DE10250549A1 - Hubkolben-Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Hubkolben-Verbrennungsmotor, bei dem zur Reduzierung des Risikos eines Reibverschleißes an einer zwischen Motorblock und Zylinderkopf anzuordnenden Dichtung und/oder an den Dichtflächen von Motorblock und/oder Zylinderkopf ein im Motorbetrieb durch den maximalen, im Brennraum auftretenden Gasdruck beaufschlagter, im Motorblock ausgebildeter Bereich der Brennraum-Umfangsfläche dadurch verkleinert wurde, daß zwischen Motorblock und Zylinderkopf ein Distanzelement aus Metall oder Keramik eingefügt wurde, in dem sich eine einen Teil des Brennraums bildende Öffnung befindet, und daß der oberste Kolbenring derart am Kolben angeordnet ist, daß gilt: DOLLAR A 0 < B A/2, DOLLAR A wobei A der Abstand des obersten Kolbenrings von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche und B der Abstand des obersten Kolbenrings des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens von der Motorblock-Dichtfläche ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Motorblock und mindestens einem Zylinderkopf, welche einander zugewandte und parallel zueinander verlaufende Dichtflächen aufweisen, sowie mit mindestens einem Brennraum, in dessen im Motorblock ausgebildeten Brennraumbereich ein Kolben mittels Kolbenringen an einer Brennraumumfangsfläche längs einer Brennraumachse zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt verschiebbar geführt ist.
• Wenn vorstehend davon die Rede war, daß der Motor mindestens einen Zylinderkopf haben soll, so ist dies vor dem Hintergrund zu sehen, daß es auch Mehrzylinder-Motoren gibt, bei denen für jeden Zylinder bzw. Brennraum ein gesonderter Zylinderkopf vorgesehen ist. Dementsprechend kann ein solcher Motor auch mehrere Zylinderkopfdichtungen aufweisen, nämlich für jeden Zylinderkopf jeweils eine Dichtung. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch solche Motoren betrifft, bei denen die den Kolben führende Brennraumumfangsfläche eines Zylinders nicht vom eigentlichen Motorblock gebildet wird, sondern von einer in den Motorblock eingesetzten Zylinderlaufbuchse; wenn deshalb vorstehend und im folgenden von einem Motorblock die Rede ist, so soll hierunter gegebenenfalls auch die Kombination aus eigentlichem Motorblock und Zylinderlaufbuchse bzw. Zylinderlaufbuchsen verstanden werden, und bei der Motorblock-Dichtfläche kann es sich gegebenenfalls ganz oder teilweise um eine von einer Zylinderlaufbuchse bzw. Zylinderlaufbuchsen gebildete Dichtfläche handeln.
• Vor allem bei Dieselmotoren führte das Bestreben, die Motorleistung zu erhöhen und die Abgaswerte zu reduzieren, zu immer höheren Zünddrucken, worunter im folgenden ganz generell der im Laufe der Verbrennung auftretende maximale Gasdruck verstanden werden soll. Bei Otto-Motoren hat die Tendenz, aus einem bestimmten Hubraum eine immer größere Leistung (sogenannte Literleistung) zu erhalten und den Kraftstoffverbrauch zu senken, zur Folge, daß diese Motoren eine sich immer mehr erhöhende Verdichtung aufweisen, was gleichfalls zur Folge hat, daß der im Zuge der Verbrennung auftretende maximale Druck entwicklungsbedingt ständig zunimmt.
• Bei herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotoren liegt der obere Totpunkt des Kolbens so, daß die Oberkante der Kolbenumfangsfläche eines sich in seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolbens entweder ganz geringfügig unterhalb der Ebene des sogenannten Dichtspalts bzw. der Motorblock-Dichtfläche oder im Zylinderkopf liegt - letzteres ist dann der Fall, wenn der Zylinderkopf einen Teil der Brennraumumfangsfläche bildet; der sogenannte Dichtspalt wird durch die Dichtflächen von Motorblock und Zylinderkopf begrenzt und durch die Zylinderkopfdichtung abgedichtet. Ferner ist der oberste Kolbenring stets in einem erheblichen Abstand von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche angeordnet, weil sonst die Gefahr besteht, daß die obere Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden, in der Kolbenumfangsfläche ausgebildeten Ringnut unter den im Motorbetrieb auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen ausbricht. Wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt nähert, darf sein oberster Kolbenring die Zylinderkopfdichtung jedoch nicht überlaufen, d. h. nicht bis in die Dichtspaltebene gelangen, und bei allen bekannten Motoren liegt der oberste Kolbenring bei sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolben in einem erheblichen Abstand unterhalb der Dichtspaltebene.
• Diese geometrischen Verhältnisse, von denen der Mindestabstand des obersten Kolbenrings von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche nicht zur Disposition steht, haben zur Folge, daß die hohen, in einem Brennraum auftretenden maximalen Gasdrücke zu folgenden kurzzeitigen, d. h. momentanen, elastischen Verformungen der Motorbauteile (Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse) führen: Infolge der bezüglich der Brennraumachse radialen Druckbeaufschlagung des vom Motorblock bzw. einer Zylinderlaufbuchse gebildeten Bereichs der Brennraum-Umfangswand, welcher sich im oberen Totpunkt des Kolbens oberhalb dessen oberstem Kolbenring befindet, wird dieser Bereich der Brennraum-Umfangswand aufgeweitet, d. h. in diesem Bereich verschiebt sich die Brennraum-Umfangswand radial nach außen, was entsprechende, bezüglich der Brennraumachse radial nach außen gerichtete Querbewegungen zumindest eines den Brennraum umgebenden ringförmigen Bereichs der Motorblock-Dichtfläche (bzw. einer dem Zylinderkopf zugewandten Dichtfläche einer Zylinderlaufbuchse) zur Folge hat. Bei der heute überwiegend anzutreffenden Gestaltung des Zylinderkopfs, bei der letzterer höchstens einen sehr kleinen Teil des Brennraums aufnimmt, führt die in Richtung der Brennraumachse nach oben gerichtete (axiale) Druckbeaufschlagung des den Brennraum oben begrenzenden Bereichs des Zylinderkopfs hingegen dazu, daß letzterer auf Biegung beansprucht wird, und aufgrund der Durchbiegung des Zylinderkopfs ergeben sich bezüglich der Brennraumachse radial nach innen gerichtete Querbewegungen der Zylinderkopf-Dichtfläche zumindest in einem den Brennraum umgebenden ringförmigen Bereich dieser Dichtfläche. Die im Motorbetrieb auftretenden Querbewegungen der Dichtflächen von Motorblock (bzw. Zylinderlaufbuchse) und Zylinderkopf sind dann also gegenläufig. Selbst wenn ein nennenswerter Teil des Brennraums im Zylinderkopf ausgebildet ist, führt der im Brennraum auftretende maximale Gasdruck nicht zu nennenswerten radial nach außen gerichteten Querbewegungen der Zylinderkopfdichtfläche, weil der Zylinderkopf als eher plattenähnliches Bauteil in radialer Richtung steifer ist als der den Brennraum aufnehmende, eher rohrartige Bereich des Motorblocks.
• Der kritischste Bereich einer Zylinderkopfdichtung ist derjenige, mit dem um einen Brennraum herum gegen den Durchtritt von Brenngasen abgedichtet wird; in diesem den Brennraum bzw. eine Brennraum-Durchgangsöffnung der Zylinderkopfdichtung ringförmig umschließenden Bereich erfolgt die Abdichtung üblicherweise mit einem ringförmigen sogenannten Brennraum-Dichtelement, sei es eine ringförmige Sicke einer Metallage einer Zylinderkopfdichtung und/oder ein die Brennraum-Durchgangsöffnung ringförmig umgebender Randbereich der Zylinderkopfdichtung, bei dem es sich beispielsweise um einen in die Dichtung eingelegten Metallring oder um eine Randeinfassung der Brennraum-Durchgangsöffnung handeln kann, wobei der Querschnitt dieser Randeinfassung dann z. B. ungefähr einem liegenden U entspricht. Obwohl die von den Zylinderkopfschrauben bewirkten Einspannkräfte bzw. spezifischen Flächenpressungen zwischen der Zylinderkopfdichtung und den Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse im Bereich eines solchen Brennraum-Dichtelements am höchsten sind, besteht aufgrund der vorstehend erwähnten hohen Gasdrücke die Gefahr, daß in den Kontaktbereichen der Zylinderkopfdichtung und der Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse an der Zylinderkopfdichtung und/oder den Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse Verschleiß entsteht, und zwar vor allem aufgrund der vorstehend beschriebenen Querbewegungen des Motorblocks bzw. der Zylinderlaufbuchse relativ zur Zylinderkopfdichtung, wenn ein durch die verschiedenen Bauteile bestimmtes Verhältnis zwischen Querkräften und den in Richtung der Brennraumachse wirkenden, durch den in der entgegengesetzten Richtung wirkenden Gasdruck verminderten Einspannkräfte überschritten wird, und es hat sich gezeigt, daß solche Verschleißerscheinungen nicht nur im Bereich des Brennraum-Dichtelements auftreten können, sondern auch in bezüglich der Brennraumachse radial außerhalb dieses Dichtelements liegenden Bereichen.
• Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, dieses Reibverschleißrisiko zu vermindern, und zwar auf eine solche Weise, daß es auch möglich ist, die grundsätzliche, von herkömmlichen Motoren her bekannte "flache" Gestaltung des Zylinderkopfs beizubehalten - bei vielen herkömmlichen Motoren nimmt der Zylinderkopf, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, keinen oder nur einen ganz geringfügigen Teil des Brennraums auf.
• Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Motor so gestaltet wird, daß bei sich in seinem oberen Totpunkt befindlichem Kolben ein erheblicher Teil des Brennraums in einem zusätzlich zur Zylinderkopfdichtung zwischen Motorblock und Zylinderkopf angeordneten Distanzelement ausgebildet ist und der oberste Kolbenring des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens auf dem Niveau der Dichtfläche des Motorblocks bzw. der zugehörigen Zylinderlaufbuchse liegt oder möglichst wenig und insbesondere nur ganz geringfügig (im Vergleich zu den geschilderten bekannten Motoren) unterhalb des Niveaus dieser Dichtfläche, was sich selbst bei gleicher Gestaltung des Kolbens wie bei einem bekannten Motor durch eine entsprechende Bemessung des Pleuels oder eine entsprechende Lageranordnung für die Kurbelwelle erreichen läßt, wobei das Distanzelement gerade im Hinblick auf die in den in Rede stehenden Motoren herrschenden hohen Zünddrücke bzw. Verdichtungen in radialer Richtung verformungssteifer ist als der an die Motorblock-Dichtfläche angrenzende Bereich des Motorblocks bzw. der Zylinderlaufbuchse; bei einem, wie dies zu bevorzugten ist, plattenförmigen Distanzelement ist es ohne weiteres zu erreichen, daß dieses steifer als Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse ist. Für das Verständnis des Grundkonzepts der erfindungsgemäßen Lösung ist zu beachten, daß bei einem herkömmlichen Motor derjenige, vom Motorblock bzw. der Zylinderlaufbuchse gebildete Teil der Brennraumumfangsfläche, welcher über dem obersten Kolbenring liegt, der vorstehend geschilderten radialen Druckbeaufschlagung unterliegt und bei einem erfindungsgemäßen Motor durch den Einsatz des Distanzelements gegenüber herkömmlichen Motoren gerade in derjenigen Phase des Kolbenhubs erheblich vermindert, nämlich verkürzt wird, in der im Brennraum der höchste Gasdruck auftritt. Die Erfindung muß also nicht zu einer Schwächung des Kolbens zwischen der seinen obersten Kolbenring aufnehmenden Nut und der Oberkante der Kolbenumfangsfläche führen, aber auch nicht zu einer Veränderung der herkömmlichen "flachen" Gestaltung des Zylinderkopfs oder zu einer Vergrößerung des unerwünschten sogenannten Schadraums, d. h. desjenigen Brennraumvolumens, welches zwischen dem obersten Kolbenring und dem Zylinderkopf verbleibt, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet.
• Konstruktiv läßt sich das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 verwirklichen, wobei darauf hinzuweisen ist, daß wegen des geringen axialen Spiels des Kolbenrings in der ihn haltenden Ringnut diejenigen Unterschiede vernachlässigt werden können, welche sich daraus ergeben, daß man beim Messen der Abstände A und B nicht vom obersten Kolbenring ausgeht, sondern von der oberen Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden Kolbenringnut. Da die herkömmlichen, heutzutage so gut wie ausschließlich metallischen Zylinderkopfdichtungen Dicken bis ca. 1,5 mm aufweisen, liegt die Mindestdicke des erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Distanzelements also deutlich über der Dicke bekannter metallischer Zylinderkopfdichtungen, ganz abgesehen davon, daß bei der Realisierung der Erfindung in den allermeisten Fällen zwischen dem Distanzelement einerseits und dem Motorblock bzw. dem Zylinderkopf andererseits jeweils eine Dichtung eingespannt sein wird. Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich des weiteren, daß die gestellte Aufgabe durch die Erfindung um so vollständiger gelöst wird, je größer der Flächenanteil des Distanzelements an der zwischen Zylinderkopf-Dichtfläche und oberstem Kolbenring des sich in seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolbens liegenden Brennraum-Umfangsfläche und insbesondere der gesamten, über diesem Kolbenring liegenden Brennraum-Umfangsfläche ist, und dieser Flächenanteil kann durchaus 80-90% betragen (wiederum bei sich in seinem oberen Totpunkt befindlichem Kolben).
• Obwohl das Distanzelement im allgemeinen ein einstückiges Teil sein wird, kann es natürlich auch mehrteilig sein und z. B. aus mehreren Lagen bestehen, welche in Richtung der Brennraumachse aufeinandergeschichtet sind, so daß sich diese Lagen des Distanzelements z. B. durch Stanzen aus einem Blech herstellen lassen.
• Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem zwischen Motorblock und Zylinderkopf eingefügten Ringelement ergibt sich aus der US-A-2 760 472; bei dem Ringelement handelt es sich um einen Schallabsorber aus porösem Werkstoff, wie z. B. porösem, gesintertem Metallpulver, so daß dieses Ringelement nicht nur einem völlig anderen Zweck dient, sondern es liegt auch auf der Hand, daß dieses Ringelement nicht besonders verformungssteif sein darf, weil es sonst seine Funktion als Schallabsorber nicht erfüllen könnte; infolgedessen ließe sich dieses Ringelement in Motoren mit hohen Zünddrücken bzw. einer hohen Verdichtung nicht einsetzen.
• Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäß eingesetzte Distanzelement ohne weiteres so ausgebildet werden, daß es um den Brennraum herum in radialer Richtung verformungssteifer ist als der den Brennraum umgebende obere Bereich eines Motorblocks bzw. einer Zylinderlaufbuchse; ferner führen die auf den Zylinderkopf in axialer Richtung nach oben wirkenden Gasdruckkräfte zu viel geringeren (radial nach innen gerichteten) Querbewegungen als die auf die Brennraumumfangsfläche einwirkenden, radial nach außen gerichteten Druckkräfte, so daß beim Einsatz des erfindungsgemäßen Distanzelements die vorstehend geschilderten Probleme herkömmlicher Motoren nicht in den Dichtflächenbereich zwischen Zylinderkopf und Distanzelement verlagert werden.
• Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich das Folgende: Um für einen erfindungsgemäßen Motor einen herkömmlichen "flachen" Zylinderkopf verwenden zu können, wird die Motorkonstruktion insbesondere so gestaltet, daß der Brennraum fast vollständig, d. h. zu mindestens 80-90%, im Motorblock (bzw. in der Zylinderlaufbuchse) und im Distanzelement ausgebildet ist (sieht man von Zylinderkopf-Aussparungen für Ventile, Zünd- bzw. Glühkerzen oder Einspritzdüsen ab). Da aber dann, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, die in radialer Richtung mit Druck beaufschlagte Fläche des Brennraums, soweit sie vom Motorblock bzw. einer Zylinderlaufbuchse gebildet wird, möglichst klein sein soll, wird erfindungsgemäß empfohlen, den Motor so zu gestalten, daß, befindet sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt, höchstens 20% und vorzugsweise höchstens 10% der in radialer Richtung druckbeaufschlagten Fläche des über dem obersten Kolbenring liegenden Brennraums vom Zylinderkopf und vom Motorblock bzw. der Zylinderlaufbuchse gebildet werden, wobei dies für eine radiale Projektion der gesamten Brennraum- Umfangsfläche auf eine Zylinderfläche gilt, welche koaxial mit der Brennraumachse ist und mit der normalerweise zylindrischen Wand der im Distanzelement vorgesehen Öffnung zusammenfällt, da der im Zylinderkopf ausgebildete Teil des Brennraums nicht die Gestalt eines gegebenenfalls kurzen Kreiszylinders haben muß, sondern z. B. kegelstumpfförmig sein oder die Gestalt eines Kugelabschnitts haben kann.
• Im Hinblick auf die vorstehend verwendeten Definitionen, in denen auf die Oberkante der Kolbenumfangsfläche Bezug genommen und darauf hingewiesen wird, daß der Zylinderkopf einen Teil der Brennraumumfangsfläche bilden kann, sei ergänzend noch folgendes bemerkt: Die obere Stirnfläche des Kolbens muß nicht eben sein; vielfach ist in dieser Stirnfläche eine Mulde ausgebildet, es sind aber auch Kolben mit in Richtung auf den Zylinderkopf ausgewölbter oberer Stirnfläche bekannt. In diesem zuletzt erwähnten Fall bildet der Zylinderkopf auch dann, wenn er keinen Teil der zylindrischen Brennraumumfangsfläche bildet, einen Teil des Brennraumvolumens, da er eine der Kolbenform entsprechende Mulde bildet. Schließlich muß die Oberkante der Kolbenumfangsfläche nicht exakt einen Kreis bilden, der zur Brennraumachse konzentrisch ist und in einer zu dieser senkrechten Ebene liegt, da geringfügige Abweichungen der Form der Oberkante der Kolbenumfangsfläche von einem solchen Kreis bekannt sind; auch in diesem Fall muß der kleinste Abstand B des obersten Kolbenrings oder gar der oberen Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden Ringnut vom Niveau der Motorblockdichtfläche bzw. der Dichtfläche der Zylinderlaufbuchse gleich oder etwas größer als Null sein, und der Abstand A des obersten Kolbenrings bzw. der besagten Nutseitenwand von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche bezieht sich auf das mittlere Niveau dieser Oberkante und vorzugsweise auf deren tiefste Stelle.
• Wenn vorstehend die Dicke des erfindungsgemäßen Distanzelements definiert wurde, ist hierunter stets die Dicke des Distanzelements selbst zu verstehen; diese Dicke schließt also nicht ein die Dicke einer oder mehrerer Dichtungen, welche auf der einen Seite oder beidseits des Distanzelements zwischen diesem und dem Motorblock bzw. dem Zylinderkopf vorgesehen sein können.
• Das erfindungsgemäß eingesetzte Distanzelement kann aber auch noch für andere Zwecke herangezogen werden, nämlich dadurch, daß in das Distanzelement mindestens ein Funktionselement des Motors und/oder mindestens ein Sensor integriert wird. Bei dem Funktionselement kann es sich insbesondere um eine Einspritzdüse, ein Heizelement oder ein Kühlelement, gegebenenfalls aber auch um ein Ventil, bei dem Sensor insbesondere um einen Temperatur- oder Drucksensor handeln. Die Integration einer Einspritzdüse in das Distanzelement bringt den Vorteil mit sich, daß in der bis zur radial innen angeordneten Einspritzdüse führenden Brennstoffbohrung der Brennstoff vorgewärmt wird, und außerdem erlangt der Konstrukteur durch die Verlagerung der Einspritzdüsen in die Distanzelemente eine sehr viel größere Freiheit bei der Gestaltung des Zylinderkopfs, als dies bei einem Zylinderkopf der Fall ist, der auch die Einspritzdüsen aufnehmen muß. Mit einem in das Distanzelement integrierten Heizelement läßt sich der Brennraum vorheizen, und mit einem in das Distanzelement integrierten Kühlelement kann denjenigen Effekten entgegengewirkt werden, welche unterschiedliche Wärmedehnungen von Zylinderkopf und Motorblock zur Folge haben. Schließlich können mit in die Distanzelemente integrierten Sensoren Betriebsparameter des Motors erfaßt werden, unter anderem auch eine klopfende Verbrennung.
• Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen; in diesen zeigen:
• Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotors;
• Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Hubkolben- Verbrennungsmotors, bei dem ein oberer Teil des Brennraums im Zylinderkopf ausgebildet ist;
• Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors, und
• Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Motors, bei dem Einspritzdüsen in das Distanzelement integriert sind.
• Die Fig. 1 zeigt Teile eines Motorblocks 10, eines Zylinderkopfs 12, einer Zylinderkopfdichtung 14 und eines Kolbens 16 eines herkömmlichen Hubkolben- Verbrennungsmotors. Die Zylinderkopfdichtung ist mittels nicht dargestellter Zylinderkopfschrauben zwischen einer Dichtfläche 18 des Motorblocks 10 und einer Dichtfläche 20 des Zylinderkopfs 12 eingespannt; diese beiden Dichtflächen sind im wesentlichen eben sowie parallel zueinander und begrenzen den sogenannten Dichtspalt, in dem die Zylinderkopfdichtung 14 angeordnet ist und der durch diese Dichtung abgedichtet werden soll. Bei einem sogenannten Buchsenmotor würde die Dichtfläche 18 ganz oder teilweise von einer oberen Stirnfläche einer Zylinderlaufbuchse gebildet werden.
• Ein im wesentlichen kreiszylindrischer Brennraum 22 ist bei dem bekannten Motor - sieht man vom Beitrag der Zylinderkopfdichtung 14 ab - im Motorblock 10 ausgebildet; die Brennraumachse wurde mit 22a bezeichnet, die zumindest im wesentlichen kreiszylindrische Umfangswand oder Umfangsfläche des Brennraums mit 22b. Der in Fig. 1 in seinem oberen Totpunkt dargestellte Kolben 16 ist in üblicher Weise mit einem obersten Kolbenring 24 (Abdichtring) sowie zwei weiteren Kolbenringen 26 und 28 versehen, welche in Ringnuten 24a bzw. 26a bzw. 28a des Kolbens gehalten sind und federnd sowie abdichtend gegen die Brennraum-Umfangsfläche 22b anliegen. Eine dem Querschnitt des Brennraums 22 entsprechende und zur Brennraumachse 22a konzentrische Brennraumöffnung der Zylinderkopfdichtung wurde mit 14a bezeichnet, und in diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß alle Zeichnungsfiguren die Zylinderkopfdichtungen nur schematisch darstellen - in der Realität haben diese Dichtungen nicht einfach die Gestalt einer einfachen Platte mit zueinander parallelen Hauptoberflächen, und diesbezüglich wird auf die eingangs gemachten Bemerkungen zur Gestaltung von Zylinderkopfdichtungen verwiesen. Der Vollständigkeit halber wurden die Kolbenumfangsfläche mit 16a und die obere Kolbenstirnfläche mit 16b bezeichnet. Die Zeichnungsfiguren zeigen schließlich noch ein Ventil 30 (Ein- oder Auslaßventil), einen Ventilsitz 32 und eine Ventilführung 34.
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Motor (es soll sich um einen Dieselmotor handeln) haben die im Motorbetrieb im Brennraum 22 auftretenden hohen Gasdrücke (der sogenannte Zünddruck bzw. der im Brennraum auftretende maximale Gasdruck stellt sich dann ein, wenn sich der Kolben ungefähr in seinem oberen Totpunkt befindet, der maximale Gasdruck beispielsweise bei einem Kurbelwellendrehwinkel von ca. 5° nach Erreichen des oberen Totpunkts) folgende Auswirkungen: Oberhalb des obersten Kolbenrings 24 wird die Brennraum-Umfangsfläche 22b mit bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach außen gerichteten radialen Druckkräften F_R beaufschlagt, die den Brennraum 22 nach oben begrenzende Fläche des Zylinderkopfs 12 hingegen mit in Richtung der Brennraumachse 22a nach oben gerichteten Druckkräften (Normalkräften) F_N. Die hohen radialen Druckkräfte F_R bewirken eine radiale Aufweitung der Brennraum-Umfangswand und damit der Brennraum- Umfangsfläche 22b des Motorblocks 10, damit aber auch bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach außen gerichtete Querbewegungen mindestens eines Bereichs der Motorblock-Dichtfläche 18, welcher den Brennraum 22 ringförmig umgibt. Die Normalkräfte F_N führen zu einer Biegebeanspruchung des Zylinderkopfs 12 zwischen den nicht dargestellten Zylinderkopfschrauben dergestalt, daß sich dessen Unterseite nach oben etwas auswölbt, was bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach innen gerichtete Querbewegungen mindestens eines Bereichs der Zylinderkopf-Dichtfläche 20, welcher den Brennraum 22 ringförmig umgibt, zur Folge hat. Die Querbewegungen der beiden Dichtflächen 18 und 20 verlaufen also gegenläufig. Solche Querbewegungen der beiden Dichtflächen 18 und 20 relativ zueinander treten insbesondere zu Zeiten der höchsten Gasdrücke auf, wo die spezifischen Flächenpressungen zwischen den beiden Dichtflächen und der Zylinderkopfdichtung 14 ein Minimum erreichen, so daß die Haftreibung zwischen den Dichtflächen 18 und 20 und der Zylinderkopfdichtung überwunden werden kann. Die geschilderten Verhältnisse bei der Druckbeaufschlagung des Zylinderkopfs und der Brennraum-Umfangsfläche 22b (und zwar oberhalb des obersten Kolbenrings 24) erhöhen also das Risiko eines Reibverschleißes an der Zylinderkopfdichtung 14 sowie den Dichtflächen 18 und 20 von Motorblock und Zylinderkopf.
• In den Fig. 2 bis 4 wurden, soweit möglich, dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, und die Fig. 2 bis 4 werden im folgenden deshalb auch nur insoweit beschrieben, als sie von der Darstellung in Fig. 1 abweichen.
• Bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor ist ein Teil 22b' der Brennraum-Umfangsfläche im Zylinderkopf 12 ausgebildet, der andere, restliche Teil 22b'' der Brennraum-Umfangsfläche im Motorblock 10; zu diesem Zweck ist der Zylinderkopf mit einer topfförmigen Ausnehmung 122 versehen, deren Umfangsfläche 22b' kreiszylindrisch und zur Brennraumachse 22a konzentrisch ist. Außerdem wurde der Motor (z. B. durch im Vergleich zum Motor gemäß Fig. 1 Höherlegen der Kurbelwelle) so gestaltet, daß der Kolben 16, wenn er sich in seinem oberen Totpunkt befindet, mit dem (oben liegenden) Boden der Ausnehmung 122 nur einen ganz geringen Spalt (Spaltbreite z. B. nur 1 mm) bildet, um den sogenannten Schadraum so klein wie möglich zu halten. Anders als bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Motor überläuft bei dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Motor der Kolben 16 also die Zylinderkopfdichtung 14 auf seinem Weg in seinen oberen Totpunkt. Andererseits liegt der oberste Kolbenring 24 (vorzugsweise auch die obere Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden Ringnut 24a) noch, wenn auch ganz geringfügig, unterhalb der von der Motorblock-Dichtfläche 18 definierten Ebene, wenn sich der Kolben 16 in seinem oberen Totpunkt befindet. Der Abstand der Oberseite des Kolbenrings 24 von der Oberkante 16a' der Kolbenumfangsfläche 16a wurde mit A bezeichnet, der Abstand der Oberseite des Kolbenrings 24 vom Niveau der Motorblock-Dichtfläche 18 (bei sich in seinem oberen Totpunkt befindendem Kolben) mit B; vernachlässigt man das in allen Figuren übertrieben groß dargestellte axiale Spiel (typischerweise nur ca. 0,1 mm) des Kolbenrings 24 in der Ringnut 24a oder geht man davon aus, daß bei einer Bewegung des Kolbens nach oben der Kolbenring 24 auf der unteren Seitenwand der Ringnut 24a aufliegt, so ist bei sich in seinem oberen Totpunkt befindendem Kolben der Abstand der unteren Seitenwand der Ringnut 24a vom Niveau der Motorblock- Dichtfläche 18 also gleich dem Maß B zuzüglich der Dicke bzw. axialen Breite des Kolbenrings 24. Um Fertigungstoleranzen nicht in Betracht ziehen zu müssen, sollte das Maß B immer etwas größer als Null, jedoch so klein wie möglich sein, höchstens ca. 1 mm. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor ist die axiale Tiefe der im Zylinderkopf 12 hergestellten Ausnehmung 122 also ungefähr (unter Vernachlässigung der Breite des Spalts zwischen Zylinderkopf und Stirnfläche des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens) gleich dem Abstand des Kolbenrings 24 von der oberen Kolbenstirnfläche 16b abzüglich der Dicke der Zylinderkopfdichtung 14, wenn sich der oberste Kolbenring im oberen Totpunkt des Kolbens auf dem Niveau der Motorblock-Dichtfläche 18 befindet; ferner ist das Volumen des sogenannten Schadraums (das oberhalb des obersten Kolbenrings 24 verbleibende freie Brennraumvolumen, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet) bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor nicht größer als bei dem bekannten Motor gemäß Fig. 1, obwohl bei dem Motor nach Fig. 2 ein nicht unbeträchtlicher Teil des Brennraums im Zylinderkopf liegt.
• Da, wie bereits erwähnt, der im Brennraum herrschende Gasdruck sein Maximum kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben 16 erreicht, ist nur ein minimaler Teil des vom Motorblock 10 gebildeten Umfangsflächenabschnitts 22b'' der Brennraum-Umfangsfläche 22b den besonders hohen Gasdrücken ausgesetzt, welche im Brennraum 22 herrschen, wenn sich der Kolben 16 in seinem oberen Totpunkt oder kurz unterhalb dieser Position befindet, da in diesen Positionen des Kolbens der Brennraum 22 ganz kurz unterhalb der Ebene der Motorblock-Dichtfläche 18 durch den obersten Kolbenring 24 nach unten abgedichtet wird. Infolgedessen wird die von diesen hohen Gasdrücken bewirkte radiale Aufweitung des Brennraums, soweit er im Motorblock 10 des in Fig. 2 dargestellten Motors ausgebildet ist, im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Motor erheblich reduziert, was mit einer entsprechenden Reduktion der radial nach außen gerichteten Querbewegungen der Motorblock-Dichtfläche 18 einhergeht. Gleichzeitig werden durch die Radialkräfte F_R, welche auf den von der Ausnehmung 122 gebildeten Umfangswandabschnitt 22b' der Brennraum-Umfangsfläche 22b einwirken, die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen, bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach innen gerichteten Querbewegungen der Zylinderkopf-Dichtfläche 20 zumindest teilweise kompensiert.
• Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors ist der Zylinderkopf 12 gleich ausgebildet wie bei dem bekannten Motor nach Fig. 1, er könnte aber auch eine der Ausnehmung 122 des Motors nach Fig. 2 entsprechende Ausnehmung aufweisen, allerdings mit deutlich geringerer axialer Höhe als bei dem Motor gemäß Fig. 2. Der in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Motor hat ein plattenförmiges, zwischen den Zylinderkopf 12 und den Motorblock 10 eingefügtes Distanzelement 200 mit einer dem Brennraumquerschnitt entsprechenden und zur Brennraumachse 22a konzentrischen Brennraumöffnung 202, in deren Bereich die Dicke des Distanzelements gleich dem Maß D ist, welches z. B. 4 mm beträgt. Der Motorblock 10 und der Kolben 16 sowie dessen Kurbeltrieb sind genauso ausgebildet wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind zwei Dichtungen 14 und 14' zu beiden Seiten des Distanzelements 200 eingebaut.
• Vergleicht man die Fig. 2 und 3, so erkennt man, daß bei dem Motor nach Fig. 3 der Zylinderkopf des Motors nach Fig. 2 durch den in Fig. 3 dargestellten Zylinderkopf, die Dichtung 14' und das Distanzelement 200 ersetzt wurden unter Beibehaltung der sonstigen Abmessungsverhältnisse, so daß bei dem Motor nach Fig. 3 für die Maße A und B dasselbe gilt wie für den Motor gemäß Fig. 2.
• Bei dem Motor nach Fig. 3 ist davon auszugehen, daß das plattenförmige metallische oder keramische Distanzelement 200 in bezüglich der Brennraumachse 22a radialer Richtung sehr viel verformungssteifer ist als der vom Motorblock oder einer Zylinderlaufbuchse gebildete Teil der Brennraum- Umfangswand. Im Rahmen der Erfindung soll unter einem keramischen Werkstoff dasjenige verstanden werden, was der Fachmann üblicherweise unter Keramikwerkstoffen versteht, beispielsweise also nicht Glas.
• Wie vorstehend bereits dargelegt wurde, soll das Maß B möglichst klein sein; als für die meisten Fälle der Praxis bedeutsame Obergrenze für das Maß B hat sich der Werkt A/2 herausgestellt, obwohl kleinere Werte bevorzugt werden, d. h. Bruchteile des Maßes A im Bereich A/3 bis insbesondere A/8. In absoluten Maßen bedeutet dies, daß Ausführungsformen bevorzugt werden, bei denen der Abstand B maximal 3 mm, bevorzugt maximal 2 mm und noch mehr bevorzugt maximal 1 mm beträgt.
• Die in Fig. 4 gezeigte Konstruktion unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 nur darin, daß in das Distanzelement 200' Funktionselemente integriert sind, weshalb in Fig. 4 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet wurden und im folgenden nur diese Funktionselemente beschrieben werden.
• Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform weist das Distanzelement 200' in bezüglich der Brennraumachse radialer Richtung verlaufende Bohrungen auf, von denen jede einen Brennstoffkanal 300 bildet; in denjenigen Bereich eines jeden dieser Brennstoffkanäle, welcher in die Brennraumöffnung 202' des Distanzelements 200' mündet, ist eine Einspritzdüse 302 eingesetzt, welche nur schematisch dargestellt wurde, da derartige Brennstoff-Einspritzdüsen bekannt sind. An das radial äußere Ende eines jeden Brennstoffkanals 300 wird eine nicht dargestellte Brennstoffleitung angeschlossen, z. B. über ein nicht dargestelltes Gewinde des Brennstoffkanals - ebenso kann die Einspritzdüse 302 über ein nicht dargestelltes Gewinde des Brennstoffkanals in diesem festgelegt sein. Natürlich müssen die Brennstoffkanäle 300 und die Einspritzdüsen 302 nicht radial orientiert sein, sie könnten beispielsweise bezüglich der Brennraumöffnung 202' auch nahezu tangential ausgerichtet sein, um einen Drall des eingespritzten Brennstoffs zu erzeugen.
• Im Hinblick auf die US-A-2 760 472 sei noch erwähnt, daß das erfindungsgemäße Distanzelement vorzugsweise mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist:
  
• a) der Werkstoff des Distanzelements ist zumindest im wesentlichen porenfrei;
• b) das Distanzelement ist ein Gußteil;
• c) das Distanzelement ist ein durch zerspanende Bearbeitung erzeugtes Formteil;
• d) das Distanzelement ist ein Stanzteil.
• Die vorstehenden Merkmale sollen auch auf den Fall zutreffen, daß der Körper des eigentlichen Distanzelements mehrteilig ist.

Claims (21)

1. Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Motorblock und mindestens einem Zylinderkopf, welche einander zugewandte und parallel zueinander verlaufende Dichtflächen aufweisen, sowie mit mindestens einem Brennraum, in dessen vom Motorblock umfaßten Brennraumbereich ein Kolben mittels Kolbenringen an einer Brennraum-Umfangsfläche längs einer Brennraumachse zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt verschiebbar geführt ist, und mit mindestens einer, zwischen Motorblock und Zylinderkopf eingefügten Zylinderkopfdichtung, wobei der oberste Kolbenring einen Abstand A von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche aufweist und im oberen Totpunkt des Kolbens sich der oberste Kolbenring in einem Abstand B unterhalb der von der Motorblock-Dichtfläche definierten Ebene befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkleinerung eines im Motorbetrieb durch den maximalen, im Brennraum (22) auftretenden Gasdruck beaufschlagten, vom Motorblock (10) umfaßten Bereichs der Brennraum-Umfangsfläche (22b) zwischen Motorblock (10) und Zylinderkopf (12) ein eine obere und eine untere Dichtfläche aufweisendes Distanzelement (200) aus Metall oder Keramik eingefügt ist, in dem sich eine einen Teil des Brennraums (22) bildende Öffnung (202) befindet und welches um den Brennraum (22) herum in bezüglich der Brennraumachse radialer Richtung verformungssteifer ist als der den Brennraum im Motorblock (10) umgebende und dem Distanzelement benachbarte Motorbereich, daß der oberste Kolbenring (24) derart am Kolben (16) angeordnet ist, daß gilt:

0 < B ≤ A/2,

und daß um den Brennraum (22) herum die in Richtung der Brennraumachse (22a) gemessene Dicke D des Distanzelements (200) mindestens 2 mm beträgt und so bemessen ist, daß - in einer bezüglich der Brennraumachse (22a) radialen Projektion des unterhalb der Zylinderkopf- Dichtfläche (20) und über dem obersten Kolbenring (24) des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens (16) liegenden Teils F_B der gesamten Brennraum-Umfangsfläche auf eine mit der Brennraumachse koaxiale und mit der Wand der Distanzelement-Öffnung (202) zusammenfallende Zylinderfläche - die Fläche F_D der Wand der Distanzelement- Öffnung (202) mindestens 40% des Brennraum-Umfangsflächenteils F_B beträgt.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal A/3 beträgt.

3. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal A/4 beträgt.

4. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal A/5 beträgt.

5. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal A/6 beträgt.

6. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal A/7 beträgt.

7. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal A/8 beträgt.

8. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal 3 mm beträgt.

9. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal 2 mm beträgt.

10. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Abstand B maximal 1 mm beträgt.

11. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke D mindestens 2,5 mm beträgt.

12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke D mindestens 3 mm, vorzugsweise mindestens 3,5 mm und insbesondere mindestens 4 mm beträgt.

13. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche F_D mindestens 50% der Fläche F_B beträgt.

14. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche F_D mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 70% und insbesondere 75% bis 90% der Fläche F_B beträgt.

15. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Endbereich des Brennraums (22) im Zylinderkopf (12) ausgebildet und derart gestaltet ist, daß der Zylinderkopf einen Teil (22b') der Brennraum-Umfangsfläche (22b) bildet.

16. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwischen der unteren Dichtfläche des Distanzelements und der Motorblock-Dichtfläche (18), als auch zwischen der oberen Dichtfläche des Distanzelements und der Zylinderkopf-Dichtfläche (20) jeweils eine Dichtung (14, 14') eingespannt ist.

17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement (200) als eine zwischen Motorblock (10) und Zylinderblock (12) eingespannte Platte mit planparallelen Dichtflächen ausgebildet ist.

18. Motor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der E-Modul des Werkstoffs des Distanzelements (200) größer ist als der E-Modul des Werkstoffs des Zylinderkopfkörpers.

19. Motor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Distanzelement (200) mindestens ein Funktionselement des Motors und/oder mindestens ein Sensor integriert ist.

20. Motor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionselement eine Einspritzdüse, ein Heizelement oder ein Kühlelement ist.

21. Motor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Temperatur- oder ein Drucksensor ist.