ZYLINDERKOPF UND GIESSVERFAHREN

Gegenstand

Die Erfindung betrifft einen Motorblock eines Dieselmotors, der mit dem Zylinderkopf einstückig ist. mit mehreren Zylindern in Reihenanordnung, mit einer Außenwand und jeweils einer Zylinderwand und dazwischen einem ersten Kühlungsraum für ein flüssiges Kühlmittel, sowie mit einem zweiten Kühlungsraum über einem Zylinderboden mit Öffnungen für die Gaswechselventile, wobei der erste Kühlungsraum alle Zylinder rundum umschließt und nach oben bis über den Zylinderboden reicht.

Diese Bauweise ist auch unter der Bezeichnung„Monoblock" bekannt. Sie vermeidet die mit einem separaten Zylinderkopf verbunden Nachteile: Die der Verbindung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock durch Stehbolzen und die Zylinderkopfdichtung. Sie ist deshalb für Dieselmotoren hoher Leistungsdichte besonders geeignet. Die hohe Leistungsdichte bringt hohe Drucke und erfordert intensive Kühlung durch das flüssige Kühlmittel, vor allem in der Umgebung des Zylinderbodens. Allerdings stellt diese Bauweise hohe Anforderungen an die Gusstechnik.

Stand der Technik

Ein derartiger Motor ist beispielsweise aus der DE 19 38 134 A bekannt. Bei diesem sind die Zylinderwände rundum von einer Kühlflüssigkeit (in der Regel Wasser) umströmt. Um in der Umgebung des Zylinderbodens ausreichende Festigkeit er zu erzielen, ist dieser dort Teil einer durchgehenden horizontalen Wand. Dadurch ist aber der Kühlungsraum in zwei getrennte Räume unterteilt und die Zylinderwand ist in dem besonders sensiblen Übergangsbereich zum Zylinderoden mechanisch geschwächt und nicht direkt von Kühlflüssigkeit umströmt. Das DE GM 1 995 270 zeigt ebenfalls einen Motor in Monoblock - Bauweise, bei dem die Zylinderböden zu einer alle vier Zylinder verbindenden Platte vereinigt sind. Der die Zylinderwände umgebende erste Kühlungsraum reicht somit nicht rundum über die Zylinderböden. Dadurch ist der sensible Übergangsbereich nicht von Kühlwasser umspült.

Aus der AT Patentschrift 382429 ist ein gattungsgemäßer Motor bekannt, dessen Einspritzeinheiten im Kopfteil des Zylinderblockes von einer durchgehenden Längsbohrung mit Treibstoff versorgt werden und dessen erster Kühlungsraum rundum über die Zylinderböden reicht, ohne sie zu übergreifen. Zur Strömungsverbindung mit dem zweiten Kühlungsraum (im Kopfteil) ist nur eine von außen gebohrte und verstopfte Querbohrung zu erkennen. So kann der Kühlwasserstrom nicht in der für Hochleistungsmotoren erforderlicher Weise in den oberen Kühlungsraum geführt werden.

Die JP 07-0713 lOhandelt von einem Motor in Monoblock - Bauweise. Gemäß deren Fig. 3 übergreift der erste Kühlungsraum in der Region der Öffnung für die Ventile den Zylinderboden, wenn auch nur geringfügig. Um die erstrebte Verbesserung von Festigkeit und Kühlung zu erreichen, ist das Übergrei fen j edoch erst durch das Zusammenwirken mit der von oben nach unten zunehmenden Spaltweite wirksam.

Die DE 100 33 271 B4 handelt von dem Wassermantelkern eines Motors konventioneller Bauweise, nicht als Monoblock. Bei konventioneller Bauweise gibt es den sensiblen Übergang zwischen Zylinderwand und Zylinderboden nicht. Bei dem dort beschriebenen Gießverfahren werden wohl Einlegeteile in den Kern eingesetzt. Diese sind aber zeitaudwendig. in der Gestaltung eingeschränkt und sie werden beim Entformen des Gussstücks zerstört.

Problem / Lösung

Bei der Herstellung der Gussform für einen derartigen Monoblock ist es erforderlich, für die dem Kühlungsraum um die Zylinderwand entsprechenden Kernteile eine Einformschräge von einigen Winkelgraden vorzusehen. Diese ist nötig, um den Kernteil aus der für seine Herstellung gebrauchten Kern form (dem sogenannten Kernkasten) unbeschädigt herausziehen zu können. Diese sogenannte Einformschräge ist immer nötig, auch wenn sie wegen des kleinen Winkels in den üblichen Darstellungen nicht erkennbar ist. Besonders wichtig ist sie bei sehr dünnen Kernteilen, wie sie in den Zonen des Kühlungsraumes zwischen benachbarten Zylindern vorkommen. Dünne Kernteile sind besonders zerbrechlich.

Die Ein formschräge des Kernteiles für diese Zone bringt mit sich, dass der Kernteil in der Nähe des Zylinderbodens dicker als an seinem unteren Ende, und die Wandstärke der Zylinderwand somit oben, in der besonders sensiblen Zone am Übergang in den Zylinderboden, kleiner ist. Diese ..Schwachstelle"" beschränkt die Erhöhung der Leistungsdichte.

Es ist somit das der Erfindung zugrunde liegende Problem, diese Schwachstelle zu eliminieren. Erfindungsgemäß bildet der Kühlungsraum zwischen den Zylinderwänden benachbarter Zylinder einen Spalt, dessen Weite von oben nach unten konstant ist oder zunimmt. Oben und unten bezieht sich hier wie auch im Folgenden auf einen vertikal stehenden Motor, dessen Zylinderboden oben und dessen Kurbelwelle unten ist. Ebenso horizontal und vertikal.

Diese Maßnahme bewirkt, dass die Zylinderwand in dem sensiblen Bereich am Übergang zum Zylinderboden nicht geschwächt oder (wenn die Weite des Spaltes nach unten zunimmt, oder der Spalt überbrückt ist) sogar verstärkt und dass der Übergang zum Zylinderboden intensiv gekühlt ist. Das erlaubt eine weitere Steigerung der Leistungsdichte.

Vorzugsweise übergreift der Kühlungsraum in der Region der Auslassventile den Zylinderboden. Das Übergreifen und Umgreifen erlaubt eine weitere Verbesserung der Kühlung der gefährdeten Zone, die besonders in der Umgebung des Auslassventils erstrebenswert ist. Wenn der Motorblock Wandteile enthält, die den ersten Kühlungsraum vom zweiten Kühlungsraum trennen, besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, dass zwei horizontale Bohrungen vorgesehen sind, eine erste in einer Außenwand endend und eine zweite in der gegenüber liegenden Außenwand endend, wobei eine der beiden horizontalen Bohrungen in der Nähe der Einspritzdüse endet, sodass vom ersten Kühlungsraum aufwärts strömende Kühlflüssigkeit auf die Einspritzdüse gerichtet ist. Dadurch wird auch die empfindliche Einspritzdüse durch einen auf sie gerichteten Strahl wirksam gekühlt. Durch pro Zylinder paarweise angeordnete Querbohrungen kann der zweite Kühlungsraum voll in den Umlauf des Kühlmittels einbezogen werden.

Fertigungstechnisch ist das Anbohren des Motorblocks von außen und das Durchstoßen des vertikalen Wandteiles sehr einfach, zumal der fertig gegossene Block jedenfalls noch an vielen Stellen mechanisch bearbeitet wird. Die Öffnung der Bohrung an der Außenwand ist leicht zu verschließen, so wie auch andere Kernhaltebohrungen verschlossen werden.

Lösung / Verfahren

Die Erfindung besteht auch in einem Gussverfahren, das sich für die erfindungsgemäße Gestaltung des Zwischenraumes zwischen benachbarten Zylindern besonders eignet. Dabei wird davon ausgegangen, dass die einzelnen Teile des Kernes aus entsprechend präpariertem Sand jeweils in Kernkästen geformt werden und dass der den ersten Kühlungsraum bildende Kernteil in den Regionen des Spaltes zwischen benachbarten Zylindern mittels jeweils eines separaten Einlegeteiles gebildet wird, dessen Form der Weite des Spaltes beziehungsweise dem Verlauf der Weite des Spaltes entspricht.

Erfindungsgemäß wird der Einlegeteil mit konstanter oder nach unten abnehmender Dicke in die Form zur Herstellung des Kernes (den Kernkasten) in vertikaler Richtung eingeschoben. Zum Einschieben sind im Kernkasten und am Einlegeteil vertikale Führungen vorgesehen. Beim Entformen des Kernes aus dem Kernwerkzeug wird der Einlegteil gemeinsam mit dem Kernteil nach oben aus dem Kernwerkzeug herausgezogen, dazu die Führungen, und dann nach der Seite abgenommen. Es wird also nur ein zu- sätzliches und ganz einfaches Kernwerkzeug benötigt. Der Einlegeteil besteht aus einem haltbaren Werkstoff und kann daher wieder verwendet werden. Er kann weiters an der den Spalt bildenden Seite beliebig geformt sein.

Abb i l dung e n

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 : Einen Längsschnitt durch einen Teil eines gattungsgemäßen Motors

nach dem Stand der Technik,

Fig. 2: Einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen

Motors,

Fig. 3: Einen Querschnitt zu Fig. 2, geschnitten nach III-III in Fig. 5,

Fig. 4: Einen Querschnitt zu Fig. 2, geschnitten nach 1V-IV in Fig. 5,

Fig. 5: Einen Horizontalschnitt zu Fig. 2 gemäß V-V in Fig. 3,

Fig. 6: Einen Querschnitt durch die Gussform zur Herstellung eines Motors

gemäß Fig. 2,

Fig. 7: Einen Formkasten zur Herstellung eines Kernteiles der Gussform nach

dem erfindungsgemäßen Verfahren.

B e s chreibung

Anhand der Fig. 1 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Problem anhand des Standes der Technik erläutert. Der Motorblock 1 mit Zylindern in Reihe ist einstückig mit einem Kopfteil 2 gegossen. Die Zylinderwände 3 umgeben die Verbrennungsräume 5 und sind rundum von Kühlungsräumen umgeben, welche von Kühlflüssigkeit (normalerweise Wasser) umströmt sind. In der Gussform sind die Kühlungsräume durch Sandkerne dargestellt. Diese werden in eigenen Formen gebildet. Um den Kern der Form unbeschädigt entnehmen zu können, ist eine Einformschräge von einigen Winkel graden erforderlich; um so mehr, je dünner (und fragiler) der Kern ist. Besonders dünn ist der Kern in dem Spalt 6 zwischen den Zylinderwänden 3 benachbarter Zylinder. Durch die Einformschräge wird der Spalt 6 von unten nach oben bis zum Zylinderboden 4 immer dicker und die Zylinderwände 3 immer dünner. Dadurch sind die Zylinderwände 3 in der thermisch und mechanisch gefährdeten Zone 8, an ihrem Übergang in den Zylinderboden 4, am dünnsten. Diese Schwachstelle begrenzt die Leistungsdichte des Motors, beziehungsweise treten bei Überlastung dort Risse auf.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Motorblock 10 gemäß der Erfindung, wobei der Längsschnitt nur ein Ausschnitt eines Motors mit beispielsweise 6 Zylindern ist. Der Motorblock 10 besteht aus einem Zylinderteil 11 und einem mit ihm einstückigen Kopiteil 12. Jeder Zylinder besteht aus einer Zylinderwand 13 und einem Zylinderboden 14 mit Öffnung 15 für ein Einlassventil und Öffnung 16 für ein Auslassventil, sowie mit einer Öffnung für eine Einspritzdüse 17 (Fig. 3). An die Öffnung 15 schließt ein Einlasskanal 3 1 und an die Öffnung 16 ein Auslasskanal 32 (Fig. 4) an.

Fig. 3 zeigt einen ersten Querschnitt durch den Motorblock 10. Zylinderwand 13 und Zylinderboden 14 umschließen jeweils einen Verbrennungsraum 18. Jede Zylinderwand 13 ist rundum von einem ersten Kühlungsraum 22 umgeben. Dieser ist allen Zylindern gemeinsam und ist außen von einer Außenwand 21 des Motorblocks 10 umgeben. Der erste Kühlungsraum 22 erstreckt sich von der unteren Region des Motorblocks 10 nach oben und endet über der zylinderäußeren Oberfläche des Zylinderbodens 14 bei 29. Zwischen benachbarten Zylindern bildet der erste Kühlungsraum 22 einen Spalt 23 (siehe Fig. 2). Die Weite 35 dieses Spaltes 23 ist erfindungsgemäß konstant oder nimmt von unten nach oben ab, oder hat sogar einen besonderen Verlauf. So könnte zum Beispiel ein Steg zwischen zwei benachbarten Zylinderwänden sein. Dieser Spalt 23 ragt nach oben über den Zylinderboden 14 hinaus und endet in einer Erweiterung 24, die den Zylinderboden 14 übergreift und umgreift. Dadurch ist in der gefährdeten Zone (8 in Fig. 1 ) die Dicke der Zylinderwand 13 nicht verringert oder sogar verstärkt und der Übergang in den Zylinderboden 14 ist von Kühlflüssigkeit umspült.

Der Kopfteil 12 enthält einen zweiten Kühlungsraum 25. welcher vom ersten Kühlungsraum 22 durch eine Zwischenwand 26 getrennt ist. Die Zwischenwand 26 ist von zerklüfteter Raumform und hat auch vertikale Wandteile, weil sie an der Bildung von Einlasskanal 31 , Auslasskanal 32 und der Öffnung für die Aufnahme der Einspritzdüse 17 beteiligt ist. Dazwischen aber reicht die Zwischenwand 26 hinunter bis zur zylinderäußeren Oberfläche des Zylmderbodens 14, wo sie in ihn (14) übergeht. Der zweite Kühlungsraum 25endet also tiefer als das obere Ende 29 des ersten Kühlungsraumes 22. Zur Verbindung des ersten Kühlungsraumes 22 mit dem zweiten Kühlungsraum 25 braucht dann nur mehr am fertig gegossenen Motorblock 10 eine erste horizontale Querbohrung 27 hergestellt und an ihrem äußeren Ende mit einem Stopfen 28 verschlossen zu werden.

Fig. 4 zeigt einen zweiten aus der Zylindermitte parallel verschobenen Querschnitt durch den Motorblock 10. Dieser Schnitt verläuft durch die Öffnung 16 für das Auslassventil. Hier ist gut zu sehen, dass der erste Kühlungsraum 22 bei 30 den Zylinderboden 14 in der Umgebung des Auslassventils besonders weit übergreift. Weiters ist hier auch eine zweite horizontale Querbohrung 33 zu sehen, die auf der anderen Längsseite 21 'des Zylinderblocks den ersten Kühlungsraum 22 mit dem zweiten Kühlungsraum 25 verbindet. Ihr äußeres Ende ist mit einer Kugel 34 verstopft. Die zweite Querbohrung 33 ist auf die Einspritzdüse 17 gerichtet, sodass auch dieses sensible Organ gut gekühlt ist.

Der Horizontalschnitt der Fig. 5 ist in einer durch die Mittellinien der Querbohrungen 27.33 aufgespannten Ebene geführt. Er schneidet die die beiden Kühlungsräume (22, 25) separierende Trennwand 26, und auch die Außenwände 21 , in der schraffierten Fläche. Man sieht den ersten Kühlungsraum 22 zwischen den Außenwänden 21 und den Zylinderwänden 13 der einzelnen Zylinder und den Spalt 23 zwischen benachbarten Zylindern. Dem ersten Kühlungsraum 22 entspricht der weiter unten erwähnte Kern, bei dem es um die Kernteile in und um diesen Spalt 23 geht. Bei einem Motor mit vier Ventilen pro Zylinder wären die Verhältnisse ähnlich.

Fig. 6 zeigt eine summarisch mit 40 bezeichnete Gussform zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Motorblocks 10, zur Vorbereitung auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens. In einen nur durch die Trennlinie 41 angedeuteten zweiteiligen Kasten (OK und LJK) werden im Einzelnen nicht dargestellte Kernteile eingesetzt. Die Kerne entsprechen den Hohlräumen des Gussstücks (beispielsweise 22* dem ersten Kühlungsraum 22, etc). Erfmdungswesentlich ist der Kernteil 22* für den ersten Kühlungsraum 22. Weitere Kernteile sind der Kernteil 25* für den zweiten Kühlungsraum 25 und die den Kanälen 3 1. 32 entsprechenden Kernteile.

Fig. 7 zeigt das für das erfindungsgemäße Gießverfahren wesentliche Formwerkzeug. Es dient zur Herstellung des Kernteiles 22* und ist summarisch mit 50 bezeichnet. Die Innenkontur der Außenwände 56 des Formwerkzeuges entspricht der Innenkontur der Außenwand 21 des Motorblocks 10 und die Türme 5 1 entsprechen der Außenkontur von Zylinderwand 13 und Zylinderboden 14. Jeweils in der dem benachbarten Zylinder zugewandten Zone haben die Türme 51 eine vertikale (also nicht um den Winkel der Einformschräge geneigte) Schwalbenschwanznut 52, in die ein Einlegeteil 53 als Teil des Formwerkzeuges für die Herstellung des Kernteiles in vertikaler Richtung (Pfeil 57) eingeschoben wird.

Der Einlegeteil 53 hat eine Brust fläche 55 die ebenfalls vertikale Erzeugende hat oder überhaupt beliebig geformt ist. So kann der Verlauf der Brustfläche 55 besondere Ausformungen (so beispielsweise auch Durchbrüche entsprechend einem nicht dargestellten Verbindungssteg zwischen benachbarten Zylinderwänden) au weisen. Die Brustfläche 55 entspricht der Form des Kernteiles 42 im Spalt 23 zwischen benachbarten Zylindern. Sodann w ird der Kernteil 42 durch Einblasen von Kernsand in das Formwerkzeug 50 geformt. Der fertige Kernteil 42 wird mitsamt den Einlegeteilen 53 entlang der Schwalbenschwanznut 54 aus dem Formwerkzeug 50 zur Herstellung des Kernteiles gezogen, was wegen der vertikalen Führung 54 möglich ist. Dann werden die Einlegeteile 53 in horizontaler Richtung vom Kernteil 42 abgenommen und der Kern 22* ist fertig, mit der erfindungsgemäß geformten Begrenzung des Spaltes 23.