DE3806266A1 - Kolbenkuehlung fuer eine hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenkühlung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Derartige Kolbenkühlungen sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichun­ gen, beispielsweise den DE-OS 19 05 609, FO2F 3/20, und 20 07 801 sowie der DE-PS 25 39 470, FO2F 3/22, bekannt. Soweit dort Angaben über die verwendete Kühlflüssigkeit gemacht sind, handelt es sich um das auch zur Schmierung der Brennkraftmaschine dienende Öl. Es wird mittels Düsen auf die Kolbenrückseite gesprüht, die zwecks Vergrößerung des Wärmeübergangs mit Rippen oder Ölauffang­ rinnen versehen sein kann. Die Wirkung dieser bekannten Kolbenkühlung beruht also allein auf der Temperaturdifferenz zwischen Kolben und Öl.

Einen größeren Wirkungsgrad hinsichtlich der erzielten Kühlung haben Verdampfungs­ kühlvorrichtungen, wie sie in Anwendung auf Brennkraftmaschinen beispielsweise aus der DE-OS 20 33 960, FO1P 3/22, und der DE-PS 34 10 261, FO1P 9/02, bekannt sind. Während in der genannten Offenlegungsschrift besonders der Aufbau eines im Rahmen eines derartigen Dampfkühlsystems mit Vorteil verwendbaren Kondensators herausgestellt ist, beschreibt die Patentschrift eine Verdampfungs-Kühlvorrichtung, in der eine von einer Maschinentemperatur oder dem Lastzustand der Brennkraftma­ schine abhängige Kühlflüssigkeitsmenge über eine entsprechend gesteuerte Pumpe in Kühlräume des Zylindermantels bzw. des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Als verdampfende Kühlflüssigkeit wird Wasser, gegebenenfalls mit Zusatz eines zu Kühlzwecken geeigneten Alkohols, verwendet.

Derartige Verdampfungs-Kühlvorrichtungen haben den Vorteil, daß ihre Kühlwirkung nicht nur auf der definierten Temperaturdifferenz beruht, sondern durch die zur Verdampfung erforderliche Wärmemenge erheblich vergrößert wird.

Bekannt ist auch, zu Kühlzwecken Wasser in den Zylinderraum einzuspritzen (DE-OS 26 12 378, FO1P 9/02). Infolge der damit verbundenen Beeinflussung des Verbren­ nungsvorgangs läßt sich dieses Verfahren jedoch nur in Sonderfällen einsetzen; auch verbraucht sich das Wasser im Betrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenkühlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also unter Vermeidung fertigungstechnisch aufwendiger Kanäle für Kühlmittel im Kolben, zu schaffen, die nach dem Prinzip der Verdamp­ fungskühlung arbeitet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Wie bereits der Patentanspruch 1 zum Ausdruck bringt, erschöpft sich die erfin­ dungsgemäße Lehre nicht einfach in der Anweisung, das an sich bekannte Prinzip der Verdampfungskühlung nun auch zum Zwecke der direkten Kolbenkühlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einzusetzen, sondern trägt auch der Tatsache Rechnung, daß bei dieser speziellen Anwendung der Verdampfungskühlung im Kurbelraum der Brennkraftmaschine zwei unterschiedliche Medien, nämlich die Kühlflüssigkeit bzw. der Kühlflüssigkeitsdampf einerseits und das Schmieröl andererseits, zusammen­ treffen, die miteinander nicht vermischt werden dürfen. Die Trennung dieser beiden Medien erfolgt dabei in eleganter Weise primär über eine entsprechend geführte Blow-By-Leitung, die, vom Kurbelgehäuse abgehend, zu dem in der Regel als Teil des Kühlers der Brennkraftmaschine ausgebildeten Kondensator geführt ist.

Ein weiterer grundlegender Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß gegebenen­ falls auf einen Zylinderkühlmantel verzichtet werden kann, da etwa 40 bis 50% der abzuführenden Kühlwärme durch die erfindungsgemäße Kolbenkühlung abgeführt werden können. Entsprechend ist die Fläche des Kühlers der Brennkraftmaschine etwa hälftig in zwei Teile zu unterteilen, von denen der eine Teil dem aus dem Zylinderkopf kommenden Kühlmittel zugeordnet ist, während der andere Teil als Kondensator für das bei der erfindungsgemäßen Kolbenkühlung verdampfte Kühlmittel dient.

Wie Anspruch 5 zum Ausdruck bringt, kann die zur Kolbenkühlung eingesetzte Kühl­ flüssigkeit auch dazu dienen, das nach erfolgter Kühlung von anderen Teilen der Brennkraftmaschine in den Ölsumpf der Maschine zurückgeflossene oder getropfte Schmieröl zu kühlen.

Insbesondere im letztgenannten Fall kann es zweckmäßig sein, zusätzliche Maßnahmen zur Trennung von Kühlflüssigkeit, in der Regel Wasser, einerseits und Schmieröl andererseits zu treffen. Besonders einfach sind derartige Maßnahmen bei der verbreiteten Trockensumpfschmierung vorzunehmen, bei der aus der Ölwanne dann ein Gas-Kühlflüssigkeits-Öl-Gemisch über einen bekannten Separierungsbehälter geführt wird. Aus diesem wird das Öl über Druckölpumpen entnommen und zu den Schmierstellen gefördert. Die Kühlflüssigkeit wird der Pumpe 14 zugeführt und das Blow-By-Gas dem Kondensator 17.

Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Kolbenkühlung erst nach Beendigung des Warmlaufs der Brennkraftmaschine einzuschalten, um eine möglichst schnelle Erwärmung von Maschine und Schmieröl sicherzustellen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Verdampfungskühlung bis zum Erreichen einer vorgegebenen Tempe­ ratur in der Ölwanne, beispielsweise etwas über 100°C, verzögert werden. Sollte bereits in dieser Phase eine Kolbenkühlung erforderlich werden, kann die eingangs beschriebene bekannte Kolbenkühlung durch Besprühen oder Anspritzen mit Schmieröl vorgenommen werden, die dann bei bestimmten Öltemperaturen durch die erfindungs­ gemäße Verdampfungskühlung abgelöst wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß für wesentliche Bestand­ teile der Kühlung, beispielsweise eine Kondensator-Kühlflüssigkeitsbehälter-Ein­ heit, an sich bekannte Konstruktionen (vgl. die eingangs genannte DE-OS 20 33 960) Verwendung finden können. Auch können aus dem ebenfalls eingangs zitierten Stand der Technik bekannte Maßnahmen zur Vergrößerung der Kolbenrückseite und der Verweildauer der Kühlflüssigkeit an ihr vorgesehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die im Rahmen des gesamten Kühlsystems einen senkrechten Schnitt durch die Brennkraftmaschine in der Ebene eines Zylinders wiedergibt.

Betrachtet man zunächst die Brennkraftmaschine, so erkennt man bei 1 das Kurbel­ gehäuse mit dem Schmierölsumpf 2 und bei 3 den Zylinder mit dem zu kühlenden Kolben 4. Bei 5 ist das übliche, von einem nicht dargestellten Nocken periodisch betätigte Einlaßventil angedeutet, in das die Ansaugleitung 6 über das vorgeschal­ tete Luftfilter 7 gemäß dem Pfeil 8 Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch liefert.

Die Düse 9 im Kurbelgehäuse 1 ist so ausgerichtet, daß sie auf die mit Mitteln 10 zur Oberflächenvergrößerung und Verlängerung der Verweilzeit des Kühlmittels versehene Rückseite des Kolbens 4 Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, sprüht, die eine Verdampfungskühlung des Kolbens 4 vornimmt und über die Vorlaufleitung 11 aus dem Kühlflüssigkeitsbehälter 12 im Sinne des Pfeils 13 mittels der Pumpe 14 gefördert wird. Der Liefergrad der Pumpe 14 ist durch Signale des Temperatur­ sensors 15 so gesteuert, daß eine vorgegebene Grenztemperatur, hier der Zylinder­ wand 3, nicht überstiegen wird. Statt eines Temperatursensors kann hier auch ein Last- oder Leistungssensor für die jeweilige Belastung der Brennkraftmaschine Einsatz finden.

Die Kühlflüssigkeit kann in solcher Menge zugeführt werden, daß auch ein Teil davon unverdampft auf das heiße Schmieröl in der Ölwanne 2 gelangt und demgemäß das Schmieröl durch Verdampfung kühlt.

Der entstandene Kühlflüssigkeitsdampf wird im Sinne des Pfeils 16′ durch die Blow-By-Leitung 16 zum Kondensator 17 zurückgeführt; die dort zurückgewonnene Kühlflüssigkeit gelangt in den Kühlflüssigkeitsbehälter 12, während das Blow-By- Gas über die den Blow-By-Auslaß 18 des Behälters 12 mit der Ansaugleitung 6 verbindende Leitung 19 im Sinne des Pfeils 20 abgesaugt und dem Brennraum wieder zugeführt wird.

Sofern der Kühlflüssigkeitsspiegel im Behälter 12 über den Blow-By-Austritt 18 steigt, kann insbesondere Blow-By-Gas nicht mehr in den Kondensator 17 und den Kühlflüssigkeitsbehälter 12 gelangen. Dann wird in Abhängigkeit von Signalen eines Niveausensors im Behälter 12, im Kondensator 17 oder in der Verbindungslei­ tung 19 das Ventil 21 in der Kurzschlußleitung 22 zwischen Kondensatoreingang und Ansaugleitung 6 geöffnet, so daß die Blow-By-Gase direkt, d.h. unter Umgehung des Kondensators 17, in die Ansaugleitung 6 gelangen.

Wie auch das Ausführungsbeispiel zeigt, ist mit der Erfindung eine derart wirksame Kolbenkühlung geschaffen, daß in bestimmten Fällen auf Kühlmittelräume oder Kanäle sowohl im Kolben als auch in der Zylinderwand verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Kolbenkühlung für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit zumindest einer auf die Kolbenrückseite gerichteten Düse zum Erzeugen eines Kühlflüssigkeitsstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei Betriebstemperatur der Kolbenrückseite verdampfende Kühlflüssigkeit der Düse (9) über eine mit einer Pumpe (14) bestückte, von einem Kühlflüssig­ keitsbehälter (12) ausgehende Vorlaufleitung (11) zugeführt sowie Kühlflüssig­ keitsdampf über eine vom Kurbelgehäuse (1) der Maschine abgehende Blow-By-Lei­ tung (16) in einen Kondensator (17) abgeführt wird, der ausgangsseitig mit dem Kühlflüssigkeitsbehälter (12) verbunden ist, der seinerseits einen Blow-By- Auslaß (18) aufweist.

2. Kolbenkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blow-By-Aus­ laß (18) mit einem Unterdruck führenden Bereich der Ansaugleitung (6) der Maschine verbunden ist.

3. Kolbenkühlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensatoreinlaß und der Ansaugleitung (6) eine Kurzschlußleitung (22) mit einer Flüssigkeitssperre (Ventil 21) verläuft, das nur bei einem die Höhe des Blow-By-Auslasses (18) übersteigenden Kühlflüssigkeitsstand im Kühlflüssigkeitsbehälter (12) öffnet.

4. Kolbenkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Liefergrad der Pumpe (14) sich in Abhängigkeit von einem Maschinenpa­ rameter, wie einer kritischen Bauteiltemperatur oder der Last, einstellt.

5. Kolbenkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei der Betriebstemperatur des Schmieröls in der Ölwanne (2) der Maschine verdampfende Kühlflüssigkeit in solcher Menge zugeführt wird, daß Kühlflüssigkeit auch in die Ölwanne (2) zwecks Ölkühlung gelangt.

6. Kolbenkühlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brenn­ kraftmaschine mit Trockensumpfschmierung aus der Ölwanne ein Gas-Kühlflüssig­ keits-Öl-Gemisch über einen Separierungsbehälter geführt wird, dem über zumindest eine Druckölpumpe Schmieröl entnommen und zu den Schmierstellen transportiert wird, während Kühlflüssigkeit der Pumpe (14) und Blow-By-Gas dem Kondensator (17) zugeführt wird.