EP0683858B1 - Piston engine, especially piston internal combustion engine with reinforced engine block - Google Patents
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- EP0683858B1 EP0683858B1 EP95904444A EP95904444A EP0683858B1 EP 0683858 B1 EP0683858 B1 EP 0683858B1 EP 95904444 A EP95904444 A EP 95904444A EP 95904444 A EP95904444 A EP 95904444A EP 0683858 B1 EP0683858 B1 EP 0683858B1
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Definitions
- Piston engines in particular piston internal combustion engines, due to the changing processes in the cylinder space, for example through the combustion process, however also due to mechanical influences on vibrations excited, which is also called sound on the surfaces of the piston engine be emitted in the form of airborne sound and / or about the bearing of the piston machine in the foundation or the vehicle body in vehicles as structure-borne noise to get redirected.
- the proposal according to DE-A-40 17 139 is also the idea based on the necessary rigidity of the engine block over the effect targeted attachment of ribbons and ribs.
- This proposal will be done in particular through the connection the crankshaft bearing on the cylinder block and on the crankcase side walls over a variety of reinforcing ribs reached so that the rigidity of the engine block structure is increased overall.
- this is appropriate Weight increase linked.
- weight gain is to avoid from an economic point of view.
- the invention is based on the object, the vibration and Noise development of a piston machine, especially one Piston engine, by designing the engine block structure decrease, taking the total weight if possible may not be increased.
- this object is achieved with a piston machine, in particular a piston internal combustion engine in which Cylinder, piston, crankshaft and crankshaft bearing in one engine block are arranged, areas on the engine block are provided with cover and / or trough-shaped covers and the walls of the engine block and / or the covers at least in some areas with rib-shaped, reinforcing Components are firmly connected from one of the base material of the engine block and / or the covers Component material consist of a higher modulus of elasticity has than the base material.
- the special advantage The solution according to the invention is that for the component material Materials can be selected alongside a modulus of elasticity many times higher than that Base material depending on the type of base material used have lower density.
- the present invention includes, for example, the cylinder head cover, Timing gear covers, the crank or oil pan and similar elements of the engine structure.
- the covers in the sense of the present invention includes, for example, the cylinder head cover, Timing gear covers, the crank or oil pan and similar elements of the engine structure.
- the component material ceramic materials in particular oxide ceramic materials intended. These have a much higher modulus of elasticity than the gray cast iron usual as base material or Cast aluminum.
- the base material is the density of ceramic materials much smaller than the density of the base material.
- the density is more ceramic Materials roughly the same. Because of these material properties can stiffening components made of ceramic Materials with the same mass about 12 times stiffness compared to an identical design made of gray cast iron. For example, ribs have the same rigidity from a ceramic material about 70% less mass as ribs made of gray cast iron.
- Another advantage lies in that such a rib-shaped design Components with a given same stiffness due to the higher modulus of elasticity geometric dimensions compared to a rib from the Reduce the base material so that the overall volume of the internal combustion engine is reduced. This allows stiffening measures for noise reduction even with a given production system be effectively introduced into the components.
- the components are each at least partially are positively embraced by the base material.
- the reinforcing components by at least partial casting with the base material with this are connected.
- the particular advantage of overmolding is there in the fact that the base material is already in the casting process the correspondingly held components in the molds, in particular ceramic components, flows around in the fastening area, so that larger dimensional deviations on the part of the ceramic Components can be accepted. That allows such Ceramic components as they come from the firing process, without using any post-processing. There during the cooling phase the base material shrinks more than the ceramic components used become the ceramic components held under compressive stress in the base material. This is particularly advantageous for brittle ceramic material.
- the reinforcing components via auxiliary materials are firmly connected to the base material.
- Organic or inorganic materials come as auxiliary materials Consider adhesive or soldering the ceramic Components using metallic or non-metallic Solders, for example glass or enamel solders.
- the reinforcing components in the area the crankshaft bearing are web-shaped and connect the bearing area to the wall of the engine block.
- This arrangement is particularly effective because of the here Available space through the crankshaft connected counterweights fixed is.
- Another increase in the rigidity of the bearing area by connecting the adjacent walls of the engine block is therefore about such web-shaped supports only by using materials with a higher Modulus of elasticity as the base material used, in particular through the use of ceramic materials possible.
- they are used for structure-borne noise transmission critical vibrations of the crankshaft bearing both in the longitudinal direction of the engine and in the direction of the transverse engine axis and effectively suppresses the motor vertical axis.
- Fig. 1 is an engine block 1 of a four-cylinder piston internal combustion engine shown, the upper section 2 the Cylinder block forms and its lower section 3 the includes the upper part of the crankcase.
- the crankcase is on the bottom with a not shown here Enclosed crankcase.
- the cylinder block 2 and that Crankcase 3 are particularly useful in vehicle engines executed as a component.
- To reinforce the construction are on the cylinder block 2 as well as on the crankcase 3 extending in the longitudinal direction of the internal combustion engine rib-shaped components 4 attached.
- This rib-shaped Components 4 consist of a material that is a higher E-module as the base material, preferably made of a ceramic material.
- the engine block 1 For example, made of gray cast iron, then the Components 4 compared to the base material gray cast iron, for example an approximately three times higher modulus of elasticity and about half Density of the base material.
- the coefficient of thermal expansion is similar to that of gray cast iron, so that a composite cast iron and ceramics are unproblematic from this point of view is.
- aluminum is used as the basic material, then own it the components 4, for example when using aluminum oxide ceramic a 5-fold higher modulus of elasticity than the base material with a similar density.
- Rib-shaped components 4 made of ceramic, as shown in FIG. 1 are indicated with the same stiffness in use of gray cast iron as the base material is 70% lower Mass as ribs made of gray cast iron.
- Such rib-shaped Components can on the crankcase 3 both on the Arranged outer wall as well as on the inner wall become.
- the Rigidity of the engine block globally and above all locally especially with respect to the motor vertical axis, so that the Development of vibrations and impedes the amplitude resulting vibrations of the engine block is reduced.
- an engine block is shown in the the outer wall of the crankcase 3 next to one in Rib-shaped component 4 extending in the longitudinal direction of the motor
- Rib-shaped component 4 extending in the longitudinal direction of the motor
- Made of oxide ceramic to stiffen the crankcase wall Ribs 5 and 6 extending in a cross shape to one another are that can also be made of ceramic.
- Fig. 3 shows a modification of the embodiment according to. Fig. 1.
- the interruption is preferably in the range the connection points of the bearing walls with the outer walls of the engine block are provided. This will the freely vibrating outer surfaces of the engine block structure downsized and the acoustic behavior of the Engine block structure significantly improved.
- Such ribs lead to an increased at the interruption points 7 Impedance jump and thus in particular to a reduction the structure-borne noise transmission.
- the geometry of the break points can, as for example for the area 7.1 shown, wedge-shaped or trapezoidal be or rounded as shown for area 7.2 be trained.
- This construction with broken short ribs takes into account the special circumstances of the brittle material ceramic.
- the construction with interrupted Ribs are also used for pure cast constructions advantageous.
- the support 8 for the main bearing is a rib 10, 11 reinforced bearing wall 9 firmly connected to the engine block and with additional, web-shaped ribs 12, 13, 14 with the wall of the crankcase 3 firmly connected, so that there is additional stiffening here.
- at least part of the web-shaped Ribs 12, 13 and / or 14 made of a ceramic material consists, preferably those reinforcing ribs, which are arranged perpendicular to the bearing wall 9, either reinforced with ceramic material or completely ceramic material are executed. This will the vibrations critical for structure-borne noise the crankshaft bearing both in the engine longitudinal direction as well as in relation to the motor transverse and motor vertical axis effectively suppressed and the input impedance at the main bearing clearly increased.
- FIG. 9 shows in the wall of the engine block during manufacture to provide a trough-shaped depression, in which then the rib-shaped component 4 inserted and by gluing, Solder or weld with the appropriate wall area of the engine block is connected.
- the mold is to be provided in such a way that if possible, the wall thickness in the encapsulation area 18 is essentially constant, so that a "cast-around fold" arises, which the rib-shaped component 4.2 like a "clip stapler” form-fitting surrounds.
- Such a rib-shaped component 4.2 from one Ceramic material can also be used directly on the model be attached so that the molding sand the ribs outside form-fitting surrounds.
- the undercuts can be done here through an easily evaporable material, e.g. B. by wax, must be filled in to prevent sand from entering.
- such ceramic components also in sand cores or metal molds (die casting, die casting) to get integrated.
- the rib-shaped ones are Components 4 directly into the positive from foam used.
- the cross section acc. Fig. 7 shows a rib-shaped reinforcement 19, in which a ceramic component 4 of the cast material is completely enclosed.
- the complete enclosure is not over the entire length in this embodiment provided that the component 4 to be cast from ceramic Material at least in its end areas in the form must be fixed.
- Oxide-ceramic can be used as ceramic materials for the components Materials, especially mixed ceramics or dispersion ceramics based on, for example, aluminum oxide, Silicon oxide or zirconium oxide and / or mixtures of which can be used.
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Abstract
Description
Im Betrieb werden Kolbenmaschinen, insbesondere Kolbenbrennkraftmaschinen, durch die wechselnden Vorgänge im Zylinderraum, beispielsweise durch den Verbrennungsablauf, aber auch durch mechanische Einflüsse zu Schwingungen angeregt, die auch als Schall an den Oberflächen der Kolbenmaschine in Form von Luftschall abgestrahlt werden und/oder über die Lagerung der Kolbenmaschine in das Fundament bzw. die Fahrzeugkarosserie bei Fahrzeugen als Körperschall weitergeleitet werden.Piston engines, in particular piston internal combustion engines, due to the changing processes in the cylinder space, for example through the combustion process, however also due to mechanical influences on vibrations excited, which is also called sound on the surfaces of the piston engine be emitted in the form of airborne sound and / or about the bearing of the piston machine in the foundation or the vehicle body in vehicles as structure-borne noise to get redirected.
Wegen der nachteiligen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt ist man bestrebt, derartige Geräuschemissionen zu verringern. Wie in DE-A-28 49 613 gezeigt, wird versucht, eine Schallabschirmung durch die Anordnung einer elastisch mit dem Motorblock einer Kolbenbrennkraftmaschine verbundenen Schallisolierhülle zu erzielen. Des weiteren wurde gemäß DE-A-28 01 431 vorgeschlagen, die gesamte Kolbenbrennkraftmaschine mit Hilfe körperschallisolierender Stützelemente in einer Außenwanne zu lagern. Nachteilig an derartigen Schallisoliermaßnahmen ist, daß sie einen Großteil der Maschine umfassen und daher das Anbringen von Anbauteilen und/oder Zusatzaggregaten, wie Motorstützen, Anlasser, Lichtmaschine oder auch von Gaszuleitungen und Gasableitungen behindert. Hierbei läßt es sich vielfach auch nicht verhindern, daß derartige Schallisolierhüllen für die Anbringung derartiger Anbauteile und/oder Zusatzaggregate unterbrochen werden, wodurch ihre Wirksamkeit verringert wird. Darüber hinaus beeinträchtigen derartige Schallisoliermaßnahmen den Wärmehaushalt einer Kolbenbrennkraftmaschine.Because of the adverse effects on people and the environment efforts are being made to reduce such noise emissions. As shown in DE-A-28 49 613, an attempt is made to use a sound shield by arranging an elastic with the Engine block connected to a piston internal combustion engine To achieve sound insulation. Furthermore, according to DE-A-28 01 431 proposed the entire piston internal combustion engine with the help of structure-borne soundproofing support elements to be stored in an outside tub. A disadvantage of such Soundproofing is that they do much of the Machine and therefore attaching attachments and / or additional units, such as engine supports, starters, Alternator or also of gas supply lines and gas discharge lines with special needs. In many cases it cannot be done here prevent such sound insulation sleeves for the Attachment of such attachments and / or additional units be interrupted, reducing their effectiveness becomes. In addition, such sound insulation measures affect the heat balance of a piston internal combustion engine.
Wegen der vorstehend geschilderten Nachteile hat man auch versucht, die Schallausbreitung dadurch zu bekämpfen, daß man versucht hat, die Schallentstehung zu verhindern oder zumindest zu vermindern. Neben der Verringerung der Anregungsursachen, beispielsweise durch Optimierung des Brennverfahrens ist es vor allem sinnvoll, die Körperschallübertragung und die Schallabstrahlung an der Oberfläche der Kolbenbrennkraftmaschine zu verringern. Dies wurde dadurch bewirkt, daß man die Kolbenbrennkraftmaschine insbesondere in ihren dünnwandigen Bereichen möglichst steif, insbesondere biege- oder torsionssteif ausbildet, wobei in bezug auf die Luftschallabstrahlung die schwingungsfähigen Flächen möglichst klein und/oder dickwandig ausgeführt werden. Insbesondere durch eine Erhöhung der Wandstärken treten neben einer unerwünschten Vergrößerung des Gewichtes vor allem bei gegossenen Bauteilen vermehrt Gußdefekte, wie Lunker-, Porenstellen oder dergl. auf. Daher wurde gemäß DE-A-35 44 215 bereits vorgeschlagen, die Steifigkeit des Motorblocks insgesamt durch ein System von Verstärkungsrippen auf den Seitenwänden im Zylinderbereich zu verbessern. Hierdurch lassen sich bei entsprechender Gestaltung der Rippen unerwünschte Gußdefekte vermeiden und eine hohe Steifigkeit des Zylinderblocks erzielen. Because of the disadvantages described above, one also has tries to fight the sound propagation by that an attempt was made to prevent sound generation or at least to decrease. In addition to reducing Causes of suggestions, for example by optimizing the It is particularly useful in the combustion process to transmit structure-borne noise and the sound radiation on the surface to reduce the piston internal combustion engine. That was by causing the piston engine especially in their thin-walled areas stiff, in particular flexurally or torsionally rigid, with respect to the airborne sound radiation the vibrating Areas as small and / or thick-walled as possible become. In particular by increasing the wall thickness occur alongside an undesirable magnification the weight increased especially with cast components Cast defects, such as blowholes, pores or the like. Therefore, according to DE-A-35 44 215, it has already been proposed the overall rigidity of the engine block through a system of reinforcing ribs on the side walls in the cylinder area to improve. This allows the appropriate Design of the ribs undesirable casting defects avoid and high rigidity of the cylinder block achieve.
Aus EP-A-0 052 818 ist es bekannt, in den Fuß eines Motorblocks aus Aluminium einen Rahmen aus Stahlblech einzugießen, der jeweils mit Querstreben versehen ist, die sich in der Ebene des Motorfußes bis in die Teilungsebene der Kurbelwellenlager erstrecken, um so Schwingungen der Kurbelwellenlagerungen in Achsrichtung der Kurbelwelle zu reduzieren. Die jeweils zwischen den einzelnen Kurbelwellenlagern liegenden Wandbereiche, die den Fuß mit dem Zylinderbereich verbinden und das Kurbelgehäuse bilden, sind ohne jegliche Versteifungen ausgeführt, so daß diese ungehindert schwingen können.From EP-A-0 052 818 it is known in the foot of an engine block cast a sheet steel frame out of aluminum, which is each provided with cross struts, which are in the plane of the engine foot down to the parting plane of the crankshaft bearings extend so as to vibrate the crankshaft bearings to reduce in the axial direction of the crankshaft. The each wall areas between the individual crankshaft bearings, that connect the foot to the cylinder area and that Form crankcase, are executed without any stiffeners, so that they can swing freely.
Aus EP-A-0 064 457 ist es bekannt, die das Kurbelgehäuse begrenzenden Wandungen eines Zylinderblocks mit einem nach außen ragenden Steg zu versehen, der aus dem gleichen Material wie der Zylinderblock hergestellt ist.From EP-A-0 064 457 it is known that limit the crankcase Walls of a cylinder block with one facing outwards projecting bridge, which is made of the same material as the cylinder block is made.
Aus US-A-5,218,938 ist eine Ölwanne aus Aluminiumguß bekannt, die zur Erhöhung der Steifigkeit und zur Reduzierung von Vibrationen mit einer aus Stegen gebildeten, die Wandung vollständig überdeckenden Gitteranordnung versehen ist, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Ölwanne. From US-A-5,218,938 an oil pan made of cast aluminum is known, those to increase rigidity and reduce vibration with a wall made entirely of webs covering grid arrangement is provided which are made of the same material as the oil pan.
Auch dem Vorschlag gemäß DE-A-40 17 139 liegt der Gedanke zugrunde, die notwendige Steifigkeit des Motorblocks über die gezielte Anbringung von Bändern und Rippen zu bewirken. Bei diesem Vorschlag wird dies insbesondere durch die Anbindung der Kurbelwellenlagerung an den Zylinderblock und an die Kurbelgehäuseseitenwandungen über eine Vielzahl von Verstärkungsrippen erreicht, so daß die Steifigkeit der Motorblockstruktur insgesamt erhöht wird. Dies ist jedoch mit einer entsprechenden Gewichtserhöhung verbunden. Eine Gewichtszunahme ist jedoch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu vermeiden.The proposal according to DE-A-40 17 139 is also the idea based on the necessary rigidity of the engine block over the effect targeted attachment of ribbons and ribs. At This proposal will be done in particular through the connection the crankshaft bearing on the cylinder block and on the crankcase side walls over a variety of reinforcing ribs reached so that the rigidity of the engine block structure is increased overall. However, this is appropriate Weight increase linked. However, weight gain is to avoid from an economic point of view.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schwingungs-und Geräuschentwicklung einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftmaschine, durch Gestaltung der Motorblockstruktur zu verringern, wobei das Gesamtgewicht möglichst nicht erhöht werden darf.The invention is based on the object, the vibration and Noise development of a piston machine, especially one Piston engine, by designing the engine block structure decrease, taking the total weight if possible may not be increased.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Kolbemaschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der in einem Motorblock Zylinder, Kolben, Kurbelwelle und Kurbelwellenlagerung angeordnet sind, wobei Bereiche am Motorblock mit deckel- und/oder wannenförmigen Abdeckungen versehen sind und bei der die Wandungen des Motorblocks und/oder der Abdekkungen zumindest in Teilbereichen mit rippenförmigen, verstärkenden Bauteilen fest verbunden sind, die aus einem vom Grundwerkstoff des Motorblocks und/oder der Abdeckungen abweichenden Bauteilwerkstoff bestehen, der einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als der Grundwerkstoff. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß für den Bauteilwerkstoff Werkstoffe ausgewählt werden können, die neben einem um ein Mehrfaches höheren Elastizitätsmodul als der Grundwerkstoff je nach Art des verwendeten Grundwerkstoffs eine geringere Dichte aufweisen. Hierdurch wird erreicht, daß bei gleichbleibendem Gesamtgewicht der Kolbenmaschine die Steifigkeit in den betreffenden Bereichen erhöht ist und/oder sogar das Gesamtgewicht verringert werden kann. Zu den Abdekkungen im Sinne der vorliegenden Erfindung gehören beispielsweise der Zylinderkopfdeckel, Steuertriebabdeckungen, die Kurbel- oder ölwanne und ähnliche Elemente der Motorstruktur. Insbesondere bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist im Hinblick auf die zu lösende Aufgabe der Geräuschabsenkung auch noch das damit verbundene Getriebe zu rechnen, da auch die Wandungen eines beispielsweise angeflanschten Getriebegehäuses Schall abstrahlen können. Auch hier läßt sich mit einer Anordnung von Bauteilen in der Wandung eine schwingungsmindernde Versteifung erreichen. In gleicher Weise lassen sich auch die Ansaug- und/oder Abgasrohre mit rohrförmigen Bauteilen innen und/oder außen mit steg- oder rippenförmigen Bauteilen außen schwingungsmindernd verstärken, so daß auch über diese zum Motorblock im weiteren Sinne zählenden Strukturen keine oder nur eine geringere Schallabstrahlung erfolgt.According to the invention, this object is achieved with a piston machine, in particular a piston internal combustion engine in which Cylinder, piston, crankshaft and crankshaft bearing in one engine block are arranged, areas on the engine block are provided with cover and / or trough-shaped covers and the walls of the engine block and / or the covers at least in some areas with rib-shaped, reinforcing Components are firmly connected from one of the base material of the engine block and / or the covers Component material consist of a higher modulus of elasticity has than the base material. The special advantage The solution according to the invention is that for the component material Materials can be selected alongside a modulus of elasticity many times higher than that Base material depending on the type of base material used have lower density. This ensures that with the same total weight of the piston machine Stiffness is increased in the areas concerned and / or even the total weight can be reduced. To the covers in the sense of the The present invention includes, for example, the cylinder head cover, Timing gear covers, the crank or oil pan and similar elements of the engine structure. Especially in piston internal combustion engines is with regard to task of noise reduction also to be solved associated gearbox to be expected, since the walls of a flanged gear housing, for example can radiate. Again, with an arrangement of components in the wall reduces vibration Achieve stiffening. In the same way, too the intake and / or exhaust pipes with tubular components inside and / or outside with web or rib-shaped components reinforce outside vibration-reducing, so that also over these structures, which belong to the engine block in the broader sense there is no or only a low level of sound radiation.
In bevorzugter Ausgestaltung werden für den Bauteilwerkstoff keramische Werkstoffe, insbesondere oxidkeramische Werkstoffe vorgesehen. Diese besitzen einen vielfach höheren Elastizitätsmodul als der als Grundwerkstoff übliche Grauguß oder Aluminiumguß. Im Falle der Verwendung von Grauguß als Grundwerkstoff ist die Dichte von keramischen Werkstoffen wesentlich kleiner als die Dichte des Grundwerkstoffs. Bei der Verwendung von Aluminiumguß ist die Dichte keramischer Werkstoffe in etwa gleich. Aufgrund dieser Werkstoffeigenschaften können versteifende Bauteile aus keramischen Werkstoffen bei gleicher Masse etwa die 12fache Steifigkeit gegenüber einer baugleichen Ausführung aus Grauguß erreichen. Bei gleicher Steifigkeit weisen beispielsweise Rippen aus einem keramischen Werkstoff etwa 70% weniger Masse als Rippen aus Grauguß auf. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß sich bei einer rippenförmigen Gestaltung derartiger Bauteile bei einer vorgegebenen gleichen Steifigkeit aufgrund des höheren Elastizitätsmoduls sich auch die geometrischen Abmessungen gegenüber einer Rippe aus dem Grundwerkstoff vermindern, so daß das Bauvolumen der Brennkraftmaschine reduziert wird. Damit können Versteifungsmaßnahmen zur Geräuschreduzierung auch bei vorgegebener Fertigungsanlage wirksam in die Komponenten eingebracht werden.In a preferred embodiment, the component material ceramic materials, in particular oxide ceramic materials intended. These have a much higher modulus of elasticity than the gray cast iron usual as base material or Cast aluminum. In the case of using gray cast iron as The base material is the density of ceramic materials much smaller than the density of the base material. When using cast aluminum, the density is more ceramic Materials roughly the same. Because of these material properties can stiffening components made of ceramic Materials with the same mass about 12 times stiffness compared to an identical design made of gray cast iron. For example, ribs have the same rigidity from a ceramic material about 70% less mass as ribs made of gray cast iron. Another advantage lies in that such a rib-shaped design Components with a given same stiffness due to the higher modulus of elasticity geometric dimensions compared to a rib from the Reduce the base material so that the overall volume of the internal combustion engine is reduced. This allows stiffening measures for noise reduction even with a given production system be effectively introduced into the components.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Bauteile jeweils zumindest teilweise vom Grundwerkstoff formschlüssig umfaßt sind. Hierbei wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die verstärkenden Bauteile durch wenigstens teilweises Umgießen mit dem Grundwerkstoff mit diesem verbunden sind. Der besondere Vorteil des Umgießens besteht darin, daß schon während des Gießprozesses der Grundwerkstoff die entsprechend in den Formen gehaltenen Bauteile, insbesondere keramischen Bauteile, im Befestigungsbereich umfließt, so daß größere Maßabweichungen seitens der keramischen Bauteile hingenommen werden können. Das erlaubt es, derartige Keramikbauteile so wie sie aus dem Brennprozeß kommen, ohne jegliche Nachbearbeitung einzusetzen. Da während der Abkühlphase der Grundwerkstoff stärker schrumpft als die eingesetzten Keramikbauteile, werden die Keramikbauteile unter Druckspannung im Grundwerkstoff gehalten. Dies ist besonders vorteilhaft für spröde Keramikwerkstoff.In an advantageous embodiment of the invention is also provided that the components are each at least partially are positively embraced by the base material. Here is in an expedient embodiment of the invention provided that the reinforcing components by at least partial casting with the base material with this are connected. The particular advantage of overmolding is there in the fact that the base material is already in the casting process the correspondingly held components in the molds, in particular ceramic components, flows around in the fastening area, so that larger dimensional deviations on the part of the ceramic Components can be accepted. That allows such Ceramic components as they come from the firing process, without using any post-processing. There during the cooling phase the base material shrinks more than the ceramic components used become the ceramic components held under compressive stress in the base material. This is particularly advantageous for brittle ceramic material.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die verstärkenden Bauteile über Hilfswerkstoffe fest mit dem Grundwerkstoff verbunden sind. Als Hilfswerkstoffe kommen hier organische oder anorganische Kleber in Betracht oder ein Auflöten der keramischen Bauteile mittels metallischer oder nicht-metallischer Lote, beispielsweise Glas- oder Emaillote.In another advantageous embodiment of the invention it is envisaged that the reinforcing components via auxiliary materials are firmly connected to the base material. Organic or inorganic materials come as auxiliary materials Consider adhesive or soldering the ceramic Components using metallic or non-metallic Solders, for example glass or enamel solders.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die verstärkenden Bauteile im Bereich der Kurbelwellenlagerung stegförmig ausgebildet sind und den Lagerbereich mit der Wandung des Motorblocks verbinden. Diese Anordnung ist besonders wirksam, da der hier zur Verfügung stehenden Bauraum durch die mit der Kurbelwelle verbundenen umlaufenden Gegengewichte fest vorgegeben ist. Eine weitere Erhöhung der Steifigkeit des Lagerbereichs durch die Verbindung der benachbarten Wandungen des Motorblocks über derartige stegförmige Abstützungen ist daher nur durch den Einsatz von Werkstoffen mit einem höheren Elastizitätsmodul als der verwendete Grundwerkstoff, insbesondere durch die Verwendung von keramischen Werkstoffen möglich. Dadurch werden die für die Körperschallübertragung kritischen Schwingungen der Kurbelwellenlagerung sowohl in Motorlängsrichtung als auch in Richtung der Motorquerachse und der Motorhochachse wirksam unterdrückt.In an advantageous embodiment of the invention is also provided that the reinforcing components in the area the crankshaft bearing are web-shaped and connect the bearing area to the wall of the engine block. This arrangement is particularly effective because of the here Available space through the crankshaft connected counterweights fixed is. Another increase in the rigidity of the bearing area by connecting the adjacent walls of the engine block is therefore about such web-shaped supports only by using materials with a higher Modulus of elasticity as the base material used, in particular through the use of ceramic materials possible. As a result, they are used for structure-borne noise transmission critical vibrations of the crankshaft bearing both in the longitudinal direction of the engine and in the direction of the transverse engine axis and effectively suppresses the motor vertical axis.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Motorblock einer Kolbenbrennkraftmaschine mit in Längsrichtung angeordneten versteifenden, rippenförmigen Bauteilen,
- Fig. 2
- einen Motorblock mit versteifenden Bauteilen im Bereich des Kurbelgehäuses,
- Fig. 3
- eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 1,
- Fig. 4
- eine Abstützung des Kurbelwellenlagers am Kurbelgehäuse über versteifende stegförmige Bauteile,
- Fig. 5
- einen Teilausschnitt einer Motorblockwandung mit nachträglich aufgebrachtem verstärkendem Bauteil,
- Fig. 6
- unterschiedliche Ausführungsbeispiele für in den Grundwerkstoff des Motorblocks eingegossene rippenförmige Bauteile in einer Schnittdarstellung,
- Fig. 7
- einen vollständig vom Grundwerkstoff umschlossenes rippenförmiges Keramikbauteil in einer Schnittdarstellung,
- Fig. 8
- eine bevorzugte Ausführungsform einer eingegossenen Rippe,
- Fig. 9
- die Rippenform gem. Fig. 8 in einer eingelöteten Ausführungsform.
- Fig. 1
- an engine block of a piston internal combustion engine with stiffening, rib-shaped components arranged in the longitudinal direction,
- Fig. 2
- an engine block with stiffening components in the area of the crankcase,
- Fig. 3
- a modification of the embodiment according. Fig. 1
- Fig. 4
- a support of the crankshaft bearing on the crankcase via stiffening web-shaped components,
- Fig. 5
- a partial section of an engine block wall with subsequently applied reinforcing component,
- Fig. 6
- different exemplary embodiments for rib-shaped components cast into the base material of the engine block in a sectional view,
- Fig. 7
- a rib-shaped ceramic component completely enclosed by the base material in a sectional view,
- Fig. 8
- a preferred embodiment of a cast-in rib,
- Fig. 9
- the rib shape acc. Fig. 8 in a soldered embodiment.
In Fig. 1 ist ein Motorblock 1 einer Vierzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine
dargestellt, dessen oberer Abschnitt 2 den
Zylinderblock bildet und dessen unterer Abschnitt 3 den
oberen Teil des Kurbelgehäuses umfaßt. Das Kurbelgehäuse
ist auf der Unterseite mit einer hier nicht näher dargestellten
Kurbelwanne umschlossen. Der Zylinderblock 2 und das
Kurbelgehäuse 3 sind insbesondere bei Fahrzeugmotoren
als ein Bauteil ausgeführt. Zur Verstärkung der Konstruktion
sind auf dem Zylinderblock 2 ebenso wie auf dem Kurbelgehäuse
3 sich in Längsrichtung der Brennkraftmaschine erstreckende
rippenförmige Bauteile 4 angebracht. Diese rippenförmigen
Bauteile 4 bestehen aus einem Werkstoff, der einen höheren
E-Modul als der Grundwerkstoff aufweist, vorzugsweise
aus einem keramischen Werkstoff. Wird der Motorblock 1
beispielsweise aus Grauguß hergestellt, dann weisen die
Bauteile 4 gegenüber dem Grundwerkstoff Grauguß beispielsweise
einen etwa drei mal höheren E-Modul und etwa die halbe
Dichte des Grundwerkstoffs auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
ist dem von Grauguß ähnlich, so daß ein Verbund
von Grauguß und Keramik aus dieser Sicht unproblematisch
ist. Verwendet man als Grundwerkstoff Aluminium, so besitzen
die Bauteile 4 beispielsweise bei Verwendung von Aluminium-Oxid-Keramik
einen 5fach höheren E-Modul als der Grundwerkstoff
bei ähnlicher Dichte. So haben beispielsweise derartige
rippenförmige Bauteile 4 aus Keramik, wie sie in Fig. 1
angedeutet sind bei gleicher Formsteifigkeit bei der Verwendung
von Grauguß als Grundwerkstoff eine um 70% geringere
Masse als Rippen aus Grauguß. Derartige rippenförmige
Bauteile können an dem Kurbelgehäuse 3 sowohl auf der
Außenwandung als auch auf der Innenwandung angeordnet
werden. Bei der dargestellten Anordnung erhöht sich die
Steifigkeit des Motorblocks, global und vor allem lokal
insbesondere in bezug auf die Motorhochachse, so daß die
Entstehung von Schwingungen behindert und die Amplitude
entstehender Schwingungen des Motorblocks reduziert wird.In Fig. 1 is an
In Fig. 2 ist ein Motorblock dargestellt, bei dem auf
der Außenwand des Kurbelgehäuses 3 neben einem sich in
Motorlängsrichtung erstreckenden rippenförmigen Bauteil 4
aus Oxidkeramik zur Versteifung der Kurbelgehäusewandung
kreuzförmig zueinander verlaufende Rippen 5 und 6 angeordnet
sind, die auch aus Keramik sein können.In Fig. 2, an engine block is shown in the
the outer wall of the
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gem.
Fig. 1. Hierbei sind die in Längsrichtung sich erstreckenden
rippenförmigen Bauteile 4 in ihrer Längsrichtung unterbrochen,
wobei die Unterbrechung vorzugsweise im Bereich
der Verbindungsstellen der Lagerwände mit den Außenwandungen
des Motorblocks vorgesehen sind. Hierdurch werden
die frei schwingungsfähigen Außenflächen der Motorblockstruktur
verkleinert und das akustische Verhalten der
Motorblockstruktur deutlich verbessert. Derartige Rippen
führen an den Unterbrechungsstellen 7 zu einem erhöhten
Impedanzsprung und somit insbesondere zu einer Verringerung
der Körperschallübertragung. Die Geometrie der Unterbrechungsstellen
kann, wie beispielsweise für den Bereich 7.1
dargestellt, keilsförmig bzw. trapezförmig ausgebildet
sein oder wie für den Bereich 7.2 dargestellt, abgerundet
ausgebildet sein. Diese Konstruktion mit unterbrochenen
kurzen Rippen berücksichtigt die besonderen Verhältnisse
des spröden Werkstoffs Keramik. Die Konstruktion mit unterbrochenen
Rippen ist aber auch bei reinen Gußkonstruktionen
vorteilhaft.Fig. 3 shows a modification of the embodiment according to.
Fig. 1. Here are those extending in the longitudinal direction
rib-shaped
In Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt durch einen Motorblock 1
dargestellt, bei dem der Zylinderblock 2 und das Kurbelgehäuse
3 einstückig miteinander verbunden sind. Die Abstützung 8
für das Hauptlager ist hierbei über eine mit Rippen 10,
11 verstärkte Lagerwand 9 mit dem Motorblock fest verbunden
und über zusätzliche, stegförmige Rippen 12, 13, 14 mit
der Wandung des Kurbelgehäuses 3 fest verbunden, so daß
sich hier eine zusätzliche Aussteifung ergibt. Zur Erhöhung
der Steifigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Gewichtes
ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der stegförmigen
Rippen 12, 13 und/oder 14 aus einem keramischen Werkstoff
besteht, wobei bevorzugt diejenigen Verstärkungsrippen,
welche senkrecht zur Lagerwand 9 angeordnet sind, entweder
mit keramischem Werkstoff verstärkt oder vollständig aus
keramischem Werkstoff ausgeführt sind. Dadurch werden
die für die Körperschallübertragung kritischen Schwingungen
der Kurbelwellenlagerung sowohl in Motor längsrichtung
als auch in bezug auf die Motorquer- und Motorhochachse
wirksam unterdrückt und die Eingangsimpedanz am Hauptlager
deutlich erhöht.4 is a vertical section through an
In Fig. 5 ist schematisch eine Möglichkeit der Verbindung
eines rippenförmigen Bauteils 4 mit der Wandung eines
Motorblocks, beispielsweise mit der Wandung des Kurbelgehäuses
3 dargestellt. Das Bauteil 4 ist bei dieser Ausführungsform
nachträglich auf das Kurbelgehäuse 3 aufgesetzt,
wobei die Verbindung über einen Hilfswerkstoff erfolgt,
beispielsweise einen Kleber und/oder durch Löten oder
Schweißen. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wie Fig. 9
zeigt, in der Wandung des Motorblocks bei der Herstellung
eine rinnenförmige Vertiefung vorzusehen, in die dann
das rippenförmige Bauteil 4 eingesetzt und durch Verkleben,
Löten oder Schweißen mit dem entsprechenden Wandungsbereich
des Motorblocks verbunden wird.5 schematically shows a possibility of connection
a rib-shaped
Wie Fig. 6 zeigt, können derartige rippenförmige Bauteile 4
bereits bei der Herstellung des Motorblocks in den Grundwerkstoff
durch Umgießen eines derartigen Bauelementes eingebracht
werden. Wie die Querschnittform 4.1 zeigt, muß hierbei
die einzuformende Kante des rippenförmigen Bauteiles entsprechend
verdickt ausgeführt werden, wobei die Verdickung
abgerundet auszuführen ist, so daß hierdurch die auftretenden
Beanspruchungen weitgehend als Druckbeanspruchung der
Oberfläche des Bauteils 4.1 wirksam werden. 6 shows, such rib-shaped
Bei der Querschnittsform, wie sie für das rippenförmige
Bauteil 4.2 dargestellt ist, ergibt sich eine Erhöhung
der Steifigkeit der Rippen dadurch, daß die freiliegende
Kante 16 entsprechend verdickt ausgeführt wird, so daß
sich ein höheres Flächenträgheitsmoment, bezogen auf die
zu versteifende Wandung der Brennkraftmaschine ergibt.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin,
daß eine derart verdickte Außenkante 16 zugleich eine
gute Einbindung in den Formwerkstoff ergibt. Wie Fig.
8 zeigt, ist der verdickte Bereich in den Formwerkstoff
17 der Gußform eingebettet, so daß nur das vom Grundwerkstoff
des zu erstellenden Motorblocks zu umschließende Ende
herausragt. Die Gußform ist hierbei so vorzusehen, daß
nach Möglichkeit die Wandstärke im Umgießungsbereich 18
im wesentlichen konstant ist, so daß eine "Umgußfalte"
entsteht, die das rippenförmige Bauteil 4.2 wie ein "Klemmhefter"
formschlüssig umgibt.In the cross-sectional shape, as for the rib-shaped
Component 4.2 is shown, there is an increase
the rigidity of the ribs in that the exposed
Ein derartiges rippenförmiges Bauelement 4.2 aus einem
keramischen Werkstoff kann aber auch direkt am Modell
angebracht werden, so daß der Formsand die Rippen außen
formschlüssig umgibt. Die Hinterschnitte können hierbei
durch ein leicht verdampfbares Material, z. B. durch Wachs,
ausgefüllt werden, um das Eindringen des Sandes zu verhindern.
In ähnlicher Weise können derartige Keramikbauteile
auch in Sandkerne oder Metallformen (Kokillenguß, Druckguß)
integriert werden. Beim Lost-Foam-Verfahren sind die rippenförmigen
Bauteile 4 direkt in das Positiv aus Schaumstoff
eingesetzt.Such a rib-shaped component 4.2 from one
Ceramic material can also be used directly on the model
be attached so that the molding sand the ribs outside
form-fitting surrounds. The undercuts can be done here
through an easily evaporable material, e.g. B. by wax,
must be filled in to prevent sand from entering.
Similarly, such ceramic components
also in sand cores or metal molds (die casting, die casting)
to get integrated. In the lost foam process, the rib-shaped ones are
In Fig. 6 ist ferner noch ein rippenförmiges Bauteil 4.3 im Querschnitt gezeigt.6 is also a rib-shaped component 4.3 shown in cross section.
Der Querschnitt gem. Fig. 7 zeigt eine rippenförmige Verstärkung
19, bei der ein Keramikbauteil 4 vom Gußwerkstoff
vollständig umschlossen ist. Die vollständige Umschließung
wird bei dieser Ausführungsform nicht über die ganze Länge
vorgesehen, da das zu umgießende Bauteil 4 aus keramischem
Werkstoff zumindest in seinen Endbereichen in der Form
fixiert werden muß.The cross section acc. Fig. 7 shows a rib-shaped
Um beim Eingießen derartiger Bauteile 4 den sogenannten
Thermoschock zu vermeiden ist es zweckmäßig, wenn die
ganz oder teilweise zu umgießenden Bauteile 4 unmittelbar
vor dem Guß aufgeheizt werden. Bei elektrisch-leitfähigen
Keramikwerkstoffen kann die Vorheizung der Keramikbauteile
in der Sandform auf induktivem Wege erfolgen.To the so-called when pouring
Im Bereich des Zylinderblockes 2 läßt sich die erfindungsgemäße
Lehre nicht nur durch die Aufbringung von keramischen
Bauteilen anwenden, wie sie anhand von Fig. 1 dargestellt
ist. In diesem Bereich ist es auch möglich, entsprechend
ausgebildete verstärkende Bauteile aus keramischem
Werkstoff in der Nähe der Gewindepfeife anzuordnen, beispielsweise
einzugießen, so daß neben der Erhöhung der
Steifigkeit in bezug auf dynamische Beanspruchungen auch
eine Erhöhung der Steifigkeit in bezug auf statische Beanspruchungen
erzielt wird. So lassen sich hierdurch beispielsweise
Zylinderrohrverzüge infolge der Schraubenkräfte
minimieren.In the area of the
Als keramische Werkstoffe für die Bauteile können oxidkeramische Werkstoffe, insbesondere Mischkeramiken oder Dispersionskeramiken auf der Basis von beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Zirkonoxid und/oder Mischungen hiervon verwendet werden. Daneben können auch Siliziumnitrit (Si3) oder Siliziumkarbid sowie generell FRC's (fiber reinforced ceramics) in Betracht kommen. Die Auswahl richtet sich außer nach den Kosten für diese Werkstoffe auch nach der jeweiligen Beanspruchung.Oxide-ceramic can be used as ceramic materials for the components Materials, especially mixed ceramics or dispersion ceramics based on, for example, aluminum oxide, Silicon oxide or zirconium oxide and / or mixtures of which can be used. In addition, silicon nitrite (Si3) or silicon carbide and generally FRC's (fiber reinforced ceramics). The selection judges in addition to the cost of these materials the respective stress.
Claims (6)
- A piston engine, in particular a piston internal combustion engine, in which the cylinder, piston, crankshaft and crankshaft bearings are arranged in an engine block (1), with regions of the engine block being covered with cap-like and/or trough-like covers and in which the walls of the cylinder block (2) and/or of the covers are securely connected, at least in partial regions, to rib-like reinforcing components (4;, 12, 13, 14) which are made of a component material which is different from the basic material of the engine block (1) and/or of the covers, which has a higher elasticity modulus than the basic material.
- A piston engine according to Claim 1, characterised in that the component material consists of a ceramic material.
- A piston engine according to Claim 1 or 2, characterised in that the components (4; 12, 13, 14) are each surrounded positively by basic material, at least in part.
- A piston engine according to one of Claims 1 to 3, characterised in that the reinforcing components in the region of the crankshaft bearings (8) are in the form of crosspiece-like ribs (12, 13, 14) and connect the bearing region to the walls of the engine block (1) or of the crankcase (3).
- A piston engine according to one of Claims 1 to 4, characterised in that the reinforcing components (4; 12, 13, 14) are joined to the basic material by at least partial integral casting therewith.
- A piston engine according to one of Claims 1 to 4, characterised in that the reinforcing components (4; 12, 13, 14) are securely joined to the basic material by means of auxiliary materials.
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