EP0154939A2 - Ölgekühlter, zweiteiliger Gelenkkolben - Google Patents

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EP0154939A2 EP85102582A EP85102582A EP0154939A2 EP 0154939 A2 EP0154939 A2 EP 0154939A2 EP 85102582 A EP85102582 A EP 85102582A EP 85102582 A EP85102582 A EP 85102582A EP 0154939 A2 EP0154939 A2 EP 0154939A2
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Definitions

  • the invention relates to an oil-cooled piston internal combustion engine with free-standing cylinders and low emission values of heat, noise and pollutants.
  • the equation cooling equals heating must be correct for all internal combustion engines. What is required of a future engine is that the heat emission is kept as low as possible. Heat losses that are unavoidable should also with a high temperature level of a useful use, such as. B. a cabin heater, are supplied. Since cooling water boils at a relatively low temperature and cooling air becomes unusable for many purposes due to its contamination on the engine, there is reason to use the engine oil as a coolant. For this reason, there have always been attempts to provide engine parts such as pistons, cylinders and cylinder heads with oil chambers, to collect the waste heat in the oil (e.g. DE 26 49562). For reasons related to the thermal properties of the oil, the equation of heating and cooling only worked out with little heating, i.e. low engine power.
  • the external cooling of the cylinder is improved by the fact that the cylinders are included free-standing in the oil-sprayed area of the engine. This is achieved by arranging the cylinders in the V position and covering them with a common cover for both rows of cylinders. This cover replaces the usual cylinder head cover, so that all oil that is used for valve control and head cooling also benefits the external cylinder cooling.
  • the annular space for external oil cooling arranged at the upper end of the cylinder is also all around headed the cylinder.
  • the larger cylinder spacing required for this is created in that the crank mechanism has a separate crank for each cylinder and not, as is usual with V-engines, two cylinders are operated by a crank pin.
  • the present application makes use of the pistons and combustion processes shown in the document DE 3314543.
  • the cylinders and the half cylinder head are kept away from the heat radiation to the outside in that the engine walls and the engine cover are designed with a double wall and with an insulating layer in between.
  • Fig. 1 The inner and outer oil purging of the cylinder is shown in Fig. 1, part (1) representing the motor housing with the oil channel (2). On the oil channel (2), which is fed with lubricating oil, one or more oil splashes (3) are arranged, which spray the interior of the cylinder (4) in the plane of motion of the connecting rod.
  • the spray oil (5) is controlled by guide vanes (6) in the direction of the upper piston part (7) and from there is conveyed back to the lower piston part (8). Cooling oil flows through a second bore (9) into the annular space (10), which continues into the cylinder head (11).
  • the cooling oil flows from the annular space (10) through a bore (12, 13) into the valve control space (14), from where it is deflected into the common oil space (15) and cools the cylinders (4) from the outside with spray oil.
  • a common cover (16) which closes the two valve control spaces (14), is stretched over this common oil space (15) of both cylinder rows. Only the part of the cylinder head (11) outside the valve control chamber (14) is not wetted with oil. Through this part of the cylinder head (11) lead the channels for inlet (17) and exhaust (18). The return of the outer cooling oil leads between the free-standing cylinders (4) and is limited by the sound and heat-insulated outer wall (19).
  • the cylinders (4) are arranged completely free-standing, so that the ring channel (10) runs around the entire cylinder. Oil cooling around the entire circumference of the cylinder is also achieved on the inside of the cylinder.
  • the lower piston part (8) has on its inside the guide vanes (6), which run in the direction of the piston pin (20), and on its outside guide surfaces (31) (Fig. 2), which are transverse to the piston pin (20) .
  • the cooling oil reaches the entire cylinder and about 80% of the cylinder length of the inner cylinder surface.
  • the inner cooling oil does not reach the cylinder surface covered by the piston sealing jacket (22), which is why the sealing jacket is cooled on its inner surface with spray oil (5).
  • the ring channel (10) is pierced approximately as deep as the length of the sealing jacket, so that good oil cooling is guaranteed on both sides of this important upper cylinder part.
  • the noise-emitting parts such as camshaft (23), valve train (24), injection pump (25) and nozzle (26), are also housed in the common sound and heat-sealed oil chamber (15).
  • the higher operating temperature for the injection elements is intended because it is required for the vegetable oil fuel.
  • a combustion process is provided in the piston combustion chamber (27), in which the excess air (29) rotates around the hot combustion zone (28), which provides good protection against high temperatures in the upper piston part (7).
  • Fig. 2 shows a section of the lower piston part (8) in the direction of the piston pin with the outer guide surfaces (31), which collect the spray oil (5) (Fig. 1) reclaimed from the upper piston part (7) and divert into the hole for the piston pin (32).
  • the oil is held here briefly by the lower oil sealing edge (33) in order to achieve more intensive cooling of the cylinder wall in this plane. It then flows through the bores (34) into the lower part of the cylinder (4).
  • the arrows (35) show the oil sprayed up on the guide surfaces (6), which is deflected back by the upper part of the piston.

Abstract

Es handelt sich um eine Brennkraftmaschine mit reduzierter Schall-, Wärme- und Schadstoffemission. Die Optimierung der Eigenschaften eines ölgekühlten Motors bedingt hierbei eine am ganzen Zylinderumfang gleichmässig verteilte Wärmeabfuhr durch das Öl. Aus diesem Grund wurde ein Kolbenunterteil entwickelt, das die innere Ölkühlung gleichmässig am Umfang verteilt. Die äussere Kühlung wurde dadurch verbessert, dass freistehende Zylinder mit einer am ganzen Umfang ringförmig eingestochenen Kühlölführung versehen sind, und dass die freistehenden Zylinder in einem von Spritzöl gekühlten gemeinsamen Raum stehen. Je gleichmässiger diese Kühlung am ganzen Zylinderumfang ist, umso höher kann das Temperaturniveau des Zylinders gewählt werden, was für die Verbrennung von Pflanzenölen anstelle von Erdölprodukten enorm wichtig ist. Gleichzeitig wird mit der vorliegenden Konstruktion das Ziel verfolgt, den Dieselmotor in seiner Leistungsdichte und Laufkultur so zu verbessern, dass seine Nachteile gegen den Ottomotor weitgehend ausgeglichen sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine mit freistehenden Zylindern und geringen Emissionswerten von Wärme, Schall und Schadstoffen.
  • Die Gleichung Kühlung gleich Aufheizung muß für alle Brennkraftmaschinen stimmen. Was von einem künftigen Motor aber verlangt wird, ist, daß die Wärmeemission möglichst klein gehalten wird. Wärmeverluste, die nicht vermeidbar sind, sollen außerdem mit einem möglichst hohen Temperaturniveau einer nützlichen Verwendung, wie z. B. einer Kabinenheizung, zugeführt werden. Da Kühlwasser bei relativ niedriger Temperatur kocht und Kühlluft wegen ihrer Verunreinigung am Motor für viele Zwecke unbrauchbar wird, besteht Veranlassung, das Motorenöl als Kühlmittel heranzuziehen. Aus diesem Grund gab es schon immer Versuche, Motorenteile, wie Kolben, Zylinder und Zylinderkopf, mit Ölkammern zu versehen, um die anfallende Abwärme im Öl aufzufangen (z. B. DE 26 49562). Aus Gründen, die in den thermischen Eigenschaften des Öls liegen, ging dabei die Gleichung Aufheizung gleich Kühlung nur bei geringer Aufheizung, also kleiner Motorleistung, auf.
  • Wesentlich höhere Motorenleistungen mit reiner Ölkühlung wurden erreicht, wenn der Kolben und das Brennverfahren so gestaltet sind, daß nur wenig Wärme aus dem Brennraum an die Zylinderwand fließen kann (DE 3314543). Allerdings ergibt sich auch hier eine Leistungsbegrenzung dieser Ölkühlung dadurch, daß die Kühlung im wesentlichen nur quer zur Kurbelwellenlage wirksam ist. Im Längsschnitt des Motors ist eine solche Kühlung nicht wirksam, weil die im Kolbenunterteil angeordneten Umlenkschaufeln für das Kühlöl nur in einer Richtung wirken. Die innere Kühlung ist damit nicht gleichmäßig auf den Umfang verteilt. Auch die äußere Kühlung ist nicht am ganzen Zylinderumfang wirksam, da die Zylinder zusammengegossen sind. In Längsrichtung der Kurbelwelle hat diese Konstruktion sowohl innere wie äußere Kühlungsmängel.
  • Um auch in dieser Beziehung den ölgekühlten Motor zu optimieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die innere Ölkühlung von Zylinder und Kolben dadurch zu verbessern, daß im Kolbenunterteil der Rückfluß des hochgespritzten Kühlöls um 90 * ° umgelenkt wird, was eine wesentliche Verbesserung in der thermischen Rundheit des Zylinders bringt.
  • Die äußere Kühlung des Zylinders wird dadurch verbessert, daß die Zylinder freistehend in den ölbespritzten Raum des Motors einbezogen werden. Erreicht wird dies dadurch, daß die Zylinder in V-Stellung angeordnet werden und mit einem gemeinsamen Deckel für beide Zylinderreihen abgedeckt sind. Dieser Deckel ersetzt die üblichen Zylinderkopfdeckel, so daß alles Öl, das für Ventilsteuerung und Kopfkühlung dient, zusätzlich der äußeren Zylinderkühlung zugute kommt.
  • Auch der am oberen Ende des Zylinders angeordnete Ringraum für die äußere Ölkühlung wird im Gegensatz zu DE 3314543 rings um den Zylinder geleitet. Der dafür nötige größere Zylinderabstand wird dadurch geschaffen, daß der Kurbeltrieb für jeden Zylinder eine gesonderte Kröpfung hat und nicht, wie bei V-Motoren üblich, von einem Kurbelzapfen zwei Zylinder bedient werden.
  • Bezüglich der Reduzierung von Aufheizung und Kühlung bedient sich die vorliegende Anmeldung der in der Schrift DE 3314543 gezeigten Kolben und Brennverfahren. Um die Wärmeemission aber noch zu verkleinern, sind die Zylinder und der halbe Zylinderkopf dadurch von der Wärmeabstrahlung nach außen ferngehalten, daß die Motorenwände und der Motorendeckel mit doppelter Wand und mit einer dazwischenliegenden Isolierschicht ausgeführt sind.
  • Was in diesem Falle der Reduzierung von Wärmeemission dient, ergibt auch eine Verminderung der Schallemission, die für den Dieselmotor immer dringlicher wird.
  • Die Reduzierung der Schadstoffemission, z. B. CH, ergibt sich bei der vorgesehenen Rundumkühlung des Zylinders dadurch, daß der Kolben dadurch viel gasdichter ausgeführt werden kann. Er kann auch bereits oberhalb der Kolbenringe völlig dicht an den Zylinder angelegt werden. In diesem Punkt waren alle bisherigen Kühlungsarten deshalb mangelhaft, weil die Kolben der thermischen Unrundheit des Zylinders nicht angepaßt werden können. In den Dichtspalten entstehen Schadstoffe.
  • Für die anteilmäßige größte Emission, den COz-Ausstoß, wird es künftig bedeutsam sein, daß die große Wärmedichtheit des Brennverfahrens und der Brennraumteile mit einer optimalen Gasdichtheit von Kolben und Zylinder gepaart ist. Nur so können statt Erdölprodukten Pflanzenöle als Motorentreibstoff eingesetzt werden.
    • Bildbeschreibung
  • Fig. 1 In Fig. 1 ist die innere und äußere Ölbespülung des Zylinders dargestellt, wobei Teil (1) das Motorgehäuse mit dem Ölkanal (2) darstellt. An dem Ölkanal (2), der mit Schmieröl gespeist wird, sind ein oder mehrere Ölspritzer (3) angeordnet, die das Innere des Zylinders (4) in der Bewegungsebene des Pleuels anspritzen. Das Spritzöl (5) wird von Leitschaufeln (6) in Richtung des Kolbenoberteils (7) gesteuert und von dort wieder zum Kolbenunterteil (8) zurückbefördert. Durch eine zweite Bohrung (9) fließt Kühlöl in den Ringraum (10), der sich in den Zylinderkopf (11) hinein fortsetzt. Vom Ringraum (10) fließt das Kühlöl durch eine Bohrung (12, 13) in den Ventilsteuerungsraum (14), von wo aus es in den gemeinsamen Ölraum (15) umgelenkt wird und die Zylinder (4) von außen her mit Spritzöl kühlt. Über diesen gemeinsamen Ölraum (15) beider Zylinderreihen ist ein gemeinsamer Deckel (16) gespannt, der die beiden Ventilsteuerungsräume (14) abschließt. Nur der außerhalb des Ventilsteuerungsraumes (14) befindliche Teil des Zylinderkopfes (11) ist nicht mit Öl benetzt. Durch diesen Teil des Zylinderkopfes (11) führen die Kanäle für Einlaß (17) und Auslaß (18). Der Rücklauf des äußeren Kühlöls führt zwischen den freistehenden Zylindern (4) hindurch und wird durch die schall- und wärmeisolierte Außenwand (19) begrenzt.
  • Die Zylinder (4) sind völlig freistehend angeordnet, so daß der Ringkanal (10) rund um den ganzen Zylinder läuft. Auch an der Innenseite des Zylinders wird eine Ölkühlung am ganzen Zylinderumfang erreicht. Zu diesem Zweck hat das Kolbenunterteil (8) an seiner Innenseite die Leitschaufeln (6), die in Richtung des Kolbenbolzens (20) verlaufen, und an seiner Außenseite Leitflächen (31) (Fig. 2), die quer zum Kolbenbolzen (20) stehen. So erreicht das Kühlöl den ganzen Zylinderumfang und etwa 80 % der Zylinderlänge der inneren Zylinderfläche. Nicht erreicht wird vom inneren Kühlöl die vom Kolbendichtmantel (22) abgedeckte Zylinderfläche, weshalb der Dichtmantel an seiner inneren Fläche mit Spritzöl (5) gekühlt wird. Der Ringkanal (10) ist etwa so tief eingestochen, wie die Länge des Dichtmantels beträgt, so daß auch an diesem wichtigen oberen Zylinderteil beiderseits gute Ölkühlung garantiert ist.
  • Die geräuschemittierenden Teile, wie Nockenwelle (23), Ventiltrieb (24), Einspritzpumpe (25) und Düse (26), sind ebenfalls im gemeinsamen schall- und wärmeabgedichteten Ölraum (15) untergebracht. Die höhere Betriebstemperatur für die Einspritzelemente ist beabsichtigt, da sie für den Brennstoff Pflanzenöl erforderlich ist.
  • Im Kolbenbrennraum (27) ist ein Brennverfahren vorgesehen, bei dem um die heiße Brennzone (28) die Überschußluft (29) rotiert, was einen guten Schutz gegen hohe Temperaturen im Kolbenoberteil (7) ergibt.
  • Diese Art der geringen Aufheizung und Kühlung macht es möglich, daß die übliche Gasdichtung zwischen dem Zylinder und Zylinderkopf an der Verbindungsstelle (30) entfällt.
  • Fig. 2 Fig. 2 zeigt einen Schnitt des Kolbenunterteils (8) in Richtung des Kolbenbolzens mit den äußeren Leitflächen (31), die das vom Kolbenoberteil (7) (Fig. 1) zurückgeworfende Spritzöl (5) (Fig. 1) auffangen und in die Bohrung für den Kolbenbolzen (32) umleiten. Das Öl wird hier kurzzeitig durch den unteren Öldichtrand (33) festgehalten, um eine intensivere Zylinderwandkühlung in dieser Ebene zu erreichen. Es fließt dann durch die Bohrungen (34) in den unteren Teil des Zylinders (4) ab. Die Pfeile (35) zeigen das an den Leitflächen (6) hochgespritzte Öl, das vom Kolbenoberteil zurückgelenkt wird.

Claims (14)

1. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine mit freistehenden Zylindern und geringen Emissionswerten von Wärme, Schall und Schadstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die innere wie die äußere Ölkühlung gleichmäßig am Zylinderumfang angeordnet ist und ca. 80 % der Zylinderfläche mit Kühlöl bespült wird.
2. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Zylinder (4) in einer V-Stellung von 60 0 durchgeführt wird.
3. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze Ölraum (15), in dem die Zylinder (4) stehen, allseitig mit einer wärme- und schalldichten Verkleidung umgeben ist.
4. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderköpfe (11) mit ihren Ventilsteuerungsteilen unter einem gemeinsamen Deckel (16) für beide Zylinderreihen liegen, der das Spritzöl an die Außenflächen der Zylinder zurückführt.
5. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenunterteil (8) vier Leitflächen besitzt. Die innere Leitschaufel (6) führt das hochgespritzte Öl in den Raum zwischen Kolbenunterteil und -oberteil, wo es durch die äußeren Leitflächen (31) an die quer zur Bolzenachse liegende Zylinderfläche abgeleitet wird.
6. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das über diese äußeren Leitflächen (31) zurückfließende Öl in die Bohrung für den Bolzen (32) eingeleitet wird, wo es vom unteren Abdichtrand (33) des Kolbenunterteils (8) zurückgehalten wird oder durch die Bohrungen (34) abfließt.
7. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Kühlöl durch eine Bohrung (13) in den Ölraum (15) ausspritzt und alle darin befindlichen Elemente sowie die äußere Zylinderfläche gleichmäßig temperiert.
8. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß, um den Zwischenraum zwischen den freistehenden Zylindern ausreichend groß zu machen, die Kurbelwelle des Motors mit getrennten Hubzapfen für jeden Zylinder ausgestattet ist.
9. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anordnung nach Anspruch 1 und folgende ein wärmedichtes Brennverfahren und der als Stahlgelenkkolben bekannte wärmedichte Kolben verwendet werden.
10. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die im Schmierkühlöl gesammelte Wärmemenge des ganzen Motors einem Ölkühler zugeleitet wird, der extern vom Motor angeordnet ist und zur Kabinenheizung, für Trocknungsanlagen usw. benutzt werden kann.
11. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß das höhere Temperaturniveau des Ölkühlsystems dazu benutzt wird, die Pflanzenöle als Treibstoff für den Motor thermisch aufzubereiten (z. B. Tankbeheizung).
12. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßig am Umfang des Zylinders verteilte innere und äußere Ölkühlung dazu benutzt wird, das Dichtspiel zwischen den Kolben und den Zylindern auf ein Kleinstmaß zu reduzieren.
13. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und äußere Ölkühlung durch Mengenregelung so aufeinander abgestimmt wird, daß in allen Lastbereichen annähernd das gleiche Kolbenspiel zum Zylinder beibehalten wird.
14. Ölgekühlte Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der geringstmöglichen Kolbenspiele und der schall- und wärmedichten Abdeckungen des Ölraumes und des Einstrahl-Brennverfahrens ein Minimum an Motorengeräusch des Dieselmotors erreicht wird.
EP85102582A 1984-03-13 1985-03-07 Ölgekühlter, zweiteiliger Gelenkkolben Expired - Lifetime EP0154939B1 (de)

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