CN107542593B - 内燃机，尤其往复活塞式内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，尤其往复活塞式内燃机，其带有至少一个具有气缸工作面的气缸，其中，气缸工作面构造用于与气缸相关联的活塞(11)的引导。根据本发明，气缸工作面仅仅部分地通过曲轴箱(3)的或固定在曲轴箱(3)处的气缸衬套(5)的气缸壁(7)形成，其中，气缸工作面在在气缸轴向(x)上观察的中心区域(13)处通过气缸壁(7)形成，其中，气缸壁(7)在向上联接到中心区域(13)处的气缸工作面的上区域(15)处和/或在向下联接到中心区域(13)处的气缸工作面的下区域(22)处具有尤其在气缸周向上伸延的、环绕的凹入部(17,23)，单件式的或多件式的环形的滑动元件(19,25)分别被插入到凹入部(17,23)中，该滑动元件(19,25)的径向地在内部的滑动元件壁(21,37)构造气缸工作面的一部分。

Description

内燃机，尤其往复活塞式内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机，尤其往复活塞式内燃机(Hubkolben-Brennkraftmaschine)；一种气缸衬套组(Zylinderlaufbuchsen-Set)；以及一种带有内燃机的车辆，尤其商用车。
背景技术
内燃机，尤其往复活塞式内燃机，通常具有至少一个气缸，该至少一个气缸具有气缸工作面(Zylinderlaufbahn)作为用于与气缸相关联的活塞的引导。为了减小在形成气缸工作面的气缸壁和相关联的活塞或活塞的活塞环之间的摩擦，已知的是，使活塞环设有减小摩擦的覆层。在此，该覆层例如能够通过PVD层(PVD：物理气相沉积)或PA-CVD层(等离子辅助化学气相沉积)，尤其通过DLC层(DLC：类金刚石碳膜)形成。通过减小在气缸壁和相关联的活塞或活塞环之间的摩擦，显著降低了内燃机的燃料消耗和排放以及彼此摩擦的组件的磨损。
此外也已知的是，形成气缸工作面的气缸壁尤其在气缸工作面的混合摩擦区域处设有减小摩擦的覆层，以减小在气缸壁和相关联的活塞之间的摩擦。这种类型的覆层例如能够通过热的喷镀层(Spritzschicht)或同样通过DLC层尤其结合激光毛化(Lasertexturen)形成。
然而气缸工作面或形成气缸工作面的气缸壁的施覆经常是困难的，因为尤其由于气缸的直径/高度比，气缸壁通常仅仅可困难地接近。因此经常也不能利用期望的施覆质量施加覆层。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种内燃机尤其往复活塞式内燃机，在其中，以加工技术上简单的方式减小在气缸工作面和相关联的活塞或活塞的活塞环之间的摩擦。
提出一种内燃机尤其往复活塞式内燃机，其带有至少一个具有气缸工作面的气缸，其中，气缸工作面构造用于与气缸相关联的活塞的引导。根据本发明，气缸工作面仅仅部分地通过曲轴箱的或固定在曲轴箱处的气缸衬套的气缸壁形成，其中，气缸工作面在在气缸轴向上观察的中心区域处通过曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁形成，其中，曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁在向上联接到中心区域处的气缸工作面的上区域处和/或在向下联接到中心区域处的气缸工作面的下区域处具有尤其在气缸周向上伸延的、环绕的凹入部，单件式的或多件式的环形的滑动元件被插入到该凹入部中，该滑动元件的径向地在内部的滑动元件壁形成气缸工作面的一部分。
以该方式，能够在加工技术上简单地减小在气缸和活塞/活塞环之间的摩擦，因为现在曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁在气缸工作面的上区域和/或下区域处不必再设有减小摩擦的覆层，以减小在气缸和活塞/活塞环之间的摩擦。代替上述内容，现在简单地在气缸工作面的上区域处和/或在下区域处(尤其在上死点和下死点处)，将带有优化的滑动特性的滑动元件插入到曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁的凹入部中。在此，能够以加工技术上尤其简单并且有效的方式，在滑动元件插入到相应的凹入部之前如期望的那样优化相应的滑动元件的滑动特性。例如，能够在滑动元件插入到凹入部之前在加工技术上简单地使该滑动元件设有减小摩擦的表面覆层。由此，与施覆曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁相比，显著减小了过程复杂性和成本。
在根据本发明的内燃机的一种优选的设计方案中，如此布置气缸工作面的中心区域，即使得在内燃机的运行期间，在该中心区域处基本上构造在气缸壁和相关联的活塞之间的流体动力的滑动轴承(Gleitlager)。由此，在气缸工作面的中心区域中存在低损失的流体摩擦。
另外优选的是，如此布置气缸工作面的上区域和/或下区域，即使得在内燃机的运行期间，在所述气缸工作面的上区域和/或下区域处，在相应的滑动元件和相关联的活塞之间混合摩擦(尤其混合摩擦和静摩擦(Haftreibung))占优势。这样，能够借助于相应的滑动元件特别有效地减小在气缸工作面和相关联的活塞之间的摩擦。优选地，在此设置成，在内燃机的运行期间，在气缸工作面的上区域和/或下区域处，在相应的滑动元件和相关联的活塞之间的摩擦系数处于0.01至0.06的范围中，以便能够以特别有效的方式使内燃机运行。
优选地，气缸工作面的上区域通过气缸工作面的上端部区域形成。同样优选地，气缸工作面的下区域通过气缸工作面的下端部区域形成。
另外优选的是，如此布置气缸工作面的上区域，即使得相关联的活塞的外滑动壁至少在活塞的上死点(OT)处与滑动元件接触。由此，能够以特别有效的方式减小气缸工作面的摩擦和磨损。优选地在此设置成，活塞的外滑动壁至少在OT之前10°曲轴角至OT之后15°曲轴角的内燃机的曲轴角范围中与滑动元件接触。在此，概念“活塞”在上文中和在下文中都可明确地以广义的方式理解，并且应当不仅包括活塞，而且包括与活塞相关联的活塞环。
备选地和/或附加地，也能够如此布置气缸工作面的下区域，即使得相关联的活塞的外滑动面至少在活塞的下死点(UT)处与滑动元件接触。在此，优选地设置成，活塞的外滑动壁至少在UT之前10°曲轴角至UT之后15°曲轴角的内燃机曲轴角范围中与滑动元件接触。
在一种优选的具体的设计方案中，气缸工作面的长度或高度比环形的滑动元件的高度大多倍。在这种类型的高度差的情况下，设置根据本发明的滑动元件是特别有效的。尤其优选地，气缸工作面的长度或高度在此是环形的滑动元件的高度的至少四倍。
另外优选的是，相应的滑动元件的材料和气缸壁的材料具有基本上相同的热膨胀系数。由此，可靠地防止了，在曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁和相应的滑动元件之间以温度决定的方式形成棱边或跳跃部(Sprung)，从而在气缸壁和相应的滑动元件之间基本上平坦的过渡始终占优势。优选地，在此设置成，滑动元件的材料和气缸壁的材料基本上构造成相同的。在一种优选的具体的设计方案中，滑动元件的材料和气缸壁的材料在此由钢、由铸铁或由铝制成。
另外优选的是，环形的滑动元件在内侧利用滑动层施覆，以进一步减小内燃机的摩擦和磨损。优选地，在此设置成，滑动层通过DLC层和/或APS层(APS：大气等离子喷射)形成。APS层在此例如能够构造成金属的、金属陶瓷的或全陶瓷的。
优选地，在滑动层和尤其通过铝形成的环形的滑动元件的基础材料之间设置有支撑层或稳定层。借助于这种类型的支撑层，可靠地克服所谓的蛋壳效应(Eierschaleneffekt)，也就是说克服通过例如铝基础材料的塑性变形引起的层破碎。优选地，在此设置成，支撑层通过化学的镍层形成。
另外优选的是，相应的滑动元件的径向地在内部的滑动元件壁具有比曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁的形成气缸工作面的壁区域更小的表面粗糙度。这样，有效地减小了内燃机的摩擦和磨损并且同时也简化了内燃机的制造，因为通常仅仅可困难地接近的曲轴箱或气缸衬套的气缸壁设有比可简单地加工的滑动元件更小的表面粗糙度。
优选地，相应的滑动元件与曲轴箱或气缸衬套面型地贴靠连接，以便能够简单地并且可靠地固定滑动元件。另外优选的是，滑动元件形状配合地和/或材料配合地(尤其借助于粘接连接或焊接连接)与曲轴箱或气缸衬套连接，以便可靠地将滑动元件固定在曲轴箱或气缸衬套处。优选地，相应的滑动元件通过热接合(thermisches Fügen)或机械压制(mechanisches Pressen)固定在曲轴箱或气缸衬套处。
在一种优选的具体的设计方案中，气缸壁的凹入部在横截面中观察具有基本上U形的轮廓，以便简单地并且功能优化地设计凹入部。另外优选的是，环形的滑动元件在横截面中基本上构造成矩形，以在加工技术上简单地构造环形的滑动元件。另外优选的是，滑动元件以轮廓匹配的方式处于相关联的凹入部中。
为了解决已经提及的任务，此外对一种气缸衬套组要求保护，其带有构造气缸工作面的气缸衬套。根据本发明，气缸工作面仅仅部分地通过气缸衬套的气缸壁形成，其中，气缸工作面在在气缸轴向上观察的中心区域处通过气缸衬套的气缸壁形成，其中，气缸衬套的气缸壁在向上联接在中心区域处的气缸工作面的上区域处和/或在向下联接到中心区域处的气缸工作面的下区域处具有尤其在气缸周向上伸延的、环绕的凹入部，单件式的或多件式的环形的滑动元件作为组的组成部分分别被插入到该凹入部中，其中，被插入的滑动元件的径向地在内部的滑动元件壁构造气缸工作面的部分。
通过根据本发明的气缸衬套组得到的优点与已经评价的根据本发明的内燃机的优点相同，从而在这一点上不再重复该优点。
此外，也对一种带有根据本发明的内燃机的车辆尤其商用车要求保护。通过根据本发明的车辆得到的优点与已经评价的根据本发明的内燃机的优点相同，从而在这一点上不再重复该优点。
在上文中解释的本发明的有利的构造和/或改进方案能够单独地和/或但是也以任意相互组合的方式被应用，除了例如在明确的相关性的或不相容的备选方案的情况中。
附图说明
以下根据图纸仅仅示例性地更详细地解释本发明和其有利的构造和/或改进方案以及其优点。
其中：
图1以截面图示出了根据本发明的内燃机的第一实施方式的部分；
图2以放大图示出了图1中的细节A；
图3示出了沿着图1中的截面B-B的截面图；
图4以根据图3的图示示出了根据本发明的内燃机的第二实施方式；
图5以根据图1的图示示出了根据本发明的内燃机的第三实施方式；并且
图6以放大图示出了图5中的细节C。
附图标记列表
1 内燃机
3 曲轴箱
5 气缸衬套
7 气缸壁
9 气缸室
11 活塞
13 中心区域
15 上区域
17 凹入部
19 滑动元件
21 滑动元件壁
22 下区域
23 凹入部
25 滑动元件
27 滑动元件壁
29 上侧
31 下侧
33 区域
35 区域
37 区域
39 壁区域
41 壁区域
43 滑动层
45 基体
49 环形部段
51 支撑层
IZLB 气缸工作面长度。
具体实施方式
在图1中以截面图示出了根据本发明的内燃机1的部分。构造为往复活塞式内燃机的内燃机1具有曲轴箱3和固定在曲轴箱3处的气缸衬套5。气缸衬套5在此示例性地借助于压制连接(Press-Verbindung)固定在曲轴箱3处。
气缸衬套5径向地在内部具有气缸壁7，该气缸壁7构造内燃机1的气缸，利用虚线指出的内燃机1的活塞11布置在该气缸的气缸室9中。在此在这种情况下，气缸壁7构造气缸工作面的在气缸轴向x上观察的中心区域13，借助于该气缸工作面引导活塞11。
在在气缸轴向x上观察向上联接到气缸工作面的中心区域13处的气缸工作面的上区域15处，气缸壁7在此具有环绕的凹入部17，在此示例性地单件式的环形的滑动元件19被插入到该凹入部17中。环形的滑动元件19的径向地在内部的滑动元件壁21在此在这种情况下同样构造气缸工作面的一部分。
在此根据图1，气缸壁7此外也在在气缸轴向x上观察向下联接到中心区域13处的下区域22处具有环绕的凹入部23，在此示例性地单件式的环形的滑动元件25同样被插入到该凹入部23中。滑动元件25的径向地在内部的滑动元件壁27在此在这种情况下同样构造气缸工作面的一部分。在此，滑动元件19,25例如能够通过热接合或机械压制固定在气缸衬套5处。此外，滑动元件19,25在此示例性地基本上构造成相同的或结构相同的。
此外，曲轴箱3、气缸衬套5由铸铁(GJL)制成，并且滑动元件19,25在此由钢制成。此外，气缸衬套5和滑动元件19,25在此构造气缸衬套组。
另外，气缸工作面的上区域15或上滑动元件19在此示例性地构造气缸工作面的上端部区域。此外，气缸工作面的下区域22或下滑动元件25在此示例性地也形成气缸工作面的下端部区域。由此，气缸工作面在此基本上从上滑动元件19的上侧29出发在气缸工作面长度IZLB上延伸直到下滑动元件25的下侧31处。相应的滑动元件19,25的高度hG在此示例性地比气缸工作面的长度或高度IZLB小多倍。
此外，在此也如此布置气缸工作面的上区域15或滑动元件19，即使得活塞11的外滑动壁至少在活塞11的上死点(OT)中与滑动元件19接触或贴靠。此外，在此也如此布置气缸工作面的下区域22或滑动元件25，即使得活塞11的外滑动壁在活塞11的下死点(UT)处与滑动元件25接触或贴靠。
如另外从图1中得知的那样，气缸衬套5的气缸壁7在此在凹入部17之上利用壁区域33向上继续。此外，气缸壁7在此在凹入部23之下利用壁区域35向下继续。气缸壁7的壁区域33,35以及位于凹入部17,23之间的壁区域37在此示例性地具有相同的直径。在气缸壁7的凹入部17,23中或在气缸壁7的形成凹入部17,23的壁区域39,41中，气缸壁7的直径与壁区域33,35,37相比更大。
另外，在此如此布置气缸工作面的中心区域13或气缸壁7的壁区域37，即使得在内燃机1运行期间，在气缸壁7的壁区域37和活塞11之间基本上构造有流体动力的滑动轴承。此外，如此布置气缸工作面的上区域15和下区域22或气缸壁7的凹入部17,23，即使得在内燃机1运行期间，在该处在滑动元件19,25和活塞11之间混合摩擦占优势。由此，滑动元件19,25在此布置在气缸工作面的这样的区域处，即，在内燃机1运行期间，在该区域处出现摩擦并且因此也出现相对高的能量损失。
如另外从图2中得知的那样，气缸壁7的相应的凹入部17,23或相应的壁区域39,41在此在横截面中观察具有基本上U形的轮廓。此外，相应的滑动元件19,25在此根据图2在横截面中构造成矩形。另外，相应的滑动元件19,25在此示例性地以轮廓匹配的方式位于分别相关联的凹入部17,23中，从而相应的滑动元件19,25除了相应的径向地在内部的滑动元件壁21,27以外与气缸壁7的相应的壁区域39,41贴靠。由此，滑动元件19,25在此也以面型的贴靠连接的方式与气缸衬套5连接并且形状配合地与气缸衬套连接。
如另外从图2中得知的那样，相应的滑动元件19,25在此也内侧地或径向地在内部利用滑动层43施覆，借助于该滑动层43减小了在滑动元件19,25和活塞11之间的摩擦。该滑动层43优选地通过DLC层或通过APS层形成。滑动层43在此在这种情况下被直接施加到在此示例性地通过钢形成的相应的滑动元件19,25的基体45上。此外，相应的滑动元件19,25的径向地在内部的滑动元件壁21,27在此示例性地也具有比气缸壁7的壁区域37更小的表面粗糙度。
如另外在图3中示出的那样，相应的滑动元件19,25在此此外单件式地或通过在周向上封闭的环形成。
在图4中示出了根据本发明的内燃机1的第二实施方式。与在图3中示出的内燃机1的第一实施方式相比，相应的滑动元件19,25在此不是构造成单件式的，而是构造成多件式的。相应的滑动元件19,25在此在这种情况下由多个(在此示例性地三个)环形部段49组合而成。环形部段49在此在这种情况下基本上构造成结构相同的或相同的。
在图5中示出了内燃机1的第三实施方式。与在图1中示出的第一实施方式相比，内燃机1在此不具有气缸衬套5。代替所述气缸衬套5，形成气缸的气缸壁7在此通过曲轴箱3本身形成。此外，曲轴箱3和滑动元件19,25在此不是由钢而是由铝制成。
如另外从图6中得知的那样，在此此外在相应的滑动元件19,25的滑动层43和在此通过铝形成的基体45之间设置有支撑层51，借助于该支撑层51提高了滑动层43的稳定性或克服了滑动层43的蛋壳效应。

Claims (27)

1.一种内燃机，其带有至少一个具有气缸工作面的气缸，其中，所述气缸工作面构造用于与气缸相关联的活塞(11)的引导，其中，所述气缸工作面仅仅部分地通过曲轴箱(3)的或固定在所述曲轴箱(3)处的气缸衬套(5)的气缸壁(7)形成，其中，所述气缸工作面在沿气缸轴向(x)观察的中心区域(13)处通过所述气缸壁(7)形成，其特征在于，所述气缸壁(7)在联接到所述中心区域(13)处的气缸工作面的上区域(15)处和/或在联接到所述中心区域(13)处的气缸工作面的下区域(22)处具有环绕的凹入部(17,23)，单件式的或多件式的环形的滑动元件(19,25)被插入到该凹入部(17,23)中，该滑动元件(19,25)的径向地在内部的滑动元件壁(21,37)构造所述气缸工作面的一部分,
环形的所述滑动元件(19,25)在内侧利用滑动层(43)施覆，
所述气缸壁(7)在所述气缸工作面的上区域和/或下区域处未设有减小摩擦的覆层来减小在所述气缸和所述活塞(11)之间的摩擦，并且所述滑动元件(19,25)在插入到所述凹入部之前设有减小摩擦的覆层。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，如此布置所述气缸工作面的中心区域(13)，即使得在所述内燃机(1)的运行期间，在该中心区域(13)处基本上构造有在所述气缸壁(7)和所述相关联的活塞(11)之间的流体动力的滑动轴承。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，如此布置所述气缸工作面的上区域(15)和/或下区域(22)，即使得在所述内燃机(1)的运行期间，在所述气缸工作面的上区域(15)和/或下区域(22)处，在相应的滑动元件(19,25)和相关联的活塞(11)之间混合摩擦占优势。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述气缸工作面的上区域(15)构造所述气缸工作面的上端部区域，和/或，所述气缸工作面的下区域(22)构造所述气缸工作面的下端部区域。
5.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，如此布置所述气缸工作面的上区域(15)，即使得所述相关联的活塞(11)的外滑动壁至少在所述活塞(11)的上死点(OT)处与所述滑动元件(19)接触。
6.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，如此布置所述气缸工作面的下区域(22)，即使得所述相关联的活塞(11)的外滑动壁至少在所述活塞(11)的下死点(UT)处与所述滑动元件(25)接触。
7.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述气缸工作面的长度(IZLB)比环形的所述滑动元件(19,25)的高度大多倍。
8.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述滑动元件(19,25)的材料和所述气缸壁(7)的材料具有基本上相同的热膨胀系数。
9.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述滑动层(43)通过类金刚石碳膜层和/或通过大气等离子喷射层形成。
10.根据权利要求9所述的内燃机，其特征在于，在所述滑动层(43)和环形的所述滑动元件(19,25)的基础材料之间设置有支撑层(51)。
11.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述滑动元件(19,25)的径向地在内部的滑动元件壁(21,27)具有比所述曲轴箱侧的或气缸衬套侧的气缸壁(7)的形成气缸工作面的壁区域(37)更小的表面粗糙度。
12.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述滑动元件(19,25)与所述曲轴箱(3)或气缸衬套(5)面型贴靠地连接，和/或所述滑动元件(19,25)与所述曲轴箱(3)或所述气缸衬套(5)形状配合地连接。
13.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述气缸壁(7)的凹入部(17,23)在横截面中观察具有基本上U形的轮廓，和/或，环形的所述滑动元件(19,25)在横截面中构造成矩形，和/或，所述滑动元件(19,25)以轮廓匹配的方式处于相关联的凹入部(17,23)中。
14.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是往复活塞式内燃机。
15.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述凹入部(17,23)在气缸周向上伸延。
16.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，在所述内燃机(1)的运行期间，在所述气缸工作面的上区域(15)和/或下区域(22)处，在相应的所述滑动元件(19,25)和相关联的活塞(11)之间的摩擦系数处于0.01至0.06的范围中。
17.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，所述活塞(11)的外滑动壁至少在OT之前10°曲轴角至OT之后15°曲轴角的内燃机的曲轴角范围中与所述滑动元件(19)接触。
18.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，所述活塞(11)的外滑动壁至少在UT之前10°曲轴角至UT之后15°曲轴角的内燃机(1)的曲轴角范围中与所述滑动元件(25)接触。
19.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述气缸工作面的长度(IZLB)是环形的所述滑动元件(19,25)的高度的至少4倍。
20.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，所述滑动元件(19,25)的材料和所述气缸壁(7)的材料构造成基本上相同的。
21.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，所述滑动元件(19,25)的材料和所述气缸壁(7)的材料由钢、由铸铁或由铝制成。
22.根据权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述基础材料通过铝形成。
23.根据权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述支撑层(51)通过化学的镍层形成。
24.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的内燃机的气缸衬套组，带有构造气缸工作面的气缸衬套(5)，其特征在于，所述气缸工作面仅仅部分地通过所述气缸衬套(5)的气缸壁(7)形成，其中，所述气缸工作面在沿气缸轴向观察的中心区域(13)处通过所述气缸衬套(5)的气缸壁(7)形成，其中，所述气缸衬套(5)的气缸壁(7)在联接到所述中心区域(13)处的气缸工作面的上区域(15)处和/或在联接到所述中心区域(13)处的气缸工作面的下区域(22)处具有环绕的凹入部(17,23)，单件式的或多件式的环形的滑动元件(19,25)组可分别被插入到该凹入部(17,23)中，其中，被插入的所述滑动元件(19,25)的径向地在内部的滑动元件壁(21,27)构造所述气缸工作面的一部分。
25.根据权利要求24所述的气缸衬套组，其特征在于，所述凹入部(17,23)在气缸周向上伸延。
26.一种带有根据权利要求1至23中任一项所述的内燃机的车辆。
27.根据权利要求26所述的车辆，其特征在于，所述车辆是商用车。
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