DE102009024227B4

DE102009024227B4 - Zylinderkurbelgehäuse

Info

Publication number: DE102009024227B4
Application number: DE200910024227
Authority: DE
Inventors: Manuel Michel; Dipl.-Ing. Detlef (FH) Nowotni; Dipl.-Ing. Holger (FH) Mai
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: DE102009024227A1

Abstract

Zylinderkurbelgehäuse mit einer nicht zylindrisch verlaufenden Zylinderbohrung (4), die durch eine Zylinderlaufbahn (6) begrenzt ist, wobei die Zylinderbohrung (4) sich zu einem oberen Totpunkt (OT) hin konisch verjüngt, und mit einem Kolben (10) mit einem Kolbenring (12), der in der Zylinderbohrung (4) beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dabei der Kolbenring (12) in seinem Durchmesser derart bemessen ist, dass bei einer Betriebstemperatur des Motors eine thermische Ausdehnung des Kolbenrings (12) im Bereich des oberen Totpunktes (OT) und ein verjüngter Durchmesser (d1) der Zylinderbohrung (4) sich in derart addieren, dass der Kolbenring (12) im oberen Totpunkt (OT) an der Zylinderlaufbahn (6) spielfrei anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Zylinderkurbelgehäuse sind z. B. aus der EP 1205658 A1 oder der DE 1916168 A bekannt
Moderne Hochleistungsmotoren werden durch stetig höhere Drücke und Temperaturen belastet, so dass an dem Bereich um eine Zylinderbohrung und an einem Kolben, der darin beweglich gelagert ist, stets steigende Anforderungen gestellt werden, was die Temperaturbeständigkeit und mechanische Belastbarkeit angeht.
Um diesen Anforderungen zu begegnen, kann man einerseits die Werkstoffeigenschaften lokal anpassen, was beispielsweise durch den Einsatz von Zylinderlaufbuchsen geschehen kann. Ein Beispiel für den Einsatz einer Zylinderlaufbuchse wird in der DE 103 28 526 B4 gegeben.
Andererseits ist es notwendig, durch hoch präzise Bearbeitungsverfahren, die auf dem Honverfahren basieren, die belasteten Oberflächen im Bereich der Zylinderbohrung oberflächentechnisch zu optimieren. Beispiele hierfür sind in der DE 102 14 374 A1 , der DE 10 2007 023 297 A1 oder auch in der EP 1321229 A1 gegeben.
Eine weitere Anforderung besteht darin, dass der Kolben bzw. der ihn umgebende Kolbenring möglichst eng an einer Zylinderlauffläche, die die Oberfläche der Zylinderbohrung bildet, anliegt, um möglichst wenig unverbrannten Treibstoff vorbeilaufen zu lassen (blow-by-Effekt). Zudem ist ein enges Anliegen des Kolbenrings an der Zylinderlauffläche wünschenswert, damit bei der Verdichtung des Treibstoff-Luftgemisches genügend Druck aufgebaut wird, um den Kolben wieder nach unten zu drücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Zylinderkurbelgehäuse bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik bezüglich Reibverhalten im Zusammenwirken von Kolben und Zylinderlaufbahn verbessert ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1.
Das Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1 weist mindestens eine Zylinderbohrung auf, die von einer Zylinderlaufbahn begrenzt wird. Die Zylinderbohrung zeichnet sich dadurch aus, dass sie nicht zylindrisch verläuft.
Der nicht zylindrische Verlauf bewirkt, dass an bestimmten Bereichen der Zylinderbohrung ein Kolben, der von einem Kolbenring umgeben wird, enger, bevorzugt spielfrei an der Zylinderlaufbahn anliegt.
Dieses enge, spielfreie Anliegen des Kolbenrings, das durch eine konische Verjüngung des Durchmessers der Zylinderbohrung bewirkt wird, ist im Bereich eines oberen Totpunktes gegeben. Unter oberen Totpunkt versteht man den oberen Umkehrpunkt eines Kolbens während seiner Auf- und Ab-Bewegung. In diesem oberen Totpunkt ist das Treibstoff-Luft-Gemisch am stärksten verdichtet und wird gezündet. Hierbei ist ein enges Anliegen des Kolbenrings an der Zylinderlauffläche besonders vorteilhaft. Außerdem kann der Kolbenring an dieser Stelle Öl abstreifen, das er vorher zur Schmierung mitgeführt hat und das möglichst nicht in den Verbrennungsbereich oberhalb des Kolbens gelangen soll.
Der nicht zylindrische Verlauf ist derart ausgestaltet, dass am unteren Totpunkt ein größeres Spiel besteht und dadurch weniger Reibleistung.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring in der Art ausgestaltet ist, dass er sich bei Erreichen einer Betriebstemperatur des Motors so ausdehnt, dass er bei einem verjüngten Durchmesser der Zylinderbohrung im Bereich des oberen Totpunktes spielfrei anliegt.
Diese Addition des thermischen Ausdehnungsverhaltens des Kolbenrings und der gezielt eingebrachten geometrischen Verjüngung der Zylinderbohrung bewirkt, dass ein optimal enges (spielfreies) Anliegen des Kolbenrings vorliegt. Hierbei wird der Kolbenring weder zu stark an die Zylinderlauffläche angepresst, was die Reibungsverluste erhöhen würde, noch wird zu viel Spielraum gelassen, so dass sich bei Verbrennung des Gemisches dieses am Kolbenring vorbei ausbreiten könnte.
Weitere Details sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Spezialbeschreibung unter Erläuterung der einzigen Figur hervorgehoben.
Dabei zeigt die Figur einen Querschnitt durch eine Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses, in der ein Kolben beweglich gelagert ist.
In der Figur ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Zylinderbohrung 4 in einem Zylinderkurbelgehäuse 2 eines Verbrennungsmotors gegeben. Dabei kann es sich prinzipiell gleichermaßen um einen Otto-Motor handeln, bei dem eine Zündung des Treibstoff-Luft-Gemisches durch äußere Einwirkung (Zündkerzen) erfolgt oder es kann sich um einen Dieselmotor handeln, bei dem eine Selbstzündung durch höhere Verdichtung erfolgt.
Es handelt sich bei der Darstellung in 1 ferner um die Darstellung lediglich einer Zylinderbohrung 4, wobei die meisten Motoren vier oder mehr Zylinder aufweisen, die hier nicht dargestellt sind.
Die Zylinderbohrung 4 wird hierbei von einer Zylinderlaufbahn 6 begrenzt. Innerhalb der Zylinderbohrung 4 ist ein Kolben 10 beweglich gelagert. Der Kolben 10 ist in seinem oberen Bereich von einem Kolbenring 12 umgeben, der in einer umlaufenden Nut 13 des Kolbens 10 mit Spiel eingesetzt ist. Der Kolbenring 12 besteht häufig auf Basis einer Eisenlegierung, wobei der Kolben 10 an sich in der Regel auf einer Aluminiumlegierung basiert (seltener ist der Kolben 10 auf Kohlenstoffbasis oder auf Basis eines anderen Leichtbauwerkstoffes wie Magnesium ausgebildet).
Im unteren Bereich des Kolbens ist ein Bolzen 14 eingebracht, der ein oberes Pleuelauge 15 einer Pleuelstange 16 umschließt. Die Pleuelstange 16 ist in ihrem unteren Ende mit einem nicht dargestellten unteren Pleuelauge mit einer ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden. Aufgrund der exzentrischen Bewegung der Kurbelwelle wird das Pleuel 16 und der Kolben 10 auf und ab bewegt, was durch den Doppelpfeil 18 veranschaulicht ist.
Oberhalb des Zylinderkurbelgehäuses 2 ist – ebenfalls sehr schematisch dargestellt – ein Zylinderkopf 8 angeordnet. Im Zylinderkopf befinden sich die nicht dargestellten Ventile und Einspritzdüsen sowie gegebenenfalls bei Otto-Motoren die Zündkerzen. In einem Brennraum 20 oberhalb des Kolbens 10 wird das eingebrachte (nicht dargestellte) Treibstoff-Luftgemisch verbrannt, wobei es sich explosionsartig ausdehnt und dabei den Kolben 10 nach unten bewegt.
Den Punkt in dem der Kolben 10 sich nach Darstellung in der Figur befindet, nennt man oberer Totpunkt OT, dies ist der obere Umkehrpunkt des Kolbens 10 in seiner Auf- und Ab-Bewegung.
Die Zylinderbohrung 4 ist so ausgestaltet, dass sie sich bezüglich ihres Durchmessers von einem unteren Totpunkt UT, also einem unteren Umkehrpunkt, bei dem sie einen Durchmesser d₂ aufweist, bis zu ihrem oberen Totpunkt OT, bei dem sie einen Durchmesser d₁ aufweist, konisch verjüngt. Dabei muss der konische Verlauf nicht zwangsläufig über die gesamte Distanz vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt erfolgen. Vielmehr kann die konische Verjüngung auch erst kurz vor dem oberen Totpunkt einsetzen. Ebenfalls ist ein stufenförmiger Absatz unterhalb des oberen Totpunktes OT denkbar, an dem sich der Durchmesser von d₂ auf d₁ reduziert.
Betrachtet man das Temperaturprofil der Zylinderbohrung entlang einer Zylinderachse, so liegt im Bereich des oberen Totpunktes OT eine höhere Temperatur T₁ vor, als im Bereich des unteren Totpunktes UT (T₂ < T₁). Dies resultiert daher, dass im oberen Bereich der Zylinderbohrung 4, oberhalb des Kolbens 10, die Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemisches stattfindet.
Die konische Verjüngung des Durchmessers der Zylinderbohrung 4 soll bewirken, dass der Kolbenring 12 im oberen Totpunkt OT möglichst spielfrei an der Zylinderlaufbahn 6 anliegt. Das spielfreie Anliegen bewirkt, wie bereits einleitend beschrieben, dass Öl im oberen Totpunkt OT abgestreift wird und dadurch nicht in den Brennraum 20 gelangen kann und dass der Kolben bei der Explosion des Treibstoff-Luft-Gemisches besser abdichtet, damit die gesamte Ausdehnungsenergie des Gemisches auf den Kolben wirkt. Hierdurch wird insbesondere bei selber Leistung weniger Treibstoff benötigt, wodurch der CO₂-Ausstoß des Fahrzeugs verringert wird.
Dieses spielfreie Anliegen des Kolbenrings 12 ist besonders gut dadurch zu erreichen, indem bei der Auslegung der Kolbenringgeometrie berücksichtigt wird, dass ein Temperaturgradient entlang der Zylinderachse vorliegt. Die höhere Temperatur T₁ im Bereich des oberen Totpunktes OT sollte bei der Geometrie des Kolbenrings 12 der ebenfalls einen inneren und einen äußeren Durchmesser aufweist, berücksichtigt werden. Dabei ist zu bedenken, dass sich der Kolbenring 13 sowohl nach innen, zum Kolben 10 hin und nach außen, zur Zylinderlaufbahn 6 hin, ausdehnt. Beide Ausdehnungen sind reversibel und ändern sich mit der Motorbetriebstemperatur und – wenn auch in geringerem Umfang – während der Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens 10.
Erst wenn die schwankende Ausdehnung des Kolbenrings durch Messung der Temperaturverteilung innerhalb der Zylinderbohrung 4 berücksichtigt ist, kann der Kolbenring 12 in der Art dimensioniert werden, dass er im Bereich des oberen Totpunktes OT spielfrei anliegt, wobei er auch nicht zu fest an die Zylinderlaufbahn 6 angepresst ist, um weitere Reibungsverluste zu vermeiden.
Der konische Verlauf der Zylinderbohrung 4 kann bevorzugt durch ein Honverfahren realisiert werden.

Claims

Zylinderkurbelgehäuse mit einer nicht zylindrisch verlaufenden Zylinderbohrung (4), die durch eine Zylinderlaufbahn (6) begrenzt ist, wobei die Zylinderbohrung (4) sich zu einem oberen Totpunkt (OT) hin konisch verjüngt, und mit einem Kolben (10) mit einem Kolbenring (12), der in der Zylinderbohrung (4) beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dabei der Kolbenring (12) in seinem Durchmesser derart bemessen ist, dass bei einer Betriebstemperatur des Motors eine thermische Ausdehnung des Kolbenrings (12) im Bereich des oberen Totpunktes (OT) und ein verjüngter Durchmesser (d₁) der Zylinderbohrung (4) sich in derart addieren, dass der Kolbenring (12) im oberen Totpunkt (OT) an der Zylinderlaufbahn (6) spielfrei anliegt.
Zylinderkurbelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht zylindrische Verlauf der Zylinderbohrung (4) durch ein Honverfahren erzielt wird.