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Die Erfindung betrifft einen Verbundzylinderblock für eine Brennkraftmaschine.
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Ein herkömmlicher Zylinderblock für eine interne Brennkraftmaschine wird oft aus einem Metall oder einer Metalllegierung in einem Verfahren gebildet, das häufig als Monoblockgießen bezeichnet wird. Beim Monoblockgießen wird der Zylinderblock als ein einziges Formteil gebildet und verfestigt sich als ein freistehender Guss in einem Verfahren, wie Sandguss oder Druckguss. In einer Bemühung, Gewicht zu reduzieren, wurde vor kurzem das Bilden des Zylinderblocks der Kraftmaschine aus einem Verbundmaterial untersucht. Beim Bilden eines Verbundzylinderblocks als Monoblockguss gibt es Probleme aufgrund unterschiedlicher Aushärtungsraten bei verschiedenen Dicken in dem Block, unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten zwischen dem Verbundmaterial und Blockeinsätzen und der Schwierigkeit beim Bilden komplexer innerer Formen.
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In einer Ausführungsform wird ein Zylinderblock mit einer ersten Verbundplatte mit einer ersten Oberfläche angrenzend an eine erste Vertiefung, einer zweiten Verbundplatte mit einer zweiten Oberfläche angrenzend an eine zweite Vertiefung und einer durch die erste und zweite Vertiefung empfangenen und zwischen der ersten und zweiten Platte angeordneten Zylinderbuchse bereitgestellt. Die erste Oberfläche ist dazu ausgeführt, entlang einer Ebene, die sich durch die Zylinderbuchse erstreckt, mit der zweiten Oberfläche zusammenzupassen.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bilden eines Verbundzylinderblocks bereitgestellt. Ein Klebstoff wird auf einer ersten Oberfläche und einem Teil einer ersten Vertiefung angrenzend an die erste Oberfläche einer ersten Verbundplatte aufgebracht. Ein Klebstoff wird auf einem Teil einer zweiten Vertiefung angrenzend an die zweite Oberfläche einer zweiten Verbundplatte aufgebracht. Eine Zylinderbuchse wird zwischen der ersten und zweiten Verbundplatte positioniert. Die erste und zweite Verbundplatte sind miteinander gekoppelt, so dass die Zylinderbuchse durch die erste und zweite Vertiefung empfangen wird, die erste Oberfläche mit der zweiten Oberfläche zusammenpasst, und der Teil der ersten Vertiefung und der Teil der zweiten Vertiefung mit der Buchse zusammenpassen.
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In noch einer anderen Ausführungsform wird eine Kraftmaschine mit einem Zylinderblock bereitgestellt, der eine erste und zweite gegenüberliegende Verbundseitenplatte aufweist, die eine mechanisch gekoppelte Zylinderbuchse unterstützen, die benachbarte Zylinderbohrungen entlang einer Längsachse des Blocks bildet. Die erste und zweite Seitenplatte passen entlang einer Ebene zusammen, die sich durch die Zylinderbuchse erstreckt. Die erste und zweite Seitenplatte wirken zusammen, um eine Deckfläche des Blocks und Fluiddurchgänge innerhalb des Blocks zu definieren.
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1 stellt eine schematische Darstellung einer internen Brennkraftmaschine dar, die zur Implementierung der offenbarten Ausführungsformen ausgelegt ist;
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2 stellt eine perspektivische Ansicht eines Zylinderblocks einer Kraftmaschine gemäß einer Ausführungsform in einer zusammengebauten Auslegung dar;
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3 stellt eine perspektivische Ansicht des Zylinderblocks aus 2 in einer auseinander gebauten Auslegung dar;
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4 stellt eine perspektivische Ansicht einer ersten Verbundplatte des Blocks aus 2 dar;
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5 stellt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Verbundplatte des Blocks aus 2 dar;
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6 stellt eine perspektivische Ansicht einer Zylinderbuchse für den Block aus 2 dar;
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7 stellt eine perspektivische Ansicht einer anderen Zylinderbuchse für den Block aus 2 dar; und
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8 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Verbundzylinderblocks einer Kraftmaschine gemäß einer Ausführungsform dar.
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1 ist eine schematische Darstellung einer internen Brennkraftmaschine 20. Die Kraftmaschine 20 weist mehrere Zylinder 22 auf, und ein Zylinder ist dargestellt. Die Kraftmaschine 20 kann mehrere in verschiedener Weise angeordnete Zylinder umfassen, einschließlich einer Reihenauslegung und einer V-Auslegung. Die Kraftmaschine 20 weist eine zu jedem Zylinder 22 gehörende Brennkammer 24 auf. Der Zylinder 22 wird durch Zylinderwände 32 und eine Kolbenanordnung 34 gebildet. Die Kolbenanordnung 34 ist mit einer Kurbelwelle 36 verbunden. Die Brennkammer 24 steht mit dem Einlasskrümmer 38 und dem Auslasskrümmer 40 in Strömungsverbindung. Ein Einlassventil 42 steuert den Strom aus dem Einlasskrümmer 38 in die Brennkammer 30. Ein Auslassventil 44 steuert den Strom aus der Brennkammer 30 zum Auslaßkrümmer 40. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die Einlass- und Auslassventile 42, 44 auf verschiedene Weise betrieben werden, um den Kraftmaschinenbetrieb zu steuern.
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Eine Kraftstoffeinspritzdüse 46 spritzt Kraftstoff aus einer Kraftstoffsystem direkt in die Brennkammer 30 ein, sodass die Kraftmaschine eine Kraftmaschine mit Direkteinspritzung ist. Ein Niederdruck- oder Hochdruckkraftstoffeinspritzsystem kann mit der Kraftmaschine 20 verwendet werden, oder in anderen Beispielen kann ein Kanaleinspritzsystem verwendet werden. Eine Zündanlage schließt eine Zündkerze 48 ein, die gesteuert wird, um Energie in Form eines Funkens bereitzustellen, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 30 zu zünden. In anderen Ausführungsformen können andere Kraftstoffzufuhr- und Zündsysteme oder -techniken verwendet werden, einschließlich Kompressionszündung.
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Die Kraftmaschine 20 schließt eine Steuerung und verschiedene Sensoren ein, die dazu ausgelegt sind, der Steuerung Signale zuzuführen, die verwendet werden, um die Luft- und Kraftstoffzufuhr zur Kraftmaschine, den Zündzeitpunkt, die Leistungs- und Drehmomentabgabe der Kraftmaschine und dergleichen zu steuern.
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Kraftmaschinensensoren können, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Sauerstoffsensor im Auslasskrümmer 40, eine Kraftmaschinenkühlmitteltemperatursensor, einen Fahrpedalpositionssensor, einen Kraftmaschinenkrümmerdrucksensor (MAP-Sensor), einen Kraftmaschinenpositionssensor für die Kurbelwellenposition, einen Luftmassensensor im Einlasskrümmer 38, einen Drosselklappenpositionssensor und dergleichen einschließen.
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In einigen Ausführungsformen wird die Kraftmaschine 20 als alleinige Antriebsmaschine in einem Fahrzeug verwendet, wie z. B. in einem herkömmlichen Fahrzeug oder in einem Stopp-Start-Fahrzeug. In weiteren Ausführungsformen kann die Kraftmaschine in einem Hybridfahrzeug verwendet werden, wo eine zusätzliche Antriebsmaschine wie z. B. eine elektrische Maschine verfügbar ist, um eine Zusatzleistung zum Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen.
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Jeder Zylinder 22 arbeitet in einem Viertaktzyklus, der einen Einlasshub, einen Verdichtungshub, einen Zündhub und einen Auslasshub einschließt. In anderen Beispielen kann die Kraftmaschine mit einem Zweitaktzyklus betrieben werden. Während des Einlasshubs öffnet sich das Einlassventil 42, und das Auslassventil 44 schließt sich, während die Kolbenanordnung 34 sich von der Oberseite des Zylinders 22 zur Unterseite des Zylinders 22 bewegt, um Luft aus dem Einlasskrümmer in die Brennkammer einzulassen. Die Position der Kolbenanordnung 34 an der Oberseite des Zylinders 22 ist allgemein als oberer Totpunkt (TDC – top dead center) bekannt. Die Position der Kolbenanordnung 34 an der Unterseite des Zylinders ist allgemein als unterer Totpunkt (BDC – bottom dead center) bekannt.
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Während des Verdichtungshubs werden das Einlass- und Auslassventil 42, 44 geschlossen. Der Kolben 34 bewegt sich von der Unterseite zur Oberseite des Zylinders 22, um die Luft in der Brennkammer 24 zu komprimieren.
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Kraftstoff wird dann in die Brennkammer 24 eingeleitet und gezündet. Bei der gezeigten Kraftmaschine 20 wird der Kraftstoff in die Brennkammer 24 eingespritzt und dann mithilfe einer Zündkerze 48 gezündet. In anderen Beispielen kann der Kraftstoff durch Kompressionszündung gezündet werden.
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Während des Expansionshubs expandiert das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 24, wodurch der Kolben 34 veranlasst wird, sich von der Oberseite des Zylinders 22 zur Unterseite des Zylinders 22 zu bewegen. Die Bewegung der Kolbenanordnung 34 verursacht eine entsprechende Bewegung der Kurbelwelle 36 und bewirkt eine mechanische Drehmomentabgabe der Kraftmaschine 20. Der Verbrennungsprozess, der den Expansionshub verursacht, erzeugt Belastungen und Kräfte auf die Kraftmaschine 20. Eine Kraft auf die Kraftmaschine, die durch das Verbrennungsereignis in der Kammer 24 verursacht wird, übt eine Kraft auf die Fläche 50 des Kolbens 34 aus, und mindestens ein Teil der Kraft wird über die Verbindungsstrebe 52 auf das Hauptlager und nach unten auf die Kurbelwelle 36 übertragen. Diese Kraft auf das Hauptlager kann als eine reaktive Kraft bezeichnet werden. Das Verbrennungsereignis in der Kammer 24 bewirkt auch eine Kraft auf den Zylinderkopf 62, die Befestigungspunkte, wie Kopfschrauben, zwischen dem Zylinderkopf 62 und einem Zylinderblock 60 belastet. Die Kraft auf den Zylinderkopf und die Kopfschrauben kann auch als eine Verbrennungskraft bezeichnet werden.
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Während des Auslasshubs bleibt das Einlassventil 42 geschlossen, und das Auslassventil 44 öffnet sich. Die Kolbenanordnung 34 bewegt sich von der Unterseite des Zylinders zur Oberseite des Zylinders 22, um die Abgase und Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer 24 zu entfernen, indem sie das Volumen des Raums 24 reduziert. Die Abgase strömen aus dem Brennzylinder 22 zum Auslasskrümmer 40 und zu einem Nachbehandlungssystem wie z. B. einem Abgaskatalysator.
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Die Position und Zeitsteuerung des Einlass- und Auslassventils 42, 44 sowie der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt können für die verschiedenen Kraftmaschinenhübe variiert werden.
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Die Kraftmaschine 20 kann einen Zylinderblock 60 aufweisen, der die Zylinder 22 bildet. Der Zylinderkopf 62 ist mit dem Block 60 verbunden. Der Kopf 62 umfasst die Brennkammer 24 und unterstützt auch die verschiedenen Ventile 42, 44 und die Einlass- und Auslasssysteme 38, 40. Eine Kopfdichtung oder ein anderes Dichtungselement kann zum Abdichten der Brennkammer 24 zwischen dem Block 60 und dem Kopf 62 positioniert werden.
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Ein Fluidkreislauf 70 kann auch in der Kraftmaschine 20 mit Fluiddurchgängen in dem Block 60 und/oder dem Kopf 62 bereitgestellt werden, um eine Strömung eines Fluids, wie beispielsweise Kühlmittel oder Schmiermittel, durch die Kraftmaschine zur Kühlung und/oder Schmierung bereitzustellen. Der Fluidkreislauf kann auch einen Vorratsbehälter und eine Pumpe 72, Ventile und andere Vorrichtungen umfassen.
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Die 2 stellt eine perspektivische Ansicht eines Zylinderblocks 100 gemäß einer Ausführungsform dar. Der Zylinderblock 100 kann gemäß einem Beispiel als Block 60 mit der Kraftmaschine 20 verwendet werden. Der Block 100 wird aus mehreren Komponenten oder Elementen gebildet, die einzeln gebildet und dann zusammengebaut werden, um die Struktur des Blocks bereitzustellen, wie unten beschrieben. Mindestens einige der Komponenten oder Elemente sind aus einem Verbundmaterial, um einen "Verbund"-Block bereitzustellen. Der Zylinderblock 100 ist zur Verwendung mit einer Reihendreizylinderkraftmaschine dargestellt, obwohl andere Auslegungen ebenfalls in Erwägung gezogen werden. Der Block 100 ist mit in einer siamesischen Auslegung angeordneten Zylindern 102 gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel dargestellt.
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Der Kraftmaschinenblock 100 ist mit einer Deckfläche 104 gezeigt, die dazu ausgelegt ist, mit einer entsprechenden Deckfläche eines Zylinderkopfes 62 oder einer Kopfdichtung zusammenzupassen. Der Block 100 weist Befestigungsmerkmale auf, um mit dem Zylinderkopf 62 über Kopfschrauben oder andere Befestigungselemente eine Verbindung einzugehen.
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Eine Kurbelgehäuseabdeckung (nicht dargestellt) kann bereitgestellt werden und ist mit einem Ende 106 des Blocks 100 verbunden, um das Kurbelgehäuse zu bilden und allgemein die Kurbelwelle zu umschließen, Schmiermittel zu enthalten usw. Das Ende 106 kann mit einer Fläche oder Passfläche für die Kurbelgehäuseabdeckung bereitgestellt werden. Das Ende 106 für das Kurbelgehäuse ist im vorliegenden Beispiel im Allgemeinen der Deckfläche 102 gegenüberliegend, da die Kurbelwelle allgemein dem Zylinderkopf gegenüberliegend ist. Das Ende 106 kann auch eine Stützstruktur für die Kurbelwelle, die Kurbelwellenhauptlager usw. bereitstellen.
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Der Block 100 weist eine „Einlassseite" oder Seite 108 auf, die mit den Einlassöffnungen für die Kraftmaschine verbunden ist. Der Block weist auch eine „Auslassseite" oder Seite 110 auf, die mit den Auslassöffnungen für die Kraftmaschine verbunden ist. Im Allgemeinen ist die Einlassseite 108 der Auslassseite 110 gegenüberliegend.
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Der Block 100 definiert interne Fluiddurchgänge 112 für einen Fluidmantel 114. Der in 2 dargestellte Mantel 114 ist ein Kühlmantel. Ein Fluid wie beispielsweise ein Kühl- und/oder Schmiermittel kann im Fluidmantel bereitgestellt werden und zirkulieren, wenn die Kraftmaschine zusammengebaut und in Betrieb ist. Der Block 100 kann mehr als einen Mantel 114 aufweisen, wie beispielsweise einen Kühlmantel und einen Schmiermantel mit verschiedenen Fluiden in jedem jeweiligen Mantel.
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Der Block 100 und die Kraftmaschine weisen eine Längsachse 116 auf. Die Längsachse 116 kann sich durch die Mittellinie von jedem der Zylinder 102 erstrecken, so dass die Einlassseite 108 auf einer Seite der Achse 116 ist und die Auslassseite 110 auf der anderen Seite der Achse 116 ist.
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3 stellt eine auseinandergezogene Ansicht des Blocks 100 von 3 dar, oder stellt den Block 100 in einem auseinander gebauten Zustand dar. Der Block 100 weist eine erste Verbundplatte 120, Verbundkomponente, Verbundhülle oder Verbundteil auf. Der Block weist auch eine zweite Verbundplatte 122, Verbundkomponente, Verbundhülle oder Verbundteil auf. Im vorliegenden Beispiel wird die Block-struktur 100 hauptsächlich durch nur zwei Verbundplatten gebildet. In anderen Beispielen kann eine beliebige Anzahl von Platten verwendet werden.
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Eine Buchse 124 für die Zylinder 102 oder Bohrungen der Kraftmaschine wird ebenfalls bereitgestellt und zwischen der ersten und zweiten Platte 120, 122 positioniert und durch die Platten 120, 122 gestützt. Die Buchse 124 ist dargestellt als eine einheitliche Komponente, die mehrere Bohrungen definiert; jedoch kann in anderen Ausführungsformen mehr als eine Buchse mit einem Block 100 verwendet werden, und jede Buchse kann eine oder mehrere Bohrungen definieren.
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Durch die Verwendung der ersten und zweiten Platte 120, 122, können detaillierte Merkmale in den Block 100 geformt werden ohne die Notwendigkeit für Grundkerne wie einem Wachskern oder einem ähnlich gedruckten Kern, beispielsweise zur Bildung des Kühlmantels 114. Die Trennlinien bzw. Passflächen zwischen den Platten 120, 122 können positioniert werden, um Strukturrippen in dem Block 100 bereitzustellen, um Antriebsstrangbiegung zu reduzieren, Geräusche, Vibration und Rauheit (NVH – noise, vibration, harshness) zu verringern, und die Herstellung durch Werkzeugvereinfachung und Größenreduktion zu verbessern.
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Die Platten 120, 122 sind mit Durchgängen oder Regionen zur Fluideindämmung für Schmier- und Kühlmittel konzipiert, um Fluidleckage und Fluidmischung zu verhindern, die zur Kontamination führen. Darüber hinaus können Merkmale wie detaillierte interne Strömungswiderstände und Ölablassschaber am Ende 106 des Blocks 100 in die Kurbelgehäusewände geformt werden, um Reibungsverluste, die durch gelöste Öltröpfchen und Ölnebel verursacht werden, die von der rotierenden Kurbelwellenanordnung geschleudert werden, zu verringern.
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Durch eine geeignete Dimensionierung der Platten 120, 122 können gleichmäßige mechanische Eigenschaften für den Block bereitgestellt werden. Der Legierungszylindereinsatz wird geformt, um innerhalb des Harz-/Kohlenstofffaserverbundwerkstoffs zu fallen, um das mit unähnlichen Wärmedehnungskoeffizienten verbundene Wärmeausdehnungsproblem zu mildern. Zum Beispiel wird das Zylinderbuchsensystem angebracht an und durch die Verbundplatten entlang der unteren Zylinderbohrungsregion gehalten. Ein Klebstoff oder eine Epoxidverbindung wird auf die Verbindungsflächen der Platten 120, 122 aufgebracht. Die Buchse kann sich daher thermisch in der vertikalen Richtung ausdehnen mit dem Oberteil der Buchse als freistehendes Element, das der Kopfdeckfläche ausgesetzt ist oder teilweise mit den Platten 120, 122 mit einer Verbindung bei dem Deck in Kontakt ist, während ein umgebender Wassermantel die Auslegung trennt.
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Durch die Verwendung eines Verbundblocks 100 bestehend aus Platten, wird die zu einem Zeitpunkt gegossene Materialmenge im Vergleich zu einem einstückigen Formteil oder Gussteil reduziert, da die Platten separat gebildet werden. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht eine verbesserte Kontrolle der Form der Platten 120, 122 und ermöglicht es, komplexe Formen in den Block zu formen. Die Strukturplatten 120, 122 werden miteinander verbunden, was auch die Blockfestigkeit erhöhen und die Flüssigkeitseindämmung und -trennung verbessern kann.
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Durch die Bildung des Blocks 100 unter Verwendung von Platten 120, 122, kann jede Platte 120, 122 eine einheitlichere Aushärtungsrate aufweisen. Mit einem einstückig geformten, aus einem Verbundmaterial gebildeten Block, beispielsweise einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff, unterscheiden sich die Aushärtungsraten für dünne und dicke Abschnitte, was zu Problemen bei der Herstellung führen kann. Die aus Platten bestehende Struktur des Blocks 100 ermöglicht detailliertere Fluiddurchgänge 112 als sie mit einem einstückig geformten Block zur Verfügung stehen würden.
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Probleme können auch bei einem einstückig geformten Block entstehen, da sich die Materialeigenschaften zwischen der Buchse und der Verbundblockstruktur unterscheiden. Zum Beispiel können sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einer Metallbuchse und einer Verbundblockstruktur hinreichend unterscheiden, so dass es schwer ist die Buchse zu halten, während die Verbundharz/Kohlenstofffasermaterialien, die die verbindende Struktur der physischen Form des Zylinderblocks herstellen, geformt werden. Durch die Bereitstellung eines aus Platten bestehenden Konzepts gemäß der vorliegenden Offenbarung, können die Komponenten in einer Art und Weise bemessen, gebildet und zusammengebaut werden, die die Probleme im Zusammenhang mit dem einstückigen Formen vermeidet.
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Eine erste Verbundplatte 120 wird in 4 dargestellt. Die Platte 120 weist eine erste Oberfläche 130 auf, die der Trennlinie des Blocks 100 zugeordnet wird und zu einer ersten Vertiefung 132 benachbart ist. Die Vertiefung 132 definiert einen Hohlraum, der bemessen und geformt ist, um eine Seite der Buchse 124 zu empfangen. Die Oberfläche 130 umgibt im Allgemeinen oder im Wesentlichen die Vertiefung 132, beispielsweise entlang dreier Seiten der Vertiefung 132. Die Oberfläche 130 stellt die Trennlinie für den Block 100 bereit. Die Oberfläche 130 wird von mindestens einer Ebene definiert, und die Ebene erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel durch die Längsachse 116 des Blocks 100 und durch die Buchse 124, wenn der Block 100 zusammengebaut ist. In anderen Beispielen kann die Oberfläche 130 durch mehrere Ebenen, Neigungen, Konturen und komplexe Oberflächen definiert werden, um die Trennlinie für den Block bereitzustellen. Die Oberfläche 130 kann durch mehrere beabstandete Oberflächen, wie gezeigt, bereitgestellt werden, die in einer gemeinsamen Ebene oder in mehreren Ebenen liegen.
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Die erste Verbundplatte 120 definiert einen Teil der Deckfläche 104 und einen Teil des Kurbelgehäuses 106. In einem Beispiel ist mindestens ein Teil der ersten Oberfläche 130 im Wesentlichen senkrecht zu dem Teil der Deckfläche 104 oder in einem anderen Winkel relativ zu der Deckfläche 104.
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Die zweite Verbundplatte 122 wird in 5 dargestellt. Die Platte 122 weist eine zweite Oberfläche 140 auf, die der Trennlinie des Blocks 100 zugeordnet wird und zu einer zweiten Vertiefung 142 benachbart ist. Die Vertiefung 142 definiert einen Hohlraum, der bemessen und geformt ist, um die andere Seite der Buchse 124 zu empfangen. Die Oberfläche 140 umgibt im Allgemeinen oder im Wesentlichen die Vertiefung 142 und stellt die Trennlinie für den Block 100 bereit. Die Oberfläche 140 wird von mindestens einer Ebene definiert, und die Ebene erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel durch die Längsachse 116 des Blocks 100 und ist(sind) die gleiche(n) Ebene(n), wie für die Oberfläche 130 der ersten Verbundplatte 120.
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Die zweite Verbundplatte 122 definiert einen anderen Teil der Deckfläche 104 und einen anderen Teil des Kurbelgehäuses 106. Die erste und zweite Platte 120, 122 wirken zusammen, um die Deckfläche 104 und das Ende 106 für das Kurbelgehäuse bereitzustellen.
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Wie in 3 zu sehen ist, wird die Buchse 124 zwischen der ersten und zweiten Platte 120, 122 positioniert, und wird von der ersten und zweiten Vertiefung 132, 142 empfangen und umgeben. Die erste Oberfläche 130 der ersten Platte 120 passt mit der zweiten Oberfläche der zweiten Platte 122 zusammen, wenn der Block 100 zusammengebaut wird, um die Buchse 124 zu positionieren und zu halten und den Block 100 zu bilden.
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Die erste und zweite Platte 120, 122 werden aus einem Verbundmaterial gebildet. In einem Beispiel werden die Teile 120, 122 aus einem Material, das Kohlenstofffaser einschließt, gebildet. Die Platten 120, 122 können aus einem oder mehreren Verbundmaterialien gebildet werden. Beispiele für Verbundmaterialien zur Verwendung mit den Platten 120, 122 umfassen bis zu 50% kohlenstofffaserverstärktes thermogehärtetes Verbundharz, Ester basiert oder Polyester basiert. Die Platten 120, 122 können eine einheitliche Zusammensetzung aufweisen oder können mit einer uneinheitlichen Zusammensetzung hergestellt werden.
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Die Buchse 124 wird in 6 dargestellt. Die Buchse 124 kann eine mechanisch gekoppelte Buchse für mindestens zwei benachbarte oder siamesische Zylinder sein. In dem gezeigten Beispiel ist die Buchse 124 eine mechanisch gekoppelte Buchse für drei benachbarte, siamesische Zylinder, obwohl eine beliebige Anzahl von Zylindern in Betracht gezogen wird. In anderen Beispielen kann die Buchse 124 für einen einzelnen Zylinder bereitgestellt werden, und eine Anordnung von Buchsen kann zur Verwendung mit dem ersten und zweiten Teil in dem Block 100 bereitgestellt werden.
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Die Buchse 124 kann aus einem für seine Wärme-, Reibungs- und/oder Verschleißfestigkeit während des Kraftmaschinenbetriebs ausgewählten Material hergestellt werden. Die Buchse 124 kann aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen, wie Eisen, Eisenlegierungen, Mischmetalllegierungen usw. hergestellt werden. Die Buchse 124 kann zusätzlich beschichtet werden, beispielsweise mit Stahldrahtplasmabeschichtung (PTWA). Die Buchse 124 kann verschiedene darin gebildete Durchgänge 150 aufweisen, beispielsweise in einer Zwischenbohrungsregion, die für ein(e) verbesserte(s) Zwischenbohrungskühlung und Wärmemanagement sorgt. Die inneren Oberflächen 151 der Buchse 124 stellen die Bohrungswände der Kraftmaschine bereit.
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Die Buchse 124 ist innerhalb des Blocks 100 so positioniert, dass der obere Rand 152 der Buchse 124 mit der Deckfläche 104 bündig ist. In anderen Beispielen, kann/können die Buchse 124 und/oder die Deckfläche 104 nach dem Zusammenbau bearbeitet werden, um eine ebene Oberfläche bereitzustellen.
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Die Buchse 124 umfasst eine erste Endregion 154 und eine zweite Endregion 156. Die erste Endregion 154 ist der Deckfläche 104 des Blocks benachbart. Die zweite Endregion 156 ist intern zu dem Block 100. Die zweite Endregion 156 kann eine Reihe von Vorsprüngen 158 aufweisen, wie beispielsweise Flansche, Rippen, Oberflächentexturen und dergleichen. Alternativ kann die zweite Endregion 156 eine Reihe von Nuten oder andere darin gebildete Einsenkungen 160 aufweisen. Die Oberflächenmerkmale 158, 160 an der Buchse 124 können auch makrotribologische Oberflächenmerkmale 161 sein, und können verschiedene angegebene Rauigkeiten umfassen. In dem gezeigten Beispiel weist die Buchse 124 sowohl Vorsprünge als auch Einsenkungen 160 auf. Die Oberflächenmerkmale 158, 160 können sich zu einer unteren Kante 162 der Buchse 124 erstrecken oder können von der unteren Kante 162 beabstandet sein.
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Die Buchse 124 weist eine gekrümmte äußere Oberfläche 166 basierend auf den Zylindern 102 und Zwischenbohrungsregionen auf. Die erste Vertiefung 132 des ersten Teils 120 hat eine der Buchse 124 entsprechende gekrümmte Oberfläche. Im vorliegenden Beispiel weist die Vertiefung 132 alternierende konvexe Oberflächen 170 und konkave Oberflächen 172 auf, die bemessen sind, um die Zylinderbuchse 124 zu empfangen. Der Krümmungsradius der konvexen und konkaven Oberflächen 170, 172 der Vertiefung 132 kann sich von demjenigen der äußeren Oberfläche 166 der Buchse 124 unterscheiden, so dass eine Wand der Vertiefung von einer äußeren Wand 164 der Buchse 124 beabstandet ist, wodurch, wie in 2 gezeigt ein Kühlkanal 174 zwischen der Vertiefung 132 und der Buchse 124 gebildet wird.
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Die erste Vertiefung 132 weist eine Oberfläche oder Region 176 auf, die eine entsprechende Oberflächenbehandlung bildet, wie eine Reihe von Vorsprüngen, Einsenkungen oder andere Oberflächenstrukturen oder -texturen, um der der Buchse 124 zu entsprechen. Wenn der Block 100 zusammengebaut wird, ist die Oberfläche oder die Region 176 der Vertiefung in Kontakt mit den Oberflächenmerkmalen 158, 160 der Buchse 124, und die Oberflächenmerkmale stellen eine erhöhte Kontaktfläche und eine verbesserte Verbindung oder Kopplung zwischen der Buchse und dem Teil 120 bereit.
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Die zweite Vertiefung 142 der zweiten Platte 122 hat auch eine der Buchse 124 entsprechende gekrümmte Oberfläche. Im vorliegenden Beispiel weist die Vertiefung 142 alternierende konvexe Oberflächen 180 und konkave Oberflächen 182 auf, die bemessen sind, um die Zylinderbuchse 124 zu empfangen. Der Krümmungsradius der konvexen und konkaven Oberflächen 180, 182 der Vertiefung 142 kann sich von derjenigen der äußeren Oberfläche 166 der Buchse 124 unterscheiden, so dass eine Wand 164 der Vertiefung von einer äußeren Wand der Buchse 124 beabstandet ist, wodurch, wie in 2 gezeigt ein Kühlkanal 174 zwischen der Vertiefung 142 und der Buchse 124 gebildet wird.
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Die zweite Vertiefung 142 weist eine Oberfläche oder Region 186 auf, die eine entsprechende Oberflächenbehandlung bildet, wie eine Reihe von Vorsprüngen, Einsenkungen oder andere Oberflächenstrukturen oder -texturen, um der der Buchse 124 zu entsprechen. Wenn der Block 100 zusammengebaut wird, ist die Oberfläche oder die Region 186 der Vertiefung in Kontakt mit den Oberflächenmerkmalen 158, 160 der Buchse 124, und die Oberflächenbehandlungen stellen eine erhöhte Kontaktfläche und eine verbesserte Verbindung oder Kopplungspunkt zwischen der Buchse und der Platte 122 bereit.
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Die erste Platte 120 weist eine erste Serie von Positionierungsmerkmalen 190 auf. Die zweite Platte 122 weist eine entsprechende zweite Reihe von Positionierungsmerkmalen 192 auf, bemessen und geformt, um mit der ersten Reihe von Positionierungsmerkmalen 190 zusammenzupassen oder zusammenzuwirken, um die erste und zweite Platte 120, 122 beim Zusammenbau des Blocks 100 relativ zueinander auszurichten und zu positionieren. Die Positionierungsmerkmale 190, 192 umfassen hervorstehende Merkmale, wie Dübel, Stifte, Pucks und dergleichen und entsprechende eingewölbte Merkmale. Die eingewölbten Merkmale können für eine enge Passung mit den hervorstehenden Merkmalen bemessen sein, um Bewegung zwischen den Platten 120, 122 zu reduzieren. Die Positionierungsmerkmale 190, 192 können geformt werden, um die Platten 120, 122 relativ zueinander in einem oder mehreren Freiheitsgraden zu beschränken, und in dem gezeigten Beispiel wirken die Positionierungsmerkmale 190, 192 zusammen, um die Teile 120, 122 relativ zueinander einzuschränken, um eine Verschiebung entlang der Längsachse, Translation entlang einer vertikalen Achse, und auch eine Drehung relativ zueinander zu verhindern.
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Die Positionierungsmerkmale 190, 192 sind als unmittelbar benachbart zu der jeweiligen zusammenpassenden Oberfläche 130, 140 jeder Platte dargestellt. Bei anderen Beispielen können mindestens einige der Positionierungsmerkmale 190, 192 von den zusammenpassenden Oberflächen 130, 140 beabstandet sein.
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Die erste Platte 120 definiert Fluiddurchgänge 194 oder Teile von Fluiddurchgängen. Die zweite Platte 122 definiert ebenso Fluiddurchgänge 196 oder Teile von Fluiddurchgängen. Die Fluiddurchgänge 194, 196 der ersten und zweiten Platte wirken zusammen, um den Fluidmantel 114 für den Block 100 zu bilden.
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Ein Klebstoff wird auf mindestens der ersten und/oder zweiten Oberfläche 130, 140, mindestens einem von jedem Satz entsprechender Positionierungsmerkmale 190, 192 und auf der ersten und zweiten Region 176, 186 der ersten und zweiten Vertiefung 132, 142, bereitgestellt. Der Klebstoff verbindet die Buchse 124 mit der ersten und zweiten Platte 120, 122 und verbindet die erste und zweite Platte 120, 122 miteinander. Der Klebstoff kann basierend auf dem für den Block 100 gewählten Verbundmaterial ausgewählt werden. Beispiele für den Klebstoff umfassen zwei Teile Epoxid, welches kompatibel mit Ester basiertem Harz ist. Der Klebstoff wird auf die Platten 120, 122 in den von dem Schattierungsmuster in den 4–5 angedeuteten Bereichen aufgebracht.
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7 stellt eine andere Ausführungsform eines Zylinderbuchseneinsatzes 200 zur Verwendung mit dem Block von 2 dar. Die Buchse 200 kann eine mechanisch gekoppelte Buchse für mindestens zwei benachbarte oder siamesische Zylinder sein. In dem gezeigten Beispiel ist die Buchse 200 eine mechanisch gekoppelte Buchse für drei benachbarte, siamesische Zylinder, obwohl eine beliebige Anzahl von Zylindern in Betracht gezogen wird. In anderen Beispielen kann die Buchse 124 für einen einzelnen Zylinder oder eine Anordnung von beabstandeten Buchsen bereitgestellt werden. Der Einsatz 200 wird mit einem im Allgemeinen planaren Element 202 bereitgestellt. Das Element 202 erstreckt sich über die Platten, wenn der Block zusammengebaut ist, um einen Teil der Deckfläche 104 des Blocks oder die gesamte Deckfläche 104 des Blocks bereitzustellen. Das Element 202 ist als an den Buchsenteilen 204 über Brücken 206 oder eine andere strukturelle Verbindung befestigt gezeigt. In anderen Beispielen kann das Element 202 als separate Komponente gegenüber den Buchsen 204 bereitgestellt werden, die jeweils einzeln verbunden und mit den Platten zusammengebaut sind, um den Block zu bilden. Das Element 202 wird mit verschiedenen Öffnungen und Durchgängen durch sie hindurch gebildet, die Kühlkanäle und den Kühlmittelstrom, die Verbindung von Kopfschrauben und dergleichen bereitstellen. Das Element 202 kann eine geschlossene Deckflächen-, offene Deckflächen-, oder halboffene Deckflächenauslegung für den Block bereitstellen.
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8 stellt einen Prozess oder ein Verfahren 220 zum Bilden und/oder Zusammenbauen eines Verbundblocks für eine Kraftmaschine, wie beispielsweise Block 100, dar. Verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens 220 können mehr oder weniger Schritte umfassen, und die Schritte können in einer anderen Reihenfolge als dargestellt durchgeführt werden.
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Die erste und zweite Verbundplatte oder Schalen werden bei 222 gebildet. Die Platten können unter Verwendung einer Formtechnik wie Spritzgießen usw. gebildet werden. Eine Form wird für jede Platte mit den gewünschten Merkmalen bereitgestellt. Die Form ist geformt, um die Oberflächen, Vertiefungen, Positionierungsmerkmale, Fluiddurchgänge etc. in die Platte zu bilden, so dass wenig oder keine Nachbearbeitung der Platte benötigt wird. Die Formen werden gemäß der Herstellungstechnik für die Platten bereitgestellt, und können verschiedene Matrizen, Formen, Schieber und dergleichen umfassen. Die Formen können auch verschiedene Einsätze oder Kerne umfassen, um andere Merkmale der Platten bereitzustellen. Während des Formverfahrens, kann ein Autoklav oder dergleichen verwendet werden, um das Verbundmaterial auszuhärten. Das Formverfahren kann eine Spritzgussform oder Pressform enthalten, wobei beide zum Zeitpunkt der Produktion thermisch gehärtet werden.
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Eine Buchse wird in Schritt 224 gebildet, wie beispielsweise Buchse 124. Die Buchse kann in einem Gießverfahren wie Sandguss oder Druckguss gebildet werden. Die Buchse kann aus einem Eisen oder einem Eisenlegierungsmaterial gegossen werden. Die Buchse kann unter Verwendung eines endkonturnahen Gießverfahrens gegossen werden, und kann unter Verwendung eines Hochdruck- oder Niederdruckverfahrens gegossen werden. Die Buchse wird mit den oben beschriebenen Oberflächenmerkmalen gebildet und in weiteren Beispielen können mindestens einige der Oberflächenmerkmale durch ein Bearbeitungsverfahren oder dergleichen bereitgestellt werden. In anderen Beispielen kann die Buchse durch Verwendung anderer geeigneter Herstellungstechniken gebildet werden, einschließlich unter anderem Gießen, Pulvermetallurgietechniken, Schmieden, maschinelle Bearbeitung, Druckgießen und Wärmebehandlung usw. Die innere Oberfläche der Buchse ist bearbeitet, um die Oberfläche der Zylinderwand der Kraftmaschine zu bilden.
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Bei 226 werden die Blockkomponenten, beispielsweise die Platten und die Buchse, relativ zueinander für die Anordnung in den Block positioniert. In einem Beispiel werden die Platten und die Buchse in einem Werkzeug zum Zusammenbau des Blocks 100 positioniert, so dass die Buchse zwischen der ersten und zweiten Platte, wie in 2 gezeigt, positioniert ist.
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Bei 228 wird Klebstoff auf die Oberflächen der Platten, die Regionen der Vertiefungen und/oder das Oberflächenmerkmal der Buchse aufgebracht.
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Bei 230 werden die Positionierungsmerkmale zueinander ausgerichtet und die Platten aufeinander zu bewegt und so gekoppelt, dass die erste Oberfläche mit der zweiten Oberfläche zusammenpasst und die Buchse umgeben ist durch die Verbundstruktur des Blocks und in ihr gehalten wird. Die Buchse wird durch die erste und zweite Vertiefung empfangen und passt mit einem Teil der Vertiefungen zusammen unter Bildung eines Fluiddurchgangs oder -kanals mit einem anderen Teil der Vertiefungen. Die hervorstehenden Positionierungsmerkmale werden durch die eingewölbten Positionierungsmerkmale empfangen. Ein Druck kann angewendet werden, um die Platten zusammenzuhalten, bis der Klebstoff härtet oder aushärtet. Der Klebstoff oder das Epoxid kann in einem exothermen Prozess selbsthärtend sein.
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Bei 232 kann der Block 100 bearbeitet oder anderweitig nachbearbeitet werden. Beispielsweise kann der Block 100 bearbeitet oder gefräst werden, um die Deckfläche 104, usw. zu bilden. Zusätzlich kann der Block 100 bearbeitet oder gebohrt und mit Gewinde versehen werden, um Befestigungspunkte für die Kopfschrauben, Hauptlagerdeckelbefestigungselemente usw. zu bilden.
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Bei 214 wird die Kraftmaschine 20 durch Verbinden des Zylinderkopfs und der Kurbelgehäuseabdeckung mit dem Block zusammengebaut, und die Kraftmaschine 20 kann in einem Fahrzeug angeordnet werden.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung gebrauchten Worte eher Worte der Beschreibung als der Einschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
