DE19926794C2 - Zylinderbüchse für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderbüchse für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit einem Zylinderbüchsenbund im Anschluß an eine Zylinderkopfdichtebene, in welchem zumindest ein umlaufender Kühlkanal eingeformt ist.

Bei der Konstruktion von Zylinderbüchsen gibt es für die Kühlung zwei Randbedingungen. Um heiße Erosion zu vermeiden, sollte die Oberflächentemperatur der Zylinderlaufbüchse im gesamten Arbeitsbereich der Kolbenringe etwa 190°C nicht überschreiten. Andererseits kommt es zu kalter Korrosion durch Schwefel im Kraftstoff, wenn die Oberflächentemperatur der Zylinderbüchse im Bereich des Brennraumes unter etwa 140°C sinkt. Da das zulässige Temperaturfenster relativ eng ist, kommt der genauen Steuerung und Kontrolle der Tempera­ tur der Zylinderbüchse eine große Bedeutung zu.

Es ist bekannt, den Bund der Zylinderbüchse mit umlaufenden Ringnuten zu versehen, welche zusammen mit dem Zylinderblock in Umfangsrichtung verlaufende Kühlkanäle bilden. Wei­ ters ist es aus der US 4 093 842 A bekannt, in den Bund der Zylinderbüchse Kühlkanäle ein­ zuformen, wobei die Kühlkanäle eine gleichmäßige Breite aufweisen. Der Querschnitt des Kühlkanales wird dabei durch eine offene Profillinie gebildet. Durch die gleichmäßige Breite des Kühlkanales und die gleichmäßige Wandstärke der Zylinderbüchse im Bereich des Kühl­ kanales kommt es zu einem etwa linearen Temperaturabfall, was dazu führt, daß in einigen Bereichen der Zylinderbüchse die Mindesttemperatur zur Verhinderung der Schwefelkorrosi­ on unterschritten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung einer Zylinder­ büchse für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine zu verbessern, so daß eine Überhitzung und/oder Unterkühlung ausgeschlossen wer­ den kann.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, daß der Querschnitt des Kühlkanales durch eine zu­ mindest einen inneren, einen äußeren und einen oberen Abschnitt aufweisende, geschlossene Profillinie innerhalb des Zylinderbüchsenbundes gebildet ist und der Querschnitt des Kühlka­ nales eine im wesentlichen längliche Gestalt aufweist, deren im wesentlichen in Richtung der Zylinderbüchsenachse gemessene Höhe größer ist als deren im wesentlichen in radialer Rich­ tung der Zylinderbüchse gemessene maximale Breite, wobei die Anordnung und/oder Quer­ schnittsform des Kühlkanales so ausgebildet ist, daß die Kühlung des Zylinderbüchsenbundes in einem der Zylinderkopfdichtebene am nächsten liegenden oberen Bereich größer ist, als in einem von der Zylinderkopfdichtebene entferntest liegenden unteren Bereich des Kühlkanales.

Vorzugsweise ist die Form der Profillinie und/oder die Wandstärke zwischen Kühlkanal und innerer Mantelfläche der Zylinderbüchse eine Funktion der Brennkammertemperatur, der Gaskräfte, der Wärmeübergangskoeffizienten, zwischen Verbrennungsgas und Zylinderachse einerseits und zwischen Zylinderbüchse und Kühlmittel andererseits, der Kühlmitteltempera­ tur, des Kühlmitteldruckes und/oder der Montagekraft im Auslegungspunkt der Brennkraft­ maschine. Die Form des Querschnittes kann dadurch optimal auf die jeweiligen Gegebenhei­ ten und Anforderungen angepaßt werden.

Vorteilhafterweise ist dabei weiters vorgesehen, daß die Breite des Kühlwasserkanales vom oberen Bereich mit maximaler Breite zum unteren Bereich mit minimaler Breite hin, vor­ zugsweise stetig, abnimmt. Auf diese Weise kann der oberste Bereich der Zylinderbüchse ausreichend gekühlt werden, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur zu verhindern. Die Kühlleistung nimmt dabei mit der Entfernung von der Zylinderkopfebene ab, so daß thermisch weniger beanspruchte Bereiche weniger gekühlt werden.

Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, daß die zwischen innerem Ab­ schnitt der Profillinie und innerer Mantelfläche der Zylinderbüchse gemessene Büchsenwand­ stärke von einer minimalen Büchsenwandstärke im oberen Bereich des Kühlkanales zum un­ teren Bereich hin zunimmt. Somit wird in Hochtemperaturbereichen eine bessere Kühlung erzeugt, als in Bereichen mit niederer Büchsentemperatur.

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Kühlkanal einen im wesentlichen trapez-, dreiecksförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist.

Insbesondere, wenn der Kühlkanal mit stark gekrümmter Deckfläche ausgeführt wird, kann es zu hohen Spannungen der Büchsenwand im Bereich der Kühlkammer infolge der Montage­ kräfte und der Verbrennungskräfte kommen. So kommt es beim Anziehen der Zylinderkopf­ schrauben zu axialen Druckkräften, welche im Bereich der Deckfläche des Kühlkanales hohe Zugspannungen bewirken. Zusätzlich wirken auf die Zylinderbüchse im Bereich der Deckflä­ che des Kühlkanales durch radiale Verbrennungskräfte verursachte Druckspannungen an ge­ nau derselben Stelle ein, wodurch hohe Spitzenspannungen entstehen und der Sicherheitsfak­ tor entsprechend verringert wird. Um eine Überlagerung der Spitzenspannungen und eine Ver­ ringerung der Spannungsamplituden zu erreichen und damit den Sicherheitsfaktor zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn die Profillinie im die Deckfläche bildenden Bereich des oberen Ab­ schnittes schwächer gekrümmt ist, als im Bereich des Überganges zum inneren und/oder äu­ ßeren Abschnitt, wobei vorzugsweise der obere Abschnitt zumindest teilweise durch eine Ge­ rade gebildet ist, welche besonders vorzugsweise im wesentlichen etwa parallel zur Zylinder­ kopfdichtebene verläuft. Auf diese Weise werden die durch die Montagekräfte und die Ver­ brennungskräfte bewirkten Spitzenspannungen voneinander getrennt, wobei das Maximum der Biegespannungen im mittleren Bereich der Deckfläche und das Maximum der verbren­ nungskraftbedingten Druckspannungen an den Eckbereichen der Deckfläche bzw. dem Über­ gang in die seitlichen Profillinien auftreten.

Zur Erzielung eines optimalen Kühlverlaufes ist es besonders vorteilhaft, wenn die innere Profillinie zwischen 60° und 90°, vorzugsweise zwischen 65° und 80°, besonders vorzugswei­ se zwischen 70° und 75° zu einer Normalebene auf die Zylinderbüchsenachse geneigt ist. Die besten Kühlergebnisse innerhalb des zulässigen Temperaturfensters werden erzielt, wenn der innere Abschnitt und der äußere Abschnitt der Profillinie zueinander geneigt sind, und vor­ zugsweise einen Winkel zwischen 5° und 10° aufspannen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Zylinderbüchse und

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Kühlkanales aus Fig. 1.

Die Zylinderbüchse 1 weist in ihrem oberen Bereich nahe der Zylinderkopfdichtebene 2 einen Bund 3 auf, in welchem ein umlaufender Kühlkanal 4 eingegossen ist. Die Zu- und Ablauf­ öffnungen des Kühlkanales 4, die seitlich oder im oberen Bereich des Zylinderbüchsenbundes 3 liegen können, sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Der Querschnitt des Kühlkanales 4 wird durch eine Profillinie 5 gebildet und weist in Richtung der Büchsenachse 1a eine im wesentli­ chen längliche Form auf. Der innere Abschnitt 5a und der äußere Abschnitt 5b der Profillinie 5 sind dabei zueinander geneigt und spannen einen Winkel β von etwa 5° bis 10° auf, sodaß die Breite B des Kühlkanales 4 von einem Maximalwert B_max in einem der Zylinderkopfebene 2 am nächsten liegenden oberen Bereich 8 zu einem unteren Bereich 9 mit minimaler Breite B_min hin stetig abnimmt. Die Breite B ist wesentlich geringer als die Höhe H des Kühlkanales 4. Die innere Profillinie 5a ist dabei gegenüber einer Normalebene 6 auf die Büchsenachse 1a um einen Winkel ε zwischen 60 und 90°, vorzugsweise etwa zwischen 65° und 80°, insbeson­ dere zwischen 70° und 75°, geneigt. Dadurch ergibt sich eine minimale Wandstärke s_min der Zylinderbüchse 1 in dem der Zylinderkopfdichtebene 2 am nächsten liegenden oberen Bereich 8 des Kühlkanales 4 zwischen der durch den inneren Abschnitt 5a der Profillinie 5 definierten inneren Seitenfläche 4a des Kühlkanales 4 und der inneren Mantelfläche 7 der Zylinderbüchse 1, wobei die Wandstärke s vom Bereich der Deckfläche 4c zur Bodenfläche 4d des Kühlka­ nales 4 bis zu einer maximalen Wandstärke s_max zunimmt. Der geringere Kühlquerschnitt im unteren Bereich 9 und der relativ große Abstand von der inneren Mantelfläche 7 bewirken eine bedeutend geringere Kühlwirkung des Zylinderbüchsenbundes 3 der Zylinderbüchse 1, als im Bereich der Deckfläche 4c des Kühlkanales 4.

Der innere Abschnitt 5a und der äußere Abschnitt 5b sind im Ausführungsbeispiel annähernd als Geraden oder mit sehr schwacher Krümmung ausgebildet sein. Der die Bodenfläche 4d bildende untere Abschnitt 5d der Profillinie 5 kann dagegen mit einem relativ kleinen Krüm­ mungsradius r ausgeführt sein.

Während des Betriebs wirken auf die Zylinderbüchse 1 in axialer Richtung einerseits Monta­ gekräfte F₁ und andererseits in radialer Richtung während der Verbrennung Gaskräfte F₂ ein. Zufolge der Montagekräfte F₁ kommt es zu Zugspannungen im Bereich der Deckfläche 4c des Kühlkanales 4, welche durch die Montagekräfte F₁ verursacht werden. Zusätzlich kommt es zu Spannungen im Bereich der Deckfläche 4c, welche durch die radialen Gaskräfte F₂ verur­ sacht sind. Bei stark gekrümmter Ausführung der Deckfläche 4c kommt es zu einer Überlage­ rung der Spannungsspitzen im Bereich der Mitte der Deckfläche 4c. Um dies zu vermeiden, wird der die Deckfläche 4c definierende obere Abschnitte 5c der Profillinie 5 mit möglichst großem Krümmungsradius oder - noch besser - als Gerade ausgeführt, die etwa parallel zur Zylinderkopfdichtebene 2 liegt. Dadurch wird eine Entkoppelung der Spannungsspitzen be­ wirkt, sodaß die Spannungen zufolge der Verbrennungskräfte F₂ ihre Spitzenwerte im Bereich des Überganges 8a bzw. 8b in die innere Seitenfläche 4a bzw. äußere Seitenfläche 4b des Kühlkanales 4 haben, während die Spannungsspitzen zufolge der Montagekräfte F₁ im mittle­ ren Bereich 8c der Deckfläche 4c bleiben, was eine Abnahme der Spannungsamplitude be­ wirkt.

Der Querschnitt des Kühlkanales 4 kann trapez- bzw. dreiecksförmig sein, oder aber auch die Form eines Ovals bzw. einer Ellipse aufweisen. Die Form der Profillinie läßt sich unter Berücksichtigung der Forderung, daß ein Temperaturfenster zwischen 140° und 190° der Zylin­ derbüchse eingehalten wird als Funktion der Brennraumtemperatur T_B, der Temperaturleitfä­ higkeiten α_g bzw. α_k der Verbrennungsgase bzw. der Kühlflüssigkeit, der Kühlflüssigkeit­ stemperaturen T_K und der auftretenden Spannungsspitzen zufolge der Montagekräfte F₁ und der Gaskräfte F₂ darstellen und optimieren.

Claims (9)

1. Zylinderbüchse (1) für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit einem Zylin­ derbüchsenbund (3) im Anschluß an eine Zylinderkopfdichtebene (2), in welchem zu­ mindest ein umlaufender Kühlkanal (4) eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kühlkanales (4) durch eine zumindest einen inneren (5a), einen äu­ ßeren (6b) und einen oberen Abschnitt (5c) aufweisende, geschlossene Profillinie (5) in­ nerhalb des Zylinderbüchsenbundes (2) gebildet ist und der Querschnitt des Kühlkanales (4) eine im wesentlichen längliche Gestalt aufweist, deren im wesentlichen in Richtung der Zylinderbüchsenachse (1a) gemessene Höhe (H) größer ist als deren im wesentlichen in radialer Richtung der Zylinderbüchse (1) gemessene maximale Breite (B), wobei die Anordnung und/oder Querschnittsform des Kühlkanales (4) so ausgebildet ist, daß die Kühlung des Zylinderbüchsenbundes (3) in einem der Zylinderkopfdichtebene (3) am nächsten liegenden oberen Bereich (8) größer ist, als in einem von der Zylinderkopf­ dichtebene (3) entferntest liegenden unteren Bereich (9) des Kühlkanales (4).

2. Zylinderbüchse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) des Kühlkanales (4) vom oberen Bereich (8) mit maximaler Breite (B_max) zum unteren Be­ reich (9) mit minimaler Breite (B_min) hin, vorzugsweise stetig, abnimmt.

3. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwi­ schen innerem Abschnitt (5a) der Profillinie (5) und innerer Mantelfläche (7) der Zylin­ derbüchse (1) gemessene Büchsenwandstärke (s) von einer minimalen Büchsenwand­ stärke (s_min) im oberen Bereich (8) des Kühlkanales (4) zum unteren Bereich (9) hin zu­ nimmt.

4. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (4) einen im wesentlichen trapez-, dreiecksförmigen oder ovalen Quer­ schnitt aufweist.

5. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und/oder äußere Abschnitt (5a, 5b) der Profillinie (5) zumindest abschnitts­ weise durch eine Gerade gebildet ist.

6. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profillinie (5) im die Deckfläche (4c) bildenden Bereich des oberen Abschnittes (5c) schwächer gekrümmt ist, als im Bereich (8a, 8b) des Überganges zum inneren und/oder äußeren Abschnitt (5a, 5b), wobei vorzugsweise der obere Abschnitt (5c) zumindest teilweise durch eine Gerade gebildet ist, welche besonders vorzugsweise im wesentli­ chen etwa parallel zur Zylinderkopfdichtebene (2) verläuft.

7. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Abschnitt (5a) der Profillinie (5) zwischen 60° und 90°, vorzugsweise zwi­ schen 65° und 80°, besonders vorzugsweise zwischen 70° und 75° zu einer Normalebene (6) auf die Zylinderbüchsenachse (1a) geneigt ist.

8. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Profillinie (5) und/oder die Wandstärke (s) zwischen Kühlkanal (4) und in­ nerer Mantelfläche (7) der Zylinderbüchse (1) eine Funktion der Brennraumtemperatur (T_B), der Gaskräfte, der Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Verbrennungsgas und Zylinderbüchse einerseits und zwischen Zylinderbüchse und Kühlmittel andererseits, der Kühlmitteltemperatur (T_K), des Kühlmitteldruckes und/oder der Montagekraft (F₁) im Auslegungspunkt der Brennkraftmaschine ist.

9. Zylinderbüchse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Abschnitt (5a) und der äußere Abschnitt (5b) der Profillinie (5) zueinander geneigt sind, und vorzugsweise einen Winkel (β) zwischen 5° und 10° aufspannen.