DE259609C - - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- M 259609 KLASSE 47/. GRUPPE

HUGO JUNKERS in AACHEN.

ausgesetzt ist.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. Februar 1912 ab.

Vorliegende Erfindung betrifft Kolbenmaschinen, bei denen der hin und her gehende Kolben einer immer wiederholten einseitigen Erhitzung bei gleichzeitiger hoher mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist, also beispielsweise Explosionsmotoren, Verbrennungsmotoren, Kompressoren u. dgl. m. Die starke Erhitzung des Kolbenbodens und die gleichzeitige starke Beanspruchung erfordern unbedingt besondere Mittel, um die Wärme so schnell wie möglich zu beseitigen, da ohne sie nach kürzer Zeit die Zerstörung des Kolbens eintritt.

Die Beseitigung der Wärme erfolgt dadurch, daß man sie an die Luft oder den Erdboden ableitet. Dieses kann im wesentlichen auf drei Arten geschehen:

i. durch einen den Kolben durchfließenden Kühlwasserstrom,

2. durch direkte Wärmeabgabe an die Luft mittels wärmeaustauschender Oberfläche (Rippen o. dgl.),

3. durch Abgabe der Wärme an die durch Luft oder Wasser gekühlten Zylinderwandüngen.

Die erste Art der direkten Kühlung mittels durchströmenden Wassers ist umständlich m Anlage und Betrieb wegen der Schwierigkeit, dem bewegten Kolben das Wasser zu- und von ihm wieder abzuleiten.

Die zweite Art der Wärmeableitung ist in vielen Fällen nicht ausreichend wegen des geringen Wärmeüberganges von Metall an.Luft.

Man hat deswegen vorgeschlagen, diese Art der Kühlung durch geschlossene luftleere Röhren, die zum Teil mit einer zu verdampfenden und an anderer Stelle in ihnen wieder zu kondensierenden Flüssigkeit angefüllt sind und in die zu kühlenden Flächen hineinragen, auszuführen. Ganz abgesehen davon, daß eine derartige Vorrichtung bei liegenden Maschinen oder bei stehenden Maschinen mit unten angeordneter Welle kaum Verwendung finden kann, weil besonders im letzteren Falle die Flüssigkeit gar nicht mit den erwähnten Teilen in Berührung kommt, ist sie für viele Maschinen auch schon aus dem Grunde nicht angängig, weil ungemein komplizierte Konstruktionen erforderlich sein würden, um die Stellen, an denen die Kondensation des Dampfes stattfinden soll,, in geeigneter Weise mit der Luft bzw. mit anderen Kühlvorrichtungen in Verbindung zu bringen. Bei geschlossenem Kurbelgehäuse würde diese Art der Kühlung außer dem nahezu wirkungslos sein, weil die Rippen der Kondensationsvorrichtung nur mit der schließlich sehr warm werdenden Luft des Kurbelgehäuses in Berührung treten und somit eine Wärmeabgabe an die Luft nicht mehr erfolgen kann.

Die vorliegende Erfindung gehört zu der dritten Art, bei welcher die Wärme des Kolbens an die Zylinderwandungen abgegeben wird. Da hierbei lediglich die zylindrischen Teile des Kolbens die Wärmeabführung vermitteln, während die Wärmeaufnahme hauptsächlich

am Kolbenboden erfolgt, ist es nötig, die Wärme vom Kolbenboden an den zylindrischen Teil zu leiten. Eisher erreichte man dies lediglich durch metallische Leitung, indem man zur Erreichung genügend großer Leitungsquerschnitte entweder die Wandstärken des Kolbenbodens und -mantels groß wählte oder besondere Leitungsrippen anbrachte, welche die Wärme von den heißen Stellen auf die

ίο mit den Zylinderwandungen in Berührung kommenden Mantelteile übertragen sollten. Diese Art ist zwar einfach, aber in den Fällen, wo große Wärmemengen abzuleiten sind, namentlich bei großem Zylinderdurchmesser oder bei gleichzeitigem Auftreten sehr hoher Drücke und Temperaturen, unzureichend, weil es dann nicht möglich ist, ausreichende Metallquerschnitte zu schaffen. Überdies wird der Kolben unzulässig schwer.

Dem Bekannten gegenüber besteht die Erfindung darin, daß der hohle oder mit Höhlungen versehene Kolben mit einer Flüssigkeit ganz oder teilweise gefüllt wird, die ohne Erneuerung dauernd in ihm verbleibt und mit der eigentlichen Kühlung des Kolbens, also mit der Abführung der Wärme nach außen nur mittelbar etwas zu tun hat, indem sie lediglich als Wärmeleiter oder Wärmeverteiler wirkt. Mit den zuerst und zu zweit genannten Vorrichtungen, bei denen die Wärme unmittelbar durch strömendes Wasser nach außen fort> geschafft oder durch Verdampfung der eingeschlossenen Flüssigkeit an den erhitzten Stellen gebunden und an anderen mit der Luft in Berührung stehenden Stellen durch Kondensation wieder frei und an die Luft abgegeben wird, hat die vorliegende Erfindung nichts Wesensgleiches. Sie besorgt die Wärmeabführung durch die Zylinderwandungen, an denen der Kolben entlang läuft, woran bei den zuerst und dritterwähnten Vorrichtungen gar nicht gedacht ist und was auch gar nicht beabsichtigt ist. Gegenüber den bekannten Vorrichtungen dieser Gattung, bei denen bisher die Beseitigung der Wärme an den hocherhitzten Stellen lediglich durch metallische Leitung erfolgt, weist sie ganz bedeutende Vorteile auf.
Während nämlich bei der ausschließlichen metallischen Leitung die Wärme auf verhältnismäßig langen Wegen den kühleren Teilen des Kolbens in gleichmäßigem, verhältnismäßig langsamem Strome zufließt, wird sie bei der vorliegenden Erfindung durch die lebhaft durcheinandergewirbelte und umgeschleuderte Flüssigkeit unmittelbar an den heißesten Stellen aufgenommen und sozusagen mechanisch nach weit entlegenen Stellen fortgeschleudert und an diese abgeführt. Infolge des augenblicklichen und lebhaften Durcheinanderfließ ens bzw. Durcheinanderwirbeins der Flüssigkeitsteilchen nimmt die ganze Masse der Flüssigkeit nahezu an allen Stellen eine gleiche Temperatur au und infolgedessen auch die überall von dieser Flüssigkeit bespülten Wandungen. Demgemäß sind die Temperatur differenzen zwischen den Stellen des Kolbens, die der hohen Erhitzung ausgesetzt sind,, und den weit davon entfernt liegenden viel geringer als bei den bekannten Vorrichtungen, d. h. der Kolben nähert sich dem Idealzustand, in dem er an allen Stellen gleiche Temperatur besitzt. Die schädlichen Einflüsse der Materialspannungen bei großen Temperatur differenzen, wie sie in den bekannten Vorrichtungen auftreten, sind dadurch beseitigt. Die Wandungen des Kolbens nach vorliegender Erfindung können überall gleichmäßig und nur mit Rücksicht auf die Festigkeit gebildet werden, es sind infolgedessen , sehr viel schwächere Wandungen als früher erforderlich, und damit sind die unerwünschten Anhäufungen von Metallmassen und die damit verbundenen schädlichen Massenwirkungen beseitigt. Trotz der geringeren Wandstärken ist aber die Bruchgefahr sehr vermindert, die bei der früheren Bauart trotz, enormer Wandstärke stark vorhanden war wegen der bei hohen Temperaturen stark verminderten Festigkeit des Materials. Endlich .ist die Gefahr des Klemmens, die bei einseitiger starker Erhitzung und ausschließlicher metallischer Leitung des Kolbens stets auftritt, sobald nicht sehr reichlich Spiel vorgesehen ist, so gut wie beseitigt, und auch die Zylinderschmierung ist bei einem gleichmäßig erwärmten Kolben wirksamer als bei einem ungleichmäßig, stellenweise hocherwärmten, zum mindesten in der Nähe der Totpunktlage des Kolbens.

Durch die vorliegende Erfindung ist es überhaupt erst möglich geworden, Maschinen mit größerem Kolbendurchmesser ohne direkte Kühlung durch strömendes Wasser zu bauen, d. h. mit einem Kolbendurchmesser, wie ihn die heute verlangten Einheiten durchgehends besitzen müssen.

Auf der Zeichnung ist ein Kolben mit der bekannten metallischen Ableitung der Wärme und ein Kolben nach der vorliegenden Erfindung im Schnitt dargestellt.

Fig. ι zeigt den bekannten, Fig. 2 den neuen Kolben im Schnitt.

Die eingezeichneten Pfeile sollen die Abführung der Wärme nach außen veranschaulichen.

Der Kolben gemäß der Erfindung ist, wie bereits erwähnt, mit einer oder mehreren verschließbaren Höhlungen versehen, die ganz oder zum Teil mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind, welches im Betriebe nicht erneuert wird. Dabei ist die Einrichtung so getroffen, daß die Flüssigkeit durch den Gang der Maschine in lebhafte Bewegung

geraten muß. In einfachster Weise wird dies durch nicht vollständige Füllung der Hohlräume erreicht, man kann aber auch bewegliche Platten o. dgl. anordnen, durch deren Bewegung eine Zirkulation der Flüssigkeit hervorgerufen wird. Die Abführung der Wärme nach außen erfolgt vorzugsweise durch die großen zylindrischen Flächen, die in inniger Berührung mit den in bekannter Weise gekühlten Zylindermantelflächen stehen, und geschieht auch bei Schnellauf enden Maschinen in so intensiver Weise, daß eine, unzulässige Erwärmung · des Kolbenbodens, trotzdem die Flüssigkeit nicht erneuert wird, ausgeschlossen ist.

Die Höhlungen im Kolben müssen genügend weit und auch sonst so gestaltet sein, daß die angestrebte Bewegung der Flüssigkeit erfolgen kann. Der Kolben kann im Innern mit geeigneten Rippen, Schlagleisten, Vorsprüngen o. dgl. ausgerüstet werden, durch welche die Flüssigkeit in besonders günstiger Weise gemischt, bzw. in Umlauf versetzt wird. Dadurch, daß man an bestimmten Stellen der warmen oder kalten Kolbenteile die Oberfläche durch Rippen u. dgl. vergrößert, kann man die Temperatur dieser Kolbenteile in gewünschter Weise regulieren.
Es ist nicht notwendig, den ganzen Innenraum als Flüssigkeitsraum zu verwenden. Man kann beispielsweise zur Verringerung der Masse einen ringförmigen Flüssigkeitsraum oder mehrere einzelne Kammern anwenden.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Kolben für Maschinen,_> bei denen er beim Hin- und Hergang einer immer wiederholten einseitigen, starken Erhitzung bei gleichzeitiger hoher mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, ganz oder teilweise angefüllt ist, die im Betriebe nicht erneuert und durch die Bewegung des Kolbens in Strömung versetzt wird.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, , daß er eine oder mehrere verschließbare Höhlungen enthält, die zum Teil oder ganz mit ständig darin verbleibendem Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind bzw. gefüllt werden können, und so angeordnet sind, daß bei Bewegung des Kolbens die Flüssigkeit in Bewegung versetzt wird.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verbesserung der Zirkulation der' Flüssigkeit oder •zur Vergrößerung der Oberfläche vorgesehen sind, beispielsweise Kammern, Kanäle, feste oder bewegliche Leit- und Prallflächen, Rippen, Stifte usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.