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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die Brennkraftmaschine dient beispielsweise dem Bereitstellen eines Antriebsdrehmoments für eine weitere Einrichtung. Sie verfügt dazu über den wenigstens einen Zylinder, wobei vorzugsweise in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Kolben axial verlagerbar angeordnet ist. Jeder Kolben ist mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden, welche dazu dient, die axiale Verlagerung des Kolbens in eine Drehbewegung umzusetzen.
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Die Geometrie des Zylinders beziehungsweise des Zylinderraums, welcher auch als Zylinderbohrung bezeichnet werden kann, hat einen deutlichen Einfluss auf die Reibungsverluste der Brennkraftmaschine. Insbesondere das Kolbenspiel beziehungsweise Kolbeneinbauspiel des Kolbens in dem Zylinderraum hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Reibung. Zudem ist das Kolbenspiel während eines Betriebs der Brennkraftmaschine aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an dem Zylinder beziehungsweise dem Kolben variabel. Aus diesem Grund kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zylinder beziehungsweise der Zylinderraum bezüglich seiner Längsmittelachse wenigstens bereichsweise konisch ausgebildet ist.
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Hierzu ist aus dem Stand der Technik beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2011 117 660 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, in dessen Zylinderraum ein zwischen einem oberen Umkehrpunkt und einem unteren Umkehrpunkt axial verlagerbarer, wenigstens einen Kolbenring aufweisender Kolben angeordnet ist. Dabei soll der Zylinderraum wenigstens zwei, in axialer Richtung nur von einem Übergangsabschnitt beabstandete zylindrische Zylinderraumabschnitte mit voneinander unterschiedlichen Radialabmessungen aufweisen. Der Übergangsabschnitt ist derart angeordnet, dass er bei einer axialen Verlagerung des Kolbens zwischen dem oberen Umkehrpunkt und dem unteren Umkehrpunkt von jedem Kolbenring des Kolbens vollständig überstrichen wird.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche besonders gute Betriebseigenschaften hat, insbesondere hinsichtlich der Reibungsverluste, der Akustik sowie der Kolbenfestigkeit. Zudem ist die Brennkraftmaschine bevorzugt einfach herstellbar.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass sich der Zylinderraum aus einem oberen Zylinderraumabschnitt und einem konisch ausgebildeten unteren Zylinderraumabschnitt zusammensetzt, wobei der obere Zylinderraumabschnitt den oberen Totpunkt und der untere Zylinderraumabschnitt den unteren Totpunkt enthält, sodass der Kolben bei seiner Bewegung während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine sowohl in den oberen Zylinderraumabschnitt als auch in den unteren Zylinderraumabschnitt wenigstens bereichsweise eingreift. Der gesamte Zylinderraum beziehungsweise der gesamte Zylinder besteht insoweit nur aus den beiden Zylinderraumabschnitten, nämlich dem oberen Zylinderraumabschnitt sowie dem unteren Zylinderraumabschnitt. Die beiden Zylinderraumabschnitte grenzen dabei in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse unmittelbar aneinander an. Während der obere Zylinderraumabschnitt grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein kann und dabei beispielsweise zylindrisch ausgestaltet ist, soll der untere Zylinderraumabschnitt mit konischer Form vorliegen. Das bedeutet, dass er wenigstens teilweise, bevorzugt jedoch über seine gesamte axiale Erstreckung (wiederum bezüglich der Längsmittelachse) als Kegelstumpf vorliegt.
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Mit einer derartigen Ausgestaltung des Zylinderraums beziehungsweise des unteren Zylinderraumabschnitts können die Reibungsverluste der Brennkraftmaschine deutlich reduziert werden. Bei herkömmlichen Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine kann es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an Zylinder und Kolben zu einem negativen Kolbeneinbauspiel, der sogenannten Überdeckung, kommen, weil der Durchmesser des Kolbens aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnung größer werden kann als der Zylinderraum im Bereich des unteren Totpunkts. Dies kann durch die erfindungsgemäße Aufweitung des Zylinderraums im Bereich des unteren Zylinderraumabschnitts vermieden werden.
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Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen, wenn der Kolben über wenigstens einen Kolbenring verfügt. Der Kolbenring bildet eine Dichtung, die einen von dem Kolben und einer Wandung des Zylinderraums begrenzten Brennraum gegen ein Kurbelgehäuse abdichtet. Zudem verbessert der Kolbenring die Wärmeleitung von dem Kolben auf den Zylinder beziehungsweise eine Zylinderlauffläche beziehungsweise Kolbenlauffläche des Zylinders. Auf diese Weise wird die Kühlung des Kolbens von dem Kolbenring unterstützt. Der Kolbenring liegt mit seinem Umfang an der Zylinderlauffläche an. Dies wird vorzugsweise durch eine von dem Kolbenring selbst bewirkte Federkraft erreicht.
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Der zwischen dem Kolben und der Zylinderlauffläche in radialer Richtung vorliegende Raum wird als Kolbenspiel bezeichnet. In modernen Brennkraftmaschinen soll dieses Kolbenspiel üblicherweise möglichst klein gehalten werden, um eine möglichst gute Akustik zu erzielen. Neben seiner axialen Bewegung beschreibt der Kolben bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine eine Kolbensekundärbewegung. Bei dieser kann ein Anschlagen des Kolbens an die Zylinderlauffläche auftreten, wodurch die Akustik der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird. Dieses Anschlagen tritt vornehmlich im Bereich des oberen Umkehrpunkts auf.
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Aufgrund des Anschlagens kommt es zur Übertragung eines Impulses auf den Zylinder. Das daraus resultierende Geräusch wird auch als Kolbenklappern oder Kolbenschlagen bezeichnet. Die Kolbensekundärbewegung kann durch eine Verringerung des Kolbenspiels vermindert werden. Dies führt jedoch gleichzeitig zu einer größeren Reibung zwischen dem Kolben und der Zylinderlauffläche und zu entsprechend größeren Reibungsverlusten.
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Während also im Bereich des oberen Totpunkts bei großen Durchmessern des Zylinderraums die Kolbensekundärbewegung die Akustik der Brennkraftmaschine beeinträchtigen kann, tritt im Bereich des unteren Totpunkts eine erhöhte Reibung auf. Beiden Effekten kann mit der Brennkraftmaschine, wie sie hier beschrieben ist, entgegengewirkt werden.
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Es ist vorgesehen, dass in dem Zylinderraum ein zwischen einem oberen Umkehrpunkt und einem unteren Umkehrpunkt axial. verlagerbarer Kolben angeordnet ist, wobei der obere Zylinderraumabschnitt den oberen Totpunkt und der untere Zylinderraumabschnitt den unteren Totpunkt enthält. Auf den Kolben wurde bereits vorstehend eingegangen. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine soll nun der Kolben zwischen den beiden Totpunkten in axialer Richtung periodisch verlagert werden. Durch die Zuordnung des entsprechenden Zylinderraumabschnitts zu dem jeweiligen Totpunkt wird erreicht, dass der Kolben bei seiner Bewegung während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine sowohl in den oberen Zylinderraumabschnitt als auch in den unteren Zylinderraumabschnitt wenigstens bereichsweise eingreift.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kolben wenigstens einen Kolbenring aufweist, der im oberen Totpunkt in dem oberen Zylinderraumabschnitt und im unteren Totpunkt in dem unteren Zylinderraumabschnitt angeordnet ist. Der Kolbenring ist vorzugsweise in einer Kolbenringnut des Kolbens angeordnet und umgreift den Kolben in Umfangsrichtung bezüglich der Längsmittelachse bevorzugt zumindest größtenteils, insbesondere vollständig. Die Zylinderraumabschnitte des Zylinderraums sind nun derart ausgestaltet, dass der Kolbenring während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine sowohl zeitabschnittsweise in dem oberen Zylinderraumabschnitt als auch zeitabschnittsweise in dem unteren Zylinderraumabschnitt vorliegt. Selbstverständlich kann es alternativ auch vorgesehen sein, dass der Kolbenring sowohl im oberen Totpunkt als auch im unteren Totpunkt in dem oberen Zylinderraumabschnitt angeordnet ist, also während jedes Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine ausschließlich in dem oberen Zylinderraumabschnitt vorliegt. Trotz einer derartigen Ausgestaltung können die bereits bezeichneten Vorteile erreicht werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der obere Zylinderraumabschnitt, vorzugsweise vollständig, zylindrisch ausgebildet ist. Durch die zylindrische Ausgestaltung kann das Kolbenspiel des vorzugsweise ebenfalls zylindrisch ausgestalteten Kolbens soweit als möglich reduziert werden. Dies führt zu einer Reduzierung der Kolbensekundärbewegung und mithin zu einer Verbesserung der Akustik der Brennkraftmaschine. Selbstverständlich kann es vorgesehen sein, dass der obere Zylinderraumabschnitt lediglich teilweise zylindrisch ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt ist er jedoch über seine gesamte Erstreckung in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse zylindrisch. Der obere Zylinderraumabschnitt ragt besonders bevorzugt bis an einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine heran beziehungsweise bis in diesen hinein. Der obere Zylinderraumabschnitt wird insoweit von dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine in wenigstens eine Richtung begrenzt.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der untere Zylinderraumabschnitt sich ausgehend von seinem dem oberen Zylinderraumabschnitt zugewandten Ende in Richtung seines von dem oberen Zylinderraumabschnitt abgewandten Endes, insbesondere bis hin zu diesem Ende, konisch aufweitet. Diese konische Aufweitung erfolgt dabei – im Längsschnitt bezüglich der Längsmittelachse gesehen – vorzugsweise stetig und/oder mit einer konstanten Steigung. Die Aufweitung des unteren Zylinderraumabschnitts beginnt unmittelbar an dem Ende, welches dem oberen Zylinderraumabschnitt zugewandt ist, also unmittelbar ausgehend von dem oberen Zylinderraumabschnitt.
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Die Aufweitung kann dabei lediglich über einen Teil der Erstreckung des unteren Zylinderraumabschnitts, also insbesondere nicht bis zu dem oberen Zylinderraumabschnitt abgewandten Ende, erfolgen. Besonders bevorzugt ist jedoch genau dies vorgesehen, sodass sich also der untere Zylinderraumabschnitt beginnend an seinem dem oberen Zylinderraumabschnitt zugewandten Ende in axialer Richtung stets vergrößert.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Aufweitung mindestens um 0,01 mm, mindestens um 0,02 mm, mindestens um 0,025 mm, mindestens um 0,05 mm, mindestens um 0,1 mm oder mindestens um 0,2 mm erfolgt. Die größte Aufweitung des unteren Zylinderraumabschnitts bezüglich seines dem oberen Zylinderraumabschnitts zugewandten Endes beträgt also zumindest die genannten Werte. Auch Werte von mindestens 0,005 mm, mindestens 0,0075 mm, mindestens 0,0125 mm, mindestens 0,15 mm, mindestens 0,175 mm, mindestens 0,225 mm, mindestens 0,25 mm, mindestens 0,275 mm oder mindestens 0,3 mm können vorgesehen sein. Eine derartige Aufweitung liegt besonders bevorzugt an den dem oberen Zylinderraumabschnitt abgewandten Ende des unteren Zylinderraumabschnitts vor.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
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1 einen Bereich einer Brennkraftmaschine, nämlich einen Längsschnitt durch einen Zylinder entlang seiner Längsmittelachse, wobei die Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform vorliegt, und
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2 einen Längsschnitt durch den Zylinder, wobei die Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform vorliegt.
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Die 1 zeigt einen Bereich einer Brennkraftmaschine 1, nämlich eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Zylinder 2, welcher einen Zylinderraum 3 aufweist. Der Zylinderraum 3 wird beispielsweise von einer Zylinderlauffläche beziehungsweise Kolbenlauffläche 4 wenigstens bereichsweise begrenzt. Der Zylinderraum 3 wird bevorzugt an seinem oberen Ende von einem Zylinderkopf 5 begrenzt und erstreckt sich bis hin zu einem unteren Ende 6 des Zylinders 2, welches beispielsweise in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 1 vorliegt. Der Zylinder 2 beziehungsweise der Zylinderraum 3 weist eine Längsmittelachse 7 auf, bezüglich welcher er bevorzugt an jeder Axialposition rotationssymmetrisch ist.
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Der Zylinderraum 3 setzt sich aus einem oberen Zylinderraumabschnitt 8 und einem unteren Zylinderraumabschnitt 9 zusammen. Der obere Zylinderraumabschnitt 8 ist vorzugsweise bezüglich der Längsmittelachse 7 zylindrisch ausgestaltet. Der untere Zylinderraumabschnitt 9 ist dagegen konisch und weitet sich ausgehend von seinem dem oberen Zylinderraumabschnitt 8 zugewandten Ende 10 kontinuierlich auf, insbesondere bis hin zu dem Ende 6, welches dem oberen Zylinderabschnitt 8 abgewandt ist.
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Der obere Umkehrpunkt 8 ist nun einem oberen Totpunkt der Brennkraftmaschine 1, der untere Zylinderraumabschnitt 9 einem unteren Totpunkt der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass ein hier nicht dargestellter Kolben, welcher innerhalb des Zylinders 2 längsbeweglich angeordnet ist, während jedes Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 1 sowohl wenigstens bereichsweise in den oberen Zylinderraumabschnitt 8 als auch in den unteren Zylinderraumabschnitt 9 eingreift. Weist der Kolben dabei einen Kolbenring auf, so kann es vorgesehen sein, dass sich dieser während jedes Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 1 innerhalb des mittels des Pfeils 11 angedeuteten Bereichs bewegt. Auch der Kolbenring liegt also während jedes Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine zumindest zeitabschnittsweise in dem oberen Zylinderraumabschnitt 8 und zumindest zeitabschnittsweise in dem unteren Zylinderraumabschnitt 9 vor.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die axiale Erstreckung des unteren Zylinderraumabschnitts 9 deutlich größer als diejenige des oberen Zylinderraumabschnitts 8. Beispielsweise ist die axiale Erstreckung des unteren Zylinderraumabschnitts 9 um den Faktor von mindestens 1,5, mindestens 2, mindestens 2,5, mindestens 3, mindestens 3,5 oder mindestens 4 größer als der obere Zylinderraumabschnitt 8.
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Die 2 zeigt einen Bereich der Brennkraftmaschine 1 in einer zweiten Ausführungsform. Diese ähnelt grundsätzlich der ersten Ausführungsform, sodass auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform liegt insbesondere in den axialen Erstreckungen des oberen Zylinderraumabschnitts 8 und des unteren Zylinderraumabschnitts 9. Im Rahmen der zweiten Ausführungsform weist nun der obere Zylinderraumabschnitt 8 eine größere Erstreckung in axialer Richtung auf als der untere Zylinderraumabschnitt 9. Beispielsweise ist der obere Zylinderraumabschnitt 8 um den Faktor von mindestens 1,1, mindestens 1,2, mindestens 1,3, mindestens 1,4 oder mindestens 1,5 größer als der untere Zylinderraumabschnitt 9.
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Es ist erkennbar, dass der Bereich 11, in welchem sich der Kolbenring während jedes Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine 1 bewegt, deutlich geringer in den unteren Zylinderraumabschnitt 9 eingreift als dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Selbstverständlich kann es alternativ auch vorgesehen sein, dass der Kolbenring während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 überhaupt nicht in den unteren Zylinderraumabschnitt 9 gelangt, sondern sich ausschließlich innerhalb des oberen Zylinderraumabschnitts 8 bewegt. Dennoch ist es auch bei einer derartigen Ausführungsform vorgesehen, dass der Kolben wenigstens bereichsweise in den unteren Zylinderraumabschnitt 9 eingreift.
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Das Ausbilden des Zylinders 2 beziehungsweise des Zylinderraums 3 in der Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise dem Kurbelgehäuse und/oder dem Zylinderkopf ist vorzugsweise durch Honen vorgesehen. Beispielsweise wird zunächst eine grobe Bearbeitung durchgeführt und anschließend im Rahmen einer Feinbearbeitung mittels des Honens eine ausreichend hohe Oberflächengüte der Kolbenlauffläche 4 hergestellt. Dabei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Honvorrichtung anstelle des Zylinderkopfes an dem Kurbelgehäuse befestigt wird. Besonders bevorzugt entspricht die Befestigung der Honvorrichtung an dem Kurbelgehäuse der Befestigung des Zylinderkopfes an dem Kurbelgehäuse. Entsprechend treten aufgrund der Befestigung für die Honvorrichtung dieselben Verformungen des Kurbelgehäuses auf wie bei befestigtem Zylinderkopf. Somit kann in dem verformten Zustand mittels der Honvorrichtung eine exakte Formgebung des Zylinders 2 beziehungsweise des Zylinderraums 3 erzielt werden. Insoweit betrifft die Erfindung vorzugsweise auch ein Verfahren zum Herstellen einer Brennkraftmaschine, die gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Zylinderraum
- 4
- Kolbenlauffläche
- 5
- Zylinderkopf
- 6
- Ende
- 7
- Längsmittelachse
- 8
- oberer Zylinderraumabschnitt
- 9
- unter Zylinderraumabschnitt
- 10
- Ende
- 11
- Pfeil
