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Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse und einen Zylinder einer Brennkraftmaschine.
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Die
DE 42 38 525 C1 offenbart einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einem auf und ab bewegbaren Kolben und einer Zylinderlaufbuchse, welche die Kolbenbewegung des Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung führt. In den Kolben sind in eine Umfangsfläche Nuten eingebracht, die der Aufnahme von Kolbenringen dienen.
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Aus der
WO 2013/190175 A1 und der
DE 10 2018 102 064 A1 sind weitere Zylinderlaufbuchsen bzw. Zylinder mit Zylinderlaufbuchsen bekannt.
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Im Betrieb wird ein Laufspalt zwischen der Zylinderlaufbuchse und den Kolben mit Öl geschmiert. Für die Funktionsfähigkeit des tribologischen Systems aus der Zylinderlaufbuchse und dem Kolben ist nach der Praxis eine optimierte Auslegung der Kolbenringe sowie der Nuten, welche die Kolbenringe aufnehmen, von Bedeutung. Insbesondere bei Vier-Takt-Brennkraftmaschinen, die nach dem sogenannten Miller-Verfahren den Kraftstoff verbrennen, sind ein erhöhter Ölverbrauch zur Schmierung des Laufspalts sowie ein erhöhter Verschleiß der Kolbenringe festzustellen. Es besteht Bedarf daran, den Ölverbrauch und den Kolbenringverschleiß zu reduzieren.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Zylinderlaufbuchse und einen neuartigen Zylinder einer Brennkraftmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist in eine Führungsfläche der Zylinderlaufbuchse für den Kolben mindestens eine Druckentlastungsnut eingebracht, deren oberer Rand so positioniert ist, dass die mindestens eine Druckentlastungsnut dann mit der Druckentlastung beginnt, wenn einlassseitige Gaswechselventile des Zylinders schließen oder geschlossen sind.
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Durch die mindestens eine Druckentlastungsnut der Zylinderlaufbuchse, die in die Führungsfläche der Zylinderlaufbuchse für den Kolben eingebracht ist, kann eine Druckentlastung bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt realisiert werden. Der obere Rand der jeweiligen Druckentlastungsnut ist dabei so positioniert, dass die mindestens eine Druckentlastungsnut dann mit der Druckentlastung beginnt, wenn einlassseitige Gaswechselventile des Zylinders schließen oder geschlossen sind. Hierdurch kann der Ölverbrauch und der Kolbenringverschleiß reduziert werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein unterer Rand der mindestens einen Druckentlastungsnut so positioniert, dass die mindestens eine Druckentlastungsnut dann die Druckentlastung beendet, wenn die Kolbenbewegung des Kobens bei zwischen 6° und 14° Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt, bevorzugt bei zwischen 6° und 12° Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt, besonders bevorzugt bei zwischen 6° und 10° Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt, liegt. Der Abstand zwischen dem oberen Rand und unteren Rand der jeweiligen einen Druckentlastungsnut definiert eine Länge der jeweiligen Druckentlastungsnut. Diese Ausgestaltung der jeweiligen Druckentlastungsnut ist besonders bevorzugt. Der Abstand zwischen dem oberen Rand und dem unteren Rand bestimmt die Länge der jeweiligen Druckentlastungsnut in Bewegungsrichtung der Kolbenbewegung gesehen.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Breite und Tiefe der mindestens einen Druckentlastungsnut von einem zu entlastenden Volumen abhängig, wobei die Tiefe der jeweiligen Druckentlastungsnut maximal 50%, bevorzugt maximal 40%, besonders bevorzugt maximal 30%, der Breite der jeweiligen Druckentlastungsnut entspricht. Hiermit kann eine besonders vorteilhafte Druckentlastungsnut bereitgestellt werden. Der Ölverbrauch und der Kolbenringverschleiß können minimiert werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Druckentlastungsnuten gleichmäßig über den Umfang der Führungsfläche der Zylinderlaufbuchse verteilt. Hiermit lässt sich eine besonders vorteilhafte Reduzierung des Ölverbrauchs und Kolbenringverschleiß gewährleisten.
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Der erfindungsgemäße Zylinder ist in Anspruch 7 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1: einen Querschnitt durch ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinders einer Brennkraftmaschine im Bereich einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse des Zylinders.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine. Bei dem Zylinder 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Zylinder einer nach dem Miller-Brennverfahren arbeitenden 4-Takt-Brennkraftmaschine, so zum Beispiel um einen Gasmotor oder Dual-Fuel-Motor oder Dieselmotor.
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Der Zylinder 1 verfügt über einen Kolben 2 sowie über eine Zylinderlaufbuchse 3, die den Kolben 2 führt. Der Kolben 2 ist innerhalb der Zylinderlaufbuchse 3 auf und ab bewegbar, wobei die Zylinderlaufbuchse 3 die Kolbenbewegung des Kolbens 2 zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung führt.
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Der Zylinder 1 verfügt weiterhin über mindestens ein einlassseitiges Gaswechselventil und über mindestens ein auslassseitiges Gaswechselventil (nicht gezeigt). Über das jeweilige einlassseitige Gaswechselventil kann Ladeluft oder ein Gemisch aus Ladeluft und gasförmigem Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder 1 eingebracht werden. Über das jeweilige auslassseitige Gaswechselventil kann Abgas, welches bei der Verbrennung von Kraftstoff entsteht, vom Zylinder 1 abgeführt werden.
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Der Kolben 2 des Zylinders 1 verfügt über einen Kolbenboden 4 und eine äußere Umfangsfläche 5. In diese äußere Umfangsfläche 5 sind mehrere Nuten 6, 7, 8 und 9 eingebracht, die der Aufnahme von Kolbenringen 10, 11, 12 und 13 dienen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier derartige Nuten 6 bis 9 vorhanden, in die jeweils ein Kolbenring 10 bis 13 eingebracht ist. Die Anzahl der Nuten 6 bis 9 ist jedch rein exemplarischer Natur. Es können auch lediglich drei derartige Nuten vorhanden sein. In diejenige Nut 9, die vom Kolbenboden 4 aus gesehen den größten Abstand aufweist, ist ein als Ölabstreifring ausgebildeter Kolbenring 13 eingesetzt.
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Die Kolbenringe 10, 11, 12 und 13 stehen aus der jeweiligen Nut 6, 7, 8 und 9 vor und liegen an einer inneren Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 an. Zwischen der inneren Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 und der Umfangsfläche 5 des Kolbens 2 ist ein Laufspalt 15 ausgebildet.
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In die Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 für den Kolben 2 ist mindestens eine Druckentlastungsnut 16 eingebracht. Die jeweilige Druckentlastungsnut 16 verfügt über einen oberen Rand 17, einen unteren Rand 18 sowie einen Nutboden 19.
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Der Abstand zwischen dem oberen Rand 17 und dem unteren Rand 18 definiert eine Länge I der jeweiligen Druckentlastungsnut 16 in Kolbenbewegungsrichtung gesehen und damit die Zeitdauer der Druckentlastung.
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Ein Abstand des Nutbodens 19 von der Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 bestimmt eine Tiefe t der jeweiligen Druckentlastungsnut 16. Eine Umfangserstreckung der jeweiligen Druckentlastungsnut 16 bestimmt eine Breite derselben.
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Die jeweilige Druckentlastungsnut 16 ist derart in die Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 eingebracht, dass der obere Rand 17 der Druckentlastungsnut 16, der auch als Öffnungsrand bezeichnet werden kann, so positioniert ist, dass die jeweilige Druckentlastungsnut 16 dann mit der Druckentlastung beginnt bzw. die Druckentlastung bereitstellt, wenn das oder jedes einlassseitige Gaswechselventil des Zylinders 1 schließt oder geschlossen ist.
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Der untere Rand 18 der jeweiligen Druckentlastungsnut 16, der auch als Schließrand bezeichnet werden kann, ist derart in die Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 eingebracht und so positioniert, dass die jeweilige Druckentlastungsnut 16 dann die Druckentlastung beendet, wenn die Kolbenbewegung des Kolbens 2 bei zwischen 6° und 14° Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung des Kobens 2, bevorzugt bei zwischen 6° und 12° Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung des Kobens 2, besonders bevorzugt bei zwischen 6° und 10° Kurbelwellenwinkel vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung des Kobens 2, liegt.
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Wie bereits ausgeführt, bestimmt der Abstand zwischen dem oberen Rand 17 und dem unteren Rand 18 die Länge I der jeweiligen Druckentlastungsnut 16 in Kolbenbewegungsrichtung. Die Tiefe t und die Breite der mindestens einen Druckentlastungsnut sind von einem zu entlastenden Volumen abhängig, wobei die Tiefe t der jeweiligen Druckentlastungsnut 16 maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, besonders bevorzugt maximal 30 %, der Breite der jeweiligen Druckentlastungsnut 16 in Umfangsrichtung entspricht.
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Das zu entlastende Volumen ist vom Volumen der vom Kolbenboden 4 aus gesehen zweiten Nut 7, vom Volumen des Laufspalts 15 zwischen der vom Kolbenboden 4 aus gesehen ersten Nut 6 und der vom Kolbenboden 4 aus gesehen zweiten Nut 7 sowie vom Volumen des in der vom Kolbenboden 4 aus gesehen zweiten Nut 7 angeordneten Kolbenrings 11 abhängig.
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Das Volumen des Laufspalts 15 zwischen der vom Kolbenboden 4 aus gesehen ersten Nut 6 und zweiten Nut 7 ist von der Breite des Laufspalts 15 und dem Abstand zwischen einer unteren Begrenzung der vom Kolbenboden 4 aus gesehen ersten Nut 6 und einer oberen Begrenzung der vom Kolbenboden 4 aus gesehen zweiten Nut 7 abhängig.
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Ferner ist das zu entlastende Volumen von einem Druckverhältnis zwischen dem Ladeluftdruck und dem Zylinderdruck im unteren Totpunkt abhängig.
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Für das zu entlastende Volumen V gilt vorzugsweise folgende Beziehung:
wobei
- VN2
- das Volumen der vom Kolbenboden 4 aus gesehen zweiten Nut 7 ist,
- VL12
- das Volumen des Laufspalts zwischen der vom Kolbenboden aus gesehen ersten und zweiten Nut ist,
- VKR2
- das Volumen des in der zweiten Nut 7 angeordneten Kolbenrings 11 ist,
- pLL
- der Ladeluftdruck ist,
- pUT
- der Zylinderdruck im unteren Totpunkt ist.
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Dann, wenn an der Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 mehrere Druckentlastungsnuten 16 vorhanden sind, entspricht das Gesamtvolumen der Druckentlastungsnuten 16 dem zu entlastenden Volumen, welches dann vorzugsweise gleichmäßig auf die mehreren Druckentlastungsnuten 16 aufgeteilt wird, die dann vorzugsweise gleichverteilt an der Führungsfläche 14 der Zylinderlaufbuchse 3 ausgebildet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- Laufbuchse
- 4
- Kolbenboden
- 5
- Umfangsfläche
- 6
- Nut
- 7
- Nut
- 8
- Nut
- 9,
- Nut
- 10
- Kolbenring
- 11
- Kolbenring
- 12
- Kolbenring
- 13
- Kolbenring
- 14
- Führungsfläche
- 15
- Laufspalt
- 16
- Druckentlastungsnut
- 17
- oberer Rand
- 18
- unterer Rand
- 19
- Nutgrund
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4238525 C1 [0002]
- WO 2013/190175 A1 [0003]
- DE 102018102064 A1 [0003]
