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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse oder einen Zylinder für einen Verbrennungsmotor.
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Stand der Technik
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Die Reibung innerhalb des Kolben-Kolbenring-Zylinder Systems lässt sich in Kontaktreibung, Mischreibung und hydrodynamische Reibung einteilen. Der Anteil der hydrodynamischen Reibung nimmt dabei einen Großteil der Gesamtreibung ein. Das ist einer der wesentlichen Gründe, warum für Motorenöle immer niedrigere Viskositäten angestrebt werden, denn die hydrodynamische Reibung ist proportional von der Ölviskosität abhängig. Die Ölviskosität ist wiederum temperaturabhängig. Da die Zylindertemperatur entlang der Hubposition in der Regel im oberen Totpunkt am höchsten und in Richtung Kurbelgehäuse am unteren Totpunkt am niedrigsten ist, ergibt sich eine niedrige Ölviskosität am oberen Totpunkt, wobei die Ölviskosität in Richtung unterer Totpunkt kontinuierlich zunimmt.
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Des Weiteren ist die hydrodynamische Reibung proportional abhängig von der Kolbengeschwindigkeit. Da die Kolbengeschwindigkeit in der Mitte des Kolbenhubs am höchsten ist, möchte man dort eine geringe Ölviskosität haben, um eine geringe hydrodynamische Reibung zu erzielen.
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Aus Reibungssicht ist eine hohe Ölviskosität in den Totpunkten zur Reduzierung von Kontaktreibung ideal und eine niedrige Ölviskosität in Richtung Mitte der Zylinderlaufbuchse zur Reduzierung von hydrodynamischer Reibung ideal.
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Aus der
DE 27 34 254 A1 ist bereits eine Zylinderlaufbuchse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, die in einem Maschinengestell eingesetzt ist. Die Zylinderlaufbuchse steht mit einem im wesentlichen mantelförmig ausgebildeten Wärmerohr in Wirkverbindung, das von einem Kühlwasserraum bis an bzw. in den Bund reicht, wobei das Wärmerohr in seinem Inneren Mittel, z.B. eine Kapillarstruktur, aufweist, die einen Transport des flüssigen Wärmeträgers auch gegen die Schwerkraft entlang des Zylinderrohres ermöglichen.
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Aus der
DE 102 25 062 B4 ist bereits eine Zylinderlaufbuchse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, der mindestens ein erster Kühlmittelkanal im Bereich eines oberen Totpunkts einer Kolbenbewegung eines Kolbens der Hubkolbenbrennkraftmaschine und eine Gruppe zweite Kühlmittelkanäle im mittleren Laufbuchsenbereich und im Bereich eines unteren Totpunkts einer Kolbenbewegung eines Kolbens der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet sind.
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Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ölviskosität entlang der Hubposition zu optimieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt eine Zylinderlaufbuchse oder einen Zylinder für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Innenseite, die eine Lauffläche bildet, wobei die Zylinderlaufbuchse oder der Zylinder wenigstens eine thermische Isolation aufweist, die sich in Umfangsrichtung um die Zylinderlaufbuchse oder um den Zylinder erstreckt, wobei die Isolation in Radialrichtung nach außen von der Lauffläche beabstandet angeordnet ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse oder des erfindungsgemäßen Zylinders liegt darin, dass eine Wärmeabfuhr über die Zylinderlaufbuchse durch eine Isolation in der Zylinderlaufbuchse verringert wird, damit sich dadurch eine niedrigere Ölviskosität und somit geringere hydrodynamische Reibung in diesem Bereich ergibt. Die Isolation der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders kann durchgehend sein oder sich auch nur abschnittsweise um die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder erstrecken.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders bildet die Isolation einen geschlossenen Ring, der sich um die gesamte Zylinderlaufbuchse oder den gesamten Zylinder erstreckt.
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Dadurch, dass die Isolation einen geschlossenen Ring um die gesamte Zylinderlaufbuchse oder den gesamten Zylinder bildet, wird eine optimale Isolation erzielt, ohne dass in Zwischenräumen Wärmeaustausch stattfinden kann.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders ist die Isolation wabenförmig oder netzförmig und läuft um die gesamte Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder herum.
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Der Vorteil einer Waben- oder Netzform im Vergleich zu einer Isolation in Form eines geschlossenen Rings ist, dass die Stege bei einer solchen Isolation Lasten aufnehmen, die durch eine Kolbenbewegung in der Zylinderlaufbuchse oder dem Zylinder entstehen. Dadurch werden Verformungen verringert und die Lebensdauer der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders verlängert.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders weist die Zylinderlaufbuchse oder der Zylinder eine Außenseite auf, wobei die Isolation an der Außenseite freiliegt.
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Eine an einer Zylinderlaufbuchsen- oder Zylinderaußenseite freiliegende Isolation ist fertigungs- und wartungstechnisch vorteilhaft. Dabei kann die freiliegende Isolation auch durch Lackieren o.ä. erzeugt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders weist die Zylinderlaufbuchse oder der Zylinder eine Außenseite auf, wobei die Isolation zwischen der Lauffläche und der Außenseite angeordnet ist.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders ist die Isolation als evakuierter oder fluidgefüllter Hohlraum ausgeführt.
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Vakuumwärmedämmung dämmt thermisch, indem der durch die Gasmoleküle der Luft bedingte Wärmetransport reduziert wird. Zum einen kann das Vakuum Konvektion und zum anderen die Wärmeleitung der Gasmoleküle unterbinden. Ein Beispiel für das Unterbinden der Wärmeleitung der Gasmoleküle ist die Ausführung eines Gefäßes nach Dewar.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders ist der Hohlraum von isolierendem Material ausgefüllt.
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Vorteile eines Ausfüllens des Hohlraums der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders mit isolierendem Material, wie z.B. Glaswolle, Asbest, o.ä., sind zu verzeichnen in Hinblick auf Kosten, Wartung und Fertigung.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders weist die Lauffläche in Axialrichtung eine Länge L auf, wobei die Isolation in einem Abstand von 5-30 %, bevorzugt 10-25 %, besonders bevorzugt 15-20 %, beginnt und sich von dort aus in Kurbelgehäuserichtung erstreckt.
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Die maximale Länge L aufweisende Lauffläche wird dabei von der oberen bzw. brennraumseitigen Kante der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders gemessen. Der Bereich der Isolation ist gemäß dem vorstehenden Merkmal definiert, da es nicht sinnvoll ist, aufgrund der Kolbenfeuersteghöhen früher zu beginnen, da Kolbenringe sich dort nicht im hydrodynamischen Eingriffsbereich befinden. Zudem soll im Feuerstegbereich ja gerade Temperatur zur Kühlung abgeführt werden.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders weist die Lauffläche in Axialrichtung eine Kolbenhublänge K zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt auf, wobei die Isolation in einem Abstand von 5 bis 30 %, bevorzugt 10-25 %, besonders bevorzugt 15-20 %, von dem oberen Totpunkt beabstandet beginnt und sich von dort aus in Richtung des unteren Totpunkts erstreckt.
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Die Kolbenhublänge K betrifft dabei eine Kolbenbewegung eines Motors, für den die Zylinderlaufbuchse oder der Zylinder bestimmt ist. Der Bereich der Isolation ist gemäß dem vorstehenden Merkmal definiert, da es nicht sinnvoll ist, aufgrund der Kolbenfeuersteghöhen früher zu beginnen, da Kolbenringe sich dort nicht im hydrodynamischen Eingriffsbereich befinden. Zudem soll im Feuerstegbereich ja gerade Temperatur zur Kühlung abgeführt werden. Die Isolation kann sich dabei sogar über den unteren Totpunkt hinaus erstrecken.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders nimmt eine radiale Dicke der Isolation und / oder ein Wärmewiderstand der Isolation in Axialrichtung von einem Brennraum in Richtung eines Kurbelgehäuses zu und / oder erst zu und dann wieder ab.
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Der Vorteil einer zu- und /oder erst zu- und dann wieder abnehmenden radialen Dicke der Isolation und / oder des Wärmewiderstandes der Isolation in Axialrichtung von einem Brennraum in Richtung eines Kurbelgehäuses ist, dass eine Ölviskosität optimal auf die Betriebsbedingungen angepasst ist.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders ist die Isolation bei maximal 85-95 %, bevorzugt 88-92 %, besonders bevorzugt 89-91 % einer Betriebstemperatur in einem Bereich der Lauffläche, in dem sich ein Feuersteg eines Kolbens bei herkömmlichen Zylinderlaufbuchsen oder Zylindern an einem oberen Totpunkt befindet, angeordnet.
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Die Isolation ist in Betriebstemperaturbereichen gemäß dem vorstehenden Merkmal definiert, da in höheren Betriebstemperaturbereichen gekühlt werden muss und ein Wärmeabfluss deshalb nicht verringert werden darf.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders ist mindestens eine Isolation in Axialrichtung in 2-6 Abschnitte unterteilt und / oder mindestens eine Isolation in Umfangsrichtung in 2-72 Abschnitte oder Unterbereiche davon unterteilt.
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Eine Isolation sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung kann optimal an die Betriebsbedingungen angepasst werden, um die Ölviskosität an der Lauffläche derart zu beeinflussen, dass eine Reibung reduziert wird. Die Axialrichtung ist dabei die Hubrichtung. Abschnitte in Axialrichtung sind dabei durch Stege getrennt oder unterschiedlich stark isoliert und Abschnitte in Umfangsrichtung sind ebenfalls durch Stege getrennt oder unterschiedlich stark isolieret. Der Vorteil der Stege ist eine Lastaufnahme, die durch eine Kolbenbewegung in der Zylinderlaufbuchse oder dem Zylinder entsteht. Dadurch werden Verformungen verringert und die Lebensdauer der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders verlängert.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders wird das isolierende Material ausgewählt aus oder besteht aus der Gruppe umfassend Kunststoff, Schaumglas, Titan, Mineral- / Glaswolle, Keramikpartikel, Verbundwerkstoffe, Perlit und / oder poröses oder geschäumtes Metall wie Gusseisen, Metallspritzschichten oder Legierungen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders weist das isolierende Material eine Porosität zwischen 20-80 %, bevorzugt 40-80 %, besonders bevorzugt 60-80 % auf.
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Eine Isolationswirkung kann durch die Porosität leicht an die betriebsbedingten Anforderungen angepasst werden.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders ist die Zylinderlaufbuchse oder Zylinder durch 3D-Druck hergestellt und / oder die Isolation durch Spritzen von Metall und Keramik hergestellt.
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Durch 3D-Druck kann mit geringem Materialverbrauch jede beliebige Struktur auf Abruf verwirklicht werden. Vorzugsweise wird jedoch nur die Isolation gedruckt bzw. gespritzt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders weist das Material der Isolation keine Porosität auf, leitet jedoch weniger Wärme als ein Material der Zylinderlaufbuchse.
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Durch geringere Porosität ist eine Lastaufnahme uneingeschränkt möglich, wodurch Verformungen verringert werden und die Lebensdauer der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders verlängert wird.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben, wobei
- 1 eine Schnittansicht einer Zylinderlaufbuchse mit einer thermischen Isolation, und
- 2 eine Schnittansicht einer Zylinderlaufbuchse mit Materialeinsatz in der thermischen Isolation zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Zylinderlaufbuchse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Zylinderlaufbuchse hat eine Innenseite 2, die eine Lauffläche für einen Kolben bildet, eine Außenseite 6 und eine umlaufende Isolation 4.
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Am oberen Ende der Zylinderlaufbuchse auf der Außenseite 6 befindet sich ein umlaufender Vorsprung, der bewirkt, dass eine Zylinderbuchse passgenau in einen Motorblock eingefügt werden kann. Ferner befindet sich am oberen Ende der Zylinderlaufbuchse auf der Innenseite 2 eine umlaufende rechteckige Aussparung, die für einen Feuerring vorgesehen ist. Dieser Feuerring verhindert, dass sich ein harter Ölkohlebelag am Feuersteg des Kolbens bildet. Erreicht wird dies durch einen im Vergleich zum Durchmesser der Zylinderbohrung kleineren Innendurchmesser des Feuerrings. Durchläuft der Kolben den oberen Totpunkt, schabt der Feuerring die unerwünschten Ölkohleablagerungen vom Kolben, bzw. verhindert, dass sich Ablagerungen am Feuersteg bilden können.
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In einem von Oberseite und Unterseite beabstandeten mittleren Bereich der Zylinderlaufbuchse befindet sich eine umlaufende thermische Isolation, die als Hohlraum ausgebildet ist. Der Hohlraum weist einen rechteckigen Querschnitt auf und hat Wandstärken zur Innenseite 2 und zur Außenseite 6, die eine gleiche konstante radiale Dicke aufweisen.
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Weiterhin sind Laufflächenlänge L und Kolbenhublänge K zu sehen. Die Laufflächenlänge L erstreckt sich dabei in axialer Richtung über die ganze Zylinderlaufbuchse, die Kolbenhublänge K lediglich bis zum Ende des Hohlraums. Das bedeutet, dass der untere Totpunkt dem unteren Ende der thermischen Isolation entspricht.
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2 zeigt eine Schnittansicht einer Zylinderlaufbuchse gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Zylinderlaufbuchse hat eine Innenseite 2, die eine Lauffläche für einen Kolben bildet, eine Außenseite 6 und eine umlaufende Isolation 4.
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Am oberen Ende der Zylinderlaufbuchse auf der Außenseite 6 befindet sich ebenfalls ein umlaufender Vorsprung, der bewirkt, dass eine Zylinderbuchse passgenau in einen Motorblock eingefügt werden kann. Ferner befindet sich am oberen Ende der Zylinderlaufbuchse auf der Innenseite 2 ebenfalls eine umlaufende rechteckige Aussparung, die für einen Feuerring vorgesehen ist.
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In einem von Oberseite und Unterseite beabstandeten mittleren Bereich der Zylinderlaufbuchse befindet sich eine umlaufende thermische Isolation, die durch Materialeinsatz in einen Hohlraum ausgebildet ist. Der Hohlraum weist einen rechteckigen Querschnitt auf, ist an der Außenseite 6 der Zylinderlaufbuchse angeordnet, und hat eine Wandstärke zur Innenseite 2, die eine konstante radiale Dicke aufweist. Der Außendurchmesser des Materialeinsatzes ist gleich dem Außendurchmesser der Zylinderlaufbuchse an der jeweiligen Stelle.
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Weiterhin sind Laufflächenlänge L und Kolbenhublänge K zu sehen. Die Laufflächenlänge L erstreckt sich dabei in axialer Richtung über die ganze Zylinderlaufbuchse, die Kolbenhublänge K lediglich bis zum Ende des Hohlraums. Das bedeutet, dass der untere Totpunkt dem unteren Ende der thermischen Isolation entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Innenseite
- 4
- thermische Isolation
- 6
- Außenseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2734254 A1 [0005]
- DE 10225062 B4 [0006]
