DE2847057A1

DE2847057A1 - Verbrennungskraftmaschine mit kuehlsystem

Info

Publication number: DE2847057A1
Application number: DE19782847057
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Ing Abthoff; Ludwig Dipl Ing Fricker
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1978-10-28
Filing date: 1978-10-28
Publication date: 1980-05-08
Also published as: US4364339A; DE2847057C2

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft

Stuttgart-Untertürkheim Daim 12 o9o/4

26.10.78

Verbrennungskraftmaschine mit Küh!system

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und mit einem diesem zugeordneten Kühlsystem, das mit einem strömungsfähigen Medium, beispielsweise mit Öl, Luft oder Wasser arbeitet.

Die heute übliche Kolbenbrennkraftmaschine wird in der Regel entweder durch die beiden Medien Luft und Öl oder durch Wasser und Öl gekühlt. Außerdem wird Wärme über die Auspuffgase und durch direkte Abstrahlung oder durch Konvektion von der Oberfläche der Brennkraftmaschine abgeleitet.

Das Kühlsystem ist dabei so ausgelegt, daß bei Vollastbetrieb und bei der höchstmöglich erreichbaren Drehzahl die Wärmetransportkapazität über das Kühlmittel gerade noch ausreicht, um für die den Brennraum umschließenden Bauteile Überhitzung zu vermeiden. Über die Drehzahlabhängigkeit der Wasser- oder Ölpumpe wird eine drehzahlabhängige Anpassung der Kühlwasser- oder Ölmenge erreicht. Entsprechendes gilt auch für das Kühlluftgebläse eines luftgekühlten Motors. Da-

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bei kann in jedem Falle bei schlechter werdender Wärmeabfuhr, beispielsweise bei hohen Ur.igebungs temper aturen, zusätzlich ein Ventilator zugeschaltet oder die Umdrehungszahl des vorhandenen Ventilators erhöht werden.

Außerdem wird über einen Wasser- oder Kühlluftkurzschlußkreislauf die Motorenwarmlaufphase nach dem Start, insbesondere nach dem Kaltstart dadurch verkürzt, daß in der Zeit nach dem Kaltstart nur noch ein Teil des Kühlwassers oder der Kühlluft zur Motorkühlung herangezogen wird. Erst wenn im Kurz sdilußkre is lauf die Betriebstemperatur erreicht ist, öffnet sich automatisch von einem Thermostat gesteuert der große Luft- oder Wasserkreislauf mit der größeren Wärmeaufnahmekapazität.

In vielen Fällen ist jedoch das bisher bekannte Kühlsystem nicht ausreichend und es kann nicht im gewünschten Maße eng genug an die jex^eils gegebenen Würmeverhältnisse angepaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, insbesondere bei Teillastbetrieb des Motors in besserem Ausmaß als bisher an die Wärmeverhältnisse im Motor angepaßt den Wärmeinhalt im Brennraum zu erhöhen und damit den effektiven Wirkungsgrad zu verbessern sowie den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu vermindern. Zusätzlich sollen die Warmlaufperiode des Motors verkürzt und die Schadstoffanteile im Abgas verringert werden.

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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch eine solche Ausbildung des Kühlsystems gelöst, daß in dies eine Ölspritzkühlung einbezogen ist und daß die Kühlleistung beim Teillastbetrieb des Motors durch Abschaltung eines Teils der Ölspritzkühlung verringert und damit der Wärmeinhalt im Brennraum erhöht, der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert sowie die Warmlaufperiode des Motors nach dem Start, insbesondere dem Kaltstart verkürzt wird. Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem, das mit einer Flüssigkeit, beispielsweise mit Wasser oder mit Öl arbeitet, kann praktisch konstruktiv und erfindungsgemäß so ausgebildet sein, daß die Kanäle für das Kühlmedium im Zylinderkopf lediglich in der unmittelbaren Umgebung der Auslaßkanäle und der Ventilsitze für die Auslaß- und Einlaßventile angeordnet sind. Dazu kann ein Teil der im Zylinderkopf angeordneten Kühlkanäle an einen Kühlmediumbehälter angeschlossen sein, in dem sich ein Kühlmedium mit geringerer Wärmeleitzahl als Wasser, z. B. Glysantin befindet.

Das Kühlsystem kann aber auch so ausgebildet sein, daß der gesamte Bereich des Zylinderkopfes durch Ölspritzkühlung gekühlt wird, wobei Spritzdüsen so gerichtet angeordnet sind, daß sie den Zylinderkopfboden insbesondere im Bereich der Ventilsitze, den Bereich der Auslaßkanäle, des Sitzes der Zündkerze oder der Einspritzdüsen und der Vorkammer bespritzen. Dabei können zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberflächen in den genannten Bereichen Kühlrippen angeordnet sein. Zur Beherrschung des aus den Kühlspritzdüsen ausgetretenen Öles kann um den Zylinderkopf herum eine Abgrenzungswand angeordnet und innerhalb ihrer Grenzen können Ablauföffnungen vorgesehen sein, durch die

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das aufgespritzte Kühlmedium Öl durch Kanäle in der Zylinderwand nach unten in die ölwanne abfließen kann.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem kann aber auch so ausgebildet sein, daß Kanäle für das Kühlmedium, beispielsweise Kasser, nur in unmittelbarer Umgebung des Zylinderkopfbodens, des Auslaßkanalunterteils mit der Ventilsitzpartie, der Zündkerzen oder der Einspritzdüsen für den Kraftstoff oder des Vorkammersitzes angeordnet sind, während die übrigen, von den Kühlkanälen nicht .umschlossenen Teile, wie die Einlaßventilsitzpartie und das Auslaßkanaloberteil durch aus Düsen an diese Stellen gespritztes Kühlmedium, vorzugsweise öl, bespritzt werden.

Für die Kühlung des Kurbelgehäuses und die Zylinderlaufbahnen kann vorgesehen werden, daß das Kurbelgehäuse ganz ohne Kanäle für die Führung eines Kühlmediums ausgebildet wird und die Kühlung durch ölspritzdüsen bewerkstelligt wird, die die Zylinderwandungen bespritzen, die mit Kühlrippen versehen sein können.

Weiterhin können die Kolben vermittels Düsen von unten mit Kühlöl angespritzt werden. Zur Verbesserung der Kühlwirkung können die Untenseiten der Kolbenboden besondere Formgebungen erhalten, beispielsweise kann ein Ringkanal vorgesehen sein, durch den das Öl gegenüber der zu kühlenden Oberfläche schneller bewegt wird, so daß auch dadurch die Kühlwirkung erhöht wird.

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Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem, daß die Düsen für die Spritzölkühlung einzeln oder gruppenweise zu- oder abschaltbar ausgebildet sind. Hierdurch wird ermöglicht, daß bei Teillastbetrieb und im Leerlauf ein Teil der Kühldüsen abgeschaltet wird und dadurch der Wärmehaushalt des Motors besser an die in diesem Falle nur in geringerem Maße notwendige Wärmeabfuhr angepaßt wird,

Für die Rückkühlung des Kühlmediums, beispielsweise öl, kann ein zusätzlicher Kühler vorgesehen sein, der je nach dem Leistungsanfall thermostatisch staierbar ist. Zur besseren Verteilung des ausspritzbaren Kühlöls kann .der abstellbare Teil der Spritzöidüsen zu dem ständig arbeitenden Schmierölkreislauf parallelgeschaltet sein. Außerdem kann die lastabhängige Zu- oder Abschaltung des Kühlmittels vom Motorsaugdruck her oder direkt mit dem Motorlast-Stellglied, z. B. der Drosselklappe, über elektromagnetisch oder pneumatisch betätigte Ventile einstellbar sein.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnungs dargestellten Ausführungsbeispiels in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein lastabhängig geregeltes Kühlsystem nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine

nach der Linie II-II mit Öleinspritzdüsen für die Zylinderkopfkühlung,

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Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie IH-III mit

ölspritzdüsen für die Ölkühlung des Kurbelgehäuses und der Zylinderbüchsen.

Die Pfeile geben die Anordnung der Ölspritzkühldüsen und ihre Spritzrichtung an. Dabei sollen die voll ausgefüllten Pfeile immer eingeschaltete Ölspritzkühldüsen und die umrahmten Pfeile abschaltbare Ölspritzkühldüsen symbolisieren.

Die in Fig. 1 gezeichnete Schemaskizze zeigt eine Kolbenbrennkraftmaschine 1 mit zwei Ölpumpen 2 und 3. Die Ölpumpe 2 ist in üblicher Weise für die Schmierung des Motors 1 vorgesehen. Für den ölspritzkühlkreislauf ist eine zweite ölpumpe 3 vorgesehen. Zu dem Ölkreislauf für die Spritzkühlung gehören außer der Ölpumpe 3 ein ölfilter 4 mit thermostatisch geregelten Austrittsöffnungen 5 und 6. Wenn das Kühlöl eine bestimmte Temperaturschwelle erreicht hat, öffnet das Thermostatventil im Ölfilter 4 und ein Teil des ölstroms beginnt durch das äußere Kühlsystem mit Vorratsbehälter 21 und Fahrzeugkühler 22 zu fließen. Bei voller Öffnung des Thermostatventils fließt der gesamte Kühlölstrom über den äußeren Kühlkreislauf.

Weiterhin befinden sich im Ölspritzkühlkreislauf ein Druckhalteventil 7 und ein Schaltventil 8, das vermittels eines Hebels 9 lastabhängig einzelne Anschlüsse 12, 13 und 14 nachehander oder miteinander mit Öl versorgt.

Die ölspritzkühldüsen sind z. B. in vier Gruppen aufgeteilt. Die Düsen der ersten Gruppe dienen der Kühlung des Zylinderkopfes und sind mit 15 bezeichnet. Diese erste Gruppe ist im-

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nier eingeschaltet. Sie versorgt auch zusätzlich die Spritzschmierung der Ventilführung und der Ventilsteuerung. Die zweite Gruppe der Ölspritzkühldüsen ist mit 16 bezeichnet und dient nur der Zylinderkopfkühlung und wird dann hinzugeschaltet, wenn die Motorbelastung und somit die abzuführende Wärme einen vorbestimmten Wert überschritten hat. Die dritte Düsengruppe 17 wird ebenso bei höherer Belastung des Motors zugeschaltet. Sie dient der Kurbelgehäusekühlung und der Kühlung der Zylindermäntel. Die vierte Gruppe der ölspritzkühldüsen ist mit 18 bezeichnet. Sie dient der Kolbenkühlung und wird auch zugeschaltet, wenn die Motorbelastung oder die Temperatur des Motors vorbestimmte Werte überschritten haben. Die Gruppen 15 bis 18 der ölspritzkühldüsen sind an die Anschlüsse 11 bis 14 des Schaltventils 8 angeschlossen. Die Zuschaltung der Düsengruppen 12, 13 und 14 erfolgt je nach Motorauslegüng mit zunehmender Last nacheinander einzeln oder auch miteinander.

Die Ölspritzdüsen sind als federbelastete Ventile mit einem festgelegten Abspritzdruck konzipiert, der etwa zwischen 1 bis 1,5 bar Überdruck eingestellt werden kann. Ein Öldruckspeicher 19 und das mit diesem zusammenarbeitende Druckhalteventil 7 sorgen für den nötigen Standdruck, der bei 1,5 bar gehalten wird. Hierdurch kann bei der Einschaltung einer Düsengruppe durch das Schaltventil 8 der Spritzvorgang sofort beginnen.

Warmes öl wird über ein ölreservoir 21 einem Ölkühler 22 zugeführt, von dem aus das Öl über die Leitung 23 wieder in den ölkreislauf zurückgebracht wird.

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Dem ölfilter 4 ist über ein Heizungsregelventil 24 ein Wärmetauscher 25 für die Fahrzeugheizung nachgeschaltet. In die Rückleitung 26, in die auch die Rückleitung 27 aus dem Schaltventil 8 mündet, sind zu beiden Seiten der Mündungsstelle 28 Drosselventile 29 eingebaut.

Bei dem erfindungsgemäßen, lastabhängig geregelten Kühlsystem wird zumindest ein wesentlicher Teil der Kühlung des Motors durch Spritzölkühlung durchgeführt, wobei die heute übliche Durchflußkühlung zusätzlich in verminderter Form auch noch eingesetzt werden kann. Durch die Verlagerung oder Aufteilung der Kühlung teilweise auf das Spritzölsystem ergibt sich der Vorteil, daß der Umfang der Wärmeabfuhr diskontinuierlich dadurch geändert weiden kann, daß alle Öl— spritzdüsen oder ein Teil derselben zu- oder abgeschaltet werden können. Die drehzahlabhängige Veränderung des Kühlmitteldurchsatzes bleibt wie bei den heutigen Kühlsystemen erhalten. Die Steuerung des erfindungsgemäßen Kühlsystems wird so ausgelegt, daß bei Teillastbetrieb und im Motorleerlauf die Wärmeabfuhr durch Abschaltung eines Teiles der ölspritzdüsen verringert wird, so daß der Motor bei erhöhtem Wärmeniveau mit verbessertem Wirkungsgrad arbeitet.

Der höhere Wärme inhalt der Brenngase und der Brennraumwärme wirkt sich auf den Gütegrad der Abgase und auf den mechanischen Wirkungsgrad des Motors verbessernd aus.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, daß durch das fehlende oder stark verminderte zweite Kühlmittel das Motoröl nach dem Kaltstart schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Selbst wenn sich die Gesamtmenge von Kühlmittel und Schmieröl gegenüber dem heutigen

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Motor erhöhen sollte, so kann während des Warmlaufs temperaturgeregelt der größte Teil der Kühlölmenge außerhalb des in dieser Periode arbeitenden Doppelölkreislaufs gehalten werden, so daß wesentlich mehr Wärme an das Öl übergeht als beim konventionell gekühlten Motor.

Von einem Ölteilkreislauf wird der Motor während seiner Warmlaufphase versorgt. Über einen luftbeaufschlagten (11-kühler wird das Kühl- oder Schmieröl bei höherem Wärmeanfall durch thermostatische Steuerung rückgekühlt. Der abschaltbare Teil der Spritzöldüsen ist zu dem ständig arbeitenden Schmierkreislauf parallelgeschaltet. Der lastabhängige Zu- oder Abschaltvorgang kann z. B. von dem Motorsaugdruck gesteuert, über elektromagnetisch oder pneumatisch betätigte Ventile erfolgen. Die beim Zuschalten von Ölspritzkühldüsen plötzlich erforderliche größere Menge von Drucköl kann bei Bedarf von einem federbelasteten Druckölspeicher 19 abgegeben werden.

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Leerseite

Claims

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Ansprüche

Kolben-Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und mit einem diesem zugeordneten Kühlsystem, das mit einem strömungsfähigen Medium, beispielsweise mit 'Öl, Luft oder Wasser arbeitet, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Kühlsystems, daß in dies eine ölspritzkühlung (15 - 18) einbezogen ist und daß die Kühlleistung beim Teillastbetrieb des Motors (1) durch Abschaltung eines Teiles (16 - 18) der Π1-spritzkühlung (15 - 18) verringert und damit der Wärmeinhalt im Brennraum erhöht, der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert sowie die Warmlaufperiode des Motors nach dem Start, insbesondere dem Kaltstart verkürzt wird.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kanäle für das Kühlmedium im Zylinderkopf lediglich in der unmittelbaren Umgebung der Auslaßkanäle und der Ventilsitze für die Auslaß- und Einlaßventile angeordnet sind.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der im Zylinderkopf angeordneten Kühlkanäle an einen Kühlmediumbehälter angeschlossen ist, in dem sich ein Kühlmedium mit geringerer Wärmeleitzahl als Wasser, z. B. Glysantin befindet.

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4. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf lediglich Ölspritzkühlung (15 - 18) aufweist, wobei Spritzdüsen so gerichtet angeordnet sind, daß sie den Zylinderkopfboden, insbesondere im Bereich der Ventilsitze, den Bereich der Auslaßkanäle, des Sitzes der Zündkerze oder der Einspritzdüsen und/oder der Vorkammer bespritzen.
5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberflächen in den genannten Bereichen Kühlrippen angeordnet sind.
6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß um den Zylinderkopf herum eine Abgrenzungswand angeordnet und innerhalb ihrer Grenzen Ablauföffnungen vorgesehen sind, durch die das aufgespritzte Kühlmedium durch Kanäle in der Zylinderwand nach unten (bei Öl in die Ölwanne) abfließt.
7. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle für das Kühlmedium nur in unmittelbarer Umgebung
des Zylinderkopfbodens, des Auslaßkanalunterteils mit
der Ventilsitzpartie, des Zündkerzen- oder Düsen- oder des Vorkammersitzes angeordnet sind und daß die übrigen, von den Kühlkanälen nicht umschlossenen Teile,
wie die Einlaß-Ventil-Sitzpartie und das Auslaßkanal-Oberteil durch aus Düsen (15, 16) an diese Stellen gespritztes Kühlmedium, vorzugsweise Öl, bespritzt werden.

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8. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch- gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse ohne Kanäle für die Führung eines Kühlmediums ausgebildet ist und die Kühlung der mit Kühlrippen versehenen Zylinderwandung durch Ölspritzdüsen (17) bewerkstelligt wird.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben vermittels Düsen (18) von unten mit Kühlöl angespritzt werden.
10. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (15 - 18) für die Spritzölkühlung einzeln oder gruppenweise zu- und abschaltbar ausgebildet sind.
11. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillastbetrieb und im Leerlauf ein Teil (16 - 18) der Kühldüsen abgeschaltet wird.
12. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückkühlung des Kühlmediums (öl) ein zusätzlicher Kühler (22) vorgesehen ist, der je nach Wärmeanfall thermostatisch steuerbar ist.

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13. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der abschaltbare Teil (16 - 18) der Spritzöldüsen zu dem ständig arbeitenden Schmierölkreislauf parallelgeschaltet ist.
14. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lastabhängige Zu- oder Abschaltung des Kühlmittels vom Motorsaugdruck her oder direkt mit dem Stellglied für die Motorlast, z. B. mit dem Drosselklappenhebel oder mit der Dieseleinspritzpumpe, über elektromagnetisch oder pneumatisch betätigte Ventile einstellbar ist.

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