DE2530736B2 - Thermisch belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine mit einer heißen Wand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisch belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine mit einer heißen Wand, insbesondere Zylinderkopf oder Kolben, das zwei durch eine Zwischenwand getrennte Kühlräume aufweist und bei dem durch enge Durchflußöffnungen in der Zwischenwand Kühlflüssigkeit unter Druckabfall aus dem äußeren Kühlraum in den inneren Kühlraum strömt, der an eine Abflußleitung angeschlossen ist, wobei die Kühlflüssigkeitsströme aus den Durchflußöffnungen gegen die heiße Wand gerichtet sind.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-PS 5 11 545 bekannt. Hierbei läuft die dem Wärmeeinfall abgewandte Seite der zu kühlenden Wand geradlinig durch. Soll diese Wand hohe mechanische Beanspruchungen aufnehmen, muß ihre Stärke hinreichend groß bemessen werden. Dies führt aber zu einer Erhöhung der Temperaturspannungen in der Wand.

Hiervon ausgehend ist es das Ziel der Erfindung, eine einfach herstellbare Anordnung zu schaffen, die trotz hoher mechanischer Belastbarkeit der zu kühlenden Wand zu niedrigen Temperaturspannungen führt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die heiße Wand mehrere, Stege belassende Kühlvertiefungen aufweist, in deren wandnahen Bereich die Kühlflüssigkeitsströme gerichtet sind, daß die Kühlvertiefungen mit mindestens einem Teil ihres wandnahen Bereichs in einen quer zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufenden, an die Abflußleitung angeschlossenen Abströmkanal münden.

Bei Anwendung der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß die Kühlung sehr nahe an den heißen Oberflächen erfolgen kann, ohne daß die mechanische Festigkeit hierdurch unzulässig gemindert wird. Durch die Anordnung von Kühlvertiefungen wird die gekühlte Oberfläche und damit die Wärmeabfuhr vergrößert. Dies führt zu einer Senkung der Temperaturen in der zu kühlenden Wand und damit zu einer Verringerung der Temperaturspannung. Durch die zwischen den Kühlvertiefungen verbleibenden Stege besteht weiterhin die Möglichkeit, die Wandstärke zwischen den Enden der Kühlvertiefung und der dem Wärmeeinfall zugewandten Seite der Wand klein zu bemessen, da die Stege mechanische Beanspruchungen aufnehmen kann.

Vorteilhaft sind die Kühlvertiefungen als Hohlräume mit zu einer Mittellängsebene symmetrischen Querschnittshälften ausgebildet, wobei die Durchflußöffnung in die eine Querschnittshälfte gerichtet ist und die andere Querschnittsfläche mit dem Abströmkanal in Verbindung steht. Hierdurch wird eine gute Durchströmung der Kühlvertiefung durch die Kühlflüssigkeit in Form einer Umkehrströmung erreicht. Besonders vorteilhaft ist es, die Kühlvertiefungen als zylindrische Hohlräume auszubilden. Dann können die Kühlvertiefungen in einfacher Weise durch Bohren und Fräsen hergestellt werden.

Vorzugweise ist der Boden jeder Kühlvertiefung zur Umleitung der Kühlflüssigkeit gekrümmt oder kegelig ausgebildet. Diese Maßnahme verbessert nicht nur die gleichmäßige Durchstromung der Kühlvertiefung, sondern erhöht auch die mechanische Festigkeit der zu

kühlenden Wand.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung sind zwei Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Teilschnitt durch einen Zylinderkopf und einen Zylinderbuchsimbund,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 11-11 in Fig. 1,

Fig.3 einen senkrechten Teilschnitt durch ein Kolbenoberteil und

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in F i g. 3.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Zylinderkopf umfaßt eine einen Brennraum 1 oberhalb eines Kolbens 2 begrenzende Zylinderdeckelwand 3 und ein darüber angeordnetes Zylinderdeckelgehäuse 4. Die Zylinderdeckelwand 3 und das Zylinderdeckelgehäuse 4 sind über innere Spannschrauben 5 sowie nicht dargestellte äußere Spannschrauben fest miteinander verbunden. Im Zylinderdeckelgehäuse 4 sind mehrere Räume 6 vorgesehen, die durch radial verlaufende Querwände mit öffnungen 7 miteinander in Verbindung sieben. Der dargestellte Raum 6 weist weiterhin eine Zutrittsöffnung 8 auf, an die eine nicht dargestellte Kühlflüssigkeitszuführleitung angeschlossen ist. An der der Zylinderdeckelwand 3 benachbarten Wand 9 des Raumes 6 sind radial verlaufende Rippen 10 vorgesehen. Durch die Rippen 10 erstrecken sich eine Anzahl von Durchflußöffnungen 11 geringen Querschnitts.

Die Zylinderdeckelwand 3 weist an der dem Brennraum abgewandten Seite eine Vielzahl von Kühlvertiefungen 12,12a auf, die so gelegt sind, daß die Wände der Kühlvertiefungen entweder mit den Stirnflächen oder Seitenflächen möglichst nah an die dem Wärmeeinfall ausgesetzte Zylinderdeckelwand 3 herangeführt sind. Zwischen den Kühlvertiefungen 12, deren Längsachsen A-A unter einem Winke! von 90° zu der dem Wärmeeinfall ausgesetzten Seite der Zylinderdeckelwand 3 verlaufen, verbleiben Stege 13, die die mechanische Festigkeit der Zylinderdeckelwand 3 erhöhen und es gestatten, die Böden 14 der Kühlvertiefungen 12 bis nahe an die dem Brennraum 1 zugewandte Seite der Zylinderdeckelwand 3 heranzuziehen. Die am weitesten außenliegenden Kühlvertiefungen 12a sind bis in den Bereich eines Randes 15 der Zylinderdeckelwand 3 herabgezogen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlvertiefungen 12, 12a als zylindrische Hohlräume mit einem etwa halbkreisförmig gebogenen Boden 14 ausgebildet. Der Boden kann jedoch auch kegelförmig ausgebildet sein. Die runde Ausgestaltung der Querschnittsfläche der Kühlvertiefungen gestattet, diese durch Bohren und Fräsen herzustellen. Soweit die Zylinderdeckelwand durch Gießen hergestellt wird, besteht auch die Möglichkeit, andere Querschnittsformen, beispielsweise elliptische, vier- oder sechseckige Querschnitte, zu verwenden. Zweckmäßig weisen die Kühlvertiefungen zu einer Mittellängsebene B-B (Fig. 2) symmetrische Querschnittshälften auf. Jede Durchflußöffnung 11 ist so angeordnet, daß sie in einen wandnahen Bereich der öffnung 11 so angeordnet, daß sie in einen wandnahen Bereich der öffnung der Kühlvertiefung 12 gerichtet ist. Ein zweckmäßig gegenüberliegender Teil des wandnahen Bereichs der Öffnung jeder Kühlvertiefung steht mit einem geradlinig verlaufenden Abströmkanal 16 in Verbindung. Dabei werden die Abströmkanäle 16 durch die Rippen 10 begrenzt. Die Querschnittsfläche jeder öffnung einer Kühlvertiefung 12,12a, die mit dem Abströmkanal 16 in Verbindung steht, ist wesentlich größer als die Querschnittsfläche der zugehörigen Durchflußöffnung 11 bemessen. Ebenso weisen die Abströmquerschnitte 16 vorteilhaft Abströmquerschnitte auf, die der Summe der Abströmquerschnitte aller an den jeweiligen Abströmkanal gelegten Kühlvertiefungen 12, 12a entsprechen. Die Abströmquerschnitte 16 ihrerseits münden ebenfalls ohne weitere Drosselstellen für die Kühlflüssigkeit in eine Abflußleitung 17. Am inneren, eine Einspritzdüse 18 umgebenden Rand der Zylinderdeckelwand 3 ist weiterhin ein umlaufender Kühlkanal

19 vorgesehen, in den ebenfalls mehrere Durchflußöffnungen 1 la münden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Reihe von nebeneinander angeordneten Kühl-Vertiefungen 20 in einem Bund 21 einer Zylinderbuchse 22 vorgesehen. Da die mechanischen Beanspruchungen des ohnehin stabilen Bundes 21 durch die vom Brennraum 1 aus wirkenden Gaskräfte geringer sind als die der Zylinderdeckelwand, können die Längsachsen der Kühlvertiefungen 20 unter einem kleineren Winkel gegenüber der innenfläche der Zylinderbuchse 22 geneigt sein. Diesen Kühlvertiefungen 20 wird die Kühlflüssigkeit ebenfalls aus einem Raum 23 durch eine verengte Durchflußöffnung 24 zugeführt, die wiederum

in einen Randbereich der öffnung der Kühlvertiefung

20 gerichtet ist. Ein gegenüberliegender Bereich der öffnung der Kühlvertiefung 20 steht mit einem umlaufenden Abströmkanal 25 in Verbindung, der seinerseits wiederum an eine nicht dargestellte Abflußleitung angeschlossen ist.

Beim Betrieb der Anordnung befindet sich in den Räumen 6 und 23 Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann aus diesen Räumen durch die Durchflußöffnungen 11,11a und 24 unter gleichzeitiger Druckminderung und Erhöhung ihrer Geschwindigkeit ausströmen. Der aus den Durchtrittsöffnungen austretende Strahl gelangt, wie durch Pfeile in Fig. 1 angedeutet, weitgehend geschlossen bis zum Boden 14 der Kühlvertiefungen 12 bzw. 20. Er wird durch den etwa halbkreisförmig gebogenen Boden 13 um 180° umgelenkt und im wesentlichen in der anderen Hälfte der Kühlvertiefungen 12, 20 zurückgeführt. Danach gelangt der in die etwa quer zur Ausströmrichtung verlaufenden Abströmkanäle 16 bzw. 25. Von hier fließt die Kühlflüssigkeit zu den Abflußleitungen 17, wie ebenfalls durch Pfeile dargestellt ist.

Der in den F i g. 3 und 4 teilweise dargestellte Kolben umfaßt einen Kolbenboden 30 und einen Kolbengrundkörper 31. Im mittleren Bereich des Kolbenbodens 30 sind mehrere Reihen von Kühlvertiefungen 32 vorgesehen, deren Längsachsen C-C unter einem Winkel von etwa 60° zu der dem Brennraum zugewandten Seite des Kolbenbodens 30 verlaufen. Im Randbereich des Kolbens ist eine weitere Reihe von Kühlvertiefungen

5^r> 32a vorgesehen, die etwa senkrecht zu der dem Brennraum zugewandten Seite des Kolbenbodens 30 und parallel zu einem seitliche Kolbenringe 33 aufnehmenden Ansatz 34 verlaufen. Die Kühlvertiefungen 32, 32a sind wiederum mit rundem Querschnitt ausgeführt und weisen einen halbrunden Boden 35 auf. Zwischen den Reihen der Kühlvertiefungen 32 bzw. zwischen der innersten Reihe dieser Kühlvertiefungen und einem zentralen Kühlraum 36 verbleiben wiederum Stejje 37, die nicht nur die wärmeabführenden Flächen vergrößern, sondern auch die mechanische Belastbarkeit des Kolbenbodens erhöhen.

Der mit dem Kolbenboden 30 mittels Spannschrauben 38 verbundene Kolbengrundkörper 31 weist einen

mittleren Raum 39 auf, in den eine Kühlflüssigkeitszuleitung 40 mündet. Eine parallel zu den öffnungen der Kühlvertiefungen 32 verlaufende Begrenzungswand 41 dieses Raumes ist mit Rippen 42 versehen, durch die sich wiederum Durchflußöffnungen 43 erstrecken. Jede dieser Durchflußöffnungen 43 ist an einen wandnahen Bereich einer Kühlvertiefung 32 gerichtet. Dabei sind die Rippen 42 wiederum bis unmittelbar an die Ebene der öffnungen der Kühlvertiefungen vorgezogen und verlaufen etwa sternförmig zu der Kolbenlängsachse D-D.

Zwischen den Rippen 42 verbleiben Abströmkanäle 44, die zu einer Abflußleitung 45 führen. Der Raum 39 steht über einen Kühlkanal 46 mit dem Kühlraum 36 in Verbindung, von dem aus ein Ringkanal 47 zu den Abströmkanälen 44 führt.

Zur Kühlflüssigkeitsversorgungder Kühlvertiefungen 32a führen vom Raum 39 ausgehend radiale Kühlkanäle 48 zu einem ringförmig umlaufenden Kühlkanal 49. Von diesem Kanal gehen wiederum Durchflußöffnungen 50 aus, durch die jeweils ein Kühlflüssigkeitsstrahl in einen wandnahen Bereich einer Kühlvertiefung 32a eintreten kann. Unterhalb der Mündungsebene der Durchflußöffnungen 50, die wiederum etwa bis in die Ebene der öffnungen der Kühlvertiefungen 32a hochgezogen sind, befindet sich ein Auffangraum 51, der über einen Abströmkanal 52 mit der Abflußleitung 45 in Verbindungsteht.

Beim Betrieb der Anordnung wird die Kühlflüssigkeit durch die Kühlflüssigkeitszuleitung 40 in den Raum 39 geführt. Von hier aus tritt ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Kühlkanal 46 in den Kühlraum 36. Der Kühlkanal 46 ist hierbei so ausgelegt, daß die zum Kühlraum 36 durchtretende Kühlflüssigkeit eine merkliche Druckminderung erfährt. Dabei tritt durch den

^ri Kühlkanal 416 ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit, der am zu kühlenden Brennraumboden in den Raum 36 umgelenkt wird und über den Ringkanal 47 in die Abflußkaniile 44 eintritt. Ein anderer Teil der Kühlflüssigkeit triit durch die Duichflußöffnungen 43 in die Kühlvertiefungen 32 ein und wird hier, wie wiederum durch Pfeile dargestellt ist, in einem wandnahen Bereich bis zum Boden 35 geleitet, dort umgelenkt und dann in einem anderen Bereich zurückgeführt bis zu den Bereichen der öffnungen der Kühlvertiefungen 32, die mit den beiderseits der Rippen 42 angeordneten Abströmkanälen 44 in Verbindung stehen und etwa quer zur Rückströmrichtung der Kühlflüssigkeit in der Kühlvertiefungen 32 verlaufen. Dabei ist die Durchflußöffnung 47 so bemessen, daß die durch den Kühlkanal 4f geleitete Teilmenge der Kühlflüssigkeit in dieser Durchflußöffnungen auf den gleichen niedrigen Druck gebracht wird, den die andere durch die Durchflußöffnungen 43 in die Kühlvertiefungen 43 eingeführte Kühlflüssigkeitsnienge nach deren Verlassen aufweist

>-, Eine dritte Teilmenge der Kühlflüssigkeit tritt durch die radialen Kühlkanäle 48 und den umlaufenden Kühlkana 49 sowie die Durchflußöffnungen 50 in die Kühlvertie fungen 32a ein und wird nach deren Durchströmen irr Auffangraum 51 aufgenommen und über den Abström kanal 52 ebenfalls der Abflußleitung 45 zugeleitet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Thermisch belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine mit einer heißen Wand, insbesondere Zylinderkopf oder Kolben, das zwei durch eine Zwischenwand getrennte Kühlräume aufweist und bei dem durch enge Durchflußöffnungen in der Zwischenwand Kühlflüssigkeit unter Druckabfall aus dem äußeren Kühlraum in den inneren Kühlraum strömt, der an eine Abflußleitung angeschlossen ist, wobei die Kühlflüssigkeitsströme aus den Durchflußöffnungen gegen die heiße Wand gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wand (3,21,30) nehrere, Stege (13,37) belassende Kühlvertiefungen (12, 12a, 20, 32, 32a) aufweist, in deren wadnahen Bereich die Kühlflüssigkeitsströme gerichtet sind, daß die Kühlvertiefungen mit mindestens einem Teil ihres wandnahmen Bereichs in einen quer zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufenden, an die Abflußleitung (17, 45) angeschlossenen Abströmkanal (16, 25, 44, 51) münden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvertiefungen (12, 12a, 20, 32, 32a,) als Hohlräume mit zu einer Mittellängsebene symmetrischen Querschnittshälften ausgebildet sind, wobei die Durchflußöffnung in die eine Querschnittshälfte gerichtet ist und die andere Querschnittshälfte mit dem Abströmkanal (16,25,44,51) in Verbindung steht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Küblvertiefungen (12, 12a, 20, 32, 32a) als zylindrische Hohlräume ausgebildet sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Kühlvertiefungen (12,12a, 32,32a) unter einem Winkel von 90 bis 30° zu der dem Wärmeeinfall ausgesetzten Seite der zu kühlenden Wand (3,30) verlaufen.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (14,35) jeder Kühlvertiefung (12, 32) zur Umleitung der Kühlflüssigkeit gekrümmt oder kegelig ausgebildet ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlvertiefungen (12, 32) nebeneinander angeordnet sind und mit einem gemeinsamen Abströmkanal (16,44) in Verbindung stehen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zu kühlenden Wänden (3, 30) mit runder Begrenzung, wie Zylinderkopfdeckel oder Kolbenboden, die Abströmkanäle (16, 44) sternförmig angeordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Abströmkanäle (16, 44) an die Abflußleitung (17, 45) angeschlossen sind.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchfl'jßöffnungen (11, 43) in etwa bis zur Ebene der öffnungen der Kühlvertiefungen vorgezogenen Rippen (10,42) eines mit der zu kühlenden Wand (3, 30) fest verbundenen Bauteiles (4, 31) angeordnet sind.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmquerschnitt der Abflußleitung (17, 45) oder Abflußleitungen größer als die Summe der Querschnittsflächen der Durchflußöffnungen (11, 24, 43, 50) bemessen ist.