DE19745585A1 - Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents
Brennkraftmaschine mit innerer VerbrennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens
einem Zylinder, einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Zylinderlauf
büchse zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum, der radial außerhalb
eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse angeordnet ist.
Im Motorenbau werden vielfach sogenannte nasse Zylinderlaufbüchsen verwendet. Dabei
handelt es sich im wesentlichen um zylindrische Bauteile, an deren Innenwand der Kolben
der Brennkraftmaschine gleitet, und an deren Außenwand teilweise ein Kühlwasserraum
vorgesehen ist. Aus der DE-C 29 34 319 ist beispielsweise eine solche Zylinderlaufbüchse
bekannt. Bei solchen Zylinderlaufbüchsen tritt während des Betriebes des Motors ein
Wärmestrom primär radial durch die zylindrische Wand hindurch. Im oberen Bereich, d. h.
in der Nähe des Zylinderkopfes, ist dabei die Wärmebelastung von innen her relativ
groß, und sie nimmt nach unten, d. h. zur Kurbelwelle hin, allmählich ab. Da das Kühl
wasser annähernd konstante Temperatur hat, und da der Wärmeübergangskoeffizient über
die Länge des Wassermantels nur wenig schwankt, ist daher die Temperatur an der Innen
seite der Zylinderlaufbüchse in dem gekühlten Bereich unterschiedlich. In der Nähe des
Zylinderkopfes ist die Temperatur höher als unterhalb davon. Wenn nun bei der kon
struktiven Auslegung die Verhältnisse so eingestellt werden, daß die Temperatur der Zy
linderlaufbüchse im oberen Bereich optimal ist, so folgt daraus, daß im unteren Bereich
eine zu geringe Temperatur vorliegt. Dadurch steigt die Reibung des Kolbens an der Zy
linderlaufbüchse in unerwünschter Weise an.
Als grundsätzliche Gegenmaßnahme gegen diesen unerwünschten Effekt ist es möglich, die
Höhe des Kühlwasserraumes kürzer auszubilden, wodurch der untere Bereich der Zylin
derlaufbüchse nicht mehr gekühlt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese
Maßnahme in einer Reihe von Anwendungsfällen nicht die erwünschte Wirkung erbringt.
Weiters ist es aus der DE-A 32 02 788 bekannt, die Außenseite von Zylinderlaufbüchsen
zu beschichten, um die Anfälligkeit gegenüber Kavitation zu verringern. Ist diese Be
schichtung aus einem metallischen Werkstoff, so hat sie keinen nennenswerten Einfluß auf
die Temperaturverteilung in der Zylinderlaufbüchse. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß
eine solche Beschichtung, wenn sie etwa aus Keramik gefertigt ist, sehr nachteilige Effekte
zeigt. Durch die ungleichmäßige Temperaturverteilung kommt es insbesondere in dem
Grenzbereich zwischen dem beschichteten und dem nicht beschichteten Abschnitt zu stark
unterschiedlichen Wärmedehnungen, was zu einem unruhigen Lauf des Kolbens führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, die die Reibungs
verhältnisse des Kolbens in der nassen Zylinderlaufbüchse der oben beschriebenen Art ver
bessert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axial
richtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich mit kleinem Wärmedurchgangswider
stand, einen Bereich mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden
Übergangsbereich mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand. Wesentlich
an der Erfindung ist, daß ein an sich relativ großer Bereich der Zylinderlaufbüchse gekühlt
wird, diese Kühlung in Axialrichtung jedoch einen abnehmenden Verlauf aufweist. Mit
zunehmender Entfernung vom Zylinderkopf steigt der Wärmedurchgangswiderstand der
Zylinderlaufbüchse in radialer Richtung an, so daß in diesem Bereich auch die Innen
temperatur größer ist als unter vergleichbaren Umständen bei der Lösung nach dem Stand
der Technik.
In überraschender Weise hat sich herausgestellt, daß eine solche Lösung bessere Ergeb
nisse bringt als die einfache Verkürzung des Kühlwasserraumes. Durch die erfindungsge
mäße Ausbildung wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht, und es ergeben
sich durch den größeren Kühlwasserraum bessere Randbedingungen für die Verformung
der Zylinderlaufbüchse.
Insbesondere wird die Erfindung dadurch realisiert, daß der Kühlabschnitt der Zylinder
laufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich mit kleinem Wär
medurchgangswiderstand, einen Bereich mit großem Wärmewiderstand und einen dazwi
schenliegenden Übergangsbereich mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswider
stand. Auf diese Weise kann der Verlauf des Wärmedurchgangswiderstandes sehr genau
eingestellt werden und für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Dieser Ver
lauf kann insbesondere durch das Aufbringen einer schlecht wärmeleitenden Schicht reali
siert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Dicke der wärmeisolierenden Schicht nach unten hin
im wesentlichen zunehmend ist. Nach unten hin bedeutet im obigen Sinne in der Richtung
zur Kurbelwelle hin. Bevorzugt wird die wärmeisolierende Schicht aus Keramik her
gestellt. Keramik besitzt gegenüber Metall eine sehr viel schlechtere Wärmeleitfähigkeit,
so daß schon geringe Schichtdicken genügen, um den Wärmedurchgangswiderstand der
Zylinderlaufbüchse wesentlich zu verändern.
Grundsätzlich kann zur Ausführung der Erfindung von einer bekannten Zylinderlaufbüchse
ausgegangen werden und auf diese eine entsprechende Keramikschicht aufgetragen werden.
Dies führt jedoch bei Kühlwasserräumen mit relativ geringer Dicke zu einer Veränderung
der Strömungsverhältnisse, die unter Umständen zu Kavitation oder anderen un
erwünschten Effekten führen kann. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfin
dung ist daher vorgesehen, daß die Zylinderlaufbüchse an ihrer Außenseite eine Ausneh
mung aufweist, die mit der wärmeisolierenden Schicht ausgefüllt ist. Dabei wird im be
treffenden Bereich aus einer zylindrischen Laufbüchse außen die entsprechende Ausneh
mung herausgedreht. Die Tiefe der Ausnehmung in Radialrichtung entspricht dabei genau
der gewünschten Dicke der Isolierschicht, die im folgenden Verfahrensschritt in diese
Ausnehmung eingebracht wird. Im fertigen Zustand besitzt daher die Zylinderlaufbüchse
im Bereich des Kühlwasserraumes wiederum eine zylindrische Außenfläche, die die Strö
mungsverhältnisse nicht verändert oder behindert.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der innerhalb des Bereichs mit gro
ßem Wärmedurchgangswiderstand ein Teilbereich mit einem verringerten Wärmedurch
gangswiderstand vorgesehen ist. Im unteren Totpunkt des Kolbens verweilen die Kolben
ringe einen Augenblick lang an einer bestimmten Stelle der Zylinderlaufbüchse. Dabei
erfolgt eine größere Wärmeübertragung als in den unmittelbar benachbarten Bereichen.
Dieser Tatsache wird insbesondere dadurch Rechnung getragen, daß der Teilbereich mit
abgesenktem Wärmedurchgangswiderstand an dieser Stelle vorgesehen ist.
Besonders günstige Reibungsverhältnisse werden erreicht, wenn der Wärmedurchgangswi
derstand im wesentlichen umgekehrt proportional zu der Wärmebelastung ist, die von dem
Innenraum des Zylinders auf die Zylinderlaufbüchse einwirkt.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbei
spiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Zylinderlaufbüchse,
Fig. 2 eine andere Ausführungsvariante der Erfindung und
Fig. 3 ein Diagramm eines typischen Wärmebelastungsverlaufes.
Der Zylinder 1 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine besteht aus einem Zy
linderblock 2, in den eine Zylinderlaufbüchse 3 eingesetzt ist. Im Zylinderblock 2 ist ein
Kühlwasserraum 4 vorgesehen, der zum Zylinder 1 hin von der Zylinderlaufbüchse 3 be
grenzt ist. Der Teil der Zylinderlaufbüchse 3, der an den Kühlwasserraum 4 angrenzt,
wird hier als Kühlabschnitt bezeichnet. Dieser Kühlabschnitt läßt sich in Axialrichtung im
wesentlichen in drei Bereiche untergliedern. Einen nicht isolierten Bereich 3a mit dem
entsprechend kleinen Wärmedurchgangswiderstand, einen Übergangsbereich 3b, in dem an
der Außenseite eine Isolierschicht 5 mit zunehmender Dicke aufgebracht ist und einen Be
reich 3c, in dem eine Isolierschicht 5 voll ausgebildet ist. Innerhalb des Bereichs 3c ist ein
Teilbereich 3d, in dem die Dicke der Isolierschicht 5 verringert ist. Dieser Teilbereich 3d
entspricht der Stelle, an der die nicht dargestellten Kolbenringe im unteren Totpunkt des
Kolbens angeordnet sind.
Die Isolierschicht 5 ist in der Fig. 1 zum besseren Verständnis übertrieben dick dargestellt.
Zirkonoxid (ZrO2) besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 W/mK, Aluminiumtitanat
(Al2TiO5) von 2 W/mK im Vergleich zu Grauguß von 46 W/mK. Die Wärmeleitfähigkeit
ist umgekehrt proportional zum Wärmedurchgangswiderstand, in den jedoch auch die
jeweilige Dicke der Schicht eingeht. Aus diesen Zahlen ist ersichtlich, daß bereits relativ
dünne Schichten aus keramischem Material genügen, um den gesamten Wärmedurch
gangswiderstand auf ein Vielfaches zu steigern.
Die Ausbildung von Fig. 2 entspricht im wesentlichen der von Fig. 1, mit der Ausnahme,
daß die wärmeisolierende Schicht 5 in einer Ausnehmung angeordnet ist, so daß die Au
ßenfläche der Zylinderlaufbüchse 3 zylindrisch ist. Auf diese Weise werden verbesserte
Strömungsverhältnisse im Kühlwasserraum 4 erreicht.
In der Fig. 3 ist schematisch die Verteilung der Wärmebelastung Q über die Länge der
Zylinderlaufbüchse 3 dargestellt. Zur Erläuterung sind die einzelnen Bereiche 3a, 3b, 3c
und der Teilbereich 3d eingetragen. Es ist ersichtlich, daß die Wärmebelastung Q von oben
nach unten generell abnimmt, jedoch mit der Ausnahme des Bereichs der Kolbenringe im
unteren Totpunkt des Kolbens.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die Temperatur der Zylinderlaufbüchse
weitgehend konstant zu halten. Dadurch kann eine Verringerung der Reibung des Kolbens
erzielt werden. Weiters wird eine ungleichmäßige Verformung der Zylinderlaufbüchse
vermieden, wodurch ein ruhiger Lauf des Kolbens erreicht wird.
Claims (9)
1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1), ei
nem in dem Zylinder hin und her gehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3) zur
Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb eines
Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unter
teilt ist: einen Bereich (3a) mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich
(3c) mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich
(3b) mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand.
2. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1),
einem in dem Zylinder (1) hin und her gehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3)
zur Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb
eines Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß an der Außenseite der Zylinderlaufbüchse im Bereich des Kühlabschnit
tes teilweise eine wärmeisolierende Schicht (5) veränderlicher Dicke aufgebracht ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der
wärmeisolierenden Schicht (5) nach unten hin im wesentlichen zunehmend ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die wärmeisolierende Schicht (5) aus Keramik ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zylinderlaufbüchse (3) an ihrer Außenseite eine Ausnehmung aufweist, die mit der
wärmeisolierenden Schicht (5) ausgefüllt ist, wobei die Außenfläche der Zy
linderlaufbüchse (3) im Bereich des Kühlabschnittes im wesentlichen zylindrisch ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb des Bereichs (3c) mit großem Wärmedurchgangswiderstand ein Teilbereich
(3d) mit einem verringerten Wärmedurchgangswiderstand vorgesehen ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich
(3d) mit verringertem Wärmedurchgangswiderstand in der Nachbarschaft der Lage der
Kolbenringe im unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmedurchgangswiderstand im wesentlichen umgekehrt proportional zu der
Wärmebelastung ist, die von dem Innenraum des Zylinders auf die Zylinderlaufbüchse
einwirkt.
9. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1),
einem in dem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, einer Zylinderlaufbüchse (3) zur
Führung des Kolbens, sowie mit einem Kühlwasserraum (4), der radial außerhalb eines
Kühlabschnittes der Zylinderlaufbüchse (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unter
teilt ist: einen Bereich (3a) mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich
(3c) mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich
(3b) mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand.
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