DE102018205673A1

DE102018205673A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018205673A1
Application number: DE102018205673.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Glensvig; Rolf Dreisbach; Rene Kögl
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2018-10-18
Also published as: AT519790A1; AT519790B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder (2) hin- und hergehenden Kolben (8), der mit einem Kolbenboden (11) und mit zumindest einem Kolbenring (9), gemeinsam mit einem Zylinderkopf (13) und einer Laufbuchse (1) eine Brennkammer (15) begrenzt, wobei in der Laufbuchse (1) zur Brennkammer (15) gewandt ein Abstreifelement (4) angeordnet ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei der die Wärmeverluste aus der Brennkammer verringert sind. Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, dass das Abstreifelement (4) zumindest ein Mittel zur thermischen Isolierung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, der mit einem Kolbenboden und mit zumindest einem Kolbenring, gemeinsam mit einem Zylinderkopf und einer Laufbuchse eine Brennkammer begrenzt, wobei in der Laufbuchse zur Brennkammer gewandt ein Abstreifelement angeordnet ist.
Abstreifelemente dienen dazu, den Kolben an seine Zylindermantelfläche bis zu den Kolbenringen von Öl und Rußpartikeln zu säubern.
Abstreifelement sind beispielsweise aus der US 2009/0241770 A1 bekannt. Dabei ist das Abstreifelement so in der Laufbuchse angeordnet, dass ein innerer Durchmesser des Abstreifelementes geringer ist als der Durchmesser der Laufbuchse. Das Abstreifelement erfüllt seine Aufgaben nur durch seine geometrische Form. Durch den direkten Kontakt des Abstreifelementes zu der Laufbuchse und der großen Wärmeleitfähigkeit des im Allgemeinen verwendeten Materials kommt es über die Abstreifelemente zu einem Wärmeverlust aus der Brennkammer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es diese Nachteile zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine anzugeben, die die Wärmeverluste aus der Brennkammer verringert.
Das wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Abstreifelement zumindest ein Mittel zur thermischen Isolierung aufweist. Dadurch entsteht der Vorteil, dass der Wärmeverlust aus der Brennkammer reduziert werden kann. Des Weiteren ist die thermische Belastung für die Laufbuchse reduziert. Thermische Spannungen werden durch die Konzentration der Temperaturdifferenzen auf das Abstreifelement das im Vergleich zur Laufbuchse klein ist minimiert. In vorteilhafter Weise erstreckt sich das Mittel zur thermischen Isolierung in axialer Richtung über das gesamte Abstreifelement, um eine möglichst gute thermische Isolierung zu erzielen. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn das Mittel zur thermische Isolierung das Abstreifelement bildet.
Der gleiche Vorteil entsteht, wenn das Mittel zur thermischen Isolierung eine thermisch isolierende Schicht zur Brennkammer aufweist.
Um die Position des Abstreifelements auf einfache Weise festzulegen, ist es günstig, wenn das Abstreifelement an einem Laufbuchsenabsatz anliegt und somit gegen eine Verschiebung vom Zylinderkopf weg axial begrenzt ist und wenn das Abstreifelement durch einen Fixierring in der Laufbuchse axial fixiert ist.
Um eine Relativbewegung zwischen Abstreifelement und Laufbuchse zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn das Abstreifelement mit der Laufbuchse fest verbunden ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Abstreifelement als Sprühschicht auf die Laufbuchse aufgetragen.
In der erfindungsgemäßen Ausführung, in der das Abstreifelements nur zur Brennkammer hin eine thermisch isolierende Schicht aufweist, ist dieser Teil des Abstreifelements vorteilhaft als Sprühschicht auf den übrigen Teil des Abstreifelements aufgetragen.
Um eine gute Reinigung des Feuersteges zu erreichen, ist es günstig, wenn das Abstreifelement zur Laufbuchse einen Absatz aufweist, wobei das Verhältnis einer Absatzhöhe zu einem Bohrungsdurchmesser des Zylinders zwischen einem Tausendstel und einem Hundertstel, wobei die Absatzhöhe in radialer Richtung von der Laufbuchse zu einem inneren Durchmesser des Abstreifelementes reicht. Hierbei ist der Absatz geometrisch derart ausgebildet, dass bei einem Vorbeibewegen des Kolbens die Ablagerungen im Bereich des Feuersteges durch das Abstreifelement entfernt werden. Bevorzugt ist die mit der Ablagerung als erstes in Kontakt kommende Kante des Abtreifelements rechtwinklig ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform kann die vom Zylinderkopf abgewandte Fläche des Abstreifelements auch konvex, konkav oder nach unten oder oben geneigt ausgeführt sein.
Aus Sicht des Umweltschutzes ist es vorteilhaft, wenn das Mittel zur thermischen Isolierung eine katalytische Beschichtung zur Reduzierung von Emissionen aufweist.
Um des Abstreifelement unempfindlich für Rußpartikel zu machen und Abnutzung zu verhindern, ist es günstig, wenn das Mittel zur thermischen Isolierung eine Härte nach Brinell aufweist, die größer als 80 HBW ist.
Eine geometrisch günstige Form ergibt sich, wenn das Abstreifelement eine radiale Erstreckung aufweist, die zu einem Bohrungsdurchmesser des Zylinders ein Verhältnis aufweist, das zwischen zwei Zehntausendstel und zwei Hundertstel liegt.
Eine gute Wärmeisolierung erhält man, wenn das Mittel zur thermischen Isolierung eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die weniger als 10 W/mK beträgt, vorzugsweise weniger als 5 W/mK und besonders vorzugsweise weniger als 1 W/mK beträgt.
Um eine höhere Effizienz zu erreichen ist es günstig, wenn ein Feuersteg, der zwischen Kolbenboden und einem ersten Kolbenring eine zylindrische Mantelfläche des Kolbens bezeichnet, eine Höhe aufweist, die zwischen 15 und 50 Prozent und vorzugsweise zwischen 25 und 50 Prozent eines Bohrungsdurchmessers des Zylinders beträgt. Versuche haben ergeben, dass eine besonders vorteilhafte Höhe, die zum einen die Vorteile eines geringeren Wärmeverlusts und eines weniger erhitzten Kolbenringes nutzt und zum anderen die Nachteile eines größeren Schadvolumens und eines erhöhten Risikos eines Kippens des Kolbens gering hält, bei 20 bis 40 Prozent des Bohrungsdurchmessers des Zylinders liegt.
Um die Wärmeverluste aus der Brennkammer weiter zu verringern, ist es günstig, wenn der Kolbenboden zur Brennkammer hin eine thermische Isolierschicht aufweist oder wenn Gaswechselventile zur Brennkammer hin eine thermische Isolierschicht aufweisen.
Besonders einfach lässt sich das Mittel zur thermischen Isolierung realisieren, wenn das Abstreifelement einen Spalt zu der Laufbuchse aufweist, und wenn vorzugsweise ein zusätzlicher Hohlraum zwischen Abstreifelement und Laufbuchse vorgesehen ist.
Die Erfindung wird anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Laufbuchse und ein Abstreifelement einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführung;
2 das Abstreifelement in der ersten Ausführung;
3 das Abstreifelement in einer zweiten Ausführung;
4 eine Laufbuchse und ein Abstreifelement einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführung;
5 die Einbausituation des Abstreifelementes in der zweiten Ausführung;
6 ein Schema der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
7 ein Abstreifelement einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführung; und
8 ein Abstreifelement einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführung.

In 1 ist eine Laufbuchse 1 eines Zylinders 2 einer Brennkraftmaschine gezeigt. Dabei ist in einem oberen Bereich 3 der Laufbuchse 1 ein Abstreifelement 4 angeordnet. In der ersten Ausführung ist das Abstreifelement 4 direkt auf die Laufbuchse 1 aufgebracht. Dabei ist das Abstreifelement 4 eine dünne Schicht 5 aus thermisch isolierendem Material. Diese Schicht ist in einem Ausführungsbeispiel mit einem Bohrungsdurchmesser D von 180 mm ungefähr 0,1 mm dick. Eine thermische Leitfähigkeit λ dieses Materials liegt zwischen 0.1 bis 1 W/mK. Eine Härte nach Brinell ist größer als 80 HBW (aufgebrachte Kraft wird in Kilopond angegeben) um eine Beschädigung durch Rußpartikel zu vermeiden. Rußpartikel weisen im Allgemeinen zwar ziemlich unterschiedliche Härten auf, ein Großteil der Partikel weist aber eine Härte auf, die im Bereich der Härte von Aluminium (ca. 80 HBW) liegt. Die Zugfestigkeit des Materials ist größer als 200 N/mm². Durch diese Schicht an der Laufbuchse 1 wird der Wärmeverlust verringert und das Abstreifen übernommen.
In den 3 bis 4 ist eine zweite Ausführung der Brennkraftmaschine gezeigt, wobei die Laufbuchse 1 einen Laufbuchsenabsatz 6 in einem oberen Bereich 3 aufweist. An diesem Laufbuchsenabsatz 6 liegt das Abstreifelement 4 an und das Abstreifelement 4 bildet wiederum zur Laufbuchse 1 einen Absatz 7. Der Absatz 7 weist eine Absatzhöhe A in radialer Richtung auf. Die Absatzhöhe A reicht von der Laufbuchse 1 bis zu einem inneren Durchmesser B des Abstreifelementes 4. Die Absatzhöhe A beträgt beispielsweise für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderdurchmesser von 180 mm ca. 0,5 mm.
In dieser zweiten Ausführung ist das Abstreifelement 4 als Mittel zur thermischen Isolierung ausgeführt. Das Abstreifelement 4 ist aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt. Das Abstreifelement 4 weist im Ausführungsbeispiel für einen Bohrungsdurchmesser D von 180 mm eine radiale Erstreckung C von zirka 3 mm auf.
Das Abstreifelement 4 ist aus thermisch isolierenden Material gefertigt. Um das Abstreifelement 4 an seiner Position zu halten ist ein Fixierring 18 in der Laufbuchse 1 angeordnet. Die thermische Leitfähigkeit λ liegt zwischen 20 und 30 W/mK, die Härte H ist größer als 80 HBW und der thermische Ausdehnungskoeffizient ist kleiner als 1 × 10⁵ 1/K. Die radiale Erstreckung C des Abstreifelementes 4 ist ungefähr 3 mm groß.
Das Abstreifelement 4 weist in dieser Ausführung einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten auf, als die Laufbuchse. In diesem Fall ein Spalt auch im Betrieb der Brennkraftmaschine vorhanden. Daher muss das Abstreifelement mit dem Fixierring 18 fixiert sein.
In 5 ist die Einbausituation des Abstreifelementes 4 im Detail gezeigt. Dabei ist in der Laufbuchse 1 ein Kolben 8 mit Kolbenringen 9 angeordnet. Das Abstreifelement 4 ist dabei so im oberen Bereich 3 angeordnet, dass in einem oberen Totpunkt des Kolbens 8 das Abstreifelement 4 in die Nähe des ersten Kolbenringes 9 kommt und gleichzeitig ein an einem Feuersteg 10 des Kolbens 8 angesammeltes Öl und Ruß befreit. In Richtung des oberen Bereiches 3 der Laufbuchse 1 weist der Kolben 8 einen Kolbenboden 11 auf mit einer Kolbenmulde 12.
In 6 sind beschichtete Bereiche der Brennkraftmaschine gezeigt. Dabei ist schematisch eine obere Begrenzung des Zylinders 2 gezeigt, ein Teil eines Zylinderkopfes 13 der im Bereich des Zylinders 2 eine thermische Isolierschicht 14 aufweist.
Eine Brennkammer 15 wird von Kolbenboden 11, Laufbuchse 1, Kolbenringe 9, Abstreifelement 4 und Zylinderkopf 13 begrenzt. Zur Brennkammer 15 weisen der Kolbenboden 11, beziehungsweise die Kolbenmulde 12 und Gaswechselventile eine thermische Isolierschicht 14 auf. Dadurch wird ein Wärmeverlust aus der Brennkammer 15 verringert.
Das Abstreifelement 4 bewegt sich nicht wie die Kolbenringe 9 und sorgt bei der Bewegung des Kolbens 8 in seinen oberen Totpunkt für die Säuberung des Feuersteges 10. Weiters bietet das Abstreifelement 4 Fläche für Verkokung und die Kolbenringe 9 bleiben davon weitgehend verschont.
In 7 ist eine dritte Ausführung gezeigt. Dabei bildet zwischen Abstreifelement 4 und Laufbuchse 1 noch eine zusätzliche Ausnehmung im Abstreifelement 4 einen Hohlraum 17. Durch diesen Hohlraum 17 wird eine isolierende Wirkung erzielt. In dieser Ausführung ist das Abstreifelement 4 aus einem Material mit ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten, wie die Laufbuchse 1 gefertigt. Die Härte H entspricht der Härte der Laufbuchse 1, ebenso wie die thermische Leitfähigkeit λ. Das Abstreifelement 4 hat vor Einbau einen gering größeren Durchmesser als die Laufbuchse 1 und wird zum Einbau abgekühlt (Presspassung). Während des Betriebes, bei Temperaturschwankungen von Abstreifelement 4 und Laufbuchse 1 verbleibt das Abstreifelement 4 fest in der Laufbuchse 1.
In einer in 8 gezeigten vierten Ausführung weist das Abstreifelement 4 eine thermische isolierende Schicht 5 auf. Bis auf die thermische isolierende Schicht 5 besteht das Abstreifelement 4 aus allgemein üblichem Material. Die thermisch isolierende Schicht 5 hat eine Schichtdicke F zwischen 50 bis 120 µm und eine thermische Leitfähigkeit λ von 0,1 bis 1 W/mK. Die Härte H liegt bei über 80 HBW und die Zugfestigkeit ist größer als 200 N/mm². Hierbei erstreckt sich die thermisch isolierende Schicht 5 in axialer Richtung vollständig über das Abstreifelement 4, um eine vorteilhafte thermische Isolation zu erzielen. Somit werden Öl und Rußpartikel durch die thermisch isolierende Schicht 5 vom Kolben 8 im Bereich des Feuerstegs 10 abgestreift.
Die thermisch isolierende Schicht 5 und die thermische Isolierschicht 14 weisen in einer besonderen Ausführung jeweils katalytische Bestandteile zur Reduzierung der Emissionen auf und bilden somit eine katalytische Beschichtung des Mittels zur thermischen Isolierung.
Der Feuersteg 10 umfasst eine Höhe h in axialer Richtung des Zylinders 2, die zwischen 25 und 50 % des Bohrungsdurchmessers D ist.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführung beträgt die Höhe h des Feuerstegs 10 zwischen 20 und 40 % des Bohrungsdurchmessers D. Es hat sich herausgestellt, dass bei dieser Höhe zum einen die Vorteile eines geringeren Wärmeverlusts und eines weniger erhitzten Kolbenringes genutzt werden und zum anderen die Nachteile eines größeren Schadvolumens und eines erhöhten Risikos eines Kippens des Kolbens gering gehalten werden.
Mögliche Materialien für das Abstreifelement, beziehungsweise die thermische Isolierschicht und die thermisch isolierende Schicht sind beispielsweise Aluminiumlegierungen, SiRPA (Silica Reinforced Porous Anodizing Aluminium), Aluminiumoxid, Mischoxidkeramik (ZTA), teilstabilisierte Zirkonoxide (ZrO2), Titanoxid (TiO2), Aluminium Titanat (ATi) und andere Materialien.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0241770 A1 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinder (2) hin- und hergehenden Kolben (8), der mit einem Kolbenboden (11) und mit zumindest einem Kolbenring (9), gemeinsam mit einem Zylinderkopf (13) und einer Laufbuchse (1) eine Brennkammer (15) begrenzt, wobei in der Laufbuchse (1) zur Brennkammer (15) gewandt ein Abstreifelement (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) zumindest ein Mittel zur thermischen Isolierung aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine thermisch isolierende Schicht (5) zur Brennkammer (15) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) an einem Laufbuchsenabsatz (6) anliegt und somit gegen eine Verschiebung vom Zylinderkopf (13) weg axial begrenzt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) durch einen Fixierring (18) in der Laufbuchse (1) axial fixiert ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) mit der Laufbuchse (1) fest verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) zur Laufbuchse (1) einen Absatz (7) aufweist, wobei das Verhältnis einer Absatzhöhe (A) zu einem Bohrungsdurchmesser (D) des Zylinders (2) zwischen einem Tausendstel und einem Hundertstel beträgt, wobei die Absatzhöhe (A) in radialer Richtung von der Laufbuchse (1) zu einem inneren Durchmesser (B) des Abstreifelementes (4) reicht.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur thermischen Isolierung eine katalytische Beschichtung zur Reduzierung von Emissionen aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur thermischen Isolierung eine Härte (H) nach Brinell aufweist, die größer als 80 HBW ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) eine radiale Erstreckung (C) aufweist, die zu einem Bohrungsdurchmesser (D) des Zylinders (2) ein Verhältnis aufweist, das zwischen zwei Zehntausendstel und zwei Hundertstel liegt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur thermischen Isolierung eine thermische Leitfähigkeit (λ) aufweist, die weniger als 10 W/mK beträgt, vorzugsweise weniger als 5 W/mK und besonders vorzugsweise weniger als 1 W/mK beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuersteg (10), der zwischen Kolbenboden (11) und einem ersten Kolbenring (9) eine zylindrische Mantelfläche des Kolbens (8) bezeichnet, eine Höhe (h) aufweist, die zwischen 15 und 50 Prozent und vorzugsweise zwischen 25 und 50 Prozent oder zwischen 20 und 40 Prozent eines Bohrungsdurchmessers (D) des Zylinders (2) beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (11) zur Brennkammer (14) hin eine thermische Isolierschicht (14) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Gaswechselventile zur Brennkammer (15) hin eine thermische Isolierschicht (14) aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifelement (4) einen Spalt zu der Laufbuchse (1) aufweist, und dass vorzugsweise ein zusätzlicher Hohlraum (17) zwischen Abstreifelement (4) und Laufbuchse (1) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur thermischen Isolierung als Sprühschicht auf das Abstreifelement (4) oder die Laufbuchse (1) aufgetragen ist.