DE1930302A1 - Verfahren und Einrichtung zum Kuehlen eines Brennkraftmaschinenkolbens - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zum Kühlen eines Brennkraftmaschinenkolbens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und die Einrichtung zum Kühlen eines Brennkraftmaschinenkolbens mit einem in ihm angeordneten Brennraum und zwei voneinander getrennten Kühlräumen, in denen verschiedenartige Kühlmittel zur Anwendung kommen, wobei eines dieser Kühlmittel aus einem schmelzbaren Stoff besteht, der bei Erreichen seiner Schmelztemperatur in den flüssigen Zustand übergeht und eine die Wärmeübertragung intensivierende Schüttelbewegung ausführt.
• Nach der deutschen Patentschrift 279 273, der britischen Patentschrift 363 8Q9 und der französischen Patentschrift 916 167 sind Kolben mit ebenem, nach.außen oder innen gewölbten Boden bekannt, bei denen unterhalb des Kolbenbodena Kühlkammern angeordnet sind, die bis an den Kolbenmantel, der die Kolbenringe trägt, mit einem schmelzbaren Stoff gefüllt sind. Bei kaltem Kolben und stehendem Motor haftet der schmelzbare Stoff an der unteren Abschlußwand der Kühlkammer. Zwischen ihm und dem Kolbenboden wird ein wärmeisolierender Hohlraum gebildet, so daß beim Anfahren der Maschine eine schnelle Aufheizung des Kolbenbodens erfolgt.
• Sobald der Kolben eine bestimmte Temperatur erreicht hat, wird der genannte Stoff flasig und durch die Eolbenbewegun; in der Kühikainner hin und herjeschleudert und bewirkt eine intensive Wärmeabfuhr zum Kolbenmantel und über die Kohlenringe an die Zylinderwand.
• Eine solche Kühleinrichtung stellt eine von der therniscnen Belastung der Maschine und ifirer Drenzahl abhängige Steuerung der Wärmeabfuhr dar. Als nachteilig muß angesehen werden, daß der sciln.elzbare Stoff erst flüssig wird, wenn bereits der gesamte Kolben aufgeheizt ist. So lange erfolgt eine Wärmeabfuhr aus dem Kolbenboden an den Kolbenmantel durch die Leitfähigkeit des Kolbenwerkstoffes, was anfangs zu hohen Temperaturen in Kolbenbcden führt, bis schließlich eine Vergleichmäßigung eintritt.
• Eine Kühleinrichtung der vorbeschriebenen Art ist auch ohne den genannten Nachteil nicht für Kolben mit in ihm angeordneten Brennraum geeignet, da die aus der Brennraumwand abzuführende Wärme nicht über die Kolbenringe abgeleitet werden kann, weil durch die ;n der ;Brennraumwand auftretenden Temperaturen der Kolbenmantel über den flüssigen Stoff so stark aufgeheizt würde, daß ein Verkokten des Schmieröls und damit ein Feststecken der Kolbenringe in den Nuten die Folge wäre. Diese Verhältnisse ändern sich auch nicht, wenn man, wie in der französischen Patentschrift 916 167 weiter beschrieben ist, an der unteren Wand der Kühlkammer durch einen dünnen Spalt eine geringe Menge von zur Kolbenbolzenschmierung dienenden Öl hindurchführt.
• Bei Kolben mit innenliegendem Brennraum sind bisher eine Reihe von verschiedenen Ölkühlungen benannt. Sie haben jedoch alle gemeinsam den Nachteil, daß sie den Brennraum auch bei kaltem Motor, d.h. beim Starten, im Leerlauf und im unteren Teillastbereich kühlen. Um eine gute Verbrennung und damit eine Verbesserung der Abgase zu erreichen, muß die Brennraumwand schnell auf eine bestimmte, je nach dem Verbrennungs- bzw. Einspritzverfahren mehr oder minder hohe Temperatur aufgeheizt und dann möglichst konstant ge halten werden. Dies gilt insbesondere für Motoren, bei denen während des Einspritzens gewollt oder ungewollt flüssige Kraftstoffteilchen an die Brennraumwand gelangen, da hier zur Ablösung bzw. Verdampfung dieser Teilchen eine bestimmte Temperatur erforderlich ist.
• Bie für eine gute Verl)rennung erforderlichen Temperaturen der Brennraumwand liegen im allgemeinen derart hoch, daß das aus dem Idotorschmierölkreislauf abgezweigte, an die äußere Brennraumwand herangeführte Kühl öl sich sehr schnell zersetzt und unbrauchbar wird.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlung für einen Brerlnkraftmaschinenkolben mit einem Brennraum zu schaffen, bei der die bekannten Vorteile einer durch einen schmelzbaren Stoff gesteuerten Wärmeabfuhr unter Vermeidung der genannten Nachteile genützt werden, wobei es insbesondere darauf ankommt, die Brennraumwand möglichst schnell aufzuheizen und danach eine ausreichende Wärmeabfuhr zu ermöglichen, ohne den Kolbenmantel unzulässig zu erwärmen und ohne das Kühlöl unbrauchbar zu machen.
• Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die aus der Brennraumwand abzuführende Wärme von dem schmelzbaren Stoff aufgenommen und an das zweite, eine Wärmeübertragung von der Brennraumwand zu dem die Kolbenringe tragenden Kolbenmantel verhindernde Kühlmittel abgegeben und von diesem in den Ölsumpf der Kurbelwanne aus dem Kolben abgeführt wird.
• Der schmelzbare Stoff dient dabei zum Ausgleich von örtlich und/oder seitlich in der Brennraumwand auftretenden Temperaturspitzen und bewirkt eine Zwischenkühlung, so daß als die Wärme aus dem Kolben abführendes Kühlmittel das normale Motorschmieröl verwendet werden kann. Um eine ausreichende Wärmeabfuhr durch das Motorschmieröl zu sichern, wird es laufend zugeführt und fließt, nachdem es innerhalb seines Kühlraumes eine Schüttelbewegung ausgeführt hat, wieder zum Ölsumpf ab, ohne daß eine unzulässige Temperaturerhöhung des Kühlöls auftritt.
• Zur Durchführung des Verfahrens wird im Kolben um die Brennraumwand ein diese nahezu voll umschließender, den schmelzbaren Stoff aufnehmender, innerer Kühlraum und um diesen inneren Kühlraum ein diesen ebenfalls nahezu voll umschließender, das Motorschmieröl aufnehmender, äußerer Kühlraum angeordnet, wobei sich der äußere Kühlraum zwischen dem inneren Kühlraum und dem die Kolbenringe tragenden Kolbenmantel erstreckt.
• Damit der jeweilige Zustand (fest oder flüssig) des schmelzbaren Stoffes auch tatsächlich direkt von der Temperatur der Brennraumwand abhängig gesteuert und nicht erst eine Umleitung der Wärme über den Kolbenmantel erforderlich wird, ist der innere'Kühlraum so gestaltet, daß der ihn teilweise ausfüllende Stoff den Boden der Brennraumwand auch im festen Zustand berührt. Als schmelzbarer Stoff können in an sich bekannter Weise Metalle oder organische oder mineralische Stoffe verwendet werden, die je nach den gewünschten Schmelzpunkten und Wärmeleitfähigkeiten auszuwählen sind. Der äußere Kühlraum ist so ausgebildet, daß in ihm eine bestimmte Menge Motorschmieröl vorhanden ist.
• Damit beim Abschalten des Motors aus dem warmen Zustand durch eine evtl. Nachheizung daß im äußeren Kühlraum vorgesehene Motorschmieröl nach Aussetzen der shaker-Wirkung nicht überhitzt und dadurch verdorben wird, kann an-der tiefsten Stelle des äußeren Kühlraumes noch eine Bohrung für den langsamen Ablauf angebracht sein.
• Auf diese Weise werden alle dem bekannten Stand der Technik anhaftenden Nachteile beseitigt und eine einwandfreie Kühlung erreicht.
• Wird die beschriebene Kolbenkühlung für schrägliegend eingebaute Kolben wie beispielsweise in V-Motoren verwendet, so sammelt sich beim Absinken der Temperatur in der Brennraumwand der schmelzbare Stoff nicht er am Boden des inneren Kühlraumes, d.h. unterhalb der Mitte des Brennraumes an und erstarrt dort, sondern es tritt je nach der Zylinderneigung eine seitliche Verlagerung gegenüber der Kolbenlängsachse auf. Der schmelzbare Stoff kommt daher entsprechend der Zylinderneigung mehr oder weniger an der unten liegenden Außenseite der oberen Hälfte der Brennraumwand zum Anliegen und erstarrt dort. Beim Anlassen des Motors erfolgt von der oberen Hälfte der Brennraumwand, auf die flüssiger Kraftstoff aufgespritzt wird, sofort eine gute Wärmeabfuhr. Dies ist jedoch unerwünscht, denn gerade dieser Teil der Brennraumwand soll sich möglichst schnell auf seine Solltemperatur erwärmen.
• Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, den inneren Kühlraum in voneinander getrennte Einzelkammern zu unterteilen.
• Die Unterteilung erfolgt durch an der Außenseite der Brennrauswand vorgesehene, radial nach außen gerichtete und vom Kolbenboden zur Mitte der Brennraumwand hin verlaufende Rippen.
• Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles hervor.Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit Erennraum und einer Kühleinrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht der äußeren Prennraumwand von unten gesehen nit einer nach einem Teilmerkmal der Erfindung vorgesehener, Unterteilung des inneren Kühlraumes, Fip. 3 den oberen Teil des Kolbens ncch Fig. 1, jedoch ln einer Schräglage gegenüber der Senkrechten.
• In Fig. 1 ist in einem Kolben 1 ein durch eine Brennraum wand 2 begrenzter Brennraum 3 vorgesehen. Die Brennraum wand 2 wird nahezu vollkommen von einem inneren Kühlraum 4 umschlossen, dessen äußere Begrenzung durch eine mit Abstand von der äußeren Brennraumwand 2 angeordnete SchaleS gebildet wird. Der imlere Kühlraum 4 ist teilweise mit einem schmelzbaren Stoff 6 gefüllt, welcher bei Errelellen seiner Schmelztemperatur in deI flüssigen Zustand übergeht.
• Um die Schale 5 ist ein weiterer, diesen voll umschließender, äußerer Kühlraum 7 angeordnet, der von oben durch den Kolbenboden 8 und von außen durch den die Kolbenringe 9 tragenden Kolbenmantel 10 begrenzt wird. Der äußere Kühlraum 7 ist im Beispiel durch-eine Ölfangdüse 11 und ein Ablaufrohr 12 mit dem unteren, offenen Teil 13 des Kolbens 1 verbunden. Die Ölfangdüse 11 und das Ablaufrohr 12 ragen ein Stück in den äußeren Kühlraum 7 hinein, wodurch in diesem eine bestimmte Menge des Motorschmieröls 14 zurückgehalten wird. Damit dieses nicht durch die Ölfang düse 11 austreten kann, ragt letztere weiter in den Kühlraum 7 hinein. In Verlängerung der Achse der Ölfangdüse 11 ist im Kurbelgehäuse eine Kühlmittel-Einspritzdüse 15 fest angebracht, die im UT des Kolbens in die olfangdüse 11 eintaucht. Am tiefsten Punkt des äußeren Kühlraumes 7 ist schließlich noch eine kleine Bohrung 16 vorgesehen, durch die das Motorschmieröl 14 bei Stillstand langsam auslaufen kann, damit es nicht durch eine evtl. Nachheizung aus der Brennraumwand 2 überhitzt wird.
• Wirkungsweise: Bei kaltem Kolben 1 und längerem Stillstana des Motors ist der schmelzbare Werkstoff 6 erstarrt und berührt die Brennraumwand 2 nur an ihrem unteren Teil. Der äußere Kühlraum 7 ist leer, das Motorschmieröl durch die Bohrung 16 abgelaufen. Beim Starten des otcrs wird zunächst durch dig Öleinspritzdüse 11 der äußere Kühlraum 7 bis zu seinem vorgeschriebenen Stand gefüllt, wobei das Notorschnieröl 14 durch die Kolbenbewegung einer Schüttelbewegung unterworfen ist und den Brennraumboden e und die Kolbenringe 9 sofort gleichmäßig kühlt. kus der Brennraumwand 2 erfolgt nur im unteren Teil ein Wärmeabzut, während der obere Teil durch den hohlen inneren Kühlraum 4 isoliert bleibt. Ilat die Brennraumwand 2 ihre vorgeschriebene Temperatur erreicht, so wird der schmelzbare Stoff 6 flüssig und bespült durch die shaker-Wirkurg den gesamten inneren Kühlraum 4. Nach Aufnahme der Wäre aus der Brennraumwand 2 und Ausgleich von örtlichen und/oder seitlichen Temperaturspitzen gibt der schmelzbare Stoff 6 die Wärme an das Motorschmieröl 14 weiter, welches sie nach unten aus dem Kolben abführt. Durch Erhöhung der Drehzahl bzw. der Kolbengeschwindigkeit erfolgt eine Erhöhung der shaker-Wirkung in beiden Kühlräumen 4, 7 und eine Ernöhung der Umlaufmenge des Notorschmieröls 1t, wodurch auch eine erhöhte Wärmeabthr eintritt. So Kann die Brennraumwand 2 nicht überhitzt werden und etwa zufällig oder absichtlich an diese gelangender Kraftstoff wird nicht gekrakt.
• In Fig. 2 sind nach einer Weiterbildung der Erfindung an der dem innerer Kühlraum 4 zugewandten Oberfläche der Brennraumwand 2 mehrere gleichmäßig über die Oberfläche verteilte Längsrippen 17 vorgesehen. Durch diese Rippen 17, welche dicht nilt der Schale 5 verbunden sind, wird der innere Kühlraum 4 in mehrere gleiche Kacnern 4a bis 4h unterteilt, in denen jeweils die gleiche Menge des schmelzbaren Stoffes 6 untergebracht ist. Die Rippen 17 verlaufen vom Kolbenboden 8 zur Mitte der Brennraumwand 2, so daß der schmelzbare Stoff 6, sofern er sich im flüssigen Zustand befindet, die Schüttelbewegungen ungehindert durchführen kann.
• Wird der Kolben 1, wie in Fig. 3 dargestellt ist, in einer Schräglage einbaut, so verlagert sich der schmelzbare Stoff 6 beim Abkühlen zwar etwas, indem er jeweils den tiefsten Punkt der Kammern 4a bis 4h einnimmt, er bleibt aber im wesentlichen unter dem Boden der Brennraumwand 2 bzw. um diesen herum gleichmäßig verteilt und kann sich keinesfalls so weit verlagern, daß er im festen Zustand an der unten liegenden Seite der Brennraumwand 2 bis in die obere Hälfte des Kühlraumes 4 gelangt bzw. daß er dort noch an der äußeren Brennraumwand ? anliegt. Der obere Teil der Brennraumwand 2 bleibt daher im kalten Zustand wie bisher isoliert.

Claims (14)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Kühlen eines Brennkraftmaschinenkolbens it einem in ihm angeordneten Brennraum und zwei voneinander getrennten Kühlräumen, in denen verschIedenartige Kühlmittel zur Anwendung kotntTen, wobei eInes dieser Eühlmittel aus einem schmelzbaren Stoff besteht, der bei Erreichen seiner Schmelztemperatur in den flüssigen Zustand übergeht und eine die Wärmeübertragung intensivierende Schüttelbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der 3rennraumwand (2) abzuführende Wärme von dem schmelzbaren Stoff (6) aufgenommen und an das zweite, eine Wärmeübertragung von der Brennraumwand (2) zu dem die Kolbenringe (9) tragenden Kolbenmantel (10) verhindernde Kühlmittel (14) abgegeben und von diesem aus dem Kolben (1) in den Ölaumpf der Kurbelwanne abgeführt w rd.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daM der die Wär:ne aus der Brennraumwand (2) aufnehmende schmelzbare Stoff (6) zum Ausgleich von örtlich und/oder zeitlich in der Brennraumwand (2) auftretenden Temperaturspitzen dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß das zweite Kühlmittel (14) innerhalb seines Kühlraumes (,) eine Schüttelbewegung ausführt, und daß seine Menge s bemessen ist, daß es die aus dem Kolben abzuführende Wärmemenge ohne unzulässige Temperaturerhöhung übernehmen kann.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schmelzbare Stoff (6) auch im festen Zustand die für eine temperaturabhängige Steuerung als Steuergröße dienende Brennraumwand (2) teilweise berührt.

5. Verfahren nech Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als schmelzbarer Stoff (6) in an sich bekannter Weise etalle cer organische cder mineralische Stoffe verende; werden.

b. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als die Wärme aus dem. Kolben (1) abführendes Kühlmittel (14) in an sich bekannter Weise das Motorschmieröl verwendet wira.

7. Einrichtuii zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß um die Brennraumwand (2) ein diese nahezu voll umschließender, den schmelzbaren Stoff (6) aufnehmender innerer Kühlraum (4) und um diesen inneren Kühlraum (4) ein diesen ebenfalls nahezu voll umschließender, das Motorschmieröl (14) aufnehmender äußerer Kühlraum (7) angeordnet ist, und daß sich der äußere Kühlraum (7) zwischen dem inneren Kühlraum (4) und dem die Kolbenringe (9) tragenden Kolbenmantel (10) erstreckt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kühlraum (4) durch eine mit Abstand von der äußeren Brennraumwand (2) angecrdnete Schale (5) abgeschlossen ist, und daß diese Schale (5) als Trennwand zwischen dem inneren und dem äußeren Kühlraum (4, 7) dient.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kühlraum (7) in an sich bekannter Weise wenigstens eine Ölfangdüse (11) zum Einepritzen des Motorschmieröls (14) und wenigstens ein Ablaufrohr *(12) aufweist.

10. Einrichtung nach den Ansprechen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölfangdüsen (11) und die Ablaufrohre (12) so weit in den äußeren Kühlraum (7) hineinragen, daß in diesem immer eine ausreichende Menge Motorschmieröl (14) für eine shaker-Wirkung vorhanden ist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bi 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölfangdüsen (11) gegenüber den Ablaufrohren (12) weiter in den äußeren Kühlraum (7) hineinragen.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der tiefsten Stelle des äußeren Kühlraumes (7) eine kleine Bohrung (16) zum langsamen Ablaufen des Motorschmieröls (14) vorgesehen ist.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kühlraum (4) in mehrere flüssigkeitsdicht voneinander getrennte Eiwzelkammern (4a bis 4h) unterteilt ist.

14. Einrichtung nach den Ansprüchen 7, 8 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung des inneren Kühlraumes (4) in Einzelkammern (4a bis 4h) durch an der äußeren Brennraumwand (2) vorgesehene, radial nach außen gerichtete und vom Kolbenboden (8) zur Mitte der Brennraumwand (2) hin verlaufende Rippen (17) erfolgt.