DE935285C

DE935285C - Gekuehlter Kolben fuer Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE935285C
Application number: DEM9931A
Authority: DE
Inventors: Fritz Eberle
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1951-06-19
Filing date: 1951-06-19
Publication date: 1955-11-17

Description

Gekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen gekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen. Die Entwicklung der Brennkräftmaschine zu höherer Leistung bringt im allgemeinen eine erhöhte Wärmebeanspruchung der Arbeitskolben mit sich. Bei den Arbeitskolben von Zweitakt- und großen Viertaktdieselmotoren, die mit Wasser oder Öl gekühlt werden, sind deshalb Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeüberganges von der durch die Verbrennungsgase beheizten Kolbenwand zum Kühlmittel notwendig geworden. Das Bestreben geht dabei dahin, den Kühlmittelstrom mit Sicherheit an die zu kühlenden Wände hinzuführen und die Wärmeübergangszahl zwischen Wand und Kühlmittel zu erhöhen. Letzteres ist besonders wichtig, wenn wegen der beweglichen, nicht völlig dichten Zu- und Abführung im Kurbelgehäuse Öl als Kühlmittel verwendet wird. Der Temperaturabfall von der kühlmittelseitigen Wandtemperatur auf die Kerntemperatur des an der Wand entlang fließenden Kühlmittelstromes erstreckt sich bekanntlich in der Hauptsache auf eine verhältnismäßig dünne, an die Wand anschließende Zone. Dort findet die Wärmeübertragung teils durch Teilchenaustausch senkrecht zur Wand, teils durch Wärmeleitung in der unmittelbar an die Wand anschließenden laminaren Unterschicht statt. Die Wärmeübergangszahl wird um @so größer, je kräftiger die Strömung durchwirbelt ist und je dünner dabei die- vorwiegend durch Wärmeleitung zu durchdringende, an der Wand haftende Schicht bleibt. Ohne besondere Maßnahmen ergeben sich jedoch wegen der geringen Kühlmittelgeschwindigkeit im Kolben nur mäßige Wärmeübergangszahlen.
Es ist daher schon vorgeschlagen worden, zur Verbesserung des Wärmeüberganges in den rotationssymmetrischen Kolbenhohlraum Führungskörper einzubauen, die so ausgebildet sind, daß zwischen ihnen und der zu kühlenden Wand nur ein geringer Zwischenraum für den Durchfluß des Kühlmittels verbleibt. Mit der auf diese Weise erhöhten Kühlmittelgeschwindigkeit ist eine stärkere Durchwirbelung verbunden. Bei manchen bekannten Ausführungen sind die Führungskörper derart profiliert, daß das Kühlmittel in Schrauben-, Spiral- oder Zickzackbahnen an der Kolbenwand entlang fließt. Diese Führungskörper. müssen sehr kräftig ausgeführt werden, damit sie auftretenden Flüssigkeitsschlägen standhalten. Das Gewicht der Kolben und deren Gestehungskosten werden jedoch dadurch beträchtlich erhöht. In manchen Fällen ist es auch baulich schwierig oder unmöglich, das Kühlmittel auf diese Weise in die äußersten Ecken des Kühlraumes zu leiten.
Es sind auch Kolbenkühlungen bekannt, bei denen das Kühlmittel in einen Hohlraum im Kolben durch Düsen eingeführt wird. Die Düsen sind dabei so angeordnet, daß das Kühlmittel entweder parallel zum Kolbenboden und in radialer Richtung austritt oder auf einzelne Stellen der Berührungslinie zwischen Kolbenboden und Kolbenhemd gerichtet ist. Durch eine derartige Ausbildung kann jedoch dem Kühlmittel keine kreisende Bewegung innerhalb des Kolbens verliehen werden, welche zur Verbesserung des Wärmeüberganges von der Kolbenwandung zum Kühlmittel bei Brennkraftmaschinen hoher Leistung und 'hoher Wärmebelastung angestrebt wird.
Erfindungsgemäß wird dies in einfacher und wirksamer Weise bei einem Kolben, dessen Kühlmittel durch Düsen in einen von den Kolbenwänden und dem Kolbenboden begrenzten Hohlraum eingeführt wird, dadurch erreicht, daß der Hohlraum als Ringraum ausgebildet ist, an dessen Innenwand mehrere Düsen derart angeordnet sind, daß die Kühlmittelstrahlen in eine von der Radialen abweichende Richtung gelenkt werden. Durch das Bespritzen der zu kühlenden Wand in der erfindungsgemäßen Weise und die Erzeugung einer frei rotierenden Kühlmittelschicht großer Wärmeaustauschfläche wird somit die Möglichkeit geschaffen, die Kühlmittelgeschwindigkeit und -menge mit geringem Gewichtsaufwand wesentlich zu erhöhen, und nicht nur an den Auftreffstellen der Strahlen, sondern auf der ganzen Kühlfläche eine kräftige Flüssigkeitsbewegung erreicht. Darüber hinaus hat der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Kühlmittelstrahlen und der restlichen Kühlmittelfüllung eine zusätzliche Durchwirbehing zur Folge. Damit man einen ausreichenden Antrieb der Flüssigkeit erhält, darf der Grundkreis um die Kolbernaehse, an dem die Düsen tangieren, nicht zu klein sein. Zweckmäßig wird sein Durchmesser mindestens halb so groß wie der -lichte Durchmesser des Kühlraumes gewählt.
Neben der tangentialen Richtung geben die Zuführungsdüsen dem Kühlmittel noch eine Richtung schräg nach oben, derart, daß die austretenden Kühlmittelströme etwa gegen die Verbindungsstelle von Kolbenwand und Kolbenboden gerichtet sind. Dadurch werden die wärmetechnisch besonders schwierigen Stellen des Kolbens am stärksten durch das Kühlmittel bespült.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt und Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-11 in Fig. i.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Kolben für eine einfach wirkende Dieselmaschine mit Kreuzkopfführung und Ölkühlung. Der Kolbenkörper i ist in bekannter Weise auf der Kolbenstange 2 aufgesetzt und mit den Schrauben 3 befestigt, von denen der Einfachheit halber nur eine dargestellt ist. Von dem ringförmigen Ansatz q. an der Kolbenstange, mit dem der Kolbenkörper i zentriert ist, ist eine Abschlußplatte 5 flüssigkeitsdicht aufgeschraubt, die gleichzeitig zur Halterung des zentralen Zuführungsrohres 6 für das Kühlmittel dient.
Das Kühlmittel gelangt aus dem Rohr 6 in den inneren Kühlhohlraum 7 und bestreicht bei seinem Austritt die Kolbenbodenmitte, die infolge der sehr intensiven Bewegung des kalten, Kühlmittels an dieser Stelle gut gekühlt wird. Aus dem Raum 7 strömt das Kühlmittel durch die Düsen 8 in den äußeren Kolbenkühlraum 9, der von der Kolbenwand und dem äußeren Teil des Kolbenbodens begrenzt wird. In der Fig. i ist zu erkennen, daß die Kühlmittelströme aus den Düsen 8 am Kolbenboden entlang zur Verbindungsstelle zwischen Kolbenwand und Kolbenboden gerichtet sind, um diese wärmetechnisch schwierige Stelle des Kolbens besonders gut zu kühlen. Gleichzeitig sind die Austrittsbohrungen der Düsen 8 so gerichtet (s. Fig. 2), daß sie an einem gemeinsamen Grundkrels tangieren und die austretenden Kühlmittelströme einen Drall erzeugen, der die gesamte Kühlmittelmasse im Hohlraum 9 in kreisende Bewegung um die Kolbenachseverisetzt. Auf diese Weisewird mit einfachstem Mittel eine sehr wirksame Kühlung erreicht.
Der Abfluß des Kühlmittels aus dem Raum 9 erfolgt durch die Bohrungen io, von denen mehrere am zentralen Kolbenkörper angeordnet sind. Aus dem Raum i i fließt das Kühlmittel durch den Hohlraum 12 in der Kolbenstange 2 zur Kühleinrichtung zurück.
Die Kolbenkühlung nach der Erfindung läßt sich auch bei anders gestalteten Kolben sowie bei Kolben für doppelt wirkende Brennkraftmaschinen ohne Schwierigkeiten verwirklichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Gekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen, bei dem das Kühlmittel durch Düsen in den von den Kolbenwänden und dem Kolbenboden begrenzten Hohlraum eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum als Ringraum ausgebildet ist, an dessen Innenwand mehrere Düsen (8) derart angeordnet sind, daß die Kühlmittelstrahlen in eine von. der Radialen abweichende Richtung gelenkt werden, so daß das Kühlmittel eine um die Kolbenachse kreisende Bewegung erhält.
2. Gekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsbohrungen der Kühlmitteldüsen (8) an einem Grundkreis um die Kolbenachse tangieren, dessen Durchmesser »mindestens« halb so groß ist wie der äußere Durchmesser des ringförmigen Hohlraumes (9).
3. Gekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsdüsen (8) für das Kühlmittel in einem spitzen Winkel zur Kolbenachse stehen, so daß die austretenden Kühlmittelströme etwa gegen die Verbindungsstelle von. Kolbenwand und Kolben, Boden gerichtet sind. Angezogene Druckschriften: Sch-#veizerlische Patentschriften Nr. 144 389, 151 o35, 16o 540, 242 922; britische Patentschrift Nr. 191 774; deutsche Patentschrift Nr. 328 r22; USA.-Patentschrift Nr. 2 299 5o6; »Bolletino Technico Fiat« 1951, N1.1, S.17, Fig. 2; »Ortsfeste und Schiffsdieselmaschinen« von F. Mayr, 1948, S. 65, Abb. 55.