EP0483134A1 - Brennkraftmaschine. - Google Patents

Brennkraftmaschine.

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EP0483134A1
EP0483134A1 EP89908691A EP89908691A EP0483134A1 EP 0483134 A1 EP0483134 A1 EP 0483134A1 EP 89908691 A EP89908691 A EP 89908691A EP 89908691 A EP89908691 A EP 89908691A EP 0483134 A1 EP0483134 A1 EP 0483134A1
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cylinder
internal combustion
combustion engine
engine according
sleeve
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Guenter Elsbett
Klaus Elsbett
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/11—Thermal or acoustic insulation
    • 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
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/08—Cooling of piston exterior only, e.g. by jets
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the aim of the invention is to improve an internal combustion engine in such a way that it is easy to set up, can be built compactly, the individual parts can be manufactured easily and cheaply, and in thermal terms the cooling function of uniform cooling can be performed in accordance with the heating of the cylinder .
  • the solution is to dispense with the incorporation of cooling channels for the circulation cooling in the cylinder.
  • An uncomplicated component should be used to form the cooling space on the cylinder in the top dead center area of the piston. Such a component should also be able to form the circulation cooling in the cylinder head.
  • the component that makes this possible is a sleeve that is slipped over the cylinder. This sleeve can also overlap the cylinder head, so that the cylinder head is placed in this sleeve on the cylinder.
  • a heat and sound insulation sleeve is applied to the lower part of the cylinder, so that external thermal influences do not affect the even thermal image of the cylinder.
  • This component also has a sound-insulating effect, which can be desirable for free-standing cylinders.
  • the cylinder head can be manufactured as simple components without additional processing; in the case of castings, these can be manufactured core-free with regard to the circulation cooling. Cooling is ensured in the critical areas of the valve seat and upper piston reversal point. Due to the smaller cross-section of the circulation cooling space, which can be minimized to about a tenth in comparison to castings, the cooling can be made effective since a higher circulation speed of the coolant is achieved and less coolant has to be circulated.
  • the sleeve as a component for circulation cooling is not mechanically stressed, since the cap screws do not introduce any forces into it, and is thermally uncritical, since it only takes on the temperature of the coolant at all points, so that sealing it is also unproblematic.
  • the invention is primarily intended to be used in engines which simultaneously use the lubricating oil as a cooling medium.
  • the mixing of the oils in the head is not harmful, and neither is there a slight leak at the separating point between cylinder / head / oil space.
  • the use of the heat and sound insulation sleeve gives the particular advantage of thermal insulation of the lower cylinder part in free-standing cylinders, in order to still achieve the temperatures that prevail in the upper cylinder area in cold outside temperatures in the lower cylinder area. This is necessary for the tightness of the piston with respect to the inner cylinder wall, so that the cylinder does not have to be conically honed.
  • this compact type of cooling sleeve and insulating sleeve can lie within the circumference given by the cap screws without the cap screws being a great distance from the cylinder and thus no bending forces being introduced into the head or crankcase.
  • the space of the circulating cooling which holds the coolant is formed by the easily mountable and removable sleeve, one end of which is sealed at the head and the other end at the cylinder.
  • the space formed by the cylinder, head and sleeve can be annular by unscrewing the head plate and the upper outer diameter of the cylinder.
  • the sleeve can overlap the cylinder and head or protrude into the head by inserting an annular groove or sit bluntly on the underside of the head.
  • the sleeve can be formed from sheet metal or can also be designed as a turned part.
  • the cooling fluid-receiving space of the cooling circuit can completely enclose the enclosed parts of the head and cylinder, that is to say without ribs or webs.
  • both the uniformity of the flow and its speed can be determined. be placed.
  • the sealing points can be placed in this construction so that they are neither thermally nor mechanically stressed.
  • the thermal and sound insulation on the lower cylinder part can be a sleeve, a tubular component or a foamed mass. Further details can be found in the claims.
  • the image shows a section of the cross section of an internal combustion engine in the area around the cylinder liner (11). This sits over a collar (21) on the crankcase (205) and firmly clamped to the cylinder head (10) via the tie rod (19) shown here offset.
  • the end of the cylinder liner (11) facing the cylinder head (10) is completely surrounded by a coolant jacket (1) in the region of the sealing part (8) of the piston, which does not allow internal cooling of the cylinder liner (11), as is the cylinder head (10) in the area of the head plate enclosing the valve seats.
  • a cooling sleeve (2) that encloses the component and rests on the cylinder head (10) via sealing elements (6) and on the cylinder sleeve (11) via sealing element (7).
  • the coolant passes through connection (13) into an annular groove (4) and flows through an annular gap to the annular collecting groove (5) in the cylinder head (10) and from there via bore (14) and (15) in the vent .
  • the dimensioning of the annular gap ensures the even distribution of the coolant over the component U far. ⁇ and high flow velocity.
  • the heat and sound insulation sleeve (16) is cuff-like with screw ben (18) over the uncooled part of the cylinder liner (11) and separated by an insulating intermediate layer (17).
  • Both sleeves (2) and (16) do not project beyond the largest cylinder liner diameter (12) on the collar (21) neither in the area of the tie rods (19) nor in the area of the neighboring cylinder liner.
  • the inner diameter (3) of the cylinder liner (11) can therefore be over 88% of the cylinder distance.

Description

KÜHLHÜLSE UND WÄRMESCHUTZVERKLEIDUNG
FÜR EINE BRENNKRAFTMASCHINE
Es ist eine Brennkraftmaschine mit Umlaufkühlung nach DΞ-PS 33 14 543 bekannt, welche den Zylinderkopf und im oberen Totpunktbereich des Kolben den Zylinder kühlt. Kühlung und Aufheizung sollen sich in einem Gleichgewicht befinden. Die Umlaufkühlung ist hierbei in den Zylinder und Zylinderkopf eingearbeitet oder in den Gußteilen vorgesehen. Dadurch ergibt sich, daß diese Teile arbeitsauf endig hergestellt werden müssen oder sich die Gußteile verteuern.
Ziel der Erfindung ist, eine Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß sie einfach aufbaubar ist, kompakt ge¬ baut werden kann, die einzelnen Teile einfach und günstig gefertigt werden können und in thermischer Hinsicht die Kühlfunktion einer gleichmäßigen Kühlung entsprechend der Aufheizung des Zylinders wahrgenommen werden kann.
Die Lösung besteht darin, auf die Einarbeitung von Kuhl¬ kan ien für die Umlaufkühlung im Zylinder zu verzichten. Darüber hinaus auf die Einarbeitung von Kuhlkanaien im Zylinderkopf zu verzichten. Es soll ein unkompliziertes Bauteil zur Bildung des Kühlraumes am Zylinder ir. oberen Totpunktbereich des Kolbens verwendet werden. Ein solches Bauteil soll auch in der Lage sein, die Umlaufkühlung im Zylinderkopf zu bilden. Das Bauteil, das dies ermöglicht, ist eine Hülse, die über den Zylinder gestülpt wird. Diese Hülse kann auch auf den Zylinderkopf übergreifen, so daß der Zylinderkopf in diese Hülse auf den Zylinder aufgesetzt wird. Weiter wird zur Wahrnehmung der thermischen Ausgewo¬ genheit des Zylinders vor allem bei freistehenden Zylindern eine Wärme- und Schalldämmhülse auf den unteren Teil des Zylinders aufgebracht, damit äußere thermische Einflüsse das gleichmäßige Wärmebild des Zylinders nicht beeinflussen. Dieses Bauteil hat gleichzeitig schallisolierende Wirkung, die bei freistehenden Zylindern erwünscht sein kann.
Die Vorteile aus diesem Aufbau der Brennkraftmaεchine er¬ geben sich wie folgt: Die Zylinder resp. der Zylinderkopf können ohne zusätzliche Bearbeitung als einfache Bauteile hergestellt werden, im Falle von Gußteilen können diese bezüglich der Umlaufkühlung kernlos hergestellt werden. Die Kühlung in den kritischen Bereichen von Ventilsitz und oberen Kolbenumkehrpunkt ist gewährleistet. Durch den ge¬ ringeren Querschnitt des Umlaufkühlraumes, der im Vergleich zu Gußteilen etwa auf ein Zehntel minimiert werden kann, kann die Kühlung effektiviert werden, da eine höhere Um¬ laufgeschwindigkeit des Kühlmittels erreicht wird, respek¬ tive weniger Kühlmittel umgewälzt werden muß.
Durch die durch die Hülse erreichten engeren Querschnitte der Umlaufkühlung kann eine engere Zusammenstellung der Zylinder untereinander erreicht werden. Letzteres fällt bei vielzylindrigen Brennkraftmaschinen ins Gewicht oder es erlaubt eine Vergrößerung der Zylinderbohrungen bei gleicher Baugröße von Brennkraftmaschine.
Die Hülse als Bauteil zur Umlaufkühlung ist mechanisch nicht belastet, da die Kopfschrauben keine Kräfte in diese einleiten, und thermisch unkritisch, da sie an allen Stellen nur die Temperatur des Kühlmittels annimmt, insofern auch deren Abdichtung unproblematisch ist.
Die Erfindung soll in erster Linie zur Anwendung kommen bei Motoren, die das Schmieröl gleichzeitig als Kühlmedium ein¬ setzen. In diesem Fall ergeben sich sehr einfache Kreis¬ läufe, die Vermischung der Öle im Kopf ist nicht schädlich, ebensowenig eine geringe Undichtheit an der Trennstelle Zylinder/Kcpf/Ölraum . Durch die Verwendung der Wärme- und Schalldämmhülse ist neben den Vorteilen der Schalldämmung der besondere Vorteil der Wärmedämmung des unteren Zylinderteils bei freistehenden Zylinder gegeben, um bei kalten Außentemperaturen im unteren Zylinderbereich dennoch die Temperaturen zu erreichen, die auch im oberen Zylinderbereich herrschen. Dies ist notwendig für die Dichtheit des Kolbens gegenüber der inneren Zylin¬ derwand, um den Zylinder nicht konisch honen zu müssen.
Zu bemerken ist auch, daß durch diese kompakte Bauart Kühl¬ hülse und Dämmhülse innerhalb des durch die Kopfschrauben gegebenen Umfanges liegen kann, ohne daß die Kopfschrauben in großer Entfernung vom Zylinder liegen und somit keine Biegekräfte in Kopf oder Kurbelgehäuse eingeleitet werden.
Zu möglichen Ausbildungen der Brennkraftmaschine und ihrer Teile sei noch folgendes gesagt: '
Der die Kühlflüssigkeit aufnehmende Raum der Umlaufkühlung wird von der leicht montier- und demontierbaren Hülse gebil¬ det, deren eines Ende am Kopf und deren anderes Ende am Zylinder abgedichtet ist. Der durch Zylinder, Kopf und Hülse gebildete Raum kann ringförmig sein durch Freidrehen der Kopfplatte und des oberen Zylinderaußendurchmessers . Die Hülse kann Zylinder und Kopf übergreifen oder durch Einstich einer Ringnut in den Kopf hineinragen oder stumpf auf der KopfUnterseite aufsitzen. Die Hülse kann aus Blech geformt oder auch als Drehteil ausgebildet sein. Der die Kühlflüssigkeit aufnehmende Raum der Umlaufkühlung kann die umschlossenen Teile von Kopf und Zylinder vollständig, das heißt ohne Rippen oder Stege umschließen.
Durch Bemessung des Spaltes zwischen Zylinderaußendurch¬ messer und Hülseninnendurchmesser kann sowohl die Gleich- mäßiαkeit der U strömunσ wie deren Geschwindigkeit festαe- legt werden. Die Dichtstellen können bei dieser Konstruktion so gelegt werden, daß sie weder thermisch noch mechanisch beansprucht sind.
Die Wärme- und Schalldämmung am unteren Zylinderteil kann eine Manschette, ein rohrförmiges Bauteil oder auch eine aufgeschäumte Masse sein. Weitere Einzelheiten sind den Ansprüchen zu entnehmen.
Es folgt ein Ausführungsbeispiel :
Das Bild zeigt ausschnittsweise den Querschnitt eines Ver¬ brennungsmotors im Bereich um die Zylinderbuchse (11) . Diese sitzt über einem Bund (21) auf dem Kurbelgehäuse (205 auf und über den - hier versetzt gezeichneten - Zuganker (19) fest mit Zylinderkopf (10) verspannt.
Das dem Zylinderkopf (10) zugewandte Ende der Zylinderbuchse (11) wird im Bereich der Dichtpartie (8) des Kolbens, die eine innere Kühlung der Zylinderbuchse (11) nicht ermög¬ licht, vollständig von einem Kühlmittelmantel (1 ) umgeben, ebenso der Zylinderkopf (10) im Bereich der die Ventilsitze einschließenden Kopfplatte. Das wird erreicht durch eine bauteilumschließende Kühlhülse (2) , die über Dichtεteϊle (6) am Zylinderkopf (10) anliegt und über Dichtstelie (7) an der Zylinderbuchse (11). Das Kühlmittel tritt über Anschluß (13) in eine Ringnut (4) und fließt über einen Ringspalt zur Ringsammeinut (5) im Zylinderkopf (10) und von dort über Bohrung (14) und (15) im Vent.ilsteg zu weite¬ ren zu kühlenden Bauteilen im Zylinderkopf (10) oder zum Kühler. Die Bemessung des Ringspaltes sorgt für die gleich¬ mäßige Verteilung des Kühlmittels über den Bauteile-U far.α sowie für hohe Strömungsgeschwindigkeit. Die Wärme- und Schalldämmungshülse (16) ist manschettenartig mit Schrau- ben (18) über den ungekühlten Teil der Zylinderbuchse (11 ) montiert und durch eine isolierende Zwischenlage (17) von dieser getrennt.
Beide Hülsen (2) und (16) ragen weder im Bereich der Zug¬ anker (19) noch im Bereich zur Nachbarzylinderbuchse über den größten Zylinderbuchsendurchmesser (12) am Bund (21 ) hinaus. Der innere Durchmesser (3) der Zylinderbuchse (11 ) kann deshalb über 88 % des Zylinderabstandeε betragen.

Claims

P ATENTANS PRÜCHE
1. Brennkraftmaschine hoher Leistungsdichte mit Umlaufküh¬ lung für Zylinderkopf und Zylinder im oberen Totpunkt¬ bereich des Kolbens und mit ausschließlicher Spritzöl- kolbeninnenkühlung im unteren Zylinderbereich, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinderbüchsen ohne eingearbeitete Kühlkanäle zur Anwendung kommen.
2. Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Zylinderköpfe ohne eingear¬ beitete Kühlkanäle für die Umlaufkühlung zur Anwendung kommen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf stumpf auf die Zylinder aufgesetzt ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich¬ net, daß als Zylinderbüchsen mσntierbare Einzelbauteile zur Anwendung kommen .
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß Zylinderbüchsen aus Stahlrohr oder Guß verwendet werden.
6. Brennkraftmaεchine nach Ansprüchen 1 und 3 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß freistehende Zylinderbüchsen verwen¬ det werden .
7. Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Raum für die Umlaufküh¬ lung im oberen Kolbentotpunktbereich des Zylinders durch das Aufsetzen einer Hülse über diesen Bereich gebildet wird .
8. Brennkraftmaεchine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Hülse gegen den Zylinder und gegen den Kopf mit je einer Dichtung versehen ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Außendurchmesser des Zylinders im Bereich der Hülse vermindert ist, so daß die Hülse bündig mit der übrigen Außenwandung des Zylinders ist.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Hülse sowohl den oberen Kolbentotpunkt¬ bereich des Zylinders alε auch den Ventilεitzbereich des Zylinderkopfes übergreift.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da¬ durch gekennzeichnet, daß der untere Teil des durch die Hülse gebildeten Kühlraumes -einen größeren Querschnitt aufweist als der darüberliegende Teil.
12. Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinder im unteren Bereich mit einer Schall- und/oder Wärmeschutzverkieidung ersehen ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Verkleidung ein rohrförmigeε Bauteil ist, das auf die Zylinderbüchse aufgeschoben ist.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Verkleidung um die Büchse gewickelt und ent¬ sprechend befestigt ist.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Verkleidung fest verbunden auf die Eüchεe aufαebracht ist.
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