DE112013005725T5

DE112013005725T5 - Motorzylinder- und Laufbuchsenbaugruppe

Info

Publication number: DE112013005725T5
Application number: DE112013005725.5T
Authority: DE
Inventors: John Purcell; John C. Wall; Aaron Quinton; Nathaniel P. Hassall
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-08-13
Also published as: US20160273480A1; CN104813013B; BR112015011550A2; CN104813013A; WO2014085294A1

Abstract

In diesem Dokument ist ein Verbrennungsmotor offenbart, der einen Zylinder mit einem Mid-Stop-Vorsprung und einer innerhalb des Zylinders positionierten Laufbuchse umfasst. Die Laufbuchse umfasst einen auf dem Mid-Stop-Vorsprung abgestützten Sitz. Weiterhin legt die Laufbuchse einen Kolbenkanal fest. Der Motor umfasst außerdem einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse. Der Kühlmittelkanal ist oberhalb des Mid-Stop-Vorsprungs und des Sitzes angeordnet. Zusätzlich umfasst der Motor einen Kolben mit einem Kopfteil und einem Schaftteil. Der Kolben ist innerhalb des Kolbenkanals zwischen einer obersten Position und einer untersten Position bewegbar. In der obersten Position ist der Schaftteil des Kolbens unter dem Mid-Stop-Vorsprung und dem Sitz positioniert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/732,094, eingereicht am 30. November 2012, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
BEREICH
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Verbrennungsmotoren und insbesondere Zylinder und zugehörige Laufbuchsen von Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Die Einbindung austauschbarer Zylinderlaufbuchsen in die Konstruktion eines Verbrennungsmotors bietet zahlreiche Vorteile für Hersteller und Benutzer solcher Motoren zusätzlich zu dem offensichtlichen Vorteil, dass es möglich ist, diese Laufbuchsen bei einer Überholung des Motors auszutauschen. Beispielsweise beseitigen Zylinderlaufbuchsen die Notwendigkeit der Entsorgung eines gesamten Motorblocks während der Herstellung, falls die Innenfläche eines Zylinders falsch bearbeitet worden sein sollte. Trotz dieses und anderer Vorteile treten bei der Verwendung austauschbarer Zylinderlaufbuchsen zahlreiche Probleme auf, was durch die große Vielfalt an bisher durch Motorhersteller verwendeten Laufbuchsenkonstruktionen beispielhaft dargestellt wird. Obwohl jede der bisher bekannten Laufbuchsenkonstruktionen verschiedene nachweisbare Vorteile aufweist, scheint keine einzige Konstruktion optimal zu sein.
Bei einigen herkömmlichen Laufbuchsen- und Zylinderkonfigurationen wird ein Mid-Stop eingesetzt, auf dem ein in der Laufbuchse ausgebildeter Sitz ruht. Obwohl diese Mid-Stops das Festhalten der Laufbuchsen in ihrer Position während der Verwendung unterstützen, ist ein bedeutender Zylinderverzug an der Grenzfläche zwischen Mid-Stop und Laufbuchsensitz während des Betriebs des Motors feststellbar. Der Verzug des Zylinders kann Auswirkungen auf einen Schaftbereich des Kolbens haben, was zu Verschleiß und Verformung des Kolbens führt.
Sogenannte nasse Zylinderlaufbuchsenkonfigurationen umfassen Kühlmittel zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderblock. Obwohl Kühlmittel die Verringerung der Betriebstemperatur der Laufbuchse und der Arbeitszylinder unterstützt, kann Kühlmittel kavitieren und die Laufbuchse aufgrund einer Kolbendruck-Zwangsfunktion erodieren.
KURZDARSTELLUNG
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wurde als Reaktion auf den Stand der Technik und insbesondere als Reaktion auf die Probleme und Bedürfnisse von Motorzylindern und Laufbuchsen entwickelt, die bis jetzt durch aktuell verfügbare Motorkonfigurationen nicht vollständig gelöst wurden. Dementsprechend wurde der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung entwickelt, um eine Motorzylinder- und Laufbuchsenbaugruppe zu entwickeln, die viele Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verbrennungsmotor einen Zylinder mit einem Mid-Stop-Vorsprung und einer innerhalb des Zylinders positionierten Laufbuchse. Die Laufbuchse umfasst einen auf dem Mid-Stop-Vorsprung abgestützten Sitz. Weiterhin legt die Laufbuchse einen Kolbenkanal fest. Der Motor umfasst außerdem einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse. Der Kühlmittelkanal ist oberhalb des Mid-Stop-Vorsprungs und des Sitzes angeordnet. Zusätzlich umfasst der Motor einen Kolben mit einem Kopfteil und einem Schaftteil. Der Kolben ist innerhalb des Kolbenkanals zwischen einer obersten Position und einer untersten Position bewegbar. In der obersten Position ist der Schaftteil des Kolbens unter dem Mid-Stop-Vorsprung und dem Sitz positioniert.
In einigen Implementierungen des Motors übt der Kolben einen Spitzenseitendruck innerhalb einer Spitzendruckzone auf die Laufbuchse aus. Die Spitzendruckzone ist unter dem Mid-Stop-Vorsprung und dem Sitz angeordnet. Gemäß bestimmten Implementierungen ist eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals über dem Mid-Stop-Vorsprung und dem Sitz positioniert.
In bestimmten Implementierungen des Motors kann der Kühlmittelkanal einen ringförmigen Raum umfassen, der sich in Umfangsrichtung um den Zylinder herum erstreckt. Der Kühlmittelkanal kann zumindest teilweise durch einen in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt sein. Der Motor kann weiterhin einen Motorblock umfassen, der den Zylinder festlegt. Der Kühlmittelkanal kann zumindest teilweise durch einen in dem Motorblock ausgebildeten Kanal festgelegt sein. In einigen Implementierungen ist der Kühlmittelkanal zwischen dem in dem Motorblock ausgebildeten Kanal und dem in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt.
Gemäß einigen Implementierungen des Motors ist eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert, wobei der Abstand weniger als etwa 60 % einer Gesamtlänge des Kolbens beträgt. Dieser Abstand kann weniger als etwa 40 % der Gesamtlänge des Kolbens betragen. In einigen Implementierungen des Motors ist eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert, wobei der Abstand weniger als eine Höhe eines Kopfteils des Kolbens beträgt.
In bestimmten Implementierungen des Motors weist ein Umfang des Kopfteils einen Durchmesser auf, der geringer als ein Durchmesser eines Umfangs des Schaftteils ist. Die Höhe des Schaftteils kann zwischen etwa 40 % und etwa 60 % einer Gesamthöhe des Kolbens betragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Verbrennungszylinderbaugruppe für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolben offenbart, der innerhalb der Verbrennungszylinderbaugruppe oszilliert und einen Spitzenseitendruck innerhalb einer Spitzendruckzone ausübt. Die Baugruppe umfasst einen Zylinder mit einem Mid-Stop und einer innerhalb des Zylinders positionierten Laufbuchse. Die Laufbuchse umfasst einen auf dem Mid- Stop abgestützten Sitz. Die Baugruppe umfasst außerdem einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse. Der Kühlmittelkanal ist oberhalb des Mid-Stops und des Sitzes angeordnet. Die Spitzendruckzone ist unter dem Mid-Stop und dem Sitz angeordnet.
In einigen Implementierungen der Baugruppe umfasst der Kolben einen Kopfteil und einen Schaftteil. Der Kolben oszilliert innerhalb der Verbrennungszylinderbaugruppe zwischen der obersten und untersten Position. Die Baugruppe ist derart konfiguriert, dass wenn sich der Kolben in der obersten Position befindet, der Schaftteil unter dem Mid-Stop und dem Sitz positioniert ist.
Gemäß bestimmter Implementierungen der Baugruppe ist der Kühlmittelkanal mindestens teilweise durch einen in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt. Der in der Laufbuchse ausgebildete Kanal ist mit einem in einem Motorblock des Verbrennungsmotors ausgebildeten Kanal ausgerichtet, wenn der Sitz der Laufbuchse auf dem Mid-Stop des Zylinders abgestützt ist.
In noch weiteren bestimmten Implementierungen der Baugruppe ist eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert. Dieser Abstand kann weniger als etwa 40 % einer Gesamtlänge des Kolbens betragen.
In einigen Implementierungen der Baugruppe ist eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert. Dieser Abstand kann weniger als eine Höhe eines Kopfteils des Kolbens betragen.
Gemäß noch einiger weiterer Implementierungen der Baugruppe ist eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert. Dieser Abstand kann weniger als etwa 60 % einer Gesamtlänge des Kolbens betragen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verbrennungsmotor einen Zylinder mit einem Mid-Stop-Vorsprung. Der Mid-Stop-Vorsprung ist in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert. Der Motor umfasst weiterhin eine innerhalb des Zylinders positionierte Laufbuchse. Die Laufbuchse umfasst einen auf dem Mid-Stop-Vorsprung abgestützten Sitz. Die Laufbuchse legt einen Kolbenkanal fest. Zusätzlich umfasst der Motor einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse. Der Kühlmittelkanal ist zwischen dem Oberteil des Zylinders und dem Mid-Stop und dem Sitz angeordnet. Der Motor umfasst auch einen innerhalb des Kolbenkanals bewegbaren Kolben. Der Kolben weist eine Gesamtlänge auf. Der Abstand beträgt weniger als etwa 60 % der Gesamtlänge des Kolbens.
Die beschriebenen Merkmale, Strukturen, Vorteile und/oder Charakteristika des Gegenstandes der vorliegenden Offenbarung können auf jede geeignete Art in einer oder mehreren Ausführungsformen und/oder Implementierungen kombiniert werden. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details bereitgestellt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute auf dem relevanten Gebiet werden erkennen, dass der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ohne eines oder mehrere der spezifischen Merkmale, Details, Komponenten, Materialien und/oder Verfahren einer bestimmten Ausführungsform oder Implementierung in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen können zusätzliche Merkmale und Vorteile in bestimmten Ausführungsformen und/oder Implementierungen erkannt werden, die möglicherweise nicht in allen Ausführungsformen oder Implementierungen vorhanden sind. Weiterhin sind in einigen Fällen bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht detailliert dargestellt oder beschrieben, um die Verdeckung von Aspekten des Gegenstandes der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden. Die Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der vorliegenden Offenbarung werden an Hand der nachfolgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche vollständig offensichtlich oder können mittels der praktischen Umsetzung des Gegenstandes wie nachfolgend beschrieben angeeignet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Vorteile des Gegenstandes leichter verständlich werden, wird eine detailliertere Beschreibung des vorstehend kurz beschriebenen Gegenstandes unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen bereitgestellt, die in den angehängten Zeichnungen veranschaulicht sind. Mit dem Verständnis, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen des Gegenstandes darstellen und daher nicht als dessen Umfang begrenzend anzusehen sind, wird der Gegenstand mit zusätzlicher Genauigkeit und Detailliertheit durch die Verwendung der Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Zylinder- und Laufbuchsenbaugruppe eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Zylinder- und Laufbuchsenbaugruppe eines Verbrennungsmotors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
3 ist eine perspektivische Querschnittsansicht einer Zylinder- und Laufbuchsenbaugruppe eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit der Bezugnahme in dieser gesamten Schrift auf „eine Ausführungsform“, „eine der Ausführungsformen“ oder ähnliche Begriffe ist gemeint, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Charakteristik in Verbindung mit der Ausführungsform in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Vorkommnisse der Formulierungen „in einer Ausführungsform“, „in einer der Ausführungsformen“ und ähnliche Begriffe können sich, dies jedoch nicht notwendigerweise, alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen. Auf ähnliche Weise bedeutet die Verwendung des Begriffs „Implementierung“ eine Implementierung, die ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Charakteristik aufweist, die in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird/werden, wobei jedoch ohne ausdrückliche Korrelation, etwas Anderes anzugeben, eine Implementierung einer oder mehreren Ausführungsformen zugeordnet sein kann.
Im Allgemeinen wird gemäß einigen Ausführungsformen in diesem Dokument eine Motorzylinder- und Laufbuchsenbaugruppe beschrieben, bei der ein kürzerer Kühlmittelmantel verwendet wird, um einen in dem Motorblock ausgebildeten Mid-Stop höher als bei herkömmlichen Zylinderkonfigurationen zu positionieren. Durch die höhere Positionierung des Mid-Stops ist die Grenzfläche von Mid-Stop und Laufbuchsensitz über dem Schaftprofilbereich des Kolbens angeordnet. Dementsprechend wird der Schaftprofilbereich des Kolbens nicht durch den während des Motorbetriebs an der Grenzfläche von Mid-Stop und Laufbuchsensitz erfahrenen Zylinderverzug beeinflusst. Darüber hinaus sind eine Gesamtheit des Kühlmittelmantels (z. B. der unterste Punkt des Kühlmittelmantels) und die Grenzfläche von Mid-Stop und Laufbuchsensitz über einer Spitzen-Kolbendruckzone angeordnet, wodurch sich die Kavitationserzwingungsanomalie verringert, die mit der Implementierung herkömmlicher Kühlmittelmäntel in Zusammenhang steht. Darüber hinaus kann die Kürzung des Kühlmittelmantels und die höhere Positionierung der Grenzfläche von Mid-Stop und Laufbuchsensitz zu Verbesserungen der Kolbenlebensdauer, NVH (Noise, Vibration, Harshness = unerwünschte Nebengeräusche), Ölverbrauch, Kolbenschlag und Fressen führen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Ausführungsform eines Motors 10 dargestellt. Der Motor 10 umfasst einen Motorblock 12 mit einem Zylinder 14. Der Zylinder 14 umfasst eine Innenwand, die einen Zylinder- oder Verbrennungshohlraum 16 festlegt. Ein Mid-Stop oder Vorsprung 18 ist in der Innenwand ausgebildet. Der Mid-Stop 18 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Zylinder herum und trennt den Zylinderhohlraum 16 in einen oberen Abschnitt über dem Mid-Stop und einen unteren Abschnitt unter dem Mid-Stop. Der obere Abschnitt weist einen größeren Durchmesser als der untere Abschnitt auf. Der Mid-Stop 18 erstreckt sich in den Verbrennungshohlraum und umfasst eine Stützfläche, die zur Abstützung einer Passfläche eines in einer Zylinderlaufbuchse 26 ausgebildeten Sitzes 28 konfiguriert ist. Wie in diesem Dokument definiert, bedeutet „unter“ vertikal unterhalb während einer normalerweise aufrechten Position des Motors relativ zu einer horizontalen Fläche.
Die Zylinderlaufbuchse 26 ist so bemessen und geformt, dass sie nestbar zu dem Zylinder 14 passt. Dementsprechend umfasst die Zylinderlaufbuchse 26 ein im Allgemeinen zylindrisch geformtes Rohr mit einer Außenfläche, die im Wesentlichen zu der Innenwandfläche des Zylinders 14 passt. Die Zylinderlaufbuchse 26 umfasst eine gegenüberliegende Innenfläche 27, die den Kanal in dem Zylinderhohlraum festlegt, entlang welchem sich ein Kolben 20 während des Betriebs des Motors 10 bewegt. Der Kanal ist koextensiv zu dem Zylinderhohlraum 16. Der durch die gegenüberliegende Innenfläche 27 festgelegte Kanal ist zylindrisch und so bemessen, dass er im Wesentlichen zu (z. B. etwas kleiner als eine Presspassung mit) der Außenfläche des Kolbens 20 passt. Die Bewegung des Kolbens 20 innerhalb des Laufbuchsenkanals wird durch ein Verbrennungsereignis innerhalb des Verbrennungshohlraums 16 über dem Kolben angetrieben. Der Sitz 28 der Laufbuchse 26 erstreckt sich umfangsmäßig um die Laufbuchse herum. Der Sitz 28 ruht auf dem Mid-Stop 18 und wird von diesem abgestützt. Dementsprechend umfassen Mid-Stop 18 und Sitz 28 jeweils Passflächen. Obwohl nicht dargestellt, sind eine Kopfdichtung und ein Zylinderkopf oben auf dem Zylinder montiert und weisen eine Presspassung gegen den Zylinder auf, wodurch ein Druck auf den Mid-Stop 18 durch den Sitz 28 aufgebracht wird.
Der Kolben 20 umfasst einen Kopfteil 21 und einen Schaftteil 23. Wie dargestellt, belegt der Kopfteil 21 eine Höhe H₂ der Gesamthöhe des Kolbens 20 und der Schaftteil 23 belegt eine verbleibende Höhe H₃ des Kolbens. In einigen Implementierungen ist der Umfang oder Durchmesser des Kopfteils 21 etwas geringer als der Umfang oder Durchmesser des Schaftteils 23. Dementsprechend neigt der Kopfteil 21 dazu, die Laufbuchse 26 weniger zu berühren und dagegen zu verschleißen als das Schaftteil 23. Auf diese Weise wirkt der Schaftteil 23 dahingehend mehr als das Kopfteil 21 dazu, den Kolben 20 durch den Verbrennungshohlraum 16 zu führen, auszurichten und/oder zu stabilisieren. Der Schaftteil 23 und die Laufbuchse 26 sind durch eine Grenzfilmschmierungsschicht getrennt, die sehr empfindlich für einen Mikroverzug der Laufbuchsenfläche 27 ist. Dementsprechend kann ein Mikroverzug der Laufbuchsenfläche 27 zu einer Durchdringung der Grenzfilmschmierungsschicht führen, was zu einer Erhöhung des Verschleißes von Schaftteil 23 und Laufbuchse 26 führen kann. Aus diesem Grund ist der Schaftteil 23 durch eine häufigere und intensive Belastung der Grenzfilmschmierungsschicht verschleißanfälliger, was zu Kontakt mit der Wand der Laufbuchse führen kann, wenn der Kolben 20 innerhalb des Verbrennungshohlraums 16 oszilliert. Deshalb ist gemäß einer Definition der Schaftteil 23 des Kolbens 20 der Teil des Kolbens, der die Innenfläche 27 der Laufbuchse 26 durch die Grenzfilmschmierungsschicht aktiv belastet. Die Gesamthöhe des Kolbens 20 kann gleich der Höhe H₂ des Kopfteils 21 plus der Höhe H₃ des Schaftteils 23 sein. In einigen Implementierungen beträgt das Verhältnis der Höhe H₃ des Schaftteils 23 und der Gesamthöhe des Kolbens 20 weniger als zwischen etwa 0,4 und etwa 0,6. In einer Implementierung beträgt das Verhältnis der Höhe H₃ des Schaftteils 23 und der Gesamthöhe des Kolbens 20 etwa 0,5.
Im Allgemeinen ist der Kopfteil 21 im Gegensatz zum Führen des Kolbens 20 durch den Verbrennungshohlraum 16 konfiguriert, um Öl von der Laufbuchse 26 abzustreifen und eine Dichtung zwischen dem Kolben und der Laufbuchse zu fördern. Zu diesem Zweck umfasst der Kopfteil 21 einen Abstreifring 24A und eine Reihe von Abdichtelementen oder -ringen 24B–C, die um den Umfang des Kopfteils des Kolbens herum positioniert sind. Die Ringe 24A–C sind innerhalb von in dem Kopfteil 21 ausgebildeten Umfangsnuten positioniert. Der Abstreifring 24A kann U-förmig und so konfiguriert sein, dass er Öl von der Innenfläche 27 der Laufbuchse 26 abstreift. Die Abdichtringe 24B–C erzeugen eine Dichtung zwischen dem Kolbenkopf und der Innenfläche 27 der Laufbuchse 26 um zu verhindern, dass Vorverbrennungs- und Nachverbrennungsbestandteile zwischen Kolbenkopf und Laufbuchse hindurchgehen. Der Kolben 20 treibt eine Kurbelwelle mit einer Drehbewegung über eine Verbindungsstange 22 an, die den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet.
Die Zylinderlaufbuchse 26 kann so konfiguriert sein, dass sie entlang des größten Teils der Länge der Zylinderlaufbuchse in direktem Flächen-zu-Flächen-Kontakt mit der Innenfläche des Zylinders 14 steht. Der Zylinderblock 12 umfasst jedoch einen Kühlmittelkanal 30, der sich in Umfangsrichtung um einen Teil der Laufbuchse 26 zwischen der Laufbuchse und dem Zylinder 14 erstreckt. Der Kühlmittelkanal 30 umfasst ein Kühlmittel wie z. B. Wasser, welches durch den Kühlmittelkanal über eine Pumpe oder eine andere angetriebene Vorrichtung umgewälzt wird. Wärme vom Verbrennungsprozess wird durch die Laufbuchse 26 in das in dem Kühlmittelkanal 30 enthaltene Kühlmittel übertragen. Bei einigen Implementierungen wird ein Teil der Wärme durch den Kolben 20 übertragen, bevor er zu der Laufbuchse 26 und in den Kühlmittelkanal 30 übertragen wird. Wenn das Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal 30 umgewälzt wird, wird die übertragene Wärme von dem Zylinderbereich abgeführt. Auf diese Weise ist der Kühlmittelkanal 30 so konfiguriert, dass er die Wärmeübertragung von dem Zylinder 14 fördert und die Temperatur der mit dem Zylinder zusammenhängenden Arbeitskomponenten, wie z. B. Zylinderblock 12, Kolben 20 und Laufbuchse 26 verringert. Um ein Austreten von Kühlmittel aus dem Kühlkanal 30 entlang der Länge des Zylinders 14 zwischen der Laufbuchse 26 und dem Zylinderblock zu vermeiden, kann ein Abdichtelement 36 zwischen Laufbuchse und Zylinderblock positioniert werden.
Im Wesentlichen weist der Kühlkanal 30 eine Taschen- oder Mantelform zwischen Laufbuchse 26 und Zylinder 14 auf. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Kühlmittelkanal 30 zwischen einem in der Innenwand des Zylinders 14 ausgebildeten Kanal 32 und einem in einer Außenfläche der Laufbuchse 26 ausgebildeten Kanal 34 festgelegt. Dementsprechend sind Kanal 32 und Kanal 34 so ausrichtbar, dass sie zusammenwirkend dazwischen den Kühlmittelkanal 30 ausbilden.
Unter Bezugnahme auf 2 weist der Kühlmittelkanal 30 eine Höhe (oder Länge) H₁ auf, die sich von einem oberen Ende zu einem unteren Ende des Kühlmittelkanals erstreckt. Die Höhe H₁ des Kühlmittelkanals 30 ist relativ klein im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmittelkanälen. Aufgrund der geringeren Höhe H₁ des Kühlmittelkanals 30 kann die unterste Ausdehnung des Kühlmittelkanals 30 im Vergleich zu herkömmlichen Konfigurationen dementsprechend höher an dem Verbrennungszylinder 14 (d. h. näher an dem Oberteil 19 des Verbrennungshohlraums 16) angeordnet sein. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die unterste Ausdehnung des Kühlmittelkanals 30 in einem Abstand D₁ von dem Oberteil 19 des Verbrennungshohlraums 16 entfernt angeordnet, was der obersten Position einer oberen Fläche 29 des Kolbens 20 entspricht (z. B. wenn sich der Kolben 20 im oberen Totpunkt (TDC) befindet (siehe 2)).
Wenn der Kühlmittelkanal 30 höher am Zylinder 14 positioniert ist, kann auch der Zylinder-Mid-Stop 18 höher am Zylinder angeordnet sein. Im Allgemeinen sollte der Kühlmittelkanal 30 nicht radial die Grenzfläche von Zylinder-Mid-Stop 18 und Laufbuchsensitz 28 überlappen. Dementsprechend ist die Axialposition der Grenzfläche durch die Axialposition des Kühlmittelkanals 30 begrenzt. Durch die höhere Positionierung des Kühlmittelkanals 30 wird Raum höher am Zylinder 14 geschaffen, in dem die Grenzfläche von Zylinder-Mid-Stop 18 und Laufbuchsensitz 28 positioniert sein kann. Einige Zylinderkonfigurationen weisen längere Kühlmittelkanäle auf, sodass die Grenzfläche zwischen Mid-Stop und Laufbuchsensitz niedriger am Zylinder positioniert ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Grenzfläche (und z. B. ein unterster Punkt des Kühlmittelkanals (z. B. die Gesamtheit des Kühlmittelkanals)) nicht mehr als einen Abstand D₂ von dem Oberteil 19 des Verbrennungshohlraums 16 entfernt positioniert. Der Abstand D₁ ist geringer als der Abstand D₂. In einigen Ausführungsformen beträgt der Abstand D₂ weniger als etwa 60 % der Gesamtlänge des Kolbens 20. In einigen Implementierungen beträgt der Abstand D₂ weniger als etwa 40 % der Gesamtlänge des Kolbens 20.
Wie in 2 dargestellt, ist der Schaftteil 23 des Kolbens unter der Grenzfläche positioniert, da die Grenzfläche von Zylinder-Mid-Stop 18 und Laufbuchsensitz 28 höher am Zylinder 14 positioniert ist, wenn sich der Kolben 20 in seiner obersten Position (z. B. oberer Totpunkt (TDC)) befindet. In anderen Worten ausgedrückt überlappt die Grenzfläche von Mid-Stop und Laufbuchsensitz radial keinen Teil des Schaftteils 23 des Kolbens 20, wenn sich der Kolben in seiner höchsten Position befindet. Dementsprechend überlappt die Grenzfläche von Zylinder-Mid-Stop 18 und Laufbuchsensitz 28 den Schaftteil 23 während eines vollständigen Oszillationszyklus des Kolbens 20 innerhalb des Verbrennungshohlraums 16 niemals radial. Daher kommt der Teil des Kolbens 20, der am meisten für Verschleiß und Ermüdung anfällig ist (d. h. der Schaftteil 23), nicht mit dem Teil des Zylinders in Kontakt, der am anfälligsten dafür ist, Verschleiß und Ermüdung an dem Kolben aufgrund von Verzug zu bewirken (d. h. die Grenzfläche von Zylinder-Mid-Stop 18 und Laufbuchsensitz 28). Im Allgemeinen beträgt der Abstand D₂ in einigen Ausführungsformen weniger als die Höhe H₂ des Kopfteils 21 des Kolbens 20.
Da die Grenzfläche von Zylinder-Mid-Stop 18 und Laufbuchsensitz 28 den Schaftteil 23 niemals radial überlappen, ist eine auf der Innenfläche 27 der Laufbuchse 26 festgelegte Spitzendruckzone 40 unter dem Kühlmittelkanal 30 positioniert (siehe z. B. 3). Der maximale Seitendruck des Schaftteils 23 in die Innenfläche 27 der Laufbuchse 26 tritt innerhalb der Spitzendruckzone 40 auf. Wie oben abgehandelt, ist die Spitzendruckzone für herkömmliche Zylinderkonfigurationen an einen Kühlmittelmantel angrenzend angeordnet, wodurch eine starke Neigung zur Kavitation innerhalb des Kühlmittelmantels eingebracht wird. Da die Spitzendruckzone 40 deutlich unter der Grenzlinie 54 des Kühlmittelkanals 30 angeordnet ist, wird Kavitation bei dem Kühlmittelkanal bei der vorliegenden Zylinderkonfiguration vermieden. Da die Spitzendruckzone 40 unterhalb der Grenzlinie 52 der Grenzfläche von Mid-Stop und Laufbuchsensitz angeordnet ist, wird weiterhin bedeutender Verschleiß am Kolben 20 aufgrund von Zylinderverzug innerhalb der Spitzendruckzone eliminiert. Zusätzlich ist bei einigen Implementierungen die Spitzendruckzone 40 unter der unteren Grenzlinie 50 des Abdichtelements angeordnet. Dementsprechend wird eine Leistungsverschlechterung des Abdichtelements 36 aufgrund von Spitzendrucklasten, die auf das Abdichtelement aufgebracht werden, vermieden.
Wenn in dieser Schrift eine Bezugnahme auf Merkmale, Vorteile erfolgt, oder bei ähnlichen Formulierungen, dann impliziert dies nicht, dass alle der Merkmale und Vorteile, die mit dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung realisiert werden können, in einer einzelnen Ausführungsform enthalten sein sollten oder sind. Vielmehr werden Formulierungen mit Bezugnahme auf Merkmale und Vorteile dahingehend verstanden, dass ein spezifisches Merkmal, ein Vorteil oder eine Charakteristik, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher kann sich eine Abhandlung der Merkmale und Vorteile sowie ähnliche Formulierungen in dieser gesamten Schrift auf dieselbe Ausführungsform beziehen, muss es aber nicht.
In der obigen Beschreibung können bestimmte Begriffe wie „oben“, „unten“, „oberer“, „unterer“, „horizontal“, „vertikal“, „links“, „rechts“ und dergleichen verwendet werden. Diese Begriffe werden, wo sie anwendbar sind, verwendet, um der Beschreibung mehr Klarheit zu verleihen, wenn es um relative Beziehungen geht. Diese Begriffe sollen jedoch keine absoluten Beziehungen, Positionen und/oder Ausrichtungen implizieren. So kann beispielsweise im Verhältnis zu einem Gegenstand eine „obere“ Fläche einfach dadurch eine „untere“ Fläche werden, wenn der Gegenstand umgedreht wird. Dennoch handelt es sich immer noch um denselben Gegenstand. Weiterhin bedeuten die Begriffe „einschließend“, „umfassen“, „aufweisend“ und Varianten davon „umfassend, aber nicht begrenzt auf“, außer wenn ausdrücklich anders angegeben. Eine nummerierte Liste von Punkten impliziert nicht, dass einer oder alle Punkte gegenseitig ausschließend und/oder gegenseitig einschließend sind, außer wenn ausdrücklich anders angegeben. Die Begriffe „einer/eine/ein“ und „der/die/das“ beziehen sich auch auf „einer/eine oder mehrere“, außer wenn ausdrücklich anders angegeben.
Zusätzlich können Fälle in dieser Schrift, in denen ein Element mit einem anderen Element „verbunden“ ist, eine direkte und indirekte Verbindung umfassen. Eine direkte Verbindung kann als ein Element definiert werden, welches mit einem anderen Element verbunden ist und damit in einem gewissen Kontakt steht. Eine indirekte Verbindung kann als eine Verbindung zwischen zwei Elementen definiert werden, die nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, jedoch eines oder mehrere zusätzliche Elemente zwischen den verbundenen Elementen aufweisen. Weiterhin kann entsprechend der Verwendung in diesem Dokument die Befestigung eines Elements an einem anderen Element eine direkte Befestigung und eine indirekte Befestigung umfassen. Zusätzlich bezeichnet „angrenzend an“ entsprechend der Verwendung in diesem Dokument nicht notwendigerweise Kontakt. Beispielsweise kann ein Element an ein anderes Element angrenzen, ohne mit diesem Element in Kontakt zu stehen.
Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet die Formulierung „mindestens einer/eine/eines von“, wenn sie in einer Liste von Punkten verwendet wird, dass unterschiedliche Kombinationen von einem oder mehreren der aufgeführten Punkte verwendet werden können, und möglicherweise nur einer der Punkte in der Liste benötigt wird. Der Punkt kann ein bestimmtes Objekt, eine Sache oder Kategorie sein. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet „mindestens einer/eine/eines von“, dass jede beliebige Kombination von Punkten aus der Liste verwendet werden kann, jedoch möglicherweise nicht alle Punkte aus der Liste erforderlich sind. Beispielsweise kann „mindestens einer von Punkt A, Punkt B und Punkt C“ bedeuten, dass Punkt A; Punkt A und Punkt B; Punkt B; Punkt A, Punkt B und Punkt C; oder Punkt B und Punkt C gemeint sind. In einigen Fällen kann „mindestens einer von Punkt A, Punkt B und Punkt C“ beispielsweise ohne Begrenzung bedeuten: zwei von Punkt A, einer von Punkt B und zehn von Punkt C; vier von Punkt B und sieben von Punkt C; oder einige andere geeignete Kombinationen.
Der vorliegende Gegenstand kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein, ohne von seinem Gedanken oder wesentlichen Charakteristika abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Der Umfang der Erfindung wird daher eher durch die angehängten Ansprüche als durch die vorangegangene Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Gleichwertigkeit der Ansprüche eintreten, fallen in deren Umfang.

Claims

Verbrennungsmotor, der Folgendes umfasst: Einen Zylinder, umfassend einen Mid-Stop-Vorsprung; eine innerhalb des Zylinders positionierte Laufbuchse, wobei die Laufbuchse einen auf dem Mid-Stop-Vorsprung abgestützten Sitz umfasst, wobei die Laufbuchse einen Kolbenkanal festlegt; einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse, wobei der Kühlmittelkanal über dem Mid-Stop-Vorsprung und Sitz angeordnet ist; und einen Kolben, umfassend ein Kopfteil und ein Schaftteil, wobei der Kolben innerhalb des Kolbenkanals zwischen einer obersten Position und einer untersten Position bewegbar ist, wobei der Schaftteil in der obersten Position unter dem Mid-Stop-Vorsprung und Sitz positioniert ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Kolben einen Spitzenseitendruck innerhalb einer Spitzendruckzone auf die Laufbuchse ausübt, und wobei die Spitzendruckzone unter dem Mid-Stop-Vorsprung und dem Sitz angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals über dem Mid-Stop-Vorsprung und dem Sitz positioniert ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei der Kühlmittelkanal einen ringförmigen Raum umfasst, der sich in Umfangsrichtung um den Zylinder herum erstreckt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkanal mindestens teilweise durch einen in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der weiterhin einen Motorblock umfasst, wobei der Motorblock den Zylinder festlegt, und wobei der Kühlmittelkanal mindestens teilweise durch einen in dem Motorblock ausgebildeten Kanal festgelegt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei der Kühlmittelkanal mindestens teilweise durch einen in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt ist, und wobei der Kühlmittelkanal zwischen dem in dem Motorblock ausgebildeten Kanal und dem in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert ist, und wobei der Abstand weniger als etwa 60 % einer Gesamtlänge des Kolbens beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei der Abstand weniger als etwa 40 % der Gesamtlänge des Kolbens beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert ist, und wobei der Abstand weniger als eine Höhe des Kopfteils des Kolbens beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei ein Umfang des Kopfteils einen Durchmesser aufweist, der geringer als ein Durchmesser eines Umfangs des Schaftteils ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei eine Höhe des Schaftteils zwischen etwa 40 % und etwa 60 % einer Gesamthöhe des Kolbens beträgt.
Verbrennungszylinderbaugruppe für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolben aufweist, der innerhalb der Verbrennungszylinderbaugruppe oszilliert und einen Spitzenseitendruck innerhalb einer Spitzendruckzone ausübt, wobei die Baugruppe Folgendes umfasst: Einen Zylinder, umfassend einen Mid-Stop; eine innerhalb des Zylinders positionierte Laufbuchse, wobei die Laufbuchse einen auf dem Mid-Stop abgestützten Sitz umfasst; und einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse, wobei der Kühlmittelkanal über Mid-Stop und Sitz angeordnet ist; wobei die Spitzendruckzone unter dem Mid-Stop und dem Sitz angeordnet ist.
Verbrennungszylinderbaugruppe nach Anspruch 13, wobei der Kolben einen Kopfteil und einen Schaftteil umfasst, wobei der Kolben innerhalb der Verbrennungszylinderbaugruppe zwischen obersten und untersten Positionen oszilliert, wobei die Baugruppe derart konfiguriert ist, dass wenn sich der Kolben in der obersten Position befindet, der Schaftteil unter dem Mid-Stop und dem Sitz positioniert ist.
Verbrennungszylinderbaugruppe nach Anspruch 13, wobei der Kühlmittelkanal mindestens teilweise durch einen in der Laufbuchse ausgebildeten Kanal festgelegt ist.
Verbrennungszylinderbaugruppe nach Anspruch 15, wobei der in der Laufbuchse ausgebildete Kanal mit einem in einem Motorblock des Verbrennungsmotors ausgebildeten Kanal ausgerichtet ist, wenn der Sitz der Laufbuchse auf dem Mid-Stop des Zylinders abgestützt ist.
Verbrennungszylinderbaugruppe nach Anspruch 13, wobei eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert ist, und wobei der Abstand weniger als etwa 40 % einer Gesamtlänge des Kolbens beträgt.
Verbrennungszylinderbaugruppe nach Anspruch 13, wobei eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert ist, und wobei der Abstand weniger als eine Höhe des Kopfteils des Kolbens beträgt.
Verbrennungszylinderbaugruppe nach Anspruch 13, wobei eine Gesamtheit des Kühlmittelkanals in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert ist, und wobei der Abstand weniger als etwa 60 % einer Gesamtlänge des Kolbens beträgt.
Verbrennungsmotor, der Folgendes umfasst: Einen Zylinder, umfassend einen Mid-Stop-Vorsprung, wobei der Mid-Stop-Vorsprung in einem Abstand von einem Oberteil des Zylinders entfernt positioniert ist; eine innerhalb des Zylinders positionierte Laufbuchse, wobei die Laufbuchse einen auf dem Mid-Stop-Vorsprung abgestützten Sitz umfasst, wobei die Laufbuchse einen Kolbenkanal festlegt; einen Kühlmittelkanal zwischen dem Zylinder und der Laufbuchse, wobei der Kühlmittelkanal zwischen dem Oberteil des Zylinders und dem Mid-Stop und Sitz angeordnet ist; und einen innerhalb des Kolbenkanals bewegbaren Kolben, wobei der Kolben eine Gesamtlänge aufweist; wobei der Abstand weniger als etwa 60 % der Gesamtlänge des Kolbens beträgt.