DE-102024132151-A1 - Zylinderkopf und Verfahren zu dessen Herstellung

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1), ausgebildet als Gussteil (2) mit mindestens einem kühlwasserführenden Kanal (7, 8), wobei in das Gussteil (2) mindestens ein Wärmerohr (5.1, 5.2) eingebettet ist, welches Bereiche des Gussteils (2) mit höherer Wärmebelastung und Bereiche mit geringerer Wärmebelastung thermisch miteinander verbindet, oder welches teilweise in einem Bereich des Gussteils (2) mit erhöhter Dicke (6) eingebettet ist und teilweise in den kühlwasserführenden Kanal (7, 8) ragt, wobei das mindestens eine Wärmerohr (5.1, 5.2) als ein Teil mit im Vergleich zum Material des Gussteils (2) höherer thermischer Leitfähigkeit ausgebildet ist, wobei das Wärmerohr (5.1, 5.2) eine Füllung aus einer Flüssigkeit oder einem bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen schmelzenden Metall, insbesondere Natrium, oder einer anderen Schmelze aufweist.

Inventors

• Stefan Renfftlen
• Martin Luippold

Assignees

• Daimler Truck AG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (6)

1. Zylinderkopf (1), ausgebildet als Gussteil (2) mit mindestens einem kühlwasserführenden Kanal (7, 8), wobei in das Gussteil (2) mindestens ein Wärmerohr (5.1, 5.2) eingebettet ist, welches Bereiche des Gussteils (2) mit höherer Wärmebelastung und Bereiche mit geringerer Wärmebelastung thermisch miteinander verbindet, oder welches teilweise in einem Bereich des Gussteils (2) mit erhöhter Dicke (6) eingebettet ist und teilweise in den kühlwasserführenden Kanal (7, 8) ragt, wobei das mindestens eine Wärmerohr (5.1, 5.2) als ein Teil mit im Vergleich zum Material des Gussteils (2) höherer thermischer Leitfähigkeit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet , dass das Wärmerohr (5.1, 5.2) eine Füllung aus einer Flüssigkeit oder einem bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen schmelzenden Metall, insbesondere Natrium, oder einer anderen Schmelze aufweist.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der Zylinderkopf (1) mindestens einen Abgas-Kanal (3) als Bereich mit höherer Wärmebelastung und mindestens einen Lufteinlass-Kanal (4) als Bereich mit geringerer Wärmebelastung aufweist.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass das Wärmerohr (5.1, 5.2) die Form eines Rings oder einer Krone aufweist oder rohrförmig ausgebildet ist.
4. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Wärmerohr (5.1, 5.2) aus Gusseisen, Stahl oder einem anderen Metall mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit gebildet ist.
5. Zylinderkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Material des Wärmerohrs (5.1, 5.2) oder eine Beschichtung auf der Oberfläche des Wärmerohrs (5.1, 5.2) dazu ausgebildet ist, bei einem Gussprozess des Gussteils (2) mit dem Material des Gussteils (2) zu verschmelzen.
6. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes (1) nach Anspruch 1 durch Gießen in einer Sandform, dadurch gekennzeichnet , dass das mindestens eine Wärmerohr (5.1, 5.2) vor dem Gießen in die Sandform eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Zylinderköpfe oder andere Gussteile für Motoren mit hoher Leistungsdichte müssen sehr effizient gekühlt werden, um thermische und mechanische Überlastspannungen zu vermeiden. Daher wird das Kühlmittel dahin geleitet, wo es benötigt wird. In einigen Bereichen des Zylinderkopfes muss der Guss jedoch dick genug sein, um den hohen mechanischen Kräften und Temperaturen der Verbrennung standzuhalten. Es besteht das Problem, genügend Kühlmittel in eine gegossene Konstruktion aus einem hochfesten Gusseisenmaterial zu bekommen. DE 103 14 906 B4 beschreibt einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Hubventilen pro Zylinder, welche im geschlossenen Zustand jeweils auf einem Ventilsitz aufliegen, wobei zumindest ein Ventilsitz von einem ringförmigen Wärmerohr umgeben ist, wobei zumindest zwei Wärmerohre miteinander thermisch verbunden und strömungsverbunden sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Zylinderkopf und ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Es wird ein Zylinderkopf vorgeschlagen, ausgebildet als Gussteil mit mindestens einem kühlwasserführenden Kanal. In das Gussteil ist mindestens ein Wärmerohr eingebettet, welches Bereiche des Gussteils mit höherer Wärmebelastung und Bereiche mit geringerer Wärmebelastung thermisch miteinander verbindet oder welches teilweise in einem Bereich des Gussteils mit erhöhter Dicke eingebettet ist und teilweise in den kühlwasserführenden Kanal ragt, wobei das mindestens eine Wärmerohr als ein Teil mit im Vergleich zum Material des Gussteils höherer thermischer Leitfähigkeit ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist das Wärmerohr eine Füllung aus einer Flüssigkeit oder einem bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen schmelzenden Metall, insbesondere Natrium, oder einer anderen Schmelze auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Teile mit hoher thermischer Leitfähigkeit und/oder Füllungen aus Flüssigkeiten oder schmelzenden Metallen, beispielsweise Natrium, verwendet, die in der vorliegenden Anmeldung als Wärmerohr (heat pipe) bezeichnet werden. Das Wärmerohr wird in eine Sandform eingesetzt, um ein Gussteil mit integriertem Wärmerohr zu erhalten, welches mindestens einen Bereich mit hoher thermischer Belastung und/oder hoher mechanischer Belastung mit mindestens einem Bereich, der geringerer thermischer Belastung ausgesetzt ist oder direkt mit dem Kühlmittel verbindet. Das Wärmerohr kann als ein Ring oder eine Röhre oder eine anders geformte Struktur ausgebildet sein, die aus Gusseisen, Stahl oder einem anderen Metall mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Das Wärmerohr kann auch wie eine Säule eingesetzt werden, um die mechanische Statik des Zylinderkopfes an Stellen zu erhöhen, an denen dies mit dem Gussmaterial nicht möglich wäre. Das Wärmerohr selbst oder eine Beschichtung auf der Oberfläche des Wärmerohrs kann dazu ausgebildet sein, mit dem Gussmaterial zu verschmelzen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine verbesserte Kühlung dicker oder normalerweise weniger gekühlter Bereiche des Zylinderkopfes oder anderer gegossener Teile, wodurch die Standzeit verbessert werden kann und/oder höhere Last-Niveaus und/oder stabilere Verbrennung, beispielsweise im Falle von Wasserstoff-Verbrennungskraftmaschinen, erreicht werden können. Die Erfindung erhöht die thermische Leitfähigkeit in Bereichen des Gussteils mit hoher Materialdicke oder in hochbelasteten Bereichen, um hohe Temperatur-Niveaus durch bessere Kühlung oder Verbindung zu besser gekühlten Bereichen abzubauen. Ferner kann die mechanische Robustheit der Konstruktion erhalten oder verbessert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: 1: eine schematische Ansicht eines Zylinderkopfes, und2: eine weitere schematische Ansicht des Zylinderkopfes. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. 1 ist eine schematische Ansicht eines Zylinderkopfes 1 für eine Verbrennungskraftmaschine. 2 ist eine weitere schematische Ansicht des Zylinderkopfes 1. Die Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise zur Verbrennung von Wasserstoff konfiguriert sein. Die Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, einem Bus oder einem Personenkraftwagen. Der Zylinderkopf 1 ist als ein Gussteil 2 ausgebildet und weist Bereiche mit höherer Wärmebelastung und Bereiche mit geringerer Wärmebelastung im Einsatz auf. Beispielsweise weist der Zylinderk