Beschreibung:

im Betrieb werden Kolbenmaschinen, insbesondere Kolbenbrenn- kraftmaschinen, durch die wechselnden Vorgänge im Zylinder¬ raum, beispielsweise durch den Verbrennungsablauf, aber auch durch mechanische Einflüsse zu Schwingungen angeregt, die auch als Schall an den Oberflächen der Kolben- maschine in Form von Luftschall abgestrahlt werden und/oder über die Lagerung der Kolbenmaschine in das Fundament bzw. die Fahrzeugkarosserie bei Fahrzeugen als Körperschall weitergeleitet werden.

Wegen der nachteiligen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt ist man bestrebt, derartige Geräuschemissionen zu verringern. Wie in DE-A-28 49 613 gezeigt, wird versucht, eine Schallab¬ schirmung durch die Anordnung einer elastisch mit dem Motorblock einer Kolbenbrennkraftmaschine verbundenen Schallisolierhülle zu erzielen. Des weiteren wurde gemäß DE-A-28 01 431 vorgeschlagen, die gesamte Kolbenbrenn¬ kraftmaschine mit Hilfe körperschallisolierender Stützele¬ mente in einer Außenwanne zu lagern. Nachteilig an derartigen

Schallisoliermaßnahmen ist, daß sie einen Großteil der

Maschine umfassen und daher das Anbringen von Anbauteilen und/oder Zusatzaggregaten, wie Motorstützen, Anlasser, Lichtmaschine oder auch von Gaszuleitungen und Gasableitun- gen behindert. Hierbei läßt es sich vielfach auch nicht verhindern, daß derartige Schallisolierhüllen für die Anbringung derartiger Anbauteile und/oder Zusatzaggregate unterbrochen werden, wodurch ihre Wirksamkeit verringert wird. Darüber hinaus beeinträchtigen derartige Schalliso- liermaßnahmen den Wärmehaushalt einer Kolbenbrennkraftma¬ schine.

Wegen der vorstehend geschilderten Nachteile hat man auch versucht, die Schallausbreitung dadurch zu bekämpfen, daß man versucht hat, die Schallentstehung zu verhindern oder zumindest zu vermindern. Neben der Verringerung der Anregungsursachen, beispielsweise durch Optimierung des Brennverfahrens ist es vor allem sinnvoll, die Körperschall¬ übertragung und die Schallabstrahlung an der Oberfläche der Kolbenbrennkraftmaschine zu verringern. Dies wurde dadurch bewirkt, daß man die Kolbenbrennkraftmaschine insbesondere in ihren dünnwandigen Bereichen möglichst steif, insbesondere biege- oder torsionssteif ausbildet, wobei in bezug auf die. Luftschallabstrahlung die schwingungs- fähigen Flächen möglichst klein und/oder dickwandig ausge¬ führt werden. Insbesondere durch eine Erhöhung der Wand¬ stärken treten neben einer unerwünschten Vergrößerung des Gewichtes vor allem bei gegossenen Bauteilen vermehrt Gußdefekte, wie Lunker-, Porenstellen oder dergl. auf. Daher wurde gemäß DE-A-35 44 215 bereits vorgeschlagen, die Steifigkeit des Motorblocks insgesamt durch ein System von Verstärkungsrippen auf den Seitenwänden im Zylinder¬ bereich zu verbessern. Hierdurch lassen sich bei entspre¬ chender Gestaltung der Rippen unerwünschte Gußdefekte vermeiden und eine hohe Steifigkeit des Zylinderblocks erzielen.

Auch dem Vorschlag gemäß DE-A-40 17 139 liegt der Gedanke zugrunde, die notwendige Steifigkeit des Motorblocks über die gezielte Anbringung von Bändern und Rippen zu bewirken. Bei diesem Vorschlag wird dies insbesondere durch die Anbindung der Kurbelwellenlagerung an den Zylinderblock und an die Kurbelgehäuseseitenwandungen über eine Vielzahl von Verstärkungsrippen erreicht, so daß die Steifigkeit der Motorblockstruktur insgesamt erhöht wird. Dies ist jedoch mit einer entsprechenden Gewichtserhöhung verbunden. Eine Gewichtszunahme ist jedoch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu vermeiden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schwingungs¬ und Geräuschentwicklung einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftmaschine, durch Gestaltung der Motor¬ blockstruktur zu verringern, wobei das Gesamtgewicht mög¬ lichst nicht erhöht werden darf.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Kolben- maschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der in einem Motorblock Zylinder, Kolben, Kurbelwelle und Kurbelwellenlagerung angeordnet sind, wobei Bereiche am Motorblock mit deckel- und/oder wannenförmigen Abdeckun¬ gen versehen sind und bei der die Wandungen des Motorblocks und/oder der Abdeckungen zumindest in Teilbereichen mit verstärkenden Bauteilen fest verbunden sind, die aus einem vom Grundwerkstoff des Motorblocks und/oder der Abdeckungen abweichenden Bauteilwerkstoff bestehen, der einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als der Grundwerkstoff. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß für den Bauteilwerkstoff Werkstoffe ausgewählt werden können, die neben einem um ein Mehrfaches höheren Elastizitätsmodul als der Grundwerkstoff je nach Art des verwendeten Grundwerkstoffs eine geringere Dichte aufweisen. Hierdurch wird erreicht, daß bei gleichbleibendem Gesamt¬ gewicht der Kolbenmaschine die Steifigkeit in den betreffen¬ den Bereichen erhöht ist und/oder sogar das Gesamtgewicht verringert werden kann. Zu den Abdeckungen im Sinne der

vorliegenden Erfindung gehören beispielsweise der Zylinder¬ kopfdeckel, Steuertriebabdeckungen, die Kurbel- oder ölwanne und ähnliche Elemente der Motorstruktur. Insbesondere bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist im Hinblick auf die zu lösende Aufgabe der Geräuschabsenkung auch noch das damit verbundene Getriebe zu rechnen, da auch die Wandungen eines beispielsweise angeflanschten Getriebegehäuses Schall abstrahlen können. Auch hier läßt sich mit einer Anordnung von Bauteilen in der Wandung eine schwingungsmindernde Versteifung erreichen. In gleicher Weise lassen sich auch die Ansaug- und/oder Abgasrohre mit rohrförmigen Bauteilen innen und/oder mit steg- oder rippenförmigen Bauteilen außen schwingungsmindernd verstärken, so daß auch über diese zum Motorblock im weiteren Sinne zählenden Strukturen keine oder nur eine geringere Schallabstrahlung erfolgt.

In bevorzugter Ausgestaltung werden für den Bauteilwerkstoff keramische Werkstoffe, insbesondere oxidkeramische Werkstoffe vorgesehen. Diese besitzen einen vielfach höheren Elastizi- tätsmodul als der als Grundwerkstoff übliche Grauguß oder Aluminiumguß . Im Falle der Verwendung von Grauguß als Grundwerkstoff ist die Dichte von keramischen Werkstoffen wesentlich kleiner als die Dichte des Grundwerkstoffs. Bei der Verwendung von Aluminiumguß ist die Dichte kerami- scher Werkstoffe in etwa gleich. Aufgrund dieser Werkstoff- eigenschaften können versteifende Bauteile aus keramischen Werkstoffen bei gleicher Masse etwa die 12fache Steifigkeit gegenüber einer baugleichen Ausführung aus Grauguß erreichen. Bei gleicher Steifigkeit weisen beispielsweise Rippen aus einem keramischen Werkstoff etwa 70% weniger Masse als Rippen aus Grauguß auf. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß sich bei einer rippenförmigen Gestaltung derarti¬ ger Bauteile bei einer vorgegebenen gleichen Steifigkeit aufgrund des höheren Elastizitätsmoduls sich auch die geometrischen Abmessungen gegenüber einer Rippe aus dem

Grundwerkstoff vermindern, so daß das Bauvolumen der Brenn¬ kraftmaschine reduziert wird. Damit können Versteifungsma߬ nahmen zur Geräuschreduzierung auch bei vorgegebener Ferti-

gungsanlage wirksam in die Komponenten eingebracht werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Bauteile jeweils zumindest teilweise vom Grundwerkstoff formschlüssig umfaßt sind. Hierbei wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die verstärkenden Bauteile durch wenigstens teilweises Umgießen mit dem Grundwerkstoff mit diesem verbunden sind. Der besondere Vorteil des ümgießens besteht darin, daß schon während des Gießprozesses der Grundwerkstoff die entsprechend in den Formen gehaltenen Bauteile, insbeson¬ dere keramischen Bauteile, im Befestigungsbereich umfließt, so daß größere Maßabweichungen seitens der keramischen Bauteile hingenommen werden können. Das erlaubt es, derartige Keramikbauteile so wie sie aus dem Brennprozeß kommen, ohne jegliche Nachbearbeitung einzusetzen. Da während der Abkühlphase der Grundwerkstoff stärker schrumpft als die eingesetzten Keramikbauteile, werden die Keramikbauteile unter Druckspannung im Grundwerkstoff gehalten. Dies ist besonders vorteilhaft für spröde Keramikwerkstoff.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die verstärkenden Bauteile über Hilfs¬ werkstoffe fest mit dem Grundwerkstoff verbunden sind. Als Hilfswerkstoffe kommen hier organische oder anorgani¬ sche Kleber in Betracht oder ein Auflöten der keramischen Bauteile mittels metallischer oder nicht-metallischer Lote, beispielsweise Glas- oder Emaillote.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die verstärkenden Bauteile im Bereich der Kurbelwellenlagerung stegförmig ausgebildet sind und den Lagerbereich mit der Wandung des Motorblocks verbinden. Diese Anordnung ist besonders wirksam, da der hier zur Verfügung stehenden Bauraum durch die mit der Kurbelwelle verbundenen umlaufenden Gegengewichte fest vorgegeben ist. Eine weitere Erhöhung der Steifigkeit des Lagerbereichs durch die Verbindung der benachbarten Wandungen des Motor-

blocks über derartige stegförmige Abstützungen ist daher nur durch den Einsatz von Werkstoffen mit einem höheren Elastizitätsmodul als der verwendete Grundwerkstoff, insbe¬ sondere durch die Verwendung von keramischen Werkstoffen möglich. Dadurch werden die für die Körperschallübertragung kritischen Schwingungen der Kurbelwellenlagerung sowohl in Motorlängsrichtung als auch in Richtung der Motorquer¬ achse und der Motorhochachse wirksam unterdrückt.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Motorblock einer Kolbenbrennkraft¬ maschine mit in Längsrichtung angeordneten versteifenden, rippenförmigen Bauteilen,

Fig. 2 einen Motorblock mit versteifenden Bau¬ teilen im Bereich des Kurbelgehäuses,

Fig. 3 eine Abwandlung der Ausführungsform gem.

Fig. 1,

Fig. 4 eine Abstützung des Kurbelwellenlagers am Kurbelgehäuse über versteifende steg- förmige Bauteile,

Fig. 5 einen Teilausschnitt einer Motorblock¬ wandung mit nachträglich aufgebrachtem verstärkendem Bauteil,

Fig. 6 unterschiedliche Ausführungsbeispiele für in den Grundwerkstoff des Motorblocks eingegossene rippenförmige Bauteile in einer Schnittdarstellung,

Fig. 7 einen vollständig vom Grundwerkstoff umschlossenes rippenförmiges Keramik¬ bauteil in einer Schnittdarstellung,

Fig. 8 eine bevorzugte Ausführungsform einer eingegossenen Rippe,

Fig. 9 die Rippenform gem. Fig. 8 in einer eingelöteten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Motorblock 1 einer Vierzylinder-Kolbenbrenn¬ kraftmaschine dargestellt, dessen oberer Abschnitt 2 den Zylinderblock bildet und dessen unterer Abschnitt 3 den oberen Teil des Kurbelgehäuses umfaßt. Das Kurbelgehäuse ist auf der Unterseite mit einer hier nicht näher dargestell¬ ten Kurbelwanne umschlossen. Der Zylinderblock 2 und das Kurbelgehäuse 3 sind insbesondere bei Fahrzeugmotoren als ein Bauteil ausgeführt. Zur Verstärkung der Konstruktion sind auf dem Zylinderblock 2 ebenso wie auf dem Kurbelgehäuse 3 sich in Längsrichtung der Brennkraftmaschine erstreckende rippenförmige Bauteile 4 angebracht. Diese rippenförmigen Bauteile 4 bestehen aus einem Werkstoff, der einen höheren E-Modul als der Grundwerkstoff aufweist, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff. Wird der Motorblock 1 beispielsweise aus Grauguß hergestellt, dann weisen die Bauteile 4 gegenüber dem Grundwerkstoff Grauguß beispielsweise einen etwa drei mal höheren E-Modul und etwa die halbe Dichte des Grundwerkstoffs auf. Der Wärmeausdehnungskoeffi- zient ist dem von Grauguß ähnlich, so daß ein Verbund von Grauguß und Keramik aus dieser Sicht unproblematisch ist. Verwendet man als Grundwerkstoff Aluminium, so besitzen die Bauteile 4 beispielsweise bei Verwendung von Aluminium- Oxid-Keramik einen 5fach höheren E-Modul als der Grundwerk- stoff bei ähnlicher Dichte. So haben beispielsweise derartige rippenförmige Bauteile 4 aus Keramik, wie sie in Fig. 1 angedeutet sind bei gleicher Formsteifigkeit bei der Verwen¬ dung von Grauguß als Grundwerkstoff eine um 70% geringere Masse als Rippen aus Grauguß. Derartige rippenförmige Bauteile können an dem Kurbelgehäuse 3 sowohl auf der Außenwandung als auch auf der Innenwandung angeordnet werden. Bei der dargestellten Anordnung erhöht sich die Steifigkeit des Motorblocks, global und vor allem lokal

insbesondere in bezug auf die Motorhochachse, so daß die Entstehung von Schwingungen behindert und die Amplitude entstehender Schwingungen des Motorblocks reduziert wird.

In Fig. 2 ist ein Motorblock dargestellt, bei dem auf der Außenwand des Kurbelgehäuses 3 neben einem sich in Motorlängsrichtung erstreckenden rippenförmigen Bauteil 4 aus Oxidkeramik zur Versteifung der Kurbelgehäusewandung kreuzförmig zueinander verlaufende Rippen 5 und 6 angeordnet sind, die auch aus Keramik sein können.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 1. Hierbei sind die in Längsrichtung sich erstrecken¬ den rippenförmigen Bauteile 4 in ihrer Längsrichtung unter- brochen, wobei die Unterbrechung vorzugsweise im Bereich der Verbindungsstellen der Lagerwände mit den Außenwandun¬ gen des Motorblocks vorgesehen sind. Hierdurch werden die frei schwingungsfähigen Außenflächen der Motorblock¬ struktur verkleinert und das akustische Verhalten der Motorblockstruktur deutlich verbessert. Derartige Rippen führen an den Unterbrechungsstellen 7 zu einem erhöhten Impedanzsprung und somit insbesondere zu einer Verringe¬ rung der Körperschallübertragung. Die Geometrie der Unter¬ brechungsstellen kann, wie beispielsweise für den Bereich 7.1 dargestellt, keilsförmig bzw. trapezförmig ausgebildet sein oder wie für den Bereich 7.2 dargestellt, abgerundet ausgebildet sein. Diese Konstruktion mit unterbrochenen kurzen Rippen berücksichtigt die besonderen Verhältnisse des spröden Werkstoffs Keramik. Die Konstruktion mit unter- brochenen Rippen ist aber auch bei reinen Gußkonstruktionen vorteilhaft.

In Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt durch einen Motorblock 1 dargestellt, bei dem der Zylinderblock 2 und das Kurbelgehäu- se 3 einstückig miteinander verbunden sind. Die Abstützung 8 für das Hauptlager ist hierbei über eine mit Rippen 10, 11 verstärkte Lagerwand 9 mit dem Motorblock fest verbunden und über zusätzliche, stegförmige Rippen 12, 13, 14 mit

der Wandung des Kurbelgehäuses 3 fest verbunden, so daß sich hier eine zusätzliche Aussteifung ergibt. Zur Erhöhung der Steifigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Gewichtes ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der stegförmigen Rippen 12, 13 und/oder 14 aus einem keramischen Werkstoff besteht, wobei bevorzugt diejenigen Verstärkungsrippen, welche senkrecht zur Lagerwand 9 angeordnet sind, entweder mit keramischem Werkstoff verstärkt oder vollständig aus keramischem Werkstoff ausgeführt sind. Dadurch werden die für die KörperSchallübertragung kritischen Schwingungen der Kurbelwellenlagerung sowohl in Motorlängsrichtung als auch in bezug auf die Motorquer- und Motorhochachse wirksam unterdrückt und die Eingangsimpedanz am Hauptlager deutlich erhöht.

In Fig. 5 ist schematisch eine Möglichkeit der Verbindung eines rippenförmigen Bauteils 4 mit der Wandung eines Motorblocks, beispielsweise mit der Wandung des Kurbelge¬ häuses 3 dargestellt. Das Bauteil 4 ist bei dieser Ausfüh- rungsform nachträglich auf das Kurbelgehäuse 3 aufgesetzt, wobei die Verbindung über einen Hilfswerkstoff erfolgt, beispielsweise einen Kleber und/oder durch Löten oder Schweißen. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wie Fig. 9 zeigt, in der Wandung des Motorblocks bei der Herstellung eine rinnenfδrmige Vertiefung vorzusehen, in die dann das rippenförmige Bauteil 4 eingesetzt und durch Verkleben, Löten oder Schweißen mit dem entsprechenden Wandungsbereich des Motorblocks verbunden wird.

wie Fig. 6 zeigt, können derartige rippenförmige Bauteile 4 bereits bei der Herstellung des Motorblocks in den Grundwerk¬ stoff durch Umgießen eines derartigen Bauelementes eingebracht werden. Wie die Querschnittform 4.1 zeigt, muß hierbei die einzuformende Kante des rippenförmigen Bauteiles ent- sprechend verdickt ausgeführt werden, wobei die Verdickung abgerundet auszuführen ist, so daß hierdurch die auftretenden Beanspruchungen weitgehend als Druckbeanspruchung der Oberfläche des Bauteils 4.1 wirksam werden.

Bei der Querschnittsform, wie sie für das rippenförmige Bauteil 4.2 dargestellt ist, ergibt sich eine Erhöhung der Steifigkeit der Rippen dadurch, daß die freiliegende Kante 16 entsprechend verdickt ausgeführt wird, so daß sich ein höheres Flächenträgheitsmoment, bezogen auf die zu versteifende Wandung der Brennkraftmaschine ergibt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß eine derart verdickte Außenkante 16 zugleich eine gute Einbindung in den Formwerkstoff ergibt. Wie Fig. 8 zeigt, ist der verdickte Bereich in den Formwerkεtoff

17 der Gußform eingebettet, so daß nur das vom Grundwerkstoff des zu erstellenden Motorblocks zu umschließende Ende herausragt. Die Gußform ist hierbei so vorzusehen, daß nach Möglichkeit die Wandstärke im Umgießungsbereich 18 im wesentlichen konstant ist, so daß eine "Umgußfalte" entsteht, die das rippenförmige Bauteil 4.2 wie ein "Klemm¬ hefter" formschlüssig umgibt.

Ein derartiges rippenförmiges Bauelement 4.2 aus einem keramischen Werkstoff kann aber auch direkt am Modell angebracht werden, so daß der Formsand die Rippen außen formschlüssig umgibt. Die Hinterschnitte können hierbei durch ein leicht verdampfbares Material, z. B. durch Wachs, ausgefüllt werden, um das Eindringen des Sandes zu verhin- dem. In ähnlicher Weise können derartige Keramikbauteile auch in Sandkerne oder Metallformen (Kokillenguß, Druckguß) integriert werden. Beim Lost-Foam-Verfahren sind die rippen¬ förmigen Bauteile 4 direkt in das Positiv aus Schaumstoff eingesetzt.

In Fig. 6 ist ferner noch ein rippenförmiges Bauteil 4.3 im Querschnitt gezeigt.

Der Querschnitt gem. Fig. 7 zeigt eine rippenförmige Ver- Stärkung 19, bei der ein Keramikbauteil 4 vom Gußwerkstoff vollständig umschlossen ist. Die vollständige Umschließung wird bei dieser Ausführungsform nicht über die ganze Länge vorgesehen, da das zu umgießende Bauteil 4 aus keramischem

Werkstoff zumindest in seinen Endbereichen in der Form fixiert werden muß .

Um beim Eingießen derartiger Bauteile 4 den sogenannten Thermoschock zu vermeiden ist es zweckmäßig, wenn die ganz oder teilweise zu umgießenden Bauteile 4 unmittelbar vor dem Guß aufgeheizt werden. Bei elektrisch-leitfähigen Keramikwerkstoffen kann die Vorheizung der Keramikbauteile in der Sandform auf induktivem Wege erfolgen.

Im Bereich des Zylinderblockes 2 läßt sich die erfindungs¬ gemäße Lehre nicht nur durch die Aufbringung von kerami¬ schen Bauteilen anwenden, wie sie anhand von Fig. 1 darge¬ stellt ist. In diesem Bereich ist es auch möglich, entspre- chend ausgebildete verstärkende Bauteile aus keramischem Werkstoff in der Nähe der Gewindepfeife anzuordnen, bei¬ spielsweise einzugießen, so daß neben der Erhöhung der Steifigkeit in bezug auf dynamische Beanspruchungen auch eine Erhöhung der Steifigkeit in bezug auf statische Bean- spruchungen erzielt wird. So lassen sich hierdurch beispiels¬ weise Zylinderrohrverzüge infolge der Schraubenkräfte minimieren.

Als keramische Werkstoffe für die Bauteile können oxidkera- mische Werkstoffe, insbesondere Mischkeramiken oder Disper¬ sionskeramiken auf der Basis von beispielsweise Aluminium¬ oxid, Siliziumoxid oder Zirkonoxid und/oder Mischungen hiervon verwendet werden. Daneben können auch Siliziumnitrit (Si3> oder Siliziumkarbid sowie generell FRC's (fiber reinforced ceramics) in Betracht kommen. Die Auswahl richtet sich außer nach den Kosten für diese Werkstoffe auch nach der jeweiligen Beanspruchung.