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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einer Zylinderbohrungswand, die eine Zylinderbohrung definiert, in der mindestens ein Kolben verschiebbar ist, so dass ein Mantelabschnitt des mindestens einen Kolbens mit der mindestens einen Zylinderbohrungswand in Eingriff steht.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Verfügbarkeit von Öl in einem Spalt oder Grenzbereich, der durch einen Zylindermantel und eine Zylinderbohrungswand eines Verbrennungsmotors definiert ist, ist zur Verringerung von Geräusch und Reibungsverlusten während des Motorbetriebs wünschenswert. In der Nähe der Zündung am oberen Totpunkt des Expansions- oder Arbeitshubs des Kolbens, wo die Drücke in dem Zylinder die Schublast erhöhen, die von einem Mantelabschnitt des Kolbens gegen die Zylinderbohrungswand ausgeübt wird, kann eine Erhöhung des Kontakts zwischen dem Mantelabschnitt und der Zylinderbohrungswand infolge eines Eindringens eines Ölfilms auftreten. Eine Erhöhung der Ölquantität in dem Grenzbereich an dem oberen Totpunkt kann durch mehrere Verfahren erreicht werden, wie zum Beispiel durch eine Erhöhung der Ölmenge, die von rotierenden Komponenten des Motors in den Grenzbereich gespritzt oder geleitet wird, durch ein Vorsehen von Ölspritzvorrichtungen, die Öl zu dem Grenzbereich leiten, und durch ein Zurückhalten einer Ölmenge während des Aufwärtshubs des Kolbens, d. h. während der Bewegung des Kolbens von einer unteren Totpunktposition zu einer oberen Totpunktposition.
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Aus der
DE 10 2005 019 488 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem bewegte Bauteile eine oleophobe Beschichtung aufweisen. Die
DE 40 05 047 A1 beschreibt eine als Zylinderkopfdichtung verwendbare Flachdichtung, die einen Bereich mit oleophober Beschichtung aufweist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, in dem einem Grenzbereich zwischen Zylindermantel und Zylinderbohrungswand auf einfache Weise Öl zuführbar ist, während gleichzeitig die Ölmenge gering gehalten wird, die in die Verbrennungskammer eintritt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Es wird ein Verbrennungsmotor geschaffen, der ein Zylindergehäuse mit mindestens einer Zylinderbohrungswand aufweist, die mindestens eine Zylinderbohrung definiert. Mindestens ein Kolben ist in der mindestens einen Zylinderbohrung hin und her bewegbar. Der mindestens eine Kolben weist mindestens einen Mantelabschnitt auf, vorzugsweise mit einem tonnenförmigen Profil. Die Zylinderbohrungswand weist eine oleophobe Charakteristik auf, während der mindestens eine Mantelabschnitt eine oleophile Charakteristik aufweist. Oleophil bezieht sich auf die Eigenschaft, eine starke Affinität für Öl aufzuweisen, während sich oleophob auf die Eigenschaft bezieht, eine verringerte oder keine Affinität für Öle aufzuweisen. Die oleophobe und oleophile Charakteristik wird durch eine Beschichtung und/oder eine Bearbeitung der mindestens einen Zylinderbohrungswand bzw. des mindestens einen Mantelabschnitts erzeugt.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors sind Öltröpfchen, die sich an der mindestens einen Zylinderbohrungswand des Zylindergehäuses bilden, infolge der oleophoben Charakteristik instabil, d. h. infolge eines großen Kontaktwinkels zwischen den Öltröpfchen und der Zylinderbohrungswand, was dazu führt, dass die Öltröpfchen entweder von der Zylinderbohrungswand tropfen oder den mindestens einen Mantelabschnitt kontaktieren und infolge der oleophilen Charakteristik des mindestens einen Mantelabschnitts an diesem anhaften, d. h. infolge eines kleinen Kontaktwinkels zwischen den Öltröpfchen und dem mindestens einen Mantelabschnitt. Auf diese Weise wird das Öl geliefert, um den Kolben zu schmieren, wenn er sich in der mindestens einen Zylinderbohrung verschiebt, während die Ölmenge verringert wird, welche die mindestens eine Zylinderbohrungswand des Zylindergehäuses benetzt oder an dieser anhaftet.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zur Ausführung der Erfindung ersichtlich, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Beziehung gesetzt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine quer verlaufende unvollständige Schnittansicht eines Verbrennungsmotors, teilweise im Aufriss, die einen darin hin und her bewegbaren Kolben darstellt; und
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2 ist eine vergrößerte oder ausgedehnte quer verlaufende unvollständige Schnittansicht eines Abschnitts des Verbrennungsmotors von 1, abgegrenzt durch den gestrichelten Kreis 2, welche Öltropfchengeometrien für einen Mantelabschnitt des Kolbens und eine Zylinderbohrungswand darstellt, die eine Zylinderbohrung des Verbrennungsmotors definiert.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Auf 1 der Zeichnungen Bezug nehmend, ist ein Abschnitt eines Verbrennungsmotors gezeigt, der allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet ist. Der Motor 10 weist ein Zylindergehäuse 12 auf, das mehrere Zylinderbohrungen 13 mit im Wesentlichen zylindrischen Wänden 14 definiert, von denen nur eine gezeigt und beschrieben ist. Ein Ende der Zylinderbohrung 13 verschließt ein Zylinderkopf 16, der mit einem Kopfabschnitt 18 eines Kolbens 20 zusammenwirkt, um eine Verbrennungskammer mit variablem Volumen 22 zu definieren. Der Zylinderkopf 16 definiert Einlass- und Auslassöffnungen 24 bzw. 26, die durch jeweilige Tellerventile 28 und 30 selektiv geöffnet werden. Die Einlass- und Auslassöffnungen 24 und 26 sind in selektiver Kommunikation mit der Verbrennungskammer 22 vorgesehen, um für eine Zufuhr von Luft oder eines Luft/Kraftstoffgemischs in die Verbrennungskammer 22 bzw. für den Ausstoß von Verbrennungsprodukten aus der Verbrennungskammer 22 zu sorgen.
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Der Kolben 20 weist einen ersten Mantelabschnitt 32 und einen allgemein gegenüberliegenden zweiten Mantelabschnitt 34 auf, die von dem Kopfabschnitt 18 herabhängen oder sich von diesem erstrecken. Ein ringförmiger Ringbandabschnitt 36 erstreckt sich peripher zwischen dem Kopfabschnitt 18 und dem ersten und zweiten Mantelabschnitt 32 und 34. Ein Bolzenaugenabschnitt 38 erstreckt sich von dem Kopfabschnitt 18 und ist zwischen dem ersten und zweiten Mantelabschnitt 32 und 34 vorgesehen. Der Ringbandabschnitt 36, gezeigt in 1, ist mit mehreren umlaufenden axial beabstandeten Kolbenringnuten versehen, die in dem vorliegenden Fall aus einer ersten Ringnut 40, die sich am nächsten zu dem Kopfabschnitt 18 erstreckt, einer zweiten Ringnut 42, die von der ersten Ringnut 40 in einer Richtung von dem Kopfabschnitt 18 weg beabstandet ist, und einer dritten Ringnut 44 besteht, die von der zweiten Ringnut 42 in einer Richtung weiter weg von dem Kopfabschnitt 18 beabstandet ist.
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Die erste Ringnut 40 ist mit einem ersten Kompressionsring 46 versehen, während die zweite Ringnut 42 mit einem zweiten Kompressionsring 48 versehen ist. Zusätzlich ist die dritte Ringnut 44 mit einem Ölabstreifring 50 versehen. Der erste und zweite Kompressionsring, 46 und 48, haben die doppelte Aufgabe, die Verbrennungskammer 22 gegen den Durchgang von darin unter Druck stehenden Gasen zu dem Kurbelgehäuse 52 abzudichten und den Durchgang von schmierendem Öl, das durch Pfeile 64 in 1 dargestellt ist, in die Verbrennungskammer 22 zu begrenzen.
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Der Kolben 20 ist für eine verschiebbare Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung 13 angeordnet. Der erste und zweite Kolbenmantelabschnitt 32 und 34 sind in Eingriff bringbar, um den Kolben 20 bei seiner Hin- und Herbewegung zu führen und Schubkräfte zu absorbieren, die durch die Zylinderbohrungswand 14 auf den Kolben 20 ausgeübt werden können. Der Kopfabschnitt 18 bildet, wie zuvor erwähnt, eine Wand der Verbrennungskammer 22, die während einer Bewegung des Kolbens 20 die Ausdehnung oder die Kontraktion der Verbrennungskammer 22 verursacht, wie es für den Betrieb in einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors erforderlich ist.
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Um den Kolben 20 als ein Mittel zur Entwicklung von Leistung zu verwenden, ist der Kolben 20 mit einer Kolbenbolzenbohrung 54 versehen, die durch eine im Wesentlichen umlaufende Bolzenbohrungsoberfläche 55 definiert ist und sich axial durch den Bolzenaugenabschnitt 38 erstreckt. Die Kolbenbolzenbohrung 54 ist dimensioniert, um einen Kolbenbolzen 56 aufzunehmen. Der Kolbenbolzen 56 verbindet den Kolben 20 durch eine Pleuelstange 58 mit einer exzentrischen Kröpfung 60 einer Kurbelwelle 62. Somit bewirkt die Hin- und Herbewegung des Kolbens 20 in der Zylinderbohrung 13 die Drehung der Kurbelwelle 62. Die Drehrichtung der Kurbelwelle 62 ist durch den Pfeil 63 von 1 angegeben. Die Winkelposition der Pleuelstange 58 bezogen auf die Bohrung 13 variiert, wenn sich die Kurbelwelle 62 dreht, so dass Kräfte, die auf den Kolben 20 in axialer Richtung wirken, teilweise in eine Seitenschubkomponente aufgelöst werden, die abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen quer zu dem Kolben 20 wirkt und Schubkräfte zwischen dem ersten und zweiten Kolbenmantelabschnitt 32 und 34 und der Zylinderbohrungswand 14 verursacht. Da ein großer Teil der Kolbenkräfte von den Gasdrücken in der Verbrennungskammer 22 herrührt, variieren die Schubkräfte, die auf den Kolben 20 wirken, mit diesen Gasdrücken. Daher wirken die größten Schubkräfte, welche durch Verbrennungsgasdrücke verursacht werden, auf eine Seite des Kolbens 20, die als die Haupt-Schubseite 67 bezeichnet wird. Die gegenüberliegende Seite des Kolbens 20, die als die Neben-Schubseite 69 bezeichnet wird, weist geringere Schubkräfte auf, die hauptsächlich durch Kompressionsdrücke in der Verbrennungskammer 22 verursacht werden, die an Größe geringer sind als die Verbrennungsgasdrücke.
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Bei einem Viertaktverbrennungsmotor muss die Kurbelwelle zwei volle Umdrehungen, d. h. 720 Grad, für jeden Verbrennungszyklus ausführen. Die erste Drehung von 180 Grad ist der Expansions- oder Arbeitshub. Während des Arbeitshubs üben die sich schnell ausdehnenden Verbrennungsgase eine Kraft auf den Kolben aus und treiben ihn von einer oberen Totpunktposition (TDC-Position) oder der Spitze des Hubs zu einer unteren Totpunktposition (BDC-Position) oder dem Tiefpunkt des Hubs. Es geschieht während des Arbeitshubs, dass chemische Energie des Kraftstoff/Luft-Ladungsgemisches in mechanische Energie umgewandelt wird. Die Drehung von 180 nach 360 Grad ist der Ausstoßhub. Während des Ausstoßhubs bewegt sich der Kolben von der BDC-Position zu der TDC-Position und treibt die verbrannten Gase oder Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder. Die Drehung von 360 nach 540 Grad ist der Ansaughub, in dem das Luft/Kraftstoffgemisch in den Zylinder eingeleitet wird, wenn sich der Kolben von der TDC-Position zu der BDC-Position bewegt. Die Drehung von 540 nach 720 Grad ist der Kompressionshub. Während des Kompressionshubs wird das Luft/Kraftstoffgemisch komprimiert, wenn sich der Kolben von der BDC-Position zu der TDC-Position bewegt, nach welcher Zeit sich der Zyklus wiederholt. Fachleute der Motorausgestaltung werden erkennen, dass die Kurbelwelle nur eine volle Drehung, d. h. 360 Grad, für jeden Verbrennungszyklus eines Zweittaktverbrennungsmotors ausführen muss.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 wird das Öl 64 in den Grenzbereich zwischen der Zylinderbohrungswand 14 und dem ersten und zweiten Mantelabschnitt 32 und 34 geleitet, um eine Schmierung und eine Wärmeübertragung zwischen diesen zu begünstigen. Das Öl 64 kann durch Spritzölung, durch Öl, das aus Lager ausgestoßen wird, und/oder durch alternative Verfahren, wie zum Beispiel Ölspritzdüsen, geliefert werden.
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Nun auf 2 Bezug nehmend und unter weiterer Bezugnahme auf 1, ist eine vergrößerte unvollständige Schnittseitenansicht eines in 1 durch den gestrichelten Kreis 2 abgegrenzten Abschnitts des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Obwohl nur der erste Mantelabschnitt 32 in 2 gezeigt ist, werden Fachleute erkennen, dass eine ähnliche Struktur und ähnliche Eigenschaften, die unten erläutert werden, gleichermaßen auf den zweiten Mantelabschnitt 34 anwendbar sind. Die Oberfläche 65 des ersten Mantelabschnitts 32 des Kolbens 20 ist derart gezeigt, dass sie eine im Wesentlichen tonnenförmige Kontur oder ein im Wesentlichen tonnenförmiges Profil 66 darstellt; das heißt, die Oberfläche 65 des ersten Mantelabschnitts 32 nähert sich der Zylinderbohrungswand 14 bis zu einem zentral auf dem ersten Mantelabschnitt 32 angeordneten Punkt an, wenn sie sich von dem in 1 gezeigten Ringband 36 erstreckt, und entfernt sich danach von der Zylinderbohrungswand 14, so dass eine im Wesentlichen konvexe Form erreicht wird. Es versteht sich, dass der zweite Mantelabschnitt 34 ein dem ersten Mantelabschnitt 32 ähnliches tonnenförmiges Profil aufweist. Ein Film 68 des Öls 64 bildet einen Punkt, an dem sich der erste Mantelabschnitt 32 und die Zylinderbohrungswand 14 in enger Nachbarschaft befinden, und er dient dazu, um die Reibung zwischen dem ersten und zweiten Mantelabschnitt 32 und 34 und der Zylinderbohrungswand 14 zu verringern.
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Der Verbrennungsmotor
10 ist dadurch charakterisiert, dass der erste und zweite Mantelabschnitt
32 und
34 eine größere Benetzbarkeit durch das Öl
64 als die Zylinderbohrungswand
14 aufweisen. Mit anderen Worten ist der Kontaktwinkel O der Öltröpfchen
70, die sich auf dem erstem Mantelabschnitt
32 bilden, kleiner als der Kontaktwinkel Φ der Öltröpfchen
72, die sich auf der Zylinderbohrungswand
14 des Zylindergehäuses
12 bilden. Vorzugsweise ist die Oberfläche
65 des ersten Mantelabschnitts
32 derart ausgebildet, dass sie als oleophil oder super-oleophil charakterisiert werden kann, wohingegen die Zylinderbohrungswand
14 derart ausgebildet ist, dass sie als oleophob oder super-oleophob charakterisiert werden kann. Fachleute werden erkennen, dass sich oleophil auf die Eigenschaft bezieht, eine starke Affinität für Öl aufzuweisen, während sich oleophob auf die Eigenschaft bezieht, eine verringerte oder keine Affinität für Öl aufzuweisen. Die Kontaktwinkel Θ und Φ können durch die Youngsche Gleichung ermittelt werden:
wobei γ
SV die Festkörper-Dampf-Grenzflächenenergie ist, γ
SL die Festkörper-Flüssigkeits-Grenzflächenenergie ist und γ
LV die Flüssigkeit-Dampf-Grenzflächenenergie ist (d. h. die Oberflächenspannung). Die oleophilen Eigenschaften des ersten Mantelabschnitts
32 und die oleophoben Eigenschaften der Zylinderbohrungswand
14 können durch eine Oberflächenbehandlung geschaffen werden, wie zum Beispiel eine Oberflächenbeschichtungs- und/oder -bearbeitungsstrategie, die eine Textur auf der Mikro- und Nanometerskala erzeugen wird, um die Ölbenetzbarkeit und die Anhaftbarkeitscharakteristiken der Zylinderbohrungswand
14 und des ersten und zweiten Mantelabschnitts
32 und
34 zu ändern. Eine beispielhafte oleophile Oberflächenbeschichtung ist eine Nickel/Siliziumcarbidmatrix oder Zinkoxid, während eine beispielhafte oleophobe Oberflächenbeschichtung aus einem Fluorpolymer, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen oder PTFE, gebildet werden kann.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 sind die Öltröpfchen 72, die sich auf der Zylinderbohrungswand 14 des Zylindergehäuses 12 bilden, infolge des großen Kontaktwinkels Φ instabil, was dazu führt, dass die Öltröpfchen 72 entweder von der Zylinderbohrungswand 14 tropfen oder den ersten Mantelabschnitt 32 kontaktieren und an diesem anhaften. Auf diese Weise wird das Öl 64 geliefert, um den Kolben 20 zu schmieren, wenn er sich in der Zylinderbohrung 13 verschiebt, während die Menge des Öls 64 verringert wird, welche die Zylinderbohrungswand 14 des Zylindergehäuses 12 benetzt. Durch das Verringern der Benetzung der Zylinderbohrungswand 14 wird die Menge des Öls 64 verringert, der es möglich ist, den Ölabstreifring 50 und den zweiten und ersten Kompressionsring 48 und 46 zu überqueren. Dies verringert wiederum die Kohlenwasserstoffemissionen infolge des Verbrennens des Öls 64 in der Verbrennungskammer 22 des Verbrennungsmotors 10, während eine ausreichende Menge des Öls 64 erhalten wird, um den Film 68 während des Aufwärtshubs (d. h. während der Bewegung des Kolbens 20 zwischen der BDC-Position und der TDC-Position) zu erhalten, um eine ausreichende Schmierung nahe dem TDC zu gewährleisten und dadurch Verluste infolge von Reibung sowie Geräusch infolge des Kontakts zwischen dem ersten Kolbenmantel 32 und der Zylinderbohrungswand 14 zu verringern.
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Während die besten Weisen, die Erfindung auszuführen, detailliert beschrieben wurden, werden Fachleute, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche auszuüben.
