DE19811780C1 - Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit Zylinderräumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit Zylinderräumen, die Lauf­ bahnen für darin angeordnete Kolben aufweisen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Zylinderkurbelgehäuse ist aus der US 2,791,209 bekannt.

Vor allem bei Dieselmotoren mit neuen Verbrennungsver­ fahren, die kleinere und härtere Rußpartikel erzeugen, können die Laufbahnen der Kolben zerstört bzw. beschä­ digt werden, was zur Folge hat, daß der Kraftstoffver­ brauch und die Rußpartikelbildung zunimmt.

Aus der zitierten Druckschrift sind Abstreifnuten be­ kannt, die im oberen Totpunkt des Kolbens angeordnet sind. Die Abstreifnuten weisen Abstreifkanten auf, die harte Rußpartikel vom Kolben abstreifen sollen. Dabei bezieht sich die Aufgabe der genannten US-Schrift le­ diglich auf die Problematik von auftretenden Rußparti­ keln im Teillastbereich des Motors. Ein Problem mit kleineren und härteren Rußpartikeln, wie sie insbeson­ dere bei direkteinspritzenden Dieselmotoren auch im Vollastbereich vorkommen, wird dabei nicht beachtet bzw. es wird in der Beschreibung des Standes der Tech­ nik darauf hingewiesen, daß dabei keine Probleme auf­ treten.

Nachteilig bei der US 2,791,209 ist, daß das Einbrin­ gen der Abstreifnuten in die Laufbahn des Zylinders teuer, umständlich und zeitaufwendig ist. Darüber hin­ aus lassen sich mit den in der US-Druckschrift offen­ barten Abstreifkanten die entstehenden Rußpartikel nur unzuverlässig abstreifen.

Nachteilig bei der genannten US-Schrift ist außerdem, daß durch das Einschrauben der Zylinderkopfbefesti­ gungsschrauben im allgemeinen Deformationen an der Laufbahn bzw. der Laufbuchse erzeugt werden. Darüber hinaus können Deformationen durch den Arbeitsdruck und die Temperatur im befeuerten Motorbetrieb entstehen. Diese Deformationen wirken sich nachteilig auf den Kraftstoff- und Ölverbrauch aus. Durch das Einbringen der drei Abstreifnuten wird die Laufbahn bzw. die Laufbuchse nachhaltig geschwächt, so daß gerade in diesem Bereich verstärkt Deformationen auftreten.

Von Nachteil ist außerdem, daß der sogenannte Zwickel­ verschleiß, d. h. der Verschleiß am ersten Kolbenring im Bereich des oberen Umkehrpunktes des Kolbens, wie bei allen bisher aus der Praxis bekannten Laufbahnen, unverhältnismäßig hoch ist.

Zum allgemeinen Stand der Technik wird auf die DE-OS 21 46 153 und die DE-OS 19 02 502 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschädigung der Laufbahnen der Kolben durch Rußpartikel aus Ölkohle und schlecht verbranntem Kraftstoff und eine Deformation der Laufbahnen soweit wie möglich zu verhindern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die Abstreifnut in einem Ring angeordnet ist, der in eine Nut in der Laufbahn eingegossen ist, läßt sich die Abstreifnut in besonders vorteilhafter, kostengünstigen und einfacher Weise in die Laufbahn integrieren. In vorteilhafter Weise verhindert der Ring eine durch das Einschrauben der Zylinderkopfbefe­ stigungsschrauben resultierende Deformation der Lauf­ bahn. Ein umständliches und die Stabilität bzw. Be­ lastbarkeit der Laufbahnen beeinträchtigendes Einbrin­ gen einer Abstreifnut direkt in die Laufbahn kann so­ mit entfallen.

Das Eingießen des Ringes in die Nut kann in vorteil­ hafter Weise durch das bekannte Alfin-Verfahren erfol­ gen. Dadurch kann der Ring in vorteilhafter Weise mit der Laufbahn bzw. der Laufbuchse verbunden werden.

Durch die Abstreifnut in dem Ring können die harten Öl-/Kohlepartikel und schlecht verbrannter Kraftstoff während des Abwärtshubes des Kolbens abgestreift wer­ den. Dadurch wird verhindert, daß die Rußpartikel die Laufbahn der Kolben zerstören. Durch eine entsprechen­ de Auswahl des Materiales des Ringes kann darüber hin­ aus der im Bereich des ersten Kolbenringes auftretende sogenannte Zwickelverschleiß deutlich reduziert wer­ den.

Durch die erfindungsgemäß angeordnete Abstreifkante wird eine Beeinträchtigung der Laufbahn ausgeschlossen und somit eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauches und der Rußpartikelbildung im Laufe der Betriebszeit ver­ hindert.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Zylinder­ kurbelgehäuses mit einem Zylinderraum, einem Kühlwassermantel, einer Zylinderkopfdichtung und Zylinderkopfbefestigungsschrauben;

Fig. 2 Einzelheit X nach Fig. 1 in der die Abstreif­ nut als Rechtecknut ausgebildet ist;

Fig. 3 Einzelheit X nach Fig. 1 in der die Abstreif­ nut als Trapeznut ausgebildet ist;

Fig. 4 Einzelheit X nach Fig. 1, in der die Abstreif­ nut als Radiennut ausgebildet ist;

Fig. 5 Einzelheit X nach Fig. 1, in der die Abstreif­ nut als Radien-Trapez-Nut ausgebildet ist, und

Fig. 6 Einzelheit X nach Fig. 1, in der die Abstreif­ nut als Trapez-Rechtecknut ausgebildet ist.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Zylinderkurbelgehäuses 1 mit einem Zylinderraum 2. Der Zylinderraum 2 weist eine Laufbahn 3 für einen darin angeordneten Kolben 4 auf.

An dem Kolben 4 befinden sich in herkömmlicher Weise eine Pleuelstange 5 und Kolbenringe 6. Im Motorbetrieb bewegt sich der Kolben 4 zwischen einem unteren Tot­ punkt 7 und einem oberen Totpunkt 8, in dessen Umge­ bung Ventile 9 angeordnet sind. Die Bewegung des Kol­ bens 4 erfolgt entlang der Laufbahn 3 des Zylinderrau­ mes 2.

In herkömmlicher Weise ist an dem Zylinderkurbelgehäu­ se 1, an der den Ventilen 9 zugewandten Seite, ein Zylinderkopf 10 befestigt. Die Befestigung des Zylin­ derkopfes 10 an dem Zylinderkurbelgehäuse 1 erfolgt mittels Zylinderkopfbefestigungsschrauben 11. Zwischen dem Zylinderkopf 10 und dem Zylinderkurbelgehäuse 1 befindet sich eine Zylinderkopfdichtung 12. Der Zylin­ derraum 2 ist in bekannter Weise von einem Kühlwasser­ mantel 13 umschlossen. Um eine Beschädigung der Lauf­ bahn 3 der Kolben 4 durch Rußpartikel zu verhindern, ist erfindungsgemäß im Bereich des oberen Totpunktes 8 eine sich ringförmig um die Laufbahn 3 erstreckende Abstreifnut 14 angeordnet. Durch die Abstreifnut 14 werden die am Kolben bzw. Feuer-Steg angelagerten Öl-/­ Kohlepartikel abgestreift und aufgenommen. Dadurch ist gewährleistet, daß die im Abwärtshub abgetragenen Par­ tikel nicht zwischen den Kolben 4 und die Laufbahn 3 geraten. Die Abstreifnut 14 hat somit die Funktion eines Sammelbehälters für die gezielt abgestreiften Partikel. Nachfolgend können diese Partikel dann aus dem Zylinderraum 2 mit dem Abgasstrom ausgetragen wer­ den. In Fig. 2 bis Fig. 6 sind verschiedene mögliche Nutformen, die sich in Versuchen als besonders vor­ teilhaft erwiesen haben, dargestellt.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist die Ab­ streifnut 14 eine Abstreifkante 15 auf. Die Abstreif­ kante 15 wird durch eine untere Nutkante 16 dadurch gebildet, daß eine obere Nutkante 17 gegenüber der unteren Nutkante 16 bezogen auf den Kolben 4 zurück­ versetzt ist. Um die Zurückversetzung der oberen Nut­ kante 17 gegenüber der unteren Nutkante 16 erzielen zu können, weist der Zylinderraum 2 oberhalb der Ab­ streifnut 14 einen größeren horizontalen Durchmesser auf als unterhalb der Abstreifnut 14. Der Unterschied im Durchmesser des Zylinderraumes 2 beträgt zwischen 0,4-2 mm bzw. 0,2-1 mm im Radius. Durch diesen Unter­ schied in den Durchmessern in Hubrichtung ober- und unterhalb der Abstreifnut 14 entsteht die Zurückver­ setzung der oberen Nutkante 17.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ab­ streifnut 14 in einem Ring 18 angeordnet, der in einer Nut 19 in der Laufbahn 3 eingegossen ist. Die Anord­ nung der Abstreifnut 14 in dem Ring 18 läßt sich kon­ struktiv einfach durchführen. Der Ring 18 weist analog zu den unterschiedlichen Durchmessern des Zylinderrau­ mes 2 zwei verschiedene Innendurchmesser auf. Dabei entspricht der Innendurchmesser des Ringes 18 oberhalb der Abstreifnut 14 dem Durchmesser des Zylinderraumes 2 oberhalb der Abstreifnut 14. In gleicher Weise ent­ spricht der Innendurchmesser des Ringes 18 unterhalb der Abstreifnut 14 dem Durchmesser des Zylinderraumes 2 unterhalb der Abstreifnut 14. Somit wird auch in der in dem Ring 18 integrierten Abstreifnut 14 eine Ab­ streifkante 15 erzielt.

Die Abstreifkante 15 endet oberhalb des ersten Kolben­ ringes 6a. Dadurch wird ein optimales Abstreifen der Partikel während des Abwärtshubs des Kolbens 4 gewähr­ leistet.

Der Ring 18 ist aus einem nichtmagnetischem Gußeisen mit sehr hohem Nickel- und Kupferanteil, insbesondere mit über 15 Prozent Nickel, z. B. bekannt als Ni-Resist®, das aus der Gruppe der austenitischen Graugußsorten mit 15 bis 36 Prozent Nickel stammt, hergestellt. Die Wärmeaus­ dehnung des hierbei gewählten Materials entspricht der Wärmeausdehnung des Materials aus dem das Zylinderkur­ belgehäuse 1 hergestellt ist. Mit dem namentlich geschützten Werkstoff Ni-Resist® wurde darüber hinaus ein Material gewählt, das sich sehr gut mit dem Material des Zylinderkurbelgehäuses 1, das zumeist aus Aluminium besteht, verbinden läßt.

Darüber hinaus läßt sich der als Ni-Resist® bekannte Werkstoff auch sehr gut mit Grauguß vergießen. Dadurch wird auch bei Grauguß- Zylinderlaufbuchsen oder Zylinderkurbelgehäusen die Verschleißfestigkeit erhöht.

Das Eingießen des Ringes 18 in die Nut 19 kann nach dem bekannten Alfin-Verfahren erfolgen. Bei diesem Verbundgießverfahren für Eisen und Aluminium, wobei eine zwischen beiden Komponenten entstehende metalli­ sche Fe₂Al₅-Zwischenschicht für hohe Trennfestigkeit sorgt, wird der Ring 18 in eine Aluminiumschmelze ge­ taucht und dabei mit Aluminium anlegiert. Es entsteht eine Übergangsschicht, die sogenannte Aluminit- Schicht, welche die Brücke und damit die metallische Bindung zum Aluminiumguß herstellt. Dadurch verbindet sich der Ring 18 mit dem Aluminium des Zylinderkurbel­ gehäuses 1. Durch den Ring 18 wird der Verschleiß der Abstreifkante 15 reduziert, da der Ring 18 aus dem die Abstreifkante 15 in den Ausführungsbeispielen gebildet wird, aus einem verschleißfesten Werkstoff besteht.

Ein weiterer Vorteil des Ringes 18 besteht darin, daß er im Bereich des ersten Kolbenringes 6a angeordnet sein kann und somit ein sogenannter Zwickelverschleiß, der im oberen Totpunkt 8 auftritt, stark verringert wird, da sich der Umkehrpunkt des Kolbens 4 auf der wesentlich verschließfesteren "Ni-Resist®-Oberfläche" befindet. Somit wird die Belastung der Laufbahn 3 der Kolben 4 in diesem Bereich deutlich reduziert.

In vorteilhafter Weise verhindert der Ring 18 eine durch das Einschrauben der Zylinderkopfbefestigungs­ schrauben resultierende Deformation der Laufbahnen 3. Des weiteren werden Verformungen durch den Arbeits­ druck und die Temperatur im befeuerten Motorbetrieb verhindert. Diese Deformationen, die sich nachteilig auf den Kraftstoff- und Ölverbrauch auswirken, werden durch die höhere Formsteifigkeit und Festigkeit des eingegossenen Ringes 18 und durch den unterbrochenen Kraftfluß, der durch die Abstreifnut 14 entsteht, ver­ hindert.

Das Zylinderkurbelgehäuse 1 kann, wie in den Ausfüh­ rungsbeispielen dargestellt, aus Aluminium gebildet sein, in den die Laufbahnen 3 als Zylinderlaufbuchsen miteingegossen sind.

Alternativ dazu können die Laufbahnen 3 auch als sepa­ rat hergestellte Zylinderlaufbuchsen ausgebildet sein, die in die Zylinderräume 2 einsetzbar sind. In beiden Fällen läßt sich der Ring 18 problemlos in die jewei­ lige Nut 19 einsetzen. Dabei können die Zylinderlauf­ buchsen sowohl aus Aluminium als auch aus Grauguß be­ stehen. In beiden Fällen lassen sich die Ringe 18 pro­ blemlos eingießen.

Die Abstreifnut 14 kann alternativ zu der Ausgestal­ tung mit dem Ring 18 auch direkt in die Laufbahn 3 z. B. durch einen Drehstahl eingestochen werden.

Claims (9)

1. Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit Zylinderräumen, die Laufbahnen für darin ange­ ordnete Kolben aufweisen, wobei im oberen Bereich der Zylinderräume wenigstens eine eine Abstreif­ kante aufweisende Abstreifnut in der Laufbahn an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifnut (14) in einem Ring (18) angeordnet ist, der in einer Nut (19) in der Laufbahn (3) eingegossen ist.

2. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (18) im Bereich des oberen Totpunktes (8) angeordnet ist.

3. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (18) aus einem verschleißfesten Werkstoff gebildet ist, der wenigstens annähernd die gleiche Wärmeausdehnung aufweist, wie das Material der Laufbahn (3).

4. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (18) aus einem nichtmagnetischen Gußeisen mit einem Nickelgehalt von über 15 Prozent gebil­ det ist.

5. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Nutkante (17) der Abstreifnut (14) ge­ genüber einer unteren Nutkante (16), bezogen auf den Kolben (4), zurückversetzt ist.

6. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Nutkante (17) der Abstreifnut (14) ge­ genüber der unteren Nutkante (16) um 0,2-1 mm zu­ rückversetzt ist.

7. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderkurbelgehäuse (1) aus Aluminium gebil­ det ist und die Laufbahnen (3) als Zylinderlauf­ buchsen miteingegossen sind.

8. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnen (3) als separat hergestellte Zylin­ derlaufbuchsen ausgebildet sind, die in Zylinder­ räume (2) einsetzbar sind.

9. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchsen aus Grauguß gebildet sind, in die die Ringe (18) eingegossen sind.