BRENNKRAFTMASCHINE MIT EINEM ELEMENT AN DER ZYLINDERINNENWANDUNG ZUM ABSCHABEN VON ÖLKOHLE

Abstract

 1. Brennkraftmaschine mit einem Element an der Zylinderinnenwandung zum Abschaben von Ölkohle
2. Beschrieben wird eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Arbeitszylinder und einem den Arbeitszylinder verschließenden Zylinderkopf, wobei der Arbeitszylinder eine Zylinderlaufbahn und/ oder eine Zylinderlaufbuchse (1) aufweist und die im Bereich des Zylinderkopfes wenigstens ein Element aufweist, das geeignet ist, eventuell entstehende Ölkohle abzustreifen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Element an der Zylinderinnenwandung zum Abschaben von Ölkohle.

[0002] Aus DE 35 43 668 A1 ist eine ringförmige Einlage bekannt, die aus der Kopfseite der Zylinderbuchse ragt. Sie verengt den Innendurchmesser des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse und verhindert, dass Ölkohle mit der Zylinderinnenwand in Kontakt gelangt.

[0003] Die DE 103 21 034 B3 zeigt eine ringförmige Ausführung, die als Einsatz in einer Nut den Durchmesser verkleinert oder als Einsatz, der die Zylinderlaufbuchse kopfseitig überragt und spielfrei zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf eingesetzt ist. Dies ist für eine Großserie ungeeignet, da der spielfreie Einsatz erhöhte Ansprüche an die Fertigung und Montage setzt.

[0004] In der DE 10 2011 012 507 B4 wird eine Ausführung offenbart, die als Einlage den Zylinderlauf überragt, in die eine Nut eingesetzt wird. Die Einlage verengt den Bereich der oberen Totpunktlage durch rotations-symmetrische und -asymmetrische Außen- und Innenkonturen des Ringelements.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die wenig Öl verbraucht, kaum Ölkohle erzeugt, ohne Nachteile bei der Bauteilsteifigkeit in Kauf nehmen zu müssen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 und 10 gekennzeichneten Merkmalen durch eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren mit wenigstens einem Element an der Zylinderinnenwandung, die durch spanende Bearbeitung oder ein Einpräge-/Druckverfahren in die Zylinderinnenwandung im korrespondierenden OT-Bereich des Feuerstegs des Kolbens eingearbeitet ist und in etwa die Funktion eines Feuerrings ausübt, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.

[0007] Rändelungen oder Rändel, teils auch Kordel, sind mittels Rändeln hergestellte, umlaufende Gestaltabweichungen, die in einen metallenen Rotationskörper an der Innen- oder Außenoberfläche eingeprägt werden. Rändelungen können ein Werkstück griffiger gestalten und somit ein Abrutschen verhindern, wie beispielsweise an einem Hantelgriff. Die Rändelung kann dabei verschiedene Formen annehmen und entweder durch Fräsen, Drücken oder durch Einprägen auf einer Drehmaschine eingebracht werden.

[0008] Rändeln und Kordeln sind zwei verwandte Fertigungsverfahren aus der Gruppe des Einprägens, das zum Druckumformen zählt. Bei beiden Verfahren wird ein rundes Werkstück gegen ein rundes Werkzeug gepresst und abgewälzt, sodass sich beide drehen. Dabei wird das Profil des Werkzeuges auf das Werkstück übertragen. Die Erhebungen des Werkzeuges werden in die Oberfläche des Werkstückes eingedrückt. Je nachdem, ob dabei Rändel oder Kordel (Links-Rechts-Rändel, Kreuzrändel) entstehen, spricht man vom Rändeln oder Kordeln.

[0009] So werden zum Beispiel die Griffe bzw. Griffflächen von Messschrauben oft gerändelt, um sie griffiger als glatte Flächen zu gestalten.

[0010] Durch das Rändeln zum Einprägen von Zierelementen oder Schrift auf den Rand einer Münze oder Medaille wurde früher das Befeilen bzw. Beschneiden der Münzen erschwert, weil eine Feilstelle sofort sichtbar ist.

[0011] Ein weiterer Anwendungsfall ist das Erzeugen eines Zackenprofils für eine Welle-Nabe-Verbindung, z. B. für das Befestigen eines Rotorpaketes auf einer Welle, um höhere Drehmomente zu übertragen, als bei einer Schrumpfverbindung oder Rändelschraube.

[0012] Beim Rändeln wird zwischen dem spanlosen Rändeldrücken und dem spanenden Rändelfräsen unterschieden. Je nach Verfahren wird mit Rändelrädern das Profil hineingedrückt oder an einer Rändelfräse gefräst. An CNC-Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen können auch spezielle Rändelfräswerkzeuge eingesetzt werden, um ein Umspannen auf andere Maschinen zu vermeiden. Da die Bearbeitungskräfte beim Fräsen geringer ausfallen, findet es vorwiegend bei dünnen Werkstücken oder auf Bearbeitungszentren Verwendung.

[0013] Es gibt Rändel in folgenden Ausführungen, RAA: Rändel mit achsparallelen Rillen, RBL: Linksrändel, RBR: Rechtsrändel, RGE: Links-Rechtsrändel, Spitzen erhöht, auch Fischhaut genannt, RGV: Links-Rechtsrändel, Spitzen vertieft, RKE: Kreuzrändel, Spitzen erhöht, RKV: Kreuzrändel, Spitzen vertieft, RTR: Kreisrändeln (durchlaufend). Der Profilwinkel beträgt 90°, in Sonderfällen auch 105°. Die Rändelung ist im zylinderkopfseitigen Endbereich der Innenwandung auf Höhe der oberen Totpunktlage des korrespondierenden Kolbenfeuerstegkolbens angeordnet.

[0014] Kolben für Hubkolbenmotoren werden meistens aus Aluminiumgusslegierungen gefertigt, vereinzelt auch aus Gusseisen. Die Rohlinge werden in Kokillen gegossen. Aufgrund von Leistungssteigerungen sowie zur Verbrauchs- und Emissionsreduzierung durch höhere Zünddrücke werden die Kolben für leistungsstarke Turbodiesel-Motoren auch geschmiedet. Anschließend werden die Mantelfläche, die Ventiltaschen, die Kolbenringnuten und die Kolbenbolzen-Bohrung mechanisch bearbeitet.

[0015] Technologisch bestehen zwischen Diesel- und Ottomotor-Kolben aufgrund der unterschiedlichen Verbrennungsprozesse Unterschiede.

[0016] Dieselkolben sind sowohl thermisch als auch mechanisch höher belastet und müssen daher in der ersten Kolbenringnut mit einem eingegossenen Ringträger aus einem austenitischen Gusseisen ("Niresist") verstärkt werden, um ein Ausschlagen der Nut und Materialübertrag auf den Ring durch Mikroverschweißungen zu verhindern. Bei sehr hoch belasteten Kolben werden in der Bolzenbohrung Messingbuchsen eingedehnt. Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Kolben von Dieselmotoren mit direkter Einspritzung ist die Bodenmulde, in der der eingespritzte Kraftstoff mit der Luft verwirbelt und vermischt wird. Thermisch hoch belastete Kolben - insbesondere Renn-, Flug- oder Turbodiesel-Motoren - werden oft mit Spritzdüsen für das Motoröl zur Kühlung des Kolbenbodens realisiert. Dabei kann der Kolben mit einem umlaufenden Ölkanal versehen sein oder nur durch ein Anspritzen des Bodens gekühlt werden. Bei langsam laufenden Großmotoren kann der Kolben auch durch Umlaufkühlung gekühlt werden. Das Medium wird dem Kolben dabei durch ein teleskopierbares Rohr zugeführt.

[0017] Bei Kolben von Ottomotoren ist die Wandstärke dünner als bei Kolben von Dieselmotoren, die wegen des geringeren Gewichts höhere Motor-Drehzahlen erlaubt. Im Bereich der ersten Kolbenringnut kann teilweise eine Hartanodisierung zur Verminderung von Verschleiß und Mikroverschweißungen zum Einsatz kommen.

[0018] Der Kolbenboden trägt teilweise flache Taschen zur Aufnahme der in den Brennraum hineinragenden Ventile.

[0019] Der Kolben weist die folgenden funktionalen Bestandteile auf: den Kolbenboden, der mit dem Medium in Kontakt steht. Der Kolbenboden wird auch als Feuerstegoberkante bezeichnet. Es folgt der Feuersteg. Er erstreckt sich vom Kolbenboden bis zur oberen Kolbenringnut. Er schützt den ersten Kolbenring vor zu großer Erwärmung. Es schließt sich die Ringpartie an. Zusammen mit den weiteren Nuten und Ringstegen bildet der Feuersteg die sogenannte Ringpartie. Darauf folgt das Kolbenhemd oder der Kolbenschaft oder die Kolbenwand, das zylindrische Bauteil, das mit einem kleinen Spiel in die Zylinderbohrung passt und der Kolbenbolzen mit seiner Lagerung, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet.

[0020] Das Kolbenhemd dient der Führung des Kolbens im Zylinderrohr und ist bei den meisten Kolben mit einem Gleitlack beschichtet. Es trägt bei älteren Bauarten oft innen einen eingegossenen Stahl-Streifen (Regelkolben, "Regelplatte", "Autothermik-Kolben"), um das Durchmesserwachstum beim Erwärmen zu steuern. Zur Gewichtsersparnis ist heute bei vielen schnelllaufenden Viertaktmotoren das Kolbenhemd an den Seiten (an den Kolbenbolzen-Öffnungen) nach innen versetzt ("Kasten"-Kolben).

[0021] Der Kolben trägt eine oder mehrere Nuten für die Kolbenringe, deren oberste die Kompressionsringe sind und zumindest ein unterer als Ölabstreifring dient. PKW-Kolben besitzen zum überwiegenden Teil zwei Kompressions- und einen Ölabstreifring. Für Rennmotoren kommen auch sogenannte Zwei-Ring-Kolben mit nur einem Kompressionsring zum Einsatz. Bei Zweitaktmotoren können die Kolbenhemden auch mit Fenstern versehen sein. Zusätzlich haben die meisten Zweitaktkolben Sicherungsstifte in den Kolbenringnuten, um ein Verdrehen und Verklemmen der Kolbenringstöße in den Steuerfenstern des Zylinders zu verhindern. In der Vergangenheit gab es Zweitaktmotoren mit Nasenkolben, die den Gaswechsel bei Querspülung verbessern sollten. Seit etwa 90 Jahren haben Zweitaktmotoren mit Umkehrspülung einen flachen Kolbenboden.

[0022] Die oben beschriebene Rändelung schabt die entstehende Ölkohle und sonstige Verbrennungsrückstände von den Feuerstegflächen des Kolbens ab, sodass diese bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunktes (UT) nicht die Honung beschädigen kann und der Verschleiß verringert ist. Dabei gibt es mehrere Auslegungskriterien wie z. B. Kippneigung Kolben, Feuerstegspiel, Feuerstegzone etc., die die Mindesthöhe der Rändelung definieren. Diese Auslegungshöhe (Aufwurfhöhe) ist bei Aluminiumkolben in der Regel kleiner als bei Stahlkolbenkolben. Aus der höheren Erhabung ergeben sich besondere Ansprüche an das Fertigungsverfahren, da die eingesetzten Werkstoffe für den Auswurf eher ungeeignet sind. Zudem sind Sicherheitsabstände einzuhalten, z. B. Rändelung zum ersten Kolbenring. Die Rändelung ist integrales Ringelement eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbuche, die auf Höhe der oberen Totpunktlage des korrespondierenden Kolbens an der Innenwandung des Zylinders oder einer Zylinderlaufbuchse dem Kolben in OT bzw. seinem Feuersteg zugewandt ist. Durch schräge, zur Zylinderachse oder der Achse der Zylinderlaufbuchse angewinkelte, aufwerfende Rillen, die die Totpunktlage zwischen Feuerstegzone und ersten Kolbenring verengen, wird das Spiel durch den kleineren Innendurchmesser zwischen Rändelung und Feuerstegfläche stark verringert.

[0023] Die von Hand auf einen Spannstock geschobene und eingespannte Zylinderlaufbuchse erhält im ersten Schritt eine Freistellung und eine Innenfase. Durch ein Rändelrad (Spezialanschliff) im Einprägverfahren entsteht, wie oben beschrieben, die kopfseitige, der Innenwandung zugewandten und im Bereich der oberen Totpunktlage des korrespondierenden Kolbenfeuerstegkolbens befindliche Rändelung. Anschließend wird der kleinste Innendurchmesser gedreht. Die Freistellung nimmt im Herstellprozess eine wichtige Rolle ein. Das Einprägen in die Zylinderlaufbuchse führt zum Materialtransport, bei fehlender Freistellung kann unter Umständen die Dichtfläche des Zylinders bzw. der Zylinderlaufbuchse uneben werden.

[0024] Die Rändelung ist durch spanende Bearbeitung oder ein Druck- bzw. Einprägverfahren auf der Höhe der oberen Totpunktlage des korrespondierenden Kolbens der Innenwandung des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse eingearbeitet. Sie ist erfindungsgemäß für den nachhaltigen und zuverlässigen Abbau der entstehenden Ölkohle und sonstiger Verbrennungsrückstände vorgesehen. Die Rillen der Rändelung sind erhaben und verengen somit den Bereich und streifen die Ölkohle von der Kolbenaußenkontur im Bereich zwischen Kolbenkrone und ersten Kolbenring ab und wirken dem Verschleiß bzw. dem Abbau der Honung entgegen. Eine Ablagerung ist nur noch in einer sehr dünnen feinen Schicht möglich. Fertigungstechnisch ist die Rändelung durch das Rändeln - das oben beschriebene Rändel-Verfahren - für Großserienfertigung einsetzbar.

[0025] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausführung der Rillen der Rändelung in der Zylinderlaufbuchse bzw. des Zylinders angewinkelt zur Zylinderachse oder Achse der Zylinderlaufbuchse angeordnet.

[0026] Die Rändelung der Zylinderlaufbuchse bzw. des Zylinders entfernt entstehende Ölkohle und andere denkbare Rückstände vom Feuersteg des Kolbens. Die Rändelung der Zylinderlaufbuchse bzw. des Zylinders schließt nicht mit dem ersten Kolbenring ab, sondern behält einen Mindestsicherheitsabstand ein, um Beschädigungen des Kolbenrings zu vermeiden. Die erhabene Rändelung der Zylinderlaufbuchse bzw. des Zylinders an der Innenseite wirkt verengend und reduziert das Spiel im Bereich der Feuerstegfläche. Somit existiert weniger Raum für entstehende Ölkohle, da der Innendurchmesser im Bereich der Rändelung wegen der erhabenen Rillen kleiner ist.

[0027] Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1:

einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine, der die Rändelung einer Zylinderlaufbuchse und einen dazugehörigen Kolben zeigt,

Fig. 2:

einen Ausschnitt der Rändelung, der die Rillen zeigt.

[0028] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderlaufbuchse 1, der eingeprägten Rändelung 7 im Bereich der zylinderkopfseitigen Totpunktlage des korrespondierenden Kolbens 2 an ihrer Innenwandung 6. Der Kolben 2 weist Kolbenringe 3, eine Kolbenkrone 4 und die Feuerstegzone 5 auf, die sich von der Kolbenkrone 4 bis zum ersten Kolbenring 3 erstreckt. Die Verengung der Zylinderlaufbuchse 1 im Bereich der oberen Totpunktlage des korrespondierenden Kolbens beginnt mit der Rändelung 7, wie dies im Detail in Fig. 2 zu sehen ist. Durch die erhabenen Rändelungen, die die Zylinderlaufbuchse 1 an ihrer Innenwandung aufweist, ist der Innendurchmesser in diesem Bereich (OT) kleiner als im restlichen Lauf des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse 1. Dadurch kann sich in der Feuerstegzone 5 keine oder nur noch Ölkohle in einer sehr geringen Menge bzw. in einer sehr dünnen Schicht absetzen, die den Verschleiß erhöht und in der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 2 den Zylinderlauf und die Honung beschädigen kann. Die Rillen 8 der Rändelung 7 sind dabei schräg angeordnet und besitzen einen Winkel zur Achse des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse 1. Die Rändelung 7 ist integraler Bestandteil des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse 1 und kann spanend aus dem bevorzugten Werkstoff des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse 1 herausgearbeitet werden. Es bieten sich auch Verfahren des spanlosen Rändelns an, um die Rändelung 7 im Zylinder oder in der Zylinderlaufbuchse anzubringen.

[0029] Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Rändelung 7 im achsparallelen Schnitt, die einzelnen Rillen 8 sind als integrale Bestandteile des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse 1 erkennbar.

Bezugszeichenliste

[0030] 

1

Zylinderlaufbuchse

2

Kolben

3

Kolbenring

4

Kolbenkrone

5

Feuerstegzone

6

Innenwandung

7

Rändelung

8

Rille

Ansprüche

1. Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Arbeitszylinder und einem den Arbeitszylinder verschließenden Zylinderkopf, wobei der Arbeitszylinder eine Zylinderlaufbahn und/oder eine Zylinderlaufbuchse (1) aufweist und die im Bereich des Zylinderkopfes bzw. des oberen Totpunktes des korrespondierenden Kolbens (2) der Zylinderlaufbahn oder der Zylinderlaufbuchse (1) wenigstens ein Element aufweist, das geeignet ist, eventuell entstehende Ölkohle abzustreifen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element, das die entstehende Ölkohle abstreift, in Richtung des korrespondierenden Kolbens (2) erhaben ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element wenigstens eine umlaufende Rille (8) aufweist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element wenigstens eine Rändelung (7) aufweist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rändelungen, die die Zylinderlaufbahn oder die Zylinderlaufbuchse 1 an ihrer Innenwandung aufweist, erhaben ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Zylinderlaufbahn oder der Zylinderlaufbuchse (1) im Bereich des Zylinderkopfes - OT des korrespondierenden Kolbens - durch das Element zum Abstreifen der Ölkohle kleiner als im restlichen Verlauf des Zylinders oder der Zylinderlaufbuchse (1) ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus wenigstens einer kreisförmig umlaufenden Nut besteht.

8. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus kreisförmig übereinander angeordnet umlaufenden Nuten besteht.

9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus einem Innengewinde besteht.

10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt.

Zeichnung