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Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolben-Brennmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 9.
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Thermisch stark belastete Bauteile bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen benötigen eine effektive, auf den besonderen Einzelfall zugeschnittene Kühlung. Ein sich in einem Kolbenraum bewegende Kolben gibt seine Wärme über die Zylinderwand an eine Kühlflüssigkeit ab. Diese Kühlung erfolgt zumeist mittels eines sogenannten Wassermantels. Eine verbreitet genutzte Herstellungsmethode für diesen Wassermantel ist, vor dem Abgießen des Zylinderkurbelgehäuses einen Sandkern an Stelle des zukünftigen Wassermantels zu positionieren so dass der später benötigte Hohlraum auf diese Weise frei von Schmelze gehalten werden kann. Nach dem Gießen und Erkalten des Zylinderkurbelgehäuses rieselt der Sandkern, nunmehr mit inaktivem Binder, aus dem auf diese Weise entstandenen Hohlraum. In diesem Hohlraum zirkuliert beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die Kühlflüssigkeit, welche die entstandene Verbrennungswärme aus dem System abführt.
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Aus dem Dokument
DE 103 38 979 A1 ist ein flüssigkeitsgekühltes Zylindergehäuse für eine Brennkraftmaschine bekannt, das eine Zylinderlaufbuchse und eine Bohrung zur Aufnahme dieser Zylinderlaufbuchse aufweist. Zwischen der Wandung dieser Bohrung und der Zylinderlaufbuchse ist ein umlaufender Kühlmittelkanal bereitgestellt, wobei die Zylinderlaufbuchse im Bereich des umlaufenden Kühlmittelkanals mit Rippen versehen ist und der Abstand zwischen dem Kopf einer dieser Rippen und der Wandung der Bohrung kleiner als 1 mm ist.
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Im Dokument
AT 002 435 U1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern in einem Kurbelgehäuse beschrieben, die in einer Reihe angeordnet sind und von einem Kühlwassermantel umgeben sind. Zur Verringerung der Baulänge des Kurbelgehäuses erstreckt sich der Kühlwassermantel von einer Deckplatte des Kurbelgehäuses bis annähernd der Hälfte der Höhe eines Kolbenraums und der Querschnitt des Kühlwassermantels verengt sich zu einem schlitzförmigen Kanal zwischen zwei benachbarten Zylindern.
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Schließlich ist im Dokument
DE 101 46 850 A1 ein Zylinderblock einer Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse aus Leichtmetall und Zylinderlaufbuchsen, die im Kurbelgehäuse eingegossen sind, beschrieben. Die hier vorgeschlagenen Zylinderlaufbuchsen weisen eine Wandstärke auf, die in axialer Richtung zum Zylinderkopf hin zumindest im Bereich des oberen Totpunktes eines in der Zylinderlaufbuchse geführten Kolbens stetig zunimmt. Vorteilhafterweise ist der mechanisch besonders beanspruchte Raum am Oberen Totpunkt auf diese Weise zusätzlich verstärkt.
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Im Hinblick auf die Kühlung bestehen besondere Anforderungen an den Kolbenraum eines Zylinderkurbelgehäuses unter anderem darin, dass zum einen besonders starke Wärmeeinträge möglichst schnell und direkt abgeführt werden müssen und dass zum anderen die Wandstärke um den Kolbenraum dick genug sein muss, um die im Kolbenraum entstehenden mechanischen Kräfte aufzunehmen. Die Zündung erfolgt am Zylinderkopf, wodurch der Koben von diesem weggeschoben wird und sich in der Folge von dem Zylinderkopf entfernt. In diesem Bereich sind die mechanischen Kräfte, die auf die Wand des Kolbenraumes wirken, besonders hoch, so dass die Wand eine minimal notwendige Wandstärke aufweisen muss. Der Kolben beschleunigt zunächst und wird dann wieder verzögert bis er an seiner entferntesten Stelle vom Zylinderkopf ruht, bevor er die Richtung wechselt und sich wieder auf den Zylinderkopf zubewegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Abführung der beim Brennprozess entstehenden Wärme in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine zu unterstützen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, wenigstens einen Kolbenraum, der eine Zylindersymmetrierichtung aufweist, wenigstens einen den Kolbenraum mindestens teilweise umschließenden Wassermantel und eine Seite mit einer Aufnahmefläche für einen Zylinderkopf. Erfindungsgemäß nimmt wenigstens in einem Abschnitt des Kolbenraums ein Abstand zwischen dem Kolbenraum und dem Wassermantel gemessen lotrecht zur Zylindersymmetrierichtung in wenigstens einem Polarwinkel in Richtung zunehmender Entfernung von der Seite monoton fallend, bevorzugt streng monoton fallend, ab, wobei sich der Abschnitt bis zu einem der Seite abgewandten Ende des Kolbenraums erstreckt.
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Mit anderen Worten, es gibt beim erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuse eine dem Zylinderkopf zugewandte Seite, die nahe am Zylinderkopf liegt, und eine andere Seite, die weiter entfernt vom Zylinderkopf liegt, wobei eine Achse in Zylindersymmetrierichtung mittig im Kolbenraum von der dem Zylinderkopf zugewandten Seite zur anderen Seite verläuft. Eine Entfernung zwischen dem Kolbenraum und dem Wassermantel wird mittels einer Normalen auf die Zylindersymmetrierichtung definiert. Erfindungsgemäß nimmt diese Entfernung zwischen dem Kolbenraum und dem Wassermantel auf wenigstens einer rechtwinkligen Linie oder Lotrechten zur Zylindersymmetrierichtung des Kolbens in einem Abschnitt bis zur anderen Seite monoton, insbesondere streng monoton, ab. Anders gesagt, je weiter der Wassermantel vom aufzunehmenden Zylinderkopf und bis zum Ende des Kolbenraums entfernt ist, desto geringer wird mindestens in einer Azimutalrichtung von der Zylindersymmetrierichtung die Wandstärke zwischen Wassermantel und Kolbenraum.
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Auf der abgewandten Seite, am Ende des Kolbenraums, kann in vorteilhafter Weise die Wand zwischen Kolbenraum und Wassermantel aufgrund geringerer mechanischer Belastung als auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite dünner ausgeführt sein. Überraschenderweise wirkt sich eine dünnere Wand gleichzeitig vorteilhaft für den Wärmeabtransport in diesem aufgrund der Verweildauer des Kolbens in diesem Abschnitt thermisch besonders belasteten Bereich aus.
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In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuses weist in unterschiedlichen Polarwinkeln der Abstand zwischen dem Kolbenraum und dem Wassermantel gemessen lotrecht zur Zylindersymmetrierichtung in Richtung zunehmender Entfernung von der Seite unterschiedliche Verläufe auf. In einem identischen Abstand zum Zylinderkopf kann der Abstand zwischen Kolben und Wassermantel in unterschiedlichen Polarwinkeln beziehungsweise Richtungen unterschiedliche Verläufe aufweisen.
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Es ist bevorzugt, dass in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuses sich der Wassermantel im Wesentlichen durchgängig von der Seite bis zum der Seite abgewandten Ende des Kolbenraums erstreckt. Der Wassermantel wird im Zylinderkurbelgehäuse durch einen den Kolbenraum umgebenden Hohlraum gebildet, der vor dem Gießen des Zylinderkurbelgehäuses mittels eines einzigen, den Kolbenraum umgebenden Kerns gebildet wird. Vorteilhafterweise kann so mehr Kühlflüssigkeit transportiert werden als in einem, in mehrere Kammern unterteilten Kühlsystem bei gleichbleibender Wandstärke.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist im Kolbenraum erfindungsgemäß keine zusätzliche Laufbuchse vorgesehen, der Kolbenraum ist frei von einer Laufbuchse oder laufbuchsenlos. Aufgrund der erfindungsgemäßen verbesserten Wärmeabführung aus dem System von Kolben und Kolbenraum ist eine Verstärkung mittels einer Laufbuchse daher vorteilhafterweise nicht notwendig. So können zusätzliche Arbeitsschritte bei der Fertigung aufgrund der Notwendigkeit eines Zusammenbaus mehrerer Bauteile eingespart werden.
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Des Weiteren oder darüber hinaus kann der Wassermantel im Abschnitt bis zum der Seite abgewandten Ende verdickt ausgeführt sein, so dass ein größerer Volumenstrom an Kühlwasser als in einem Bereich an der Seite durch den Wassermantel leitbar ist. Dadurch kann in diesem Bereich eine größere Menge Kühlflüssigkeit am Kolben vorbei geführt werden als im zugewandten Bereich zum Zylinderkopf. In diesem Bereich höchster thermischer Belastung kann so die Kühlung zusätzlich erhöht werden.
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In einer ersten Gruppe von Ausführungsformen ist das Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall gefertigt. Dies spart vorteilhafterweise Masse und damit auch Energie im Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug ein.
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In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen ist das Zylinderkurbelgehäuse aus Eisenguss gefertigt. Der Vorteil liegt hier in der erheblich höheren Temperaturbeständigkeit von Eisenguss aufgrund der erheblich höheren Schmelztemperatur im Vergleich zu Leichtmetallen.
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In einer besonders vorteilhaften Gruppe von Ausführungsformen ist das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse aus Sphäroguss gefertigt. In dieser Ausführungsform verbinden sich vorteilhafterweise die hohe Temperaturbeständigkeit von Eisenguss mit der hohen mechanischen Festigkeit von Eisenguss mit kugelförmig angeordnetem Graphit. Dies stellt einen Vorteil bezüglich der mechanischen Festigkeit zum normalen Eisenguss und einen Vorteil bezüglich der Temperaturbeständigkeit zum Leichtmetallguss dar.
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Im Zusammenhang der Erfindung steht auch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse mit einzelnen Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung.
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In spezieller Ausführung umfasst die erfindungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Hochleistungsmotor mit wenigstens einer spezifischen Leistung von 90 kW/l, insbesondere größer als 100 kW/l, bezogen auf das Hubraumvolumen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse das Zylinderkurbelgehäuse des Hochleistungsmotors. Die erfindungsgemäß realisierte Kühlung ermöglicht die Erzielung derartiger spezifischer Leistungen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 stellt schematisch die Geometrie des erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuses dar, und
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2 ist eine schematische Darstellung eines Schnittes durch Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse in einer vorteilhaften Ausführungsform.
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In der 1 ist schematisch die Geometrie des erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuses 12 in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Der zylindersymmetrische Kolbenraum 16 weist eine Zylindersymmetrierichtung 24 auf und erstreckt sich von einer Seite 20, welche einem hier nicht zeichnerisch dargestellten Zylinderkopf zugewandt ist, bis zu einem Ende 22, an welchem die Oberseite eines hier nicht zeichnerisch dargestellten Kolbens seinen Umkehrpunkt erreicht. An einem Punkt auf der Erstreckungsachse der Zylindersymmetrierichtung 24 ist eine lotrechte Linie 26 unter einem Polarwinkel 28 in der 1 gezeigt. Die Linie 26 hat eine bestimmte Länge von der Begrenzungslinie des Wassermantels 18 bis zum Erstreckungsachse der Zylindersymmetrierichtung 24. Im Verlauf der Zylindersymmetrierichtung 24 in Richtung von der Seite 20 auf das Ende 22 zu nimmt die Länge von lotrechten Linien 26 monoton, bevorzugt streng monoton ab.
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In der 2 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 mit einem Zylinderkopf 14 und einem Zylinderkurbelgehäuse 12 mit hier nur einem gezeigten Kolbenraum 16 schematisch im Schnitt dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Zylinderkopf 14 oben angeordnet, darunter liegt die dem Zylinderkopf zugewandte Seite 20 des Zylinderkurbelgehäuses 12, unten das Ende 22 des Kolbenraums 16. An der dem Zylinderkopf 14 zugewandten Seite 20 des Zylinderkurbelgehäuses 2 ist der Abstand 30 vom Kolbenraum 16 zum Wassermantel 18 größer als an der dem Zylinderkopf 12 abgewandten Seite, dem Ende 22. Darüber hinaus ist der Wassermantel 18 in Richtung des Endes 22 vom Kolbenraum 16 in 2 breiter ausgestaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hubkolben-Brennkraftmaschine
- 12
- Zylinderkurbelgehäuse
- 14
- Zylinderkopf
- 16
- Kolbenraum
- 18
- Wassermantel
- 20
- Seite
- 22
- Ende
- 24
- Zylindersymmetrierichtung
- 26
- lotrechte Linie
- 28
- Polarwinkel
- 30
- Abstand zwischen Kolbenraum und Wassermantel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10338979 A1 [0003]
- AT 002435 U1 [0004]
- DE 10146850 A1 [0005]
