-
Die Erfindung betrifft ein Zylindergehäuse für Hubkolbenmaschinen, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Durch die
DE 44 09 750 A1 ist ein Zylinderkurbelgehäuse bekannt, bei dem der Zylinderliner in open deck Konstruktion und im Druckgussverfahren aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, wobei eine zusätzlich angegossene Hüllwand einen separaten Wassermantel einschließt. Der Zylinderliner ist in ein äußeres Zylinderkurbelgehäuse aus einer Magnesiumlegierung unmittelbar eingegossen.
-
Aus der gattungsbildenden
DE 199 49 416 A1 ist bereits ein Zylindergehäuse für eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine, insbesondere für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen, mit einem Zylinderliner aus einem höherfesten Werkstoff und mit die Zylinder zumindest teilweise umgebenden Wasserräumen, die von einer an die Zylinderwände angegossenen Kühlwand begrenzt sind, bekannt, wobei der Zylinderliner in ein äußeres Zylindergehäuse aus Leichtmetall eingegossen ist und wobei Befestigungsmittel für einen angrenzenden Zylinderkopf sowie für Lagerstellen eines Kurbeltriebes vorgesehen sind und wobei an den Zylinderliner Pfeifen angegossen sind, in denen beide Befestigungsmittel verankerbar sind.
-
Konkret sind hier die als Schraubendom bezeichneten Pfeifen lediglich über einen als Verliersicherung dienenden schmalen Verbindungssteg am zylinderkopfseitigen Ende festgelegt, wobei diese als Verliersicherung dienenden Stege nicht zur Kraftübertragung im fertigen, d. h. im mit dem Außenteil umgossenen Gehäuse dienen sollen. Diese als Verliersicherung dienenden Stege sind lediglich dafür vorgesehen, die einzelnen Funktionselemente vor und während des Umgießens positioniert zu halten und werden am Ende des Gießvorgangs entfernt. Die tragende Funktion und damit die Übertragung hoher Abstützkräfte erfolgt über das äußere Zylindergehäuse aus Leichtmetall, in das der Zylinderliner eingegossen ist. Problematisch bei einem derartigen Aufbau ist jedoch, dass hier keine gleichmäßige Krafteinleitung in den Zylinderliner erfolgt, was insbesondere im Bereich der an die Zylinderwände angegossenen Hüllwände von einem erheblichen Nachteil sein kann und diese ggf. eindrücken bzw. beschädigen kann.
-
Aus der
DE 44 08 137 A1 ist ein Aufbau bekannt, bei dem der Zylinderliner mit dem äußeren Gehäuse verschraubt ist. Die die Zylinderliner umgebenden Wasserräume werden hier erst nach der Verschraubung des Außengehäuses mit dem Zylinderliner hergestellt. Pfeifen, in die sowohl die Befestigungsmittel für einen Zylinderkopf als auch die Lagerstellen eines Kurbeltriebes einschraubbar sind, sind hier nicht vorgesehen. Dasselbe gilt auch für die
DE 100 21 198 A1 , bei der Eingussstücke mehrerer Kurbelwellenlager über Verbindungsstege miteinander verbunden sind und ein Tragskelett ausbilden.
-
Weiter ist aus der nachveröffentlichten
DE 101 12 132 A1 ein Zylinderkurbelgehäuse für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bekannt, das einen Triebwerksblock aus einer Aluminiumlegierung umfasst, wobei an einem Deck des Triebwerksblockes kurbelwellenseitig angeformte Lagerstühle mit darüber einstückig angeordneten Zylinderrohren ausgebildet sind, die mit an diesen angeformten Hüllwänden zylinderkopfseitige Kühlräume begrenzen. In den relativ kurzen bzw. niedrigen Hüllwänden stehen Schraubenpfeifen über an den Zylinderrohren angeordnete Stege mit dem Deck in kraftleitender Verbindung. Der Alu-Triebwerksblock ist in ein aus einer Magnesium-Legierung gefertigtes Gehäuse eingegossen.
-
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Zylindergehäuse für eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine, insbesondere für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen, zu schaffen, mit dem auf einfache Weise hohe Abstützkräfte bei einer gleichmäßigen Krafteinleitung in den Zylinderliner übertragen werden können.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Gemäß Patentanspruch 1 sind die Pfeifen als Bestandteil des Zylinderliners im wesentlichen über deren gesamte Längserstreckungsrichtung gesehen an die Hüllwand und/oder an die Zylinderwände einstückig und materialeinheitlich angegossen. Dadurch wird erreicht, dass die hohen Abstützkräfte nicht undefiniert über das Außengehäuse, sondern definiert über den Zylinderliner übertragen werden können, d. h., dass hierdurch eine gezielte und gleichmäßige Krafteinleitung in den Zylinderliner sichergestellt werden kann. Dadurch wird die Gefahr eines Eindrückens bzw. einer Beschädigung der an die Zylinderwände angegossenen Hüllwand vorteilhaft verhindert.
-
Zudem wird durch diese Maßnahme in vorteilhafter Weise ein durchgängiger Kraftfluss vom Zylinderkopf zu den Triebwerklagern erzielt (Zugankerkonzept), der eine hervorragende „innere” Abstützung der Gas- und Massenkräfte an der Hubkolbenmaschine darstellt. Dabei werden die Befestigungsmittel am Zylinderliner, also im höherfesten kriechfesten Werkstoff des Zylindergehäuses verankert, z. B. über entsprechende Gewindebohrungen. Das umgebende äußere Zylindergehäuse bzw. Zylinderkurbelgehäuse – z. B. aus Magnesium – unterliegt zudem im wesentlichen nur Druckspannungen und kann deshalb entsprechend gewichtsoptimiert gestaltet sein, d. h. es muss keine hohen Abstützkräfte mehr übertragen.
-
In den an den Zylinderliner angegossenen Pfeifen sind die Befestigungsmittel, insbesondere entsprechende Schrauben oder Schraubenbolzen für den Zylinderkopf einerseits und die Triebwerklagerung der Hubkolbenmaschine andererseits verankerbar.
-
Ferner wird vorgeschlagen, an beiden Stirnseiten der Pfeifen Gewindebohrungen für Zylinderkopfschrauben einerseits und Hauptlager-Befestigungsschrauben andererseits anzubringen. Obwohl auch durchgehende Schraubenbolzen – die beispielsweise in deren mittleren Bereich in die Pfeifen eingegossen sein könnten – verwendbar wären, ergeben separate Schrauben sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich des Montageaufwandes deutliche Vorteile.
-
Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Pfeifen an die Hüllwand angebunden sind, deren Gewindebohrungen aber außerhalb der Wasserräume liegen und dass zwischen den Zylinderwänden und den Pfeifen Verbindungsstege ausgebildet sind. Damit wird neben einer bis zur Zylinderkopf-Anschlussfläche durchgängigen Abstützung der Gas- und Massenkräfte eine stabile Anbindung der Pfeifen auch an die im Außendurchmesser geringeren Zylinderwände des Zylinderliners sichergestellt. Ferner können die Pfeifen im oberen, dem Zylinderkopf benachbartem Bereich nur an der Hüllwand angegossen, von den Zylinderwänden also freigehalten sein, um diese temperaturkritischen Stegbereiche besser mit Kühlwasser versorgen zu können.
-
Die Zylinderwände können in an sich bekannter Weise in diesem Stegbereich, d. h. im Bereich aneinander angrenzender Zylinder, zusammengegossen sein, wodurch sich die Baulänge des Motors verkürzt, der Zylinderliner weiter in sich versteift ist und zu einer erhöhten Bauteilsteifigkeit des Zylindergehäuses beiträgt. Gleiches gilt für Maßnahmen zur Erzielung eines zusätzlichen Formschlusses zwischen dem Zylinderliner und dem Zylindergehäuse bzw. Zylinderkurbelgehäuse durch eine entsprechende Verrippung. Bevorzugt sollte jedoch durch gezielte Oberflächenbehandlung des Zylinderliners (Beschichtung, etc.) ein Stoffschluss zwischen Zylindergehäuse und Zylinderliner hergestellt werden.
-
Bevorzugt wird ferner vorgeschlagen, den Zylinderliner aus einer übereutektischen AlSi Legierung herzustellen, so dass neben den hervorragenden Werkstoffeigenschaften dieser Legierung zugleich deren tribologische Eigenschaften und Verschleißbeständigkeit für die Laufflächen der Zylinder direkt nutzbar sind. Für das äußere Zylindergehäuse kann entweder eine untereutektische AlSi Legierung oder bevorzugt eine Magnesiumlegierung verwendet sein.
-
Schließlich ergibt ein in closed deck Konstruktion gefertigter Zylinderliner eine optimale Bauteilsteifigkeit und -festigkeit genau in dem Bereich, der sowohl mechanisch als auch thermodynamisch am höchsten belastet ist; zudem ermöglicht die Anwendung des Sand- oder Kokillengussverfahrens schnelle Abkühlungsfasen durch geringe Massen des Zylinderliners und beanspruchungsgerechte Bauteilgeometrien aufgrund der relativ freien gusstechnischen Formgestaltung (Hinterschneidungen, komplizierte Kühlwasserführungen, etc.). Ein weiterer Vorteil liegt in der verbesserten Anpressung der Zylinderkopfdichtung unmittelbar an dem „Deck” des Zylinderliners, in dem – wie vorstehend ausgeführt – auch unmittelbar die Gewindebohrungen bzw. die angegossenen Pfeifen integriert sind.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.
-
Die anliegende schematische Zeichnung zeigt in
-
1 ein teilweise dargestelltes Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine in einem Querschnitt durch eine Hauptlagerebene der Kurbelwellenlagerung;
-
2 teilweise den Zylinderliner des Zylinder-Kurbelgehäuses nach 1 im Rohguss in einer Ansicht schräg von unten; und
-
3 einen teilweisen Längsschnitt des Zylinderliners entlang einer durch die Zylindermittelachsen vorgegebenen Längsmittelebene.
-
In der 1 ist in raumbildlicher Darstellung teilweise ein Zylinder-Kurbelgehäuse 10 für eine Vierzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge gezeigt, das soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein kann und sich aus einem oberen Zylindergehäuse 12 mit vier darin ausgebildeten Zylindern 14 und einem unteren, einstückig angegossenem Kurbelgehäuse 16 zusammensetzt. Es könnte jedoch das Zylindergehäuse 12 auch ein separates Bauteil bilden.
-
Die in den Zylindern 14 gleitenden Kolben sind in bekannter Weise über Pleuel mit einer Kurbelwelle (der Kurbeltrieb ist nicht dargestellt) verbunden, wobei die Kurbelwelle über entsprechende Hauptlager mit Lagerstühlen 18 drehbar im Kurbelgehäuse 16 gelagert ist.
-
Das Zylindergehäuse 12 setzt sich wiederum zusammen aus einem Zylinderliner 20, der im Niederdruck-Kokillenguss aus einer übereutektischen Aluminium-Silicium-Leichtmetalllegierung der Zusammensetzung AlSi17Cu4 gegossen ist und als Rohling gemäß den 2 und 3 mit dem äußeren Zylindergehäuse 22 aus einer weniger duktilen und spezifisch leichteren Magnesiumlegierung der Bezeichnung AZ91 hp im Druckgussverfahren umgossen ist. Die Seitenwände 22a (1) und die Stirnwände 22b (3) des äußeren Zylindergehäuses 22 umschließen dabei unmittelbar den Zylinderliner 20.
-
Der Zylinderliner 20 in closed deck Konstruktion weist zusammengegossene Zylinderwände 20a und eine daran angebundene, die Zylinderwände 20a umschließende Hüllwand 20b auf, wobei die Hüllwand 20b (vgl. 3) einen dazwischen gebildeten Wassermantel 20c begrenzt. Oben liegende Stege 20e verbinden dabei die Zylinderwände 20a mit der Hüllwand 20b, wobei dazwischen liegende Kühlwasser-Durchtritte frei bleiben. Der Wassermantel 20c erstreckt sich etwa bis zur halben Zylinderlänge eines jeden Zylinders 14 und ist zu der Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d über die von den Stegen 20e begrenzten Durchtritte offen, so dass er in bekannter Weise an die Flüssigkeits-Umlaufkühlung der Brennkraftmaschine anschließbar ist.
-
An den Zylinderliner 20 sind jeweils um die Zylinder 14 herum Pfeifen 20f angegossen, die an ihrer der Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d zu gelegenen Stirnfläche und an der entgegengesetzt liegenden Stirnfläche (vgl. 2) Gewindebohrungen 32 aufweisen, in die nicht dargestellte Zylinderkopfschrauben bzw. Hauptlagerschrauben 30 für nicht dargestellte Hauptlagerdeckel der in das Kurbelgehäuse 16 eingegossenen Lagerstühle 18 der Triebwerklagerung der Brennkraftmaschine 10 einschraubbar bzw. verankerbar sind.
-
Die Pfeifen 20f (vgl. 3) verlaufen etwa parallel zur Zylindermittelachse 14a der Zylinder 14, wobei jeweils vier Pfeifen 20f um die Zylinder 14 verteilt sind. Die Pfeifen 20f sind als durchgehende „Rohre” ausgebildet, also zu den angrenzenden Wasserräumen 20c nicht offen. Ferner sind die Pfeifen 20f im unteren Bereich über Verbindungsstege 20g an die im Außendurchmesser geringeren Zylinderwände 20a gießtechnisch angebunden, während sie im oberen, dem Zylinderkopf benachbartem Bereich der Hüllwand 20b nicht mit den Zylinderwänden 20a direkt verbunden sind. Die Zylinderwände 20a sind somit zur Erzielung einer guten Kühlwasser-Umströmung im sogenannten Stegbereich jeweils zwischen zwei aneinander angrenzende Zylinder 14 frei umströmbar.
-
Sofern die Abstände der Zylinderkopfschrauben und der Hauptlagerschrauben 30 in Querrichtung der Hubkolbenmaschine gesehen unterschiedlich sind, beispielsweise weil die Abstände der Hauptlagerschrauben 30 geringer sind als die der Zylinderkopfschrauben, können die Pfeifen 20f auch knick- bzw. stufenförmig ausgebildet sein, mit zwischen den parallelen, die Gewindebohrungen 32 aufnehmenden Abschnitten einem schrägen oder um 90 Grad abgeknicktem Verbindungsabschnitt (nicht dargestellt).
-
An die Hüllwand 20b könnte ferner eine separate Kühlwasserführung in Form eines seitlich angegossenen und Verbindungen zu dem Wassermantel 20c aufweisenden Führungsrohres ggf. unterschiedlichen Querschnittes vorgesehen sein, mittels dem eine gezielte Kühlwasserführung (split cooling) darstellbar ist. Das Führungsrohr kann einen durch das äußere Zylindergehäuse nach außen geführten Kühlwasser-Austrittsstutzen aufweisen. Der Kühlwasseraustrittsstutzen kann aber auch an der Hüllwand 20b nach draußen geführt sein.
-
Ferner können an den Zylinderliner 20 einen zusätzlichen Formschluss beim Eingießen herstellende Rippen 20h (in 3 angedeutet) angegossen sein, die sich beispielsweise ringförmig um die Hüllwand 20b und die Zylinderwände 20a erstrecken und somit beim Umgießen mit dem äußeren Zylindergehäuse 22 von diesem umschlossen werden. Sofern für den Zylinderliner 20 keine höherfeste und tribologisch günstige übereutektische Al-Si-Legierung verwendet ist, kann eine Laufflächenbeschichtung der Zylinder 14 verwendet sein (z. B. durch Laser-Aufschmelzlegieren).
