DE1576404A1 - Zylinder von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinder für Brennkraftmaschinen, dessen besondere Ausbildung auf die Vermeidung von nachteiligen Gestaltsänderungen des Brennraums unter thermischen Beanspruchungen gerichtet ist. Es handelt sich dabei sowohl um luftgekühlte als auch um flüssigkeitsgekühlte Brennräume.

Bisher wurden die Zylinder für Verbrennungskraftmaschinen als Kreiszylinder gefertigt, d.h. sie erhielten auf ihrer gesamten Länge den gleichen Durchmesser. Die Stärke der Zylinderwand war entweder auf ihrer gesamten Länge gleich, oder vom Kompressionsraum her abnehmend, gestaltet nach Gesichtspunkten der Herstellungsverfahren, der Festigkeit und der Montage.

Ideal wäre ein Zylinder, der im verspannten Zustand, unabhängig von der mit der Drehzahl und der Motorbelastung schwankenden thermischen Beanspruchung, die geometrische Gestalt eines Kreiszylinders hätte.

Wurde der Kreiszylinder im unverspannten Zustand gefertigt, wie es noch meist üblich ist, so entstand die erste Verformung mit Abweichung vom Kreiszylinder bereits dann, wenn der Zylinderkopf auf das Zylindergehäuse geschraubt wurde. Diese Abweichung des Motorzylinders von der geometrischen Gestalt des Kreiszylinders unter dem Einfluß der Schraubenkräfte kann dadurch gemildert werden, daß während der Bearbeitung des Motorzylinders die gleichen Schraubenkräfte wie beim Zusammenbau mit dem Zylinderkopf aufgebracht werden, der Zylinderkopf durch eine Bearbeitungsplatte mit gleichwertiger Steifigkeit ersetzt wird und dann die Gestalt eines Kreiszylinders gefertigt wird.

Es bleibt nach dem derzeitigen Stand der Technik aber die Verformung durch die thermische Beanspruchung. Diese ist ungleichmäßig über der Zylinderlänge und nimmt vom Kompressionsraum her, wo sie am größten ist, zum kurbelwellenseitigen Ende des Zylinders hin ab. Dementsprechend wird die Zylindertemperatur am Kompressionsraum am größten und nimmt zum kurbelwellenseitigen Ende des Zylinders hin ab. Gleichermaßen verhalten sich dann die Durchmesser des Zylinders, die am Kompressionsraum am größten sind und zum kurbelseitigen Ende hin abnehmen, wodurch der thermisch beanspruchte Motor-Zylinder die Gestalt des geometrischen Kreiszylinders verliert und die Gestalt einer Mündung oder Trompete annimmt.

Der Kolben, der in dem Zylinder möglichst unabhängig von

Drehzahl und Belastung mit gleichem Spiel laufen sollte, wird am Kolbenboden beheizt, während die Wärme über die Kolbenringe, den Kolbenschaft und das an den inneren Kolbenboden gespritzte Motoröl abgeführt wird. Durch diesen Wärmefluß ergibt sich für die Kolbenkrone die höchste Temperatur und damit größte Wärmedehnung. Diese Tatsache wird dadurch berücksichtigt, daß der Kolben im kalten Zustand an der Kolbenkrone einen kleineren Durchmesser gefertigt bekommt als am kurbelwellenseitigen Schaftende. Hierdurch wird im Idealfall erreicht, daß bei thermischer Beanspruchung, der sich die mechanische überlagert, der Kolben die Gestalt eines Kreiszylinders annimmt.

Hätte der Motorzylinder unter thermischer Beanspruchung jetzt auch die Gestalt eines Kreiszylinders, so könnten beide Teile so zueinander gepaßt werden, daß auf dem gesamten Hub des Kolbens dieser das gleiche, für richtig erachtete Spiel gegenüber dem Zylinder hätte. Da der thermisch beanspruchte Motorzylinder nach dem derzeitigen Stand der Technik aber die Form einer Trompete hat, muß der Kolben so eingepaßt werden, daß er im unteren Totpunkt nicht klemmt, wodurch er im oberen Totpunkt ein zu großes Spiel vorfindet.

Hierdurch ergeben sich folgende, dem Fachmann bekannte Nachteile. Während des Aufwärtshubes des Kolbens laufen die Kolbenringe an der Zylinderwand nach außen und saugen dadurch

Verbrennungsgas und Schmieröl in die Ringnuten, wodurch sich oft Ölkohle bildet. Diese Ölkohle kann die Kolbenringe festbrennen, wodurch deren Dichtwirkung gemindert wird. Als Folge bläst heißes, hoch verdichtetes Verbrennungsgas zwischen Kolben und Zylinder hindurch, wodurch diese Teile zusätzlich aufgeheizt werden und der Ölfilm fortgeblasen bzw. fortgebrannt wird, bis der Kolben im Motorzylinder frißt.

Diese Ölkohle kann sich im Nutengrund ablagern und den Raum zwischen Kolbenring und Kolben nach und nach ausfüllen. Schließlich ist so viel Ölkohle vorhanden, daß im unteren Totpunkt der Kolbenring, zusammengedrückt durch den dortigen kleinen Durchmesser des Motorzylinders, auf der Ölkohle aufliegt. Im nächsten oberen Totpunkt dringen wieder Öl und Feuergas in die Ringnut und bilden Ölkohle, die nun den Kolbenring nach außen zwingt, wenn der Kolben in den unteren Totpunkt fährt, wodurch der Zylinder aufgerissen und der Kolbenring brandig wird.

Während des Aufwärtshubes des Kolbens laufen die Kolbenringe an der Zylinderwand nach außen und erhalten dadurch einen größeren Spalt zwischen den Ringenden (das Stoßspiel wird größer), wodurch mehr Feuergas durch diese Stöße blasen kann, welches den Ölfilm vom Motorzylinder brennt, Kolben und Zylinder zusätzlich und über dem Unfang ungleichmäßig aufheizt und das Schmieröl des Motors verdirbt durch Transport von Ruß und Säure. Der Kolben schlägt beim Anlagewechsel hart auf die Zylinderwand, wodurch Geräusch und evtl. Kavitation am Zylindermantel entstehen.

Obige Mängel werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß der Durchmesser des Zylinders über der Zylinderlänge veränderlich ist, wobei der kleinste Zylinderdurchmesser in der Nähe des oberen Totpunktes vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft weist der Zylinder zwecks vereinfachter Fertigung die Form eines Kegelstumpfes auf.

Bei flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsräumen weist die Zylinderlaufbüchse in an sich bekannter Weise über die Länge konstanten Durchmesser auf. Die Wärmeabfuhr über die Zylinderlänge wird vorteilhaft durch die variable Kühlung den thermischen Belastungen angepaßt. Zur Steuerung der Wärmeabfuhr ist ein spiralenförmiger Hohlraum mit sich in Richtung des unteren Totpunktes erweiterndem Querschnitt für die Geschwindigkeitsänderungen des Kühlmediums vorgesehen. Andere Möglichkeiten bestehen darin, längs der Zylinderachse veränderliche Wärmeübergangsflächen, beispielsweise durch die Anzahl und Tiefen der Kühlrippen, oder längs der Zylinderachse mehrere unterschiedliche temperierte Kühlkreisläufe, bzw. Kühlkreislaufabschnitte, mit jeweils anderer Temperaturdifferenz vorzusehen. Schließlich kann auch die Kombination dieser Merkmale Anwendung finden.

Der Erfindungsgedanke, der mehrere konstruktive Ausführungen zuläßt, ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 den mit unterschiedlichem Durchmesser gefertigten Zylinder in kaltem Zustand mit dem Kolben im unteren Totpunkt,

Fig. 2 den mit unterschiedlichem Durchmesser gefertigten Zylinder in kaltem Zustand mit dem Kolben im oberen Totpunkt,

Fig. 3 den mit unterschiedlichem Durchmesser gefertigten Zylinder in warmem Zustand mit dem Kolben im unteren Totpunkt,

Fig. 4 den mit unterschiedlichem Durchmesser gefertigten Zylinder in warmem Zustand mit dem Kolben im oberen Totpunkt,

Fig. 5 den Zylinder mit zum oberen Totpunkt hin zunehmender Geschwindigkeit des Kühlmittels,

Fig. 6 den Zylinder mit zum oberen Totpunkt hin zunehmenden Wärmeübergangsflächen,

Fig. 7 den Zylinder für beispielsweise zwei unterschiedlich temperierte Kühlkreisläufe.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den kalten Zylinderblock 1 mit der mit unterschiedlichem Durchmesser 2 über der Länge 3 hergestellten Zylinderbohrung. In Fig. 1 befindet sich der Kolben 4 mit den Kolbenringen 5 am unteren Totpunkt. Im oberen Totpunkt verlieren die Kolbenringe in der Bohrung ihr Spiel. Im warmen Zustand (Fig. 3 und 4) hat entsprechend dem größeren Wärmeanfall der Zylinder einen über der Länge 3 etwa konstanten Durchmesser 2 angenommen.

Die Fig. 5 und 7 zeigen flüssigkeitsgekühlte Verbrennungsräume mit einer mit konstantem Innendurchmesser 2 gefertigten

Zylinderlaufbüchse 6, die von einem spiralenförmig um die Zylinderlaufbüchse herumgeführten Hohlraum 7 umgeben ist, der eine unterschiedliche Geschwindigkeit des Kühlmittels und damit der Wärmeübergangszahl bewirkt. Gemäß der allgemein bekannten Gleichung für den Wärmeübergang

Q = d x F x großes Delta kleines Theta (kcal/h)

können ebenso unterschiedliche Wärmeübergangsflächen 8 oder unterschiedliche treibende Temperaturdifferenzen infolge mehrerer Kühlkreisläufe (9, 10), bzw. Kühlkreislaufabschnitte, vorgesehen sein.

Claims (7)

1. Zylinder für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von nachteiligen Gestaltsänderungen des Brennraums unter thermischen Beanspruchungen der Durchmesser (2) des Zylinders über der Zylinderlänge (3) veränderlich ist, wobei der kleinste Zylinderdurchmesser in der Nähe des oberen Totpunktes liegt.

2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zwecks vereinfachter Fertigung die Form eines Kegelstumpfes aufweist.

3. Zylinder für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Gestaltungsänderungen der den Brennraum begrenzenden Zylinderbohrung, bzw. der Zylinderlaufbüchse, unter thermischen Beanspruchungen die Zylinderlaufbüchse (6) in an sich bekannter Weise über der Länge (3) konstanten Durchmesser (2) aufweist und die Wärmeabfuhr über der Zylinderlänge durch die variable Kühlung den thermischen Belastungen angepaßt ist.

4. Zylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Wärmeabfuhr ein spiralenförmiger Hohlraum (7) mit sich in Richtung des unteren Totpunktes erweiterndem

Querschnitt für die Geschwindigkeitsänderungen des Kühlmediums um die Zylinderlaufbüchse (6) herum vorgesehen ist.

5. Zylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Wärmeabfuhr die längs der Zylinderachse veränderliche Wärmeübergangsfläche (8), beispielsweise durch die Anzahl und Tiefen der Kühlrippen, vorgesehen ist.

6. Zylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Wärmeabfuhr längs der Zylinderachse mehrere unterschiedlich temperierte Kühlkreisläufe (9, 10) bzw. Kühlkreislaufabschnitte, mit jeweils anderer Temperaturdifferenz vorgesehen sind.

7. Zylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination der in den Ansprüchen 4, 5 und 6 aufgeführten Merkmale Anwendung findet.

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