channel can be formed in regions or completely as a lattice structure. For example, in cross-section, a region of the cooling channel can remain free and / or the lattice structure can be formed only in sections. Preferably, the grid structure is formed only where the grid structure must contribute to rigidity or stability. This has the advantage of reducing the obstruction of the flow-through behavior of the coolant through the lattice structure.

Besonders vorteilhaft ist die Gitterstruktur zumindest bereichsweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig durch das das Kühlmittel durchströmbar. Die Gitterstruktur ist vorzugsweise in Ihrer Geometrie derart ausgebildet, dass die durch diese gebildete Kanäle oder Räume im Wesentlichen entlang der durch den Kühlkanal vorgegebenen Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet sind.Particularly advantageously, the grid structure is at least partially, preferably substantially completely through which the coolant can flow. The grid structure is preferably formed in its geometry such that the channels or spaces formed by these are aligned substantially along the direction of flow of the coolant through the cooling channel.

Erfindungsgemäß wird die Gitterstruktur oder der gesamte Zylinderkopf durch ein generatives Fertigungsverfahren (engl. „additive manufacturing“) hergestellt. Bevorzugt ist ein SLM-Druckverfahren (Selective Laser Melting / Selektives Laserschmelzen), ohne aber andere Verfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, auszuschließen. Als Pulver kann beispielsweise ein AlSi1 OMg-Pulver verwendet werden.According to the invention, the lattice structure or the entire cylinder head is produced by a generative manufacturing process ("additive manufacturing"). Preference is given to an SLM (Selective Laser Melting) printing method, but excluding other methods, in particular 3D printing methods. As a powder, for example, an AlSi1 OMg powder can be used.

Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims describe further advantageous embodiments of the invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 einen ersten Ausschnitt eines Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor nach Stand der Technik,
  • 2 einen ersten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor,
  • 3 einen zweiten Ausschnitt des Zylinderkopfs nach Stand der Technik,
  • 4 einen zweiten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs.
Preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows
  • 1 a first section of a cylinder head for a combustion engine according to the prior art,
  • 2 a first section of a cylinder head according to the invention for an internal combustion engine,
  • 3 a second section of the cylinder head according to the prior art,
  • 4 a second section of the cylinder head according to the invention.

Die 1 zeigt einen ersten Ausschnitt eines Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor nach Stand der Technik. 2 zeigt denselben Ausschnitt gemäß eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs.The 1 shows a first section of a cylinder head for a combustion engine according to the prior art. 2 shows the same section according to an embodiment of a cylinder head according to the invention.

Der Zylinderkopf umfasst eine Ventilführung 3 für die Führung eines Gasauslassventils und zwei Kühlkanäle 1a, 1b. Die Kühlkanäle 1a, 1b sind im Bereich der Ventilführung 3 angeordnet und ermöglichen es, mittels Durchströmen der Kanäle 1a, 1b mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, im Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme von der Ventilführung 3 abzuführen.The cylinder head includes a valve guide 3 for the guidance of a gas outlet valve and two cooling channels 1a . 1b , The cooling channels 1a . 1b are in the area of the valve guide 3 arranged and allow it, by means of flowing through the channels 1a . 1b with a coolant, for example water, during operation of the internal combustion engine resulting heat from the valve guide 3 dissipate.

Im erfindungsgemäßen Zylinderkopf erstreckt sich der linksseitige Kühlkanal 1a und der rechtsseitige Kühlkanal 1b fast bis zur Ventilführung 3. Lediglich ein schmaler Steg verbleibt zwischen den Kühlkanälen 1a, 1b und der Ventilführung 3. In den Bereichen benachbart zur Ventilführung 3 weisen die Kühlkanäle 1a, 1b bereichsweise eine Gitterstruktur 2 auf. Die Gitterstruktur 2 ist im Wesentlichen offen, und somit durch das Kühlmittel durchströmbar. Dadurch, dass sich die Kühlkanäle 1a, 1b bis in die Nähe der Ventilführung 3 erstrecken, kann eine schnelle Wärmeabfuhr gewährleistet werden, die insbesondere einer Materialermüdung der Ventilführung 3 entgegenwirkt. Die Gitterstruktur 2 bewirkt, dass in dem Bereich der Ventilführung 3 eine ausreichende Stabilität und Steifigkeit des Zylinderkopfs gegeben ist. Des Weiteren ermöglicht die Gitterstruktur 2 eine Vergrößerung des Querschnitts der Kühlkanäle 1a, 1b (und damit des Volumens des Wassermantels) und die Führung des Kühlmittels in die Nähe der Ventilführung 3. Ein weiterer Vorteil ist eine Gewichtsreduktion des Zylinderkopfs.In the cylinder head according to the invention, the left-side cooling channel extends 1a and the right-hand cooling channel 1b almost to the valve guide 3 , Only a narrow web remains between the cooling channels 1a . 1b and the valve guide 3 , In the areas adjacent to the valve guide 3 have the cooling channels 1a . 1b partially a grid structure 2 on. The grid structure 2 is substantially open, and thus can be flowed through by the coolant. Because of that, the cooling channels 1a . 1b close to the valve guide 3 extend, a rapid heat dissipation can be ensured, in particular a material fatigue of the valve guide 3 counteracts. The grid structure 2 causes in the area of the valve guide 3 sufficient stability and rigidity of the cylinder head is given. Furthermore, the lattice structure allows 2 an increase in the cross section of the cooling channels 1a . 1b (And thus the volume of the water jacket) and the guidance of the coolant in the vicinity of the valve guide 3 , Another advantage is a weight reduction of the cylinder head.

Die 3 zeigt einen zweiten Ausschnitt des Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor nach Stand der Technik. 4 zeigt denselben Ausschnitt gemäß des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs.The 3 shows a second section of the cylinder head for a combustion engine according to the prior art. 4 shows the same section according to the embodiment of a cylinder head according to the invention.

Der Zylinderkopf umfasst ein Flammdeck 4 (engl. „fire face“) und drei weitere Kühlkanäle 1c, 1d, 1e. Die Kühlkanäle 1c, 1d, 1e sind im Bereich des Flammdecks 4 angeordnet und ermöglichen es, mittels Durchströmen der Kanäle mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, im Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme vom Flammdeck 4 abzuführen.The cylinder head includes a flame deck 4 (English: "fire face") and three other cooling channels 1c . 1d . 1e , The cooling channels 1c . 1d . 1e are in the area of the fire deck 4 arranged and make it possible, by means of flowing the channels with a coolant, for example water, during operation of the internal combustion engine resulting heat from the flame deck 4 dissipate.

Im erfindungsgemäßen Zylinderkopf umfasst jeweils ein Kühlkanal 1c, 1d, 1e neben einem ersten oberen Raum einen zweiten unteren Raum, der zwischen dem ersten Raum und dem Flammdeck 4 angeordnet ist. Oberer und unterer Raum sind miteinander verbunden (in dieser Querschnittsansicht nicht sichtbar), so dass Kühlmittel durch beide Räume eines Kühlkanals 1c, 1d, 1e strömen kann. Im unteren Raum eines jeden Kühlkanals ist der Kühlkanal 1c, 1d, 1e als Gitterstruktur 2 ausgebildet.In the cylinder head according to the invention each comprises a cooling channel 1c . 1d . 1e next to a first upper room, a second lower room, which is between the first room and the Flammdeck 4 is arranged. Upper and lower space are interconnected (not visible in this cross-sectional view), allowing coolant through both spaces of a cooling channel 1c . 1d . 1e can flow. In the lower space of each cooling channel is the cooling channel 1c . 1d . 1e as a lattice structure 2 educated.

Die Gitterstruktur 2 ist im Wesentlichen offen und somit durch das Kühlmittel durchströmbar. Dadurch, dass sich die Kühlkanäle 1c, 1d, 1e aufgrund der unteren Räume nahe des Flammdecks 4 ausgebildet sind, kann eine schnelle Wärmeabfuhr gewährleistet werden. Die Gitterstruktur 2 bewirkt, dass in dem Bereich der Flammdecks 4 eine ausreichende Stabilität und Steifigkeit des Zylinderkopfs gegeben ist. Des Weiteren ermöglicht die Gitterstruktur 2 eine Vergrößerung des Querschnitts der Kühlkanäle 1c, 1d, 1e (und damit des Volumens des Wassermantels) und die Führung des Kühlmittels in die Nähe des Flammdecks 4. Ein weiterer Vorteil ist eine Gewichtsreduktion des Zylinderkopfs.The grid structure 2 is substantially open and thus can be flowed through by the coolant. Because of that, the cooling channels 1c . 1d . 1e due to the lower rooms near the fire deck 4 are formed, a rapid heat dissipation can be guaranteed. The grid structure 2 causes in the area of the flame decks 4 sufficient stability and rigidity of the cylinder head is given. Furthermore, the lattice structure allows 2 an increase in the cross section of the cooling channels 1c . 1d . 1e (And thus the volume of the water jacket) and the guidance of the coolant in the vicinity of the fire deck 4 , Another advantage is a weight reduction of the cylinder head.

Alternativ könnten die unteren Räume der Kühlkanäle 1c, 1d, 1e nicht durch eine gemeinsame, sondern durch eine zweite Quelle mit Kühlmittel versorgt werden.Alternatively, the lower spaces of the cooling channels could 1c . 1d . 1e not be supplied by a common, but by a second source of coolant.

Der erfindungsgemäße Zylinderkopf einschließlich der Gitterstrukturen 2 kann mit einem SLM-Druckverfahren hergestellt werden. Als Pulver kann beispielsweise ein AlSi10Mg-Pulver verwendet werden.The cylinder head according to the invention including the grid structures 2 can be made with an SLM printing process. As a powder, for example, an AlSi10Mg powder can be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011101857 A1 [0002]DE 102011101857 A1 [0002]

Claims (7)

Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Kühlkanal (1a, 1b, 1c, 1d), der durch ein Kühlmittel durchströmbar ist zum Kühlen bestimmter Bereiche des Zylinderkopfes, wobei der Kühlkanal (1a, 1b, 1c, 1d) zumindest bereichsweise als Gitterstruktur (2) ausgebildet ist.Cylinder head for an internal combustion engine, comprising a cooling passage (1a, 1b, 1c, 1d) through which a coolant can flow for cooling certain areas of the cylinder head, wherein the cooling passage (1a, 1b, 1c, 1d) at least in regions as a grid structure (2) is trained. Zylinderkopf nach Anspruch 1, wobei zumindest die Gitterstruktur (2) durch ein Additive-Manufacturing-Verfahren hergestellt ist.Cylinder head after Claim 1 wherein at least the grid structure (2) is made by an additive manufacturing method. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur (2) zumindest bereichsweise durch das Kühlmittel durchströmbar ist.Cylinder head according to one of the preceding claims, wherein the grille structure (2) can be flowed through by the coolant at least in certain areas. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Ventilführung (3) für ein Auslassventil, wobei der zumindest bereichsweise als Gitterstruktur (2) ausgebildete Kühlkanal (1a, 1b, 1c, 1d) im Bereich der Ventilführung (3) vorgesehen ist.Cylinder head according to one of the preceding claims, comprising a valve guide (3) for an outlet valve, wherein the at least partially designed as a lattice structure (2) cooling channel (1a, 1b, 1c, 1d) in the region of the valve guide (3) is provided. Zylinderkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Flammdeck (4), wobei der zumindest bereichsweise als Gitterstruktur (2) ausgebildete Kühlkanal (1a, 1b, 1c, 1d) im Bereich des Flammdecks vorgesehen ist.Cylinder head according to one of the preceding claims, comprising a flame deck (4), wherein the cooling channel (1a, 1b, 1c, 1d) formed at least in regions as a lattice structure (2) is provided in the region of the flame deck. Herstellung der Gitterstruktur (2) eines Zylinderkopfes nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch ein generatives Fertigungsverfahren.Production of the lattice structure (2) of a cylinder head according to one of the preceding claims by a generative manufacturing method. Herstellung eines Zylinderkopfes nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch ein generatives Fertigungsverfahren.Production of a cylinder head according to one of the preceding claims by a generative manufacturing method.
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