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EP1382828A1 - Maschinengehäuse für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Maschinengehäuse für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1382828A1
EP1382828A1 EP03012574A EP03012574A EP1382828A1 EP 1382828 A1 EP1382828 A1 EP 1382828A1 EP 03012574 A EP03012574 A EP 03012574A EP 03012574 A EP03012574 A EP 03012574A EP 1382828 A1 EP1382828 A1 EP 1382828A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
connecting element
machine housing
internal combustion
combustion engine
thermal expansion
Prior art date
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Granted
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EP03012574A
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English (en)
French (fr)
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EP1382828B1 (de
Inventor
Peter Dr. Nefischer
Günther Pessl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B75/22—Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0002—Cylinder arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F7/0002—Cylinder arrangements
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity
    • F05C2251/046—Expansivity dissimilar

Definitions

  • the invention relates to a machine housing for an internal combustion engine according to the features in the preamble of claim 1.
  • German Patent DE 34 44 838 C2 It is based on German Patent DE 34 44 838 C2.
  • a machine housing a cylinder crankcase for a V-type internal combustion engine described.
  • the crankshaft bearing consisting of a bearing block with a Bearing cap.
  • the bearing block is in one piece and of the same material as the cylinder crankcase.
  • the bearing block is designed such that he merges with a radius in the side walls of the cylinder crankcase.
  • a stiffening element which is arcuate from a housing wall spanned to the other housing wall, and on both sides with the respective housing wall is screwed.
  • Connecting element serves Connecting element as oil planer to calm the oil, which is below the Connecting element is collected in the oil pan.
  • Object of the present invention is a generic cylinder crankcase To show which higher internal cylinder pressures with an unchanged Bearing chair dimensioning allows.
  • a connecting element for a single storage area of a bearing chair be provided or a common Connecting element for several storage areas.
  • the embodiment according to claim 3 allows easy installation or Disassembly of the connecting element of the machine housing
  • both the machine housing and the connecting element can be made from today commercially available and common for internal combustion materials.
  • the connecting element z.
  • the invention is based on a preferred embodiment in FIG a single figure explained in more detail.
  • Fig. 1 shows the three-dimensional view of a machine housing 1, here a Cylinder crankcase for an internal combustion engine with not directly recognizable Cylinders in V-arrangement.
  • the top view shows a crankshaft bearing area View through an oil pan, not shown.
  • the machine housing 1 has four Storage chairs 2, 2 ', 2 ", 2"', each with a corresponding bearing cap 5, 5 ', 5 ", 5" 'up.
  • the four storage areas each consisting of a storage chair 2, 2 ', 2 ", 2 '” and a bearing cap 5, 5', 5 ", 5" ', serve for the storage of a not shown Crankshaft.
  • Parallel to the alignment of the crankshaft are on both sides the bearing areas two opposite housing walls 3, 3 'of the machine housing 1.
  • the housing walls 3, 3 ' are used to attach the not shown Oil pan.
  • the bearing block 2 " is of a connecting element 4 and the Bearing stool 2 "'spanned by a connecting element 4.
  • Each connecting element 4, 4 ' is on the one hand on the housing wall 3 and on the other hand on the housing wall 3 'with two screws 6, 6' attached.
  • the connecting element 4, 4 ' has both a high material strength, as well a cross section that absorb tensile or compressive stresses particularly well can, up.
  • a hole through which an on can drain the accumulated element 4, 4 'accumulated lubricant In the middle of each connecting element 4, 4 ', in installation position in the Internal combustion engine of the lowest point, there is a hole through which an on can drain the accumulated element 4, 4 'accumulated lubricant.
  • Fig. 1 shows a machine housing or cylinder crankcase for an internal combustion engine with cylinders in V-arrangement. Deviating from this, the connecting element 4, 4 'are also used in in-line engines. Which combustion method, Otto or diesel combustion process, the internal combustion engine has is irrelevant.
  • the connecting elements 4, 4 ' are heated, whereby due to the different thermal expansion coefficients ⁇ between the machine housing 1 and the connecting elements 4, 4' build up static compressive stresses in the transition region from the storage chairs to the housing walls 3, 3 '.
  • statically generated compressive stresses counteract the dynamic tensile stresses that occur during combustion, in the transition radius from the bearing block 2, 2 'to the housing wall 3, 3' and thus allow the increase of the cylinder internal pressure, for a significantly higher dynamic operating load.
  • the increased cylinder internal pressure increases the efficiency of the internal combustion engine, whereby the fuel consumption is reduced.
  • the power density of the internal combustion engine can be increased.
  • connecting element 4, 4 ' also made of a sintered material with over the material composition variable thermal expansion coefficient ⁇ be.
  • a separate connecting element is provided for each storage area 4, 4 'provided, in other embodiments may also a single connecting element 4, 4 'extend over a plurality of storage areas.
  • connecting element 4, 4 'and housing walls 3, 3 ' are also positive or non-positive connections conceivable.
  • the connecting element 4, 4 'be designed such that it also acts as an oil planer, and the task of calming the lubricant during operation of the internal combustion engine in the crankcase takes over.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Maschinengehäuse (1), insbesondere Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine, in dem sich zwischen zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden (3, 3') zumindest ein Lagerstuhl (2, 2') für eine Welle erstreckt und die Gehäusewände (3, 3') über ein Verbindungselement (4, 4') in Richtung des Lagerstuhls (2, 2') versteift sind, wobei, das Maschinengehäuse (1) aus einem Material mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Verbindungselement (4, 4') ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ein höherer Zylinderinnendruck für die Brennkraftmaschine zulässig, bei gleicher Lagerdimensionierung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinengehäuse für eine Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sie geht von der deutschen Patentschrift DE 34 44 838 C2 aus. In dieser ist ein Maschinengehäuse, ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine in V-Bauart beschrieben. Um den Schnittpunkt der zwei V-förmig angeordneten Zylinderachsen ist die Kurbelwellenlagerung, bestehend aus einem Lagerstuhl mit einem Lagerdeckel. Der Lagerstuhl ist einstückig und materialeinheitlich mit dem Zylinderkurbelgehäuse. Um beim Betrieb der Brennkraftmaschine die Zug- und Druckspannungen im Lagerstuhl zu minimieren, ist der Lagerstuhl derart ausgebildet, dass er mit einem Radius in die Seitenwände des Zylinderkurbelgehäuses übergeht. An diesen zwei gegenüberliegend angeordneten Gehäusewänden ist zur weiteren Reduzierung der beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Zug- und Druckspannungen ein Versteifungselement angeordnet, welches sich bogenförmig von einer Gehäusewand zur anderen Gehäusewand herüberspannt, und beidseitig mit der jeweiligen Gehäusewand verschraubt ist. Zusätzlich zur Versteifung dient dieses Verbindungselement als Ölhobel zur Beruhigung des Öls, welches unterhalb des Verbindungselementes in der Ölwanne gesammelt wird.
Wie allgemein bekannt ist, ist eine Maßnahme zur Leistungssteigerung bei modernen Brennkraftmaschinen die Steigerung des Zylinderinnendrucks bei der Verbrennung. Eine Erhöhung des Zylinderinnendruckes bedeutet einen besseren Wirkungsgrad, und somit effizientere Brennkraftmaschinen. Neben weiteren Faktoren wird der heute maximale Zylinderinnendruck durch die Kurbelwellenlagerung begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Zylinderkurbelgehäuse aufzuzeigen, welches höhere Zylinderinnendrücke bei einer unveränderten Lagerstuhldimensionierung zulässt.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Maschinengehäuses und des Verbindungselementes wird im warmen Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine statische Druckspannung im Übergangsradius beidseitig des Lagerstuhls am Übergang zu den Gehäusewänden generiert. Diese statische Druckvorspannung ermöglicht eine deutlich höhere dynamische Druck- bzw. Zugbetriebsbelastung, wodurch bei dauerfester Auslegung des Maschinengehäuses der Auslegungszünddruck, der maximale Zylinderinnendruck, entsprechend angehoben werden kann. Damit kann bei gegebenem Bauraum und Gewicht die Leistungsdichte von Brennkraftmaschinen wesentlich erhöht werden, wodurch in vorteilhafter Weise der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird.
Je nach Belastung des Maschinengehäuses, bzw. des Lagerstuhls durch den Zylinderinnendruck kann gemäß Patentanspruch 2 ein Verbindungselement für einen einzigen Lagerbereich eines Lagerstuhls vorgesehen sein bzw. ein gemeinsames Verbindungselement für mehrere Lagerbereiche. Durch das Überdecken mehrerer Lagerbereiche mit einem Verbindungselement werden einfach zu montierende Verbindungselemente erzielt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 erlaubt eine einfache Montage bzw. Demontage des Verbindungselementes von dem Maschinengehäuse
Gemäß Patentanspruch 4 und Patentanspruch 5 können sowohl das Maschinengehäuse als auch das Verbindungselement aus heute handelsüblichen und für Brennkraftmaschinen gängigen Werkstoffen hergestellt werden. So ist beispielsweise für das Maschinengehäuse Aluminiumguss mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Längenausdehnungskoeffizient) α = 21,7 x 10-6 [1/K], bzw. Alusil mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 19,2 x 10-6[1/K] oder Magnesiumguss mit einem Wärmeausdehnenskoeffizienten α = 26,7 x 10-6 [1/K] einsetzbar. Demgegenüber kann das Verbindungselement z. B. aus Schmiedestahl C45, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α =11,7 x 10-6 [11K] oder Grauguss mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 11,0 x 10-6 [1/K] bzw. Chrommolybdänstahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 12,0 x 10-6 [1/K] hergestellt werden. Darüber hinaus kann für das Verbindungselement auch glasfaserverstärkter Kunststoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 5,2 x 10-6 [1/K] verwendet werden, wenn gleichzeitig ein Graugussmaschinengehäuse mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 11,0 x 10-6[1/K] zum Einsatz kommt. Mit diesen, hier beispielhaft und nicht vollständig genannten Werkstoffkombinationen sind in vorteilhafter Weise viele heute üblicher Materialien für Maschinengehäuse abgedeckt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die dreidimensionale Aufsicht auf ein Maschinengehäuse 1, hier einem Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit nicht direkt erkennbaren Zylindern in V-Anordnung. Die Aufsicht zeigt einen Kurbelwellenlagerbereich mit Blick durch eine nicht dargestellte Ölwanne. Das Maschinengehäuse 1 weist vier Lagerstühle 2, 2', 2", 2"' mit jeweils einem korrespondierenden Lagerdeckel 5, 5', 5", 5"' auf. Die vier Lagerbereiche, bestehend jeweils aus einem Lagerstuhl 2, 2', 2", 2'" und einem Lagerdeckel 5, 5', 5", 5"', dienen zur Lagerung einer nicht dargestellten Kurbelwelle. Parallel zur Ausrichtung der Kurbelwelle befinden sich beidseitig der Lagerbereiche zwei gegenüberliegende Gehäusewände 3, 3' des Maschinengehäuses 1. Die Gehäusewände 3, 3' dienen der Befestigung der nicht dargestellten Ölwanne. Der Lagerstuhl 2" ist von einem Verbindungselement 4 und der Lagerstuhl 2"' von einem Verbindungselement 4' überspannt. Jedes Verbindungselement 4, 4' ist einerseits an der Gehäusewand 3 und andererseits an der Gehäusewand 3' mit jeweils zwei Schrauben 6, 6' befestigt.
Das Verbindungselement 4, 4' weist sowohl eine hohe Materialfestigkeit, als auch einen Querschnitt, der Zug- bzw. Druckspannungen besonders gut aufnehmen kann, auf. In der Mitte eines jeden Verbindungselements 4, 4', in Einbaulage in der Brennkraftmaschine der tiefste Punkt, befindet sich eine Bohrung, durch die ein auf dem Verbindungselement 4, 4' angesammeltes Schmiermittel abtropfen kann.
Fig. 1 zeigt ein Maschinengehäuse bzw. Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit Zylindern in V-Anordnung. Abweichend davon kann das Verbindungselement 4, 4' auch in Reihenmotoren eingesetzt werden. Welches Brennverfahren, Otto- oder Dieselbrennverfahren, die Brennkraftmaschine aufweist ist unerheblich.
Das Zylinderkurbelgehäuse ist im Ausführungsbeispiel aus Aluminiumguss, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 21,7 x 10-6 [1/K], während das Verbindungselement 4, 4' aus einem Schmiedestahl C45 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 11,7 x 10-6 [1/K] gefertigt ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine werden auch die Verbindungselemente 4, 4' erwärmt, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten α zwischen dem Maschinengehäuse 1 und den Verbindungselementen 4 ,4' statische Druckspannungen im Übergangsbereich von den Lagerstühlen zu den Gehäusewänden 3, 3' aufbauen. Die statisch erzeugten Druckspannungen wirken den dynamischen Zugspannungen, die bei der Verbrennung auftreten, im Übergangsradius vom Lagerstuhl 2, 2' zur Gehäusewand 3, 3' entgegen und ermöglichen somit die Erhöhung des Zylinderinnendrucks, für eine deutlich höhere dynamische Betriebsbelastung. Durch den erhöhten Zylinderinnendruck steigt der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, wodurch der Brennstoffverbrauch reduziert wird. Somit kann bei gegebenen Bauraum und Gewicht die Leistungsdichte von der Brennkraftmaschine erhöht werden.
In weiteren Ausführungsvarianten kann das Maschinengehäusemateriai auch aus:
  • Alusil mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 19,2 x 10-6 [1/K] in Verbindung mit einem Verbindungselement 4, 4' aus einem Gussmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α= 11,0 x 10-6 [1/K], oder
  • Magnesiumguss mit einem Wärmeausdehnenskoeffizienten α = 26,7 x 10-6 [1/K] in Verbindung mit einem Verbindungselement 4, 4' aus Chrommolybdänstahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 12,0 x 10-6 [1/K] sein.
Eine weitere technisch relevante Variante ist die Werkstoffpaarung für ein Maschinengehäusematerial aus:
  • Grauguss mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 11,0 x 10-6 [1/K] in Verbindung mit einem Verbindungselement 4, 4' aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 5,2 x 10-6 [1/K].
Darüber hinaus kann das Verbindungselement 4, 4' auch aus einem Sintermaterial mit über die Materialzusammensetzung variablem Wärmeausdehnungskoeffizient α sein.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist für jeden Lagerbereich ein eigenes Verbindungselement 4, 4' vorgesehen, in anderen Ausführungsbeispielen kann sich auch ein einzelnes Verbindungselement 4, 4' sich über mehrere Lagerbereiche erstrecken.
Neben einer Schraubverbindung zwischen Verbindungselement 4, 4' und Gehäusewänden 3, 3' sind auch formschlüssige bzw. kraftschlüssige Verbindungen denkbar. Des weiteren kann das Verbindungselement 4, 4' derart ausgestaltet sein, dass es gleichzeitig als Ölhobel fungiert, und die Aufgabe der Beruhigung des Schmiermittels beim Betrieb der Brennkraftmaschine im Kurbelgehäuse übernimmt.
Bezugszeichenliste
1
Maschinengehäuse
2, 2'
Lagerstuhl
3, 3'
Gehäusewand
4, 4'
Verbindungselement
5, 5'
Lagerdeckel
6, 6'
Schraube

Claims (6)

  1. Maschinengehäuse (1), insbesondere Zylinderkurbelgehäuse, für eine Brennkraftmaschine, in dem sich zwischen zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden (3, 3') zumindest ein Lagerstuhl (2, 2') für eine Welle erstreckt und die Gehäusewände (3, 3') über ein Verbindungselement (4, 4') in Richtung des Lagerstuhls (2, 2') versteift sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (1) aus einem Material mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als das Verbindungselement (4, 4') ist.
  2. Maschinengehäuse nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4, 4') für zumindest einen Lagerbereich (2, 2') vorgesehen ist.
  3. Maschinengehäuse nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4, 4') lösbar mit den Gehäusewänden (3, 3') verbunden ist.
  4. Maschinengehäuse nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4, 4') aus einem Stahl-, Kunststoff- oder Sintermaterial ist.
  5. Maschinengehäuse nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (1) aus einem Leichtmetall ist.
  6. Maschinengehäuse nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine Kurbelwelle ist.
EP20030012574 2002-07-17 2003-06-03 Maschinengehäuse für eine Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP1382828B1 (de)

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