DE4040611C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein ölgekühlter 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.

Die DE 35 18 721 A1 beschäftigt sich mit einem ölgekühlten Tauchkolben, der aus einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil zusammengesetzt ist. Dieser Kolben weist einerseits eine geringe Masse, andererseits eine hohe Temperaturfestigkeit am Kolbenboden und eine gute Wärmeleitung auf. Es werden verschiedene Materialien für die einzelnen Bauteile verwendet, außerdem ist eine spezielle Kühlölzuführung für eine Shaker-Kühlung und eine spezielle Lagerung des Kolbenoberteils auf dem Kolbenunterteil vorgesehen. Damit eignet sich dieser Tauchkolben für die Übertragung von Zünddrücken von 125 bis 160 bar und deformiert dabei nur unwesentlich. Eine Luftkühlung ist allerdings nicht vorgesehen.

Auch aus der DE 35 02 644 A1 ist ein lediglich ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben bekannt. Dieser Kolben ist so ausgebildet, daß der unter Vermeidung einer Vielzahl von Schmierölabstreifringen bei gegebenem niedrigem Schmierölverbrauch eine solch günstige Schmierölregulierung ermöglicht, daß das anstehende Öl so verteilbar ist, daß an Stellen des Umfangbereichs, wo unbedingt Schmieröl erforderlich ist, intensiver geschmiert wird, als an anderen Umfangstellen des Kolbens.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Kolben einer Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß durch eine geeignete Kühlluftführung die Kühlung des Kolbenbodens verbessert wird und gleichzeitig vermieden wird, daß mit Öl versetzte Luft in den Verbrennungsraum des Zylinders gelangen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben gelöst, der die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.

Durch die von der Kühlölzuführung getrennt verlaufenden Luftzufuhr- und Rückführungskanäle kann die angestaute Luft vom Kolbengewölbe in den ersten Luftspeicherraum und von dort in den zweiten Luftspeicherraum strömen. Diese von der Kühlöl-Zuführung getrennte Luftführung läßt nicht zu, daß mit Öl versetzte Luft in den Verbrennungsraum des Zylinders gelangen kann.

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 einer als Kanal ausgebildeten Kühlölzuführung 5 versehen, die im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse 3 verläuft und durch den das zur Kühlung des Kolbenbodens 2 erforderliche Kühlöl einer dem Kolbeninneren zugewandten inneren Kühlfläche 6 des Kolbenbodens 2 zugeführt wird. Diese Kühlölzuführung 5 mündet an dem dem Kolbenboden 2 zugewandten Ende der Pleuelstange 4 in einer Öffnung 7. In einem den Kolbenboden 2 aufnehmenden Abschnitt 8 des Kolbenkörpers 1 ist ein rohrförmiger Körper als Kühlölzuführung 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 umschließt mit diesem glockenförmigen Ende 10 die Öffnung 7. Außerdem ist der Körper im Gleitsitz mit der Pleuelstange 4 verbunden. Auf diese Weise stellt der rohrförmige Körper wirkungsmäßig eine Verlängerung der Kühlölzuführung 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 gelangt und dann gegen die innere Kühlfläche 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 innere Kühlfläche 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 äußere Kühlfläche 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 der Kühlölzuführung 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 im Bereich 30 entnommen werden kann und damit andererseits das aus dem Körper austretende Kühlöl so früh wie möglich von der aus den Kühlluftzufuhrkanälen 18 und 19 heraustretenden Luft erfaßt und an die innere Kühlfläche 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 Rückführungskanäle 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 Rückführungskanäle 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 der Kühlölzuführung 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 inneren Kühlfläche 6 und auf der äußeren Kühlfläche 40. Und schließlich wird durch die Beschleunigung und die damit verbundene Verwirbelung des Luft-Öl-Gemisches eine verbesserte Reinigung der inneren Kühlfläche 6 und der äußeren Kühlfläche 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 Rückführungskanäle 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 d_e des Eingangs 32 des Kanals 31 nimmt die Geschwindigkeit der Luft einen Wert w_e an, der wesentlich größer ist als der Wert w₁. Da der Durchmesser d_a des Ausgangs 33 des Kanals 31 gleich dem Durchmesser d_e 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 w_a gleich der Eintrittsgeschwindigkeit w_e, 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 = < und der Luftgeschwindigkeit w 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 p_i 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 Luftzuführkanäle 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 innere Kühlfläche 6 und die äußere Kühlfläche 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 innere Kühlfläche 6 und der äußeren Kühlfläche 40 von Ölkohleablagerungen erzielt wird, und daß durch die erhöhte Grenzschichtturbulenz auf den Kühlflächen 6 und 40 eine höhere Wärmeübergangszahl erreicht werden kann.

Claims (7)

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), durch die das Kühlöl zuströmt und gegen eine als Kühlfläche (6) dienende Innenfläche des Kolbenbodens (2) spritzt, wobei dem Kolbenboden (2) Luft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenboden (2) einen ersten und einen zweiten Luftspeicherraum (16, 17) aufweist, deren 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 erste Luftspeicherraum (16) mit dem ersten Teilinnenraum (20) über wenigstens einen Luftzuführkanal (18, 19) und der zweite Luftspeicherraum (17) mit dem zweiten Teilinnenraum (21) über wenigstens einen Rückführungskanal (23, 24) verbunden ist.

2. Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftspeicherraum (17) einstückig ausgebildet und toroidartig um den ersten Luftspeicherraum (16) herum angeordnet ist.

3. Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Luftspeicherraum (16) und der zweite Luftspeicherraum (17) über mindestens einen Kanal (11, 12) miteinander verbunden sind.

4. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühölzuführung (9) einen rohrförmigen Körper 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 der Kühlöl­ zuführung (9) angeordnet ist.

5. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.

6. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 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.

7. Kolben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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) und mit seinem anderen Ende in der Übergangsoberfläche (22) mündet.