DE1576733A1

DE1576733A1 - Verfahren zur Kuehlung eines Brennkraftmaschinenkolbens

Info

Publication number: DE1576733A1
Application number: DE19671576733
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl-Ing Fischer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1967-07-15
Filing date: 1967-07-15
Publication date: 1971-03-04
Also published as: BE718096A; AT294497B; NL6809804A; CH501148A

Description

Verfahren zur Kühlung eines Brennkraftmaschinenkolbens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung eines Brennkraftmaschinenkolbens mit einem Brennraum und mit einem inneren und äußeren Kühlraum.
Für die Kühlung von Brezrnkraftmaschinenkolben sind Verfahren bekannt, bei denen eine unzulässige Erwärmung des Kolbens oder von geilen desselben, die den heißen Verbrennungsgasen besonders ausgesetzt sind, dadurch erfolgt, daß Kühlöl .n das Innere der Kolbenunterseite gespritz! wird oder, dal3 Kühlöl unter Druck durch die Kurbelwelle, durch. das P? euer und den Kolbenbolzen in den Kühlraum eines ein- oder mehrteilig ausgebildeten Kolbens geleitet wird, oder, daß Kühlöl durch Spritzdüsen, die an einem gesonderten Kühlölkreislauf angeschlossen sind, in den. Kühlraum im Kolben hineingespritzt wird, der dann durch das durchströmende Kühlöl gekühlt wird, Bei Kolben von Brennkraftmaschinen, die einen kugel- oder topfförmigen Brennraum in ihrem Kolbenoberteil enthalten, wird mit einem solchen Kühlverfahren nicht erreicht, daß die Wärmeabfuhr von der Brennraumwand des Kolbens beim Starten, insbesondere bei tiefen Temperaturen, bei Leerlauf und bei geringer Teillast so gering wird, daß sich an der Brennraizm-Inr_tn;vand rasch eine ausreichend hohe Temperatur einstellt, so dai3 der anfällig oder absichtlich an die Wand gelangende Brennstoff einwandfrei verbrennt, während gleichzeitig die der Zylinderwand zugekehrte Außenseite des Kolbens, in der die Kolbenringe angeordnet sind, ein ausreichend niedriges Temperatur-Niveau behalten muß, damit eine einwandfreie Schmierung der Zylinderinnenwand ermöglicht und ein Verkoken des Schmieröls und dadurch Feststecken der Kolbenringe in der- Nuten vermieden wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brenakraftmaschine der vorausgesetzten Bauart die Temperaturbereiche in der Wand des Koltenbrennraumes und damit im Kolbenbrennraum im Hinblick auf die jeweiligen Belastungszustände der Maschine zu regeln.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Temperatur der Brennraumwand ansauglu. f'# temperatur- und lastabhängig selbsttätig gesteuert wird. .,nd daß die beiden Kühlräume JUllzg voneinander getrennt sind.
Demnach wird erstmalig vorgeschlagen, zwei voneinander unabhängige Kühlbereiche und ?war einen Kühlhereiah für die Brennraumwand und einen Kühlbereich für die übrigen zu kühlenden Bauteile des Kolbens, beispielsweise dessen die Kolbenringe aufweisenden Oberteils zu schaffen, wobei die Temperatur der Brennraumwand selbsttätig gesteuert wird. Was die steuerbare Temperatur der Brennraumwand anbelangt, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlageti, da9: :iiei verschiedenartige Kühlmittel Verwendung finden; und zwar wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der innere Kühlraum teilweise mit einem gut wärmeleitenden Werkstoff mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt gefüllt ist. Erfindungsgemäß wird als Kühlmittel deshalb Metall verwendet, weil dieses normalerweise zunächst starr ist und nur an einem verhältnismäßig geringen Oberflächenanteil des Brennraumes anliegt, solange diese kalt ist und in diesem Zustand nur eine unbedeutende Kühlwirkung entsteht. Jedes andere Kühlmittel, das bei den Umgebungstemperaturen flüssig bleibt, in denen das Fahrzeug betrieben wird, ergäbe durch die "shaker-Wirkung" stets intensive Kühlung auch zu einem 3eitpunkt, wo diese völlig unerwünscht ist. Als ein solcher Werkstoff kommt beispielsweise Woods-Metall in Frage, bestehend aus einer Legierung aus Wismut, Blei und Zinn, das bei einer Temperatur zwischen 1800 und 250o flüssig wird lind dessen Wirkungsweise an einer späteren Stelle beschrieben wird. An Stelle eines Woods-Metalls kann aber auch ein bei diesen Temperaturen flüssigwerdendes Salz beispiel,-weise Natrium verwendet werden.
Als Kühlmittel im äußeren Kühlraum ist in an sich bekannter Weise Motorschmieröl vorgesehen. Die Erfindung wird in der Zeichnung an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der linken Hälfte der Figur, die einen Längsschnitt durch den halbierten Kolben einer Brennkraftmaschine zeigt, ist mit 1 der Brennkraftmaschinenkolben bezeichnet. Dieser Kolben weist in seinem Oberteil einen - hier - kugeligen Brennraum 2 mit eingeschnürtem Brennraumhals 3 auf. Der Brennraum ist als ein besonderes Bauteil im Oberteil des Kolbens eingesetzt. Die Brennraumwand ¢ ist teilweise von einem inneren Kühlraum 5 umgeben, der aus dem Kolbenwerkstoff herausgearbeitet ist. Der innere Kühlraum 5 ist teilweise mit einem Werkstoff 6 mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt gefüllt, der etwa zwischen 1800 bis 2500 C liegt.
In der rechten Hälfte der Zeichnung, die wiederum einen Längsschnitt durch den halbierten Kolben einer Brennkraftmaschine zeigt, sind für die gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie bei der Anordnung in der linken Zeichnungshälfte angewendet. In konstruktiver Hinsicht wird hier der die Brennraumwand ¢ umgebende innere Ringraum 5 durch eine in das Kolbenoberteil eingesetzte Schale 7 umschlossen. Diese Schale weist einen umgebördelten Öffnungsrand £3 auf, der beim-Einschrauben des Brennraumes 2 in das Oberteil des Kolbens auf einen Ringvorsprung 9 fest aufgepresst wird.
Die Regeleinrichtung arbeitet bei beiden Anordnungen in gleicher Weise und zwar wie folgt: Solange die Brennraumwandtemperatur beispielsweise unter 1b00 C liegt, ist der wärmeleitende Werkstoff 6 noch fest und verbleibt, unbeeinflußt von den Kolbenbewegungen der laufenden Maschine in der dargestellten Zage. Dabei bildet der vom Werkstoff 6 nicht ausgefüllte Raum des inneren Kühlraumes eine intensive Wärmeisolierung (ruhende Luftschicht), während von der Brennraumwand q. die Wärme nur an den Flächenteilen abgeleitet wird, die von dem noch festen Werkstoff 6 umschlossen sind. Die Brennraumwand wird daher nach dem Anlassen der Maschine durch die Brenngase im Brennraum in der gevfnschten Weise schnell aufgeheizt. Sobald aber die Brennraumwandtemperatur auf beispielsweise 2000 C angestiegen ist, wird der Werkstoff 6 flüssig und durch die auf-und abgehenden Kolbenbewegungen hin- und hergeschüttelt, was hier mit Schüttelkühlung ("shaker-Kühlung") bezeichnet wird. Beim jeweiligen Abwärtsgehen des Kolbens wird der nunmehr flüssige Werkstoff 6 bis zum oberen Rand 7 (linke Figurenhälfte) bzw.I10 (rechte Figurenhälfte) hochgeschleudert, so daß die Brennraumaußenwand auch in ihrem oberen Bereich eine Wärmeabführung erfährt und auf diese Art die Temperatur der gesamten Brennraum-Außenwand ziemlich gleichmäßig auf einer für die motorische Verbrennung günstigen Höhe gehalten werden kann.
Bei Stillstand der Maschine sammelt sich der noch flüssige Werkstoff im Boden des inneren Kühlraumes an und erstarrt wieder, wenn die Temperatur beispielsweise unterhalb 1800 C abgesunken ist. Im übrigen wird der äußere Ringraum 11 des Kolbenoberteiles in an sich bekannter Weise zur Kühlung mit Motorschmieröl versorgt, das durch eine Düse 12 eingespritzt wird.
Bei der Angabe über den Temperaturbereich für den Fließpunkt des wärmeleitenden Werkstoffes 6 wurde von den üblichen Brennraumwandtemperaturen ausgegangen. Sollte aus irgendeinem Grund ein verbrennungsmotorisches Verfahren angewendet werden, bei dem höhere Brennraumwandtemperaturen zulässig oder auch notwendig sind, dann wird ein Werkstoff mit einem anderen Fließpunktbereich in den inneren Ringraum eingeführt.

Der technische Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß durch das Verfahren ermöglicht wird, daß einerseits beim Kaltstart, im Leerlauf und im Bereich geringer Teillast schnell eine möglichst hohe Temperatur an der Brennrauminnenwand erreicht wird, ohne daß die Kolbenaußenseite mit den Kolbenringen 13, die in dem Arbeitezylinder gleiten, so aufgeheizt wird, daß eine einwandfreie Kühlung und Schmierung der Kolbenlauffläche verhindert wird, und daß andererseits bei zunehmender Belastung und Vollast der Maschine von der Brennraumwand so viel Wärme abgeführt wird, daß die zulässige Höchsttemperatur an der Innenwand des Brennraumes nicht überschritten wird, wodurch vermieden .wird, da13 an die Brennraumwand zufällig oder absichtlich gelangender Brennstoff zum Kranken kommt, was eine unerwünschte Erhöhung den Verbrennungegeräusohes und eine Verschlechterung den Auspuffe durch erhöhte Rufbildung zur

@'el@;e . hätte, daß aber g,le@_ch@°e_ @i@; die Kolbeiiaußenseite

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Ls wird durch das erfinüun@;sgemä ße Verfahren vermieden,

(:.ts Scllnieri)l durchberhi t;@ing an der Brennraumwa.nd

all:ut-lilich unbrauchbar wird, wie bei Kühlverfahren für

1L@@'_@F?@ t@ie @l@@me@aljfi@@ir von I5eiizen h@lbenteilen unmittelbar

ciiii°-iii Kiihl "il bewirkt wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e t. Verfahren zur Kühlung eines Brennkraftmascliinenkolbens mit einem Brennraum und mit einem inneren und äußeren Kühlraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Brennrstumwand ansauglufttemperatur- und lastabhängig selbsttätig gesteuert wird, und daß die beiden Kühltüume völlig voneinander getrennt sind.
2. Verfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß zwei verschiedenartige Kühlmittel Verwendung finden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kühlraum (5) teilweise mit einem wärmeleitenden Werkstoff (6) mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt gefüllt ist. 4. verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel im äußeren Kühlraum (11) in an sich bekannter Weise Notcroohuieröl vorgesehen ist.