DE69016395T2

DE69016395T2 - Assembled machine housing.

Info

Publication number: DE69016395T2
Application number: DE1990616395
Authority: DE
Inventors: Dominic Fontichiaro; Daniel Michael Kabat
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2010-12-22
Also published as: DE69016395D1; EP0437086B1; EP0437086A1; CA2032952A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen aus mehreren Teilen zusammengesetzten Motorblock für einen Verbrennungsmotor.The present invention relates to an engine block composed of several parts for an internal combustion engine.

Im Bemühen, das Gewicht der Motorblöcke zu reduzieren, sind Metalle mit geringem Gewicht, wie z.B. Aluminium, zu ein- bzw. zweiteiligen Schalen zur Bildung eines Zylinderlaufbüchsenaufbaus auf Eisenbasis geformt worden. Zur Verbesserung der Warmeleitfahigkeit sollte der Zylinderlaufbüchsenaufbau direkten Kontakt mit dem Kühlmittel haben (siehe U.S. Patentschriften 4.446.906 und 4.759.317). Bei derartigen Auslegungen wird die Schale an den üblichen Stellen getrennt und bildet eine Verbindung zwischen Kurbelgehause und Kühlsystem. Sollen Kunststoffe oder Kunststoffgemische für die Außenschale eingesetzt werden, können die im Kühlmittel enthaltenen Chemikalien die Dichtungsmittel über den gesamten Zeitraum der Lebensdauer eines Motorblocks angreifen und Probleme aufwerfen. Folglich würde das in der U.S. Patentschrift 4.446.827 vorgestellte Konzept die Wahrscheinlichkeit erhöhen, daß das Motoröl im Kurbelgehäuse durch eindringende Kühlmittel verunreinigt wird.In an effort to reduce the weight of engine blocks, lightweight metals such as aluminum have been molded into one- or two-piece shells to form an iron-based cylinder liner assembly. To improve thermal conductivity, the cylinder liner assembly should be in direct contact with the coolant (see U.S. Patents 4,446,906 and 4,759,317). In such designs, the shell is separated at the usual locations and forms a connection between the crankcase and the cooling system. If plastics or plastic blends are to be used for the outer shell, the chemicals in the coolant can attack the sealants and cause problems over the life of an engine block. Consequently, the U.S. Patent Application 2004/008/EC would not be applicable. The concept presented in patent specification 4,446,827 increases the probability that the engine oil in the crankcase will be contaminated by penetrating coolants.

Patentschrift GB-A-695.972 offenbart einep Verbrennungsmotor, bei dem die Außenwände des Kühlmantels aus Plattenstücken gebildet-werden. Die Platten können aus Kunststoff bestehen. Die Plattenstücke werden mit Klebstoff am Motorgußblock zur Bildung der Außenwand des Kühlmantels geklebt.Patent specification GB-A-695.972 discloses an internal combustion engine in which the outer walls of the cooling jacket are formed from plate pieces. The plates can be made of plastic. The plate pieces are glued to the engine block with adhesive to form the outer wall of the cooling jacket.

Ein Ziel dieser Erfindung ist es, einen Fluid-gekühlten Motorblock mit einer Kühlmantel-Außenschale aus leichtem, nicht-metallischem Material wie z.B. Kunststoffgemischen zu schaffen, ohne Gefahr zu laufen, daß das Öl durch Kühlmittel verunreinigt werden kann.An object of this invention is to provide a fluid-cooled engine block with a cooling jacket outer shell made of lightweight, non-metallic material such as plastics blends, without the risk of the oil being contaminated by coolant.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein aus mehreren Teilen zusammengesetzter Motorblock für einen Verbrennungsmotor mit einem Fluid-Kühlmantel geschaffen, wobei der Motorblock einen zweiteiligen Zylinderlaufbüchsenaufbau umfaßt, von welchem zumindest die Wände des Verbrennungsbereichs aus Metall sind, und genannter Zylinderlaufbüchsenaufbau einen oder mehrere offene Zylinder aufweist, der bzw. die den ersten Teil definiert bzw. definieren, und einem entsprechend des genannten ersten Teils ausgelegten Zylinderkopf, der ein zweites Teil definiert, wobei genanntes erste Teil (i) eine erste integrierte Platte beinhaltet, welche sich transversal von den Zylindern nach außen erstreckt und für das Unterteil des genannten Fluid-Kühlmantels eine untere, undurchlässige Membran definiert, und (ii) Wände beinhaltet, die von genannter Grundplatte nach unten weisen, zur Aufnahme einer Kurbelwelle, die sich bezogen auf genannte Zylinder um eine transversale Achse dreht, wobei genannter zweiter Teil eine zweite integrierte Platte aufweist, die oberhalb der Zylinder transversal nach außen verläuft, einen Außenhautaufbau aus einem nicht-metallischen, leichten, Vibrationen dämpfenden Material, das im wesentlichen die Außenwände genannten Motors bildet, wobei genannter Außenhautaufbau ein erstes Element zur Vervollständigung genannten Kühlmantels aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß genannte zweite Platte des zweiten Teils eine obere, undurchlässige Membran für den oberen Bereich des Fluid-Kühlmantels bildet, dadurch, daß genanntes erstes Element ein zylindrisches Element ist, welches die Zylinder umgibt und zwischen gegenübliegenden Seiten genannter erster und genannter zweiter Platte plaziert ist, und dadurch- daß genannter Motorblock außerdem Spannvorrichtungen aufweist, um genanntes zylindrisches Element zwischen genannten Platten zu pressen und zu befestigen, um auf diese Weise die Enden des genannten zylindrischen Elements des Außenhautaufbaus gegen genannte Platten abzudichten.According to the present invention there is provided a multi-part engine block for an internal combustion engine having a fluid cooling jacket, the engine block comprising a two-part cylinder liner structure of which at least the walls of the combustion region are of metal, said cylinder liner structure having one or more open cylinders defining the first part and a cylinder head configured to correspond to said first part and defining a second part, said first part including (i) a first integral plate extending transversely outwardly from the cylinders and defining a lower impermeable membrane for the lower part of said fluid cooling jacket, and (ii) walls extending downwardly from said base plate for receiving a crankshaft rotating about a transverse axis relative to said cylinders, said second part including a second integral plate extending transversely outwardly above the cylinders, an outer skin structure of a non-metallic, lightweight, vibration damping material substantially forming the outer walls said engine, said outer skin structure having a first element for completing said cooling jacket, characterized in that said second plate of the second part forms an upper impermeable membrane for the upper region of the fluid cooling jacket, in that said first element is a cylindrical element surrounding the cylinders and is placed between opposite sides of said first and said second plates, and in that said engine block further comprises clamping means for pressing and securing said cylindrical element between said plates so as to seal the ends of said cylindrical element of the outer skin structure to said plates.

Der zweiteilige Zylinderlaufbüchsenaufbau besteht vorzugsweise aus einem Material, das bei Temperaturen von 232ºC bis 371ºC (450-700ºF) dauerhaft ist. Das Metall des Zylinderlaufbüchsenaufbaus bedeckt zumindest die Wände des Verbrennungsbereichs, der vorzugsweise den Kopf, zumindest zwei Drittel des oberen Bereichs der Zylinder und die Auslaßkanäle beinhaltet, wobei genannte Wände bei Temperaturen bis zu 343ºC (650ºF) dauerhaft sind.The two-piece cylinder liner assembly is preferably made of a material that is durable at temperatures of 232ºC to 371ºC (450-700ºF). The metal of the cylinder liner assembly covers at least the walls of the combustion region, which preferably includes the head, at least two-thirds of the top of the cylinders and the exhaust ports, said walls being durable at temperatures up to 343ºC (650ºF).

Vorzugsweise wird der Außenhautaufbau dem Zylinderlaufbüchsenaufbau durch Verwendung gestufter Ringverbindungen an jeder Platte angepaßt, und zwar mit einem mechanischen Dichtring auf einer der Stufen solcher Verbindung und einer mit Fluiddruck arbeitenden Dichtung auf der anderen Stufe. Das Zusammenpressen wird durch Verwendung von mit Gewinden versehenen Befestigungselementen erzielt, die zwischen (i) einer der Platten und (ii) integrierten Nasen verlaufen, wobei die Nasen am Außenumfang angeordnet sind und von diesem radial nach außen weisen; die Nasen dienen zur Aufnahme des Gewindeendes solcher Befestigungselemente.Preferably, the skin assembly is mated to the cylinder liner assembly by using stepped ring joints on each plate, with a mechanical seal ring on one of the stages of such joint and a fluid pressure seal on the other stage. Compression is achieved by using threaded fasteners extending between (i) one of the plates and (ii) integral lugs, the lugs being located on and extending radially outwardly from the outer periphery, the lugs serving to receive the threaded end of such fasteners.

Vorzugsweise ist der Außenhautaufbau dreiteilig, mit einem zweiten Teil aus aufrecht stehenden Wänden, die über den Kopf und dessen Platte hinausragen, um auf diese Weise einen Raum für die Nockenwelle und den Ventiltrieb zu bilden, und einem dritten Teil, eine Abdeckung unterhalb der Grundplatte und den mach ünten weisenden Wänden zur Bildung einer Kurbelwellenölkammer.Preferably, the outer skin structure is in three parts, with a second part consisting of upright walls that project beyond the head and its plate to in this way to form a space for the camshaft and the valve train, and a third part, a cover below the base plate and the walls facing downwards to form a crankshaft oil chamber.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen genauer beschrieben, wobei:In the following, the invention is described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:

Figur 1 ein Aufriß des mittleren Bereichs des erfindungsgemäßen, aus mehreren Teilen zusammengesetzten Motorblocks ist;Figure 1 is an elevational view of the central portion of the multi-part engine block according to the invention;

Figur 2 eine Explosionsansicht der in Figur 1 gezeigten Teile des Aufbaus ist;Figure 2 is an exploded view of the parts of the structure shown in Figure 1;

Figuren 3-5 einen vergrößerten Ausschnitt eines in Figur 1 mit "A" bezeichneten Teilbereichs zeigen, der die verschiedenen Alternativen zur Abdichtung der gestuften Verbindung zwisdhen dem Außenhautaufbau und dein Zylinderlaufbüchsenaufbau illustriert.Figures 3-5 show an enlarged section of a section marked "A" in Figure 1, which illustrates the various alternatives for sealing the stepped connection between the outer skin structure and the cylinder liner structure.

Wie Figuren 1 und 2 zeigen, weist Motorblock 10 zweiteiligen Zylinderlaufbüchsenaufbau 11 auf, der für den Block ein hitzebeständiges Metallgerüst bildet, und dreiteiligen Außenhautaufbau 12, der mit Spannvorrichtung 13 auf den Zwischenaufbau montiert wird und auf diese Weise Kühlmantel 20 abdichtet.As Figures 1 and 2 show, engine block 10 has a two-part cylinder liner structure 11, which forms a heat-resistant metal framework for the block, and a three-part outer skin structure 12, which is mounted on the intermediate structure with a clamping device 13 and in this way seals cooling jacket 20.

Zweiteiliger Zylinderlaufbüchsenaufbau 11 kann Metalle wie Aluminiumlegierung oder Gußeisen beinhalten. Gußeisen ist zu bevorzugen, da es bei Temperaturen von 260ºC (500ºF) bis 317ºC (700ºF) dauerhaft ist. Zumindest die Wände für Verbrennungsbereich 8 weisen einen solchen Zylinderlaufbüchsenaufbau auf. Erster Teil 14 des Zylinderlaufbüchsenaufbaus besteht aus mehreren, in einer Reihe ausgerichteten, offenen Zylindern 16, wobei alle Zylinder ihre Achse 9 in einer aufrechten Position und innerhalb einer gemeinsamen Ebene haben. Oberes ringförmiges Ende 16A eines jeden Zylinders 16 ist so ausgelegt, daß es mit Kopf 15, dem zweiten Teil des Zylinderlaufbüchsenaufbaus, zusammenpaßt. Alle Köpfe für offene Zylinder 16 sind zusammen in einem Metallteil integriert.Two-piece cylinder liner assembly 11 may include metals such as aluminum alloy or cast iron. Cast iron is preferred because it is durable at temperatures of 260ºC (500ºF) to 317ºC (700ºF). At least the walls for combustion area 8 have such a cylinder liner assembly. First part 14 of the cylinder liner assembly consists of a plurality of open cylinders 16 aligned in a row, all cylinders having their axis 9 in an upright position and within a common plane. Upper annular end 16A of each cylinder 16 is designed to engage with head 15, the second part of the cylinder liner construction. All heads for open cylinders 16 are integrated together in one metal part.

Der erste Teil des Zylinderlaufbüchsenaufbaus besteht außerdem aus integrierter Platte 17, die sich von den unteren Enden von Zylindern 16 transversal nach außen erstreckt, wobei Strecke 18 zwischen 7,5 - 10 cm (3-4 Inch) lang ist, d.h. lang genug, um über den Kühlmantel hinauszureichen; die Platte kann Stärke 19 von ungefähr 1,25 cm (0,5 Inch) aufweisen. Um die Befestigung des zweiten Teils des Außenhautaufbaus zu vereinfachen, kann Platte 17 in Punkt 21 auf gegenüberliegenden Seiten der Zylinderreihe gestuft sein.The first part of the cylinder liner assembly also consists of integral plate 17 extending transversely outwardly from the lower ends of cylinders 16, with length 18 being between 7.5 - 10 cm (3-4 inches) long, i.e. long enough to extend beyond the cooling jacket; the plate may have thickness 19 of approximately 1.25 cm (0.5 inches). To facilitate the attachment of the second part of the outer skin assembly, plate 17 may be stepped at point 21 on opposite sides of the cylinder bank.

Der erste Teil des Zylinderlaufbüchsenaufbaus weist darüber hinaus Wände 22 auf, die vom vorderen bzw. hinteren Teil der Platte 17 nach unten weisen, wobei jede Wand 22 zur Aufnahme von Kurbelwelle 23 in einer Position dient, in welcher die Kurbelwelle um Achse 23A transversal zu Zylinderachsen 9 drehbar ist. Wände 22 können zur Bildung von Lagerdeckeln 51, die mit Befestigungsvorrichtung 52 befestigt werden, bei 50 getrennt oder separat geschnitten sein.The first part of the cylinder liner assembly further comprises walls 22 extending downwardly from the front and rear parts of the plate 17, respectively, each wall 22 serving to receive crankshaft 23 in a position in which the crankshaft is rotatable about axis 23A transverse to cylinder axes 9. Walls 22 may be separated or cut separately at 50 to form bearing caps 51 which are secured with fasteners 52.

Zweiter Teil 15 des Zylinderlaufbüchsenaufbaus weist Wände 24 auf, die zur Brennkammer 8 führenden Einlaßkanal 25 bzw. Auslaßkanal 26 definieren. Dieser zweite Teil beinhaltet integrierte Deckplatte 27, die oberhalb der Zylinder transversal nach außen verläuft. Dieser zweite Teil weist darüber hinaus aufrecht stehende Wände 30 auf, integriert in und auskragend von Platte 27, um auf diese Weise eine Aufnahme für Nokkenwelle 31 in einer Position zu schaffen, in welcher diese sich um Achse 32 transversal zu Zylinderachsen 9 dreht. Wände 30 können bei 54 zur Bildung von Lagerdeckeln 55 getrennt werden.Second part 15 of the cylinder liner assembly has walls 24 defining intake port 25 and exhaust port 26 leading to combustion chamber 8. This second part includes integral cover plate 27 extending transversely outward above the cylinders. This second part further includes upstanding walls 30 integral with and projecting from plate 27 to thereby provide a housing for camshaft 31 in a position in which it rotates about axis 32 transverse to cylinder axes 9. Walls 30 can be separated at 54 to form bearing caps 55.

Dreiteiliger Außenhautaufbau 12 besteht aus nichtmetallischen, Vibrationen dämpfenden, leichten Materialien, vorzugsweise aus Kunststoffgemischen wie z.B. glasfaserverstärkten Phenolzusammensetzungen und haben eine Dichte zwischen 1842,13-1922,22 kg/m³ (115-120 lb/ft³). Dieser Außenhautaufbau weist erstes zylindrisches Element 33 auf, welches die Zylinder umgibt und zwischen Deckplatte 17 und Bodenplatte 27 angeordnet ist, und welches bei 34 und 35 zur Vervollständigung von Kühlmantel 20 gegen das Eindringen von Fluid abgedichtet ist.Three-part outer skin structure 12 consists of non-metallic, vibration-damping, lightweight materials, preferably plastic mixtures such as glass fiber reinforced phenolic compounds and have a density between 1842.13-1922.22 kg/m³ (115-120 lb/ft³). This outer skin structure comprises a first cylindrical element 33 which surrounds the cylinders and is arranged between the cover plate 17 and the base plate 27 and which is sealed against the ingress of fluid at 34 and 35 to complete the cooling jacket 20.

Unabhängiges zweites Element 36 wird zur Abdeckung über Kopf 15 des Zylinderlaufbüchsenaufbaus plaziert und an Außenfläche 37 mit Befestigungsvorrichtungen 38, zwischen welchen eine Dichtung plaziert wird, befestigt. Mit diesem zweiten Element wird Nockenwellenkammer 39 geschaffen, welche auch ein Ventiltriebsystem enthalten kann.Independent second member 36 is placed to cover over head 15 of the cylinder liner assembly and is secured to outer surface 37 with fasteners 38 between which a gasket is placed. With this second member camshaft chamber 39 is created which may also contain a valve train system.

Der Außenhautaufbau beinhaltet darüber hinaus drittes Element 40, welches Bodenplatte 17 und die zuvor erwähnten, nach unten weisenden Wände 22, die die Kurbelwelle aufnehmen, abdeckt. Damit schafft dieses dritte Element Kurbelwellenölkammer 44, wobei das Element an Grundplatte 17 in Punkt 40 mit Befestigungsvorrichtungen 41 befestigt ist, die mit den entsprechenden Dichtungen von den in der Platte befindlichen Gewinden aufgenommen werden.The outer skin structure further includes third element 40 which covers base plate 17 and the aforementioned downwardly facing walls 22 which receive the crankshaft. Thus, this third element creates crankshaft oil chamber 44, the element being attached to base plate 17 at point 40 by fastening devices 41 which are received by the threads in the plate with the corresponding seals.

Spannvorrichtung 13 ermöglicht das Ausüben von Druckkräften zwischen Endpunkten 33A und 33B von Zylinderelement 33 bzw. zwischen Platten 27 und 17. Dies wird durch mehrere Bolzen 45 erreicht, die von zumindest einer Platte (hier Platte 27) ausgehen, entlang Zylindern 16 verlaufen und von mit Gewinden versehenen Nasen aufgenommen werden, welche am Außendurchmesser der Zylinder integriert geformt werden. Obwohl in der Zeichnung die Nasen im mittleren Zylinderbereich angezeigt sind, werden sie vorzugsweise zur Vermeidung temperaturbedingter Deformationen möglichst nahe am Zylinderboden ausgebildet.Clamping device 13 enables the exertion of compressive forces between end points 33A and 33B of cylinder element 33 or between plates 27 and 17. This is achieved by several bolts 45 which originate from at least one plate (here plate 27), run along cylinders 16 and are received by threaded lugs which are integrally formed on the outer diameter of the cylinders. Although the lugs are shown in the middle cylinder area in the drawing, they are preferably formed as close to the cylinder base as possible to avoid temperature-related deformations.

Wie Figuren 3-5 zeigen, werden Druckkräfte zur Schließung abgestufter Verbindungen am Rand von Platte 17 und 27 wirksam. Jede dieser gestuften Verbindungen hat erste Stufe 48 mit einem Dichtungsring bzw. einer- Dichtung mit flacher Oberfläche, die durch mechanische Spannkraft abgedichtet wird, und einer zweiten Stufe 49, die durch Fluiddruck wie z.B. durch O-Ring 43 abgedichtet wird. Diese gestuften Verbindungen werden an der Außenseite des Blocks abgedichtet, und Leckage zum Kurbelgehäuse 44 ist ausgeschlossen.As shown in Figures 3-5, compressive forces are applied to close stepped connections at the edge of plates 17 and 27. Each of these stepped connections has a first stage 48 with a sealing ring or flat surface seal sealed by mechanical clamping force and a second stage 49 sealed by fluid pressure such as by O-ring 43. These stepped connections are sealed to the outside of the block and leakage to the crankcase 44 is eliminated.

Claims

1. A multi-part engine block for an internal combustion engine having a fluid cooling jacket (20), the engine block comprising a two-part cylinder liner assembly (11) of which at least the walls of the combustion region are made of metal, said cylinder liner assembly having one or more open cylinders (16) defining the first part and a cylinder head configured to correspond to said first part and defining a second part (15), said first part including (i) a first integral plate (17) extending transversely outwardly from the cylinders and defining a lower impermeable membrane for the lower part of said fluid cooling jacket, and (ii) walls (22) extending downwardly from said base plate for receiving a crankshaft (23) rotating about a transverse axis relative to said cylinders, said second part (15) including a second integral plate (27) extending transversely outwardly above the cylinders. an outer skin structure (12) made of a non-metallic, lightweight, vibration-damping material which essentially forms the outer walls of said engine, said outer skin structure comprising a first element (33) for completing said cooling jacket (20), characterized in that said second plate (27) of the second part (15) forms an upper, impermeable membrane for the upper region of the fluid cooling jacket (20), in that said first element (33) is a cylindrical element which surrounds the cylinders (16) and is placed between opposite sides of said first and second plates (17, 27), and in that said Engine block further comprises clamping devices (13) for pressing and securing said cylindrical element between said plates (17, 27) so as to seal the ends (33a, 33b) of said cylindrical element (33) of the outer skin structure against said plates (17, 27).

2. An engine block according to claim 1, wherein said walls of the combustion region include at least two thirds of the upper region of the cylinders (16), the head (15) for the cylinder bores and the exhaust ports (26), said walls being durable at temperatures up to 343ºC (650ºF).

3. Engine block according to claims 1 and 2, in which said cylinders (16) aligned in a line have axes (9) which run in a common plane, generally perpendicular to the base plate (27).

4. An engine block according to claim 1, wherein said outer skin structure (12) is in three parts, with a second member (36) covering the second part (15) of said cylinder liner structure (11) and a third member (40) covering under the second plate (27) and the dependent walls (22) of the cylinder liner structure.

5. Engine block according to claim 1, wherein said second part (15) of said cylinder liner structure (11) has upstanding walls (30) for receiving a camshaft (31) which rotates transversely to the cylinder axes (9) on an axis (32).

6. Engine block according to claim 1, wherein said outer skin structure (12) contains a plastic mixture.

7. Engine block according to claim 1, in which the cylindrical element (33) is sealed at its upper and lower ends to said plates by annularly graduated connections (48, 49), said element being further compressed between these plates by said device (13).

8. An engine block according to claim 7, in which said sealing within said stepped joints (48, 49) is achieved at one of said stages (48) by a surface-to-surface seal assisted by mechanical force, and at the second stage (49) by fluid pressure acting against the seal.

9. An engine block according to any preceding claim, in which said clamping device (13) includes lugs (46) arranged on the outer periphery of the cylinders (16) and pointing radially outwardly therefrom, and threaded fasteners (45) extending from the second plate (27) in threaded seats within said lugs (46).