DE4040611A1 - Jet-kolbenkuehlung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Kolben ist aus der deutschen Patentschrift Nr. 4 58 152
bekannt. Bei dem dort offenbarten Kolben wird zum Zwecke der Kühlung
Öl gegen den Boden des nach dem Kurbelkasten zu offenen Kolbens
gespritzt. Diese dem Grunde nach auch heute noch praktizierte Art
der Kühlung des Kolbenbodens ist zwar an sich nicht nachteilig, sie
ist jedoch angesichts der verlangten immer höheren spezifischen
Leistungen der Brennkraftmaschinen nicht mehr ausreichend.
Aus der US-Patentschrift US 16 88 076 ist ein Kolben einer
Brennkraftmaschine bekannt, der dadurch gekühlt wird, daß von
außerhalb des Zylinders, in dem sich der Kolben bewegt, über eine
entsprechende Öffnung in der Zylinderwand Luft in das Innere des
nach dem Kurbelkasten zu offenen Kolbens geführt wird und daß dann
die am Kolbenboden entlang geführte und so erwärmte Luft aus dem
Inneren des Kolbens heraus und über einen entsprechenden Kanal dem
Verbrennungsraum des Zylinders zugeführt wird. Nachteilig ist an
dieser Art der Kolbenkühlung, daß die zum Kühlen des Kolbenbodens
verwendete und so mit Öl versetzte Luft anschließend in den
Verbrennungsraum des Zylinders geführt wird und dort dazu beiträgt,
daß der Kolben stärker verkokt und daß die Verbrennungsabgase
stärker verunreinigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Kolben einer
Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß die Kühlung des
Kolbenbodens verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben gelöst, der
die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von
den Figuren zeigen
Fig. 1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Kolben
einer Brennkraftmaschine in einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
Fig. 2 ein Flußschema des Kühlluftkreislaufs bei Fehlen der
erfindungsgemäß vorgesehenen Luftspeicherräume;
Fig. 3 ein Flußschema des Kühlluftkreislaufs bei erfindungsgemäßer
Ausbildung des Kolbens.
Fig. 1 zeigt einen Kolben einer Brennkraftmaschine in einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der aus einem Kolbenkörper 1 und
einem Kolbenboden 2 zusammengesetzte und eine Kolbenlängsachse 3
aufweisende Kolben ist in an sich bekannter Weise an einer
Pleuelstange 4 angelenkt. Die Pleuelstange 4 ist mit einem
Kühlölkanal 5 versehen, der im wesentlichen parallel zur
Kolbenlängsachse 3 verläuft und durch den das zur Kühlung des
Kolbenbodens 2 erforderliche Kühlöl einer dem Kolbeninneren
zugewandten Innenkühlfläche 6 des Kolbenbodens 2 zugeführt wird.
Dieser Kühlölkanal 5 mündet an dem dem Kolbenboden 2 zugewandten
Ende der Pleuelstange 4 in einer Öffnung 7 aus. In einem den
Kolbenboden 2 aufnehmenden Abschnitt 8 des Kolbenkörpers 1 ist ein
rohrförmiger Körper 9 angeordnet, der im wesentlichen zur
Kolbenlängsachse 3 konzentrisch verläuft und der an dem der
Pleuelstange 4 zugewandten Ende 10 glockenförmig ausgebildet ist und
daher auch unter der Bezeichnung "Trichter" bekannt ist. Der
Körper 9 umschließt mit diesem glockenförmigen Ende 10 die
Öffnung 7. Außerdem ist der Körper 9 im Gleitsitz mit der
Pleuelstange 4 verbunden. Auf diese Weise stellt der rohrförmige
Körper 9 wirkungsmäßig eine Verlängerung des Kühlölkanals 5 dar,
durch den das zugeführte Kühlöl unabhängig von einer
betriebsbedingten relativen Verschwenkung des Kolbenkörpers 1
gegenüber der Pleuelstange 4 in jedem Fall in den rohrförmigen
Körper 9 gelangt und dann gegen die Innenkühlfläche 6 des
Kolbenbodens 2 gespritzt wird. Die Ableitung des Kühlöls erfolgt in
an sich bekannter Weise über im Kolbenboden 2 angeordnete Kanäle 11
bis 14.
Die Innenkühlfläche 6 des Kolbenbodens 2 und eine dem Kolbenboden 2
zugewandte Oberfläche 15 des Kolbenkörpers 1 sind so ausgebildet,
daß sie bei zusammengebautem Kolben einen ersten Luftspeicherraum 16
umschließen. Weiterhin sind die zur Kühlölabführung vorgesehenen
Kanäle 13 und 14 so dimensioniert, daß sie zusammen einen zweiten
Luftspeicherraum 17 bilden. Die beiden Luftspeicherräume 16 und 17
sind über die Kühlölabführkanäle 11 und 12 miteinander verbunden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der eine Außenkühlfläche 40
aufweisende zweite Luftspeicherraum 17 toroidartig um den ersten
Luftspeicherraum 16 herum angeordnet. Statt des zweiten
Luftspeicherraums 17 kann auch eine Mehrzahl einzelner
Luftspeicherräume vorgesehen werden, die jeweils mit dem ersten
Luftspeicherraum 16 über einen entsprechenden Kanal verbunden sind.
Es ist auch eine Reihenverbindung des ersten Luftspeicherraums mit
einem zweiten und einem dritten Luftspeicherraum oder eine Mehrzahl
von Reihenverbindungen des ersten Luftspeicherraums 16 mit jeweils
zwei oder mehr weiteren Luftspeicherräumen oder jede andere im
Einzelfall zweckmäßige Verbindung des ersten Luftspeicherraums 16
mit mehreren weiteren Luftspeicherräumen denkbar. Der Kolben kann
aber auch nur einen einzigen Luftspeicherraum mit nur einer einzigen
Kühlfläche aufweisen.
Im Abschnitt 8 des Kolbenkörpers 1 sind zur Kolbenachse 3 parallel
verlaufende und in den ersten Luftspeicherraum 16 einmündende
Kühlluftzufuhrkanäle 18 und 19 angeordnet, deren seitlicher Abstand
zum rohrförmigen Körper 9 möglichst gering gewählt ist, damit
einerseits die dem Luftspeicherraum 16 zuzuführende Luft dem
Innenraum des Kolbenkörpers 1 an der Stelle kleinsten Querschnitts
oder möglichst nahe dieser Stelle entnommen werden kann und damit
andererseits das aus dem Körper 9 austretende Kühlöl so früh wie
möglich von der aus den Kühlluftzufuhrkanälen 18 und 19
heraustretenden Luft erfaßt und an die Innenkühlfläche 6 gedrückt
wird.
Der vom Kolbenkörper 1 umschlossene Innenraum ist so gestaltet, daß
ein an den Kolbenabschnitt 8 angrenzender erster Teilinnenraum 20,
der im wesentlichen den auch als Kolbengewölbe bezeichneten
Abschnitt des Innenraums des Kolbenkörpers 1 darstellt, und ein sich
daran anschließender zweiter Teilinnenraum 21 gegeben sind. Dabei
ist der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts des zweiten
Teilinnenraums 21 größer als der größte Durchmesser des
Kolbengewölbes (in Fig. 1: größer als der Durchmesser des
zylindrischen Abschnitts des ersten Teilinnenraums 20), so daß sich
am Übergang zwischen den beiden Teilinnenräumen 20 und 21 eine in
etwa quer zur Kolbenlängsachse 3 verlaufende Übergangsoberfläche 22
ergibt.
In den Kolbenkörper 1 sind zur Kolbenlängsachse 3 im wesentlichen
parallel verlaufende Rückleitungskanäle 23 und 24 eingebracht. Diese
Kanäle 23 und 24 münden mit deren jeweiligem einen Ende im zweiten
Luftspeicherraum 17 und mit deren jeweiligem anderen Ende in der
Übergangsoberfläche 22 und verbinden so den zweiten
Luftspeicherraum 17 mit dem zweiten Teilinnenraum 21. Im Falle eines
erfindungsgemäßen Kolbens mit nur einem einzigen Luftspeicherraum
münden die Rückleitungskanäle 23 und 24 mit ihrem jeweiligen einen
Ende direkt in diesem Luftspeicherraum.
Die am Kolbenboden eines wie vorstehend beschrieben ausgebildeten
Kolbens einer Brennkraftmaschine erzielbare Kühlwirkung kommt
folgendermaßen zustande. Bei Bewegung des Kolbens vom oberen
Totpunkt zum unteren Totpunkt, im folgenden kurz als
"Abwärtsbewegung" bezeichnet, entsteht aufgrund der Relativbewegung
zwischen Kolben und Zylinderbuchse am oberen Ende des
Teilinnenraums 20, also in dem Teil des Kolbengewölbes, in den das
glockenförmige Ende 10 des rohrförmiges Körpers 9 hineinragt, ein
Staudruck. Außerhalb dieses Bereichs, also auch im Teilinnenraum 21,
herrscht der gleiche Druck wie im (nicht dargestellten) Kurbelkasten
der Brennkraftmaschine. Der Staudruck beträgt bei mittelschnell
laufenden Motoren etwa 0,5 bar und führt dazu, daß die angestaute
Luft vom Kolbengewölbe aus durch die Luftzuführkanäle 18 und 19
hindurch in den ersten Luftspeicherraum 16 strömt. Von dort strömt
die Luft dann durch die Kanäle 11 und 12 in den zweiten
Luftspeicherraum 17 und anschließend durch die Rückführungskanäle 23
und 24 in den zweiten Teilinnenraum 21 und damit in den Kurbelkasten
zurück.
Durch das Einströmen der im Kolbengewölbe angestauten Luft steigt
der Luftdruck im ersten Luftspeicherraum 16 und dann im zweiten
Luftspeicherraum 17 so lange an, bis er sich - im allgemeinen schon
nach einigen Motorumdrehungen - auf Luftdruckwerte stabilisiert, die
über dem im Kurbelkasten herrschenden Luftdruck liegen und von der
Bewegungsrichtung des Kolbens weitgehend unabhängig sind.
Gleichzeitig strömt nun ständig und unabhängig von der
Bewegungsrichtung des Kolbens aus den Rückführungskanälen 23 und 24
um eine mittlere Geschwindigkeit pulsierend Luft aus (Gesetz der
Zwangsauffüllung und der freien Entleerung eines Behälters). Dieser
durch die Kolbenbewegungen aufrechterhaltene Luftstrom wirkt sich in
mehrfacher Hinsicht vorteilhaft aus: zum einen unterstützt er die
Kolbenkühlung durch Wärmeabfuhr; denn die in die beiden
Luftspeicherräume 16 und 17 eingeströmte Luftmasse erwärmt sich dort
und gibt die aufgenommene Wärme nach Rückströmen in den zweiten
Teilinnenraum 21 wieder ab. Zum anderen beschleunigt die in den
ersten Luftspeicherraum 16 und dann in den zweiten
Luftspeicherraum 17 eingeströmte Luftmasse das in die beiden
Luftspeicherräume 16 und 17 eintretende Öl und verhindert so eine
sonst durch Überhitzung verursachte Verkokung des Öls auf der
Innenkühlfläche 6 und auf der Außenkühlfläche 40. Und schließlich
wird durch die Beschleunigung und die damit verbundene Verwirbelung
des Luft-Öl-Gemisches eine verbesserte Reinigung der
Innenkühlfläche 6 und der Außenkühlfläche 40 des Kolbenbodens 2, und
insbesondere ein Auswaschen von Ölkohle-Ablagerungen, erzielt.
Dieser kontinuierliche Auswaschvorgang wirkt, langfristig gesehen,
einer Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit bzw.
Wärmeabstrahlfähigkeit des Kolbenbodens entgegen.
Um das vorstehend beschriebene Funktionsprinzip der Luftzirkulation,
das aufgrund der Geschwindigkeit der in den ersten
Luftspeicherraum 16 und dann in den zweiten Luftspeicherraum 17
einströmenden Luftmasse zur Bezeichnung "Jet-Kolbenkühlung" der
vorliegenden Erfindung geführt hat, zu gewährleisten, sind bei der
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens wenigstens zwei
Grundsätze zu beachten: Zum einen kann eine erfindungsgemäße
Luftzirkulation nur dann entstehen, wenn der erste und der zweite
Luftspeicherraum 16 bzw. 17 jeweils ein ausreichend großes
Speichervolumen aufweisen. Und zum anderen müssen die Volumina der
Luftspeicherräume 16 und 17 und die Querschnitte der
Kühlluftzuführkanäle 18 und 19, der Kanäle 11 und 12 und der
Rückleitungskanäle 23 und 24 in einem bestimmten Verhältnis
zueinander stehen.
Sind keine Luftspeicherräume vorgesehen oder sind diese viel zu
klein bemessen, so strömt die Luft nur während der Abwärtsbewegung
des Kolbens durch den Kolbenboden. Fig. 2 zeigt dies in stark
schematisierter und auf kreisförmige Querschnitte bezogener
Darstellung: Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens entsteht am
Übergang zwischen dem ersten Teilinnenraum 20 und dem zweiten
Teilinnenraum 21, an dem der Innenraum des Kolbenkörpers 1 einen
Durchmesser D1 aufweist, ein Druck p1. Außerdem wird die Luft mit
einer Kolbengeschwindigkeit w1 in einen den Kolbenboden
durchziehenden Kanal 31, der einen Eingang 32 und einen Ausgang 33
aufweist, gedrückt. Aufgrund des wesentlich kleineren
Durchmessers de des Eingangs 32 des Kanals 31 nimmt die
Geschwindigkeit der Luft einen Wert we an, der wesentlich größer ist
als der Wert w1. Da der Durchmesser da des Ausgangs 33 des Kanals 31
gleich dem Durchmesser de des Eingangs 32 des Kanals 31 ist und da
der Kanal 31 über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt
aufweist - und da für die vorliegende Betrachtung im Kanal 31 eine
reibungslose Strömung angenommen werden kann -, ist die
Austrittsgeschwindigkeit wa gleich der Eintrittsgeschwindigkeit we
und die Luft strömt am Ausgang 33 in den Teilinnenraum 21 ein. Bei
der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens ist der Druck vor
dem Eingang 32 und vor dem Ausgang 33 im wesentlichen gleich dem im
Teilinnenraum 21 herrschenden Luftdruck p, so daß während der
Aufwärtsbewegung des Kolbens weder vom Eingang 32 her noch von
Ausgang 33 her Luft in den Kanal 31 strömt.
Sind die Luftspeicherräume zwar vorhanden, aber nicht ausreichend
groß dimensioniert, so findet zwar eine Luftbewegung statt; jedoch
hängt deren genauer Verlauf von den jeweiligen momentanen
Druckverhältnissen ab.
Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben stellen sich die in
Fig. 3 stark schematisiert und unter Verwendung der gleichen
Bezeichnungen wie in Fig. 2 dargestellten Verhältnisse ein.
Unabhängig von der Größe des Speichervolumens der
Luftspeicherräume 16 und 17 ist zu beachten, daß die Auffüllung der
Luftspeicherräume aufgrund der momentanen Druckverhältnisse
grundsätzlich nur über die Kanäle 18 und 19 bzw. 11 und 12 erfolgt.
Der Entleerungsvorgang erfolgt jedoch aufgrund der dann anderen
momentanen Druckverhältnisse gleichzeitig über die Zuführkanäle 18
und 19 bzw. 11 und 12 und über die Rückführungskanäle 23 und 24. Um
nun angesichts dieser physikalischen Gegebenheiten das
erfindungsgemäße Funktionsprinzip verwirklichen zu können, nutzt man
die weitere physikalische Gegebenheit aus, daß der Auffüllvorgang
anderen physikalischen Gesetzen folgt als der Entleerungsvorgang.
Durch eine geeignete Wahl der Verhältnisse des Speichervolumens des
Luftspeicherraums 16 zu den Querschnitten der Zuführkanäle 18 und 19
und der Kanäle 11 und 12 einerseits und des Speichervolumens des
Luftspeicherraums 17 zu den Querschnitten der Kanäle 11 und 12 und
der Rückführungskanäle 23 und 24 andererseits wird sichergestellt,
daß sich wirkungsmäßig die erfindungsgemäß von der jeweiligen
momentanen Bewegungsrichtung des Kolbens unabhängige und nur in
einer Richtung erfolgende Luftzirkulation durch den Kolben
einstellt. Daß der Luftstrom dabei aus den Kanälen 23 und 24 als
pulsierender Luftstrom, also mit variabler Geschwindigkeit,
austritt, ist für die mit der vorliegenden Erfindung erzielbare
Wirkung unerheblich.
Die Form und die Dimensionierung der Luftspeicherräume bzw. des
einzigen Luftspeicherraums hängen von den im Einzelfall zu
berücksichtigenden Anforderungen an den Kolben ab. Die
Innenkühlfläche 6 und die Außenkühlfläche 40 des Kolbenbodens 2
werden vorteilhafterweise so ausgebildet, daß die Verwirbelung des
eingespritzten Kühlöls mit der zugeführten Kühlluft optimal ist, so
daß sowohl eine größtmögliche Wärmeabgabe vom Kühlöl an die Kühlluft
ermöglicht wird als auch eine bestmögliche Reinigung der
Innenkühlfläche 6 und der Außenkühlfläche 40 von Ölkohleablagerungen
erzielt wird, und daß durch die erhöhte Grenzschichtturbulenz auf
den Kühlflächen 6 und 40 eine höhere Wärmeübergangszahl erreicht
werden kann.
Claims (8)
1. Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem an eine Pleuelstange (4)
angelenkten Kolbenkörper (1), einem auf der der Pleuelstange (4)
abgewandten Stirnseite des Kolbenkörpers (1) angebrachten
Kolbenboden (2) und einer Kühlölzuführung (5, 9), mittels derer
Kühlöl zugeführt und gegen eine Innenfläche (6) des Kolbenbodens (2)
gespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenboden (2) einen Luftspeicherraum (16, 17) aufweist, dessen eine Wandfläche die Kühlfläche (6, 40) des Kolbenbodens (2) ist,
daß der Kolbenkörper (1) einen ersten (20) und einen zweiten (21) Teilinnenraum umschließt, wobei der zur offenen Seite des Kolbenkörpers (1) hin liegende zweite Teilinnenraum (21) einen größeren wirksamen Durchmesser aufweist als der erste Teilinnenraum (20), und
daß der Luftspeicherraum (16, 17) mit dem ersten Teilinnenraum (20) über wenigstens einen Luftzuführkanal (18, 19) und mit dem zweiten Teilinnenraum (21) über wenigstens einen Rückführungskanal (23, 24) verbunden ist.
daß der Kolbenboden (2) einen Luftspeicherraum (16, 17) aufweist, dessen eine Wandfläche die Kühlfläche (6, 40) des Kolbenbodens (2) ist,
daß der Kolbenkörper (1) einen ersten (20) und einen zweiten (21) Teilinnenraum umschließt, wobei der zur offenen Seite des Kolbenkörpers (1) hin liegende zweite Teilinnenraum (21) einen größeren wirksamen Durchmesser aufweist als der erste Teilinnenraum (20), und
daß der Luftspeicherraum (16, 17) mit dem ersten Teilinnenraum (20) über wenigstens einen Luftzuführkanal (18, 19) und mit dem zweiten Teilinnenraum (21) über wenigstens einen Rückführungskanal (23, 24) verbunden ist.
2. Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (2) einen ersten (16) und
einen zweiten (17) Luftspeicherraum aufweist.
3. Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Luftspeicherraum (17) einstückig
ausgebildet und toroidartig um den ersten Luftspeicherraum (16)
herum angeordnet ist.
4. Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Luftspeicherraum (16) und der zweite
Luftspeicherraum (17) über einen Kanal (11, 12) miteinander
verbunden sind.
5. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlölzuführung (5, 9) einen
rohrförmigen Körper (9) aufweist, der in einem den Kolbenboden (2)
aufnehmenden Abschnitt (8) des eine Kolbenlängsachse (3)
aufweisenden Kolbenkörpers (1) zu dieser Kolbenlängsachse (3) im
wesentlichen konzentrisch angeordnet ist, und daß der wenigstens
eine Luftzuführkanal (18, 19) zur Kolbenlängsachse (3) im
wesentlichen parallel verlaufend und mit einem möglichst
geringen seitlichen Abstand zum rohrförmigen Körper (9)
angeordnet ist.
6. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der wenigsten eine Luftzuführkanal (18,
19) mit dem Teilinnenraum (20) in einem Bereich (30) verbunden
ist, in dem der größte Luftdruck auftritt.
7. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen den beiden
Teilinnenräumen (20, 21) des Kolbenkörpers (1) als eine in etwa
quer zur Kolbenlängsachse (3) verlaufende Übergangsoberfläche (22)
ausgebildet ist.
8. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der im Kolbenkörper (1) angeordnete
wenigstens eine Rückführungskanal (23, 24) zur Kolbenlängsachse (3)
im wesentlichen parallel verlaufend angeordnet ist und daß
dieser wenigstens eine Rückführungskanal (23, 24) mit seinem
einen Ende im zweiten Luftspeicherraum (17) oder im einzigen
Luftspeicherraum (16) und mit seinem anderen Ende in der
Übergangsoberfläche (22) ausmündet.
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