WO2006061046A1

WO2006061046A1 - GIEßFORM ZUM GIEßEN EINES MOTORBLOCKES FUER EINEN VERBRENNUNGSMOTOR, MOTORBLOCK FUER EINEN VERBRENNUNGSMOTOR UND VERWENDUNG EINES HOHLPROFILELEMENTS

Info

Publication number: WO2006061046A1
Application number: PCT/EP2004/014798
Authority: WO
Inventors: Herbert Smetan
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland Gmbh
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-06-15
Also published as: WO2006061046A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen eines Motorblockes für einen Verbrennungsmotor aus einem metallischen Gusswerkstoff, die mindestens zwei benachbart angeordnete und in einem Stegbereich (16) ineinander übergehende Zylinderwandausnehmungen (12,13) aufweist, die seitlich von einem ein- oder mehrteiligen Kühlmantelkern (10,11) umgrenzt sind, wobei in dem Stegbereich (16) ein Formelement (1) angeordnet ist, das sich zwischen den dort einander gegenüberliegend angeordneten Kühlmantelkernabschnitten erstreckt und einen Kühlwasserkanal (8) in dem zu gießenden Motorblock ausbildet. Bei einer solchen Gießform wird die gießtechnische sichere und praxisgerechte Herstellung von filigran gestalteten Kühlkanälen in einem Motorblock für Verbrennungsmotoren erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass das Formelement ein Hohlprofilelement (1) ist, das an den im Stegbereich (16) einander gegenüberliegenden Kühlmantelkernabschnitten gehalten ist. Ebenso betrifft die Erfindung entsprechend gestaltete Motorblöcke und eine neue Verwendung von Hohlprofilen.

Description

GIESSFORM ZUM GIESSEN EINES MOTORBLOCKES FUER EINEN VERBRENNUNGSMOTOR₇MOTORBLOCK FUER EINEN VERBRENNUNGSMOTOR UND VERWENDUNG EINES HOHLPROFILELEMENTS

Die Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen eines Motorblockes für einen Verbrennungsmotor aus einem metallischen Gusswerkstoff. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Motorblock für einen Verbrennungsmotor und die Verwendung eines Hohlprofilelements.

Um die Baulänge eines z.B. aus Aluminium gegossenen Motorblocks möglichst gering zu halten, werden die Zylinderräume des Motorblocks möglichst eng benachbart zueinander angeordnet und durch Zwischenwände voneinander getrennt, deren Dicke auf ein Minimum reduziert ist. Bei Verbrennungskraftmaschinen in Tauchkolbenausführung mit hohen spezifischen Leistungen ergeben sich im Betrieb unter hoher Last sehr hohe Bauteiltemperaturen im oberen Bereich der Stegwände zwischen den Zylinderräumen. So ergeben sich bei leistungsfähigen Verbrennungsmotoren, deren Zylinderblock aus Aluminiumwerkstoffen gegossen ist, unter entsprechenden Betriebsbedingungen lokale Bauteiltemperaturen von mehr als 200° C. Bei diesen Temperaturen beginnen im Motorblock Kriechprozesse infolge der auf die Zylinderwände wirkenden Kräfte bei gleichzeitig deutlich reduzierten Materialfestigkeiten. Diese Kriechprozesse können zu Undichtigkeiten zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock des Verbrennungsmotors bis hin zum Ausfall des kompletten Aggregates führen. Diesem Problem kann dadurch abgeholfen werden, dass die dünne Wand zwischen den Zylinderräumen gekühlt wird.

Es ist bekannt, einen zu diesem Zweck bestimmten Kühlkanal in der Stegwand zwischen den Zylinderräumen dadurch zu bilden, dass von der Zylinderkopfanlagefläche des Motorblocks her in den Motorblock eingeschnitten und der Einschnitt deckelartig wieder verschlossen wird. Der auf diese Weise in der Zylinderwand geschaffene Kanal verbindet die auf den gegenüberliegenden Seiten der Zylinderreihe erstreckenden Kühlmantelabschnitte eines die Zylinderreihe umgebenden Kühlmantels. Alternativ kann der Motorblock zur Bildung eines solchen Kühlkanals auch seitlich angebohrt werden. Danach ist es erforderlich, den Bohrungsdurchgang zwischen dem Kühlmantel und der Motorblockaußenseite wieder zu verschließen.

Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik sind aus der EP 0 197 365 A2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gießtechnischen Herstellung eines eng bauenden Zylinderblocks bekannt, bei denen Kühlmäntel um die im gegossenen Motorblock angeordneten Zylinderbohrungen vorgesehen sind, die durch Kühlkanäle zwischen den Zylinderzwischenwänden verbunden sind. Die Kühlkanäle werden durch separate Kerne in der Gießform abgebildet, die in einer Ausführungsform an ihren beiden Enden in den Mantelkern eingepasst sind. Als Material für die Kanalkerne ist in der EP 0 197 365 A2 Zirkonsand vorgeschlagen, weil dieser Sand eine hohe Schüttdichte und eine große Festigkeit besitzt. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass es bei geringen Querschnitten des Kanalkerns in Folge der bei der Fertigung von Gießkernen unvermeidbar auftretenden Belastungen zu einem Bruch des Kanalgießkerns kommt.

Eine weitere Möglichkeit, einen Kühlkanal in der dünnen Zylinderwand zwischen zwei Zylinderräumen eines Motorblocks für Verbrennungsmotoren auszubilden, ist in der DE 198 32 718 Al beschrieben. Demnach wird zur Bildung des Kanals in einer Gießform ein Glaskern eingesetzt. Dieser Glaskern weist dabei bevorzugt eine die Entformbarkeit durch Bruch des Glases fördernde Struktur oder Glasart auf, so dass er in Folge der beim Erstarren des Gussteils auf ihn von Außen wirkenden Kräfte zerbricht. Auf diese Weise sollen die Rückstände leicht aus dem Kanal entsorgt werden können. Der Vorteil der Verwendung solcher Glaskörper besteht darin, dass sich mit ihnen in Sandformen auch besonders filigrane Kanalformen abbilden lassen. Allerdings erweist sich in der Praxis die Entfernung der Glasbruchstücke als problematisch. Darüber hinaus besteht bei den zerbrechlichen Glaskörpern die Gefahr, dass sie im rauen Gießerreibetrieb zerbrechen, bevor es zum Abgießen der Schmelze kommt.

Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, eine weitere Gießform zu schaffen, mit der es möglich ist, gießtechnisch auch filigran gestaltete Kühlkanäle in einem Motorblock für Verbrennungsmotoren sicher und in praxisgerechter Weise herzustellen. Ebenso sollte ein entsprechend gestalteter Motorblock und eine neue Verwendung von Hohlprofilen angegeben werden.

Diese Aufgabe ist in Bezug auf eine Gießform zum Gießen eines Motorblockes für einen Verbrennungsmotor aus einem metallischen Gusswerkstoff, die mindestens zwei benachbart angeordnete und in einem Stegbereich ineinander übergehende Zylinderwandausnehmungen aufweist, die seitlich von einem ein- oder mehrteiligen Kühlmantelkern umgrenzt sind, wobei in dem Stegbereich ein Formelement angeordnet ist, das sich zwischen den dort einander gegenüberliegend angeordneten Kühlmantelkernabschnitten erstreckt und einen Kühlwasserkanal in dem zu gießenden Motorblock ausbildet, dadurch gelöst worden, dass das Formelement ein Hohlprofilelement ist, das an den einander im Stegbereich einander gegenüberliegenden Kühlmantelkernabschnitten gehalten ist.

In Bezug auf den Motorblock für einen Verbrennungsmotor, der mindestens zwei Zylinderräume aufweist, die durch eine Stegwand voneinander getrennt und seitlich von einem Kühlwassermantel umgeben sind, ist die oben genannte Aufgabe in entsprechender Weise dadurch gelöst worden, dass in die Zylinderwand ein Hohlprofilelement eingegossen ist, das einen Kühlflüssigkeitskanal bildet.

In Bezug auf die neue Verwendung von Hohlprofilelementen besteht die Lösung der oben genannten Aufgabe darin, dass derartige Elemente erfindungsgemäß als Formelement zum Ausbilden eines Kühlflüssigkeitskanals in einer zwei benachbart zueinander angeordnete Zylinderräume eines Motorblocks für einen Verbrennungsmotor voneinander trennende Stegwand eingesetzt werden.

Anders als beim Stand der Technik, der stets von der Vorstellung ausgegangen ist, dass es für die Ausbildung eines Kanals in einem gegossenen Motorblock erforderlich ist, einen Gießkern zu verwenden, dessen Material nach der Erstarrung aus dem Gussteil entfernt werden muss, wird der der für die Kühlung der Zwischenwände zwischen zwei Zylinderräumen eines Verbrennungsmotors benötigte Kühlkanal durch ein Hohlprofil gebildet, das in dem Gussteil verbleibt. Praktische Erprobungen haben gezeigt, dass sich mit einem solchen Profil im Gussteil ein Kühlkanal einwandfrei abbilden lässt. Dabei haben die Versuche überraschend ergeben, dass sich erfindungsgemäß verwendete Hohlprofile auch so in die Gießform einsetzen lassen, dass ihre stirnseitigen Eintrittsöffnungen beim Abgießen der Schmelze ebenfalls sicher frei von Schmelze bleiben. Auf diese Weise kann eine Durchströmung des in dem Motorblock durch das Hohlprofil gebildeten Kanals gewährleistet werden, ohne dass aufwändige Nacharbeiten durchgeführt werden müssen.

Gleichzeitig können die erfindungsgemäß eingesetzten Hohlprofile problemlos so ausgestaltet werden, dass sie allen im praktischen Gießbetrieb sich ergebenden Belastungen sicher standhalten. Die Gefahr eines Kernbruchs vor dem Abguss ist damit eliminiert. Gleichzeitig lassen sich in der Stegwand mit den erfindungsgemäß verwendeten Hohlprofilen extrem schmale, gleichzeitig jedoch hohe Kanäle präzise ausbilden, die einen insgesamt großen Durchflussquerschnitt besitzen. Dies ermöglicht es, auch die Dicke der Zwischenwände auf ein Minimum zu reduzieren, so dass Motorblöcke von besonders kurzen Abmessungen erzeugt werden können.

Ein weiterer Vorteil von erfindungsgemäß ausgebildeten Gießformen und Motorblöcken besteht darin, dass Hohlprofile der erfindungsgemäß eingesetzten Art besonders kostengünstig hergestellt werden können. Auch ist es nicht mehr erforderlich, die erfindungsgemäß als Profilkerne eingesetzten Hohlprofile mit einer Schlichte oder einer anderen Schicht zu versehen, die beim Stand der Technik stets erforderlich ist, um einerseits die geometrisch einwandfreie Formgebung des Kühlkanals und andererseits die Entformbarkeit des zu seiner Erzeugung eingesetzten Kerns sicherzustellen.

Eine stoffschlüssige Anbindung des Werkstoffs an den Werkstoff des Gussteils kann in der Regel nicht ohne weiteres gewährleistet werden. Daher ist es gemäß einer besonders praxisgerechten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs, aus dem das Hohlprofil gefertigt ist, mindestens im Wesentlichen gleich dem des Werkstoffs des zu gießenden Motorblocks, so dass nach dem Erstarren ein kraftschlüssig fester Halt des Hohlprofils in dem Motorblock gewährleistet ist. Alternativ oder ergänzend können an das Hohlprofil erforderlichenfalls auch Formelemente angeformt sein, die im fertig gegossenen Motorblock einen formschlüssigen Halt des Hohlprofils im Motorblock gewährleisten.

Besonders geeignet, in erfindungsgemäßer Weise verwendet zu werden, sind Hohlprofile, die durch die so genannte Micro- Port-Extrusion hergestellt werden. Solche Hohlprofile werden bisher als Kühlkanäle in Wärmetauschern eingesetzt und weisen bei besonders kleinen Breitenabmessungen eine extrem hohe Fertigungsgenauigkeit und Steifigkeit auf. So können erfindungsgemäß eingesetzte Hohlprofile problemlos Breiten im Bereich von 1 mm bis 3 mm bei Höhen von 10 mm bis 40 mm und beliebiger Länge aufweisen. Die Formsteifigkeit der Hohlprofile kann dabei dadurch unterstützt werden, dass der von den Außenwänden des Hohlprofilelements umgrenzte Hohlraum durch Stege in an sich aus dem Bereich der Wärmetauscher ebenfalls bereits bekannter Weise in Kammern unterteilt ist, die die einander gegenüberliegenden Seitenwände des Hohlraums miteinander verbinden.

Im Ergebnis steht mit der Erfindung somit eine Gießform zur Verfügung, die es erlaubt, gießtechnisch einfach und mit hoher Präzision filigran gestaltete Kühlkanäle in einem Motorblock für Verbrennungsmotoren herzustellen. Auf diese Weise kann bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Motorblock mit vermindertem fertigungstechnischen Aufwand die ausreichende Kühlung auch solcher Zwischenwände zwischen den Verbrennungsräumen garantiert werden, deren Dicke auf ein Minimum reduziert ist.

Nachfolgend wird Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 ein Hohlprofil in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 eine Gießform in einer ausschnittsweisen Ansicht von oben;

Fig. 3 die Stegwand zwischen zwei Zylinderräumen eines in einer gemäß Fig. 1 ausgebildeten Gießform gegossenen Motorblocks im Querschnitt.

Das durch Micro-Port-Extrusion "MPE" aus einer Aluminiumlegierung erzeugte Hohlprofil 1 weist beispielsweise eine Breite B von 2 mm und eine Höhe H von 36 mm auf. Zwischen den Außenseiten 2,3 des Hohlprofils 1 erstrecken sich durch den vom Hohlprofil 1 umschlossenen Hohlraum 4 Stege 5, die den Hohlraum 4 über die Länge L des Hohlprofils 1 in Kammern 6 unterteilen und eine hohe Formsteifigkeit des Hohlprofils 1 sicherstellen.

Die in Fig. 2 ausschnittsweise dargestellte Gießform 7, in die das Hohlprofil 1 zur Ausbildung eines Kühlkanals 8 in einer Stegwand 9 eines hier nur ausschnittsweise (Fig. 3) dargestellten Motorblocks eingesetzt wird, weist aus sandbasiertem Formstoff geformte Wassermantelkerne 10,11 auf, die im Zuge des Gießvorgangs zerfallen oder nach der Erstarrung in einem ergänzenden Arbeitsgang zerstört werden und deren Formmaterial aus dem fertigen Motorblock entfernt wird. Die Wassermantelkerne 10,11 umgeben einander gegenüberliegend in an sich bekannter Weise die Zylinderwandausnehmungen 12,13 für die Zylinderwände des in der Gießform 7 zu gießenden Motorblocks. Die Zylinderräume des Motorblocks werden durch Zylinderkerne 14,15 abgebildet, von denen jeweils einer zentral in dem Zylinderwandausnehmungen 12,13 umgrenzten Raum sitzt.

Der Stegbereich 16 zwischen den Zylinderwandausnehmungen 12,13 ist offen, so dass beim Abgießen in die Zylinderwandausnehmungen 12,13 gelangendes Gussmaterial in diesem Stegbereich 16 zusammenläuft und im fertigen Motorblock die Stegwand 9 bildet.

Um in der Stegwand 9 den Kühlkanal 8 auszubilden, ist das Hohlprofilelement 1 in einem oberen, der

Zylinderkopfauflagefläche A des zu gießenden Motorblocks zugeordneten Abschnitt des Stegbereichs 16 in die Gießform 7 derart eingesetzt, dass es den zwischen den sich dort gegenüberstehenden Abschnitten der Wassermantelkerne 10,11 gebildeten Freiraum überbrückt und mit seinen Stirnseiten fest an den Wassermantelkernen 10,11 gehalten ist. Die Stirnseiten des Hohlprofils 1 liegen dabei derart dicht an oder in den Wassermantelkernen 10,11, dass beim anschließenden Abgießen keine Schmelze in das Hohlprofil 1 gelangt .

Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Schmelze eine aus einer Aluminiumgusslegierung erschmolzene Aluminiumschmelze vergossen. Die in die Gießform 7 gegossene Aluminiumschmelze dringt in die von den Wassermantelkernen 10,11 umgebenen und von den Zylinderkernen 14,15 ausgesparten Zylinderwandausnehmungen 12,13 und läuft im Stegbereich 16 zwischen den Zylinderwandausnehmungen 12,13 zusammen. Dabei umgibt die Aluminiumschmelze das Hohlprofil 1, so dass es bis auf seine Stirnseiten vollständig in der Aluminiumschmelze eingebettet ist.

Nach dem Erstarren verbleibt das Hohlprofil 1 in der Stegwand 9 des fertigen Motorblocks und bildet dort mit seinen Kammern 6 den Kühlkanal 8, durch den die nicht dargestellten, durch die Wassermantelkerne 10,11 in den fertig gegossenen Motorblock geformten Wassermantelabschnitte des Motorblocks im Bereich der Stegwand 9 miteinander verbunden sind. Im Betrieb stellt der durch den Kühlkanal 8 strömende Kühlwasserstrom die ausreichende Kühlung der Stegwand 9 sicher. BEZUGSZEICHEN

1 Hohlprofil

2,3 Außenseiten des Hohlprofils 1

4 Hohlraum des Hohlprofils 1

5 Stege des Hohlprofils 1

6 Kammer des Hohlprofils 1

7 Gießform

8 Kühlkanal

9 Stegwand

10,11 Wassermantelkerne

12,13 Zylinderwandausnehmungen

14,15 Zylinderkerne

16 Stegbereich zwischen den Zylinderwandausnehmungen

12,13

A Zylinderkopfauflagefläche B Breite des Hohlprofils 1 H Höhe des Hohlprofils 1 L Länge des Hohlprofils 1

Claims

SI/cs 041661WO 29. Dezember 2004P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Gießform zum Gießen eines Motorblockes für einen Verbrennungsmotor aus einem metallischen Gusswerkstoff, die mindestens zwei benachbart angeordnete und in einem Stegbereich (16) ineinander übergehende

Zylinderwandausnehmungen (12,13) aufweist, die seitlich von einem ein- oder mehrteiligen Kühlmantelkern (10,11) umgrenzt sind, wobei in dem Stegbereich (16) ein Formelement (1) angeordnet ist, das sich zwischen den dort einander gegenüberliegend angeordneten Kühlmantelkernabschnitten erstreckt und einen Kühlwasserkanal (8) in dem zu gießenden Motorblock ausbildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Formelement ein Hohlprofilelement (1) ist, das an den im Stegbereich (16) einander gegenüberliegenden Kühlmantelkernabschnitten gehalten ist.

2. Gießform nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Hohlprofilelement (1) aus einem mit dem Gusswerkstoff artgleichen Werkstoff gefertigt ist.

3. Gießform nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gusswerkstoff und der Werkstoff des Hohlprofilelements (1) Leichtmetallwerkstoffe, insbesondere Aluminiumwerkstoffe, sind.

4. Gießform nach einem der Ansprüche 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gusswerkstoff und der Werkstoff für das Hohlprofilelement (1) gleich sind.

5. Gießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Breite (B) des Hohlprofilelements (1) 1 mm bis 3 mm beträgt.

6. Gießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Höhe (H) des Hohlprofilelements (1) 10 bis 40 mm beträgt.

7. Gießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der von den Außenwänden (2,3) des Hohlprofilelements (1) umgrenzte Hohlraum (4) durch Stege (5) in Kammern (6) unterteilt ist, die die einander gegenüberliegenden Seitenwände (2,3) des Hohlraums (4) miteinander verbinden.

8. Gießform nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Hohlprofilelement (1) durch Micro-Port-Extrusion hergestellt ist.

9. Motorblock für einen Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Zylindern, die durch eine Stegwand (9) voneinander getrennt und seitlich von einem Kühlwassermantel umgeben sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in die Stegwand (9) ein Hohlprofilelement (1) eingegossen ist, das einen Kühlflüssigkeitskanal (8) bildet.

10. Motorblock nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s er aus einem Leichtmetallgusswerkstoff gegossen ist und das Hohlprofil (1) aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht.

11. Verwendung eines Hohlprofilelements (1) als Formelement zum Ausbilden eines Kühlflüssigkeitskanals (8) in einer zwei benachbart zueinander angeordnete Zylinderräume eines Motorblocks für einen Verbrennungsmotor voneinander trennende Stegwand (9) .

12. Verwendung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Hohlprofilelement durch Micro-Port-Extrusion hergestellt ist.