DE4305407A1

DE4305407A1 -

Info

Publication number: DE4305407A1
Application number: DE4305407A
Authority: DE
Inventors: Allyn P Bock
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1993-08-26
Also published as: US5150668A; JPH0617700A; SE506477C2; SE9300192L; SE9300192D0

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Zy linderauskleidung für einen internen Verbrennungsmotor, und insbesondere auf eine Zylinderauskleidung, die eine Kühlhülse umfaßt, die in der Lage ist, die Temperatur der Zylinderauskleidung und einer zugehörigen Kolbenanordnung während des Motorbetriebs zu reduzieren.

Ausgangspunkt

Es gibt ein ständiges Bemühen, um die Bauweise von Kolbenanordnungen von internen Verbrennungsmotoren zu verbessern, und zwar mit dem Schwerpunkt auf erhöhter Leistungsabgabe pro Zylinder, verbesserter Treibstoff wirtschaftlichkeit und Effizienz, verminderten Abgasen, und einer größeren Lebensdauer. Erhöhte Pferdestärken ha ben die Probleme höherer Zylinderdrücke und thermischer Lasten von der Verbrennung. Bei Motoren, die nasse Zylin derauskleidungen verwenden, haben die erhöhten Drücke und Lasten eine übermäßige Belastung oder Beanspruchung an sowohl den Auskleidungen und den Blöcken angelegt. Viele existierende Motoren besitzen Blöcke und Zylinderausklei dungen, die entworfen sind, um mit Aluminiumkolbenanord nungen zu arbeiten, die im allgemeinen auf Verbrennungs kammerdrücke bis zu ungefähr 12 410 kPa (1800 psi) be grenzt sind und die einen oberen Ring besitzen, der mit einem wesentlichen Abstand von der Oberseite des Kolben glieds angeordnet ist.

Bei einigen Motorentwürfen besitzt der Block einen ring förmigen Rand oder Vorsprung, der die Zylinderauskleidung umgibt und Kühlmittelfluß oder Strömung entlang der Zylinderauskleidung steuert, und zwar in der Nähe des oberen Umkehrbereichs des Kolbenrings. Ein Beispiel eines solchen Motorentwurfs ist in dem US-Patent Nr. 38 00 751 beschrieben. Ein kreisförmiger Venturihals wird zwischen der Zylinderauskleidung und dem Rand definiert, um die Geschwindigkeit und Turbulenz des Kühlmittels an dem Rand vorbei zu erhöhen, wodurch ein schnellerer Wärmetransfer an die Kühlflüssigkeit erhalten wird. Das effektivste Kühlen der Zylinderauskleidung tritt entlang der axialen Länge des Randes auf. Der Rand kann jedoch unerwünschter weise nicht ordnungsgemäß angeordnet werden oder er kann keine ausreichende Kühllänge besitzen, um sich an unter schiedliche Kolbenbauweisen oder erhöhte Verbrennungskam merdrücke anzupassen.

Derzeitige und in der Zukunft liegende staatliche Abgas bestimmungen und industrielle Leistungsstandards machen das Minimieren des Kolbens zu Zylinderspaltvolumens not wendig. Dieses Volumen wird definiert als der obere Be reich entlang des Umfangs des Kolbens und umfaßt den Be reich hinunter bis zu dem oberen Kolbenring. Wenn das Spaltvolumen groß ist, gibt es eine wesentliche Menge Verbrennungsgases, das nicht richtig verbrannt ist, da das Material in einem Totluftraum zwischen dem Kolben glied und der Zylinderbohrung eingefangen ist. Das Redu zieren des Spaltvolumens ist ein Faktor beim Verringern des Treibstoffverbrauchs und der Abgase.

Das US-Patent Nr. 49 41 440 beschreibt eine eine hohe Leistungsabgabe aufweisende Gelenkkolbenanordnung. Die Kolbenanordnung kann verwendet werden, um Motoren, wie zum Beispiel die in dem US-Patent Nr. 38 00 751 gezeigten umzuwandeln oder aufzuwerten, um die Pferdestärken zu er höhen und den Treibstoffverbrauch und die Abgase zu redu zieren. Die Kolbenanordnung ist in der Lage zum dauerhaf ten und effizienten Arbeiten bei Verbrennungskammerdrüc ken oberhalb von ungefähr 15 170 kPa (2200 psi). Der Kol ben besitzt einen hohen oberen Ringplatz um das Spaltvo lumen oberhalb des oberen Rings zu minimieren, wobei sich der erhöhte obere Ring des Rings jedoch über den effek tivsten Kühlbereich des Kühlrands hinaus bewegt. Demgemäß ist es notwendig, die daran entstehende erhöhte Wärme ab zuleiten, um der Ölverschlechterung, der Kohlenstoffan sammlung in dem Ringbereich und dem Kolbenausfall (-fres sen) entgegenzuwirken. In vielen Fällen ist es jedoch nicht möglich oder wirtschaftlich praktisch, um eine große Veränderung des Motorblocks durchzuführen, um den ringförmigen Kühlrand zu erhöhen oder dessen axiale Länge auszudehnen.

Es werden daher einfache wirtschaftliche Mittel benötigt zum Ausdehnen der axialen Länge des effektivsten Kühlbe reichs der Auskleidung oberhalb des existierenden Kühl mittelrandes, ohne die existierende Bauweise des Blocks zu verändern. Vorzugsweise sollten die Mittel einen er höhten Wärmetransfer von der Zylinderauskleidung und dem Kolben an die Kühlflüssigkeit innerhalb der Kühlkammer vorsehen, um die Temperatur der Zylinderauskleidung und des Kolbens insbesondere in dem Umkehrbereich des oberen Kolbenrings zu reduzieren.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Beseitigung einer oder mehrerer der oben genannten Probleme gerichtet.

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt ein interner Verbrennungsmotor folgendes: einen Block, der eine Bohrung definiert, eine Zylinderauskleidung, die in der Bohrung angeordnet ist und damit zusammenarbeitet, um obere und untere axial mit Abstand voneinander angeordnete ringförmige Kühlmittelkammern zu definieren. Der in terne Verbrennungsmotor umfaßt vorteilhafterweise Mittel, die eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand voneinan der angeordneten Längsdurchlässen definieren, die die un tere Kühlmittelkammer mit der oberen Kühlmittelkammer verbinden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein in terner Verbrennungsmotor einen Block, der eine Bohrung definiert, eine Zylinderauskleidung, die in der Bohrung angeordnet ist und obere und untere axial mit Abstand voneinander angeordnete ringförmige Kühlmittelkammern, die in der Lage sind, ein flüssiges Kühlmittel beim Ge brauch aufzunehmen. Hülsenmittel sind zwischen den oberen und unteren Kühlmittelkammern angeordnet und umfassen Mittel, die eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordneten Durchlässen definieren, um die untere Kühlmittelkammer mit der oberen Kühlmittelkammer zu verbinden und um die Strömungs- oder Flußrate des Kühlmittels, das zwischen der oberen und unteren Kühlmittelkammer fließt, zu steuern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Zy linderauskleidung vorgesehen, die in der Lage ist, in ei nem internen Verbrennungsmotor verwendet zu werden, und die Hülsenmittel und Mittel aufweist, die eine Vielzahl von Kühlmitteldurchlässen definieren, die radial nach in nen gegenüber den Hülsenmitteln angeordnet sind.

Figurenbeschreibung

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische quer verlaufende vertikale Teil schnittansicht einer Zylinderauskleidung und einer Kühlmittelhülse, die betriebsmäßig in einem internen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung zusammengesetzt sind;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilabschnitt des oberen Um fangsbereichs der in Fig. 1 gezeigten Zylinderauskleidung und Kühlmittelhülse, um deren Konstruktionsdetails besser zu zeigen;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Richtung der Pfeile 3-3 in Fig. 1, und zwar nur von der Zylin derauskleidung, der Kühlmittelhülse und dem Motorblock;

Fig. 4 eine vergrößerte, schematische perspektivische An sicht der in Fig. 1 gezeigten Kühlmittelhülse;

Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Kühlmit telhülse;

Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5 einer Kühlschaufel;

Fig. 7 einen vergrößerten Teilabschnitt des oberen Umfangsbereichs eines alternativen Ausführungsbeispiels der Zylinderauskleidung;

Fig. 8 einen vergrößerten Teilabschnitt des oberen Umfangsbereichs eines alternativen Ausführungsbeispiels der Zylinderauskleidung; wobei Abschnitte weggebrochen sind; und

Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Ab schnitts der in Fig. 7 gezeigten Zylinderaus kleidungskühlung, und zwar entlang der Linie 9-9 in Fig. 7.

Die beste Art und Weise die Erfindung auszuführen

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Abschnitt eines internen Verbrennungsmotors 10. Der Motor 10 umfaßt, wie in Fig. 1 zu sehen ist, einen Block 12 mit einer oberen Befesti gungs- und Dichtoberfläche 13 und einer Vielzahl von im allgemeinen aufrechten Zylinderbohrungen 14 (eine ist ge zeigt) die in geeigneter Weise darin gebildet sind. Jede Zylinderbohrung 14 besitzt eine Mittelachse 16, einen oberen Abschnitt 17, der einen vorgewählten Durchmesser besitzt und einen unteren Abschnitt 18, der einen vorge wählten Durchmesser besitzt. Der obere Abschnitt 17 der Zylinderbohrung 14 besitzt in diesem besonderen Fall einen größeren Durchmesser als der untere Abschnitt. Eine obere ringförmige Ausnehmung 20 und eine untere ring förmige Ausnehmung 22 sind in dem Block 12 definiert. Die obere ringförmige Ausnehmung 20 und die untere ringförmi ge Ausnehmung 22 sind axial ausgerichtet und stehen in Verbindung mit der Zylinderbohrung 16 um eine obere An schlußfläche oder Steg 24 des Blocks, eine dazwischenlie genden Steg oder Rand 26 und einen unteren Steg 28 des Blocks zu definieren. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, er streckt sich der obere Steg 24 des Blocks nach unten von der oberen Befestigungsoberfläche 14 und besitzt eine vorgewählte axiale Länge A. Die obere ringförmige Ausneh mung 20 besitzt eine vorgewählte axiale Breite B und der Rand oder Steg 26 besitzt eine vorgewählte axiale Länge C.

Die oberen und unteren ringförmigen Ausnehmungen 20 und 22 arbeiten mit einer hiernach beschriebenen Zylinderaus kleidung 30 zusammen, um ein Paar von oberen und unteren axial mit Abstand voneinander angeordneten ringförmigen Kühlmittelkammern 32 und 34 zu definieren, die die Zylin derauskleidung umgeben. Die oberen und unteren Kühlmit telkammern 32 und 34 sind in der Lage, beim Gebrauch ein flüssiges Kühlmittel für Kühlzwecke aufzunehmen. Der Block 12 definiert weiterhin in diesem besonderen Fall acht Kühlmitteldurchlässe 36 des Blocks, von denen zwei gezeigt sind. Die Kühlmitteldurchlässe 36 des Blocks sind umfangsmäßig und mit gleichem Abstand axial um die Zylin derbohrung 14 angeordnet, und erstrecken sich von der oberen Kühlkammer 32 zu der oberem Befestigungsoberfläche 13.

Ein Zylinderkopf 38 umfaßt eine Bodenwand 42 und eine Vielzahl von Seitenwänden 44, die darinnen Kopfkühlkam mern 46 definieren (zwei sind gezeigt). Die Bodenwand 42 definiert darunter eine Bodendicht- und Befestigungsober fläche 48. Die Bodenwand 42 definiert weiterhin in diesem besonderen Fall acht radial angeordnete Kühlmitteldurch lässe 50 des Kopfs, von denen zwei gezeigt sind, die mit den Kühlkammern 46 des Kopfs in Verbindung stehen.

Eine Abstandsscheibe oder -platte 56 ist sandwichartig zwischen den Befestigungsflächen 13 und 48 des Blocks und des Zylinderkopfs 12 bzw. 38 angeordnet. Die Abstands scheibe 56 definiert eine im allgemeinen zylindrische Öffnung 58, die radial mit Abstand nach außen von der Zy linderbohrung 14 angeordnet ist und acht radial ange ordnete Durchlässe 60 der Abstandsscheibe, von denen zwei gezeigt sind. Eine als Hülse ausgebildete Kühlmitteldich tung 62 ist in abdichtender Weise in jedem der Durchlässe 60 der Abstandscheibe angeordnet. Die Kühlmitteldichtun gen 62 sind mit den Kühlmitteldurchlässen 36 des Blocks und den Kühlmitteldurchlässen des Kopfs ausgerichtet, um kontinuierlich Kühlmittel von der oberen Kühlmittelkammer 32 zu den Kühlmittelkammern 50 des Kopfs zu leiten.

Die Zylinderauskleidung 30 ist in diesem bestimmten Fall aus Gußeisen. Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Zylinderauskleidung 30 in abdichtender Weise in der Zylinderbohrung 14 angeordnet und wird auf der oberen Be festigungsfläche 13 des Motorblocks 12 getragen, und zwar durch einen durchgehenden oberen radialen Stütz- oder Tragflansch 64 mit einer Unterseite 66. Der Tragflansch 64 besitzt eine äußere Umfangsflanschoberfläche 68, die in der zylindrischen Öffnung 58 der Abstandsscheibe 56 geführt ist. Durch das obere Ende der Zylinderauskleidung 30 sind eine Oberseite 70 und eine sich radial nach außen erstreckende ringförmige Ausnehmung 72 definiert, um einen zusammendrückbaren Feuer- oder Dichtring 74 aufzu nehmen. Der Feuer- oder Dichtring 74 ist in abdichtender Weise zwischen der sich radial nach außen erstreckenden ringförmigen Ausnehmung 72 und der unteren Befestigungs fläche 48 des Zylinderkopfs 38 eingefangen.

Die Zylinderauskleidung 30 weist eine äußere Umfangsaus kleidungsoberfläche 76 auf, die stabilisierend getragen wird durch die oberen und unteren Stege 24 und 28 des Blocks 12. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine obere ringförmige Dichtungsausnehmung 78 in der Auskleidungs oberfläche 76 definiert, und zwar direkt unterhalb des Tragflansches 64, um einen oberen Elastomerdichtring 80 aufzunehmen, der bei der Verwendung in abdichtender Weise mit dem oberen Stege 24 in Eingriff steht. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind eine Vielzahl von ringförmigen unteren Aus nehmungen 82, drei in diesem besonderen Fall, in dem unteren Ende des Außenumfangs der Auskleidungsoberfläche 76 der Zylinderauskleidung 30 definiert, um eine Vielzahl von unteren Elastomerdichtringen 84 aufzunehmen, die bei der Verwendung in abdichtender Weise mit der unteren Steg 28 in Eingriff stehen.

Die Zylinderauskleidung 30 definiert eine dahindurchlau fende zylindrische Auskleidungsbohrung 88 mit einer Mit telachse, die koaxial zu der Mittelachse 16 der Zylinder bohrung 14 angeordnet ist. Eine Kolbenanordnung 92 ist hin- und herbewegbar in der Auskleidungsbohrung 88 ange ordnet. Die Kolbenanordnung 92 ist in den Fig. 1 und 2 in ihrer obersten oder Ringumkehrposition gezeigt. Die Kol benanordnung 92 umfaßt in dieser besonderen Anwendung ein oberes Stahlkolbenglied 94 und einen unteren Aluminium kolbenmantel 96, die gelenkmäßig an einem gemeinsamen Schwingzapfen oder Gelenkstift 98 befestigt sind. Eine herkömmliche Verbindungsstange 100 ist betriebsmäßig mit dem Gelenkstift 98 verbunden und wird durch diesen an getrieben. Das Kolbenglied 94 besitzt eine Umfangsober fläche 102, die in einer senkrecht zur Mittelachse 16 liegenden Ebene angeordnet ist. Der kreisförmige Bereich, der am besten in Fig. 1 zu sehen ist, und der direkt über dem Kolbenglied 94 und unter der Befestigungsfläche 48 des Zylinderkopfes 38 liegt, wenn die Kobenanordnung 92 an ihrem oberen Totpunkt angeordnet ist, ist als eine Ver brennungskammer 104 bekannt.

Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, umfaßt das Kolben glied 94 weiterhin eine äußere periphere Kolbenoberfläche 108, die von der äußeren Kante der Oberseite 102 wegver läuft. Ein oberer Kompressionsring 130, ein mittlerer Kompressionsring 132 und ein unterer Ölring 134 sind in entsprechenden herkömmlichen Ringnuten angeordnet, die in der äußeren peripheren Kolbenoberfläche 108 definiert sind. Der Höhenabstand zwischen der Oberseite 102 des Kolbenglieds 94 und dem oberen Kompressionsring 130 ist in diesem Beispiel relativ kurz im Vergleich zu anderen Kolben, um das Kolben zu Zylinderspaltvolumen zu redu zieren.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist eine ringförmige Zylinderauskleidungsnut 140 in der äußeren peripheren Auskleidungsoberfläche 76 der Zylinderauskleidung 30 de finiert. Die Auskleidungsnut 140 kann in einer herkömm lichen Art und Weise erzeugt werden, wie zum Beispiel durch in situ Gießen oder maschinelles Bearbeiten. Wie am besten in der Fig. 2 zu sehen ist, besitzt die Ausklei dungsnut 140 eine vorgewählte Breite G und sie ist im allgemeinen benachbart zu der oberen ringförmigen Aus nehmung 20 und dem Rand 26 des Blocks 12 angeordnet. Die Auskleidungsnut 140 besitzt eine obere ringförmige Schul ter 142, die im allgemeinen senkrecht zu der äußeren pe ripheren Oberfläche 76 ist, eine untere periphere Ober fläche 144, die radial nach innen mit Abstand von der äu ßeren peripheren Oberfläche angeordnet ist und eine un tere ringförmige, bogenförmige Schulter 146. Die bogen förmige Schulter 146 ist unterhalb des Rands 26 ange ordnet. Die obere Schulter 142 ist mit einem vorgewählten axialen Abstand von der oberen Befestigungsfläche 13 des Blocks 12 angeordnet, der gleich oder weniger ist als die vorgewählte axiale Länge A des oberen Stegs 24 des Blocks. Die vorgewählte Breite G der Auskleidungsnut 140 ist größer als die kombinierte vorgewählte axiale Breite B der oberen ringförmigen Ausnehmung 20, mit der vorge wählten Länge C des Randes 26.

In der Auskleidungsnut 140 liegt eine geteilte insbeson dere gespaltene Hülse 150 und zwar angeordnet zwischen den oberen und unteren Kühlmittelkammern 32 und 34 und sich in die obere Kammer 32 streckend. Wie am besten in den Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 zu sehen ist, umfaßt die ge teilte Hülse 150 ein Paar von im allgemeinen parallelen ersten und zweiten Hülsenendwänden 162 und 164, die eine vorbestimmte Breite W definieren und ein Paar von im all gemeinen parallelen inneren und äußeren peripheren Ober flächen 166 und 168. Die geteilte Hülse 150 besitzt einen im allgemeinen rechtwinkligen Querschnitt. Die äußere pe riphere Oberfläche 168 definiert einen Außendurchmesser mit einer vorgewählten Abmessung. In diesem Beispiel ist der Außendurchmesser der geteilten Hülse 150 etwas klei ner als der Durchmesser des oberen Stegs 24 und des Randes 26.

Eine Vielzahl von im allgemeinen parallelen, schrägen Kühlschaufeln 170 erstreckt sich im allgemeinen über einen vorbestimmten Abstand radial nach innen von der In nenoberfläche 166. Vorzugsweise besitzen die Kühlschaufeln 170, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, ein Paar von im allgemeinen parallelen Seitenwänden 172 und 174, ein Paar von ersten und zweiten Schaufelendwänden 176 und 178, und eine konkave Innenoberfläche 180. Die Innenober fläche 180 paßt sich in ihrer Form im allgemeinen an die Unterseite 144 der Auskleidungsnut 140 an und sitzt dar auf. In diesem besonderen Fall gibt es sechzehn mit gleichem Abstand voneinander angeordnete Kühlschaufeln 170, wobei jede Kühlschaufel mit einem Winkel von unge fähr 45° bezüglich zu der axialen Mittellinie 18 der Zy linderbohrung 16 angeordnet ist. Es sei bemerkt, daß die Anzahl der Kühlschaufeln 170 höher oder geringer sein kann und daß die Kühlschaufeln mit anderen Winkeln und Höhen angeordnet sein können, wie es für besondere Kühl zustände geeignet erscheint. Die Kühlschaufeln 170 sind mit Abstand voneinander auf der Innenseite 166 angeord net, um sich nicht umfangsmäßig zu überlappen.

Jede Schaufel 170 erstreckt sich über einen vorgewählten Abstand axial nach außen an der ersten Endwand 162 vor bei, wobei die ersten Schaufelendwände 176 in Kontakt mit der ringförmigen Schulter 142 der Auskleidungsnut 140 stehen. Die erste Schaufelendwand 176 bildet eine An schlagfläche, die die nach oben gerichtete Bewegung der geteilten insbesondere gespaltenen Hülse 150 begrenzt. Wie in der Fig. 2 zu sehen ist, arbeiten die Kühlschaufeln 170 zusammen mit der ersten Hülsenendwand 162, um eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Nuten oder Durchlässen 182 zu definieren. Die zweite Hülsenendwand 164 umfaßt eine Vielzahl von abgewinkelten Oberflächen 184, die individuell zwischen den benachbarten Kühlschaufeln 170 definiert werden.

Wie am besten in den Fig. 2, 4 und 5 gezeigt ist, ist eine obere ringförmige Hülsenringnut 186 in der äußeren peripheren Oberfläche 168 der geteilten Hülse 150 gebil det, und zwar benachbart zu den ersten Endwänden 162 und eine untere ringförmige Hülsenringnut 188 ist in der äußeren peripheren Oberfläche benachbart zu der zweiten Endwand 164 definiert. Ein erster Elastomerring 190 wird in der oberen Hülsenringnut 186 aufgenommen und ein zwei ter Elastomerring 192 wird in der unteren Hülsenringnut 188 aufgenommen. Der zweite Elastomerring 192 steht in diesem besonderen Fall in einem abdichtentenden Eingriff mit dem Rand 26. Bei einigen Anwendungen wird ein solcher abdichtender Kontakt jedoch nicht benötigt. Als eine Al ternative könnte eine einzelne ringförmige Hülsenringnut mit einem einzelnen Elastomerring verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.

Die geteilte Hülse 150 und die Zylinderauskleidung 30 de finieren eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand von einander angeordneten Durchlässen oder Venturihälsen oder -düsen 196, die in der Lage sind, die untere Kühlmittel kammer 34 mit der oberen Kühlmittelkammer 32 zu verbin den. Bei dieser Anwendung wird zum Beispiel jeder Ventu rihals 196 weiterhin definiert durch die Innenseite 166, die Seitenwände 172 und 174 der Kühlschaufeln 170 und die obere ringförmige Schulter 142 und die Unterseite 144 der Zylinderauskleidungsnut 140.

In den Fig. 7, 8 und 9 ist ein alternatives Ausführungs beispiel dargestellt, wobei gleiche Elemente dieses Aus führungsbeispiels durch dieselben Bezugszeichen wie oben gekennzeichnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Hülse 200 einstückig mit der Zylinderauskleidung 30 gegossen. Die Hülse 200 liegt in der Nut 140, die zwi schen den oberen und unteren Kühlmittelkammern 32 und 34 angeordnet ist und erstreckt sich in die obere Kammer 32. Die Hülse 200 umfaßt ein Paar von im allgemeinen paralle len ersten und zweiten Hülsenendwänden 210 und 212, die eine vorbestimmte Breite W′ definieren, und ein Paar von im allgemeinen parallelen inneren und äußeren peripheren Oberflächen 214 und 216. Die äußere periphere Oberfläche 216 definiert einen Außendurchmesser, der in diesem Bei spiel etwas geringer ist als der Durchmesser der oberen Anschlußfläche 24 und des Randes 26. Die Hülse 200 be sitzt einen im allgemeinen rechteckigen Querschnitt.

Eine Vielzahl von im allgemeinen parallelen schrägen Kühlschaufeln 220 erstreckt sich zwischen der Innenseite 214 der Hülse 200 und der Unterseite 144 der Zylinderaus kleidungsnut 140. Vorzugsweise besitzen die Kühlschaufeln 220, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, ein Paar von im allgemeinen parallelen Seitenwänden 222 und 224. In die sem besonderen Fall gibt es sechzehn mit gleichem Ab stand voneinander angeordnete Kühlschaufeln 220, wobei jede Schaufel mit einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich zur axialen Mittellinie 18 der Zylinderbohrung 16 ange ordnet ist. Es sei bemerkt, daß die Anzahl der Kühlschaufeln 220 größer oder geringer sein kann und daß die Kühl schaufeln mit anderen Winkeln und Höhen angeordnet sein können, die für besondere Kühlzustände geeignet sind. In diesem Beispiel sind die Kühlschaufeln 220 umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordnet, so daß sie sich nicht überlappen.

Die Hülse 200 und die Zylinderauskleidung 30 definieren eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordneten Durchlässen oder Venturihälsen 226, die in der Lage sind, die untere Kühlmittelkammer 34 mit der oberen Kühlmittelkammer 32 zu verbinden. Bei dieser An wendung wird zum Beispiel jeder Venturihals 226 weiter definiert durch die Innenseite 214 der Hülse 200, die Seitenwände 222 und 224 der Kühlschaufeln 220, der oberen ringförmigen Schulter 142 und der Unterseite 144 der Zy linderauskleidung 140.

Industrielle Anwendbarkeit

Die einzigartigen Kühlmittelhülsen 150 und 200 gemäß die ser Erfindung werden verwendet, um die effektive axiale Länge des Kühlbereichs um die Zylinderauskleidung 30 ei nes internen Verbrennungsmotors 10 auszudehnen, ohne die Konstruktion einer Bauweise des existierenden Blocks 12 zu verändern. Der effektivste Kühlbereich um die Zy linderauskleidung 30 herum ist dort, wo die Geschwindig keit des Kühlmittels erhöht wird und die Strömung des Kühlmittels direkt benachbart zur Zylinderauskleidung auftritt. Die vorliegende Erfindung verbessert die Kühl fähigkeit des Motors 10, wenn zum Beispiel die Hochlei stungskolbenanordnung 92 verwendet wird, bei der der obere Kolbenring 130 relativ dicht zu der Oberseite 102 des Kolbenglieds 94 angeordnet ist, um das Spaltvolumen oberhalb des oberen Rings auf ein Minimum zu reduzieren.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist jede Zylinderbohrung 14 mit der Zylinderauskleidung 30 und der geteilten Hülse 150 ausgestattet. Während des Betriebs des Motors 10 zirku liert Kühlmittel um die Zylinderauskleidung 30 herum, das von der unteren Kühlmittelkammer 34 durch die Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordneten länglichen Venturihälsen 196 und die Durchlässe 192 zu der oberen Kühlmittelkammer 32 hindurchgeht. Die Venturi hälse 196 sehen einen relativ langen Strömungspfad vor und steuern die Strömungs- oder Flußrate des Kühlmittels, das von der unteren Kühlmittelkammer 34 zu der oberen Kühlmittelkammer 32 geleitet wird, um Wärme von der Zy linderauskleidung 30 und der Kolbenanordnung 92 in dem oberen Ringumkehrbereich wegzuleiten. Das Kühlmittel tritt aus der oberen Kühlmittelkammer 32 heraus, und zwar durch die Kühlmitteldurchlässe 96 des Blocks und die als Hülse ausgebildete Kühlmitteldichtung 62 zu den Kühlmit teldurchlässen 50 des Kopfes, die mit den Kühlkammern 50 des Kopfes in Verbindung stehen. Infolgedessen, daß die geteilte Hülse 150 zwischen den oberen und unteren Kühl mittelkammern 32 und 34 angeordnet ist und sich in die obere Kammer 32 erstreckt, wird die effektive axiale Länge des Kühlbereiches um die Zylinderauskleidung 30 herum ausgedehnt.

Die Venturihälse 196 erhöhen die Turbulenz und Geschwin digkeit des Kühlmittelflusses von der unteren Kühlmittel kammer 32 zu der oberen Kühlmittelkammer 34 und zirku liert das Kühlmittel direkt benachbart zu der unteren pe ripheren Oberfläche 144 der Auskleidungsnut 140, was einen schnelleren Wärmetransfer an die Kühlflüssigkeit vorsieht. Wünschenswerterweise ist die Geschwindigkeit des Kühlmittels durch die Venturihälse oder -düsen 196 für das effektivste Kühlen in dem Bereich von 1,68 bis 3,05 meter pro Sekunde (51/2 bis 10 feet pro Sekunde).

Mit den Kühlschaufeln 170 mit einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich zu der axialen Mittellinie 18 der Zylinder bohrung 16 angeordnet, wird der Wärmetransfer an das Kühlmittel verbessert durch Vorsehen eines relativ langen Strömungspfades. Die Kühlschaufeln 170 sind umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordnet, so daß sie einander nicht überlappen, um sicherzustellen, daß keine axiale Barriere für den Strömungsmittelfluß erzeugt wird. Dar über hinaus wird dadurch, daß keine Überlappung zwischen den Kühlschaufeln 170 besteht, die Möglichkeit, die ge spaltene Hülse 150 spritzzugießen, erleichtert, da der Guß leicht in einer herkömmlichen Art und Weise getrennt werden kann.

Bei der Verwendung stehen die ersten Schaufelendwände 176 der geteilten Hülse 150 in Kontakt mit der oberen ringför migen Schulter 142 der Zylinderauskleidungsnut 140. Jeder der Durchlässe 182 besitzt eine ausreichende Größe, um einen unbehinderten Strömungsmittelfluß durch die Ventu rihälse 196 zu der oberen Kühlmittelkammer 32 vorzusehen.

Infolge der Ausdehnung der Kühlschaufeln 170 kann daher der Kühlmittelfluß von den Venturihälsen 196 durch die Durchlässe 182 nicht weiter eingeschränkt oder geschlos sen werden. Darüber hinaus trifft der Kühlmittelfluß, der in die Venturihälse 196 eintritt, auf die zweiten Hülsen endwand 164 der Hülse 152 auf und erzeugt eine Kraft, die die erste Schaufelendwand 176 gegen die Schulter 142 drängt.

Die Elastomerringe 190 und 192 binden die geteilte Hülse 150 zusammen und halten sie in der Zylinderauskleidungs nut 140. Als ein zweiter Vorteil kann der Elastomerring 192, der benachbart zu der zweiten Endwand 164 angeordnet ist in abdichtendem Eingriff mit dem Rand 26 kommen. Eine abdichtende Beziehung zwischen dem Elastomerring 192 und dem Rand 26 ist jedoch keine Notwendigkeit, wenn der ra diale Freiraum zwischen der geteilten Hülse 150 und dem Rand auf einem Minimum gehalten wird. In diesem besonde ren Fall sind die Elastomerringe 190 und 192 O-Ringe, die aus Neopren hergestellt sind, aber alternativ hierzu könnten die Ringe in sich geschlossene ringförmige metal lische Schraubenfedern sein. Alternativ könnte die ge spaltene Hülse 150 aus zwei oder mehreren Abschnitten aufgebaut sein, ohne von der Erfindung abzuweichen.

Die geteilte insbesondere gespaltene Hülse 150 ist vor zugsweise aus einem temperatur- und korrosionsfesten Ma terial aufgebaut, das aus der Polyamid (Nylon) Familie der thermoplastischen Harze ausgewählt ist, wie zum Bei spiel Polyethersulfon von LNP Engineering Plastics Inc. of Exton, Pa., und Polyetheretherketon (VICTREX D150CA30) von Imperial Chemical Industries, Exton, Pa. VICTREX ist ein eingetragenes Warenzeichen der Imperial Chemical Indu stries). Das bevorzugte Polyethersulfon ist 30% glasver stärkt mit überragender Formstabilität und Wärmewider stand. Solche Materialien besitzen die Fähigkeit, ätzen den Flüssigkeiten und einer Motorbetriebstemperatur von ungefähr 200°C (400° Fahrenheit) zu widerstehen. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7, 8 und 9 ist die Hülse 200 einstückig mit der Zylinderauskleidung 30 ge gossen, wie zum Beispiel durch Formmasken oder Genauguß verfahren. Die Vielzahl von im allgemeinen parallelen Kühlschaufeln 220 sind einstückig mit der Innenseite 214 der Hülse 200 und der Unterseite 144 der Auskleidungsnut 140 gegossen. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbei spiel sind die Kühlschaufeln 220 mit einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich der zu der axialen Mittellinie 18 der Zylinderbohrung 16 angeordnet. Die Venturihälse 226 sehen einen relativ langen Strömungspfad vor und steuern die Strömungs- oder Flußrate des Kühlmittels, das von der unteren Kühlmittelkammer 34 zu der oberen Kühlmittelkam mer 32 geleitet wird, um Wärme von der Zylinderausklei dung 30 und der Kolbenanordnung 92 in dem oberen Kolben ringumkehrbereich wegzuleiten.

Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung werden durch die Zeichnung, die Offenbarung und die Ansprüche verdeutlicht.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Ein interner Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist: einen Block, der eine Zylinderbohrung, eine obere ringförmige Ausnehmung, und eine untere ringförmige Ausnehmung de finiert; eine Zylinderauskleidung mit einer Mittelachse, die in der Zylinderbohrung angeordnet ist und mit den oberen und unteren ringförmigen Ausnehmungen zusammen arbeitet, um obere und untere axial mit Abstand vonein ander angeordnete ringförmige Kühlmittelkammern zu defi nieren; und eine Hülse, die zwischen den oberen und un teren Kühlmittelkammern angeordnet ist, sich in die obere Kühlmittelkammer erstreckt und die Zylinderauskleidung umgibt, wobei die Hülse und die Zylinderauskleidung eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand voneinander ange ordnete Venturihälse definieren, die in der Lage sind die untere Kühlmittelkammer mit der oberen Kühlmittelkammer zu verbinden.

Claims

1. Ein interner Verbrennungsmotor, der folgendes auf weist:
einen Block, der eine Zylinderbohrung, eine obere ringförmige Ausnehmung, und eine untere ringförmige Ausnehmung definiert;
eine Zylinderauskleidung mit einer Mittelachse, die in der Zylinderbohrung angeordnet ist und mit den oberen und unteren ringförmigen Ausnehmungen zusam menarbeitet, um obere und untere axial mit Abstand voneinander angeordnete ringförmige Kühlmittelkam mern zu definieren; und
eine Hülse, die zwischen den oberen und unteren Kühlmittelkammern angeordnet ist, sich in die obere Kühlmittelkammer erstreckt und die Zylinderaus kleidung umgibt, wobei die Hülse und die Zylinder auskleidung eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Ab stand voneinander angeordnete Venturihälse oder -dü sen definieren, die in der Lage sind die untere Kühlmittelkammer mit der oberen Kühlmittelkammer zu verbinden.

2. Interner Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Venturihälse schräg bezüglich zu der Mittelachse der Zylinderauskleidung angeordnet sind.

3. Interner Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Block folgendes umfaßt: eine obere Befe stigungsfläche, die obere ringförmige Ausnehmung mit einer vorgewählten axialen Länge B, wobei die obere ringförmige Ausnehmung in Verbindung steht mit der Zylinderbohrung, um einen oberen Steg des Blocks zu definieren, der sich von der oberen Befestigungs fläche über eine vorgewählte axiale Länge A nach unten erstreckt, und einen dazwischenliegenden Rand.

4. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinderaus kleidung folgendes aufweist: eine äußere periphere Oberfläche und eine Auskleidungsnut mit einer vorge wählten Breite G, die in der äußeren peripheren Oberfläche definiert ist und wobei die Hülse in der Auskleidungsnut angeordnet ist.

5. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausklei dungsnut im allgemeinen benachbart zu der oberen ringförmigen Ausnehmung und dem Rand des Blocks an geordnet ist.

6. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgewählte Breite G der Auskleidungsnut größer ist als die kom binierte vorgewählte axiale Breite B der oberen ringförmigen Ausnehmung und der vorgewählten Länge C des Randes.

7. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausklei dungsnut folgendes besitzt: eine obere ringförmige Schulter, die im allgemeinen senkrecht zu der äuße ren peripheren Oberfläche der Zylinderauskleidung steht, eine untere periphere Oberfläche, und eine untere ringförmige bogenförmige Schulter.

8. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere bo genförmige Schulter unterhalb des Randes angeordnet ist und die obere ringförmige Schulter einen vorge wählten axialen Abstand von der oberen Befestigungs fläche entfernt angeordnet ist, der gleich oder geringer ist wie die vorgewählte axiale Länge A des oberen Stegs.

9. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse fol gendes umfaßt: ein Paar von parallelen ersten und zweiten Endwänden, die eine vorgewählte Breite W de finieren, ein Paar von im allgemeinen parallelen in neren und äußeren peripheren Oberflächen, und eine Vielzahl von im allgemeinen parallelen schrägen Schaufeln, die sich im allgemeinen radial von der inneren Oberfläche erstrecken, wobei die schrägen Schaufeln je folgendes aufweisen: ein Paar von im allgemeinen parallelen Seitenwänden, ein Paar von ersten und zweiten Schaufelendwänden, und eine kon kave Innenseite, wobei sich die Innenseite im allge meinen der Unterseite der Auskleidungsnut anpaßt und auf dieser sitzt.

10. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei sechzehn mit gleichem Abstand voneinander angeordnete schräge Schaufeln vorgesehen sind und wobei jede schräge Schaufel mit einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich zu der Mittelachse der Zylinderbohrung angeordnet ist.

11. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schrägen Schaufeln mit Abstand voneinander auf der Innenseite angeordnet sind, so daß sie sich umfangsmäßig nicht miteinander überlappen.

12. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die schrä gen Schaufeln axial nach außen erstrecken, und zwar einen vorgewählten Abstand an der ersten Hülsenend wand vorbei, wobei die erste Hülsenendwand in Kon takt steht mit der ringförmigen Schulter der Aus kleidungsnut, und die ersten Schaufelendwände eine Anschlagfläche bilden, die die nach oben gerichtete Bewegung der Hülse begrenzt, und wobei die Kühl schaufeln mit der ersten Hülsenendwand zusammenar beiten, um eine Vielzahl von sich radial er streckenden Nuten zu definieren.

13. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse aus Polyethersulfon aufgebaut ist.

14. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse aus Polyetheretherketon aufgebaut ist.

15. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine ringförmige Hülsenringnut in der äußeren peripheren Oberfläche definiert ist, und mindestens ein Elasto merring in der mindestens einen ringförmigen Hülsen ringnut aufgenommen ist zum Halten der Hülse in der Auskleidungsnut.

16. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elastomer ring in abdichtender Weise mit dem Rand in Eingriff steht.

17. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Venturi hals folgendes umfaßt: die Innenseite der Hülse, die Seitenwände der Kühlschaufeln und die obere ringför mige Schulter und die Unterseite der Zylinderaus kleidungsnut.

18. Interner Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hülse ein stückig mit der Zylinderauskleidung gegossen ist.

19. Interner Verbrennungsmotor nach Anspruch 18, wobei die Hülse folgendes umfaßt: ein Paar von parallelen ersten und zweiten Endwänden, die eine vorgewählte Breite W′ definieren, ein Paar von im allgemeinen parallelen inneren und äußeren peripheren Oberflä chen, und eine Vielzahl von im allgemeinen paral lelen schrägen Schaufeln, die sich zwischen der In nenseite der Hülse und der Unterseite der Ausklei dungsnut erstrecken, wobei jede schräge Schaufel ein Paar von im allgemeinen parallelen Seitenwänden be sitzt.

20. Interner Verbrennungsmotor nach Anspruch 18 oder 19, wobei sechzehn mit gleichem Abstand voneinander an geordnete schräge Schaufeln vorgesehen sind und wo bei jede schräge Schaufel mit einem Winkel von unge fähr 45° bezüglich zu der Mittelachse der Zylinder bohrung angeordnet ist.

21. Interner Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die schrägen Schaufeln mit Abstand voneinander auf der Innenseite angeordnet sind, so daß sie sich nicht umfangsmäßig überlappen.

22. Interner Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei jeder Venturihals folgendes umfaßt: die Innenseite der Hülse, die Seitenwände der Kühl schaufeln, und die Unterseite der Zylinderauskleidungs nut.

23. Eine Zylinderauskleidung mit einer Mittelachse, die in einem internen Verbrennungsmotor verwendet werden kann, wobei die Verbesserung folgendes aufweist:
die Zylinderauskleidung mit einer äußeren peripheren Oberfläche und einer Auskleidungsnut, die in der äu ßeren peripheren Oberfläche definiert ist; und
eine Hülse, die in der Auskleidungsnut angeordnet ist und die Zylinderauskleidung umgibt, wobei die Hülse und die Zylinderauskleidung eine Vielzahl von umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordneten länglichen Venturihälsen oder -düsen definieren, die zwischen der Hülse und der Auskleidungsnut angeord net sind.

24. Zylinderauskleidung nach Anspruch 23, wobei die Ven turihälse schräg bezüglich zu der Mittelachse der Zylinderauskleidung angeordnet sind.

25. Zylinderauskleidung nach Anspruch 23, wobei die Aus kleidungsnut folgendes aufweist: eine obere ringför mige Schulter, die im allgemeinen senkrecht zu der äußeren peripheren Oberfläche steht, eine untere pe riphere Oberfläche und eine untere ringförmige, bogenförmige Schulter.

26. Zylinderauskleidung nach Anspruch 25, wobei die Hülse folgendes umfaßt: ein Paar von parallelen ersten und zweiten Endwänden, ein Paar von im allgemeinen pa rallelen inneren und äußeren peripheren Oberflächen, und eine Vielzahl von im allgemeinen parallelen schrägen Schaufeln, die sich im allgemeinen radial von der Innenseite erstrecken, wobei die schrägen Schaufeln folgendes aufweisen: ein Paar von im all gemeinen parallelen Seitenwänden, ein Paar von er sten und zweiten Schaufelendwänden und eine konkave Innenseite, wobei sich die Innenseite im allgemeinen der Form der Unterseite der Ausnehmungsnut anpaßt und auf dieser sitzt.

27. Zylinderauskleidung nach Anspruch 26, wobei sechzehn mit gleichem Abstand voneinander angeordnete schräge Schaufeln vorgesehen sind und wobei jede schräge Schaufel mit einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich zu der axialen Mittellinie der Zylinderbohrung ange ordnet ist.

28. Zylinderauskleidung nach Anspruch 25, wobei die schrägen Schaufeln mit Abstand voneinander auf der Innenseite angeordnet sind, so daß sie sich nicht überlappen.

29. Zylinderauskleidung nach Anspruch 23, wobei die Hülse aus Polyethersulfon aufgebaut ist.

30. Zylinderauskleidung nach Anspruch 23, wobei die Hülse aus Polyetheretherketon aufgebaut ist.

31. Zylinderauskleidung nach Anspruch 25, wobei minde stens eine ringförmige Hülsenringnut in der äußeren peripheren Oberfläche definiert ist und mindestens ein Elastomerring in der mindestens einen ringförmi gen Hülsenringnut zum Halten der Hülse in der Aus kleidungsnut aufgenommen ist.

32. Zylinderauskleidung nach Anspruch 25, wobei ein Ven turihals folgendes umfaßt: die Innenseite der Hülse, die Seitenwände der schrägen Schaufeln und die obere ringförmige Schulter und die Unterseite der Zylin derauskleidungsnut.

33. Zylinderauskleidung nach Anspruch 32, wobei die Hülse einstückig mit der Innenauskleidung gegossen ist.

34. Zylinderauskleidung nach Anspruch 32, wobei die Hülse folgendes umfaßt: ein Paar von parallelen ersten und zweiten Endwänden, die eine vorgewählte Breite W′ definieren, ein Paar von im allgemeinen parallelen inneren und äußeren peripheren Oberflächen, und eine Vielzahl von im allgemeinen parallelen schrägen Schaufeln, die sich zwischen der Innenseite der Hül se und der Unterseite der Auskleidungsnut er strecken, wobei die schrägen Schaufeln ein Paar von im allgemeinen parallelen Seitenwänden besitzen.

35. Zylinderauskleidung nach Anspruch 33, wobei jeder Venturihals folgendes umfaßt: die Innenseite der Hülse, die Seitenwände der schrägen Schaufeln und die Unterseite der Zylinderauskleidungsnut.