DE4405091A1 - Wärmerohrvorrichtung, insbesondere Vorrichtung zum Kühlen von Schwingungen ausführenden Motorteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmerohrvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Kühlen von Schwingungen ausführenden Motorteilen, wie beispielsweise Kolben von Verbrennungsmotoren. Die Erfindung betrifft zudem die Anwendung einer derartigen Kühlvorrichtung zur Kühlung der Kolben von Zweitaktmotoren.

Schwingungen ausführende Motorteile bedürfen regelmäßig der Kühlung. Beispielsweise müssen Kolben von Verbrennungsmotoren aufgrund des mit dem Brennverlauf verbundenen Wärmestroms aus dem Verbrennungsraum in die Kolben gekühlt werden, damit ihre Formstabilität erhalten bleibt. Bei Otto-Motoren werden die Kolben beispielsweise durch Anspritzen ihrer Unterseiten mit Motoröl aus dem Kurbelkasten gekühlt. Das dabei erwärmte Motoröl wird über Ölkühler rückgekühlt.

Die Anforderung an die Kühlung von Motorkolben wächst mit zunehmender Leistungsdichte des Motors. Besonders hohe Anforde­ rungen werden an Zweitaktmotoren mit Kolbenkantensteuerung gestellt, was zum einen dadurch bedingt ist, daß Zweitaktmotoren im Vergleich zu Otto-Motoren eine doppelt so hohe Leistungsdichte aufweisen (beim Zweitaktmotor erfolgt ein Verbrennungsprozeß nach jeweils einem Kurbelwinkel von 360°, während beim Otto-Motor ein Verbrennungsprozeß nach jeweils einem Kurbelwinkel von 720° erfolgt) und zum anderen dadurch, daß das heiße Abgas die Kolbenkante des Kolbenbodens beim Arbeitstakt "Ausströmen" partiell stark erhitzt. Im Gegensatz zu Otto-Motoren ist bei kurbelkastengespülten Zweitaktmotoren eine Ölkühlung nicht möglich, da das beim Zweitaktmotor stark vernebelte Öl mit dem Gas in den Verbrennungsraum gerissen werden würde. Einen geringen, jedoch in der Praxis nicht ausreichenden Beitrag zur Kühlung kann der den Kolben kühlende Wärmestrom der Verdampfungs­ wärme des Brennstoffs liefern, wenn er mit der Kolbenunterseite in Berührung gelangt. Dieser Beitrag zur Kolbenkühlung entfällt jedoch bei modernen Zweitaktmotoren, bei denen der Kraftstoff über Einspritzsysteme zugeführt wird. Für die Kolbenkühlung bei Zweitaktmotoren kommt ferner ein in Überschuß für die Kolben­ schmierung zugeführtes Öl deshalb nicht in Betracht, weil der Kurbelraum vom Vorkompressionsraum abgeschottet ist.

Besonders problematisch ist die Kühlung der Kolben von Kurbel­ schlaufenmotoren. Ein derartiger, beispielsweise aus der DE-OS 34 33 510 bekannter Motor weist mindestens zwei auf einer Achse sich gegenüberliegende Kolbenzylindereinheiten auf, deren starr befestigte Kolbenstangen über einen zwischen den Kolbenzylinder­ einheiten angeordneten Kurbelschleifentrieb gekoppelt sind. Der Kurbelschleifentrieb, mit dem die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstangen in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird, besteht in der Regel aus einem Kurbelschleifenrahmen, an dessen Stegen außenseitig die Kolbenstangen ebenfalls starr befestigt sind und in dessen Innenraum ein Gleitstein sitzt, der durch innenseitig an den Stegen angeordnete Gleitbahnen geführt wird und in dem drehbar ein Kurbelzapfen eines die Rotationsbewegung ausführenden Kurbeltriebes steckt, wobei sich die Achse des Kurbelzapfens quer zur Achse der Kolbenstangen erstreckt.

Es ist intern versucht worden, die Kühlung der Kolben eines Kurbelschlaufenmotors über die Kolbenstangen zu bewirken. Im Versuch scheitern diese Maßnahmen zur Kühlung der Kolben über die Kolbenstange durch Öl aus dem Kurbelraum an der Zuführung des Öls in die hohl ausgebildete Kolbenstange. Grundsätzlich kann Öl in die Kolbenstange ausschließlich an zwei Punkten eingeführt werden, nämlich einerseits am Umfang der Kolbenstange über das Trennwandlager im Bereich des oberen Totpunkts (OT) und zum anderen stirnseitig über die Gleitbahn zum Kulissenstein. Im zuerst genannten Fall wird die Kolbenstange an genau dem Punkt durch Ölzufuhröffnungen geschwächt, an dem sie im Betrieb die höchste Belastung erfährt. Im zweiten Fall steht durch das schnelle Überfahren des Gleitsteins nicht ausreichend Zeit zur Verfügung, die erforderliche Ölstrommenge in die Stange ein­ zuleiten.

Als weiterer Nachteil dieser Art der Kolbenkühlung wurde erkannt, daß die sich translatorisch bewegende Masse der Kurbelschlaufe um den Masseanteil für die Ölleitungsführung und die Ölfüllung erhöht wird, wodurch zum Schwingungsausgleich zusätzliche oder größere Ausgleichsmassen vorgesehen werden müssen.

Zum Stand der Technik gehören stationär angeordnete Wärmerohre, mit denen Wärmeenergie bei nahezu konstanter Temperatur von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke durch Verdampfung und Kon­ densation einer Arbeitsflüssigkeit in dem Wärmerohr bei gleicher Temperatur in einem geschlossenen Raum konstanten Drucks übertragen wird. Das Wärmerohr kann als sogenanntes Kapillar- Wärmerohr ausgebildet sein, dessen Innenseite durchgehend mit einer porösen Auskleidung versehen ist, deren Hohlräume allseitig miteinander verbunden sind, so daß Kapillarkräfte die Arbeits­ flüssigkeit in jede Richtung transportieren können, sobald Ungleichgewichte in der Benetzung der Kapillaren auftreten. Der Wärmetransport erfolgt dabei ausschließlich durch Kapillarkräfte, unabhängig von der Ausrichtung des Wärmerohrs. Die Ausbildung der Kolbenstange eines vorstehend beschriebenen Zweitaktmotors als Kapillar-Wärmerohr ist unwirksam, weil die Wärmeableitung durch Kapillarkräfte viel zu langsam ist. Darüber hinaus gibt es Wärmerohre, bei denen der Transport der Arbeitsflüssigkeit ausschließlich durch Schwerkraft erfolgt. Auch ein derartiges Wärmerohr kann nicht die Kühlprobleme von Zweitaktmotoren lösen, weil die Kurbelstangen nicht schwerkraftgerecht angeordnet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kühlen von Schwingungen ausführenden Motorteilen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Motorteile, insbesondere Kolben von Zweitakt-Verbrennungsmotoren, ohne großen Aufwand effektiv gekühlt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung betrifft im weitesten Sinne eine Wärmerohrvor­ richtung, die gekennzeichnet ist durch die Kombination eines Wärmerohres mit einer Schüttelvorrichtung, die das Wärmerohr in längsaxialer Richtung in schnelle Hin- und Her-Bewegungen versetzt. Dabei kann das Wärmerohr mit oder ohne Innenauskleidung ausgeführt sein. Eine besonders bevorzugte Anwendung des Wärmerohr-Schüttel-Prinzips liegt erfindungsgemäß in der Verwendung der Hohlkolbenstange eines Kurbelschlaufen-Zweitakt­ verbrennungsmotors als Wärmerohr.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Stirnansicht eines Kur­ belschlaufenmotors mit erfindungsgemäßer Kühleinrich­ tung in einer Kolbenstange;

Fig. 2 in einer Einzelheit eine erweiterte Ausbildung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in einer Kolbenstan­ ge.

Der Zweitaktmotor gemäß Fig. 1 hat zwei achsgleich gegenüber­ liegende Arbeitszylinder 1 und 2, die mit gegenüberliegenden Seiten eines Kurbelgehäuses 3 fest verbunden sind. In den Arbeitszylindern 1 und 2 laufen Arbeitskolben 4 und 5, an denen Kolbenstangen 6 und 7 starr befestigt sind. Die Kolbenstangen 6 und 7 sind mit einem Kurbelschlaufenrahmen 8 fest verbunden, der eine geradlinige Kulisse 9 einschließt, deren Längsachse 10 in einem Winkel von 90° quer zur Längsachse 11 der beiden Arbeits­ zylinder 1 und 2 gerichtet ist. In der Kulisse 9 bewegt sich ein Gleitstein 12, der auf einem Kurbelzapfen 13 eines Kurbelabtriebs drehbar gelagert ist.

Nimmt man die Drehrichtung R des Motors im Uhrzeigersinn an, so bewegen sich die beiden Arbeitskolben 4 und 5 gleichzeitig gleichgerichtet. Diese Bewegung wird über die Kurbelschleife 8 auf den Kurbelzapfen 13 übertragen, der dadurch dem Kurbelabtrieb eine Drehbewegung aufzwingt.

Da die beiden Zylinderkolbenanordnungen 1, 4 sowie 2, 5 und die zugehörigen Kolbenstangen 6, 7 identisch aufgebaut sind, werden konstruktive Einzelheiten nachfolgend anhand der Kolbenzylinder­ anordnung 1, 4 näher beschrieben.

Die Kolbenstange 6 ist in einem sogenannten Trennwandlager 15 geführt, das in der Wand des Kurbelgehäuses 3 eingesetzt ist, an die der Zylinder 1 angeschlossen ist.

Die Kolbenstange 6 ist hohl und erfindungsgemäß mit einer bestimmten Menge einer Arbeitsflüssigkeit 16 gefüllt und wird nach Art eines Wärmerohres verwendet. Es ist einendig z. B. einstückig mit der Kurbelschlaufe 8 ausgebildet und anderendig über eine Kolbenbefestigungsschraube 17 starr mit dem Kolben 4 verbunden. Durch den im Verbrennungsraum 18 des Zylinders 1 erfolgenden Verbrennungsprozeß fließt ein Wärmestrom 19 in den Kopf des Kolbens 4 und in den Kolbenbefestigungsbereich. Von dort fließt ein Teil des Wärmestroms in die Kolbenstange 6, deren Wandung kolbenkopfseitig dadurch stark erhitzt wird. Die Wärme wird an die im Innenraum der Kolbenstange 6 befindliche Arbeits­ flüssigkeit 16 übertragen, die dadurch verdampft. Die vom Dampf aufgenommene Wärmemenge wird wegen des guten Wärmeübergangswertes von Dampf zur Metallwandung der hohlen Kolbenstange 6 sehr schnell an den kühleren, kurbelschlaufenseitigen Bereich der Kolbenstange 6 abgegeben, wo Dampf zumindest teilmengenweise zur Arbeitsflüssigkeit kondensiert. Die Arbeitsflüssigkeit verdampft somit während des Motorbetriebs am heißen, kolbenkopfseitigen Endbereich der Kolbenstange 6, und die im Arbeitsmitteldampf aufgenommene Wärmemenge wird an den kühleren kurbelschlaufensei­ tigen Endbereich der Kolbenstange 6 abgegeben. Dabei wird die Enthalpie des Dampfes um denjenigen Anteil vermindert, der durch die Abkühlung des Dampfs am kalten Ende der Kolbenstange 6 abgeleitet wird. Durch diese abgeleitete Wärmemenge wird eine bestimmte Wärmemenge festgelegt, die am heißen Ende der Kolben­ stange 6 in diese einfließt. Der Dampftransport zum kühleren Endbereich der Kolbenstange 6 sowie der Flüssigkeitstransport zum wärmeren Endbereich der Kolbenstange wird neuartig durch die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange 6 sehr schnell bewirkt. Aufgrund dieser Schüttelbewegung gelangt der kondensierte Anteil des Dampfes sehr schnell wieder zum heißen Ende der Kolbenstange 6, wo die Arbeitsflüssigkeit durch Wärmeaufnahme vom Kolbenkopf erneut verdampft wird und sehr schnell wieder in Kontakt mit dem kälteren Ende der Kolbenstange 6 kommt. Es ist überraschend, daß dieses Schüttelprinzip eine derart schnelle und effektive Wärmeabfuhr ermöglicht.

Die Arbeitsflüssigkeit ist bevorzugt Wasser, Diphyl, Per­ chlorethylen, Trichlorethylen oder ein halogenierter Kohlen­ wasserstoff. Die Arbeitsflüssigkeit wird in die Kolbenstange 6 gefüllt und die Kolbenstange 6 wird daraufhin verschlossen. Bevorzugt ist der nicht von der Arbeitsflüssigkeit ausgefüllte Teil der hohlen Kolbenstange 6 evakuiert, um den Wirkungsgrad des Kühlsystems zu erhöhen.

Ein Teil des am heißen Ende in die Kolbenstange 6 einfließenden Wärmestroms wird nach der Erfindung vom schlaufenseitigen Endbereich teilweise auch an das für die Schmierung des Trenn­ wandlagers 15 verwendete Öl abgegeben und mit diesem in den Ölsumpf 20 des Kurbelgehäuses 3 geleitet (siehe Pfeile 22). Ein weiterer Teil des von der Kolbenstange 6 abgehenden Wärmestroms wird von dem für die Schmierung des Kulissensteins 12 verwendeten Öl 21 aufgenommen und ebenfalls in den Ölsumpf 20 geleitet.

Das kalte Ende der Kolbenstange 6 kann zusätzlich durch einen Ölstrahl 23 gekühlt werden, der gegen den in den Kurbelraum 3 eintretenden Bereich der Kurbelstange 6 gerichtet wird und dessen Öl ebenfalls in den Ölsumpf 20 gelangt.

Der mit Arbeitsflüssigkeit 16 gefüllte Hohlraum der Kolbenstange 6 kann zudem in Übertragungsverbindung mit einem ringförmigen Hohlraum 25 stehen, der im Kolbenkopf, an den Kolbenboden an­ grenzend ausgebildet ist (siehe Fig. 2). Durch diese Maßnahme kommt die Arbeitsflüssigkeit 16 in unmittelbaren Kontakt mit dem heißen Kolbenboden, so daß Wärme vom Kolbenboden unmittelbar in die Arbeitsflüssigkeit 16 eingeleitet wird. Dabei kann die Befestigungseinrichtung des Kolbens 4 mit der Schraube 17 so ausgebildet sein, daß das Gewindeloch für die Schraube 17 einen Zugang zum Hohlraum der Kolbenstange 6 hat und als Befüllöffnung für die Arbeitsflüssigkeit verwendet werden kann.

Claims (12)

1. Wärmerohrvorrichtung, gekennzeichnet durch die Kombination eines Wärmerohres mit einer Schüttelein­ richtung, die das Wärmerohr im wesentlichen in längsaxialer Richtung des Rohres in schnelle Hin- und Her-Bewegungen versetzt.

2. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr in an sich bekannter Weise eine poröse Auskleidung aufweist.

3. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 1 und oder 2 zum Kühlen von Schwingungen ausführenden Motorteilen, wie beispielsweise Kolben von Verbrennungsmotoren, insbesondere Zweitaktmotoren, gekennzeichnet durch die Verwendung einer motorspezifischen Einrichtung für die Wärmeabführung von dem zu kühlenden Motorteil (4) zu einer Wärmesenke in Form eines hermetisch geschlossenen Wärme­ abfuhrrohrs (6), das mit einem Ende im Wärmeübertragungs­ kontakt mit dem zu kühlenden Motorteil (4) steht, sich längsaxial in Richtung der Schwingungen des Motorteils (4) bis zur Wärmesenke erstreckt und mit einer bestimmten Menge einer z. B. an sich bekannten Arbeitsflüssigkeit (16) eines Wärmerohres befüllt ist, die unter Einfluß der abzuführen­ den Wärme verdampft.

4. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit (16) eine Dampfdruckkurve hat, die bei einem Druck von etwa 30 Bar in einem Temperaturbe­ reich zwischen etwa 50 und 300°C liegt.

5. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit Wasser, Diphyl, Perchlorethylen, Trichlorethylen oder ein halogenierten Kohlenwasserstoff ist.

6. Wärmerohrvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit Arbeitsflüssigkeit (16) befüllte Teil des Rohrs (6) evakuiert ist.

7. Wärmerohrvorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bestandteil eines Zweittaktmotors, insbesondere Kurbelschlaufenmotors, ist, mit einem in jedem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, dessen Kolbenstange in den Kurbelraum eintaucht, wobei die Kolbenstange (6) zur Kühlung des Kolbens (4) als Wärmeabfuhrrohr ausgebildet ist.

8. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (6) im wesentlichen über ihre gesamte Länge hohl ausgebildet und hermetisch dicht abgeschlossen ist.

9. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolben (4) angrenzend an seinen Boden ein Hohlraum ausgebildet (25) ist, der in Übertragungsverbindung mit dem Hohlraum der Kolbenstange (6) steht.

10. Wärmerohrvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kolben (4) ausgebildete Hohlraum (25) sich im wesentlichen über die gesamte Fläche des Kolbenbodens erstreckt.

11. Wärmerohrvorrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 7 bis 10 mit einem in der Trennwand zwischen dem Zylinder und dem Kurbelraum angeordneten, von der Kolbenstange durchsetzten Trennwandlager, wobei das Trennwandlager (15) mit Öl aus der Kurbelkammer (3) geschmiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das kalte Ende der Kolbenstange (6) durch ein Ölstrahl (23) gekühlt wird, der gegen den in den Kurbelraum (3) eintretenden Bereich der Kolbenstange (6) gerichtet ist und dessen Öl in den Ölsumpf (20) gelangt.

12. Wärmerohrvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, wobei der Kolbenkopf an die Kolbenstange mit einer Schraube (17) angeschraubt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewindeloch für die Schraube (17) in der Kolben­ stange einen Zugang zum Hohlraum der Kolbenstange (6) hat.