DE102008026146B4

DE102008026146B4 - Kolbenreibungsreduktion in einem Zylinder

Info

Publication number: DE102008026146B4
Application number: DE200810026146
Authority: DE
Inventors: Dr. Wurms Rainer; Dr. Dengler Stefan; Matthias Brendel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2028-05-31
Also published as: DE102008026146A1

Abstract

Zylinder einer Brennkraftmaschine, der eine Zylinderlauffläche aufweist, die für einen Kolben eine obere Kolbenumkehrzone und eine untere Kolbenumkehrzone aufweist und zwischen der oberen Kolbenumkehrzone und der unteren Kolbenumkehrzone eine Zwischenzone aufweist, wobei die Zwischenzone (6) gegenüber der oberen Kolbenumkehrzone (4) und der unteren Kolbenumkehrzone (5) durchmessergrößer ausgebildet ist und die Durchmesser (8, 9) der oberen Kolbenumkehrzone (4) und der unteren Kolbenumkehrzone (5) gleich groß ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen oberer Kolbenumkehrzone (4) und Zwischenzone (6) sowie zwischen Zwischenzone (6) und unterer Kolbenumkehrzone (5) vorliegende Durchmesservariation (18) in der Mitte (12) der Zwischenzone einen maximalen Zylinderdurchmesser (19) aufweist, von der Mitte (12) zu den beidseitigen Enden (17) der Zwischenzone (6) stetig durchmesserverkleinert und 0,001 bis 0,5 mm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, der eine Zylinderlauffläche aufweist, die für einen Kolben eine obere Kolbenumkehrzone und eine untere Kolbenumkehrzone aufweist und zwischen der oberen Kolbenumkehrzone und der unteren Kolbenumkehrzone eine Zwischenzone aufweist.
Beschreibung
In heutigen Motoren wird Kolbenspiel innerhalb von Zylindern klein gehalten, da im oberen Totpunkt und im unteren Totpunkt eine gute Akustik erreicht werden soll. Das kleine Kolbenspiel führt zwangsläufig zu entsprechend größerer Reibleistung im Zylinder und damit zu höheren Leistungsverlusten.
Die DE 1 576 404 beschreibt einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, dessen Durchmesser über die Zylinderlänge veränderlich ist, um nachteilige Gestaltsänderungen eines Brennraums unter thermischen Beanspruchungen zu vermeiden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 33 35 536 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zum Begrenzen radial thermischer Ausdehnungen von Zylindern einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Zylinder eine sich mit zunehmender Temperatur in ihrer Form verändernde Zylinderwand aufweisen.
Weiterhin ist aus der WO 2008/004856 A1 eine Vorrichtung zur Energieumwandlung bekannt, mit einem in einem Zylinder axial verlagerbaren Kolben, wobei zwischen Kolben und Zylinderwand ein Abstand besteht.
Die Aufgabe betrifft einen völlig anderen Bereich. Es soll eine hinreichend kleine Reibleistung in einem Zylinder herbeigeführt werden, bei der dennoch eine gute Akustik erhalten bleibt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Zwischenzone gegenüber der oberen Kolbenumkehrzone und der unteren Kolbenumkehrzone durchmessergrößer ausgebildet ist. Die Zwischenzone ist ein Bereich des Zylinders, in dem ein Durchmesser des Zylinders – der Zylinderdurchmesser – größer ausgebildet ist als die Durchmesser der oberen Kolbenumkehrzone und der unteren Kolbenumkehrzone. Eine Erstreckung des Bereichs entlang einer Zylinderlänge liegt höchstens von der oberen bis zu der unteren Kolbenumkehrzone vor. Die Kolbenumkehrzonen bezeichnen die Bereiche in denen ein in dem Zylinder geführter Kolben seine Laufrichtung umkehrt. Dabei entsteht ein Anlagenwechsel am Kolben auf dem die Akustik basiert. Eine Durchmessererweiterung des Zylinders führt zu einer Verbesserung der Reibleistung innerhalb des Zylinders, wobei eine Durchmessererweiterung in den Kolbenumkehrzonen zu einer Verschlechterung der Akustik führen würde. Die Beibehaltung eines akustisch vorteilhaften Zylinderdurchmessers in den Kolbenumkehrzonen und eine Durchmesservariation in der Zwischenzone, die durchmessergrößer als die Kolbenumkehrzonen ausgebildet ist, indem sie eine Erweiterung des Zylinderdurchmessers aufweist, führt zu einer Verkleinerung der Reibleistung in der Zwischenzone bei einer gleichzeitigen Beibehaltung einer guten Akustik.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine zwischen oberer Kolbenumkehrzone und Zwischenzone sowie Zwischenzone und unterer Kolbenumkehrzone liegende Durchmesservariation stetig ausgebildet ist. Die Durchmesservariation beschreibt die Veränderung des Zylinderdurchmessers entlang einer Zylinderlängserstreckung, der Zylinderlänge. Aus Richtung der oberen Kolbenumkehrzone steigt der Zylinderdurchmesser in der Zwischenzone zunächst an und reduziert sich in seinem Verlauf wieder auf den Durchmesser der unteren Kolbenumkehrzone. Die stetige Ausbildung der Durchmesservariation begünstigt hierbei ein Lauf- und Dichtverhalten von dem Kolben im Zylinder und minimiert deren Verschleiß.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zwischenzone eine Mittelzone ist. Die Mittelzone liegt mittig, also an der Kolbenposition bei halbem Kolbenhub. Die Ausgestaltung der Zwischenzone als Mittelzone ermöglicht damit eine Verringerung der Reibleistung in dem Bereich des Zylinders, in dem die höchste Kolbengeschwindigkeit auftritt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zwischenzone oder die Mittelzone in ihrer Mitte einen maximalen Zylinderdurchmesser aufweist. Damit ergibt sich, dass sich die Mittelzone ausgehend von ihrer Mitte zu ihren beidseitigen Enden in Richtung der Kolbenumkehrzonen durchmesserverkleinert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Durchmesservariation von der Mitte der Zwischenzone oder der Mitte der Mittelzone zu den beidseitigen Enden der Zwischenzone oder der Mittelzone stetig verläuft. Die Durchmesservariation, also die Veränderung des Zylinderdurchmessers, verläuft stetig, um eine verschleiß- und dichtoptimale Führung des Kolbens auch bei hohen Kolbengeschwindigkeiten herbeizuführen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Übergang in der Mitte der Mittel- oder Zwischenzone ebenfalls stetig ist. Auch die Übergänge der beidseitigen Enden der Mittel- und/oder Zwischenzone in Richtung der Kolbenumkehrzonen sind aus dem gleichen Grund vorzugsweise stetig ausgeführt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die obere Kolbenumkehrzone und/oder die untere Kolbenumkehrzone zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet ist. Dies stellt die bevorzugte Ausführungsform eines Zylinders dar. Es ist ebenfalls denkbar, Zylinder für Kolben mit einem anderen, beispielsweise elliptischen, Querschnitt in einer Zwischenzone durchmessergrößer auszubilden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Durchmesser der oberen Kolbenumkehrzone und der unteren Kolbenumkehrzone gleichgroß ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Herstellung eines derartigen Zylinders dahingehend, dass zunächst ein herkömmlicher Zylinder durch Bohrung hergestellt werden kann und anschließend in einem zusätzlichen Arbeitsschritt mit der Durchmessererweiterung versehen wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Durchmesservariation 0,001 bis 0,5 mm beträgt. Dabei bezieht sich der Betrag der Durchmesservariation auf den Unterschied zwischen kleinstem und größtem Zylinderdurchmesser in der Zwischenzone.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zylinderlauffläche an einem Zylinderrohr ausgebildet ist. Die Verwendung von Zylinderrohren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn unterschiedliche Ausgestaltungen der Zwischenzone in einer Motorenbaureihe realisiert werden sollen. Derartige Zylinderrohre lassen sich im Vorfeld einfach fertigen und bei Bedarf in der Produktion schnell und einfach installieren.
Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der wie vorstehend beschrieben ausgeführt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigte die Figur eine schematische Darstellung des Zylinders im Längsschnitt.
Die Figur zeigt einen Zylinder 1 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, der eine Zylinderlauffläche 2 aufweist. Der Zylinder 1 ist entlang einer Zylinderlänge 3 in eine obere Kolbenumkehrzone 4, eine untere Kolbenumkehrzone 5 und eine Zwischenzone 6 unterteilt. Die Zwischenzone 6 ist dabei als Mittelzone 7 ausgebildet, die sich mittig zwischen der oberen Kolbenumkehrzone 4 und der unteren Kolbenumkehrzone 5 befindet. In diesem Beispiel schließt sich die Zwischenzone 6 direkt an die obere Kolbenumkehrzone 4 und an die untere Kolbenumkehrzone 5 an, wobei auch eine Ausführung denkbar ist in der zwischen den Kolbenumkehrzonen 4, 5 und der Zwischenzone 6 jeweils eine Zone herkömmlichen Zylinderverlaufs angeordnet ist. Dabei müssten die entstehenden Zonen herkömmlichen Zylinderverlaufs nicht die gleiche Längserstreckung aufweisen. Zylinder 1 weist in der oberen Kolbenumkehrzone 4 einen ersten Durchmesser 8 auf. In der unteren Kolbenumkehrzone 5 weist der Zylinder 1 einen zweiten Durchmesser 9 auf, der dem ersten Durchmesser 8 gleicht. In der Zwischenzone 6 ist ein veränderlicher Zylinderdurchmesser 10 gezeigt. Dieser erzeugt eine bogenförmige Durchmessererweiterung 11, die in einer Mitte 12 des Zylinders 1 einen maximalen Zylinderdurchmesser 19 aufweist. Die Mitte 12 ergibt sich aus einer halben Hubhöhe eines Kolbens 13, welcher ausschnittsweise dargestellt ist. Der Kolben 13 wird dabei in einer unteren Totpunktlage 14, einer oberen Totpunktlage 15 und einer Zwischenlage 16 gezeigt. Die bogenförmige Durchmessererweiterung 11 der Zwischenzone 6 ist stetig ausgeführt. Sie erweitert den Zylinder 1 jeweils ausgehend von einem der Kolbenumkehrzonen 4, 5 bis hin zur Mitte 12, wo der maximale Zylinderdurchmesser 19 vorherrscht. Die Durchmessererweiterung 11 erfolgt stetig bis zur Mitte 12 und geht in der Mitte 12 stetig über. Auch gehen beidseitige Enden 17 der Zwischenzone 6 stetig in die entsprechenden Kolbenumkehrzonen 4, 5 über. Die Stetigkeit der Durchmessererweiterung 11, insbesondere an ihren Enden 17 sowie in ihrer Mitte 12, ermöglichen dem Kolben 13 einen besonders verschleißarmen Lauf auf der Zylinderlauffläche 2. Wird der Kolben 13 aus seiner unteren Totpunktlage 14 in seine obere Totpunktlage 15 gehoben, so durchläuft er in der Zwischenzone 6 Zwischenlagen 16. In den Zwischenlagen 16 ist der Abstand des Kolbens 13 von der Zylinderlauffläche 2 größer als der Abstand in der oberen Kolbenumkehrzone 4 und in der unteren Kolbenumkehrzone 5. Dies führt dazu, dass innerhalb der Zwischenzone 6 der Kolben 13 eine geringere Reibleistung erzeugt, wodurch weniger Reibleistung und damit Verlustleistung im Zylinder 1 entsteht. Da sich aufgrund der Struktur einer Brennkraftmaschine der Kolben 13 im Bereich der Mitte 12 schneller bewegt als in den Bereichen der oberen Kolbenumkehrzone 4 und der unteren Kolbenumkehrzone 5, verstärkt sich der positive Effekt der Verminderung der Reibleistung in der Zwischenzone 6 noch weiter. Die Beibehaltung der relativ kleinen Durchmesser 8 und 9 in den Kolbenumkehrzonen 4, 5 führt dazu, dass der Kolben 13 in seiner oberen Totpunktlage 15 und unteren Totpunktlage 14 nur ein geringes Spiel aufweist, was zu einem hervorragenden akustischen Verhalten des Kolbens 13 führt. Dies gilt sowohl für einen Hub des Kolbens 13 aus der unteren Totpunktlage 14 in die obere Totpunktlage 15, als auch für den umgekehrten Hub aus der oberen Totpunktlage 15 in die untere Totpunktlage 14. Der Zylinder 1 sowie der Kolben 13 sind zylindrisch ausgeführt. Ferner ist es denkbar eine derartige Durchmesservariation 18, also die eines Zylinderdurchmessers über die Zylinderlänge 3, in einem Zylinderrohr, welches hier nicht dargestellt ist, anzuwenden.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Zylinderlauffläche
3: Zylinderlänge
4: Obere Kolbenumkehrzone
5: Untere Kolbenumkehrzone
6: Zwischenzone
7: Mittelzone
8: Durchmesser
9: Durchmesser
10: Veränderliche Zylinderdurchmesser
11: Durchmessererweiterung
12: Mitte
13: Kolben
14: Untere Totpunktlage
15: Obere Totpunktlage
16: Zwischenlage
17: Endbereich
18: Durchmesservariation
19: Maximaler Zylinderdurchmesser

Claims

Zylinder einer Brennkraftmaschine, der eine Zylinderlauffläche aufweist, die für einen Kolben eine obere Kolbenumkehrzone und eine untere Kolbenumkehrzone aufweist und zwischen der oberen Kolbenumkehrzone und der unteren Kolbenumkehrzone eine Zwischenzone aufweist, wobei die Zwischenzone (6) gegenüber der oberen Kolbenumkehrzone (4) und der unteren Kolbenumkehrzone (5) durchmessergrößer ausgebildet ist und die Durchmesser (8, 9) der oberen Kolbenumkehrzone (4) und der unteren Kolbenumkehrzone (5) gleich groß ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen oberer Kolbenumkehrzone (4) und Zwischenzone (6) sowie zwischen Zwischenzone (6) und unterer Kolbenumkehrzone (5) vorliegende Durchmesservariation (18) in der Mitte (12) der Zwischenzone einen maximalen Zylinderdurchmesser (19) aufweist, von der Mitte (12) zu den beidseitigen Enden (17) der Zwischenzone (6) stetig durchmesserverkleinert und 0,001 bis 0,5 mm beträgt.
Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenzone (6) eine Mittelzone (7) ist.
Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kolbenumkehrzone (4) und/oder die untere Kolbenumkehrzone (5) zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet ist.
Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (2) an einem Zylinderrohr ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1) nach einem/oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.