DE3702272A1 - Tauchkolben fuer verbrennungsmotoren mit einem von kuehloel durchstroemten hohlraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem geschlossenen Hohlraum im Kolbenkopf zur Aufnahme von Kühlöl, das zumindest während bestimmter Motorbetriebszustände kontinuierlich in diesen Kühlraum zu- und abgeführt wird, wobei das Kühlöl den Hohlraum stets nur zum Teil ausfüllt.

Besonders gute Kühleffekte lassen sich erfahrungsgemäß erzielen, wenn der Kühlölraum etwa zu 40% mit Kühlöl gefüllt ist. Bei einem derartigen Füllungsgrad geht von dem Kühlöl eine hervorragende Shakerwirkung aus, die einen optimalen Wärmeübergang in das Kühlöl aus dem Kolbenmaterial heraus bewirkt. Bei niedrigeren Füllungsgraden als 40% verschlechtert sich die Kühlwirkung. Bei der Auslegung der Größe des Kühlölraumes sowie der zugehörigen Zu- und Ablauföffnungen sowie der Festlegung des Kühlölmengenstromes sind die einzelnen Parameter derart aufeinander abzustimmen, daß stets der gewünschte Füllungsgrad innerhalb des Kühl­ ölraumes eingehalten ist. Um zumindest stets ein bestimmtes Füllvolumen sicherzustellen, ist es bereits bekannt, die Abflußöffnungen nicht direkt in dem geodätisch unten liegenden Boden des Kühlölraumes vorzusehen, sondern diese innerhalb des Kühlölraumes durch das Anbringen von z. B. Rohrstutzen im Boden des Kühlöl­ raumes höher zu legen. Hierzu wird beispielsweise auf die DE-OS 21 06 923 verwiesen, in der u. a. Figur 7 einen solchen Rohrstutzen als Ablauf für das Kühlöl vorsieht.

Ein ähnlicher Öl-Ablauf ist auch aus DE-OS 19 30 302 bekannt. Dort ist am unteren Ende des Kühlölraumes zusätzlich auch noch eine kleine Bohrung vorgesehen, durch die bei abgestelltem Motor der Kühlölraum sich langsam entleeren kann. Während des Motorbetriebes ist der über diese Hilfsbohrung erfolgende Ölabfluß gegenüber der Hauptabflußöffnung allerdings vernach­ lässigbar gering, so daß die Größe des Füllvolumens des Kühlölraumes hiervon völlig unbeeinflußt bleibt.

Bei den bekannten aus der Kühlölraumwand in das Innere des Kühlölraumes über Erhöhungen oder Rohr­ stutzen hineinragenden Ablauföffnungen gelingt es, stets mindestens ein bis zur Höhe der Ablauföffnungen reichendes Kühlmittelvolumen in dem Kühlölraum aufrecht zu erhalten. Allerdings kann es dabei in manchen Fällen bei hohem Kühlmittelmengenstrom dazu kommen, daß der zugeführte Mengenstrom nicht so durch die Öffnungen abgeführt werden kann, daß die Flüssigkeit nicht erheblich über die Abflußöffnung hinausragt, wodurch der Füllgrad in unerwünscht hohem Maße bis zur gänzlichen Füllung des Kühlölraumes ansteigen kann.

Aus diesem Grunde war es bisher häufig nicht möglich, die Ablauföffnung in denjenigen Abstand von der Kühlölrauminnenwand in den Kühlölraum hinein zu verlegen, der im Prinzip bei einem freien Abfluß des Kühlöles durch diese Öffnung einen bestimmten vorgebbaren Füllungsgrad von z. B. 40% garantiert. Es wurde vielmehr immer wieder festgestellt, daß sich über der Abflußöffnung gerade bei hohen Kühlölströmen ein Kühlölspiegel ausbildete, der wesentlich oberhalb der Abflußöffnung lag.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zu finden, durch die einerseits ein vorbestimmter Füllungsgrad gewährleistet ist und durch die andererseits auch ein Überschreiten eines festgelegten maximalen Füllgrades sicher vermieden werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung der Abflußöffnungen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen hiervon sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf folgender Überlegung.

Bei ruhendem Kolben mit teilgefülltem Kühlölraum und Abflußöffnungen, die geodätisch unterhalb des Kühlöl­ spiegels liegen, ist die Höhe des oberhalb der Abflußöffnung liegenden Flüssigkeitsspiegels maßgebend für die Strömungsgeschwindigkeit in der Abflußöffnung.

Physikalisch ermitteln läßt sich diese Abflußgeschwindigkeit durch die bekannte Ausflußgleichung

Da der Kolben im Motorbetrieb einer oszillierenden Hubbewegung unterliegt, bei der die positive und negative Beschleunigung die Erdbeschleunigung bei weitem überwiegt, wird in der Gleichung die Erdbeschleunigung g durch die vorgenannte Hubbeschleunigung b ersetzt. Die Gleichung lautet damit und aufgelöst nach der Höhe des Flüssigkeitsspiegels oberhalb der Abflußöffnung:

mit
s= Höhe des Flüssigkeitsspiegels oberhalb der Abflußöffnung v= Ausflußgeschwindigkeit in der Abflußöffnung

= Kühlöldurchflußmenge pro Sekunde bei VerzögerungF= Strömungsquerschnittsfläche der Abflußöffnung µ= Beiwert für Einschnürung, Reibung etc.

Die Gleichung zeigt, daß zu einer bestimmten Menge abfließender Kühlölflüssigkeit jeweils eine bestimmte Flüssigkeitsspiegelhöhe zugeordnet ist, die mit dem Quadrat des abfließenden Kühlölmengenstromes ansteigt.

In Fällen, in denen die Abflußöffnungen direkt in der Kühlölrauminnenwand angeordnet sind, stellt sich damit je nach abzuführender Kühlölmenge ein genau entsprechender Füllgrad, d. h. eine bestimmte Kühlöl­ spiegelhöhe über der Abflußöffnung ein, vorausgesetzt die Abflußöffnung ist nicht so groß, daß sich überhaupt kein Kühlölspiegel oberhalb der Abflußöffnung einstellt. Als weitere Voraussetzung kommt noch hinzu, daß unter­ stellt wird, daß in Strömungsrichtung direkt hinter der Abflußöffnung Atmosphärendruck herrscht.

Ragt die Abflußöffnung nun mit einem vorgegebenen Abstand in den Kühlölraum hinein, z. B. durch Anbringung eines Rohrstutzens, gilt für die Höhe "s" der vorgenannten Gleichung nur das oberhalb der Öffnung liegende Höhenmaß, wenn man unterstellt, daß innerhalb der sich an die Abflußöffnung anschließenden Abflußleitung bereits etwa Atmosphärendruck gegeben ist.

Diese Annahme ist sicherlich in vielen Fällen, insbesondere dann, wenn der Flüssigkeitsspiegel nur geringfügig oberhalb der Abflußöffnung liegen soll, gerechtfertigt. Denn es wird vermutlich immer Flüssigkeit in nennenswerter Höhe oberhalb der Abflußöffnung liegen müssen, um während der Hubbewegung ein Abreißen der Strömung in der Abflußleitung zu verhindern. Dies hat bei dem Stand der Technik, bei dem sämtliche Abflußöffnungen durch Rohrstutzen in das Kühlölrauminnere hineinragen, den Nachteil, daß immer eine Höhe des Flüssigkeitsspiegels vorhanden sein muß, die erheblich oberhalb der Abflußöffnung liegen muß, d. h. durch die Lage der Öffnungen läßt sich in diesem Fall das maximale Füllvolumen nicht sicher festlegen.

Insbesondere von diesen Überlegungen ausgehend besitzt die erfindungsgemäße Lösung folgende Vorteile.

Dadurch, daß nur ein Teil der Abflußöffnung bzw. Öffnungen mit Abstand von der Kühlrauminnenwand angeordnet ist bzw. sind, steht bei den nicht aus der Kühlölrauminnenwand z. B. durch Rohrstutzen in den Kühlölinnenraum hinein gezogenen Abflußöffnungen stets das Kühlöl mit jeweils seiner vollen Kühlölspiegelhöhe an, die bei Erreichen der Höhe der in das Kühlölrauminnere hineinragenden Abflußöffnungsabschnitte für eine höhere Abflußgeschwindigkeit in den kühlölraum­ innenwandnahen Abflußbereichen sorgt als in den von der Kühlölrauminnenwand weiter entfernt liegenden Zonen. Dadurch können die Abflußöffnungsquerschnitte insgesamt so ausgelegt werden, daß der von der Kühlöl­ rauminnenwand am weitesten in das Innere des Kühlöl­ raumes hineinragende Bereich der Abflußöffnung von dem Kühlölspiegel mit Sicherheit in keinem Betriebs­ zustand nennenswert überschritten wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargelegt.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Kopf eines Kolbens durch den Kühlölraum hindurch,

Fig. 2 eine Abwicklung des Kühlölraumes nach Linie II-II in Fig. 1.

In dem Kopf des Kolbens 1 ist ein in sich geschlossener Kühlölraum 2 vorgesehen. In den Kühlölraum 2 gelangt Kühlöl durch eine Zuführöffnung 3. Zum Abführen des Kühlöles aus dem Kühlölraum 2 sind drei Öffnungen 4, 5 und 6 vorgesehen. Die Abflußöffnung 4 befindet sich an der im Einbauzustand des Kolbens geodätisch tiefst gelegenen Stelle des Kühlölraumes 2. Die Abflußöffnungen 5 und 6 werden von den geodätisch oben liegenden Enden von in den Kühlölraum 2 hineinragenden Rohrstutzen 7 und 8 gebildet. Bei maximalem Kühlölstrom stellt sich der knapp oberhalb des Rohrstutzens 8 liegende Kühlölflüssigkeitsspiegel 9 ein.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung besteht darin, daß mindestens eine Abflußöffnung an der tiefstgelegenen Stelle des Kühlkanals angeordnet sein kann, wodurch der Kühlkanal bei Motorstillstand leerlaufen kann. Dadurch kann es in dem Kühlkanal nicht zu unerwünschten Ablagerungen kommen.

Claims (5)

1. Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem geschlossenen Kühlölraum im Kolbenkopf zur Aufnahme von Kühlöl, das zumindest während bestimmter Motorbetriebszustände kontinuierlich in diesen Kühlraum zu- und aus diesem abgeführt wird, wobei das Kühlöl den Kühlölraum stets nur zum Teil ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlölraum (2) für den Abfluß des Kühlöls wenigstens eine Öffnung (4, 5, 6) aufweist, deren Öffnungsquerschnitt bzw. -querschnitte mindestens zwei mit Abstand übereinanderliegende senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Ebenen erfaßt bzw. erfassen, wobei bei mehreren Öffnungsquerschnitten deren Größe um nicht mehr als max. 30% voneinander abweicht.

2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Querschnitte aller Kühlöl-Abfluß- Öffnungen (4, 5, 6) etwa gleich groß ist.

3. Tauchkkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste und unterste der mindestens zwei übereinanderliegenden Ebenen einen Abstand zwischen 10 und 75% der mittleren axialen Höhe des Kühlöl­ raumes (2) besitzen.

4. Tauchkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste und unterste der mindestens zwei übereinanderliegenden Ebenen einen Abstand zwischen 25 und 60% der mittleren axialen Höhe des Kühlölraumes (2) besitzen.

5. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei sich in Betriebslage befindlichem Motor wenigstens eine der Abflußöffnungen (4, 5, 6) zumindest teilweise den geodätisch untersten Bereich des Kühlölraumes (2) erfaßt.