DE3643828A1 - Motorzylinder und -kolben fuer eine ungekuehlte brennkraftkolbenmaschine, insbesondere fuer einen viertakt-dieselmotor mit abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung eines Motor­ zylinders und -kolbens nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Im bisherigen Motorenbau war es nicht möglich, auf aktive Kühlvorrichtungen, wie Flüssigkeits- oder Luftkühlung sowie auf die Kühlung des Schmieröles zu verzichten. Diese von der Werkstoffseite her notwendigen Maßnahmen verschlechtern aber andererseits den thermischen Wirkungsgrad erheblich und erhöhen den Brennstoffverbrauch, da sie im Hinblick auf den Motorprozeß zeitlich programmwidrig während des Expansions- bzw. Arbeitstaktes durch höchste Wärmeüber­ gangsverluste infolge anfallender Höchsttemperaturen bei der Verbrennung, initiiert durch hohe Wärmeübergangswerte, am intensivsten zur Wirkung kommen.

Bekanntlich vertragen die im Brennkraftmaschinenbau bisher hauptsäch­ lich benutzten, rein metallischen Werkstoffe, wie z. B. Gußeisen, Stahl, Leichtmetalle und deren Legierungen usw., ohne Anwendung von gewissen Schutzmaßnahmen nicht die während des Betriebes im Verbren­ nungsbereich anfallenden hohen Temperaturen. Selbst Bauteile aus hoch­ legierten Metallen versagen dann ihren Dienst, wenn durch Überschreiten gewisser Temperaturhöchstgrenzen die mechanische Festigkeit unter die vorausberechneten Werte absinkt oder durch chemische Reaktionen hervor­ gerufene bleibende Formänderungen (Verzunderungen) auftreten.

Der moderne Motorenbau geht nun dahin, unter Einsatz von hochwarmfesten Werkstoffen mit höchster Wärmedämmung, insbesondere für die Bauteile Zylinder, Kolben und Zylinderkopf, durch gleichzeitigen Verzicht auf aktive Motorkühlung die Wärmeverluste drastisch zu senken.

Die mit dieser Konzeption verbundene extrem hohe Wärmebelastung des Zylinders und des Kolbens läßt die übliche Abdichtung zwischen Zylinder und Kolbenschaft mittels elastischer Kolbenringe, die in der Zylin­ derbüchse ölgeschmiert gleiten, nicht mehr zu, da unter der Einwirkung der hohen Wandtemperaturen das Schmieröl seine Schmierfähigkeit verlie­ ren, wenn nicht gar verdampfen würde. Somit fällt bei den ungekühlten Motoren dem Kolbenschaft die Aufgabe zu, den aus dem Kurbelbetrieb re­ sultierenden Normaldruck unmittelbar auf die Zylinderlaufbüchse zu übertragen, was aber aufgrund der trockenen Reibung wegen Überhitzung und des damit verbundenen vorzeitigen Verschleißens besondere Probleme mit sich bringt. Hinzu kommt die Schwierigkeit, daß durch das Fehlen von Kolbenringen das Laufspiel zwischen der Innenwand der Zylinder­ laufbüchse und dem Kolbenschaft auf ein Minimum beschränkt werden muß, um große Leckagen von Ladeluft und insbesondere Verbrennungsgasen aus dem Brennraum zu vermeiden. Ein Auffangen der auf den Kolbenschaft las­ tenden Normaldrücke bei einem üblichen Kurbeltrieb könnte man durch einen Kurbeltrieb mit Kreuzkopf begegnen. Hieraus ergäbe sich jedoch hoher Bauaufwand und vergrößerte Baulänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Motorzylinder und -kolben gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 unter Vermeidung der vorbeschriebenen Nachteile eine sicher funktionie­ rende Kolbenabdichtung zum Brennraum hin mit geringen Leckverlusten an Verbrennungsgasen und gleichzeitig eine exakt arbeitende, zentrische Kolbenführung gegenüber dem Motorzylinder zu schaffen. Dabei soll im Rahmen dieser grundsätzlichen Aufgabenstellung die bei solchen Kolben­ abdichtungen ohne elastische Kolbenringe unvermeidlichen Energiever­ luste infolge Leckagen von Verbrennungsgasen über den freien Dich­ tungsspalt minimiert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Motor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird der Motorkolben bzw. sein Schaft vollkommen von Führungskräften bzw. Kolbendrücken (Querkräften) entlastet, so daß die Zylinderlaufbahn und die Kolbenabdichtung keinem Reibungsverschleiß unterworfen ist. Somit kann die im Rahmen der Erfindung verwendete Labyrinthdichtung mit kleinstem Laufspiel, das die auftretenden un­ terschiedlichen Wärmedehnungen zwischen der Zylinderwand und dem Kol­ benschaft noch zuläßt, betrieben werden, was die unerwünschte Leckage von Verbrennungsgasen aus dem Brennraum minimiert. Durch die Verlegung der Geradführung des Kolbens in den unteren, relativ kühlen Zylinderbe­ reich innerhalb des Zylinders selber werden günstige mechanische und thermische Bedingungen für die genaue zentrische Lagerung des besonde­ ren Kolbenführungsrohres in einer besonderen, dem steifen Zylinderman­ tel festigkeitsmäßig zugeordneten Führungsbüchse erzielt.

Im Zuge der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ausbildung des Motorzy­ linders und -kolbens und der Führung des letzteren nach den Merkmalen der Patentansprüche 2 und 3 werden vorteilhafte Voraussetzungen für wirkungsvolle Maßnahmen zur Kühlung der Kolbenführung und der In­ nenflächen des Kolbens erreicht. Durch die Erfindung werden ferner die bei kolbenringlosen Kolbenabdichtungen unvermeidlichen Leckageverluste aus dem Brennraum vermeidet, und zwar durch Wiederverwertung des Druck- und Brennstoffenergie enthaltenden Gemisches aus Verdichterdruckluft als Kühlluft und aus Verbrennungsgasen, indem dieses Gemisch den Antriebs­ gasen für die Turbinen des Abgasturboladers zugeführt wird. Im Ge­ gensatz zum konventionellen Verbrennungsmotor, bei dem die an Zylin­ derbüchse und Kolben übertragene Wärme (teilweise auf dem Umweg über das Schmieröl) an das Kühlwasser abgegeben wird und damit verlorengeht, wird beim hier vorgeschlagenen Konzept die im Bereich des Brennraums bei hoher Wandtemperatur an Zylinder und Kolben abgegebene Wärme im ATL verwendet. Dies ist von besonderer Bedeutung, da gerade beim wärme­ gedämmten Motor als Folge hoher Brennraum-Oberflächentemperaturen der Wärmetransport im Zylinder und Kolben stark intensiviert ist.

Die erfindungsgemäße Gesamtkonzeption mit ihrer Kolbenabdichtung sowie Kolbenführung und der damit verbundenen Ausbildung des unteren Teiles des Zylinders und ferner mit den besonderen Kühlmaßnahmen und der Wie­ derverwertung der Verdichterdruckluft als Kühlmittel und der Leckagen von Verbrennungsgasen aus dem Brennraum sowie der Einsatz dieser Ge­ samtkonzeption bei einer Brennkraftkolbenmaschine mit Abgasturbolader macht die Realisierung und praktische Verwendung einer ungekühlten Brennkraftkolbenmaschine erst möglich.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar­ gestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinder mit Kolben und Kurbel­ trieb eines Viertakt-Dieselmotors mit Abgasturbolader und

Fig. 2 einen Ausschnitt A der Labyrinthdichtung nach Fig. 1.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist im Zylindermantel 1 eine Zylinderlaufbüchse 2 aus hochwarmfestem bzw. wärmedämmenden Werkstoff, insbesondere Keramik eingesetzt. Innerhalb der Zylinderlaufbüchse 2 bewegt sich ein gerade im unteren Totpunkt UT befindlicher Kolben 3, dessen Schaft 4 außen eine Labyrinthdichtung 5 aufweist, deren Kammaußenkanten einen ge­ ringstmöglichen Abstand als Laufspalt 6 gegenüber der Innenwand der Zylinderlaufbüchse 2 einnehmen (siehe Fig. 2). Auch der Kolben 3 be­ steht aus hochwarmfestem bzw. wärmedämmendem Werkstoff, wie Keramik.

An der Unterseite des Kolbenbodens 7 ist ein Kolbenführungsrohr 8 fest eingesetzt, das in einer fest mit dem Zylindermantel 1 verbundenen Führungsbüchse 9, insbesondere über mehrere Ringlager 10 mit Öl ge­ schmiert gleitet. Die Verbindung der Führungsbüchse 9 mit dem Zylinder­ mantel 1 erfolgt über eine untere konische Mantelverlängerung 11 und einen an dieser fest angesetzten Zylinderboden 12, der seinerseits mit der Führungsbüchse 9 fest verbunden ist. Diese ragt mit etwa der Hälfte ihrer Länge in den Zylindermantel hinein und weist einen solchen Außendurchmesser auf, daß zwischen diesem und dem Innendurchmesser des Kolbenschaftes 4, auch wenn der Kolben 3 sich im unteren Totpunkt UT befindet, ein freier Ringraum 13 verbleibt, der sich nach unten fort­ setzt und vom Zylinderboden 12 zum Motorkurbelraum hin abgeschlossen wird.

Vom Verdichter 14 des Abgasturboladers ATL wird Druckluft DL als Kühlluft KL abgezweigt und in Bohrungen 15 geleitet, die innerhalb der Führungsbüchse 9 verlaufen und von dort aus in den Ringraum 13 münden. Diese Kühlluft Kl kühlt somit die Führungsbüchse 9 und damit auch das Schmieröl für die dortige Gleitlagerung, ferner die Kolbeninnenflächen.

Wie bereits erwähnt, erfolgt über den Laufspalt 6 der Labyrinthdichtung 5 eine unvermeidliche Leckage an Verbrennungsgasen VL, die sich mit der Kühlluft KL vermischen und ein Treibgasgemisch KL-VL bilden. Dieses wird über eine Leitung 16 der Turbine 17 des Abgasturboladers ATL zusätzlich dadurch zugeführt, daß es den anderen Turbinentreibgasen TG beigemischt wird.

Am unteren Ende des Kolbenführungsrohres 8 ist die Pleuelstange 18 des Kurbelbetriebes 19 angelenkt.

Claims (3)

1. Ausbildung eines Motorzylinders und -kolbens und dessen Führung gegenüber dem Zylinder einer ungekühlten Brennkraftmaschine, ins­ besondere eines wärmegedämmten Viertakt-Dieselmotors mit Abgastur­ bolader, wobei im Zylindermantel des Kurbelgehäuses eine besondere Laufbüchse aus wärmedämmendem Werkstoff hoher Verschleißfestig­ keit, insbesondere aus Keramik eingesetzt ist, in der sich der ebenfalls aus wärmedämmendem Werkstoff, insbesondere Keramik be­ stehende Motorkolben mit seinem Kolbenschaft hin- und herbewegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft (4) mit einer Laby­ rinthdichtung (6) versehen ist, die berührungsfrei mit geringst möglichem Spiel innerhalb der Zylinderlaufbüchse (2) läuft und daß zur ausschließlichen Führung des Motorkolbens (3) gegenüber dem Motorzylinder an der Unterseite des Kolbenbodens (7) ein Kol­ benführungsrohr (8) fest eingesetzt ist, das innerhalb einer feststehenden, in einem Bereich mit relativ niedrigen Temperaturen angeordneten Führungsbüchse (9), insbesondere über mehrere Ringla­ ger (10) abgestützt, gleitet und mit seinem unteren Ende zur An­ lenkung einer Pleuelstange (18) dient.

2. Ausbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur gleitenden Aufnahme des Kolbenführungsrohres (8) dienende Führungsbüchse (9) mit einem Teil ihre Länge, insbesondere mit etwa der Hälfte ihrer Länge in den Zylindermantel (1) hineinragt und einen solchen Außen­ durchmesser aufweist, daß auch noch bei Stellung des Motorkolbens (3) im unteren Totpunkt (UT) zwischen dem Innendurchmesser des Kolbenschaftes (4) und dem Außen­ durchmesser der Führungsbüchse (9) ein freier Ringraum (13) verbleibt und daß der Zylindermantel (1) über eine nach unten sich erstreckende Mantelverlängerung (11) und über einen Bodenteil (12) starr mit dem unteren Ende der Führungsbüchse (9) verbunden ist, so daß der Motorzylin­ dermantel (1) mit seiner nach unten sich erstreckenden Mantelverlängerung (11) sowie mit einem Bodenteil (12) zusammen mit der Führungsbüchse (9) und dem Kolben­ führungsrohr (8) einen nach dem Motorkurbelraum hin ge­ schlossenen Ringraum (13) bildet.

3. Ausbildung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die Führungsbüchse (9) Druckluft als Kühlluft (KL), insbesondere vom Verdichter (14) des Abgasturbo­ laders (ATL) in den geschlossenen Ringraum (13) ge­ fördert wird, die sich mit der aus Labyrinthdichtung (5) der Zylinder-Kolbenabdichtung anfallenden Leckage von Verbrennungsgasen (VL) vermischt und daß das sich im geschlossenen Ringraum (13) bildende und sammelnde Ge­ misch aus Kühlluft (KL) und Verbrennungsgasen (VL) als zusätzliches Treibgasgemisch (KL-VL) den zum Antrieb der Turbine (17) des Abgasturboladers (ATL) dienenden Treibgasen (TG) beigemischt wird.