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Von einem Kühlmittel durchflossene Kolbenstange, insbesondere für
doppeltwirkende Brennkraftmaschinen Bei doppeltwirkenden Brennkraftmaschinen wird
das Kühlmittel für den. Kolben durch die Kolbenstange zu- und abgeleitet. Es hat
dies zur Folge, daß das Kühlrnittal nicht nur den Kolben, sondern auch die Kolbenstange
kühlt. Die Kühlung der Kolbenstange hat jedoch den Nachteil, daß das Material der
Kolbenstange starken Wärmespannungen ausgesetzt wird, weil die Temperatur der inneren
Fasern der Kolbenstange betnächtlich tiefer wird als diejenige der äußeren Fasern.
Dieser Temperaturunterschied bat zur Folge, daß sich die äußeren Teile der Kolbenstange
stärker ausdehnen als die inneren Teile. Die tatsächliche Ausdehnung der Kolbenstange
nimmt aber einen Mittelwert an, der zwischen den Ausdehnungen der inneren und der
äußeren Fasern der Kolbenstange liegt. Die Folge davon ist, daß die inneren Fasern
auf Zug und die äußeren Fasern auf Druck beansprucht werden.
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Die daraus entstehenden Spannungen nehmen namentlich dort beträchtliche
Werte an, wo die Kolbenstange zeit den hocherhitzten Gasen des unteren Arbeitsraumes
in unmittelbare Berührung kommt. Im mittleren. Teil der Kolbenstange werden die
inneren Fasern der Kolbenstange beispielsweise 70° C und die äußeren Fasern iao°
C warm sein. Der Temperaturunterschied zwischen. den inneren und den äußeren Fasern
beträgt somit 5o° C, was noch durchaus zulässige Wärmespannun gen ergibt. Zunächst
dem Kolben aber, also da wo die Kolbenstange den höchsten Temperaturen ausgesetzt
ist, werden die äußeren Faserreine Temperatur von beispielsweise 3oo° C, die inneren
Fasern dagegen eine Temperatur von 9o° C annehmen. Der Temperaturunterschied zwischen
dien äußeren und den inneren Fasern der Kolbenstange betagt also an dieser Stelle
2 10' C. Ein so großer Temperaturunterschied ruft aber schon ganz beträchtliche
Wärmespannungen hervor.
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Durch die Erfindung wird neun. der Zweck verfolgt, die Temperaturunterschiede
und die Wärmespannungen in der Kolbenstange derart herabzumindern, daß sie innerhalb
zulässiger Grenzen bleiben. Die Erfindung besteht darin, daß die Wandung der vom
Kühlmittel durchflossenen Kolbenstange im Bereich des Verbrennungsraumes auf ganzer
Länge oder teilweise verdünnt ist.
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Der Erfindungsgegenstand ist auf der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Abb. i ist ein, teilweiser Längsschnitt durch den Zylinder und den
Kolben einer Brennkraftmaschine.
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Abb.2 bis 7 zeigen, einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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Abb.8 ist ein Querschnitt der in Abb.7 dargestellten. Ausführungsform.
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Bei der doppeltwirkenden Brennkraftma.-schine nach Abb. i W Ww. Zyllndex
i, dessen
oberer Zylinderdeckel mit a und dessen unterer Zylinderdeckel
mit 3 bezeichnet ist, ein Kolben ¢ angeordnet, dessen Kolbenstange 5 durch den unteren
Zylinderdeckel 3 hindurchgeführt ist. Der Raum 6 dient zur Aufnahme der Stopfbüchsenpackung.
Die Bohrung 7 dient in bekannter Weise zur Ableitung des Kolbenkühlwassers. Das
Rohr, welches das Kühlwasser zum Kolben führt, ist mit 8 bezeichnet. Die Bohrung
der Kolbenstange weist auf der Strecke A den Durchanessier a auf. Auf der Strecke
B ist der Durchmesser der Bohrung auf den Wert berweitert.
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Nach Abb. a ist dass Zuführungsrohr 8 im-Bereich der Erweiterung g
durch einen Körper i i erweitert. Dieser Körper kann z. B. aus Aluminium bestehen
und mit dem Zuführungsrohr 8 vernietet, verschraubt oder veelötet sein. Nach Abb.3
ist das ZufÜhrUngsrohr 8 mit einer Erweiterung i z versehen. Abb. q zeigt eine Ausführungsform,
bei welcher der Durchmesser der Kolben.stangenbohrung an mehreren Stellen derart
erweitert ist, daß in der Bohrung der Kolb nstange eine Anzahl Rippen 13 stehenblAhen.
Das in Abb. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist mit einem Isolierrohr i ¢ versehern.
Nach Abb. 6 ist ein Staukörper i i innerhalb schraubenlinienförmig geschnittener
Rippten 13 angeordnet,-so da.ß die Abflußleitung 15 für das Kühlmittel zu
einem schraubenförmig gewundenen Kanal wird. Nach der Abb.7 und 8 sind die innerhalb
der Erweiterung 9 stehengelassenen Rippen 16 axial angeordnet.
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Durch den Gegenstand der Erfindung wird folgende Wirkung erzielt:
Die Erweiterung der Kolbenstangenbohrung hat zur Folge, da:ß die Wirkung des Kühlmittels
auf die äußeren Fasern der Kolbenstange erhöht wird. Infolgedessen werden die äußeren
Fasern der Kolbenstange- anstatt 300° C wie bisher beispielsweise nur noch zoo°
C warm sein, so daß der Temperaturunterschied zwischen dien äußeren und den inneren
Fasern der Kolbenstange (wenn nun für die inrneren Fasern eine Temperatur von 95°C
angenommen wird) nur noch 105'C beträgt. Die Wärmespannungen in der Kolbenstange
werden dementsprechend nur noch etwa halb so groß sein, als wenn die Bohrung der
Kolbenstange keine Erweiterung besitzen würde.
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Durch den in Abb. a dargestellten Staukörper i i kann die Geschwindigkeit
des Kühlmittels .erhöht werden, wodurch die Intensität der Kühlung der Kolbenstange
stellenweisse verstärkt werden kann. Dieselbe Wirkung kann durch die in Abb.3 dargestellte
Ausführungsform erzielt werden. Durch, d;ie Ausführung nach Abb. q. wird die Oberfläche
der inneren Wandung der Kolb.enstanb e 5 vergrößert und das Kühlmittel. veranlaßt,
im Gebiete der Rippen 13 vine wirbelnde Strömung anzunehmen. Beides erhöht den Wärmeübergang
von der Kolbenstange zum Kühlmittel. Durch die Rippen 13 wird die Kolbenstange
5 derart verstärkt', daß die durch die Erweiterung 9 der Bohrung hervorgerufene
Schwächung der Kolbenstange zum größten Teil wieder ausgeglichen wird.
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Bei der Ausführung nach Abb. 5 bewirkt das Isolierrohr 14, daß das;
Kühlmittel irn Gebiet der Erweiterung g mit der Kolbenstangenwandung nicht in Berührung
kommt. Infolgedessen wird die Wandung der Kolbenstange 5 an dieser Stelle seine
höhere Temperatur annehmen, wobei aber der Temperaturunterschied zwischen den inneren
und den äußeren Fasern kleiner- ausfällt, als vmenn das Innere der Kolbenstange
an der Erweiterung von Kühlwasser bespült wird. Eswird also auch dadurch eine Verkleinerung
der Wärmespannungen erzielt. Nach Abb.6 wird das Kühlmittel durch den schraubenförmig
äewundenen Kanal r 5 gezwungen, seine Kühlwirkung tief in die Wandungen der Kolbenstange
5 hineinzutragen. Auch hiler haben die Rippen 13 eine Verstärkung der Kolbenstange
5 im Gebiet der Erweiterung zur Folge. Nach den Abb.7 und 8 sind die Rippen 16 axial
angeordnet. Auch hier werden die Festigkeit der Kolbienstänge-5 und der Wärmeübergang
von der Kolhenstange zum Kühlmittel durch die Rippen-- erhöht.
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Grundsätzlich ist- die Erweiterung 9 in jenem Teil der Kolbenstange
5 angeordnet, der mit den heißen Arbeitsgasen des unteren Verbrennungsraumes i o
in Berührung kommst, kann aber in verschiedener Weise ausgebildet sein, Namentlich
kann die Strecke B, auf welcher die Kolbenstangenbohrung erweitert ist, kürzer oder
länger sein. als bei: den auf der Zeichnung dargestellten Ausführungen.
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Das Rohr 8 kann anstatt der Zuführung des Kühlmittels zum Kolben zu
dienen, zu dessen Ableitung verwendet werden. Die Zuführung erfolgt in diesem Falle
zweckmäßig durch den zwischen dem Rohr 8 und der Kolbenstange 5 verbleibenden Raum.
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Die Verhältnisse werden besonders günstig, wenn der Durchmesser b
der erweiterten Bohrung 9 gleich oder größer als die Hälfte des Kolbenstangendurchmessers
gewählt wird, so daß .die Wandstärke der Kolbenstange an dieser Stelle ein Viertel
des Kolbenstangendurchmessers oder weniger beträgt.