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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmaschinen vom
Hubkolbentyp, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf den "closed deck"-Dieseltyp, und befaßt sich mit dem Zylinderblock
und spezieller mit dem Zylinderlauf solcher Maschinen. Maschinen
des "closed deck"-Typs sind solche,
bei denen die Zylinderläufe
an beiden Enden einstückig
mit dem Restbereich des Blocks ausgebildet sind, wobei die obere
Fläche
des Blocks im wesentlichen eben und aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
bei der Herstellung durchgängig
von den Öffnungen,
die durch die Zylinder gebildet werden, getrennt ist. Die Erfindung
befaßt
sich im besonderen mit Maschinen des sogenannten "parent bore"-Typs, d.h. Maschinen, bei denen die
inneren Flächen
der Zylinder aus Elementen gebildet sind, die einstückig mit dem
Restbereich des Zylinderblockes sind, wobei die Zylinder keine Stahllaufhuchsen
oder dergleichen haben. Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Hubkolbenmaschine
mit einem Zylinderblock, der einen oder mehrere Zylinder aufweist,
wobei jeder Zylinder jeweils einen zugehörigen Kolben hin und her gehend
aufnimmt und jeweils durch einen Zylinder lauf definiert ist, der
mit dem Restbereich des Zylinderblocks einstöckig ausgebildet ist.
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Die
gegenwärtige
Tendenz bei der Dieselmaschinenentwicklung ist, einen ständig steigenden Maximaldruck
innerhalb der Zylinder einzusetzen. Es gibt auch kommerzielle Anforderungen,
leichteres und billigeres Metall für den Zylinderblock zu verwenden,
also z.B. eher Aluminium als Stahl.
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Der
durch die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches verursachte
Druck übt
sehr hohe Kräfte
auf die inneren Flächen
der Zylinderläufe aus,
insbesondere auf dessen obere Bereiche, wo der Druck am größten ist.
Dieser Druck neigt dazu, eine nach außen gerichtete Deformation
des Zylinderlaufs und in Extremfällen
sogar ein Reißen
oder Brechen zu verursachen. Diese Deformation führt zu einer Erhöhung des "blow-by", das heißt des Durchtritt
von Verbrennungsgasen an den Kolben vorbei in den unteren Bereich
der Zylinderläufe,
sowie einer Steigerung des Öl-"carry-over", das heißt des Ölvolumens,
das an den Kolbenringen vorbei in den Verbrennungsraum fließt und dann
zu einer Zunahme des Ölverbrauchs
und der Rauchemission der Maschine.
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All
diese Probleme werden zunehmend ernster im Hinblick auf die oben
genannten Entwicklungstrends, nämlich
dem Trend, leichteres Metall für
den Zylinderblock und die Läufe
zu verwenden, sowie dem Trend in Richtung größerer Zylinderdrucke und dem
Trend in Richtung "open
deck"-Zylinderblöcke.
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Es
ist natürlich
bekannt, daß diese
Probleme dadurch überwunden
werden können,
dass man Zylinderläufe
aus härterem,
steiferem Material, z.B. aus Stahl vorsieht, jedoch ist die Maschine
dann kein "parent
bore"-Typ und es
ist aufgrund des zusätzlichen Herstellungsaufwandes
sowie der Kosten und der sich ergebenen Erhöhung der Länge des Zylinderblocks nicht
erstrebenswert, solche Läufe
vorzusehen.
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Um
den oben genannten Problemen entgegenwirken zu können, ist als wünschenswert
bekannt, die Zylinderläufe
so dick wie möglich
und damit so steif wie möglich
auszubilden, damit sie besser in der Lage sind, dem inneren Druck,
dem sie ausgesetzt sind, standzuhalten und somit weniger der Verformung
ausgesetzt sind.
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Um
jedoch die Beständigkeit
der Kolben zu maximieren und die Verbrennungseigenschaften zu verbessern,
ist es wünschenswert,
die Zylinderläufe so
dünn wie
möglich
auszubilden, um den Anteil des Wärmeübergangs
der inneren Oberflächen
der Zylinderläufe
zu dem sie umgebenden Kühlwasser
zu maximieren. Es ist weiterhin unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung
des Maschinengewichtes erstrebenswert, die Zylinderläufe dünn auszugestalten.
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Diese
zwei sich widersprechenden Anforderungen haben in der Praxis immer
bedeutet, daß die Wanddicke
der Zylinderläufe
einen Kompromiß darstellt,
und dass die Dicke üblicherweise
7 % des Zylinderbohrungsdurchmessers beträgt.
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Die
EP 0911509 bezieht sich
auf ein nicht unähnliches
Problem, nämlich
das aus der Verformung der Zylinderläufe resultierende Problem,
das durch Lasten verursacht wird, die von Bolzen auf sie aufgebracht
werden, die den Zylinderkopf an dein Zylinderblock befestigen. Die
Antwort auf dieses Problem ist gemäß der vorherigen Veröffentlichung,
die Steilheit der Zylinderläufe
durch Anordnung von umlaufend beabstandeten, sich axial erstreckenden
Versteifungsrippen an der Außenseite
der Zylinderläufe
zu steigern. Die Kräfte,
die als Resultat des inneren Drucks auf die Zylinderläufe einwirken,
wirken natürlich
in eine andere Richtung als die, durch die Einwirkung der Befestigungsbolzen
verursachten, und es ist denkbar, daß eine ähnliche Lösung angewandt werden kann,
bei der eine Mehrzahl umlaufende Rippen in Form von Laufringen um
die äußere Fläche der
Zylinderläufe
angeordnet werden. Diese Rippen würden durch den Druck in den
Zylindern unter Zerreißbeanspruchung
stehen und ermöglichen,
daß die Zylinderläufe dein
Druck standhalten können.
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Jedoch
sind in dem vorherigen Dokument vier Versteifungsrippen an jedem
Zylinderlauf angeordnet, die sich nur über das obere Drittel ihrer
Höhe erstrecken.
Die zusätzliche
Masse und die Reduktion der Wärmeleitfähigkeit
der Zylinderläufe
sind daher vernachlässigbar.
Demgegenüber
ist eine umlaufende Rippe relativ lang, und es ist herausgefunden
worden, daß die
Anordnung einer Mehrzahl solcher langen Rippen in einem nicht akzeptablen
Ausmaß zu einer
Steigerung der Masse und einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit führt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maschine
des oben genannten Typs zu schaffen, bei der die Zylinderläufe dem
hohen inneren Druck, dein sie ausgesetzt sind, besser standhalten
können
und trotzdem nicht wesentlich schwerer als üblich sind und die Wärmeleitfähigkeit
nicht signifikant herabsetzen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Maschine des oben beschriebenen Typs dadurch
gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche jedes
Zylinderlaufs eine Mehrzahl von im wesentlichen umlaufenden Versteifungsrippen
trägt,
wobei jede Rippe eine Mehrzahl von längserstreckten Vorsprüngen aufweist,
die durch Lücken
beabstandet sind, und in Richtung der Länge des zugehörigen Zylinderlaufs gesehen
jeder Vorsprung in jeder Rippe fluchtend zu der Lücke in der
oder jeder benachbarten Rippe angeordnet ist.
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Folglich
weisen die Zylinderläufe
der erfindungsgemäßen Maschine
eine Reihe axial beabstandeter, im wesentlichen umlaufende Versteifungsrippen
auf. Diese Rippen verstärken
den Zylinderlauf und ermöglichen
ihm, den Kräften,
die durch den hohen Druck innerhalb des Zylinderlaufs auftreten, standzuhalten.
Die Rippen erhöhen
geringfügig
die Masse des Zylinderlaufs, wobei dieser Effekt jedoch extrem klein
ist. Die örtlich
erhöhte
Dicke der Zylinderläufe
neigt dazu, den Wärmetransport
durch den Zylinderläufe
zu dem Maschinenkühlmittel
im Bereich der Rippen zu reduzieren, wobei diesem Effekt jedoch
aufgrund des grösseren
Oberflächenbereichs der
Rippen in hohem Maße
entgegengewirkt wird. Zudem sind die Rippen nicht durchgehend, sondern bilden
eine Reihe längserstreckter
Vorsprünge,
die durch Lücken
beabstandet sind. Diese führen
zu einer Abnahme der Gewichtszunahme, die auftreten würde, wenn
die Rippen durchgehend ausgebildet wären. Weiterhin bedeutet die
Tatsache, daß die
Rippen nicht durchgehend sind, daß die Vorsprünge ebenfalls
Endoberflächen
aufweisen, die zu einer weiteren Zunahme des Wärmetransport zwischen den Zylinderläufen und
dein Kühlmittel
führen,
wodurch weiterhin die geringfügig
negativen Einflüsse der
Rippen auf den Wärmetransport
durch die Zylinderläufe
reduziert werden.
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Entgegen
der Annahme, daß das
Vorsehen von Lücken
in den Rippen dazu führt,
daß die
Rippen ihre Versteifungsfunktion nicht erfüllen können, ist herausgefunden worden,
daß dies
in der Praxis nicht der Fall ist und daß die Spannungsbeanspruchung, die
in den Rippen induziert wird, einem Zickzackweg folgt, das bedeutet
die Kraftlinien erstrecken sich in Längsrichtung durch die Vorsprünge, dann
axial durch den Zylinderlauf zu den benachbarten Vorsprüngen in
der Rippe auf der einen Seite oder beiden Seiten und dann zurück am Ende
der Rippe. Damit sichergestellt ist, daß der Kraftübergang zwischen den benachbarten
Rippen in wirksamer Weise eintritt, ist bevorzugt, daß die Vorsprünge länger als die
Lücken
sind und daß in
Richtung der Länge
der zugehörigen
Zylinderläufe
gese hen jeder Vorsprung eine Lücke
in der oder jeder benachbarten Rippe vollständig überlappt.
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Die
benachbarten Rippen können
genau umlaufend sein, das heißt
sie können
jede in einer Ebene, die rechtwinklig zu der Achse des zugehörigen Zylinders
ist, liegen. Jedoch können
sie zu der Umfangsrichtung bezogen auf die Achse des zugehörigen Zylinders
auch bis zu 45° geneigt
sein, z.B. 5° bis 25° und bevorzugt
15° bis
20°. In
diesem Fall können die
Rippen gänzlich
getrennt sein oder alternativ können
sie fortlaufend sein und eine einzelne Spiralrippe bilden.
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Es
ist anerkannt, daß der
Druck innerhalb des oder jedes Zylinderlaufs ein Maximum einnimmt, wenn
der Kolben relativ dicht an dem oberen Todpunkt während eines
Arbeitshubs des Kolbens ist, und progressiv abnimmt, wenn der Kolben
sich in Richtung des unteren Todpunkts bewegt. Das bedeutet, daß der Bereich
des Zylinderlaufs, der am weitesten von der Kurbelwelle entfernt
ist, mit der die Kolben in der Praxis durch zugehörige Pleuelstangen verbunden
sind, dem Druck stärker
ausgesetzt ist, als der Bereich der Zylinderläufe, die dichter an der Kurbelwelle
sind. Das bedeutet, daß die
benötigte Versteifung
der Zylinderläufe
progressiv in Richtung der Kurbelwelle abnimmt und daß überhaupt
keine Versteifung in dein Bereich der Zylinderläufe benötigt wird, der am dichtesten
bei der Kurbelwelle liegt. Die Versteifungsrippen sind daher vorzugsweise
nur auf dem Bereich der Zylinderläufe angeordnet, der am weitesten
von der Kurbelwelle entfernt ist, z.B. im oberen Drittel oder der
oberen Hälfte
jedes Zylinderlaufs, wobei die radiale Dicke benachbarter Rippen bezogen
auf die Achse des zugehörigen
Zylinders vorzugsweise in Richtung zur Kurbelwelle progressiv abnimmt.
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Weitere
Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen,
bei denen:
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1 eine axiale Schnittansicht
der Linie I-I in 3 eines
Zylinders und dem zugehörigen
Kolben einer Mehrzylindermaschine gemäß der Erfindung ist;
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2 eine geschnittene Draufsicht
eines halben in 1 dargestellten
Zylinders ist, mit dem Kolben an dem unteren Todpunkt; und
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3 eine Teilansicht eines
Bereichs des Zylinderlaufs ist, dargestellt in den 1 und 2,
entlang der Linie III-III in 2.
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Die
in den Zeichnungen dargestellte Maschine weist mehrere Zylinder 2 in
einem Zylinderblock 4 auf, die mit einem Zylinderkopf 6 verbunden
sind. Jeder Zylinder ist durch einen zugehörigen Zylinderlauf 8 definiert,
der einstöckig
mit dem Zylinderblock ist. Die Zylinderlauf beinhaltet keine Laufbuchsen
oder dergleichen und die Maschine ist daher vom "parent bore"-Typ. Jeder Zylinder nimmt einen hin
und her gehenden Kolben 10 auf, wobei die Kolben über zugehörige Pleuelstangen
(nicht dargestellt) mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (ebenfalls
nicht dargestellt) verbunden sind. In der oberen Fläche des
Kolbens 10 ist in diesem Fall eine Aussparung 15 definiert,
die eine Verbrennungskammer ausbildet. Zwischen jedem Zylinderlauf 8 und
der benachbarten Außenwand
des Zylinderblocks 4 ist ein Raum 14, in dem im
Betrieb Kühlmittel,
gewöhnlich
auf Wasserbasis, zirkuliert wird, um die Wärme abtransportieren zu können und
somit den Zylinder zu kühlen.
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Um
den oberen Bereich des Zylinderlaufs zu versteifen und zu ermöglichen,
daß der
Zylinderlauf hinreichend in der Lage ist, den hohen Kräften standzuhalten,
denen er durch die Hochdruck-Brenngase in sich ausgesetzt ist, ist
jeder Zylinderlauf in seinem oberen Drittel bis zur Hälfte der äußeren Oberfläche mit
einer Mehrzahl axial beabstandeter, im wesentlichen umlaufender
Versteifungsrippen versehen. Jede Rippe weist, gesehen in Richtung
der Zylinderachse, im wesentlichen eine Kreisringform auf, die sich
in einer Ebene rechtwinklig zu der zugehörigen Zylinderachse erstrecken
könnte,
sich im vorliegenden Fall jedoch in einem Winkel von ca. 15° zu der Zylinderachse,
das heißt
zu der Umfangsrichtung, erstreckt. Jede Rippe ist nicht durchgängig ausgebildet und
weist eine Mehrzahl längserstreckter
Vorsprünge 12 auf,
die durch Lücken 14 voneinander
beabstandet sind. Die Vorsprünge 12 sind
in Umfangsrichtung länger
als die Lücken 14,
in vorliegenden Fall ungefähr
zweimal so lang. In einem typischen Beispiel ist jeder Vorsprung
ungefähr
30 mm lang und 3 mm breit, wobei die Lücken typischerweise nur 15
mm lang sind. Benachbarte Rippen sind in diesem speziellen Beispiel
mit ungefähr
3 mm bis 8 mm in axialer Richtung voneinander beabstandet. Da der
innere Druck in dem Zylinder mit zunehmendem Abstand von der Kurbelwelle
ansteigt, hat die Rippe, die am weitesten von der Kurbelwelle entfernt
ist, die größte Dicke,
das heißt
die Erstreckung in radialer Richtung, und die Rippen darunter, das
heißt
dichter an der Kurbelwelle sind, haben eine progressiv abnehmende
Dicke. In einem besonderen Beispiel hat die dickste Rippe eine Dicke
von 4 mm, wohingegen die dünnste
Rippe, d.h. die Rippe, die am dichtesten an der Kurbelwelle liegt,
eine Dicke von nur 1 mm hat.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Hubkolbenmaschine
mit einem Zylinderblock, der einen oder mehrere Zylinder aufweist,
wobei jeder Zylinder jeweils einen zugehörigen Kolben hin und her gehend
aufnimmt und jeweils durch einen Zylinderlauf definiert ist, der
mit dem Restbereich des Zylinderblocks einstöckig ausgebildet ist. Die äussere Oberfläche eines
jeden Zylinderlaufs trägt
eine Mehrzahl von im wesentlichen umlaufenden, unterbrochenen Versteifungsrippen,
wobei jede Rippe eine Mehrzahl längserstreckter
Vorsprünge
aufweist, die durch Lücken
voneinander beabstandet sind. Jeder Vorsprung in jeder Rippe ist
in Richtung der Länge
des zugehörigen
Zylinderlauf gesehen fluchtend zu einer Lücke der oder jeder benachbarten
Rippe angeordnet.