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Luft- und ölgekühlte Brennkraftmasnhine
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Die Erfindung betrifft eine luft- und ölgekühlte Brennkraftmaschine
des im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Aufbaus, wie sie aus dem DT-GM
1 872 606, 46a4, 2, bekannt ist.
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Bei der bekannten Konstruktion wird der Zylinderkopf durch Druckluft
gekühlt, während in jeder Zylinderbohrung mit Drucköl gekühlte gesonderte Zylinderbüchsen
angeordnet sind.
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Wie allgemein bekannt, bietet eine Luftkühlung den Vorteil eines besonders
geringen konstruktiven und apparativen Aufwands.
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Von Nachteil ist jedoch, daß die Zylinderköpfe luftgekühlter Brennkraftmaschinen
gegenüber wassergekühlten Zylinderköpfen erheblich, nämlich um etwa 1000 0, höhere
Temperaturen aufweisen. Darüber hinaus liegen die einzelnen Bereiche desselben Zylinderkopfs
auf unterschiedlichen Temperaturen; so können die zwischen den Ventilen, am Brennraum,
am Auslaßkanal und im Windschatten liegenden Bereiche des Zylinderkopfes ebenfalls
0 größenordnungsmäßig 90 wärmer sein als diejenigen Bereiche, die unmittelbar unter
der Einwirkung eines Kühlgebläses stehen.
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Diese Bereiche herausragender Temperaturen können zu Schwierigkeiten
bei der Auswahl des Werkstoffs für den Zylinderkopf führen, da beispielsweise Aluminium
eine Festigkeitsgrenze bei etwa
3000 G besitzt und bei höheren
Temperaturen bereits beginnt, plastisch zu werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, die diesen Nachteil stark unterschiedlicher
Temperaturen in den verschiedenen Bereichen des Zylinderkopfes ohne den apparativen
und konstruktiven Aufwand einer selbständigen Flüssigkeitskühlung vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist charakterisiert durch
die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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Während also bei dem beschriebenen Stand der Technik der Zylinderkopf
durch Druckluft und der Zylinder durch Drucköl gekühlt werden, sieht die Erfindung
zumindest einen zusätzlichen, mit der Schmierölversorgung der Brennkraftmaschine
in Verbindung stehende Kanal solcher Gestaltung vor, daß die erwähnten hei-Ben Zonen
des Zylinderkopfes eine zu der Luftkühlung zusätzliche Kühlung erfahren. Verständlicherweise
kann es ggf. im Hinblick auf die Strömungswiderstände in dem Kanal erforderlich
sein, die Ölpumpe etwas stärker auszulegen Im übrigen kann zur Gewinnung dieser
zusätzlichen Ölkühlung auf die für die Schmierung der Brennkraftmasehine ohnehin
vorhandenen Einrichtungen, wie Ölkühler, Ölsumpf und Ölpumpe, zurückgegriffen werden.
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Es ist bekannt, daß bei einer Brennkraftmaschine etwa ein Drittel
der zugeführten Energie über die Kühlung verlorengeht. Während Fahrzeuge mit wassergekühlten
Brennkraftmaschinen die entwickelte und an das Kühlmedium abgegebene Wärmemenge
im Winter für die Heizung des Fahrgastraums und ggf. für eine Vorwärmung des der
Maschine zuzuführenden Gemischs ausnutzen, bleibt bei bekannten luftgekühlten Brennkraftmaschinen
die abgeführte Wärmemenge praktisch unausgenutzt. Zur Heizung verwendet man die
Abgaswärme.
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Auch im Hinblick auf die Ausnutzung der abgeführten Wärme besitzt
die Erfindung Vorteile, denn anstelle des üblichen Ölkühlers kann ein Wärmetauscher
im Wege des Schmieröls zwischen dem Zylinderkopf einerseits und dem Öl sumpf andererseits
vorgesehen sein, der es gestattet, dem Öl, das beispielsweise etwa 20 ffi der vom
Zylinderkopf abzuführenden Wärmemenge aufgenommen hat, zur Heizung der Fahrgastzelle
oder dergl. auszunutzen. Hier können im übrigen für Wasserkühlungen bekannte Heizanordnungen
Einsatz finden, wie sie beispielsweise die GB-PS 711 909 beschreibt. Dort werden
auch Anordnungen angegeben, die es gestatten, die den Wärmetauscher für das Schmieröl
verlassende Luft wahlweise dem Fahrgaetraum cier der Außenluft zuzuführen.
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Im Vordergrund steht die zumindest weitgehende Temperaturegalisierung
der verschiedenen Bereiche des Zylinderkopfes. Diese Wirkung zeigt die eingangs
beschriebene bekannte Konstruktion, bei der nur die Zylinderwand mit Drucköl gekühlt
ist, nicht, da der Zylinderkopf allein durch Druckluft gekühlt sein soll und demgemäß
eine Angleichung der Temperaturen der verschiedenen Bereiche des Zylinderkopfes
nicht zu erwarten ist. Zwar ist aus dem D-GM 1 842 135, 46kl, 2, eine luftgekühlte
Brennkraftmaschine bekannt, in der die Rückführung des Schmieröls durch im Zylinderkopf,
Zylinder und im Kurbelgehäuse verlaufenden Kanäle oder Bohrungen erfolgt. Was die
Kanäle im Zylinderkopf anbelangt, so sollen sie in der Nähe des verhältnismäßig
kühlen Einlaßkanals angeordnet sein. Offensichtlich geht es also mehr um eine Kühlung
des Schmiermittels, nicht aber um die Vergleichmäßigung der Temperaturen verschiedener
Bereiche des Zylinderkopfes.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich insbesondere dann mit
besonders geringem herstellungsmäßigem Aufwand realisieren, wenn der Zylinderkopf
mit einer mehreren Kanälen gemeinsamen Ölzuleitung versehen ist. Noch einfacher
wird die Konstruktion,
wenn zu den einzelnen heißen Bereichen, also
Auslaßkanal, Zwischenraum zwischen den Ventilen und am Brennraum, nicht getrennte
Kanäle oder Leitungen geführt sind, sondern wenn ein einziger Kanal entsprechend
gekrümmt verläuft. Zweckmäßigerweise weist er den Querschnitten der jeweiligen Bereiche
des Zylinderkopfes angepaßte Querschnittsformen auf.
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Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Zylinderkopf,
der zwei Zylindern zugeordnet ist, zeigen die Piguren, und zwar Figur 1 in Draufsicht,
die Figuren 2, 3 und 4 in den mit II-II, III-III und IV-IV bezeichneten Schnittansich
ten sowie Figur 5 in der in Figur 1 mit V bezeichneten Seitenansicht.
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Der Zylinderkopf wird durch Luft gekühlt, wozu er die mit 1 bezeichneten
Kühlrippen aufweist. Er ist zwei Zylindern zugeordnet, wosu er zwei Brennraumbereiche
2 und 3 aufweist. Im einzelnen interessieren Formgebung und Aufbau der Brennraumbereiche
hier nicht. Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß in jeden Brennraum eine Zündkerze
4 hineinragt sowie jeweils eine Gemischzuführungsleitung 5 bzw. 6 und eine uslaßleiung
7 bzw.
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8 einmünden. Diese Leitungen sind in bekannter Weise zur Aufnahme
der Ein- und Auslaßventile ausgerüstet.
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Erfahrungsgemäß bilden sich besonders hohe Temperaturen im Bereich
des Brennraumes, nahe den Auslaßventilen und zwischen den Ventilen aus. Um diese
Temperaturspitzen zumindest weitgehend auf die Temperatur der übrigen Bereiche des
Zylinderkopfes abzusenken, ist dieser erfindungsgemäß mit entsprechend verlaufenden
Kanälen für eine zusätzliche Kühlung durch das ohnehin vorhandene Schmieröl versehen.
Das Öl wird von der - ggf.
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etwas größer ausgelegten - Ölpumpe über die einzige Ölzuleitung 9
zugeführt, der in Strömungsrichtung die Verzweigung 10 in die beiden Kanäle 11 und
12 nachgeschaltet ist. Die beiden Kanäle
sind spiegelbildlich aufgebaut,
so daß es genügt, den Verlauf eines der Kanäle zu beschreiben. Er erstreckt sich
zunächst bei 13 sehleifenartig zwischen die Gemischkanäle 5 und 7, und zwar, wie
Figur 2 zeigt, in der den Brennraumbereich 2 begrenzenden Wand 14. Wie Figur 2 ferner
erkennen läßt, ist der Querschnitt des Kanals 11 dem Materialquerschnitt dieses
Bereichs des Zylinderkopfes angepaßt. Damit erfolgt also nicht nur eine Herabsetzung
der Temperatur des Bereichs zwischen den beiden Ventilen dieses Zylinders, sondern
auch des Brennraumbereichs.
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In seinem Teil 14 hat der Kanal 11, wie insbesondere Figur 4 erkennen
läßt, eine etwa bohnen- oder nierenartige Querschnittsform, wodurch er sich wiederum
dem in der Nähe des hier einzusetzenden Ventils vorliegenden Materialquerschnitt
anpaßt. Sodann verläuft er an der Auslaßleitung 7, die er auch zur Erzielung eines
guten Wärmeübergangs umgreifen kann, und mündet er im Bereich der Außenwand des
Zylinderkopfes in die Ölableitung 15 ein, die, wie in Figur 5 für den anderen Kanal
12 dargestellt, einen zum Anschluß von ölbeständigen Schläuchen oder Leitungen geeigneten
runden Querschnitt besitzt. Die beiden sioh also iL Figur 1 gegenüberliegenden Ölableitungen
sind mit tels Leitungen oder Schläuchen 16 und 17 zusammengefaßt zu der bei 18 angedeuteten
Sammelleitung, die das erwärmte Schmieröl über den Wärmetauscher 19 und die weitere
Leitung 20 in den nicht dargestellten Ölsumpf zurücktransportiert.
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Der Wärmetauscher 19, dem in diesem Ausführungsbeispiel das Gebläse
21 vorgeschaltet ist, kann einen Bestandteil einer Fahrzeugheizung bilden. Konstruktive
Einzelheiten hierfür brauchen nicht angegeben zu werden, da entsprechende Konstruktionen
für die Ausnutzung der vom Kühlwasser aufgenommenen Wärmemenge Einsatz finden können.
Da das Öl bei seinem Durchgang durch den Zylinderkopf eine Temperatur um 1500 C
annehmen kann und zumindest auf etwa 1250 C abgekühlt werden muß, ist eine eine
AbkEhlung
von 15 - 250 C sicherstellende Auslegung des Wärmetauschers
erforderlich. Wird der Wärmetauscher anstelle des üblichen Ölkühlers eingesetzt,
so lassen sich etwa 10 % der Motorleistung.
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aus der abgeführten Wärme in verwertbare Wärme umsetzen.
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Selbst wenn bei einer gegebenen Maschine die Luftkühlung allein in
der Regel ausreicht, um die Temperatur im erforderlichen Maße herabzusetzen, bietet
die Erfindung noch einen Vorteil, nämlich insofern, als die Leistung eines üblicherweise
vorhandenen Eühlgebläses reduziert werden kann. Die Ausnutzung der mittels des Öls
abgeführten Wärmemenge bietet gegenüber der bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen
üblichen Abgashe i zung den Vorteil einer einfachen Regelung und der Geräuschminderung.
Ferner wird im Winterbetrieb das Schmieröl schneller erwärmt.
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Die eben angesprochene mögliche Verringerung der Leistung des Kühlgebläses
kann durch entsprechend große Gestaltung der Eühlrippen, ggf. bei Vergrößerung auf
Strahlungsrippengröße, bis zur Einsparung des Kühlgebläses getrieben werden. Versieht
man die Kanäle 11 und 12 bzw. die Verzweigung 10 mit solchen Querschnitten, daß
dort eine Querschnittserweite-ung gegenüber der dann an ihrem Ende düsenartig wirkenden
Ölzuleitung 9 vorliegt, so können auch bei Zuführung des Öls unter relativ hohem
Druck, z.B. 6 atü, Schläuche 16 bis 18 Einsatz finden.