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Vorrichtung zur Kühlung der an den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine
angrenzenden Wandungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Brennkraftmaschinen,
bei der zur Reglung der Kühlwirkung ein Luftspalt durch die bei der Erwärmung der
Maschine auftretenden Dehnungen überbrückt wird.
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Zur Reglung der Temperatur des Glühkopfes von Glühkopfmaschinen ist
es schon vorgeschlagen worden, zwischen einem den Glühkopf umgebenden, wassergekühlten
Wandungsteil und der Oberfläche des Glühkopfes im kalten Zustand des letzteren einen
Luftspalt vorzusehen, der bei der Erwärmung des Glühkopfes verringert oder völlig
überbrückt wird, was eine Verbesserung des Wärmeüberganges von dem Glühkopf auf
die wassergekühlte Wandung zur Folge hat, so daß die Abkühlung des Glühkopfes auf
diese Weise selbsttätig vergrößert wird. Hierdurch läßt es sich erreichen, daß der
Glühkopf beim Anlassen der Maschine rasch warm wird, jedoch eine bestimmte zulässige
Temperatur nicht überschreiten kann.
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Bei diesen bekannten Einrichtungen muß also der zu kühlende Teil,
nämlich der Glühkopf selbst, erhebliche Formänderungen durch die Wärmedehnungen
erfahren, damit die Temperaturreglung eintritt. Diese Formveränderungen sind bei
einem Glühkopf unschädlich und treten bei diesem auch in einem genügenden Maße auf.
Wesentlich anders ist jedoch die Lage, wenn es sich nicht um die Kühlung des Glühkopfes
von Glühkopfmaschinen, sondern um die Kühlung der an den Verbrennungsraum einer
Brennkraftmaschne angrenzenden Wandungen des Zylinderkopfes oder des Kolbenbodens
handelt, die nicht so hohe Temperaturen erhalten dürfen, wie sie der Glühkopf einer
Glühkopfmaschine ohne weiteres erhalten kann. In diesem Fall treten überhaupt nicht
so erhebliche Wärmedehnungen auf, daß eine Reglung der Kühlung auf Grund dieser
Drehungen erreichbar wäre. Die genannten Teile dürfen zur Erhaltung eines sicheren
Betriebes überhaupt keine wesentlichen Formveränderungen durch die Wärme erhalten.
Gerade einer der wichtigsten Zwecke der Kühlung dieser Teile besteht ja -darin,
merkbare Formänderungen zu verhindern. Ferner bestehen die an den Verbrennungsraum
angrenzenden Wandungen einer gewöhnlichen Brennkraftmaschine in der Regel aus Gußeisen,
dessen Dehnungskoeffizient sehr klein ist.
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Um diesen Umständen Rechnung zu tragen, werden erfindungsgemäß nicht
die Wärmedehnungen der zu kühlenden Wandungsteile des Verbrennungsraumes selbst
zur Reglung der Kühlung benutzt, sondern es werden auf der Außenseite der den Verbrennungsraum
begrenzenden
Wandungen besondere Ausdehnungskörper angeordnet, die unter der Wirkung der von
den zu kühlenden Wandungen ausgehenden Wärme eine Längendehnung erfahren und hierdurch
die zu kühlende Wandung thermisch mit einem Kühlmantel oder einer sonstigen zur
Wärmeabführung geeigneten Fläche, beispielsweise einer mit Kühlrippen versehenen
Wandung, verbinden.
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Die Anordnung besonderer Ausdehnungskörper auf der Außenseite der
zu kühlenden Wandungen des Verbrennungsraumes bringt eine Reihe erheblicher Vorteile
mit sich. Man ist auf diese Weise ohne weiteres in der Lage, die Ausdehnungskörper
aus einem Werkstoff, beispielsweise aus Aluminium, herzustellen, das einen wesentlich
höheren Ausdehnungskoeffizienten hat als Gußeisen und daher auch bei den verhältnismäßig
niedrigen Temperaturen, die die Wände des Verbrennungsraumes annehmen, eine genügende
Dehnung besitzt, welche; zur sicheren Durchführung der gewünschten Temperaturreglung
ausreicht. Ferner kann man den Ausdehnungskörpern eine Form, beispielsweise Stangenform,
geben, durch welche diese Dehnung in einer bestimmten Richtung begünstigt wird.
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Besonders zweckmäßig ist es häufig, den Luftspalt, der erst durch
die Erwärmung der Ausdehnungskörper überbrückt werden soll, zwischen der zu kühlenden
Wandung, z. B. dem Kolbenboden und den Ausdehnungskörpern, anzuordnen. So wird z.
B. der Kolbenboden beim Anlassen der Brennkraftmaschine rasch warm. Nach einer gewissen
Erwärmung wird dann der Luftspalt überbrückt lind es wird nun erst die erforderliche
Wärmeabfuhr von dem Kolbenboden bewirkt.
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Ein weiterer Vorteil der Anordnung besonderer Ausdehnungskörper außerhalb
-der zu kühlenden Wandungsteile besteht darin, daß man auf diese Weise die einzelnen
Ausdehnungskörper voneinander mehr oder weniger trennen kann, so daß man auf diese
Weise mit Sicherheit vorausbestimmbare Kühlergebnisse erhält.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung arbeiten mit einer zu
kühlenden Fläche mehrere Atisdehnungskörper zusammen, deren Lufträume bei steigender
Temperatur nacheinander überbrückt werden, so daß der dem Wärmefluß gebotene Durchtrittsquerschnitt
allmählich zunimmt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar stellt Fig. z einen Axialschnitt durch den oberen Teil des Zylinders und
des Kolbens einer Brennkraftmaschine dar, die mit Kühlvorrichtungen gemäß der Erfindung
versehen ist. Die Fig. a bis q. zeigen verschiedene abgeänderte Ausführungsformen
der Kühlvorrichtungen gemäß der Erfindung.
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Abgesehen von den Kühlvorrichtungen der an den Verbrennungsraum angrenzenden
W andungsteile kann die Brennkraftmaschine beliebig ausgebildet sein. Was die genannten
Kühlvorrichtungen anbelangt, so bewirken sie, daß die Wärmeabführung um so. leichter
vor sich geht, je höher die Temperatur der zu kühlenden Elemente ist, so daß sich
diese Temperatur bei allen Betriebsbedingungen innerhalb der zulässigen Grenzen
hält. Zu dem Zweck wird die Kühleinrichtung gemäß der Erfindung derart ausgebildet,
daß die thermische Verbindung zwischen den zu kühlenden Warndungsteilen und den
die Wärmeabführung bewirkenden Elementen bei niedrigen Temperaturen nur sehr gering
oder praktisch Null ist, während jedoch mit steigender Temperatur durch die hierdurch
bewirkte Ausdehnung der zurWärmeabführung dienenden Körper eine immer vollständigere
thermische Verbindung zwischen diesen und den zu kühlenden Elementen hergestellt
wird, so daß sich der Durchtrittsquerschnitt für den Wärmefluß entsprechend vergrößert.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens bei einem Kolben ist z. B. in
den Fig. z und 2 -dargestellt. Gemäß den Ausführungsformen dieser Figuren ist im
Innern des Kolbenkörpers a- eine Trennwand b vorgesehen, die auf ihrer Außenseite
vorzugsweise Rippen c trägt. Um die Wand b an ihrem Platz zu halten, ist ein Anschlag
d vorgesehen, gegen den die Wand beispielsweise unter dem Druck einer von dem Kolbenkörper
a gehaltenen Anpreßmutterz (Fig.2) gelegt wird.
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Von: dem Kolbenboden oder besser noch von der Wand b werden
Stangen f l, f2, f s getragen. Die letztgenannte Ausführungsform ist
in der Zeichnung näher veranschaulicht. Diese Stangen, die im folgenden als Ausdehnungsstangen
bezeichnet werden, sind derart angeordnet, daß sich ihr freies Ende bei kalter Maschine
in einem sehr geringen Abstand (der übrigens für die einzelnen Stangen verschieden
sein kann) von dem Boden des Kolbens entfernt befindet, wenn die Stangen von der
Wand b getragen werden. Werden die Stangen dagegen von dem Kolbenboden getragen,
so befindet sich ihr freies Ende in einem geringen Abstand von der genannten Wand.
Mit dem Ansteigen ihrer Temperatur legen sich nun diese Stangen infolge ihrer Ausdehnung
mit ihrem freien Ende nacheinander gegen denjenigen Körper, welcher sich gegenüber
diesem freien ,Ende befindet.
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Zweckmäßigerweise wird durch entsprechende Anordnung dafür gesorgt,
daß einzelne von ihnen der von dem Kolbenboden ausgehenden
Hitze
mehr unterworfen sind als die anderen. Beispielsweise kann man die Ausdehnungsstangen
konzentrisch zueinander anordnen. In diesem Falle wird die mittlere Stange f1 als
zylindrischer Vollkörper ausgebildet und in der Kolbenachse angebracht, während
die Stangen f2 und f3 rohrförmig die mittlere Stange umgeben. Da die Mitte des Kolbenbodens
wärmer ist als sein Umfang, wird die Stange f l stärker erhitzt als die Stange f2,
und diese wiederum wird stärker erhitzt als die Stange f3. Diese Wirkung tritt besonders
deutlich dann in die Erscheinung, wenn der Kolben der Brennkraftmaschine in der
Mitte seines Bodens einen Aufsatz oder Vorsprung g aufweist, auf den der Brennstoffstrahl
der Einspritzdüse @ gerichtet wird. Es ist dann zweckmäßig, diesen Vorsprung mit
einer konischen Ausnehmung zu versehen, damit die Stangen f1, f2 und f3 verschiedene
Länge haben, wobei die Stange. f l die längste ist. Hierdurch wird die gewünschte
Wirkung, daß nämlich die freien Enden der Stangen mit steigender Temperatur nacheinander
in Berührung mit dem Kolbenboden kommen, noch begünstigt, da ja schon bei gleicher
Temperatur die längere Stange sich mehr dehnt als die kürzere.
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Das Spiel, das in kaltem Zustande zwischen den freien Enden der Stangen
und dem diesen Enden gegenüberliegenden Körper zu lassen ist, muß in jedem Einzelfall
ermittelt werden. Hierbei sind die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere
der Stangen, und die Längen der letzteren zu berücksichtigen. In manchen Fällen
ist es zweckmäßig, den Stangen eine Länge zu geben, die ungefähr gleich der Hälfte
der Zylinderbohrung ist.
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In dem Sonderfall, in 'dem ein Kolbenbodenaufsatz vorhanden ist, der
aus einem in dem Kolben befestigten Körper g besteht, wird zweckmäßigerweise derAnschlagd
durch eine zylindrische Hülse h gebildet, die von dem Körper des Aufsatzes g getragen
wird. Auf diese Weise wird die Höhenlage der Stangen mit Bezug auf die Innenfläche
des Aufsatzkörpers, in dem sich die obenerwähnte Ausnehmung befindet, genau festgelegt.
Auf die zylindrische Hülse kann auch eine Mutter i aufgeschraubt werden, mit deren
Hilfe der Kolbenaufsatz an seinem Platz befestigt wird.
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Zweckmäßigerweise wird der Raum, der sich zwischen der Hülse la, den
inneren Wandungen des Kolbenkörpers a und der Innenseite der Wand b befindet, durch
ein Metallpulver, beispielsweise Aluminiumpulver, ausgefüllt. Dieses Pulver erleichtert
den Übergang der Wärme von den Randteilen des Kolbenbodens zu den Seitenwänden des
Kolbens.
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Man kann auch für eine Verbesserung des Überganges der Wärme des Kolbenbodens
auf die Ausdehnungsstangen sorgen. Zu dem Zweck kann man beispielsweise in der Mitte
des Bodens eine nach dem Inneren des Kolbens zu gerichtete Stange anordnen, die
mit einem möglichst geringen Spiel in eine Bohrung eingreift, welche imInneren der
Stange f' angeordnet ist. Die letztgenannte Ausführungsform ist in den Fig. i und
2 nicht dargestellt.
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Zur Erleichterung der Anordnung der Stangen f l, f 2 und f
3 kann man diejenigen baulichen Maßnahmen ergreifen, die in den Fig. i und 2 veranschaulicht
sind. Gemäß diesen Figuren stellen die einzelnen Stangen voneinander getrennte Körper
dar, die ineinander gesetzt sind, und von denen jede eine Grundplatte aufweist.
Wenn die Stangen eingebaut sind, legen sich die einzelnen Grundplatten gegeneinander.
Gemäß Fig. i haben diese Grundplatten einen Durchmesser, der dem Durchmesser der
Hülse h entspricht. Gegen diese werden sie durch eine Mutter b° gepreßt, welche
mit der Wand b aus einem Stück bestehen kann.
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Gemäß Fig. 2 haben die Grundplatten der Ausdehnungsstangen einen -
solchen Durchmesser, daß ihr Rand sich gegen die Seiten-. wände des Kolbens legt.
Die Grundplatte der Mittelstange f1 bildet dann gleichzeitig die Wand b. Die letztgenannte
Grundplatte legt unter dem Druck einer sich auf den Kc>Ibenkörper stützenden Mutter
e o. dgl. die übrigen oberhalb von ihr .befindlichen Grundplatten gegen den unteren
Rand der Hülse h fest.
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Bei beiden Ausführungsformen besteht zwischen dem unteren Rand der
Hülse h, der Innenwand des Kolbenkörpers a und dem Umfangsteil der Innenseite der
Wand b ein Zwischenraum. Diesen Zwischenraum kann man leer lassen (s. Fig. 2), oder
man kann ihn auch teilweise mit einem schlechten Wärmeleiter anfüllen, um zu verhindern,
daß die von dem Kolbenboden ausgehenden Wärmemengen unmittelbar dem oberen Teil
der Seitenwandung des Kolbens zugeführt werden. Schließlich kann man aber auch in
dem unteren Teil des genannten Zwischenraumes, wie dies in Fig. i dargestellt ist,
Metallpulver anordnen, das beispielsweise fest eingestampft ist und zwischen der
Wand b und einer besonderen Trennwand b1 gehalten wird, während oberhalb der Trennwand
b1 ein leerer oder wärmeisolierender Raum gelassen ist.
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Man kann den Stangen f l, f 2 und f3, insbesondere
dann, wenn sie aus Einzelstangen gebildet sind, jede geeignete Form geben, z. B.
konische Form, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn dann in dem letztgenannten
Fall die Innenwand des unteren Teiles des den Kolbenaufsatz g tragenden Körpers
zylindrisch
ist, besteht zwischen dieser und der Außenwandung der
Stange f3 ein leerer Raum, der die durch die Stange f3 abgeleiteten Wärmemengen
hindert, radial abzuströmen, und sie zwingt, bis zur Grundplatte dieser Stange abwärts
zu fließen. In allen beschriebenen Fällen kann man zwischen den Stangen ein Spiel
von ungefähr 0,5 mm vorsehen, abgesehen beispielsweise von dem unteren Viertel
ihrer Länge, die kein Spiel benötigt.
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In Fig. i ist auch die Anwendung der Erfindung bei dem Zylinderdeckel
einer Brennkraftmaschine veranschaulicht. Hierbei ist in folgender Weise vorgegangen:
Zwischen der .Wand k des Zylinderdeckels und dem Kühlmantel l der Brennkraftmaschine
sind mehrere übereinandergestap.elte Ringe ml, M2 usw. angeordnet. Im kalten Zustande
der Maschine befinden sich die Außenseiten dieser Ringe in einem geringen Abstande
von dem Kühlmantel 1. Mit dem Anwachsen der Temperatur gelangen diese Außenseiten
infolge der Ausdehnung der Ringe nacheinander in Berührung- mit dem Kühlmantel 1.
Zwischen der Innenseite der Ringe und dem Zylinderdeckel k ist eine möglichst gute
thermische Verbindung vorgesehen. Diese kann beispielsweise dadurch geschaffen werden,
daß man den Raum n zwischen der Innenseite der Ringe und dem Zylinderdeckel mit
Metallpulver ausfüllt. Zwischen den Ringen und dem Kühlmantel wird ein Spiel vorgesehen,
das im kalten Zustand für die einzelnen Ringe verschieden ist, und zwar wird das
Spiel um so größer gewählt, je späteres unter .der Wirkung der Dehnung des Ringes
.aufgehoben werden soll.
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Wenn es sich um einen Zylinderdeckel handelt, dessen Hohlraum einen
ringförmigen Umdrehungskörper bildet, indessen Mitte die in der Achse des Zylinders
angeordnete Einspritzdüse o liegt, so wird dafür gesorgt, daß die der Einspritzvorrichtung
benachbarten Teile stärker gekühlt werden als die übrigen. Zu dem Zweck wird beispielsweise
oberhalb der Ringe nal, W,usw. in der Höhe des unteren Teiles der Einspritzvorrichtung
ein Ring p vorgesehen, dessen Innenseite mit dem Metallpulver in Berührung steht,
und der auch beim kalten Zustand der Maschine den Kühlmantel 1 berührt. Eine Isolierplatte
p1, die beispielsweise aus Kunstharz besteht, kann zwischen dem Ring p und den Ringen
ml, m2 usw. angeordnet sein. Durch entsprechende BeMessung der im kalten Zustand
der Maschine vorhandenen Spielräume kann man jede gewünschte Veränderung in der
thermischen Leitfähigkeit derjenigen Masse erzielen, welche den Zylinderdeckel von
dem Kühlmantel trennt. Die Ringe in', asa2 usw. können jede geeignete Form haben,
beispielsweise können sie eben sein (Fig. i), und auch die Flächen, mit denen sie
einander berühren, können eben sein. Diese Berührungsflächen können aber auch ausgehöhlt
sein (Fig. 3), um einen schnellen Wärmeübergang zu benachbarten Ringen zu verhindern.
Auch kann der Querschnitt der Ringe die Form eines Kreisbogens haben (Fig. 3) oder
durch Teile eines Kegels gebildet werden (s. Fig. q.). Die beiden letztgenanntenAusführungsformen
geben den Ringen eine gewisse Nachgiebigkeit und verhindern das Auftreten dauernder
Formänderungen, wenn die Ringe unter der Wirkung der Wärmedehnung mit ihren Außenkanten
gegen den Kühlmantel l stoßen.
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In allen Fällen ist es zweckmäßig, den Deckel k, die Ringe ml, m2
usw. und den Ring p in einem einzigen Block zu vereinigen. Um dies zu erreichen,
kann man beispielsweise die in Fig. i veranschaulichte Bauart verwenden. Gemäß dieser
Bauart ist mit dem Zylinderdeckel ein zylindrischer Körper verbunden, der eine Seitehwand
k1 umfaßt. Diese ist derart beschaffen, daß sie von unten in den Brennkraftmaschinenzylinder
eingesetzt werden kann, und in diesem z. B. durch eine Mutter k2 gehalten wird,
welche den in Rede stehenden Teil gegen einen Anschlag k3 preßt, der im oberen Teil
des Brennkraftmaschinenzylinders vorgesehen ist. Die verschiedenen Ringe und ebenso
das Metallpulver, welches in den Raum yz einzufüllen ist und dort ein Polster bildet,
werden in dem ringförmigen Raum angeordnet, der zwischen dem Zylinderdeckel und
der genannten Seitenwand k1 besteht. Das Ganze wird durch einen Deckel p° abgeschlossen,
.der vorzugsweise so befestigt wird, daß das Ganze einen Block bildet, der nicht
auseinandergenommen werden kann.
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Gleichgültig ob die Erfindung für den Zylinderdeckel oder für den
Kolben einer Brennkraftmaschine benutzt wird, die Wirkungsweise und die Vorteile
einer Einrichtung gemäß der Erfindung sind die folgenden: Beim Anlassen erwärmen
sich die Wände der Verbrennungskammer infolge ihrer verhältnismäßig weitgehenden
Isolierung rasch bis auf eine bestimmte Temperatur. Bei dieser Temperatur gelangen
einzelne der dehnbaren Körper mit dem zu kühlenden Teil in Berührung. Hierdurch
wird die Temperatur gehindert, weiter so schnell wie bisher zu steigen. Jedoch findet
nichtsdestoweniger ein Temperaturanstieg statt. Dieser bewirkt, daß die übrigen
ausdehnbaren Körper nacheinander den Wärmeübergang herstellen. Man kann auf diese
Weise erreichen, daß die Temperatur der Wände der Verbrennungskammer innerhalb der
für den guten Betrieb der Brennkraftmaschine zulässigen Grenzen bleibt,
gleichgültig,
welches ihr Betriebszustand ist. Bisher hatte jede Brennkraftmaschine einen besonders
günstigen Betriebszustand, während sie bei den übrigen Betriebszuständen nur mangelhaft
arbeitete, da die Temperatur der Wände ihrer Verbrennungskammer bei den letztgenannten
Betriebszuständen entweder zu gering oder zu hoch war. Die Folge davon ist, daß
bisher eine Brennkraftmaschine, die bei Vollast befriedigend arbeitet, beispielsweise
bei halber Last eine zu kalte Verbrennungskammer aufweist. Dagegen wird durch die
vorliegende Erfindung erreicht, daß die Temperatur der Wände der Verbrennungskammer
je nach der verwendeten Ausführungsform nur eine geringe Veränderung erfährt, wenn
sich die Menge der abzuführenden Wärme ändert oder sogar im wesentlichen gleich
bleibt. Dies gilt zum mindesten, so lange sich die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
zwischen gewissen Grenzen halten. Man erreicht also eine gute Verbrennung bei allen
Gangarten und sogar auch bei einem lang andauernden Leerlauf, was von besonderer
Wichtigkeit für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ist.
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Wie sich von selbst versteht, und wie auch aus den obigen Darlegungen
hervorgeht, ist die Erfindung keineswegs auf die beschriebenen Ausführungsformen
und Anwendungsarten beschränkt, vielmehr sind zahlreiche Abänderungen möglich, ohne
daß hierdurch der Erfindungsgedanke berührt wird.