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Kolbenkühlvorrichtung für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenkühlvorrichtung für Brennkraftmaschinen, die für einen Betrieb bei hoher thermischer Belastung ausgelegt sind, und bei denen das Kühlöl die Neigung hat, an der Innenseite des Kolbenbodens und der Ringpartie zu verkoken.
Bekanntlich sind für Wärmeableitung von den der Erhitzung durch die Brenngase ausgesetzten Teilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere für bestimmte Kolbenpartien thermisch hochbelasteter Motoren, die verschiedensten besonderen Kühleinrichtungen ausgeführt worden.
Es sind Kolbenbodenspritzkühlungen bekannt, bei denen das Kühlmittel unter Druck durch einen Kanal in der Treibstange von Tauchkolbenmotoren bzw. in der Kolbenstange von Kreuzkopfmotoren geleitet und frei gegen die Kolbenbodeninnenseite gespritzt wird. Diese Art von Kühleinrichtungen gewährleistet jedoch für thermisch hochbelastete Motoren keine ausreichende Wärmeableitung, da ein grosser Teil des Kühlmittels vom Kolbenboden wieder abtropft, ohne genügend Wärme aufgenommen zu haben.
Bei andern bekannten Kolbenkühleinrichtungen wird der Kühlmittelstrahl durch fest mit dem Kolben verbunden Einsätze in bestimmte Bahnen gelenkt. Diese Einsätze haben den Nachteil, dass sie eine Verkokung des Kühlmittels am Kolbenboden nicht oder nur ungenügend verhindern und die Kanäle der Einsätze verschlammen, so dass sie von Zeit zu Zeit unter nicht unbedeutendem Kostenaufwand gereinigt werden müssen, da sonst infolge der verminderten Wärmeableitung an den mit Ölrückständen behafteten Flächen Wärmespannungen auftreten, die eine Verformung des Kolbens und dadurch die Gefahr von Kolbenfressern sowie von Rissen im Kolbenbodenabschnitt und in der Ringpartie des Kolbens hervorrufen.
Weiterhin ist eine Kolbenbodenspritzkühlung bekannt, bei der das Kühlmittel durch einen Kanal in einer schwingend bewegten Treibstange und über ein die Verlängerung der Treibstange bildendes Spritzmundstück bis nahe an die Kolbenbodeninnenseite herangeführt wird, so dass das pilzförmig ausgeführte Spritzmundstück mit einem gewölbten Dach gleichzeitig als Wischer dient. Bei der bevorzugten Ausführung dieser Kolbenspritzkühlung wird das pilzförmig ausgebildete Spritzmundstück sogar z. B. mittels einer Öl-oder Federdruckvorrichtung an die Kolbenbodeninnenseite bzw. den darauf befindlichen Kühlmittelfilm gedrückt, wodurch die bestrichene Kolbenbodeninnenfläche metallisch blank gehalten werden soll.
Diese Kühleinrichtung hat den Nachteil der unterschiedlichen Wärmeableitung vom Kolbenboden, da die Kolbenbodeninnenseite nur im Wischbereich des pilzförmigen Spritzmundstückes metallisch blank, jedenfalls aber frei von Ölrückständen gehalten wird und somit einen wesentlich besseren Wärme- übergang gewährleistet als die nicht bestrichene Kolbenbodeninnenfläche, an der sich nach wie vor Ölkohle absetzen kann.
Weiterhin wird mit dieser Kühleinrichtung der Ölkohleansatz an der Innenseite der Ringpartie nicht verhindert. Diese Partie muss aber gerade besonders gut gekühlt werden, da erfahrungsgemäss die Tempe- ratur in der oberen Ringnut 2000 C nicht überschreiten darf, wenn das zur Schmierung der Kolbenringe dienende Schmieröl in den Ringnuten nicht altern und damit Rückstände bilden soll, die ein einwand- freies Arbeiten der Kolbenringe verhindern würden. Auch ist diese Kühleinrichtung im wesentlichen auf
Motoren in Tauchkolbenbauart mit schwingend bewegter Kolbentreibstange beschränkt.
Ein weiterer Nachteil ist in der für diese Kolbenkühleinrichtung notwendigen nicht rotationssymme- trischen Ausbildung des Kolbens zu sehen, die ebenfalls Wärmespannungen im Kolben und damit Ver- formungen mit ihren nachteiligen Folgeerscheinungen hervorruft.
Im Innenraum des Kolbens befindet sich eine schwere Masse, die durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens eine Taumelbewegung macht, die mittels zweier Sperrgetriebe in eine Drehbewegung der
Flügelradwelle umgewandelt wird. Es ist klar, dass auf diese Weise nur ein sehr langsamer Umlauf des
Kühlmittels erreichbar ist. Dies und der Umstand, dass das Kühlmittel überdies nicht ausgewechselt wird, bewirkt bald eine starke Erhitzung desselben durch den thermisch hochbelasteten Kolben und ein Auf- hören der Kühlwirkung.
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Die Erfindung beinhaltet die Aufgabe, eine Kolbenkühleinrichtung zu schaffen, bei der ein Ölkohleansatz an der gesamten Innenseite des Kolbenbodens und der anschliessenden Ringpartie vermieden werden soll, und die bei allen grösseren Brennkraftmaschinen verwendet werden kann.
Die Erfindung geht dabei von einer Kolbenkühlvorrichtung jener bekannten Bauart aus, die einen Kolbeneinsatz aufweist, der aus einem mit dem Kolben fest verbundenen, einen Kühlmittelraum unterhalb des Kolbenbodens begrenzenden Tragkörper und einem daran drehbar gelagerten, mit Arbeitsflächen versehenen Rotationskörper besteht, durch den ein dem Rotationskörper achsmittig zugeführtes Kühlmittel zum Bespühlen der Innenfläche des Kühlmittelraumes von der Kolbenbodenmitte aus entlang der Kolbenbodeninnenseite in Richtung zur Innenwandung der Kolbenringpartie in Umlauf gebracht wird, dessen Strömungsenergie den Rotationskörper antreibt.
Die gestellte Aufgabe wurde nun dadurch gelöst, dass die Arbeitsflächen des Rotationskörpers durch an seiner äusseren Hüllfläche angeordnete Rippen, Leitstege od. dgl., die von einer achsmittig im Rotationskörper gelegenen Zuströmöffnung für das Kühlmittel spiralförmig zum Rand des Rotationskörpers verlaufen, gebildet sind, wobei deren kolbenbodenseitigen Flächenteile zu der Innenfläche des Kolbenbodens ein Spiel geringer Grösse aufweisen und die Zwischenräume zwischen den Rippen, Leitstegen od. dgl. als Ölkanäle mit vergrössertem Querschnitt ausgeführt sind.
Dadurch wird das Kühlmittel gezwungen, mit hoher Geschwindigkeit über die gesamte Innenfläche des Kolbenbodens zu fliessen, wodurch infolge der Drehbewegung des Rotationskörpers die gesamte Kolbenbodeninnenfläche ständig von Ölrückständen freigehalten wird. Eine Verstärkung des Antriebes des Rotationskörpers für die Kühlmittelverteilung kann dadurch erzielt werden, dass an der Unterseite desselben ein in den Druckmittelkühlkreislauf eingeschaltetes Turbinenrad gleichachsig angeordnet ist.
Bei dieser Antriebsart ist es möglich, die Lagerung des Rotationskörpers so zu gestalten, dass sie in Achsrichtung ein Spiel aufweist, das eine begrenzte axiale Bewegung desselben zulässt. Dadurch wird infolge der Massenbeschleunigung während des Betriebes ein Wechsel des Spieles zwischen Rotationskörper und Kolbenbodeninnenfläche ermöglicht und sowohl die Wischerwirkung der Kühlmittelleitstege als auch die Turbulenz des Kühlmittels verstärkt.
Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, dass durch das Anbringen von z. B. Bürsten, Stiften oder Kerben an den Kühlmittelleitstegen oder durch geschränkte Kühlmittelleitstege die Wischerwirkung verbessert sowie eine erhöhte Turbulenz des Kühlmittels und infolge dessen ein günstigerer Wärmeübergang erreicht wird.
An besonders wärmebelasteten Stellen der Kolbenbodeninnenfläche können die Rippen bzw. Leitstege
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körpers auslaufen oder scharfkantig in Form von Leitblechen ausgebildet sein, damit der Kühlmittelstrom etwa senkrecht auf die zu kühlenden Flächen trifft und somit einen besonders intensiven Wärmeübergang gewährleistet.
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samten wärmespannungsgefährdeten Bereich des Kolbens verhindert. Da das Kühlmittel mit grosser Geschwindigkeit und Turbulenz zwischen dem Rotationskörper und der Kolbenbodeninnenfläche fliesst, ist auch ein Verschlammen des Rotationskörpers ausgeschlossen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnurg näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch zinen Kolben mit Kolbeneinsatz, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch einen weiteren Kolben mit Kolbeneinsatz und Turbinenrad, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie B-B in Fig. 3, Fig. 5 den Punkt I nach den Fig. 1 oder 3 (Kühlmittelleitsteg mit
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einen Schnitt nach Linie E-E in Fig. 8, Fig. 10 den Punkt I nach den Fig. 1 oder 3, Fig. 11 einen Schnitt nach Linie F-F in Fig. 10, Fig. 12 den Punkt I nach den Fig. 1 oder 3 (wellenförmige Ausbildung des Innenbodens des Rotationskörpers), Fig. 13 den Punkt I nach den Fig. 1 oder 3 (leitblechartige Ausarbeitung des Innenbodens des Rotationskörpers) und Fig.
14 den Schnitt nach den Linien G-G bzw.
H-H in Fig. 12 bzw. 13.
Durch die Leitung 2 gelangt das Kühlmittel über den Kolbeneinsatz an die Innenfläche des Kolbenbodens 1. Der Kolbeneinsatz besteht aus dem Tragkörper 3 und dem darauf oder darin gelagerten Rotationskörper 5. Die Lagerung ist entsprechend der gewählten Ausführungsart verschieden, z. B. bei Fig. 1 mittels Lager 4 ; bei Fig. 3 mittels der Lager 25, 26.
Der Rotationskörper 5 ist mit Kühlmittelleitstegen 6 versehen, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie dem Kühlmittelstrom einen Widerstand entgegensetzen, zufolge dessen der Rotationskörper 5 in drehende Bewegung versetzt wird. Zur Erhöhung der Turbulenz des Kühlmittels sind die Kühlmittelleitstege 6 beispielsweise mit Kerben 18 oder Stiften 20 versehen. Ein ähnlicher Effekt wird erreicht, wenn geschränkte Kühlmittelleitstege 19 Verwendung finden. Eine intensivere Wischerwirkung kann durch das Befestigen von beispielsweise Bürsten 17 an den Kühlmittelleitstegen 6 erfolgen.
Das Kühlmittel fliesst über die Kolbenbodeninnenfläche und die Innenfläche der oberen Ringpartie durch den Tragkörper 3 in der Leitung 7 ab.
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Wie Fig. 3 zeigt, kann die Drehbewegung des Rotationskörpers 5 beispielsweise durch Anordnung eines Turbinenrades 8, das durch die Achse 21 mit dem Rotationskörper 5 verbunden ist, unterstützt werden.
Der Kühlmittelstrom treibt hiebei aus der Leitung 2 kommend zuerst das Turbinenrad 8 an.
In den Fig. 12-14 ist dargestellt, dass die Rippen oder Leitstege 6 des Rotationskörpers 5 zum Beispiel bogenförmig auf dem Innenboden des Rotationskörpers 5 auslaufen, damit der Kühlmittelstrom an besonders wärmebelasteten Stellen etwa senkrecht auf die zu kühlende Stelle trifft. Bei Kreuzkopfmotoren kann die Kühlmittelzuführung direkt durch eine Leitung in der Kolbenstange erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kolbenkühlvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbeneinsatz, der aus einem mit dem Kolben fest verbundenen, einen Kühlmittelraum unterhalb des Kolbenbodens begrenzenden Tragkörper und einem daran drehbar gelagerten, mit Arbeitsflächen versehenen Rotationskörper besteht, durch den ein dem Rotationskörper achsmittig zugeführtes Kühlmittel zum Bespülen der Innenfläche des Kühlmittelraumes von der Kolbenbodenmitte aus entlang der Kolbenbodeninnenseite in Richtung zur Innenwandung der Kolbenringpartie, in Umlauf gebracht wird, dessen Strömungsenergie den Rotationskörper antreibt,
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