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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Zylinderbuchsenanordnung und insbesondere auf eine Zylinderbuchsenanordnung mit einer thermischen Barriere.
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Hintergrund
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Ein Verbrennungsmotor weist einen Motorblock auf, der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen definiert und Kolben, die sich in den Zylinderbohrungen hin- und herbewegen, um mechanische Leistung zu erzeugen. Typischerweise weist jede Zylinderbohrung eine setzbare Auskleidung bzw. Buchse auf. Die Buchse hat einen zylindrischen Körper, der in die Zylinderbohrung passt, und einen radialen Flansch am oberen Ende des Körpers, der die Zylinderbuchse am Motorblock trägt bzw. lagert. In einigen Ausführungsbeispielen ist ein Hohlraum in dem Zylinderblock, um die Buchse geformt, und Kühlmittel wird durch den Hohlraum geleitet, um die Buchse zu kühlen. Eine Dichtung wird um die Buchse und gegen den Flansch angeordnet, um zu verhindern, dass Kühlmittel aus dem Hohlraum leckt.
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In einigen Anwendungen wird ein Anti-Polierring in ein oberes Ende der Buchse am Flansch eingepasst. Der Anti-Polierring hat einen Innendruchmesser, der geringfügig kleiner ist als ein Durchmesser der Buchse und wirkt dahingehend, dass er Kohlenstoffablagerungen an einem oberen Teil des assoziierten Kolbens abkratzt. Die Kohlenstoffablagerungen könnten, falls sie intakt bleiben, schließlich an der Buchse reiben, wodurch Ölhaltenuten in der Buchse wegpoliert werden. Ein beispielhafter Anti-Polierring ist in dem
U.S. Patent Nummer 5 553 585 offenbart, welches am 10. September 1996 an Paro erteilt wurde.
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Obwohl ein Anti-Polierring dahingehend wirksam sein kann, dass er eine Kohlenstoffablagerung von einem Kolben entfernen kann, kann es auch möglich sein, dass zu viel Wärme durch den Ring zur Dichtung läuft. In diesen Situationen könnte die Dichtung überhitzen und spröde werden oder reißen. Wenn die Integrität der Dichtung beeinträchtigt ist, kann Kühlmittel von dem Hohlraum unter der Dichtung aus dem Motorblock lecken. Dies könnte eine Überhitzung des Motors, eine Verunreinigung von anderen Motorströmungsmitteln (beispielsweise Motoröl), Korrosion und andere ähnliche Probleme verursachen.
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Die Zylinderbuchsenanordnung der vorliegenden Offenbarung löst ein oder mehrere der oben dargestellten Probleme und/oder andere Probleme des Standes der Technik.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine Zylinderbuchsenanordnung bzw. Zylinderauskleidungsanordnung gerichtet. Die Zylinderbuchsenanordnung kann eine Auskleidung bzw. Buchse mit einem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper aufweisen, der sich von einem oberen Ende zu einem unteren Ende entlang einer Längsachse erstreckt, und eine innere Ausnehmung, die an dem oberen Ende ausgeformt ist. Die Zylinderbuchsenanordnung kann auch einen Anti-Polierring aufweisen, der in der inneren Ausnehmung am oberen Ende der Buchse angeordnet ist, und eine Dichtung, die um die Buchse an einem inneren axialen Ende des Anti-Polierrings angeordnet ist. Eine Oberflächenrauhigkeit der inneren Ausnehmung zusammen mit einer Oberflächenrauhigkeit des Anti-Polierrings kann eine thermische Barriere erzeugen, die konfiguriert ist, um eine erwünschte Temperatur der Dichtung aufrecht zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine weitere Zylinderbuchsenanordnung gerichtet. Die Zylinderbuchsenanordnung kann eine Buchse mit einem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper aufweisen, der sich von einem oberen Ende zu einem unteren Ende entlang einer Längsachse erstreckt, und eine radiale Dicke von ungefähr 10–25 mm hat, weiter eine innere Ausnehmung, die an dem oberen Ende ausgeformt ist, einen Flansch, der mit dem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper am oberen Ende verbunden ist, und ein Kühlmittelreservoir, welches an einer inneren Ecke zwischen dem Flansch und dem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper ausgebildet ist. Die Zylinderbuchsenanordnung kann auch einen Anti-Polierring aufweisen, der in der inneren Ausnehmung am oberen Ende der Buchse angeordnet ist, und eine Dicke von ungefähr 1–4 mm hat, und eine Dichtung, die um die Buchse an einem inneren axialen Ende des Anti-Polierrings angeordnet ist. Eine erste Oberflächenrauhigkeit an einer inneren ringförmigen Oberfläche der inneren Ausnehmung kann ungefähr 6–9 μm sein und eine zweite Oberflächenrauhigkeit an einer äußeren ringförmigen Oberfläche des Anti-Polierrings, die mit der inneren ringförmigen Oberfläche in Eingriff kommt, kann ungefähr 3–3,5 μm sein. Die ersten und zweiten Oberflächenrauhigkeiten erzeugen eine thermische Barriere mit einem Kontaktwiderstand von ungefähr 0,1–0,5 m2°C/kW.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Motor gerichtet. Der Motor kann einen Zylinderblock aufweisen, der zumindest teilweise eine Vielzahl von Zylinderbohrungen definiert, weitere eine Zylinderbuchsenanordnung, die in jeder der Vielzahl von Zylinderbohrungen angeordnet ist, und einen Wassermantel, der zwischen einer ringförmigen Wand von jeder Zylinderbuchsenanordnung und einer entsprechenden einen Bohrung der Vielzahl von Zylinderbohrungen ausgebildet ist. Jede Zylinderbuchsenanordnung kann eine Buchse mit einem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper haben, der sich von einem oberen Ende zu einem unteren Ende entlang einer Längsachse erstreckt, weiter eine innere Ausnehmung, die an dem oberen Ende ausgebildet ist, einen Flansch, der mit dem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper am oberen Ende verbunden ist, und konfiguriert ist, um mit dem Zylinderblock in Eingriff zu kommen und ein Kühlmittelreservoir, welches an einer inneren Ecke zwischen dem Flansch und dem hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper ausgebildet ist. Jede Zylinderbuchsenanordnung kann auch einen Anti-Polierring aufweisen, der in der inneren Ausnehmung an dem oberen Ende der Buchse angeordnet ist, und eine Dichtung, die um die Buchse an einem inneren axialen Ende des Anti-Polierrings angeordnet ist, und zwar zwischen dem Wassermantel und dem Kühlmittelreservoir. Eine Oberflächenrauhigkeit der inneren Ausnehmung zusammen mit einer Oberflächenrauhigkeit des Anti-Polierrings kann eine thermische Barriere erzeugen, die konfiguriert ist, um eine erwünschte Temperatur der Dichtung aufrecht zu erhalten und zu verhindern, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelreservoir siedet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsdarstellung eines beispielhaften offenbarten Motors;
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2 ist eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften offenbarten Zylinderbuchsenanordnung, die in Verbindung mit dem Motor der 1 verwendet werden kann; und
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3 ist ein Querschnittsdarstellung eines Teils der Zylinderbuchsenanordnung der 2.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht einen Teil eines beispielhaften Verbrennungsmotors 10. Der Motor 10 kann einen Motorblock 12 aufweisen, der zumindest eine Zylinderbohrung 14 definiert. Eine Zylinderbuchsenanordnung 16 kann in der Zylinderbohrung 14 angeordnet sein, und ein Zylinderkopf 18 kann mit dem Motorblock 12 verbunden sein, um ein Ende der Zylinderbohrung 14 abzuschließen (beispielsweise durch eine Kopfdichtung 19). Ein Kolben 20 kann verschiebbar in der Zylinderbuchsenanordnung 16 angeordnet sein und der Kolben 20 kann zusammen mit der Zylinderbuchsenanordnung 16 und dem Zylinderkopf 18 eine Brennkammer 22 definieren. Es wird in Betracht gezogen, dass der Motor 10 irgendeine Anzahl von Brennkammern 22 aufweisen kann und das die Brennkammern 22 in einer „Reihenkonfiguration” in einer „V-Konfiguration”, in einer Boxer-Konfiguration bzw. Konfiguration mit gegenüberstehenden Kolben oder in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Der Kolben 20 kann konfiguriert sein, um in der Zylinderbuchsenanordnung 16 zwischen einer oberen Todpunktposition (TDC bzw. OT Position) und einer unteren Todpunktposition (BDC bzw. UT Position) hin- und herzulaufen, um einen Verbrennungsprozess in der Kammer 22 zu ermöglichen. Insbesondere kann der Kolben 20 schwenkbar mit einer Kurbelwelle 24 mittels einer Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 26 verbunden sein, so dass eine Gleitbewegung von jedem Kolben 20 in der Zylinderbuchsenanordnung 16 eine Drehung der Kurbelwelle 24 zur Folge hat. In ähnlicher Weise kann eine Drehung der Kurbelwelle 24 eine Gleitbewegung des Kolbens 20 zur Folge haben. In einem Zwei-Takt-Motor kann der Kolben 20 sich über zwei volle Hübe bewegen, um einen Verbrennungszyklus zu beenden, der einen Leistungs/Auslass/Einlasshub (oberer Todpunkt zum unteren Todpunkt) und einen Einlass/Verdichtungshub (unterer Todpunkt zum oberen Todpunkt) aufweist. In einem Vier-Takt-Motor kann der Kolben 20 sich über vier volle Hübe bewegen, um einen Verbrennungszyklus zu vollenden, der einen Einlasshub (oberer Todpunkt zum unteren Todpunkt), einen Verdichtungshub (unterer Todpunkt zum oberen Todpunkt), einen Leistungshub (oberer Todpunkt zum unteren Todpunkt) und einen Auslasshub (unterer Todpunkt zum oberen Todpunkt) aufweist. Brennstoff (beispielsweise Dieselbrennstoff, Benzin, gasförmiger Brennstoff usw.) kann in die Brennkammer 22 während der Einlasshübe von jedem Verbrennungszyklus eingespritzt werden. Der Brennstoff kann während der Verdichtungshübe mit Luft vermischt und gezündet werden. Die Hitze und der Druck, die aus der Zündung von Brennstoff und Luft resultieren, können dann in nützliche mechanische Leistung während darauffolgender Leistungshübe umgewandelt werden. Restliche Gase können aus der Brennkammer 22 während der Auslasshübe ausgestoßen werden.
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Wärme von dem oben beschriebenen Verbrennungsprozess, die den Motor 10 schädigen könnte, wenn sie nicht beachtet wird, kann von der Zylinderbohrung 14 mittels eines Wassermantels 28 abgeleitet werden. Der Wassermantel 28 kann zwischen einer Innenwand der Zylinderbohrung 14 und einer Außenwand der Zylinderbuchsenanordnung 16 angeordnet sein. Beispielsweise kann der Wassermantel 28 durch eine Ausnehmung in dem Motorblock 12 an der Innenwand der Zylinderbohrung 14 und/oder in der Außenwand der Zylinderbuchsenanordnung 16 ausgebildet sein. Es wird in Betracht gezogen, dass der Wassermantel 28 vollständig in dem Motorblock 12 um die Zylinderbuchsenanordnung 16 geformt sein kann, dass er vollständig in der Zylinderbuchsenanordnung 16 ausgebildet sein kann und/oder dass er durch eine hohle Hülse (nicht gezeigt) gebildet werden kann, die entweder an den Motorblock 12 oder an die Zylinderbuchsenanordnung 16 gelötet ist, und zwar wie erwünscht. Wasser, Glykol oder eine zusammengemischte Mixtur kann durch den Wassermantel 28 geleitet werden, um Wärme vom Motorblock 12 und der Zylinderbuchsenanordnung 16 aufzunehmen.
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Eine Dichtung 30 kann um die Zylinderbuchsenanordnung 16 angeordnet sein, um ein oberes Ende des Wassermantels 28 abzudichten. Die Dichtung 30 kann nach der Montage sandwichartig zwischen einer Außenwand der Zylinderbuchsenanordnung 16 und einer Innenwand der Zylinderbohrung 14 aufgenommen sein, so dass Kühlmittel in dem Wassermantel 28 davon abgehalten wird, durch einen oberen Teil der Zylinderbohrung 14 aus dem Motorblock 12 zu lecken. Die Dichtung 30 kann beispielsweise eine O-Ring-Dichtung sein, die aus einem elastischen Material hergestellt ist.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann die Zylinderbuchsenanordnung 16 eine Anordnung von zumindest zwei Hauptkomponenten sein, die eine Zylinderbuchse („Buchse”) 32 und einen Anti-Polierring oder eine Manschette („Ring”) 34 aufweist (d. h. zusammen mit der Dichtung 30). Sowohl die Buchse 32 als auch der Ring 34 können aus dem gleichen allgemeinen Material gemacht sein, beispielsweise aus einem legierten Grauguss. Der Ring 34 kann vor der Montage der Zylinderbuchsenanordnung 16 in der Zylinderbohrung 14 des Motorblocks 12 in ein oberes oder äußeres Ende der Buchse 32 gepasst werden. In dieser Position kann der Ring 34 konfiguriert sein, um einen oberen Steg des Kolbens 20 (siehe 1) aufzunehmen. Insbesondere kann das obere Ende des Kolbens 20 in den Ring 34 während jedes Aufwärtshubes über eine Distanz laufen, die gestattet, dass der Ring 34 irgendwelche Kohlenstoffablagerungen abkratzt, die sich an der äußeren ringförmigen Oberfläche des Kolbens 20 an einer Stelle über irgendwelchen assoziierten Kolbenringen aufgebaut haben können. Durch Wegkratzen der Kohlenstoffablagerungen kann die Lebensdauer des Motors 10 verlängert werden.
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Die Buchse 32 kann einen hohlen, im Allgemeinen zylindrischen Körper 36 haben, der sich entlang einer Längsachse 38 erstreckt und einen ringförmigen Flansch 40, der radial nach außen an einem oberen oder freigelegten Ende des Körpers 36 vorsteht. Eine Unterseite 42 des Flansches 40 kann konfiguriert sein, um mit einer Oberseite 44 des Motorblocks 12 in Eingriff zu kommen, während eine Oberseite 46 des Flansches 40 konfiguriert sein kann, um mit der Dichtung 19 in Eingriff zu kommen. Eine ringförmige Ausnehmung oder Nut 47 kann unter dem Flansch 40 ausgebildet sein (d. h. an einer inneren Kante des Körpers 36 und des Flansches 40) um als ein Überfluss oder als ein Reservekühlmittelsammelhohlraum zu wirken. Insbesondere kann irgendwelches Kühlmittel, welches aus dem Wassermantel 28 an der Dichtung 30 vorbeileckt, in der Ausnehmung 47 gesammelt werden, und der Eingriff der Unterseite 42 mit der Oberseite 44 kann verhindern, dass dieses gesammelte Kühlmittel aus der Ausnehmung 47 entweicht.
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Die Dichtung 30 kann an irgendeiner erwünschten axialen Stelle an der Buchse 32, beispielsweise an einem inneren axialen Ende des Rings 34 durch Endanschläge 48 gehalten werden, die an gegenüberliegenden Seiten der Dichtung 30 angeordnet sind. Der Wassermantel 28 kann strömungsmittelmäßig mit einer unteren Hälfte der Dichtung 30 über einen ringförmigen Durchlass 50 in Verbindung stehen, der durch die Differenz der Durchmesser von Buchse und Bohrung an einer axialen Stelle zwischen den Endanschlägen 48 gebildet wird. Diese Verbindung kann dabei helfen, die Dichtung 30 zu kühlen.
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Eine innere ringförmige Ausnehmung 52 kann an dem oberen Ende des Körpers 36 ausgebildet sein und konfiguriert sein, um den Ring 34 aufzunehmen. Die Ausnehmung 52 kann eine Oberflächenendbearbeitung haben, die durch einen Schleifprozess erzeugt wurde, so dass sie eine Rauhigkeit von ungefähr 6–10 μm (beispielsweise ungefähr 6–9 μm) hat. Eine radiale Dicke T der Buchse 32 zwischen der Ausnehmung 52 und der Dichtung 30 kann ungefähr 10–25 mm sein.
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Der Ring 34 kann in die Ausnehmung 52 gepasst sein, und kann einen Innendruchmesser haben, der geringer ist als ein Innendurchmesser des Körpers 36, und kann eine Dicke t von ungefähr 1/6–1/10 der Dicke T haben (beispielsweise 1–4 mm) mit dieser Konfiguration kann ein Absatz 54 erzeugt werden, der mit dem Kolben 20 zusammenwirkt, um den oben beschriebenen Kohlenstoffaufbau abzukratzen. Der Ring 34 kann sich axial von dem freigelegten Ende des Körpers 36 nach unten über die Ausnehmung 47 zum oberen Endanschlag 48 erstrecken. Eine äußere ringförmige Oberfläche 56 des Rings 34 kann eine Oberflächenendbearbeitung haben, die durch einen Schleifprozess erzeugt wird, so dass sie eine Rauhigkeit von ungefähr 1/3–1/2 der Rauhigkeit der Ausnehmung 52 hat. Beispielsweise kann die Oberfläche 56 eine Rauhigkeit von ungefähr 2–6 μm (beispielsweise ungefähr 3–3,5 μm) haben.
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Die Oberflächenendbearbeitung des Rings 34 kombiniert mit der Oberflächenendbearbeitung der Ausnehmung 52 kann eine thermische Barriere 58 erzeugen, die eine Wärmeübertragung von der Brennkammer 22 zur Dichtung 30 und zur Ausnehmung 47 verhindert. Insbesondere ist die Rauhigkeit der zwei zusammenpassenden ringförmigen Oberflächen so ausgelegt, dass eine erwünschte Anzahl von isolierenden Mikrolufttaschen von erwünschter Größe zwischen Unebenheiten in den Oberflächen erzeugt wird. Diese Mikro-Taschen können einen thermischen Widerstand (auch als Kontaktwiderstand bekannt) gegen Wärmeübertragung zwischen den Oberflächen erhöhen, wodurch effektiv eine thermische Barriere 58 erzeugt wird. In einem Beispiel kann die thermische Barriere 58 einen Kontaktwiderstand von ungefähr 0,1–0,5 m2°C/kW haben, wenn sie einen Kontaktdruck von ungefähr 5 MPa ausgesetzt ist. Die thermische Barriere 58 ist in Kombination mit den Dicken der Buchse 32 und des Rings 34 so ausgelegt, dass sie eine erwünschte Temperatur an der Dichtung 30 während des Betriebs des Motors 10 vorsieht. Wenn dies so gemacht wird, kann die Lebensdauer der Dichtung 30 verlängert werden und die Wahrscheinlichkeit, dass das in der Ausnehmung 47 gesammelt Kühlmittel kocht, kann verringert werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die offenbarte Zylinderbuchsenanordnung kann in irgendeiner Anwendung verwendet werden, wo es erwünscht ist, die Zuverlässigkeit und Betriebslebensdauer des assoziierten Motors zu vergrößern. Die offenbarte Zylinderbuchsenanordnung kann die Zuverlässigkeit und Betriebslebensdauer vergrößern, in dem eine Temperatur verringert wird, der eine Dichtung ausgesetzt ist, die an einer Zylinderbuchse der Anordnung installiert ist. Diese Temperatur kann durch Verwendung einer einzigartig konstruierten thermischen Barriere verringert werden, die an einer ringförmigen Schnittstelle zwischen der Zylinderbuchse und einem assoziierten Anti-Polierring angeordnet ist.
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Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der offenbarten Zylinderbuchsenanordnung vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betracht der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der offenbarten Zylinderbuchsenanordnung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Schutzumfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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