-
Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung
bezieht sich auf mit Flüssigkeit gekühlte Kolben für Brennkraftmaschinen. Die Ausbildung
der Kolben ist dabei so getroffen, daß sie aus einem äußeren und einem inneren Teil,
gegebenenfalls aus mehreren inneren Teilen bestehen. Der äußere Teil umfaßt den
Kolbenboden mit den Kolbenringnuten und gegebenenfalls auch noch das Kolbenhemd.
Beide Teile begrenzen einen mit dem Kühlmittelzulauf verbundenen ringförmigen Kühlmittelraum
hinter der Ringpartie und einen zentralen, mit dem Kühlmittelabfluß verbundenen
Kühlmittelraum unter der Kolbenbodenmitte. Die beiden Kühlmittelräume sind durch
einen am Kolbenboden auf dessen dem inneren Teil zugekehrten Seite angeordneten
ringförmigen Ansatz getrennt, mit dem der äußere Teil auf dem inneren Teil aufsitzt.
Dieser Ansatz enthält Kanäle, die die Verbindung zwischen den Kühlmittelräumen herstellen.
-
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, die Kühlung so zu gestalten,
daß sowohl der Kolbenboden zentral auf seiner Innenseite als auch seine oberhalb
der Ringpartie im Kolbenkopf liegenden peripheren Teile gekühlt werden, wobei die
letzteren zuerst vom Kühlmittel beaufschlagt sind. Gleichzeitig soll dafür gesorgt
werden, daß der direkte Fluß der in den Kolbenboden einfallenden Wärme in Richtung
zur Ring-, partie weitestgehend unterbunden ist.
-
Bei einer bekannten Kolbenausführung, deren äußerer Teil mit einem
nach innen gerichteten ringförmigen Ansatz auf dem inneren Teil aufsitzt, stehen
die beiden Räume zur Aufnahme des Kühlmittels über einzelne wenige Durchlässe mit
verhältnismäßig großem Querschnitt miteinander in Verbindung. Der im Bereich des
ringförmigen Ansatzes liegende Teil des im Vergleich zur Ringpartie auffällig dick
bemessenen Kolbenbodens erfährt nur eine geringe Kühlmittelbeaufschlagung. Außerdem
wird dem oberhalb der Ringpartie, d. h. einem über einer oberhalb der obersten Ringnut
verlaufenden Ebene liegenden ringförmigen Teil des Kolbenkopfes kaum Wärme entzogen,
weil der periphere ringförmige Kühlmittelraum sich nicht bis dahin erstreckt. Die
Wärme strömt vielmehr über den obersten Kolbenring und die darüber befindliche Umfangsfläche
des Kolbenkopfes ab. Ein erheblicher Teil der Kolbenkopfwärme findet weiterhin noch
über die dickwandigen Teile des ringförmigen Ansatzes auf der Unterseite des äußeren
Kolbenteiles seinen Weg zu dem inneren Kolbenteil. Da ferner das Kühlmittel durch
den Entzug der Wärme aus dem Lager des Kolbenbolzens schon vorgewärmt worden ist,
hat es an seiner Kühlwirkung erheblich verloren.
-
Bekannt ist ferner, beim Zusammenbau der beiden Teile des Kolbens
oberhalb der Ringpartie eine Ringkammer entstehen zu lassen, in die ein Teil des
Kühlmittels aus dem darunterliegenden peripheren ringförmigen Kühlmittelraum bei
der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens über einen spaltartigen Zufluß gelangen
kann. Da der Rückfluß des Kühlmittels aber auf dem gleichen Wege erfolgt, vermag
das sich hierbei anwärmende Kühlmitteln bald nicht mehr die erforderliche Kühlwirkung
auszuüben. Der Kühlmittelzulauf geschieht durch das Einströmen des Kühlmittels radial
in den ringförmigen peripheren Kühlmittelraum. Die Zuflußöffnung befindet sich dabei
in einer Ebene unterhalb der Ringpartie. Das Kühlmittel fällt daher in den sich
bis zum unteren Ende der Kolbenbolzenlagerung erstreckenden Ringraum und hat somit
bei der Kolbenbewegung einen verhältnismäßig langen Weg bis zum oberen Ende des
Ringraumes zurückzulegen. Unabhängig von dieser Kühlmittelführung sind einige wenige
Bohrungen zwischen dem vorerwähnten ringförmigenKühlmittelraum und einem unterhalb
des Kolbenbodens . im inneren Kolbenteil vorgesehenen zentralen KühlmittElraum angebracht.
Das Kühlmittel fließt aus dem letzteren durch strahlenartig in radialer Richtung
verlaufende und in einen Ringkanal mündende rinnenartige Ausnehmungen in der dem
Kolbenkopf gegenüberliegenden Oberfläche des inneren Kolbenteiles. Der Ringkanal
hat einige nach dem Kolbeninneren führende Abflußöffnungen. Hinsichtlich dieser
zuletzt erwähnten Kühlmittelführung unterscheidet sich die bekannte Kolbenbauweise
von der nach Art der Erfindung dadurch, daß dem Kolbenkopf praktisch kaum Wärme
entzogen wird.
DieWärmeabführung erfolgtvielmehrlängs derGrund-und
Seitenflächen der rinnenartigen Ausnehmungen und erstreckt sich somit vorwiegend
auf den Innenteil des Kolbens.
-
Weiterhin ist auch schon eine Stuhlkolbenausführung empfohlen worden,
bei der sich der äußere Ringraum bis über die Ebene der obersten Ringnut in den
Bereich zwischen Kolbenboden und .Ringpartie erstreckt. Das Kühlmittel fließt zunächst
in einen zentralen Raum im inneren Teil des Kolbens und gelangt von hier durch Kanäle,
die in der dem Kolbenkopf zugekehrten Seite des letzteren verlaufen, nach dem äußeren
Kühlmittelringraum. Von hier aus tritt das Öl in axialer Richtung durch eine Anzahl
Kanäle in den peripheren Ringraum und fließt von dort aus dem Kolben ab. Es verbleibt
in den Ringräumen nur relativ kurze Zeit, die nicht ausreicht, um den Wandungen
dieser Räume genügend Wärme zu entziehen, weil das Kühlmittel unter der Einwirkung
des rasch hin-und hergehenden Kolbenlaufes in axialer Richtung durch zahlreiche
Abflußkanäle nach dem Kolbeninneren beschleunigt wird.
-
Es ist ferner auch nicht mehr neu, den Kolbenboden eines mehrteiligen
Kolbens zu kühlen. Zu diesem Zweck weist der Kolben auf der Unterseite seines Bodens
rippenförmige Ansätze auf. Die Rippen verlaufen spiralförmig und bilden einen einzigen
langen Kühlkanal, der zwar einen äußeren Kühlmittelringraum mit einem zentralen
Kühlmittelraum verbindet, aber im Rahmen einer anderen Aufgabenstellung so ausgebildet
ist, daß die Geschwindigkeit des Kühlmittels im Bereich der höheren Kolbenbodentemperatur
zunimmt.
-
Um das eingangs erwähnte Problem einer befriedigenden Lösung zuzuführen,
ist es nicht nur erforderlich, das Kühlmittel in bestimmter Weise zwischen den beiden
Kühlmittelräumen zu führen, sondern auch darauf zu achten, daß die zu kühlenden
Teile vollkommen vom Kühlmittel beaufschlagt werden. Erreicht ict dies erfindungsgemäß
dadurch, daß der Kühlmittelzulauf, wie an sich bekannt, radial in den ringförmigen
Kühlmittelraum etwa in halber Höhe einmündet, wobei sich dieser Raum bis über die
Ebene der obersten Ringnut in den Bereich zwischen dem Kolbenboden und der Ringpartie
erstreckt, und daß ferner die Verbindungskanäle zwischen den beiden Kühlmittelräumen
als eine Vielzahl von schlitzförmigen Kanälen in dem ringförmigen Ansatz des Außenteiles
des Kolbens ausgebildet sind und daß schließlich die kolbenbodenseitigen Begrenzungsflächen
der beiden Kühlmittelräume und der schlitzförmigen Kanäle eine Fläche bilden, die
parallel zur brennraumseitigen Kolbenbodenfläche verläuft.
-
Diese erfindungsgemäße Bauweise des Kolbens zur Führung des Kühlmittels
mit hoher Geschwindigkeit hat gegenüber den bisher bekanntgewordenen Ausführungen
den Vorteil, eine sichere Gewähr dafür zu bieten, daß nicht nur dem Kolbenboden
direkt, sondern auch der Ringquerschnittsfläche zwischen der stark wärmebeaufschlagten
Kolbenoberfläche einerseits und dem oberhalb der Ringpartie liegenden Teil des Kolbenkopfes
andererseits so viel Wärme entzogen wird, daß eine unzulässige hohe Erwärmung im
Bereich der Ringnut für den obersten Verdichtungsring verhindert ist.
-
Hierdurch wird eine wesentliche Gefahrenquelle für den letzteren ausgeschaltet.
Es gelingt, die Temperatur der Nut unter 190° C zu halten und damit die Bildung
von Ölkohle in der Nut des obersten Verdichtungsringes zu verhüten.
-
Die Geschwindigkeit des Kühlmittels kann in den schlitzförmigen Kanälen
des ringförmigen Ansatzes des Kolbenbodens und damit auch in dem zentralen Kühlmittelraum
noch gesteigert werden, indem die Kanäle als Düsen ausgebildet werden, deren kleinster
Durchflußquerschnitt so gelegt ist, daß er sich an der Mündung in den zentralen,
unter der Kolbenbodenmitte befindlichen Kühlmittelraum befindet.
-
Zur Erzeugung einer den Wärmeaustausch begünstigenden Wirbelströmung
in dem zentralen Kühlmittelraum können die schlitzförmigen Kanäle vorteilhaft auch
so gestaltet sein; daß sie; projiziert auf eine senkrecht zur Kolbenlängsachse liegende
Ebene, in einem spitzen oder stumpfen Winkel auf die Innenwand des zentralen Kühlmittelraumes
auftreffen. Gegebenenfalls können die schlitzförmigen Kanäle weiterhin in der zur
Kolbenlängsachse senkrechten Ebene gekrümmt ausgeführt sein, so daß die Bewegung
des Kühlmittels bereits innerhalb der Kanäle der in dem zentralen Kühlmittelraum
während der Kolbenbewegung entstehenden Wirbelbildung angepaßt wird.
-
In der Zeichnung ist ein Kolben nach der Erfindung beispielsweise
und schematisch dargestellt.
-
Abb. 1 ist ein Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens nach
der Erfindung; Abb. 2 veranschaulicht einen Schnitt A -B;
Abb. 3 läßt eine
andere Ausbildung erkennen.
-
Ein Kolben für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindungbesteht aus
einem äußeren Teil 1 und einem inneren Teil 2. Der äußere Teil 1 ist von dem Kolbenkopf
mit der Ringpartie und dem Kolbenboden, der innere Teil t aus Kühlmittelführungen
gebildet. Der im wesentlichen zylindrische innere Teil 2 des Kolbens ergibt zusammen
mit dem äußeren Teil 1 einen äußeren ringförmigen Kühhnittelraum 3 und einen zentralen,
unter der Mitte des Kolbenbodens 4 liegenden Kühlmittelraum 5. Der letztere ist
gegenüber dem Kühlmittelraum 3 durch einen ringförmigen Ansatz 6 und einen dazu
passend gestalteten Teil 7 abgegrenzt. In dem ersteren sind schlitzförmige Kanäle
8 vorgesehen.
-
Die kolbenbodenseitigen Begrenzungsflächen 13 dieser Kanäle und die
der beiden Kühlmittelräume bilden eine Fläche, die parallel zur brennraumseitigen
Kolbenfläche verläuft.
-
In dem inneren Kolbenteil 2 befindet sich ein Zuleitungskanal 9 mit
einer in die ringförmige Kühlmittelkammer 3 mündenden Öffnung 10. Eine Abflußöffnungll
im Boden des zentralen Kühlmittelraumes5, die mit Rücksicht auf eine Wirbelbildung
in diesem Raum zweckmäßig konzentrisch zur Längsachse des Kolbens angeordnet ist,
führt in eine Abflußleitung 12.
-
Das frische Kühlmittel, dessen Weg in den Abbildungen durch Pfeile
angedeutet ist, tritt bei diesem Kolben von dem Zuleitungsrohr 9 in den hinter der
Ringpartie angeordneten ringförmigen Kühlmittelraum 3 ein. Infolge seines Beharrungsvermögens
gelangt es bei der Bewegung des Kolbens in den Teil des ringförmigen Kühlmittelraumes,
der sich direkt unter dem Kolbenboden 4 befindet und über die Ringpartie hinaus
erstreckt. Von dort wird es durch die zahlreichen schlitzartigen Kanäle 8 im Ringansatz
6 des inneren Kolbenteiles in den zentralen Kühlmittelraum 5 gedrückt. Infolge der
Anordnung und Ausgestaltung der Kanäle 8 nach der Erfindung strömt das Kühlmittel
praktisch an der gesamten Innenseite des
Kolbenbodens entlang und
in unmittelbarer Berührung mit diesem unter die Kolbenbodenmitte. Von dort gelangt
es durch die Abflußöffnung 11 in die Abflußleitung 12.
-
In der Abb. 2 ist 6 der dem inneren Kolbenteil 2 zugekehrte ringförmige
Ansatz des Kolbenbodens. Die Kanäle 8 sind nach dieser Ausführungsart geradlinig
ausgebildet und treffen in einem spitzen Winkel auf die Innenwandung des zentralen
Kühlmittelraumes 5 auf. Dadurch bildet das Kühlmittel in diesem einen sich im wesentlichen
im entgegengesetzten Uhrzeigersinn bewegenden Wirbel.
-
Die Abb. 3 zeigt Kanäle 8 des ringförmigen Ansatzes 6, die
im stumpfen Winkel auf die Innenwand des zentralen Kühlmittelraumes 5 auftreffen.
Das Kühlmittel bildet dadurch in diesem Raum einen sich im Uhrzeigersinn bewegenden
Wirbel. Durch die Krümmung der Schlitze 8 wird die Bewegung des Kühlmittels bereits
vor dessen Eintritt in den zentralen Kühlmittelraum der dort erzeugten Wirbelbewegung
angepaßt. Dies wirkt sich günstig auf die Geschwindigkeit des in dem zentralen Kühlmittelraume
5 umlaufenden Kühlmittels aus.