DE3525607A1 - Motorkuehlsystem - Google Patents

Description

Motorkühlsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Motorkühlsystem für einen Motor mit hin- und hergehendem Kolben.

Es sind viele Arten von Motoren mit hin- und hergehendem Kolben und einem Zylinder mit innerem und äußerem Ende bekannt. Ein Kolben ist innerhalb des Zylinders zwischen einer oberen Totpunktlage und einer unteren Totpunktlage geführt. In der oberen Totpunktlage ist der Kolbenboden nahe dem äußeren Ende des Zylinders und schließt so eine relativ kleine Verbrennungskammer zwischen dem Kolbenboden und dem oberen Ende des Zylinders ab. In der unteren Totpunktlage ist der Kolbenboden vom oberen Ende des Zylinders entfernt.

In der oberen Totpunktlage komprimiert der Kolben ein Brennstoffluftgemisch in der Verbrennungskammer, die daraufhin durch eine Zündeinrichtung gezündet wird. Die

Expansion der Gase von dieser Zündung treibt den Kolben in Richtung auf die untere Totpunktlage. Bei einem Zweitaktmotor wird das Brennstoffluftgemisch jedesmal gezündet, wenn der Kolben bei oder nahe seinem oberen Totpunkt ist, während bei einem Viertaktmotor das Brennstoffluftgemisch bei jedem zweiten Mal des Erreichens der Totpunktlage gezündet wird.

Die Zündung und Verbrennung des Kraftstoffluftgemisches innerhalb der Verbrennungskammer führt zu einer hohen Wärmebelastung, die nicht nur auf die Zylinder, sondern auch auf den Kolben einwirkt. Es muß deshalb Wärme aus den Wandungen des Kolbens und des Zylinders abgeführt werden, um eine Beschädigung des Motors zu vermeiden.

Es gibt zwei bekannte Kühlsysteme für den Motorzylinder und den Kolben, nämlich das Luftkühlsystem und das Flüssigkeitskühlsystem. Im Luftkühlsystem sind eine Mehrzahl

von wärmeleitenden Rippen außen um den Zylinder angebracht Diese Rippen bilden eine Wärmesenke, d.h. die Wärme vom Zylinder und Kolben gelangt in die Rippen und schließlich an Kühlluft, die an den Rippen vorbeistreicht.

Während diese bekannten luftgekühlten Motore für viele Anwendungen brauchbar sind, besteht bei anderen Anwendungen ein ungenügender Luftstrom entlang den Kühlrippen, um die gewünschte Wärmeabgabe zu erzielen. Ferner sind diese Rippen gewichtsbelastet und sperrig, so daß sie für gewichtskritische Anwendungen weniger geeignet sind, beispielsweise in Luftfahrzeugen, in welchen das Gewicht auch des Kühlsystems von kritischer Bedeutung ist.

Eine luftgekühlte Maschine mit vielen Zylindern stellt keine effektive Wärmeübertragungseinrichtung, verglichen mit einem fein verrippten Wärmetauscher dar und macht

typischerweise einen größeren Kühlstrom, verglichen mit einem Radiator für eine äquivalente flüssigkeitsgekühlte ^ Maschine erforderlich und stellt somit ein Hemmnis für

eine Anwendung in der Luftfahrttechnik dar. Während es gewöhnlich schwierig ist, eine gleichmäßige Verteilung des kühlenden Luftstromes über eine luftgekühlte Maschine mit vielen Zylindern zu erzielen, wird bei einer flüssigkeitsgekühlten Maschine das Problem der Luftflußverteilung vermieden, daher die Gleichmäßigkeit der Kühlung von Zylinder zu Zylinder verbessert und ein Beitrag zu einer Lösung mit geringerem Nachteil verholfen.

Ferner sind typische Temperaturprofile im Metall eines Luftgekühlten Zylinders nicht gleichförmig wegen der Schwankung und Änderung des kühlenden Luftflußfeldes rund um den Zylinder.

Deshalb schwanken die Temperaturen des Metalls der Verbrennungskammer sehr beträchtlich und die Temperaturprofile sind im Bereich der Zylinder ungleichförmig, so

daß die Zylinder zu ovaler Verzerrung während des Motorbetriebes neigen und daher großes Laufspiel zwischen Kolben und Zylinder erforderlich ist.

In bekannten flüssigkeitsgekühlten Motoren umgibt ein Gehäuse oder ein Kühlmantel das äußere Ende des Zylinders und erstreckt sich entlang der Seiten des Zylinders bis zu einer Lage unterhalb des inneren Endes des Kolbens, wenn der Kolben in seiner oberen Totpunktlage ist. Ein Kühlmittel, wie Wasser, Glykol o.dgl. wird durch den Kühlmantel gepumpt, so daß die Wärme aus dem Zylinder und dem Kolben auf das Kühlmittel übertragen und sonstwo über einen Wärmetauscher oder eine andere Wärmeabgabeeinrichtung abgegeben wird. Diese bekannten Kühlsysteme sind im Betrieb wirksam aber relativ schwer, da sich der Kühlmantel nach unten entlang der Seiten des Zylinders und unterhalb des inneren Endes des Kolbens erstreckt, wenn der Kolben in seiner oberen Totpunktlage ist, und sich oft entlang der gesamten Länge des Zylinders erstecken. Bei flüssigkeitsgekühlten Maschinen mit vielen Zylindern umgibt der Wassermantel normalerweise die gesamte Zylinderbank. Diese bekannten Kühlsysteme sind bei gewichtskritischen Anwendungen, wie in Flugzeugmotoren, unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für Motore mit hin- und hergehenden Kolben zu schaffen, bei dem das Gewicht des Kühlsystems weiter reduziert ist.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst. Kurz gesagt, weist das Kühlsystem nach Erfindung ein Gehäuse oder einen Kühlmantel auf, der das äußere Ende des Zylinders in einem Bereich der Verbrennungskammer umgibt und sich nach unten entlang eines Teils der Zylinderlänge erstreckt. Ungleich den zuvor bekannten Einrichtungen endet der Kühlmantel jedoch an einer Stelle kurz vor dem inneren Ende des Kolbens, wenn dieser seine obere Totpunktlage einnimmt, so daß die

untere Länge des Zylinders frei von dem Kühlmantel gelassen ist. Es wird ein leichtgewichtiges aber effektives Kühlsystem erhalten.

Ein Kühlmittelkanal mit einem Einlaß und einem Auslaß wird durch das Gehäuse gebildet und führt durch dieses hindurch.

Eine Pumpe leitet das Kühlmittel unter Druck in den Einlaß, durch den Kanal, wo die unerwünschte Wärme aus der Verbrennungskammer und dem Rauchgasauslaß auf das Kühlmittel übertragen wird, wonach dieses durch die Auslaßöffnung einem Wärmetauscher zugeleitet wird, wo die Wärmelast durch konventionelle Maßnahmen in die Umgebung abgegeben wird.

Als integrales Merkmal der Erfindung wird der untere Teil des Zylinders, der nicht von dem Kühlmantel umgeben ist, durch einen Ölstrahl aus einer Öldüse gekühlt, die in den Kolbendom gerichtet ist. Eine Öldüse ist innerhalb des Kurbelgehäuses angebracht, so daß ein Ölstrahl auf die Innenoberfläche des Kolbendomes gerichtet wird. Dieser Ölstrahl ist die hauptsächlichste Kühlursache für den unteren Zylinderbereich und ergänzt die Kühlung des Kolbens. Während des Betriebes des Motors wird Motoröl durch eine Ölpumpe unter Druck der Öldüse zugeführt. Wärme aus der Zylinderwandung und dem Kolben wird auf das Öl übertragen und schließlich einem Wärmetauscher zugeführt, wo die Hitzelast durch konventionelle Maßnahmen an die Umgebung abgegeben wird.

Die vorliegende Erfindung ist somit dahingehend vorteilhaft, daß das Kühlgehäuse oder der Kühlmantel sich nur ein kurzes Stück entlang des Zylinders erstreckt und so das Gewicht dieses Kühlmantels ganz klein gehalten ist.

In praktischen Versuchen hat sich herausgestellt, daß die-

ses Konzept des Kühlmantels in Verbindung mit einem ölgekühlten Zylinder und Kolben ein effektives Mittel zur Steuerung der Verwerfung infolge Wärme bei Motoren (Engine Heat Rejection) ist. Das Konzept hat sich als leichtgewichtiger herausgestellt als ein äquivalenter luftgekühlter Zylinder mit verbesserter Gleichförmigkeit der Kühlung sowohl der Verbrennungskammer als auch des Zylinders. Gleichmäßigkeit der Temperaturprofile um den Umfang und entlang der Länge des unteren Zylinderabschnittes wird signifikant verbessert, verglichen mit einem äquivalenten luftgekühlten Zylinder. Ferner ermöglicht die Erfindung ein reduziertes Laufspiel zwischen Kolben und Zylinder und verbessert die Lebensdauer der Bauteile infolge der verbesserten Gleichförmigkeit der Kühlung verglichen mit einem äquivalenten luftgekühlten Zylinderkonzept.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolbenmotor mit dem Kolben im oberen Totpunkt; Fig. 2 einen Zylinder im Längsschnitt mit einem

Kolben im unteren Totpunkt; Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in

Fig. 1 und

Fig. 4 ein Schema des Wärmeflusses der bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Verbrennungskraftmaschine 10 mit hin- und hergehendem Kolben und angedeutetem Kurbelgehäuse 12. Mindestens ein Zylinder 14 ist mit dem Kurbelgehäuse 12 verbunden und erstreckt sich von diesem nach außen. Der Zylinder 14 ist im großen und ganzen rohrförmig und zylindrisch ausgebildet (Fig. 1 und 3) und besitzt eine Innenwand 16 sowie ein inneres unteres Ende 53 zur Verbindung mit dem Kurbelgehäuse 12.

Ein Kolben 18 (Fig. 1 und 2) ist im Zylinder 14 hin- und hergehend montiert, während Kolbenringe 19 dichtend an der Zylinderinnenwandung 16 anliegen. Der Kolben 18 ist zwischen einer oberen Totpunktlage nach Fig. 1 (nahe des äußeren Endes 20 des Zylinders) und einer unteren Totpunktlage nach Fig. 2 (mit Abstand des Kolbens vom äußeren Ende 20 des Zylinders) bewegbar.

Ein Zylinderkopf 22 (Fig. 1) ist am Zylinder 14 in konventioneller Weise verbunden, beispielsweise durch einen Schraubeingriff 24. Der Zylinderkopf erstreckt sich quer zu dem Zylinder 14 und bedeckt dessen äußeres Ende 20, so daß eine Verbrennungskammer 26 zwischen dem oberen Ende oder Kolbenboden 28 gebildet wird, wenn der Kolben 18 in der oberen Totpunktlage (Fig. 1) angelangt ist.

Übliche Ventileinrichtungen 30 sind innerhalb des Zylinderkopfes 22 montiert, um das Brennstoffluftgemisch in die Verbrennungskammer 26 einzuführen und die Verbrennungsprodukte aus der Kammer 26 nach Zündung abzuführen.

Die soweit beschriebene Maschine ist an sich bekannt.

Im Gegensatz zu bekannten Maschinen weist der Zylinderkopf 22 ein Teil 32 auf, der sich nach unten entlang der Außenseite des Zylinders 14 erstreckt. Das innere, untere Ende 34 dieses Zylinderkopfteils 32 endet kurz vor dem inneren Ende 36 des Kolbens 18, wenn dieser in seiner oberen Totpunktlage (Fig. 1) steht.

Ein Kanal 40 (Fig. 1 und 2) mit Einlaß 42 (Fig. 1) und Auslaß 44 liegt sowohl im Zylinderkopf 22 als auch in dem sich nach unten erstreckenden Teil 32. Eine Pumpe 46 ist hydraulisch mit dem Einlaß 42 verbunden, so daß bei ihrem Betrieb ein kühlender Flüssigkeitsstrom durch den Einlaß 42, den Kanal 40 und den Auslaß zu einem Wärmetauscher 48, beispielsweise einem Radiator, strömt. Im Betrieb wird deshalb Wärme vom Zylinderkopf 22, den äußeren Enden des Zylinders und dem Kolben 18 über thermische Leitung

in das durch den Kanal 40 strömende Kühlungsmittel übertragen. Der Kanal 40 umgibt auch das Ventil innerhalb des Zylinderkopfes 22 und sorgt für eine entsprechende Kühlung der Wandung des Verbrennungsraumes 26.

Ein hauptsächlicher Vorteil des Motorkühlsystems gemäß Erfindung besteht darin, daß der Zylinderkopfteil 34, in welchem sich der Kühlkanal oder -mantel 40 befindet, kurz vor dem inneren Ende 36 des Kolbens 18 endet, wenn dieser in seiner oberen Totpunktlage steht. Der Kühlmantel 40 erstreckt sich also nicht entlang der gesamten Länge des Zylinders 14 oder selbst entlang der gesamten Länge des Kolbens 18, wenn dieser seine obere Totpunktlage einnimmt, und doch wird eine adäquate Kühlung des Motorzylinders 14 und des Kolbens 18 erzielt. Demnach bietet die Erfindung ein Flüssigkeitskühlsystem für eine interne Verbrennungskraftmaschine, die effektiv im Betrieb und doch leichtgewichtig in der Konstruktion ist. Die Erfindung ist deshalb besonders für Anwendungen geeignet, die hinsichtlich des Gewichts kritisch sind, beispielsweise Luftfahrzeugmotore.

In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Ölspraydüse 50 am Kurbelgehäuse 12 unterhalb des Zylinders 14 angebracht, die Ölspraydüse ist mit dem Ölschmiersystem 51 verbunden und so ausgerichtet, daß der abgegebene Strahl 52 auf das innere Ende 36 des Kolbens 18 auftrifft. Solches auftreffende Öl nimmt Wärme des Kolbens 18 an. In ähnlicher Weise wird Wärme vom unteren Abschnitt 53 des Zylinders 14 durch Leitung durch den Kolben 18 auf das Öl übertragen. Das erhitzte Öl wird in einem unteren Abschnitt des Kurbelgehäuses gesammelt, von wo es einem Wärmetauscher zur Kühlung zugeführt wird. Der Ölstrahl 50 sorgt so für eine adäquate Kühlung des inneren Zylinderabschnittes 53, der nicht von dem Kühlmantel 32 umschlossen ist, und ergänzt die Kühlung des Kolbens 18.

Eine schematische Ansicht der Wärmeleitung bzw. des Wärmegleichgewichts der Maschine ist in Fig. 4 dargestellt. Die über die Wände abgegebene Wärme der Verbrennugnskammer 26 und die durch Reibung erzeugte Wärme ist mit Kästchen 100 symbolisiert und wird auf den Zylinder bei Schritt 102 und dann auf das Kühlmittel bei Schritt 104 übertragen. Umgekehrt wird nur ein Teil der Wärme des Kolbenrings 19 und der Kolbenreibung als Schritt auf das Kühlmittel über das Kästchen 102 übertragen, während der Rest dieser Wärme auf Kästchen 108 auf den

Zylinder unterhalb des Endes 34 des Zylinderkopfteils übertragen wird.

Die Wärme des ungekühlten Teils des Zylinders wird auf die untere Kolbenlauffläche oder Kolbenschürze mit Kästchen 109 symbolisiert übertragen. Diese Wärme sowie die Wärme von unterhalb des Kolbenbodens bzw. der Kolbenkrone wird gemäß den Kästchen 110 und 112 durch das Ol des Olstrahls , 50 entfernt bzw. herabgekühlt.

Aus vorgehender Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung ein Flüssigkeitskühlsystem für eine interne

Verbrennungskraftmaschine mit hin- und hergehendem Kolben schafft, die effektiv und leichtgewichtig in der Konstruktion ist und so speziell für Anwendungen mit kritischem Gewicht geeignet ist.

-JU-

Leerseite -

Claims (5)

1. Teledyne Industries Inc.
   1901 Avenue of the Stars
   Los Angeles, California 900 76, USA

   Patentansprüche

   U Kühlsystem für einen Motor mit hin- und hergehenden Kolben sowie mit folgenden Merkmalen: jeder Zylinder weist einen eigenen Kühlmantel auf; mindestens ein Zylinder ist mit seinem inneren (unteren) Ende an dem Kurbelgehäuse befestigt; ein Kolben mit einem inneren und einem äußeren Ende ist in dem Zylinder zwischen einer oberen Lage, in welcher das äußere Ende des Kolbens nahe dem äußeren Ende des Zylinders ist, und einer unteren Lage, in welcher der Kolben von dem oberen Ende des Zylinders entfernt ist, hin- und hergehend gleitend bewegbar; gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen: ein Kühlmantel (32) umgibt das äußere Ende des Zylinders (14) und erstreckt sich in Richtung auf das innere Ende des Zylinders und ist dabei so dimensioniert, daß das innere Ende des Kühlmantes (32) von dem inneren Ende des Kolbens (18) axial auswärts liegt, wenn der Kolben (18) in seiner oberen Lage ist;

   ein Flüssigkeitskanal (40) mit einem Einlaß (42) und einem Auslaß (44) ist in dem Kühlmantel (32) vorgesehen; Pumpeinrichtungen (46) für eine Kühlflüssigkeit in den Einlaß (42) sorgen dafür, daß das Kühlmittel durch den Kanal (40) und aus dem Auslaß (44) fließt.

   Sonnenberger Straüe 43 6200 Wiesbaden Telefon (00121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

   Telefax (CCITT 2) Wiesbaden und München (089) 8344618 Attention Patentconsult
2. 2. Kühlsystem für einen Motor mit Ventilen am äußeren Ende des Zylinders nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (40) die Ventileinrichtung (30) umgibt.
3. 3. Kühlsystem für einen Motor mit einem Schmiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (50) zum Verspritzen eines Teils des Schmiermittels des Schmiersystems in das innere Ende des Kolbens (18) vorgesehen ist.
4. 4. Kühlsystem nach Anspruch 3,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzeinrichtung eine Spraydüse (50) aufweist, die im Kurbelgehäuse (12) nahe des inneren Endes (53) des Zylinders (14) angeordnet ist.
5. 5. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (32) Teil des Zylinderkopfes (22) ist, der sich einstückig in den oberen Bereich des Zylinders (14) erstreckt, der als zylindrische Laufbuchse ausgebildet ist.