DE19735012C1 - Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes für eine Brennkraftma­ schine nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art, sowie einen gegossenen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff des Anspruches 7 näher definierten Art.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und ein dadurch herge­ stellter Zylinderkopf ist aus der DE 196 43 725 A1 bekannt.

Zum Gießen des Zylinderkopfs wird bei einem solchen Verfahren meist eine Gießform verwendet, deren äußere Berandung durch Kokillen, z. B. aus Stahl, gebildet ist. Zur Herstellung von Ein- und Auslaßkanälen sowie einem Raum für das Kühlwasser in dem Zylinderkopf, dem sogenannten Wasserraum, werden in die Formkokillen aus Gießsand hergestellte Sandkerne eingehängt.

Nach dem erfolgten Gießvorgang werden die Sandkerne zunächst mechanisch verkleinert und anschließend meist mit Preßluft aus den somit gebildeten Hohlräumen im Zylinderkopf geblasen.

Aufgrund von verschiedenen, gußtechnisch notwendigen Parametern, wie z. B. Teilungsebenen, Formschrägen oder Gußwandstärken ist es nicht möglich, den Wasserraum frei zu gestalten. Dadurch kann eine optimale Kühlung von im unteren Bereich des Zylinderkopfes angeordneten Brennräumen durch das Kühlwasser nicht erreicht wer­ den.

Zur schlechten Kühlung der Brennräume trägt auch die Tatsache bei, daß durch die Zuführung des Kühlwassers von einem unter dem Zylinderkopf angeordneten Kurbel­ gehäuse her das Kühlwasser bereits einen starken Im­ puls zum oberen Bereich des Wasserraumes hin aufweist. Außerdem sollten bei Gußteilen stets Gußanhäufungen vermieden werden, wodurch der Wasserraum im Zylinder­ kopf meist sehr viel größer als notwendig gestaltet werden muß.

Ein Kern zur gießtechnischen Herstellung von Zylinder­ blöcken aus Grauguß ist aus der DE 37 07 256 C1 be­ kannt. Dieser ist zur Bildung des Wassermantels und der Sohle des Zylinderblockes einteilig ausgebildet.

Die US-PS 4,690,104 beschreibt einen durch Gießen her­ gestellten Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, welcher im oberen Bereich eine Öffnung aufweist, in welcher ein napfförmiges Teil eingeschraubt wird. Durch dieses Teil soll der Kühlwasserstrom in Richtung der Brennräume geleitet werden, wobei die Öffnung gleichzeitig zum Entfernen des Gießsandes verwendet wird.

Nachteilig ist dabei jedoch das relativ umständliche Einschrauben des napfförmigen Teiles, für welches au­ ßerdem zusätzliche Dichteinrichtungen benötigt werden, um den Wasserraum des Zylinderkopfes sicher abzudich­ ten. Außerdem entsteht bei diesem Zylinderkopf ein erheblicher mechanischer Aufwand zur Herstellung der sehr großen Gewindebohrung für das napfförmige Teil.

Aus der GB-PS 563 789 ist ein Zylinderkopf bekannt, welcher an seiner Oberseite mit einer durch Schrauben befestigten Deckplatte versehen ist. An die dem Innen­ raum des Zylinderkopfes zugewandte Seite der Abdeck­ platte ist mit weiteren Schrauben eine Verteilerplatte befestigt, die bewirken soll, daß das durch den Zylin­ derkopf strömende Kühlwasser sich größtenteils in der Nähe der Brennräume befindet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Her­ stellung eines Zylinderkopfes zu schaffen, welches mit sehr einfachen Mitteln erreicht, daß in dem Wasserraum des Zylinderkopfes enthaltenes Kühlmittel sehr gut kühlt, und zwar insbesondere die im unteren Bereich des Zylinderkopfes liegenden Brennräume.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Eine konstruktive Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 genannten Merkmale.

Der erfindungsgemäße Verdrängungskörper, welcher in dem Wasserraum des Zylinderkopfes verbleibt, führt zu einer verbesserten Verteilung der Kühlmittelströmung im Zylinderkopf, insbesondere einer Konzentration des Kühlmittelstromes auf die Oberseite der im unteren Bereich des Zylinderkopfes angeordneten Brennräume.

Diese verbesserte Kühlung hat vorteilhafterweise eine geringere notwendige Leistung einer Wasserpumpe, einen geringeren Kraftstoffverbrauch und eine höhere Klopf­ toleranz zur Folge.

Ein weiterer Vorteil des in dem Wasserraum angeordne­ ten Verdrängungskörpers ist, daß dadurch die Kühlmit­ telmenge der Brennkraftmaschine erheblich reduziert werden kann. Diese Reduktion führt zu einer kürzeren Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, wodurch Schad­ stoffemissionen und Reibleistung verringert, Fahrkom­ fort, Ansprechverhalten der Heizung sowie Defrostge­ schwindigkeit und Defoggeschwindigkeit der Scheiben erhöht werden.

Einen weiteren positiven Aspekt bietet der erfindungs­ gemäße Verdrängungskörper dadurch, daß er zur Verstei­ fung des Zylinderkopfes beitragen kann.

Durch den in dem Sandkern angeordneten Verdrängungs­ körper kann darüber hinaus eine große Menge an Gieß­ sand eingespart werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Gießform für einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit einem Ver­ drängungskörper im Bereich der Ein- und Aus­ laßkanäle; und

Fig. 2 einen weiteren Schnitt durch die Gießform für den Zylinderkopf mit dem Verdrängungskörper aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Gießform 1, welche in bekannter Wei­ se aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 aufge­ baut ist. An ihrem äußeren Rand wird die Gießform 1 durch einen Formkasten 4 begrenzt. Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 sind dabei als Kokillen ausgebildet. Der Formkasten 4 besteht aus Metall, wie z. B. Stahl.

Zwischen dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 ist ein Hohlraum 5 ausgebildet, welcher nach dem Gießvorgang den Zylinderkopf bildet. Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt durch die Gießform 1 zeigt außerdem einen Sandkern 6, der nach dem Gießvorgang Ein- bzw. Auslaß­ kanäle bildet. Der Sandkern 6 ist in Kernlagern 7 ein­ gelegt, welche in dem Unterteil 3 angeordnet sind.

Zur Bildung eines Wasserraumes nach dem Gießvorgang befindet sich in dem Hohlraum 5 ein weiterer Sandkern 8. Wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist der Sand­ kern 8 ebenfalls in Kernlagern 9 eingelegt, welche sich in dem Unterteil 3 befinden.

In den Sandkern 8 wird vor dem Gießvorgang ein Ver­ drängungskörper 10 eingearbeitet. Dies wird dadurch erreicht, daß vor dem Einsetzen des Sandkernes 8 der Verdrängungskörper 10 besandet wird und somit der Sandkern 8 erst entsteht. Der Gießsand des Sandkernes 8 hat dabei je nach verwendetem Werkstoff für den Ver­ drängungskörper 10 eine entsprechende Isolationswir­ kung, um ein Schmelzen bzw. Verdampfen des Verdrän­ gungskörpers 10 während des Gießvorganges zu verhin­ dern.

Der Verdrängungskörper 10 weist Fixierbereiche 11 auf, welche in unmittelbarer Nähe der Kernlager 9 angeord­ net sind. Die Anordnung der Fixierbereiche 11 ist auch an beliebigen Stellen im Zylinderkopf möglich, um eine Verbindung mit dem restlichen Zylinderkopf erlauben zu können. Durch die Fixierbereiche 11 wird der Verdrän­ gungskörper 10 zunächst in einer nicht dargestellten Herstellungsform für den Sandkern 8 fixiert. Nach dem Gießen dienen die Fixierbereiche 11 der Verbindung mit dem restlichen Zylinderkopf. Die Fixierbereiche 11 werden beim Gießvorgang von dem flüssigen Werkstoff angeschmolzen, welcher durch nicht dargestellte Zuläu­ fe in den Hohlraum 5 fließt. Dadurch ergibt sich eine feste Verbindung und damit auch eine Lagefixierung des Verdrängungskörpers 10 mit dem während des Gießvorgan­ ges in den Hohlraum 5 fließenden Werkstoff.

Durch das Fixieren des Verdrängungskörpers 10 über die Fixierbereiche 11 in Form von Verschlußscheiben in der Herstellungsform für den Sandkern 8, können beim nach­ folgenden Gießvorgang Öffnungen für die Kernlager 9 beim Gießvorgang verschlossen werden. Somit ergeben sich durch die Einsparung der Kernlagerverschlüsse zusätzliche Kostenvorteile bei jedem Zylinderkopf. Darüber hinaus kann auf eine zusätzliche Abdichtung von außen verzichtet werden, da der Wasserraum durch die Fixierbereiche 11 abgedichtet wird.

Der Verdrängungskörper 10 kann dabei selbst sehr ein­ fach und kostengünstig aus einer nicht dargestellten zwei- oder mehrteiligen Form, z. B. durch Pressen oder Gießen, hergestellt werden. Der Gießvorgang mit dem Sandkern 8 kann trotz seines neuartigen Aufbaus in bekannter Art und Weise durchgeführt werden. Dabei stabilisiert der Verdrängungskörper 10 sogar noch den ansonsten sehr bruchgefährdeten Sandkern 8.

Der Wasserraum, der nach dem mechanischen Entfernen des Sandkerns 8 entsteht, weist im Vergleich zu be­ kannten Wasserräumen ein erheblich reduziertes Volumen auf, da der Verdrängungskörper 10 sich beim fertigen Zylinderkopf ja noch immer in dem Wasserraum befindet.

Durch den Verdrängungskörper 10 wird das Kühlmittel in Richtung von im unteren Bereich des Zylinderkopfes angeordneten Brennräumen geleitet, welche ebenso wie die Ein- und Auslaßkanäle nach dem Entfernen des Sand­ kernes 6 entstehen.

Je nach Art des für den Verdrängungskörper 10 einge­ setzten Werkstoffs meist wird dabei eine Aluminium­ legierung verwendet kann die Steifigkeit und Festig­ keit des Zylinderkopfes spürbar erhöht werden. Es kön­ nen durch die Art des verwendeten Werkstoffs und der damit verbundenen Gießtemperaturen nämlich gezielt Druck- bzw. Zugvorspannungen im Zylinderkopf aufgebaut werden. Dies wird durch den sich abkühlenden Werkstoff in dem Hohlraum 5 erzielt, welcher den Verdrängungs­ körper 10 umspannt. Somit ist es möglich, beim späte­ ren Betrieb des Zylinderkopfes auftretende Belastungen durch entsprechend gewählte Druck- bzw. Zugvorspannun­ gen auszugleichen. Der Verdrängungskörper 10 kann da­ bei zur Versteifung des Zylinderkopfes auch Struktur­ elemente wie Pfosten oder Rippen enthalten.

Der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Verdrängungskör­ per 10 besitzt eine den Kühlwasserverhältnissen im Wasserraum angepaßte Form, jedoch sind in nicht darge­ stellten Ausführungsbeispielen zur weiteren Optimie­ rung der Strömung sowohl massiv verrippte Gitter- Spoiler-Konfigurationen des Verdrängungskörpers 10 als auch sehr einfach aufgebaute Verdrängungskörper 10 vorstellbar.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Verdrängungskörper 10 aus einem Material mit geringe­ rer Dichte als das Kühlmittel bestehen, so daß der Verdrängungskörper 10 nach Befüllen der Brennkraftma­ schine mit Kühlmittel sich durch die entstehenden Auf­ triebskräfte frei schwimmend im oberen Bereich des Wasserraumes befindet. Dabei ist es möglich, an der Oberseite des Hohlraums 5 oder an der Oberseite des Verdrängungskörpers 10 Abstandshalter anzubringen, so daß auch im oberen Bereich des Wasserraumes noch ein Kühlmittelfluß möglich ist. Der Hauptanteil des Kühl­ mittels ist jedoch wie oben beschrieben auf die heißen Wände der Brennräume konzentriert.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylin­ derkopfes für eine Brennkraftmaschine in einer Gießform, wobei zur Bildung des Zylinderkopfes ein Hohlraum zwischen einem Oberteil und einem Unter­ teil der Gießform verbleibt, und wobei zur Bildung eines Wasserraumes für den Zylinderkopf ein Sand­ kern in die Gießform eingelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Gießvorgang ein Verdrängungskörper (10) in den Sandkern (8) für den Wasserraum eingebracht wird, welcher nach dem Gießvorgang in dem Wasser­ raum verbleibt.

2. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylin­ derkopfes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) mit dem Gießsand für den Sandkern (8) besandet wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylin­ derkopfes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandkern (8) im Kernlager (9) eingelegt wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylin­ derkopfes nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich während des Gießvorganges der Werkstoff des Zylinderkopfes mit dem Verdrängungskörper (10) an festgelegten Fixierbereichen (11) verbindet.

5. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylin­ derkopfes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fixierbereiche (11) in unmittelbarer Nähe der Kernlager (9) befinden.

6. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylin­ derkopfes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) nach dem Gießvorgang frei schwimmend in dem Wasserraum verbleibt.

7. Gegossener Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschi­ ne mit einem durch einen Sandkern gebildeten Was­ serraum, hergestellt nach dem Verfahren gemäß ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wasserraum ein bei dem Gießvorgang inner­ halb des Sandkerns (8) eingebrachter Verdrängungs­ körper (10) angeordnet ist.

8. Gegossener Zylinderkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Verdrängungskörper (10) als Verschlußschei­ ben (11) ausgebildete Fixierbereiche angebracht sind.

9. Gegossener Zylinderkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) frei schwimmend in dem Wasserraum angeordnet ist.

10. Gegossener Zylinderkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite des Hohlraums (5) oder an der Oberseite des Verdrängungskörpers (10) Abstands­ halter angeordnet sind.

11. Gegossener Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) als Spoiler für eine Strömung in dem Wasserraum ausgebildet ist.

12. Gegossener Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) zur Versteifung des Zylinderkopfes Strukturelemente wie Pfosten oder Rippen enthält.