DE102017200047A1

DE102017200047A1 - Brennkraftmaschine umfassend einen modular aufgebauten Zylinderblock

Info

Publication number: DE102017200047A1
Application number: DE102017200047.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Kraemer; Klaus-Peter Heinig; Martin Wirth; Kevin Durand Byrd; Cliff E. Maki; Mark W. THIBAULT
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Brennkraftmaschine mit- mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder (3), und- mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock (1) zur Aufnahme einer Kurbelwelle (2) in mindestens zwei Kurbelwellenlagern (2a), bei der- jeder Zylinder (3) einen Brennraum umfasst, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr (4) und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse (3a) translatorisch verschiebbar ist, und- der Zylinderblock (1) modular aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet ist, dass- der modular aufgebaute Zylinderblock (1) eine rumpfartige Gehäusestruktur (1a) umfasst, in welche zylinderkopfseitig eine plattenartige Decke (5) eingesetzt ist, die in der Gehäusestruktur (1a) befestigt ist und welche zur Aufnahme und Lagerung des Zylinderrohres (4) des mindestens einen Zylinders (3) mindestens einen rahmenartigen Durchbruch (5a) aufweist, und- in der Decke (5) mehrere Bohrungen (5b) vorgesehen sind, die mit Bohrungen in dem mindestens einen Zylinderkopf korrespondieren, wobei der mindestens eine Zylinderkopf mit der Decke (5) unter Verwendung von in die Bohrungen (5b) eingeführten Verbindungselementen (7) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit

- mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, und
- mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme einer Kurbelwelle in mindestens zwei Kurbelwellenlagern, bei der
- jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse translatorisch verschiebbar ist, und
- der Zylinderblock modular aufgebaut ist.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder bzw. Brennräume miteinander verbunden sind bzw. werden. Nach dem Stand der Technik sind zum Verbinden im Zylinderkopf und im Zylinderblock korrespondierende Bohrungen vorgesehen, wobei der Zylinderblock und der Zylinderkopf im Rahmen der Montage durch Aufeinanderlegen ihrer Montageseiten in der Weise zueinander angeordnet werden, dass die Bohrungen miteinander fluchten. Mittels Verbindungselementen, beispielsweise Schrauben oder Gewindestangen, die in die Bohrungen des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks eingeführt und verschraubt werden, wird dann eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet. Zur Abdichtung der Brennräume wird in der Regel zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf eine Dichtung angeordnet. Auf die einzelnen Bauteile wird im Folgenden kurz eingegangen.
Der Zylinderkopf dient zur Aufnahme der Steuerorgane und bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme der Ventiltriebe im Ganzen. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die mindestens eine Auslassöffnung und das Füllen des Brennraums über die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Auslassöffnungen werden regelmäßig zusammengeführt, häufig zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung und vorzugsweise unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes. Durch Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf verkürzen sich die Abgasleitungen und Wege zu einer gegebenenfalls stromabwärts vorgesehenen Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystemen, wodurch vorteilhafte Effekte erzielt werden.
Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich auch durch eine sehr kompakte Bauweise aus, die ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit gestattet. Zudem kann an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, in der Art, dass der Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden muss.
Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden.
Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben eine entsprechende Anzahl an Zylinderrohren auf. Der Kolben jedes Zylinders einer Brennkraftmaschine wird entlang der Zylinderlängsachse axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen den Zylinderblock bzw. das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
Die Kolben dienen der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist jeder Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
Die im Kurbelgehäuse in mindestens zwei Kurbelwellenlagern gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung der Ventiltriebe.
Regelmäßig wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse dabei durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte.
Der Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ist ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil, wobei die Anforderungen an den Zylinderblock weiter zunehmen. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig, vorzugsweise mittels Abgasturboauflader oder mechanischem Lader, aufgeladen werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, d. h. den Wirkungsgrad zu verbessern. Dadurch steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks, so dass erhöhte Anforderungen an die Konstruktion des Zylinderblocks gestellt werden müssen.
Gleichzeitig ist man bestrebt, das Gewicht des Zylinderblocks weitestgehend zu reduzieren, da es ein grundsätzliches Ziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, und die Gewichtsreduzierung als eine Maßnahme anzusehen ist, mit der sich der Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine unmittelbar und spürbar senken lässt.
Ein Konzept zur Reduzierung des Gewichts des Zylinderblocks besteht darin, den Block modular aufzubauen und die einzelnen Module bzw. Komponenten aus einem Werkstoff zu fertigen, welcher der Funktion der jeweiligen Komponente entspricht bzw. gerecht wird und gleichzeitig zu einem möglichst geringen Gewicht der Komponente führt. Aus den gleichen Erwägungen wird bei der Fertigung von Zylinderköpfen bereits regelmäßig Aluminium verwendet.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über einen modular aufgebauten Zylinderblock.
Die DE 10 2014 224 827 A1 beschreibt einen modular aufgebauten Zylinderblock. Dabei wird die rumpfartige Gehäusestruktur des Zylinderblocks aus einem Verbundmaterial, beispielsweise einem Polymer oder einer Kohlefaser, mittels Thermoformen gefertigt, wobei sich das Verbundmaterial durch eine hohe Festigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht auszeichnet. Die Zylinderrohre hingegen sind aus einem anderen Material gefertigt bzw. können andere Materialien umfassen, beispielsweise Metall, insbesondere Gusseisen oder Aluminium, welches ein höheres spezifisches Gewicht aufweist, aber im Gegensatz zu einem Verbundmaterial thermisch hoch belastbar ist. Auf diese Weise lässt sich das Gewicht des Zylinderblocks reduzieren. Die einzelnen Komponenten des Zylinderblocks erhalten die jeweils erforderliche thermische und mechanische Festigkeit und verfügen über die erforderliche Dauerhaltbarkeit. Dabei wird auch dem Umstand Rechnung getragen, dass die den Brennraum eines Zylinders begrenzenden Wandungen aufgrund der hohen thermischen Beanspruchung regelmäßig nicht aus einem Verbundmaterial wie Kohlefaser oder Polymer gefertigt werden können, sondern vielmehr ein Metall erfordern.
Nachteilig an dem in der DE 10 2014 224 827 beschriebenen Zylinderblock ist, dass sich der modular aufgebaute Zylinderblock im Betrieb der Brennkraftmaschine unter Wärmeeintrag stark und in nachteiliger Weise verformen kann. Dies resultiert aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe bzw. dem sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der einzelnen Komponenten des Zylinderblocks sowie der gewählten Konstruktion, d. h. dem Aufbau des Blocks. Während sich die aus einem Verbundmaterial gefertigte Gehäusestruktur des Blocks bei Erwärmung nahezu nicht ausdehnt bzw. verformt, d. h. im Wesentlichen formstabil ist, erfahren die aus anderen Materialien, insbesondere Metall, gefertigten Komponenten, wie beispielsweise die Zylinderrohre, eine mehr oder weniger starke Formänderung, die von der thermischen Beanspruchung im Einzelnen abhängt.
Die unterschiedliche Formänderung der Komponenten des Zylinderblocks kann dazu führen, dass die zur Abdichtung der Brennräume zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf vorgesehene Dichtung ihre Funktion nicht mehr erfüllen kann, d. h. versagt.
Wird die thermische Ausdehnung eines Zylinderrohres behindert oder eingeschränkt, beispielsweise durch eine formstabile Gehäusestruktur, kann das Zusammenwirken von Kolben und Zylinderrohr in nachteiliger Weise beeinflusst werden, insbesondere die Reibung bzw. Reibleistung der Brennkraftmaschine erhöht werden, wobei ein Kolbenklemmen nicht auszuschließen ist. Gegebenenfalls kann Öl in die Brennräume gelangen und Verbrennungsgase bzw. Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse.
Weitere gravierende Probleme können auftreten, falls der Zylinderblock flüssigkeitsgekühlt ist, so wie der Zylinderblock der DE 10 2014 224 827 , der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, der das Kühlmittel durch den Zylinderblock führt. Dabei wird ein Teil der den Kühlmittelmantel begrenzenden Wandung von den Zylinderrohren ausgebildet, wobei der im Zylinderblock integrierte Kühlmittelmantel via Kanälen bzw. Durchgängen in der Montagefläche mit einem im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlmittelmantel strömungstechnisch in Verbindung steht.
Wird der Hohlraum, welcher als integrierter Kühlmittelmantel dient, durch mehrere Komponenten ausgebildet, deren thermisches Ausdehnungsverhalten aufgrund verschiedener Werkstoffe unterschiedlich ist, kann sich im Betrieb der Brennkraftmaschine unter Wärmeeintrag eine Kühlmittelleckage, gegebenenfalls eine Verbindung zwischen dem Kühlmittelmantel und einem Brennraum oder einem Kurbelraum und damit in das Motoröl, ausbilden.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden, weshalb Brennkraftmaschinen zunehmend mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden. Insofern lässt sich das vorstehende Problem betreffend die Kühlmittelleckage nicht durch einen Verzicht auf eine Flüssigkeitskühlung eliminieren.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, deren modular aufgebauter Zylinderblock hinsichtlich eines geringen Gewichts konstruiert ist, wobei der Zylinderblock hinsichtlich des thermischen Ausdehnungsverhaltens gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit

- mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, und
- mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock zur Aufnahme einer Kurbelwelle in mindestens zwei Kurbelwellenlagern, bei der
- jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse translatorisch verschiebbar ist, und
- der Zylinderblock modular aufgebaut ist,

- der modular aufgebaute Zylinderblock eine rumpfartige Gehäusestruktur umfasst, in welche zylinderkopfseitig eine plattenartige Decke eingesetzt ist, die in der Gehäusestruktur befestigt ist und welche zur Aufnahme und Lagerung des Zylinderrohres des mindestens einen Zylinders mindestens einen rahmenartigen Durchbruch aufweist, und
- in der Decke mehrere Bohrungen vorgesehen sind, die mit Bohrungen in dem mindestens einen Zylinderkopf korrespondieren, wobei der mindestens eine Zylinderkopf mit der Decke unter Verwendung von in die Bohrungen eingeführten Verbindungselementen verbunden ist, so dass auch der mindestens eine Zylinderkopf und der Zylinderblock miteinander verbunden sind.

Der modular aufgebaute Zylinderblock einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt im Gegensatz zum Stand der Technik über eine plattenartige zylinderkopfseitig angeordnete Decke als separate bzw. vereinzelte Komponente. Diese plattenartige Decke ist zur Aufnahme mindestens eines Zylinderrohres mit mindestens einem rahmenartigen Durchbruch ausgestattet und wird im Rahmen der Montage zylinderkopfseitig in eine rumpfartige Gehäusestruktur des Zylinderblocks eingesetzt. Die rumpfartige Gehäusestruktur ist eine weitere Komponente des modular aufgebauten Zylinderblocks.
Dieser erfindungsgemäße Aufbau des Zylinderblocks ermöglicht es, insbesondere die mindestens eine plattenartige Decke und das mindestens eine Zylinderrohr aus dem gleichen Werkstoff bzw. aus Werkstoffen mit ähnlichem thermischen Ausdehnungsverhalten zu fertigen. Dies hat einen vorteilhaften Effekt betreffend die Verformung bzw. die Formänderung dieser Komponenten und des gesamten modular aufgebauten Zylinderblocks im Betrieb der Brennkraftmaschine.
Bei Wärmeeintrag zeigen die mindestens eine plattenartige Decke und das mindestens eine Zylinderrohr gleiches, zumindest aber ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten.
Zusammen mit dem konstruktiven gegenständlichen Merkmal, dass die erfindungsgemäße Decke die Montagefläche zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf mit ausbildet und der Zylinderkopf unter Verwendung von Bohrungen und Verbindungselementen mit der Decke verbunden wird, führt dazu, dass die zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf vorgesehene Dichtung ihre Funktion auch dann erfüllt, wenn sich die Komponenten des modular aufgebauten Zylinderblocks bei Wärmeeintrag verformen, und ein Brennraum im Bereich der Montagefläche zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf in zufriedenstellender Weise abgedichtet wird, insbesondere die vorgesehene Dichtung bei Formänderung der Komponenten nicht beschädigt bzw. zerstört wird.
Die erfindungsgemäße Konstruktion des Zylinderblocks stellt zudem sicher, dass die thermische Ausdehnung eines Zylinderrohres nicht durch eine formstabile Gehäusestruktur bzw. Decke behindert oder eingeschränkt wird. Weitere Vorteile ergeben sich bei flüssigkeitsgekühlten Zylinderblöcken.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, deren modular aufgebauter Zylinderblock hinsichtlich eines geringen Gewichts konstruiert ist, wobei der Zylinderblock hinsichtlich des thermischen Ausdehnungsverhaltens gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die plattenartige Decke zylinderrohrseitig eine untere Lippe aufweist, die sich in Eingriff befindet mit einer oberen Lippe des Zylinderrohres, wobei die obere Lippe zwischen der unteren Lippe und dem mindestens einen Zylinderkopf angeordnet ist.
Gemäß dieser konstruktiven Ausführung ist das Zylinderrohr zumindest im Bereich der oberen Lippe zwischen dem Zylinderkopf und der Decke bzw. der unteren Lippe der Decke eingeklemmt und damit im Zylinderblock fixiert bzw. formschlüssig befestigt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr auf der dem mindestens einen Zylinderkopf abgewandten Seite mit mindestens einem Kurbelwellenlager kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Gemäß dieser Ausführungsform wird in vorteilhafter Weise ein geschlossener Kraftfluss ausgebildet und zwar in ausgewählten Komponenten des modular aufgebauten Zylinderblocks. Die durch die Verbrennung im Brennraum generierten Gaskräfte wirken auf den Zylinderkopf und das Zylinderrohr, welche den Brennraum mit begrenzen, sowie auf den Kolben, der die Gaskräfte via Pleuelstange auf die Kurbelwelle überträgt. Die im Kurbelgehäuse in mindestens zwei Kurbelwellenlagern gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen, und leitet diese Kräfte in die Kurbelwellenlager ein.
Ist das Kurbelwellenlager wie vorliegend mit dem Zylinderrohr verbunden, ergibt sich ein Kraftfluss bzw. Kraftschluss, wobei ausgehend vom Kurbelwellenlager das Zylinderrohr, die plattenartige Decke, die Verbindungselemente sowie der Zylinderkopf im Kraftfluss liegen.
Konstruktiv ergibt sich dadurch die Möglichkeit, alle im Kraftfluss liegenden Komponenten aus dem gleichen Werkstoff bzw. aus Werkstoffen mit ähnlichem thermischen Ausdehnungsverhalten bzw. Ausdehnungskoeffizienten zu fertigen, wodurch die Verformung bzw. die Formänderung dieser Komponenten und des gesamten modular aufgebauten Zylinderblocks im Betrieb der Brennkraftmaschine vorteilhaft beeinflusst wird.
Die im Kraftfluss liegenden Komponenten können beispielsweise bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine aus Aluminium bzw. Grauguss (GJL) und bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine aus Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV), welches auch als Compacted Graphite Iron, abgekürzt CGI, bezeichnet wird, oder Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) gefertigt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr mindestens einen taschenartigen Kühlmittelmantel aufweist.
Vorliegend ist der modular aufgebaute Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, welche Kühlmittel durch den Zylinderblock leitet. Zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung wird mindestens ein Kühlmittelmantel im Zylinderblock integriert.
Hierzu ist das Zylinderrohr gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform einteilig mit mindestens einem taschenartigen Kühlmittelmantel ausgebildet. D. h. der Hohlraum, welcher als Kühlmittelmantel dient, wird nicht - wie im Stand der Technik - im Rahmen der Montage durch Zusammenfügen mehrerer verschiedener Komponenten ausgebildet. Vielmehr bildet der taschenartige Kühlmittelmantel zusammen mit dem Zylinderrohr ein einteiliges, d. h. monolithisches und daher fugenloses Bauteil. Denn mit dem herkömmlichen modularen Aufbau des Kühlmittelmantels entfallen auch die beim modularen Aufbau zwischen benachbarten Komponenten ausgebildeten Fugen, welche im Einzelfall bei Verformung bzw. Formänderung der Komponenten unter Wärmeeintrag Ausgangspunkt für eine Kühlmittelleckage sein können.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Zylinderrohr zur Ausbildung des mindestens einen taschenartigen Kühlmittelmantels zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet ist. Das Zylinderrohr kann mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, d. h. mittels 3D-Drucken, bei dem das Rohr schichtweise aufgebaut wird, aber auch im Gießverfahren gegossen werden.
Ist der modular aufgebaute Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der mindestens eine taschenartige Kühlmittelmantel mindestens eine Eintrittsöffnung zum Zuführen von Kühlmittel aufweist.
Der Kühlmittelmantel kann via Zylinderblock oder via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden, wobei die mindestens eine Eintrittsöffnung zum Zuführen von Kühlmittel in der plattenartigen Decke vorgesehen werden kann, falls der Zylinderkopf ebenfalls flüssigkeitsgekühlt ist. Dann wird der mindestens eine taschenartige Kühlmittelmantel via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt und es müssen keine weiteren Versorgungsleitungen vorgesehen werden. Dabei erweist es sich als überaus vorteilhaft, dass das Zylinderrohr und die plattenartige Decke erfindungsgemäß aus zumindest ähnlichen Werkstoffen gefertigt werden können und damit ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen.
Ist der modular aufgebaute Zylinderblock mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der mindestens eine taschenartige Kühlmittelmantel mindestens eine Austrittsöffnung zum Abführen von Kühlmittel aufweist.
Auch die mindestens eine Austrittsöffnung zum Abführen des Kühlmittels kann in der plattenartigen Decke vorgesehen werden, falls der Zylinderkopf flüssigkeitsgekühlt ist. Die Vorteile sind die bereits Genannten. Dann wird der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf via Zylinderblock aus dem taschenartigen Kühlmittelmantel heraus mit Kühlmittel versorgt.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die in der Decke vorgesehenen Bohrungen ein Innengewinde aufweisen. Ein Innengewinde ermöglicht eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der erfindungsgemäßen Decke und dem Zylinderkopf und damit eine Verbindung zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf ohne Verwendung weiterer Elemente, wie beispielsweise einer Mutter.
Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die in die Bohrungen eingeführten Verbindungselemente Gewindebolzen bzw. Gewindestangen sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die plattenartige Decke mit der rumpfartigen Gehäusestruktur formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die plattenartige Decke mit dem Zylinderrohr formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die rumpfartige Gehäusestruktur zur Aufnahme der plattenartigen Decke einen Absatz aufweist. Die rumpfartige Gehäusestruktur kann die plattenartige Decke zylinderkopfseitig in der Art eines Rahmens vollumfänglich umschließen, wobei der Absatz ebenfalls vollumfänglich vorgesehen sein kann, aber auch nur abschnittsweise.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die plattenartige Decke, das Zylinderrohr und die mindestens zwei Kurbelwellenlager aus Werkstoffen mit ähnlichem thermischen Ausdehnungsverhalten gefertigt sind; vorzugsweise die Verbindungselemente auch.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die plattenartige Decke, das Zylinderrohr und die mindestens zwei Kurbelwellenlager aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind; vorzugsweise die Verbindungselemente auch.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die plattenartige Decke, das Zylinderrohr und die mindestens zwei Kurbelwellenlager aus Aluminium (Al), Grauguss (GJL), Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) gefertigt sind. Vorzugsweise sind auch die Verbindungselemente aus diesen Werkstoffen gefertigt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die rumpfartige Gehäusestruktur aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist. Die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes führt zu einer Gehäusestruktur von geringem Gewicht und hoher Festigkeit.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die rumpfartige Gehäusestruktur aus einem Kohlefaserwerkstoff und/oder einem Glasfaserwerkstoff gefertigt ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1a schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den modular aufgebauten Zylinderblock einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
1b schematisch in einer Draufsicht den in 1a dargestellten Zylinderblock.

1a zeigt schematisch in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten den modular aufgebauten Zylinderblock 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Der Zylinderblock 1 dient als obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme einer Kurbelwelle 2, die vorliegend in geteilten Kurbelwellenlagern 2a drehbar gelagert ist, welche jeweils einen Lagerdeckel und einen Lagersattel umfassen. Der modular aufgebaute Zylinderblock 1 wird an einer Montagefläche 6 mit einem nicht dargestellten Zylinderkopf verbunden. Die Montagefläche 6 bildet die Trennebene zwischen dem Zylinderblock 1 und dem Zylinderkopf, wobei zur Abdichtung der Zylinder 3 zwischen dem Zylinderblock 1 und dem Zylinderkopf regelmäßig eine Dichtung vorgesehen wird. Ergänzt wird der Zylinderblock 1 an der Unterseite durch eine nicht dargestellte Ölwanne, die als untere Kurbelgehäusehälfte dient. Jeder Zylinder 3 umfasst einen Brennraum, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr 4 und den Zylinderkopf mit ausgebildet und begrenzt wird. Der Kolben ist entlang der Zylinderlängsachse 3a translatorisch verschiebbar und führt im Betrieb der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung aus.
Der modular aufgebaute Zylinderblock 1 umfasst eine aus Faserverbundwerkstoff gefertigte rumpfartige Gehäusestruktur 1a, in welche zylinderkopfseitig eine plattenartige Decke 5 eingesetzt ist. Zur Aufnahme der Decke 5 verfügt die Gehäusestruktur 1a über einen Absatz.
Die Decke 5 weist zur Aufnahme und Lagerung der Zylinderrohre 4 einen rahmenartigen Durchbruch 5a auf. In der Decke 5 sind Bohrungen 5b vorgesehen, die mit Bohrungen im Zylinderkopf korrespondieren und die dem Verbinden des Zylinderkopfes mit der Decke 5 und damit dem Verbinden des Zylinderkopfes mit dem Zylinderblock 1 dienen. Die Verbindung wird unter Verwendung von Verbindungselementen 7 ausgebildet, die im Rahmen der Montage in die Bohrungen 5b eingeführt werden.
Die plattenartige Decke 5 weist zylinderrohrseitig eine untere Lippe 5c auf, die sich in Eingriff befindet mit einer oberen Lippe 4a des Zylinderrohres 4, wobei die obere Lippe 4a im montierten Zustand der Brennkraftmaschine zwischen der unteren Lippe 5c und dem Zylinderkopf angeordnet bzw. eingeklemmt ist.
Auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite ist das Zylinderrohr 4 mit einem Kurbelwellenlager 2a verschraubt, d. h. form- und kraftschlüssig verbunden.
Der in 1a dargestellte Zylinderblock 1 ist flüssigkeitsgekühlt. Die Zylinderrohre 4 verfügen zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung über einen taschenartigen Kühlmittelmantel 4b, welcher den Brennraum bzw. den Zylinder 3 zumindest bereichsweise ummantelt und kühlt. Zur Ausbildung des taschenartigen Kühlmittelmantels 4b ist das Zylinderrohr 4 bereichsweise doppelwandig ausgebildet. Der taschenartige Kühlmittelmantel 4b ist in einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden (nicht dargestellt).
Die Zylinderrohre 4 sind einteilig mit dem taschenartigen Kühlmittelmantel 4b ausgebildet, so dass der taschenartige Kühlmittelmantel 4b zusammen mit den Zylinderrohren 4 ein monolithisches und fugenloses Bauteil bildet.
Bei der Ausführungsform der 1a liegt ein geschlossener Kraftfluss in ausgewählten Komponenten 2a, 4, 5, 7 des modular aufgebauten Zylinderblocks 1 vor. Ausgehend vom Kurbelwellenlager 2a liegen das Zylinderrohr 4, die plattenartige Decke 5, die Verbindungselemente 7 sowie der Zylinderkopf im Kraftfluss. Diese im Kraftfluss liegenden Komponenten 2a, 4, 5, 7 sind aus dem gleichen bzw. einem ähnlichen Werkstoff gefertigt und verfügen daher über ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten. Die Verformung und Formänderung dieser Komponenten 2a, 4, 5, 7 und des gesamten modular aufgebauten Zylinderblocks 1 wird dadurch im Betrieb der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise beeinflusst bzw. unterstützt.
Die im Kraftfluss liegenden Komponenten 2a, 4, 5, 7 können beispielsweise aus Aluminium, Grauguss (GJL), Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) gefertigt werden.
1b zeigt schematisch in einer Draufsicht den in 1a dargestellten Zylinderblock 1 und zwar mit Blick auf die Montagefläche 6. Es soll nur ergänzend zu 1a ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die rumpfartige Gehäusestruktur 1a umschließt die plattenartige Decke 5 zylinderkopfseitig in der Art eines Rahmens vollumfänglich, wobei die von der Decke 5 aufgenommenen Zylinderrohre 4 der Zylinder 3 vorliegend einstückig ausgebildet sind, weshalb die Decke 5 zur Aufnahme mehrerer Zylinderrohre 4 nur einen rahmenartigen Durchbruch aufweist. Die zylinderkopfseitig angeordnete Decke 5 bildet nahezu vollständig die Montagefläche 6 aus.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderblock
1a: rumpfartige Gehäusestruktur des Zylinderblocks
2: Kurbelwelle
2a: Kurbelwellenlager
3: Zylinder
3a: Zylinderlängsachse
4: Zylinderrohr
4a: obere Lippe
4b: taschenartiger Kühlmittelmantel
5: plattenartige Decke
5a: rahmenartiger Durchbruch
5b: Bohrung
5c: untere Lippe
6: Montagefläche, Trennebene zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf
7: Verbindungselemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014224827 A1 [0016]
DE 102014224827 [0017, 0020]

Claims

Brennkraftmaschine mit - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder (3), und - mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock (1) zur Aufnahme einer Kurbelwelle (2) in mindestens zwei Kurbelwellenlagern (2a), bei der - jeder Zylinder (3) einen Brennraum umfasst, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben, ein Zylinderrohr (4) und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Zylinderlängsachse (3a) translatorisch verschiebbar ist, und - der Zylinderblock (1) modular aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der modular aufgebaute Zylinderblock (1) eine rumpfartige Gehäusestruktur (1a) umfasst, in welche zylinderkopfseitig eine plattenartige Decke (5) eingesetzt ist, die in der Gehäusestruktur (1a) befestigt ist und welche zur Aufnahme und Lagerung des Zylinderrohres (4) des mindestens einen Zylinders (3) mindestens einen rahmenartigen Durchbruch (5a) aufweist, und - in der Decke (5) mehrere Bohrungen (5b) vorgesehen sind, die mit Bohrungen in dem mindestens einen Zylinderkopf korrespondieren, wobei der mindestens eine Zylinderkopf mit der Decke (5) unter Verwendung von in die Bohrungen (5b) eingeführten Verbindungselementen (7) verbunden ist, so dass auch der mindestens eine Zylinderkopf und der Zylinderblock (1) miteinander verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Decke (5) zylinderrohrseitig eine untere Lippe (5c) aufweist, die sich in Eingriff befindet mit einer oberen Lippe (4a) des Zylinderrohres (4), wobei die obere Lippe (4a) zwischen der unteren Lippe (5c) und dem mindestens einen Zylinderkopf angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderrohr (4) auf der dem mindestens einen Zylinderkopf abgewandten Seite mit mindestens einem Kurbelwellenlager (2a) kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderrohr (4) mindestens einen taschenartigen Kühlmittelmantel (4b) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderrohr (4) zur Ausbildung des mindestens einen taschenartigen Kühlmittelmantels (4b) zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine taschenartige Kühlmittelmantel (4b) mindestens eine Eintrittsöffnung zum Zuführen von Kühlmittel aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine taschenartige Kühlmittelmantel (4b) mindestens eine Austrittsöffnung zum Abführen von Kühlmittel aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Decke (5) vorgesehenen Bohrungen (5b) ein Innengewinde aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Bohrungen (5b) eingeführten Verbindungselemente (7) Gewindebolzen sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Decke (5) mit der rumpfartigen Gehäusestruktur (1a) formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Decke (5) mit dem Zylinderrohr (4) formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rumpfartige Gehäusestruktur (1a) zur Aufnahme der plattenartigen Decke (5) einen Absatz aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Decke (5), das Zylinderrohr (4) und die mindestens zwei Kurbelwellenlager (2a) aus Werkstoffen mit ähnlichem thermischen Ausdehnungsverhalten gefertigt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Decke (5), das Zylinderrohr (4) und die mindestens zwei Kurbelwellenlager (2a) aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartige Decke (5), das Zylinderrohr (4) und die mindestens zwei Kurbelwellenlager (2a) aus Grauguss (GJL), Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) gefertigt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rumpfartige Gehäusestruktur (1a) aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die rumpfartige Gehäusestruktur (1a) aus einem Kohlefaserwerkstoff und/oder einem Glasfaserwerkstoff gefertigt ist.