EP0154939A2

EP0154939A2 - Ölgekühlter, zweiteiliger Gelenkkolben

Info

Publication number: EP0154939A2
Application number: EP85102582A
Authority: EP
Inventors: Ludwig Elsbett; Günter Elsbett; Klaus Elsbett
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1985-09-18
Anticipated expiration: 2005-03-07
Also published as: US4715335A; DE3581093D1; JPS618418A; JPH0262685B2; EP0154939A3; EP0154939B1

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 CO_z-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

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.