DE19649579B4 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Zylinderstegen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen (5) zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern (1, 2, 3) der Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem sich beiderseits der Zylinder (1, 2, 3) erstreckenden Kühlflüssigkeitsmantel (6) und mit in die Stege (5) eingegossenen Verbindungskanälen (9) für Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (1, 2, 3) aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind und daß jeder Verbindungskanal (9) durch eine örtliche plastische Verformung der Stege (5) zumindest eine Einschnürung (16) seiner Querschnittsfläche aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung.
• Aus DE 33 00 924 C2 ist eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, welche zwecks Kühlung der Stege zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern einer flüssigkeitsgekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschine vorsieht, daß die sich beiderseits der Zylinder erstreckenden Bereiche des Kühlflüssigkeitsmantels mittels in die Stege eingegossener Verbindungskanäle miteinander in Strömungsverbindung stehen.
• Hierbei werden Rohre in die Stege eingegossen, wobei die Zylinderinnenkontur zunächst nach dem Eingießen dieser Rohre von deren Außenmantel durchsetzt ist und anschließend durch Materialabtrag zur Fertigteilkontur der Zylinder bearbeitet wird.
• Bei der Erzielung möglichst kompakter Abmessungen einer mehrzylindrigen Hubkolbenbrennkraftmaschine ist es ein allgemein bekanntes Problem, Kühlflüssigkeitsdurchtritte in den dabei verwendeten, schmalwandigen Stegen anzuordnen. Dieses Problem wird zum Beispiel in der Sonderausgabe "Leichtmetalle im Automobilbau" der DE-Z Automobiltechnische Zeitschrift (ATZ) und Motortechnische Zeitschrift (MTZ), 1995, Seite 63 erläutert. Dort wird ausgeführt, daß nach derzeitigem Stand der Technik kürzeste Motorblocklängen nur mit buchsenlosen Konstruktionen erreicht werden können, wobei die Stegbreite mindestens 6 mm zwischen benachbarten Zylindern beträgt, während dieser Wert bei eingesetzten Laufbuchsen 8 mm beträgt.
• Aus der Schrift DE 86 31 674 U1 ist weiterhin eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern bekannt, bei der die Verbindungskanäle mittels in die Gießform eingelegter Gießkerne hergestellt und durch zusätzliche Stege versteift werden, um eine Verformung der Wandabschnitte unter Verbrennungsdruck zu verhindern. Dabei weist diese Ausbildung jedoch den Nachteil auf, dass sie relativ viel Bauraum beansprucht.
• Die Schrift DE 86 28 633 U1 beschreibt eine weitere gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern, bei der die Verbindungskanäle ebenfalls mittels in die Gießform eingelegter Gießkerne hergestellt werden. Dabei weist auch diese bekannte Ausführungsform den Nachteil eines relativ großen notwendigen Bauraumes auf.
• Auch der Schrift JP 61-182442 AA ist lediglich eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine entnehmbar, bei der der Verbindungskanal zwischen den einzelnen Zylindern mittels eines eingegossenen Rohres gebildet ist. Dabei weist auch diese bekannte Ausführungsform den Nachteil eines hohen Bauraumaufwandes und zudem eines erhöhten Fertigungsaufwandes auf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, welche unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden Kühlung dieser Stege einen minimalen Zylinderabstand gewährleistet.
• Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung ist in Anspruch 4 angegeben.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die direkt zusammengegossenen Zylinder aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind und daß die beim Gießen dieser Zylinder eingegossenen Verbindungskanäle durch eine örtliche plastische Verformung der Stege im Bereich dieser Verbindungskanäle zumindest eine Einschnürung ihrer Querschnittsfläche aufweisen. Vorteilhafterweise kann somit die Rohteilkontur eines jeden Zylinders nach dem Gießen im Bereich der Verbindungskanäle ein deutliches Übermaß aufweisen, welches anschließend durch die örtliche plastische Verformung weitgehend aufgehoben wird. Die plastische Verformung schnürt den Steg unter Verringerung der Querschnittsfläche des in ihm angeordneten Verbindungskanales ein. Die ursprüngliche, beim Gießen entstehende Querschnittsfläche und das Maß der plastischen Verformung können somit auf die individuellen Bedürfnisse der jeweiligen Brennkraftmaschine abgestimmt werden. Abschließend wird in bekannter Weise die Rohteilkontur zur Fertigteilkontur bearbeitet.
• Der Aluminiumwerkstoff weist eine ausreichende Duktilität für die erforderliche plastische Verformung auf und trägt mit dazu bei, daß in Stegbreiten von beispielsweise 5 mm ausreichende Querschnittsflächen für den Verbindungskanal bereitgestellt werden können.
• In vorteilhafter Ausgestaltung erstrecken sich die Verbindungskanäle in den Stegen bei vergleichsweise geringer Breite im wesentlichen in Richtung der Längsachse der jeweiligen Zylinder, wobei die Einschnürung durch in diese Richtung angeordnete, sich gegenüberliegende Wandabschnitte der Verbindungskanäle gebildet sind.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß sich diese gegenüberliegenden Wandabschnitte im Bereich der Einschnürung berühren, was wiederum das bei der Fertigteilkonturbearbeitung abzutragende Material minimiert und andererseits durch einen schlagartigen Anstieg der zur Verformung erforderlichen Kräfte eine exakt reproduzierbare Marke für den Abbruch der plastischen Verformung darstellt.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann jeder Verbindungskanal beim Gießen der Zylinder mittels eines Sandkernes hergestellt werden und anschließend die plastische Verformung durch entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Verformungskräfte auf beide Seiten eines Steges durchgeführt werden.
• Diese plastische Verformung kann vorteilhaft nach einer Wärmebehandlung der Zylindereinheit, beispielsweise Spannungsarmglühen, durchgeführt werden, da dann der erforderliche Kraftaufwand für die plastische Verformung vergleichsweise gering ist.
• Die Erfindung ist auch vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen mit eingesetzten Laufbuchsen anwendbar, da dort der Bedarf nach vergleichsweise schmalen Stegen aufgrund des zusätzlichen Bauraumbedarfes für die Laufbuchsen besonders groß ist.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt drei Zylinder 1, 2, 3 einer flüssigkeitsgekühlten Hubkolbenbrennkraftmaschine, welche materialeinheitlich und einstückig mit einem Zylinderkopf 4 unter Bildung von zwischen den Zylindern 1, 2, 3 liegenden Stegen 5 zu einer Zylindereinheit direkt zusammengegossen sind.
• Die Hubkolbenbrennkraftmaschine weist einen Kühlflüssigkeitsmantel 6 mit bezüglich der Zylinder 1 bis 3 außen liegenden Bereichen 7 und 8 auf, welche mittels eingegossener Verbindungskanäle 9 miteinander kommunizieren.
• Der in 1 links gezeigte Steg 5 weist nach dem Zusammengießen eine Rohteilkontur 10 mit beidseitigen Ausbuchtungen 11 im Bereich des Verbindungskanales 9 auf. Dieser erstreckt sich bei vergleichsweise geringer Breite quer zu den Längsachsen 12 der Zylinder 1, 2, 3 im wesentlichen in Richtung R dieser Längsachsen 12, wobei in dieser Richtung R angeordnete, sich gegenüberliegende Wandabschnitte 13, 14 des Verbindungskanales 9 in etwa um die zu erzielende Breite einer Fertigteilkontur 15 beabstandet sind.
• Die Rohteilkontur 10 durchsetzt im Bereich des Verbindungskanales 9 die Rohteilkontur der übrigen Zylinderinnenfläche.
• Nach dem Gießen der Zylindereinheit mit den beispielsweise durch Sandkerne hergestellten Verbindungskanälen 9 wird diese Zylindereinheit spannungsarm geglüht. Unmittelbar im Anschluß daran wird im Bereich der größten Breite des Verbindungskanales 9 durch Aufbringen von entgegengesetzt zueinander ausgerichteten Verformungskräften F eine plastische Verformung des Steges 5 hervorgerufen. Diese Verformung bewirkt eine Einschnürung 16 unter Verringerung der Querschnittsfläche des Verbindungskanales 9.
• Die beispielsweise hydraulisch mittels Stempeln aufgebrachten Verformungskräfte F werden betragsmäßig erfaßt und bei einem Berühren der Wandabschnitte 13 und 14 wird der Verformungsprozeß infolge des ansteigenden Kräftebedarfes beendet.
• Wie aus dem in 1 rechts gezeigten Steg 5 ersichtlich, entstehen durch die plastische Verformung und die Einschnürung 16 zwei Teilquerschnitte 17, 18 aus der Querschnittsfläche des Verbindungskanales 9.
• 2 zeigt einen Schnitt in Höhe der Einschnürung 16 entlang der Zylinder 1 bis 3 gemäß 1. Erkennbar ist in dem links dargestellten Steg 5 der Verbindungskanal 9, welcher eine Strömungsverbindung zwischen den Bereichen 7 und 8 des Kühlflüssigkeitsmantels 6 bereitstellt. Weiterhin ist die nur am Beispiel des Zylinders 2 dargestellte Ausbuchtung 11 erkennbar welche die Rohteilkontur 10 der übrigen Zylinderinnenfläche durchsetzt.
• Der rechts in 2 gezeigte Steg 5 zeigt den Zustand nach der plastischen Verformung, wobei die Wandabschnitte 13 und 14 auf Block gesetzt wurden, d. h. der Verbindungskanal 9 ist im Bereich der Einschnürung 16 verschlossen.
• Nach Fertigstellung dieser Anordnung zur Kühlung der Stege 5 wird in einem abschließenden Arbeitsgang die Rohteilkontur 10 in bekannter Weise auf die gewünschte Fertigteilkontur 15 bearbeitet.
• Die Erfindung ist nicht notwendigerweise auf das anhand der Figuren erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt, so können beispielsweise mehrere Verbindungskanäle 9 in jedem Steg 5 angeordnet sein, ferner kann jeder Verbindungskanal 9 mehr als eine Einschnürung 16 aufweisen. Die Querschnittsfläche des Verbindungskanales 9 nach dem plastischen Verformen ist über das Maß der Einschnürung 16 einstellbar.
• Sollte des weiteren eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einzusetzenden Laufbuchsen verwendet werden, so können diese nach dem Bereitstellen der Fertigteilkontur 15 eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen (5) zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern (1, 2, 3) der Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem sich beiderseits der Zylinder (1, 2, 3) erstreckenden Kühlflüssigkeitsmantel (6) und mit in die Stege (5) eingegossenen Verbindungskanälen (9) für Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (1, 2, 3) aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind und daß jeder Verbindungskanal (9) durch eine örtliche plastische Verformung der Stege (5) zumindest eine Einschnürung (16) seiner Querschnittsfläche aufweist.
2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verbindungskanäle (9) bei vergleichsweise geringer Breite quer zur Längsachse (12) der Zylinder (1, 2, 3) im wesentlichen in Richtung (R) dieser Längsachsen (12) erstrecken und daß die Einschnürung (16) durch in diese Richtung (R) angeordnete, sich gegenüberliegende Wandabschnitte (13, 14) der Verbindungskanäle (9) gebildet sind.
3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wandabschnitte (13, 14) im Bereich der Einschnürung (16) berühren.
4. Verfahren zur Herstellung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Anordnung zur Kühlung von Stegen (5) zwischen direkt zusammengegossenen Zylindern (1, 2, 3) der Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kühlflüssigkeitsmantel (6) mit den Schritten – Gießen der Zylinder (1, 2, 3) mit einem in den Stegen (5) eingelegten Kern zur Herstellung von Verbindungskanälen (9) zwischen den außen liegenden Bereichen (7, 8) des Kühlflüssigkeitsmantels (6) derart, daß die Zylinderwandungen im Bereich der Verbindungskanäle (9) eine die Rohteilkontur (10) der übrigen Zylinderinnenfläche durchsetzende Ausbuchtung (11) aufweisen, – Plastisches Verformen der Stege (5) im Bereich der Verbindungskanäle (9) durch Aufbringen von entgegengesetzt ausgerichteten Verformungskräften (F) auf die Ausbuchtungen (11) derart, daß zumindest eine Einschnürung (16) in der Querschnittsfläche jedes Verbindungskanales (9) entsteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die plastische Verformung sich gegenüberliegende Wandabschnitte (13, 14) der Verbindungskanäle (9) zur gegenseitigen Anlage gebracht werden und somit zwei Teilquerschnitte (17, 18) des Verbindungskanales (9) entstehen.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (1, 2, 3) nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen werden und unmittelbar im Anschluß daran das plastische Verformen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, zur Anwendung in einer mit Laufbuchsen versehenen Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei nach dem plastischen Verformen die Rohteilkontur (10) der Zylinderinnenflächen zu einer Fertigteilkontur (15) bearbeitet und anschließend die Laufbuchsen eingesetzt werden.