EP2761157A2 - Cylinder head having an integrated exhaust manifold for an internal combustion engine and method for producing a cast component, in particular a cylinder head for an internal combustion engine - Google Patents

Cylinder head having an integrated exhaust manifold for an internal combustion engine and method for producing a cast component, in particular a cylinder head for an internal combustion engine

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EP2761157A2
EP2761157A2 EP12756106.6A EP12756106A EP2761157A2 EP 2761157 A2 EP2761157 A2 EP 2761157A2 EP 12756106 A EP12756106 A EP 12756106A EP 2761157 A2 EP2761157 A2 EP 2761157A2
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EP
European Patent Office
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cylinder head
coating
casting
exhaust manifold
casting core
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12756106.6A
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Inventor
Manfred Kloft
Christian Borchert
Mirko Demmler
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2761157A2 publication Critical patent/EP2761157A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F02F1/4271—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels with an exhaust liner

Definitions

  • Cylinder head with an integrated exhaust manifold for an internal combustion engine and method for producing a cast component in particular a cylinder head for a
  • the invention relates to a cylinder head with an integrated exhaust manifold for a
  • the invention relates to a method for producing a cast component, preferably made of a light metal, in particular a cylinder head with an integrated exhaust manifold, wherein a casting core is provided and the casting core of a
  • Casting has a distance, and in which the cavity is filled with a casting material which forms the cast component after solidification and separation of the casting tool and the casting core.
  • the exhaust gas is cooled, so that there is an unfavorable response to an exhaust gas turbocharger arranged in the exhaust stream.
  • the shape of the inlet and outlet channel is in conventional casting by means of a
  • the best possible thermal insulation of the cylinder head is desired at least in the exhaust duct to favor the post-reactions of the exhaust gases and to transport as much energy to the turbine of the turbocharger in an internal combustion engine with turbocharger. At the same time as little heat should be directed into the cylinder head to reduce the thermal stress on the cylinder head.
  • a cast component made of a light metal with an insert made of metal is known for example from the document DE 101 53 306 B4.
  • the insert is integrated by pouring into the cast component. Through the insert locally the material properties, such as the wear resistance, the mechanical strength or the thermal
  • the known ceramic inserts have the disadvantage that when cooling the casting and in engine operation, large forces act on the ceramic shell. Therefore, the shape of the ceramic inserts
  • Ceramic insert be designed so that it does not come to break this very brittle material.
  • the document DE 39 15 988 A1 describes a cylinder head with a cast-sheet metal channel, wherein between the sheet metal channel and the casting an air gap as
  • the sheet metal channel can also be coated with a ceramic and / or be executed in two layers.
  • the invention has the object to avoid the disadvantages of the known embodiments.
  • a thermal insulation is to be created, which can be realized at any portion of the exhaust manifold, only a small production cost and needs compared to the cylinder head has sufficient heat insulation.
  • a cylinder head in which a coating forming the surface of the exhaust manifold consists, at least in sections, of a thermally resistant and insulating material.
  • the coating is formed of a metal and / or a ceramic.
  • the coating may be provided on the entire inner surface of the exhaust manifold and the gas exchange channels in the cylinder head. It is also possible that the coating is arranged only in certain sections of the exhaust manifold and / or the gas exchange channels in limited areas or only individual gas exchange channels have a complete or partial coating. It has proved to be advantageous to apply the coating only in the areas of the surface in which thermal insulation is necessary and / or particularly effective.
  • the coating consists of a steel with alloying elements, which is resistant to corrosion in particular at a temperature which is elevated in relation to the ambient temperature.
  • the ambient temperature is a temperature of approximately 20 ° C.
  • An elevated temperature relative to the ambient temperature is above 90 ° C, in particular in a range of 600 to 1100 ° C.
  • alloying elements chromium and / or nickel have proven themselves.
  • the steel has a share of about 13 percent chromium.
  • the steel has a share of about 18 percent chromium.
  • a further increase in the resistance of the steel is achieved if the steel has, in addition to chromium, another alloying element, for example nickel.
  • a possible breakdown of the shares in the steel is about 18 percent chromium and about 10 percent nickel.
  • Particularly suitable is a steel has proven, the alloying element is aluminum. The proportion of aluminum is about 10 to 20 percent. at
  • a ceramic material for the coating has zirconia, alumina, chromium oxide and / or titanium oxide as advantageous insulating materials for
  • the layer thickness of the coating is between 0.2 and 20 millimeters, preferably 0.5 to 3 millimeters thick.
  • the layer thickness depends on the desired insulating effect and the required stability in the cast state.
  • the coating can vary in thickness within a section.
  • a method in which at least partially a thermally insulating coating is applied to the casting core.
  • This makes it possible to equip selectively defined areas of the gas channels in the cylinder head with a thermally insulating coating.
  • This is possible by applying the coating on the casting core with low production costs and individualized.
  • the coating by means of a spraying method, for example, electric arc wire spraying or flame spraying.
  • the contact surface is roughened before filling the cavity, preferably before enclosing the casting core by the casting tool with the casting material.
  • the contact surface is assigned to the casting material and the surface to the gas channel. In this case, the surface and contact surface are generally opposite boundary surfaces of the coating.
  • the casting material is, for example, aluminum or an aluminum alloy, which is introduced into the cavity by means of a customary casting method, such as gravity casting or low-pressure casting.
  • the casting core is provided with a protective layer at least in the region of the subsequent coating before the application of the coating.
  • the protective layer is, for example, a sizing agent customary in foundry technology, in particular a finely ground, refractory to highly refractory material such as a ceramic.
  • a foundry core of sand protective layers of a refractory silicate with a binder in a carrier liquid have proven to be practicable.
  • the protective layer may cover the same area covered by the later applied coating. The area which is provided with the protective layer, but may also be smaller or larger than the area on which the coating is applied.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with a cylinder head
  • Figure 2 is a sectional schematic representation of a section of the cylinder head
  • Fig. 3 is a schematic representation of a three-dimensional view of a casting core for the production of the cylinder head
  • FIG. 4 is a sectional schematic representation of a section of a casting tool
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of the method for producing the cylinder head
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 with a cylinder head 2.
  • An exhaust manifold 3 is an integral part of the cylinder head 2.
  • Exhaust manifold 3 and cylinder head 2 are a monolithic cast component 4 made of a light metal.
  • FIG. 2 shows a sectioned schematic illustration of a section of the cylinder head 2 in the region of the exhaust manifold 3 with a gas exchange channel 5
  • Gas exchange channel 5 consists in sections of a coating 7.
  • the coating 7 is made of a thermally stable and insulating material. This can be a metal, a ceramic or a combination of metal and ceramic.
  • the layer thickness 8 of the coating 7 is in the illustrated embodiment, a millimeter, with other layer thicknesses 8 can be realized.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a spatial view of a casting core 9 for producing the cylinder head 2 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the coating 7 shown in FIG. 2 is applied in sections to the casting core 9.
  • FIG. 4 shows a sectioned schematic illustration of a section of a two-part casting tool 10 for producing the cylinder head 2 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the casting core 9 is arranged in the casting tool 10. In this case, the casting core 9 and the casting tool 10 to form a cavity 17 at a distance from each other.
  • the casting core 9 and the casting tool 10 to form a cavity 17 at a distance from each other.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the method 11 for producing the cylinder head 2 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the casting core 9 shown in FIGS. 3 and 4 is provided 12. Then, a thermally insulating coating 7 is applied to the casting core 9 in sections 13. Before the application 13 of the coating 7, the casting core 9 can optionally be provided with a protective layer 14.
  • the coating 7 is applied 13 by means of an injection method, for example of the arc wire spraying or of the flame spraying.
  • the casting core 9 is enclosed by the casting tool 10.
  • the casting tool 10 is in two parts. If the casting tool 10 is closed, the cavity 17 is filled with a casting material 18. Then the casting material 18 solidifies 20 to the cast component 4 and thereby connects positively and / or non-positively with the coating 7. Finally, the casting member 4 from the casting tool 10. The coating 7 thereby remains on the cast component 4.

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Abstract

The invention relates to a cylinder head having an integrated exhaust manifold for an internal combustion engine, wherein the cylinder head is made of a light metal and wherein a coating (7) forming the surface of the exhaust manifold consists, at least in some sections, of a thermally resistant and insulating material, for example a metal and/or a ceramic. The invention further relates to a method for producing a cast component, in particular a cylinder head having an integrated exhaust manifold, wherein a casting core (9) is provided and the casting core (9) is surrounded by a casting tool, wherein the casting core (9) is spaced apart from the casting tool in order to form a cavity, and wherein the cavity is filled with a casting material which, after solidification and separation from the casting tool and the casting core (9), forms the cast component. A thermally insulating coating (7) is applied to the casting core (9) at least in some sections.

Description

Beschreibung  description
Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils, insbesondere eines Zylinderkopfs für eine Cylinder head with an integrated exhaust manifold for an internal combustion engine and method for producing a cast component, in particular a cylinder head for a
Brennkraftmaschine  Internal combustion engine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer für eine The invention relates to a cylinder head with an integrated exhaust manifold for a
Brennkraftmaschine, wobei der Zylinderkopf aus einem Leichtmetall besteht. Internal combustion engine, wherein the cylinder head consists of a light metal.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines vorzugsweise aus einem Leichtmetall gefertigten Gussbauteils, insbesondere eines Zylinderkopfs mit einem integrierten Abgaskrümmer, bei dem ein Gießkern bereitgestellt wird und der Gießkern von einem Furthermore, the invention relates to a method for producing a cast component, preferably made of a light metal, in particular a cylinder head with an integrated exhaust manifold, wherein a casting core is provided and the casting core of a
Gießwerkzeug umschlossen wird, wobei der Gießkern zur Bildung einer Kavität zu dem Is enclosed casting mold, wherein the casting core to form a cavity to the
Gießwerkzeug einen Abstand aufweist, und bei dem die Kavität mit einem Gießwerkstoff gefüllt wird, welcher nach dem Erstarren und dem Trennen von dem Gießwerkzeug und dem Gießkern das Gussbauteil bildet. Casting has a distance, and in which the cavity is filled with a casting material which forms the cast component after solidification and separation of the casting tool and the casting core.
Bei einem Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer wird dem Abgas viel Wärme entzogen und an das Kühlmittel des Zylinderkopfs geleitet. Dadurch entsteht ein höherer In a cylinder head with integrated exhaust manifold much heat is removed from the exhaust gas and passed to the coolant of the cylinder head. This creates a higher one
Kühlleistungsbedarf als bei Zylinderköpfen ohne integrierten Abgaskrümmer. Darüber hinaus wird das Abgas abgekühlt, sodass es bei einem im Abgasstrom angeordneten Abgasturbolader zu einem ungünstigen Ansprechverhalten kommt. Cooling power requirement compared to cylinder heads without integrated exhaust manifold. In addition, the exhaust gas is cooled, so that there is an unfavorable response to an exhaust gas turbocharger arranged in the exhaust stream.
Die Form des Ein- und Auslasskanals wird bei üblichen Gießverfahren mit Hilfe eines The shape of the inlet and outlet channel is in conventional casting by means of a
Sandkerns festgelegt. Zusätzlich wird zumindest bei dem Auslasskanal eine möglichst gute Wärmeisolierung von dem Zylinderkopf gewünscht, um die Nachreaktionen der Abgase zu begünstigen und bei einer Brennkraftmaschine mit Turbolader möglichst viel Energie zur Turbine des Turboladers zu transportieren. Zugleich soll möglichst wenig Wärme in den Zylinderkopf geleitet werden, um die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfs zu reduzieren. Sand core set. In addition, the best possible thermal insulation of the cylinder head is desired at least in the exhaust duct to favor the post-reactions of the exhaust gases and to transport as much energy to the turbine of the turbocharger in an internal combustion engine with turbocharger. At the same time as little heat should be directed into the cylinder head to reduce the thermal stress on the cylinder head.
Es ist bekannt, dies mit Hilfe von Keramikeinsätzen oder Blecheinsätzen in den Auslasskanälen anzustreben. Ein Gussbauteil aus einem Leichtmetall mit einem Einlegeteil aus Metall ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 101 53 306 B4 bekannt. Das Einlegeteil wird durch Eingießen in das Gussbauteil integriert. Durch das Einlegeteil werden lokal die Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel die Verschleißbeständigkeit, die mechanische Festigkeit oder die thermische It is known to aim for this with the help of ceramic inserts or sheet metal inserts in the outlet channels. A cast component made of a light metal with an insert made of metal is known for example from the document DE 101 53 306 B4. The insert is integrated by pouring into the cast component. Through the insert locally the material properties, such as the wear resistance, the mechanical strength or the thermal
Beständigkeit, verbessert. Stability, improved.
Die bekannten Keramikeinsätze haben den Nachteil, dass beim Abkühlen des Gusses und im Motorbetrieb große Kräfte auf den Keramikmantel wirken. Daher muss die Form des The known ceramic inserts have the disadvantage that when cooling the casting and in engine operation, large forces act on the ceramic shell. Therefore, the shape of the
Keramikeinsatzes so ausgebildet sein, dass es dabei nicht zum Bruch dieses sehr spröden Materials kommt. Ceramic insert be designed so that it does not come to break this very brittle material.
Die Druckschrift DE 39 15 988 A1 beschreibt einen Zylinderkopf mit einem eingegossenen Blechkanal, wobei zwischen dem Blechkanal und dem Gusskörper ein Luftspalt als The document DE 39 15 988 A1 describes a cylinder head with a cast-sheet metal channel, wherein between the sheet metal channel and the casting an air gap as
wärmeisolierende Schicht vorgesehen ist. Der Blechkanal kann weiterhin mit einer Keramik beschichtet und/oder zweilagig ausgeführt sein. heat insulating layer is provided. The sheet metal channel can also be coated with a ceramic and / or be executed in two layers.
Die Verwendung eines Einsatzes bedarf jedoch stets der gesonderten Herstellung des However, the use of an insert always requires the separate production of the
Einsatzes und einer aufwendigen Positionierung des Einsatzes in dem Gießwerkzeug. Use and a complex positioning of the insert in the casting tool.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile der bekannten Ausführungen zu vermeiden. Insbesondere soll eine thermische Isolierung geschaffen werden, die an beliebigen Abschnitten des Abgaskrümmers realisierbar ist, nur eines geringen Fertigungsaufwands bedarf und gegenüber dem Zylinderkopf eine genügende Wärmeisolation aufweist. Against this background, the invention has the object to avoid the disadvantages of the known embodiments. In particular, a thermal insulation is to be created, which can be realized at any portion of the exhaust manifold, only a small production cost and needs compared to the cylinder head has sufficient heat insulation.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Zylinderkopf gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. This object is achieved with a cylinder head according to the features of claim 1. The dependent claims relate to particularly expedient developments of the invention.
Erfindungsgemäß ist also ein Zylinderkopf vorgesehen, bei dem eine die Oberfläche des Abgaskrümmers bildende Beschichtung zumindest abschnittsweise aus einem thermisch beständigen und isolierend wirkenden Werkstoff besteht. Vorzugsweise ist die Beschichtung aus einem Metall und/oder einer Keramik gebildet. Die Beschichtung kann an der gesamten inneren Oberfläche des Abgaskrümmers und der Gaswechselkanäle im Zylinderkopf vorgesehen sein. Auch ist es möglich, dass die Beschichtung nur in bestimmten Abschnitten des Abgaskrümmers und/oder der Gaswechselkanäle in begrenzten Bereichen angeordnet ist oder nur einzelne Gaswechselkanäle eine vollständige oder partielle Beschichtung aufweisen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Beschichtung nur in den Bereichen der Oberfläche aufzubringen, in denen eine thermische Isolierung notwendig und/oder besonders wirkungsvoll ist. Thus, according to the invention, a cylinder head is provided in which a coating forming the surface of the exhaust manifold consists, at least in sections, of a thermally resistant and insulating material. Preferably, the coating is formed of a metal and / or a ceramic. The coating may be provided on the entire inner surface of the exhaust manifold and the gas exchange channels in the cylinder head. It is also possible that the coating is arranged only in certain sections of the exhaust manifold and / or the gas exchange channels in limited areas or only individual gas exchange channels have a complete or partial coating. It has proved to be advantageous to apply the coating only in the areas of the surface in which thermal insulation is necessary and / or particularly effective.
Günstig ist es, dass die Beschichtung aus einem Stahl mit Legierungselementen besteht, welcher insbesondere bei einer gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Temperatur korrosionsbeständig ist. Als Umgebungstemperatur gilt eine Temperatur von ungefähr 20 °C. Eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur liegt über 90 °C, insbesondere in einem Bereich von 600 bis 1.100 °C. Als Legierungselemente haben sich Chrom und/oder Nickel bewährt. In einer einfachen Ausführung hat der Stahl beispielsweise einen Anteil von zirka 13 Prozent Chrom. Bei einer höheren Anforderung hat der Stahl einen Anteil von ungefähr 18 Prozent Chrom. Eine weitere Steigerung der Beständigkeit des Stahls wird erreicht, wenn der Stahl zusätzlich zu Chrom ein weiteres Legierungselement, beispielsweise Nickel, aufweist. Eine mögliche Aufteilung der Anteile im Stahl sind zirka 18 Prozent Chrom und ungefähr 10 Prozent Nickel. Als besonders geeignet hat sich ein Stahl erwiesen, dessen Legierungselement Aluminium ist. Der Anteil von Aluminium bemisst dabei ungefähr 10 bis 20 Prozent. Bei It is favorable that the coating consists of a steel with alloying elements, which is resistant to corrosion in particular at a temperature which is elevated in relation to the ambient temperature. The ambient temperature is a temperature of approximately 20 ° C. An elevated temperature relative to the ambient temperature is above 90 ° C, in particular in a range of 600 to 1100 ° C. As alloying elements chromium and / or nickel have proven themselves. In a simple version, for example, the steel has a share of about 13 percent chromium. At a higher requirement, the steel has a share of about 18 percent chromium. A further increase in the resistance of the steel is achieved if the steel has, in addition to chromium, another alloying element, for example nickel. A possible breakdown of the shares in the steel is about 18 percent chromium and about 10 percent nickel. Particularly suitable is a steel has proven, the alloying element is aluminum. The proportion of aluminum is about 10 to 20 percent. at
Verwendung eines keramischen Werkstoffs für die Beschichtung haben sich Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Chromoxid und/oder Titanoxid als vorteilhafte Isolierwerkstoffe für Use of a ceramic material for the coating has zirconia, alumina, chromium oxide and / or titanium oxide as advantageous insulating materials for
Heißgasanwendungen bewährt. Hot gas applications proven.
Die Schichtdicke der Beschichtung ist zwischen 0,2 und 20 Millimeter, vorzugsweise 0,5 bis 3 Millimeter stark. Die Schichtdicke richtet sich nach der gewünschten Isolierwirkung und der erforderlichen Stabilität im eingegossenen Zustand. Die Beschichtung kann innerhalb eines Abschnitts unterschiedlich stark sein. The layer thickness of the coating is between 0.2 and 20 millimeters, preferably 0.5 to 3 millimeters thick. The layer thickness depends on the desired insulating effect and the required stability in the cast state. The coating can vary in thickness within a section.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. The object is further achieved with a method for producing a cast component according to the features of patent claim 5. The subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem auf den Gießkern zumindest abschnittsweise eine thermisch isolierend wirkende Beschichtung aufgetragen wird. Hierdurch ist es möglich, gezielt definierte Bereiche der Gaskanäle in dem Zylinderkopf mit einer thermisch isolierend wirkenden Beschichtung auszustatten. Dies ist durch das Auftragen der Beschichtung auf den Gießkern bei geringem Fertigungsaufwand und individualisiert möglich. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Beschichtung mittels eines Spritzverfahrens, beispielsweise des Lichtbogendrahtspritzens oder des Flammspritzens, aufgetragen wird. Diese Verfahren ermöglichen einen positionsgenauen Auftrag bei zugleich hoher Auftragsleistung und geringer Belastung für das Substrat, den Gießkern. Erfindungsgemäß verbleibt die According to the invention, therefore, a method is provided in which at least partially a thermally insulating coating is applied to the casting core. This makes it possible to equip selectively defined areas of the gas channels in the cylinder head with a thermally insulating coating. This is possible by applying the coating on the casting core with low production costs and individualized. It has proven to be advantageous that the coating by means of a spraying method, for example, electric arc wire spraying or flame spraying. These processes enable a positionally accurate application with simultaneously high application performance and low stress for the substrate, the casting core. According to the invention remains
Beschichtung nach dem Trennen an dem Gussbauteil. Coating after separation on the cast component.
Günstig ist es, dass bei dem Spritzen üblicherweise eine raue und poröse Kontaktfläche entsteht, welche eine ideale Voraussetzung für eine gute mechanische Verbindung mit dem Gießwerkstoff bildet. Sollte die Rauigkeit der Kontaktfläche nicht ausreichend sein, was von den zu verarbeitenden Materialkombinationen oder auch anderen Einflussgrößen abhängig ist, wird vor dem Füllen der Kavität, vorzugsweise vor dem Umschließen des Gießkerns durch das Gießwerkzeug mit dem Gießwerkstoff, die Kontaktfläche aufgeraut. Die Kontaktfläche ist dem Gießwerkstoff und die Oberfläche dem Gaskanal zugeordnet. Dabei sind Oberfläche und Kontaktfläche in der Regel einander gegenüberliegende Grenzflächen der Beschichtung. Der Gießwerkstoff ist beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, welche mittels eines üblichen Gießverfahrens, wie dem Schwerkraftguss oder dem Niederdruckguss, in die Kavität eingebracht wird. It is favorable that in the spraying usually a rough and porous contact surface is formed, which forms an ideal condition for a good mechanical connection with the casting material. If the roughness of the contact surface is not sufficient, which depends on the material combinations to be processed or other influencing variables, the contact surface is roughened before filling the cavity, preferably before enclosing the casting core by the casting tool with the casting material. The contact surface is assigned to the casting material and the surface to the gas channel. In this case, the surface and contact surface are generally opposite boundary surfaces of the coating. The casting material is, for example, aluminum or an aluminum alloy, which is introduced into the cavity by means of a customary casting method, such as gravity casting or low-pressure casting.
Bei einer günstigen Weiterbildung des Verfahrens wird der Gießkern vor dem Auftragen der Beschichtung zumindest im Bereich der späteren Beschichtung mit einer Schutzschicht versehen. Die Schutzschicht ist zum Beispiel eine in der Gießereitechnik üblichen Schlichte, insbesondere ein fein gemahlener, feuerfester bis hochfeuerfester Stoff wie eine Keramik. Bei einem Gießkern aus Sand haben sich auch Schutzschichten aus einem feuerfesten Silikat mit einem Bindemittel in einer Trägerflüssigkeit als praktikabel erwiesen. Die Schutzschicht kann denselben Bereich bedecken, den die später aufgebrachte Beschichtung bedeckt. Der Bereich, der mit der Schutzschicht versehen wird, kann aber auch kleiner oder größer sein als der Bereich, auf dem die Beschichtung aufgebracht wird. In a favorable development of the method, the casting core is provided with a protective layer at least in the region of the subsequent coating before the application of the coating. The protective layer is, for example, a sizing agent customary in foundry technology, in particular a finely ground, refractory to highly refractory material such as a ceramic. In the case of a foundry core of sand, protective layers of a refractory silicate with a binder in a carrier liquid have proven to be practicable. The protective layer may cover the same area covered by the later applied coating. The area which is provided with the protective layer, but may also be smaller or larger than the area on which the coating is applied.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf; Fig. 2 eine geschnittene schematische Darstellung eines Ausschnitts des Zylinderkopfs; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer räumlichen Ansicht eines Gießkerns zur Herstellung des Zylinderkopfs; Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with a cylinder head; Figure 2 is a sectional schematic representation of a section of the cylinder head. Fig. 3 is a schematic representation of a three-dimensional view of a casting core for the production of the cylinder head;
Fig. 4 eine geschnittene schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Gießwerkzeugs; 4 is a sectional schematic representation of a section of a casting tool;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des Zylinderkopfs; 5 shows a schematic illustration of the method for producing the cylinder head;
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderkopf 2. Ein Abgaskrümmer 3 ist integraler Bestandteil des Zylinderkopfs 2. Abgaskrümmer 3 und Zylinderkopf 2 sind ein monolithisches Gussbauteil 4 aus einem Leichtmetall. In dem 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 with a cylinder head 2. An exhaust manifold 3 is an integral part of the cylinder head 2. Exhaust manifold 3 and cylinder head 2 are a monolithic cast component 4 made of a light metal. By doing
Zylinderkopf 2 beziehungsweise in dem Abgaskrümmer 3 sind mehrere Gaswechselkanäle 5 gebildet. Cylinder head 2 and in the exhaust manifold 3 a plurality of gas exchange channels 5 are formed.
Figur 2 zeigt eine geschnittene schematische Darstellung eines Ausschnitts des Zylinderkopfs 2 im Bereich des Abgaskrümmers 3 mit einem Gaswechselkanal 5. Die Oberfläche 6 des FIG. 2 shows a sectioned schematic illustration of a section of the cylinder head 2 in the region of the exhaust manifold 3 with a gas exchange channel 5
Gaswechselkanals 5 besteht abschnittsweise aus einer Beschichtung 7. Die Beschichtung 7 ist aus einem thermisch beständigen und isolierend wirkenden Werkstoff erzeugt. Dieser kann ein Metall, eine Keramik oder eine Kombination von Metall und Keramik sein. Die Schichtdicke 8 der Beschichtung 7 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform einen Millimeter, wobei auch andere Schichtdicken 8 realisierbar sind. Gas exchange channel 5 consists in sections of a coating 7. The coating 7 is made of a thermally stable and insulating material. This can be a metal, a ceramic or a combination of metal and ceramic. The layer thickness 8 of the coating 7 is in the illustrated embodiment, a millimeter, with other layer thicknesses 8 can be realized.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer räumlichen Ansicht eines Gießkerns 9 zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Zylinderkopfs 2. Auf dem Gießkern 9 ist abschnittsweise die in Figur 2 gezeigte Beschichtung 7 aufgebracht. FIG. 3 shows a schematic representation of a spatial view of a casting core 9 for producing the cylinder head 2 shown in FIGS. 1 and 2. The coating 7 shown in FIG. 2 is applied in sections to the casting core 9.
Figur 4 zeigt eine geschnittene schematische Darstellung eines Ausschnitts eines zweiteiligen Gießwerkzeugs 10 zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Zylinderkopfs 2. In dem Gießwerkzeug 10 ist der Gießkern 9 angeordnet. Dabei weisen der Gießkern 9 und das Gießwerkzeug 10 zur Bildung einer Kavität 17 einen Abstand zueinander auf. Auf dem FIG. 4 shows a sectioned schematic illustration of a section of a two-part casting tool 10 for producing the cylinder head 2 shown in FIGS. 1 and 2. The casting core 9 is arranged in the casting tool 10. In this case, the casting core 9 and the casting tool 10 to form a cavity 17 at a distance from each other. On the
Gießkern 9 ist abschnittsweise eine Beschichtung 7 aufgebracht. Casting core 9, a coating 7 is applied in sections.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens 11 zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Zylinderkopfs 2. FIG. 5 shows a schematic representation of the method 11 for producing the cylinder head 2 shown in FIGS. 1 and 2.
Zunächst wird der in Figur 3 und 4 gezeigte Gießkern 9 bereitgestellt 12. Dann wird auf den Gießkern 9 abschnittsweise eine thermisch isolierend wirkende Beschichtung 7 aufgetragen 13. Vor dem Auftragen 13 der Beschichtung 7 kann gegebenenfalls der Gießkern 9 mit einer Schutzschicht 14 versehen werden 15. Die Beschichtung 7 wird mittels eines Spritzverfahrens, beispielsweise des Lichtbogendrahtspritzens oder des Flammspritzens, aufgetragen 13. First, the casting core 9 shown in FIGS. 3 and 4 is provided 12. Then, a thermally insulating coating 7 is applied to the casting core 9 in sections 13. Before the application 13 of the coating 7, the casting core 9 can optionally be provided with a protective layer 14. The coating 7 is applied 13 by means of an injection method, for example of the arc wire spraying or of the flame spraying.
Nachdem die Beschichtung 7 auf dem Gießkern 9 erstarrt ist, wird der Gießkern 9 von dem Gießwerkzeug 10 umschlossen 16. Das Gießwerkzeug 10 ist zweiteilig. Ist das Gießwerkzeug 10 verschlossen, wird die Kavität 17 mit einem Gießwerkstoff 18 gefüllt 19. Dann erstarrt 20 der Gießwerkstoff 18 zu dem Gussbauteil 4 und verbindet sich dabei form- und/oder kraftschlüssig mit der Beschichtung 7. Schließlich wird das Gussbauteil 4 aus dem Gießwerkzeug 10 ausgeformt 21. Die Beschichtung 7 verbleibt dabei an dem Gussbauteil 4. After the coating 7 has solidified on the casting core 9, the casting core 9 is enclosed by the casting tool 10. The casting tool 10 is in two parts. If the casting tool 10 is closed, the cavity 17 is filled with a casting material 18. Then the casting material 18 solidifies 20 to the cast component 4 and thereby connects positively and / or non-positively with the coating 7. Finally, the casting member 4 from the casting tool 10. The coating 7 thereby remains on the cast component 4.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Brennkraftmaschine Internal combustion engine
Zylinderkopf cylinder head
Abgaskrümmer exhaust manifold
Gussbauteil cast component
Gaswechselkanal Oberfläche Gas exchange channel surface
Beschichtung coating
Schichtdicke layer thickness
Gießkern casting core
Gießwerkzeug Verfahren Casting tool method
Bereitstellen (des Gießkerns) Providing (the casting core)
Auftragen (der Beschichtung) Applying (the coating)
Schutzschicht protective layer
Versehen (des Gießkerns mit einer Schutzschicht) Umschließen (des Gießkerns durch das Gießwerkzeug) Kavität Providing (the casting core with a protective layer) enclosing (the casting core through the casting tool) cavity
Gießwerkstoff castable
Füllen (der Kavität) Filling (the cavity)
Erstarren (des Gießwerkstoffs) Solidification (of the casting material)
Ausformen forming

Claims

Patentansprüche claims
1. Zylinderkopf (2) mit einem integrierten Abgaskrümmer (3) für eine Brennkraftmaschine (1), wobei der Zylinderkopf (2) aus einem Leichtmetall besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Oberfläche (6) des Abgaskrümmers (3) bildende Beschichtung (7) zumindest abschnittsweise aus einem thermisch beständigen und isolierend wirkenden Werkstoff, beispielsweise einem Metall und/oder einer Keramik, besteht. Cylinder head (2) with an integrated exhaust manifold (3) for an internal combustion engine (1), wherein the cylinder head (2) consists of a light metal, characterized in that a coating (7) forming the surface (6) of the exhaust manifold (3) ) consists at least in sections of a thermally resistant and insulating material, for example a metal and / or a ceramic.
2. Zylinderkopf (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) aus einem Stahl mit Legierungselementen besteht, welcher insbesondere bei gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Temperaturen korrosionsbeständig ist. 2. Cylinder head (2) according to claim 1, characterized in that the coating (7) consists of a steel with alloying elements, which is corrosion resistant especially at elevated temperatures relative to the ambient temperature.
3. Zylinderkopf (2) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Beschichtung (7) verwendete keramische Werkstoff ein Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Chromoxid und/oder Titanoxid ist. 3. Cylinder head (2) according to claims 1 or 2, characterized in that the ceramic material used for the coating (7) is a zirconium oxide, alumina, chromium oxide and / or titanium oxide.
4. Zylinderkopf (2) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 4. Cylinder head (2) according to at least one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) 0,2 bis 10 Millimeter, vorzugsweise 0,5 bis 3 Millimeter stark ist.  in that the coating (7) is 0.2 to 10 millimeters, preferably 0.5 to 3 millimeters thick.
5. Verfahren (11) zur Herstellung eines Gussbauteils, insbesondere eines Zylinderkopfs (2) mit einem integrierten Abgaskrümmer (3), bei dem ein Gießkern (9) bereitgestellt (12) wird und der Gießkern (9) von einem Gießwerkzeug (10) umschlossen (16) wird, wobei der Gießkern (9) zur Bildung einer Kavität (17) zu dem Gießwerkzeug (10) einen Abstand aufweist, und bei dem die Kavität (17) mit einem Gießwerkstoff (18) gefüllt (19) wird, welcher nach dem Erstarren (20) und dem Trennen (21) von dem Gießwerkzeug (10) und dem Gießkern (9) das Gussbauteil (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Gießkern (9) zumindest abschnittsweise eine thermisch isolierend wirkende Beschichtung (7) aufgetragen (13) wird. 5. Method (11) for producing a cast component, in particular a cylinder head (2) with an integrated exhaust manifold (3), in which a casting core (9) is provided (12) and the casting core (9) surrounded by a casting tool (10) (16), wherein the casting core (9) to form a cavity (17) to the casting tool (10) has a distance, and in which the cavity (17) with a casting material (18) is filled (19), which after the solidification (20) and the separation (21) of the casting tool (10) and the casting core (9), the cast component (4), characterized in that on the casting core (9) at least partially a thermally insulating coating (7) applied (13).
6. Verfahren (1 1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) mittels eines Spritzverfahrens, beispielsweise des Lichtbogendrahtspritzens oder des Flammspritzens, aufgetragen wird. 6. The method (1 1) according to claim 5, characterized in that the coating (7) by means of a spraying method, for example, the arc wire spraying or the flame spraying, is applied.
7. Verfahren (1 1 ) nach zumindest einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gegenzeichnet, dass die Beschichtung (7) vor dem Füllen der Kavität (17) mit dem Gießwerkstoff (18) aufgeraut wird. 7. The method (1 1) according to at least one of claims 5 and 6, characterized countersigns that the coating (7) before filling the cavity (17) with the casting material (18) is roughened.
8. Verfahren (1 1 ) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftragen (13) der Beschichtung (7) der Gießkern (9) zumindest im Bereich der späteren Beschichtung (7) mit einer Schutzschicht (14) versehen wird. 8. Method (1 1) according to at least one of the preceding claims 5 to 7, characterized in that before the application (13) of the coating (7) of the casting core (9) at least in the region of the later coating (7) with a protective layer ( 14) is provided.
9. Verfahren (1 ) nach- zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) nach dem Ausformen (21 ) an dem 9. Method (1) according to at least one of the preceding claims 5 to 8, characterized in that the coating (7) after the molding (21) on the
Gussbauteil (4) verbleibt.  Cast component (4) remains.
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