DE102018221676A1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (12) für eine Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs (2) mit einem in den Zylinderkopf (12) integrierten Sensor (26), wobei der Zylinderkopf (12) und der Sensor (26) jeweils 3D-Druckbauteile sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine.
• Um einen schadstoffarmen Betrieb von Brennkraftmaschinen, wie Otto- und Dieselmotoren, zu gewährleisten, die als Traktionsmotoren Kraftfahrzeuge, wie z.B. PKWs, antreiben, zu gewährleisten sind Betriebsparameter wie Zündkerzenvorlauf, Einspritzparameter und/oder Gaszusammensetzung anzupassen. Daher sind zeitnahe Informationen über den Verbrennungsvorgang erforderlich.
• Hierzu wird an vorbestimmten Winkelpositionen der Kurbelwelle der Zylinderdruck gemessen. Derartige Sensoren sind jedoch schwer in eine Brennkraftmaschine zu integrieren. Zurzeit werden derartige Sensoren in Steckergehäusen von Zünd- oder Glühkerzen integriert. Weitere Sensorgehäuse sind aus der DE 10 2016 225 652 und DE 10 2015 225 666 bekannt. Hier können allerdings Welleneffekte das Messsignal verfälschen. Weitere, mittels 3D-Druck gefertigte Sensoren sind aus der US 9 986 312 und US 10 006 304 bekannt
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Wege aufzuzeigen, wie hier eine Verbesserung erreicht werden kann.
• Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem in den Zylinderkopf integrierten Sensor, wobei der Zylinderkopf und der Sensor jeweils 3D-Druckbauteile sind.
• Der Zylinderkopf schließt den Raum der Brennkraftmaschine, wie eines Otto- oder Dieselmotors, nach oben ab. Bei modernen Viertaktmotoren beherbergt er die Ein- und Auslasskanäle und die Ventilsteuerung für die Gaswechselvorgänge, Ölkanäle für die Schmierung des Ventiltriebs und bei wassergekühlten Motoren auch Kühlmittelkanäle, bei Ottomotoren die Zündkerzen, bei Otto-Direkteinspritzern auch die Einspritzventile beziehungsweise bei Dieselmotoren die Einspritzdüsen und die Glühkerzen.
• p 3D-Druck (auch bekannt unter den Bezeichnungen Additive Fertigung, Additive Manufacturing (AM), Generative Fertigung oder Rapid Technologien), ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- und/oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Die wichtigsten Techniken sind das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Layer Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze. Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat der 3D-Druck den Vorteil, dass das aufwändige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfallen. Gegenüber allen das Material abtragenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat der 3D-Druck den Vorteil, dass der zusätzliche Bearbeitungsschritt nach dem Urformen entfällt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch Körper mit einer komplizierten Geometrie erzeugt werden können.
• Somit kann in einem Fertigungsschritt der Zylinderkopf zusammen mit dem integrierten Sensor hergestellt und einstückig ausgebildet werden. Ferner kann der integrierte Sensor nun optimiert platziert werden, d.h. unabhängig von den Positionen von Steckern von z.B. Zünd- oder Glühkerzen. So können Messsignale bereitgestellt werden, die nicht durch Welleneffekte verfälscht sind.
• Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor an einen Brennraum der Brennkraftmaschine angrenzend angeordnet. Somit befindet sich kein Material des Zylinderkopfes zwischen einer sensitiven Seite bzw. Fläche des integrierten Sensors und dem Brennraum, das das Messsignal verfälschen könnte.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind in den Zylinderkopf den Sensor mit einem Steuergerät elektrisch leitend verbindende elektrische Leitungen integriert, wobei die elektrischen Leitungen jeweils 3D-Druckbauteile sind. Somit ist es nicht erforderlich, in den Zylinderkopf Bohrungen einzubringen zur Aufnahme elektrischer Leitungen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor als ein Drucksensor, Dehnungsmessstreifen oder Klopfsensor ausgebildet. Während mit einem Drucksensor mittels des z.B. piezoresistiven Effektes Druckwerte erfasst werden können, können mit Dehnungsmessstreifen dehnende und/oder stauchende Verformungen und mit einem Klopfsensor kann Körperschall indikativ für ein Klopfen der Brennkraftmaschine erfasst werden.
• Ferner gehören zur Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Zylinderkopf und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennkraftmaschine.
• Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• 1 in schematischer Darstellung einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
• Dargestellt ist eine Brennkraftmaschine 4, die als Traktionsmotor ein Kraftfahrzeug 2, wie z.B. ein PKW, antreibt.
• Die Brennkraftmaschine 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Ottomotor mit Direkteinspritzung. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Brennkraftmaschine 4 auch ein Dieselmotor sein.
• Die Brennkraftmaschine 4 weist einen in einem Zylinder 6 verlagerbaren Kolben 8 auf, wobei der Zylinder 6 und der Kolben 8 einen Brennraum 10 begrenzen, in dem ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt wird. Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Heißgases wird genutzt, um den Kolben 8 zu bewegen.
• Ferner weist die Brennkraftmaschine 4 einen Zylinderkopf 12 auf. Von den Komponenten des Zylinderkopfes 6 sind in der 1 ein Einlassventil 14, ein Auslassventil 16, eine Zündkerze 18, ein Einspritzventil 20, eine Nockenwelle 22 und ein Kipphebel 24 dargestellt.
• Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine 4 einen integrierten Sensor 26 auf, der über abschnittsweise integrierte elektrische Leitungen 28 messsignaleübertragend mit einem Steuergerät 30 verbunden ist.
• Der Zylinderkopf 12 und der integrierten Sensor 26 sowie die elektrische Leitungen 28 sind jeweils 3D-Druckbauteile. D.h., zur Herstellung des Zylinderkopfs 12 und des integrierten Sensors 26 sowie der elektrischen Leitungen 28 wurde Material Schicht für Schicht aufgetragen und so der Zylinderkopf 12 und der integrierten Sensor 26 sowie die elektrische Leitungen 28 erzeugt. Somit ist der Zylinderkopf 12 mit dem integrierten Sensor 26 und den elektrische Leitungen 28 einstückig ausgebildet.
• Der integrierten Sensor 26 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Drucksensor, der aus Silizium, wie z.B. Siliziumdioxid (SiO₂), besteht und der den piezoresistiven Effekt nutzt. Das Silizium bzw. Siliziumdioxid (SiO₂) wird mittels 3D-Druck aufgebracht. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der integrierte Sensor 26 auch als ein Dehnungsmessstreifen oder Klopfsensor ausgebildet sein. Zur elektrischen Isolierung kann der integrierte Sensor 26 mit Schichten aus einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sein, das ebenfalls mittels 3D-Druck aufgebracht wird.
• Auch das elektrisch leitfähige Material der elektrischen Leitungen 28 wie auch das elektrisch leitfähige Material der elektrischen Leitungen 28 umgebende elektrisch isolierende Material kann im Abschnitt des Zylinderkopfes 12 jeweils mittels 3D-Druck aufgebracht werden, um den Zylinderkopf 12 zu fertigen.
• Dies erlaubt es, den integrierten Sensor 26 an einen Brennraum 10 der Brennkraftmaschine 4 angrenzend anzuordnen. Daher befindet sich kein Material des Zylinderkopfes 6 zwischen einer im vorliegenden Ausführungsbeispiel drucksensitiven Seite bzw. Fläche des integrierten Sensors 26 und dem Brennraum 10, das das Messsignal verfälschen könnte.
• Somit kann in einem Fertigungsschritt der Zylinderkopf 6 zusammen mit dem integrierten Sensor 26 sowie den elektrischen Leitungen 28 hergestellt werden, und es können Messsignale bereitgestellt werden, die nicht durch Welleneffekte verfälscht sind.
• Bezugszeichenliste

2

Kraftfahrzeug

4

Brennkraftmaschine

6

Zylinder

8

Kolben

10

Brennraum

12

Zylinderkopf

14

Einlassventil

16

Auslassventil

18

Zündkerze

20

Einspritzventil

22

Nockenwelle

24

Kipphebel

26

integrierter Sensor

28

elektrische Leitungen

30

Steuergerät

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016225652 [0003]
• DE 102015225666 [0003]
• US 9986312 [0003]
• US 10006304 [0003]

Claims (6)

1. Zylinderkopf (12) für eine Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs (2) mit einem in den Zylinderkopf (12) integrierten Sensor (26), wobei der Zylinderkopf (12) und der Sensor (26) jeweils 3D-Druckbauteile sind.
2. Zylinderkopf (12) nach Anspruch 1, wobei der Sensor (26) an einen Brennraum (10) der Brennkraftmaschine (4) angrenzend angeordnet ist.
3. Zylinderkopf (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in den Zylinderkopf (12) den Sensor (26) mit einem Steuergerät (12) elektrisch leitend verbindende elektrische Leitungen (28) integriert sind, wobei die elektrischen Leitungen (28) jeweils 3D-Druckbauteile sind.
4. Zylinderkopf (12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Sensor (26) als ein Drucksensor, Dehnungsmessstreifen oder Klopfsensor ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine (4) mit einem Zylinderkopf (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Kraftfahrzeug (2) mit einer Brennkraftmaschine (4) nach Anspruch 5.

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