<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylindergehäuse mit zumindest einer Zylinderlaufbuchse für einen hin- und hergehenden Kolben und mit mindestens einem mit dem Zylindergehäuse fest verbundenen Zylinderkopf, wobei die Zylinderlaufbuchse mittels Buchsenschrauben am Zylinderkopf befes- tigt ist, und wobei die Zylinderlaufbuchse von einem Kühlmittelraum des Zylin- dergehäuses umgeben ist.
Bei herkömmlichen Konstruktionen ist eine Dichtungssicke erforderlich, um Rela- tivbewegungen zwischen Zylinderkopf, Zylinderlaufbuchse und Zylindergehäuse auszugleichen. Weitere heikle Bearbeitungsbereiche sind Büchsenbund und die entsprechende Ansenkung im Zylindergehäuse, welche den Büchsenvorstand konventioneller Laufbuchsenkonstruktionen definieren. Die Konzentration der Pressung auf den Buchsenbund erfolgt durch das Biegen des Zylinderkopfes mit- tels der Zylinderkopfschrauben über den Laufbuchsen-Vorstand und die Brenn- raum-Sicke. Dieses Durchbiegen des Zylinderkopfes erzeugt sehr hohe Spannun- gen, die durch die Überlagerung mit thermischen Spannungen und Gasdruck- Spannungen zur Zerstörung des Zylinderkopfes führen können.
Aus der JP 03-168 351 A ist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine be- kannt, bei der die Zylinderlaufbuchsen über Buchsenschrauben am Zylinderkopf angeschraubt sind. Dies ermöglicht es, die Dichtungspassung der Zylinderlauf- buchse von den Gaskräften zu entkoppeln. Dadurch können hohe Zylinderkopf- drücke realisiert und die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht werden. Aller- dings ist im oberen Zylinderlaufbuchsenbereich eine ausreichende Kühlung nicht gewährleistet.
Die DE 196 01 022 A1 beschreibt einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschi- ne, bei der eine Laufbuchse mittels Schrauben vorgespannt am Zylinderkopf be- festigt und eine Dichtung gegen den Zylinderkopf gedrückt wird. Der Dichtver- band aus Zylinderkopf und Laufbuchse ist an einem Motorblock befestigt. Der Zylinderkopf weist einen zylindrischen Hals auf. Der zylindrische Hals und die Laufbuchse greifen vorgespannt mittels der gleichmässig angeordneten Schrau- ben ineinander, wobei ein äusserer Umfang der Laufbuchse von einem inneren Umfang des zylindrischen Halses umfasst wird, und die Dichtung gegen den Zy- linderkopf gedrückt wird. Zur Übertragung der Vorspannkraft der Schrauben vom Zylinderkopf auf die Laufbuchse ist ein Stützring vorgesehen.
Nachteilig bei den bekannten Konstruktionen ist, dass zur Abdichtung der Zylin- derlaufbuchse gegenüber dem Zylinderkopf eine Zylinderkopfdichtung erforder- lich ist.
<Desc/Clms Page number 2>
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, und auf möglichst einfache und zuverlässige Weise hohe Mittel- und Zylinderdrücke zu ermöglichen und eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Zylinderlaufbuchse zu gewährleisten.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der vorzugsweise im Wesentli- chen zylindrische Kühlmittelraum in Richtung des Zylinderkopfes offen ausge- führt ist und im Bereich des Zylinderkopfbodens eine ringförmige umlaufende Freistellung zwischen Zylinderlaufbuchse und Zylindergehäuse ausgebildet ist.
Durch diese sogenannte "open deck"-Bauweise wird der obere Bereich der Zylin- derlaufbuchse um den Bereich des Zylinderkopfbodens optimal gekühlt.
Gemäss einer einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der oberen Stirnfläche jeder Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkopf- boden eine plastische oder elastische vorzugsweise ringförmige Brennraumdich- tung angeordnet ist, wobei pro Zylinderlaufbuchse eine Brennraumdichtung vor- gesehen ist. Die Dichtung kann beispielsweise durch einen plastischen Weichei- senring oder einen elastischen Ring mit Sicke gebildet werden.
Alternativ dazu ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die Zylinderlaufbuchse mit einer oberen Stirnfläche direkt am Zylinderkopf- boden gasdicht anliegt und in unmittelbarem körperlichen Kontakt mit dem Zy- linderkopf steht.
Die Dichtungspressung der Laufbuchse ist vollständig von den Gaskräften ent- koppelt. Die Zylinderlaufbuchse liegt mit ihrer oberen Stirnfläche direkt am Zy- linderkopfboden auf, so dass eine separate Zylinderkopfdichtung entfallen kann.
Um eine Gasdichtheit zwischen Zylinderkopf und Zylinderlaufbuchse zu errei- chen, ist vorgesehen, dass sowohl die obere Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse, als auch der Zylinderkopfboden im Bereich der Zylinderlaufbuchse konzentrisch zur Zylinderachse bearbeitet sind und vorzugsweise konzentrisch zur Zylinder- achse verlaufende Bearbeitungsriefen aufweisen. Die Abdichtung kann gegebe- nenfalls durch den Auftrag von Flüssigdichtmittel unterstützt werden. Ein "At- men" einer Dichtungssicke, wie bei konventionellen Brennkraftmaschinen ent- fällt, da die Laufbuchse unter Zündkraft sich gemeinsam mit dem Zylinderkopf vom Zylindergehäuse entfernt bzw. die Pressung der Kontaktfläche zwischen Zy- lindergehäuse und Zylinderkopf reduziert wird.
Da keine montagebedingte Durchbiegung des Zylinderkopfes erforderlich ist, unterliegen die Bauteile einer viel geringeren Belastung, wodurch besonders hohe Zünddrücke und thermische Belastungen realisiert werden können. Ausserdem kann der Zylinderkopf und das Zylindergehäuse wesentlich schlanker ausgeführt werden als bei herkömmlichen Konstruktionen.
<Desc/Clms Page number 3>
Um die Dichtheit zwischen Zylinderlaufbuchse und Zylinderkopf zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass jede Zylinderlaufbuchse über zumindest fünf, vorzugsweise über zumindest sechs Buchsenschrauben, besonders vorzugsweise über zumin- dest acht Buchsenschrauben direkt mit dem Zylinderkopf verschraubt ist. Das
Mehrgewicht der Buchsenschrauben wird durch die schlankere Bauweise mindes- tens kompensiert.
Um eine sichere Befestigung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Zylin- derlaufbuchse einen Buchsenbund zur Aufnahme der Buchsenschrauben auf- weist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass jede Zylinder- laufbuchse von der Seite des Zylindergehäuses am Zylinderkopf angeschraubt ist. Dies erlaubt eine besonders kompakte Ausführung des Zylinderkopfes, da kein zusätzlicher Raum für Buchsenschrauben vorgesehen werden muss. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für einen Zylinderkopf für mehrere Zylinder.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Buchsenbund eine radial nach au- #en offene schlitzartige Ausnehmung pro Buchsenschraube zur Aufnahme jeweils einer Buchsenschraube aufweist, wobei die Ausnehmungen vorzugsweise punkt- symmetrisch bezüglich der Zylinderachse am Umfang des Buchsenbundes verteilt sind. Die anstelle von Bohrungen vorgesehenen Ausnehmungen erleichtern die Montage und ermöglichen es, den Buchsenbund sehr kompakt auszuführen.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass jede Zylinderlaufbuchse von der Sei- te des Zylinderkopfes mit diesem verschraubt ist, wobei vorzugsweise die Zylinderlaufbuchse bundlos ausgeführt ist.
Bei einem Zylinderkopf für mehrere Zylinder ist zu Folge der unterschiedlichen Wärmedehnungen von Zylinderblock und Zylindergehäuse ein Dehnungsaus- gleich in Längsrichtung erforderlich. Um dies zu erreichen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante, in der das Zylindergehäuse auf der Seite des Kurbelraumes Einpassbohrungen zu Aufnahme der Zylinderlaufbuchse aufweist, vorgesehen, dass jede Einpassbohrung einen von der Kreisform abweichenden länglichen Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser der Einpassbohrung in Richtung einer durch die Zylinderachsen aufgespannten Motorlängsebene grösser ist, als in Querrichtung normal zur Motorlängsebene, wobei die Einpassbohrung vorzugsweise als Langloch ausgebildet ist. Die ovale Form der Aufnahmebohrung kann durch eine Langloch-Bearbeitung in einfacher Weise realisiert werden.
In Motorquerebene ist die Zylinderlaufbuchse in die Einpassbohrung eingepasst, um die Kolbenquerkräfte übertragen zu können.
<Desc/Clms Page number 4>
Um den Kühlraum der Zylinderlaufbuchse vom Kurbelraum hydraulisch zu tren- nen, ist vorgesehen, dass jede Einpassbohrung zumindest eine, vorzugsweise zwei, im Wesentlichen zylindrische Ringnuten konzentrisch zur Zylinderachse zur
Aufnahme jeweils einer O-Ring-Dichtung aufweist. Die O-Ringe müssen so aus- gelegt werden, dass die Verschiebung zwischen Zylinderlaufbuchse und Zylinder- gehäuse nicht zur Zerstörung derselben führt. Um die Verschiebung gleichmässig aufzuteilen, ist in weiterer Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass - in
Längsrichtung der Brennkraftmaschine betrachtet - etwa im Bereich der Motor- mitte zumindest ein Positioniereinrichtung, vorzugsweise ein Positionierstift, zwi- schen Zylinderkopf und Zylindergehäuse angeordnet ist.
Ein Ausgleich der Wärmedehnungen sowie eine Positioniereinrichtung entfällt bei einer Ausführung mit Einzelzylinderköpfen. Bei Einzelzylinderköpfen kann die Einpassbohrung zur Aufnahme der Zylinderlaufbuchse und zum Übertragen der Kolbenquerkräfte zylindrisch sein.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen Zylinderkopf und Zylin- dergehäuse zumindest eine vorzugsweise durch eine O-Ring oder eine Flachdich- tung gebildete Dichteinrichtung zur Abdichtung von Kühlmittel und/oder Ölkanä- len angeordnet sind. Die Abdichtung des Kühlmittels und des Schmieröles wird somit unabhängig von der Verbrennungsdruck-Abdichtung der Zylinderlaufbuch- sen zum Zylinderkopf durchgeführt. Dies erlaubt es, für die Dichtungseinrichtun- gen speziell zur Öl- bzw. Kühlmittelabdichtung geeignete Dichtungen, wie 0- Ringe oder Flachdichtungen, zum Beispiel ein Trägerblech mit durch Siebdruck aufgebrachten Elastomerschichten, zu verwenden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine in einer ersten Aus- führung in einem Längsschnitt gemäss der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 diese Brenn- kraftmaschine in einem Querschnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 die Brennkraftmaschine in einem Schnitt der Linie III-III in Fig. 1, Fig. 4 das Detail IV aus Fig. 1, Fig. 5 das Detail V aus Fig. 2, Fig. 6 die Brennkraftmaschine in ei- nem Schnitt gemäss der Linie VI-VI in Fig. 2, Fig. 7 die Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt gemäss der Linie VII-VII in Fig. 8, Fig. 8 die Brennkraftmaschine in einem Schnitt gemäss der Linie VIII- VIII in Fig. 7, Fig. 9 die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt gemäss der Linie IX-IX in Fig. 10, Fig.
10 diese Brennkraftmaschine in einem Schnitt gemäss der Linie X-X in Fig. 9, Fig. 11 die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführungs- variante in einer Detailansicht und Fig. 12 eine Dichtung im Schnitt.
<Desc/Clms Page number 5>
Funktionsgleiche Teile sind in Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei den in den Fig. 1 bis 10 abgebildeten Brennkraftmaschinen 1 sind Zylinder- kopf 2 und Zylindergehäuse 3 jeweils über Zylinderkopfschrauben 4 miteinander verschraubt. Pro Zylinder 5 ist eine Zylinderlaufbuchse 6 über Buchsenschrauben 7 mit dem Zylinderkopf 2 verschraubt, wobei eine obere Stirnfläche 8 des Buch- senbundes 9 der Zylinderlaufbuchse 6 am Zylinderkopfboden 10 - ohne einer dazwischenliegenden Zylinderkopfdichtung - aufliegt und diesen direkt kontak- tiert. Die gasdruckdichte Verbindung zwischen Zylinderkopf 2 und Laufbuchse 6 erfolgt durch zur Zylinderachse 11 konzentrische Bearbeitungsorientierung an der Buchsenstirnfläche 8 sowie am Zylinderkopfboden 10. Die Bearbeitungsriefen verlaufen somit konzentrisch zur Zylinderachse 11.
Gegebenenfalls kann die Ab- dichtung zwischen der Buchsenstirnfläche 8 und dem Zylinderkopfboden 10 durch ein Flüssigdichtmittel unterstützt werden. Alternativ zu einer dichtungslo- sen Ausführung kann zwischen Zylinderlaufbuchse 6 und Zylinderkopfboden 10 auch eine ringförmige, plastische oder elastische Brennraumdichtung 20, bei- spielsweise ein Weicheisenring oder ein Ring mit Sicke, eingelegt werden. Fig. 11 zeigt eine derartige Ausführungsvariante mit einer zwischen Zylinderkopf 2 und Zylinderlaufbuchse 6 eingelegten Brennraumdichtung 20. Fig. 12 zeigt eine elas- tische Brennraumdichtung 20 im unbelasteten Zustand mit Sicken 21.
Um eine ausreichende Kühlung des oberen Bereiches der Zylinderlaufbuchse 6 zu gewährleisten, ist diese im Bereich des Zylinderkopfbodens 10 zum Zylinderge- häuse 3 freigestellt, wobei der Kühlmittelraum 15 in Richtung des Zylinderkop- fes 2 offen - in einer sogenannten "open deck"-Bauweise - ausgeführt ist. Die Freistellung ist mit Bezugszeichen 22 bezeichnet.
Bei dem in den Fig. 1 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist der Zy- linderkopf 2 durchgehend für mehrere Zylinder 5 ausgebildet. Die unterschiedli- chen Wärmedehnungen zwischen Zylindergehäuse 3 und Zylinderkopf 2 erfor- dern einen Dehnungsausgleich in Richtung der durch die Zylinderachsen 11 auf- gespannten Motorlängsebene 12. Die Kolbenquerkräfte müssen aber in der auf der Seite des Kurbelraumes 21 angeordneten unteren Buchsenpassung 13 auf- genommen werden können. Um dies zu bewerkstelligen, ist die Einpassbohrung 14 durch ein Langloch gebildet, so dass die Einpassbohrung 14 in Richtung der Motorlängsebene 12 einen grösseren Durchmesser D aufweist, als in der Querrichtung normal zur Motorlängsebene 12. Der kleinere Durchmesser ist mit Bezugszeichen d bezeichnet.
Dadurch ergibt sich in Richtung der Motorlängsebene 12 ein Ausdehnungsspalt Ad.
<Desc/Clms Page number 6>
Zur Abdichtung der Kühlräume 15 zwischen Zylinderlaufbuchse 6 und Zylinder- gehäuse 3 sind im Bereich der Einpassbohrung 14 in Ringnuten 16 des Zylinder- gehäuses 3 eingelegte O-Ring-Dichtungen 17 angeordnet, welche einen O-Ring-
Einpass bilden. Die O-Ring-Dichtungen 17 müssen so ausgelegt sein, dass eine Verschiebung der Zylinderlaufbuchsen 6 in Richtung der Motorlängsebene 12 zu keiner Zerstörung führt.
Um die Verschiebungen gleichmässig aufzuteilen, ist - in Richtung der Motor- längsebene 12 betrachtet - im Bereich der Motormitte ein durch einen Stift oder eine Hülse gebildete Positioniereinrichtung 20 zwischen Zylinderkopf 2 und Zylin- dergehäuse 3 vorgesehen, wie aus der Fig. 1 hervorgeht. Die Ringnuten 16 sind zylindrisch zur Zylinderachse 11 und konzentrisch in das Zylindergehäuse 3 ein- geformt.
Wie aus der Fig. 6 hervorgeht, kann der Buchsenbund 9 in einer besonders kos- tengünstigen Ausführung für jede Buchsenschraube 7 eine schlitzartige Ausneh- mung 18 aufweisen, welche in radialer Richtung offen ausgeführt ist. Die Aus- nehmungen 18 sind beispielsweise punktsymmetrisch bezüglich der Zylinderach- se 11 ausgeführt. Um eine gleichmässige Anpressung der Zylinderlaufbuchse 6 am Zylinderkopf 2 zu erreichen, sollten mindestens fünf Buchsenschrauben 7 vorgesehen sein. Im in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht Buchsenschrauben dargestellt. Um eine möglichst enge Anordnung der Zy- linderlaufbuchsen zu ermöglichen, sind sämtliche Buchsenschrauben 7 ausserhalb der Motorlängsebene 12 angeordnet.
Die Fig. 7 bis 10 zeigen Ausführungsvarianten mit Einzelzylinderköpfen 20. Ein Ausgleich der Wärmedehnungen ist bei Einzelzylinderköpfen 20 nicht erforderlich.
Jede einen O-Ring-Einpass bildende Einpassbohrung 14 zum Übertragen der Kol- benquerkräfte kann zylindrisch ausgebildet sein. Um ausreichend Dichtstrecken s zwischen dem die Laufbuchse 6 umschliessenden Wasserraum 15 und der strich- liert angedeuteten Aussenkontur des Zylinderkopfes 2 zu haben, muss ein relativ grosser Zylinderabstand eingehalten werden, wenn die Zylinderlaufbuchsen 6 - wie in der in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführung gezeigt ist - von der Seite des Zylindergehäuses 3 am Zylinderkopf 2 angeschraubt ist.
Ein kleinerer Zylinderabstand ist hingegen möglich, wenn die Verschraubung der Zylinderlaufbuchsen 6 von oben, also von der Seite des Zylinderkopfes 2 erfolgt, wie in den Fig. 9 und 10 angedeutet ist. Auf diese Weise lässt sich ein ähnlich kurzer Zylinderabstand realisieren, wie bei konventionellen Einzelzylinderkopf- Konstruktionen mit nassen Laufbuchsen und sogenannter Open Deck- Konfiguration. In Fig. 9 ist die Buchsenschraube 7 in die Schnitzebene gedreht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kühlmittelräume 15 im Bereich der zylinderkopf-
<Desc/Clms Page number 7>
seitigen Hälfte der Zylinderlaufbuchsen 6 zylindrisch gestaltet werden können, wodurch sich eine homogenere Umströmung der Zylinderlaufbuchsen 6 ergibt.
Mit Bezugszeichen 19 ist eine, in den Fig. 1 und 2 angedeutete, als O-Ring oder Flachdichtung ausgebildete Dichtungseinrichtung zwischen Zylinderkopf 2 und Zylindergehäuse 3 zur Abdichtung von Öl- und/oder Kühlmittelkanälen bezeich- net.