DE102019114389A1

DE102019114389A1 - Zylinderkopf aus polymer und metall und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE102019114389A1
Application number: DE102019114389.6A
Authority: DE
Inventors: Anthony M. Coppola; Peter P. Andruskiewicz IV; Hamid G. Kia; Paul M. Najt
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US20200063690A1; CN110857672A

Abstract

Eine Zylinderkopfbaugruppe für eine Motorbaugruppe ist hierin vorgesehen. Die Zylinderkopfbaugruppe kann einen Kopfrahmen, ein Ablassrohr mit Wärmedämmung, ein Einlassrohr und ein Polymergehäuse einschließen, das um mindestens einen Abschnitt des Metallkopfrahmens und des Auslassrohres angeordnet ist. Die Zylinderkopfbaugruppe kann ferner mehrere Kanäle zum Erwärmen und/oder Kühlen der Zylinderkopfbaugruppe einschließen, die in einem oder mehreren der Folgenden definiert sein können: Metallkopfrahmen, Auslassrohr und Polymergehäuse. Verfahren zur Herstellung der Zylinderkopfbaugruppe werden hierin ebenfalls bereitgestellt.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Zylinderkopfbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und genauer gesagt auf eine Zylinderkopfbaugruppe mit einem Metallkopfrahmen, einem Polymergehäuse und Kanälen in der Zylinderkopfbaugruppe, die in der Lage sind, ein Fluid zum Kühlen von mindestens einem Abschnitt der Zylinderkopfbaugruppe aufzunehmen.
Traditionell werden Motorbauteile für Kraftfahrzeuganwendungen aus Metallen, wie Stahl und Eisen, hergestellt. Metallkomponenten sind robust und weisen normalerweise eine gute Duktilität, Haltbarkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit auf. Während sich Metalle als annehmbare Motorbauteile erwiesen haben, haben sie den klaren Nachteil, dass sie schwer sind und den gravimetrischen Wirkungsgrad, die Leistung und die Beschleunigung eines Fahrzeugs reduzieren, wodurch sich die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs vermindert.
Gewichtsreduktion für erhöhte Kraftstoffwirtschaftlichkeit in Fahrzeugen hat die Verwendung verschiedener Leichtmetallbauteile, wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen, sowie die Verwendung leichtgewichtiger Polymere vorangetrieben. Obwohl die Verwendung leichter Materialien dazu dienen kann, das Gesamtgewicht zu verringern und im Allgemeinen die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, können bei der Verwendung solcher Materialien in einem Motor aufgrund der hohen Betriebstemperaturen im Zusammenhang mit der Motorbaugruppe Probleme entstehen. Die Leichtmetallbauteile können im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- oder Keramikmaterialien relativ hohe lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. In Motorbaugruppen kann die Verwendung derartiger Leichtmetalle unter gewissen thermischen Betriebsbedingungen eine ungleichmäßige Wärmeausdehnung in Bezug auf die benachbarten Bauteile mit niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Stahl- oder Keramikmaterialien, verursachen, was zu einer Trennung von Komponenten und einer verringerten Leistung führt. Außerdem können leichte Polymere Belastungsgrenzen aufweisen, wie beispielsweise eine verringerte Zugfestigkeit, und sie können erodieren, wenn sie kontinuierlich hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Somit werden leichtgewichtige Motorbaugruppen mit erhöhter Belastbarkeit für Betriebsbedingungen bei hohen Temperaturen benötigt, um die Betriebseffizienz und Kraftstoffwirtschaftlichkeit weiter zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
Unter bestimmten Aspekten umfasst die vorliegende Offenbarung einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor einschließlich eines Metallkopfrahmens, eines Auslassrohrs, das eine Auslassöffnung bildet, eines Einlassrohrs, das eine Einlassöffnung bildet, eines Polymergehäuses, das zumindest einen Abschnitt des Metallkopfrahmens und den Auslasskanal umschließt, und einer Vielzahl von Kanälen. Der Metallkopfrahmen kann einen Abschnitt einer Brennkammer, einer Einlassventilführung und einer Auslassventilführung bilden. Das Auslassrohr kann einen Wärmedämmstoff mit einer Dämmschicht einschließen, und das Auslassrohr kann aus einem Material bestehen, das aus einer Gruppe von Metallen, Polymeren, Wärmedämmstoffen oder Kombinationen davon ausgewählt wurde. Das Auslassrohr kann neben zumindest einem Abschnitt des Metallkopfrahmens angeordnet sein. Die Mehrzahl von Kanälen kann in einem oder mehreren der folgenden Teile definiert sein:

(i) dem Metallkopfrahmen; (ii) dem Auslassrohr; und (iii) dem Polymergehäuse.

Das Polymer in dem Polymergehäuse und der polymere Werkstoff können jeweils ein thermoplastisches Polymer oder ein duroplastisches Polymer einschließen.
Das Polymergehäuse und der polymere Werkstoff können ferner eine Vielzahl von Verstärkungsfasern einschließen, wobei die Vielzahl von Verstärkungsfasern aus der Gruppe ausgewählt wird, die Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organische Fasern, Metallfasern und eine Kombination davon enthält.
Die Vielzahl von Kanälen weist jeweils einen Durchmesser von ungefähr 100 µm bis ungefähr 10 mm auf.
Die Vielzahl von Kanälen kann eine Ummantelung mit einer Wanddicke von ungefähr 1 µm bis ungefähr 1 mm aufweisen, wobei die Ummantelung ein Metall, ein Polymer, einen polymeren Verbundstoff oder eine Kombination davon einschließt.
Die Vielzahl von Kanälen im Metallkopfrahmen, dem Auslassrohr und dem Polymergehäuse kann miteinander verbunden sein.
Wenigstens ein Abschnitt der Vielzahl von Kanälen kann sich um den Umfang einer ersten Außenfläche des Auslassrohres erstrecken, oder zumindest ein Abschnitt der Vielzahl von Kanälen kann sich in Längsrichtung entlang der ersten Außenfläche des Auslassrohres erstrecken.
Die Dämmschicht kann ferner eine Vielzahl von Mikrokügelchen umfassen, einschließlich einer Metalllegierung, eines Polymers, Glas und/oder Keramik, wobei die Vielzahl von Mikrokügelchen jeweils einen Durchmesser von ungefähr 10 µm bis ungefähr 100 µm aufweist. Ferner kann die Dämmschicht eine Porosität von mindestens ungefähr 50 % aufweisen.
Der Wärmedämmstoff kann ferner ein Dichtungsmaterial aufweisen.
Gemäß anderen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfbaugruppe für einen Motor bereit. Das Verfahren beinhaltet (a) ein Wärmedämmstoffherstellungsverfahren, (b) ein Gießverfahren, (c) ein Kanalbildungsverfahren zur Bildung einer dazwischenliegenden Baugruppe, und (d) ein Polymerherstellungsverfahren. Das Wärmedämmstoffherstellungsverfahren kann einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: (i) Aufbringen eines Dämmschicht-Vorläufers auf eine zweite Außenseite einer Form einer Auslassöffnung und Festigen des Dämmschicht-Vorläufers, der auf die zweite Außenfläche der Auslassöffnungsform aufgetragen wurde, um ein Auslassrohr mit einem Wärmedämmstoff zu bilden; und (ii) Auftragen des Dämmschicht-Vorläufers auf eine dritte Außenfläche einer Einlassöffnungsform und Aushärten des Dämmschicht-Vorläufers, der auf die dritte Außenfläche der Einlassöffnungsform aufgetragen wurde, um ein Einlassrohr mit einem Wärmedämmstoff zu bilden; und (iii) die Durchführung eines Gusses, Spritzgusses oder eines dreidimensionalen (3D) Druckverfahrens zur Formung eines Auslassrohres als Auslassöffnung und/oder Einlassrohres als Einlassöffnung mit einer Abdichtung zur Auslassöffnung und/oder Einlassöffnung. Das Gießverfahren kann einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: (i) Anordnen des Auslassrohres in einer ersten Gießform und Guss des Metallkopfrahmens, das einen Abschnitt der Brennkammer bildet; und (ii) Anordnen des Einlassrohres der ersten Gießform und Guss des Metallkopfrahmens. Das Kanalherstellungsverfahren zur Herstellung einer dazwischenliegenden Baugruppe kann die Verwendung eines Ausgangsmaterials mit einer Schutzschicht auf dem Auslassrohr, dem Metallkopfrahmen oder einer Kombination davon einschließen. Der Polymerherstellungsverfahren kann das Platzieren der dazwischenliegenden Baugruppe in einer zweiten Gießform, das Auftragen eines polymeren Vorläufers in die zweite Gießform, das Aushärten des Polymervorläufers zur Formung einer soliden polymeren Baugruppe mit einem Polymergehäuse und gegebenenfalls das Entfernen der Schutzschicht zur Bildung einer Vielzahl von Kanälen einschließen. Das Polymergehäuse kann um einen oder mehrere Abschnitte von mindestens einem Metallkopfrahmen, mindestens einem Abschnitt des Auslassrohres und mindestens einem Abschnitt des Einlassrohres angeordnet sein. Die Mehrzahl von Kanälen kann in einem oder mehreren der folgenden Teile definiert sein: (i) dem Metallkopfrahmen; (ii) dem Polymergehäuse; und (iii) dem Auslassrohr.
Das Polymer kann ein thermoplastisches Polymer oder ein duroplastisches Polymer einschließen.
Das Auftragen des Kanalvorläufers kann einen oder mehrere der folgenden Vorgänge umfassen: (i) Auftragen des Kanalvorläufers um den Umfang von mindestens einem Abschnitt einer ersten Außenfläche des Auslassrohres; (ii) Auftragen des Kanalvorläufermaterials innerhalb eines Hohlraums zwischen Mikrokügelchen im Auslassrohr; und (iii) Auftragen des Kanalvorläufermaterials in Längsrichtung entlang mindestens einem Abschnitt der ersten Außenseite des Auslassrohres.
Die Schutzschicht kann ein Material einschließen, das zu einem oder mehreren Vorgängen in der Lage ist: Schmelzen, Verdampfen, Verbrennen und Lösen.
Der Kanalvorläufer kann ferner eine Ummantelung einschließen, welche die Schutzschicht einschließt, wobei die Ummantelung ein Metall, ein Polymer, einen polymeren Verbundstoff, Keramik oder eine Kombination davon einschließt. Die Schutzschicht kann ein Material enthalten, das zu einem oder mehreren Vorgängen in der Lage ist: Schmelzen, Verdampfen, Verbrennen und Lösen, und die Ummantelung kann nach dem Entfernen der Schutzschicht zurückbleiben.
Die Dämmschicht kann ein Material mit geringer Leitfähigkeit enthalten und/oder die Dämmschicht kann ferner eine Vielzahl von Mikrokügelchen aus mindestens einem der folgenden Materialien enthalten: Metalllegierung, Polymer, Glas und Keramik. Das Verfahren zur Herstellung der Wärmedämmung kann ferner einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: (i) Anhaften der entsprechenden Vielzahl von Mikrokügelchen an die zweite Außenfläche der Auslassöffnungsform, um das Auslassrohr zu bilden, und (ii) Anhaften der entsprechenden Vielzahl von Mikrokügelchen an die dritte Außenfläche der Einlassöffnungsform, um das Einlassrohr zu bilden.
Das Verfahren zur Herstellung der Wärmedämmung kann ferner einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: (i) Anbringen des Dichtungsmaterials auf die zweite Außenfläche der Auslassöffnungsform; (ii) Anbringen des Dichtungsmaterials auf die dritte Außenfläche der Auslassöffnungsform; (iii) Anbringen des Dichtungsmaterials auf die vierte Außenfläche des Vorläufers der Dämmschicht; und (iv) Anbringen des Dichtungsmaterials auf eine fünfte Außenfläche des Wärmedämmstoffs.
Das Gießverfahren kann ferner das Anordnen einer Öffnung der Form des Einlassrohres in der ersten Gießform einschließen, und der Metallkopfrahmen bildet ferner einen Abschnitt eines Einlassrohres.
Das Polymergehäuse kann ferner einen Abschnitt eines Einlassrohres bilden.
Die Dämmschicht kann eine Porosität von mindestens ungefähr 50 % aufweisen, und die Vielzahl von Mikrokügelchen kann jeweils einen Durchmesser von ungefähr 10 µm bis 100 µm aufweisen.
Die Vielzahl von Kanälen im Metallkopfrahmen, dem Auslassrohr und dem Polymergehäuse kann miteinander verbunden sein.
Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Kurzdarstellung sind nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht und sollen die Bestimmung der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen die Bestimmung der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1A ist ein Querschnitt einer Zylinderkopfbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
1B ist eine Explosionszeichnung eines Wärmedämmstoffs mit einer Dämmschicht in der Zylinderkopfbaugruppe aus 1A und veranschaulicht Einzelheiten des Wärmedämmstoffs.
1C ist eine Explosionszeichnung einer anderen Ausführungsform des Wärmedämmstoffs in der Zylinderkopfbaugruppe aus 1A und veranschaulicht Einzelheiten des Wärmedämmstoffs.
2A ist ein Querschnitt eines Mikrokügelchens gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2B ist ein Querschnitt eines Mikrokügelchens gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.
2C ist ein Querschnitt eines Mikrokügelchens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
3A ist ein Querschnitt einer Zylinderkopfbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
3B ist ein Querschnitt einer Zylinderkopfbaugruppe gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.
3C ist ein Querschnitt einer Zylinderkopfbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
4A ist ein Querschnitt eines Auslassrohres gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
4B ist ein Querschnitt eines Auslassrohres gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.
4C ist ein Querschnitt eines Auslassrohres gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
5A ist ein Querschnitt einer Zylinderkopfbaugruppe, die den Fluss eines Wärmeübertragungsfluids durch eine Vielzahl von Kanälen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
5B ist ein Querschnitt einer anderen Zylinderkopfbaugruppe, die den Fluss eines Wärmeübertragungsfluids durch eineVielzahl von Kanälen gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
5C ist ein Querschnitt einer anderen Zylinderkopfbaugruppe, die den Fluss eines Wärmeübertragungsfluids durch eine Vielzahl von Kanäle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht.
6 ist ein Querschnitt eines Kanals gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
7A-7E veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung der Wärmedämmung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. 7A ist ein Querschnitt einer Auslassöffnungsform und einer Einlassöffnungsform zur Veranschaulichung der Anwendung eines Dämmschicht-Vorläufers gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. 7B ist ein Querschnitt einer Auslassöffnungsform und einer Einlassöffnungsform, die das Auftragen eines Dämmschicht-Vorläufers, der eine Vielzahl von Mikrokügelchen umfasst, veranschaulicht. 7C ist eine Explosionszeichnung des Vorläufers der Dämmschicht aus 7B und veranschaulicht Einzelheiten des Dämmschicht-Vorläufers. 7D ist ein Querschnitt des geformten Ausflussrohres und Einlassrohres. 7E ist ein Querschnitt einer Auslassöffnungsform und einer Einlassöffnungsform zur Veranschaulichung des Auftragens einer Dämmschicht und eines Dämmschicht-Vorläufers gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.
8 veranschaulicht ein Gießverfahren zur Bildung eines Kopfrahmens gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
9 veranschaulicht ein Kanalbildungsverfahren und das Auftragen eines Vorläufers auf ein Auslassrohr gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
10 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Polymergehäuses gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
11 veranschaulicht einen Arbeitsschritt zur Entnahme und stellt die Bildung einer Vielzahl von Kanälen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
12A ist ein Querschnitt eines Opfermaterials gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
12B ist ein Querschnitt eines Opfermaterials gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsbeispiele werden nun vollständiger unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Ausführungsbeispiele sollen die sorgfältige Umsetzung dieser Offenbarung und die vollständige Übermittlung ihres Umfangs an die Fachleute sicherstellen. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Bauteile, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Es wird für Fachleute offensichtlich sein, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine so ausgelegt werden sollte, dass sie die Bestimmung der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden gut bekannte Prozesse, gut bekannte Vorrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend sein. So wie sie in der Beschreibung verwendet werden, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn der Kontext gibt ausdrücklich Gegenteiliges an. Die Begriffe „einschließen“, „einschließend“, „umfasst“ und „umfassend“, geben das Vorhandensein von aufgeführten Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten an, ohne das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon auszuschließen. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zur Beschreibung und Beanspruchung verschiedener Ausführungsformen in hierin bestimmten dargestellten Ausführungsformen zu verstehen ist, kann der Begriff alternativ eingrenzend und restriktiv im Sinne von „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“ verstanden werden. Somit umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform im Zusammenhang mit Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten auch insbesondere die Ausführungsformen, die aus diesen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im wesentlichen bestehen. Im Fall von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, welche die grundlegenden und neuartigen materialbezogenen Eigenschaften betreffen, diese Ausführungsform aus, während Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, welche die grundlegenden und neuartigen materialbezogenen Eigenschaften nicht betreffen, in der Ausführungsform eingeschlossen sind.
Andere hierin beschriebene Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise deren Leistung in der speziellen oder erörterten oder dargestellten Reihenfolge erfordern, es sei denn, sie werden spezifisch als eine Leistungsreihenfolge identifiziert. Es wird auch verstanden, dass zusätzliche oder alternative Arbeitsschritte verwendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn bei einer Komponente, einem Element oder einer Schicht auf „auf“, „gehört zu“, „verbunden mit“, „angebracht an“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht Bezug genommen wird, kann sie sich direkt auf der anderen Komponente, dem Element, der Schicht befinden, dazu gehören, damit verbunden, gekoppelt oder daran angebracht sein, oder es können Zwischenelemente oder -schichten vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegensatz dazu als „direkt auf“, „gehört direkt zu“, „direkt verbunden mit“, „direkt angebracht an“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht in Bezug steht, sind keine Zwischenelemente oder -schichten vorhanden. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer ähnlichen Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ im Vergleich zu „direkt zwischen“, „daneben“ im Vergleich zu „direkt daneben“, usw.). Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ jede und alle Kombinationen eines oder mehrerer der zugeordneten aufgelisteten Gegenstände.
Obwohl die Begriffe erster, zweiter, dritter, usw. hierin zur Beschreibung verschiedener Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte verwenden werden, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt sein, sofern nichts anderes angegeben. Diese Begriffe werden nur zur Unterscheidung eines Schrittes, Elementes, einer Komponente, eines Bereichs, einer Schicht oder eines Abschnitts von einem anderen Schritt, Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt verwendet. Wenn sie hierin verwendet werden, implizieren Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und andere numerische Ausdrücke keine Sequenz oder Reihenfolge, sofern dies nicht klar durch den Kontext angegeben ist. Somit könnte ein unten beschriebener erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt als zweiter Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiter Bereich, zweite Schicht oder zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Auf Raum oder Zeit bezogene Begriffe wie „vor“, „nach“, „innen“, „außen“, „darunter“, „unterhalb“, „untere(r)“, „oberhalb“, „obere(r)“ und dergleichen können hier zum besseren Verständnis der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element (anderen Elementen) oder Merkmal (Merkmalen) zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Auf Raum oder Zeit bezogene Begriffe können vorgesehen sein, um verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung oder des Systems im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtungen umfassen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, die als „unterhalb“ oder „darunter“ beschrieben, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet sein. Daher kann der beispielhafte Begriff „unter“ sowohl eine Ausrichtung über als auch unter umfassen. Bei einer möglicherweise anderen Ausrichtung der Vorrichtung (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) können die hierin verwendeten räumlich zugehörigen Deskriptoren entsprechend interpretiert werden.
Es versteht sich für jede Abhandlung eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, Vorrichtung oder eines Systems, das/die bestimmte Schritte, Bestandteile oder Merkmale „umfasst“, dass bei bestimmten alternativen Abweichungen dieses Verfahren, diese Zusammensetzung, Vorrichtung oder dieses System auch „im Wesentlichen besteht aus“ den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Merkmalen, so dass beliebig andere Schritte, Bestandteile oder Merkmale, welche die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften der Erfindung wesentlich verändern würden, davon ausgenommen sind.
In dieser Offenbarung stellen die numerischen Werte die ungefähren Maße oder Grenzen zu Bereichen mit geringen Abweichungen von den gegebenen Werten und Ausführungsformen mit dem genannten Wert als auch solche mit dem exakt genannten Wert dar. Abgesehen von den am Ende der detaillierten Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispielen sind alle numerischen Werte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert zu verstehen, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem numerischen Wert erscheint oder nicht.
„Ungefähr“ zeigt an, dass der angegebene numerische Wert eine gewisse geringfügige Ungenauigkeit erlaubt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts; annähernd oder angemessen nahe an dem Wert; nahezu). Wenn die Ungenauigkeit durch „ungefähr“ nicht anderweitig fachlich einwandfrei in dieser Bedeutung verstanden wird, dann wird „ungefähr“ hierin als ein Begriff verwendet, der zumindest Abweichungen angibt, die sich von herkömmlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Beispielsweise kann „ungefähr“ eine Abweichung von weniger als oder gleich 5 %, wahlweise weniger als oder gleich 4 %, wahlweise weniger als oder gleich 3 %, wahlweise weniger als oder gleich 2 %, wahlweise weniger als oder gleich 1 %, wahlweise weniger als oder gleich 0,5 % und in gewissen Umständen wahlweise weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Zusätzlich umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiterer geteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich Endpunkte und Unterbereiche, die für die Bereiche angegeben sind.
Ausführungsbeispiele werden nun vollständiger unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In einem Fahrzeug, wie einem Automobil, ist ein Motor eine Leistungsquelle, die ein Drehmoment zum Vortrieb erzeugt. Der Motor ist eine Baugruppe aus Teilen, die Zylinderrohre, Kolben, Kurbelwellen, Brennkammern und dergleichen einschließt. Bei einem Viertakt-Verbrennungsmotor weist jeder Kolben einen Einlasstakt, einen Kompressionstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt auf. Während des Einlasstakts bewegt sich ein Kolben abwärts und ein Einlassventil wird geöffnet, um zu ermöglichen, dass ein gasförmiges Luftgemisch eine Verbrennungskammer füllt. Während des Kompressionstakts werden Einlass - und Auslassventile geschlossen und der Kolben bewegt sich nach oben, um das gasförmige Luftgemisch zu komprimieren. Während des Arbeitstakts wird das gasförmige Gemisch in der Brennkammer durch eine Zündkerze gezündet und schnell expandierende Verbrennungsgase treiben den Kolben nach unten. Während des Auslasstakts wird das Auslassventil geöffnet und der Kolben bewegt sich aufwärts, um die Verbrennungsgase (Abgase) auszulassen. Insgesamt können während des Verbrennungsvorgangs die Motorbauteile aufgrund der exothermen Verbrennungsreaktionen im Motorblock unterschiedlichen Belastungen sowie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein.
Wie vorstehend erörtert, können die Leistung, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Beschleunigung abnehmen, wenn das Gewicht der Motorbauteile zunimmt. Deshalb ist es wünschenswert, in Motorbaugruppen anstelle der herkömmlichen Stahl- und/oder Eisenbauteile verschiedene leichtgewichtige Komponenten, wie Leichtmetalle und leichte polymere Werkstoffe zu verwenden, um nicht nur das Gewicht des Motors zu verringern, sondern auch die strukturelle Integrität des Motors aufrecht zu erhalten.
Somit sind hierin Motorbaugruppen zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen, die aus einer Kombination von Bauteilen aus leichten Materialien (z. B. polymeren Werkstoffen) und herkömmlichen Materialien bestehen. Günstigerweise können solche Motorbaugruppen auch zu einer Verbesserung des Schallpegels, der Vibration und der Härte führen. Während sich die hierin beschriebenen Motorbaugruppen besonders für die Verwendung in Bauteilen eines Kraftfahrzeugs eignen, können sie auch in einer Vielzahl von anderen Fahrzeugen verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele von Fahrzeugen, die durch die derzeitige Technologie hergestellt werden können, schließen Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohnmobile, Camper, Flugzeuge (bemannt und unbemannt) und Tanker ein.
Zylinderkopfbaugruppen
Insbesondere wird hierin eine Motorbaugruppe wie eine Zylinderkopfbaugruppe mit einem Kopfrahmen, einem Auslassrohr, einem Einlassrohr, einem Polymergehäuse und einer Vielzahl von Kanälen in der Zylinderkopfbaugruppe bereitgestellt. Zum Beispiel, wie am besten in 1A dargestellt, wird eine beispielhafte Zylinderkopfbaugruppe 100 bereitgestellt. Die Zylinderkopfbaugruppe 100 umfasst Bauteile, die in der Regel mit einem Zylinderkopf und einem oberen Abschnitt eines Verbrennungsmotors verbunden sind. Die Zylinderkopfbaugruppe 100 schließt einen Kopfrahmen 105, ein Auslassrohr 115, ein Einlassrohr 120 und ein Polymergehäuse 125 ein. Der Kopfrahmen 105 ist ein Gerüst, das verschiedene Aspekte der Zylinderkopfbaugruppe 100 abgrenzt und/oder bildet. Beispielsweise kann der Kopfrahmen 105 einen Abschnitt eines oder mehrerer der folgenden Teile definieren: einer Brennkammer 107, einer Einlassventilführung 109 und einer Auslassventilführung 111. Die Zylinderkopfbaugruppe 100 kann ferner eine Verbrennungsvorrichtung (nicht abgebildet) umfassen. Die Verbrennungsvorrichtung kann eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, eine Zündkerze, eine Glühkerze oder eine andere Vorrichtung, welche die Verbrennung unterstützt, einschließen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Kopfrahmen 105 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie zum Beispiel, aber nicht darauf begrenzt, einem metallischen Werkstoff (z. B. Eisen, Magnesium, eine Aluminiumlegierung, eine Stahllegierung, eine Metallverbindung und Kombinationen davon), einem Keramikwerkstoff (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Keramikverbindung), und Kombinationen davon sein. In jeder Ausführungsform kann der Kopfrahmen 105 einen metallischen Werkstoff umfassen. Obwohl die Beschreibung der Zylinderkopfbaugruppe 100 nur einzelne Bauteile bezeichnet und beschreibt, wie beispielsweise eine einzelne Brennkammer 107, ein einzelnes Auslassrohr 115, ein einzelnes Einlassrohr 120, usw. wird hierin in Erwägung gezogen, dass die Zylinderkopfbaugruppe 100 eine beliebige Anzahl von hierin beschriebenen Komponenten, z. B. Brennkammern, Auslassrohre, Einlassrohre, usw. einschließen kann. Zum Beispiel kann die Zylinderkopfbaugruppe 100 zwei, drei, vier, fünf Brennkammern, Auslassrohre, Einlassrohre, usw., aufweisen.
Das Einlassrohr 120 kann eine Einlassöffnung 122 definieren, die einen Fluidkanal zum Zuführen eines Verbrennungsluftstroms in die Brennkammer 107 vorsieht. Das Auslassrohr 115 kann eine Auslassöffnung 117 definieren, die einen Fluidkanal zum Ausströmen eine Abgasstroms von der Brennkammer 107 vorsieht. Wie für Fachleute ersichtlich, kann die Einlassventilführung 109 ein Einlassventil (nicht abgebildet) verschiebbar lagern. Das Einlassventil so ausgelegt, dass es eine Fluidverbindung durch die Einlassöffnung 122 öffnet und schließt. Wie für Fachleute ersichtlich, kann die Auslassventilführung 111 ein Auslassventil (nicht abgebildet) verschiebbar lagern. Das Auslassventil so ausgelegt, dass es eine Fluidverbindung durch die Auslassöffnung 117 öffnet und schließt.
In jeder Ausführungsform kann das Auslassrohr 115 einen Wärmedämmstoff 140 umfassen, der in der Lage ist, Wärme vom Abgas zu den festen Bauteilen der Zylinderkopfbaugruppe 100 zu übertragen und zu begrenzen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Wärmedämmstoff 140 einen Isolator bilden, der so ausgeleg ist, dass er Wärmeübertragungsverluste verringert, die Effizienz erhöht und die Abgastemperatur während des Betriebs der Zylinderkopfbaugruppe 100 in einem Motor erhöht. Mit Bezug auf 1A kann der Wärmedämmstoff 140 auf einer Fläche oder Oberfläche von einem oder mehreren der Bauteile der Zylinderkopfbaugruppe 100 angeordnet sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, den Kopfrahmen 105, die Auslassventilführung 111, das polymere Gehäuse 125 und dergleichen.
Der Wärmedämmstoff 140 kann so konfiguriert sein, dass er eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bereitstellt, um das Polymergehäuse 125 thermisch zu schützen und die Motorleistung zu erhöhen. Auf diese Weise verringert die geringe Wärmeleitfähigkeit Wärmeübertragungsverluste durch den Wärmedämmstoff 140, wodurch Kühlerfordernisse minimiert werden und ein Abschnitt des Wärmedämmstoffs 140 neben dem Polymergehäuse 125 auf einer gewünschten niedrigeren Temperatur gehalten wird. Zusätzlich kann das Abgas, das aus der Brennkammer austritt, mehr Wärme zurückhalten, die verwendet werden könnte, um die Motorleistung zu erhöhen, und das Einlassgas könnte kühler bleiben, um den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors zu verbessern. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann der Wärmedämmstoff 140 eine Dicke von ungefähr 500 Mikron (µm) und eine berechnete Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,7 W/mK sowie eine Porosität von ungefähr 50 % aufweisen.
In Bezug auf 1B kann der Wärmedämmstoff 140 eine Dämmschicht 145 (hierin auch bezeichnet als „dämmende Werkstoffschicht 145“) aufweisen. Die Dämmschicht 145 kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. In jeder Ausführungsform kann die Dämmschicht 145 aus einem beliebigen geeigneten Material mit niedriger Leitfähigkeit, zum Beispiel aus einem Keramikwerkstoff wie Oxidkeramiken (z. B. Aluminiumtitanat) und/oder einer Metalllegierung mit geringer Leitfähigkeit (z. B. eine Ni-Cr- Legierung wie zum Beispiel Inconel®), vorzugsweise mit Hohlräumen oder Kammern, die durch maschinelle Bearbeitung oder dreidimensionalen (3D) Druck gebildet werden, bestehen. Zusätzlich oder alternativ kann die Dämmschicht 145 eine Vielzahl von Mikrokügelchen 150 (hierin auch als „Mikrokügelchen 150“ bezeichnet) einschließen, vorzugsweise hohle Mikrokügelchen 150. In jeder Ausführungsform können die Mikrokügelchen 150 aneinander geklebt werden, um eine Schicht mit höherer Porosität und meist geschlossenzelliger Struktur zu erzeugen. Zum Beispiel können anhaftende Mikrokügelchen 150 miteinander gesintert, über die Dämmschicht 145 mit einem zusätzlichen Klebemittel aneinander verklebt oder mit beliebigen Kombinationen davon zusammengeklebt werden. In anderen Worten kann die Dämmschicht 145 als Matrixmaterial konfiguriert sein, um sich mit der Vielzahl von Mikrokügelchen 150 zu verbinden. Es wird hier in Betracht gezogen, dass die Isolierschicht 145 im Wesentlichen die Gesamtheit der Mikrokügelchen 150 umschließen kann und/oder Hohlräume zwischen den Mikrokügelchen 150 vorhanden sein können, wobei im Wesentlichen keine Dämmschicht 145 vorhanden ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Dämmschicht 145 andere geeignete abdichtende poröse Strukturen einschließen, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, hohle Kammern oder Hohlräume, Taschen, geschlossenzelligen metallischen und/oder keramischen Schaum, usw. In einem Ausführungsbeispiel, in dem die Porosität in der Dämmschicht 145 beabsichtigt ist, kann die Porosität der Dämmschicht 145 wenigstens ungefähr 50 %, wenigstens ungefähr 60 %, wenigstens ungefähr 70 %, wenigstens ungefähr 80 %, wenigstens ungefähr 90 %, wenigstens ungefähr 95 %; oder von ungefähr 50 % bis ungefähr 95 %, von ungefähr 60 % bis ungefähr 95 % oder von ungefähr 70 % bis ungefähr 90 % betragen. Eine höhere Porosität der Dämmschicht 145 kann dafür sorgen, dass ein entsprechendes Volumen an Luft und/oder Gasen darin enthalten ist, wodurch die gewünschte Dämmung mit geringer effektiver Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt wird.
In jeder Ausführungsform kann die Dicke der Dämmschicht 145 zwischen ungefähr 0,5 mm und 5 mm liegen. Zusätzlich oder alternativ kann die Dämmschicht 145 so konfiguriert sein, dass sie Drücken von rund 5 bar und Oberflächentemperaturen von ungefähr 1.100 °C standhält.
Die Mikrokügelchen 150 können aus mindestens einem von Folgendem bestehen: einem Polymer, Metall (einschließlich Metalllegierungen), Glas und keramischem Werkstoff. In jeder Ausführungsform bestehen die Mikrokügelchen 150 aus Metall, wie beispielsweise Nickel (Ni), Nickellegierungen, Eisen-Chrom-Aluminium-(FeCrAl) Legierungen, Kobalt-(Co) Legierungen, und dergleichen, um die Haltbarkeit und den Widerstand gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen, z. B. um 1.000 °C, zu gewährleisten. Die Mikrokügelchen 150 können jeweils einen Durchmesser von weniger als oder ungefähr um 1 mm, beispielsweise zwischen 10 µm und um ungefähr 100 µm oder zwischen ungefähr 30 µm und um ungefähr 50 µm aufweisen. Die Wanddicke der Mikrokügelchen 150 kann zwischen ungefähr 0,5 µm und 5 µm liegen. Es wird hier in Betracht gezogen, dass die Dämmschicht 145 Mikrokügelchen 150 aufweisen kann, die jeweils einen im Wesentlichen gleichförmigen Durchmesser aufweisen, oder die Dämmschicht 145 kann Mikrokügelchen 150 mit variierenden Durchmessern umfassen.
In Bezug auf 2A-2C sind Mikrokügelchen 150 dargestellt, die durch eine Vielzahl von Verfahren gebildet werden können. Ein Mikrokügelchen 150 kann mit einer Grundfläche 155 gebildet werden. Beispielsweise kann die Grundfläche 155 aus einem Material hergestellt werden, das die Leitfähigkeit und Wärmekapazität als Teil des vervollständigten Mikrokügelchens 150 begrenzt, beispielsweise kann die Grundfläche aus Polymer, Keramik, Metall und/oder Glas gebildet sein, um eine kugelförmige Schablone für die Mikrokügelchen 150 bereitzustellen. Die Grundfläche 155 kann unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien gebildet werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Polyvinylidenchlorid für ein hohles Mikrokügelchen 150 oder ein Polystyrol für ein massives Mikrokügelchen 150, das in einem späteren Schritt in dem Herstellungsverfahren entfernt werden kann. Alternativ können hohle Kügelchen aus Keramik wie Glaskugeln oder Cenosphären wie Fillite auch verwendet, jedoch im Herstellungsverfahren nicht entfernt werden.
In jeder Ausführungsform kann eine erste Beschichtung 160 auf zumindest einen Teil der Grundfläche 155 aufgetragen werden. Die erste Beschichtung 160 kann einen metallischen Werkstoff wie zum Beispiel Nickel einschließen, der im Wesentlichen durch stromloses Plattieren oder eine chemische Dampfphasenabscheidung (CVD-Verfahren) über die gesamte Grundfläche 155 aufgetragen oder aufgedampft wird. Es ist auch anzumerken, dass andere Materialien wie Eisen oder Kobalt anstelle von Nickel als erste Beschichtung 160 verwendet werden können.
Die Dicke der ersten Beschichtung 160 kann angepasst werden, indem die Dauer des Plattierungsprozesses bei einer bestimmten Temperatur eingestellt wird, zum Beispiel können zwischen ungefähr 0,2 µm und ungefähr 2 µm Nickel je nach Durchmesser der Grundfläche 155 und der beabsichtigten Dichte der Dämmschicht 145 aufgedampft werden.
Eine zweite Beschichtung 165 kann dann über zumindest einem Teil der ersten Beschichtung 160 aufgetragen und/oder aufgedampft werden, wie in 2B abgebildet. Die zweite Beschichtung 165 kann aus einem Material sein, das mit der ersten Beschichtung 160 eine Legierung bildet. In einer Ausführungsform enthält die erste Beschichtung 160 Nickel und die zweite Beschichtung enthält mindestens ein oder mehrere Elemente einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Zink (Zn), Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Aluminium (Al), Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Tantal (Ta), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) und/oder Yttrium (Y). Es kann vorteilhaft sein, wenn die zweite Beschichtung 165 eine Legierung mit der ersten Beschichtung 160 bildet, da reines Nickel bei erhöhten Temperaturen eine begrenzte Festigkeit hat und Oxidation und Korrosion verursachen kann. Der Legierungswerkstoff der zweiten Beschichtung 165 kann auf mindestens einen Teil der ersten Beschichtung 160 durch stromloses Plattieren, CVD, Dampfphasenabscheidung oder Sputtern aufgetragen werden.
Es versteht sich, dass die auf der Grundfläche 155 des Mikrokügelchens 150 verwendeten Materialien die erste Beschichtung 160 und die zweite Beschichtung 165 angepasst werden können, ohne die Funktionalität des Mikrokügelchens 150 zu beeinflussen. In jeder Ausführungsform kann die zweite Beschichtung 165 Chrom sein, die ungefähr 5 % bis ungefähr 30 % der Dicke der ersten Beschichtung 160 ausmacht. In einer anderen Ausführungsform kann die zweite Beschichtung 165 Aluminium sein, die ungefähr 5 % bis ungefähr 30 % der Dicke der ersten Beschichtung 160 ausmacht.
In jeder Ausführungsform kann das Mikrokügelchen 150 eine Grundfläche 155, die Polymer, Glas oder keramische Werkstoffe enthält, zumindest teilweise durch eine erste Beschichtung 160, die in erster Linie Nickel oder Kobalt oder Eisen aufweist und durch stromloses Plattieren oder CVD aufgetragen wird, einschließen. Die zweite Beschichtung 165 kann eine erste Legierung wie Chrom oder Aluminium umfassen, welche die erste Beschichtung 160 zumindest teilweise bedeckt. Eine dritte Beschichtung 170 einer zweiten Legierung kann die zweite Beschichtung 165 zumindest teilweise bedecken. In jeder Ausführungsform können die Beschichtungsdicken so konfiguriert werden, dass das Verhältnis der Elemente der beabsichtigten Legierung erhalten wird. Beispielsweise kann das Verhältnis der Elemente eine Nickellegierung mit ungefähr 22 % Gewicht Chrom und ungefähr 10 % Gewicht Aluminium sein, um hohle Mikrokügelchen 150 mit einem Durchmesser von 50 µm bis 1 µm Manteldicke zu erzeugen. In einer solchen Ausführungsform kann eine erste Beschichtung 160 mit ungefähr 0,53 µm Nickel auf der Grundfläche 155 aufgetragen werden, gefolgt von einer zweiten Beschichtung 165 mit ungefähr 21 µm Chrom und einer dritten Beschichtung 170 mit ungefähr 26 µm Aluminium. Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 160, der zweiten Beschichtung 165 und der dritten Beschichtung 170 können die Mikrokügelchen 150 48 Stunden lang einer homogenisierenden Wärmebehandlung mit ungefähr 1200 °C unterzogen werden, um die Elemente in den drei Beschichtungen zu vermengen und eine homogene Legierung zu bilden. Eine optionale festigende Wärmebehandlung von ungefähr 900 °C über den Zeitraum von 8 Stunden oder einen ähnlichen Zeitraum und eine ähnliche Temperatur kann durchgeführt werden, um Präzipitate zu bilden, welche die Nickellegierung stärken.
In einer anderen Ausführungsform wird die Außenbeschichtung, je nach Anzahl der Abscheidungen entweder die erste Beschichtung 160, die zweite Beschichtung 165 oder die dritte Beschichtung 170, aus einer Gruppe von Werkstoffen einschließlich Zink (Zn), Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Aluminium (Al) ausgewählt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die erste Beschichtung haben und deshalb das Sintern der Mikrokügelchen miteinander und mit dem Substrat und ggf. mit dem Dichtungsmaterial aufweisen (wie weiter unten erläutert).
Alternativ, wie in 2C gezeigt, kann die zweite Beschichtung 165 Nanopartikel enthalten, die Legierungselemente mit Durchmessern von ungefähr 20 nm bis ungefähr 500 nm einschließen, die auf die erste Beschichtung 160 aufgetragen werden können. Die Nanopartikel, die Inconel®-Legierungen, nickelbasierte Superlegierungen oder Edelstahl können unter Anwendung von Wärmebehandlungen zwischen ungefähr 1000 °C und ungefähr 1100 °C über einen Zeitraum von ungefähr 10 bis ungefähr 20 Stunden auf die erste Beschichtung 160 eingearbeitet werden. Die erste Beschichtung 160 kann hauptsächlich Nickel, Kobalt oder Eisen umfassen, das durch stromloses Plattieren von CVD aufgetragen wird. Die Wärmebehandlungen können ausgeführt werden, nachdem ein Wärmedämmstoff 140 auf ein Substrat aufgebracht worden ist, sie könnten aber auch vor dem Aufbringen auf das Substrat durchgeführt werden. In einer Ausführungsform kann die zweite Beschichtung 165 mit Nanopartikeln eine Inconel®-Legierung oder eine nickelbasierte Superlegierung mit Partikeln mit einem Durchmesser von ungefähr 20 nm bis ungefähr 200 nm aufweisen, wobei die Beschichtung ungefähr 5 % bis ungefähr 30 % der Dicke der ersten Beschichtung 160 beträgt.
Zusätzlich oder alternativ kann der Wärmedämmstoff 140 unter Bezugnahme auf 1A und 1C optional ferner ein Dichtungsmaterial 142 einschließen, das über einem Abschnitt der Dämmschicht 145 und/oder einem Abschnitt der Mikrokügelchen 150 angeordnet ist. In jeder Ausführungsform kann das Dichtungsmaterial 142 an einem Abschnitt einer ersten Außenfläche 116 des Auslassrohres 115 vorhanden sein. Daher kann in jeder Ausführungsform das Dichtungsmaterial 142 zwischen der Dämmschicht 145 und der Auslassöffnung 117 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Dichtungsmaterial 142 auf einem Abschnitt einer ersten Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 vorhanden sein, so dass das Dichtungsmaterial 142 zwischen der Dämmschicht 145 und den Kanälen 180 angeordnet sein kann (nachfolgend beschrieben). Obwohl hierin nicht gezeigt, wird auch in Betracht gezogen, dass das Dichtungsmaterial 142 auf einer Dämmschicht 145 vorhanden sein kann, die keine Mikrokügelchen 150 aufweist. Das Dichtungsmaterial 142 kann ein hochtemperierter dünner Film sein. Genauer gesagt kann das Dichtungsmaterial 142 einen Werkstoff umfassen, der so konfiguriert werden kann, dass er Temperaturen von mindestens 1100 °C standhält. Das Dichtungsmaterial 142 kann so konfiguriert sein, dass es eine Dicke von ungefähr 1 µm bis ungefähr 20 µm aufweist.
Das Dichtungsmaterial 142 muss für die Verbrennung von Gasen undurchlässig sein, so dass eine Abdichtung zwischen dem Dichtungsmaterial 142 und der Dämmschicht 145 erfolgt. Eine solche Dichtung kann verhindern, dass Rückstände von Verbrennungsgasen, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, teilweise umgesetzter Kraftstoff, Flüssiggas und dergleichen in die durch die hohlen Mikrokügelchen 150 definierte poröse Struktur eintreten. Wenn solche Ablagerungen in die poröse Struktur der Dämmschicht 145 eintreten können, kann Luft in die poröse Struktur gelangen und durch die Rückstände verlagert werden, und die dämmenden Eigenschaften der Dämmschicht 140 können reduziert oder eliminiert werden.
Das Dichtungsmaterial 142 kann so konfiguriert sein, dass es eine Außenfläche 144 aufweist, die im Wesentlichen glatt ist. Mit einem glatten Dichtungsmaterial 142 kann die Bildung einer turbulenten Luftströmung verhindert werden, wenn das Abgas über die Außenfläche 144 des Dichtungsmaterials 142 strömt. Darüber hinaus kann ein Dichtungsmaterial 142 mit einer glatten Oberfläche einen erhöhten Wärmeübertragungskoeffizienten verhindern. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Dichtungsmaterial 142 durch Elektroplattieren, Vakuumablagerung und Sprühen auf die Dämmschicht 145 aufgetragen werden. In einem anderen nicht einschränkenden Beispiel kann das Dichtungsmaterial 142 ein dünner Film sein, der aus Metallen einschließlich Nickel, einer Nickellegierung, einer Kobaltlegierung, einer Eisenlegierung oder Stahl besteht, der gleichzeitig mit oder nach dem Sintern der Dämmschicht 145 auf die Dämmschicht 145 aufgebracht wird.
Das Dichtungsmaterial 142 kann so konfiguriert sein, dass es ausreichend elastisch ist, um einem Bruch oder der Bildung von Rissen oder Sprüngen während einer Schmutzbelastung standzuhalten. Weiterhin kann das Dichtungsmaterial 142 so konfiguriert sein, dass es ausreichend elastisch ist, um einer Ausdehnung und/oder Kontraktion der darunter liegenden Dämmschicht 145 standzuhalten. Ferner können die Dämmschicht 145 und das Dichtungsmaterial 142 so konfiguriert sein, dass sie einen kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, um einer thermischen Ermüdung standzuhalten. Das Dichtungsmaterial 142 kann eine Dicke zwischen ungefähr 5 µm und ungefähr 200 µm oder größer als 200 µm aufweisen.
Obwohl nicht abgebildet, ist hierin vorgesehen, dass das Einlassrohr den Wärmedämmstoff 140 wie hierin beschrieben umfassen kann, wahlweise ferner die hierin beschriebenen Mikrokügelchen 150 und/oder das hierin beschriebene Dichtungsmaterial 142 umfassen kann. In jeder Ausführungsform kann der Wärmedämmstoff des Einlassrohres der gleiche oder ein anderer Wärmedämmstoff des Auslassrohres sein. Alternativ kann das Einlassrohr 120 einen polymeren Werkstoff, Metall, einen Keramikwerkstoff oder eine Kombination davon umfassen. Es wird hierin auch in Betracht gezogen, dass das Auslassrohr 115 alternativ Metall, einen Keramikwerkstoff oder eine Kombination davon umfassen kann. Zum Beispiel, wie in 3A in der Zylinderkopfbaugruppe 200 abgebildet, kann ein Einlassrohr 120a durch den Kopfrahmen 105 definiert und/oder fest in den Kopfrahmen 105 eingebaut sein. Alternativ, wie in 3B in der Zylinderkopfbaugruppe 300 abgebildet, kann ein Einlassrohr 120b durch das Polymergehäuse 125 definiert und/oder fest in das Polymergehäuse 125 eingebaut sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform, wie in 3C in der Zylinderkopfbaugruppe 400 abgebildet, kann das Polymergehäuse 125 einen Abschnitt des Kopfrahmens 105 ersetzen, wie in 1 veranschaulicht.
Zusätzlich kann die Zylinderkopfbaugruppe 100 ferner ein Polymergehäuse 125 einschließen, das um mindestens einen Abschnitt eines oder mehrerer der folgenden Elemente angeordnet ist: des Kopfrahmens 105, des Auslassrohres 115 und des Einlassrohres 120. Das Polymergehäuse kann einen Verbrennungsvorrichtungsbereich 130 zum Aufnehmen einer Verbrennungsvorrichtung, wie hierin beschrieben, definieren. In jeder Ausführungsform kann das Polymergehäuse 125 jedes geeignete Polymer und gegebenenfalls mehrere geeignete Verstärkungsfasern umfassen. Beispiele für geeignete Polymere schließen ein duroplastisches Polymer (z. B. wärmehärtendes Harz), ein thermoplastisches Polymer (z. B. thermoplastisches Harz), Elastomer und eine Kombination davon ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Zu bevorzugten Polymeren gehören unter anderem Epoxide, Phenole, Vinylester, Bismaleinimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyimide und Polyamidimide, sind aber nicht darauf beschränkt. Beispiele für geeignete Verstärkungsfasern schließen Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organische Fasern, Metallfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Quarzfasern, Graphitfasern, Nanofasern, Borfasern und Kombinationen davon ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um Glasfasern, Kohlefasern und/oder Kohlefaserbänder. Die Verstärkungsfasern können kontinuierliche Fasern und/oder diskontinuierliche Fasern sein. Insbesondere handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um diskontinuierliche Fasern. Günstigerweise kann das hierin beschriebene Polymergehäuse 125 eine Festigkeit von ungefähr 100 MPa bis ungefähr 2000 MPa, von ungefähr 500 MPa bis ungefähr 1000 MPa oder von ungefähr 1000 MPa bis ungefähr 1500 MPa aufweisen.
Außerdem schließt die Zylinderkopfbaugruppe 100 eine Vielzahl von Kanälen 180 (hierin auch als „Kanäle 180“ bezeichnet) zur Aufnahme eines Fluids ein, wie zum Beispiel eines Wärmeübertragungsfluids zum Erwärmen und/oder Kühlen der Zylinderkopfbaugruppe 100. Beispiele für geeignete Wärmeübertragungsfluide umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Luft, Wasser, Öl, Ethylenglycol, Propylenglycol, Glycerin, Methanol und Kombinationen davon. Die Luft kann von einer Klimaanlage zugeführt oder aus einer Bewegung des Fahrzeugs erzeugt werden. Das Wärmeübertragungsfluid kann bei einer geeigneten Temperatur zugeführt werden, um die Zylinderkopfbaugruppe 100 zu kühlen und/oder zu erwärmen, z. B. von ungefähr -40 °C bis ungefähr 120 °C, von ungefähr -40 °C bis ungefähr 20 °C, von ungefähr 10 °C bis ungefähr 120 °C, von ungefähr 20 °C bis ungefähr 100 °C oder von ungefähr 20 °C bis ungefähr 90 °C. Günstigerweise können die Kanäle 180 Wärme, die in der Zylinderkopfbaugruppe 100 erzeugt wird, insbesondere Wärme, die in der Brennkammer 107 erzeugt wird, und durch die Auslassöffnung 115 strömt und in Kontakt mit dem Auslassrohr 115 kommt, effizient beseitigen.
Wie in 1 veranschaulicht, kann die Vielzahl von Kanälen 180 in einem oder mehreren von Folgendem definiert sein: dem Kopfrahmen 105, dem Auslassrohr 115 und dem Polymergehäuse 125. Obwohl nicht dargestellt, wird hier in Betracht gezogen, dass die Kanäle 180 auch im Einlassrohr 120 definiert sein können. Die Vielzahl von Kanälen 180 sind in 1 (und in späteren Figuren) zum besseren Verständnis als fester Bestandteil veranschaulicht. Es versteht sich jedoch, dass die Vielzahl der Kanäle 180 eine Vielzahl separater Kanäle sein kann (siehe 4A). In jeder Ausführungsform können die Kanäle 180 in einem oder mehreren von Folgendem miteinander, einschließlich fluidisch und/oder physisch, verbunden sein: dem Kopfrahmen 105, dem Auslassrohr 115, dem Einlassrohr 120 und dem Polymergehäuse 125.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Kanäle 180 in jeder geeigneten Konfiguration im Kopfrahmen 105, im Auslassrohr 115, im Einlassrohr 120 und/oder im Polymergehäuse 125 ausgerichtet sein, beispielsweise umlaufend, radial, längs, verzweigt, kreuzend, durchkreuzend und Kombinationen davon. Zum Beispiel, wie in 4A dargestellt, können sich die Kanäle 180 in Längsrichtung entlang einer ersten Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 erstrecken. Obwohl nicht gezeigt, können sich die Kanäle 180 optional in Längsrichtung entlang einer Außenfläche des Einlassrohres 120 erstrecken. Wie hierin verwendet, soll „längs“ auf Konfigurationen verweisen, bei denen sich die Kanäle 180 longitudinal entlang der ersten Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 und/oder in Längsrichtung in einem Innenbereich des Auslassrohres 115 erstrecken, zum Beispiel wo die Kanäle 180 definiert sind und/oder innerhalb aller Hohlräume zwischen den Mikrokügelchen 150 im Auslassrohr 115 miteinander verflochten oder vorhanden sind. Zum Beispiel, wie in 4C abgebildet, kann ein Wärmeübertragungsfluid durch Hohlräume 175 (oder Zwischenräume 175) fließen, die beispielsweise zwischen Mikrokügelchen 150 definiert sind, wo die Dämmschicht 145 nicht vorhanden ist.
Zusätzlich oder alternativ können sich die Kanäle 180, wie in 4B gezeigt, um die erste Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 herum erstrecken. Obwohl nicht gezeigt, können sich die Kanäle 180 optional um eine Außenfläche des Einlassrohres 120 erstrecken. Wie hierin verwendet, soll „umlaufend“ auf Konfigurationen verweisen, bei denen sich die Kanäle 180 um die erste Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 und/oder in einem Innenbereich des Auslassrohres 115 herum erstrecken, zum Beispiel wo die Kanäle 180 innerhalb aller Hohlräume zwischen den Mikrokügelchen 150 im Auslassrohr 115 miteinander verflochten oder vorhanden sind. 0.
Zylinderkopfbaugruppen, wie hierin beschrieben, können einen oder mehrere Einlässe zum Aufnehmen eines Wärmeübertragungsfluids und einen oder mehrere Auslässe zum Entfernen von verbrauchtem Wärmeübertragungsfluid in irgendeiner geeigneten Konfiguration einschließen. Zum Beispiel, wie in 5A abgebildet, kann die Zylinderkopfbaugruppe 100 einen oder mehrere erste Einlässe 182 aufweisen, die in einem Abschnitt des Kopfrahmens 105 und des Polymergehäuses 125 zum Aufnehmen eines Wärmeübertragungsfluids definiert sind, und einen oder mehrere erste Auslässe 185, die in einem Abschnitt des Kopfrahmens 105 zum Entfernen des verbrauchten Wärmeübertragungsfluids definiert sind. Der erste Einlass (die ersten Einlässe) 182 kann einen oder mehrere Kanäle 180 umfassen, und der erste Auslass (die ersten Auslässe) 185 kann einen oder mehrere Kanäle 180 umfassen. Alternativ, wie in 5B abgebildet, kann eine Zylinderkopfbaugruppe 100a einen oder mehrere erste Einlässe 182 aufweisen, die in einem Abschnitt des Kopfrahmens 105 und des Polymergehäuses 125 zum Aufnehmen eines Wärmeübertragungsfluids definiert sind, und einen oder mehrere zweite Auslässe 187, die in einem Abschnitt des Kopfrahmens 105 und des Polymergehäuses 125 zum Entfernen des verbrauchten Wärmeübertragugsfluids definiert sind. Der erste Einlass (die ersten Einlässe) 182 kann einen oder mehrere Kanäle 180 umfassen, und der zweite Auslass (die zweiten Auslässe) 187 kann einen oder mehrere Kanäle 180 umfassen. Weitere alternative Einlass- und Auslasskonfigurationen sind in 5C und 5D abgebildet. Wie in 5C dargestellt, schließt die Zylinderkopfbaugruppe 100b einen oder mehrere zweite Einlässe 190 und einen oder mehrere zweite Auslässe 187 ein. Die Pfeile in 5A-5C zeigen einen beispielhaften Strom des Wärmeübertragungsfluids von den Einlässen 182, 190 durch die Kanäle 180 und in die Auslässe 185, 187.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Wärmeübertragungsfluid von mindestens einer Pumpe (nicht abgebildet) von mindestens einem Vorratsbehälter oder Zufuhrkanal (nicht abgebildet) zu mindestens einem Einlass (z. B. erster Einlass 182, zweiter Einlass 190) in einer Zylinderkopfbaugruppe (z. B. Zylinderkopfbaugruppe 100, Zylinderkopfbaugruppe 100a, Zylinderkopfbaugruppe 100b, Zylinderkopfbaugruppe 100c) geleitet werden. Die Pumpe und der Vorratsbehälter können neben der Zylinderkopfbaugruppe liegen. Optional kann das Wärmeübertragungsfluid durch einen Kühler (nicht abgebildet) strömen, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids weiter zu reduzieren, oder das Wärmeübertragungsfluid kann durch eine Heizvorrichtung (nicht abgebildet) strömen, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids zu erhöhen.
In jeder Ausführungsform können die Kanäle 180 jeweils einen beliebigen geeigneten Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen im Wesentlichen runden Querschnitt, einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt oder eine Kombination davon. Wie hierin verstanden, kann „im Wesentlichen rund“ kreisförmige und ovale Querschnitte umfassen, und die Abmessungen des Querschnitts können in einigen Ausführungsformen abweichen. Wie hierin verstanden, kann „im Wesentlichen rechteckig“ quadratische Querschnitte umfassen, und die Abmessungen des Querschnitts können in einigen Ausführungsformen abweichen. Jeder der Kanäle 180 kann einen Durchmesser von ungefähr 10 µm bis ungefähr 25 mm, von ungefähr 50 µm bis ungefähr 15 mm, von ungefähr 100 µm bis ungefähr 10 mm, von ungefähr 500 µm bis ungefähr 10 mm, von ungefähr 100 µm bis ungefähr 10 mm, von ungefähr 1 mm bis ungefähr 10 mm oder von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen, wie in 6 abgebildet, die einen Querschnitt eines einzelnen Kanals 180 veranschaulicht, kann ein Kanal 180 eine Ummantelung 192 mit einer Wanddicke 194 umfassen. Die Wanddicke 194 kann im Bereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 5 mm, von ungefähr 1 µm bis ungefähr 1 mm, von ungefähr 50 µm bis ungefähr 2,5 mm, von ungefähr 100 µm bis ungefähr 1 mm oder von ungefähr 200 µm bis ungefähr 800 µm liegen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ummantelung 192 ein Metall (z. B. Edelstahl, Kupfer, Aluminium), ein Polymer (Epoxy, Nylon, Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS), Nylon, Polypropylen (PP), Polyethylen (PE)), einen polymeren Verbundstoff, Keramik oder eine Kombination davon umfassen.
Verfahren zur Herstellung der Zylinderkopfbaugruppen
Verfahren zur Herstellung der hierin beschriebenen Zylinderkopfbaugruppen sind ebenfalls vorgesehen. Das Verfahren kann eines oder mehrere der Folgenden umfassen: (a) ein Wärmedämmstoffherstellungsverfahren; (b) ein Gießverfahren; (c) ein Kanalherstellungsverfahren; und (d) ein Polymerherstellungsverfahren. In jeder Ausführungsform kann das Wärmedämmstoffherstellungsverfahren das Auftragen eines Dämmschicht-Vorläufers auf eine Außenfläche einer Auslassöffnungsform und das Verfestigen eines Dämmschicht-Vorläufers auf der Oberfläche der Auslassöffnungsform umfassen, um ein Auslassrohr zu bilden, das einen Wärmedämmstoff wie hierin beschrieben aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das Wärmedämmstoffherstellungsverfahren das Auftragen eines Dämmschicht-Vorläufers auf eine Außenfläche einer Einlassöffnungsform und das Verfestigen eines Dämmschicht-Vorläufers auf der Oberfläche der Einlassöffnungsform umfassen, um ein Einlassrohr zu bilden, das einen Wärmedämmstoff wie hierin beschrieben aufweist. Zum Beispiel, wie in 7A veranschaulicht, kann ein Dämmschicht-Vorläufer 202 auf eine zweite Außenfläche 206 eines Auslassöffnungsform 205 aufgetragen werden und/oder ein Dämmschicht-Vorläufer 202 kann auf eine dritte Außenfläche 211 einer Einlassöffnungsform 210 aufgetragen werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Wärmedämmstoffherstellungsverfahren einen Guss, ein Formverfahren (z. B. Spritzguss) oder ein dreidimensionales (3D) Druckverfahren umfassen, das einen Dämmschicht-Vorläufer 202a oder jedes andere geeignete Material (z. B. Metall oder Keramik) zur Bildung eines Auslassrohres verwendet, das wie hierin beschrieben eine Auslassöffnung festlegt, oder zur Bildung eines Einlassrohres verwendet, das wie hierin beschrieben eine Einlassöffnung definiert. Ein Dichtungsmaterial, wie etwa Sand, kann dann an der Auslassöffnung vorgesehen werden, um eine Auslassöffnungsform in der Auslassöffnung und/oder eine Einlassöffnungsform in der Einlassöffnung zu bilden.
Zusätzlich oder alternativ kann, wie in 7B und 7C abgebildet, ein Dämmschicht-Vorläufer 202a ferner Mikrokügelchen 150 wie hierin beschrieben umfassen. Der die Mikrokügelchen 150 enthaltende Dämmschicht-Vorläufer 202a kann auf die zweite Außenfläche 206 der Auslassöffnungsform 205 aufgetragen werden und/oder der die Mikrokügelchen 150 enthaltene Dämmschicht-Vorläufer 202a kann auf die dritte Außenfläche 211 der Einlassöffnungsform 210 aufgetragen werden.
Der Dämmschicht-Vorläufer (z. B. Dämmschicht-Vorläufer 202, Dämmschicht-Vorläufer 202a) kann ein beliebiges geeignetes Material mit niedriger Leitfähigkeit wie hierin beschrieben (z. B. einen Keramikwerkstoff) umfassen. Wie hier verwendet, umfasst „Dämmschicht-Vorläufer“ Werkstoffe, die zum Bilden der Dämmschicht (z. B. des oben beschriebenen Materials mit niedriger Leitfähigkeit) der Wärmedämmung geeignet sind. Wenn zum Beispiel eine Dämmschicht aus einem Keramikwerkstoff gebildet werden soll, kann der Dämmschicht-Vorläufer ein Keramikpolymer oder ein präkeramisches Polymer oder eine Aufschlämmung sein, die beim Einbrennen, Trocknen oder Brennen eine keramische Dämmschicht erzeugt. Dies kann Verfahren wie Schlickergießen einer flüssigen Keramik, Polymerinfiltration für eine Keramikmatrix und herkömmlichere Form- und Druckbeaufschlagungs- oder Brenntechniken umfassen. Der Dämmschicht-Vorläufer kann durch Aufschlämmung oder in Partikeln aufgetragen werden. Zum Beispiel kann die Aufschlämmung den Dämmschicht-Vorläufer, Mikrokügelchen 150, ein Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser und ein wasserlösliches Bindemittel, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Cellulose-Polymerverbundstoffe umfassen. Ein organisches Lösungsmittel, wie Isopropanol oder Aceton, kann ebenfalls zu Wasser hinzugefügt werden oder das Lösungsmittel vollständig ersetzen, wobei in diesem Fall das Bindemittel in der Mischung gut löslich sein muss, wie ein Polyvinylbutyral (PVB-Harz). Andere Aufschlämmungsadditive, zum Beispiel Polyethylenglykol und Glycerin, können zur rheologischen Anpassung, wie Entflockung, Schmierung und Antischaumbildung, verwendet werden, um die Packungseffizienz nach der Aufschlämmung zu maximieren. Vorzugsweise wird die Aufschlämmung zur Anwendung durch Zugabe von gerade genug Lösungsmittel verflüssigt, um langsam zu fließen, zum Beispiel ungefähr 10 Milliliter (ml) für 10 Gramm (g) trockene Mikrokügelchen 150, und eine minimale Menge Bindemittel wird ebenfalls zugegeben, um Kohlenstoffrückstände nach dem Ausbrennen zu reduzieren. Die Dämmschicht 145 kann durch Auftragen einer Aufschlämmung der Mikrokügelchen 50 und des Dämmschicht-Vorläufers 202 auf die zweite Außenfläche 206 der Auslassöffnungsform 205 und/oder auf die dritte Außenfläche 211 der Einlassöffnungssform 210 durch Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Lackierung, Beschaufelung oder andere Verfahren gebildet werden.
Nach dem Aufbringen des Dämmschicht-vorläufers (z. B. des Dämmschicht-Vorläufers 202, des Dämmschicht-Vorläufers 202a) kann der Dämmschicht-Vorläufer zur Bildung des Auslassrohres 115 und/oder des Einlassrohres 120 verfestigt werden, wobei jedes den hierin beschriebenen Dämmstoff 140 enthält, wie in 7D abgebildet. In jedem Ausführungsbeispiel kann die Verfestigung des Dämmschicht-Vorläufers (z. B. des Dämmschicht-Vorläufers 202, des Dämmschicht-Vorläufers 202a) einen oder mehrere der folgenden Verfahren zur Bildung des Dämmstoffes 140 umfassen: Trocknen des Dämmschicht-Vorläufers, um das Lösungsmittel zu entfernen, Zusammenkleben der entsprechenden Mikrokügelchen 150 an der Auslassöffnungsform 205 oder an der Einlassöffnungsform 210, beispielsweise durch Sintern, das Auftragen eines weiteren Klebstoffs auf die Mikrokügelchen 150 oder durch Einbrennen oder Pyrolyse des Dämmschicht-Vorläufers, beispielsweise eines präkeramisches Polymers. Das Sintern kann in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. Die organischen Bestandteile der Aufschlämmung können entweder während einer separaten Wärmebehandlung durch Ausbrennen in Luft bei ungefähr 400 - 600 °C vor dem Sintern oder während des Sinterverfahrens entfernt werden.
In jeder Ausführungsform kann ein wie hierin beschriebenes Dichtungsmaterial 142 optional vor dem Auftragen des Dämmschicht-Vorläufers (z. B. Dämmschicht-Vorläufer 202, Dämmschicht-Vorläufer 202a) auf die zweite Außenfläche 206 der Auslassöffnungsform 205 und/oder die dritte Außenfläche 211 der Einlassöffnungsform 210 verwendet werden, wie in 7E abgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann das Dichtungsmaterial 142 beispielsweise vor der Verfestigung auf eine vierte Außenfläche (nicht abgebildet) des Dämmschicht-Vorläufers (z.B. Dämmschicht-Vorläufer 202, Dämmschicht-Vorläufer 202a) angebracht werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Dichtungsmaterial 142 auf eine fünfte Außenseite (nicht abgebildet) des Wärmedämmstoffs 140, zum Beispiel nach der Verfestigung, angebracht werden. In jeder Ausführungsform kann das Dichtungsmaterial 142 zum Beispiel durch Tauchbeschichtung oder Sprühbeschichtung auf eines oder mehrere der folgenden Bauteile angebracht werden: die Auslassöffnungsform 205, die Einlassöffnungsform 210, den Dämmschicht-Vorläufer 202a und den Wärmedämmstoff 140.
Während 7A-7E die Herstellung eines Wärmedämmstoffs 140 sowohl mit der Auslassöffnungsform 205 als auch mit der Einlassöffnungsform 210 darstellen, wird hier in Betracht gezogen, dass der Wärmedämmstoff 140 nur mit der Auslassöffnungsform 205 zur Formung des Auslassrohres 115 gebildet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Gießverfahren das Anordnen des Auslassrohres 115 und der Auslassöffnung 205 in einer ersten Gussform (nicht abgebildet) und das Gießen eines Kopfrahmens 105 (z. B. eines Metallkopfrahmens) einen Abschnitt der Brennkammer 107 einschließen, wie in 8 abgebildet. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Gießverfahren auch die Anordnung des Einlassrohres 120 und der Einlassöffnungsform 205 in der ersten Gussform (nicht abgebildet) und das Gießen des Kopfrahmens 105 (z. B. eines Metallkopfrahmens), wie in 8 abgebildet, einschließen. In einigen Ausführungsformen kann der Kopfrahmen 105 (z. B. ein Metallkopfrahmen) mindestens einen Abschnitt eines Einlassrohres 120 definieren. Im Kopfrahmen 105 können auch beispielsweise durch Bohrungen Kanalführungen 220 für die Kanäle 180 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Kanalführungen 220 als die Kanäle 180 dienen.
In jeder Ausführungsform kann das Kanalbildungsverfahren das Auftragen eines Kanalvorläufers umfassen, der einen Werkstoff der Schutzschicht für das Auslassrohr, den Kopfrahmen oder eine Kombination davon umfasst, um eine dazwischenliegenden Stütze der Baugruppe zu bilden. Eine beispielhafte Abbildung des Verfahrensschritts wird in 9 veranschaulicht, wobei der Kanalvorläufer 230 auf oder in dem Auslassrohr 115 und/oder dem Kopfrahmen 105 in den Kanalführungen 220 aufgetragen werden kann, um die dazwischenliegende Baugruppe 300 zu bilden. In jeder Ausführungsform kann der Kanalvorläufer 230 neben dem Auslassrohr 115 und/oder dem Kopfrahmen 105 mit einem geeigneten Klebstoff oder durch Verschnürung in Position gehalten werden. Obwohl nicht gezeigt, wird hier in Betracht gezogen, dass der Kanalvorläufer 230 auf oder in dem Einlassrohr 120 aufgetragen werden kann.
In jeder Ausführungsform kann das Verfahren das Auftragen eines Kanalvorläufers 230 um mindestens einen Abschnitt der ersten Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 herum einschließen. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren das Auftragen des Kanalvorläufers 230 in einem Hohlraum (z. B. Hohlräume 175 wie in 4C dargestellt) zwischen den Mikrokügelchen 150, falls vorhanden, in dem Auslassrohr 115 einschließen. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren das Auftragen eines Kanalvorläufers 230 in Längsrichtung entlang mindestens einem Abschnitt der ersten Außenfläche 114 des Auslassrohres 115 einschließen.
In jeder Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Polymerherstellungsverfahren oder ein Gießverfahren mit Anordnung der dazwischenliegenden stützenden Baugruppe in einer zweiten Gussform (nicht abgebildet), das Auftragen eines Polymervorläufers in die Form und das Verfestigen (z. B. Kühlung, Umsetzung, Quervernetzung) des Polymervorläufers unter geeigneten Bedingungen zur Bildung einer festen polymeren Baugruppe mit einem Polymer. Der Polymervorläufer kann jeden geeigneten Polymervorläufer zum Herstellen des Polymers umfassen, zum Beispiel zur Herstellung eines duroplastischen Polymers (z. B. wärmehärtendes Harz), eines thermoplastischen Polymers (z. B. wärmehärtendes Harz), Elastomer und einer Kombination davon. Zu bevorzugten Polymeren gehören unter anderem Epoxide, Phenole, Vinylester, Bismaleinimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyimide und Polyamidimide, sind aber nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann das Polymergehäuse 125 durch Spritzgießen gebildet werden. Zum Beispiel kann die zweite Gießform einen durch ein Gehäuse definierten Hohlraum zum Aufnehmen eines Polymervorläufers einschließen. Der durch das Gehäuse definierte Hohlraum kann durch eine Metall- oder Polymerbegrenzung definiert sein, welche die Form des polymeren Verbundgehäuses begrenzt. Der Polymervorläufer kann in die Gießform eingegossen und dann verfestigt werden (z. B. durch Kühlen, Umsetzung, Quervernetzung), um eine feste, stützende polymere Baugruppe mit einem Polymergehäuse 125 zu bilden. Alternativ kann das Polymergehäuse 125 durch andere geeignete Techniken, wie etwa, aber nicht begrenzt auf, durch Pultrusion, Reaktionsspritzguss, Formpressen, Prepregs (in einem Autoklaven oder durch Formpressen), Harzinjektion (RTM-Verfahren) und vakuumunterstützte Harzinjektion (VARTM-Verfahren) hergestellt werden.
Zum Beispiel, wie in 10 dargestellt, wurde eine feste polymere Baugruppe 400 während eines Polymerherstellungsverfahrens durch Platzieren der dazwischenliegenden Baugruppe 300 in einer zweiten Gießform (nicht abgebildet) hergestellt, indem ein Polymervorläufer (nicht abgebildet) in die Gießform gegossen und der Polymervorläufer verfestigt wurde, um die feste polymere Baugruppe 400 zu bilden. Die feste polymere Baugruppe 400 kann ein Polymergehäuse 125 enthalten, das um mindestens einen Teil eines oder mehrerer der Folgenden angeordnet ist: dem Kopfrahmen 105, dem Auslassrohr 115 und dem Einlassrohr 120. In einigen Ausführungsformen kann das Polymergehäuse 125 mindestens einen Abschnitt des Einlassrohres 120 definieren (siehe 3B).
In einigen Ausführungsformen kann darüber hinaus das Verfahren, beispielsweise während des Arbeitsvorganges oder des Aushärtungsstadiums des Polymers, gegebenenfalls das Anordnen einer Vielzahl von Verstärkungsfasern neben der dazwischenliegenden Baugruppe 300 einschließen. Beispiele für Verstärkungsfasern schließen kontinuierliche Fasern und/oder diskontinuierliche Fasern ein, die aus der Gruppe von Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, Keramikfasern, Basaltasern, Nanofasern, Borfasern und einer Kombination davon ausgewählt werden, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Die Verstärkungsfasern können durch jede andere geeignete, den Fachleuten bekannte Verfahren, z. B. Flechten, Weben, Heften, Stricken, Vorimprägnieren, manuelle Aufschichtung und Formung mit einem Roboter oder per Hand hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen können polymere Verbundstoffe unter Verwendung von Streifen aus einem Vorläufers-Verbundstoff, wie die Verstärkungsfasern, hergestellt werden. Der Verbundstoff kann mit einer oder mehreren Schichten gebildet werden, wobei jede Schicht aus sich berührenden und/oder überlappenden Streifen des faserbasierten Werkstoffs gebildet werden kann. Die Verstärkungsfasern können auch einen Polymervorläufer aufweisen (z. B. ein Polymer). Der Polymervorläufer kann verfestigt (z. B. gekühlt, umgesetzt, quervernetzt) werden und kann somit dazu dienen, einzelne oder mehrere Schichten in dem polymeren Verbundstoff miteinander zu verbinden. Verschiedene Verfahren können typischerweise verwendet werden, um Polymervorläufer aufzutragen, um faserbasierte Substratverbundwerkstoffe (z. B. Verstärkungsfasern) zu imprägnieren: Nasswicklung (oder Aufschichten), Vorimprägnieren (als „Prepreg“ bezeichnet) und Harzinjektion. Bei Nasswicklung kann ein trockener Verstärkungsfaserwerkstoff (z. B. Verstärkungsfasern) mit dem Polymervorläufer (z. B. Harz), wie er normalerweise durch Eintauchen in ein Bad verwendet wird, befeuchet werden. Zum Vorimprägnieren (Prepreg) wird der Polymervorläufer im Voraus im faserbasierten Werkstoff eingetaucht und schließt in der Regel ein Verfahren zum teilweisen Verfestigen des Polymervorläufers in einer viskosen oder klebrigen Konsistenz (auch bekannt als ein B-Stadium der Aushärtung) ein, und dann das Aufwickeln des durch Prepreg gebildeten faserbasierten Werkstoffs für eine spätere Verwendung. Vorimprägnierte Verbundstoffsysteme verwenden zumeist wärmehärtendes Harz, das durch erhöhte Temperaturen mit einer Aushärtungsdauer im Bereich von ungefähr 1 Minute bis ungefähr 2 Stunden (je nach Aushärtungstemperaturen) aushärten kann. Jedoch können einige Prepregs Harze verwenden, die durch aktinische Strahlung (z. B. ultraviolette Strahlung (UV)) aushärten. Für Harzinjektionen kann ein trockener Verstärkungsfaserwerkstoff in eine Form gegeben werden und das Harz kann unter Druck (z. B. ungefähr 10 psi bis ungefähr 2000 psi) in die Gießform gespritzt werden. Spritzgusstechniken, die Fachleuten bekannt sind, können auch verwendet werden, um Polymervorläufer (z. B. Harz) in das Verstärkungsmaterial einzuführen, insbesondere wenn das Verstärkungsmaterial diskontinuierliche Fasern umfasst. Zum Beispiel kann ein Vorläufer, der einen Polymervorläufer (z. B. Harz) und das Verstärkungsmaterial umfasst, in einen festgelegten Raum oder eine bestimmte Form eingespritzt oder gegossen werden, gefolgt von einer Festigung des Vorläufers, um das polymere Verbundmaterial zu bilden. Der Begriff „Spritzgießen“ umfasst auch das Reaktionsspritzgießen unter Verwendung eines duroplastischen Polymers.
In bestimmten anderen Ausführungsformen ziehen die vorliegenden Lehren auch eine Bindungsstufe in Betracht, wo ein faserbasiertes Verstärkungsmaterial (z. B. Verstärkungsfaser) aufgebracht wird, zum Beispiel durch Wickeln, Flechten oder Weben nahe, in, und/oder über einer Arbeitsfläche (z. B. dazwischenliegende Baugruppe 300). Das Verfahren kann optional das Aufbringen oder Einbringen einer Zusammensetzung eines Polymervorläufers (z. B. nicht umgesetztes Harz) in oder auf das faserbasierende Verstärkungsmaterial einschließen. Bei dieser Anwendung ist zu verstehen, dass die Zusammensetzung des nicht umgesetzten Polymervorläufers das faserbasierte Verstärkungsmaterial befeuchtet und somit auf eine Oberfläche des faserbasierten Vertärkungsmaterials aufgetragen oder in das faserbasierte Verstärkungsmaterial (zum Beispiel in die Poren oder Öffnungen der Verstärkungsfasern) absorbiert/imprägniert werden kann. Danach wird der Polymervorläufer in die Bereiche eingebracht, die das Verstärkungsmaterial aufweisen, gefolgt von der Verfestigung (z. B. Aushärtung oder Umsetzung), um den polymeren Verbundstoff zu bilden. Durch Prepreg hergestelltes faserbasiertes Material kann durch Wickeln, Flechten oder Weben aufgebracht werden.
Nach dem Polymerherstellungsverfahren kann die feste polymere Baugruppe 400 zum Entfernen des Werkstoffes der Schutzschicht des Kanalvorläufers 230 (z. B. durch Erwärmung) weiter behandelt werden, um eine Vielzahl von Kanälen 180 zu bilden, die in einem oder mehreren von Folgendem definiert sind: (i) dem Polymergehäuse 125; (ii) dem Auslassrohr 115; (iii) dem Kopfrahmen 105; und dem (iv) Einlassrohr 120. Zum Beispiel veranschaulicht 11 die Kanäle 180, die nach dem Entfernen gebildet werden.
Wie in 12A dargestellt, umfasst ein Kanalvorläufer 230, wie beispielsweise eine Faser, einen Werkstoff eines Schutzschichtwerkstoffes 240. In einigen Ausführungsformen, wie in 12B dargestellt, kann der Kanalvorläufer 230a ferner, wie hierin beschrieben, eine Ummantelung 192 (z. B. Metall, Polymer, einen polymeren Verbundwerkstoff, Keramik oder eine Kombination davon) enthalten, welche den Schutzschichtwerkstoff 240 enthält. In jeder Ausführungsform kann der Schutzschichtwerkstoff 240 ein Material umfassen, das zu einem oder mehr von Folgendem geeignet ist: Schmelzen, Verdampfen, Verbrennen und Lösen. Beispiele für einen geeigneten Schutzschichtwerkstoff 240 schließen Metalle, Polymere, brennbare Materialien und Kombinationen davon ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Nicht einschränkende Metalle können Lötmetalle sein, welche Blei, Zinn, Zink, Aluminium, geeignete Legierungen und dergleichen einschließen. Nicht einschränkende Polymere können Polyvinylacetat, Polyactide, Polyethylen, Polystyrol einschließen. Nicht einschränkende brennbare Materialien können Keramiken, Salze (z. B. Kaliumnitrat), Schwarzpulver, Aktivkohle, Pentaerythrit-Tetranitrat, brennbare Metalle, brennbare Oxide, Thermilen, Nitrocellulose, Pyrocellulose, Flash-Pulver und Kombinationen davon einschließen. Zusätzlich oder alternativ kann der Schutzschichtwerkstoff der Schutzschicht 240 ferner mit einem Katalysator behandelt oder chemisch modifiziert werden, um das Schmelz- oder Abbauverhalten zu verändern. In einigen Ausführungsformen, in denen der Kanalvorläufer 230a eine Ummantelung 192 einschließt, kann der Schutzschichtwerkstoff 240 auch ein Gas sein, wie zum Beispiel Luft.
Somit kann das Verfahren zum Entfernen des Schutzschichtwerkstoffs 240 Verflüchtigung, Schmelzen, Verbrennen oder Abbauen umfassen oder der Schutzschichtwerkstoff 240 kann gelöst werden, um Abbaumittel zu erzeugen. Beispielsweise kann der Schutzschichtwerkstoff 240 auf eine Temperatur (z. B. von ungefähr 150 °C bis ungefähr 200 °C) erwärmt oder einer Reaktion unterworfen werden, die den Schutzschichtwerkstoff 240 im Wesentlichen verdampft, schmelzt oder zersetzt, aber das Polymergehäuse 125 und optional die Verstärkungsfasern nicht wesentlich zersetzt. Jedes geeignete Lösungsmittel wie, aber nicht begrenzt auf, Aceton, kann auf den Materialien angewandt werden, um sie zu lösen, gegebenenfalls unter Rühren, sofern sich das Lösungsmittel nicht wesentlich verschlechtert oder das Polymergehäuse und gegebenenfalls die Verstärkerfasern löst. Alternativ kann der Schutzstoffwerkstoff 240 unter Verwendung einer geeigneten Säure (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und dergleichen) geätzt werden. Obwohl nicht gezeigt, wird hier in Betracht gezogen, dass die hierin beschriebenen Verfahren auch einen Zugang auf den Kanalvorläufer 230 umfasst, beispielsweise durch Bohrung (nicht abgebildet) in das Polymergehäuse 125, so dass der Schuztschichtwerkstoff 240 entfernt werden kann. Die Abbaumittel können entfernt werden, um Kanäle 180 zu bilden, die in einem (einer) oder mehreren der Folgenden definiert sind: (i) dem Polymergehäuse 125; (ii) dem Auslassrohr 115; (iii) dem Kopfrahmen 105 und (iv) dem Einlassrohr 120, beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums an den zuvor erwähnten Bauteilen oder Einleiten eines Gases in die zuvor erwähnten Bauteile, um die Abbaumittel aus den zuvor erwähnten Bauteilen auszustoßen. In jeder Ausführungsform können die Kanäle 180 in einem oder mehreren von Folgendem miteinander, einschließlich fluidisch und/oder physisch, verbunden sein: dem Kopfrahmen 105, dem Auslassrohr 115, dem Einlassrohr 120 und dem Polymergehäuse 125. In einigen Ausführungsformen, in denen der Kanalvorläufer 230a eine Ummantelung 192 einschließt, bleibt nach dem Entfernen der Abbauprodukte die Ummantelung 192 zurück.
Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren weitere Schritte zum Montieren einer Zylinderkopfbaugruppe umfassen. Zum Beispiel kann nach dem Entfernen des Schutzschichtwerkstoffs 230 durch Entfernen der Einlassöffnungsform 122 und der Auslassöffnungsform 117 eine Zylinderkopfbaugruppe montiert werden, die einen Verbrennungsvorrichtungsbereich 130 in dem Polymergehäuse 125 definiert und eine Verbrennungsvorrichtung (nicht abgebildet), ein Einlassventil (nicht abgebildet) und ein Auslassventil (nicht abgebildet) bereitstellt und zusammenstellt. Es wird hierin auch in Betracht gezogen, dass eine Zylinderkopfbaugruppe beliebige weitere Kühlmittelkanäle umfassen kann, beispielsweise definiert als Kopfrahmen, wie von Fachleuten verstanden.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Individuelle Elemente oder Merkmale eines speziellen Ausführungsbeispiels sind im Allgemeinen nicht auf dieses spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern, wo anwendbar, austauschbar und können in einer gewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Ebenso kann sie auch auf viele Arten verändert werden.
Solche Variationen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen sollen im Schutzumfang der Offenbarung enthalten sein.

Claims

Eine Zylinderkopfbaugruppe für einen Motor, umfassend: einen Metallkopfrahmen, der einen Abschnitt von einer Brennkammer, einer Einlassventilführung und einer Auslassventilführung definiert; ein Auslassrohr, das eine Auslassöffnung definiert, wobei das Auslassrohr einen Wärmedämmstoff umfasst, der eine Dämmschicht aufweist, und wobei mindestens ein Abschnitt des Auslassrohres neben mindestens einem Abschnitt des Metallkopfrahmens angeordnet ist; ein Einlassrohr, das eine Einlassöffnung festlegt, wobei das Einlassrohr ein Material einschließt, das aus der Gruppe eines Metalls, eines polymeren Werkstoffes, dem Wärmedämmstoff und Kombinationen davon ausgewählt wird; ein Polymergehäuse, das um mindestens einen Abschnitt des Metallkopfrahmens und des Auslassrohres angeordnet ist; und eine Vielzahl von Kanälen, die in einem oder mehreren der Folgenden definiert sind: (i) dem Metallkopfrahmen; (ii) dem Auslassrohr; und (iii) dem Polymergehäuse.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Polymer im Polymergehäuse und der polymere Werkstoff jeweils ein thermoplastisches Polymer oder ein duroplastisches Polymer einschließen.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Polymergehäuse und der polymere Werkstoff jeweils eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweisen, wobei die Verstärkungsfasern aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organischen Fasern, Metallfasern und Kombinationen davon besteht.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kanälen jeweils einen Durchmesser von ungefähr 100 µm bis ungefähr 10 mm aufweist.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kanälen eine Ummantelung mit einer Wanddicke von ungefähr 1 µm bis ungefähr 1 mm aufweist, wobei die Ummantelung ein Metall, ein Polymer, einen polymeren Verbundstoff oder eine Kombination davon umfasst.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kanälen im Metallkopfrahmen, im Auslassrohr und im Polymergehäuse miteinander verbunden sind.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich mindestens ein Abschnitt der Vielzahl von Kanälen um eine erste Außenseite des Auslassrohres herum erstreckt oder sich mindestens ein Abschnitt der Vielzahl von Kanälen in Längsrichtung entlang der ersten Außenseite des Auslassrohres erstreckt.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Dämmschicht ferner eine Vielzahl von Mikrokügelchen aus mindestens einer Metalllegierung, Polymer, Glas und Keramik einschließt, wobei die Vielzahl von Mikrokügelchen jeweils einen Durchmesser von ungefähr 10 µm bis 100 µm aufweisen; und wobei die Dämmschicht eine Porosität von mindestens ungefähr 50 % aufweist.
Zylinderkopfbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Wärmedämmung ferner ein Dichtungsmaterial einschließt.