DE4313591A1

DE4313591A1 - Verbrennungsmotor mit integrierter Kolbenkühlung

Info

Publication number: DE4313591A1
Application number: DE19934313591
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Bongers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1994-10-27

Description

Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit integrierter Kolbenkühlung handelt es sich um einen konventionellen Zweitakt- oder Viertakt-Verbrennungsmotor mit Otto- oder Dieselverfahren, der als Antrieb von Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, etc. Verwendung findet.

Verbrennungsmotoren, bei denen die Kühlung des Kolbens während des Betriebes durch eine Flüssigkeit erfolgt, sind bekannt. Bei großen, langsam drehenden Dieselmotoren, z. B. Schiffsantriebe, erfolgt die Kolbenkühlung durch die Zu- und Abführung von Kühlwasser in den Kolben über ein Teleskopgestänge. Bei schnell laufenden Dieselmotoren mit Abgas-Turboaufladung wird die Wärmeabfuhr aus dem Kolben während des Betriebes erreicht, indem der Kolbenboden an der Unterseite von einem Ölstrahl (Schmieröl) bespritzt wird. Mit dem rückfließenden Schmieröl wird auch ein Teil der Wärme von dem heißen Kolben abgeführt.

Die Nachteile beider Verfahren zur Kühlung des Kolbens während des Betriebes sind:

- die Wasserkühlung des Kolbens erfordert eine aufwendige Motorkonstruktion,
- die Spritzölkühlung des Kolbens erreicht nicht den thermisch am stärksten belasteten Bereich des Kolbens: den Übergang vom Kolbenboden zum Kolbenmantel oder auch Kolbenschaft. Außerdem ist das Schmieröl durch die Verwirbelung des Ölstrahles beim Auftreten auf die Unterseite des Kolbenschaftes einer intensiven Belastung durch die Einwirkung des Luftsauerstoffes ausgesetzt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Verbrennungsmotor mit Kolbenkühlung mit intensiver Wirkung und wenig Aufwand zu erstellen, der in Großserie gefertigt werden kann und bei dem an Kolben und Zylinder nur geringfügige Änderungen erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird das wie folgt erreicht:
Der Kolbenboden 13 ist als Doppelboden konzipiert. Der Raum zwischen den beiden Boden-Lagen bildet die Ölkammer 14, in die Schmieröl unter Überdruck einströmt. Die Ölkammer 14 funktioniert als Wärmetauscher. Die Ölkammer 14 braucht nicht unbedingt von dem gesamten Raum zwischen den beiden Kolbenlagen 13 gebildet zu werden. Unter Umständen kann ein Ringraum am Übergang:
Kolbenboden 13, Kolbenschaft 15 als Ölkammer 14 und Wärmetauscher ausreichen zur Kolbenkühlung.

Die Schmieröl-Leitung oder auch Schmierölzuführung zum Kolben erfolgt:

- nicht über ein separates Bauteil, z. B. Teleskopgestänge oder Rohrfeder, etc.,
- sondern durch die konstruktive Auslegung von dem Kolben 2 und Zylinder 3.

Es sind hierbei verschiedene Ausführungsvarianten vom Kolben 2 und Zylinder 3 möglich:

- in der Zylinderwand 3 ist ein Öldurchlaß 19 angebracht. Bei der Stellung des Kolbens 2 im unteren Totpunkt (u. T.) trifft dieser Öldurchlaß 19 oder Bohrung kurz unter dem Ölabstreifring 18 auf den Kolbenschaft 15. In den Kolbenschaft 15 ist ein Gleitkanal 20 in axialer Richtung gegenüber dieses Durchlasses 19 eingelassen. Der Gleitkanal 20 hat die Länge des Kolbenhubes 4 plus Durchmesser des Öldurchlasses 19 in der Zylinderwand 3. Aus der Bohrung 19 in der Zylinderwand 3 kann während der Hin- und Her-Bewegung des Kolbens 2 ständig Schmieröl in den Gleitkanal 20 strömen. Von dem Gleitkanal 20 strömt das Schmieröl durch die Kolbenölführung in die Ölkammer 14 im Kolbenboden 13. In der Ölkammer 14 findet ein Wärmeaustausch zwischen Kolbenboden 13 und Schmieröl statt. Danach fließt das Schmieröl durch den Zylinder 3 in den Ölsumpf und wird von hier wieder dem Schmierölkreislauf zugeführt.
- Es können auch auf der gegenüberliegenden Seite am Kolbenschaft 15 und Zylinderwand 3 ein Gleitkanal 20 und ein Durchlaß 19 angeordnet sein, durch die das Schmieröl von der Ölkammer 14 in den Schmierölkreislauf 1 geleitet wird.
- Die Paarung in der Anordnung von Gleitkanal 20 und Öldurchlaß 19 kann auch umgekehrt - Gleitkanalk 20 in der Zylinderwand 3 und Öldurchlaß 19 im Kolbenschaft - verlaufen.
- Die Länge 21 des Gleitkanals 20 kann auch kürzer als der Kolbenhub 4 bemessen sein, so daß beim Hin- und Hergang des Kolbens 2 im Zylinder 3 keine ständige Ölzufuhr bzw. Abfuhr in und aus dem Kolben 2 erfolgt.
- Die Länge 21 der beiden Gleitkanäle 20 können auch verschieden sein, wodurch ein Pumpeffekt in der Ölkammer 14 erzeugt wird. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn zwischen Gleitkanal 20 und Ölkammer 14 ein Rückschlagventil 24 geschaltet ist. Ein Rückströmen des Schmieröls aus der Ölkammer 14 in den Phasen der größten Verzögerung bei dem Hin- und Hergang des Kolbens 2 wird dadurch verhindert.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Gestaltung des erfindungsgemäßen Motors kann auch die Kühlung der Ventile 5, 10 - in erster Linie des Auslaßventiles 5 - zusätzlich zur Kolbenkühlung durch die Druck-Umlaufschmierung erfolgen. Die Zu- und Abführung des Schmieröls in und aus den Ventilen 5, 10 erfolgt wie bei der Kühlung des Kolbens 2.

Vorteile:

- Reduzierung der Anteile von Kohlenmonoxid und Stickoxid in den Abgasen des Verbrennungsmotors.
Bei den bekannten konventionellen Verbrennungsmotoren ist der erste Kolbenring 17 in einem relativ großen Abstand 22 von dem vorderen Ende des Kolbenschaftes 15 angeordnet, damit der Druck der heißen Verbrennungsgase auf den ersten Kolbenring 17 reduziert wird. Der aus diesem Abstand 22 und aus dem Kolbenspiel 23 gebildete Ringraum bewirkt eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffes in diesem Ringraum. Bekanntlich führt eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffes zur Bildung von CO- und NX-Gasen. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist dieser Ringraum wesentlich kleiner durch die Anordnung des ersten Kolbenringes 17 in der Nähe des vorderen Endes des Kolbenschaftes 15 und durch die Verkleinerung des Kolbenspiels 23. Diese beiden konstruktiven Maßnahmen sind nur durch eine wirksame Kolbenkühlung möglich.
Eine Reduzierung des Ringraumes bewirkt auch eine reduzierte Bildung von CO- und NX-Gasen im Zylinder 3 beim Betrieb des Verbrennungsmotors.
- Gleichmäßige Ausdehnung des Kolbens 2 und Zylinders während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors. Das Kolbenspiel 23 im Zylinder 3 kann dadurch wesentlich kleiner gehalten werden als bei Verbrennungsmotoren ohne Kolbenkühlung.
- Verkürzung der Warmlaufphase und dadurch schnelleres Ansprechen des Katalysators
- niedrigere Herstellungskosten
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist in Fig. 1 bis Fig. 5 beispielhaft veranschaulicht und auch näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 Vorderansicht des Motors im Schnitt mit Kolbenkühlung.
- Fig. 2 Draufsicht auf Schnitt "A-B" in Fig. 1.
- Fig. 3 Kolben 2 und Zylinder 3 im Schnitt.
- Fig. 4 Schnittdarstellung des Auslaßventiles 5 mit Schmierölkühlung.
- Fig. 5 Draufsicht auf Schnitt "A-B" in Fig. 4.

Zu Fig. 1:
Hier ist ein Ausführungsbeispiel als Einzelzylinder-Viertakt-Dieselmotor mit Vorkammerverfahren im Schnitt dargestellt. Der Kolbenboden (13) ist zweilagig ausgeführt. Die Kühlung des Kolbens (2) erfolgt durch die Ölentnahme aus dem Schmierölkreislauf (1). Die Schmierölzufuhr- und Abfuhr erfolgt über den gesamten Kolbenhub (4). Die Ventile (5), (10) und die Nockenwelle sind nur angedeutet.

Zu Fig. 2:
Der Schnitt "A-B" in Fig. geht durch die Schmieröldurchlässe (19) und durch die Gleitkanäle (20), die im Kolbenschaft (15) eingelassen sind.

Zu Fig. 3:
In diesem Ausführungsbeispiel sind der Kolben (2) und der Zylinder (3) vergrößert im Schnitt dargestellt. Die Ölkammer (14) ist als Ringkammer (14) ausgelegt und reicht außen bis an die Innenseite des Kolbenringträgers. Die Länge (21) der Gleitkanäle (20) ist verschieden. Im Kolben (2) ist vor dem Eintritt des Schmieröls in die Ringkammer (14) ein Rückschlagventil (24) geschaltet.

Zu Fig. 4:
Das Auslaßventil (5) mit Ölkühlung und einem Hohlraum (26) im Ventilteller (7) ist im Schnitt dargestellt. Im oberen Bereich des Ventilschaftes (6) führt eine radiale Bohrung (8) in das Innere des Schaftes (6) und mündet hier in eine axiale Bohrung (25), die in dem Hohlraum (26) endet. Aus dem Hohlraum (26) führt eine Ölrücklauf-Bohrung (28) parallel zur Bohrung (25) in den Ventilschaft (6). Sie stößt in eine zweite radiale Bohrung (27), die näher zum Ventilteller (7) angeordnet ist. Gegenüber den beiden radialen Bohrungen (27), (8) im Ventilschaft (6), sind umlaufende Ringnuten (16) in der Ventilführung (9) eingelassen. Die Ringnuten (16) sind an den Schmierölkreislauf (1) angeschlossen.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit integrierter Kolbenkühlung,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einem konventionellen Zweitakt- oder Viertaktverbrennungsmotor mit Otto- oder Dieselverfahren und Druck-Umlaufschmierung während des Betriebes Schmieröl aus dem Schmierölkreislauf (1) unter Überdruck, durch konstruktive Auslegung von Kolben (2) und Zylinder (3), aber ohne zusätzliches Bauteil in den oberen Teil des Kolbens (2) geführt wird zur Kühlung des Kolbens (2) während des Betriebes.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das nach Anspruch 1 in den Kolben (2) geführte Schmieröl unter Überdruck aus dem Kolben (2) in den Schmierölkreislauf (1) zurückgeführt wird infolge der konstruktiven Auslegung von Kolben (2) und des Zylinders (3), aber ohne zusätzliche Bauteile.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierölzuführung in den Kolben (2) während des gesamten Kolbenhubes (4) (von u. T. bis o. T.) erfolgt.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierölführung in und aus dem Kolben (2) während des gesamten Kolbenhubes (4) erfolgt.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (5), Ventilschaft (6) und Ventilteller (7) als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgelegt ist, der an beiden Enden verschlossen und in der Wand des Ventilschaftes (6) zwei Durchlässe (8) für die Zu- und Abführung des Schmieröls in das Innere des Anlaß-Ventils (5) zwecks Kühlung aufweist, daß die Schmierölzuführung unter Überdruck erfolgt, während das Ventil sich in Ruhelage befindet, daß die Schmierölzu- und Schmierölabführung durch die konstruktive Auslegung von Ventilschaft (6) und Ventilführung (9) herbeigeführt wird.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierölabführung aus dem Auslaßventil (5) unter Überdruck erfolgt.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmieröl-Zuführung und die Schmierölabführung in bzw. aus dem Auslaßventil (5) sowohl während der Ruhelage als während der Bewegungsphase des Auslaßventiles (5) erfolgt.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß auch das Einlaßventil (10) die selbe Ventilkühlung durch das Schmieröl erfährt wie das Auslaßventil (5) nach Anspruch 5 bis 7.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierölzuführung in den Kolben (2) und in die Ventile (5) und (10) unter einem niedrigeren Überdruck als der Überdruck im Schmierölkreislauf (1) erfolgt durch die Zwischenschaltung eines Druck-Reduzierventiles (11) zwischen Schmierölkreislauf (1) und Schmierölzuführung zu dem Kolben (2) und den Ventilen (5) und (10).

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierölführung in den Kolben (2) und in die Ventile (5) und (10) unter einem höheren Überdruck erfolgt als der Überdruck im Schmierölkreislauf durch die Zwischenschaltung einer Druckerhöhungspumpe (12) zwischen Schmierölkreislauf und Schmierölführung zu dem Kolben (5) und den Ventilen (5) und (10).

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn und das Ende und das Ende der Schmierölzuführungsphase und der Abführungsphase in bzw. aus den Kolben (2) zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Schmierölführung in den Kolben (2) ein Rückschlagventil (24) angeordnet ist.