DE7621243U1 - Rippenzylinder fuer eine luftgekuehlte hubkolbenmaschine - Google Patents

Description

Klöckner-Humboldt-DeutzAG /5Λk'^U"*8EL^ 5000 Köln 80, den 29. Juni 1976

Unsere Zeichen: D 76/31; APTA So/Rü

Rippenzylinder für eine luftgekühlte Hubkolbenmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rippenzylinder für eine j luftgekühlte Hubkolbenmaschine, bei der der Zylinder zusammen ? mit dem Zylinderkopf gegen das Kurbelgehäuse verspannt ist. ,

Bei Zylinder-Zylinderkopf-Verbindungen, die mit dem Kurbeige- | häuse mittels Zuganker verspannt sind, finden sich im Bereich \ der Pügeflachen zwischen Zylinder und Zylinderkopf starke Ma- |

I terialanhäufungen, die im Betrieb zu einem Wärmestau führen, so daß die zulässigen Bauteiltemperaturen die Leistung begren- _; zen. 1

Besonders betroffen sind von dieser Überhitzung der Leichtmetallzylinderkopf, dessen Dichtflächen sich bei aufgeladenen Motoren verformt und zum Durchblasen neigt.

Mit Rücksicht auf den angestrebten kleinen Bauraum besonders bei
Reihenmaschinen mit sehr kleinem Zylinderabstand lassen sich die
Kühlrippen nicht weiter' vergrößern. Außerdem wurden größere Kühl-

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rippen bei den vorgegebenen Wanddicken im Bereich der Fügeflächen den Wärmestau nicht nennenswert abbauen. Hinzu kommt, daß in diesem Bereich, der mit der oberen Totpunktlage des Kolbens zusammenfällt, die größte Wärmemenge anfällt, so daß mit Erreichen der zulässigen Bauteiltemperatur jeder Leistungssteigerung eine Grenze gesetzt ist.

Es ist bekannt (DT-OS 2 226 254), bei einer luftgekühlten Brennkraftmaschine mit hängenden Zylindern, bei der die Stützfläche für die Zylindereinheit etwa in das obere Drittel des Zylinders verlegt ist, im Bereich der Fügeflächen von Zylinder und Zylinderkopf besonders große Kühlrippen anzubringen. Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß nur die untere Zweidrittellänge des Zylinders den Vorteil des hängenden Zylinders hat, während sich am oberen Zylinderende alle Probleme des verspannten Zylinders mit Materialanhäufungen im Bereich der Fügeflächen einstellen. Als besonderer Nachteil ist der wesentlich größere Bauraum anzusehen, der bei Reihenmaschinen zu einer beträchtlichen Verlängerung und Gewichtzunahme der Maschine führt. Die bei hängenden Zylindern hochgezogenen Stützen - im vorliegenden Falle vom Kurbelgehäuse, gebildet - auf denen sich die Zylindereinheiten abstützen, bedeuten ebenfalls ein unerwünschtes Mehrgewicht und zusätzlichen Bauraum.

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Es ist ferner bekannt (DT-PS 1 278 793), Rippenzylinder im
Bereich des Zylinderbundes am Umfang mit einer Ringnut zu versehen und diese Ringnut zusätzlich zu kühlen. Nachteilig ist
hierbei, daß die Ringnut eine Schwächung der Wandstärke bedeutet, die Verformungen des Zylinders bis zum Kolbenklemmen als
Folge haben kann. Außerdem sind die Bohrungen im übergreifenden Zylinderkopf zur Belüftung der Ringnut zu klein, um genügend
Kühlluft hii durchströmen zu lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer luftgekühlten Zylindereinheit aus dem Bereich der Verbindung Zylinder-Zylinderkopf und dem oberen Zylinderende möglichst viel Wärme abzuführen, um dadurch die Planschflächen.von Zylinder und Zylinderkopf, die zum Durchblasen neigen, vor Überhitzung schützen.

Dieses wird bei einem Rippenzylinder der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das obere Ende des Zylinders als verrippter Ring ausgebildet ist, der kleinere Rippenabstände bei gleicher oder geringerer Wanddicke als der übrige Zylinder aufweist und aus einem Werkstoff höherer Festigkeit und/oder höherer Wärmeleitfähigkeit als der übrige Zylinder hergestellt ist.

Damit ist es möglich, den verrippten Ring aus einem gut wärmeleitenden Stahl hoher Festigkeit herzustellen, der eine geringere Wandstärke als der Rippenzylinder aus Schleuderguß benötigt.

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Die geringere Wandstärke erlaubt bei gleichem Zylinderabstand größere Rippentiefen und damit zugleich größere Durchtrittsquerschnitte für die Kühlluft} so daß der Wärmedurchgang und die Wärmeabfuhr vergrößert werden. Die einfache Ringform gestatteb es, die Rippen durch mechanische Bearbeitung herzustellen, so daß sehr kleine Rippenabstände und große Rippentiefen gefertigt werden können, die eine große Kühlfläche ergeben.

Bei Verwendung eines verrippten Ringes aus einer gut wärmeleitenden Aluminiumlegierung muß zwar die Wanddicke etwa so dick sein wie die eines herkömmlichen Rippenzylinders; am Bund wird jedoch auch bei dieser Ausführung durch den engeren Rippenabstand in Verbindung mit der besseren Wärmeleitfähigkeit eine beachtliche Senkung der Zylindertemperaturen im Bereich des .Feuersteges erzielt.

g Damit bei der Auswahl des Werkstoffes für den verrippten Ring

fe lediglich die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit zu berück-

•| sichtigen sind, soll nach einem weiteren Gedanken der Erfindung

■' die Höhe des verrippten Ringes sich über die Länge des Feuer-

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steges des Kolbens in der oberen Totpunktlage erstrecken. Da dieser Bereich nicht vom Kolbenring berührt wird, bedarf es auch

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keiner Werkstoffauswahl nach guten Laufeigenschaften. Bekanntlich sind ja gerade die schlechten Laufeigenschaften von Leichtmetall, die der Verwendung von Leichtmetallzylindern trotz ihrer guten Wärmeleitfähigkeit im Wege stehen.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der verrippte Ring mit dem Zylinder fest verbunden ist. Bei einem Ring aus legiertem Stahl könnte diese Verbindung durch Elektronenstrahlschweißung hergestellt v/erden. Damit wäre es möglich, noch ein Teil der im oberen Zylinder anfallenden Wärme über den verrippten Ring abzuführen.

Umgekehrt kann bei Ausführung des verrippten Ringes aus einer Aluminiumlegierung dieser durch Elektronenstrahlschweißung mit dem Zylinderkopf aus Leichtmetall fest verbunden sein.

Eine andere Wärmeverteilung, die die Dichtflächen des verrippten Ringes vor Überhitzung schützt, und noch ein Teil Wärme aus dem Zylinderkopf und dem Zylinder über den Ring abführt, wird dadurch erreicht, daß der verrippte Ring an seiner Zylinderlauffläche mit einem wärmeisolierenden Werkstoff beschichtet ist. Dieses kann z. B. eine Schicht aus plasmagespritztem Aluminiumoxyd sein.

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Die gleiche Wirkung wird dadurch erreicht, daß der verrippte
Ring an seiner Zylinderlauffläche doppelwandig mit einem Luftspalt ausgebildet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch da^jestellt.

Die Abb. 1 zeigt- einen Längsmittelschnitt durch eine luftgekühlte Zylindereinheit, in der die rechte und linke Seite des Schnittbildes jeweils ein anderes Beispiel der Erfindung zeigen.

Die Abb. 2 zeigt einen Längsmittelschnitt durch eine luftgekühlte Zylindereinheit, in der die rechte und linke Seite des Schnittbildes jeweils ein anderes Beispiel der Er- i findung zeigen.

In Abb. 1 ist ein Rippenzylinder 1 aus Schleuderguß mit einem
Leichtmetallzylinderkopf 2 und einem Kolben 3 - letzterer in der oberen Totpunktstellung - einer luftgekühlten Brennkraftmaschine im Schnitt dargestellt. Auf der linken Seite des Schnittbildes ist zwischen dem Rippenzylinder 1 und dem Zylinderkopf 2 ein verrippter Ring 4 aus legiertem Stahl eingespannt.

Der verrippte Ring 4 aus einem legierten Stahl hoher Festigkeit j mit gutem Wärmeleitvermögen hat eine dünne Wandstärke, die eine

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größere Rippentiefe ermöglicht. Die Rippenabstände sind sehr eng, so daß entsprechend viele Rippen auf kleinem Raum untergebracht werden können. Damit wird eine sehr große Ober-fläche geschaffen, die zusammen mit der verringerten Wandstär-

ke einen guten Wärmedurchgang und Wärmeabfuhr ermöglicht. Die Lage der verrippten Ringe 4, 5 und 7, 9 erstreckt sich etwa über den Bereich des Feuersteges Ί0 des Kolbens 3.

Die rechte Seite des Schnittbiides zeigt zwischen dem Rippenzylinder 1 und dem Zylinderkopf 2 einen verrippten Ring 5 aus

\ Leichtmetall, der mit dem Zylinderkopf 2 durch die Schweißnaht j 6 fest verbunden ist..

Abweichend von der zeichnerischen Darstellung kann der verrippte Ring 4 auch durch eine Schweißnaht mit dem Zylinder aus Schleuderguß verbunden sein.

Der verrippte Ring 5 hat wegen der geringen Festigkeit von Leichtmetall zwar eine größere Wandstärke als der verrippte Ring 4; dafür besitzt Leichtmetall jedoch eine bessere Wärmeleitfähigkeit, die zusammen mit der größeren Anzahl Kühlrippen eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr ergibt.

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Bei der Ausführung des verrippten Ringes aus Leichtmetall ist in der Planschverbindung zum Rippenzylinder 1 aus Schleuderguß eine Dichtung 11 aus Stahl vorgesehen, um der bekannten Zerstörung der Dichtflächen durch Reibrost entgegenzuwirken.

Abweichend von der zeichnerischen Darstellung kann der verrippte Ring 5 auch anstelle der Schweißnaht mit dem Zylinderkopf 2 durch eine Flanschverbindung verbunden sein.

Da die enge Rippenteilung der verrippten Ringe 4 und 5 nicht durch Gießen hergestellt werden kann, ist es zweckmäßig, diese Ringe als Drehteile aus rohrförmigen! Ausgangsmaterial zu fertigen.

•Da bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen im oberen Bereich des Zylinders der größte Teil der Wärme aus dem Arbeitsprozeß freigesetzt wird, ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Ausführung einen großen Teil der Wärme abzuführen. Durch diesen besseren Wärmetransport werden die Bauteiltemperaturen örtlich herabgesetzt, so daß eine weitere Leistungssteigerung möglich ist. Ganz besonders gewinnt von dieser Maßnahme die Flanschfläche zwischen Zylinder und Zylinderkopf die allgemein bei luftgekühlten Motoren hoher Leistungsdichte zum Durchblasen neigt.

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In der Abb. 2 ist ein Rippenzylinder 1 aus Schleuderguß mit einem Leichtmetallzylxnderkopf 2 und einem Kolben 3 - letzterer in der oberen Totpunktstellung - einer luftgekühlten Brennkraftmaschine im Längsmittelschnitt dargestellt«

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Auf der linken Seite des Schnittbildes ist zwischen dem Rip- i

penzylinder 1 und dem Zylinderkopf 2 ein verrippter Ring 7 aus I legiertem Stahl eingespannt. Auf die zylindrische Innenfläche des verrippten Ringes 7 ist eine wärmeisolierende Schicht 8 aus ) plasmagespritztem Aluminiumoxyd aufgebracht. Die Schicht 8 verhindert eine starke Aufheizung des verrippten Ringes 7 und der Dichtflächen, so daß Wärme aus dem Zylinderkopf 2 und Rippenzylinder 1 an den verrippten Ring 7 fließen kann, die dann über dessen große Kühlrippenfläche an die Kühlluft abgegeben wird.

Abweichend von der zeichnerischen Darstellung kann der verrippte Ring 7 auch durch Elektronenstrahlschweißung mit dem Rippenzylinder 1 verbunden sein oder bei Ausführung des verrippten Ringes 7 in Leichtmetall mit dem Zylinderkopf 2 aus Leichtmetall.

Der auf der rechten Seite des Schnittbildes 2 dargestellte verrippte Ring 9 ist als doppelwandiger Ring mit einem Luftspalt geringer Breite ausgeführt. Der verrippte Ring 9 kann durch Zu-

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sammensetzen zweier Ringe gebildet werden, wobei der innere Ring mit U-förmigem Profil mit dem äußeren Ring mit Rippen durch Schrumpfen oder Schweißen verbunden sein kann. Andere Verbindungsarten zum Zusammenfügen der beiden Ringe sollen nicht ausgeschlossen sein. Auch bei dieser Ausführung kann der verrippte Ring 9 je nach Werkstoff mit dem Zylinderkopf 2 oder dem Zylinder 1 durch Elektronenstrahlsc.iweißung verbunden sein.

Der Luftspalt des verrippten Ringes 9 mit seiner isolierender Wirkung soll in gleicher Weise wie der verrippte Ring 7 eine starke Aufheizung des Ringes 9 vermeiden, so daß Wärme aus dem Zylinderkopf 2 und dem Rippenzylinder 1 nachfließen kann, die dann über die große Rippenoberfläche abgeführt wird.

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   9—K—t-e-η—t fernsprüche

   j 1. Rippenzylinder für eine luftgekühlte Hubkolbenmaschine, bei der der Zylinder zusammen mit dem Zylinderkopf gegen das Kurbelgehäuse verspannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Zylinders (1) als verrippter Ring (4,5,7,9,) ausgebildet ist, der kleinere Rippenabstände bei gleicher oder geringerer Wanddicke als der übrige Zylinder (1) aufweist und aus einem Werkstoff höherer Festigkeit und/oder höherer Wärmeleitfähigkeit als der übrige Zylinder (1) hergestellt ist.
2. 2. Rippenzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des verrippten Ringes (4,5,7,9,) sich über die Länge des Feuersteges (10) des Kolbens (3) in der oberen Totpunktlage erstreckt.
3. 3. Rippenzylinder nach Anspruch l.oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verrippte Ring (4,5,7,9,) mit dem Zylinder fest verbunden ist.
4. 4. Rippenzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verrippte Ring (4,5,7,9,) mit dem Zylinderkopf fest verbunden ist.

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5. 5. Rippenzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der verrippte Ring (4,5,7,9,) an seiner Zylinderlauffläche mit einem wärmeisolierenden Werkstoff (8) beschichtet ist.
6. 6. Rippenzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der verrippte Ring (4,5,7,9,) an seiner Zylinderlauffläche doppelwandig mit einem Luftspalt ausgebildet ist.