DE19712090C1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großdieselmotor mit wenigstens einem mit einer Kolbenstange versehenen Kolben, der wenigstens einen inneren Kühlraum aufweist, der ein Wärmeübertragungsmedium enthält, das in einer mit einem Kühlmittel beaufschlagbaren Kühleinrichtung kühlbar ist.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der EP 0 074 156 A2 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist in den Kolben ein den Kühlraum nach unten abschließender Wärmetauscher eingebaut. Diese bekannte Anordnung erfordert daher einen vergleichsweise großen Herstellungsaufwand sowie einen zusätzlichen Teilebedarf. Außerdem ist die hierbei erreichbare Kühlfläche vergleichsweise Mein. Zudem besteht die Gefahr, daß der Wärmetauscher infolge der hohen Beanspruchung reißt. Es besteht daher auch eine hohe Leckagegefahr.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß trotz einfacher und kostengünstiger Bauweise eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine gute Kühlwirkung erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolbenstange zumindest auf einem Teil ihrer Länge mit Ausnehmungen versehen ist, die an den Kühlraum des Kolbens angeschlossen sind und zusammen mit diesem ein geschlossenes Hohlraumsystem bilden, das teilweise mit dem Wärmeübertragungsmedium gefüllt ist, und daß die Kolbenstange den Ausnehmungen zugeordnete, mit dem Kühlmittel beaufschlagbare Kühlflächen aufweist.

Hierbei wird in vorteilhafter Weise die Kolbenstange als Wärmetauscher benutzt. Es ergibt sich daher kein zusätzlicher Teilebedarf. Die benötigten Ausnehmungen können leicht und einfach hergestellt werden. Gleichzeitig sind eine hohe Festigkeit und Leckagesicherheit gewährleistet. Zudem bietet die Kolbenstange vergleichsweise große Wärmeübergangsflächen. Die Kolbenstange stellt nämlich ein vergleichsweise langes und dickes Bauteil dar. Das Wärmeübertragungsmedium wird hierbei aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens und der Kolbenstange praktisch nach dem Cocktail-shaker-Prinzip bewegt, was einen guten Wärmeübergang und damit eine gute Temperaturvergleichmäßigung und zuverlässige Kolbenkühlung gewährleistet. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten dementsprechend einen hohen Wirkungsgrad und eine ausgezeichnete Wirtschaftlichkeit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die Ausnehmungen der Kolbenstange zweckmäßig als vom Kühlraum abgehende, axiale Sacklöcher ausgebildet sein, die bis zum vom Kolben abgewandten, kreuzkopfseitigen Fuß der Kolbenstange reichen. Hierbei ergeben sich in vorteilhafter Weise nahezu über die ganze Länge der Kolbenstange durchgehende, parallel zur Bewegungsrichtung verlaufende Kanäle, was einen besonders guten Austausch des Wärmeübertragungsmediums gewährleistet. Zudem ergibt sich automatisch die erwünschte Kapselung.

Zur Erzielung einer gerichteten Strömung und zur Erhöhung der Verweilzeit des Wärmeübertragungsmediums können jeweils mehrere Ausnehmungen der Kolbenstange zur Bildung eines durchgehenden Kanals miteinander verbunden sein, wobei am kolbenseitigen Ein- und Ausgang dieses Kanals gegenläufige Rückschlagventile angeordnet sein können.

In vorteilhafter Weise können die Ausnehmungen der Kolbenstange in der Nähe der Periferie der Kolbenstange angeordnet sein. Hierbei fungiert die gesamte, vergleichsweise große Umfangsfläche der Kolbenstange als Wärmeabgabefläche.

Eine zweckmäßige Fortbildung kann darin bestehen, daß die Kolbenstange zumindest auf einem Teil ihrer Länge durch Sprühdüsen von außen mit Kühlmittel beaufschlagbar ist. Hierdurch wird die äußere Wärmeabgabe der Kolbenstange intensiviert, was eine zuverlässige Kühlung des Wärmeübertragungsmediums gewährleistet.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, daß die Kolbenstange mit den dem Wärmeübertragungsmedium zugeordneten Ausnehmungen benachbarten, mit einem Kühlmittel beaufschlagbaren Kühlkanälen versehen ist. Hierbei ergibt sich in vorteilhafter Weise eine innere Wärmeabgabe.

Die Kühlkanäle können zweckmäßig als vom kreuzkopfseitigen Ende der Kolbenstange ausgehende, axiale Sacklöcher ausgebildet sein, die zweckmäßig mittels des Kreuzkopf-Schmiersystems mit Schmieröl beaufschlagbar sind. Diese Maßnahmen ergeben eine besonders einfache Ausführung mit hohem Kühleffekt.

Zur Erzielung einer gerichteten Strömung und einer hohen Verweilzeit des Kühlmittels innerhalb der Kolbenstange können jeweils mehrere Kühlkanäle zur Bildung eines durchgehenden Kanals miteinander verbunden sein, wobei am kreuzkopfseitigen Ein- und Ausgang gegenläufige Rückschlagventile vorgesehen sein können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar.

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in Form eines Vertikalschnitts durch eine aus Kolben, Kolbenstange und Kreuzkopf bestehende Baugruppe eines großen Zweitakt-Dieselmotors,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II/II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch eine mehrteilig ausgebildete Kolbenstange,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellungsweise und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V/V in Fig. 4.

Der Aufbau und die Wirkungsweise von großen Zweitakt-Die­ selmotoren, wie sie für Schiffsantriebe und dergleichen Verwendung finden können, sind an sich bekannt. Derartige Motoren enthalten mehrere Antriebsaggregate der den Fig. 1 und 4 zugrundeliegenden Art mit jeweils einem in einem zugeordneten Zylinder 1 angeordneten Kolben 2, der über eine Kolbenstange 3 mit einem zugeordneten, im Motorgestell 4 gleitend gelagerten Kreuzkopf 5 fest verbunden ist. Die Kolbenstange 3 überträgt die reziprozierende Bewegung des Kolbens 2 auf den Kreuzkopf 5, der über einen nicht näher dargestellten Pleueltrieb mit der im unteren Bereich des Motorgestells 4 angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. Der Kreuzkopf 5 besitzt auf vertikalen Führungen 6 des Motorgestells 4 gleitend geführte Gleitschuhe, die mittels einer Schmiereinrichtung 7 mit Schmieröl versorgt werden.

Der Kopf der Kolbenstange 3 ist mit dem Kolben 2 fest verschraubt. Der Fuß der Kolbenstange 3 ist mit dem die Gleitschuhe überbrückenden Joch des Kreuzkopfes 5 fest verschraubt. Der Kolben 2, der an seiner Oberseite den Brennraum begrenzt, wird innerlich gekühlt, so daß vergleichsweise dünne Wandstärken verwirklicht werden können. Hierzu ist der Kolben 2 mit einer oben durch den Kolbenboden und unten durch den Kopf der Kolbenstange 3 begrenzten, inneren Kühlraum 8 versehen, von dem durch axiale Ausnehmungen 9 der Kolbenstange 3 gebildete Stichleitungen abgehen. Diese sind hier als über nahezu die ganze Länge der Kolbenstange 3 durchgehende, im Bereich ihres Fußes endende, axiale Sacklöcher ausgebildet. Diese sind, wie Fig. 2 zeigt, mit gleicher Winkelverteilung auf einem zur Achse der Kolbenstange konzentrischen Teilkreis angeordnet. Im dargestellten Beispiel sind acht jeweils um 45° gegeneinander versetzte Ausnehmungen 9 vorgesehen. Diese können einen lichten Durchmesser von 15-50 mm, vorzugsweise 25 mm, aufweisen.

Der Kühlraum 8 und die Ausnehmungen 9 bilden ein nach außen gekapseltes Hohlraumsystem. In diesem ist ein, wie durch die Niveaulinie 10 angedeutet ist, es nur teilweise ausfüllendes, gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisendes Wärmeüber­ tragungsmedium, beispielsweise Wasser oder Glykol, enthalten. Der durch die Niveaulinie 10 angedeutete Füllungsgrad kann 60-90% des Volumeninhalts des genannten Hohlraumsystems betragen. Im Betrieb ergibt sich infolge der hin- und hergehenden Bewegung von Kolben 2 und Kolbenstange 3 derselbe Effekt wie bei einem Cocktail-shaker. Dementsprechend findet permanent ein Austausch des im Kühlraum 8 enthaltenen Wärmeübertragungsmediums statt. Dieses nimmt im Bereich des Kolbens 2 Wärme auf und gibt diese im Bereich der Kolbenstange 3 wieder ab, wodurch eine zuverlässige Kühlung des Kolbens 2 bewirkt wird.

Die Kolbenstange 3 ist ein sehr langes und vergleichsweise dickes Bauteil, so daß sich eine vergleichsweise große Außenoberfläche ergibt. Über diese kann die vom Wärmeübertragungsmedium abgegebene Wärme an die Umgebung abgeleitet werden. Eine Ausführung dieser Art liegt den Fig. 1 bis 3 zugrunde. Die Ausnehmungen 9 der Kolbenstange 3 sind hier mit geringem Wandabstand im Bereich der Periferie der Kolbenstange 3 angeordnet. Der zugeordnete Teilkreis verläuft dementsprechend periferienah. Die Umfangsfläche der Kolbenstange 3 wird zur Bewerkstelligung einer hohen Wärmeabfuhr von außen mit einem Kühlmittel beaufschlagt. Als Kühlmittel kann einfach das ohnehin vorhandene Schmiermittel Verwendung finden.

Hierzu sind, wie Fig. 1 erkennen läßt, mehrere, übereinander angeordnete, mit dem Kühlmittel, beispielsweise Schmieröl, beaufschlagbare Sprühdüsen 11 vorgesehen, durch welche der im Bereich der Führung 6 des zugeordneten Kreuzkopfes 5 sich befindende Bereich der Kolbenstange 3 mit dem Kühlmittel beaufschlagt und dementsprechend außen gekühlt wird.

Zweckmäßig sind jeweils mehrere umfangsseitig gegeneinander versetzte Sprühdüsen 11 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel sind, wie aus Fig. 2 entnehmbar ist, im Bereich aller vier Ecken des von den Führungen 6 flankierten, von der Kolbenstange durchgriffenen Schachts Düsenleisten mit mehreren übereinander angeordneten Sprühdüsen 11 vorgesehen, so daß sich eine gleichmäßige Beaufschlagung auf dem ganzen Umfang der Kolbenstange 3 und auf einer vergleichsweise großen Länge ergibt. Die Sprühdüsen 11 sind über zugeordnete Versorgungsstränge 12 an die Schmiereinrichtung 7 des zugeordneten Kreuzkopfes angeschlossen, wodurch sich auf einfache Weise eine ausreichende Versorgung mit Kühlflüssigkeit erreichen läßt. Das zur Kühlung der Kolbenstange 3 auf diese aufgesprühte Öl kann einfach in den Kurbelraum ablaufen. In einfachen Fällen kann hier eine Beaufschlagung der Kolbenstange 3 mit Kühlluft genügen.

Die Ausnehmungen 9 können einfach als Sackbohrungen hergestellt werden. Diese Herstellungsart kommt bei einteiliger Ausführung der Kolbenstange 3 in Frage. Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 besteht die Kolbenstange 3 aus einem inneren Kern 14, der von einer Hülse 15 umfaßt ist. Der Kern 14 und/oder die Hülse 15 können dabei im Bereich ihres Außenumfangs bzw. ihres Innenumfangs zur Bildung der Ausnehmungen 9 genutet sein. Diese Nuten können bereits beim Gießen vorgesehen und anschließend nur noch nachgefräst werden oder können einfach ganz spanabhebend hergestellt werden.

Eine weitere Variante kann darin bestehen, daß einige oder alle Ausnehmungen 9 einer Kolbenstange 3 jeweils im Bereich ihrer unteren, kolbenfernen Enden miteinander verbunden sind, wie in Fig. 1 bei 16 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Hierdurch ergibt sich ein durchgehender Kanal mit Vorlauf- und Rücklaufast. Im Bereich des Ein- bzw. Ausgangs dieses Kanals können, wie in Fig. 1 weiter mit unterbrochenen Linien angedeutet ist, gegenläufige Rückschlagventile 17 bzw. 18 vorgesehen sein, die nur in Eingangsrichtung bzw. nur in Ausgangsrichtung öffnen. Hierdurch läßt sich eine gerichtete Strömung erzielen. Durch die Verbindung mehrerer Ausnehmungen 9 zu einem zusammenhängenden Kanal läßt sich auch die Verweilzeit des Wärmeübertragungsmediums im Bereich der Kolbenstange 3 verlängern, wodurch die Kühlwirkung insgesamt verbessert werden kann. Zudem kann bei einer derartigen Ausführung der Füllungsgrad des aus Kühlraum 8 und Ausnehmungen 9 bestehenden, geschlossenen Systems vergleichsweise groß sein.

Bei dem den Fig. 4 und 5 zugrundeliegenden Beispiel wird die Kolbenstange 3 innen gekühlt. Hierzu sind den vom Kühlraum 8 abgehenden Ausnehmungen 9 der Kolbenstange 3 benachbarte Ausnehmungen 19 vorgesehen, die als mit einem Kühlmittel, beispielsweise Schmieröl, beaufschlagbare Kühlkanäle fungieren. Diese sind, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, auf einem Teilkreis angeordnet, der konzentrisch zum Teilkreis der Ausnehmungen 9 ist. Im dargestellten Beispiel befinden sich die vom Kühlraum 8 abgehenden Ausnehmungen 9 auf dem inneren Teilkreis und die Kühlkanäle bildenden Ausnehmungen 19 auf dem äußeren Teilkreis.

Die Kühlkanäle bildenden Ausnehmungen 19 sind als vom kreuzkopfseitigen Ende der Kolbenstange 3 ausgehende Sacklöcher ausgebildet, die bis zum Kopf der Kolbenstange 3 reichen und dort unterhalb der den Kühlraum 8 begrenzenden Stirnseite der Kolbenstange enden. Die Ausnehmungen 19 können wie die Ausnehmungen 3 als Sackbohrungen hergestellt werden. Es wäre aber auch eine Ausgestaltung der aus Fig. 3 entnehmbaren Art denkbar, wobei hier zwei Hülsen benötigt würden. Zur Versorgung der als Kühlkanäle fungierenden Ausnehmungen 19 mit Schmieröl sind diese einfach an die Schmiereinrichtung 7 des zugeordneten Kreuzkopfes 5 angeschlossen. Hierzu sind im Kreuzkopf 5 zu den kreuzkopfseitig offenen Ausnehmungen 19 führende Stichleitungen vorgesehen.

Zur Verlängerung der Verweilzeit des Schmieröls und zur Erzielung einer gerichteten Strömung können jeweils einige oder alle Kühlkanäle an ihren Enden so miteinander verbunden sein, daß sich ein kreuzkopfseitiger Ein- und Ausgang ergibt. Dasselbe gilt umgekehrt auch für die vom Kühlraum 8 abgehenden Ausnehmungen 9. Diese können, wie oben im Zusammenhang der Fig. 1 bereits ausgeführt wurde, so miteinander verbunden sein, daß sich jeweils ein kolbenseitiger Ein- und Ausgang ergeben, denen gegenläufige Rückschlagventile zugeordnet sein können, wie in Fig. 1 bei 17 und 18 angedeutet ist. Im Bereich der durch miteinander verbundene Ausnehmungen 19 gebildeten Kanäle ergibt sich bereits infolge des Öldrucks eine gerichtete Strömung, so daß ein Rückschlagventil reicht oder auf Rückschlagventile verzichtet werden kann.

Claims (19)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Großdiesel­ motor, mit wenigstens einem mit einer Kolbenstange (3) versehenen Kolben (2), der wenigstens einen inneren Kühlraum (8) aufweist, der ein Wärmeübertragungsmedium enthält, das in einer mit einem Kühlmittel beaufschlagbaren Kühleinrichtung abkühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3) zumindest auf einem Teil ihrer Länge mit Ausnehmungen (9) versehen ist, die an den Kühlraum (8) des Kolbens (2) angeschlossen sind und zusammen mit diesem ein geschlossenes Hohlraumsystem bilden, das teilweise mit dem Wärmeübertragungsmedium gefüllt ist, und daß die Kolbenstange (3) den Ausnehmungen (9) zugeordnete, mit dem Kühlmittel beaufschlagbare Kühlflächen aufweist.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) der Kolbenstange (3) als vom Kühlraum (8) abgehende, axiale Sacklöcher ausgebildet sind.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) der Kolbenstange (3) bis zum vom Kolben (2) abgewandten, kreuzkopfseitigen Fuß der Kolbenstange (3) reichen.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Ausnehmungen (9) der Kolbenstange (3) zumindest im Bereich ihres kolbenfernen Endes miteinander verbunden sind.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den kolbenseitigen Ein- und Ausgängen miteinander verbundener Ausnehmungen (9) gegenläufige Rückschlagventile (17, 18) zugeordnet sind.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) auf einem zur Achse der Kolbenstange (3) konzentrischen Teilkreis angeordnet sind.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) nahe der Periferie der Kolbenstange (3) angeordnet sind, die an ihrer Außenoberfläche kühlbar ist.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3) zumindest auf einem Teil ihrer Länge durch Sprühdüsen (11) von außen mit dem Kühlmittel beaufschlagbar ist.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ecken des den Kolbenstangen (3) jeweils zugeordneten Schachts jeweils mehrere, übereinander angeordnete Sprühdüsen (11) vorgesehen sind.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühdüsen (11) über das motorseitige Schmiersystem mit Schmieröl beaufschlagbar sind.

11. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3) mit den dem Wärme­ übertragungsmedium zugeordneten Ausnehmungen (9) benachbarten, mit Kühlmittel beaufschlagbaren Ausnehmungen (19) versehen ist.

12. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (19) auf einem zur Achse der Kolbenstange (3) konzentrischen Teilkreis angeordnet sind.

13. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (19) als vom kreuzkopfseitigen Ende der Kolbenstange (3) ausgehende Sacklöcher ausgebildet sind.

14. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (19) über die Länge der Kolbenstange (3) bis kurz vor das kolbenseitige Ende der Kolbenstange (3) durchgehen.

15. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (19) über die dem Kreuzkopf (5) zugeordnete Schmiereinrichtung (7) mit Schmieröl beaufschlagbar sind.

16. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils einige der Ausnehmungen (19) zumindest am kolbenseitigen Ende miteinander verbunden sind.

17. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des kreuzkopfseitigen Eingangs miteinander verbundener Ausnehmungen (19) ein Rückschlagventil angeordnet ist.

18. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Ausnehmungen (9 bzw. 19) der Kolbenstange (3) als axiale Bohrungen ausgebildet sind.

19. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3) aus einem Kern (14) und wenigstens einer diesen umgebenden Hülse (15) besteht und daß zumindest ein Teil der Ausnehmungen (9 bzw. 19) der Kolbenstange (3) als umfangsseitige Ausnehmungen des Kerns (14) und/oder der Hülse (15) ausgebildet sind.