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Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für eine flüssigkeitsgekühlte
Brennkraftmaschine, mit einem Zylinderbuchsenbund und einer äusseren zumin- dest abschnittsweise zylindrischen Mantelfläche, mit einem in die äussere Mantel- fläche eingeformten und als Ringnut ausgebildeten Kühlkanal zur Kühlung des
Zylinderbuchsenbundes, wobei die Profillinie des Kühlkanals in einem an den Zy- linderbuchsenbund anschliessenden Deckenbereich, einem an die äussere Mantel- fläche angrenzenden Bodenbereich und einem Seitenbereich zwischen Decken- und Bodenbereich gekrümmt ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Zylinderge- häuse für die Aufnahme dieser Zylinderlaufbuchse.
Zylinderlaufbuchsen mit einem als eingeformte Ringnut ausgebildeten Kühlkanal zur Kühlung des Zylinderbuchsenbundes sind aus der DE 198 38 746 C2 und der
US 5,596,954 A bekannt. Der Kühlkanal weist dabei einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, die Profillinie ist im Wesentlichen parallel zur Man- telfläche der Zylinderlaufbuchse ausgebildet, wobei die Ecken im Boden- und De- ckenbereich abgerundet sind. Bekannte Kühlkanäle zur Kühlung des Zylinder- buchsenbundes werden durch Einstichwerkzeuge mit relativ kleinen Schneidra- dien aus den Bereichen der Ecken im Boden- oder Deckenbereich ausgeführt.
Dies hat allerdings den Nachteil, dass an diesen Stellen hohe Spannungskonzent- rationen auftreten, welche im praktischen Betrieb bei hoch belasteten Dieselmo- toren oftmals zu Buchsenbrüchen führen.
Die DE 25 39 478 A zeigt einen Kühlkanal zur Kühlung des Zylinderbuchsenbun- des, dessen Profillinie im Wesentlichen als Halbkreis ausgebildet ist. Insbesonde- re bei dünnwandigen Zylinderlaufbuchsen wird dadurch allerdings die Laufbuchse stark geschwächt, wenn ein kühlwirksamer Querschnitt des Kühlkanals geformt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine optimale Kühlung im Bereich des Buchsenbundes und im Einlassbereich zu gewährleisten, wobei Spannungskonzentrationen möglichst klein gehalten werden sollen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Seitenbereich einen grösse- ren Krümmungsradius aufweist als der Bodenbereich und der Deckenbereich.
Vorzugsweise sind die Krümmungsradien im Deckenbereich und im Bodenbereich unterschiedlich ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass besonders niedrige Span- nungen zu Folge der Formung des Kühlkanals entstehen, wenn der Krümmungs- radius des Bodenbereiches zwischen 0,5 bis 1 mal dem Krümmungsradius im Deckenbereich, vorzugsweise 0,75 mal dem Krümmungsradius im Deckenbereich beträgt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der
Krümmungsmittelpunkt der Profillinie im Bodenbereich innerhalb des Kühlkanals, insbesondere zwischen der Profillinie und einer Verlängerung der äusseren
Mantelfläche liegt. Eine besonders gute Kühlung des Zylinderbuchsenbundes lässt sich erreichen, wenn der Mittelpunkt des Krümmungsradius des
Deckenbereiches auf der der Profillinie abgewandten Seite einer Verlängerung der äusseren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse liegt.
Um die Spannungskonzentrationen möglichst gering zu halten, hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Profillinie im Seitenbereich einen Krüm- mungsradius aufweist, der zwischen dem achtfachen bis zum fünfzehnfachen, vorzugsweise das 11,5-fache des Krümmungsradius des Deckenbereiches be- trägt. Die Profillinie weist somit annähernd eine ovale Form auf.
An sich ist es bekannt, dass durch eiförmig gekrümmte Profillinien Spannungs- spitzen reduziert werden können. Aus der AT 3.673 U1 ist ein Zylindergehäuse mit einer Zylinderlaufbuchse pro Zylinder bekannt, welche von einem Kühlmantel umgeben ist. Der Kühlmantel ist über eine Übertrittsöffnung mit eiförmiger Profil- linie mit einem Kühlkanal verbunden. Dadurch können Spitzenspannungen im
Deckenbereich abgesenkt werden. Des weiteren ist aus der EP 0 182 323 Bl eine eiförmig gekrümmte Übertrittsöffnung zwischen dem Kühlmantel und einer Über- trittsleitung bekannt. Es ist aber nicht bekannt, einen ringförmigen Kühlkanal mit einer Profillinie zu versehen, welche unterschiedlich gekrümmte Bereiche auf- weist.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist ein Zylindergehäuse zur Aufnahme der oben genannten Zylinderlaufbuchse vorgesehen, welches eine Schulter mit einem normal zur Zylinderachse ausgebildeten Auflagebereich für den Zylinderbuchsen- bund und einen zylindrischen Einpassbereich für die Zylinderlaufbuchse aufweist, wobei der Kühlkanal, zumindest abschnittsweise, über die Höhe mit zumindest annähernd gleicher Breite ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zwischen der Auflagefläche und dem Einpassbereich eine konzentrisch zur Zylinderachse umlaufende Anphasung ausgebildet ist. Die Anphasung kann sich dabei über einen Teil der Höhe, vorzugsweise einen Grossteil der Höhe, besonders vorzugsweise über die gesamte Höhe des Kühlkanals erstrecken.
Besonders günstig ist es, wenn die Anphasung - im Profil betrachtet - parallel zumindest zu einem Bereich der Profillinie des Kühlkanals ist. Dadurch wird eine besonders gu- te Kühlung des Zylinderbuchsenbundes erreicht. Besonders vorteilhaft ist es da- bei, wenn die Anphasung - im Profil betrachtet - parallel zu einer Tangente der Profillinie des Kühlkanals im Übergangsbereich zwischen dem Krümmungsradius des Deckenbereiches und dem Krümmungsradius des Seitenbereiches ist. Dies ermöglicht einen annähernd konstanten Strömungsquerschnitt im Bereich der
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Anphasung. Insbesondere ist es zur Erreichung einer optimalen Kühlung von Vor- teil, wenn die Anphasung einen Winkel > 0, vorzugsweise zwischen 5 und 45 , besonders vorzugsweise etwa 15 mit der Zylinderachse aufspannt.
Um einer- seits eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, und andererseits die Auflage- fläche für den Zylinderbuchsenbund nicht zu sehr zu verkleinern, ist es günstig, wenn der Abstand zwischen einer Verlängerung des zylindrischen Einpassberei- ches und der Schnittlinie der Anphasung mit der Auflagefläche maximal den hal- ben Krümmungsradius der Profillinie im Deckenbereich beträgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Zylindergehäuse mit einer erfin- dungsgemäss ausgeführten Zylinderlaufbuchse in einer ersten Ausführungsvarian- te und Fig. 2 das Detail II aus Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Zylinder- gehäuse in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 4 das Zylindergehäuse in ei- nem Schnitt gemäss der Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 das Detail V aus Fig. 3.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungen mit gleichen Bezugszeichen ver- sehen.
In einer Bohrung 2 des Zylindergehäuses 1 ist eine nasse Zylinderlaufbuchse 3 eingesetzt. Die Zylinderlaufbuchse 3 weist einen Zylinderbuchsenbund 4 auf.
Zwischen der Zylinderlaufbuchse 3 und dem Zylindergehäuse 1 sind die Zylinder- laufbuchse 3 ringförmig umgebende erste und zweite Kühlräume 5,6 sowie ein als Ringnut 21 in der Zylinderlaufbuchse 3 ausgebildeter Kühlkanal zur Kühlung des Zylinderbuchsenbundes 4 angeordnet. In das Zylindergehäuse 1 ist im Be- reich einer Seitenwand 26 ein Verteilerkanal 8 und ein Sammelkanal 9 einge- formt, welche im wesentlichen parallel zu einer nicht weiter dargestellten Kur- belwellenachse verlaufen. Der Sammelkanal 9 ist dabei über dem Verteilerka- nal 8 angeordnet und liegt somit der Zylinderkopfanschlussfläche 10 näher als der Verteilerkanal 8. Verteilerkanal 8 und Sammelkanal 9 sind durch eine Trenn- wand 11 voneinander getrennt, wobei die Trennwand 11 die Deckfläche 12 des Verteilerkanals 8 ausbildet.
Von der Deckfläche 12 des Verteilerkanals 8 geht ein im Wesentlichen rohrbogenförmig gekrümmter Zuführkanai 13 aus und mündet in den ersten Kühlraum 5. Auch der unterhalb des ersten Kühlraumes 5 angeordnete zweite Kühlraum 6, welcher mit dem ersten Kühlraum 5 durch einen Ringspalt 14 strö- mungsverbunden ist, ist über eine Übertrittsöffnung 15 mit dem Verteilerkanal 8 strömungsverbunden. Verteilerkanal 8, Sammelkanal 9, Zuführkanal 13 und Ü- bertrittsöffnung 15 befinden sich auf einer Seite A einer die Zylinderachsen 16 beinhaltenden Motorlängsebene 17. Die Zylinderkopfanschlussfläche 10 weist auf
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der selben Seite A pro Zylinder zumindest eine zum Sammelkanal 9 führende
Abflussöffnung 18 für aus dem Zylinderkopf kommendes Kühlmedium auf.
Auf der bezüglich der Motorlängsebene 17 gegenüberliegenden Seite B weist die
Zylinderkopfanschlussfläche 10 eine Überströmöffnung 19 auf, welche über einen Überströmkanal 20 mit dem ersten Kühlraum 5 verbunden ist.
Der Kühlkanal 7 ist auf der dem Verteilerkanal 8 und dem Sammelkanal 9 bezüg- lich der Motorlängsebene 17 gegenüberliegenden Seite B mit dem ersten Kühl- raum 5 strömungsverbunden. In der Ausführungsvariante gemäss den Fig. 1 und
2 erfolgt die Strömungsverbindung durch einen Zuflusskanal 22. Dagegen ist die
Strömungsverbindung in der in den Fig. 3 bis 5 dargestellten zweiten Ausfüh- rungsvariante durch eine Nut 22a etwa parallel zur Zylinderachse 16 im Einpass- bereich 35 realisiert. Der Kühlkanal 7 ist auf der Seite A über einen Abflusska- nal 23 mit dem Sammelkanal 9 verbunden. Zuflusskanal 22 und Abflusskanal 23 sind somit im Wesentlichen diametral bezüglich der Zylinderlaufbuchse 3 ange- ordnet.
Auch die Mündungsöffnung 24 des Zuführkanals 13 in den ersten Kühl- raum 5 und die Austrittsöffnung 25 des Überströmkanals 20 aus dem ersten
Kühlraum 5 sind im Wesentlichen diametral bezüglich der Zylinderlaufbuchse 3 angeordnet.
Die Mündungsöffnungen 24 und die Austrittsöffnungen 25 weisen eine im We- sentlichen eiförmige Gestalt auf, wodurch mechanische Spannungsspitzen in Fol- ge der Dichtungspressung vermieden werden. Sie erstrecken sich über die ge- samte Höhe H des ersten Kühlraums 5.
Das im Verteilerkanal 8 den jeweiligen Zylindern zugeführte Kühlmittel strömt pro Zylinder über einen Zuführkanal 13 entsprechend dem Pfeil S1 in den ersten Kühlraum 5. Gleichzeitig strömt eine geringere Strömung entsprechend dem Pfeil S2 über die Übertrittsöffnung 15 in den zweiten Kühlraum 6. Über den Ring- spalt 14 gelangt das Kühlmedium aus dem zweiten Kühlraum 6 in den ersten Kühlraum 5. Das Kühlmedium umfliesst im ersten und zweiten Kühlraum 5,6 die Zylinderlaufbuchse 3 und gelangt über die Austrittsöffnung 25 auf der gegenü- berliegenden Seite B in den Überströmkanal 20, von welchem es in die Über- strömöffnung 19 entsprechend dem Pfeil S4 in den nicht weiter dargestellten Zy- linderkopf geleitet wird.
Vom Überströmkanal 20 bzw. vom ersten Kühlraum 5 zweigt eine Nebenströmung entsprechend dem Pfeil S5 ab und gelangt über den Zuflusskanal 22 (Fig. 1 und 2) bzw. Nut 22a (Fig. 3 bis 5) in den Kühlkanal 7.
Durch den Kühlkanal 7 umströmt das Kühlmittel entlang der Ringnut 21 die Zy- linderlaufbuchse 3 im Bereich des Zylinderbuchsenbundes 4 und verlässt den Kühlkanal 7 über die Abflussöffnung 23 entsprechend dem Pfeil S6 in Richtung des Sammelkanals 9.
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Das über die Überströmöffnung 19 in den Zylinderkopf entsprechend dem Pfeil S4 fliessende Kühlmedium durchquert den Zylinderkopf und fliesst danach auf der ge- genüberliegenden Seite A, auf der sich Verteilerkanal 8 und Sammelkanal 9 be- finden, zurück zum Zylinderkopf 1, wobei das Kühlmedium durch die Rückström- öffnung 18 entsprechend dem Pfeil S7 in den Sammelkanal 9 gelangt.
Die zwischen dem Zylinderbuchsenbund 4 und dem Einpassbereich 27 in die äu- #ere Mantelfläche 28 der Zylinderlaufbuchse 3 eingeformte, den Kühlkanal 7 um- gebende Ringnut 21 weist eine Profillinie 29 auf, welche sich aus mehreren, un- terschiedlich gekrümmten Abschnitten zusammensetzt, wie in den Fig. 2 und 5 dargestellt ist. Im an den Zylinderbuchsenbund 4 anschliessenden Deckenbe- reich 30 weist die Profillinie 29 einen Radius R1 auf. Im an den Einpassbereich 27 anschliessenden Bodenbereich 31 weist die Profillinie 29 einen Radius R3 auf. Zwi- schen Deckenbereich 30 und Bodenbereich 31 ist ein Seitenbereich 32 ausgebil- det, in welchem die Profillinie 29 einen Krümmungsradius R2 aufweist. Der
Krümmungsradius Ri im Deckenbereich 30 ist dabei grösser als der Krümmungs- radius R3 im Bodenbereich 31.
Im Ausführungsbeispiel beträgt der Krümmungs- radius R3 im Bodenbereich 31 das 0,55-fache des Krümmungsradius Ri im De- ckenbereich 30. Der Radius R2 im Seitenbereich 32 beträgt im Ausführungsbei- spiel das 11,5-fache des Radius R1 im Deckenbereich 30.
Der Mittelpunkt M3 des Krümmungsradius R3 der Profillinie 29 im Bodenbe- reich 31 liegt innerhalb des Kühlkanals 7, also zwischen der Profillinie 29 und ei- ner Verlängerung 28' der Mantelfläche 28 der Zylinderlaufbuchse 3. Der Mittel- punkt M1 Des Krümmungsradius R1 liegt bevorzugt bereits im Zylindergehäuse 1.
Das Zylindergehäuse 1 weist eine Schulter 33 mit einer Auflagefläche 34 normal auf die Zylinderachse 16 zur Aufnahme des Zylinderbuchsenbundes 4 auf. Um eine gleichmässige Durchströmung des Kühlkanales 7 zu erreichen, ist dieser zu- mindest abschnittweise mit einer über die Höhe gleichen Breite B ausgeführt. Im Übergang zwischen dem Einpassbereich 35 des Zylindergehäuses 1 und der Schulter 33 weist das Zylindergehäuse 1 eine Anphasung 36 auf. Die Anphasung 36 kann sich auch über die gesamte Höhe c des Kühlkanales 7 erstrecken, wie durch die strichlierte Linie in Fig. 2 und 5 angedeutet ist.
Die Anphasung 36 ist im Ausführungsbeispiel im Übergangsbereich 38 zwischen dem Krümmungsradi- us R1 und dem Krümmungsradius R2 parallel zu einer Tangente 37 auf die Profil- linie 29 und weist mit einer Parallelen 16' zur Zylinderachse 16 einen Winkel a > 0 auf, der im Beispiel etwa 15 beträgt. Der Abstand a zwischen einer Ver- längerung 35' des zylindrischen Einpassbereiches 35 des Zylindergehäuses 1 und der Schnittlinie S der Anphasung 36 mit der Auflagefläche 34 beträgt maximal den halben Krümmungsradius Ri der Profillinie 29 im Deckenbereich 30, im Ausführungsbeispiel etwa 0,8 mm. Der Mittelpunkt M2 liegt - in Projektion auf die
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Auflagefläche 34 gesehen - zwischen der Schnittlinie S und der Verlängerung 35' des Einpassbereiches 35.
Im Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand b zwischen der Schnittlinie S und dem Mittelpunkt M2 etwa 0,3 mm. Mit c ist die Höhe des Kühlkanals 7 bezeichnet.
Durch die aus mehreren Krümmungsradien R1, R2, R3 zusammengesetzte Profillinie 29 werden Spannungskonzentration zu Folge der Herstellung der Ringnut 21 weitgehend reduzieren. Der Einstich und die Fertigung des abgerundeten Kühlmittelströmungsquerschnittes kann CNC-gesteuert durchgeführt werden. Durch die Anphasung 36 wird einerseits das Einsetzen der Zylinderlaufbuchse 4 in das Zylindergehäuse 1 erleichtert und andererseits eine optimale Kühlung des Zylinderlaufbuchsenbundes 4 im Einpassbereich 35 gewährleistet.