DE1476393A1 - Liquid-cooled piston - Google Patents
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Description
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg, AktiengesellschaftMaschinenfabrik Augsburg-Nürnberg, public limited company
Augsburg H76393Augsburg H76393
Stadtbachstraße 7Stadtbachstrasse 7
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Flüssigkeitsgekühlter KolbenLiquid-cooled flask
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben insb. für Brennkraftmaschinen dessen Boden durch Anspritzen gekühlt wird und bei dem das Kühlmittel bei Kreuzkopfmotoren ungehindert durch die Kolbenstange bzw. bei Tauchkolben frei in den Kurbelraum abläuft.The invention relates to a liquid-cooled piston in particular. for internal combustion engines whose bottom is cooled by spraying and in which the coolant in crosshead engines is unimpeded runs freely through the piston rod or in the case of plungers into the crankcase.
Bei modernen Brennkraftmaschinen hoher Leistungen ergibt sich zwangsläufig eine erhöhte Wärmebeanspruchung des Arbeitskolbens, so daß die in den Kolbenboden eingeführte Wärme selbst bei guter Wärmeleitfähigkeit des Kolbenmaterials an das Kühlmittel nicht mehr ohne weiteres abgeführt werden kann.In modern internal combustion engines of high power this results inevitably an increased thermal stress on the working piston, so that the heat introduced into the piston crown even with good Thermal conductivity of the piston material to the coolant can no longer be easily dissipated.
Grundsätzlich unterscheidet man Kühlung des Kolbens mit Wasser oder Schmieröl. Die 7/asserkühlung ist zwar - infolge der viel geringeren Zähigkeit des Kühlmittels und damit besserem Wärmeübergang - bedeutend wirksamer als die ölkühlung, aber sie erfordert infolge, der notwendigen Trennung der Zu- und Ableitung zum Kolben (Posaunen) vom Triebwerksraum einen bedeutend höheren Bauaufwand.A basic distinction is made between cooling the piston with water and lubricating oil. The 7 / water cooling is - as a result of the much lower viscosity of the coolant and thus better heat transfer - significantly more effective than oil cooling, but it requires it as a result of the necessary separation of supply and discharge to the piston (trombones) from the machine room a significantly higher construction effort.
Bei der ölkühlung sind verschiedene Ausführungsformen bekannt. So hat man z.B. bei Leichtmetallkolben Kühlschlangen und zwar vorzugsweise im Bereich der Kolbenringe in den Kolben eingegossen, welchen das Kühlmittel durch Bohrungen in der Treibstange und im Kolbenbolzen zugeführt wird, wogegen der AblaufVarious embodiments are known for oil cooling. In the case of light metal pistons, for example, cooling coils have been cast into the piston, preferably in the area of the piston rings, to which the coolant is fed through bores in the drive rod and in the piston pin, while the process
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■ frei in den Kurbelraum erfolgt. Bei dieser Kühlung sind jedoch" Kolbenboden und Kolbenkrone weiterhin den hohen Temperaturen ausgesetzt.■ takes place freely in the crankcase. With this cooling, however, " The piston crown and piston crown continue to be exposed to the high temperatures.
Um dies zu verhindern und eine bessere Kühlwirkung ausüben zu ■ können wurde der Kolben auch schon von unten, d.h. von der Treibstange her angespritzt. Eine derartige ortsbegrenzte Kühlung ist jedoch nur für Kolben kleiner Abmessungen geeignet, bei größerer Abmessung der Kolben hingegen nicht mehr ausreichend.To prevent this and to have a better cooling effect the piston has already been injected from below, i.e. from the drive rod. Such a localized one However, cooling is only suitable for pistons of small dimensions, but not for larger pistons sufficient.
Außerdem hat man versucht die Wirkung einer derartigen Spritzkühlung durch zusätzliche Anordnung von nur zum Teil mit Kühlmittel gefüllten Räumen, in denen das Kühlmittel hin und her planschen konnte, zu verbessern.In addition, attempts have been made to use such spray cooling due to the additional arrangement of rooms that are only partially filled with coolant, in which the coolant flows back and forth could splash, improve.
Es ist ferner bekannt, den Kolben durch eine Zwangsführung des Kühlmittelstroms zu kühlen, wobei zur Verbesserung des Wärmeübergangs bei Kolben des weiteren vorgeschlagen wurde, in den Kolbenhohlräumen Pührungsflachen einzubauen, die so ausgebildet sind, daß zwischen denselben und der zu kühlenden Wand nur ein geringer Zwischenraum für den Durchfluß des Kühlmittels verbleibt. Die Kühlräume des Kolbens sind hierbei vollständig mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Durch derartige Einbauten wird jecL;ch die Herstellung der Kolben erschwert und zudem deren Gewicht unnötig vergrößert, wobei es auch schwierig ist das Kühlmittel in die äußersten Ecken des Kühlraumes .zu bringen.It is also known to cool the piston by forcing the coolant flow, wherein to improve the Heat transfer in pistons has also been proposed, to build in the piston cavities Pührungsflachen so are designed that between the same and the wall to be cooled only a small space for the flow of the coolant remains. The cooling chambers of the piston are completely filled with cooling liquid. By such internals the manufacture of the pistons is made more difficult and In addition, their weight increases unnecessarily, and it is also difficult to get the coolant into the outermost corners of the cooling space .bring to.
Es sind außerdem Kolben bekannt in dessen durch den Kolbenboden und die Kolbenwand begrenzten ringförmigen Hohlraum mehrere Düsen münden, welche in .einer von der Radialen abweichenden Richtung angeordnet sind und wobei dem Kühlmittel· im Hohlraum eine um die Kolbenachse kreisende Drehbewegung durch das aus den Düsen austretende Kühlmittel erteilt wird. Auch hierbei füllt das Kühlmittel den Kühlraum vollständigThere are also known pistons in the annular cavity delimited by the piston head and the piston wall several nozzles open, which in one deviating from the radial Direction are arranged and wherein the coolant · in the cavity a rotating movement around the piston axis by the coolant emerging from the nozzles. Here, too, the coolant completely fills the cooling space
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aus. Die Wärmeabfuhr ist dabei jedoch durch die mäßige Geschwindigkeit insbesondere in Wandnähe beschränkt.the end. The heat dissipation is due to the moderate speed limited in particular near the wall.
Bei dem mit der wachsenden spezifischen Leistung immer weiter gesteigerten Wärmeeinfall in den Kolben reichen aber alle diese Maßnahmen für eine genügende Kühlung des Kolbenbodens nicht aus. Insbesondere zeigt sich z.B. bei hochbelasteten Kolben, daß das Kühlöl auf der Unterseite des Kolbenbodens verlackt und verkokt, wodurch im Läufe der Zeit die Kühlung immer schlechter wird.With the growing specific performance, it continues however, all these are sufficient for increased heat incidence in the flask Measures for adequate cooling of the piston crown are not sufficient. In particular, it can be seen, for example, in the case of highly loaded pistons that the cooling oil on the underside of the piston crown becomes lacquered and coked, which makes the cooling worse and worse over time will.
Diese Nachteile können bei einem Kolben, dessen Boden durch Anspritzen gekühlt wird, erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß in der Nähe des Kolbenbodens eine Vielzahl von gegen die kühlraumseitige Bodenfläche gerichteten engen Bohrungen (Düsen) für den Durchtritt des unter hohem Druck zugeführten Kühlmittels vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme kann die gesamte Unterseite des Kolbenbodens durch die Spritzstrahlen erfaßt werden, weil das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit auf den Boden aufprallt und sich dort jeweils über einen begrenzten Bereich filmartig verteilt, nämlich solange als die im Strahl aufgespeicherte kinetische Energie vorhanden ist. Durch eine Vielzahl auftreffender Strahlen, deren wirksame Fläche durch den Flüssigkeitsdruck und die Düsengröße festlegbar ist, kann die Kühlwirkung örtlich den jeweiligen Anforderungen genau angepaßt werden, indem der am Kolbenboden haftende Flüssigkeitsfilm durch den auftreffenden Strahl laufend'zerschlagen und somit während des ganzen Arbeitsspiels Wärme von der Wand abgezogen wird. Es ist bekannt, dai der Wärmeübergang in hohem Maße von der Geschwindigkeit des Kühlmittels unmittelbar an der Wandoberfläche (Grenzschicht) abhängt. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung geht am besten aus einer Abschätzung der Geschwindigkeiten des Kühlmittels an der zu kühlenden Fläche hervor. Bei einem Kolben mit Zwangsumlauf des Kühlmittels wird es trotz Einbauten zur Olführung schwierig, Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 2 bis 3 m/s zu erreichen,These disadvantages can occur in the case of a piston whose base is molded on is cooled, can be avoided according to the invention that in the vicinity of the piston head a plurality of against the Narrow bores (nozzles) directed towards the bottom surface on the cold room side for the passage of the coolant supplied under high pressure is provided. With this measure, the entire underside of the piston crown can be covered by the spray jets, because the coolant hits the ground at high speed and spreads over a limited area Distributed like a film, namely as long as the kinetic energy stored in the beam is present. By a multitude of incident rays, the effective area of which is defined by the Liquid pressure and the nozzle size can be determined, the cooling effect can be precisely adapted locally to the respective requirements by the liquid film adhering to the piston crown being continuously smashed by the impinging jet and thus heat is drawn from the wall during the entire work cycle. It is known that the heat transfer is high Measure directly from the speed of the coolant the wall surface (boundary layer) depends. The effect of the present invention is best understood from an estimation the speeds of the coolant on the surface to be cooled. In the case of a piston with forced circulation of the coolant it becomes difficult to control flow velocities in spite of internals to guide the oil of more than 2 to 3 m / s,
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weil sonst die durchzupumpende ölmenge und die Leistung der Ölpumpen zu hoch werden. Bei der Spritzkühlung treffen die Strahlen mit mindestens der lOfachen Geschwindigkeit auf die Wandfläche auf. Ausgehend von der Auftreffstelle nimmt zwar die Geschwindigkeit des sich ausbreitenden ÖlfOnes in radialer Richtung abι wenn aber die Auftreffstellen genügend nahe aneinanderliegen, gelingt es trotzdem, auf der gesamten ölbenetzten Fläche eine bedeutend höhere Geschwindigkeit zu erreichen als bei einem Zwangsumlauf. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlung besteht in der wirksamen' Anwendbar- ^ keit auch bei niederen Drehzahlen, bei denen eine reine Planschkühlung verhältnismäßig unwirksam ist.because otherwise the amount of oil to be pumped through and the performance of the Oil pumps get too high. With spray cooling, the jets hit at least 10 times the speed on the wall surface. Starting from the point of impact it takes the speed of the spreading oil film in radial direction Direction abι but if the points of impact are sufficiently close to one another, Nevertheless, it is possible to achieve a significantly higher speed over the entire oil-wetted area than with a forced circulation. Another advantage of the cooling according to the invention is the effective 'Applicable- ^ ability even at low speeds, where a pure splash cooling is relatively ineffective.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und zwar für den Kolben eines Motors mit Kreuzkopf dargestellt. Es zeigen»In the drawing is an embodiment of the invention and although shown for the piston of an engine with a cross head. Show it"
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen KolbenFig. 1 is a longitudinal section through the invention Pistons
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II II der Fig. 1 Fig. 3 eine Einzelheit.FIG. 2 shows a section along line II II of FIG. 1; FIG. 3 shows a detail.
Der Kolben besteht in bekannter Weise aus mehreren Teilen näm-) lieh dem Kolbenboden mit der Kolbenkrone 1 und dem Mantel 2 mit welchem die Kolbenstange 3 durch Schrauben 4 verbunden ist, während die Krone durch Stiftschrauben 5 an der Treibstange befestigt wird. Die Kühlung des Kolbens erfolgt durch ein Kühlmittel, das durch eine Vielzahl von düsenartigen Bohrungen 6, unter Druck austritt, von denen jede etwa eine Fläche von 30The piston consists in a known way of several parts namely) borrowed the piston crown with the piston crown 1 and the skirt 2 to which the piston rod 3 is connected by screws 4, while the crown is attached to the drive rod by studs 5 will. The piston is cooled by a coolant, which flows through a large number of nozzle-like bores 6, leaks under pressure, each of which has an area of approximately 30
- 60 cm des Bodens erfaßt. Die Bohrungen 6, 7 sind an ringförmigen Einsätzen 8, 9 angebracht von denen sich der eine 8 in der Nähe des Kolbenmantels erstreckt, während der andere 9 in der Verlängerung der Kolbenstangenbohrung angeordnet ist. Die Bohrungen selbst sind abwechselnd paarweise am Umfang und unter einem spitzen Winkel zueinander geneigt angeordnet. Um eine ■ gegenseitige Beeinträchtigung der einzelnen Strahlen zu ver-'hindern, und um dem, sich auf dem Kolben ausbreitenden Ölfilm- Recorded 60 cm of the floor. The bores 6, 7 are annular Inserts 8, 9 attached, one 8 of which extends near the piston skirt, while the other 9 in the extension of the piston rod bore is arranged. The holes themselves are alternating in pairs on the circumference and below arranged inclined to one another at an acute angle. In order to prevent the individual beams from interfering with each other, and the oil film spreading on the piston
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eine bevorzugte Richtung zu geben,werden die Bohrungen 6 zweckmäßigerweise in ümfangsrichtung etwas geneigt angeordnet wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Zwischen den Bohrungen sind jeweils radiale Einschnitte 10 in den Einsätzen 8, 9 um ein leichtes Zurückfließen des Kühlmittels zur Ablaufbohrung 11 in der Kolbenstange zu gewährleisten. Die Zufuhr des Kühlmittels erfolgt ebenfalls durch die Kolbenstange, und zwar durch den äußeren Ringraum 12, die Bohrung 13 in den Raum 14 und über die Düsen 6, 7 zum Kolbenboden. Die Kühlmittelzufuhr ist wesentlich stärker gedrosselt als der Ablauf, um zu verhindern, daß der Kolben sich mit Flüssigkeit füllt. Während einer halben Umdrehung d.h., wenn die nach oben gerichtete Beschleunigungskraft die Schwerkraft überwiegt, liegt dabei die Flüssigkeit an dem zu kühlenden Kolbenboden an, sodaß die Wärme vom Kolbenboden bzw. der anhaftenden Grenzschicht in die Flüssigkeit wandert. Bei nach unten gerichteter Beschleunigungskraft hingegen bleibt nur ein dünner Film am Boden haften, der schnell die Temperatur der Wand annehmen und damit nicht mehr weiter kühlen würde, wenn nicht durch die aus den Düsen austretende Flüssigkeit der Film zerschlagen und ständig erneuert würde. Während der nach unten gerichteten Beschleunigungskraft wird ein Teil der Flüssigkeitsfüllung durch die Kolbenstange hinausgeschleüdert, der übrige Teil in die unterhalb der Spritzdüsen liegenden Hohlräume gepreßt, die Düsen müssen daher über den Flüssigkeitsspiegel ragen d.h. höher als die Unterkante der Ablaufschlitze liegen.Der Flüssigkeitsstand ist dabei in Fig. 1 bei 15 angedeutet. Selbstverständlich ist der Flüssigkeitsdruck in den Düsen mindestens so groß zu halten, als der dem Ausspritzen entgegenwirkende Beschleunigungsdruck*· To give a preferred direction, the holes 6 are expedient arranged somewhat inclined in the circumferential direction, as can be seen from FIG. Between the holes are each radial incisions 10 in the inserts 8, 9 to allow the coolant to flow back slightly to the drain hole 11 in the piston rod to ensure. The coolant is also supplied through the piston rod, through the outer annular space 12, the bore 13 into the space 14 and via the nozzles 6, 7 to the piston crown. The coolant supply is much more restricted than the drain to prevent the piston from moving fills with liquid. During half a revolution, i.e. when the upward acceleration force is the force of gravity predominates, the liquid is on the one to be cooled Piston crown so that the heat from the piston crown or the adhering boundary layer migrates into the liquid. At after With the acceleration force directed downwards, on the other hand, only a thin film sticks to the floor, which quickly increases the temperature of the wall and would therefore no longer cool if the film was not broken up by the liquid emerging from the nozzles and constantly renewed. During the downward acceleration force, part of the liquid filling is thrown out by the piston rod, the rest Partly pressed into the cavities below the spray nozzles, so the nozzles must protrude above the liquid level i.e. higher than the lower edge of the drainage slots The liquid level is indicated at 15 in FIG. 1. Of course, the liquid pressure in the nozzles is at least to be kept as high as the acceleration pressure counteracting the spraying *
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann durch eine Anzahl unter verschiedenen Winkeln gerichtete Bohrungen der gesamte zu kühlende Bereich des Kolbens erfaßt werden. Jeder dieser auf den Boden auftreffenden Strahlen breitet sich dabei entsprechend der ihm innewohnenden Energie in einem dünnen Film aus, wobei die Flüssigkeit an den Berührungsgrenzen zum Nachbarfilm abtropft.As can be seen from Fig. 1, by a number below Different angles directed bores of the entire area to be cooled of the piston can be detected. Each of these on the Rays hitting the ground spreads according to the inherent energy in a thin film, whereby the liquid drips off at the contact borders with the neighboring film.
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Auf diese Weise kann die gesamte Fläche mit einer Küblflüssigkeitsschicht überzogen werden, die ständig erneuert wird und eine gute Kühlung des Kolbens bewirkt.In this way, the entire surface can be covered with a layer of cooling liquid be coated, which is constantly renewed and causes a good cooling of the piston.
Die Erfindung gilt in erster linie für das Kühlmittel Schmieröl, ist aber nicht darauf beschrankt.The invention applies primarily to the coolant lubricating oil, but is not limited thereto.
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