DE102018121723A1

DE102018121723A1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102018121723A1
Application number: DE102018121723.4A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hirschmann; Thomas Malischweski
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-03-12
Also published as: WO2020048883A1; CN112654770A; US20210348580A1; BR112020026772A2; US11835013B2; EP3847355A1; EP3847355B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (10) zum Abdecken einer Verbrennungskammer (12) einer Brennkraftmaschine. Der Zylinderkopf (10) weist mindestens eine Materialaussparung (20) zur Wärmeisolation auf, die in einem Hauptkörper (14) des Zylinderkopfes (10) gebildet und zwischen einem Fluidführungskanal (18) und einem Kühlkanal (16) angeordnet ist. Die Materialaussparung (20) kann einfach z. B. direkt beim Urformen (z. B. Gießen oder Drucken) des Zylinderkopfes (10) und/oder anschließend gefertigt werden. Bspw. kann in dem Fall, in dem Abgas durch den Fluidführungskanal geführt wird, ein deutlich geringerer Wärmeeintrag vom heißen Abgas in das Kühlfluid erfolgen. Daneben führt die thermische Entkopplung durch die Materialaussparung (20) dazu, dass das heiße Abgas weniger stark im Fluidführungskanal abkühlt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf zum Abdecken einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes.
Die DE 100 39 790 A1 offenbart einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit darin angeordneten Auslasskanälen, die einen aus mindestens einer Blechlage geformten Kanalinnenrahmen aufweisen.
Die DE 10 2005 025 731 A1 offenbart eine Abgasführung einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasführung zumindest einen im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verlaufenden Abgaskanal und eine sich an den Zylinderkopf austrittsseitig anschließende Abgasanlage enthält. Im Abgaskanal ist zumindest über den Bereich des Abgasaustritts hinweg ein luftspaltisoliertes Organ angeordnet ist. Das Organ ist ein dünnwandiger hülsenförmiger Einsatz, der im Abgaskanal befestigt ist und Mittel aufweist, durch die der Einsatz radial von der Kanalwandung beabstandet ist. Alternativ kann das Organ durch ein frei in den Abgaskanal ragendes Abgasrohr der Abgasanlage gebildet sein, wobei der Abgaskanal in dem Bereich, in den das Abgasrohr hineinragt, unter Ausbildung eines stufigen Absatzes erweitert ist, und dass das Organ den Absatzrand radial nach außen umlaufend überdeckt.
Die bekannten Vorrichtungen können zwar eine wärmeisolierende Wirkung bezüglich des Abgaskanals entfalten, sind allerdings kompliziert zu fertigen und/oder zu montieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen alternativen und/oder verbesserten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmal des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Die Erfindung schafft einen Zylinderkopf (z. B. Einzylinder-Zylinderkopf oder Mehrzylinder-Zylinderkopf) zum Abdecken einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine. Der Zylinderkopf weist einen Fluidführungskanal zum Zuführen eines Fluids (z. B. Einlassluft, Ladeluft und/oder Luft-Kraftstoff-Gemisch) zu der Verbrennungskammer oder zum Abführen eines Fluids (z. B. Abgas oder Druckluft) aus der Verbrennungskammer auf. Der Zylinderkopf weist einen Kühlkanal für ein Kühlfluid (z. B. Wasser, Wasser-Kühlmittel-Gemisch oder Öl) zum Kühlen des Zylinderkopfes auf. Der Zylinderkopf weist mindestens eine Materialaussparung zur Wärmeisolation auf, die in einem Hauptkörper des Zylinderkopfes (z. B. durch Gießen des Zylinderkopfes) gebildet ist. Die mindestens eine Materialaussparung ist zwischen dem Fluidführungskanal und dem Kühlkanal angeordnet ist. Die mindestens eine Materialaussparung ist durch den Hauptkörper getrennt von dem Fluidführungskanal angeordnet (z. B. durch einen Stützbereich des Hauptkörpers zum Stützen des Fluidführungskanals im Hauptkörper).
Die mindestens eine Materialaussparung kann einfach, z. B. direkt beim Urformen (z. B. Gießen) des Hauptkörpers des Zylinderkopfes und/oder anschließend daran, gefertigt werden. Die Materialaussparung kann je nach Ausführung des Fluidführungskanals unterschiedliche Vorteile bieten. Die Vorteile beruhen jeweils auf einer (teilweisen) thermischen Entkoppelung des Fluidführungskanals und des Kühlkanals durch die mindestens eine wärmeisolierende Materialaussparung. Bspw. kann in dem Fall, in dem Abgas durch den Fluidführungskanal geführt wird, ein deutlich geringerer Wärmeeintrag vom heißen Abgas in das Kühlfluid erfolgen. Dies führt zu einer Verringerung des Kühlbedarfs, was eine verbesserte Auslegung des Kühlsystems ermöglicht. Dadurch lässt sich beispielsweise ein Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verringern, zum Beispiel auch durch Energieeinsparungen beim Antreiben einer Kühlmittelpumpe. Daneben führt die thermische Entkopplung dazu, dass das heiße Abgas weniger stark im Fluidführungskanal abkühlt. Dadurch steht mehr Abgasenthalpie für einen gegebenenfalls stromabwärts angeordneten Abgasturbolader und/oder eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verfügung. Dies ermöglicht eine verbesserte Auslegung und verbesserte Wirkungsgrade dieser Komponenten sowie eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.
Zweckmäßig kann der hierin verwendete Begriff „Materialaussparung“ derart verstanden werden, dass er sich auf eine durch einen entsprechenden Fertigungsschritt bewusst vorgesehene Materialaussparung bezieht und nicht etwa auf ungewollt beim Gießen oder Drucken entstehende Lunker o.ä..
Zweckmäßig kann der Fluidführungskanal ohne einen Einsatz, z. B. einen Rohreinsatz, gebildet sein.
Beispielsweise kann die mindestens eine Materialaussparung durch den Hauptkörper radial von einer Kanalwandung bzw. einer Außenkontur des Fluidführungskanals beabstandet sein.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Materialaussparung durch Urformen, Umformen und/oder Trennen gefertigt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Hauptkörper gegossen oder gedruckt (z. B. mittels 3D-Drucker).
In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Materialaussparung beim Urformen, vorzugsweise beim Gießen und/oder Drucken (z. B. mittels 3D-Drucker), des Hauptkörpers oder anschließend daran gebildet, vorzugsweise durch ein trennendes Fertigungsverfahren (z. B. Bohren, Fräsen o.ä.).
In einem Ausführungsbeispiel ist der Fluidführungskanal als ein Abgaskanal, ein Einlasskanal (z. B. Luft-Einlasskanal oder Luft-Kraftstoff-Gemisch-Einlasskanal) oder ein Druckluftentnahmekanal ausgebildet. Bspw. kann im Fall des Einlasskanals die Einlassluft, die vorzugsweise eine Temperatur zwischen 30°C und 50°C aufweisen soll, weniger stark durch das Kühlfluid, das typischerweise eine Temperatur oberhalb von 90°C aufweist, aufgewärmt werden. Dies kann bspw. eine verbesserte Auslegung von Ladeluftkühlern usw. ermöglichen.
Es ist möglich, dass mehrere Fluidführungskanäle (z. B. zwei Abgaskanäle und/oder zwei Einlasskanäle) im Zylinderkopf umfasst sind und die mindestens eine Materialaussparung zur Wärmeisolation zwischen den mehrere Fluidführungskanälen einerseits und dem Kühlkanal andererseits angeordnet ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Zylinderkopf ein Ventil, vorzugsweise ein Tellerventil, auf, das zum brennraumseitigen Abdichten des Fluidführungskanals angeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Materialaussparung dazu ausgebildet, dass sie eine Wärmeübertragung zwischen dem Kühlkanal und dem Fluidführungskanal, vorzugsweise wesentlich, verringert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Materialaussparung dazu ausgebildet, dass sie den Fluidführungskanal und den Kühlkanal zumindest teilweise voneinander thermisch isoliert.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Materialaussparung mit Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, gefüllt und/oder durchströmt.
In einer weiteren Ausführungsform bildet die mindestens eine Materialaussparung einen (zum Beispiel thermisch isolierenden) Luftspalt (z. B. mit einer Spaltgröße größer oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich 15 mm) zwischen dem Fluidführungskanal und dem Kühlkanal.
In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Materialaussparung mit einem Wärmedämmmaterial gefüllt (z. B. teilweise oder vollständig).
In einer Ausführungsvariante folgt eine Außenkontur der mindestens einen Materialaussparung einer Außenkontur des Fluidführungskanals und/oder des Kühlkanals zumindest abschnittweise, vorzugsweise in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand.
In einer weiteren Ausführungsvariante umgibt die mindestens eine Materialaussparung den Fluidführungskanal abschnittsweise oder vollständig.
In einer weiteren Ausführungsvariante weist die mindestens eine Materialaussparung einen ringsegmentförmigen Querschnitt auf und/oder ist hülsensegmentförmig ausgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel folgt die mindestens eine Materialaussparung dem Fluidführungskanal entlang von mindestens 50 %, 60 %, 70 %, 80 % oder 90 % einer Länge des Fluidführungskanals, vorzugsweise in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel endet die mindestens eine Materialaussparung angrenzend an einen Zylinderkopfbodenbereich des Hauptkörpers.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel mündet die mindestens eine Materialaussparung in eine Außenfläche (zum Beispiel Mantelfläche) des Zylinderkopfes, vorzugsweise zum Ermöglichen einer Luftzirkulation durch die mindestens eine Materialaussparung.
Beispielsweise kann sich die mindestens eine Materialaussparung von einer Öffnung in einer Mantelfläche des Hauptkörpers bis angrenzend an den Zylinderkopfbodenbereich des Hauptkörpers, zum Beispiel in gebogener Form, durch den Hauptkörper erstrecken.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umhüllt die mindestens eine Materialaussparung den Fluidführungskanal mit Ausnahme eines Zylinderkopfbodenbereichs des Hauptkörpers und/oder eines zum Stützen des Fluidführungskanals erforderlichen Stützbereichs des Hauptkörpers im Wesentlichen vollständig.
In einer Ausführungsform umhüllt die mindestens eine Materialaussparung den Fluidführungskanal zumindest teilweise.
In einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Materialaussparung mehrere Aussparungsbereiche auf. Vorzugsweise sind die mehreren Aussparungsbereiche miteinander in Fluidverbindung, vorzugsweise durch Kanäle im Hauptkörper. Es ist möglich, dass die mehreren Aussparungsbereiche symmetrisch um den Fluidführungskanal herum angeordnet sind. Es ist auch möglich, dass die mehreren Aussparungsbereiche jeweils einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweisen und/oder den Fluidführungskanal zusammen ringförmig umgeben. Es ist ferner möglich, dass die mehreren Aussparungsbereiche jeweils hülsensegmentförmig ausgebildet sind und/oder den Fluidführungskanal zusammen hülsenförmig umgeben.
In einer Ausführungsvariante ist eine Materialstärke des Hauptkörpers zwischen dem Fluidführungskanal und der mindestens einen Materialaussparung größer oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich 10 mm.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist eine Materialaussparungsdicke der mindestens einen Materialaussparung vorzugsweise in einer Radialrichtung des Fluidführungskanals größer oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich 15 mm.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Fluidführungskanal eine Öffnung an einer Außenseite des Zylinderkopfes auf und die mindestens eine Materialaussparung weist eine Öffnung an der Außenseite des Zylinderkopfes auf. Vorzugsweise umgibt die Öffnung der mindestens einen Materialaussparung die Öffnung des Fluidführungskanals zumindest teilweise, vorzugsweise ringsegmentförmig.
In einer Weiterbildung ist ein, vorzugsweise ringförmiger, Stegabschnitt zwischen der Öffnung des Fluidführungskanals und der Öffnung der mindestens einen Materialaussparung gebildet. Vorzugsweise weist der Stegabschnitt mindestens eine Befestigungseinrichtung, vorzugsweise ein Gewindeloch, zur Anbringung einer Fluidleitung in Fluidverbindung mit dem Fluidführungskanal auf.
In einer Ausführungsform weist der Hauptkörper einen Stützbereich auf, der (z. B. bezüglich einer Radialrichtung des Fluidführungskanals) zwischen dem Fluidführungskanal und der mindestens einen Materialaussparung zum Stützen des Fluidführungskanals im Hauptkörper angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist die mindestens eine Materialaussparung fluidisch getrennt von dem Fluidführungskanal ausgebildet, zum Beispiel mittels des Stützbereichs.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Kühlkanal zum Kühlen eines Zylinderkopfbodenbereichs des Hauptkörpers und/oder angrenzend an einen Zylinderkopfbodenbereich des Hauptkörpers angeordnet.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug (zum Beispiel Lastkraftwagen oder Omnibus, mit einem Zylinderkopf wie hierin offenbart.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung wie hierin offenbart für Personenkraftwagen, geländegängige Fahrzeuge, Großmotoren, stationäre Motoren, Marinemotoren usw. zu verwenden.
Die vorliegenden Offenbarung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes, der vorzugsweise wie hierin offenbart ausgebildet ist. Das Verfahren weist ein Urformen (z. B. Gießen und/oder Drucken) des Hauptkörpers des Zylinderkopfes auf, wobei die mindestens eine Materialaussparung direkt beim Urformen des Hauptkörpers und/oder anschließend an das Urformen des Hauptkörpers im Hauptkörper gefertigt wird.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Bereichs eines schematisch dargestellten Zylinderkopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 eine Seitenansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes;
3 eine Schnittansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes entlang der Linie A-A in 2;
4 eine Schnittansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes entlang der Linie B-B in 2;
5 eine Schnittansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes entlang der Linie C-C in 4;
6 eine Schnittansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes entlang der Linie D-D in 2;
7 eine Schnittansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes entlang der Linie E-E in 2; und
8 eine Schnittansicht des Bereichs des beispielhaften Zylinderkopfes entlang der Linie F-F in 2.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die 1 bis 8 zeigen einen Bereich eines schematisch dargestellten Zylinderkopfes 10. Der Zylinderkopf 10 kann als ein Einzylinder-Zylinderkopf oder ein Mehrzylinder-Zylinderkopf ausgebildet sein. Der Zylinderkopf 10 kann eine oder mehrere Verbrennungskammern 12 einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, abdecken. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug (zum Beispiel Lastkraftwagen oder Omnibus) umfasst sein.
Der Zylinderkopf 10 ist gegossen. In anderen Worten, der Zylinderkopf 10 weist einen zweckmäßig metallischen Hauptkörper 14 auf. Der Hauptkörper 14 kann mit jeglichem bekannten Verfahren hergestellt sein. Beispielsweise kann der Hauptkörper 14 gegossen sein, zum Beispiel als GJV-Gusskörper (Gusseisen mit Vermiculargraphit). Es ist auch möglich, dass der Hauptkörper 14 bspw. mittels eines 3D-Druckers gedruckt ist.
In dem Hauptkörper 14 sind verschiedene Strukturen bspw. durch den Gießprozess oder den Druckprozess gebildet. Dazu gehören ein Kühlkanal 16, ein Fluidführungskanal 18 und vorzugsweise eine oder mehrere Freistellungen oder Materialaussparungen 20. Neben dem dargestellten Bereich des schematisch dargestellten Zylinderkopfes 10 weist der Zylinderkopf 10 weitere Bereiche auf, vorzugsweise mit einem oder mehreren weiteren Fluidführungskanälen, einem oder mehreren weiteren Kühlkanälen und/oder Ventilen usw.. Im Hauptkörper 14 kann ferner beispielsweise eine Aufnahme 28 zum Beispiel für einen Kraftstoff-Injektor ausgebildet sein.
Der Kühlkanal 16 führt ein Kühlfluid, zum Beispiel Wasser, ein Wasser-Kühlmittel-Gemisch oder Öl, zum Kühlen des Zylinderkopfes 10. Der Kühlkanal 16 kann beispielsweise als ein Teil eines Wassermantels des Zylinderkopfes 10 ausgebildet sein. Der dargestellte Kühlkanal 16 ist angrenzend an einen Zylinderkopfbodenbereich 14A des Hauptkörpers 14 des Zylinderkopfes 10 zur Kühlung der Brennraumseite des Zylinderkopfes 10 angeordnet.
Der Fluidführungskanal 18 dient zum Zuführen eines Fluids zu der Verbrennungskammer 12 oder zum Abführen eines Fluids aus der Verbrennungskammer 12. Besonders bevorzugt ist der Fluidführungskanal 18 als ein Abgaskanal zum Abführen von Abgas aus der Verbrennungskammer 12 ausgebildet. Es wurde allerdings erkannt, dass sich ebenfalls vorteilhafte Wirkungen durch die Materialaussparung 20 ergeben, wenn der Fluidführungskanal 18 beispielsweise als ein Einlasskanal zum Zuführen von Einlassluft zu der Verbrennungskammer 12 oder als ein Druckluftentnahmekanal zum Abführen von Druckluft aus der Verbrennungskammer 12 ausgebildet ist.
Der Fluidführungskanal 18 weist eine brennraumseitige Öffnung 22 auf. Der Fluidführungskanal 18 weist eine Öffnung 24 in einer Außenseite, vorzugsweise einer Mantelfläche, des Zylinderkopfes 10 auf. Der Fluidführungskanal 18 erstreckt sich, vorzugsweise gebogen, zwischen der Öffnung 22 und der Öffnung 24. Der Fluidführungskanal 18 kann brennraumseitig mittels eines Ventils 26, vorzugsweise eines Tellerventils, des Zylinderkopfes 10 abgedichtet werden.
Die Materialaussparung 20 ist zwischen dem Fluidführungskanal 18 und dem Kühlkanal 16 angeordnet. Die Materialaussparung 20 entkoppelt den Fluidführungskanal 18 thermisch von dem Kühlkanal 16. Die Materialaussparung 20 verringert einen Wärmeübergang zwischen dem Fluidführungskanal 18 und den Kühlkanal 16 wesentlich, d. h. signifikant.
Im besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel mit dem als Abgaskanal ausgebildeten Fluidführungskanal 18 ermöglicht dies, dass der Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem Kühlfluid im Kühlkanal 16 stark gemindert werden kann. Ein geringerer Wärmeeintrag in das Kühlfluid führt zu einer Verringerung des Kühlbedarfs, was eine verbesserte Auslegung des Kühlsystems ermöglicht. Dadurch lässt sich beispielsweise ein Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verringern, zum Beispiel auch durch Energieeinsparungen beim Antreiben einer Kühlmittelpumpe. Daneben führt die thermische Entkopplung dazu, dass das durch den Fluidführungskanal 18 strömende Abgas, das beispielsweise eine Temperatur von rund 600°C aufweist, weniger stark abkühlt. Dadurch steht mehr Abgasenthalpie für einen gegebenenfalls stromabwärts angeordneten Abgasturbolader zur Verfügung. Alternativ oder zusätzlich kann mehr Abgasenthalpie für eine gegebenenfalls stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verfügung. Beispielsweise kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen bestimmten hohen Temperaturbereich zum wirksamen Betrieb benötigen (zum Beispiel bei einem SCR-Katalysator). Dies ermöglicht eine verbesserte Auslegung und verbesserte Wirkungsgrade dieser Komponenten sowie eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.
Die Materialaussparung 20 kann allerdings beispielsweise auch zur thermischen Entkopplung eines als Einlasskanal ausgebildeten Fluidführungskanals 18 verwendet werden. Die Materialaussparung 20 verringert in diesem Fall einen Wärmeübergang vom Kühlfluid im Kühlkanal 16, das beispielsweise eine Temperatur oberhalb von 90°C aufweist, auf die durch den Fluidführungskanal 18 strömende Einlassluft, die bevorzugt eine niedrige Temperatur, zum Beispiel unterhalb von 40°C oder 50°C, aufweist.
Vorzugsweise wird die Materialaussparung 20 direkt beim Urformen (z. B. Drucken oder Gießen) des Hauptkörpers 14 als Materialaussparung gebildet, z. B. als Gussmaterialaussparung. Es ist allerdings auch möglich, dass die Materialaussparung 20 erst nach dem Urformen des Hauptkörpers 14 im Hauptkörper 14 14 ausgebildet wird, zum Beispiel durch ein spanabhebendes Fertigungsverfahren. Beispielsweise können mehrere, den Fluidführungskanal 18 umgebenden Bohrungen in den Hauptkörper 14 eingebracht werden.
Zwischen der Materialaussparung 20 und dem Fluidführungskanal 18 ist ein Stützbereich 30 angeordnet. Der Stützbereich 30 ist Teil des Hauptkörpers 14. Der Stützbereich 30 ist gegossen. Der Stützbereich 30 stützt den Fluidführungskanal 18 im Hauptkörper 14. Der Stützbereich 30 trennt die Materialaussparung 20 und den Fluidführungskanal 18 fluidisch voneinander. Eine Materialstärke des Stützbereichs 30 zwischen dem Fluidführungskanal 18 und der Materialaussparung 20 kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen. Der Stützbereich 30 ist so auszuführen, dass er so steif wie nötig zum Stützen des Fluidführungskanals 18 und so flexibel wie möglich zum Ausgleichen von bspw. temperaturbedingten Materialausdehnungen ist.
Die Materialaussparung 20 ist mit Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, gefüllt. Dadurch bildet die Materialaussparung 20 einen wärmeisolierenden Luftspalt zwischen dem Fluidführungskanal 18 und dem Kühlkanal 16. Die Spaltgröße des Luftspalts kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 mm und 15 mm liegen. Es kann auch möglich sein, dass die Materialaussparung 20 zumindest teilweise mit einem Wärmedämmmaterial gefüllt ist.
Die Materialaussparung 20 kann zu einer Außenseite des Hauptkörpers 14 hin offen sein. Dies ermöglicht, dass die Luft in der Materialeinsparung 20 mit der Umgebungsluft ausgetauscht werden kann und sich eine Luftzirkulation ergibt. Es ist allerdings auch möglich, dass die Materialaussparung 20 ohne Öffnung nach außen als Hohlraum in dem Hauptkörper 14 angeordnet ist.
Die Außenkontur bzw. Wandkontur der Materialaussparung 20 ist an eine Außenkontur bzw. Wandkontur des Fluidführungskanals 18 angepasst und folgt dieser beispielsweise zumindest teilweise in gleichbleibenden Abstand. Beispielsweise kann die Außenkontur der Materialaussparung 20 zumindest teilweise als Zylindermantelsegment ausgebildet sein, auf dessen Innenseite der Fluidführungskanal 18 verläuft. Es ist auch möglich, dass die Außenkontur der Materialaussparung 20 zusätzlich oder alternativ an den Kühlkanal 16 angepasst ist und diesen beispielsweise zumindest teilweise in gleichbleibenden Abstand folgt.
Die Materialaussparung 20 folgt dem Fluidführungskanal 18 ausgehend von einer Außenseite des Zylinderkopfes 10 entlang eines wesentlichen Teils einer Länge des Fluidführungskanals 18. Wie dargestellt ist, kann die Materialaussparung 20 dem Fluidführungskanal 18 beispielsweise zwischen 80 % und 90 % der Länge des Fluidführungskanals 18 folgen. Die Materialaussparung 20 umhüllt den Fluidführungskanal 18, ausgenommen den Zylinderkopfbodenbereich 14A des Hauptkörpers 14 und den Stützbereich 30 des Hauptkörpers 14, im Wesentlichen vollständig.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Materialaussparung 20 zwei Aussparungsbereiche 32, 34 auf. Die Aussparungsbereiche 32, 34 stehen über mehrere Kanäle 36 miteinander in Fluidverbindung, wie dargestellt ist. Es ist auch möglich, mehr oder weniger Aussparungsbereiche vorzusehen, die in Fluidverbindung miteinander stehen können oder nicht.
Die Aussparungsbereiche 32, 34 sind ringförmig um den Fluidführungskanal 18 herum angeordnet. Die Aussparungsbereiche 32, 34 können den Fluidführungskanal 18 beispielsweise symmetrisch umgeben. Die Aussparungsbereiche 32, 34 weisen jeweils einen ringsegmentförmigen Querschnitt auf. Die ringsegmentförmigen Querschnitte können beispielsweis jeweils einen Winkelbereiche von annährend 180° umfassen. Die Aussparungsbereiche 32, 34 folgen einem Verlauf des Fluidführungskanals 18 in Form von Hülsensegmenten.
Die Aussparungsbereiche 32, 34 enden angrenzend an den Zylinderkopfbodenbereich 14A des Hauptkörpers 14. Andererseits münden die Aussparungsbereiche 32, 34 in einer Außenseite des Hauptkörpers 14. Die Aussparungsbereiche 32, 34 weisen jeweils eine Öffnung 38, 40 auf. Die Öffnungen 38, 40 sind um die Öffnung 24 herum angeordnet. Die Öffnungen 38, 40 weisen eine Ringsegmentform auf. Durch die Öffnungen 38, 40 kann Luft in die Aussparungsbereiche 32, 34 einströmen und ausströmen, sodass sich eine Luftzirkulation in den Aussparungsbereiche 32, 34 und damit in der Materialaussparung 20 ergeben kann.
Ein Stegabschnitt 42 des Stützbereichs 30 ist zwischen der Öffnung 24 einerseits und den Öffnungen 38, 40 andererseits angeordnet. Der Stegabschnitt 42 kann ringförmig sein. Der Stegabschnitt 42 umgibt die Öffnung 24. Der Stegabschnitt 42 kann eine oder mehrere Befestigungseinrichtungen 44 (nur in 2 schematisch dargestellt) aufweisen, die zum Anbinden einer Fluidleitung an den Fluidführungskanal 18 ausgebildet sind. Beispielsweise können die Befestigungseinrichtungen 44 als Gewindelöcher zum Einschrauben von Befestigungsschrauben ausgebildet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und beispielsweise unabhängig von den Merkmalen bezüglich des Vorhandenseins und/oder der Konfiguration des Fluidführungskanals, des Kühlkanals und/oder der mindestens einen Materialaussparung des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweilige bevorzugte engere Außengrenzen des jeweiligen Bereichs.
Bezugszeichenliste

10: Zylinderkopf
12: Verbrennungskammer
14: Hauptkörper
14A: Zylinderkopfbodenbereich
16: Kühlkanal
18: Fluidführungskanal
20: Materialaussparung
22: Öffnung
24: Öffnung
26: Ventil
28: Aufnahme
30: Stützbereich
32: Aussparungsbereich
34: Aussparungsbereich
36: Kanal
38: Öffnung
40: Öffnung
42: Stegabschnitt
44: Befestigungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10039790 A1 [0002]
DE 102005025731 A1 [0003]

Claims

Zylinderkopf (10) zum Abdecken einer Verbrennungskammer (12) einer Brennkraftmaschine, aufweisend: einen Fluidführungskanal (18) zum Zuführen eines Fluids zu oder Abführen eines Fluids aus der Verbrennungskammer (12); einen Kühlkanal (16) für ein Kühlfluid zum Kühlen des Zylinderkopfes (10); und mindestens eine Materialaussparung (20) zur Wärmeisolation, die in einem Hauptkörper (14) des Zylinderkopfes (10) gebildet und zwischen dem Fluidführungskanal (18) und dem Kühlkanal (16) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Materialaussparung (20) durch den Hauptkörper (14) getrennt von dem Fluidführungskanal (18) angeordnet ist.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1, wobei: die mindestens eine Materialaussparung (20) durch Urformen, Umformen und/oder Trennen gefertigt ist; und/oder der Hauptkörper (14) gegossen oder gedruckt ist; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) beim Urformen, vorzugsweise beim Gießen oder Drucken, des Hauptkörpers (14) oder anschließend daran gebildet ist, vorzugsweise durch ein trennendes Fertigungsverfahren.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei: der Fluidführungskanal (18) als ein Abgaskanal, ein Einlasskanal oder ein Druckluftentnahmekanal ausgebildet ist; und/oder der Zylinderkopf (10) ein Ventil (16), vorzugsweise ein Tellerventil, aufweist, das zum brennraumseitigen Abdichten des Fluidführungskanals (18) angeordnet ist; und/oder der Kühlkanal (16) zum Kühlen eines Zylinderkopfbodenbereichs (14A) des Hauptkörpers (14) angeordnet ist; und/oder der Kühlkanal (16) angrenzend an einen Zylinderkopfbodenbereich (14B) des Hauptkörpers (14) angeordnet ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Materialaussparung (20) dazu ausgebildet ist, dass sie: eine Wärmeübertragung zwischen dem Kühlkanal (16) und dem Fluidführungskanal (18), vorzugsweise wesentlich, verringert; und/oder den Fluidführungskanal (18) und den Kühlkanal (16) zumindest teilweise voneinander thermisch isoliert.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die mindestens eine Materialaussparung (20) mit Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, gefüllt und/oder durchströmt ist; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) einen Luftspalt zwischen dem Fluidführungskanal (18) und dem Kühlkanal (16) bildet; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) mit einem Wärmedämmmaterial gefüllt ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: eine Außenkontur der mindestens einen Materialaussparung (20) einer Außenkontur des Fluidführungskanals (18) und/oder des Kühlkanals (16) zumindest abschnittweise folgt, vorzugsweise in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) den Fluidführungskanal (18) abschnittsweise oder vollständig umgibt; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweist und/oder hülsensegmentförmig ausgebildet ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die mindestens eine Materialaussparung (20) dem Fluidführungskanal (18) entlang von mindestens 50 %, 60 %, 70 %, 80 % oder 90 % einer Länge des Fluidführungskanals (18) folgt, vorzugsweise in im Wesentlichen gleichbleibendem Abstand; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) angrenzend an einen Zylinderkopfbodenbereich (14A) des Hauptkörpers (14) endet; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) in eine Außenfläche des Zylinderkopfes (10) mündet, vorzugsweise zum Ermöglichen einer Luftzirkulation durch die mindestens eine Materialaussparung (20).
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die mindestens eine Materialaussparung (20) den Fluidführungskanal (18) mit Ausnahme eines Zylinderkopfbodenbereichs (14A) des Hauptkörpers (14) und eines zum Stützen des Fluidführungskanals (18) erforderlichen Stützbereichs (30) des Hauptkörpers (14) im Wesentlichen vollständig umhüllt; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) den Fluidführungskanal (18) zumindest teilweise umhüllt.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Materialaussparung (20) mehrere Aussparungsbereiche (32, 34) aufweist, die: miteinander in Fluidverbindung sind, vorzugsweise durch Kanäle (36) im Hauptkörpers (14), und/oder symmetrisch um den Fluidführungskanal (18) herum angeordnet sind; und/oder jeweils einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweisen und den Fluidführungskanal (18) zusammen ringförmig umgeben; und/oder jeweils hülsensegmentförmig ausgebildet sind und den Fluidführungskanal (18) zusammen hülsenförmig umgeben.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: eine Materialstärke des Hauptkörpers (14) zwischen dem Fluidführungskanal (18) und der mindestens einen Materialaussparung (20) größer oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich 10 mm ist; und/oder eine Materialaussparungsdicke der mindestens einen Materialaussparung (20) in einer Radialrichtung des Fluidführungskanals (18) größer oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich 15 mm ist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der Fluidführungskanal (18) eine Öffnung (24) an einer Außenseite des Zylinderkopfes (10) aufweist; und die mindestens eine Materialaussparung (20) eine Öffnung (38, 40) an der Außenseite des Zylinderkopfes (10) aufweist, die die Öffnung (24) des Fluidführungskanals (18) zumindest teilweise, vorzugsweise ringsegmentförmig, umgibt.
Zylinderkopf (10) nach Anspruch 11, wobei: ein, vorzugsweise ringförmiger, Stegabschnitt (42) zwischen der Öffnung (24) des Fluidführungskanals (18) und der Öffnung (38, 40) der mindestens einen Materialaussparung (20) gebildet ist, der mindestens eine Befestigungseinrichtung (44), vorzugsweise ein Gewindeloch, zur Anbringung einer Fluidleitung in Fluidverbindung mit dem Fluidführungskanal (18) aufweist.
Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der Hauptkörper (14) einen Stützbereich (30) aufweist, der zwischen dem Fluidführungskanal (18) und der mindestens einen Materialaussparung (20) zum Stützen des Fluidführungskanals (18) im Hauptkörper(14) angeordnet ist; und/oder die mindestens eine Materialaussparung (20) fluidisch getrennt von dem Fluidführungskanal (18) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, mit einem Zylinderkopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend: Urformen, vorzugsweise Gießen oder Drucken, des Hauptkörpers (14) des Zylinderkopfes (10), wobei die mindestens eine Materialaussparung (20) direkt beim Urformen des Hauptkörpers (14) und/oder anschließend an das Urformen des Hauptkörpers (14) im Hauptkörper (14) gefertigt wird.