DE3333036C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Verbrennungsmotor ist in der US 18 80 643 beschrieben. Hier liegt innerhalb der zuylindrischen Aus­ nehmungen der Zylinderkopfdichtungen im Bereich des Zy­ linders ein Kupferring, der sich in Richtung nach außen an einer Schulter abstützt. Durch diesen Kupferring soll die Zylinderkopfdichtung geschützt werden, insbesondere gegen eine seitliche Verschiebung, da nur ein sehr geringer Druck vom Zylinder her auf die Zylinderkopfdichtung wirken kann.

Die Erfindung kann in allen Kolbenmotoren von unterschied­ lichen Transportmitteln, wie in Kfz-, Schiffs- und Diesel­ lokmotoren sowie in ortsfesten Generatoren, Verdichter- und anderen Motoren Anwendung finden, die zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf eine Zylinderkopfdich­ tung mit einer Zylinderbohrung besitzen, die größer als die Bohrung im Zylinder des Verbrennungsmotors ist.

Gegenwärtig sind die Probleme der Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, der Abgasentwicklung und der Toxizität der Verbrennungsmotoren sehr aktuell. Mit der Lösung dieser Probleme befassen sich mehrere theoretische und experimentelle Arbeiten sowie Erfindungen.

Eine der Wege zur Lösung der vorgenannten Probleme ist die Vergrößerung des Verhältnisses des Brennraumvolumens zum Verdichtungsrauminhalt. Die Vergrößerung dieses Verhält­ nisses erfolgt durch Vermindung der Verdichtungsraum­ größe, was seinerseits durch eine Vermindung des Volu­ mens, das durch den zwischen dem Kolben und dem Zylinder­ kopf bestehenden Spalt bedingt ist, des Volumens der Ven­ tilaussparungen im Zylinderkopf, des Volumens im Kolben- Zylinder-Spalt und des Gaskontaktvolumens erzielt wird, das dadurch bedingt ist, daß aus konstruktiven und technolo­ gischen Überlegungen die Zylinderbohrungen in der Zylinder­ kopfdichtung größer als der Zylinderdurchmesser gemacht werden. In der Regel werden die erwähnten Volumina während des versuchsweisen Einlaufens eines Verbrennungsmotors gewählt und lassen sich nur durch Anwendung von irgend­ welchen konstruktiven Neuheiten reduzieren. Eines der Objekte, auf die diese Neuheiten abzielen, ist das Gaskon­ taktvolumen eines Verbrennungsmotors, das durch den ge­ nannten größeren Durchmesser der Zylinderbohrung der Zy­ linderkopfdichtung im Bereich des Zylinders besteht.

Bekannt sind Verbrennungsmotoren (siehe beispielsweise den SU-Urheberschein 4 82 561), bei denen zur Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, der Abgasentwicklung und der Toxizität sowie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Zylinderkopfdichtung die obere Stirnfläche der Laufbuchse bei der Bearbeitung mit einer ringförmigen Eindrehung versehen wird, in der ein besonders geformter Metallring untergebracht wird.

Diese Konstruktion gewährleistet keine vollkommene Füllung des Gaskontaktvolumens, weil ein freier Raum zwi­ schen dem Zylinderkopf und der oberen Stirnfläche des Feuerbundes der Laufbuchse verbleibt und darüber hinaus die Anwendung dieser Konstruktion die Anwendung einer neuen Konstruktion der Zylinderlaufbuchse voraussetzt, da sie in den im Betrieb befindlichen Verbrennungsmotoren nicht anwendbar ist.

Bekannt sind ferner Verbrennungsmotoren (siehe beispiels­ weise den SU-Urheberschein 8 48 722), bei denen zur Erreichung dieses Ziels am Bund der Zylinderlaufbuchse ein Ring aus weichem Material angebracht, während der Bund der Laufbuchse mit Spiralnuten versehen ist, in die bei der Montage des Zylinderkopfes das Material des erwähn­ ten Rings eingedrückt wird.

Die Anwendung dieser Bauart erlaubt es aber ebenfalls nicht, das gesamte Gaskontaktvolumen zu füllen, weil der Raum zwischen dem Zylinderkopf und der oberen Stirn­ fläche des Feuerbundes der Zylinderlaufbuchse frei verbleibt und darüber hinaus zur Anwendung dieser Konstruktion eine besondere Laufbuchse mit Spiralnuten erforderlich ist.

Bekannt ist ferner ein Verbrennungsmotor (US 36 06 361), bei dem das Gaskontaktvolumen mit Hilfe eines Stahlringes gefüllt wird, der in der Zylinderbohrung der Zylinderkopf­ dichtung untergebracht ist und an der oberen und unteren Stirnfläche spitze Vorsprünge aufweist.

In diesem Fall wird aber das Gaskontaktvolumen infolge der Besonderheit der Ringkonstruktion ebenfalls nicht voll­ ständig gefüllt, weil zwischen den Stirnflächen des Ringes, dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock ein freier Raum verbleibt, die spitzen Vorsprünge bei ihrem Eindringen in den Zylinderkopf und den Zylinderblock in unmittelbarer Nähe der Zylinderbohrung eine erhebliche Ovalisierung der letzteren veranlassen können und außerdem bei wiederholter Montage des Zylinderkopfes der Ring mit seinen Vorsprüngen nicht immer sicher in die bei der ersten Montage ausgebil­ deten Vertiefungen gelangen kann, was zu einer unzuverlässi­ gen Abdichtung des Gaskontaktvolumens führt.

Aus der EP 00 41 906 A1 ist es bekannt, im Bereich einer Gasdurchtrittsöffnung innerhalb einer entsprechenden Öffnung der Zylinderkopfdichtung einen Metallring vor­ zusehen, der mit einem am Außenumfang vorstehenden Bund dadurch mit der Zylinderkopfdichtung verbunden ist, daß dieser Bund in der Zylinderkopfdichtung eingesetzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungs­ motor zu schaffen, bei dessen Kompressionsvolumen Tot­ räume weitgehendst vermieden werden, um den Kraftstoff­ verbrauch und die Schadstoffemission des Motors zu ver­ mindern sowie die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Zylinderkopfdichtung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Kompressions­ volumen des Verbrennungsmotors durch vollständige Füllung des Gaskontaktvolumens zu verringern, was den Kraftstoff­ verbrauch und die Schadstoffemission des Motors vermindert sowie die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Zylinder­ kopfdichtung erhöht.

Durch die Verminderung des Kompressionsvolumens des Ver­ brennungsmotors erhöht sich das Verhältnis des Brennraum­ volumens zum Kompressionsvolumen. Außerdem sind aus dem Prozeß des aktiven Wärmeaustausches zwischen dem Arbeits­ gas und der Brennraumoberfläche die Oberfläche des Zylin­ derkopfes und des Zylinderblocks herausgeführt, die mit dem verformbaren Materialring kontaktieren, was den Wärme­ ausnutzungsgrad im Verbrennungsmotor erhöht.

Zur Vermindung des Wärmeaustausches zwischen dem Arbeits­ gas und dem Materialring besteht der Materialring vorzugs­ weise aus einem wärmeisolierenden Material, beispiels­ weise Fluoroplast.

Die vollständige Füllung des Gaskontaktvolumens und somit die Verminderung von Toträumen führt zur Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs um 3,8%.

Gemäß den Betriebsprüfungsergebnissen besitzen die erfin­ dungsgemäß ausgeführten Verbrennungsmotoren mit Material­ ringen aus Fluoroplast eine um 3- bis 4fach höhere Zuver­ lässigkeit und Lebensdauer der Zylinderkopfdichtung als bei den üblichen Verbrennungsmotoren.

Bei der Ausführung des Verbrennungsmotors mit einem Zylinderblock, der Zylinderlaufbuchsen mit Feuerbunden besitzt, ist das Einfassungsgehäuse zweckmäßigerweise stufenförmig ausgeführt, wobei der ebene Teil derselben mit dem Zylinderkopf, der stufenförmige Teil aber über die eine Stufe mit der Seitenfläche der Laufbuchse, über die andere Stufe aber mit der oberen Oberfläche des Feuer­ bundes in Kontakt steht.

Diese Ausführung des Materialringes gestattet es, das Gaskontaktvolumen, das zwischen dem Feuerbund und dem Zylin­ derkopf eingeschlossen ist, vollständig zu füllen und außerdem eine Ovalisierung der Laufbuchse bei der Montage des Zylinderkopfes zu vermeiden.

Zur einfacheren Montage des Materialringes in der Zylin­ derbohrung der Zylinderkopfdichtung sind die Befestigungs­ elemente zur Befestigung des Materialringes an der Zylin­ derkopfdichtung zweckmäßigerweise in Form einzelner Drei­ ecke mit für die Zylinderkopfdichtung bestimmten Aussparun­ gen ausgeführt.

Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Konstruktion eines Verbrennungsmotors ist der Umstand, daß sie sich nicht nur in neuentwickelten, sondern auch in im Betrieb stehenden Verbrennungsmotoren verwenden läßt, indem die übliche Bauweise des jeweiligen Materialringes ohne Abänderung aller übrigen Einzelteile des Verbrennungsmotors eine konstruktive Ergänzung bekommt.

Im folgenden werden besonders vorteilhafte Ausführungs­ beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Verbrennungsmotors im Teilschnitt,

Fig. 2, 3, 4, 5 verschiedene Ausführungsformen des Materialringes der Zylinderkopfdichtung und im montierten Zustand im Schnitt,

Fig. 6 eine Zylinderkopfdichtung mit dem Materialring, angebracht am Zylinder­ block, im Schnitt,

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotors mit Zylinderlauf­ buchsen im Teil­ schnitt,

Fig. 8 einen Zylinderblock mit Zylinderlauf­ buchse und an ihm angebrachter Zylin­ derkopfdichtung gemeinsam mit einer stufenförmigen Einfassung im Teilschnitt und im nicht­ montierten Zustand,

Fig. 9 eine Ausführungsform der Befestigungs­ elemente zur Befestigung des Materialringes an der Zylinderkopfdichtung mit Hilfe von besonderen, in Form von Dreiecken ausgeführten Greifern im Teilschnitt,

Fig. 10 diesen Ausführungsform wie in Fig. 9 in Draufsicht.

Der in Fig. 1 zum Teil dargestellte Verbrennungsmo­ tor enthält einen Zylinderblock 1 mit einem an ihm angebrachten Zylinderkopf 2. Zwischen ihnen ist eine Zylinderkopfdichtung 3 angeordnet, die eine Zylinder­ bohrung besitzt, welche größer als die Bohrung eines Zylinders selbst ist. In der Zylinderbohrung der Zylinderkopfdichtung 3 ist ein Materialring 6 angebracht, der mit Befestigungselementen 5 zur Befestigung derselben an der Zylinderkopfdichtung 3 versehen ist. Das Volu­ men des Materialringes 6 ist so gewählt, daß es mit einem Gaskontaktvolumen vergleichbar ist, das zwischen dem Zylinderblock 1, dem Zylinderkopf 2, der Zylinderkopfdichtung 3 und dem Fortsatz der zylindrischen Oberfläche eines Zylinders 7 des Verbren­ nungsmotors eingeschlossen ist. Der verformbare Material­ ring 6 kontaktiert mit den Dicht­ flächen des Zylinderkopfes 2 und des Zylinderblocks 1, die zwischen der Zylinderbohrung der Zylinderkopfdich­ tung 3 und dem Fortsatz der zylindrischen Oberfläche des Zylinders 7 des Verbrennungsmotors eingeschlossen sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Lage des Materialringes 6 am zu­ sammengebauten Verbrennungsmotor wird durch konstruk­ tive Ausführung und eine Verformung des Materialringes 6 während des Zusammenbaus des Verbrennungs­ motors beim Festziehen des Zylinderkopfes 2 erreicht. Zur vollständigen Füllung des Gaskontaktvo­ lumens unter geringsten Montagekräften wird der Materialring 6 aus einem Material ausgeführt, das bei spe­ zifischen Drücken unter 15 000 N/cm² kaltfliessend ist und eine maximale Dauerbetriebstemperatur von nicht unter 230°C besitzt, beispielsweise aus Fluoroplast.

Nachstehend sind Ausführungsformen des Materialringes 6 der Zylinderkopfdichtung 3 erläutert, der ein ge­ schlossener oder ein geschlitzter Ring sein kann.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Materialring 6 mit Befestigungselementen 8 zur Befe­ stigung an der Zylinderkopfdichtung 3 in Gestalt von Montagebunden versehen, deren Höhe "h" und Breite "a" je nach der erwünschten Verteilung der bei der Montage des Zylinderkopfes 2 am Verbrennungsmotor auf den Zylinderblock 1 und den Zylinderkopf 2 (Fig. 1) einwirkenden Kräfte gewählt werden. Die Bunde (Fig. 2) besitzen relative Höhe "h" und Breite "a"; es sind Ausführungsformen möglich, da entsprechend den vorstehend angeführten Erwägungen Bunde als Befestigungselemente 9 (Fig. 3) des Materialringes 6 mit unterschiedlich großer Höhe und Breite ausgeführt werden, d. h., "h ₁" ist größer als "h ₂" und "a ₁" größer als "a ₂". Die Befestigungselemente 8, 9 (Fig. 2, 3, 4 und 5) sind mit einem Materialring 6, 10, 11 verbunden, dessen Volumen mit dem Gaskon­ taktvolumen des Verbrennungsmotors vergleichbar ist.

Zur vollständigen Füllung des Gaskontaktvolumens bei geringsten Montagekräften während des Festziehens des Zylinderkopfes 2 (Fig. 1) und Herabsetzung des ra­ dialen Drucks an der Stoßfläche der Zylinderbohrung der Zylinderkopfdichtung 3 kann der Querschnitt der verformbaren Materialringe 10, 11 (Fig. 4, 5) die größte Höhe "H" auf der Seite besitzen, die der zylindrischen Oberfläche des Zylinders 7 (Fig. 1) des Verbrennungsmotors zugewandt ist.

Die Höhe "H" des Materialringes 6, 10, 11 (Fig. 2, 3, 4, 5) muß immer größer sein als die Dicke "H _1" der Zylinderkopfdichtung 3.

Bei dieser Ausführung gewährleistet der Materialring 6, 10, 11, indem er sich bei der Montage des Zylinderkopfes 2 (Fig. 1) verformt, eine zuver­ lässige Abdichtung des Zylinders 7 des Verbrennungs­ motors, da die Einwirkung des eine hohe Temperatur und einen hohen Druck besitzenden Gases auf die Oberfläche der Zylinderbohrung der Zylinderkopfdichtung 3 ver­ hindert wird, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebens­ dauer derselben erhöht werden.

Der Materialring 6 (Fig. 6) wird mit Hilfe von Besti­ gungselementen in der Zylinderbohrung der Zylinder­ kopfdichtung 3 untergebracht und dann gemeinsam mit der Zylinderkopfdichtung 3 am Zylinderblock 1 ange­ bracht.

Bei der Montage des Zylinderkopfes 2 (Fig. 1) und beim Festziehen desselben wird der Materialring 6 verformt und füllt das Gaskontaktvolumen, wobei es die in Fig. 1 abgebildete Lage einnimmt.

Die Arbeit des Verbrennungsmotors geht in bekannter Weise vor sich: der Kolben bewegt sich beim Verdich­ tungsakt zum oberen Totpunkt, wobei die im Zylinder 7 (Fig. 1) vorhandene Luft bis auf den Verdichtungs­ rauminhalt komprimiert wird. Da das Gaskontaktvolumen durch den verformten Materialring 6 ge­ füllt ist, ist der Verdichtungsrauminhalt um die Größe des Gaskontaktvolumens kleiner gewoden, und da ferner das Brennraumvolumen unverändert geblieben ist, nahm das Verhältnis des Brennraumvolumens zum Verdichtungs­ rauminhalt zu, so daß sich die Luft, die sich im Gas­ kontaktvolumen befinden sollte, ohne an der Gemischbil­ dung beteiligt zu sein und die Verbrennung des Kraft­ stoffs zu unterstützen, in den Brennraum verlagert hat und imstande ist, am Prozeß der Gemischbildung und Verbrennung aktiv teilzunehmen, wodurch der spezi­ fische Kraftstoffverbrauch, die Abgasentwicklung und die Toxizität des Verbrennungsmotors vermindert wer­ den.

Außerdem schloß der verformte Materialring 6 die Dichtfläche des Zylinderblocks 1 und des Zylinderkopfes 2, die mit dem verformten Materialring 6 in Kontakt stehen, vom Prozeß des akti­ ven Wärmeaustausches zwischen dem Arbeitsgas und der Verdichtungsraumoberfläche vollständig aus, was den Wärmeausnutzungsgrad im Verbrennungsmotor erhöht, d. h., den spezifischen Kraftstoffverbrauch verringert.

Die Anwendung eines wärmeisolierenden Materials, bei­ spielsweise von Fluoroplast, zur Herstellung des Materialringes 6 erhöht ihrerseits den Wärmeausnutzungsgrad im Verbrennungsmotor, weil dabei die Wärmeabteilung über die Oberfläche des Materialringes 6, die der Ober­ fläche des Zylinders 7 zugewandt ist, vermindert wird.

Der verformte Materialring 6 isoliert, indem er mit den Oberflächen des Zylinderblocks 1 und des Zylinderkopfes 2 in Kontakt steht, die Ober­ fläche der Zylinderbohrung der Zylinderkopfdichtung 3 gegen Einwirkungen von Gasen mit hohen Temperaturen und Drücken zuverlässig, die bei der Arbeit des Ver­ brennungsmotors auftreten, so daß die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Zylinderkopfdichtung 3 erhöht wird.

Je nach der Größe des Gaskontaktvolumens beträgt die Abnahme des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, bezogen auf Nennbe­ triebszustände, 2,5 bis 5% und die der Schadstoffemission 15 bis 25% bei reduziertem Gehalt von Stickstoff­ oxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Abgasen.

Die durch Betriebsprüfungen ermittelte Zuverläs­ sigkeit und Lebensdauer der Zylinderkopfdichtung nimmt um das 3- bis 4fache zu.

Denkbar ist auch eine Ausführung des Verbrennungsmo­ tors mit einem Zylinderblock 12 (Fig. 7), die Laufbuch­ sen 13 mit Feuerbunden 14 besitzt. Ein Feuerbund 14 liegt auf der Stirnfläche der Laufbuchse 13 und erhebt sich über diese hinaus, so daß eine abgestufte Stirn­ fläche entsteht. In diesem Fall kann ein verformbarer Materialring 15 stufenförmig ausge­ führt sein, wobei dessen ebener Teil mit dem Zylinder­ kopf 2, dessen stufenförmiger Teil aber über die eine Stufe mit der Stirnfläche der Laufbuchse 13, über die andere Stufe aber mit der oberen Oberfläche des Feuer­ bundes 14 in Kontakt steht.

Dieser Materialring 15 (Fig. 8) mit dem stufenförmigen Gehäuse muß so ausgeführt sein, daß die Höhe "H ₂" einer größeren Stufe 17 größer als die Dicke "H ₃" der Zylinderkopfdichtung 3, die Höhe "H ₄" einer kleineren Stufe 18 größer als die Differenz der Dicke "H ₃" der Zylinderkopfdichtung 3 und der Höhe "H ₅" des Feuerbundes 14 ist.

Die stufenförmige Ausführung des Materialringes 15 aus Fluoroplast gestattet es, die in diesem Fall komplizierte Gestalt des Gaskon­ taktvolumens vollständig zu füllen und eine Ovali­ sierung der Laufbuchse 13 bei der Montage des Zylin­ derkopfes 2 (Fig. 7) zu vermeiden.

Zur festeren Montage eines Materialringes 19 (Fig. 9, 10) in der Zylinderbohrung der Zylinderkopfdichtung 3 können die Befestigungselemente 20 zur Befestigung des Materialringes 19 an der Zylinderkopfdichtung 3 in Gestalt einzelner Dreiecke mit für die Zylinder­ kopfdichtung 3 bestimmten Aussparungen ausgeführt sein. Die als Dreiecke ausgebildeten Befestigungselemente 20 befinden sich am Materialring 19 auf der Seite, die an die Zylin­ derbohrung der Zylinderkopfdichtung 3 angrenzt. Diese Ausführung der Befestigungselemente des Materialringes 19 gestatten es, den Prozeß des Zusammenbaus des Materialringes 19 mit der Zylinderkopfdichtung 3 zu automatisieren.

Claims (6)

1. Verbrennungsmotor mit einem Zylinderblock, einem Zylinder­ kopf und einer dazwischen befindlichen Zylinderkopfdich­ tung, deren Zylinderbohrungen im Durchmesser größer sind als die des Zylinders, und so einen Zwischenraum bilden, in dem sich ein Materialring befindet, dadurch­ gekennzeichnet, daß der Materialring (6; 15) aus leicht verformbarem Werkstoff besteht und mit Befestigungselementen (5; 8; 9; 20) zum Be­ festigen mit der Zylinderkopfdichtung (3) versehen ist und im montierten Zustand mit den Dichtflächen des Zylinderkopfes (2) und des Zylinderblocks (1) in flächenhaftem Kontakt steht, wobei die innere Umfangs­ fläche des Materialringes (6; 15) mit der zylind­ rischen Oberfläche des Zylinders (7) fluchtet.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit einem Zylinder­ block, der Laufbuchsen mit Feuerbunden aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß der ver­ formbare Materialring (15) stufenförmig ausgebildet ist und der ebene Teil des verformbaren Materialringes (15) mit dem Zylinderkopf (2) und der stufenförmige Teil über die eine Stufe (17) mit der Stirnfläche der Laufbuchse (13) und über die andere Stufe (18) mit der oberen Oberfläche des Feuerbundes (14) in flächenhaftem Kontakt steht.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialring (6; 15) aus einem wärmeisolierenden Werkstoff besteht.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Werkstoff Fluoroplast ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Befestigungselemen­ te (5; 8; 9) des Materialrings (6; 15) aus an seinem äußeren Umfang vorstehenden Bünden bestehen, die in die Zylinderkopfdichtung (3) eingreifen.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Befestigungs­ elemente (20) in Form einzelner, im Abstand zueinander angeordneter Dreiecke mit für die Zylinderkopf­ dichtung (3) bestimmten Aussparungen ausgeführt sind.