DE10321034B3 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit einer Laufbuchse, der ein ringförmiger Einsatz zugeordnet ist, der die Laufbuchse an ihrem zylinderkopfseitigen Ende überragt, der zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderkopf vorzugsweise spielfrei eingepasst ist und axial gegenüberliegende Stirnflächen aufweist, wobei wenigstens eine Stirnfläche eine in radialer Richtung wellige Profilierung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
  • Aus der DE 35 43 668 A1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, die eine Laufbuchse mit einer ringförmigen Einlage in einem Zylindergehäuse aufweist. Durch eine derartige Einlage ist gewährleistet, dass die sich auf einem Feuersteg eines Kolbens ausbildende Ölkohle nicht in Kontakt mit den Zylinderflächen der Laufbuchse unterhalb der Einlage gelangt. Der Einsatz weist einen etwas geringeren Innendurchmesser auf als die Laufbuchse und ist in seiner axialen Erstreckung so lang, dass der obere Kolbenring im oberen Totpunkt der Kurbelwellenstellung unterhalb der Einlage zu Stehen kommt. Auf diese Weise wird eine Kollision eines Kolbenringes mit der Einlage verhindert. Weiterhin ragt die Einlage über den oberen Abschluss der Laufbuchse hinaus um zusammen mit einer Zylinderkopfdichtung einen dichten Abschluss zum Zylinderkopf zu bilden. Die axiale Stirnfläche weist Ausnehmungen zur Aufnahme einer Zylinderkopfdichtung auf.
  • Aus der US 4,474,147 ist ein Ring bekannt, der am oberen Ende einer Zylinderlaufbahn einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eingesetzt ist und einen L-förmigen Querschnitt aufweist. Der Ring dient als Abstreifer von Ölkohleablagerungen und soll die Zylinderkopfdichtung unterstützen. Der seitliche Flansch, der zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderkopf eingepasst ist, wird bei der Montage durch einen Wulst auf der Laufbuchse teilweise in eine Nut im Zylinderkopf gedrückt. Durch eine aufwändig herzustellende Kombination aus Nut und Wulst wird die Dichtwirkung erhöht.
  • Aus der US 6,234,134 B1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit Laufbuchse bekannt, bei der am oberen Ende der Laufbuchse ein ringförmiger Einsatz angeordnet ist, der oberhalb der Kolbenringe Verbrennungsrückstände am Kolben verhindern soll.
  • Aus der CH 3 66 691 ist ebenfalls eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit Laufbuchse bekannt, bei der jedoch das obere Ende der Laufbuchse mit einem Aufsatz und einer Profilierung versehen ist, die gegen einen Dichtring drückt, der in einer Nut im Zylinderkopf angeordnet ist.
  • Aus der DE 101 19 628 A1 ist ebenfalls eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit Laufbuchse bekannt, bei der jedoch oberhalb der Laufbuchse ein flaches, ringförmiges Dichtelement als Teil der Zylinderkopfdichtung mit einer Profilierung in Form von umlaufenden Rillen versehen ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bereitzustellen, die mittels einer Einlage für eine Laufbuchse höchsten Anforderungen bezüglich Brennraumdruck und -temperatur genügt sowie einfach herzustellen und zu montieren ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine mit einem Zylinderkopf, einem Zylindergehäuse und einer Laufbuchse mit einem ringförmigen Einsatz, der die Laufbuchse an ihrem zylinderkopfseitigem Ende überragt, zeichnet sich dadurch aus, dass der Einsatz axial gegenüberliegende Stirnflächen aufweist, wobei wenigstens eine Stirnfläche mit einer Profilierung versehen ist. Weiterhin ist der Einsatz zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderkopf vorzugsweise spielfrei eingepasst, so dass sich bei der Zylin derkopfmontage eine Pressung innerhalb des Einsatzes ergibt, die der Abdichtung des Brennraumes gegen hohen Verbrennungsdruck förderlich ist.
  • Durch ein Einpassen des Einsatzes zwischen einem Absatz bzw. einer Stufe in der Innenseite der Laufbuchse und dem Zylinderkopf wird die Profilierung einer Stirnfläche des Einsatzes plastisch und vor allem elastisch verformt, passt sich der Form der Laufbuchse und des Zylinderkopfes an und dichtet auf diese Weise den Brennraum ab. Eine Abdichtung des Brennraumes, d.h. vor allem des Überganges von der Laufbuchse zum Zylinderkopf, erfordert bei hochbelasteten Brennkraftmaschinen, wie z.B. aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen, besondere Maßnahmen für eine dauerhaft gute Funktion und stellt an eine Zylinderkopfdichtung besondere Anforderungen. Da der Druck und die Temperatur im Brennraum bei nahezu gleichbleibenden Zylinderabmessungen durch verbesserte Ladungswechsel, Kraftstoffzufuhr und Verbrennung bei modernen Brennkraftmaschinen immer weiter steigen, steigt entsprechend die Belastung der Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere im Bereich des Überganges von der Laufbuchse über die Zylinderkopfdichtung zum Zylinderkopf.
  • Bei einer Ausführung mit einem Einsatz in der Laufbuchse wird durch den Einsatz, der zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf angeordnet ist, ein Teil der thermischen Belastung und der Druckbelastung von der Zylinderkopfdichtung abgehalten. Die Laufbuchse kann in das Zylindergehäuse integriert, eingegossen oder nachträglich eingesetzt sein. Die Profilierung kann auf der unteren, der oberen oder beiden Stirnflächen des Einsatzes angeordnet sein. Eine Profilierung auf beiden Stirnflächen ist aufwändiger herzustellen, ergibt aber einen größeren möglichen Verformungsweg bei der Montage bzw. beim Pressen des Zylinderkopfes auf den Einsatz und die Laufbuchse. Auf diese Weise können größere Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Weiterhin werden durch einen derartigen als Feuerring ausgebildeten Einsatz die heißen Brenngase von der Zylinder kopfdichtung ferngehalten, was die thermische Beanspruchung der Zylinderkopfdichtung erheblich reduziert und damit die Lebensdauer verlängert.
  • Ein weiterer Vorteil eines Einsatzes in der Laufbuchse ist die dadurch mögliche Verengung der Zylinderlauffläche auf einem Laufflächenabschnitt, der von den Kolbenringen des im Zylinder oszillierenden Kolbens im oberen Totpunkt nicht mehr erreicht wird. Durch diese Verengung wird eine übermäßige Ablagerung von Ölkohle und sonstigen Verbrennungsrückständen auf dem Kolben oberhalb des obersten Kolbenringes vermieden, da der Ringspalt zwischen Kolben und Laufbuchse durch den Einsatz wesentlich verkleinert ist und sich dadurch nur wenige Rückstände in dünnen Schichten ablagern können. Wenn der Kolben in einer tiefen Stellung steht, ist der Ringspalt etwas größer und es können sich Rückstände auf dem Kolben oberhalb der Kolbenringe ablagern, die jedoch bei der Aufwärtsbewegung beim Erreichen des Einsatzes durch den Einsatz abgenommen werden. Die Profilierung kann aus einem balligen Profil oder einem Profil mit Rillen bestehen.
  • Die Profilierung des ringförmigen Einsatzes ist mit umlaufenden Rillen versehen. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung und eine einfache Herstellung der Rillen ermöglicht. Die Rillen können z.B. einen dreieckigen, rautenförmigen oder welligen Querschnitt aufweisen und auf einer oder beiden axialen Stirnflächen des Einsatzes angeordnet sein. Die Auswahl der Variante ist abhängig vom Fertigungs-, Montageverfahren und von der Verteilung der Belastung durch die Pressung des Zylinderkopfes auf den Einsatz und die Laufbuchse.
  • Die Profilierung ist durch einen welligen Verlauf über dem Umfang einer Verschraubung des Zylinderkopfes mit dem Zylindergehäuse angepasst. Da in unmittelbarer Nähe der Zylin derkopfverschraubung eine andere Pressungsverteilung in den Dichtflächen zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderkopf herrscht als in Bereichen die zum Beispiel genau zwischen zwei Zylinderkopfschrauben liegen, ist es vorteilhaft die Profilierung des Einsatzes in der Laufbuchse den unterschiedlichen Anforderungen anzupassen. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass die Profilierung in unmittelbarer Nähe der Zylinderkopfschrauben wegen der höheren Pressung weniger stark ausgeführt wird als in Bereichen, die weiter weg angeordnet sind. Eine weniger starke Profilierung bedeutet, dass die Anzahl der Rillen reduziert, die Rillentiefe verringert und/oder dass die Form der Rillen der stärkeren Belastung durch die Schraubenkraft angepasst ist. Durch diese Anpassung der Profilierung an die unterschiedlichen Bedingungen in der Pressung durch die Zylinderkopfverschraubung ergibt sich über den Umfang des Einsatzes betrachtet ein welliger Verlauf.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Profilierung des ringförmigen Einsatzes als Labyrinthdichtung ausgebildet. Auf diese Weise wird eine besonders gute Dichtfunktion des Einsatzes in der Laufbuchse erreicht, und über den Druckabbau über das Labyrinth wird ein Brenngasübertritt zur Zylinderkopfdichtung verhindert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der ringförmige Einsatz gegen Verdrehen in der Zylinderlaufbuchse gesichert. Da der Verlauf der Wellenform der Profilierung des Einsatzes von der Anordnung und Lage der Zylinderkopfschrauben abhängt ist es für eine einwandfreie Dichtfunktion erforderlich, dass der Einsatz in einer bestimmten Lage zu der Zylinderkopfverschraubung orientiert in die Laufbuchse eingesetzt ist. Um ein Verdrehen bei der Montage oder im Betrieb zu verhindern ist der Einsatz in der Laufbuchse gegen Verdrehen gesichert. Bei Laufbuchsen, die nachträglich in das Zylindergehäuse eingesetzt werden ist es ebenfalls notwendig, die Laufbuchsen lageorientiert zu montieren und gegebenenfalls zu sichern. Bei integrierten oder eingegossenen Laufbuchsen entfällt eine Sicherung, da sie fest mit dem Zylindergehäuse verbunden sind. In diesem Falle ist nur eine Verdrehsicherung des Einsatzes zum sicheren Betrieb notwendig. Eine Verdrehsicherung kann zum Beispiel in Form einer nicht kreisförmigen Außenkontur des Einsatzes, einer Nut-und-Feder-Sicherung, eines Fixierstifts oder dergleichen hergestellt sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der ringförmige Einsatz zumindest teilweise mit einer temperaturbeständigen Verschleißschutzschicht versehen. Da der Einsatz einer besonders hohen Belastung ausgesetzt ist, ist eine Verschleißschutzschicht auf der Laufbahn und/oder auf den axialen Stirnflächen des Einsatzes, die durch Mikrobewegungen erheblich belastet sind, einer dauerhaften Funktion förderlich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet die Verschleißschutzschicht Nickel oder eine Nickellegierung. Da diese Materialien gute Verschleißeigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen, eignen sie sich besonders für diese Aufgabe.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der ringförmige Einsatz einen nach außen abragenden Flansch auf. Der Einsatz ist auf einem Großteil seiner axialen Erstreckung mit einer geringen Wandstärke ausgebildet. Um jedoch eine ausreichend große Fläche für die Profilierung an der oberen axialen Stirnfläche bereitzustellen, ist der Einsatz an seinem zylinderkopfseitigen Ende verbreitert. Diese Verbreiterung kann in Form eines Absatzes oder eines umlaufenden Flansches ausgeführt sein, der radial nach außen abragt. Auf diese Weise wird die Pressung besser aufgenommen. Zusätzlich zur Profilierung kann der umlaufende Flansch mit einem konischen Querschnitt versehen sein, um ebenfalls die Verteilung der Pressung und die Dichtfunktion zu verbessern.
  • 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:
  • 1 einen Querschnitt durch das obere Ende einer Laufbuchse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Einsatz in der Laufbuchse,
  • 2 einen Querschnitt durch das obere Ende einer Laufbuchse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Einsatz in der Laufbuchse, der abgestuft ist,
  • 3 einen Querschnitt durch das obere Ende einer Laufbuchse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Einsatz in der Laufbuchse, der mit einem Flansch versehen ist,
  • 4 einen radialen Querschnitt durch einen Einsatz mit einem welligen Profil,
  • 5 einen radialen Querschnitt durch einen Einsatz mit einem Dreiecks- Profil,
  • 6 einen radialen Querschnitt durch einen Einsatz mit einem Trapez- Profil und
  • 7 eine schematische Darstellung des welligen Verlaufs eines Profils über dem Umfang des Einsatzes abgewickelt.
  • In 1 ist ein Ausschnitt aus einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gezeigt, die ein Zylindergehäuse 1, eine Laufbuchse 2 und einen Zylinderkopf 3 aufweist. In der Laufbuchse 2 bewegt sich ein Kolben 4 oszillierend, dessen Kolbenringe 5 den Brennraum 6 abdichten. Zwischen dem Zylindergehäuse 1 und der Laufbuchse 2 ist ein Wasserraum 7 angeordnet und zwischen dem Zylindergehäuse 1 und dem Zylinderkopf 3 ist eine Zylinderkopfdichtung 8 eingelegt. Am oberen Ende der Laufbuchse 2 ist auf der Innenseite – zum Kolben 4 gewandt – ein ringförmiger Einsatz 9 angeordnet, dessen Innendurchmesser kleiner als der der Laufbüchse ist, und dessen axiale Erstreckung über den oberen Rand der Laufbuchse ragt. Der geringere Innendurchmesser hat zur Folge, dass sich auf dem Kolben 4 keine oder weniger Ölkohle ablagert, die bei anderen Kolbenstellungen die Laufbahn 10 der Laufbuchse 2 zerstören könnte. In axialer Richtung ragt der Einsatz 9 über die Laufbuchse 2 hinaus und wird bei der Montage des Zylinderkopfes 3 auf Druck beansprucht. Dabei wird an der oberen axialen Stirnfläche 11 und der unteren axialen Stirnfläche 12, die erfindungsgemäß mit einer Profilierung versehen sind, die Profilierung elastisch und plastisch verformt. Auf diese Weise bleibt die Dichtfunktion des Einsatzes auch bei hohen Drücken und Temperaturen im Brennraum 6 gewährleistet und die Zylinderkopfdichtung 8 wird insbesondere von heißen Brenngasen weniger stark beansprucht, was einer langen Lebensdauer zugute kommt.
  • In 2 ist die gleiche Anordnung eines Zylindergehäuses 1 mit einer Laufbuchse 2, eines Zylinderkopfes 3 und eines Kolbens 4 mit Kolbenringen 5 gezeigt. In dieser Ausführung ist der Einsatz 13 gestuft ausgebildet und die Laufbuchse 2 entsprechend mit einer stufenförmigen Ausnehmung versehen, um den Einsatz aufzunehmen. Bei einer gestuften Ausführung des Einsatzes 13 wird nicht die gesamte Kraft aus der Zylinderkopfverschraubung bzw. Pressung am unteren Ende des Einsatzes in die Laufbuchse geleitet, der unmittelbar an die Laufbahn 10 für den Kolben anschließt. Ein Teil der Kraft wird stattdessen oberhalb in die Laufbuchse geleitet, wodurch Verformungen der Laufbahn vermieden werden. Im Übrigen gelten die gleichen Bedingungen und Bezeichnungen wie in 1.
  • In 3 ist die gleiche Anordnung eines Zylindergehäuses 1 mit einer Laufbuchse 2, eines Zylinderkopfes 3 und eines Kolbens 4 mit Kolbenringen 5 gezeigt. In dieser Ausführung jedoch ist der Einsatz 14 mit einem nach außen abragenden Flansch 15 versehen, der die Dichtfunktion aufgrund seiner Breite unterstützt. Aufgrund der größeren Breite des Flansches 15 kann die Fläche mit einer größeren erfindungsgemäßen Profilierung versehen werden, wodurch der Druckabbau vom Brennraum 6 zur Zylinderkopfdichtung 8 verstärkt wird und weniger heißes Brenngas zur Zylinderkopfdichtung gelangt. Der Flansch 15 stützt sich teilweise direkt auf der Laufbuchse 2 ab, teilweise wird er vom Einsatz 14 über dessen untere Stirnfläche 12 auf der Laufbuchse abgestützt.
  • In 4 ist ein Einsatz 9 vergrößert im Querschnitt gezeigt. Der Einsatz 9 ist an seiner oberen axialen Stirnfläche 11 und der unteren axialen Stirnfläche 12 mit einer Profilierung in Form von umlaufenden Rillen versehen. Die Rillen weisen in radialer Richtung geschnitten eine Wellenform auf. Es ist ebenfalls möglich nur die Stirnfläche 11 oder nur die Stirnfläche 12 mit einem Profil zu versehen. Bei einer Ausführung des Einsatzes wie in 2 oder 3 mit einer gestuften Ausführung 13 bzw. einem Flansch 15 ist es ebenfalls mög lich eine, mehrere oder alle axialen Stirnflächen mit einer Profilierung zu versehen.
  • In der 5 ist ein Einsatz 9 vergrößert im Querschnitt gezeigt. Der Einsatz 9 ist an seiner oberen axialen Stirnfläche 11 und der unteren axialen Stirnfläche 12 mit einer Profilierung in Form von umlaufenden Rillen versehen. Die Rillen weisen in radialer Richtung geschnitten eine Dreieckform auf. Es ist ebenfalls möglich nur die Stirnfläche 11 oder nur die Stirnfläche 12 mit einem Profil zu versehen. Bei einer Ausführung des Einsatzes wie in 2 oder 3 mit einer gestuften Ausführung 13 bzw. einem Flansch 15 ist es ebenfalls möglich eine, mehrere oder alle axialen Stirnflächen mit einer Profilierung zu versehen.
  • In der 6 ist ein Einsatz 9 vergrößert im Querschnitt gezeigt. Der Einsatz 9 ist an seiner oberen axialen Stirnfläche 11 und der unteren axialen Stirnfläche 12 mit einer Profilierung in Form von Rillen versehen. Die Rillen weisen in radialer Richtung geschnitten eine Trapezform auf. Es ist ebenfalls möglich nur die Stirnfläche 11 oder nur die Stirnfläche 12 mit einem Profil zu versehen. Bei einer Ausführung des Einsatzes wie in 2 oder 3 mit einer gestuften Ausführung 13 bzw. einem Flansch 15 ist es ebenfalls möglich eine, mehrere oder alle axialen Stirnflächen mit einer Profilierung zu versehen.
  • In der 7 ist ein abgerollter Querschnitt in Umfangsrichtung des Einsatzes 9 gezeigt. Bei dieser Darstellung ist die Profilierung der oberen axialen Stirnfläche 11 und der unteren axialen Stirnfläche 12 nicht zu sehen, jedoch ist der wellige Verlauf der oberen Stirnfläche gezeigt, der einer nicht gezeigten Zylinderkopfverschraubung mit 4 Schrauben angepasst ist. Bei einer Verschraubung mit 4 Zylinderkopfschrauben ist eine besonders gute Abdichtung des Brennraumes und Schutzwirkung für die Zylinderkopfdichtung dadurch erreicht, dass in Bereichen in unmittelbarer Nähe der Zylinder kopfschrauben, d.h. in Bereichen mit sehr hoher Flächenpressung, die Profilierung an einer oder beiden axialen Stirnflächen 11, 12 reduziert ist und in Bereichen zwischen den Zylinderkopfschrauben die Profilierung, d.h. Tiefe der Rillen entsprechend 4 bis 6, vergrößert ist. Auf diese Weise wird in den Bereichen mit weniger hoher Flächenpressung zwischen den Zylinderkopfschrauben eine ebenfalls gute Abdichtung des Brennraumes zur Zylinderkopfdichtung hin erreicht, weil durch die größere Rillentiefe ebenfalls eine gewisse Vorspannkraft erzeugt wird. Der wellige Verlauf des Einsatzes über dem Umfang ist bei jeder Form des Einsatzes 9, 13, 14 sowohl an der oberen axialen Stirnfläche 11 als auch an den unteren axialen Stirnflächen 12 möglich.
  • Durch das Zurückhalten der heißen Brenngase und das Verringern des Brennraumdrucks mittels des Einsatzes 9, 13 oder 14 wird die Zylinderkopfdichtung 8 in ihrer Dichtfunktion unterstützt und entlastet, was sich in einer verlängerten Lebensdauer auswirkt. Außerdem wird durch den Einsatz 9, 13 oder 14 die Funktion eines Feuerringes zum Schutz des Kolbens 4 vor Ablagerungen von Verbrennungsrückständen wie z.B. Ölkohle erreicht.

Claims (6)

  1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylindergehäuse mit einer Laufbuchse, der ein ringförmiger Einsatz zugeordnet ist, der die Laufbuchse an ihrem zylinderkopfseitigem Ende überragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (9) zwischen der Laufbuchse (2) und dem Zylinderkopf (3) vorzugsweise spielfrei eingepasst ist und axial gegenüberliegende Stirnflächen (11, 12) aufweist, wobei wenigstens eine Stirnfläche eine Profilierung aufweist, die mit umlaufenden Rillen versehen ist und einer Verschraubung des Zylinderkopfes (3) mit dem Zylindergehäuse (1) durch einen welligen Verlauf über dem Umfang angepasst ist.
  2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des ringförmigen Einsatzes (9) als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.
  3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (9) gegen Verdrehen in der Laufbuchse (2) gesichert ist.
  4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (9) zumindest teilweise mit einer temperaturbeständigen Verschleißschutzschicht versehen ist.
  5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht Nickel oder eine Nickellegierung beinhaltet.
  6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einsatz (9) einen nach außen abragenden Flansch (15) aufweist.
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