DE10208299A1 - Engine block for IC engine has the cylinder heads and sleeves cast in one section and clamped onto the crankcase housing by tie rods - Google Patents
Engine block for IC engine has the cylinder heads and sleeves cast in one section and clamped onto the crankcase housing by tie rodsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. The invention relates to an internal combustion engine with the Features of the preamble of claim 1.
Aus der DE 40 33 623 C1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Zylinderlaufbüchsen an den Zylinderkopf angegossen sind. Weiterhin ist aus dieser Schrift bekannt, die Lagerstühle und die Lagerdeckel getrennt zu fertigen und am Kurbelgehäuse anzuschrauben. In einer derartig ausgeführten Brennkraftmaschine, bei der ein Großteil des Gehäuses wegen der Schweißbarkeit aus einem Leichtmetall gegossen ist, ist das Gehäuse auf Zugbelastung beansprucht, wodurch aufgrund der Materialfestigkeit keine hohen Kräfte eingeleitet werden können. Weiterhin ist eine Leichtmetall-(Aluminium-) Zylinderlaufbuchse zukünftigen hohen Zünddrücken, wie sie bei Dieselbrennkraftmaschinen entstehen, bei hohen Temperaturen nicht gewachsen. From DE 40 33 623 C1 an internal combustion engine is known, in which the cylinder liners cast on the cylinder head are. Furthermore, from this document is known, the camp chairs and manufacture the bearing caps separately and on the crankcase tightening. In such a running Internal combustion engine, in which a large part of the housing because of Weldability is cast from a light metal, that is Housing stressed on tensile load, which due to the Material strength no high forces are introduced can. Furthermore, a light metal (aluminum) Cylinder liner future high ignition pressures, as at Diesel engines are produced at high temperatures not grown.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinderlaufbuchsen an den Zylinderkopf angegossen sind, zu verbessern, damit sie hohen Zünddrücken und Temperaturen bei gleichzeitig möglichst niedrigem Gewicht standhält. The object of the invention is to provide an internal combustion engine, in the the cylinder liners are molded to the cylinder head, too improve, so they high ignition pressures and temperatures at the same time as low as possible weight withstands.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. This task is accomplished by an internal combustion engine with the Characteristics of claim 1 solved.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass vom Zylinderkopf mit den angegossenen Zylinderlaufbuchsen durch das Kurbelgehäuse bis zu den Lagerdeckeln für die Lagerstühle der Kurbelwelle Zuganker geführt sind. Bei steigenden Zünddrücken innerhalb der Brennkraftmaschine ist es von Vorteil, den Zylinderkopf und die Zylinderlaufbüchsen einstückig auszuführen, um damit das bei hohem Druck und hohen Temperaturen versagenskritische Bauteil Zylinderkopfdichtung einzusparen. Um ein Verformen der Zylinderlaufbüchsen aufgrund einer Verschraubung des Zylinderkopf-Laufbüchsen-Bauteiles mit dem Kurbelgehäuse zu vermeiden, ist es von Vorteil, die Kraftübertragung, die die Gasdruckkraft aus dem Zylinderkopf auf das Grundlager und damit auf die Kurbelwelle überträgt, so zu gestalten, dass der Kraftfluss außerhalb der Zylinderlaufbuchsen verläuft und keinerlei Zugkräfte in die Bauteile einbringt. Wenn die Auflageflächen für eine derartige Zugankerverschraubung oberhalb des Zylinderkopfes und unterhalb der Lagerdeckel angeordnet sind, werden die dazwischen angeordneten Bauteile ausschließlich auf Druck beansprucht und die Zylinderlaufbüchse hängt quasi frei und wird nur von Gasdruckkräften aus der Verbrennung und von Kolbenquerkräften aus der Kolbentriebwerkskinematik beaufschlagt. Die Zuganker sind mit einer so hohen Zugkraft vorgespannt, dass bei allen Betriebszuständen ein Aufklaffen der Einzelteile oder ein Versagen der Abdichtungen im gesamten Verbund vermieden wird. Die Zuganker sind vom Zylinderkopf durch das Kurbelgehäuse in die Lagerdeckel geschraubt oder mit einer Mutter unterhalb der Lagerdeckel verschraubt, können aber auch vom Lagerdeckel aus durch das Kurbelgehäuse in den Zylinderkopf geschraubt oder durch den Zylinderkopf mit einer Mutter verschraubt sein. The internal combustion engine according to the invention is characterized from that of the cylinder head with the cast Cylinder liners through the crankcase up to the Bearing caps for the bearing blocks of the crankshaft tie rods are guided. With increasing ignition pressures within the Internal combustion engine, it is advantageous to the cylinder head and the Make cylinder liners in one piece, so that at high pressure and high temperature failure-critical component To save cylinder head gasket. To deform the Cylinder liners due to a screw of the Cylinder head liner components with the crankcase too avoid, it is advantageous to the power transmission, which the Gas pressure from the cylinder head to the base camp and thus transmits to the crankshaft, so that the Power flow runs outside the cylinder liners and does not introduce any tensile forces into the components. If the Support surfaces for such Zugankerverschraubung above the cylinder head and below the bearing cap are arranged, the components arranged therebetween only subjected to pressure and the cylinder liner hangs quasi free and is only from gas pressure forces from the Combustion and piston transverse forces from the Piston engine kinematics acted upon. The tie rods are with biased to such a high traction that at all Operating conditions a disclosure of items or a Failure of the seals throughout the composite is avoided. The tie rods are from the cylinder head through the crankcase in the bearing caps screwed or with a nut below the Bearing cap bolted, but can also from the bearing cap screwed through the crankcase in the cylinder head or be bolted through the cylinder head with a nut.
In Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 2) ist der Zylinderkopf und die angegossenen Zylinderlaufbüchsen aus einem Eisengusswerkstoff und das Kurbelgehäuse aus Leichtmetall hergestellt. Die zukünftigen hohen Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen verlangen für die die Brennraumwandung bildenden Bauteile druck- und temperaturstabile Werkstoffe, wie zum Beispiel ein Eisengusswerkstoff, der auch bei hohen Temperaturen druckstabil ist. Der Nachteil des hohen Gewichtes des Eisengusswerkstoffes wird dadurch wieder wettgemacht, dass das Kurbelgehäuse aus einem Leichtmetallgusswerkstoff hergestellt ist. Da das Kurbelgehäuse erfindungsgemäß nur auf Druck, jedoch nicht von den Gaskräften beansprucht ist, und außerdem nicht den hohen Verbrennungstemperaturen im Brennraum ausgesetzt ist, ist ein leichter Werkstoff, wie zum Beispiel eine Aluminiumgusslegierung, eine gute Möglichkeit, um auf einfache Weise das Gewicht der Brennkraftmaschine zu verringern, ohne die Festigkeit und Haltbarkeit des Gehäuses zu verschlechtern. In an embodiment of the invention (claim 2) is the Cylinder head and the cast cylinder liners from one Cast iron material and the crankcase made of light metal produced. The future high combustion pressures and Combustion temperatures require for the combustion chamber wall forming components pressure and temperature stable materials, such as For example, a cast iron material, which is also at high Temperatures is stable to pressure. The disadvantage of the high weight of the cast iron material is thereby made up for again the crankcase made of a light metal casting material is made. Since the crankcase according to the invention only Pressure, but not claimed by the gas forces, and also not the high combustion temperatures in the combustion chamber exposed is a lightweight material, such as a cast aluminum alloy, a great way to get on easy way the weight of the engine too decrease without compromising the strength and durability of the case deteriorate.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 3) sind die Lagerdeckel, die zusammen mit den Lagerstühlen des Kurbelgehäuses die Grundlager für die Kurbelwelle bilden, einteilig als Lagerrahmen ausgeführt. Ein derartiger Lagerrahmen ist auch unter dem Namen "Bedplate" bekannt und versteift aufgrund seiner Geometrie das Kurbelgehäuse, was von Vorteil für die Geräuschemission ist. In a further embodiment of the invention (claim 3) are the Bearing cover, which together with the bearing blocks of the Crankcase forming the base for the crankshaft, in one piece as a bearing frame. Such a Bearing frame is also known under the name "Bedplate" and stiffened due to its geometry, the crankcase, what of Advantage for the noise emission is.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung (Anspruch 4) sind die Lagerdeckel bzw. der Lagerrahmen aus einem Eisengusswerkstoff hergestellt. Aufgrund der Kraftflussumlenkung vom Zuganker in Richtung der Kurbelwelle innerhalb der Lagerdeckel bzw. des Lagerrahmens ist ein besonders stabiler Werkstoff von Vorteil. Damit der Öldurchsatz im Grundlager bei betriebswarmer Brennkraftmaschine nicht zu sehr ansteigt, ist es wichtig, die Wärmeausdehnung des Grundlagers ungefähr gleichgroß zu halten wie die der Kurbelwelle, d. h. bei einer Stahl- oder Graugusskurbelwelle ist ein Eisengusslagerdeckel oder -rahmen von Vorteil. In a further advantageous embodiment (claim 4) are the Bearing cover or the bearing frame made of a cast iron material produced. Due to the power flow deflection from the tie rod in Direction of the crankshaft within the bearing cap or the Bearing frame is a particularly stable material of advantage. Thus the oil throughput in the base camp at operationally warm Internal combustion engine does not rise too much, it is important to Thermal expansion of the base camp about the same size like the crankshaft, d. H. in a steel or Cast iron crankshaft is a cast iron bearing cap or frame advantageous.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung (Anspruch 5) sind die Lagerdeckel bzw. der Lagerrahmen aus einem Verbundwerkstoff hergestellt. Da ein reiner Aluminium-Lagerdeckel oder -rahmen nicht die nötige Steifigkeit und die richtige Wärmeausdehnung aufweist, ist es vorteilhaft zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften dem Lagerdeckel oder -rahmen zum Aluminium eine Faserverstärkung, z. B. Kohlefaser oder Glasfaser, hinzuzufügen. Ebenso ist es möglich den Lagerdeckel oder -rahmen ganz aus Kohlefaser oder einem ähnlichen Werkstoff herzustellen. In a further advantageous embodiment (claim 5) are the Bearing cover or the bearing frame made of a composite material produced. As a pure aluminum bearing cap or frame not the necessary rigidity and the right thermal expansion it is advantageous to improve the Material properties of the bearing cover or frame for Aluminum a fiber reinforcement, z. As carbon fiber or Fiberglass, add. It is also possible the bearing cap or frame made entirely of carbon fiber or a similar material manufacture.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 6) ist es vorteilhaft die Zuganker aus einem austenitischem Stahl herzustellen. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des gesamten Gehäuseverbundes aus einem Eisenguss-Zylinderkopf, einem Leichtmetall-Kurbelgehäuse und einem Eisenguss- Lagerdeckel oder -rahmen, der von Zuganker zusammengehalten wird, weist der Gehäuseverbund eine höhere Wärmeausdehnung auf als ein Gehäuseverbund ohne Aluminiumbauteile. Um eine unnötig hohe Zugbelastung des Zugankers zu vermeiden, wird der Zuganker aus einer Stahllegierung mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient als üblichem Eisengusswerkstoff hergestellt. Dies ist bei austenitischem Stahl der Fall. In a further embodiment of the invention (claim 6) it is Advantageously, the tie rods made of austenitic steel manufacture. In an embodiment of the invention entire housing assembly of a cast iron cylinder head, a light metal crankcase and a cast iron Bearing cover or frame held together by tie rods is, the housing composite has a higher thermal expansion as a housing assembly without aluminum components. To be an unnecessary To avoid high tensile load of the tie rod, the tie rod from a steel alloy with higher Thermal expansion coefficient as conventional cast iron material produced. This is the case with austenitic steel.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 7) ist es vorteilhaft zwei benachbarte Zylinderlaufbüchsen zusammenzugießen. Dadurch wird nicht nur der Gießvorgang erleichtert, sondern der Verbund aus Zylinderkopf und Zylinderlaufbüchsen wird steifer und damit haltbarer und leiser. In a further embodiment of the invention (claim 7) it is Advantageously, two adjacent cylinder liners zusammenzugießen. This is not just the casting process relieved, but the composite of cylinder head and Cylinder liners become stiffer and thus more durable and quieter.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 8) sind an der Stelle, an der die Zylinderlaufbüchsen zusammengegossen sind, Kühlmitteldurchtritte vorgesehen. Diese Kühlmitteldurchtritte können gebohrt oder vorgegossen sein und erleichtern den Kühlmittelaustausch im Kurbelgehäuse. In a further embodiment of the invention (claim 8) at the point where the cylinder liners poured together are, coolant passages provided. This Coolant passages may be drilled or pre-cast and facilitate the coolant exchange in the crankcase.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 9) sind in einer Ebene, die senkrecht auf einer Verbindungsebene zwischen zwei Zylindermitten, parallel zu den Zylindermitten und zwischen zwei Zylindern verläuft, zwei Zuganker vorgesehen. Durch diese Anordnung wird die Vorspannkraft der Zuganker gleichmäßig auf zwei benachbarte Zylinder übertragen. In a further advantageous embodiment of the invention (Claim 9) are in a plane that is perpendicular to a Connection plane between two cylinder centers, parallel to the Cylinder center and between two cylinders runs, two Tie rod provided. By this arrangement, the Preload force of the tie rod evenly on two adjacent Transfer cylinder.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 10) ist der Zylinderkopf mit den angegossenen Zylinderlaufbüchsen oben und unten im Kurbelgehäuse gelagert und im Bereich der Lagerstellen mit Dichtungen versehen. Durch die obere Lagerstelle wird der Zylinderkopf auf dem Kurbelgehäuse fixiert. Die untere Lagerstelle zwischen der Zylinderlaufbüchse und dem Kurbelgehäuse verhindert ein Bewegen oder Schwingen der Zylinderlaufbüchse. Die Dichtungen verhindern einen unkontrollierten Übertritt von Luft, Wasser oder Öl. In a further embodiment of the invention (claim 10) the cylinder head with the cast cylinder liners above and stored below in the crankcase and in the area of Bearings provided with seals. Through the upper Bearing point is the cylinder head on the crankcase fixed. The lower bearing between the cylinder liner and the crankcase prevents movement or oscillation of the Cylinder liner. The seals prevent one uncontrolled transfer of air, water or oil.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 11) ist zwischen der oberen und der unteren Dichtung ein Kühlwassermantel vorgesehen. Die obere und untere Lagerung und Dichtung ermöglichen auf einfache Weise eine direkte Kühlung der Zylinderlaufbüchsen ohne zusätzliche Bauteile oder Gießkerne in den Bauteilen. In a further embodiment of the invention (claim 11) between the upper and lower seals Provided cooling water jacket. The upper and lower storage and Seal easily enable direct cooling the cylinder liners without additional components or Casting cores in the components.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 12) ist die untere Dichtung an der Zylinderlaufbüchse toleranzausgleichend ausgebildet. Eine Dichtung muss Fertigungstoleranzen zwischen Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf-Zylinderlaufbüchsen-Bauteil aber auch Toleranzen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Bauteile ausgleichen. Dies kann eine Dichtung in axialer Richtung (Richtung der Zylinderachse) sein, die eine gleichbleibende Dichtwirkung bei unterschiedlicher Pressung aufweist. Es kann aber auch eine radiale Dichtung sein, die Ausdehnungen in axialer Richtung unter Umständen besser ausgleichen kann. In a further advantageous embodiment of the invention (Claim 12) is the lower seal on the cylinder liner Tolerance compensated trained. A seal needs Manufacturing tolerances between the crankcase and the Cylinder head cylinder liner component but also tolerances due to different thermal expansion of the components compensate. This can be a seal in the axial direction (Direction of the cylinder axis), which is a constant Has sealing effect at different pressure. It can but also be a radial seal, the expansions in Under certain circumstances, the axial direction can compensate better.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Further features and feature combinations emerge from the Description as well as the drawings. concrete Embodiments of the invention are simplified in the drawings shown and in the following description in more detail explained. Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine, geschnitten in der Zylindermitte, und Fig. 1 shows a cross section through an internal combustion engine, cut in the cylinder center, and
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine, geschnitten zwischen zwei Zylindern. Fig. 2 shows a cross section through an internal combustion engine, cut between two cylinders.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderkopf 2, einer Zylinderlaufbüchse 3, einem Kurbelgehäuse 4 und einem Lagerdeckel 5 für ein Grundlager 6 gezeigt. Der Zylinderkopf 2 und die Zylinderlaufbüchse 3 sind einteilig-ausgeführt, wodurch eine Zylinderkopfdichtung mit allen brennraumdruck- und temperaturbeschränkenden Eigenschaften entfällt. Die Zylinderlaufbüchse 3 ist in das Kurbelgehäuse 4 eingesteckt und bildet im darin entstehenden Zwischenraum einen sogenannten Kühlwassermantel 7 zur Zylinderkühlung. Der Kühlwassermantel 7 ist an einem oberen Ende 8 und an einem unteren Ende 9 mit einem O-Ring, einer Formdichtung oder einer ähnlich wirkenden Dichtung abgedichtet. Die Zylinderlaufbüchse 3 ist soweit auf Druck in Richtung der Zylinderachse beansprucht, wie es für die Abdichtung am oberen und unteren Ende 8, 9 notwendig ist. Ansonsten ist die Zylinderlaufbüchse 3 nur mit dem Verbrennungsdruck senkrecht zur Zylinderachse beaufschlagt, jedoch nicht mit Zug- oder Druckkräften in Richtung der Zylinderachse, was für eine dauerhafte Rundheit der Zylinderlaufbüchse im Betrieb von Vorteil ist. In Fig. 1, an internal combustion engine 1 with a cylinder head 2 , a cylinder liner 3 , a crankcase 4 and a bearing cap 5 for a basic bearing 6 is shown. The cylinder head 2 and the cylinder liner 3 are one-piece, which eliminates a cylinder head gasket with all brennraumdruck- and temperature-limiting properties. The cylinder liner 3 is inserted into the crankcase 4 and forms in the resulting space a so-called cooling water jacket 7 for cylinder cooling. The cooling water jacket 7 is sealed at an upper end 8 and at a lower end 9 with an O-ring, a molded seal or a similarly acting seal. The cylinder liner 3 is so far subjected to pressure in the direction of the cylinder axis, as is necessary for the sealing at the upper and lower end 8 , 9 . Otherwise, the cylinder liner 3 is acted upon only with the combustion pressure perpendicular to the cylinder axis, but not with tensile or compressive forces in the direction of the cylinder axis, which is advantageous for a permanent roundness of the cylinder liner during operation.
In Fig. 2 ist die gleiche Brennkraftmaschine 1 in einem Querschnitt zwischen zwei Zylindern gezeigt, bei dem der Zylinderkopf 2 mit den angegossenen Zylinderlaufbüchsen im Bereich zwischen zwei Zylindern nur auf einen schmalen Steg 10 verkleinert ist. Im Bereich des eigentlichen Zylinderkopfes 2 sind bekannte Elemente eines Zylinderkopfgussteiles zu sehen, wie Wasserraum 11, Wand 12 oder Bohrung 13 für einen Zuganker 14. Der Zuganker 14 führt durch den Kühlwassermantel 7 und das Kurbelgehäuse 4 und ist im Lagerdeckel 5 eingeschraubt. Dadurch sind alle Bauteile zwischen der Auflage des Zugankers 14 und dem Lagerdeckel 5 nur auf Druck beansprucht, was insbesondere im Bereich der Zylinderlaufbüchsen 3 zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Unrundheiten über dem Umfang der Zylinderlaufbüchse durch ungleichmäßig angreifende Schraubenkräfte führt. Da die Zuganker 14 nicht im Kurbelgehäuse 4 eingeschraubt sind, sondern das Haltegewinde sich im Lagerdeckel 5 befindet, ist es gefahrlos möglich, das Kurbelgehäuse aus einem weniger festen Werkstoff zu fertigen, wie zum Beispiel aus Aluminiumdruckguss. In Fig. 2, the same internal combustion engine 1 is shown in a cross section between two cylinders, in which the cylinder head 2 is reduced with the cast cylinder liners in the area between two cylinders only on a narrow web 10 . In the area of the actual cylinder head 2 , known elements of a cylinder head casting can be seen, such as water space 11 , wall 12 or bore 13 for a tie rod 14 . The tie rod 14 passes through the cooling water jacket 7 and the crankcase 4 and is screwed into the bearing cap 5 . As a result, all components between the support of the tie rod 14 and the bearing cap 5 are only subjected to pressure, which leads in particular in the field of cylinder liners 3 to reduce or avoid roundness over the circumference of the cylinder liner by uneven attacking bolt forces. Since the tie rods 14 are not screwed into the crankcase 4 , but the retaining thread is in the bearing cap 5 , it is safely possible to manufacture the crankcase of a less solid material, such as aluminum die-cast.
Der Steg 10 zwischen den Zylinderlaufbüchsen 3 ist zur besseren Verteilung des Kühlwassers mit Querbohrungen 15 versehen, wodurch das Kühlwasser gezielt den Bereich am oberen Ende der Zylinderlaufbüchsen kühlt. Aus dem gleichen Grunde ist eine Bohrung 16 zwischen dem Wasserraum 11 im Zylinderkopf 2 und dem Kühlwassermantel 7 Vorgesehen. The web 10 between the cylinder liners 3 is provided for better distribution of the cooling water with transverse bores 15 , whereby the cooling water specifically cools the area at the upper end of the cylinder liners. For the same reason, a bore 16 between the water chamber 11 in the cylinder head 2 and the cooling water jacket 7 is provided .
Claims (12)
einem Zylinderkopf (2)
Zylinderlaufbüchsen (3), die am Zylinderkopf angegossen sind
einem Kurbelgehäuse (4) mit Lagerstühlen für eine Kurbelwelle
Lagerdeckel (5)an den Lagerstühlen,
dadurch gekennzeichnet,
dass Zuganker (14) vom Zylinderkopf durch das Kurbelgehäuse bis zu den Lagerdeckeln geführt sind. 1st internal combustion engine ( 1 ) with
a cylinder head ( 2 )
Cylinder liners ( 3 ), which are cast on the cylinder head
a crankcase ( 4 ) with bearing blocks for a crankshaft
Bearing cover ( 5 ) on the storage chairs,
characterized
that tie rods ( 14 ) are guided from the cylinder head through the crankcase to the bearing caps.
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