DE2429355A1 - Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Dipl. ing. B, X

AUGSBUBO

PHILIPPINE -WELSER- STBASBH 14

N.232

Augsburg, den l8. Juni·

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London S,W,1, England

Verbrennungskraftmas chine

Die Erfindung^ betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eine Dieselkraftmaschine, mit einem, kühlmitteldurchströmte Kanäle aufweisenden Kühlsystem, d,h, mit einem Kühlsystem, bei welchem die laufende Maschine durch einen
nahe ,ihrer heißen Flächen vorbeiströmenden zwangumlaufenden Kühlmittelstrom gekühlt wird. Die Kühlmittelströmung

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erfolgt hierbei durch beengte Kanäle hindurch.

Bisher ist es üblich, den Zylinderblock und den zugehörigen Teil des Kühlsystems als einzigen Gußkörper mit kastenförmigem Äußerem und darin gebildeten Zylindern herzustellen, wobei Hohlräume zum Hindurchleiten von Kühlwasser ausgespart werden» Derartige Konstruktionen haben verschiedene Nachteile, Die Gußkörper sind gewöhnlich schwer und großvolumig. Die Außenwandungen des Gußkörpers neigen unter der Wirkung der im Gußblock erzeugten Kräfte leicht zu Schwingungen, Der Warmestrom in das durch die Hohlräume strömende Kühlwasser ist oft sehr groß, wodurch große Gebläse, große Kühler und Pumpen erforderlich sind, um diese Wärme an die Außenluft abgeben zu können.» Außerdem soll der Gußkörper zur erforderlichen mechanischen Festigkeit der ganzen Maschine beitragen, jedoch kann er wegen seiner anderen Punktionen diese Aufgabe nur unvollkommen wahrnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs dargelegten allgemeinen Art das Kühlsystem so zu verbessern, daß es weniger massiv und leichter ist und trotzdem zur Versteifung der Maschinenkonstruktion beiträgt,

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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Verbrennungskraftmschine gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle nur in der Nähe von Maschinenbereichen, die im Betrieb zur überhitzung neigen, angeordnet sind und daß an den übrigen Maschinenbereichen, deren Temperatur im Betrieb auf einen annehmbaren Wert ansteigt, keine Kühlkanäle vorgesehen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine ist also die Kühlung in den kritischeren Bereichen der Zylinder konzentriert und der Raum und der Werkstoff, der üblicherweise zur Bildung der Kühlwasserräume im oben beschriebenen Güßkörper verwendet wird, kann zur Bildung zusätzlicher Elemente benützt werden, welche speziell der Verstärkung und Versteifung der Maschinenkonstruktion dienen.

Die Erfindung beruht auf zwei miteinander in Beziehung stehenden Peststellungen, nämlich daß erstens ein bei weitem weniger massives und ausgedehntes Kühlsystem zur Verhinderung von unannehmbar hohen Temperaturen bei den meisten Verbrennungskraftms chinen ausreicht, da solche Temperaturen nur in kritischen Bereichen des Zylinderkopfes und der Zylinder, d,h, an den oberen Zylinderenden, auftreten, und daß zweitens eine wirksamere Weise zur Erzielung einer

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geeigneten mechanischen Festigkeit der Maschine auch in einer Konstruktion liegen kann, bei welcher weniger Geräusch erzeugt wirde

Das Kühlsystem der erfindungsgemäßen Maschine kann ringförmige Kanäle zum Hindurchleiten von Kühlflüssigkeit aufweisen, die in den oberen Zylinderwandungen gebildet sind und die Zylinderbohrungen koaxial eng umgeben. Die Maschine kann in der üblichen Weise Einlaß- und Auslaßöffnungen sowie im Zylinderkopf montierte Ventile aufweisen, und. das Kühlsystem kann auch ähnliche Kanäle im Zylinderkopf enthalten, welche koaxial mit den Ventilsitzen und den Ventilführungen angeordnet sind und diese eng umgeben» Im Falle einer Diesel maschine können diese Kanäle des Kühlsystems das dem Verbrennungsraum zugewandte Ende des Kraftstoffeinspritzers umgeben. Die Verstärkungs- und Versteifungselemente können als Rippen oder andere geeignete Teile ausgebildet sein,, die an den Außenflächen der Zylinder und des Zylinderkopfes zu deren Versteifung befestigt oder einstückig mit ihnen ausgebildet sein können«

Die erfindungsgemäße Maschine weist vorzugsweise einen Zylinderblock, einen daran befestigten Zylinderkopf und Kurbelwellenlagerdeckel auf, welch letztere an der mit Bezug

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auf den Zylinderkopf entgegengesetzten Seite des Zylinderblockes befestigt sind* Die Verstärkungs- und Versteifungselemente können im wesentlichen als Zuggurte zwischen dem Zylinderkopf und den Kurbelwellenlagerdeckein ausgebildet sein, die in der Lage sind, die Belastungen durch die sich in der Maschine aufbauenden und den Zylinderkopf und die Lagerdeckel vom Zylinderblock wegzudrücken suchenden Gasdruckkräfte aufzunehmen. Indem diese Belastungen durch die Züggurte aufgenommen werden, verringern sich die Spannungen, insbesondere die Biegemomente, welche die genannten Kräfte andernfalls im Zylinderblock selbst hervorrufen würden. Die genannten Zuggurte sind mindestens teilweise am Zylinderblock befestigt oder als verstärkte Teile des Zylinderblocks ausgebildet, wodurch dessen Steifigkeit vergrößert und die Geräuscherzeugung verrringert wird. Insbesondere können Teile der Zuggurte als Rippen am Zylinderblock ausgebildet sein. Von diesen Rippen sollen mindestens einige parallel zur allgemeinen Richtung der Kurbelwelle verlaufen, während .vorzugsweise andere unter einem Winkel dazu, d„h. etwa parallel zu den Zylinderachsen gerichtet sind. Als weitere Versteifungselemente können Verbindungswandungen vorgesehen sein,-welche die Wandungen einander benachbarter Zylinder unmittelbar miteinander verbinden, und einige der genannten Rippen können an diesen Verbindungswandungen angeordnet sein,

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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bilden Gegenstand der Unteransprüche,

Einige bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig, I einen schematischen Schnitt durch

eine Dieselmaschine, wobei die Schnittebene senkrecht zur Kurbelachse und gemäß der Linie I-I in Fig. 2 verläuft,

Fig, 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II

in Fig, I₃

Fig, 3 einen Schnitt in der Ebene III-III

in Fig, I,

Fig« 4 eine schematische Draufsicht auf

einen Teil des Zylinderkopfes der in den Fig, I bis 3 dargestellten Maschine,

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Fig·»" 5 eine in Richtung des Pfeils V in

'."■■> ------ -■-■■ Pig· 1 gesehene Seitenansicht der

Maschine,

Fig,. 6/ ., . einen Schnitt in der Ebene VI-VI ■ - ■ ■ in Fig, 2,

Fig«, 7 einen Schnitt entlang der

. ■ Linie VII-VII in Fig. 1,

Fig. 8 -. - verschiedene Alternativkonstruktionen ';- " schematisch im Querschnitt,

Fig, 9 einen nähere Einzelheiten zeigen-

'■·"■■■ den Schnitt durch einen Teil eines, Zylinders und des Zylinderkopfes einer Maschine nach der Erfindung,

■ \r\ ■_ " ■-"-"■/ ' wobei das Kühlsystem dargestellt . ist, ■

Fig, IG- ^; : - einen Schnitt entlang der Ebene X-X ■;·'.:■ --■■"-■":"- ■-'·.-.. · -·- in Fig, 9, und

Fig, 11 einen Schnitt entlang der

Linie XI-XI in Fig, 7»

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Die in den Pig, 1 bis 7 dargestellte Maschine weist ringsherum tiefe Rippen 1 zur Versteifung des Maschine in der Querebene auf. Diese Anordnung stellt außerdem eine wirksame Tragkonstruktion dar, Verdicktungen 2, die in Fig. 2 im Querschnitt an den oberen Enden der Rippen 1 sichtbar sind, tragen einige der Gewindezapfen 3, mittels welchen der Zylinderkopf an der übrigen Maschinenkonstruktion befestigt ist. An ihren unteren Enden gehen die Rippen in robuste Teile des Kurbelgehäuses 5 über, und zwar in der Nähe von im Kurbelgehäuse gebildeten Bohrungen 6, welche Schrauben 7 zur Befestigung starrer Lagerdeckel 8 an der Maschinenkonstruktion aufnehmen. Die Gasruckkräfte zwischen dem Zylinderkopf 4 und den Lagerdeckeln 8 werden folglich unmittelbar von den Rippen 1 aufgenommen, welche als starke Zuggurte dienen. Infolgedessen werden die zu Schwingungen des ganzen Zylinderblockes führende direkte Zugbeanspruchung und die infolge der SchraubZapfenkräfte auftretende Biegebeanspruchungen wegen der direkten Belastung und der Steifigkeit der Rippen 1 verringert.

Eine Durchbiegung des Zylinderblockes in einer Horizontalebene wird durch den Zylinderkopf 4, durch die obere Platte 9 des Zylinderblockes, den oberen Teil des Kurbelgehäuses 5 und durch eine oder mehrere horizontale Rippen, beispielsweise

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10 und 11, verhindert* Eine derartige horizontale Rippe, beispielsweise 11, kann vorteilhafterweise in einer Höhe angeordnet sein, die der Höhe des unteren Endes eines in Fig. 6 strichpunktiert eingezeichneten Kolbens 12 kurz nach dem Durchlaufen des oberen Totpunktes entspricht.

Aus Pig, 3 ist ersichtlich, daß die Wandungen der verschiedenen Zylinder durch kurze gewölbte Verbindungswandungen 13 miteinander verbunden sind, in deren Mitte die aus den Pig, 1 und 2 ersichtlichen Rippen 1 angeordnet sind. Die Verbindung der Zylinder untereinander durch derartige Wandungen vergrößert natürlich die Steifigkeit der Maschinenkonstruktion in der Quer-Vertikalebene, Außerdem verringern solche Verbindungswandungen sowohl Zug- als auch Biegebeanspruehungen, da sie die, die Gewindezapfen 3 tragenden Verdickungen 2 und die darunter liegenden Rippen verstärken. In Pig, 3 ist die Lage der Gewindezapfen 3 durch gestrichelte Kreise angedeutet.

Die Verbindungswandungen vergrößern auch die Längssteifigkeit sowohl in der Ebene der Figo 3 als auch in der Längs-Vertikalebene, indem sie zusammen zwei kontinuierliche Längswandungen bilden, die sich aus den genannten Verbindungswandungen und Teilen der Zylinderwandungen zusammensetzen.

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Außerdem werden die normalerweise frei schwingenden Zylinderwandungen selbst durch die Verbindungswandungen und gegenseitig durch sich selbst versteift, Fig. 2 zeigt außerdem weitere Versteifungsrippen 14, die in den Mitten der Zylinderwandungen angeordnet sind und der ganzen Konstruktion einschließlich der Zylinder zusätzliche Steifigkeit verleihen und die restlichen Verdickungen 15 für die Zylinderkopfschrauben tragen. Ein Klopfen tritt am wahrscheinlichsten an demjenigen Teil der Zylinderwandung auf, an welchem diese weiteren Versteifungsrippen 14 angeordnet sind, und zwar in der Höhe der horizontalen Rippen 11, mit welchen die Zylinder, die Verbindungswandungen 13, die Rippe 1 und die Rippen 14 verbunden sind» Polglich ist die Amplitude von Schwingungen, die durch das Klopfen und im Falle von Dieselmaschinen durch den Dieselschlag hervorgerufen werden, bei weitem geringer als normal» Die Zwischenräume zwischen den Rippen können mit geräuschdämpfendem Material gefüllt sein und das an den Außenflächen der Zylinder und des Oberteils des Kurbelgehäuses gebildete Rippengitter stellt im Gegensatz zur sonst üblichen verhältnismäßig großen und regelmäßigen schwingfähigen Oberfläche, welche Geräusche abstrahlen kann, eine gebrochene Fläche her.

Das Kühlsystem der in Fig. 1 dargestellten Maschine

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weist für jeden Zylinder einen Wassermantel auf, der als enger, das obere Zylinderende umgebender ringförmiger Kanal ausgebildet ist„Dieser Kanal befindet sich in unmittelbarer Nähe der heißen Verbrennungszone im Zylinder,, In axialer Hinsicht weist er im allgemeinen eine geringere Ausdehnung auf als die Verbrennungszone und der genaue Ort des Kanals hängt von den jeweiligen Erfordernissen der Maschine ab» Dieser Wassermantel hat die Aufgabe, diejenigen Teile der Zylinderwandung, die zur überhitzung neigen, zu kühlen, jedoch soll eine Kühlung der nicht zu einer überhitzung neigenden Teile der Zylinderwandung vermieden werden« Dieser Kanal 16 und die, die Zylinderkopfschrauben tragenden Verdickungen sind in Fig. 2 im Querschnitt sichtbar. Die Trennung der Zylinderwandung von der umgebenden Konstruktion in diesem Bereich stellt sicher, daß dieser Bereich der Zy1inderbohrung, in welchem die Kolbenringe gegen die höchsten Drücke abdichten müssen, nicht durch auf die Zylinder übertragene ZylinderkopfSchraubenkräfte verzogen wird. Durch eine öffnung an einer Seite des Zylinderkopfes tritt Wasser in die ringförmigen Kanäle 16 ein, strömt durch den Wässermantel durch die Maschine hindurch und fließt durch eine weitere öffnung an der anderen Seite.des Zylinderkopfes wieder ab. Die einander benachbarte Zylinder kühlenden Ringkanäle 16 können, wie in Fig. 2 bei l6a dargestellt, mit-

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einander in Verbindung stehen. Die Anordnungsweise der Einlasse und Auslässe ist in den Fig. 9 und 10 mehr im einzelnen dargestellt. Der verbleibende und viel größere Teil der Länge der Zylinder, nämlich unterhalb der Höhe der Ringkanäle 16 und oberhalb des Kurbelgehäuses 5, weist während des Betriebes eine jedoch nicht übermäßige Temperatur zunahme auf, weshalb diese ZyInderbereiche einfach ohne Kühlkanäle belassen und der Luft ausgesetzt werden.

Der Zylinderkopf, der teilweise bei abgenommenen Zylinderkopfdeckel 10a in Pig» 4 in Draufsicht dargestellt ist, weist im wesentlichen eine Platte 17 niit quer und schräg verlaufenden Rippen 18 bzw, 19 auf, die von der Platte 17 nach oben ragen. Die dargestellte Konstruktion ist dem in Pig. I gezeigten Zylinderblock angepaßt. Die querverlaufenden Rippen 18, von denen hier beispielsweise jeweils zwei pro Zylinder dargestellt sind, fluchten mit den Zylinderblockrippen 1 und 14 und sind durch Verdickungen 20 örtlich vergrößert, um die Zylinderkopfschrauben 3 aufnehmen zu können. Diese Stellen sind durch die schräg verlaufenden Rippen 19 verstärkt, welche zur Steifigkeit der Platte 17 in Längsrichtung beitragen und die gleichförmige Verteilung der Zylinderkopfschraubenkräfte an der Verbindungsstelle 21 zwischen dem Zylinderkopf und

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dem Zylinderblock sicherstellen. Gestrichelt dargestellte Auspuffkanäle 22 führen von Auslaßkanälen 23 zwischen den querverlaufenden Rippen 18 durch öffnungen im unteren Teil der auf einer Seite des Zylinderkopfes gelegenen schrägverlaufenden Rippen 19 hindurch.

Fig, 8a zeigt schematisch die in den Fig* 1 bis 3 dargestellte Anordnung der Zylinderverbindungswandungen 13 und der Rippen 1 und 14, Die übrigen Teilfiguren 8b bis 8h der Fig«, 8 zeigen alternative Anordnungen,, Ebenso sind alternative Anordnungsweisen der Zylinderkopfrippen 18 und 19 möglich. Die Orte der Verdickungen 2 und 15 zur Aufnahme der Zylinderkopfschrauben am Oberteil des·Zylinderblocks sind jeweils angedeutet <,

Bei der Anordnung gemäß Fig, 8a kann der jeweils nach außen vorspringende Teil der Rippen 1 zwischen den Zylindern zur Erleichterung des Gießens konisch ausgebildet oder auf andere Weise querschnittsmäßig vermindert sein, damit ein besserer Materialübergang an den Stellen der Zylinderkopfschrauben 3 und folglich eine Verminderung des Biegemoments erzielt wird, Die Verbindungswandungen zwischen den Zylindern können so- angeordnet sein, daß sie durch die Punkte der Zylinderkopfsehrauben hindurch oder innerhalb derselben vor-

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beilaufen. Durch geeignete Wahl von Lage und Dicke der Wandungen und Rippen kann das auf den Zylinderblock und den Zylinderkopf durch die Zylinderschraubenkraft ausgeübte Biegemoment vernachlässigbar klein gemacht werden, und dieses Prinzip kann bei allen in Pig, 8 dargestellten Anordnungen Anwendung finden, bei welchen ersichtlich ist, daß einige der Rippen 14, obwohl sie von den Zylinderwandungen wegragen, nicht in der Querebene der Zylinderachsen liegen. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verdickungen 15 für die Zylinderkopfschrauben.

Die Figβ 9, 10 und 11 zeigen örtliche Kühlanordnungen nach der Erfindung, Gemäß den Pig, 7 und 8 strömt Kühlwasser durch einen Einlaß 24 in einen Verteiler 25 im Zylinderkopf 4, Dieser Verteiler ist mehreren Zylindern gemeinsam und von da aus strömt das Kühlwasser zu den einzelnen Zylindern jeweils durch einen Kanal 26 in einen Ringkanal 27 hinein, der eine Hülse 28 am Ende einer Bohrung umgibt, welch letztere den nicht dargestellten Halter einer Kraftstoffeinspritzdüse beherbergt. Durch einen Auslaßkanal 30 gelangt das Wasser in eine gemeinsame Hauptauslaßleitung 31 und von da aus über einen Anschluß 32 in das äußere Kühlsystem, Die Wasserströmung im Kanal 27 kühlt sowohl die Kraftstoffeinspritzdüse als auch die benachbarte

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kritische Fläche derjenigen Teile der Platte 17, die einen Teil der Verbrennungsraumwandung bilden,

In einem Parallelkrexslauf strömt Kühlwasser aus dem Verteiler 25 durch eine Einlaßbohrung 33 in einen Ringkanal 3^, der das Ende der Zylinderbohrung umgibt. Der Kühlwasserstrom teilt sich beim Eintritt in den Ringkanal und vereinigt sich bei einer Auslaßbohrung 35 wieder.

Zur Kühlung der Ventile und Ventilsitze sind gemäß Pig, 11 Einsätze 36 vorgesehen, die jeweils einen Ringraum begrenzen, durch welchen Kühlwasser hindurchströmt. Der Ringraum 37 und die in Fig, 10 dargestellten Zu- und Ableitungen und 39 bilden einen Parallelzweig zu dem die Kraftstoffeinspritzdüse kühlenden Strömungsweg, Ein weiterer Parallelzweig zur Kühlung der Ventilführungen und der Ventilschäfte ist jeweils durch einen Einlaßkanal 40, einen Ringkanal 4l und einen Auslaßkanal 42 gebildet, wie aus Fig* Il hervorgeht.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   f i/) Verbrennungskraft mas chine mit einem, kühlmitteldurchströmte Kanäle aufweisenden Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (z₉B„ 16) nur in der Nähe von Maschinenbereichen angeordnet sind, die im Betrieb zur überhitzung neigen, und daß an den übrigen Maschinenbereichen,. deren Temperatur im Betrieb auf einen annehmbaren Wert ansteigt, keine Kühlkanäle vorgesehen sind,

   2» Maschine nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der, der Verbrennungszone zugeordnete Längenabschnitt der Zylinder von einem Mantel umgeben ist, der zwischen sich und der äußeren Zylinderwandung einen Ringkanal (16) für einen zwangumlaufenden Kühlmittelstrom bildet, und daß die Außenwandung des jeweils übrigen, von der Verbrennungs.zone entfernten und wesentlich längeren Teils der Zylinder der Außenluft ausgesetzt ist,

   3, Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die,jeweils einander benachbarten Zylindern zugeordneten Ringkanäle (16) miteinander (bei 16a) verbunden sind,

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   4, Maschine nach Anspruch 3, wobei die einzelnen Zylinderachsen zueinander parallel verlaufen und in einer gemeinsamen Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (16a) zwischen den Kühlkanälen (16) benachbarter Zylinder in dieser gemeinsamen Ebene liegen»

   5„ Maschine nach Anspruch 1 mit einer Anzahl von Zylindern, wobei die Innenfläche des Zylinderkopfes die Verbrennungsräume der Zylinder jeweils teilweise begrenzt und wobei Kühlkanäle im Zylinderkopf vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verläufe dieser Kühlkanäle (z,B. 26, 27) so gewählt sind, daß die Innenfläche des Zyinderkopfes unterschiedlich gekühlt und die Kühlwirkung an denjenigen Teilen dieser Innenfläche konzentriert wird, welche hauptsächlich einer überhitzung ausgesetzt sind,

   6'i" Maschine nach Anspruch 5» wobei es sich um eine Dieselmaschine handelt und der Zylinderkopf für die einzelnen Zylinder jeweils eine AuspuffÖffnung und eine Öffnung für eine Kraftstoffeinspritzdüse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle Ringkanäle (27, 37) aufweisen, welche die genannten öffnungen eng umgeben«

   7ν Maschine nach.Anspruch 6, wobei der Zylinderkopf

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   außerdem Führungen für Auslaßventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle die Ventilführungen umgebende Ringkanäle (4l) aufweisen.

   8. Maschine n^ch einem der Ansprüche 2 bis 7 ₉ wobei in allen Zylindern eine Rippe oder ein ähnliches Versteifungselement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Versteifungselement (11) in Höhe derjenigen Stelle an den Zylindern angeordnet ist, an welcher sich die Unterkante des jeweils zugehörigen Kolbens (12) unmitelbar nach Durchlaufen des oberen Totpunktes befindet,

   9· Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch sich vom Zylinderkopf (4) bis zum Kurbelgehäuse (5) erstreckende Rippen (14), welche einer Trennung dieser Teile infolge der in der Maschine entstehenden Verbrennungskräfte entgegenwirken und welche an den der Außenluft ausgesetzten Teilen der Zylinderwandungen zwecks Verbesserung der Steifigkeit der Zylinderwandungen befestigt sind.

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