DE3444661A1

DE3444661A1 - Fluessigkeitsgekuehlter kolben

Info

Publication number: DE3444661A1
Application number: DE19843444661
Authority: DE
Inventors: Manfred 5064 Rösrath Höcker
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1984-12-07
Publication date: 1986-06-12

Description

Flüssigkeitsgekühlter Kolben
Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Brennkraftmaschine mit im Bereich des Kolbenbodens sternförmig angeordneten, im wesentlichen radial mit einer leichten Neigung zur Querschnittsebene des Kolbens verlaufenden Kühlkanälen, die einerseits mit einem Verteiler raum im Kolben verbunden sind und andererseits mit einer im wesentlichen kolbenaxialen Kühlmittelabführung in Verbindung stehen, wobei der Verteilerraum von einer Kühlmittelzuführung gespeist ist.
Der Kolben einer Brennkraftmaschine ist ein thermisch hochbelastetes Bauteil. Insbesondere die direkt dem Brennraum benachbarten Teile, so z. B. der Kolbenboden und der Bereich des Kolbenmantels bis zur Nut des ersten Kolbenringes, sind starken Wärmebeanspruchungen ausgesetzt. Bei hochbelasteten Brennkraftmaschinen ist es daher üblich, den Kolben zu kühlen. Die Kühlung wird mit Hilfe einer zugeführten Kühlflüssigkeit erzielt, die durch Kühlkanäle im Kolben geleitet wird. Als Kühlflüssigkeit kann einerseits das Kühlwasser und andererseits das Motoröl der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
Aus der DE-PS 686 359 ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, in dessen Kolbenkörper Kühlkanäle vorgesehen sind, um die Kühlflüssigkeit an besonders gefährdete Stellen des Kolbens heranzuleiten.
Dabei tritt das Kühlmittel entweder durch den Pleuel oder durch eine eigene Leitungsverbindung in einen Verteilerraum ein und verläßt den Kolben über einen Sammelraum durch eine separate Leitung. Das Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe unter Druck dem Verteilerraum zugeführt und von diesem gleichmäßig in kolbenaxiale, aufrechte Bohrungen verteilt, wobei die Bohrungen in jeweils einen Kühlkanal münden. Die Kühlkanäle verlaufen dicht unter der Oberfläche des Kolbens bzw. des Kolbenbodens sternförmig vom Kolbenumfang zur Kolbenmitte hin und sind zur Kolbenquerschnittsebene leicht aufwärts geneigt. Die Kühlkanäle enden dabei in radialer Richtung auf unterschiedlichen Durchmessern, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung über der Kolbenbodenfläche und eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen. Jeder Kühlkanal hat an seinem radial innersten Ende eine kolbenaxiale Kühlmittelabführung, die jeweils in den Sammelraum mündet und das unter Druck stehende Kühlmittel abführt.
Als nachteilig hat es sich bei einem solchen flüssigkeitsgekühlten Kolben herausgestellt, daß das Kühlmittel unter Druck dem Kühlmittelkreislauf im Kolben zuzuführen ist.
Die Kühlmittelzu- und Kühlmittelabführungen vom und zum Kolben müssen dadurch weitgehend druckdicht ausgeführt sein, was auf Grund des hin- und hergehenden Kolbens kompliziert und mit mancherlei Problemen behaftet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben mit einer einfachen Kühlmittelzu- und Kühlmittelabführung zu schaffen, dessen den Brennraum begrenzende Wandungsteile gleichmäßig gekühlt sind.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das Kühlmittel, insbesondere wird hier das Motoröl der Brennkraftmaschine verwendet, wird zumindest von einer in dem Kurbelraum der Brennkraftmaschine angeordneten Kühlmittelspritzdüse als freier Strahl in die Kühlmittelzuführung gespritzt und gelangt in den Verteilerraum, der als Ringkanal ausgebildet und radial möglichst dicht hinter der Mantelfläche des Kolbens angeordnet ist. Von dem Ringkanal zweigen geradlinig die eigentlichen Kühlkanäle ab, die sternförmig angeordnet radial auf die Kolbenachse zulaufen. Die Kühlkanäle sind dabei geringfügig zur Kolbenquerschnittsebene geneigt, d. h. sie steigen zur Mitte des Kolbens leicht an. Die Kühlmittelabführung mündet unmittelbar in den Kurbelraum der Brennkraftmaschine.
Das Kühlmittel tritt über die Kühlmittelzuführung in den Ringkanal ein. Durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens wirken, insbesondere bei schnell- und mittelschnelllaufenden Motoren, auf das Kühlmittel und den Kolben erhebliche axiale Beschleunigungskräfte, die abwechselnd nach oben und unten weisen. Diese Kräfte bewirken, daß das Kühlmittel im Ringkanal axial zum Kolbenboden und axial zum Kolbenhemd kraftbeaufschlagt ist, wodurch sich das Kühlmittel auch in Umfangsrichtung des Kolbens im Ringkanal verteilt und in die einzelnen abzweigenden Kühlkanäle eintritt. Durch deren Neigung erzeugen die axialen Kräfte eine radiale Kraftkomponente, die das Kühlmittel in den Kühlkanälen radial zur Kolbenmitte treibt. Am Ende eines Kühlkanals fließt das Kühlmittel durch die Beschleunigungskräfte angetrieben über die Kühlmittelabführung unmittelbar in den Kurbelraum der Brennkraftmaschine zurück.
Durch die Neigung der Kühlkanäle läßt sich die Stärke und Geschwindigkeit des radial zur Kolbenmitte gerichteten Kühlmittelflusses frei vorgeben.
Bei einem derartig ausgebildeten Kolben läßt sich die Kolbenwandtemperatur in vorteilhafter Weise senken oder gezielt beeinflussen. Eine niedrigere Kolbenoberflächentemperatur zum Brennraum hin fördert eine geringe Stickoxydemission und erhöht die Liefergrade. Auch der Kraftstoffverbrauch kann dadurch positiv beeinflußt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Kolben eine Brennraummulde vorgesehen, wobei die Kühlkanäle unmittelbar unterhalb des Bodens der Brennraummulde verlaufen. Derartige Brennraummulden werden vorwiegend bei Dieselmotoren angewendet, die nach dem Direkteinspritzverfahren arbeiten. Die Wärmeverluste nach außen sind dabei möglichst einzudämmen, um den inneren thermischen Wirkungsgrad anzuheben. Werden jedoch die Temperaturen gerade in einer solchen Brennraummulde zu hoch, steigen die Stickoxydemissionen an, während der Liefergrad sinkt.
Durch die erfindungsgemäßen Ausbildungen wird die Brennraumwandtemperatur besonders der Brennraummulde in vorteilhafter Weise abgesenkt und damit das gesamte Brennverfahren optimiert.
Eine deutliche Senkung der Wandtemperatur der Brennraummulde in einem Kolben kann erzielt werden, wenn auch die radialen, seitlichen Wände der Brennraummulde mit einer Kühlung versehen sind. Dazu ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, von dem Ringkanal ausgehend kolbenaxiale Sacklochbohrungen anzuordnen, die parallel zu den Seitenwänden der Brennraummulde liegen und diese Seitenwände radial umgeben. Durch die infolge der Bewegung auftretenden Beschleunigungskräfte wird das Kühlmittel in die Sacklochbohrungen hinein- und, eine halbe Kurbelwellenumdrehung später, wieder herausgeschleudert. Durch die schnelle Hin- und Herbewegung des Kühlmittels wird die Wärme besonders gut übertragen; denn eine derartige Kühlung weist infolge der schnelleren Kühlmittelströmung in den Sacklochbohrungen einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten auf als mit üblichen Verfahren erzielbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Kolben wird daher gezielt die gesamte Brennraummulde von allen Seiten gekühlt, während den anderen Teilen des Kolbens im wesentlichen keine Wärme entzogen wird. Die Stickoxydemissionen werden so wirksam begrenzt, während gleichzeitig der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine angehoben wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlmittelzuführung durch eine kolbenaxiale Bohrung, die in den Ringkanal mündet, vorgesehen und die Kühlmittelabführung durch eine kolbenaxiale Verbindungsbohrung auf der Kolbenachse erreicht. Diese Verbindungsbohrung verbindet zugleich alle radial auf die Kolbenachse zulaufenden Kühlkanäle. Das Kühlmittel kann auch durch mehrere kolbenaxial in den Ringkanal mündende Bohrungen zugeführt werden. Pro Bohrung ist dann vorteilhaft eine Kühlmittelspritzdüse in dem Kurbelraum der Brennkraftmaschine angeordnet. Das Kühlmittel strömt durch die Bewegung des Kolbens vom Ringkanal durch die Kühlkankäle in die Mitte des Kolbens und von dort wieder zurück in den Kurbelraum.
Es kann zweckmäßig sein, die mittlere Verbindungsbohrung zum Kurbelraum hin geschlossen auszuführen und die Kühlmittelabführung vom Ringkanal abzweigen zu lassen. Die die Kühlmittelzu- und Kühlmittelabführung bildenden Bohrungen liegen sich dabei diametral gegenüber. Die Bewegung des Kolbens erzeugt Beschleunigungskräfte, wodurch das Kühlmittel über die unter einem leichten Winkel verlaufenden Kühlkanäle vom Kühlmitteleinlaß zum Kühlmittelauslaß strömt. Durch die Neigung der sternförmig radial verlaufenden Kühlkanäle wird das Kühlmittel, das in diese Kanäle eingetreten ist, in jedem Fall weitergefördert, wodurch die gute Kühlwirkung sichergestellt ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Kühlmittelzuführung in etwa in dem Bereich des Kolbens angeordnet sein, der dem Auslaßventil benachbart ist. Dadurch wird erreicht, daß die Seite des Kolbens, welche im verstärkten Maße durch die Einlaßgase beaufschlagt ist, nicht so stark gekühlt wird, wie die stärker beanspruchte Auslaßseite.
Weiter Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, die ausgewählte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellt. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben ohne Sacklochbohrungen; Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Kolben nach Fig. 1 längs der Linie II-II; Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit Sacklochbohrungen; Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Kolben nach Fig. 3 längs der Linie IV-IV; Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit Sacklochbohrungen und Kühlraittelab- und -zuführung in den Ringkanal.
In Fig. 1 zeigt der Längsschnitt einen Kolben 1 mit einer im Kolbenboden 14 angeordneten Brennraummulde 2. In dem Kolben 1 sind möglichst dicht unter der Oberfläche der Brennraummulde 2 Kühlkanäle 3 angeordnet. Die Kühlkanäle 3 verlaufen mit einer leichten Neigung zur Kolbenquerschnittsebene von einem Ringkanal 4 aufwärts auf die Kolbenachse 5 zu. Der Ringkanal 4 weist zwei Bohrungen 8 auf, die die Kühlmittelzuführungen 6 und 7 bilden. Die Kühlmittelabführuny 9 ist durch eine zentrische Verbindungsbohrung 10 gebildet, in die alle Kühlkanäle 3 münden.
Die Kühlkanäle 3 verlaufen geradlinig von dem Ringkanal 4 ausgehend in radialer Richtung auf die Kolbenachse 5 bzw.
auf die Verbindungsbohrung 10 zu (Fig. 2). Dabei sind die Kühlkanäle 3 über den Umfang des Kolbens symmetrisch verteilt. Die Kühlmittelzuführungen 6 und 7 münden als Bohrungen 8 zwischen zwei Kühlkanälen 3 in den Ringkanal 4.
Es können in vorteilhafter Weise mehrere Kühlmittelzuführungen vorgesehen sein; zur erfindungsgemäßen Funktion ist eine Kühlmittelzuführung ausreichend. Falls mehrere Kühlmittelzuführungen in den Ringkanal münden, sind diese zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Kühlwirkung symmetrisch über den Umfang des Ringkanals 4 verteilt. Die Kühlkanäle 3 liegen möglichst dicht unter dem Kolbenboden 14.
Das Kühlmittel, vorzugsweise das Motoröl der Brennkraftmaschine, wird von einer oder mehreren nicht gezeigten Kühlmittelspritzdüsen vom Kurbelraum der Brennkraftmaschine als freier Strahl in die Kühlmittelzuführungen 6, 7 gespritzt und tritt in den Ringkanal 4 ein. Durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 1 entstehen insbesondere bei schnellaufenden Brennkraftmaschinen starke Beschleunigungskräfte, die als richtungswechselnde Axialkräfte auf das Kühlmittel wirken, wodurch es in Umfangsrichtung des Kolbens 1 im Ringkanal 4 verteilt wird und in die abzweigenden Kühlkanäle 3 eintritt. Infolge der leichten Neigung der Kühlkanäle 3 erfährt das Kühlmittel eine Kraftkomponente der Beschleunigungskräfte in Längsrichtung der Kühlkanäle 3 und strömt aufwärts in Richtung auf die Kolbenachse 5. Hat das Kühlmittel die Verbindungsbohrung 10 erreicht, tritt es bei der nächsten Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 aus der Verbindungsbohrung 10 heraus und verläßt unmittelbar den Kolben 1 in Richtung Kurbelraum der Brennkraftmaschine. Da ständig durch die Kühlmittelspritzdüse neues Kühlmittel in den Kolben 1 gefördert wird, entsteht infolge der durch die Beschleunigungskräfte aufrechterhaltenen Strömung im Kolben 1 ein Kühlmittelkreislauf vom Kurbelraum über den Kolben 1 in den Kurbelraum der Brennkraftmaschine. Ein separat angeordneter Kühler kühlt das in dem Kurbelraum befindliche Kühlmittel, so daß die Temperatur auf einem weitgehend gleichmäßigen Betriebsniveau gehalten ist. Wird das Motoröl der Brennkraftmaschine als Kühlmittel verwendet, übernimmt der O1-kühler die Kühlaufgaben, und ein zusätzlicher Kühler kann in vorteilhafter Weise entfallen.
Da die Kühlkanäle 3 direkt unterhalb des Bodens 11 der Brennraummulde 2 verlaufen, wird diese besonders intensiv gekühlt. Durch diese Kühlung sind verminderte Stickoxydemissionen erzielbar. Bei wärmedicht gebauten Motoren führt eine gezielte Kühlung der Brennraummulde 2 zu einer Senkung nur der Brennraumwandtemperatur in der Brennraummulde 2, wodurch die Verbrennung stickoxydarm ablaufen kann, und gleichzeitig der Rest der Zylindereinheit relativ wenig gekühlt wird. Die Wärmeverluste lassen sich so in vorteilhafter Weise eindämmen. Auch sind bessere Liefergrade und ein günstiger Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Es hat sich ferner überraschend gezeigt, daß eine Absenkung der Temperatur des Zylinderrohres um bis zu 250C erreichbar ist.
Der Kolben gemäß Fig. 3 weist ferner zusätzlich vom Ringkanal 4 ausgehende, kolbenaxial verlaufende Sacklochbohrungen 12 auf. Die Sacklochbohrungen 12 liegen dabei dicht benachbart zur Seitenwand 13 der Brennraummulde 2. Bei gleicher Anzahl von Kühlkanälen 3 und Sacklochbohrungen 12 münden diese an der gleichen Stelle in den Ringkanal 4 (Fig. 4). Es kann zweckmäßig sein, eine größere oder kleinere Anzahl von Sacklochbohreungen 12 zur Seitenwandkühlung der Brennraummulde 2 vorzusehen. Dann sind die Sacklochbohrungen 12 in beliebiger Weise - jedoch symmetrisch über den Umfang des Ringkanals 4 - verteilt. Durch die Sacklochbohrungen 12 wird eine intensivere Kühlung der Brennraummulde 2 erreicht. Die Förderung des Kühlmittels mit Hilfe der Beschleunigungskräfte ist in dieser Ausbildung günstig, da das Kühlmittel von dem Ringkanal 4 ausgehend und ohne Kraftumlenkung besonders schnell in die Sacklochbohrungen 12 hineingeschleudert wird. Nach anschließend erfolgter Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens 1 wird das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit aus dem Kolben 1 wieder herausgeschleudert. Durch die starke Strömung des Kühlmittels ist die Wärmeübertragung verbessert. Die Kühlmittelzuführungen und -abführungen in Fig. 3 sind identisch mit denen in Fig. 1.
In Fig. 5 ist eine alternative Kühlmittelführung gezeigt.
Dabei liegen sich zwei Bohrungen 8, welche vom Kurbelraum kolbenaxial in den Ringkanal 4 münden, diametral gegenüber. In die die Kühlmittelzuführungen 6 bildende Bohrung 8 spritzt die Kühlmittelspritzdüse das Kühlmittel ein, während aus der zweiten die Kühlmittelabführung 9 bildenden Bohrung 8 das Kühlmittel wieder in den Kurbelraum austritt. Die Verbindungsbohrung 10 auf der Kolbenachse 5 dient zur Verbindung aller Kühlkanäle 3 und ist zum Kurbelraum geschlossen. Durch die Beschleunigungsbewegung strömt das Kühlmittel in den Kühlkanälen 3 hin und her und nimmt bei dieser Strömungsbewegung eine erhebliche Wärmemenge auf. Uber die KUhlmittelabführung 9 fließt ein konstanter Anteil des Kühlmittels ab, das über die Kühlmittelzuführung 6 stets durch frisches Kühlmittel ersetzt wird.
Um die gezielte Kühlung der Brennraummulde 2 zu erreichen, müssen die Durchmesser bzw. Querschnittsflächen des Ringkanals 4 und der Kühlkanäle 3 aufeinander abgestimmt werden. In vorteilhafter Weise ist es daher vorgesehen, daß die Querschnittsfläche eines der radial verlaufenden Kühlkanäle 3 etwa 25 % der Querschnittsfläche des Ringkanals 4 beträgt. Dieser Wert kann auch bei 20 oder 30 % liegen.
Sollen ganz bestimmte Zonen vermehrt oder vermindert gekühlt werden, ist es möglich, an diesen Stellen die Durchmesser der entsprechenden Kühlkanäle 3 passend zu verändern. Auch durch die Steigung der Kühlkanäle 3 kann die Kühlwirkung variiert werden. Je steiler die Kühlkanäle 3 auf die Kolbenachse 5 zu verlaufen, desto intensiver wird die Strömung. Die Kühlkanäle 3 können dabei auch - entgegen den Darstellungen in den Figuren - radial von der Mitte abwärts zum Kurbelraum geneigt verlaufen. Für die Förderung des Kühlmittels durch die Beschleunigungskräfte infolge der Kolbenbewegung ist die Richtung der Neigung der Kühlk. anäle 3 kaum von Bedeutung.
- Leerseite -

Claims

Patentansprüche Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Brennkraftmaschine mit im Bereich des Kolbenbodens (14) sternförmig angeordneten, im wesentlichen radial mit einer leichten Neigung zur Querschnittsebene des Kolbens (1) verlaufenden Kühlkanälen (3), die einerseits mit einem Verteilerraum im Kolben (1) verbunden sind und andererseits mit einer im wesentlichen kolbenaxialen Kühlmittelabführung (9) in Verbindung stehen, wobei der Verteilerraum von einer Kühlmittelzuführung (6, 7) gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerraum als am äußeren Umfang des Kolbens (1) radial hinter dem Kolbenmantel angeordneter Ringkanal (4) ausgebildet ist, von dem die sternförmig angeordneten Kühlkanäle (3) in etwa geradlinig und in radialer Richtung des Kolbens (1) abzweigen, daß das Kühlmittel als freier Strahl von zumindest einer im Bereich des Kurbelraums der Brennkraftmaschine angeordneten Kühlmittelspritzdüse der Kühlmittelzuführung (6, 7) zuführbar ist und daß die Kühlmittelabführung (9) unmittelbar in den Kurbelraum mündet.
2. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) eine Brennraummulde (2) im Kolbenboden aufweist und daß die Kühlkanäle (3) direkt unterhalb des Bodens (11) der Brennraummulde (2) angeordnet sind.
3. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Ringkanal (4) ausgehende, etwa in kolbenaxiale Richtung verlaufende Sacklochbohrungen (12) vorgesehen sind, die die Seitenwand (13) der Brennraummulde (2) radial umgeben.
4. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem sternförmig verlaufenden Kühlkanal (3) eine Sacklochbohrung (12) zugeordnet ist, wobei der Kühlkanal (3) und die zugeordnete Sacklochbohrung (12) in Umfangsrichtung des Ringkanals (4) am gleichen Ort in den Ringkanal (4) münden.
5. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sternförmig verlaufenden Kühlkanäle (3) über eine auf der Kolbenachse (5) des Kolbens (1) angeordnete Verbindungsbohrung (10) miteinander verbunden sind.
6. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei kolbenaxial vom Kurbelraum ausgehende Bohrungen (8) vorgesehen sind, die einander diametral gegenüberliegen und in den Ringkanal (4) münden, wobei eine der Bohrungen (8) als Kühlmittelzuführung (6) und die zweite als Kühlmittelabführung (9) ausgebildet ist.
7. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine als Kühlmittelzuführung (6, 7) ausgebildete, kolbenaxial vom Kurbelraum ausgehende und in den Ringkanal (4) einmündende Bohrung (8) vorgesehen ist und daß die Verbindungsbohrung (10) als in den Kurbelraum mündende Kühlmittelabführung (9) ausgebildet ist.
8. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführung (6) in dem Bereich des Auslaßventils der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
9. Flüssigkeitsgekühlter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche jeder der sternförmig verlaufenden Kühlkanäle (3) zwischen 20 und 30 % der Querschnittsfläche des Ringkanals (4) beträgt.