DE102005048537A1 - Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse (2) mit mindestens einem Zylinder, der eine Laufbuchse (3) aufweist. Die Laufbuchse (3) ist an einer dem Zylinderkopf abgewandten Seite auf einem kreisförmigen Balkon (10) im Zylindergehäuse (2) abgestützt. In nicht verspanntem Zustand berührt die Laufbuchse (3) eine Auflagefläche (12) des Balkons (10) im Zylindergehäuse (2) teilweise.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
• Aus der gattungsbildenden Patentschrift US 4,385,595 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit mindestens einem Zylinder bekannt. Der Zylinder weist eine Laufbuchse auf, die an einer dem Zylinderkopf abgewandten Seite auf einem kreisförmigen Balkon im Zylindergehäuse in Zylinderrichtung abgestützt ist. Eine Laufbuchse, die an ihrem unteren, dem Zylinderkopf gegenüber liegenden Ende im Zylindergehäuse abgestützt ist, nennt man „Bottom-stop-Laufbuchse".
• Aus der Offenlegungsschrift DE 43 43 238 A1 ist eine der US 4,385,595 ähnliche Brennkraftmaschine gezeigt, bei der die Laufbuchse im Bereich ihres unteren Drittels der Laufbuchsenlänge im Zylindergehäuse abgestützt ist. Diese Ausführung wird „Mid-stop-Laufbuchse" genannt.
• Auf Grund unterschiedlich steifer Strukturen im Zylindergehäuse verformt sich sowohl bei Bottom-stop-Laufbuchsen als auch bei Mid-stop-Laufbuchsen der die Laufbuchse stützende Balkon bei montierter und durch die Kraft der Zylinderkopfverschraubung vorgespannter Laufbuchse verschieden stark. Dadurch ergeben sich bei der Laufbuchse eine Abweichung von der Kreisform des Innenzylinders. Diese Abweichung von der Kreisform führt zu erhöhtem Ölverbrauch oder muss durch erhöhte Kolbenringspannung ausgeglichen werden, was wiederum die Reibleistung der Brennkraftmaschine vergrößert.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennkraftmaschine mit einem Zylindergehäuse und einer Laufbuchse bereit zu stellen, die auch im montierten Zustand und unter Vorspannung eine Kreisform der zylindrischen Laufbahn der Laufbuchse gewährleisten.
• Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Laufbuchse in einem nicht verspannten Zustand eine Auflagefläche des Balkons im Zylindergehäuse nur in Teilabschnitten berührt. Die Laufbuchse wird bei der Montage in das Zylindergehäuse eingesetzt und auf eine Auflagefläche des kreisförmigen Balkons aufgelegt. Eine Verspannung der Laufbuchse und damit eine Verformung sowohl der Laufbuchse als auch des Balkons im Zylindergehäuse tritt erst bei Montage des Zylinderkopfes ein. Über die Zylinderkopfschrauben wird der Zylinderkopf mit dem Zylindergehäuse und den Laufbuchsen verspannt und die Laufbuchse wird über eine Zylinderkopfdichtung gegen den Zylinderkopf abgedichtet. In nicht verspanntem Zustand berührt die Laufbuchse die Auflagefläche des Balkons nur in Teilabschnitten des Umfangs. Dabei verformt sich der Balkon aufgrund unterschiedlicher Steifheit des ihn stützenden Zylindergehäuses beim Verspannen unterschiedlich. Jedoch liegt in einem verspannten Endzustand die Laufbuchse auf ihrem gesamten Umfang auf der Auflagefläche des Balkons auf. Auf diese Weise ist eine nahezu gleichmäßige Spannung in der Kontaktfläche zwischen Laufbuchse und Balkon erreicht. Auf Grund dieser nahezu gleichmäßigen Spannung weist die Laufbuchse nur eine geringe Zylinderformabweichung auf. Damit sinkt der Ölverbrauch und die Menge an Blow-By-Gas und es ist möglich, die Kolbenringspannung zu verringern und die Reibleistung der Brennkraftmaschine zu verkleinern.
• Wenn die Auflagefläche des Balkons einen wellenförmigen Verlauf in ihrer Oberfläche aufweist, ist es auf einfache Weise möglich eine teilweise Abstützung im nicht verspannten Zustand über dem Umfang des Balkons zu erreichen. In verspanntem Zustand liegt die Laufbuchse auf der gesamten Länge ihres Umfanges auf der Auflagefläche des Balkons auf. Eine Wellenform in diesem Sinne bedeutet, dass die Auflagefläche nicht eben verläuft, sondern in Zylinderrichtung erhabene und abgesenkte Abschnitte über den Umfang verteilt aufweist. Das Höhenprofil der Wellenform kann einen sinusförmigen, ebenso wie einen dreieck- trapez-, rechteckförmigen oder aus beliebigen Kurvenabschnitten zusammengesetzten Verlauf aufweisen. Die einzelnen Abschnitte sind mit sanften Übergangen in ihren Verläufen ausgeführt.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auflagefläche des Balkons in einem einem benachbarten Zylinder nahen Bereich des Balkons ein Maximum und in einem dazu um 90° um die Zylinderachse gedrehten Bereich ein Minimum in ihrer Wellenform aufweist. In den einem benachbarten Zylinder nahen Bereichen des Balkons ist der Balkon auf Grund der Nähe zum benachbarten Zylinder und der dadurch weniger stark ausgeprägten Stützstruktur um den Balkon weicher abgestützt als in einem dazu um 90° um die Zylinderachse gedrehten Bereich. In Kurbelwellenlängsrichtung ist daher der Balkon nicht so steif an das Zylindergehäuse angebunden wie in einer Querrichtung dazu. Um eine gleichmäßige Spannung in der Laufbuchse zu erreichen, ist deshalb die Auflagefläche des Balkons in einem Bereich, der bevorzugt in Kurbelwellenlängsrichtung angeordnet ist, etwas erhöht. Dies wird durch ein Maximum im wellenförmigen Verlauf der Auflagefläche in diesen Bereichen erreicht. Gleichzeitig ist in den dazu um 90° um die Zylinderachse gedrehten Bereichen der Auflagefläche des Balkons ein Minimum im wellenförmigen Verlauf der Auflagefläche.
• Um eine Abstützung nur in Teilbereichen des Umfanges auf dem Balkon im Zylindergehäuse zu erreichen, ist es alternativ möglich die Stützfläche an der Laufbuchse mit einem wellenförmigen Verlauf in ihrer Oberfläche zu versehen. Da die Laufbuchse als Einzelteil außerhalb des Zylindergehäuses bearbeitet werden kann, ist das Fertigen des wellenförmigen Verlaufes einfach zu bewerkstelligen.
• Ebenso wie bei der Wellenform in der Auflagefläche im Balkon ist es bei der Wellenform in der Stützfläche der Laufbuchse vorteilhaft, ein Maximum der Wellenform so anzuordnen, dass es in einem Bereich liegt, der sich nahe eines benachbarten Zylinders befindet. In diesem Falle bedeutet „Maximum", dass die Laufbuchse länger ist als in einem Abschnitt, in dem die Wellenform der Stützfläche ein Minimum aufweist.
• Um eine besonders sichere Ausführung zu erreichen, die unter allen Umständen die vorgesehene Spannungsverteilung auf Grund der Wellenform gewährleistet, ist es vorteilhaft, die Laufbuchse verdrehsicher auf den Balkon aufzusetzen und zu fixieren.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen zwischen die Laufbuchse und den Balkon im Zylindergehäuse einen Ring anzuordnen, dessen Höhe einen wellenförmigen Verlauf aufweist. Auf diese Weise können sowohl das Zylindergehäuse als auch die Laufbuchsen kostengünstig hergestellt werden, da ihre den Ring berührenden Flächen plan bearbeitet werden können. Einzig der separat einzusetzende Ring erhält in diesem Falle ein Höhenprofil mit einer Wellenform. Die Wellenform kann auf der zylindergehäuseseitigen, der laufbuchsenseitigen oder beiden Auflageflächen angebracht sein. Eine externe Bearbeitung mit einem Wellenprofil ist einfach zu bewerkstelligen.
• Für eine zielführende und sichere Montage des Ringes und Betrieb der Brennkraftmaschine ist es von Vorteil, den Ring verdrehsicher zu montieren und fixieren, um sicher in allen Betriebszuständen eine gleichmäßige Spannungsverteilung in der Laufbuchse zu erreichen.
• Wenn die Laufbuchse zum Balkon im Zylindergehäuse abgedichtet ist, ist es möglich einen die Laufbuchse umschließenden Kühlmittelmantel tief zu führen. Aufgrund der hohen Pressung mit der die Laufbuchse in verspanntem Zustand auf den Balkon gedrückt wird, ist eine direkte Abdichtung oder eine Abdichtung mit einem Dichtmittel einfach zu bewerkstelligen.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 einen Querschnitt durch ein Zylinderkurbelgehäuse mit einer eingesetzten Laufbuchse,
• 2 einen Horizontalschnitt durch das Zylinderkurbelgehäuse aus 1 und
• 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 mit einer Ansicht auf einen Balkon in einem erfindungsgemäßen Zylindergehäuse.
• In 1 ist ein Querschnitt durch ein Zylinderkurbelgehäuse 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine gezeigt. Das Zylinderkurbelgehäuse 1 besteht im Wesentlichen aus einem Zylindergehäuse 2, das die Laufbuchsen 3, eine Gehäusewand 4 und eine Deckfläche 5 umfasst, und einem Kurbelgehäuse 6, das die Lagerung 7 einer nicht gezeigten Kurbelwelle beinhaltet. Die Laufbuchse 3 ist eine nasse Laufbuchse in sogenannter Bottom-stop-Bauweise. Das heißt, die Laufbuchse 3 ist direkt vom Kühlmittel umströmt und nahe des unteren Endes 8 über eine Stützfläche 9 auf einem Balkon 10 im Zylindergehäuse 2 gelagert. Eine Bottom-stop-Bauweise ermöglicht eine gute Kühlung der Laufbuchse 3 über ihre gesamte Länge und gleichzeitig eine über den Umfang gleichmäßige Verteilung der Kraft aus der Zylinderkopfverschraubung. Beim Aufsetzen eines nicht gezeigten Zylinderkopfes auf die Deckfläche 5 wird die Laufbuchse 3 auf den Balkon 10 gedrückt und in sich verspannt. Durch diese Vorspannung in der Laufbuchse 3 wird sowohl gegenüber dem Balkon 10 als auch gegenüber dem Zylinderkopf und einer Zylinderkopfdichtung eine abdichtende Vorspannkraft erzielt. Durch die Einleitung der Kraft aus der Vorspannung in den Balkon 10 im Zylindergehäuse 2 wird auch dieser verspannt und teilweise verformt, da er mit einer Lagerung 7 der Kurbelwelle über eine andere Struktur verbunden ist als senkrecht zur Kurbelwellenlängsrichtung mit einer Seitenwand 11 des Kurbelgehäuses 6.
• In 2 ist ein Horizontalschnitt durch das Zylinderkurbelgehäuse 1 aus 1 gezeigt, bei dem aus Gründen der besseren Darstellung nur das Kurbelgehäuse 6 mit dem Balkon 10 gezeigt ist. Der Balkon 10 ist in in Maschinenlängsrichtung ausgerichteten Umfangsbereichen auf andere Weise im Kurbelgehäuse 6 abgestützt als quer dazu. In in Maschinenlängsrichtung ausgerichteten Umfangsbereichen ist der Balkon 10 zusammen mit einem weiteren Balkon 10 eines benachbarten Zylinders auf einer verlängerten Lagerung 7 für eine Kurbelwelle abgestützt. In Querrichtung hingegen stützt sich ein Balkon 10 alleine auf eine stark verrippte Gewölbestruktur, die die Seitenwand 11 des Kurbelgehäuses 6 bildet. Die verlängerte Lagerung 7 für die Kurbelwelle ist aufgrund zweier vorgespannter Laufbuchsen doppelt belastet. Die Kraftwirkung aus der nicht gezeigten Verschraubung in der Lagerung 7 wird zu einem großen Teil über diesen Bereich in Richtung Zylinderkopf geleitet, wodurch der Balkon 10 ebenfalls in diesem Bereich stark belastet und dadurch Verformungen ausgesetzt ist.
• In 3 ist eine Ansicht auf einen Balkon 10 in einem erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuse 1 in einem Horizontalschnitt und einer Auflagefläche 12 auf dem Balkon 10 gezeigt. Die Auflagefläche 12 ist mit einer Wellenform 13 versehen, die in vergrößert dargestelltem Maßstab gezeigt ist. Da der Balkon 10 in den Längsbereichen 14, die nahe an einem Balkon 10 eines benachbarten Zylinders liegen, stärker belastet ist als in Querbereichen 15, die auf dem Umfang des Balkons 10 ungefähr 90° weiter angeordnet sind, ist erfindungsgemäß die Auflagefläche 12, auf der eine Laufbuchse 3 aufliegt, mit einer Wellenform 13 versehen. Die Wellenform 13 hat in den hochbelasteten Längsbereichen 14 ein Maximum. Das heißt, der Balkon 10 ist in diesen Bereichen höher ausgeführt als in den weniger hoch belasteten Querbereichen 15. Die Höhendifferenz, das heißt die Amplitude der Wellenform 13, beträgt beispielsweise wenige hundertstel Millimeter.
• Auf diese Weise berührt bei der Montage der Laufbuchse 3 die Laufbuchse 3 zuerst die beiden Maxima der Auflagefläche 12 in den Längsbereichen 14. Nach Montage des nicht gezeigten Zylinderkopfes steht die Laufbuchse 3 unter Vorspannung und drückt auf die Auflagefläche 12. Dadurch werden die Erhöhungen in den Längsbereichen 14 auf das Niveau der restlichen Auflagefläche 12 heruntergedrückt. Da der Balkon 10 in den Längsbereichen 14 eine geringere Steifigkeit jedoch einen größeren Verformungsweg aufweist als in den Querbereichen 15, ist bei montierter Laufbuchse 3 der gesamte Umfang der Stützfläche 8 der Laufbuchse 3 gleichmäßig belastet. Durch diese gleichmäßige Belastung der Laufbuchse 3 ergeben sich im Innendurchmesser der Laufbuchse 3 keine Abweichungen von der Kreiszylinderform, die zu erhöhtem Schmiermittelverbrauch, vergrößertem Blow-By-Anteil in das Kurbelgehäuse und zu erhöhtem Vorspannungsbedarf der Kolbenringe führen würden.
• Eine gleiche Wirkung kann durch eine nicht gezeigte Ausführung erzielt werden, wenn eine Wellenform anstatt auf der Auflagefläche 12 des Balkons 10 mit den entsprechenden Lagen der Maxima an der Stützfläche 9 der Laufbuchse 3 oder an einem separaten Zwischenring angeordnet ist. In diesem Falle ist eine Sicherung gegen Verdrehen der Laufbuchse 3 oder des Zwischenringes vorzusehen.

Claims (9)

1. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, einem Zylindergehäuse (2) mit mindestens einem Zylinder, der eine Laufbuchse (3) aufweist, die an einer dem Zylinderkopf abgewandten Seite auf einem kreisförmigen Balkon (10) im Zylindergehäuse (2) in Zylinderrichtung abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (3) in einem nicht verspanntem Zustand eine Auflagefläche (12) des Balkons (10) im Zylindergehäuse (2) nur in Teilabschnitten berührt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (12) des Balkons (10) einen wellenförmigen Verlauf in ihrer Oberfläche aufweist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einem benachbarten Zylinder nahen Bereich des Balkons (10) die tragende Auflagefläche (12) ein Maximum und in einem dazu um 90° um die Zylinderachse gedrehten Bereich die tragende Auflagefläche (12) ein Minimum in ihrer Wellenform (13) aufweist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (3) an ihrer den Balkon (10) im Zylindergehäuse (2) berührenden Stützfläche (9) einen wellenförmigen Verlauf in ihrer Oberfläche aufweist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einem benachbarten Zylinder nahen Bereich der Laufbuchse (3) die berührende Stützfläche (9) ein Maximum und in einem dazu um 90° um die Zylinderachse gedrehten Bereich die berührende Stützfläche (9) ein Minimum in ihrer Wellenform (13) aufweist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (3) verdrehsicher auf dem Balkon (10) aufgesetzt ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laufbuchse (3) und dem Balkon (10) im Zylindergehäuse (2) ein Ring mit einer Höhe mit einem wellenförmigen Verlauf angeordnet ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring verdrehsicher auf dem Balkon (10) aufgesetzt ist, so dass in einem einem benachbarten Zylinder nahen Bereich die Höhe des Ringes größer ist als in einem dazu um 90° um die Zylinderachse gedrehten Bereich.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (3) zum Balkon (10) im Zylindergehäuse (2) abgedichtet ist.