EP0747591A1 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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EP0747591A1
EP0747591A1 EP95810373A EP95810373A EP0747591A1 EP 0747591 A1 EP0747591 A1 EP 0747591A1 EP 95810373 A EP95810373 A EP 95810373A EP 95810373 A EP95810373 A EP 95810373A EP 0747591 A1 EP0747591 A1 EP 0747591A1
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EP
European Patent Office
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cooling chamber
piston
flow channel
return flow
coolant
Prior art date
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EP95810373A
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English (en)
French (fr)
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EP0747591B1 (de
Inventor
Robert Hofer
Marc Spahni
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Wartsila NSD Schweiz AG
Original Assignee
Winterthur Gas and Diesel AG
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Publication date
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Priority to DE59506589T priority patent/DE59506589D1/de
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Priority to CN96105336A priority patent/CN1077214C/zh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F02F3/225—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid the liquid being directed into blind holes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled piston for a reciprocating piston internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a piston according to the preamble of claim 1 is disclosed in Japanese Utility Model Hei 4-39 384.
  • This piston is cooled in that a cooling chamber is provided in the piston upper part near the end face of the piston facing the combustion chamber of the internal combustion engine, into which oil is used as a coolant is sprayed by means of spray nozzles.
  • the injected oil is discharged from the cooling chamber through a return flow channel, which runs inside the piston rod over its entire length and opens at the end of the piston rod away from the cooling chamber into a separate oil drain line which runs in the crosshead connected to the piston rod.
  • the oil return flow is driven by gravity on the oil that collects in the cooling chamber, ie due to the Slope in the return flow channel, the piston rod usually being arranged vertically and below the cooling chamber.
  • the oil drain from the cooling chamber is supported by supplying air to the cooling chamber with the aid of an aeration pipe, which creates a connection between the ambient air of the machine and the cooling chamber.
  • the ventilation pipe is housed inside the oil return channel so that one of its ends protrudes into the cooling chamber and that at the end remote from the cooling chamber it merges into an air line that runs separately from the oil drain line in the crosshead and creates a connection to the ambient air.
  • the present invention has for its object to provide a liquid-cooled piston for a reciprocating piston internal combustion engine with a cooling system with improved cooling effect.
  • the liquid-cooled piston according to the invention has a cooling chamber with a return flow channel for the coolant introduced into the cooling chamber, which return flow channel runs in the piston rod, and is characterized in that an aeration tube is arranged in the return flow channel, which projects on the piston side into the cooling chamber of the piston and only protrudes extends over part of the return flow channel in the piston rod.
  • the part of the ventilation pipe which extends in the return flow channel still ends within the piston rod, ie does not open into the crosshead, and has no connection to the ambient air separated from the return flow channel.
  • the ventilation pipe influences the flow profile of the coolant in the return flow channel in such a way that gases in the return flow channel have access to the ventilation pipe and, via this, access to the cooling chamber and thus avoid a negative pressure in the cooling chamber, which would hinder the outflow of the coolant in the return flow channel.
  • the piston according to the invention has the advantage that the cooling system enables an increased coolant throughput and is structurally simplified.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a piston according to the invention.
  • the essential components of the piston are the piston upper part 1 with the piston top 25 facing the combustion chamber of the internal combustion engine, the spray plate 4, the piston skirt 3.
  • the piston is rotationally symmetrical with respect to the axis 50.
  • the piston upper part 1 and the spray plate 4 together delimit the cooling chamber 15 of the piston from.
  • the upper piston part 1 and the piston skirt 3 and the splash plate 4 are connected to the piston rod 5 on their circumference.
  • the upper piston part 1 contains blind cooling bores 17 which point from the cooling chamber in the direction of the piston surface 25 or an outside of the piston. At the end remote from the piston, the piston rod is connected to the crosshead 8.
  • the piston moves along the axis 50, which preferably preferably essentially runs perpendicular to the surface of the earth and the upper piston part 1 is arranged above the piston rod 5.
  • the cooling chamber is part of a coolant circuit.
  • the coolant e.g. B. oil or water
  • the nozzles 18 are preferably arranged in such a way that the injected coolant hits the regions of the piston upper part 1 that come particularly close to the piston surface 25 and are most exposed to heat during operation of the internal combustion engine.
  • a particularly good cooling effect is achieved by spray cooling, i.e. H. by spraying the coolant onto a wall of the cooling bores 17 or onto a wall of the cooling chamber 15.
  • the injection has two functions. On the one hand, surfaces to be cooled come into contact with coolant whose temperature corresponds to the flow temperature of the coolant circuit and which shows a turbulent flow due to the injection. In this way, the heat transfer between the surfaces to be cooled and the coolant is optimized. Furthermore, spraying coolant onto an interface is often associated with a cleaning effect. At the piston temperatures reached during operation, the coolant oil, for example, easily forms residues adhering to interfaces, which usually worsen the heat transfer between the interface and the coolant and thus promote a further increase in temperature and accelerated deposition of oil residues. Deposits in the cooling bores 17 are particularly disadvantageous. Extensive maintenance work is necessary to remove the deposits. The splash of the Coolant at the interfaces to be cooled, however, counteracts the deposition of residues.
  • the return flow channel 6 is provided for the outflow of the coolant from the cooling chamber. It is preferably guided along the central axis 50 of the piston rod 5, opens into the cooling chamber 15 at the opening 21 in the spray plate 4 and is connected on the crosshead side to a return line of the coolant circuit. To optimize the inflow of coolant into the return flow channel, the spray plate 4 has a slope towards the opening 21 toward the cooling chamber. Furthermore, the return flow channel 6 at its mouth 21 into the cooling chamber 15 is designed such that its cross section narrows in the direction facing away from the cooling chamber. The profile of the cross section of the return flow channel 6 is preferably round because of the ease of manufacture. Basically, the function is guaranteed for any cross-sectional profile.
  • cooling effect contributes to the cooling effect of the coolant in the cooling chamber 15.
  • a cooling effect is associated with the spray cooling by means of coolant which is sprayed directly from a nozzle 18 onto a surface to be cooled.
  • the paddle cooling is provided by the coolant, which collects in the cooling chamber 15 after the injection and splashes back and forth in the direction of the piston movement during operation of the internal combustion engine.
  • the amount of cooling liquid that passes through the cooling chamber 15 must be as large as possible.
  • the heat transfer between the surfaces to be cooled and the coolant must be as good as possible. An excess of coolant in the cooling chamber 15 reduces the cooling effect. If e.g.
  • the injection nozzles 18 are covered with coolant, coolant is injected with reduced efficiency and the effect of the spray cooling decreases. It is also known that the effect of the paddle cooling decreases when an excessive proportion of the cooling chamber 15 with coolant is filled. On the other hand, splash cooling is only possible if a minimum amount of coolant collects in the cooling chamber 15.
  • the coolant flow through the cooling chamber 15 is set up in such a way that the amount of cooling liquid that fills a part of the volume of the cooling chamber 15 is not greater than a predetermined upper value and not less than a predetermined lower value. Therefore, the maximum amount of cooling liquid that can be injected into the cooling chamber 15 under these conditions and achieves an optimal cooling effect is limited by the amount of cooling liquid that can flow out of the cooling chamber 15 per unit of time.
  • the maximum amount of cooling liquid that flows through the return flow channel 6 is dependent on the frequency with which the piston oscillates in the direction of the piston rod 5 during operation of the internal combustion engine. Due to the back and forth splashing of the coolant lake in the direction of the piston rod 5, coolant in oscillating pistons only runs off during a fraction of a period of oscillation of the piston in the return flow channel 6.
  • the piston oscillation reduces the outflow of coolant from the cooling chamber 15, but on the other hand the capacity of the return flow channel in an oscillating piston is significantly more sensitive to the dimensioning of the piston Ventilation tube 10 depends on than with a stationary piston. It is therefore relevant to optimize the design of the ventilation tube 10 especially for the oscillating piston.
  • the stated optimal ranges for the dimensions of the ventilation tube apply to oscillating pistons.
  • the shape of the ventilation tube 10 is not relevant, for. B.
  • the cross section of the ventilation tube 10 can have any profile.
  • a preferred embodiment is a ventilation pipe 10 with a cross section with a round profile.
  • Such pipes are usually available and do not have to be specially manufactured.
  • Such pipes are also particularly suitable for a combination with pistons with a round drainage channel.
  • a round ventilation pipe 10 is particularly advantageous, which is mounted concentrically in the return flow channel 6. This concentric arrangement is adapted to the profile of the flow of the coolant in the cooling chamber 15, which profile is essentially rotationally symmetrical to the axis 50.
  • the cross-sectional profile of the ventilation tube 10 can vary along the tube.
  • the liquid-cooled piston has a cooling chamber 15 with a return flow channel 6 for the coolant introduced into the cooling chamber 15 through a feed line 30, 31, 32 and spray nozzles 18.
  • the return flow channel 6 runs in the piston rod 5 and is characterized in that a ventilation pipe 10 is arranged in the return flow channel 6, which projects on the piston side into the cooling chamber 15 of the piston and extends only over part of the return flow channel 6 in the piston rod 5.
  • the part of the ventilation pipe 10 which extends in the return flow channel 6 still ends within the piston rod 5 and has no connection to the ambient air which is separate from the return flow channel 6.
  • the ventilation pipe 10 influences the flow profile of the coolant in the return flow channel 6 in such a way that gases in the return flow channel 6 have access to the ventilation pipe 10 and via this access to Have cooling chamber 15 and thus avoid a negative pressure in the cooling chamber 15, which would hinder the outflow of the coolant in the return flow channel 6.
  • the ventilation pipe 10 serves to optimize the coolant throughput through the cooling chamber 15.

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Abstract

Der flüssigkeitsgekühlte Kolben hat eine Kühlkammer (15) mit einem Rückflusskanal (6) für das in die Kühlkammer (15) durch eine Zuleitung (30, 31, 32) und Spritzdüsen (18) eingebrachte Kühlmittel. Der Rückflusskanal (6) verläuft in der Kolbenstange (5) und zeichnet sich dadurch aus, dass im Rückflusskanal (6) ein Belüftungsrohr (10) angeordnet ist, das kolbenseitig in die Kühlkammer (15) des Kolbens ragt und sich nur über einen Teil des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5) erstreckt. Der sich im Rückflusskanal (6) erstreckende Teil des Belüftungsrohrs (10) endet noch innerhalb der Kolbenstange (5) und hat keine vom Rückflusskanal (6) getrennte Verbindung zur Umgebungsluft. Das Belüftungsrohr (10) beeinflusst das Strömungsprofil des Kühlmittels im Rückflusskanal (6) derart, dass Gase im Rückflusskanal (6) einen Zugang zum Belüftungsrohr (10) und über dieses einen Zugang zur Kühlkammer (15) haben und so einen Unterdruck in der Kühlkammer (15) vermeiden, der den Abfluss des Kühlmittels im Rückflusskanal (6) behindern würde. Das Belüftungsrohr (10) dient der Optimierung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Kühlkammer (15). <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Bei Brennkraftmaschinen wird der Materialabtrag am Kolbenoberteil wesentlich bestimmt von der Temperatur. Bei modernen Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist die Kühlung der Kolben einer der Faktoren, die die Leistung der Maschine limitieren. Die Effizienz des Kühlsystems für die Kolben ist deshalb von zentraler Bedeutung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, die höchsten Anforderungen bezüglich Leistung und Zuverlässigkeit genügen.
  • Ein Kolben gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist offenbart im Japanischen Gebrauchsmuster Hei 4-39 384. Dieser Kolben wird dadurch gekühlt, dass im Kolbenoberteil in der Nähe der dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine zugewandten Stirnfläche des Kolbens eine Kühlkammer vorgesehen ist, in die als Kühlmittel Öl mittels Spritzdüsen gespritzt wird. Das eingespritzte Öl wird aus der Kühlkammer abgeleitet durch einen Rückflusskanal, der im Innern der Kolbenstange über deren gesamte Länge verläuft und am von der Kühlkammer entfernten Ende der Kolbenstange in eine separate Ölabflussleitung mündet, die in dem mit der Kolbenstange verbundenen Kreuzkopf verläuft. Der Ölrückfluss wird getrieben durch die Schwerkraft auf das sich in der Kühlkammer sammelnde Öl, d. h. aufgrund des Gefälles im Rückflusskanal, wobei die Kolbenstange gewöhnlich vertikal und unterhalb der Kühlkammer angeordnet ist. Der Ölablauf aus der Kühlkammer wird unterstützt durch Zufuhr von Luft in die Kühlkammer mit Hilfe eines Belüftungsrohres, welches eine Verbindung herstellt zwischen der Umgebungsluft der Maschine und der Kühlkammer. Dabei ist das Belüftungsrohr im Innern der Ölrückflusskanals so untergebracht, dass eines seiner Enden in die Kühlkammer ragt und dass es am von der Kühlkammer entfernten Ende übergeht in eine Luftleitung, die im Kreuzkopf getrennt von der Ölabflussleitung verläuft und eine Verbindung zur Umgebungsluft herstellt.
  • Es hat sich herausgestellt, dass der maximale Kühlmitteldurchsatz, den diese Anordnung zur Kühlung eines Kolbens zulässt, zu limitiert ist und einer Weiterentwicklung der heutigen Brennkraftmaschinen zu noch höheren Leistungen Grenzen setzt.
  • Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kühlsystem mit verbesserter Kühlwirkung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung mit den Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Der erfindungsgemässe flüssigkeitsgekühlte Kolben hat eine Kühlkammer mit einem Rückflusskanal für das in die Kühlkammer eingebrachte Kühlmittel, welcher Rückflusskanal in der Kolbenstange verläuft, und zeichnet sich dadurch aus, dass im Rückflusskanal ein Belüftungsrohr angeordnet ist, das kolbenseitig in die Kühlkammer des Kolbens ragt und sich nur über einen Teil des Rückflusskanals in der Kolbenstange erstreckt. Der sich im Rückflusskanal erstreckende Teil des Belüftungsrohrs endet noch innerhalb der Kolbenstange, mündet also nicht in den Kreuzkopf, und hat keine vom Rückflusskanal getrennte Verbindung zur Umgebungsluft. Das Belüftungsrohr beeinflusst das Strömungsprofil des Kühlmittels im Rückflusskanal derart, dass Gase im Rückflusskanal einen Zugang zum Belüftungsrohr und über dieses einen Zugang zur Kühlkammer haben und so einen Unterdruck in der Kühlkammer vermeiden, der den Abfluss des Kühlmittels im Rückflusskanal behindern würde. Der erfindungsgemässe Kolben hat den Vorteil, dass das Kühlsystem einen erhöhten Kühlmitteldurchsatz ermöglicht und konstruktiv vereinfacht ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden im Detail erläutert anhand der folgenden Abbildung. Es zeigt
    • FIG. 1
    einen Längsschnitt durch einen Kolben mit Kühlkammer, Kühlmitteleinspritzung, Rückflusskanal und Belüftungsrohr.
  • FIG. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens. Die wesentlichen Bestandteile des Kolbens sind das Kolbenoberteil 1 mit der dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine zugewandten Kolbenoberseite 25, die Spritzplatte 4, das Kolbenhemd 3. Der Kolben ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 50. Das Kolbenoberteil 1 und die Spritzplatte 4 grenzen zusammen die Kühlkammer 15 des Kolbens ab. Das Kolbenoberteil 1 und das Kolbenhemd 3 sowie die Spritzplatte 4 sind auf ihrem Umfang mit der Kolbenstange 5 verbunden. Das Kolbenoberteil 1 enthält blinde Kühlbohrungen 17, die von der Kühlkammer aus in Richtung auf die Kolbenoberfläche 25 bzw. eine Aussenseite des Kolbens weisen. An dem vom Kolben entfernten Ende ist die Kolbenstange mit dem Kreuzkopf 8 verbunden.
  • Im Betrieb der Brennkraftmaschine bewegt sich der Kolben längs der Achse 50, wobei diese bevorzugt im wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche verläuft und das Kolbenoberteil 1 über der Kolbenstange 5 angeordnet ist.
  • Die Kühlkammer ist Teil eines Kühlmittelkreislaufs. Das Kühlmittel, z. B. Öl oder Wasser, gelangt mittels eines Einspritzsystems in die Kühlkammer, wobei das Kühlmittel kreuzkopfseitig in eine durch die Kolbenstange 5 verlaufende Leitung 30 eingespeist und von dort über einen Kanal 31 mit ringförmigem Querschnittsprofil und einen Hohlraum 32 zwischen der Spritzplatte 4 und der Kolbenstange 5 durch eine Vielzahl durch die Spritzplatte 4 geführter Düsen 18 gepresst wird. Die Düsen 18 sind bevorzugt so angeordnet, dass das eingespritzte Kühlmittel auf die Regionen des Kolbenoberteils 1 trifft, die der Kolbenoberfläche 25 besonders nahe kommen und im Betrieb der Brennkraftmaschine am stärksten wärmebelastet sind. Eine besonders gute Kühlwirkung wird erzielt durch Spritzkühlung, d. h. durch Spritzen des Kühlmittels an eine Wandung der Kühlbohrungen 17 oder an eine Wand der Kühlkammer 15.
  • Das Einspritzen hat zwei Funktionen. Einerseits kommen zu kühlende Flächen mit Kühlmittel in Berührung, dessen Temperatur der Vorlauftemperatur des Kühlmittelkreislaufs entspricht und das durch das Einspritzen eine turbulente Strömung zeigt. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang zwischen den zu kühlenden Flächen und dem Kühlmittel optimiert. Weiterhin ist das Spritzen von Kühlmittel an eine Grenzfläche häufig mit einer reinigenden Wirkung verbunden. Das Kühlmittel Öl beispielsweise bildet bei den im Betrieb erreichten Kolbentemperaturen leicht an Grenzflächen haftende Rückstände, die meist den Wärmeübergang zwischen Grenzfläche und Kühlmittel verschlechtern und so einer weiteren Temperaturerhöhung und einer beschleunigten Ablagerung von Ölrückständen Vorschub leisten. Ablagerungen in den Kühlbohrungen 17 sind besonders nachteilig. Aufwendige Wartungsarbeiten sind zur Entfernung der Ablagerungen nötig. Das Spritzen des Kühlmittels an die zu kühlenden Grenzflächen hingegen wirkt der Ablagerung von Rückständen entgegen.
  • Für den Abfluss des Kühlmittels aus der Kühlkammer ist der Rückflusskanal 6 vorgesehen. Er ist vorzugsweise längs der Mittelachse 50 der Kolbenstange 5 geführt, mündet in die Kühlkammer 15 an der Öffnung 21 in der Spritzplatte 4 und ist kreuzkopfseitig mit einer Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs verbunden. Zur Optimierung der Einströmung von Kühlmittel in den Rückflusskanal weist die Spritzplatte 4 kühlkammerseitig ein Gefälle zur Öffnung 21 hin auf. Ferner ist der Rückflusskanal 6 an seiner Mündung 21 in die Kühlkammer 15 so gestaltet ist, dass sich sein Querschnitt in die von der Kühlkammer abgewandte Richtung verengt. Das Profil des Querschnitts des Rückflusskanals 6 ist bevorzugt rund wegen der einfachen Herstellbarkeit. Grundsätzlich ist die Funktion für ein beliebiges Querschnittsprofil gewährleistet.
  • Im wesentlichen zwei Kühleffekte tragen zur Kühlwirkung des Kühlmittels in der Kühlkammer 15 bei. Ein Kühleffekt ist der Spritzkühlung mittels Kühlmittel, das direkt aus einer Düse 18 an eine zu kühlende Fläche gespritzt wird, zuzuordnen. Einen weiteren Beitrag, die Planschkühlung, liefert das Kühlmittel, das sich nach dem Einspritzen in der Kühlkammer 15 sammelt und im Betrieb der Brennkraftmaschine in der Richtung der Kolbenbewegung hin und her planscht. Zur Optimierung der Kühlwirkung muss einerseits die Menge Kühlflüssigkeit, die die Kühlkammer 15 passiert, möglichst gross sein. Andererseits muss der Wärmeübergang zwischen den zu kühlenden Flächen und dem Kühlmittel möglichst gut sein. Ein Übermass an Kühlmittel in der Kühlkammer 15 reduziert die Kühlwirkung. Wenn z. B die Einspritzdüsen 18 mit Kühlmittel bedeckt werden, wird Kühlmittel mit verminderter Effizienz eingespritzt und die Wirkung der Spritzkühlung nimmt ab. Weiterhin ist bekannt, dass die Wirkung der Planschkühlung abnimmt, wenn ein übermässiger Anteil der Kühlkammer 15 mit Kühlmittel gefüllt ist. Andererseits ist die Planschkühlung nur möglich, wenn ein Mindestmass an Kühlmittel sich in der Kühlkammer 15 sammelt. Zur Optimierung der Kühlung wird der Kühlmitteldurchfluss durch die Kühlkammer 15 so eingerichtet, dass die Menge Kühlflüssigkeit, die einen Teil des Volumens der Kühlkammer 15 ausfüllt, nicht grösser als ein vorgegebener oberer Wert und nicht geringer als ein vorgegebener unterer Wert ist. Deshalb ist die maximale Menge Kühlflüssigkeit, die unter diesen Bedingungen in die Kühlkammer 15 gespritzt werden kann und eine optimale Kühlwirkung erzielt, limitiert durch die Menge Kühlflüssigkeit, die pro Zeiteinheit aus der Kühlkammer 15 abfliessen kann.
  • Von wesentlicher Bedeutung für die pro Zeiteinheit aus der Kühlkammer 15 abströmende Menge Kühlmittel ist die Gestaltung des Belüftungsrohrs 10, welches mit Stützblechen 40 und 41 in seiner Position bezüglich dem Rückflusskanal 6 fixiert ist.
  • Erfindungsgemäss sorgt der Rückflusskanal 6 in Kombination mit dem Belüftungsrohr 10 für den Abfluss von Kühlmittel bei gleichzeitigem Druckausgleich in einer Gasatmosphäre, die sowohl die Kühlkammer 15 als auch den Rückflusskanal 6 und die im Kreuzkopf 8 an den Rückflusskanal 6 anschliessende Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs ausfüllt. Bei der Gestaltung des Belüftungsrohrs 10 zur Optimierung der Kapazität des Rückflusskanals 6, gemessen in der pro Zeiteinheit aus der Kühlkammer abfliessenden Menge Kühlmittels, müssen verschiedene Effekte berücksichtigt werden, die als Funktion einzelner Parameter gegenläufige Tendenzen aufweisen und deshalb zu optimalen Kompromissen führen:
    • Für die Länge des Abschnitts des Belüftungsrohrs 10, der im Rückflusskanal 6 verläuft, gibt es einen optimalen Bereich als Kompromiss zwischen gegenläufigen Einflüssen: Einerseits nimmt mit wachsender Länge des Belüftungsrohrs 10 der Stömungswiderstand des Rückflusskanals zu, da das Belüftungsrohr 10 eine reibende Fläche für das abströmende Kühlmittel darstellt und das Kühlmittel hauptsächlich zwischen der Aussenseite des Belüftungsrohrs 10 und der Wandung des Kanals 6 abfliesst. Ist hingegen das Belüftungsrohr im Extremfall nicht vorhanden, so bildet sich ein Kühlmittelsee, der die Öffnung 21 in der Spritzplatte abdeckt. Dieser Kühlmittelsee behindert das Einströmen von Gasen aus dem Rückflusskanal 6 und somit den Druckausgleich zwischen Kühlkammer 15 und dem Rückflusskanal 6. Dieser den Abfluss von Kühlmittel mindernde Effekt wird reduziert mit wachsender Länge des im Rückflusskanal 6 verlaufenden Abschnitts des Belüftungsrohrs 10: Es wird verhindert, dass ein Kühlmittelsee die Öffnung 21 bedeckt; weiterhin formt das Belüftungsrohr das Strömungsprofil des Kühlmittels in dem Bereich des Rückflusskanals 6 zwischen Kreuzkopf 8 und dem kühlkammerfernen Ende des Belüftungsrohrs 10 dergestalt, dass eine Durchlässigkeit für Gase gewährleistet ist. Als Kompromiss ergibt sich ein optimaler Bereich für die Länge des in den Rückflusskanal 6 ragenden Teils des Belüftungsrohrs 10: Experimente zeigen, dass die optimale Länge des sich im Rückflusskanal 6 erstreckenden Teils des Belüftungsrohrs 10 im Bereich 10%-90% der Länge des Rückflusskanals 6, vorzugsweise im Bereich 15%-50% der Länge des Rückflusskanals 6, liegt. Details hängen von anderen Parametern wie der Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs oder der Form des Belüftungsrohrs ab.
    • Eine optimale Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs 10 ergibt sich als Kompromiss zwischen der Forderung, die Querschnittsfläche möglichst klein zu wählen, um der abströmenden Kühlflüssigkeit zwischen der Aussenseite des Belüftungsrohrs 10 und der Wandung des Rückflusskanals 6 möglichst viel Platz zu gewähren, und der Forderung, die Querschnittsfläche möglichst gross zu wählen, um ein effizientes Einströmen von Gasen in die Kühlkammer 15 zu gewährleisten. Experimente zeigen, dass die optimale Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs 10 zwischen 20% und 70% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals 6, vorzugsweise zwischen 25% und 60% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals 6, beträgt. Details hängen von anderen Parametern wie der Länge des Belüftungsrohrs oder der Form des Belüftungsrohrs ab.
    • Die optimale Länge des Abschnitts des Belüftungsrohrs 10, der in die Kühlkammer 15 ragt, ist ein Kompromiss: ist die Länge zu kurz, dann läuft ein beträchtlicher Anteil der Kühlflüssigkeit durch das Belüftungsrohr 10 ab und vermindert die Zufuhr von Gas in die Kühlkammer 15, ist sie zu gross und kommt das kühlkammerseitige Ende des Belüftungsrohrs 10 zu nahe an eine Wand der Kühlkammer 15, dann wird zwar das Eindringen von Kühlflüssigkeit in das Belüftungsrohr 10 vermindert, aber auch die Zufuhr von Gas in die Kühlkammer 15 limitiert. Experimente zeigen, dass der optimale Abstand a des kühlkammerseitigen Endes des Belüftungsrohrs 10 von der Wandung der Kühlkammer 15 zwischen 10% und 90% der Erstreckung h der Kühlkammer 15 in der Längsrichtung des Belüftungsrohrs 10, vorzugsweise zwischen 15% und 65% der Erstreckung h der Kühlkammer 15 in der Längsrichtung des Belüftungsrohrs 10, beträgt.
  • Ausser von den genannten Parametern ist die maximale Menge Kühlflüssigkeit, die durch den Rückflusskanal 6 abfliesst, von der Frequenz abhängig, mit der der Kolben im Betrieb der Brennkraftmaschine in Richtung der Kolbenstange 5 oszilliert. Wegen des Hin- und Herplanschens des Kühlmittelsees in Richtung der Kolbenstange 5 läuft Kühlmittel bei oszillierenden Kolben nur während eines Bruchteils einer Periode der Oszillation des Kolbens im Rückflusskanal 6 ab. Experimente zeigen, dass einerseits durch die Kolbenoszillation zwar der Abfluss von Kühlmittel aus der Kühlkammer 15 reduziert wird, andererseits aber die Kapazität des Rückflusskanals bei einem oszillierenden Kolben wesentlich empfindlicher von der Dimensionierung des Belüftungsrohrs 10 abhängt als bei einem ruhenden Kolben. Deshalb ist es relevant, die Gestaltung des Belüftungsrohrs 10 speziell für den oszillierenden Kolben zu optimieren. Die genannten optimalen Bereiche für die Dimensionen des Belüftungsrohrs gelten für oszillierende Kolben.
  • Für die beschriebene Erfindung ist die Form des Belüftungsrohrs 10 nicht relevant, z. B. der Querschnitt des Belüftungsrohrs 10 kann beliebiges Profil haben. Eine bevorzugte Ausführungsform stellt ein Belüftungsrohr 10 mit einem Querschnitt mit rundem Profil dar. Solche Rohre sind meist verfügbar und müssen nicht speziell gefertigt werden. Solche Rohre sind auch speziell geeignet für eine Kombination mit Kolben mit einem runden Abflusskanal. Besonders vorteilhaft ist ein rundes Belüftungsrohr 10, dass konzentrisch in dem Rückflusskanal 6 angebracht ist. Diese konzentrische Anordnung ist angepasst an das Profil der Strömung des Kühlmittels in der Kühlkammer 15, welches Profil im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse 50 ist. Das Querschnittsprofil des Belüftungsrohrs 10 kann längs des Rohrs variieren.
  • Folglich hat der erfindungsgemässe flüssigkeitsgekühlte Kolben eine Kühlkammer 15 mit einem Rückflusskanal 6 für das in die Kühlkammer 15 durch eine Zuleitung 30, 31, 32 und Spritzdüsen 18 eingebrachte Kühlmittel. Der Rückflusskanal 6 verläuft in der Kolbenstange 5 und zeichnet sich dadurch aus, dass im Rückflusskanal 6 ein Belüftungsrohr 10 angeordnet ist, das kolbenseitig in die Kühlkammer 15 des Kolbens ragt und sich nur über einen Teil des Rückflusskanals 6 in der Kolbenstange 5 erstreckt. Der sich im Rückflusskanal 6 erstreckende Teil des Belüftungsrohrs 10 endet noch innerhalb der Kolbenstange 5 und hat keine vom Rückflusskanal 6 getrennte Verbindung zur Umgebungsluft. Das Belüftungsrohr 10 beeinflusst das Strömungsprofil des Kühlmittels im Rückflusskanal 6 derart, dass Gase im Rückflusskanal 6 einen Zugang zum Belüftungsrohr 10 und über dieses einen Zugang zur Kühlkammer 15 haben und so einen Unterdruck in der Kühlkammer 15 vermeiden, der den Abfluss des Kühlmittels im Rückflusskanal 6 behindern würde. Das Belüftungsrohr 10 dient der Optimierung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Kühlkammer 15.

Claims (10)

  1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben mit Kühlkammer (15), für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem Rückflusskanal (6) für das Kühlmittel in der Kolbenstange (5), dadurch gekennzeichnet, dass im Rückflusskanal (6) ein Belüftungsrohr (10) angeordnet ist, das kolbenseitig in die Kühlkammer (15) des Kolbens ragt und sich über einen Teil des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5) erstreckt.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des sich im Rückflusskanal erstreckenden Teils des Belüftungsrohrs (10) im Bereich 10%-90% der Länge des Rückflusskanals (6), vorzugsweise im Bereich 15%-50% der Länge des Rückflusskanals (6), liegt.
  3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs (10) zwischen 20% und 70% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals (6), vorzugsweise zwischen 25% und 60% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals (6), beträgt.
  4. Kolben nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des kühlkammerseitigen Endes des Belüftungsrohrs (10) von der Wandung der Kühlkammer (15) zwischen 10% und 90% der Ausdehnung der Kühlkammer (15) in der Längsrichtung (50) des Belüftungsrohrs (10), vorzugsweise zwischen 15% und 65% der Erstreckung (h) der Kühlkammer (15) in der Längsrichtung (50) des Belüftungsrohrs (10), beträgt.
  5. Kolben nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflusskanal (6) an seiner Mündung (21) in die Kühlkammer (15) so gestaltet ist, dass sich sein Querschnitt in die von der Kühlkammer abgewandte Richtung verengt.
  6. Kolben nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungsrohr (10) im Rückflusskanal (6) konzentrisch angeordnet ist.
  7. Kolben nach einem der Ansprüche 1-6, mit einem Einspritzsystem (30, 31, 32, 18) zum Einspritzen des Kühlmittels in die Kühlkammer (15).
  8. Kolben nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (15) ein oder mehrere Kühlbohrungen (17) aufweist.
  9. Kolben nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem ein oder mehrere Düsen (18) zum Spritzen des Kühlmittels in die Kühlbohrungen (17) und/oder an eine Wand der Kühlkammer (15) aufweist.
  10. Brennkraftmaschine, mit einem Kolben nach einem der Ansprüche 1-9.
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