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Dokumentenidentifikation DE19745585A1 30.04.1998
Titel Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung
Anmelder AVL List GmbH, Graz, AT
Erfinder Hübl, Hanns-Peter, Dipl.-Ing. Dr., Graz, AT
Vertreter Stoffregen, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 63450 Hanau
DE-Anmeldedatum 15.10.1997
DE-Aktenzeichen 19745585
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse F02F 1/10
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1), einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3) zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt: einen Bereich (3a) mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich (3c) mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich (3b) mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder, einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum, der radial außerhalb eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse angeordnet ist.

Im Motorenbau werden vielfach sogenannte nasse Zylinderlaufbüchsen verwendet. Dabei handelt es sich im wesentlichen um zylindrische Bauteile, an deren Innenwand der Kolben der Brennkraftmaschine gleitet, und an deren Außenwand teilweise ein Kühlwasserraum vorgesehen ist. Aus der DE-C 29 34 319 ist beispielsweise eine solche Zylinderlaufbüchse bekannt. Bei solchen Zylinderlaufbüchsen tritt während des Betriebes des Motors ein Wärmestrom primär radial durch die zylindrische Wand hindurch. Im oberen Bereich, d. h. in der Nähe des Zylinderkopfes, ist dabei die Wärmebelastung von innen her relativ groß, und sie nimmt nach unten, d. h. zur Kurbelwelle hin, allmählich ab. Da das Kühlwasser annähernd konstante Temperatur hat, und da der Wärmeübergangskoeffizient über die Länge des Wassermantels nur wenig schwankt, ist daher die Temperatur an der Innenseite der Zylinderlaufbüchse in dem gekühlten Bereich unterschiedlich. In der Nähe des Zylinderkopfes ist die Temperatur höher als unterhalb davon. Wenn nun bei der konstruktiven Auslegung die Verhältnisse so eingestellt werden, daß die Temperatur der Zylinderlaufbüchse im oberen Bereich optimal ist, so folgt daraus, daß im unteren Bereich eine zu geringe Temperatur vorliegt. Dadurch steigt die Reibung des Kolbens an der Zylinderlaufbüchse in unerwünschter Weise an.

Als grundsätzliche Gegenmaßnahme gegen diesen unerwünschten Effekt ist es möglich, die Höhe des Kühlwasserraumes kürzer auszubilden, wodurch der untere Bereich der Zylinderlaufbüchse nicht mehr gekühlt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Maßnahme in einer Reihe von Anwendungsfällen nicht die erwünschte Wirkung erbringt.

Weiters ist es aus der DE-A 32 02 788 bekannt, die Außenseite von Zylinderlaufbüchsen zu beschichten, um die Anfälligkeit gegenüber Kavitation zu verringern. Ist diese Beschichtung aus einem metallischen Werkstoff, so hat sie keinen nennenswerten Einfluß auf die Temperaturverteilung in der Zylinderlaufbüchse. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine solche Beschichtung, wenn sie etwa aus Keramik gefertigt ist, sehr nachteilige Effekte zeigt. Durch die ungleichmäßige Temperaturverteilung kommt es insbesondere in dem Grenzbereich zwischen dem beschichteten und dem nicht beschichteten Abschnitt zu stark unterschiedlichen Wärmedehnungen, was zu einem unruhigen Lauf des Kolbens führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, die die Reibungsverhältnisse des Kolbens in der nassen Zylinderlaufbüchse der oben beschriebenen Art verbessert.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand. Wesentlich an der Erfindung ist, daß ein an sich relativ großer Bereich der Zylinderlaufbüchse gekühlt wird, diese Kühlung in Axialrichtung jedoch einen abnehmenden Verlauf aufweist. Mit zunehmender Entfernung vom Zylinderkopf steigt der Wärmedurchgangswiderstand der Zylinderlaufbüchse in radialer Richtung an, so daß in diesem Bereich auch die Innentemperatur größer ist als unter vergleichbaren Umständen bei der Lösung nach dem Stand der Technik.

In überraschender Weise hat sich herausgestellt, daß eine solche Lösung bessere Ergebnisse bringt als die einfache Verkürzung des Kühlwasserraumes. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht, und es ergeben sich durch den größeren Kühlwasserraum bessere Randbedingungen für die Verformung der Zylinderlaufbüchse.

Insbesondere wird die Erfindung dadurch realisiert, daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich mit großem Wärmewiderstand und einen dazwischenliegenden Übergangsbereich mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand. Auf diese Weise kann der Verlauf des Wärmedurchgangswiderstandes sehr genau eingestellt werden und für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Dieser Verlauf kann insbesondere durch das Aufbringen einer schlecht wärmeleitenden Schicht realisiert werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Dicke der wärmeisolierenden Schicht nach unten hin im wesentlichen zunehmend ist. Nach unten hin bedeutet im obigen Sinne in der Richtung zur Kurbelwelle hin. Bevorzugt wird die wärmeisolierende Schicht aus Keramik hergestellt. Keramik besitzt gegenüber Metall eine sehr viel schlechtere Wärmeleitfähigkeit, so daß schon geringe Schichtdicken genügen, um den Wärmedurchgangswiderstand der Zylinderlaufbüchse wesentlich zu verändern.

Grundsätzlich kann zur Ausführung der Erfindung von einer bekannten Zylinderlaufbüchse ausgegangen werden und auf diese eine entsprechende Keramikschicht aufgetragen werden. Dies führt jedoch bei Kühlwasserräumen mit relativ geringer Dicke zu einer Veränderung der Strömungsverhältnisse, die unter Umständen zu Kavitation oder anderen unerwünschten Effekten führen kann. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Zylinderlaufbüchse an ihrer Außenseite eine Ausnehmung aufweist, die mit der wärmeisolierenden Schicht ausgefüllt ist. Dabei wird im betreffenden Bereich aus einer zylindrischen Laufbüchse außen die entsprechende Ausnehmung herausgedreht. Die Tiefe der Ausnehmung in Radialrichtung entspricht dabei genau der gewünschten Dicke der Isolierschicht, die im folgenden Verfahrensschritt in diese Ausnehmung eingebracht wird. Im fertigen Zustand besitzt daher die Zylinderlaufbüchse im Bereich des Kühlwasserraumes wiederum eine zylindrische Außenfläche, die die Strömungsverhältnisse nicht verändert oder behindert.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der innerhalb des Bereichs mit großem Wärmedurchgangswiderstand ein Teilbereich mit einem verringerten Wärmedurchgangswiderstand vorgesehen ist. Im unteren Totpunkt des Kolbens verweilen die Kolbenringe einen Augenblick lang an einer bestimmten Stelle der Zylinderlaufbüchse. Dabei erfolgt eine größere Wärmeübertragung als in den unmittelbar benachbarten Bereichen. Dieser Tatsache wird insbesondere dadurch Rechnung getragen, daß der Teilbereich mit abgesenktem Wärmedurchgangswiderstand an dieser Stelle vorgesehen ist.

Besonders günstige Reibungsverhältnisse werden erreicht, wenn der Wärmedurchgangswiderstand im wesentlichen umgekehrt proportional zu der Wärmebelastung ist, die von dem Innenraum des Zylinders auf die Zylinderlaufbüchse einwirkt.

In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Zylinderlaufbüchse,

Fig. 2 eine andere Ausführungsvariante der Erfindung und

Fig. 3 ein Diagramm eines typischen Wärmebelastungsverlaufes.

Der Zylinder 1 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine besteht aus einem Zylinderblock 2, in den eine Zylinderlaufbüchse 3 eingesetzt ist. Im Zylinderblock 2 ist ein Kühlwasserraum 4 vorgesehen, der zum Zylinder 1 hin von der Zylinderlaufbüchse 3 begrenzt ist. Der Teil der Zylinderlaufbüchse 3, der an den Kühlwasserraum 4 angrenzt, wird hier als Kühlabschnitt bezeichnet. Dieser Kühlabschnitt läßt sich in Axialrichtung im wesentlichen in drei Bereiche untergliedern. Einen nicht isolierten Bereich 3a mit dem entsprechend kleinen Wärmedurchgangswiderstand, einen Übergangsbereich 3b, in dem an der Außenseite eine Isolierschicht 5 mit zunehmender Dicke aufgebracht ist und einen Bereich 3c, in dem eine Isolierschicht 5 voll ausgebildet ist. Innerhalb des Bereichs 3c ist ein Teilbereich 3d, in dem die Dicke der Isolierschicht 5 verringert ist. Dieser Teilbereich 3d entspricht der Stelle, an der die nicht dargestellten Kolbenringe im unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet sind.

Die Isolierschicht 5 ist in der Fig. 1 zum besseren Verständnis übertrieben dick dargestellt. Zirkonoxid (ZrO2) besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 W/mK, Aluminiumtitanat (Al2TiO5) von 2 W/mK im Vergleich zu Grauguß von 46 W/mK. Die Wärmeleitfähigkeit ist umgekehrt proportional zum Wärmedurchgangswiderstand, in den jedoch auch die jeweilige Dicke der Schicht eingeht. Aus diesen Zahlen ist ersichtlich, daß bereits relativ dünne Schichten aus keramischem Material genügen, um den gesamten Wärmedurchgangswiderstand auf ein Vielfaches zu steigern.

Die Ausbildung von Fig. 2 entspricht im wesentlichen der von Fig. 1, mit der Ausnahme, daß die wärmeisolierende Schicht 5 in einer Ausnehmung angeordnet ist, so daß die Außenfläche der Zylinderlaufbüchse 3 zylindrisch ist. Auf diese Weise werden verbesserte Strömungsverhältnisse im Kühlwasserraum 4 erreicht.

In der Fig. 3 ist schematisch die Verteilung der Wärmebelastung Q über die Länge der Zylinderlaufbüchse 3 dargestellt. Zur Erläuterung sind die einzelnen Bereiche 3a, 3b, 3c und der Teilbereich 3d eingetragen. Es ist ersichtlich, daß die Wärmebelastung Q von oben nach unten generell abnimmt, jedoch mit der Ausnahme des Bereichs der Kolbenringe im unteren Totpunkt des Kolbens.

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die Temperatur der Zylinderlaufbüchse weitgehend konstant zu halten. Dadurch kann eine Verringerung der Reibung des Kolbens erzielt werden. Weiters wird eine ungleichmäßige Verformung der Zylinderlaufbüchse vermieden, wodurch ein ruhiger Lauf des Kolbens erreicht wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1), einem in dem Zylinder hin und her gehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3) zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich (3a) mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich (3c) mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich (3b) mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand.
  2. 2. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1), einem in dem Zylinder (1) hin und her gehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3) zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Zylinderlaufbüchse im Bereich des Kühlabschnittes teilweise eine wärmeisolierende Schicht (5) veränderlicher Dicke aufgebracht ist.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der wärmeisolierenden Schicht (5) nach unten hin im wesentlichen zunehmend ist.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Schicht (5) aus Keramik ausgebildet ist.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbüchse (3) an ihrer Außenseite eine Ausnehmung aufweist, die mit der wärmeisolierenden Schicht (5) ausgefüllt ist, wobei die Außenfläche der Zylinderlaufbüchse (3) im Bereich des Kühlabschnittes im wesentlichen zylindrisch ist.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Bereichs (3c) mit großem Wärmedurchgangswiderstand ein Teilbereich (3d) mit einem verringerten Wärmedurchgangswiderstand vorgesehen ist.
  7. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (3d) mit verringertem Wärmedurchgangswiderstand in der Nachbarschaft der Lage der Kolbenringe im unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet ist.
  8. 8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedurchgangswiderstand im wesentlichen umgekehrt proportional zu der Wärmebelastung ist, die von dem Innenraum des Zylinders auf die Zylinderlaufbüchse einwirkt.
  9. 9. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1), einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3) zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich (3a) mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich (3c) mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich (3b) mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand.






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