DE19745585C2 - Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung - Google Patents
Brennkraftmaschine mit innerer VerbrennungInfo
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- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
- F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads having cooling means
- F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
- F02F1/16—Cylinder liners of wet type
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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.
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