EP0206124B1 - Brennkraftmaschine mit zumindest einem flüssigkeitsgekühlten Zylinder - Google Patents
Brennkraftmaschine mit zumindest einem flüssigkeitsgekühlten Zylinder Download PDFInfo
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- EP0206124B1 EP0206124B1 EP86107982A EP86107982A EP0206124B1 EP 0206124 B1 EP0206124 B1 EP 0206124B1 EP 86107982 A EP86107982 A EP 86107982A EP 86107982 A EP86107982 A EP 86107982A EP 0206124 B1 EP0206124 B1 EP 0206124B1
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- cylinder tube
- combustion engine
- oil
- internal combustion
- cooling
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
- F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads having cooling means
- F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
- F02F1/14—Cylinders with means for directing, guiding or distributing liquid stream
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
- F01P9/00—Cooling having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P7/00
Definitions
- the invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
- a disadvantage of this arrangement is therefore the great structural complexity, which moreover does not yet bring about the desired increase in the surface area of the cylinder tube.
- FR-A-1 187 167 describes an internal combustion engine in which the cylinder tube is fastened to the cylinder head by means of screws. Sealing rings are arranged at the lower end of the cylinder barrel facing the crankcase, so that the cylinder barrel can expand in the longitudinal direction in the crankcase.
- a fastening ring is arranged below a collar on the cylinder head, in which the cylinder head screws engage. Since the cooling water cannot reach the upper part of the cylinder tube through this fastening ring, the cooling is impeded there. Therefore the mounting ring is provided with cooling fins.
- European patent application 0 182 324 also belongs to the state of the art.
- the technical teaching is claimed here to place a helical spring under radial tension on the cylinder barrel.
- the coil spring is not firmly connected to the cylinder tube surface.
- EP-A 0 124 217 describes heat transfer elements which are assembled to form a heat exchanger. The problem of oil-cooled cylinders is not dealt with.
- DE-C 409 617 describes an internal combustion engine which has an intermediate piece provided with ribs in the cooling space between the cylinder tube and the crankcase.
- this intermediate piece inserted into the cooling space, is not a cooling lamella and is also not firmly connected to the cylinder tube surface by soldering or technological processes having the same effect.
- the invention has for its object to integrate a component manufactured in industrial oil cooler production, which makes good thermal contact and thus heat transfer between the cylinder tube and coolant, with structurally simple means, without enlarging the cooling space, in the internal combustion engine.
- a cooling lamella is generally understood here as a generic term which does not describe grooves, ribs or grooves, but rather represents its own heat transfer element which is placed in the cooling space on a smooth or ribbed cylinder tube.
- the heat-emitting surface of the cylinder tube is increased.
- the cooling lamella can be firmly connected to the cylinder tube surface by soldering or other technological processes.
- the cylinder tube surface is completely covered by the cooling fin. This results in better cooling of the entire cylinder tube.
- the cooling fin must have at least one channel connecting the oil inflow to the oil outflow.
- the channel or channels have a helical course around the cylinder tube. It can be advantageous if the channel or channels are formed by openings in the cooling fin.
- the structure of the cooling lamella has a heat transfer surface density of approximately 1,500 to 2,000 m ? / m 3 and is formed from meandering, periodically shaped strip sections in such a way that the strip sections on the long sides are partially connected and that, starting from one strip section, all the strip sections next to one another are arranged identically and the subsequent and the previous strip section are each a fraction of the periodic structure in the same direction are shifted.
- Such cooling fins are inexpensive to manufacture in industrial oil cooler production.
- the high heat transfer surface density causes a significant increase in the transfer NEN heat flow and is achieved with small dimensions of the cooling fin, so that the given size of the cooling space does not have to be increased, ie the maximum possible cylinder bores can be accommodated unchanged for a given cylinder distance.
- Fig. 1 shows a cylinder tube 2, which is embedded in a housing 4. Between the cylinder tube and the housing there is an annular cooling space 8, which has an oil inflow 5 or alternatively an oil outflow 6 'on its side facing the cylinder head and an oil outflow 6 or an oil inflow 5' on its side facing the crankcase.
- a collar 1 in the upper region of the cylinder tube 2 stiffens it, fixes the axial position of the cylinder tube 2 in the housing 4 and seals the cooling space 8 to the outside.
- the cooling space 8 is completely filled with a cooling lamella except for an annular gap 7, 7 'serving as oil supply and oil discharge.
- the engine lubricating oil is to be regarded as oil, which in this arrangement. therefore flows through the cooling chamber in the axial direction.
- the cooling fin 3 is advantageously soldered to the cylinder tube surface. Thanks to its large surface area, the cooling lamella creates good heat transfer between the oil and the cylinder barrel.
- the cooling is further enhanced when the cooling fin covers the entire surface of the cylinder tube and the oil flow in turbulence. has a displacing structure.
- the cooling fin must have at least one channel connecting the oil inflow 5 to the oil outflow 6.
- This channel or channels can have a helical course (indicated by 10 in FIG. 1) around the cylinder tube or, as shown in FIG. 3, be formed by openings 9 in the cooling fin.
- the cooling space 8 is completely filled with the cooling fin in the radial direction, except for one gap 15 in each case in the region of the oil inflow and outflow between the cooling fin and the housing.
- the oil inflow 5 is offset from the oil outflow 6 by 180 ° at the same height in the housing and leads into the area of the cooling space 8 which is not filled by the cooling fin 3. This arrangement ensures that the oil flows radially through the cooling space and thus the cooling fin.
- the optimized cooling fin 3 shown in FIG. 4 is composed of individual strip sections 11 which, for. B. can consist of sheet metal, formed.
- the strip sections are corrugated uniformly in a meandering manner in their longitudinal direction, so that an approximately sinusoidal, flattened wave train in the form of a rectangular signal is formed in view (FIG. 4b).
- the period P of this wave train repeats itself evenly.
- the longitudinal side 12 of a first strip section is adjoined with its facing long side by an adjacent strip section, which is offset in the longitudinal direction by a quarter period (P / 4). It may also be useful if the above-mentioned adjacent strip section is offset in the longitudinal direction by another fraction of the period.
- a multiplicity of strip sections form a cooling lamella according to FIG. 4a, wherein - starting from the first strip section 11a - every third (11c), fifth (11e), seventh (11g) etc. strip section is congruent with the first strip section in view Position, while the second (11 b), fourth (11 d), sixth (11f) etc. strip sections arranged therebetween are congruent with one another and in this example by a quarter period (P / 4) in the longitudinal direction with respect to the strip sections 11 a, 11 c, 11e, 11g etc. are offset.
- This construction of the cooling lamella 3 forms channels 13 which lie in the direction of flow 14 of the oil. As a result, the flow resistance for the oil is low. In addition, due to the numerous openings and connections between the channels 13, good swirling and turbulence within the oil flow is achieved.
- the cooling fin is expediently made in one piece, preferably by stamping or rolling.
- the oil especially the engine lubricating oil
- the oil inflow 5 is pumped into the ring channel 7 via the oil inflow 5. From there it flows through the cooling fins 3.
- the surface of the cylinder tube 2 which is thereby enlarged allows the oil to absorb the heat better and, after passing through the cooling fins, leaves the cylinder via a further annular channel and the oil drain 6.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- In dem DE-GM 19 48 979 wird eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlten Zylindern beschrieben, wobei hier das Motorschmieröl als Kühlflüssigkeit benutzt wird. Zwischen Zylinderrohr und Gehäuse befindet sich ein Kühlraum, durch den im Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Motorschmieröl gefördert wird und der sich in Richtung vom Zylinderkopf zur Kurbelwelle hin in Bezug auf die Zylinderrohrachse in radialer Richtung stetig mit dem Abstand zum Zylinderkopf vergrößert. Um die Kühlung des Zylinderrohrs zu verbessern, ist im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Zylinderrohrs zur Vergrößerung seiner Außenfläche mit Umfangsnuten versehen. Dadurch ist der Wärmeübergang vom Zylinderrohr an das Kühlöl verbessert. Die Umfangsnuten müssen, da das Zylinderrohr aus einem besonders gehärtetem Stahl besteht, in speziellen Maschinen auf das Zylinderrohr gebracht werden. Dies ist ein schwieriger und zeitaufwendiger Vorgang, der besonders ausgebildetes Personal erfordert.
- Nachteilig an dieser Anordnung ist demnach der große bauliche Aufwand, der zudem noch nicht die erwünschte Oberflächenvergrößerung des Zylinderrohrs bewirkt.
- In der FR-A-1 187 167 ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei der das Zylinderrohr mittels Schrauben am Zylinderkopf befestigt ist. Am unteren, dem Kurbelgehäuse zugewandten Ende des Zylinderrohrs sind Dichtungsringe angeordnet, so daß sich das Zylinderrohr im Kurbelgehäuse in Längsrichtung ausdehnen kann. Zur Befestigung des Zylinderrohrs am Zylinderkopf ist ein Befestigungsring unterhalb eines zylinderkopfseitigen Kragens angeordnet, in dem die Zylinderkopfschrauben eingreifen. Da durch diesen Befestigungsring das Kühlwasser nicht an den oberen Teil des Zylinderrohres heranreichen kann, ist dort die Kühlung behindert. Daher ist der Befestigungsring mit Kühlrippen versehen.
- Nach Art. 54.3 EPÜ gehört auch die europäische Patentanmeldung 0 182 324 zum Stand der Technik. Um einen schraubenlinienförmigen Verlauf des Kühlmittels um das Zylinderrohr herum zu erhalten, ist hier die technische Lehre beansprucht, eine unter radialer Spannung stehende Schraubenfeder auf das Zylinderrohr aufzusetzen. Die Schraubenfeder ist dabei mit der Zylinderohroberfläche nicht fest verbunden.
- Im EP-A 0 124 217 werden Wärmeübertragungselemente beschrieben, die zu einem Wärmetauscher zusammengesetzt sind. Auf die Problematik von ölgekühlten Zylindem wird nicht eingegangen.
- In der DE-C 409 617 ist eine Verbrennungskraftmaschine beschrieben, welche im Kühlraum zwischen Zylinderrohr und Kurbelgehäuse ein mit Rippen versehenes Zwischenstück aufweist. Dieses Zwischenstück, in den Kühlraum eingesetzt, ist jedoch keine Kühllamelle und ist auch nicht fest mit der Zylinderrohroberfläche durch Löten bzw. gleichwirkende technologische Verfahren verbunden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in der industriellen Ölkühlerfertigung hergestelltes Bauteil, welches einen guten Wärmekontakt und damit Wärmeübergang zwischen Zylinderrohr und Kühlflüssigkeit herstellt, mit baulich einfachen Mitteln, ohne Vergrößerung des Kühlraums, in die Brennkraftmaschine zu integrieren.
- Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
- Eine Kühllamelle ist hier allgemein als Oberbegriff verstanden, der nicht Rillen, Rippen oder Nuten beschreibt, sondern ein eigenes Wärme- übertragungselement darstellt, welches in den Kühlraum auf ein glattes oder verripptes Zylinderrohr aufgelegt wird.
- Dadurch, daß zumindest ein Teil des Zylinderrohrs mit einer Kühllamelle versehen ist, die mit der Zylinderrohroberfläche fest verbunden ist, wird die wärmeabgebende Oberfläche des Zylinderrohrs vergrößert. An diesen Stellen kann dadurch das Öl schneller Wärme aufnehmen, wodurch die Kühlung verbessert ist. Die feste Verbindung der Kühllamelle mit der Zylinderrohroberfläche kann durch Löten oder andere technologische Verfahren vorgenommen werden.
- Gemäß der Erfindung ist in einer Ausgestaltung die Zylinderrohroberfläche vollständig von der Kühllamelle bedeckt. Dadurch ist eine bessere Kühlung des gesamten Zylinderrohrs erreicht.
- Eine bessere Kühlung wird zusätzlich durch eine die Ölströmung in Turbulenz versetzende Struktur der Kühllamelle erreicht.
- Füllt die Kühllamelle den Kühlraum in Bezug auf das Zylinderrohr in radialer Richtung vollständig aus, muß die Kühllamelle mindestens einen den Ölzufluß mit dem Ölabfluß verbindenden Kanal haben. In einer Ausführungsform haben der Kanal bzw. die Kanäle einen schraubenförmigen Verlauf um das Zylinderrohr. Vorteilhaft kann es sein, wenn der Kanal bzw. die Kanäle durch Öffnungen in der Kühllamelle gebildet sind.
- In bevorzugter Ausführung hat die Struktur der Kühllamelle eine Wärmeübertragungsflächendichte von etwa 1 500 bis 2 000 m?/m3 und ist aus mäanderförmigen, periodisch geformten Streifenabschnitten derart gebildet, daß die Streifenabschnitte an den Längsseiten teilweise zusammenhängen und daß ausgehend von einem Streifenabschnitt alle übernächsten Streifenabschnitte identisch angeordnet sind und der darauffolgende und der vorhergehende Streifenabschnitt um jeweils einen Bruchteil der periodischen Struktur in die gleiche Richtung verschoben sind.
- Derartige Kühllamellen werden in der industriellen Ölkühlerfertigung kostengünstig hergestellt. Die hohe Wärmeübertragungsflächendichte bewirkt eine erhebliche Steigerung des übertragenen Wärmestroms und wird bei kleinen Abmessungen der Kühllamelle erreicht, so daß die gegebene Größe des Kühlraums nicht vergrößert werden muß, d. h. bei vorgegebenem Zylinderabstand können unverändert die maximal möglichen Zylinderbohrungen untergebracht werden.
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen, die schematisch im Schnitt drei Ausführungsformen der Erfindung zeigen und nachfolgend näher beschrieben sind. Es zeigt :
- Fig. 1 im Schnitt einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einer Kühllamelle, die den Kühlraum vollständig ausfüllt,
- Fig. 2 im Schnitt einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit einer Kühllamelle, die den Kühlraum in radialer Richtung vollständig ausfüllt bis auf je einen Spalt im Bereich des Ölzufluß und -abfluß zwischen Kühllamelle und Gehäuse,
- Fig. 3 im Schnitt eine Ansicht auf eine Kühllamelle,
- Fig. 4 eine optimierte Kühllamelle
- a) in Draufsicht
- b) in Ansicht
- c) in perspektivischer Darstellung.
- Fig. 1 zeigt ein Zylinderrohr 2, welches in ein Gehäuse 4 eingelassen ist. Zwischen dem Zylinderrohr und dem Gehäuse befindet sich ein ringförmiger Kühlraum 8, der an seiner dem Zylinderkopf zugewandten Seite einen Ölzufluß 5 oder alternativ einen Ölabfluß 6' und an seiner dem Kurbelgehäuse zugewandten Seite einen Ölabfluß 6 bzw. einen Ölzufluß 5' hat. Ein Bund 1 im oberen Bereich des Zylinderrohrs 2 bewirkt eine Versteifung desselben, fixiert die axiale Lage des Zylinderrohrs 2 im Gehäuse 4 und dichtet den Kühlraum 8 nach außen ab.
- Der Kühlraum 8 ist bis auf einen als Ölzufuhr und als Ölabfuhr dienenden Ringspalt 7, 7' mit einer Kühllamelle vollständig ausgefüllt. Als Öl ist in besonderer Ausführung das Motorschmieröl anzusehen, welches in dieser Anordnung. den Kühlraum demnach in axialer Richtung durchströmt. Vorteilhafterweise ist die Kühllamelle 3 an der Zylinderrohroberfläche angelötet. Die Kühllamelle stellt durch ihre große Oberfläche einen guten Wärmeübergang zwischen Öl und Zylinderrohr her.
- Verstärkt wird die Kühlung noch, wenn die Kühllamelle die gesamte Zylinderrohroberfläche bedeckt und eine die Ölströmung in Turbulenz . versetzende Struktur hat.
- Ist der Kühlraum, wie in Fig. 1 zu sehen, in radialer Richtung vollständig mit der Kühllamelle ausgefüllt, muß die Kühllamelle mindestens einen den Ölzufluß 5 mit dem Ölabfluß 6 verbindenden Kanal haben. Dieser Kanal bzw. die Kanäle können einen schraubenförmigen Verlauf (in Fig. 1 mit 10 angedeutet) um das Zylinderrohr herum haben oder, wie in Fig. 3 dargestellt, durch Öffnungen 9 in der Kühllamelle gebildet sein. In Fig. 2 ist der Kühlraum 8 mit der Kühllamelle in radialer Richtung vollständig ausgefüllt bis auf je einen Spalt 15 im Bereich des Ölzufluß und - abfluß zwischen Kühllamelle und Gehäuse. Der Ölzufluß 5 ist zum Ölabfluß 6 um 180° versetzt auf gleicher Höhe im Gehäuse angeordnet und führt in den Bereich des Kühlraums 8, der nicht von der Kühllamelle 3 ausgefüllt ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß das Öl den Kühlraum und damit die Kühllamelle radial durchströmt.
- Die in Fig. 4 dargestellte optimierte Kühllamelle 3 ist aus einzelnen Streifenabschnitten 11, die z. B. aus Blech bestehen können, gebildet. Die Streifenabschnitte sind in ihrer Längsrichtung gleichmäßig mäanderförmig gewellt, so daß ein in Ansicht (Fig. 4b) etwa sinusförmiger, abgeflachter Wellenzug in Form eines Rechtecksignals gebildet ist. Die Periode P dieses Wellenzuges wiederholt sich gleichmäßig. An die Längsseite 12 eines ersten Streifenabschnitts schließt mit seiner zugewandten Längsseite ein benachbarter Streifenabschnitt an, der in Längsrichtung um eine Viertelperiode (P/4) versetzt angeordnet ist. Es kann auch sinnvoll sein, wenn der obengenannte benachbarte Streifenabschnitt in Längsrichtung um einen anderen Bruchteil der Periode versetzt angeordnet ist.
- Auf diese Weise bilden eine Vielzahl von Streifenabschnitten eine Kühllamelle gemäß Fig. 4a, wobei - ausgehend von dem ersten Streifenabschnitt 11a - jeder dritte (11c), fünfte (11e), siebente (11g) etc. Streifenabschnitt eine mit dem ersten Streifenabschnitt in Ansicht deckungsgleiche Lage haben, während die dazwischen angeordneten zweiten (11 b), vierten (11 d), sechsten (11f) etc. Streifenabschnitte deckungsgleich zueinander liegen und in diesem Beispiel um eine Viertelperiode (P/4) in Längsrichtung gegenüber den Streifenabschnitten 11 a, 11 c, 11e, 11g etc. versetzt sind.
- Durch diesen Aufbau der Kühllamelle 3 sind Kanäle 13 gebildet, die in Strömungsrichtung 14 des Öls liegen. Dadurch ist der Strömungswiderstand für das Öl gering. Außerdem wird durch die zahlreichen Öffnungen und Verbindungen zwischen den Kanälen 13 eine gute Verwirbelung und Turbulenz innerhalb der Ölströmung erreicht.
- Zweckmäßigerweise ist die Kühllamelle einteilig gefertigt, vorzugsweise durch Stanzen oder Walzen.
- Im Betrieb gemäß Fig. 1 wird das Öl, speziell das Motorschmieröl, über den Ölzufluß 5 in den Ringkanal 7 gepumpt. Von dort aus fließt es durch die Kühllamelle 3. Durch die dadurch vergrößerte Oberfläche des Zylinderrohrs 2 kann das Öl die Wärme besser aufnehmen und verläßt nach Durchlaufen der Kühllamellen über einen weiteren Ringkanal und den Ölabfluß 6 den Zylinder.
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