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Kühlung des oder der Brennkraftmaschinenkolben mit dem von einem von
der Maschine angetriebenen Verdichter geförderten Druckgas Bei Brennkraftmaschinen
größerer Abmessungen besteht die Notwendigkeit, die Kolben zu kühlen, um sie betriebsfähig
zu erhalten. Die Grenze, von welcher ab die Kolbenkühlung notwendig wird, liegt
um so niedriger, je stärker einerseits die den Kolben treffenden Wärmeeinwirkungen
sind, die mit der Temperatur und dem Druck im Brennraum sowie mit der Laufgeschwindigkeit
des Motors ansteigen, und je ungünstiger sich andererseits die Möglichkeiten der
Wärmeabgabe gestalten. Besonders starken Wärmeeinwirkungen unterliegen die Kolben
von Zweitaktmaschinen, weil bei diesen der kühlende Ansaughub der Viertaktmaschinen
fehlt. Die Kolben von Zweitaktmaschinen müssen daher schon von einer wesentlich
geringeren Größe an gekühlt werden als die von Viertaktmaschinen. Dies gilt insbesondere
auch für die Kolben von Freiflugkolbenmaschinen, die infolge der hohen Verdichtung,
mit denen der Motorteil solcher Maschinen im allgemeinen betrieben wird, besonders
starken Wärmeeinwirkungen ausgesetzt sind und deren Wärmeabgabe nicht durch stark
bewegte Luft und durch Schleuderöl unterstützt wird, wie dies
bei
den an ein Kurbelgehäuse angrenzenden Kolben einfachwirkender Kurbelwellenmaschinen
der Fall ist.
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Bisher ist für die Kolbenkühlung, ebenso wie für die Zylinderkühlung
der größeren ,Maschinen, fast ausschließlich Flüssigkeitskühlung vorgesehen worden.
Diese Flüssigkeitskühlung der Kolben ist aber mit zahlreichen Nachteilen behaftet,
die ihre Anwendung, namentlich bei schnell laufenden Maschinen geringerer Größe,
erschweren. So besteht bei Wasserkühlung die Gefahr, daß bei Undichtheit der Kühlmittelleitungen
und -räume Wasser auf die Gleitbahn des Kolbens oder in den Zylinder oder in das
Kurbelgehäuse und weiter in das Schmieröl gelangt, was zu schweren Schäden Anlaß
geben kann; bei Ölkühlung können sich in den Kühlräumen Ausscheidungen des Öls festsetzen,
die den Wärmeübergang beeinträchtigen und den Durchfluß hemmen. Sowohl die Wasser-
wie die Ölkühlung der Kolben erfordert in der Regel besondere Pumpen, da die Kühlflüssigkeit
der hohen auftretenden Massenkräfte wegen mit besonders hohem Druck durch die Kühlräume
der Kolben geführt werden muß. Die Kühlleitungen mit ihren Stopfbüchsen, Rohrgelenken,
Windkesseln, Pumpen samt deren Antrieb u. dgl. m., sind infolge der bei den meisten
Maschinen vorliegenden beschränkten Raumverhältnisse verhältnismäßig schwer unterzubringen,
wirken raumversperrend, machen die Maschine unübersichtlicher und schwerer zugänglich
und erfordern ständige Überwachung.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer die Nachteile der Flüssigkeitskühlung
möglichst weitgehend vermeidenden und doch wirksamen Kolbenkühlung, und zwar in
solchen Fällen, in welchen die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Gasverdichters
dient.
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Erfindungsgemäß wird die Kolbenkühlung in solchen Fällen dadurch bewirkt,
daß vom Verdichter verdichtetes Gas durch den Brennkraftkolben geleitet wird. Je
nach den vorliegenden Umständen kann hierbei die ganze, vom Verdichter zu fördernde
Gasmenge oder nur ein Teil derselben zur Kühlung des Motorkolbens benutzt werden.
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Da das Gas den Verdichter in der Regel mit hoher Temperatur verläßt,
ist es zweckmäßig, es vor seiner Einführung in den Brennkraftkolben zu kühlen. Ebenso
kann das den Kolben verlassende und in ihm erwärmte Gas vor seiner Weiterleitung
zur Verbrauchsstelle gekühlt werden.
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Bei mehrstufigen Verdichtern kann das zur Brennkraftkolbenkühlung
dienende Gas während seines Überganges von einer Verdichterstufe zur nächsten durch
den Kolben geführt werden. Auch hierbei erfährt es zweckmäßig vor der Einführung
in den Kolben eine Kühlung; nach Verlassen des Kolbens wird es vor seiner Einführung
in die nächste Stufe gleichfalls gekühlt.
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Die Verwendung verdichteten Gases aus einem von der Maschine angetriebenen
Verdichter zur Motorkolbenkühlung hat gegenüber der Verwendung von Flüssigkeit eine
Reihe von Vorteilen. Es entfällt die besondere Pumpe und deren Antrieb zur Förderung
des Kühlmittels. Die Verbindung zwischen den ruhend angeordneten und den mit dem
Kolben verbundenen, also sich hin und her bewegenden Kühlmittelleitungen können
einfacher gestaltet sein als bei Flüssigkeitsleitungen, da geringe Undichtigkeiten
dieser Verbindungen völlig unschädlich sind. Insbesondere gilt dies bei Verwendung
verdichteter Luft als Kühlgas. So ist es beispielsweise zulässig, feststehende Leitungen
durch Öffnungen der Kolbenwand in das Kolbeninnere hineinzuführen und durch an der
Kolbenwand sitzende Stopfbüchsen od. dgl., welche also die Bewegung des Kolbens
mitmachen und' im Betrieb unzugänglich sind, abzudichten. Demzufolge ist bei der
erfindungsgemäßen Kolbenkühlung in vielen Fällen eine wesentlich einfachere und
viel weniger Raum in Anspruch nehmende Leitungsführung möglich als bei Flüssigkeitskühlung,
bei der die Stopfbüchsen festliegend und von außen jederzeit zugänglich anzuordnen
sind. Es ist weiterhin möglich, die Zu- und Ableitung für das Kühlgas so anzuordnen,
daß die eine Leitung innerhalb der anderen verläuft, so daß nur eine Stopfbüchse
für die äußere Leitung erforderlich ist. Da das Kühlgas im Vergleich zur Flüssigkeit
nur eine verschwindend geringe Masse darstellt, können große Kolbenhohlräume zur
Zu- oder Abführung des Kühlgases zu den eigentlichen Kühlräumen benutzt werden,
ohne daß die hin und her bewegten Massen dadurch nennenswert vergrößert würden,
wie dies bei Flüssigkeit der Fall wäre. Auch geringe Undichtigkeiten an den Leitungen
und Kühlräumen selbst sind betrieblich unschädlich. Die Einrichtungen zur Kolbenkühlung
nach der Erfindung gestaltet sich sonach wesentlich einfacher und weniger raumfüllend,
sind betriebssicherer und erfordern viel weniger Wartung als bei einer Flüssigkeitskühlung.
Der Umstand, daß das Kühlgas unter Druck steht und mit hoher Geschwindigkeit durch
die Kühlräume geführt «-erden kann, begünstigt den Wärmeaustausch zwischen Kolben
und Kühlgas beträchtlich, so daß auch eine recht wirksame Kühlung erzielt wird.
Durch Vergrößerung der vom Kühlgas berührten Oberfläche der wärmeaustauschenden
Kolbenwand, z. B. durch Anordnung von
Rippen od. dgl., kann der
Wärmeaustausch weiterhin verstärkt werden.
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Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Abb. i zeigt einen Brennkraftverdichter mit Kurbelwelle im Mittellängsschnitt;
Abb. 2, 6 und 7 zeigen Freiflugkolbenverdichter ebenfalls im Mittellängsschnitt;
Abb. 3, 4 und 5 zeigen Sonderausgestaltungen einer Einzelheit der Abb.2; dabei sind
die Abb. 3 und 4 Mittellängsschnitte, die Abb. 5 ein Querschnitt nach Linie V-V
der Abb. 4.
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Übereinstimmende Teile verschiedener Abbildungen sind gleich bezeichnet.
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Die Maschine nach Abb. i enthält in Tandemanordnung einen Brennkraftzylinder
i und einen Verdichterzylinder :2; letzterer sitzt auf dem Kurbelgehäuse 3 und ist
gegen dieses durch den Zylinderboden 4 abgeschlossen. Im Brennkraftzylinder i arbeitet
der Kolben 6, im Verdichterzylinder 2 der Kolben 7. Beide Kolben sind fest miteinander
verbunden. Der Verdichterkolben trägt einen hohlzylindrischen Ansatz 8, welcher
das Gelenk 9 der Pleuelstange io aufnimmt und in einer Führung i i des Zylinderbodens
4 geführt und abgedichtet ist. Die Pleuelstange ist an den Kurbelzapfen 12 der Kurbelwelle
13 angeschlossen. Der über dem Verdichterkolben liegende ringförmige Raum dient
als Spülpumpe der im Zweitakt arbeitenden Brennkraftmaschine. Diese Spülpumpe saugt
Luft durch ein Saugventil 16 an und fördert sie über ein Druckventil 17 in
den Aufnehmer 18, mit welchem die Spülschlitze i9 des Brennkraftzylinders in Verbindung
stehen. In der Wand desselben sind ferner Auspuffschlitze 2o vorgesehen, an welche
sich die Abgasleitung 2 1 anschließt. Der zwischen dem Verdichterkolben 7 und dem
Boden 4 liegende Raum 25 ist der Arbeitsraum des Verdichters. An ihn sind Saugventile
26 und Druckventile 27 angeschlossen. Von letzteren führt eine Leitung 7,8 zu einem
Kühler 29. An den Verdichterzylinderboden 4 sind zwei Zylinder 3i, 41 angeschlossen.
In jedem dieser Zylinder ist ein am Verdichterkolben festsitzendes und gegen den
Zylinder abgedichtetes Rohr 33 und 43 verschieblich. Das eine Rohr 33 reicht bis
dicht an den .Boden 35 des Brennkraftkolbens 6 heran und trägt dort eine plattenartige
Verbreiterung 36, die in geringem Abstand vom Kolbenboden 35. angeordnet ist. Durch
eine Zwischenwand 37 ist im oberen Teil des Kolbens 6 ein Kühlraum 34 abgeteilt,
welcher über Kanäle 38 mit dem Kolbenhohlraum 39 in Verbindung steht. Das andere
Rohr 43 steht mit diesem Hohlraum 39 in Verbindung. Der Zylinder 31 ist durch eine
Leitung 30 mit dem Kühler 29, der Zylinder 41 durch eine Leitung 4o mit einem
zweiten Kühler 45 verbunden. Von letzterem führt ein Rohr 46 zur Verbrauchsstelle
des verdichteten Gases.
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Im Betrieb wird sonach das vom Verdichter 7, 25 angesaugte und verdichtete
Gas im Kühler 29 zurückgekühlt, strömt dann durch die Leitungen 30, 3 i, 33 zum
Kühlraum 34 des Kolbens 6 und bespült dort vor allem dessen Boden 35, der hierdurch
eine wirksame Kühlung erfährt, strömt dann durch den Kolbenhohlraum 39 und die Leitungen
43, 41, 40 zum Kühler 45, wo es wieder zurückgekühlt wird, um schließlich durch
die Leitung 46 zur Verbrauchsstelle zu gelangen. Es wird hierbei also das gesamte
verdichtete Gas durch den Brennkraftkolben geführt und zu dessen Kühlung verwendet.
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Abb. 2 zeigt einen einstufigen Freiflugkolbenmotorverdichter mit einer
Brennkraftkolbenkühlung nach der Erfindung. An einen Brennkraftzylinder i schließt
sich beiderseits je ein Verdichterzylinder 2 an (die Zeichnung zeigt nur den links
liegenden - Verdichterzylinder, der rechts liegende ist übereinstimmend ausgebildet).
In diesen Zylindern arbeiten die beiden gegenläufig sich bewegenden Flugkolben,
jeder bestehend aus einem Brennkraftkolben 6 und einem Verdichterkolben 7. Der auf
der Brennkraftseite des Verdichterkolbens liegende Raum 15 dient als Spülpumpe und
weist zu diesem Zweck Saugventile 16 und in einen Aufnehmer 18 ausmündende Druckventile
17 auf. Der an die andere Seite des Verdichterkolbens 7 angrenzende Raum
25 ist der Arbeitsraum des Verdichters. Dieser ist mit Saugventilen 26 und Druckventilen
27 versehen. An letztere schließt sich die Druckleitung 28 an. Diese Druckleitung
enthält ein Durchflußregelglied 5o; vor diesem zweigt eine Leitung 5 i ab, die zum
Kühler 29 führt und sich hinter diesem in der Leitung 53 fortsetzt. Im Zylinderboden
4 des Verdichters ist ein Rohr 6o festgelegt, welches den Verdichterkolben 7 in
einer Stopfbüchse 61 durchdringt und noch ein Stück in den Hohlraum 39 des Kolbens
6 hineinragt. In diesem Rohr 6o liegt ein zweites, engeres Rohr 62, das an seinem
äußeren Ende mit dem Rohr 6o durch ein den Ringraum zwischen beiden Rohren nach
außen abschließendes Verbindungsstück 63 fest verbunden ist. An der Zwischenwand
37 des Brennkraftkolbens 6 sitzt ein in den Kolbenkühlraum 34 ausmündendes Rohr
64 fest, welches bei allen Kolbenstellungen das Rohr 62 dicht umschließend übergreift,
während zwischen diesem Rohr 64 und dem Rohr 6o ein ringförmiger Durchlaß frei bleibt.
Von dem aus dem Boden 4. vorragenden Ende des Rohres 6o führt eine Leitung 6s zu
einem
zweiten Kühler 45. An diesen Kühler 45 schließt sich eine
Leitung 67 an, welche hinter dem Durchflußregelglied 5o in die von diesem Regelglied
zum Druckgasaufnehmer 58 führende Leitung 57 eimnündet. Von diesem Aufnehmer führt
eine Leitung 59 zur Druckgasverbrauchsstelle. Der Boden 35 des Brennkraftkolbens
6 trägt in diesem Beispiel auf seiner Innenseite in den Kühlraum 34 ragende Rippen
75, welche den Wärmeübergang vom Kolbenboden an das kühlende Gas verbessern sollen.
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Bei dieser Einrichtung strömt je nach der Einstellung des Durchflußregelgliedes
5o ein größerer oder kleinerer Teil des vom Verdichter kommenden verdichteten Gases
durch den Kühler 29 und über die Leitungen 53, 62, 64 zum Kühlraum 34 des Brennkraftkolbens
6, nimmt dort Wärme auf, gelangt dann über den Raum 39, durch den Ringraum zwischen
den Rohren 6o und 64, 62 und durch Leitung 65 zum Kühler 45, gibt dort die vom Kolben
her aufgenommene Wärme ab und strömt von dort weiter zur Verbrauchsstelle.
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Zweckmäßig ist das Durchflußregelglied 5o so ausgebildet, daß es auch
bei voller öffnung noch eine Drosselwirkung ausübt, damit auch bei dieser Einstellung
immer noch ein Teil des Druckgases durch den Kolben strömt und diesen kühlt. An
Stelle des Durchflußregelgliedes kann auch eine unveränderliche Drossel vorgesehen
sein.
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Um zu verhindern, daß beim Durchströmen der gleichmittig angeordneten
Leitungen 6o, 62, 64 das vom Brennkraftkolben kommende erwärmte Kühlgas das zum
Kolben hinströmende Kühlgas erheblich aufheizt und dadurch dessen Kühlwirkung entsprechend
verringert, kann die die beiden Ströme trennende Wand entweder wärmeisolierend oder
wärmeabführend ausgestaltet sein. So ist gemäß Abb. 3 das Rohr 62 auf der Innenseite
mit einer wärmeisolierenden Schicht 68, das Rohr 64 auf der Außenseite mit einer
ebensolchen Schicht69 belegt. Die trennende Wand könnte auch ganz aus wärmeisolierendem
Werkstoff bestehen oder durch ihre Gestaltung, z. B. Ausstattung mit Hohlräumen,
wärmeisolierend wirken. Die Abb.4 und 5 veranschaulichen eine wärmeabführende Trennwand.
Das Rohr 62 ist hierbei doppelwandig ausgebildet. Der Zwischenraum ist durch Längsstege
47, 48 in zwei Kanäle 55 und 56 unterteilt, die am einen Ende des Rohres 62 je mit
einem Kühlmittelanschluß 73, 74 versehen sind, am anderen Rohrende unter
sich zusammenhängen, so daß sie von einem Kühlmittelstrom durchflossen werden können.
Dieser Kühlmittelstrom trägt die vom erwärmten Kühlgas an ihn abgegebene Wärme fort
und verhindert so deren Übergang an das dem Brennkraftkolben zuströmende Kühlgas.
Das Kühlmittel kann Flüssigkeit oder gleichfalls dem Verdichter entnommenes Gas
sein.
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Abb. 6 zeigt einen Freiflugkolbenverdichter mit einem zweistufigen
Verdichter (auch hier ist nur der links liegende Verdichter gezeichnet, da der rechts
liegende übereinstimmend ausgebildet ist). Der Zylinder 72 der zweiten Verdichterstufe
sitzt mit einem Ende am Boden 4 des Verdichterzylinders 2 der ersten Stufe fest
und ragt in den Hohlraum des Brennkraftkolbens 6 hinein. In diesem Zylinder 72 bewegt
sich der mit dem Brennkraftkolben fest verbundene Verdichterkolben 77. Das von der
ersten Verdichterstufe I (Arbeitsraum 25) über die Saugventile 26 angesaugte und
über die Druckventile 27 in die Leitung 28 ausgeschobene Gas durchströmt zunächst
einen Kühler 29 und gelangt von dort über die Leitung 30 in das Innenrohr
62 der Kolbenkühleinrichtung, die in gleicher Weise wie diejenige nach Abb. 2 ausgestaltet
ist. Das Gas durchströmt den Kolbenkühlraum 34, nimmt dort Wärme auf und gelangt
durch den Zwischenraum zwischen dem Kolbenrohr 64., dem Posaunenrohr bzw. 62 und
dem äußeren Rohr 6o und über die an letzteres sich anschließende Leitung 40 zu einem
zweiten Kühler 45, in dem es zurückgekühlt wird. Vom Kühler 45 strömt das Gas durch
die Leitung 46 über das Saugventil 78 in den Arbeitsraum 79 der zweiten Verdichterstufe
II, wo es weiter verdichtet wird, um dann über das Druckventil 8o und durch Leitung
81 zur Verbrauchsstelle zu gelangen. Die Abdichtung zwischen dem Rohr 6o und dem
Kolben 77 der zweiten Verdichterstufe erfolgt im vorliegenden Beispiel mit nach
innen spannenden Kolbenringen 83. Hierbei wird also stets die gesamte, vom Verdichter
zu fördernde, in der ersten Stufe verdichtete Luft zur Brennkraftkolbenkühlung benutzt
und dann weiter verdichtet.
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Abb.7 zeigt einen dreistufigen Freiflugkolbenverdichter, bei welchem
die beiden ersten Verdichterstufen I, II auf der einen, die dritte Verdichterstufe
III auf der anderen Maschinenseite liegen. Die Verdichterkolben 7 und 77 der ersten
und zweiten Stufe sind nach Art von Stufenkolben aneinandergeschlossen. Zur Brennkraftkolbenkühlung
dient das in der zweiten Stufe verdichtete Gas. Dieses durchströmt nach Verlassen
des Druckventils 8o dieser Stufe einen Kühler 85 und verläßt diesen durch eine Leitung
86, welche sich in zwei Zweige 87, 88 teilt. Der Zweig 87 führt über eine Zufuhreinrichtung,
gebildet von den Rohren 62, 64 und 6o, welche der bei Abb.2 und 3 beschriebenen
Einrichtung gleicht, zum Kühlraum 3..1 des Brennkraftkolbens
6
der linken Maschinenseite und verläßt diese Kühleinrichtung durch eine an das Rohr
6o sich anschließende Leitung go. Da eine axiale Hindurchleitung des Kühlgases durch
den Verdichterkolben 97 der dritten Verdichterstufe wegen der Kleinheit dieses Kolbens
nicht angängig ist, ist die Zufuhreinrichtung hier ähnlich wie im Beispiel nach
Abb. i gestaltet. Mit dem Brennkraftkolben 96 der rechten Maschinenseite sind zwei
Rohrleitungen gi und 92 fest verbunden. Die eine Leitung 9 1 mündet in den
Kühlraum 34, die andere geht vom Hohlraum 39 aus, der mit dem Kühlraum 34 über die
Kanäle 38 in Verbindung steht. Die Leitungen gi und 92 sind durch Schlitze ioi und
rot in der Wand des Zylinders i nach außen geführt, durch welche auch ein an den
Kolben 96 angeschlossenes Ouerhaupt iio nach außen ragt. Dieses Querhaupt dient
zum Anschluß von den Gegenlauf der Flugmassen sichernden Gliedern, beispielsweise
von Zahnstangen 111, 112. Jede dieser Zahnstangen greift in ein am Zylinder unverschieblich
gelagertes Zahnrad 113, 114 ein. Ferner greift in jedes dieser Zahnräder an gegenüberliegender
Stelle je eine der Zahnstangen 115, 116 ein, die mit dem Verdichterkolben 7 der
linken Maschinenseite verbünden sind. Die freien Enden der Rohre gi und 92 erstrecken
sich in der Kolbenbewegungsrichtung. Jedes Rohrende ragt in je einen festliegenden
Zylinder 93 und 94 hinein und ist an der Einführungsstelle mittels einer Stopfbüchse
98 und 99 abgedichtet. Die Zweigleitung 88 ist an den Zylinder 93 angeschlossen,
während vom Zylinder 94 eine Leitung ioo weiterführt, die sich mit der von der linken
Maschinenseite kommenden Leitung go zu einer Leitung 103 vereinigt. Diese
Leitung 103 führt zu einem Kühler 104, von dem die Leitung 105 zum Saugventil io6
der drittenVerdichterstufe führt. Von demDruckventil io7 dieser Stufe führt die
Leitung io8 die verdichtete Luft zur Verbrauchsstelle.
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Die von der zweiten Stufe des Verdichters kommende und durch die Zweigleitung
88 zur rechten Maschinenseite strömende Luft wird sonach durch den Kühlraum 34 des
rechten Brennkraftkolbens 96 geführt und bewirkt so die Kühlung dieses Kolbens.
Die aus beiden Kolben 6 und 96 austretende Luft wird im Kühler 104 zurückgekühlt
und dann in der dritten Verdichterstufe weiter verdichtet.