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Die
Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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In
modernen Hochleistungsmotoren, insbesondere bei Motoren, die durch
Turbolader aufgeladen sind, herrschen im Bereich der Kolbenbewegung,
also im Zylinderkurbelgehäuse
extrem hohe thermische und mechanische Belastungen vor. Insbesondere
bei der Verwendung von Leichtmetall als Material für das Zylinderkurbelgehäuse ist
es häufig notwendig,
im Bereich, in dem der Kolben sich bewegt, also in der Zylinderbohrung
eine lokale Verstärkung
einzusetzen. Derartige lokale Verstärkungen werden in der Regel
durch das Einsetzen von so genannten Zylinderlaufbuchsen erzielt.
Geeignete Zylinderlaufbuchsen werden dabei bereits während der Herstellung
des Zylinderkurbelgehäuses
in einem Druckgussprozess in das Druckgusswerkzeug eingelegt und
von dem flüssigen
Gießmetall
während
des Gießens
umgossen. Bei geeigneter Prozessführung kann mit einem hohen
gießtechnischen
Aufwand eine befriedigende Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuche
und dem umgossenen Zylinderkurbelgehäuse realisiert werden.
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Der
Aufwand, der jedoch betrieben werden muss, um eine befriedigende
Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkurbelgehäuse zu gewährleisten
ist sehr hoch und es kommt in vielen Fällen zu Ausschuss. Insbesondere
wenn eine fehlerhafte Anbindung zwischen dem Zylinderkurbelgehäuse und
der Zylinderlaufbuchse nicht rechtzeitig entdeckt wird, kann diese
im Motorbetrieb auf Grund der fehlenden Kühlung der Zylinderlaufbuchse
zu einem Kolbenschaden führen.
Aus diesem Grund ist der Aufwand, der zur Qualitätskontrolle für derartig
hergestellte Zylinderkurbelgehäuse
geleistet werden muss, sehr hoch.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Zylinderkurbelgehäuse mit
einer Zylinderlaufbuchse bereit zu stellen, die gegenüber dem
Stand der Technik einen geringeren prozesstechnischen Aufwand bedarf
und dabei eine bessere Kühlung
der Zylinderlaufbuchse gewährleistet
benötigt.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht in einem Zylinderkurbelgehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
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Das
erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse weist
mindestens eine Zylinderbohrung auf (je nach Bauart des Motors beispielsweise
4, 6, 8 oder 12 Zylinder), wobei in die Zylinderbohrung eine Zylinderlaufbuchse
eingesetzt ist. Die darin eingesetzte Zylinderlaufbuchse zeichnet
sich dadurch aus, dass sie gegenüber
dem Zylinderkurbelgehäuse
durch eine Reibschweißnaht
befestigt ist.
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Durch
die Befestigung der Zylinderlaufbuchse durch Reibschweißen kann
die Zylinderlaufbuchse nach dem Gießen des Zylinderkurbelgehäuses in die
Zylinderbohrung eingesetzt werden und dabei so von dem Durchmesser
her angepasst werden, dass ein optimaler Passsitz zwischen der Zylinderbohrung und
der Zylinderlaufbuchse erfolgt. Eine optimale Wärmeübertragung zwischen der Zylinderlaufbuchse und
der Zylinderbohrung bzw. dem gesamten Zylinderkurbelgehäuse und
der darin angeordneten Kühlung
ist somit gewährleistet.
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Bevorzugt
weist die Zylinderlaufbuchse zwei Reibschweißnähte auf, die jeweils an einer
oberen und/oder unteren Stirnseite der Zylinderlaufbuchse angeordnet
sind. Diese beiden Reibschweißnähte dichten
die Zylinderlaufbuchse gegenüber
einem gegebenenfalls hinter der Zylinderlaufbuchse im Zylinderkurbelgehäuse angeordneten
Wassermantel in hervorragender Weise ab.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform ist in die Zylinderbohrung in
einer Kontaktfläche
zur Zylinderlaufbuchse eine spiralförmige Nut als Kühlkanal eingearbeitet.
Diese spiralförmige
Nut befördert
das Kühlmittel
direkt hinter der Zylinderlaufbuchse und sorgt somit für eine optimale
Kühlung
dieser Zylinderlaufbuchse.
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Diese
spiralförmige
Nut kann gegebenenfalls entlang einer Achse der Zylinderbohrung
unterschiedliche Steigungen aufweisen. Durch die unterschiedlichen
Steigungen kann gezielt auf die Wärmeentwicklung in den unterschiedlichen
Bereichen der Zylinderlaufbuchse eingegangen werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Zylinderbohrung
eine zweite spiralförmige
Nut auf, die bezüglich
der ersten spiralförmigen
Nut gekreuzt verläuft.
Durch diese gekreuzte Anordnung von zwei spiralförmigen Nuten kann eine noch
bessere Kühlung
der Zylinderlaufbuchse erfolgen. Dabei ist es zweckmäßig, dass
die spiralförmigen
Nuten derart angeordnet sind, dass Kreuzungspunkte der Nuten an
einem Steg liegen, der zwei benachbarte Zylinderbohrungen verbindet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform können Querbohrungen
durch diesen Steg so angeordnet sein, dass sie spiralförmige Nuten
der einzelnen Zylinderbohrungen miteinander verbinden.
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Die
Zylinderlaufbuchse kann als Graugussbuchse ausgestaltet sein. in
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform besteht die Zylinderlaufbuchse
aus einer übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung. Diese Aluminium-Silizium-Legierung weist
bevorzugt einen Siliziumanteil von mehr als 22 Gew.% auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sowie weitere Merkmale
der Erfindung sind anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch ein Zylinderkurbelgehäuse im Bereich
einer Zylinderbohrung,
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2 eine
schematische Darstellung einer Zylinderlaufbuchse während des
Reibschweißens,
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus der Schweißzone
in 2 und
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4 eine
schematische Darstellung einer Zylinderlaufbuchse mit einer möglichen
Anordnung von spiralförmigen
Nuten als Kühlkanäle.
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Das
in 1 dargestellte Zylinderkurbelgehäuse 2 ist
in einem Querschnitt durch eine Zylinderbohrung 4 dargestellt.
An einer Wand der Zylinderbohrung 4, die eine Kontaktfläche 14 zu
einer Zylinderlaufbuchse 6 bildet, liegt diese Zylinderlaufbuchse 6 an.
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Die
Zylinderlaufbuchse 6 ist mit der Kontaktfläche 14 der
Zylinderbohrung 4 an verschiedenen Reibschweißnähten 8 mit
dieser durch Reibschweißen
verbunden.
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In
der Ausgestaltungsform nach 1 ist die Zylinderlaufbuchse 6 auf
einem Absatz 42 in der Zylinderbohrung 4 aufgesetzt.
Dies ist eine rein exemplarische Darstellung, ebenso gut kann die
Zylinderlaufbuchse auch durchgehend bis zu einem Kurbelwellenraum
durch die Zylinderbohrung 4 hindurch ragen (vgl. beispielsweise 2).
Die Reibschweißnähte 8 sind
in dieser Ausgestaltungsform auch rein exemplarisch dargestellt.
Sie zeigen einmal eine Reibschweißnaht 8 an einer oberen
Stirnseite 10 der Zylinderlaufbuchse 6, die im
Bereich eines Zylinderkopfes 28 angeordnet ist. (Der Zylinderkopf 28 ist
mit einer Verschraubung 36 mit dem Zylinderkurbelgehäuse 2 befestigt.
Die Reibschweißnaht 8 kann
an einer unteren Stirnseite 12 der Zylinderlaufbuchse 6 ebenfalls
einerseits zur Kontaktfläche 14 hin
verlaufen, sie kann aber auch wie in dieser Darstellung in der linken
Hälfte
der Zylinderlaufbuchse angedeutet ist, zum Absatz 42 hin
angeordnet sein.
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Ferner
sind in 1 schematisch verschiedene Kühlvorrichtungen
des Zylinderkurbelgehäuses 2 dargestellt.
Dabei handelt es sich zunächst
um die herkömmlichen
Kühlkanäle 34,
die um die Zylinderbohrung 4 ringförmig verlaufen. In der hier
dargestellten Form sind diese Kühlkanäle 34 in
einer so genannten Open-deck-Bauweise
ausgestaltet. Das bedeutet, dass der Kühlkanal 34 zum Zylinderkopf 28 hin
offen ist und durch den Zylinderkopf 28 verschlossen wird.
Eine so dargestellte Open-deck-Bauweise wird
durch die produktionstechnischen Anforderungen des Druckgusses der
Konstruktion aufgezwungen und ist nicht immer vorteilhaft. Durch
eine hohe mechanische Belastung insbesondere bei Turbomotoren kann
sich die Zylinderlaufbuchse 6 zum Wassermantel 34 hin
radial deformieren, was dazu führen kann,
dass beispielsweise der Druck im Brennraum, der auf den Kolben wirkt,
verringert wird. Außerdem kann
durch eine derartige radiale Deformation zusätzlicher Kraftstoff unverbrannt
am Kolben vorbei fliegen (Blow by-Effekt), wodurch der Kraftstoffverbrauch
erhöht
wird.
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Um
diese Nachteile eines Wassermantels in Open-deck-Bauweise zu vermeiden,
wird an dieser Stelle ferner vorgeschlagen, spiralförmige Nuten 16 in
der Kontaktfläche 14 der
Zylinderbohrung 4 anzubringen, in der das Kühlmittel
zirkulieren kann. Diese spiralförmigen
Nuten 16 sind in der 1 lediglich schematisch
angedeutet. Sie werden bezüglich
der 3 noch genauer erläutert. Durch eine optimale Anordnung
der spiralförmigen
Nuten 16 kann es ermöglicht
werden, gegebenenfalls auf einen Wassermantel 34 zu verzichten
und die daraus resultierenden Nachteile zu überwinden.
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In 2 ist
zunächst
schematisch dargestellt, wie eine Zylinderlaufbuchse 6 an
einer oberen Stirnseite 10 und einer unteren Stirnseite 12 durch eine
in 2a schematisch dargestellte Reibschweißvorrichtung 29 aufgenommen
wird und in der Zylinderbohrung 4 gehalten wird. Die Reibschweißvorrichtung 29 weist
dabei eine Mitnahmeverzahnung 31 auf, wodurch die Zylinderlaufbuchse 4 besser
beim Reibschweißen
gehalten werden kann. Die Reibschweißvorrichtung 29, ist
so ausgestaltet, dass axiale Kräfte,
die durch den Pfeil 32 veranschaulicht werden, auf die
Zylinderlaufbuchse 6 wirken. Die Reibschweißvorrichtung
vollzieht dabei eine radiale Bewegung, die durch die Pfeile 44 veranschaulicht ist,
diese radiale Bewegung 44 kann auch alternierend in verschiedene
Richtungen erfolgen. Durch diese radiale Bewegung wird im Bereich
der aufgebrachten axialen Kräfte 32 eine
hohe Wärmenergie
in die Kontaktfläche 14 und
in die Zylinderlaufbuchse 6 induziert. Durch diese lokale
Wärmeenergie
kommt es zum Aufschmelzen in diesem Bereich, was in der Schweißnaht 8,
die ebenfalls schematisch durch Schraffur angedeutet ist, resultiert.
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Die
Reibschweißnaht 8 ist
bevorzugt an der oberen Stirnseite 10 bzw. an der unteren
Stirnseite 12 der Zylinderlaufbuchse 6 im Übergangsbereich zur
Kontaktfläche 14 der
Zylinderbohrung 4 angeordnet. Die Zylinderlaufbuchse kann
dabei in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform an ihren Stirnseiten 10, 12 konische
Fügestellen 33 aufweisen,
die während
des Reibschweißprozesses
durch Aufschmelzen oder Abrieb an einem Absatz 30 des Zylinderkurbelgehäuses 2 abgetragen
wird. In diesem Bereich, der in 3 gestrichelt
dargestellt ist, befindet sich nach dem Reibschweißvorgang
die Reibschweißnaht 8.
Das Einbringen der konischen Fügestellen bewirkt
noch einen zusätzlich
vorteilhaften Zentrierungseffekt. Der Reibschweißvorgang erfolgt bei dem beschriebenen
Verfahren an beiden Stirnseiten 10, 12 gleichzeitig.
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Analog
zu der konischen Fügestelle
können auch
zwei rechtwinklige Fügestellen,
eine als Stirnseite der Zylinderlaufbuchse 4 und einer
als Absatz 42 aufeinandergesetzt werden, und verschweißt werden,
wie das exemplarisch in 1 dargestellt ist.
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Diese
Reibschweißnähte 8 bieten
eine zuverlässige
Dichtung für
die in der Kontaktfläche 14 verlaufenden
spiralförmigen
Nuten 16. Diese spiralförmigen
Nuten 16, die bereits im Zusammenhang mit 1 – dort schematisch
dargestellt – erwähnt sind,
werden im Zusammenhang mit 4 nun näher erläutert.
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In 4 ist
ebenfalls schematisch eine Zylinderlaufbuchse 6 in eine
diese umgebende Zylinderbohrung 4, die wiederum Bestandteile
des Zylinderkurbelgehäuses 2 ist,
dargestellt. In der Kontaktfläche 14 sind
spiralförmige
Nuten ähnlich
wie ein innen liegendes Gewinde eingearbeitet. Diese spiralförmigen Nuten 16 werden
nach dem Gießen
des Zylinderkurbelgehäuses
durch mechanische Bearbeitung eingebracht. Nachdem anschließend die
Zylinderlaufbuchse 6 in die Zylinderbohrung 4 eingesetzt
ist und wie beschrieben durch Reibschweißnähte 8 in der Zylinderbohrung
befestigt ist, kann ein Kühlmittel, das
durch die Pfeile 38 angedeutet ist, in dieser spiralförmigen Nut 16 zirkulieren.
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Der
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Kühlmittel
direkt um die Zylinderlaufbuchse 6 herum fließt und nicht
noch durch einen weiteren Steg zum Kühlkanal 34, wie er
in 1 dargestellt ist, getrennt ist. Durch diese Anordnung
kann eine wesentlich effektivere Kühlung der Zylinderlaufbuchse 4 erfolgen.
Da die Zylinderlaufbuchse 6 sich in regelmäßigen Abständen auch
wieder an der Wand 14 der Zylinderbohrung 4 abstützen kann,
kann der bereits erwähnte
radiale Verzug nach außen
der Zylinderlaufbuchse in dieser Bauform nicht erfolgen. Dadurch
ist es möglich,
in der Zylinderbohrung, also im Brennraum wesentlich höhere Drücke (bevorzugt über 200
hPa) zu realisieren, was einen deutlichen Leistungsvorteil des Motors
zur Folge hat. Zudem kann durch die effektivere Kühlung eine
deutlich höhere
Wärmeenergie
aus dem Brennraum abgeführt werden.
Dies bedeutet wiederum, dass im Brennraum höhere Temperaturen herrschen
können,
was wiederum zu einer Leistungssteigerung des Motores führen kann.
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Grundsätzlich kann
es zweckmäßig sein,
neben der bereits erwähnten
spiralförmigen
Nut 16 eine zweite, bevorzugt in ihrer Steigung gegenläufige spiralförmige Nut 22 in
die Kontaktfläche 14 der
Zylinderbohrung 4 einzubringen. Diese spiralförmige Nut 22,
deren Kühlmittelverlauf
gegebenenfalls in die entgegengesetzte Richtung – angedeutet durch den Pfeil 40 – erfolgt,
ist in 4 der Übersichtlichkeit halber
lediglich nur eine Wendel dargestellt.
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Ebenfalls
der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt sind die Kreuzungspunkte, die zwangsläufig auftreten
können,
wenn zwei entgegengesetzte spiralförmige Nuten in einer zylindrischen
Fläche eingebracht
werden. Diese Kreuzungspunkte sind bevorzugt so angeordnet, dass
sie in Richtung eines Steges 24 liegen, der den Übergang
zu einer weiteren hier ebenfalls nicht dargestellten Zylinderbohrung bildet.
Dieser Steg 24, der in der Darstellung gemäß 1 und 4 links
und rechts der Zylinderlaufbuchse 6angeordnet ist, weist
zudem eine Bohrung 26 auf (Querbohrung), die eine Verbindung
zu weiteren spiralförmigen
Nuten in den benachbarten Zylinderbohrungen darstellt. Die Fließgeschwindigkeit
der Kühlflüssigkeit
Kühlmittel
beträgt
bis zu 8 m/s, bevorzugt zwischen 4 m/s und 8 m/s.
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Es
können
auch mehrere Verbindungen (beispielsweise durch Stege 24)
zwischen den einzelnen Zylinderlaufbuchsen 4 eines Motors
bestehen, durch die das Kühlmittel
fließen
kann. Dies kann notwendig sein, um an jeder Zylinderlaufbuchse 4 dieselbe Kühlmitteltemperatur
zu gewährleisten.
Diese Verbindungen können
bevorzugt jeweils oben und unten separat verlaufen und in Form einer
Sammelleiste ausgestaltet sein, was ein breiter Kanal ist, der alle spiralförmigen Nuten
gleichzeitig speist. Dies bewirkt, dass vergleichsweise wenig Kühlmittel
im Startkreislauf des Motors vorhanden sein muss, was wiederum eine
kürzere
Aufwärmephase
des Motors zur Folge hat.
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Entlang
einer Achse der Zylinderbohrung 4 kann es im Bereich der
Zylinderlaufbuchse 6 bzw. in der Kontaktfläche 14 zu
unterschiedlichen Wärmeentwicklungen
kommen. Im oberen Bereich der Zylinderlaufbuchse, wo der Kolben
umkehrt (oberer Totpunkt) kommt es zu einer deutlich stärkeren Wärmeentwicklung
als im mittleren Bereich der Zylinderlaufbuchse 6, an dem
der Kolben lediglich entlang gleitet. Im Bereich des oberen Totpunktes
und gegebenenfalls auch im Bereich eines unteren Totpunktes kann es
zweckmäßig sein,
eine geringere Steigung der spiralförmigen Nuten 16 bzw. 22 zu
wählen.
Bei einer geringeren Steigung der spiralförmigen Nuten 16, 22 herrscht
pro Flächeneinheit
eine größere Kühlmitteloberfläche vor,
weshalb an dieser Stelle eine stärkere Kühlung erfolgt.
In Bereichen in denen eine weniger starke Wärmebelastung auftritt, kann
eine höhere Steigung
der Nuten 16, 22 gewählt werden. Auch ein unterschiedlich
großer
Querschnitt der spiralförmigen
Nuten 16, 22 entlang der Zylinderlaufbuchse 4 kann
zur Kompensation von Temperaturunterschieden beitragen.
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Die
Zylinderlaufbuchse 6 kann als eine so genannte Graugussbuchse
ausgestaltet sein. Sie kann jedoch auch aus einer übereutektische
Aluminium-Silizium-Legierung, bevorzugt mit einem Siliziumanteil
von mehr als 22% bestehen. Eine derartig hoch siliziumlegierte Aluminiumlegierung
weist eine sehr hohe tribologische Festigkeit auf, sie ist sehr verschleißfest und
weist gegenüber
einer Graugussbuchse ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht auf.
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Im
Weiteren soll noch auf ein alternatives Herstellungsverfahren des
Zylinderkurbelgehäuses 2 eingegangen
werden. Bisher wurde von einer Herstellung im Druckgussprozess ausgegangen.
Im klassischen Druckgussverfahren wird aufgrund der Schiebertechnik,
wie bereits erwähnt
ein Zylinderkurbelgehäuse 2 in
der open-deck-Bauweise
hergestellt. Stellt man das Zylinderkurbelgehäuse jedoch im Schwerkraft-Kokillenguss oder
in einem Niederdruckguss verfahren her, so kann zur Darstellung
des Wassermantels 34 inklusive der spiralförmigen Nuten 16, 22 ein
sogenanntes Kernpaket zur Ausbildung von Hohlräumen eingesetzt werden. Ein
solcher, an sich bekannter Kern kann dann in vorteilhafter Weise im
Bereich der Zylinderbohrung so ausgestaltet sein, dass er spiralförmige Erhebungen
aufweist, die nach dem Gießvorgang
die spiralförmigen
Nuten in der Kontaktfläche 14 bilden.
Durch diese Maßnahme kann
ein nachträglicher
spanender Bearbeitungsprozess zur Ausformung der spiralförmigen Nuten 16, 22 vermieden
werden.
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Im
Folgenden werden noch einmal die Vorteile der beschriebenen Anordnungen
sowie der einzelnen Ausgestaltungsformen zusammengefasst. Durch
die reibgeschweißte
Zylinderlaufbuchse 6 ist es möglich, spiralförmigen Nuten 16, 22 einzubringen.
Dies wiederum bewirken eine homogenere Temperaturverteilung entlang
der Zylinderlaufbuchse 6. Daraus folgen wiederum ein geringerer
Warmformverzug und ein geringerer Ölverbrauch des Motors, sowie
ein geringerer Blow-by-Effekt, der wiederum zur Kraftstoffeinsparung
beiträgt.
Insgesamt wird hierdurch der Motorverschleiß verringert und die Lebensdauer
des Motors erhöht.
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Ferner
wird durch die beschriebene Anordnung der Wassermantel 34 reduziert,
die benötigte Kühlflüssigkeitsmenge
wird reduziert. Durch die geänderte
Bauform kommt es zu einem geringeren Gewicht des Zylinderkurbelgehäuses und
somit zu geringeren Werkstoffkosten.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Zylinderkurbelgehäuse
- 4
- Zylinderbohrung
- 6
- Zylinderlaufbuchse
- 8
- Reibschweißnaht
- 10
- Obere
Stirnseite Zylinderlaufbuchse
- 12
- Untere
Stirnseite Zylinderlaufbuchse
- 14
- Kontaktfläche
- 16
- Spiralförmige Nut
- 18
- Erste
Steigung der Spirale
- 20
- Zweite
Steigung der Spirale
- 22
- Zweite
spiralförmige
Nut
- 24
- Steg
- 26
- Querbohrungen
- 28
- Zylinderkopf
- 29
- Reibschweißvorrichtung
- 30
- Absatz
- 31
- Mitnahmeverzahnung
Vorrichtung
- 32
- Axiale
Kräfte
- 33
- Konische
Fügestelle
- 34
- Wassermantel
- 36
- Verschraubung
- 38
- Kühlmittelflussrichtung
Nut 16
- 40
- Kühlmittelflussrichtung
Nut 22
- 42
- Absatz
- 44
- Radiale
Bewegung
- 46
- Kurbelwellenraum
