DE1943864C2 - Der Brenngaswärme in Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, ausgesetztes Bauteil - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein der Brenngaswärme In Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, ausgesetztes Bauteil, bestehend aus einem hitzebeständigen und den Grad der Erhitzung des Brenngases Im Brennraum beeinflussenden Werkstoff.

Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen stellt sich In zunehmendem Maße das Problem, neue Methoden für die Temperaturregelung zu finden, um dadurch die gesamte Maschine bzw. Ihre dem Brenngas ausgesetzten Teile auf ein höheres Wärmeniveau zu bringen. Dieses Problem stellt sich bei Kolbenbrennkraftmaschinen, Insbesondere bei Dieselmotoren neben der geforderten Wärmedämmung auch dadurch, well es darum geht, übelriechende Abgase zu vermelden, die dadurch entstehen, daß chemisch umgelagerte Kohlenwasserstoff- ^ω dämpfe nicht verbrennen, sondern an kalten Wänden des Brennraumes, des Zylinders und des Zylinderdeckels kondensieren. Außerdem bilden diese Produkte der motorischen Verbrennung auf Ihrem Weg In den Auspuff klebrige Ablagerungen, die den Ventilbetrieb blökkleren können.

Besonders die Forderung, daß beispielsweise die Abgase der Dleselbrennkraftmaschlnen nicht nur giftfrei, sondern auch geruchsfrei sein müssen, zwingt zu Überlegungen, wie schon im Motorleerlauf der Brennraum, die Ventile und der Zylinderdeckel, soweit diese mit dem Kraftstoff in Berührung kommen, auf eine Temperatur gebracht werden können, die höher als die Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes 1st.

Für den Brennraum, der bei einem Brennverfahren mit direkter Kraftstoffeinspritzung normalerweise im Kolben Hegt, wurden für Dieselmotoren bereits Lösungen gefunden, derart, daß hitzebeständige Materialeinsätze in den Kolben, möglichst isoliert vom übrigen Kolbenmaterial, eingebaut werden. Zwar kann mit diesen Lösungen eine gewisse Temperatursteigerung Im Brennraum erzielt werden. Indessen hat es sich ergeben, daß es für einen optimalen Verbrennungsprozeß von Vorteil 1st, wenn diese Temperatur noch welter gesteigert werden könnte.

Soweit es sich um Dieselmotoren handelt, wäre das Problem erfüllt, wenn schon im Motorleerlauf an allen mit Kraftstoffdampf in Berührung kommenden Teilen eine Temperatur erreicht werden würde, die über der Verdampfungstemperatur des Dieselkraftstoffes liegt, d. h. es genügt nicht, daß die dem Brenngas ausgesetzten Teile der Brennkraftmaschine nach außen gut wärmeisoliert sind, sondern es muß Wärme aus Gegenden des Wärmeüberschusses diesen Teilen zugeführt werden.

Es ist auch schon ein Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschlnen bekannt, welcher an seinem Kolbenkopf eine Ausnehmung für einen Brennraum aufweist. Die Ausnehmung wird dabei von einem kugelförmigen Einsatz gebildet, welcher Im Kolbenkopf eingelegt und dort mit dem Material des Kolbens unlösbar verbunden Ist. Der Einsatz selbst Ist aus einem wärmedämmenden Material gefertigt und bildet dadurch einen Isolierkörper, welcher den Brennraum gegen seine Brennraumwände wärmedämmend Isoliert. Durch diese Isolierung des Brennraumes wird ein Wärmefluß aus dem Brennraum über die Brennraumwände hin zum Umfangsmantel des Kolbens weltgehend unterbunden, wodurch höhere Temperaturen im Brennraum gehalten werden. Der Einsatz selbst kann unterschiedlich groß als auch dick ausgeführt sein und dabei eine solche Gestaltung aufweisen, daß er überwiegend den Boden der Ausnehmung und weniger den Bereich deren Randöffnung auskleidet. Durch diese überwiegend den Boden der Ausnehmung Isolierende Auskleidung wird die im Brennraum entstandene Wärme zu sehr In diesem gestaut, wodurch nicht nur örtliche Überbeanspruchungen des Kolbenmaterlais auftreten, sondern auch ungeordnete Brennabläufe der Brenngemische sich einstellen, die einen »harten« Verbrennungsablauf mit höherem Kraftstoffverbrauch verursachen. Hinzu kommt, daß die wärmelsollerende Wirkung des Einsatzes allein durch die unterschiedliche Wandstärke desselben bestimmt wird, was vielfach eine komplizierte Herstellung des Einsatzes bedeutet, ohne dabei die Möglichkeit einer gezielten Temperierung des Brennraumes nach einem vorgegebenen, der Zusammensetzung der Brenngemische entsprechenden Wärmebild einzuschließen. Es hat sich mit Einsätzen dieser Art herausgestellt, daß die gewünschte Wirkung hinsichtlich der Temperierung des Brennraumes vielfach nicht erzielt wird, well mit einem solchen Einsatz gerade die Stellen des Kolbens wärmedämmend Isoliert werden, die wärmeleitend sein müßten und umgekehrt (vgl. CH-PS 3 46 726).

Es Ist ferner bekannt, bei der Konzeption diverser Bauteile Kohlenstoff einzusetzen und diesen entweder In dessen ursprünglichen Zusammensetzung oder In einer seiner Umwandlungsphasen, so etwa Graphit, zu verwenden. Dabei wird der Kohlenstoff, ausgehend von einem

seiner Ursprungszustände, so etwa Koks, durch entsprechende Nachbehandlung, wie Mahlen, Zumischen von Teer· und Pechbestandteilen In Formwerkzeugen, zu Bauteilen geformt, die dann durch eine Aul heizung verfestigt und anschließend graphltlert werden. Um diesen Bauteilen bei Bedarf auch eine entsprechende Festigkeit zu geben, können diese mit Kunstharzen Imprägniert werden, oder es können diese Bauteile anderen Nachbehandlungen ausgesetzt werden. Bauteile dieser Art zeichnen sich durch eine vielfaltige Verformbarkeit aus, so daß sie Eingang in viele Anwendungsgebiete gefunden haben, sie bedürfen aber bei deren Anwendung bei Brennkraftmaschinen mit genau festgelegtem Temperaturbild, Insbesondere solcher einer Brenngaswärme ausgesetzter Partien der Brennkraftmaschine, noch spezieller Nachbehandlungen, um solchen gewünschten Temperaturbildern zu entsprechen (vgl. Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, Band 9, 1957, Seite 777 bis 812).

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, das der Brenngaswärme In Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, ausgesetzt werden kann, dahingehend weiterzubilden, daß dieses einfach formbar und In sich unterschiedlich wärmeleitend ausgeführt werden kann, womit solche der Brenngaswärme mittelbar und/oder nur durch das Teil Isoliert, unmittelbar ausgesetzten Bauteile der Brennkraftmaschine nach einem gewünschten Temperaturbild temperiert werden können, und welches Bauteil zudem erlaubt, zum einen die Brenngaswärme örtlich zu dämmen, an anderen Stellen wiederum sie abzuleiten.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Bauteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß es aus Kohlenstoff besteht und an Stellen einer erforderlichen Dämmung der Brenngaswärme die Struktur der Kohle, an Stellen einer erforderlichen Abführung der Brenngaswärme die des Graphits aufweist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich ohne einen teuren Aufwand eine optimale Temperierung der der Brenngaswärme ausgesetzten Teile einer Brennkraftmaschine erzielen, wodurch eine erstrebte, größere Wirtschaftlichkeit und. Insbesondere bei Dieselmotoren, eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffgemisches erreicht werden. Durch die Eigenschaft des Kohlenstoffes, wodurch dessen Festigkeit bis 2000° C zunimmt, und dieser Kohlenstoff beim Überhitzen sich In Graphit mit etwa der 30fach höheren Wärmeleitfähigkeit umlagert, bietet dieser Werkstoff ideale Voraussetzungen für die Temperierung, Insbesondere von Brennräumen von Brennkraftmaschinen. Außerdem Ist es auf diese Welse möglich, eine Überhitzung der aus Kohlenstoff bestehenden Bauteile auch nur örtlich vorzunehmen, um den einzelnen Stellen dieser Bauteile, je nach den Erfordernissen, beispielsweise eine extrem gute, den anderen Stellen wiederum eine extrem schlechte Wärmeleitfähigkeit zu geben. Durch diese Maßnahmen kann die Festigkeit der aus Kohlenstoff bestehenden Bauteile bei hohen Temperaturen höher als bei den bisherigen Werkstoffen angesiedelt werden, was für Brennkraftmaschinen besonders wichtig Ist. Auch kann dadurch ein höheres, gleichmäßiger den Erfordernissen entsprechendes Temperaturniveau an den Bauteilen, wie beispielsweise an der Oberfläche eines Zylinderdeckeis eines Dieselmotors, einreguliert werden. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich der Anwendung des Werkstoffes Kohlenstoff, kann somit auf einfache Welse die mittelbare, äußere Wärmeabfuhr an Kolbenbrennkraftmaschinen durch eine zweifelsohne sinnvollere, unmittelbare Innere Kühlung ersetzt werden.

Bei Dieselmotoren mit direkter Einspritzung eines Kraftstoffes in einen im Kolbenkopf eines Kolbens sich befindenden. Insbesondere kugelförmigen Brennraum hat es sich aus Gründen der KraftstoPaufbereliung als vorteilhaft erwiesen, die Brennraumöffnung sehr viel heißer als den Brennraumgrund zu temperieren. Erfindungsgemäß werden für einen solchen Fall mittels eines im Brennraum einzusetzenden Teiles aus Kohlenstoff die Brennraumöffnung aus schlecht wärmeleitendem Kohlenstoff, der muldenförmige Brennraumgrund dagegen aus gut wärmeleitendem Graphit gebildet.

Analog der Ausbildung der vorgenannten Bauteile, wie beispielsweise des Kolbenbrennraumes, Einsatzteil für Zylinderdeckel und dgl., können auch andere Teile eines

is Motors aus Kohlenstoff hergestellt werden, dies um so mehr, als Kohle trotz ausreichender Reißfestigkeit ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist und auch für das Temperieren von Gehäuseteilen, wie Zylinder, Zylinderdeckel oder dgl.. Auspuff und Ansaugleitungen verwendet werden kann, unabhängig davon, ob es sich dabei um einen Innen gekohlten oder außen gekohlten Motor handelt. Je nach dem gewünschten Temperaturniveau können die zu temperierenden Teile hierbei aus einer gut oder schlecht wärmeleitenden Kohlestruktur hergestellt sein, wobei z. B. für Ansaugleitungen eine schlecht wärmeleitende Kohlestruktur von Vorteil sein dürfte.

Das Temperleren bzw. Regulieren des Wärmebildes aller vorgenannten Bauteile eines Motors wird erfindungsgemäß noch dadurch begünstigt, daß eine als Oxydatlonsschutz auf die Teile aufgebrachte Schutzschicht dem gewünschten Wärmebild angeglichen wird und zwar derart, daß an Stellen mit hoher Wärmeleitung in der Kohlestruktur auch eine gute wärmeleitende Oxydationsschutzschicht aufgebracht wird und umgekehrt.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den verbleibenden Unteransprüchen entnommen werden.

In der Zeichnung Ist die Erfindung am Beispiel eines Längsmittelschnittes durch Zylinder und Zylinderkopf

«o einer Hubkolbenbrennkraftmaschine schematisch dargestellt, wobei erfindungsgemäße Bauteile sowohl am Zylinderkopf als auch am Kolben der Brennkraftmaschine angebracht sind.

Das erfindungsgemäße Bauteil, welches der Brenngases wärme einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Dieselmotors, ausgesetzt werden kann, 1st vorzugsweise als ein Einsatz 7, 7' ausgebildet, welcher aus Kohlenstoff besteht und entsprechend einer gewünschten Temperierung der der Brenngaswärme ausgesetzten bzw.

so von dieser erfaßten Bauteile der Brennkraftmaschine In seiner strukturellen Form als Kohle belassen oder In einer umgewandelten Form, nämlich In Graphit, ganz oder nur teilweise umgewandelt, dieser Brenngaswärme ausgesetzt wird.

Ein solches Bauteil bzw. ein solcher Einsatz 7, 7', der für die Bauteile der Brennkraftmaschine verwendet wird und an verschiedenen Stellen derselben vorgesehen werden kann, kann, wie auch In der zeichnerischen Darstellung veranschaulicht. In einer Ausnehmung 8' bzw. 8 eines Kolbens 2 oder eines Zylinderdeckels 3 vorgesehen sein und sich dadurch auszeichnen, daß er eine bereichsweise unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Einsatzes bzw. der Einsätze 7, 7' Ist Insofern erwünscht, als an einer Stelle des Einsatzes die Wärme rasch abzuführen, an einer anderen Stelle dagegen diese Wärme zu dämmen Ist. Die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit wird beim Werkstoff Kohle erfindungsgemäß dadurch erzielt.

daß an Stellen großer Wärmeleitfähigkeit die Kohle durch Erhitzen In Graphit umgelagert, an Stellen gewünschter, schlechter Wärmeleitfähigkeit diese Kohle In Ihrer Ursprungsform belassen bleibt. Beim Einsatz 7, der Im Zylinderdeckel 3 eingebaut Ist, weisen die dem ί Brennraum 9 zugewandten Flächen und Insbesondere die Ventilsitze die größere Wärmeleitfähigkeit, also die In Graphit umgelagerte Struktur auf. Die hinter diesen Flächen liegenden Werkstoffteile sind zum Zwecke der erwünschten Wärmedämmung im wesentlichen in Kohle belassen. Es kann aber von Vorteil sein, die Führungen 10 für die Ventile 4 und 5 Im Einsatz 7 zwecks besserer Temperierung einerseits und besserer Gleitfähigkeit andererseits ebenfalis In einem In Graphit umgelagerten Kohlenstoff auszuführen. Die Im Einsatz 7 vorgesehenen Kanäle 6 selbst können nur an den hoch beanspruchten Stellen die Graphitstruktur, Im übrigen Bereich nur die Kohlestruktur aufweisen. Um insbesondere die dem Brennraum 9 zugewandten Flächen, wie beispielsweise die Ventilsitze vor Oxydation zu schützen, können diese Flächen zudem mit einer In der Zeichnung nicht dargestellten Oxydationsschutzschicht beaufschlagt sein, wobei zwecks Anpassung dieser Schicht an das Wärmebild dieser Flächen die Schicht der Wärmeleitfähigkeit des Graphits bzw. der Tragschicht angepaßt sein kann.

Entsprechend der Ausbildung des Einsatzes 7 im Zylinderdeckel 3 weist auch der Einsatz T im Kolben 2 die bereichsweise unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit auf. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Bereich 13 der Brennraumöffnung II aus einer Kohlestruktur und den Bereich 14 des Brennraumgrundes 12 aus der Graphitstruktur zu bilden. Der besseren Darstellung und unterschiedlichen Strukturen wegen, 1st in der Zeichnung der Im Kolben 2 eingebaute Einsatz T mit unterschiedlich verlaufenden Schraffuren versehen, wobei der Einsatz selbst nicht quergeteilt zu sein braucht.

Um jedoch einerseits die Montage der Einsätze 7, T zu erleichtern und andererseits deren Herstellung zu vereinfachen, empfiehlt es sich, die Einsätze quergeteilt auszubilden, wodurch diese leichter mittels wiederverwendbarer Formen hergestellt, z. B. gepreßt werden können. Die einzelnen Hälften der Einsätze 7' können bei Ihrem Zusammenbau kraft- oder formschlüssig miteinander verbindbar sein.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Einsätze 7, 7' wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffes entstehende Wärme entsprechend der gewünschten Temperierung, d. h. dem optimalen Wärmebild der einzelnen Flächen, unterschiedlich abgeleitet bzw. gedämmt. Dadurch und durch die minimalen Wärmeverluste wird eine optimale Verbrennungstemperatur Im Brennraum 9 erreicht, die bei Dieselmotoren schon Im Leerlauf eine kondensationsfreie Verbrennung des Kraftstoffgemisches gewährleistet.

Bei der Ausbildung eines Dieselmotors mit Einsätzen 7, 7' In seinen Verbrennungsräumen Ist es nicht unbedingt erforderlich, daß sowohl die Zylinderdeckel 3 als auch die Kolben 2 die Einsätze 7, T aufweisen. Es genügt, wenn beispielsweise der Zylinderdeckel 3 oder der Kolben 2 jedes Verbrennungsraumes den Einsatz 7 bzw. T aufweist. Auch müssen die In den Kolben 2 vorgesehenen Einsätze T nicht die In der Figur dargestellte kugelförmige Gestalt aufweisen, sondern sie können jede beliebige Form eines Im Kolben vorgesehenen Brennraumes 7 haben.

Die Erfindung Ist nicht nur zur Temperierung von Zylinderdeckeln 3 und Kolben 2 geeignet, sondern kann auch zur Temperierung anderer Teile einer Brennkraftmaschine verwendet werden. So ist es auch denkbar, andere, der Brenngaswärme ausgesetzten Teile, wie etwa Auspuffkrümmer u. a., mit dem der Erfindung zugrundeliegenden Werkstoff Kohle herzustellen, um auf diese Weise auch an diesen Teilen die gewünschte Temperierung entsprechend dem optimalen Wärmeblld zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Der Brenngaswärme In Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, ausgesetztes Bauteil, bestehend aus einem hitzebeständigen und den Grad der Erhitzung des Brenngases Im Brennraum beeinflussenden Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Kohlenstoff besteht und an Stellen einer erforderlichen Dämmung der Brenngaswärme die Struktur der Kohle, an Stellen einer erforderlichen Abführung der Brenngaswärme die des Graphits aufweist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es an dem heißen Brenngas unmittelbar ausgesetzten Stellen die Struktur des Graphits und ansonsten die der Kohle aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen der Brenngaswän.ie direkt ausgesetzten Oberflächen mit einer der örtlichen Wärmeleiteigenschaft entsprechenden Oxydationsschutzschicht versehen sind.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es das Zylindergehäuse

(I) oder den Zylinderdeckel (3) oder mindestens Abschnitte derselben bildet.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als Einsatz (7) Im Zylinderdeckel (3) in einer zum Brennraum (9) welsenden Ausnehmung (8) dieses Deckels ausgebildet ist, und daß der dem Brennraum zugewandte Teil des Einsatzes die gut wärmeleitende Struktur und der dem Brennraum abgewandte Teil die schlecht wärmeleitende Struktur aufweist.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Einsatz (7') in einem Brennraum eines Kolbens (2) ausgebildet Ist, und daß der Einsatz (7') an der Brennraumöffnung

(II) die schlecht wärmeleitende Struktur und am Brennraumgrund (12), der etwa das untere Drittel des Einsatzes umfaßt, die gut wärmeleitende Struktur auf- *o weist.