DE19745585C2 - Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

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 29 34 319 C2 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 konstruk­ tiven Auslegung die Verhältnisse so eingestellt werden, daß die Temperatur der Zylinder­ laufbüchse 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 Zylinderlauf­ büchse 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 Maß­ nahme in einer Reihe von Anwendungsfällen nicht die erwünschte Wirkung erbringt.

Weiters ist es aus der DE 32 02 788 C2 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 insbesonders in dem Grenzbereich zwischen dem beschichteten und dem nicht beschichteten Abschnitt zu stark unterschiedlichen Wärmedehnungen, was zu einem unruhigen Lauf des Kolbens führt.

Das Lehrbuch PFLAUM/MOLLENHAUER: "Wärmeübergang in der Verbrennungs­ kraftmaschine" Springer-Verlag Wien 1977 beschreibt, wie die Wärmeverteilung und der Spannungs­ verlauf in einer Zylinderlaufbüchse berechnet werden kann. Maßnahmen zur gezielten Be­ einflussung und Veränderung des Spannungsverlaufs werden jedoch hier nicht angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reibungs­ verhältnisse eines Kolbens in einer nassen Zylinderlaufbüchse zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß ein an sich relativ großer Bereich der Zylin­ derlaufbüchse gekühlt wird, diese Kühlung in Axialrichtung jedoch einen abnehmenden Verlauf aufweist. Mit zunehmender Entfernung vom Zylinderkopf steigt der Wärmedurch­ gangswiderstand der Zylinderlaufbüchse in radialer Richtung an, so daß in diesem Bereich auch die Innentemperatur 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 erfindungs­ gemäße Ausbildung wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht, und es erge­ ben sich durch den größeren Kühlwasserraum bessere Randbedingungen für die Verfor­ mung 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. Wärmedurchgangs­ widerstand. Auf diese Weise kann der Verlauf des Wärmedurchgangswiderstandes sehr genau eingestellt werden und für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Dieser Verlauf kann insbesonders durch das Aufbringen einer schlecht wärmeleitenden Schicht realisiert werden.

Bevorzugt wird die wärmeisolierende Schicht aus Keramik hergestellt. Keramik besitzt ge­ genüber Metall eine sehr viel schlechtere Wärmeleitfähigkeit, so daß schon geringe Schichtdicken genügen, um den Wärmedurchgangswiderstand der Zylinderlaufbüchse we­ sentlich 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 unerwünsch­ ten Effekten führen kann. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist da­ her vorgesehen, daß die Zylinderlaufbüchse an ihrer Außenseite eine Ausnehmung auf­ weist, die mit der wärmeisolierenden Schicht ausgefüllt ist. Dabei wird im betreffenden Bereich aus einer zylindrischen Laufbüchse außen die entsprechende Ausnehmung heraus­ gedreht. Die Tiefe der Ausnehmung in Radialrichtung entspricht dabei genau der ge­ wünschten Dicke der Isolierschicht, die im folgenden Verfahrensschritt in diese Ausneh­ mung eingebracht wird. Im fertigen Zustand besitzt daher die Zylinderlaufbüchse im Be­ reich des Kühlwasserraumes wiederum eine zylindrische Außenfläche, die die Strömungs­ verhältnisse 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 er­ folgt eine größere Wärmeübertragung als in den unmittelbar benachbarten Bereichen. Die­ ser Tatsache wird insbesonders dadurch Rechnung getragen, daß der Teilbereich mit abge­ senktem Wärmedurchgangswiderstand an dieser Stelle vorgesehen ist.

Besonders günstige Reibungsverhältnisse werden erreicht, wenn der Wärmedurchgangs­ widerstand 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 zeigt:

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 ent­ sprechend 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 je­ weilige 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 (7)

1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit mindestens einem Zylinder (1), ei­ nem 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 Kühlab­ schnittes teilweise eine wärmeisolierende Schicht (5) veränderlicher Dicke aufgebracht ist, wobei die Dicke der wärmeisolierenden Schicht (5) in einem Übergangsbereich (3b) in Axialrichtung nach unten hin im wesentlichen zunehmend ist, wodurch ein ansteigender Wärmedurchgangswiderstand gebildet wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeiso­ lierende Schicht so ausgeführt ist, daß der Kühlabschnitt der Zylinderlaufbüchse in Axialrichtung in drei Bereiche unterteilt ist: einen Bereich (3a) mit kleinem Wärmedurchgangswiderstand, einen Bereich (3c) mit großem Wärmewiderstand und einem dazwischenliegenden Übergangsbereich (3b) mit allmählich ansteigendem Wärmedurchgangswiderstand.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Schicht (5) aus Keramik ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbüchse (3) an ihrer Außenseite eine Ausnehmung aufweist, die mit der wärmeisolierenden Schicht (5) ausgefüllt ist, wobei die Außenfläche der Zylinderlauf­ büchse (3) im Bereich des Kühlabschnittes im wesentlichen zylindrisch ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Bereichs (3c) mit großem Wärmedurchgangswiderstand ein Teilbereich (3d) mit einem verringerten Wärmedurchgangswiderstand vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (3d) mit verringertem Wärmedurchgangswiderstand in der Nachbarschaft der Lage der Kolbenringe im unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmedurchgangswiderstand im wesentlichen umgekehrt proportional zu der Wärmebelastung ist, die von dem Innenraum des Zylinders auf die Zylinderlaufbüchse einwirkt.