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Die
Erfindung betrifft ein Zylindergehäuse für Hubkolbenmaschinen, insbesondere
für Hubkolben-Brennkraftmaschinen
für Kraftfahrzeuge,
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Durch
die
DE 44 09 750 A1 ist
ein Zylinderkurbelgehäuse
bekannt, bei dem der Zylinderliner in open deck Konstruktion und
im Druckgussverfahren aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist,
wobei eine zusätzlich
angegossene Hüllwand
einen separaten Wassermantel einschließt. Der Zylinderliner ist in
ein äußeres Zylinderkurbelgehäuse aus
einer Magnesiumlegierung unmittelbar eingegossen.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
199 49 416 A1 ist bereits ein Zylindergehäuse für eine mehrzylindrige
Hubkolbenmaschine, insbesondere für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
in Kraftfahrzeugen, mit einem Zylinderliner aus einem höherfesten
Werkstoff und mit die Zylinder zumindest teilweise umgebenden Wasserräumen, die
von einer an die Zylinderwände
angegossenen Kühlwand
begrenzt sind, bekannt, wobei der Zylinderliner in ein äußeres Zylindergehäuse aus
Leichtmetall eingegossen ist und wobei Befestigungsmittel für einen
angrenzenden Zylinderkopf sowie für Lagerstellen eines Kurbeltriebes
vorgesehen sind und wobei an den Zylinderliner Pfeifen angegossen
sind, in denen beide Befestigungsmittel verankerbar sind.
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Konkret
sind hier die als Schraubendom bezeichneten Pfeifen lediglich über einen
als Verliersicherung dienenden schmalen Verbindungssteg am zylinderkopfseitigen
Ende festgelegt, wobei diese als Verliersicherung dienenden Stege
nicht zur Kraftübertragung
im fertigen, d. h. im mit dem Außenteil umgossenen Gehäuse dienen
sollen. Diese als Verliersicherung dienenden Stege sind lediglich
dafür vorgesehen,
die einzelnen Funktionselemente vor und während des Umgießens positioniert
zu halten und werden am Ende des Gießvorgangs entfernt. Die tragende
Funktion und damit die Übertragung
hoher Abstützkräfte erfolgt über das äußere Zylindergehäuse aus
Leichtmetall, in das der Zylinderliner eingegossen ist. Problematisch
bei einem derartigen Aufbau ist jedoch, dass hier keine gleichmäßige Krafteinleitung
in den Zylinderliner erfolgt, was insbesondere im Bereich der an
die Zylinderwände
angegossenen Hüllwände von
einem erheblichen Nachteil sein kann und diese ggf. eindrücken bzw.
beschädigen
kann.
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Aus
der
DE 44 08 137 A1 ist
ein Aufbau bekannt, bei dem der Zylinderliner mit dem äußeren Gehäuse verschraubt
ist. Die die Zylinderliner umgebenden Wasserräume werden hier erst nach der
Verschraubung des Außengehäuses mit
dem Zylinderliner hergestellt. Pfeifen, in die sowohl die Befestigungsmittel
für einen
Zylinderkopf als auch die Lagerstellen eines Kurbeltriebes einschraubbar
sind, sind hier nicht vorgesehen. Dasselbe gilt auch für die
DE 100 21 198 A1 ,
bei der Eingussstücke
mehrerer Kurbelwellenlager über
Verbindungsstege miteinander verbunden sind und ein Tragskelett
ausbilden.
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Weiter
ist aus der nachveröffentlichten
DE 101 12 132 A1 ein
Zylinderkurbelgehäuse
für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bekannt, das
einen Triebwerksblock aus einer Aluminiumlegierung umfasst, wobei
an einem Deck des Triebwerksblockes kurbelwellenseitig angeformte
Lagerstühle mit
darüber
einstückig
angeordneten Zylinderrohren ausgebildet sind, die mit an diesen
angeformten Hüllwänden zylinderkopfseitige
Kühlräume begrenzen.
In den relativ kurzen bzw. niedrigen Hüllwänden stehen Schraubenpfeifen über an den
Zylinderrohren angeordnete Stege mit dem Deck in kraftleitender
Verbindung. Der Alu-Triebwerksblock ist in ein aus einer Magnesium-Legierung
gefertigtes Gehäuse
eingegossen.
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der Erfindung, ein Zylindergehäuse für eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine,
insbesondere für
eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen, zu schaffen,
mit dem auf einfache Weise hohe Abstützkräfte bei einer gleichmäßigen Krafteinleitung
in den Zylinderliner übertragen
werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß Patentanspruch
1 sind die Pfeifen als Bestandteil des Zylinderliners im wesentlichen über deren
gesamte Längserstreckungsrichtung
gesehen an die Hüllwand
und/oder an die Zylinderwände
einstückig
und materialeinheitlich angegossen. Dadurch wird erreicht, dass
die hohen Abstützkräfte nicht
undefiniert über
das Außengehäuse, sondern definiert über den
Zylinderliner übertragen
werden können,
d. h., dass hierdurch eine gezielte und gleichmäßige Krafteinleitung in den
Zylinderliner sichergestellt werden kann. Dadurch wird die Gefahr eines
Eindrückens
bzw. einer Beschädigung
der an die Zylinderwände
angegossenen Hüllwand
vorteilhaft verhindert.
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Zudem
wird durch diese Maßnahme
in vorteilhafter Weise ein durchgängiger Kraftfluss vom Zylinderkopf
zu den Triebwerklagern erzielt (Zugankerkonzept), der eine hervorragende „innere" Abstützung der
Gas- und Massenkräfte
an der Hubkolbenmaschine darstellt. Dabei werden die Befestigungsmittel
am Zylinderliner, also im höherfesten
kriechfesten Werkstoff des Zylindergehäuses verankert, z. B. über entsprechende
Gewindebohrungen. Das umgebende äußere Zylindergehäuse bzw.
Zylinderkurbelgehäuse – z. B.
aus Magnesium – unterliegt
zudem im wesentlichen nur Druckspannungen und kann deshalb entsprechend
gewichtsoptimiert gestaltet sein, d. h. es muss keine hohen Abstützkräfte mehr übertragen.
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In
den an den Zylinderliner angegossenen Pfeifen sind die Befestigungsmittel,
insbesondere entsprechende Schrauben oder Schraubenbolzen für den Zylinderkopf
einerseits und die Triebwerklagerung der Hubkolbenmaschine andererseits
verankerbar.
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Ferner
wird vorgeschlagen, an beiden Stirnseiten der Pfeifen Gewindebohrungen
für Zylinderkopfschrauben
einerseits und Hauptlager-Befestigungsschrauben andererseits anzubringen.
Obwohl auch durchgehende Schraubenbolzen – die beispielsweise in deren
mittleren Bereich in die Pfeifen eingegossen sein könnten – verwendbar
wären,
ergeben separate Schrauben sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich
des Montageaufwandes deutliche Vorteile.
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Des
weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Pfeifen an die Hüllwand angebunden
sind, deren Gewindebohrungen aber außerhalb der Wasserräumeliegen
und dass zwischen den Zylinderwänden
und den Pfeifen Verbindungsstege ausgebildet sind. Damit wird neben
einer bis zur Zylinderkopf-Anschlussfläche durchgängigen Abstützung der Gas- und Massenkräfte eine
stabile Anbindung der Pfeifen auch an die im Außendurchmesser geringeren Zylinderwände des
Zylinderliners sichergestellt. Ferner können die Pfeifen im oberen,
dem Zylinderkopf benachbartem Bereich nur an der Hüllwand angegossen,
von den Zylinderwänden
also freigehalten sein, um diese temperaturkritischen Stegbereiche
besser mit Kühlwasser
versorgen zu können.
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Die
Zylinderwände
können
in an sich bekannter Weise in diesem Stegbereich, d. h. im Bereich
aneinander angrenzender Zylinder, zusammengegossen sein, wodurch
sich die Baulänge
des Motors verkürzt,
der Zylinderliner weiter in sich versteift ist und zu einer erhöhten Bauteilsteifigkeit
des Zylindergehäuses
beiträgt.
Gleiches gilt für
Maßnahmen zur
Erzielung eines zusätzlichen
Formschlusses zwischen dem Zylinderliner und dem Zylindergehäuse bzw.
Zylinderkurbelgehäuse
durch eine entsprechende Verrippung. Bevorzugt sollte jedoch durch
gezielte Oberflächenbehandlung
des Zylinderliners (Beschichtung, etc.) ein Stoffschluss zwischen
Zylindergehäuse
und Zylinderliner hergestellt werden.
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Bevorzugt
wird ferner vorgeschlagen, den Zylinderliner aus einer übereutektischen
AlSi Legierung herzustellen, so dass neben den hervorragenden Werkstoffeigenschaften
dieser Legierung zugleich deren tribologische Eigenschaften und
Verschleißbeständigkeit
für die
Laufflächen
der Zylinder direkt nutzbar sind. Für das äußere Zylindergehäuse kann
entweder eine untereutektische AlSi Legierung oder bevorzugt eine
Magnesiumlegierung verwendet sein.
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Schließlich ergibt
ein in closed deck Konstruktion gefertigter Zylinderliner eine optimale
Bauteilsteifigkeit und -festigkeit genau in dem Bereich, der sowohl
mechanisch als auch thermodynamisch am höchsten belastet ist; zudem
ermöglicht
die Anwendung des Sand- oder Kokillengussverfahrens schnelle Abkühlungsfasen
durch geringe Massen des Zylinderliners und beanspruchungsgerechte Bauteilgeometrien
aufgrund der relativ freien gusstechnischen Formgestaltung (Hinterschneidungen, komplizierte
Kühlwasserführungen,
etc.). Ein weiterer Vorteil liegt in der verbesserten Anpressung
der Zylinderkopfdichtung unmittelbar an dem „Deck" des Zylinderliners, in dem – wie vorstehend
ausgeführt – auch unmittelbar
die Gewindebohrungen bzw. die angegossenen Pfeifen integriert sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.
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Die
anliegende schematische Zeichnung zeigt in
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1 ein
teilweise dargestelltes Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine
in einem Querschnitt durch eine Hauptlagerebene der Kurbelwellenlagerung;
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2 teilweise
den Zylinderliner des Zylinder-Kurbelgehäuses nach 1 im
Rohguss in einer Ansicht schräg
von unten; und
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3 einen
teilweisen Längsschnitt
des Zylinderliners entlang einer durch die Zylindermittelachsen
vorgegebenen Längsmittelebene.
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In
der 1 ist in raumbildlicher Darstellung teilweise
ein Zylinder-Kurbelgehäuse 10 für eine Vierzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine
für Kraftfahrzeuge
gezeigt, das soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein kann
und sich aus einem oberen Zylindergehäuse 12 mit vier darin
ausgebildeten Zylindern 14 und einem unteren, einstückig angegossenem
Kurbelgehäuse 16 zusammensetzt.
Es könnte jedoch
das Zylindergehäuse 12 auch
ein separates Bauteil bilden.
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Die
in den Zylindern 14 gleitenden Kolben sind in bekannter
Weise über
Pleuel mit einer Kurbelwelle (der Kurbeltrieb ist nicht dargestellt)
verbunden, wobei die Kurbelwelle über entsprechende Hauptlager
mit Lagerstühlen 18 drehbar
im Kurbelgehäuse 16 gelagert
ist.
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Das
Zylindergehäuse 12 setzt
sich wiederum zusammen aus einem Zylinderliner 20, der
im Niederdruck-Kokillenguss aus einer übereutektischen Aluminium-Silicium-Leichtmetalllegierung
der Zusammensetzung AlSi17Cu4 gegossen ist und als Rohling gemäß den 2 und 3 mit
dem äußeren Zylindergehäuse 22 aus
einer weniger duktilen und spezifisch leichteren Magnesiumlegierung
der Bezeichnung AZ91 hp im Druckgussverfahren umgossen ist. Die
Seitenwände 22a (1)
und die Stirnwände 22b (3)
des äußeren Zylindergehäuses 22 umschließen dabei
unmittelbar den Zylinderliner 20.
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Der
Zylinderliner 20 in closed deck Konstruktion weist zusammengegossene
Zylinderwände 20a und
eine daran angebundene, die Zylinderwände 20a umschließende Hüllwand 20b auf,
wobei die Hüllwand 20b (vgl. 3)
einen dazwischen gebildeten Wassermantel 20c begrenzt.
Oben liegende Stege 20e verbinden dabei die Zylinderwände 20a mit der
Hüllwand 20b,
wobei dazwischen liegende Kühlwasser-Durchtritte frei
bleiben. Der Wassermantel 20c erstreckt sich etwa bis zur
halben Zylinderlänge eines
jeden Zylinders 14 und ist zu der Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d über die
von den Stegen 20e begrenzten Durchtritte offen, so dass
er in bekannter Weise an die Flüssigkeits-Umlaufkühlung der Brennkraftmaschine
anschließbar
ist.
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An
den Zylinderliner 20 sind jeweils um die Zylinder 14 herum
Pfeifen 20f angegossen, die an ihrer der Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d zu
gelegenen Stirnfläche
und an der entgegengesetzt liegenden Stirn fläche (vgl. 2)
Gewindebohrungen 32 aufweisen, in die nicht dargestellte
Zylinderkopfschrauben bzw. Lagerschrauben 30 für nicht
dargestellte Hauptlagerdeckel der in das Kurbelgehäuse 16 eingegossenen
Lagerstühle 18 der
Triebwerklagerung der Brennkraftmaschine einschraubbar bzw. verankerbar
sind.
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Die
Pfeifen 20f (vgl. 3) verlaufen
etwa parallel zur Zylindermittelachse 14a der Zylinder 14, wobei
jeweils vier Pfeifen 20f um die Zylinder 14 verteilt
sind. Die Pfeifen 20f sind als durchgehende „Rohre" ausgebildet, also
zu den angrenzenden Wassermänteln 20c nicht
offen. Ferner sind die Pfeifen 20f im unteren Bereich über Verbindungsstege 20g an
die im Außendurchmesser
geringeren Zylinderwände 20a gießtechnisch
angebunden, während sie
im oberen, dem Zylinderkopf benachbartem Bereich der Hüllwand 20b nicht
mit den Zylinderwänden 20a direkt
verbunden sind. Die Zylinderwände 20a sind
somit zur Erzielung einer guten Kühlwasser-Umströmung im
sogenannten Stegbereich jeweils zwischen zwei aneinander angrenzende
Zylinder 14 frei umströmbar.
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Sofern
die Abstände
der Zylinderkopfschrauben und der Lagerschrauben 30 in
Querrichtung der Hubkolbenmaschine gesehen unterschiedlich sind, beispielsweise
weil die Abstände
der Lagerschrauben 30 geringer sind als die der Zylinderkopfschrauben,
können
die Pfeifen 20f auch knick- bzw. stufenförmig ausgebildet
sein, mit zwischen den parallelen, die Gewindebohrungen 32 aufnehmenden
Abschnitten einem schrägen
oder um 90 Grad abgeknicktem Verbindungsabschnitt (nicht dargestellt).
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An
die Hüllwand 20b könnte ferner
eine separate Kühlwasserführung in
Form eines seitlich angegossenen und Verbindungen zu dem Wassermantel 20c aufweisenden
Führungsrohres
ggf. unterschiedlichen Quer schnittes vorgesehen sein, mittels dem
eine gezielte Kühlwasserfühnung (split
cooling) darstellbar ist. Das Führungsrohr
kann einen durch das äußere Zylindergehäuse nach
außen
geführten Kühlwasser-Austrittsstutzen
aufweisen. Der Kühlwasseraustrittsstutzen
kann aber auch an der Hüllwand 20b nach
draußen
geführt
sein.
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Ferner
können
an den Zylinderliner 20 einen zusätzlichen Formschluss beim Eingießen herstellende
Rippen 20h (in 3 angedeutet) angegossen sein,
die sich beispielsweise ringförmig
um die Hüllwand 20b und
die Zylinderwände 20a erstrecken
und somit beim Umgießen
mit dem äußeren Zylindergehäuse 22 von
diesem umschlossen werden. Sofern für den Zylinderliner 20 keine
höherfeste
und tribologisch günstige übereutektische
Al-Si-Legierung verwendet ist, kann eine Laufflächenbeschichtung der Zylinder 14 verwendet
sein (z. B. durch Laser-Aufschmelzlegieren).