AT1621U1

AT1621U1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: AT1621U1
Application number: AT60496U
Authority: AT
Inventors: Hanns-Peter Dipl Ing Dr Huebl
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 1997-08-25
Also published as: DE19745585C2; DE19745585A1

Abstract

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.The invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder (1), a piston reciprocating in the cylinder, a cylinder liner (3) for guiding the piston, and a cooling water chamber (4) radially outside a cooling section the cylinder liner (3) is arranged. According to the invention, the cooling section of the cylinder liner is divided into three areas in the axial direction: an area (3a) with a small thermal resistance, an area (3c) with a high thermal resistance and an intermediate transition area (3b) with a gradually increasing thermal resistance.

Description

AT 001 621 UlAT 001 621 Ul

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder, einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Zylinderlauf-büchse zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum, der radial außerhalb eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse angeordnet ist.The invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder, a piston reciprocating in the cylinder, a cylinder liner for guiding the piston, and a cooling water chamber, which is arranged radially outside a cooling section of the cylinder liner.

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 Nahe 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.So-called wet cylinder liners are often used in engine construction. These are essentially cylindrical components, on the inner wall of which the piston of the internal combustion engine slides, and on the outer wall of which a cooling water chamber is partially provided. Such a cylinder liner is known, for example, from DE-C 29 34 319. In such cylinder liners, heat flow occurs primarily radially through the cylindrical wall during operation of the engine. In the upper area, i.e. H. near the cylinder head, the heat load from the inside is relatively large, and it decreases downwards, i. H. towards the crankshaft, gradually. Since the cooling water is approximately constant in temperature and the heat transfer coefficient fluctuates only slightly over the length of the water jacket, the temperature on the inside of the cylinder liner in the cooled area is different. The temperature is higher near the cylinder head than below it. If the conditions in the design are set such that the temperature of the cylinder liner is optimal in the upper area, it follows that the temperature in the lower area is too low. This undesirably increases the friction of the piston on the cylinder liner.

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.As a basic countermeasure against this undesirable effect, it is possible to make the height of the cooling water chamber shorter, as a result of which the lower region of the cylinder liner is no longer cooled. However, it has been found that this measure does not produce the desired effect in a number of applications.

Weiters ist es aus der DE-A 32 02 788 bekannt, die Außenseite von Zylinderlaufbüchsen zu beschichten, um die An- 2 AT 001 621 Ul fälligkeit 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 insbesonders in dem Grenzbereich zwischen dem beschichteten und dem nicht beschichteten Abschnitt zu stark unterschiedlichen Wärmedehnungen, was zu einem unruhigen Lauf des Kolbens führt.Furthermore, it is known from DE-A 32 02 788 to coat the outside of cylinder liners in order to reduce the susceptibility to cavitation. If this coating is made of a metallic material, it has no significant influence on the temperature distribution in the cylinder liner. However, it has been found that such a coating, if it is made of ceramic, for example, has very disadvantageous effects. Due to the uneven temperature distribution, especially in the boundary area between the coated and the non-coated section, there are very different thermal expansions, which leads to an uneven running of the piston.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, die die Reibungsverhältnisse des Kolbens in der nassen Zylinderlaufbüchse der oben beschriebenen Art verbessert .The object of the present invention is to propose a solution which improves the frictional conditions of the piston in the wet cylinder liner of the type described above.

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 Zylinderlauf-büchse gekühlt wird, diese Kühlung in Axialrichtung jedoch einen abnehmenden Verlauf aufweist. Mit zunehmender Entfernung vom Zylinderkopf steigt der Wärmedurchgangswiderstand der Zylinder lauf büchse 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.According to the invention, it is provided that the cooling section of the cylinder liner is divided into three areas in the axial direction: an area with a small thermal resistance, an area with a high thermal resistance and an intermediate transition area with a gradually increasing thermal resistance. It is essential to the invention that a relatively large area of the cylinder liner is cooled, but this cooling has a decreasing course in the axial direction. With increasing distance from the cylinder head, the thermal resistance of the cylinder liner increases in the radial direction, so that in this area the internal temperature is also greater than under comparable circumstances in the solution according to the prior art.

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 .Surprisingly, it has been found that such a solution produces better results than simply shortening the cooling water space. The design according to the invention achieves a more uniform temperature distribution, and the larger cooling water space results in better boundary conditions for the deformation of the cylinder liner.

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 Wärmewider- 3 AT 001 621 Ul stand und einen dazwischenliegenden Übergangsbereich mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand. Auf diese Weise kann der Verlauf des Wärmedurchgangswiderstandes sehr genau eingestellt werden und für den jeweiligen Anwendungs-fall optimiert werden. Dieser Verlauf kann insbesonders durch das Aufbringen einer schlecht wärmeleitenden Schicht realisiert werden.In particular, the invention is realized in that the cooling section of the cylinder liner is divided into three areas in the axial direction: an area with a small thermal resistance, an area with a large thermal resistance, and an intermediate transition area with a gradually increasing thermal resistance. In this way, the course of the thermal resistance can be set very precisely and optimized for the respective application. This course can be realized in particular by the application of a poorly heat-conducting layer.

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 Wärmedurchgangs-widerstand der Zylinderlaufbüchse wesentlich zu verändern.It is preferably provided that the thickness of the heat-insulating layer increases substantially downwards. In the above sense, downward means in the direction towards the crankshaft. The heat-insulating layer is preferably made of ceramic. Ceramic has a much poorer thermal conductivity than metal, so that even thin layers are sufficient to significantly change the thermal resistance of the cylinder liner.

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.In principle, a known cylinder liner can be used to implement the invention and a corresponding ceramic layer can be applied to it. In cooling water rooms with a relatively small thickness, however, this leads to a change in the flow conditions, which under certain circumstances can lead to cavitation or other undesirable effects. In a preferred embodiment of the invention it is therefore provided that the cylinder liner has a recess on its outside which is filled with the heat-insulating layer. The corresponding recess is unscrewed from the outside of a cylindrical liner in the area in question. The depth of the recess in the radial direction corresponds exactly to the desired thickness of the insulating layer which is introduced into this recess in the following process step. In the finished state, the cylinder liner in turn has a cylindrical outer surface in the area of the cooling water space, which does not change or hinder the flow conditions.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der innerhalb des Bereichs mit großem Wärmedurchgangswiderstand ein Teilbereich mit einem verringerten Wärmedurchgangs-widerstand vorgesehen ist. Im unteren Totpunkt des Kolbens verweilen die Kolbenringe einen Augenblick lang an einer bestimmten Stelle der Zylinderlaufbüchse. Dabei erfolgt eine 4 AT 001 621 Ul größere Wärmeübertragung als in den unmittelbar benachbarten Bereichen. Dieser Tatsache wird insbesonders dadurch Rechnung getragen, daß der Teilbereich mit abgesenktem Wärmedurchgangswiderstand an dieser Stelle vorgesehen ist.A particularly preferred embodiment variant is one in which a partial area with a reduced thermal resistance is provided within the area with high thermal resistance. At the bottom dead center of the piston, the piston rings remain at a certain point on the cylinder liner for a moment. This results in a 4 AT 001 621 Ul greater heat transfer than in the immediately adjacent areas. This fact is taken into account in particular by the fact that the partial area with a reduced thermal resistance is provided at this point.

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.Particularly favorable friction conditions are achieved if the thermal resistance is essentially inversely proportional to the thermal load which acts on the cylinder liner from the interior of the cylinder.

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 .The invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments illustrated in the figures. 1 shows a partial section through a cylinder liner according to the invention, FIG. 2 shows another embodiment variant of the invention and FIG. 3 shows a diagram of a typical heat load curve.

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 Kühl wasserraum 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.The cylinder 1 of an internal combustion engine, not shown, consists of a cylinder block 2 into which a cylinder liner 3 is inserted. In the cylinder block 2, a cooling water chamber 4 is provided, which is limited to the cylinder 1 by the cylinder liner 3. The part of the cylinder liner 3 which is adjacent to the cooling water chamber 4 is referred to here as the cooling section. This cooling section can be divided essentially into three areas in the axial direction. A non-insulated area 3a with the correspondingly low thermal resistance, a transition area 3b in which an insulating layer 5 with increasing thickness is applied on the outside and an area 3c in which an insulating layer 5 is fully formed. Within the area 3c is a partial area 3d in which the thickness of the insulating layer 5 is reduced. This partial area 3d corresponds to the point at which the piston rings, not shown, are arranged at the bottom dead center of the piston.

Die Isolierschicht 5 ist in der Fig. 1 zum besseren Verständnis übertrieben dick dargestellt. Zirkonoxid (Zr02) besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 W/mK, Aluminiumtitanat (Al2Ti05) von 2 W/mK im Vergleich zu Grauguß von 4 6 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 genü- 5 AT 001 621 Ul gen, um den gesamten Wärmedurchgangswiderstand auf ein Vielfaches zu steigern.The insulating layer 5 is shown exaggeratedly thick in FIG. 1 for better understanding. Zirconium oxide (Zr02) has a thermal conductivity of 2.5 W / mK, aluminum titanate (Al2Ti05) of 2 W / mK compared to gray cast iron of 4 6 W / mK. The thermal conductivity is inversely proportional to the thermal resistance, which also includes the thickness of the layer. From these numbers it can be seen that even relatively thin layers of ceramic material are sufficient to increase the total thermal resistance many times over.

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 Kühl-wasserraum 4 erreicht.The configuration of FIG. 2 corresponds essentially to that of FIG. 1, with the exception that the heat-insulating layer 5 is arranged in a recess, so that the outer surface of the cylinder liner 3 is cylindrical. In this way, improved flow conditions in the cooling water chamber 4 are achieved.

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 ab-nimmt, jedoch mit der Ausnahme des Bereichs der Kolbenringe im unteren Totpunkt des Kolbens.3 schematically shows the distribution of the thermal load Q over the length of the cylinder liner 3. The individual areas 3a, 3b, 3c and the partial area 3d are entered for explanation. It can be seen that the heat load Q generally decreases from top to bottom, with the exception of the area of the piston rings at the bottom dead center of the piston.

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. 6The present invention makes it possible to keep the temperature of the cylinder liner largely constant. A reduction in the friction of the piston can thereby be achieved. In addition, an uneven deformation of the cylinder liner is avoided, whereby the piston runs smoothly. 6

Claims

AT 001 621 Ul CLAIMS 1. Internal combustion engine with internal combustion, with at least one cylinder (1), a piston reciprocating in the cylinder, a cylinder liner (3) for guiding the piston, and with a cooling water chamber (4), the radial is arranged outside a cooling section of the cylinder liner (3), characterized. that the cooling section of the cylinder liner is divided into three areas in the axial direction: an area (3a) with a small thermal resistance, an area (3c) with a high thermal resistance and an intermediate transition area (3b) with a gradually increasing thermal resistance.

2. Internal combustion engine with internal combustion, with at least one cylinder (1), a piston reciprocating in the cylinder (1), a cylinder liner (3) for guiding the piston, and with a cooling water chamber (4) which is radially outside a Cooling section of the cylinder liner (3) is arranged, characterized in that a heat-insulating layer (5) of variable thickness is partially applied to the outside of the cylinder liner in the region of the cooling section.

3. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the thickness of the heat-insulating layer (5) is substantially increasing towards the bottom.

4. Internal combustion engine according to one of claims 2 or 3, characterized in that the heat-insulating layer (5) is formed from ceramic.

5. Internal combustion engine according to one of claims 2 to 4, characterized in that the cylinder liner (3) has on its outside a recess which is filled with the heat-insulating layer (5), the 7 AT 001 621 Ul outer surface of the cylinder liner (3rd ) is essentially cylindrical in the area of the cooling section.

6. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that within the area (3c) with a large thermal resistance, a partial area (3d) is provided with a reduced thermal resistance.

7. Internal combustion engine according to claim 6, characterized in that the partial area (3d) with reduced heat transfer resistance is arranged in the vicinity of the position of the piston rings in the bottom dead center of the piston.

8. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the thermal resistance is substantially inversely proportional to the heat load which acts on the cylinder liner from the interior of the cylinder.

9. Internal combustion engine with at least one cylinder (1), a reciprocating piston in the cylinder, a cylinder liner (3) for guiding the piston, and with a cooling water chamber (4) radially outside a cooling section of the cylinder liner (3) is arranged, characterized. that the cooling section of the cylinder liner is divided into three areas in the axial direction: an area (3a) with a small thermal resistance, an area (3c) with a high thermal resistance and an intermediate transition area (3b) with a gradually increasing thermal resistance. 8th