DE10208299A1

DE10208299A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10208299A1
Application number: DE2002108299
Authority: DE
Inventors: Hansjoerg Finkbeiner; Hans Brueggemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: FINKBEINER, HANSJOERG, DIPL.-ING., 73235 WEILHEIM,
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, Zylinderlaufbüchsen, die am Zylinderkopf angegossen sind, einem Kurbelgehäuse mit Lagerstühlen für eine Kurbelwelle und Lagerdeckel an den Lagerstühlen, wobei Zuganker vom Zylinderkopf durch das Kurbelgehäuse bis zu den Lagerdeckeln geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Aus der DE 40 33 623 C1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Zylinderlaufbüchsen an den Zylinderkopf angegossen sind. Weiterhin ist aus dieser Schrift bekannt, die Lagerstühle und die Lagerdeckel getrennt zu fertigen und am Kurbelgehäuse anzuschrauben. In einer derartig ausgeführten Brennkraftmaschine, bei der ein Großteil des Gehäuses wegen der Schweißbarkeit aus einem Leichtmetall gegossen ist, ist das Gehäuse auf Zugbelastung beansprucht, wodurch aufgrund der Materialfestigkeit keine hohen Kräfte eingeleitet werden können. Weiterhin ist eine Leichtmetall-(Aluminium-) Zylinderlaufbuchse zukünftigen hohen Zünddrücken, wie sie bei Dieselbrennkraftmaschinen entstehen, bei hohen Temperaturen nicht gewachsen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinderlaufbuchsen an den Zylinderkopf angegossen sind, zu verbessern, damit sie hohen Zünddrücken und Temperaturen bei gleichzeitig möglichst niedrigem Gewicht standhält.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass vom Zylinderkopf mit den angegossenen Zylinderlaufbuchsen durch das Kurbelgehäuse bis zu den Lagerdeckeln für die Lagerstühle der Kurbelwelle Zuganker geführt sind. Bei steigenden Zünddrücken innerhalb der Brennkraftmaschine ist es von Vorteil, den Zylinderkopf und die Zylinderlaufbüchsen einstückig auszuführen, um damit das bei hohem Druck und hohen Temperaturen versagenskritische Bauteil Zylinderkopfdichtung einzusparen. Um ein Verformen der Zylinderlaufbüchsen aufgrund einer Verschraubung des Zylinderkopf-Laufbüchsen-Bauteiles mit dem Kurbelgehäuse zu vermeiden, ist es von Vorteil, die Kraftübertragung, die die Gasdruckkraft aus dem Zylinderkopf auf das Grundlager und damit auf die Kurbelwelle überträgt, so zu gestalten, dass der Kraftfluss außerhalb der Zylinderlaufbuchsen verläuft und keinerlei Zugkräfte in die Bauteile einbringt. Wenn die Auflageflächen für eine derartige Zugankerverschraubung oberhalb des Zylinderkopfes und unterhalb der Lagerdeckel angeordnet sind, werden die dazwischen angeordneten Bauteile ausschließlich auf Druck beansprucht und die Zylinderlaufbüchse hängt quasi frei und wird nur von Gasdruckkräften aus der Verbrennung und von Kolbenquerkräften aus der Kolbentriebwerkskinematik beaufschlagt. Die Zuganker sind mit einer so hohen Zugkraft vorgespannt, dass bei allen Betriebszuständen ein Aufklaffen der Einzelteile oder ein Versagen der Abdichtungen im gesamten Verbund vermieden wird. Die Zuganker sind vom Zylinderkopf durch das Kurbelgehäuse in die Lagerdeckel geschraubt oder mit einer Mutter unterhalb der Lagerdeckel verschraubt, können aber auch vom Lagerdeckel aus durch das Kurbelgehäuse in den Zylinderkopf geschraubt oder durch den Zylinderkopf mit einer Mutter verschraubt sein.
In Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 2) ist der Zylinderkopf und die angegossenen Zylinderlaufbüchsen aus einem Eisengusswerkstoff und das Kurbelgehäuse aus Leichtmetall hergestellt. Die zukünftigen hohen Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen verlangen für die die Brennraumwandung bildenden Bauteile druck- und temperaturstabile Werkstoffe, wie zum Beispiel ein Eisengusswerkstoff, der auch bei hohen Temperaturen druckstabil ist. Der Nachteil des hohen Gewichtes des Eisengusswerkstoffes wird dadurch wieder wettgemacht, dass das Kurbelgehäuse aus einem Leichtmetallgusswerkstoff hergestellt ist. Da das Kurbelgehäuse erfindungsgemäß nur auf Druck, jedoch nicht von den Gaskräften beansprucht ist, und außerdem nicht den hohen Verbrennungstemperaturen im Brennraum ausgesetzt ist, ist ein leichter Werkstoff, wie zum Beispiel eine Aluminiumgusslegierung, eine gute Möglichkeit, um auf einfache Weise das Gewicht der Brennkraftmaschine zu verringern, ohne die Festigkeit und Haltbarkeit des Gehäuses zu verschlechtern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 3) sind die Lagerdeckel, die zusammen mit den Lagerstühlen des Kurbelgehäuses die Grundlager für die Kurbelwelle bilden, einteilig als Lagerrahmen ausgeführt. Ein derartiger Lagerrahmen ist auch unter dem Namen "Bedplate" bekannt und versteift aufgrund seiner Geometrie das Kurbelgehäuse, was von Vorteil für die Geräuschemission ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung (Anspruch 4) sind die Lagerdeckel bzw. der Lagerrahmen aus einem Eisengusswerkstoff hergestellt. Aufgrund der Kraftflussumlenkung vom Zuganker in Richtung der Kurbelwelle innerhalb der Lagerdeckel bzw. des Lagerrahmens ist ein besonders stabiler Werkstoff von Vorteil. Damit der Öldurchsatz im Grundlager bei betriebswarmer Brennkraftmaschine nicht zu sehr ansteigt, ist es wichtig, die Wärmeausdehnung des Grundlagers ungefähr gleichgroß zu halten wie die der Kurbelwelle, d. h. bei einer Stahl- oder Graugusskurbelwelle ist ein Eisengusslagerdeckel oder -rahmen von Vorteil.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung (Anspruch 5) sind die Lagerdeckel bzw. der Lagerrahmen aus einem Verbundwerkstoff hergestellt. Da ein reiner Aluminium-Lagerdeckel oder -rahmen nicht die nötige Steifigkeit und die richtige Wärmeausdehnung aufweist, ist es vorteilhaft zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften dem Lagerdeckel oder -rahmen zum Aluminium eine Faserverstärkung, z. B. Kohlefaser oder Glasfaser, hinzuzufügen. Ebenso ist es möglich den Lagerdeckel oder -rahmen ganz aus Kohlefaser oder einem ähnlichen Werkstoff herzustellen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 6) ist es vorteilhaft die Zuganker aus einem austenitischem Stahl herzustellen. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des gesamten Gehäuseverbundes aus einem Eisenguss-Zylinderkopf, einem Leichtmetall-Kurbelgehäuse und einem Eisenguss- Lagerdeckel oder -rahmen, der von Zuganker zusammengehalten wird, weist der Gehäuseverbund eine höhere Wärmeausdehnung auf als ein Gehäuseverbund ohne Aluminiumbauteile. Um eine unnötig hohe Zugbelastung des Zugankers zu vermeiden, wird der Zuganker aus einer Stahllegierung mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient als üblichem Eisengusswerkstoff hergestellt. Dies ist bei austenitischem Stahl der Fall.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 7) ist es vorteilhaft zwei benachbarte Zylinderlaufbüchsen zusammenzugießen. Dadurch wird nicht nur der Gießvorgang erleichtert, sondern der Verbund aus Zylinderkopf und Zylinderlaufbüchsen wird steifer und damit haltbarer und leiser.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 8) sind an der Stelle, an der die Zylinderlaufbüchsen zusammengegossen sind, Kühlmitteldurchtritte vorgesehen. Diese Kühlmitteldurchtritte können gebohrt oder vorgegossen sein und erleichtern den Kühlmittelaustausch im Kurbelgehäuse.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 9) sind in einer Ebene, die senkrecht auf einer Verbindungsebene zwischen zwei Zylindermitten, parallel zu den Zylindermitten und zwischen zwei Zylindern verläuft, zwei Zuganker vorgesehen. Durch diese Anordnung wird die Vorspannkraft der Zuganker gleichmäßig auf zwei benachbarte Zylinder übertragen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 10) ist der Zylinderkopf mit den angegossenen Zylinderlaufbüchsen oben und unten im Kurbelgehäuse gelagert und im Bereich der Lagerstellen mit Dichtungen versehen. Durch die obere Lagerstelle wird der Zylinderkopf auf dem Kurbelgehäuse fixiert. Die untere Lagerstelle zwischen der Zylinderlaufbüchse und dem Kurbelgehäuse verhindert ein Bewegen oder Schwingen der Zylinderlaufbüchse. Die Dichtungen verhindern einen unkontrollierten Übertritt von Luft, Wasser oder Öl.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 11) ist zwischen der oberen und der unteren Dichtung ein Kühlwassermantel vorgesehen. Die obere und untere Lagerung und Dichtung ermöglichen auf einfache Weise eine direkte Kühlung der Zylinderlaufbüchsen ohne zusätzliche Bauteile oder Gießkerne in den Bauteilen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 12) ist die untere Dichtung an der Zylinderlaufbüchse toleranzausgleichend ausgebildet. Eine Dichtung muss Fertigungstoleranzen zwischen Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf-Zylinderlaufbüchsen-Bauteil aber auch Toleranzen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Bauteile ausgleichen. Dies kann eine Dichtung in axialer Richtung (Richtung der Zylinderachse) sein, die eine gleichbleibende Dichtwirkung bei unterschiedlicher Pressung aufweist. Es kann aber auch eine radiale Dichtung sein, die Ausdehnungen in axialer Richtung unter Umständen besser ausgleichen kann.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine, geschnitten in der Zylindermitte, und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine, geschnitten zwischen zwei Zylindern.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderkopf 2, einer Zylinderlaufbüchse 3, einem Kurbelgehäuse 4 und einem Lagerdeckel 5 für ein Grundlager 6 gezeigt. Der Zylinderkopf 2 und die Zylinderlaufbüchse 3 sind einteilig-ausgeführt, wodurch eine Zylinderkopfdichtung mit allen brennraumdruck- und temperaturbeschränkenden Eigenschaften entfällt. Die Zylinderlaufbüchse 3 ist in das Kurbelgehäuse 4 eingesteckt und bildet im darin entstehenden Zwischenraum einen sogenannten Kühlwassermantel 7 zur Zylinderkühlung. Der Kühlwassermantel 7 ist an einem oberen Ende 8 und an einem unteren Ende 9 mit einem O-Ring, einer Formdichtung oder einer ähnlich wirkenden Dichtung abgedichtet. Die Zylinderlaufbüchse 3 ist soweit auf Druck in Richtung der Zylinderachse beansprucht, wie es für die Abdichtung am oberen und unteren Ende 8, 9 notwendig ist. Ansonsten ist die Zylinderlaufbüchse 3 nur mit dem Verbrennungsdruck senkrecht zur Zylinderachse beaufschlagt, jedoch nicht mit Zug- oder Druckkräften in Richtung der Zylinderachse, was für eine dauerhafte Rundheit der Zylinderlaufbüchse im Betrieb von Vorteil ist.
In Fig. 2 ist die gleiche Brennkraftmaschine 1 in einem Querschnitt zwischen zwei Zylindern gezeigt, bei dem der Zylinderkopf 2 mit den angegossenen Zylinderlaufbüchsen im Bereich zwischen zwei Zylindern nur auf einen schmalen Steg 10 verkleinert ist. Im Bereich des eigentlichen Zylinderkopfes 2 sind bekannte Elemente eines Zylinderkopfgussteiles zu sehen, wie Wasserraum 11, Wand 12 oder Bohrung 13 für einen Zuganker 14. Der Zuganker 14 führt durch den Kühlwassermantel 7 und das Kurbelgehäuse 4 und ist im Lagerdeckel 5 eingeschraubt. Dadurch sind alle Bauteile zwischen der Auflage des Zugankers 14 und dem Lagerdeckel 5 nur auf Druck beansprucht, was insbesondere im Bereich der Zylinderlaufbüchsen 3 zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Unrundheiten über dem Umfang der Zylinderlaufbüchse durch ungleichmäßig angreifende Schraubenkräfte führt. Da die Zuganker 14 nicht im Kurbelgehäuse 4 eingeschraubt sind, sondern das Haltegewinde sich im Lagerdeckel 5 befindet, ist es gefahrlos möglich, das Kurbelgehäuse aus einem weniger festen Werkstoff zu fertigen, wie zum Beispiel aus Aluminiumdruckguss.
Der Steg 10 zwischen den Zylinderlaufbüchsen 3 ist zur besseren Verteilung des Kühlwassers mit Querbohrungen 15 versehen, wodurch das Kühlwasser gezielt den Bereich am oberen Ende der Zylinderlaufbüchsen kühlt. Aus dem gleichen Grunde ist eine Bohrung 16 zwischen dem Wasserraum 11 im Zylinderkopf 2 und dem Kühlwassermantel 7 Vorgesehen.

Claims

1. Brennkraftmaschine (1) mit
einem Zylinderkopf (2)
Zylinderlaufbüchsen (3), die am Zylinderkopf angegossen sind
einem Kurbelgehäuse (4) mit Lagerstühlen für eine Kurbelwelle
Lagerdeckel (5)an den Lagerstühlen,
dadurch gekennzeichnet,
dass Zuganker (14) vom Zylinderkopf durch das Kurbelgehäuse bis zu den Lagerdeckeln geführt sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (2) mit den Zylinderlaufbüchsen (3) aus einem Eisengusswerkstoff und das Kurbelgehäuse (4) aus einem Leichtmetall gegossen sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerdeckel (5) zusammen als Lagerrahmen gefertigt sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerdeckel (5) aus einem Eisenwerkstoff hergestellt sind.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerdeckel (5) aus einem Verbundwerkstoff gefertigt sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (14) aus einem austenitischem Stahl hergestellt sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Zylinderlaufbüchsen (3) zusammengegossen sind.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Verbindungsstelle zwischen zwei zusammengegossenen Zylinderlaufbüchsen (3) Kühlmitteldurchtritte (15) vorgesehen sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ebene, die senkrecht auf einer Verbindungsebene zwischen zwei Zylindermitten, parallel zu den Zylindermitten und zwischen zwei Zylindern verläuft, zwei Zuganker (14) vorgesehen sind.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (2) mit den angegossenen Zylinderlaufbüchsen (3) im Kurbelgehäuse (4) oben und unten gelagert und mit Dichtungen versehen ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen und unteren Dichtung ein Kühlwassermantel (7) vorgesehen ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Dichtung toleranzausgleichend ausgebildet ist.