EP1439927B1 - Cylinder crankcase having a cylinder sleeve, and casting tool - Google Patents
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- EP1439927B1 EP1439927B1 EP02774575A EP02774575A EP1439927B1 EP 1439927 B1 EP1439927 B1 EP 1439927B1 EP 02774575 A EP02774575 A EP 02774575A EP 02774575 A EP02774575 A EP 02774575A EP 1439927 B1 EP1439927 B1 EP 1439927B1
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
- F02F1/004—Cylinder liners
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
- B22D19/0009—Cylinders, pistons
Definitions
- the invention relates to a cylinder crankcase after the The preamble of claim 1 and a casting tool according to claim Third
- Cylinder crankcases are becoming increasingly weight-saving of aluminum alloys in various casting processes, preferred manufactured by die casting. Because aluminum alloys, the are well pourable, often along the tribological requirements the cylinder running surfaces do not correspond, are in These areas include local improvement measures Material properties met. One of these measures is the pouring of cylinder liners.
- DE 44 38 550 C2 describes a crankcase with cylinder liners from hypereutectic aluminum-silicon alloys.
- the alloys described there are on Due to their high silicon content, it is particularly resistant to wear.
- such cylinder liners have a low specific weight on and what unlike cylinder liners iron-based is particularly beneficial to her coefficient of thermal expansion is closer to that of the A-aluminum casting alloy as the expansion coefficient of iron.
- This temperature gradient which is between 50 ° C and 70 ° C is due to the thermal expansion of a light conical shape of the cylinder bore, which is characterized by narrowed down to the top. Therefore it is necessary the tolerances of the piston, in particular of the piston ring to be interpreted as that there is enough play in the lower area is and at the top of the gap occurring minimal remains.
- EP 463 314 A1 describes a cylinder crankcase with a cylinder liner on aluminum-silicon basis.
- the cylinder liner does not go completely over the entire Zyrlinderlauf requirements.
- EP 463 314 does not describe any Possibility of solving the problem of cone formation and gives no indication about the positioning of the cylinder liner in the casting mold.
- the solution to the problem consists in a cylinder crankcase according to claim 1 and in a casting tool according to claim 3.
- the cylinder crankcase according to claim 1 preferably several cylinder bores, each with a cylinder liner are provided.
- the cylinder crankcase is made from an aluminum casting alloy, the cylinder liner consists of a hypereutectic aluminum-silicon alloy.
- the silicon content of the alloy is between 23% and 28%
- the cylinder liner is such shortens them as close to one as possible lowest piston rings in the lower dead center of the piston ends.
- the cylinder bore runs below the lower dead center ever after engine design about 20 mm to 50 mm further.
- the surface the cylinder bore (cylinder surface) is in this Area formed by the aluminum die-casting alloy.
- the aluminum die casting alloy (hereinafter simply referred to as aluminum) has a thermal expansion coefficient ⁇ of approximately 22 ⁇ 10 -6 K -1 .
- the aluminum-silicon alloy of the cylinder liner has an ⁇ value of 15 ⁇ 10 -6 K -1 to 17 ⁇ 10 -6 K -1 . This leads to a higher relative material expansion in the lower region of the cylinder bore, below the cylinder liner. Due to the lower prevailing temperature in combination with a locally higher material expansion, the cone formation in the cylinder bore is largely compensated according to the task.
- the cylinder liner ends as close as possible below the lowest piston ring in the lower dead center, so that the described effect of thermal expansion used advantageous becomes.
- the extension of the cylinder liner over the lower Dead center will be depending on the prevailing temperature gradient certainly. Experiments have shown, however, that the advantageous effect of the invention is impaired, if the bush further than 20 mm below the bottom dead center ends.
- a rectangular lower end edge the cylinder liner is also advantageous. From casting technology In practice, most cylinder liners have reasons on its lower outside a chamfer on. This bevel serves the melt guide during a casting process. The chamfer leads in the operating condition at axial pressure on the socket Radial forces in the area of the chamfer, which adversely affects the connection sleeve to crankcase affects.
- Another component of the invention is a casting tool for producing a cylinder crankcase according to claim 3.
- the casting tool has at least one quill, the Representation of the cylinder bore is suitable.
- On the quill There is a cylinder liner from a hypereutectic Al-Si alloy.
- the jack covers a maximum of 85% of Quill in such a way that in the upper area (in terms a cylinder head side) bears against a wall of the casting tool.
- a sprue of the casting tool used to fill the casting tool used by a cast metal is attached so that a main flow direction of the cast metal is the quill of hers Bottom side (on the part of the later oil chamber) ago meets.
- the socket By the shortening of the cylinder liner is the socket outside the main flow direction of the casting metal and is of the Quill and the tool wall shielded. This affects itself favorable to the connection of the socket to the component, since Turbulence upon impact of the casting metal on the socket be reduced.
- a better connection between socket and Crankcase allows, among other benefits, higher pressures in the cylinder bore, in particular in a combustion chamber.
- the cylinder liner is indeed covered with such tight tolerances that they are sufficiently solid for a casting process Quill is positioned, in a series production, however for an undisturbed production process a fixation of Socket on the quill appropriate.
- the fixation can be done through a nose, which is the socket keeps at a distance to a lower mold wall.
- the nose can For better demolding partially in a recess of Quill be sunk.
- FIG. 1 shows a detail of a reciprocating piston engine 1 in the region of a cylinder crankcase 2 (crankcase) with a cylinder bore 7.
- the cylinder bore 7 is axially partially formed by a cylinder liner 4, which is cast in the crankcase 2.
- a piston 6 is guided, which is connected via a connecting rod 8 with a crankshaft, not shown.
- the piston 6 strips in its movement with piston rings 10 to 10 '' the cylinder surface 14.
- the crankcase has a parting surface 12 to a cylinder head, not shown.
- the cylinder liner 4 extends in the cylinder bore. 7 until the lowest dead center of the lowest piston ring exceeded by 5 mm.
- the surface of the cylinder liner 7 forms the cylinder running surface 14 in this area. 5 mm below the bottom dead center 11 of the lowest piston ring 10, the cylinder surface 14 'through the material formed of the crankcase.
- FIG. 2 The operation of the measure according to the invention in the cylinder crankcase will be explained with reference to FIG. 2 .
- Fig. 2 the up to an adjacent cylinder liner 4 'extended section of the cylinder crankcase 2 is shown with the exception of the piston 6.
- a temperature gradient .DELTA.T prevails, wherein T1 at about 200 ° C is greater than T2 at about 140 ° C.
- the material of the cylinder liner a hypereutectic aluminum-silicon alloy with 25% silicon (hereinafter called AlSi) has a thermal expansion coefficient ⁇ 1 of about 16 x 10 -6 K -1 .
- FIG. 3 shows a detail of a casting tool 22 according to the invention with a schematic profile of a melt flow 26 of a cast metal.
- the cast metal is an aluminum alloy (AlSi9Cu3), which is filled under pressure into the casting tool 22.
- the flow 26 of the cast metal is directed into the narrow, approximately 3 mm wide web 36 between the cylinder liners 4, 4 '. In the narrow region of the web 36, the mass per unit time of the aluminum melt moved there is lower and less kinetic energy afflicted than in the region of the main melt stream 25, via which the volume filling of the casting tool takes place.
- the cylinder liner 4 is replaced by a nose 32 against a upper wall 40 of the casting tool 22 is pressed.
- the nose is 32 attached to a bottom 42 of the casting tool 22.
- the Quill 24 has a recess 34 which when closing the casting tool 22 and the positioning of the quill 24 partially receives the nose 32.
- a smaller part of the nose 32 is radial with respect to the sleeve 24 and forms the support portion 36 for the cylinder liner 4th
- the support region 36 is chosen so wide that the depression, which he caused in the cast crankcase by subsequent editing can be compensated.
- the advantages of this Arrangement is that the nose sized so large that they can not be during the casting process breaks off or is otherwise damaged and in that they is not shown in the geometry of the crankcase.
- Fig. 4 the arrangement of the nose 32 and its supporting effect on the cylinder liner 4 is illustrated with reference to a three-dimensional section of a casting tool 22.
- the nose 32 is sunk in a, not visible in Fig. 4 depression.
- the sleeve 24, which has a slightly conical shape is moved in the direction of the arrow 44 from the cylinder liner 4.
- a cylinder liner 28 is indicated by conventional design, which is exposed directly to the melt stream.
- a chamfer 29 a deflection of the main melt stream 25 is prevented in the conventional arrangement.
- the sleeve 24 comprises shortened cylindrical sleeve 4, are the advantages already described to avoid the cone achieved in the cylinder bore, also the connection between the cylinder liner 4 and the crankcase 2 improved.
- the almost rectangular lower edge 15 of the cylinder liner 4 causes in the operating state of the engine 1 also, that the acting force F almost completely by the Crankcase 2 is received.
- the cylinder liner have a chamfer 29, as shown by dashed lines in Fig. 3 Cylinder liner 28, this would be a radial Force component in the direction of the center of the cylinder bore to lead. This in turn can cause a conical deformation of the cylinder surface 14 result.
- the socket is through the inventive design before setting in the illustrated Force direction F protected. To avoid this radial movement the jack also carries the through the inventive Casting tool 22 achieved better connection between the cylinder liner 4 and the crankcase 22 at.
- Another advantage is in one, opposite the stand the technology better shield a water jacket, which in Fig. 2 by way of example and simplified by a cooling hole 18 between the cylinder liners 4 and 4 'is shown and an oil chamber 16. Due to the better connection between cylinder liner 4 and the crankcase 2 are microscopic Column 20 (which does not affect the functionality itself) reduced. Water passing through the bore 18 and possibly can get into the column 20 is through the almost rectangular lower edge 15 of the bushing 4th prevented from entering the oil chamber 16.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Gießwerkzeug nach Anspruch 3.The invention relates to a cylinder crankcase after the The preamble of claim 1 and a casting tool according to claim Third
Zylinderkurbelgehäuse werden zur Gewichtsersparnis zunehmend aus Aluminiumlegierungen in verschiedenen Gießverfahren, bevorzugt im Druckguss gefertigt. Da Aluminiumlegierungen, die gut gießbar sind, oft den tribologischen Anforderungen entlang der Zylinderlaufflächen nicht entsprechen, werden in diesen Bereichen Maßnahmen zur lokalen Verbesserungen der Werkstoffeigenschaften getroffen. Eine dieser Maßnahmen ist das Eingießen von Zylinderlaufbuchsen.Cylinder crankcases are becoming increasingly weight-saving of aluminum alloys in various casting processes, preferred manufactured by die casting. Because aluminum alloys, the are well pourable, often along the tribological requirements the cylinder running surfaces do not correspond, are in These areas include local improvement measures Material properties met. One of these measures is the pouring of cylinder liners.
Die DE 44 38 550 C2 beschreibt ein Kurbelgehäuse mit Zylinderlaufbuchsen aus übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierungen. Die dort beschriebenen Legierungen sind auf Grund ihres hohen Siliziumgehaltes besonders verschleißbeständig. Zudem weisen derartige Zylinderlaufbuchsen ein niedriges spezifisches Gewicht auf und was im Gegensatz zu Zylinderlaufbuchsen auf Eisenbasis besonders vorteilhaft ist, ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt näher an dem der A-luminium-Gusslegierung als der Ausdehnungskoeffizient des Eisens.DE 44 38 550 C2 describes a crankcase with cylinder liners from hypereutectic aluminum-silicon alloys. The alloys described there are on Due to their high silicon content, it is particularly resistant to wear. In addition, such cylinder liners have a low specific weight on and what unlike cylinder liners iron-based is particularly beneficial to her coefficient of thermal expansion is closer to that of the A-aluminum casting alloy as the expansion coefficient of iron.
Unabhängig von der Art der Buchse tritt jedoch in der Zylinderbohrung ein Temperaturgradient auf. Im oberen Bereich - in der Nähe zur Trennfläche zum Zylinderkopf - herrschen auf Grund der dort stattfindender Verbrennung motorseitig Temperaturen von etwa 200° C. Im unteren Bereich der Bohrung in Höhe des unteren Todpunktes des Kolbens liegen die motorseitigen Temperaturen in der Zylinderbohrung je nach Motor zwischen 130° C und 150° C.Regardless of the type of bushing, however, occurs in the cylinder bore a temperature gradient. In the upper area - in close to the interface to the cylinder head - prevail Reason for the combustion taking place there on the engine side Temperatures of about 200 ° C. At the bottom of the hole in Height of the lower dead center of the piston are the engine side Temperatures in the cylinder bore, depending on the engine between 130 ° C and 150 ° C.
Dieser Temperaturgradient, der zwischen 50° C und 70° C liegt, verursacht durch die thermische Ausdehnung eine leicht konische Form der Zylinderbohrung, die sich hierdurch von oben nach unten verengt. Deshalb ist es erforderlich die Toleranzen des Kolbens, insbesondere des Kolbenrings so auszulegen, dass sowohl im unteren Bereich genügend Spiel vorhanden ist und im oberen Bereich der auftretende Spalt minimal bleibt.This temperature gradient, which is between 50 ° C and 70 ° C is due to the thermal expansion of a light conical shape of the cylinder bore, which is characterized by narrowed down to the top. Therefore it is necessary the tolerances of the piston, in particular of the piston ring to be interpreted as that there is enough play in the lower area is and at the top of the gap occurring minimal remains.
Der hierzu nötige Kompromiss ist im täglichen Gebrauch derartiger Motoren akzeptabel und führt zu keinerlei Beschädigung oder Alterungen der Motoren. Dennoch liefert dieser Nachteil im Hinblick auf eine Verbrauchsreduzierung und in Hinblick auf eine Leistungssteigerung der Motoren Anlass für Verbesserungsmaßnahmen.The necessary compromise is in daily use of such Motors acceptable and leads to no damage or aging of the engines. Nevertheless, this disadvantage delivers with a view to reducing consumption and in terms of on a performance increase of the engines cause for improvement measures.
Die EP 463 314 A1 beschreibt ein Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderlaufbuchse auf Aluminium-Siliziumbasis. Die Zylinderlaufbüchse verläuft nicht vollständig über die gesamte Zyrlinderlauffläche. Die EP 463 314 beschreibt jedoch keine Möglichkeit zur Lösung des Problems bezüglich der Konusbildung und gibt keine Hinweise über die Positionierung der Zylinderlaufbuchse im Gießwerkzeug.EP 463 314 A1 describes a cylinder crankcase with a cylinder liner on aluminum-silicon basis. The cylinder liner does not go completely over the entire Zyrlinderlauffläche. However, EP 463 314 does not describe any Possibility of solving the problem of cone formation and gives no indication about the positioning of the cylinder liner in the casting mold.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung darin, die konische Verformung der Zylinderbohrung, die durch den vorherrschenden Temperaturgradienten hervorgerufen wird, zu reduzieren.Starting from the prior art, the object of the invention in it, the conical deformation of the cylinder bore, the caused by the prevailing temperature gradient will reduce.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1 und in einem Gießwerkzeug nach Anspruch 3.The solution to the problem consists in a cylinder crankcase according to claim 1 and in a casting tool according to claim 3.
Das Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1 weist bevorzugt mehrere Zylinderbohrungen auf, die jeweils mit einer Zylinderlaufbuchse versehen sind. Das Zylinderkurbelgehäuse besteht aus einer Aluminiumgießlegierung, die Zylinderlaufbuchse besteht aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Bevorzugt liegt der Siliziumanteil der Legierung zwischen 23 % und 28 % Die Zylinderlaufbuchse ist dabei derart verkürzt, dass sie möglichst unmittelbar unterhalb eines untersten Kolbenringe im unteren Todpunkt des Kolbens endet. The cylinder crankcase according to claim 1 preferably several cylinder bores, each with a cylinder liner are provided. The cylinder crankcase is made from an aluminum casting alloy, the cylinder liner consists of a hypereutectic aluminum-silicon alloy. Preferably, the silicon content of the alloy is between 23% and 28% The cylinder liner is such shortens them as close to one as possible lowest piston rings in the lower dead center of the piston ends.
Die Zylinderbohrung läuft unterhalb des unteren Todpunktes je nach Motorauslegung etwa 20 mm bis 50 mm weiter. Die Oberfläche der Zylinderbohrung (Zylinderlauffläche) ist in diesem Bereich durch die Aluminium-Druckgusslegierung gebildet.The cylinder bore runs below the lower dead center ever after engine design about 20 mm to 50 mm further. The surface the cylinder bore (cylinder surface) is in this Area formed by the aluminum die-casting alloy.
Die Aluminium-Druckgusslegierung (im Folgenden vereinfacht Aluminium genannt) weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α von etwa 22 x 10-6 K-1 auf. Die Aluminium-Silizium-Legierung der Zylinderlaufbuchse weist einen α-Wert von 15 x 10-6 K-1 bis 17 x 10-6 K-1 auf. Dies führt zu einer höheren relativen Materialausdehnung im unteren Bereich der Zylinderbohrung, unterhalb der Zylinderlaufbuchse. Durch die niedrigere dort vorherrschende Temperatur in Kombination mit einer lokal höheren Materialausdehnung wird die Konusbildung in der Zylinderbohrung entsprechend der Aufgabenstellung weitgehend kompensiert.The aluminum die casting alloy (hereinafter simply referred to as aluminum) has a thermal expansion coefficient α of approximately 22 × 10 -6 K -1 . The aluminum-silicon alloy of the cylinder liner has an α value of 15 × 10 -6 K -1 to 17 × 10 -6 K -1 . This leads to a higher relative material expansion in the lower region of the cylinder bore, below the cylinder liner. Due to the lower prevailing temperature in combination with a locally higher material expansion, the cone formation in the cylinder bore is largely compensated according to the task.
Bevorzugt endet die Zylinderlaufbuchse möglichst nahe unterhalb des untersten Kolbenrings im unteren Todpunkt, damit die beschriebene Wirkung der Wärmeausdehnung vorteilhaft genutzt wird. Die Verlängerung der Zylinderlaufbuchse über den unteren Todpunkt hinaus wird je nach vorherrschenden Temperaturgradienten bestimmt. Versuche haben jedoch gezeigt dass die vorteilhafte Wirkung der Erfindung beeinträchtigt wird, wenn die Buchse weiter als 20 mm unterhalb des untern Todpunktes endet.Preferably, the cylinder liner ends as close as possible below the lowest piston ring in the lower dead center, so that the described effect of thermal expansion used advantageous becomes. The extension of the cylinder liner over the lower Dead center will be depending on the prevailing temperature gradient certainly. Experiments have shown, however, that the advantageous effect of the invention is impaired, if the bush further than 20 mm below the bottom dead center ends.
Weiterhin vorteilhaft ist eine rechtwinklige untere Abschlusskante der Zylinderlaufbuchse. Aus gießtechnischen Gründen weisen in der Praxis die meisten Zylinderlaufbuchsen an ihrer unteren Außenseite eine Fase auf. Diese Fase dient der Schmelzenführung während eines Gießprozesses. Die Fase führt im Betriebszustand bei axialem Druck auf die Buchse zu radialen Kräften im Bereich der Fase, was sich negativ auf die Anbindung Buchse zu Kurbelgehäuse auswirkt. Also advantageous is a rectangular lower end edge the cylinder liner. From casting technology In practice, most cylinder liners have reasons on its lower outside a chamfer on. This bevel serves the melt guide during a casting process. The chamfer leads in the operating condition at axial pressure on the socket Radial forces in the area of the chamfer, which adversely affects the connection sleeve to crankcase affects.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Gießwerkzeug zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach Anspruch 3. Das Gießwerkzeug weist mindestens eine Pinole auf, die zur Darstellung der Zylinderbohrung geeignet ist. Auf der Pinole befindet sich eine Zylinderlaufbuchse aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung. Die Buchse bedeckt maximal 85 % der Pinole in derart, dass sie im oberen Bereich (hinsichtlich einer Zylinderkopfseite) an einer Wand des Gießwerkzeugs anliegt.Another component of the invention is a casting tool for producing a cylinder crankcase according to claim 3. The casting tool has at least one quill, the Representation of the cylinder bore is suitable. On the quill There is a cylinder liner from a hypereutectic Al-Si alloy. The jack covers a maximum of 85% of Quill in such a way that in the upper area (in terms a cylinder head side) bears against a wall of the casting tool.
Ein Anguss des Gießwerkzeugs, der zur Befüllung des Gießwerkzeuges durch ein Gießmetall dient, ist so angebracht, dass eine Hauptstromrichtung des Gießmetalls die Pinole von ihrer Unterseite (seitens des späteren Ölraumes) her trifft. Durch die Verkürzung der Zylinderlaufbuchse liegt die Buchse außerhalb der Hauptstromrichtung des Gießmetalls und wird von der Pinole und der Werkzeugwand abgeschirmt. Dies wirkt sich günstig auf die Anbindung der Buchse an das Bauteil aus, da Verwirbelungen beim Auftreffen des Gießmetalls auf die Buchse reduziert werden. Eine bessere Anbindung zwischen Buchse und Kurbelgehäuse erlaubt neben weiteren Vorteilen höhere Drücke in der Zylinderbohrung, insbesondere in einem Brennraum.A sprue of the casting tool used to fill the casting tool used by a cast metal, is attached so that a main flow direction of the cast metal is the quill of hers Bottom side (on the part of the later oil chamber) ago meets. By the shortening of the cylinder liner is the socket outside the main flow direction of the casting metal and is of the Quill and the tool wall shielded. This affects itself favorable to the connection of the socket to the component, since Turbulence upon impact of the casting metal on the socket be reduced. A better connection between socket and Crankcase allows, among other benefits, higher pressures in the cylinder bore, in particular in a combustion chamber.
Die Zylinderlaufbuchse ist zwar mit so engen Toleranzen belegt, dass sie für einen Gießvorgang ausreichend fest auf der Pinole positioniert ist, in einer Serienproduktion ist jedoch für einen ungestörten Produktionsablauf eine Fixierung der Buchse auf der Pinole zweckmäßig.The cylinder liner is indeed covered with such tight tolerances that they are sufficiently solid for a casting process Quill is positioned, in a series production, however for an undisturbed production process a fixation of Socket on the quill appropriate.
Die Fixierung kann durch eine Nase erfolgen, die die Buchse auf Distanz zu einer unteren Werkzeugwand hält. Die Nase kann zur besseren Entformbarkeit teilweise in einer Aussparung der Pinole versenkt sein.The fixation can be done through a nose, which is the socket keeps at a distance to a lower mold wall. The nose can For better demolding partially in a recess of Quill be sunk.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungsformen an Hand von vier Zeichnungen beschrieben. The following are preferred embodiments on hand described by four drawings.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Ausschnitt eines Hubkolbenmotors mit Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderlaufbuchse und Kolben,
- Fig. 2
- den Ausschnitt aus Fig. 1 ohne Kolben mit Darstellung von mechanischen und thermischen Größen,
- Fig. 3
- einen Ausschnitt eines Gießwerkzeuges zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses,
- Fig. 4
- eine dreidimensionale Ansicht eines Ausschnittes eines Gießwerkzeuges mit einer Pinole und einer Zylinderlaufbuchse.
- Fig. 1
- a detail of a reciprocating engine with cylinder crankcase, cylinder liner and piston,
- Fig. 2
- the detail of FIG. 1 without piston with representation of mechanical and thermal variables,
- Fig. 3
- a detail of a casting tool for producing a cylinder crankcase,
- Fig. 4
- a three-dimensional view of a section of a casting tool with a quill and a cylinder liner.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Hubkolbenmotor 1 im
Bereich eines Zylinderkurbelgehäuses 2 (Kurbelgehäuse) mit
einer Zylinderbohrung 7 dargestellt. Die Zylinderbohrung 7
ist axial teilweise durch eine Zylinderlaufbuchse 4 gebildet,
die in das Kurbelgehäuse 2 eingegossen ist. In der Zylinderbohrung
7 wird ein Kolben 6 geführt, der über ein Pleuel 8
mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. Der
Kolben 6 streift bei seiner Bewegung mit Kolbenringen 10 bis
10'' die Zylinderlauffläche 14. Im oberen Bereich der Fig. 1
weist das Kurbelgehäuse eine Trennfläche 12 zu einem nicht
dargestellten Zylinderkopf auf. FIG. 1 shows a detail of a reciprocating piston engine 1 in the region of a cylinder crankcase 2 (crankcase) with a
Die Zylinderlaufbuchse 4 verläuft in der Zylinderbohrung 7
soweit, bis der unterste Todpunkt des untersten Kolbenringes
um 5 mm überschritten ist. Die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse
7 bildet in diesem Bereich die Zylinderlauffläche 14.
5 mm unterhalb des unteren Todpunktes 11 des untersten Kolbenrings
10 wird die Zylinderlauffläche 14' durch das Material
des Kurbelgehäuses gebildet.The
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maßnahme im Zylinderkurbelgehäuse
wird an Hand der Fig. 2 erläutert. In Fig. 2
ist der bis zu einer angrenzenden Zylinderlaufbuchse 4' erweiterte
Ausschnitt des Zylinderkurbelgehäuses 2 mit Ausnahme
des Kolbens 6 dargestellt. In der Zylinderbohrung 7 herrscht
ein Temperaturgradient ΔT vor, wobei T1 mit ca. 200°C größer
ist als T2 mit ca. 140°C. Das Material der Zylinderlaufbuchse,
eine übereutektische Aluminium-Silizium Legierung mit 25%
Silizium (im Folgenden AlSi genannt) weist einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten α1 von ca. 16 x 10-6 K-1 auf. Der
Ausdehnungskoeffizient α2 des Aluminiums, das im unteren Bereichs
der Zylinderbohrung 7 die Zylinderlauffläche 14' (vgl.
Fig. 1) bildet, beträgt ca. 23 x 10-6 K-1. Der höhere Ausdehnungskoeffizient
α2 des Aluminiums führt bei der niedrigern
Temperatur von 140°C zu der nahezu gleichen Ausdehnung wie
die Ausdehnung im Bereich der Buchse 4 (200°C mit einer Ausdehnung
von 16 x 10-6 K-1). Eine konische Verformung der Zylinderbohrung
7 im Betriebszustand des Motors wird somit
durch die erfindungsgemäße Anordnung verhindert.The operation of the measure according to the invention in the cylinder crankcase will be explained with reference to FIG. 2 . In Fig. 2 the up to an adjacent cylinder liner 4 'extended section of the
Durch die Erfindung ergeben sich zusätzlich weitere Vorteile
für den Betrieb des Motors und für die Herstellung des Kurbelgehäuses
2. In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Gießwerkzeugs 22 mit einem schematischen Verlauf eines
Schmelzenstroms 26 eines Gießmetalls dargestellt. Hierbei
ist der Abstand zwischen den Buchsen und die Dicke der Buchse
stark vergrößert dargestellt. Das Gießmetall ist eine Aluminiumlegierung
(AlSi9Cu3), die unter Druck in das Gießwerkzeug
22 gefüllt wird. Der Fluss 26 des Gießmetalls wird in den engen,
ca. 3 mm breiten Steg 36 zwischen der Zylinderlaufbuchsen
4, 4' geleitet. In dem engen Bereich des Steges 36 ist
die Masse pro Zeiteinheit der dort bewegten Aluminiumschmelze
geringer und mit weniger kinetischen Energie behaftet, als im
Bereich des Hauptschmelzenstromes 25, über den die Volumenbefüllung
des Gießwerkzeuges erfolgt.The invention additionally affords further advantages for the operation of the engine and for the production of the
Würde der Hauptschmelzenstrom 25 direkt mit seiner gesamten
kinetischen Energie auf die Zylinderlaufbuchse 4 treffen,
würde dieser dort abprallen was, zu Lunkern bzw. Hohlräumen
unterhalb der Zylinderlaufbuchse 4 oder zum Aufschmelzen der
Zylinderlaufbuchse 4 führen würde. Durch die geringere mechanische
und thermische Belastung der Zylinderlaufbuchse im erfindungsgemäßen
Gießwerkzeug ist es möglich, die Wandstärke
der Zylinderlaufbuchse gegenüber herkömmlichen Zylinderlaufbuchse
deutlich zu reduzieren. Weiterhin wird der Füllquerschnitt
im unteren Stegbereich größer. Die Folge ist eine
größere Metallmenge pro Zeiteinheit, was zu geringeren Temperaturverlusten
und damit zu besseren Anschmelzen der Buchse
führt.Would the
Die Zylinderlaufbuchse 4 wird durch eine Nase 32 gegen eine
obere Wand 40 des Gießwerkzeugs 22 gedrückt. Die Nase 32 ist
an einer Unterseite 42 des Gießwerkzeugs 22 befestigt. Die
Pinole 24 weist eine Vertiefung 34 auf, die beim Schließen
des Gießwerkzeuges 22 und bei der Positionierung der Pinole
24 die Nase 32 teilweise aufnimmt. Ein kleinerer Teil der Nase
32 steht bezüglich der Pinole 24 radial hervor und bildet
den Stützbereich 36 für die Zylinderlaufbuchse 4.The
Der Stützbereich 36 ist so breit gewählt, dass die Vertiefung,
die er im gegossenen Kurbelgehäuse verursacht, durch
nachträgliches Bearbeiten ausgleichbar ist. Die Vorteile dieser
Anordnung besteht darin, dass die Nase so groß dimensioniert
werden kann, dass sie während des Gießprozesses nicht
abbricht oder andersartig beschädigt wird und darin, dass sie
in der Geometrie des Kurbelgehäuses nicht abgebildet wird.The
In Fig. 4 ist die Anordnung der Nase 32 und deren stützende
Wirkung auf die Zylinderlaufbuchse 4 an Hand eines dreidimensionalen
Ausschnittes eines Gießwerkzeuges 22 veranschaulicht.
Die Nase 32 ist in einer, in Fig. 4 nicht sichtbaren
Vertiefung versenkt. Beim Öffnen des Gießwerkzeuges 22 und
dem Entformen des Zylinderkurbelgehäuses wird die Pinole 24,
die eine leicht konische Form aufweist, in Richtung des
Pfeils 44.aus der Zylinderlaufbuchse 4 bewegt.
Durch die gestrichelte Linien ist eine Zylinderlaufbuchse 28
nach herkömmlicher Bauart angedeutet, die direkt dem Schmelzenstrom
ausgesetzt ist. Durch eine Fase 29 wird in der herkömmlichen
Anordnung ein Ablenken des Hauptschmelzenstroms 25
verhindert.In Fig. 4 , the arrangement of the
Durch das erfindungsgemäße Gießwerkzeug 22, das die bezüglich
der Pinole 24 verkürzte Zylinderläufbuchse 4 umfasst, werden
die bereits beschriebenen Vorteile zu Vermeidung des Konuses
in der Zylinderbohrung erzielt, zudem wird die Anbindung zwischen
der Zylinderlaufbuchse 4 und dem Kurbelgehäuse 2 verbessert.By the
Die nahezu rechtwinklige Unterkante 15 der Zylinderlaufbuchse
4 (vgl. Fig. 2) bewirkt im Betriebszustand des Motors 1 zudem,
dass die wirkende Kraft F nahezu vollständig durch das
Kurbelgehäuse 2 aufgenommen wird. Würde die Zylinderlaufbuchse
eine Fase 29 aufweisen, wie die in Fig. 3 gestrichelt dargestellte
Zylinderlaufbuchse 28, würde dies zu einer radialen
Kraftkomponente in Richtung des Zentrums der Zylinderbohrung
führen. Dies kann wiederum eine konische Verformung der Zylinderlauffläche
14 zur Folge haben. Die Buchse ist durch die
erfindungsgemäße Ausgestaltung vor einem Setzen in der dargestellten
Kraftrichtung F geschützt. Zur Vermeidung dieser Radialbewegung
der Buchse trägt auch die durch das erfindungsgemäße
Gießwerkzeug 22 erzielte bessere Anbindung zwischen
der Zylinderlaufbuchse 4 und dem Kurbelgehäuse 22 bei.The almost rectangular
Eine weiterer Vorteil besteht in einer, gegenüber dem Stand
der Technik besseren Abschirmung eines Wassermantels, der in
Fig. 2 exemplarisch und simplifiziert durch eine Kühlbohrung
18 zwischen den Zylinderlaufbuchsen 4 und 4' dargestellt ist
und einem Ölraum 16. Durch die bessere Anbindung zwischen Zylinderlaufbuchse
4 und dem Kurbelgehäuse 2 werden mikroskopische
Spalte 20 (die die Funktionalität an sich nicht beeinflussen)
reduziert. Wasser, das durch die Bohrung 18 läuft
und unter Umständen in die Spalte 20 gelangen kann, wird
durch die nahezu rechtwinklige Unterkante 15 der Buchse 4
daran gehindert, in den Ölraum 16 einzudringen.Another advantage is in one, opposite the stand
the technology better shield a water jacket, which in
Fig. 2 by way of example and simplified by a
Neben den bisher genannten funktionalen Vorteilen der Erfindung, führt die erfindungsgemäße Verkürzung der Zylinderlaufbuchse zu einer Reduktion der Bauteilkosten, die auf den geringeren Materialverbrauch zurückzuführen ist.Besides the previously mentioned functional advantages of the invention, leads the shortening of the cylinder liner according to the invention to a reduction in component costs, which on the lower Material consumption is due.
Claims (6)
- Cylinder crankcase (2) of an internal combustion engine (1) made from an aluminium pressure-casting alloy with at least one cylinder bore (7) incorporating a cylinder liner (4, 4') made from a hyper-eutectic aluminium-silicon alloy in which a respective piston (6) is disposed so as to be axially displaceable, the piston having at least one piston ring (10-10"), a piston skirt and a piston crown, which piston (6) has a top and a bottom dead centre (11) relative to the piston ring (10) during its movement,
characterised in thatthe cylinder liner (4, 4') terminates at most 10 mm below a lowermost piston ring (10) at the bottom dead centre (11)and the cylinder working surface (14') of the cylinder bore (7) underneath the cylinder liner (4, 4') is made from the aluminium pressure-cast alloy. - Cylinder crankcase as claimed in claim 1,
characterised in that
the cylinder liner (4, 4') is of a virtually right-angled design at a bottom terminal edge (15). - Casting mould (22) for producing a cylinder crankcase (2) with at least one cylinder bore (7) and at least one cylinder liner (4, 4') as claimed in claim 1, the casting mould (22) having at least one mandrel (24, 24'), displaceable by rams, which is used to form the cylinder bore (7), the cylinder liner (4, 4') being placed on the mandrel (24, 24'),
characterised in thatthe cylinder liner (4, 4') overlaps with the mandrel (24, 24') in the axial direction to a maximum of 85% anda sprue of the casting mould (22) used to fill the casting mould with a casting metal is disposed so that a main molten flow (25) of the casting metal hits the mandrel (24, 24') from its bottom face on the side where an oil chamber will subsequently be. - Casting mould as claimed in claim 3,
characterised in that
the cylinder liner (4,4') is fixed on the mandrel (24, 24'). - Casting mould as claimed in claim 4,
characterised in that
the cylinder liner (4, 4') is fixed on the mandrel (24, 24') by means of at least one nub (32). - Casting mould as claimed in claim 5,
characterised in that
the at least one nub (32) is partially set back in a recess (34) of the mandrel (24, 24') and partially forms a supporting region (36) for the cylinder liner (4, 4').
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