DE19940144A1 - Ölgekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Motorblock, der ein Zylindergehäuse und einen das Zylindergehäuse abdeckenden Zylinderkopf aufweist und der einen von Öl durchflossenen Kühlmantel aufweist, wobei der Kühlmantel einen den Arbeitsraum (Hubraum) eines Kolbens (5) axial zumindest teilweise umgebenden Ringraum (10) und einen den Arbeitsraum stirnseitig bedeckenden Kopfraum (11) aufweist, wobei der Kopfraum (11) und der Ringraum (10) in unmittelbarer Verbindung miteinander stehen und wobei der Kopfraum (11) in den Zylinderkopf (2) eingebracht ist und den Verbrennungsraum nahezu vollständig abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Motorblock, der einen Zylinderblock und einen den Zylinderblock abdeckenden Zylinderkopf aufweist und der einen von Öl durchflossenen Kühlmantel aufweist.

Derartige ölgekühlte Verbrennungsmotoren sind insbesondere unter den Dieselmotoren bekannt. Bei diesen Motoren ist der Zylinderblock in unmittelbarer Umgebung der Zylinder mit Kühlräumen versehen, die zur Abfuhr der Verbrennungswärme von einem Strom von Öl durchflossen werden. Die Verwendung von Öl als Kühlmittel hat vorallem den Vorteil, daß auf Kühlwasser vollständig verzichtet werden kann. Der Verzicht auf Kühlwasser geht mit der Lösung vieler Probleme einher, den das eigentlich "motorfremde" Wasser sonst mit sich bringt. Außerdem ist die Betriebstemperatur wassergekühlter Motoren wegen der physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels auf etwa 95°C begrenzt, was den Grad der Energieumsetzung und der Schadstoffreduzierung limitiert.

Nachteilig an den bislang bekannten ölgekühlten Motoren ist, daß sich die Kühlung verhältnismäßig schlecht kontrollieren läßt. So kann es bei den bekannten Motoren zu unterschiedlicher Erwärmung der einzelnen Teile und damit zu Spannungen und sogar Rissen im Motorblock kommen. Gleichzeitig kann es wegen lokal auftretender "hot spots" zu einer teilweisen Verkokung und damit zur Verunreinigung des Kühlöles kommen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ölgekühlte Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion und bei hoher Zuverlässigkeit eine gute Kontrolle der Wärmeregulierung durch den Strom des Kühlöles ermöglicht und damit eine Optimierung der Energieumsetzung erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst.

Ein zentraler Gedanke der vorliegenden Erfindung ist es, den Arbeitsraum (Hubraum) des Zylinders möglichst vollständig mit einem Kühlmantel zu umhüllen. Dazu weist der Kühlmantel einerseits einen den Hubraum der Zylinder koaxial zumindest teilweise umgebenden Ringraum auf, der sich in einem den Verbrennungsraum stirnseitig bedeckenden Kopfraum fortsetzt. Vorteilhafterweise ist der Kopfraum ist so ausgelegt, daß er den jeweiligen Zylinderkopf und die darin angeordnete Brennkammer nahezu vollständig bedeckt. Der Kopfraum ist lediglich von den notwendigen Durchführungen für die Einspritzdüse oder die Ventile durchbrochen. Durch diesen den jeweiligen Zylinder beinahe vollständig einschließenden Kühlmantel ist eine optimal Kontrolle der Wärmeabfuhr möglich. Zudem gewährleistet der einhüllende Kühlmantel eine Geräuschreduzierung.

In einer besonders einfachen und damit vorteilhaften Ausführungsform gehen der Ringraum und der Kopfraum an der Stelle der Zylinderkopfdichtung unmittelbar ineinander über und bilden einen geschlossenen Kühlmantel etwa gleichbleibender Weite. Auf diese Weise wird ein homogener Durchstrom des Öles ohne starke Druckschwankungen aufgrund von Engpässen erreicht.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Öl von einer insbesondere elektrisch betriebenen Pumpe gefördert. Dabei tritt der Ölstrom von unten über eine in der Nähe des Boden des Ringraumes vorgesehene Eintrittsöffnung in den Kühlmantel ein und wird gegen die Schwerkraft hinauf in den Kopfraum gefördert, wo er diesen über eine möglichst hoch liegende Austrittsöffnung verläßt. Für das Kühlöl kann einerseits ein besonderer Kreislauf vorgesehen sein, so daß Öl mit besonderen Eigenschaften zur Kühlung verwendet werden kann. Es ist jedoch besonders einfach und damit vorteilhaft, das zur Schmierung des Motors vorgesehene Motoröl gleichfalls zur Kühlung zu verwenden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Zylinderkopfdichtung gegenüber dem vorteilhafterweise aus Aluminium gefertigten Zylindergehäuse durch eine Zylinderkopfdichtung aus Metall abgedichtet. Die Metalldichtung stellt dabei auch unabhängig von der genauen Ausbildung des Kühlmantels eine weitere zentrale Idee der Erfindung dar. Durch die Metalldichtung ist gewährleistet, daß der Motor auch bei Temperaturen über 100°C, bei denen die Zylinderkopfdichtungen aus herkömmlichen Material verbrennen oder verglühen, betrieben werden kann. Ein mit der metallenen Dichtung abgedichteter ölgekühlter Motor, der zudem mit dem vollständig umgebenden Kühlmantel ausgerüstet ist, läßt sich bei Temperaturen von 150°C betreiben. Bei diesen Betriebstemperaturen läßt sich eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches von bis zu 25% mit einer entsprechend geringeren Abgasemission erreichen. Die wegen der höheren Temperaturen vollständigerE; Verbrennung bedingt dabei eine geringere Partikelemission insbesondere bei Dieselmotoren. Schließlich ist einerseits bei der hohen Temperatur von über 140°C der Ablauf der Verbrennung signifikant verbessert und andererseits bedeutet der geringere Temperaturunterschied, d. h. die geringerer Energieabfuhr, eine bessere Ausnutzung der Energie.

Vorteilhafterweise wird die Metalldichtung von einzelnen Metallringen gebildet, die aus Draht geformt und in einer entsprechenden Nut um die Öffnung des Zylinders gelegt sind. Auf diese Weise wird jeder Zylinder separat gegen den Zylinderkopf abgedichtet. Die Metallringe lassen sich dabei einfach und kostengünstig maschinell herstellen und montieren. Beim Aufschrauben des Zylinderkopfes werden sie zusammengedrückt und dabei verformt. Wenn der Zylinderkopf aus Aluminium ist, drücken sich die vergleichsweise härteren Metallringe in das Material ein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Metalldichtung gekühlt. Diese Kühlung läßt sich besonders einfach mit den Dichtringen realisieren, indem im Kühlmantel eine besondere insbesondere keilförmige Kühlkammer vorgesehen ist, über die der Ölstrom an den Dichtring heranführbar ist. Besonders einfach ist es, wenn die Dichtringe so dimensioniert sind, daß ein gewisser Abstand zwischen dem Zylindergehäuse und dem Zylinderkopf verbleibt, so daß das Öl in dem Zwischenraum den Dichtring umströmen kann. In dieser Ausführungsform ist die Kühlkammer von den gegeneinandergerichteten Stirnflächen des Zylinderkopfes und des Zylinderblockes oben und unten und von dem Dichtring seitlich begrenzt.

In einer besonderen Ausführungsform tritt das aus der Austrittsöffnung im Kopfraum austretende Öl in den Ventildeckel und von dort in einen Rücklaufraum ein, der parallel zu den Kolben angeordnet ist und an seiner tiefsten Stelle den Ölsumpf bildet. Vorteilhafterweise umgibt der Rücklaufraum den oder die Zylinder unter Einschluß des Kühlmantels, insbesondere des Ringraumes, vollständig. An seinen senkrechten Wänden läuft das Öl herunter und kühlt dabei ab, bevor es von der Schwerkraft getrieben am tiefsten Punkt in einen Sammelraum, insbesondere in den Ölsumpf läuft. Der die Kolben umschließende Rücklaufraum trägt dabei außerdem zu einer weiteren Verbesserung der Geräuschdämpfung bei. In einer hydrodynamisch besonders günstigen und einfach zu fertigenden Ausführungsform sind alle Zylinder des Motors von einem gemeinsamen Rücklaufraum umgeben. Im Rücklaufraum strömen gleichzeitig Gase aus Kompressionsverlusten nach oben bis in die Ventildeckel und können von dort abgeführt werden.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist, daß der Vorratsbehälter für das Öl in den Motorblock integriert wird und nicht als separat angeordneter Behälter, oder beispielsweise als Ölwanne, außerhalb des Motorblocks angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, den Vorratsbehälter als Vorratskammer auszubilden, die als durchgängiger Raum alle Zylinder umgibt. Dabei kann eine Vorratskammer für Kühlöl und/oder eine Vorratskammer für Schmieröl vorgesehen sein. Bei der Verwendung des Schmieröles als Kühlöl reicht eine gemeinsame Vorratskammer aus. Vorteilhafterweise setzt sich auch die Vorratskammer im Zylinderkopf, im Ventildeckel und im Kurbelgehäuse fort und umgibt damit die Zylinder vollständig.

Die in den Motorblock integrierte und die Zylinder umgebende Vorratskammer kann auch bei herkömmlichen Motoren ohne Ölkühlung eingesetzt werden. Generell bietet eine solche Vorratskammer mehrere Vorteile. Zunächst wird durch die erfindungsgemäße Anordnung Bauraum eingespart. Ein weiterer Vorteil ist, daß der den Rücklaufraum umgebende Ölmantel, den die Vorratskammer bildet, bedeutend zur Dämpfung beiträgt und damit die Laufgeräusche und Vibrationen des Motors reduziert werden. Auf diese Weise kann die Geräuschentwicklung von Dieselmotoren auf das Niveau von Benzinmotoren reduziert werden.

Außerdem gewährleistet eine solche Vorratskammer, daß auch bei starken Querbeschleunigungen, wie sie beispielsweise bei extremen Kurvenfahrten auftreten, immer ausreichend Öl an der Ansaugöffnung vorhanden ist. Damit ist die Gefahr des Trockenlaufes gebannt. Auch bei mitunter schrägstehenden Fahrzeugen wie Baumaschinen und Segelbooten bringt die erfindungsgemäße Vorratskammer erhebliche Vorteile. Dabei dienen die Außenflächen der Vorratskammer zur Kühlung des darin befindlichen Öles.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Motors wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen ölgekühlten Motorblock,

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch einen Zylinderkopf und

Fig. 3 eine Zylinderkopfdichtung.

Der in Fig. 1 gezeigte Motorblock setzt sich bekanntermaßen aus vier Komponenten zusammen. So weist er ein zentrales Zylindergehäuse 1 und einen das Zylindergehäuse abdeckenden Zylinderkopf 2 auf. Unter dem Zylindergehäuse 1 ist ein Kurbelgehäuse 3 angeordnet und auf den Zylinderkopf 2 ist ein Ventildeckel 4 aufgesetzt. Ein Kolben 5 läuft innerhalb des Zylindergehäuses 1 in einer den Zylinder bildenden Laufbuchse 6 und ist bekanntermaßen durch Kolbenringe gegen die Laufbuchse 6 abgedichtet. Die Laufbuchse 6 umschließt damit den Hubraum des Kolbens 5. Weiterhin gezeigt sind die von herkömmlichen Motoren bekannten Ventile 7 und die Pleuelstange 8, die an der Kurbelwelle 9 angreift.

Erfindungsgemäß ist die Laufbuchse 6 und damit der der Hubraum des Kolbens 5 von einem koaxialen Ringraum 10 umgeben, der von einem Ölstrom zum Zwecke der Kühlung beaufschlagt wird. Der Ringraum 10 setzt sich in einem Kopfraum 11 fort, der in den Zylinderkopf 2 eingebracht ist und der den Verbrennungsraum stirnseitig bedeckt. Kopfraum 11 und Ringraum 10 bilden einen den Zylinder bis auf die Durchführungen der Ventile 7 und der nicht dargestellten Einspritzdüse komplett umfassenden Kühlmantel, wobei durch eine als Brennraumdichtung ausgebildete Zylinderkopfdichtung 12 (s. Fig. 3) aus Metall vermieden wird, daß Öl aus dem Kühlmantel in den Verbrennungsraum eintritt. Das für die Kühlung eingesetzte Öl wird in später zu beschreibender Weise von einem Vorratsbehälter dem Boden des Ringraumes 10 durch eine Eintrittsöffnung zugeführt, steigt im Ringraum 10 unter Abfuhr der im Zylinder entstandenen Wärme zum Zylinderkopf 2 auf und tritt in den Kopfraum 11 ein. Wie aus Fig. 2 ersichtlich stehen die Ringräume 10 der in diesem Falle drei Zylinder untereinander in Verbindung.

In die Kuppel des Kopfraumes 11 ist eine Austrittsöffnung 13 eingebracht, durch die das Öl in den Ventildeckel 4 entlang Pfeil A entweicht. Aus dem Ventildeckel 4 läuft das Öl von der Schwerkraft und dem im Ventildeckel 4 herrschenden Druck in einen Rücklaufraum 14, der den Zylinder unter Einschluß des Ringraumes 10 vollständig umgibt. An den Wänden dieses Rücklaufraumes 14 rinnt das Öl herunter, kühlt ab und sammelt sich am Boden in einem im Kurbelgehäuse 3 vorgesehenen Sammelraum 15. In dem Sammelraum 15 sammelt sich außerdem das Öl, das aus den Ölkühldüsen und den Gleitlagern austritt. Der Rücklaufraum 14 setzt sich aus ineinander übergehenden Kammern zusammen, die in den Zylinderkopf 2, das Zylindergehäuse 1 und das Kurbelgehäuse 3 eingebracht sind. Er umgibt somit den Zylinder und den Kolbenantrieb komplett. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, stehen die Rücklaufräume 14 der Zylinder untereinander in Verbindung und bilden einen die drei Zylinder umgebenden Rücklaufraum 14.

Von dem Sammelraum 15 wird das Öl mittels einer elektrisch oder mechanisch betriebenen Pumpe 16 über eine Rückführleitung 17 in eine Vorratskammer 1 : 3 gepumpt, wobei es zunächst in einem Filter 19 von Rückständen befreit und von einen Ölkühler 20 zusätzlich gekühlt wird. Die Vorratskammer 18 steht mit dem Ringraum 10 über eine nicht dargestellte Leitung in Verbindung, so daß das Öl durch den von der Pumpe 16 aufgebauten Druck von der Vorratskammer 18 in den Ringraum 10 gedrückt wird. Die Vorratskammer 18 ist ebenfalls im Motorblock untergebracht und umgibt ihrerseits den kompletten Rücklaufraum 14. Sie setzt sich aus einzelnen Kompartementen sowohl im Kurbelgehäuse 3, im Zylindergehäuse 1, im Zylinderkopf 2 und im Ventildeckel 4 fort. Das in der Vorratskammer 18 gesammelte Öl wird sowohl für die Schmierung als auch für die Kühlung verwendet. Die Vorratskammer 18 ist über Dichtungen 23, die in diesem Falle aus Gummi gefertigt sind, gegenüber dem Außenraum abgedichtet. Ansonsten stehen Ringraum 10, Rücklaufraum 14 und Vorratskammer 18 an den Stößen zwischen den Komponenten des Motorblockes in einer durch den Spalt bedingten Verbindung.

Über eine Bypaßleitung 21, die von der Rückführleitung 17 direkt in den Ringraum 10 führt und die mittels eines Drei-Wege-Ventiles 22 zugeschaltet wird, läßt sich das aufbereitete Öl direkt vom Sammelraum 15 in den Ringraum 10 pumpen. Dieses reduzierte Ölvolumen heizt sich schneller auf, so daß der Motor schnell seine Betriebstemperatur erreicht. Die Temperatur des Motors wird auf bekannte Weise von nicht dargestellten Temperatursensoren überwacht. Durch die Förderleistung der Pumpe 16 und den Einsatz der Bypaßleitung 21 kann dann die Temperatur des Motors gut kontrolliert werden. Die hinter dem Drei-Wege-Ventiles 22 fortgesetzte Rückführleitung 17 mündet in einen Einlaß 26 im Zylinderkopf. Von Außen ist das Öl dem System über einen Einlaß 27 zuführbar.

Die Betriebstemperatur läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Motor so einstellen, daß sie weit über 100°C hinausgeht und etwa 150° erreichen kann.

Das ist möglich durch den Einsatz von Metalldichtungen für die Abdichtung zwischen Zylinderkopf und Zylinder. In diesem Fall ist die Metalldichtung ein Dichtring 12 (Fig. 3), der in eine entsprechende die Zylinderbohrung umgebende Ringnut 24 in der Stoßfläche des Zylindergehäuses 1 eingelegt ist. Der Dichtring wird direkt von dem aufgeschraubten Zylinderkopf 2 quetschend beaufschlagt und dadurch verformt. Im Falle eines Zylinderkopfes aus Aluminium wird dieser an der entsprechen Stelle eingedrückt. Um die Dichtung 12 zu kühlen, bildet der Kühlmantel eine Kühlkammer 25 aus, über die der Ölstrom an den Dichtring 12 heranführbar ist. Die Kühlkammer 25 wird in diesem Falle von einer Verbreiterung des Spaltes zwischen dem Zylindergehäuse 1 und dem Zylinderkopf 2 gebildet.

Claims (22)

1. Brennkraftmaschine mit einem Motorblock, der ein Zylindergehäuse und einen das Zylindergehäuse abdeckenden Zylinderkopf aufweist und der einen von Öl durchflossenen Kühlmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel, einen den Arbeitsraum (Hubraum) eines Kolbens (5) axial zumindest teilweise umgebenden Ringraum (10) und einen den Arbeitsraum stirnseitig bedeckenden Kopfraum (11) aufweist, wobei der Kopfraum (11) und der Ringraum (10) in unmittelbarer Verbindung miteinander stehen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfraum (11) finden Zylinderkopf (2) eingebracht ist und den Verbrennungsraum nahezu vollständig abdeckt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (10) und der Kopfraum (11) an der Stelle der Brennraumdichtung bzw. der Zylinderkopfdichtung (12) fluchtend ineinander übergehen und einen geschlossenen Kühlmantel bilden.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (16) den Ölstrom fördert.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (16) elektrisch betrieben ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölstrom über eine am Boden des Ringraumes (10) vorgesehene Eintrittsöffnung in den Kühlmantel eintritt und diesen über eine in den Kopfraum (11) eingebrachte Austrittsöffnung (13) verläßt.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumdichtung (12) eine Metalldichtung ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldichtung ein Dichtring (12) ist, der insbesondere in einer in den stirnseitigen Rand des Zylindergehäuses (1) eingebrachten Nut (24) einliegt.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel eine Kühlkammer (25) aufweist, über die der Ölstrom an den Dichtring (12) heranführbar ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer(25)von den gegeneinandergerichteten Stirnflächen des Zylinderkopfes (2) und des Zylindergehäuses (1) und von dem Dichtring (12) begrenzt ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölstrom von der in den Kopfraum (11) eingebrachten Austrittsöffnung (13) in einen Rücklaufraum (14) eintritt.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufraum (14) den Zylinder (6) unter Einschluß des Ringraumes (10) vollständig umgibt.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufraum (14) in einem im Kurbelgehäuse (3) angeordneten Sammelraum (15) mündet, wobei der Ölstrom von der Schwerkraft getrieben in den Sammelraum (15) läuft.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere die einzelnen Zylinder (6) umgebende Rücklaufräume (14) untereinander in Verbindung stehen und einen gemeinsamen Rücklaufraum bilden.

15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rücklaufraum (14) im Zylinderkopf (2) fortsetzt.

16. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorblock eine Vorratskammer (18) vorgesehen ist, die einen Vorrat an Frischöl aufnimmt und die mindestens einen Zylinder (6) vollständig umgibt.

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratskammer (18) ein durchgängiger Raum ist, der alle Zylinder (6) umgibt.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorratskammer (18) im Zylinderkopf (2) und im Ventildeckel fortsetzt.

19. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (16) das Öl über eine Rückführleitung (17) aus dem Sammelraum (15) in die Vorratskammer (18) pumpt.

20. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rückführleitung (17) Mittel zur Aufbereitung, insbesondere ein Ölfilter (19) und/oder ein Ölkühler (20), eingebracht sind.

21. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl über eine Bypaßleitung (21) von der Rückführleitung (17) direkt in den Ringraum (10) förderbar ist.

22. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Kühlung verwendete Öl außerdem zur Schmierung der beweglichen Teile eingesetzt wird.