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Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Flugkolbenbrennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf den Kolben einer Brennkraftmaschine und betrifft
insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen Brennkraftmaschinenflugkolben, d.
h. einen Kolben, dessen Hub nicht von einem kinematischen System, sondern vom Gleichgewicht
der Antriebs- und Bremsenergien, denen er ausgesetzt ist, abhängt. Es sind schon
Flugkolben bekannt, die in ihrem Innern in dem dem Kolhenboden benachbarten Teil
eine rohrförmige, im wesentlichen gleichachsig zu der Kolbenaußenwand verlaufende
Zwischenwandung aufweisen.
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Die l:rfinc(utig hat <las Ziel, durch einfache Mittel eine wirksame
Kühlung des im Motorzylinder der Brennkraftmaschine arbeitenden Bodens eines Kolbens
der vorgenannten .Art zu gewährleisten und einer Riß- und Sprungbildung in der Umgebung
der Stelle entgegenzuwirken, an der der Kolbenboden in die Kolbenseitenwand übergeht.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolben ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Raum zwischen seinem zylindrischen Au&enteil und der inneren, rohrförmigen
Zwischenwandung an seinem rückwärtigen Ende durch eine Querwand geschlossen ist
und so einen geschlossenen Ringraum bildet, der teilweise mit einer Kühlflüssigkeit
angefüllt ist, und daß für diese Kühlflüssigkeit in der genannten rohrförmigen Zwischenwand
beiderseits einer weiteren, inneren Querwand Ein- und Austrittsöffnungen vorgesehen
sind, die sich in einer gewissen Entfernung von der erstgenannten Querwand und vom
Kolbenboden befinden, so daß in
(lern genannten Ringraum vordere
und hintere Taschen gebildet werden, in denen sich ein von der Kühlflüssigkeit gebildetes
Polster bilden kann.
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Die Fig. i bis .4 der Zeichnungen, zeigen vier verschiedene Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben, wobei jede Figur einen axialen Kolbenlängsschnitt
darstellt.
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Die Fig. 5 zeigt in schematischem Schnitt die linke Seite eines Treibgaserzeugers
mit gegenläufigen Flugkolben, wobei die Ein- und Ausströmleitungen der Kühlflüssigkeit
für den Motorkolben der Flugkolbeneinheit der genannten Seite des Treibgaserzeugers
angehören.
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jeder in den verschiedenen Figuren dargestellte Motorkolben einer
Flugkolbeneinheit besitzt einen Kolbenboden 1, dessen Vorderseite den Arbeitsraum
des Brennkraftzylinders begrenzt, in dem dieser Kolben arbeitet. Dieser Kolbenboden
ist verhältnismäßig dick, um den hohenArbeitsdrücken der Brennkraftmaschine, der
er angehört, widerstehen zu können.
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Der Umfang des Kolbenbodens i ist an einem zylindrischen Teil 2 angeschlossen,
dessen Außenfläche zugleich die äußere Seitenwand des Kolbens bildet, die sich gegenüber
der zylindrischen Innenwand des Nfotorzvlinders befindet. Nach üblicher Art sind
in diesem zylindrischen Teil e Kolbenringe 3 eingepaßt. Der zylindrische Teil 2
ist ver-,hältnismäßig dünnwandig, so daß er eine gewisse Elastizität bewahrt, die
es ihm ermöglicht, bis zu einem gewissen Maße den Ausdehnungen zu folgen, denen
der Kolben beim Arbeiten der Maschine infolge seiner Erwärmung ausgesetzt ist. Die
kritische Stelle, an der sich leicht Risse und Sprünge bilden, ist der mit a bezeichnete
kreisförmige Verbindungsrand. Trotz der Elastizität des zylindrischen Teils 2 des
Kolbens muß für eine sehr wirksame Kühlung der Übergangszone a und ihrer Umgebung
gesorgt werden. Im nachstehenden wird erläutert, wie diese Kühlung erreicht wird.
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Da der zylindrische Teil 2 infolge seiner geringen Stärke nicht imstande
ist, die Kräfte zu übertragen, die auf den Kolbenboden i einwirken, wird im Innern
dieses Teils 2 und im wesentlichen konzentrisch zu ihm eine zylindrische Zwischenwandung
.4 vorgesehen, die gewöhnlich dicker ist als der zylindrische Teil 2 und vorzugsweise
einen Durchmesser aufweist, der mindestens halb so groß ist wie derjenige des zylindrischen
Teils 2, wobei die Zwischenwandung 4 den Zweck hat, mindestens einen großen Teil
der Kräfte zu übertragen, die auf den Kolbenboden einwirken.
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Um die Kühlung der dem Verbindungsrand a benachbarten Kolbenzone zu
gewährleisten, wird gemäß der Erfindung der Raum zwischen dem zylindrischen Teil
2 und der Zwischenwandung 4 als Abteil b ausgebildet, das mit einer Kühlflüssigkeit,
beispielsweise Öl, teilweise gefüllt ist, zu welchem Zweck dieses Abteil hinten
von einer Querwand 5 abgeschlossen ist, die sich in einem gewissen Abstand vom Kolbenboden
i und vorzugsweise hinter dem Sitz der Kolbenringe 3 befindet.
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1);e Zwischenwandung '4 weist Einlaßöffnungen 6
| und Auslaßöffnungen 7 für die Kühlflüssigkeit auf, |
| wobei diese Öffnungen sich in einer gewissen Ent- |
| fernung sowohl vom Kolbenboden i, der in seiner |
| Randgegend das Abteil b nach vorn hin begrenzt, |
| als auch von der Querwand 3, die (las Abteil b nach |
| hinten abschließt, befinden. Infolgedessen weist das |
| Abteil b vordere und hintere Taschen auf, in denen |
| sich beim Hinundhergehen des Kolbens ein aus |
| Kühlflüssigkeit bestehendes Polster bildet, das |
| weder durch die Einlaß- noch durch die :\ustritts- |
| öffnungen des Abteils b entweichen kann. |
| Um dem zylindrischen Teil 2 freie Ausdehnungs- |
| möglichkeit gegenüber der Zwischenwandung 4 zu |
| lassen, wird die Querwand 5 entweder nur mit dem |
| Teil 2 (s. Fig.2 und 4) oder nur mit der Wandung4 |
| (s. Fig.3) oder aber teilweise mit dem Teil 2 und |
| teilweise mit der Zwischenwandung 4 vereint |
| (Fig. i), wobei Dichtungsmittel 8 vorgesehen sind, |
| die ein gewisses axiales Gleiten des rückwärtigen |
| Endes des zylindrischen Teils 2 gegenüber der |
| Zwischenwandung 4 gestatten. |
| Im Innern der Zwischenwandung 4 und zwischen |
| den beiden Gruppen der Einlaßöffnungen 6 und |
| Auslaßöffnungen 7 der Kühlflüssigkeit ist eine |
| innere Querwand 9 vorgesehen, die unmittelbar |
| hinter der Mittelfläche des Kolbenhodens i ein Ein- |
| trittsabteil c für die Kühlflüssigkeit begrenzt. Das |
| Einführen dieser Flüssigkeit in (las Abteil c ge- |
| schieht durch eine Rohrleitung io, deren Ende vor- |
| zugsweise über die innere QuerNvand 9 gegen das |
| Innere des Abteils c hervorragt, um so während |
| der Kolbenhewegung nach rechts (Verdichtungs- |
| hub) die Bildung eines das Rohrleitungsende um- |
| gebenden - Flüssigkeitspolster: zu gestatten, das |
| nicht in das Innere der Einlaßrohrleitung io |
| zurückströmen kann. |
| Das Ende der Rohrleitung io, das in den Raum c |
| mündet, kann als Düse ausgebildet sein, wie dies |
| in Fig. i gezeigt ist. Gemäß einer anderen in Fig. 4 |
| gezeigten Ausführungsform. ist die Austritts- |
| öffnung der Rohrleitung io mit einer Ablenkfläche |
| i i versehen, die die in axialer Richtung an- |
| kommende Kühlflüssigkeit radial nach außen ab- |
| lenkt. Diese Ablenkung verhindert die einströmende |
| Flüssigkeit, unmittelbar auf die 'Mitte des Kolben- |
| bodens aufzutreffen. |
| Um fortwährend einen Teil der Kühlflüssigkeit |
| abzuleiten, ist die Rohrleitung 'o von einer Auslaß- |
| leitung 12 umgeben. 1)er Zwischenraum zwischen |
| den Rohrleitungen io und 12 steht mit den Aus- |
| trittsöffnungen 7 des Abteils b in Verbindung. Das |
| Einführen der Kühlflüssigkeit durch die Leitung io |
| und ihr Abführen durch die Leituilg 12 können auf |
| die in Fig:3 dargestellte «'eise stattfinden. Diese |
| Figur zeigt die linke Seite eines Treibgaserzeugers |
| mit gegenläufigen Flugkolben. der einen -Motor- |
| zylinder 13, in dem tler erfindungsgemäß aus- |
| gebildete'-Motorkolben arbeitet, und auf jeder Seite |
| einen Verdichtungszylinder 1 4 aufweist, der von |
| einem Verdichterkolben j,5 in zwei Teile unterteilt |
| ist, wobei Motor'kolhen und Verdichterkolben fest |
| miteinander verbunden eine bewegliche Flugkolheti- |
| einheit bilden. Das rechts vom Kolben i .s gelegene |
Abteil ist der eigentliche Verdichtungsraum der mit Saugventilen
16 und Druckventilen 17 versehen ist, während der links von dem Kolben gelegene
Raum den pneumatischen Rückführenergiespeicher bildet.
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Um das Einströmen und Abfließen der Kühlflüssigkeit zu gewährleisten,
ist an der Innenseite des Deckels 18 des Zylinders 14 das eine Ende eines Rohres
i9 befestigt, durch dessen Boden 2o die mit der Flugkolbeneinheit feste Rohrleitung
12 führt, wobei eine Stopfbüchse oder ein anderes Dichtungsmittel 21 die Abdichtung
zwischen dem Boden 20 des Rohres i9 und der Rohrleitung i2 gewährleistet. Innerhalb
des Rohres i9 erstreckt sich in Richtung seiner Achse ein weiteres Rohr 22, das
durch das Rohr i9 bis ins Innere der mit dem Motorkolben festen Rohrleitung io führt.
An das äußere Ende des Rohres ig ist die Ablaßleitung 23 für die Kühlflüssigkeit
angeschlossen, während das äußere Ende des Rohres 22 mit der Zuleitung24 der Kühlflüssigkeit
verbunden ist. Selbstverständlich sind allediese letztgenannten Rohrleitungen ig,
22, 23 und 24 räumlich fest und nehmen nicht an den Hinundherbewegungen der Flugkolbeneinheit
teil.
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Die durch das Rohr 22 in das Rohr io eingespritzte Kühlflüssigkeit
fließt bis in das der :Mittelfläche des Motorkolbenbodens i benachbarte Abteil c
und dringt von da durch die Einlaßöffnungen 6 in das Abteil b. Die Flüssigkeit füllt
nur einenTeil#desAbteils b aus und bildet in seinem Innern ein Flüssigkeitspolster,
das während der Kolbenbewegungen und infolge des Beharrungsvermögens der Kühlflüssigkeit
eine Hinundher-Bewegung ausführt, deren Geschwindigkeit in Bezug auf die Kolbenwände
praktisch der Eigengeschwindigkeit des Kolbens gleich ist. Infolgedessen wird die
Kühlflüssigkeit, z. B. 01, mit großer Kraft gegen den Kolbenboden geworfen,
was eine sehr wirksame Kühlung verursacht, die noch durch Wirbelbildung im Innern
der Flüssigkeitspolster unterstützt wird. Es ist zu bemerken, daß diese Bewegungen
des Polsters in einem Flugkolben besonders heftig sind, der in der Nähe seiner Totpunkte
besonders großen Verzögerungen und Beschleunigungen unterworfen ist.
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Die Oberfläche im Innern des Kolbenbodens i ist in der Nähe der übergangsgegend
a so beschaffen, daß die Wirbelbildung an dieser Stelle besonders begünstigt wird.
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Das Flüssigkeitspolster, das sich im Abteil c bildet, ist ähnlichen
Bewegungen unterworfen und übt ebenfalls eine sehr kräftige Kühlwirkung bei seinem
Auftreffen auf die Mittelfläche des Kolbenlodens aus.
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Der Überschuß der vom Rohr io zugeführten Kühlflüssigkeit wird fortwährend
durch die Öffnungen 7 und den Zwischenraum zwischen den Rohren to und 12 abgeführt,
um so in das Rohr ig zu gelangen, aus dem er durch die Leitung 23 entweicht.
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Der Motorkolben ist vorzugsweise aus Stahl und zur Fabrikationsvereinfachung
ausmehreren Einzelteilen aufgebaut. So besteht gemäß der Fig. i dieser Kolben im
wesentlichen aus zwei Teilen d und e.
Der Teil d umfaßt den Kolbenboden
i, die Zwischenwandung 4, einen Teil des zylindrischen Teils 2 und einen Teil der
Querwand 5, während der Teil e den größten Teil des zylindrischen Teilst und einen
Teil der Querwand 5 umfaßt. Beide Teile a und e sind durch eine Löt- oder Schweißnaht
25 miteinander verbunden. Der gesamte, derart zusammengesetzte Motorkolben ist auf
dem Schaft 26 befestigt, der den Motorkolben mit dem Verdichter-'kolhen i5 beispielsweise
mittels Schraubenbolzen verbindet. Das Befestigen der Querwand 9 und der Rohre io
und 12 im Innern des Motorkolbens kann beispielsweise gemäß der in Fig. i gezeigten
Weise stattfinden, indem die mit dem Rohr 12 aus einem Stück bestehende innere Querwand
9 ebenfalls das Rohr io trägt, das an ihr beispielsweise durch eine Schweißnaht
27 befestigt ist.
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Die innere Querwand 9 liegt an einem ringförmigen Anschlag 28 der
Zwischenwandung 4 an, und zwar mittels einer Schraubenmutter 29, die auf ein Gewinde
des Rohres i2 aufgeschraubt ist und sich gegen eine Platte 3o abstützt, die ihrerseits
auf einer Schulter 31 im Innern der Zwischenwandung 4 aufruht. Die im Rohr 12 angebrachten
öffnungen 32 sorgen für die Verbindung zwischen den Austrittsöffnungen 7 aus dem
Abteil b und dem Zwischenraum zwischen den Rohren io und 12.
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Gemäß der Fig. 2 ist der Motorkolben aus zwei Teilen f und
g zusammengesetzt. Der Teil f umfaßt den Kolbenboden i, den zylindrischen
Teil und die Querwand 5, während der Teil g im wesentlichen die Zwischenwandung
4 umfaßt, wobei diese Wandung in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einfach
die Verlängerung des Schaftes 26 ist.
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Die Befestigung des Teils f am Teil g wird von Schraubenbolzen 33
gewährleistet, deren eines Ende in die Wand 5 geschraubt ist, während ihr anderes
Ende einen Ring 34 durchdringt, der auf der Verlängerung des Teils g abgestützt
ist, wobei Schraubenmuttern 35 auf den freien Enden der Bolzen 33 aufgeschraubt
und gegen den Ring 34 angezogen sind.
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Gemäß Fig. 2 ist das Rohr 12 an seinem innern Ende mit einem Flansch
36 versehen, der auf einem Anschlag 31 aufruht, gegen den er mit Hilfe von Bolzen
und Schraubenmuttern gezogen wird, die andererseits die das Rohr io tragende innere
Querwand 9 gegen einen anderen, im Innern der Zwischenwandung 4 vorgesehenen Anschlag
37 anlegen.
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In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform umfaßt der Teil h des
Motorkolbens den Kolbenboden i und den zylindrischen Teil 2, während der Teil i
die Zwischenwandung 4 und die Querwand 5 bildet. Diese beiden Teile sind durch Bolzen
38 vereint, die einen in 4o auf dem Teil h abgestützten Ring 39 gegen die auf dem
Anschlag 41 an der Zwischenwandung 4 abgestützte innere Querwand 9 ziehen. Die Einheit
h-i ist beispielsweise mittels Bolzen an dem Flansch 42 des Schaftes 26 befestigt,
an dessem Ende ebenfalls das Rohr 12 bei 43 angebracht ist, während das Rohr io,
wie im vorhergehenden
Falle, an der inneren Querwand 9 befestigt
ist.
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In der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform ist der Motorkolben
aus drei Hauptteilen zusammengesetzt, und zwar i. einem Teil j, der die Mittelfläche
des Kolbenbodens bildet, 2. einem Teil k, der die Randfläche des Kolbenbodens sowie
den zylindrischen Teil 2 und die Querwand 5 bildet, wobei dieser Teil k mit einer
kegelförmigen Einstülpung 44 zur Aufnahme des Teils j des Kolbenbodens versehen
ist, 3. einem Teil 1, der die Zwischenwandung 4 des Kolbens bildet und mit einem
Flansch 45. versehen ist, an dem beispielsweise durch Bolzen das Ende des hohlen
Schaftes 26 und ein Zwischenstück 46, das das Rohr 12 trägt, befestigt sind.
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Die drei Teile j, k und 1 sind durch die Bolzen 47 vereint,
deren eines Ende in den Teil j geschraubt ist, während die Schraubenköpfe oder -muttern
ihre anderen Enden auf der inneren Querwand 9 aufruhen, die ihrerseits gegen einen
Anschlag 48 im Teil l abgestützt ist, wobei die kegelförmige Einstülpung 44 des
Teils k zwischen den Teilen j
und 1 eingespannt ist.
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Es ist zu bemerken, daß unter Flugkolben nicht nur Kolben, deren beide
Totpunkte veränderlich sind, sondern auch solche Kolben zu verstehen sind, die nur
einen, insbesondere den inneren Totpunkt veränderlich haben.