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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf und ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes.
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Der erfindungsgemäße Zylinderkopf umfasst einen Zylinderkopfkörper und mehrere Zylinderkopfeinsätze, wobei die Zylinderkopfeinsätze innerhalb des Zylinderkopfkörpers angeordnet sind, und wobei die Zylinderkopfeinsätze mittels eines generativen Verfahrens hergestellt sind, und wobei der Zylinderkopfkörper mittels eines Gussverfahrens hergestellt ist.
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Die Verwendung eines generativen Verfahrens zur Herstellung der Zylinderkopfeinsätze ermöglicht eine flexible Gestaltung der Zylinderkopfeinsätze. Dabei werden Ausgestaltungen der Zylinderkopfeinsätze ermöglicht, die mit anderen Verfahren, wie Fräsen oder Gießen, nicht erreicht werden können. Zu diesen Ausgestaltungen zählen beispielsweise Hohlräume und/oder Kammern, welche beispielsweise über Kanäle verbunden sind, die einen komplexen Verlauf innerhalb aller drei Raumebenen aufweisen. Dadurch wird beispielsweise die Fertigung effizienter Kühlstrukturen ermöglicht.
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Nachteilig an der Verwendung eines generativen Verfahrens kann dabei ein erhöhter Zeitaufwand für die Produktion sein. Die Verwendung eines Gussverfahrens zur Herstellung des Zylinderkopfkörpers ermöglicht eine mindestens teilweise Kompensation dieses Nachteils. Es wird eine komplexe Ausgestaltung des Zylinderkopfes für die Zylinderkopfeinsätze ermöglicht, während der Zylinderkopfkörper mit deutlich reduzierter Herstellungszeit gegenüber den Zylinderkopfeinsätzen gegossen werden kann.
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Somit wird eine Reduktion der Herstellungszeit des bei gleichzeitiger Erhöhung der möglichen Komplexität der Ausgestaltung des Zylinderkopfes ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs umfasst die Schritte:
- a) Herstellen der Zylinderkopfeinsätze mittels eines generativen Verfahrens;
- b) Positionieren der Zylinderkopfeinsätze in eine Zylinderkopfkörpergussform;
- c) Gießen des Zylinderkopfkörpers.
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Der erfindungsgemäße Zylinderkopf eignet sich insbesondere zur Anwendungen in Verbrennungsmotoren, und dabei insbesondere für Verbrennungsmotoren im Fahrzeugbereich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes. Somit werden auch durch das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes ermöglicht. Zusätzlich ergibt sich durch Schritt b) die vorteilhafte Möglichkeit, die Zylinderkopfeinsätze innerhalb des Zylinderkopfes vorteilhaft zu positionieren. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Bereich des Zylinderkopfes, der an einen Brennraum angegrenzt, einen komplex ausgestalteten Kanal zur Kühlung umfassen, so dass eine Erhöhung der Effizienz der Kühlung während des Betriebs des Verbrennungsmotors ermöglicht wird.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit Zylinderkopfeinsätzen, und
- 2 einen Querschnitt eines Zylinderkopfeinsatzes, und
- 3 einen Zylinderkopfeinsatz.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs 1. Dieser umfasst einen Zylinderkopfkörper 2 und mehrere Zylinderkopfeinsätze 3, wobei die Zylinderkopfeinsätze 3 innerhalb des Zylinderkopfkörpers 2 angeordnet sind, und wobei die Zylinderkopfeinsätze 3 mittels eines generativen Verfahrens hergestellt sind, und wobei der Zylinderkopfkörper 2 mittels eines Gussverfahrens hergestellt ist.
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Die Zylinderkopfeinsätze 3 weisen einen zylinderförmigen Grundkörper auf. Die Abmessungen dieses Grundkörpers sind 90 mm im Durchmesser und 110 mm in der Höhe. Die Unterseite der Zylinderkopfeinsätze 3 ist geeignet, einen Brennraum 9 nach oben hin abzudecken und/oder zu verschließen.
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2 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfeinsatzes 3. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Zylinderkopfeinsätze 3 eine Kühlstruktur 4 und mehrere Funktionsstrukturen 5, wobei die Kühlstruktur 4 benachbart zu mindestens einer Funktionsstruktur 5 angeordnet ist, und wobei die Kühlstruktur 4 zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmediums geeignet ist.
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Die Kühlstruktur 4 ist innerhalb des Zylinderkopfeinsatzes 3 ausgebildet, wo sich keine Funktionsstrukturen befinden.
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Zudem umfasst die Kühlstruktur 4 einen Kanal, wobei der Kanal dreidimensional innerhalb der Kühlstruktur 4 angeordnet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird das flüssige Kühlmedium an einer Eintrittsstelle in den Zylinderkopfeinsatz 3 eingeleitet. Der Kanal verzweigt sich im anschließenden Verlauf nach der Eintrittsstelle und durchzieht in einzelnen Kanalsträngen den Zylinderkopfeinsatz 3. Im weiteren Verlauf des Kanals vereinen sich die einzelnen Kanalstränge und treten ein einer Austrittstelle aus dem Zylinderkopfeinsatz 3 aus. Der Verlauf des Kanals und/oder der einzelnen Kanalstränge ist abschnittsweise geschraubt ausgebildet, und enthält abschnittsweise Schlaufen. Die Dicke der Kanalwand ist über den Verlauf veränderlich und beträgt zwischen 0.8 mm und 20 mm.
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Dadurch wird ein volumenmäßig großer Anteil des Zylinderkopfeinsatzes 3 von der Kühlstruktur 4 eingenommen. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Kühlleistung insbesondere auch für die Funktionsstrukturen 5. Dies ermöglicht einen effizienteren Betrieb des Verbrennungsmotors.
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Zudem weist der Kanal über seinen Verlauf einen veränderlichen Querschnitt auf. In diesem Ausführungsbeispiel ändert sich sowohl die Größe des Durchmessers über den Verlauf, als auch die Form. Abschnittsweise bildet der Kanal dabei einen kreisförmigen und/oder ovalen und/oder vielseitigen Querschnitt aus. Dadurch ergibt sich eine organische Struktur, welche von dem flüssigen Kühlmedium durchströmt wird. Dies ermöglicht eine Erhöhung des vom Kühlmedium durchströmten Volumens innerhalb des Zylindereinsatzes 3. Zusätzlich wird eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums innerhalb des Zylindereinsatzes, und damit eine Erhöhung der Kühleffizienz ermöglicht.
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Zudem ist eine erste Funktionsstruktur 5 ausgebildet, um eine Ventilführung aufzunehmen.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind 4 erste Funktionsstrukturen 5 in einem Zylinderkopfeinsatz 3 ausgebildet. Somit ergeben sich Führungen für vier Ventile in jedem Zylinderkopfeinsatz 3, also für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors. Der Kanal umfasst stromabwärts der Eintrittsstelle eine Bypassverzweigung, an welcher einer der einzelnen Kanalstränge direkt zu der ersten Funktionsstruktur 5 verläuft. Somit wird eine effizientere Kühlung der ersten Funktionsstruktur 5, und damit der Ventilführung ermöglicht.
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Zudem ist eine zweite Funktionsstruktur 6 ausgebildet, einen Luftkanal aufzunehmen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Funktionsstruktur 6 in den Zylinderkopfeinsätzen 3 doppelt vorhanden. Die Luftkanäle sind geeignet den Brennraum 9 mit Zuluft und mit Abluft zu versorgen. Dies ist vorteilhaft, da das Fertigen von Funktionsstrukturen 5,6, wie von Luftkanälen und/oder Aufnahmen für Ventilführungen im selben Arbeitsschritt erfolgt, wie die Herstellung der Zylinderkopfeinsätze 3. Dadurch wird das Entfallen zusätzlicher Arbeitsschritte ermöglicht, was zu einer Reduktion der Herstellungszeit und/oder der Herstellungskosten führt.
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3 zeigt einen Zylinderkopfeinsatz, der eine Außenseite 8 und eine Haltstruktur 7 aufweist. Dabei ist die Haltestruktur 7 an der Außenseite 8 konvex ausgebildet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Haltestrukturen 7 in verschiedenen Ausführungen vorhanden. Zum einen sind Haltestrukturen 7 umfasst, welche hakenförmig ausgebildet sind. Diese ermöglichen einen sicheren Halt der Zylinderkopfeinsätze in dem Zylinderkopfkörper 2 nach dem Guss des Zylinderkopfes. Zudem sind Haltstrukturen umfasst, welche tellerförmig ausgebildet sind. Diese ermöglichen eine genauere Positionierung der Zylindereinsätze innerhalb des Zylinderkopfkörpers. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die tellerförmigen Haltestrukturen auf Gegenstücken, welche sich in der Zylinderkopfgussform befinden, positioniert werden.
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Zudem ist der Zylinderkopfeinsatz 3 mindestens teilweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Zylinderkopfkörper 2 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Dadurch ermöglicht die Herstellung der Zylinderkopfeinsätze 3 aus einer Aluminiumlegierung eine gute Anbindung des Zylinderkopfkörpers 2 an die Zylinderkopfeinsätze 3. Die Zylinderkopfeinsätze 3 sind dabei aus einer Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung hergestellt, die besonders geeignet ist, mittels eines generativen Verfahrens in Form gebracht zu werden. Die Zylinderkopfeinsätze 3 sind mittels eines pulverbettbasierten selektiven Laserschmelzverfahrens hergestellt, wofür sich die Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung insbesondere gut eignet.
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Ein nicht dargestelltes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs 1 umfasst die Schritte:
- a) Herstellen der Zylinderkopfeinsätze (3) mittels eines generativen Verfahrens;
- b) Positionieren der Zylinderkopfeinsätze (3) in eine Zylinderkopfkörpergussform;
- c) Gießen des Zylinderkopfkörpers (1).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007017025 A1 [0002]
