DE102015003039A1

DE102015003039A1 - Anordnung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015003039A1
Application number: DE102015003039.6A
Authority: DE
Inventors: Roland Lochmann; Bartek Zielniewicz
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-09-15
Also published as: US20180051648A1; US10415497B2; WO2016142478A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (10, 100, 200) umfassend eine Zylinderlaufbuchse (12) oder eine in ein Kurbelgehäuse (11) eingebrachte Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors, einen in der Zylinderlaufbuchse (12) bzw. der Zylinderbohrung aufgenommenen Kolben (13) mit einem umlaufenden Feuersteg (16) sowie einen in der Zylinderlaufbuchse (12) bzw. Zylinderbohrung aufgenommenen, sich axial parallel zum Feuersteg (16) erstreckenden ringförmigen Einsatz (20). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zylinderlaufbuchse (12) bzw. die Zylinderbohrung an ihrem oberen freien Ende (12a) eine radial nach innen gerichtete umlaufende Schulter (12b) aufweist, dass der ringförmige Einsatz (20) entlang seinem oberen umlaufenden freien Rand (22) um seinen Umfang verteilt mindestens zwei einander gegenüberliegende Sicken oder Anprägungen (23) aufweist, die auf der umlaufenden Schulter (12b) aufliegen

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend eine Zylinderlaufbuchse oder eine in ein Kurbelgehäuse eingebrachte Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors, einen in der Zylinderlaufbuchse bzw. der Zylinderbohrung aufgenommenen Kolben mit einem umlaufenden Feuersteg sowie einen in der Zylinderlaufbuchse bzw. Zylinderbohrung aufgenommenen, sich axial parallel zum Feuersteg erstreckenden ringförmigen Einsatz.
Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der DE 101 37 548 A1 bekannt. Sowohl die Zylinderlaufbuchse als auch der Einsatz dieser gattungsgemäßen Anordnung weisen korrespondierende umlaufende Fasen auf, entlang derer der Einsatz an der Zylinderlaufbuchse anliegt. Die Fasen müssen jedoch sehr exakt gearbeitet sein, um eine ausreichende Passgenauigkeit des Einsatzes an der Zylinderlaufbuchse zu gewährleisten.
Eine weitere Anordnung ist aus der DE 10 2006 060 330 A1 bekannt. Der dort beschriebene Einsatz ist in einer in die Innenwand der Zylinderlaufbuchse bzw. der Zylinderbohrung einbrachten umlaufenden Ausnehmung aufgenommen. Diese Ausnehmung schwächt einerseits die Wand der Zylinderlaufbuchse aufgrund der in diesem Bereich reduzierten Wanddicke, andererseits erhöht eine derartige Ausnehmung die Gefahr von Rissbildungen in diesem Bereich auf der Ausbildung kerbwirkungsbezogener Spannungsspitzen.
Der ringförmige Einsatz einer derartigen Anordnung dient dazu, die sich im Motorbetrieb auf dem Feuersteg des Kolbens anlagernde Ölkohle abzustreifen und einen Kontakt der Ölkohle mit den Laufflächen der Zylinderlaufbuchse bzw. der Zylinderbohrung zu vermeiden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Anordnung derart weiterzubilden, dass sie einfach herstellbar ist, ohne die Innenwand der Zylinderlaufbuchse zu schwächen oder die Gefahr von Rissbildungen zu erhöhen.
Die Lösung besteht darin, dass die Zylinderlaufbuchse bzw. die Zylinderbohrung an ihrem oberen freien Ende eine radial nach innen gerichtete umlaufende Schulter aufweist, dass der ringförmige Einsatz entlang seinem oberen umlaufenden freien Rand um seinen Umfang verteilt mindestens zwei einander gegenüberliegende Sicken oder Anprägungen aufweist, die auf der umlaufenden Schulter aufliegen.
Zugleich mit dem Wegfall der umlaufenden Ausnehmung für den ringförmigen Einsatz tragen auch die erfindungsgemäß vorgesehenen Sicken oder Anprägungen zu einer Reduzierung der Spannungen im ringförmigen Einsatz bei. Berechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) zeigten, dass die Vergleichsspannungen in einem ringförmigen Einsatz mit umgelegtem oder abgeschrägtem Bund am oberen umlaufenden freien Rand zwei- bis drei Mal so hoch sind wie in dem erfindungsgemäßen Einsatz.
Erst die Kombination aus diesen beiden Vorteilen ermöglicht einen dünnwandigen ringförmigen Einsatz unter Vermeidung einer die Wand der Zylinderlaufbuchse schwächenden Ausnehmung und unter Vermeidung von Spannungsspitzen, welche zu Rissbildungen führen können.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Höhe der Schulter kann gleich Null sein, so dass die erfindungsgemäß vorgesehenen Sicken oder Anprägungen in einem Freiraum zwischen Zylinderlaufbuchse bzw. Zylinderbohrung und dem sie überdeckenden Zylinderkopf bzw. der sie überdeckenden Zylinderkopfdichtung liegen.
Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass der ringförmige Einsatz mehr als zwei Sicken oder Anprägungen aufweist, die gleichmäßig über den Umfang des ringförmigen Einsatzes verteilt sind. Damit wird die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Einsatz und der Zylinderlaufbuchse bzw. der Zylinderbohrung weiter erhöht und die Stabilität der erfindungsgemäßen Anordnung optimiert.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen zwei Sicken oder Anprägungen größer als die äußere Umfangslänge jeder Sicke oder Anprägung, um die Formstabilität des ringförmigen Einsatzes zu optimieren.
Die Sicken oder Anprägungen sind vorzugsweise im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig oder V-förmig ausgebildet und/oder in der Draufsicht im Wesentlichen wannenförmig, kastenförmig oder rechteckförmig ausgebildet. Derartig geformte Sicken oder Anprägungen können besonders einfach mittels eines Prägeverfahrens hergestellt werden.
Der ringförmige Einsatz kann mittels Presspassung oder Spielpassung in der Zylinderlaufbuchse bzw. der Zylinderbohrung aufgenommen sein, abhängig von den Erfordernissen des Einzelfalls.
Die Wanddicke (D) des ringförmigen Einsatzes beträgt vorzugsweise 0,5 mm bis 1,5 mm.
Der ringförmige Einsatz kann beispielsweise als geschlossener Ring ausgebildet sein. In technisch besonders einfacher Weise kann ein solcher Einsatz aus einem bandförmigen Halbzeug gebogen sein, wobei seine freien Enden fest miteinander verbunden werden, bspw. durch Schweißen, Kleben oder Löten, so dass eine Fügenaht resultiert.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der ringförmige Einsatz als offener, vorgespannter, einen Ringstoß aufweisenden Ring ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind der ringförmige Einsatz und die Zylinderlaufbuchse bzw. das Kurbelgehäuse aus Werkstoffen hergestellt, die jeweils Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, deren Unterschied vorzugsweise weniger als 50% beträgt.
In montiertem Zustand sind ferner eine Zylinderkopfdichtung und ein Zylinderkopf vorgesehen. Der umlaufende freie Rand des Einsatzes kann dann sowohl von der Zylinderkopfdichtung als auch vom Zylinderkopf, und zwar mit oder ohne Spiel, überdeckt sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt;
2 eine vergrößerte perspektive Darstellung des ringförmigen Einsatzes gemäß 1;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, teilweise im Schnitt;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, teilweise im Schnitt.
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 10. Die Anordnung 10 umfasst erfindungsgemäß ein Kurbelgehäuse 11 mit einer darin aufgenommenen Zylinderlaufbuchse 12 sowie einem in der Zylinderlaufbuchse 12 aufgenommen Kolben 13.
Anstelle der Zylinderlaufbuchse 12 kann selbstverständlich auch eine in das Kurbelgehäuse 11 eingebrachte Zylinderbohrung vorgesehen sein (nicht dargestellt). Alle nachfolgenden Erläuterungen gelten somit auch für derartige Zylinderbohrungen.
Der Kolben 13 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf 14 mit einem Kolbenboden 15, einem umlaufenden Feuersteg 16 sowie einer umlaufenden Ringpartie mit in Ringnuten aufgenommenen Kolbenringen 17 auf.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung 10 weist ferner in an sich bekannter Weise einen Zylinderkopf 18 und eine zwischen dem Zylinderkopf 18 und dem Kurbelgehäuse 11 bzw. der Zylinderlaufbuchse 12 angeordnete Zylinderkopfdichtung 19 auf. Der Zylinderkopf 18 überdeckt sowohl einen Teil der Zylinderlaufbuchse 12 als auch einen ringförmigen Einsatz 20 (siehe unten).
Zwischen dem Feuersteg 16 des Kolbens 13 und der Innenwand der Zylinderlaufbuchse 12 ist ein ringförmiger Einsatz 20 angeordnet. Der ringförmige Einsatz 20 ist im Bereich der oberen Totpunktlage des Kolbens 13 in der Zylinderlaufbuchse 12 aufgenommen, d. h. im Bereich der Bewegungsumkehr des Kolbens 13 im Motorbetrieb.
Die axiale Höhe H des ringförmigen Einsatzes 20 ist geringer als die axiale Höhe h des Feuerstegs 16. Damit wird der gesamte obere Bereich des Feuerstegs 16, der dem Brennraum am nächsten liegt und daher am meisten der Anlagerung von Ölkohle ausgesetzt ist, während der Hubbewegung des Kolbens 13 im Motorbetrieb vom ringförmigen Einsatz 20 überstrichen. Damit ist gewährleistet, dass etwa sich ablagernde Ölkohle vollständig und zuverlässig vom Feuersteg 36 entfernt wird.
Der ringförmige Einsatz 20 ist im Ausführungsbeispiel als Stanzteil aus einem Stahlblech ausgebildet, wobei die Wanddicke D im Ausführungsbeispiel 0,8 mm beträgt. Der ringförmige Einsatz 20 kann auch aus einem Blech oder Stahlblech geschnitten sein. Der ringförmige Einsatz 20 kann gebogen oder als Tiefziehteil geformt sein.
Der ringförmige Einsatz kann auch als Abschnitt aus einem vorgefertigten dünnwandigen Rohr hergestellt sein.
Der ringförmige Einsatz 20 ist im Ausführungsbeispiel für eine Zylinderlaufbuchse 12 mit einem Innendurchmesser von 130 mm gefertigt. Der ringförmige Einsatz 20 wird im Ausführungsbeispiel als Blechstreifen ausgestanzt und entweder im gleichen Arbeitsgang oder anschließend zu einem offenen Ring geformt. Im Ausführungsbeispiel werden die freien Enden des Rings gefügt, also fest miteinander verbunden, vorzugsweise mittels Schweißen, so dass eine Fügenaht 21 resultiert, wie sie in 2 strichpunktiert angedeutet ist.
Der ringförmige Einsatz 20 kann selbstverständlich auch als offener, vorgespannter, einen Ringstoß aufweisenden Ring ausgebildet sein (nicht dargestellt).
Erfindungsgemäß weist die Zylinderlaufbuchse 12 an ihrem oberen freien Ende 12a eine radial nach innen gerichtete umlaufende Schulter 12b auf. Der ringförmige Einsatz 20 ist erfindungsgemäß entlang seinem oberen umlaufenden freien Rand 22 mit um seinen Umfang verteilten, eingeprägten Sicken oder Anprägungen (im Folgenden: Sicken) 23 versehen. Im Ausführungsbeispiel sind mehr als zwei Sicken 23 vorgesehen, von denen jedoch lediglich zwei dargestellt sind. Die Sicken 23 liegen erfindungsgemäß auf der umlaufenden Schulter 12b auf. Auf diese Weise wird der ringförmige Einsatz 20 in der Zylinderlaufbuchse gehalten.
Die Sicken 23 sind gleichmäßig über den Umfang des ringförmigen Einsatzes verteilt. Der Abstand A zwischen zwei Sicken 23 ist dabei größer ist als die äußere Umfangslänge L jeder Sicke 23.
Im Ausführungsbeispiel sind die Sicken 23 im Querschnitt im Wesentlichen etwa L-förmig ausgebildet mit einem langen Schenkel 23a und einem angedeuteten kurzen Schenkel 23b. Im Ausführungsbeispiel sind die Sicken 23 in der Draufsicht im Wesentlichen wannenförmig ausgebildet. In dieser Ausgestaltung können die Sicken technisch besonders einfach in den umlaufenden freien Rand 22 des ringförmigen Einsatzes 20 eingeprägt werden.
Der ringförmige Einsatz 23 wird von oben in die Zylinderlaufbuchse 12 eingeschoben, bis die Sicken 23 auf der umlaufenden Schulter 12b der Zylinderlaufbuchse 12 aufliegen. Im Ausführungsbeispiel ist der ringförmige Einsatz 20 mittels Spielpassung in der Zylinderlaufbuchse 12. Der ringförmige Einsatz 20 kann aber selbstverständlich auch mittels Presspassung in der Zylinderlaufbuchse 12 aufgenommen sein, insbesondere dann, wenn er als offener, vorgespannter, einen Ringstoß aufweisender Ring ausgebildet ist.
Der ringförmige Einsatz 20 und die Zylinderlaufbuchse 12 sind im Ausführungsbeispiel aus Werkstoffen hergestellt sind, die jeweils vergleichbare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass ihre Wärmeausdehnung im Motorbetrieb im Wesentliche gleiche Werte aufweist, so dass der ringförmige Einsatz 20 unabhängig von den herrschenden Temperaturen im Verbrennungsmotor stets sicher in der Zylinderlaufbuchse gehalten ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Zylinderlaufbuchse 12 aus Grauguss mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12 × 10^–6 × 1/Kmm hergestellt. Der ringförmige Einsatz 20 ist im Ausführungsbeispiel aus ferritischem Edelstahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10,5 × 10^–6 × 1/Kmm hergestellt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 100. Die Anordnung 100 entspricht im Wesentlichen der Anordnung 10 gemäß 1, so dass gleiche Bauteile und Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Zylinderkopfdichtung 119 die Zylinderlaufbuchse 112 fast vollständig überdeckt und der Zylinderkopf 18 lediglich den umlaufenden freien Rand 22 des ringförmigen Einsatzes 20 überdeckt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 200. Die Anordnung 200 entspricht im Wesentlichen der Anordnung 10 gemäß 1, so dass gleiche Bauteile und Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Zylinderkopfdichtung 219 sowohl die Zylinderlaufbuchse 112 als auch den umlaufenden freien Rand 22 des ringförmigen Einsatzes 20 überdeckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10137548 A1 [0002]
DE 102006060330 A1 [0003]

Claims

Anordnung (10, 100, 200) umfassend eine Zylinderlaufbuchse (12) oder eine in ein Kurbelgehäuse (11) eingebrachte Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors, einen in der Zylinderlaufbuchse (12) bzw. der Zylinderbohrung aufgenommenen Kolben (13) mit einem umlaufenden Feuersteg (16) sowie einen in der Zylinderlaufbuchse (12) bzw. Zylinderbohrung aufgenommenen, sich axial parallel zum Feuersteg (16) erstreckenden ringförmigen Einsatz (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse (12) bzw. die Zylinderbohrung an ihrem oberen freien Ende (12a) eine radial nach innen gerichtete umlaufende Schulter (12b) aufweist, dass der ringförmige Einsatz (20) entlang seinem oberen umlaufenden freien Rand (22) um seinen Umfang verteilt mindestens zwei einander gegenüberliegende Sicken oder Anprägungen (23) aufweist, die auf der umlaufenden Schulter (12b) aufliegen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Schulter (12b) gleich Null ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (20) mehr als zwei Sicken oder Anprägungen (23) aufweist, die gleichmäßig über den Umfang des ringförmigen Einsatzes (20) verteilt sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen zwei Sicken oder Anprägungen (23) größer ist als die äußere Umfangslänge (1) jeder Sicke oder Anprägung (23).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken oder Anprägungen (23) im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig oder V-förmig ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken oder Anprägungen (23) in der Draufsicht im Wesentlichen wannenförmig, kastenförmig oder rechteckförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (20) mittels Presspassung oder Spielpassung in der Zylinderlaufbuchse (12) bzw. der Zylinderbohrung aufgenommen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (D) des ringförmigen Einsatzes (20) höchstens 1,5 mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (20) als geschlossener Ring ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (20) aus einem bandförmigen Halbzeug gebogen ist und die freien Enden über eine Fügenaht (21) fest miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden miteinander verschweißt, verklebt oder verlötet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (20) als offener, vorgespannter, einen Ringstoß aufweisenden Ring ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (20) und die Zylinderlaufbuchse (12) bzw. das Kurbelgehäuse aus Werkstoffen hergestellt sind, die jeweils Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, deren Unterschied weniger als 50% beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Zylinderkopfdichtung (19) und ein Zylinderkopf (18) vorgesehen sind und dass der umlaufende freie Rand (22) des Einsatzes (20) von der Zylinderkopfdichtung (19) mit oder ohne Spiel überdeckt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Zylinderkopfdichtung (19) und ein Zylinderkopf (18) vorgesehen sind und dass der umlaufende freie Rand (22) des Einsatzes (20) vom Zylinderkopf (18) mit oder ohne Spiel überdeckt ist.