EP0899042B1 - Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes - Google Patents

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EP0899042B1
EP0899042B1 EP98113967A EP98113967A EP0899042B1 EP 0899042 B1 EP0899042 B1 EP 0899042B1 EP 98113967 A EP98113967 A EP 98113967A EP 98113967 A EP98113967 A EP 98113967A EP 0899042 B1 EP0899042 B1 EP 0899042B1
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EP
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cylinder head
displacer
accordance
water chamber
cast cylinder
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Jochen Dr. Betsch
Arnold Kaden
Georg Stumpp
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing of a cast cylinder head for an internal combustion engine according to the closer in the preamble of claim 1 defined type, as well as a cast cylinder head for an internal combustion engine according to that in the preamble of claim 7 or claim 8 art defined.
  • cylinder heads are made almost exclusively by casting manufactured. Usually molds are used, the outer edge of them by molds, e.g. from steel, be formed. For the production of inlet and outlet channels as well as a room for the cooling water in the Cylinder head, the so-called water space, are in the molds made from poured sand mounted.
  • the sand cores first mechanically reduced and then mostly with compressed air from the cavities thus formed in Blown cylinder head.
  • U.S. Patent 4,690,104 describes a cast-made one Cylinder head for an internal combustion engine, which has an opening in the upper area, in which is screwed into a cup-shaped part. Through this part, the cooling water flow should be in the direction of the combustion chambers are directed, the opening used to remove the pouring sand at the same time becomes.
  • JP-A 56 148647 describes a cylinder head, in whose water space there is a cross section triangular sinker with a Flow hole is located.
  • a cylinder head which on top with one by screws attached cover plate is provided.
  • a distributor plate with additional screws attached, which is to cause that through the cylinder head flowing cooling water mostly in the Located near the combustion chambers.
  • the displacement body according to the invention which in remains in the water space of the cylinder head an improved distribution of the coolant flow in the cylinder head, especially a concentration of Coolant flow to the top of the bottom Area of the cylinder head arranged combustion chambers.
  • This improved cooling advantageously has one lower required power of a water pump, one lower fuel consumption and higher knock tolerance result.
  • Another advantage of being placed in the water space Displacement body is that thereby the amount of coolant the internal combustion engine significantly reduced can be. This reduction leads to a shorter one Warm-up phase of the internal combustion engine, which causes pollutant emissions and reduced friction, driving comfort, Heating response and defrost speed and defog speed of the disks increase.
  • the present invention offers a further positive aspect Displacement body in that it is used for stiffening of the cylinder head can contribute.
  • the fixing areas according to the invention allow one Fixation of the sinker in a shape for the sand core and serve for connection after the casting process with the rest of the cylinder head. It happens for a firm connection of the sinker with the material flowing into the cavity.
  • Displacer made of a material with less Density to run as the coolant and the sinker free floating in the water room.
  • Fig. 1 shows a mold 1, which in a known manner constructed from an upper part 2 and a lower part 3 is. At its outer edge, the mold 1 limited by a molding box 4. The top 2 and the lower part 3 are designed as molds.
  • the molding box 4 is made of metal, such as Steel.
  • a Cavity 5 formed Between the upper part 2 and the lower part 3 is a Cavity 5 formed, which after the casting process forms the cylinder head.
  • the one shown in Fig. 1 Section through the mold 1 also shows one Sand core 6, the inlet and outlet channels after the casting process forms.
  • the sand core 6 is inserted in core bearings 7, which are arranged in the lower part 3.
  • sand core 8 To form a water space after the casting process there is another sand core in the cavity 5 8. As can be seen from Fig. 2, is the sand core 8 also inserted in core bearings 9, which are located in the lower part 3.
  • a displacement body is placed in the sand core 8 before the casting process 10 incorporated. This will do so achieved that before the onset of the sand core 8 of Displacement body 10 is sanded and thus the Sand core 8 only arises.
  • the pouring sand of the sand core 8 has depending on the material used for the displacement body 10 a corresponding insulation effect, to melt or evaporate the displacer 10 to prevent during the casting process.
  • the displacement body 10 has fixing areas 11, which are located in the immediate vicinity of the core bearing 9 are.
  • the arrangement of the fixing areas 11 is also anywhere in the cylinder head possible to a Allow connection to the rest of the cylinder head can.
  • the displacement body 10 first in a not shown Manufacturing mold for the sand core 8 fixed. After this The fixing areas 11 are used for the casting the rest of the cylinder head.
  • the fixing areas 11 are from the liquid material during the casting process melted, which by inlets not shown flows into the cavity 5. This results in a firm connection and thus also a fixation of the position Displacement body 10 with during the casting process material flowing into the cavity 5.
  • the displacement body 10 itself can be very simple and inexpensive from a not shown two or more parts, e.g. by pressing or Pour, be made.
  • the casting process with the Sandkern 8 can in despite its new construction be carried out in a known manner. there the displacement body 10 even stabilizes the otherwise very fragile sand core 8.
  • the rigidity and strength of the cylinder head can be increased noticeably. It can by the type of material used and the associated casting temperatures specifically Compressive or tensile stresses built up in the cylinder head become. This is due to the cooling material achieved in the cavity 5, which the displacement body 10 spanned. This makes it possible for later Operation of the cylinder head occurring loads through appropriately selected compressive or tensile preloads compensate.
  • the displacement body 10 can Structural elements to stiffen the cylinder head like posts or ribs included.
  • the displacement body shown in Fig. 1 and Fig. 2 10 has one of the cooling water conditions in the Water space adapted shape, however, are not shown in Exemplary embodiments for further optimization the flow of both solidly ribbed lattice spoiler configurations of the displacer 10 as also very simply constructed displacement body 10 imaginable.
  • the Displacement body 10 made of a material with less Density than the coolant so that the Displacement body 10 after filling the internal combustion engine with coolant due to the resulting buoyancy forces freely floating in the upper area of the Water room is located. It is possible at the Top of the cavity 5 or at the top of the Displacer 10 spacers to attach, so that even in the upper area of the water space Coolant flow is possible.
  • the main part of the coolant is hot as described above Walls of the combustion chambers concentrated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art, sowie einen gegossenen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff des Anspruches 7 oder Anspruchs 8 näher definierten Art.
Gemäß dem aus der Praxis bekannten Stand der Technik werden Zylinderköpfe fast ausschließlich durch Gießen hergestellt. Meist werden dabei Gießformen verwendet, deren äußere Berandung durch Kokillen, z.B. aus Stahl, gebildet werden. 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 werden.
Zur schlechten Kühlung der Brennräume trägt auch die Tatsache bei, daß durch die Zuführung des Kühlwassers von einem unter dem Zylinderkopf angeordneten Kurbelgehäuse her das Kühlwasser bereits einen starken Impuls zum oberen Bereich des Wasserraumes hin aufweist. Außerdem sollten bei Gußteilen stets Gußanhäufungen vermieden werden, wodurch der Wasserraum im Zylinderkopf meist sehr viel größer als notwendig gestaltet werden muß.
Die US-PS 4,690,104 beschreibt einen durch Gießen hergestellten 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 außerdem zusätzliche Dichteinrichtungen benötigt werden, um den Wasserraum des Zylinderkopfes sicher abzudichten. Außerdem entsteht bei diesem Zylinderkopf ein erheblicher mechanischer Aufwand zur Herstellung der sehr großen Gewindebohrung für das napfförmige Teil.
Des weiteren beschreibt die JP-A 56 148647 einen Zylinderkopf, in dessen Wasserraum sich ein im Querschnitt dreieckiger Verdrängungskörper mit einer Durchflußbohrung befindet.
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 Innenraum des Zylinderkopfes zugewandte Seite der Abdeckplatte ist mit weiteren Schrauben eine Verteilerplatte befestigt, die bewirken soll, daß das durch den Zylinderkopf strömende Kühlwasser sich größtenteils in der Nähe der Brennräume befindet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung 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 Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Eine konstruktive Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die im Anspruch 7 genannten Merkmale. Eine alternative Lösung hierzu ist in Anspruch 8 beschrieben.
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 Klopftoleranz zur Folge.
Ein weiterer Vorteil des in dem Wasserraum angeordneten Verdrängungskörpers ist, daß dadurch die Kühlmittelmenge der Brennkraftmaschine erheblich reduziert werden kann. Diese Reduktion führt zu einer kürzeren Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, wodurch Schadstoffemissionen und Reibleistung verringert, Fahrkomfort, Ansprechverhalten der Heizung sowie Defrostgeschwindigkeit und Defoggeschwindigkeit der Scheiben erhöht werden.
Einen weiteren positiven Aspekt bietet der erfindungsgemäße Verdrängungskörper dadurch, daß er zur Versteifung des Zylinderkopfes beitragen kann.
Durch den in dem Sandkern angeordneten Verdrängungskörper kann darüber hinaus eine große Menge an Gießsand eingespart werden.
Die erfindungsgemäßen Fixierbereiche ermöglichen eine Fixierung des Verdrängungskörpers in einer Form für den Sandkern und dienen nach dem Gießvorgang zur Verbindung mit dem restlichen Zylinderkopf. Es kommt dabei zu einer festen Verbindung des Verdrängungskörpers mit dem in den Hohlraum fließenden Werkstoff.
Alternativ hierzu könnte es auch vorteilhaft sein, den Verdrängungskörper aus einem Material mit geringerer Dichte als das Kühlmittel auszuführen und den Verdrängungskörper frei schwimmend in dem Wasserraum unterzubringen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1
einen Schnitt durch eine Gießform für einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf mit einem Verdrängungskörper im Bereich der Ein- und Auslaßkanäle; 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 Weise aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 aufgebaut 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. Auslaßkanäle bildet. Der Sandkern 6 ist in Kernlagern 7 eingelegt, 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 Sandkern 8 ebenfalls in Kernlagern 9 eingelegt, welche sich in dem Unterteil 3 befinden.
In den Sandkern 8 wird vor dem Gießvorgang ein Verdrängungskörper 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 Verdrängungskörper 10 eine entsprechende Isolationswirkung, um ein Schmelzen bzw. Verdampfen des Verdrängungskörpers 10 während des Gießvorganges zu verhindern.
Der Verdrängungskörper 10 weist Fixierbereiche 11 auf, welche in unmittelbarer Nähe der Kernlager 9 angeordnet 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 Verdrängungskörper 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 Zuläufe in den Hohlraum 5 fließt. Dadurch ergibt sich eine feste Verbindung und damit auch eine Lagefixierung des Verdrängungskörpers 10 mit dem während des Gießvorganges 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 nachfolgenden 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 einfach 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 bekannten 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 Sandkernes 6 entstehen.
Je nach Art des für den Verdrängungskörper 10 eingesetzten Werkstoffs - meist wird dabei eine Aluminiumlegierung verwendet - kann die Steifigkeit und Festigkeit des Zylinderkopfes spürbar erhöht werden. Es können 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 Verdrängungskörper 10 umspannt. Somit ist es möglich, beim späteren Betrieb des Zylinderkopfes auftretende Belastungen durch entsprechend gewählte Druck- bzw. Zugvorspannungen auszugleichen. Der Verdrängungskörper 10 kann dabei zur Versteifung des Zylinderkopfes auch Strukturelemente wie Pfosten oder Rippen enthalten.
Der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Verdrängungskörper 10 besitzt eine den Kühlwasserverhältnissen im Wasserraum angepaßte Form, jedoch sind in nicht dargestellten Ausführungsbeispielen zur weiteren Optimierung 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 geringerer Dichte als das Kühlmittel bestehen, so daß der Verdrängungskörper 10 nach Befüllen der Brennkraftmaschine mit Kühlmittel sich durch die entstehenden Auftriebskräfte 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 Kühlmittels ist jedoch wie oben beschrieben auf die heißen Wände der Brennräume konzentriert.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine in einer Gießform (1), wobei zur Bildung des Zylinderkopfes ein Hohlraum (5) zwischen einem Oberteil (2) und einem Unterteil (3) der Gießform (1) verbleibt, und wobei zur Bildung eines Wasserraumes für den Zylinderkopf ein Sandkern (8) in die Gießform (1) 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 Wasserraum verbleibt.
  2. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Verdrängungskörper (10) mit dem Gießsand für den Sandkern (8) besandet wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Sandkern (8) im Kernlager (9) eingelegt wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes 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 Zylinderkopfes nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich die Fixierbereiche (11) in unmittelbarer Nähe der Kernlager (9) befinden.
  6. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Verdrängungskörper (10) nach dem Gießvorgang frei schwimmend in dem Wasserraum verbleibt.
  7. Gegossener Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem durch einen Sandkern (8) gebildeten Wasserraum, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Wasserraum ein Verdrängungskörper (10) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    an dem Verdrängungskörper (10) als Verschlußscheiben (11) ausgebildete Fixierbereiche angebracht sind.
  8. Gegossener Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem durch einen Sandkern (8) gebildeten Wasserraum, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Wasserraum ein Verdrängungskörper (10) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Verdrängungskörper (10) frei schwimmend in dem Wasserraum angeordnet ist.
  9. Gegossener Zylinderkopf nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    an der Oberseite des Hohlraums (5) oder an der Oberseite des Verdrängungskörpers (10) Abstandshalter angeordnet sind.
  10. Gegossener Zylinderkopf nach Anspruch 7, 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Verdrängungskörper (10) als Spoiler für eine Strömung in dem Wasserraum ausgebildet ist.
  11. Gegossener Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Verdrängungskörper (10) zur Versteifung des Zylinderkopfes Strukturelemente wie Pfosten oder Rippen enthält.
EP98113967A 1997-08-13 1998-07-25 Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Zylinderkopfes Expired - Lifetime EP0899042B1 (de)

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