DE3873184T2

DE3873184T2 - Waermeisolierter brennkraftmaschinenaufbau.

Info

Publication number: DE3873184T2
Application number: DE19883873184
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura; Hiroshi Matsuoka
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2008-05-26
Also published as: DE3873184D1; EP0294092B1; EP0294092A3; CA1331119C; DE294092T1; EP0294092A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine wärmeisolierende Motorstruktur.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Ein wärmeisolierender Verbrennungsmotor, der wärmeisolierende Teile und hitzebeständige Teile verwendet, die beide aus einem Keramikmaterial hergestellt sind, war bislang bekannt und ist z. B. in der ungeprüften japanischen Patent-Bekanntmachung Nr. 59-122.765 offenbart. Dieser wärmeisolierende Motor wird mit Bezugnahme auf Fig. 5 der beigefügten Zeichnung beschrieben. Dieser wärmeisolierende Motor 50 umfaßt einen Zylinderkopf 53 aus einem Gußmaterial und einen Zylinderbüchsen-Kopfteil 51 aus einem Keramikmaterial, der in den Zylinderkopf mit dazwischengelegten Positionierringen 66 und 67 eingepaßt ist. Der Zylinderbüchsen-Kopfteil 51 bildet einen unteren Zylinderkopf-Wandteil 63 und einen einstückig verbundenen Zylinderbüchsen-Oberteil 64, die beide dem Verbrennungsgas unter den höchsten Temperatur- und Druckbedingungen während jedes Arbeitszyklus des Motorbetriebs ausgesetzt sind, und von denen am meisten Wärme während des Motorbetriebs abgeführt wird. Ein Zylinderblock 69 ist unter dem unteren Ende des Zylinderbüchsen-Kopfteils 51 mit einer dazwischengelegten Dichtung 65 angeordnet. Der Zylinderblock 69 ist mit einer Zylinderbüchse 52 versehen, welche einen hin- und herlaufenden Kolben mit einem Kolbendeckel 54 aus Siliziumnitrid aufnimmt. Der Kolbendeckel ist in seinem mittleren Bereich vertieft, wie unter der Bezugszahl 55 dargestellt, um einen Brennraum 62 zu bilden, und weist einen nach innen abgestuften unteren Abschluß 56 auf, der als Mittel zum Positionieren dient und verhindert, daß der Kolbendeckel 54 sich im Verhältnis zum Kolbenkörper 57 verschiebt, wenn der Kolbendeckel mit dem Kolbenkörper zusammengebaut wird. Ein Schraubenloch 68 ist in der Bodenwand der Vertiefung 55 ausgebildet und verläuft durch dieselbe. Der äußere Umfang des Oberteils des Kolbenkörpers 57 ist dergestalt geformt, daß er einen ringförmigen Vorsprung 58 ergibt, welcher satt gegen den nach innen abgestuften unteren Abschluß des Kolbendeckels 54 anliegt. Die obere Fläche des Kolbenkörpers weist einen nach oben vorstehenden Mittelteil 59 mit einer gegen die untere Fläche des Kolbendeckels 54 anliegenden oberen Fläche auf. Kolbendeckel und Kolbenkörper 54 und 57 sind durch eine Schraube 60 miteinander verbunden, welche durch das Schraubenloch 68 im Kolbendeckel und ein ähnliches Schraubenloch im Kolbenkörper 57 verläuft. Einlaß- und Auspuffventile 61, von denen nur eines gezeigt ist, sind in der Nähe des unteren Zylinderkopf-Wandteils und axial zur Zylinderbüchse 52 vorgesehen.
Der wärmeisolierende Motor 50 weist keinen Aufbau auf, der geeignet wäre, die Wärmekapazität so weit wie möglich zu reduzieren, da der Kolbendeckel 54 aus Keramik mit der darin vorgesehenen Vertiefung 55 ausgebildet und es daher erforderlich ist, daß er eine wesentliche Dicke aufweist, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Einlaß- und Auspuffventile 61 sind axial zur Zylinderbüchse 52 in Übereinstimmung mit dem Aufbau des Kolbendeckels 54 angeordnet. Der untere Zylinderkopf-Wandteil 63 ist von flachem Aufbau, mit dem Ergebnis, daß die in den Zylinder des Motors eingesaugte Luft vom Einlaßventil radial nach außen strömt und folglich dazu neigt, Wärme sowohl vom oberen Teil der Zylinderbüchse 64 als vom unteren Zylinderkopf-Wandteil 63 aufzunehmen. Somit ist der untere Zylinderkopf-Wandteil nicht in solcher Weise ausgestaltet, daß er die Luft zum Zweck der Luftdurchmischung verwirbelt.
Es ist sehr schwierig, die wärmeisolierenden Eigenschaften eines wärmeisolierenden Motors vollkommen zu erreichen, welcher ein Keramikmaterial als wärmeisolierendes oder hitzebeständiges Material verwendet. Der Motor ist von einem derartigen Aufbau, daß die Keramikteile dem Verbrennungsgas bei hoher Temperatur ausgesetzt sind, so daß die Keramikteile Wärmestöße erleiden, was ein Problem hinsichtlich der mechanischen Festigkeit aufwirft. Im Fall der Erhöhung der Dicke eines Keramikteils zum Zweck der Wärmeisolierung erhöht sich die Wärmekapazität dieses Teils, mit dem nachteiligen Ergebnis, daß die während eines Ansaughubs des Zylinders in den Zylinder des Motors eingesaugte Luft Wärme besonders von dem Keramikteil aufnimmt und sich erwärmt und expandiert, so daß der Ansaugwirkungsgrad stark abnimmt.
Die Erfindung strebt danach, einen wärmeisolierenden Motor zu schaffen, welcher derart aufgebaut ist, daß der Ansaugwirkungsgrad sowie der Wirkungsgrad des Arbeistszyklus des wärmeisolierenden Motors verbessert und gleichzeitig sichergestellt wird, daß der von einer Kraftstoffeispritzdüse eingespritzte Kraftstoff unverzüglich und gleichmäßig mit Ansaugluft vermischt wird, um damit die oben aufgezeigten Probleme zu lösen.
Demzufolge bestand der Wunsch, den Ansaugwirkungsgrad und den Wirkungsgrad des Arbeitszyklus von wärmeisolierenden Motoren zu verbessern. Darüber hinaus wurde bei Dieselmotoren ebenso gefordert, sicherzustellen, daß ein von einer Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzter Kraftstoff mittels eines in einem Brennraum erzeugten Wirbels schnell und gleichmäßig mit Luft vermischt wird.
Gemäß der Erfindung wird eine wärmeisolierende Motorstruktur geschaffen, welche umfaßt:
einen in einer Zylinderbüchse hin- und herbewegbaren Kolben;
einen Zylinderbüchsen-Oberteil aus einem Keramikmaterial, welcher über der Zylinderbüchse angeordnet ist;
einen unteren Zylinderkopf-Wandteil, der mit dem Zylinderbüchsen-Oberteil einstückig verbunden ist; und
einen Zylinderkopf mit einem röhrenförmigen Abschnitt, welcher den einstückig verbundenen Zylinderbüchsen-Oberteil und den unteren Zylinderkopf-Wandteil aufnimmt;
dadurch gekennzeichnet, daß der untere Zylinderkopf-Wandteil und der Zylinderbüchsen-Oberteil miteinander einen Brennraum bilden;
daß der Kolben eine den Verbrennungsgasen ausgesetzte Fläche aufweist, die dem Brennraum zugewandt und eben ist;
daß der untere Zylinderkopf-Wandteil mindestens an der dem Brennraum zugewandten Seite mit einem hochgezogenen äußeren Umfangsteil und einem abgesenkten Mittelteil ausgebildet ist, wobei eine geneigte Fläche radial vom mittleren Teil des äußeren Umfangsteils nach oben verläuft;
daß eine Kraftstoff-Einspritzdüse im wesentlichen mittig zum unteren Zylinderkopf-Wandteil angeordnet ist und radial nach außen gerichtete Einspritzöffnungen aufweist;
und daß Einlaß- und Auspuffventilsitze in der geneigten Fläche des unteren Zylinderkopf-Wandteils ausgebildet sind, welche Einlaß- und Auspuffventile aufweisen, die jeweils den Einlaß- und Auspuffventilsitzen zugeordnet sind.
Insbesondere ist zur Verbesserung des Ansaugwirkungsgrads und des Wirkungsgrads des Arbeitszyklus der obere Flächenteil eines Kolbendeckels des Motors, der den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, aus einer Wand aus Keramikmaterial mit einer möglichst geringen Dicke gebildet, um die Wärmekapazität des oberen Flächenteils des Kolbens auf ein Minimum zu reduzieren. Die Verringerung der Dicke des den Verbrennungsgasen ausgesetzten Keramik-Wandteils und die dadurch bedingte Abnahme der Wärmekapazität desselben gewährleisten, daß die den Brennraum einschließenden Wände besser den Änderungen der Verbrennungsgastemperatur folgen können. Im Vergleich zu dem Fall, in welchem die Wände des Brennraums eine größere Dicke aufweisen, erhöht sich die Amplitude der Temperaturschwankungen in den Wänden des Brennraums mit geringerer Dicke, um vorteilhafterweise die Temperaturdifferenz zwischen den Verbrennungsgasen und dem Keramikmaterial der Wände des Brennraums zu reduzieren, mit einer daraus resultierenden Verringerung der Wärmeübertragung, um dadurch die von den Wänden des Brennraums auf die in den Brennraum eintretende Luft übertragene Wärme zu reduzieren. Die Reduzierung der Wärmeübertragung auf die Ansaugluft ist wirksam, um eine übermäßige Ausdehnung der Ansaugluft zu vermeiden und somit einen glatten Luftstrom in den Brennraum zu gewährleisten, wodurch sich der Ansaugwirkungsgrad und der Wirkungsgrad des Arbeitszyklus stark verbessert.
Durch die Schaffung einer wärmeisolierenden Motorstruktur, bei welcher der obere Wandteil eines Kolbens, der den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, flach gestaltet ist, bildet dieser Teil keinen Brennraum, und statt dessen ist ein Brennraum im unteren Zylinderkopf-Wandteil ausgebildet. Dies erfolgt deswegen, weil es zur Reduzierung der Dicke des oberen Wandteils des Kolbens in höchstem Maß vorzuziehen ist, daß der obere Wandteil des Kolbens eine derartige flache Form aufweist.
Damit ein Brennraum auf der Zylinderkopfseite statt auf der Kolbenseite ausgebildet werden kann, ist der untere Zylinderkopf-Wandteil aus Keramik derart geformt, daß er den abgesenkten Mittelteil und den vorspringenden äußeren Umfangsteil aufweist und mit einem einstückig verbundenen Keramikoberteil der Zylinderbüchse zusammenwirkt, um den Brennraum zu bilden, wie oben beschrieben. Der oben erwähnte Brennraum ist für die Aufnahme der Strahlform des von der Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzten Kraftstoffs geformt. Somit kann der eingespritzte Kraftstoff unverzüglich mit der Ansaugluft verwirbelt und dadurch dank einer im Brennraum erzeugten Wirbelströmung mit derselben gleichmäßig vermischt werden.
Die Erfindung strebt außerdem danach, eine wärmeisolierende Motorstruktur zu schaffen, bei welcher ein unterer Zylinderkopf-Wandteil und ein Zylinderbüchsen-Oberteil, der mit demselben zusammenwirkt, um einen Brennraum zu bilden, vom Zylinderkopf durch eine wärmeisolierende Schicht thermisch isoliert sind, die Fläche eines Kolbens, welche den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, d. h. ein dünnwandiger oberer Wandteil des Kolbens, von einem Kolbendeckel durch eine wärmeisolierende Schicht thermisch isoliert ist, und der Zylinderbüchsen-Oberteil, der untere Zylinderkopf-Wandteil und der obere Flächenteil des Kolbens derart ausgelegt sind, daß sie eine geringstmögliche Dicke aufweisen, um deren Wärmekapazität auf ein Minimum zu reduzieren sowie dem Motor stark verbesserte Hitzebeständigkeits-Eigenschaften, Wärmeisolierungs-Eigenschaften, Formbeständigkeits-Eigenschaften und Korrosionssicherheits-Eigenschaften zu verleihen.
Vorzugsweise sind die Einlaß- und Auspuffventilsitze in radial nach oben geneigten Flächen des unteren Zylinderkopf- Wandteils dergestalt ausgebildet, daß die Einlaß- und Auspuffventile in umgekehrter V-Form angeordnet sind, und daß insbesondere der Primärstrom der in den Brennraum eingeleiteten Luft, wenn das Einlaßventil geöffnet ist, im wesentlichen mittig zum Brennraum und somit zur Zylinderbohrung liegt, um die Möglichkeit zu verringern, daß die in den Brennraum einströmende Luft in Berührung mit der Innenfläche des erhitzten Zylinderbüchsen-Oberteils kommt, wodurch die Wärmeübertragung vom Zylinderbüchsen-Oberteil zur Luft verringert wird, um die Ausdehnung der Luft auf ein Minimum zu reduzieren und dadurch den Ansaugwirkungsgrad des Motors zu verbessern.
Vorzugsweise weist der Zylinderbüchsen-Oberteil einen oberen röhrenförmigen Teil mit einer Innenfläche von im wesentlichen quadratischem Querschnitt und einen unteren Teil mit einer Innenfläche von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt auf, wodurch der Brennraum einen im wesentlichen quadratischen Teil umfaßt, der durch den oberen röhrenförmigen Teil des Zylinderbüchsen-Oberteils begrenzt ist, wobei die nicht-kreisförmige innere Umfangsform wirksam ist, den im Brennraum gebildeten Wirbel zu vernichten, um eine Verwirbelung zu verursachen, die wirksam ist, den von einer Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzten Kraftstoff unverzüglich und gleichmäßig in einem Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts des Kolbens mit Ansaugluft zu vermischen.
Die Erfindung strebt außerdem danach, eine wärmeisolierende Motorstruktur zu schaffen, bei welcher der Primärstrom der Ansaugluft mittig zum Brennraum und somit zum Zylinder eingerichtet ist, mit einer daraus folgenden Erhöhung der Menge der Ansaugluft, die mit einem dünnwandigen Teil in Berührung kommt, welcher am Kolbendeckel über ein wärmeisolierendes Material angeordnet und den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und bei welcher der dünnwandige Teil derart konstruiert ist, daß er eine sehr geringe Wärmekapazität aufweist, um eine Reduzierung des Ansaugwirkungsgrads auszuschalten, wodurch sich der Ausaugwirkungsgrad und der Wirkungsgrad des Arbeitszyklus des Motors verbessert.
Vorzugsweise ist die Kraftstoffeinspritzdüse im wesentlichen mittig zum unteren Zylinderkopf-Wandteil angeordnet, und ein Brennraum ist für die Aufnahme der Ortskurve bzw. der Kontur des von einer Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzten Kraftstoffstrahls ausgeformt, um die Wärmeübertragung auf den eingespritzten Kraftstoff und auf die Ansaugluft im Brennraum zu reduzieren, so daß die Expansion der Luft unterdrückt und der eingespritzte Kraftstoff gut mit der Luft vermischt werden kann, um eine gute Verbrennung zu gewährleisten.
Der Kolben kann einen Kolbendeckelteil aus Cermet und einen dünnwandigen Teil aus einem Keramikmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige von Cermet, um eine zuverlässige Verbindung zwischen den beiden Teilen zu erzielen, von denen der Kolbendeckelteil aus Cermet äußerst steif und selbst mit einem hohen Druckniveau kaum verformbar ist, um eine stabile Verbindung zwischen dem Kolbendeckelteil und dem dünnwandigen Teil des Kolbens sicherzustellen, eine zuverlässige Gasdichtung am Grenzbereich zwischen denselben herzustellen und jegliches Festigkeitsproblem zu vermeiden, das sonst durch den Wärmestoß nachteilig beeinflußt würde, bei welcher die Hitzebeständigkeits-Eigenschaften, die Formbeständigkeits- Eigenschaften, die Korrosionssicherheits-Eigenschaften usw. des Kolbens verbessert werden, und bei welcher der auf den dünnwandigen Teil des Kolbens bei jedem Verbrennungshub ausgeübte Druck über ein wärmeisolierendes Material vom Kolbendeckelteil ausgehalten werden kann.
Ein zwischen einen dünnwandigen Teil eines Kolbens und einen Kolbendeckelteil eingesetztes wärmeisolierendes Material kann aus Kaliumtitanat-Whisker, Zirkonerde-Faser oder einer Mischung dieser Werkstoffe und Glasfaser hergestellt sein, um eine hochwirksame Wärmeisolierung gegen die in einem dazugehörigen Brennraum erzeugte Wärme zu bilden, das Abfließen von Wärmeenergie aus dem Brennraum über den Kolben auszuschalten, wodurch die Wärmeenergie innerhalb des Brennraums eingeschlossen bleibt, um sicherzustellen, daß die Wärmeenergie mittels eines in Strömungsrichtung hinter dem Strom der Auspuffgase des Motors angeordneten Energiekollektors aufgefangen werden kann.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich in Form von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein Axialschnitt einer Ausführungsform eines wärmeisolierenden Motors gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 ein Querschnitt des Motors längs der Linie II-II in Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Axialschnitt einer anderen Ausführungsform des wärmeisolierenden Motors gemäß der Erfindung ist;
Fig. 4 ähnlich Fig. 3 ist, jedoch einen Luftstrom in einem Brennraum darstellt; und
Fig. 5 ein Axialschnitt des weiter oben besprochenen wärmeisolierenden Motors nach dem bisherigen Stand der Technik ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf Fig. 1, welche den Aufbau des wärmeisolierenden Motors gemäß der Erfindung zeigt, ist der Motor 50 allgemein durch die Bezugszahl 10 bezeichnet und besteht hauptsächlich aus einem Kolben 20, der sich in einer in einen Zylinderblock 38 eingepaßten Zylinderbüchse 34 hin- und herbewegt und durch einen Kolbendeckelteil 1 und einen Kolbenmantelteil 2 aus einem Metall gebildet wird, einem Zylinderbüchsenkopf 30, der in einen metallischen Zylinderkopf 33 mit einem dazwischenliegenden wärmeisolierenden Material eingepaßt ist und aus einem Keramikmaterial wie Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid hergestellt ist, einer mittig zum Zylinderbüchsenkopf 30 angeordneten Kraftstoffeinspritzdüse 25, sowie einem Einlaßventil 21 und einem Auspuffventil 27, welche beide in der Nähe der unteren Fläche des Zylinderbüchsenkopfs 30 angeordnet sind. Ein flacher bzw. ebener und dünnwandiger Teil 5 aus einem Keramikmaterial ist über ein wärmeisolierendes Material 3 auf der Seite des Kolbendeckelteils 1 montiert, welche an einen noch zu beschreibenden Brennraum angrenzt. Der dünnwandige Teil 5 ist derart ausgeformt, daß er eine ebene Fläche bildet, welche den Verbrennungsgasen auszusetzen ist. In Abstimmung mit dieser ebenen Fläche des dünnwandigen Teils 5 ist der Zylinderbüchsenkopf 30 derart geformt, daß er einen Brennraum 15 mit einem vertieften Teil und einem erhöhten Teil eingrenzt, welche in der Nähe des Mittelbereichs bzw. des äußeren Umfangsbereichs des Zylinders liegen und somit als "vertiefter Mittelteil" bzw. "erhöhter Umfangsteil" bezeichnet werden. Der Zylinderbüchsenkopf 30 wird durch einen Zylinderbüchsen-Oberteil 23, welcher über der Zylinderbüchse 34 angeordnet ist, und einen unteren Zylinderkopf-Wandteil 22 gebildet, welcher mit dem Zylinderbüchsen-Oberteil 23 einstückig verbunden ist. Der untere Zylinderkopf-Wandteil 22 ist derart geformt, daß er einen erhöhten äußeren Umfangsteil und einen vertieften Mittelteil aufweist, um eine geneigte Fläche zu bilden, die vom vertieften Mittelteil zum erhöhten äußeren Umfangsteil radial nach außen verläuft. Der mit dem Zylinderbüchsenkopf 30 mit dem beschriebenen Aufbau versehene wärmeisolierende Motor 10 ist von einer Konstruktion, welche geeignet ist, Wärme vor allem im Verlauf einer wärmeerzeugenden Periode zu isolieren, wenn die Verbrennung am aktivsten ist. Der Brennraum 15, der durch das Zusammenwirken des Zylinderbüchsenkopfs 30 und des dünnwandigen Teils 5 des Kolbendeckelteils 1 eingegrenzt ist, von denen beide die oben beschriebene Struktur aufweisen, ist für einen wärmeisolierenden Motor höchst geeignet und weist eine Form bzw. ein Profil auf, das der Form einer flachen Schüssel gleicht, welche ein radial nach außen anwachsendes Volumen bildet. Der Kolben ist mit Kolbenringen 39 versehen, die in Kolbenringnuten aufgenommen sind, und er weist eine Bolzenbohrung 41 für einen Kolbenbolzen auf.
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. Der Zylinderbüchsen-Oberteil 23, der mit dem Kolben zusammenwirkt, um den Brennraum 15 einzugrenzen, weist einen oberen röhrenförmigen Teil 26 mit einem allgemein quadratischen Querschnitt und einen unteren zylindrischen Teil 28 mit einem kreisförmigen Querschnitt auf. Der quadratische röhrenförmige Teil 26 ist im Durchmesser kleiner als der zylindrische Teil 28. Der quadratische röhrenförmige Teil 26 besitzt Kanten, von denen jede im Hinblick auf die Strömung des Mediums vorzugsweise abgerundet ist, mit einem Krümmungsradius von ungefähr 1/2 bis 1/3 des Radius des zylindrischen Teils. Diese Auslegung ist wirksam, um sicherzustellen, daß die vier Seiten mit quadratischem Querschnitts des quadratischen röhrenförmigen Teils 26 bewirken, einen im Brennraum 15 entstehenden Wirbel zu zerstören, bzw. in anderen Worten den Wirbel zu unterbrechen, um eine Bewegung zu erzeugen, durch welche eingespritzter Kraftstoff und Ansaugluft sehr schnell und gleichmäßig in einem Bereich nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens vermischt werden, um dadurch eine gute Verbrennung zu erleichtern. Die Außenflächen des Zylinderbüchsenkopfs 30 sind durch eine wärmeisolierende Dichtung 29 aus Kaliumtitanat und durch eine wärmeisolierende Schicht 24 thermisch isoliert. Folglich kann der Zylinderbüchsenkopf 30 selbst derart konstruiert werden, daß er eine verringerte Wanddicke und somit eine geringe Wärmekapazität aufweist. Wie aus Fig. 2 klar ersichtlich, sind außerdem Einlaßventil 21 und Auspuffventil 27 derart angeordnet, daß sie mit Einlaß- und Auspuffventilsitzen zusammenwirken, die in der geneigten Fläche des unteren Zylinderkopf-Wandteils 22 ausgebildet sind, wobei sich diese Fläche zwischen dem Mittelteil und dem äußeren Umfangsteil des letzteren erstreckt. Insbesondere verläuft der größere Teil des unteren Zylinderkopf-Wandteils 22 radial nach außen und oben, um die oben erwähnte geneigte Fläche zu bilden, wie in Fig. 1 gezeigt, so daß die mit den in der geneigten Fläche ausgebildeten Einlaß- und Auspuffventilsitzen zusammenwirkenden Einlaß- und Auspuffventile 21 und 27 in umgekehrter V-Form angeordnet sind (doch können die Ventile wahlweise auch parallel zu der Zylinderachse angeordnet sein).
Aufgrund dieser geneigten Anordnung des Einlaßventils 21 und aufgrund der Form der Einlaßöffnung 31, welche von außerhalb des Brennraums 15 radial und schräg nach innen zum unteren Zylinderkopf-Wandteil 22 verläuft, wird der Primärstrom der in den Brennraum angesaugten Luft im wesentlichen senkrecht zum Motor gegen die Mitte des Brennraums geleitet (siehe den durch die Pfeile A in Fig. 4 gezeigten und noch zu beschreibenden Luftstrom). Demzufolge kommt die Ansaugluft kaum mit der Innenfläche des Zylinderbüchsenkopfs 30 in Berührung, der sich während jedes Ansaughubs des Motors auf einer hohen Temperatur befindet, mit dem Ergebnis, daß die Wärmeübertragung vom Zylinderbüchsenkopf auf die Ansaugluft in vorteilhafter Weise verringert wird, um die Wärmeausdehnung der Luft auf ein Minimum zu reduzieren und somit eine Reduzierung des Ansaugwirkungsgrads auszuschalten, die sonst veranlaßt würde. In diesem Fall würde der Anteil der Ansaugluft erhöht, welcher mit dem dünnwandigen Teil 5 des Kolbendekkels 1, d. h. mit der oberen Fläche des Kolbens in Berührung kommt. Diese Erhöhung bewirkt jedoch keine Abnahme des Ansaugwirkungsgrads, da der dünnwandige Teil 5 des Kolbens 20 derart konstruiert ist, daß er eine sehr geringe Wärmekapazität besitzt. Da andrerseits Einlaßventil 21 und Auspuffventil 27 im Brennraum 15 angeordnet sind, stehen sie dem Kolben 20 nicht im Weg, selbst wenn die Ventile zufällig geöffnet würden, wenn sich der Kolben 20 an seinem oberen Totpunkt befindet, wodurch ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Motors gewährleistet wird. Außerdem sind die Einspritzöffnungen der Kraftstoffeinspritzdüse 25 radial nach außen gerichtet. Somit wird der Strahl des durch die Einspritzöffnungen eingespritzten Kraftstoffs parallel zum dünnwandigen Teil 5 des Kolbendeckels 1 und radial zu demselben nach außen gerichtet. Es ist daher einzusehen, daß der Brennraum 15, der teilweise durch den Zylinderbüchsenkopf 30 umgrenzt ist, derart geformt ist, daß er die Ortskurven der Strahlen des durch die Kraftstoffeinspritzdüse 25 eingespritzten Kraftstoffs aufnimmt (siehe das durch Pfeile B in Fig. 1 dargestellte Kraftstoff-Strahlenmuster).
Anschließend wird der Kolben 20 beschrieben. Der Kolben 20 besteht hauptsächlich aus einem Kolbenmantel 32 mit einer oberen Abschlußwand 32, dem oben erwähnten Kolbendeckelteil 1, der eine Befestigungsnabe 4 aufweist, durch welche der Kolbendeckelteil 1 auf die obere Abschlußwand 32 des Kolbenmantels montiert wird, einem Ring 6 aus einem Keramikmaterial, der an der oberen Fläche des Kolbenmantels 2 in Druckberührung mit derselben befestigt ist, dem oben erwähnten dünnwandigen Teil 5 aus einem Keramikmaterial, von dem ein äußerer Umfang fest mit dem Ring 6 verbunden ist, und der eine den Verbrennungsgasen auszusetzende Fläche bildet, und einer Schicht aus einem wärmeisolierenden Material 3, welche zwischen den Kolbendeckelteil 1 und den dünnwandigen Teil 5 eingesetzt ist. Der Kolbendeckelteil 1 weist in seiner Mitte die Befestigungsnabe 4 auf und ist aus einem Material wie Cermet oder einem Metall hergestellt, welches im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie ein Keramikmaterial, eine hohe Festigkeit und einen verhältnismäßig hohen Elastizitätsmodul aufweist. Im Kolbendeckel 1 ist selbst kein Brennraum ausgebildet, und er ist auf seiner an den Brennraum 15 anliegenden Seite eben bzw. flach. In der oberen Abschlußwand 2 des Kolbenmantels 2 ist ein mittleres Befestigungsloch 12 für die Aufnahme der Befestigungsnabe 4 des Kolbendeckelteils 1 vorgesehen. Die Befestigungsnabe 4 des Kolbendeckels ist in das Befestigungsloch 12 in der oberen Abschlußwand 32 des Kolbenmantels eingepaßt, wobei ein Metallring 11 mit Preßsitz in eine Ringnut 14 in der äußeren Umfangsfläche der Befestigungsnabe 4 und in eine Ringnut 13 in der inneren Umfangsfläche des Befestigungslochs 12 eingesetzt ist und dieselben miteinander verbindet, so daß der Kolbendeckelteil 1 am Kolbenmantel 2 befestigt ist. Ein aus einem wärmeisolierenden Material gebildeter stoßdämpfender Teil 8 ist zwischen dem Kolbendeckelteil 1 rund um die Befestigungsnabe 4 und dem Kolbenmantel 2 rund um die Befestigungsbohrung 12 eingefügt und gepreßt und wirkt auch als Wärmeisolierung. Eine wärmeisolierende Luftkammer 9 ist durch das Zusammenwirken der unteren Fläche des Kolbendekkelteils 1, der oberen Fläche des Kolbenmantels 2 und der inneren Umfangsfläche des Rings 6 abgegrenzt. Es ist ersichtlich, daß der dünnwandige Teil 5 des Kolbens 20 am Kolbendeckelteil 1 derart angeordnet ist, daß er dem Brennraum 15 zugewandt, d. h. den Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, wobei das wärmeisolierende Material 3 zwischen den dünnwandigen Teil 5 und den Kolbendeckelteil 1 eingesetzt ist. Der dünnwandige Teil 5 ist aus einem Keramikmaterial wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid hergestellt und weist eine Dicke von ca. 1 mm oder weniger auf.
Der Außenumfang des dünnwandigen Teils 5 ist mit dem Ring 6, der aus einem ähnlichen Material hergestellt ist, fest verbunden. Die Verbindung zwischen dem dünnwandigen Teil 5 und dem Ring 6 erfolgt z. B. durch chemisches Aufdampfen eines Keramikmaterials an der Grenzfuge 18 zwischen denselben. Die innere Umfangsfläche des Rings 6 ist mit einer ringförmigen Schulter oder Abstufung 16 ausgebildet. Der Kolbendeckel l weist einen Außenumfang 17 auf, der in den Ring 6 eingepaßt und gegen die ringförmige Abstufung 16 anliegend angeordnet ist. Die obere Fläche des Kolbendeckelteils 1, die untere Fläche des dünnwandigen Teils 5 und ein Teil der inneren Umfangsfläche des Rings wirken zusammen, um einen Raum abzugrenzen, welcher mit dem wärmeisolierenden Material 3 ausgefüllt ist. Dieses wärmeisolierende Material 3 ist aus Kaliumtitanat-Whisker, Zirkonerde-Faser oder dergleichen hergestellt und wirkt nicht nur als wärmeisolierende Schicht, sondern auch als konstruktiver Bauteil, welcher den auf den dünnwandigen Teil 5 ausgeübten Druck aufnimmt, der entsteht, wenn im Brennraum 15 ein Verbrennungshub stattfindet.
Da der Kolbendeckel 1 gegen den Kolbenmantel 2 gepreßt und mit demselben verbunden ist, wird der Außenumfang 17 des Kolbendeckelteils 1 gegen die ringförmige Abstufung 16 am Ring 6 gepreßt, der seinerseits gegen den Außenumfang der oberen Fläche des Kolbenmantels 2 gepreßt wird. Die Grenzfläche zwischen dem Ring 6 und dem Kolbenmantel 2 ist durch eine Dichtung abgedichtet, welche aus einer dazwischengelegten Kohlenringdichtung 7 besteht. Eine axiale Abdichtungskraft wird ausgeübt und wirkt auf die Kohlenringdichtung 7, da der Kolbendeckelteil 1 gegen den Kolbenmantel 2 gepreßt und mit demselben verbunden ist. Es ist eine Anforderung an den Aufbau des Kolbens 20, daß das wärmeisolierende Material 3 eine durch die Verbrennung erzeugte Kompressionskraft gleichmäßig aufnimmt. Um dieser Forderung gerecht zu werden, ist die an den Brennraum angrenzende Fläche des Kolbendekkels 1 und der dünnwandige Teil 5 flach ausgelegt.
Eine weitere bzw. zweite Ausführungsform des wärmeisolierenden Motors gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 beschrieben. Der wärmeisolierende Motor gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem wärmeisolierenden Motor gemäß der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform lediglich durch die Form des Zylinderbüchsenkopfs, welcher aus dem unteren Zylinderkopf- Wandteil und dem Zylinderbüchsen-Oberteil besteht. Die Teile der zweiten Ausführungsform, welche die gleichen sind wie diejenigen der ersten Ausführungsform, sind durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden somit im folgenden zum Zweck der Vereinfachung der Beschreibung nicht beschrieben. Der wärmeisolierende Motor gemäß der zweiten Ausführungsform ist durch die Bezugszahl 40 bezeichnet und weist einen Zylinderbüchsenkopf 35 auf, der einen unteren Zylinderkopf -Wandteil 37 und einen einstückig verbundenen Zylinderbüchsen-Oberteil 36 bildet. Der untere Zylinderkopf-Wandteil 37 des wärmeisolierenden Motors 40 ist derart geformt, daß er einen erhöhten äußeren Umfangsteil und einen tieferen Mittelteil aufweist, wie bei dem unteren Zylinderkopf-Wandteil 22 des wärmeisolierenden Motors 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Somit bildet der untere Zylinderkopf-Wandteil 37 eine geneigte Fläche, die sich vom Mittelteil zum äußeren Umfangsteil radial nach außen und oben erstreckt. Folglich ist der Brennraum 15, der durch das Zusammenwirken des unteren Zylinderkopf-Wandteils mit der beschriebenen Form und des flachen dünnwandigen Teils 5 des Kolbendeckels 1 umgrenzt ist, bestens für einen wärmeisolierenden Motor geeignet und gleicht der Form einer flachen Schüssel, welche ein radial nach außen anwachsendes Volumen bildet. Hinsichtlich des Einlaßventils 21, der Kraftstoffeinspritzdüse 25 und des Kolbens 20 ist der Motor 40 gemäß der zweiten Ausführungsform vollkommen der gleiche wie der Motor 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Strom der bei jedem Ansaughub des wärmeisolierenden Motors 40 eintretenden Luft ist durch die Pfeile A in Fig. 4 dargestellt. Der Strom der Ansaugluft in den Brennraum 15 sowie die Strahlrichtungen des von einer Kraftstoffeinspritzdüse 25 in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs sind ebenfalls vollkommen die gleichen wie diejenigen bei der ersten Ausführungsform.

Claims

1. Wärmeisolierende Motorstruktur, welche aufweist:

einen in einer Zylinderbüchse (34) hin- und herbewegbaren Kolben (20);

einen Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) aus einem Keramikmaterial, welcher über der Zylinderbüchse (34) angeordnet ist;

einen unteren Zylinderkopf-Wandteil (22,37), der mit dem Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) einstückig verbunden ist; und

einen Zylinderkopf (33) mit einem röhrenförmigen Abschnitt, welcher den einstückig verbundenen Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) und den unteren Zylinderkopf-Wandteil (22,37) aufnimmt;

dadurch gekennzeichnet, daß der untere Zylinderkopf- Wandteil (22,37) und der Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) miteinander einen Verbrennungsraum (15) bilden;

daß der Kolben (20) eine den Verbrennungsgasen ausgesetzte Fläche aufweist, welche dem Verbrennungsraum zugewandt und eben ist;

daß der untere Zylinderkopf-Wandteil (22,37) mindestens an der dem Verbrennungsraum zugewandten Seite mit einem hochgezogenen äußeren Umfangsteil und einem abgesenkten Mittelteil ausgebildet ist, wobei eine geneigte Fläche radial vom mittleren Teil des äußeren Umfangsteils nach oben verläuft;

daß eine Kraftstoff-Einspritzdüse (25) im wesentlichen mittig zum unteren Zylinderkopf-Wandteil (22,37) angeordnet ist und radial nach außen gerichtete Einspritzöffnungen aufweist;

und daß Einlaß- und Auspuffventilsitze in der geneigten Fläche des unteren Zylinderkopf-Wandteils (22,37) ausgebildet sind, welche Einlaß- und Auspuffventile (21,27) aufweisen, die jeweils den Einlaß- bzw. Auspuffventilsitzen zugeordnet sind.

2. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 1, wobei der Zylinderbüchsen-Oberteil (23) einen röhrenförmigen oberen Abschnitt (26) mit einer Innenfläche von im wesentlichen quadratischem Querschnitt und einen unteren Abschnitt (28) mit einer Innenfläche von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aufweist, wodurch der Verbrennungsraum (15) einen im wesentlichen quadratischen Abschnitt enthält, welcher durch den oberen röhrenförmigen Abschnitt (26) des Zylinderbüchsen-Oberteils (23) gebildet ist.

3. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 2, wobei die Innenabmessungen über dem röhrenförmigen oberen Abschnitt (26) kleiner sind als der Innendurchmesser des unteren Abschnitts (28).

4. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 2 oder 3, wobei der röhrenförmige obere Abschnitt (26) abgerundete Ecken aufweist.

5. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kraftstoff-Einspritzdüse (25) zum Einspritzen eines Kraftstoffes radial nach außen durch die Einspritzöffnungen in den Verbrennungsraum (15) angeordnet ist.

6. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der untere Zylinderkopf-Wandteil (22,37) und der Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) einen einstückigen dünnwandigen Aufbau aus einem Keramikmaterial aufweisen.

7. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der untere Zylinderkopf-Wandteil (22,37) und der Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) einen einstückigen Aufbau aus Siliziumnitrid aufweisen

8. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der untere Zylinderkopf-Wandteil (22,37) und der Zylinderbüchsen-Oberteil (23,36) einen einstückigen Aufbau aus Siliziumkarbid aufweisen.

9. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch l, wobei eine wärmeisolierende Schicht (24) zwischen einer Außenfläche des einstückigen Teils von unterem Zylinderkopf-Wandteil (22) und Zylinderbüchsen-Oberteil (23) und einer Innenfläche des Zylinderkopfs (33) vorgesehen ist.

10. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 9, wobei die wärmeisolierende Schicht (24) ein wärmeisolierendes Material enthält, welches aus Kaliumtitanat oder dergleichen hergestellt ist.

11. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einlaß- und Auspuffventile (21,27) in einer allgemein umgekehrten V-Stellung angeordnet sind.

12. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 11, wobei der Zylinderkopf (33) in derselben mit einer Einlaßöffnung (31) ausgebildet ist, welche schräg und radial nach innen zum Einlaßventilsitz verläuft.

13. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 12, wobei während des Betriebs die durch die Einlaßöffnung (31) in den Verbrennungsraum (15) bei jedem Ansaughub des Motors eintretende Ansaugluft einen Primärstrom aufweist, welcher im wesentlichen senkrecht und mittig zum Verbrennungsraum (15) verläuft.

14. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei während des Betriebs Sprühstöße des in den Verbrennungsraum (15) eingespritzten Kraftstoffs und die Ansaugluft einen Wirbel bilden, und wobei die Seiten des röhrenförmigen oberen Abschnitts (26) von im wesentlichen quadratischem Innenquerschnitt zur Erzeugung der Verwirbelung dienen, wodurch der Kraftstoff und die Luft sofort und gleichmäßig vermischt werden.

15. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 1, wobei der Kolben (20) einen Kolbenmantel (2) mit einer oberen Abschlußwand (32) umfaßt, einen Kolbendeckelteil (1) mit einem Befestigungsteil, durch welchen der Kolbendeckelteil (1) an der oberen Abschlußwand (32) befestigt ist, einen Ring aus einem Keramikmaterial, welcher gegen eine obere Fläche des Kolbenmantels (2) gepreßt und daran befestigt ist, einen dünnwandigen Teil (5), welcher die ebene Fläche des Kolbens bildet und an einem Außenumfang fest mit dem Ring (6) verbunden ist, wobei der Kolbendeckelteil (1) eine obere Fläche aufweist, die zusammen mit einer unteren Fläche des dünnwandigen Teils (5) und mit einem Teil einer inneren Umfangsfläche des Rings (6) einen Hohlraum bildet, sowie ein in diesen Hohlraum eingebrachtes und denselben ausfüllendes wärmeisolierendes Material.

16. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 15, wobei der dünnwandige Teil (5) die ebene, den Verbrennungsgasen auszusetzende Fläche bildet, und wobei dieser Teil aus einem Keramikmaterial mit möglichst dünner Wanddicke hergestellt ist.

17. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Außenumfang des dünnwandigen Teils (5) mit einem oberen Teil des Rings (6) durch chemisches Aufdampfen (18) eines Keramikmaterials verbunden ist.

18. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Kolbendeckel (1) einen ebene obere Fläche aufweist.

19. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das wärmeisolierende Material (3), welches den durch den Kolbendeckel (1), den dünnwandigen Teil (5) und den Ring (6) gebildeten Hohlraum ausfüllt, als struktureller Bestandteil wirkt, der einen auf den dünnwandigen Teil (5) wirkenden Druck aufnimmt.

20. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der dünnwandige Teil (5) und der Ring (6) aus Siliziumnitrid hergestellt sind.

21. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der dünnwandige Teil (5) und der Ring (6) aus Siliziumkarbid hergestellt sind.

22. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die innere Umfangsfläche des Rings (6) mit einer Abstufung ausgebildet ist, gegen welche der Kolbendeckel (1) an seinem Außenumfang anliegt, und wobei der Kolbendeckelteil (1) am Kolbenmantel (2) befestigt ist, wodurch ein unteres Ende des Rings (6) gegen eine obere Abschlußfläche des Kolbenmantels (2) gepreßt ist.

23. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 22, wobei ein Dichtungsring (7) zwischen das untere Ende des Rings (6) und die obere Abschlußfläche des Kolbenmantels (2) eingelegt ist.

24. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei der Befestigungsteil des Kolbendeckelteils (1) eine Befestigungsnabe (4) ist, welche im wesentlichen mittig zum Kolbendeckelteil (1) ausgebildet ist, und wobei die Befestigungsnabe (4) in ein mittleres im Kolbenmantel (2) ausgebildetes Befestigungsloch (12) eingepaßt ist.

25. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 24, wobei der Kolbendeckelteil (1) und der Kolbenmantel (2) durch einen Metallring aneinander befestigt sind, der in Ringnuten (14,13), welche jeweils an einer äußeren Umfangsfläche der Befestigungsnabe (4) und an einer inneren Umfangsfläche des mittleren Befestigungslochs (12) ausgebildet sind, eingepreßt ist und dieselben miteinander verbindet.

26. Wärmeisolierende Motorstruktur nach Anspruch 24, wobei ein sich an die Befestigungsnabe (4) anschließender Teil des Kolbendeckelteils (1) und ein sich an das mittlere Befestigungsloch (12) anschließender Teil des Kolbenmantels (2) mit einem dazwischengelegten stoßdämpfenden Teil (8) gegeneinandergepreßt sind, wobei der stoßdämpfende Teil (8) auch eine wärmeisolierende Wirkung ausübt.

27. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei der Kolbendeckelteil (1) eine untere Fläche aufweist, welche mit einer oberen Fläche der oberen Abschlußwand (32) des Kolbenmantels (2) und einer inneren Umfangsfläche des Rings (6) zusammenwirkt, um eine wärmeisolierende Luftkammer (9) zu bilden.

28. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 27, wobei der Kolbendeckel (l) aus einem Material hergestellt ist, welches im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie ein Keramikmaterial aus Cermet oder Metallmaterial, eine hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul aufweist.

29. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 28, wobei das wärmeisolierende Material (3), welches den durch den Kolbendeckel, den dünnwandigen Teil (5) und den Ring (6) begrenzten Hohlraum ausfüllt, ein hitzebeständiges Material mit hoher Porosität wie Kaliumtitanat-Whisker, Zirkonerde-Faser usw. ist.

30. Wärmeisolierende Motorstruktur nach einem der Ansprüche 15 bis 29, wobei der Kolbenmantel (2) eine äußere Umfangsfläche aufweist, in welcher eine Kolbenring-Nut (39) ausgebildet ist, und die mit einer diametral zum Kolbenmantel (2) verlaufenden Kolbenbolzen-Bohrung (41) versehen ist.