DE1814123A1

DE1814123A1 - Verfahren und Einrichtung zur Kuehlung eines Brennkraftmaschinenkolbens

Info

Publication number: DE1814123A1
Application number: DE19681814123
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl-Ing Fischer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1968-12-12
Filing date: 1968-12-12
Publication date: 1971-03-11
Also published as: SU464131A3; GB1246586A; NL6917541A; YU31630B; US3616729A; JPS5225493B1; YU308569A; NL142473B; FR2025934A6; BE743083A

Description

Verfahren und Einrichtung zur Kühlung eines Brennkraftmaschinenkolbens

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren und die Einrichtung zur Kühlung eines Brennkraftmaschinenkolbens mit einem Brennraum und mit einem inneren und äußeren Kühlraum, bei dem die Temperatur der Brennraumwand ansauglufttemperatur- und lastabhängig selbsttätig gesteuert wird, wobei die beiden Kühlräume völlig voneinander getrennt sind und der innere Kühlraum teilweise mit einem wärmeleitenden, vorzugsweise metallischen Werkstoff oder mit organischen oder mineralischen Stoffen mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt gefüllt ist, nach Patent ...(Anm.Az. M 74 776 Ia/46c4).

Bei dem genannten Kühlverfahren ist der innere Kühlraum um den Brennraum bzw. um den Brennraumeinsatz angeordnet und dient dazu, die Temperatur in der Wand des Kolbenbrenn— rauraes im Hinblick auf den jeweiligen Belastungszustand der Maschine zu regeln, d.h. beim Starten, im Leerlauf und bei geringer Teillast muß die Brennraumwand möglichst gut isoliert sein, damit sie rasch ihre Solltemperatur erreicht bzw. beibehält, bei Vollast hingegen bzw. mit Erreichen der Solltemperatur muß automatisch die Wärmeabfuhr so weit erhöht werden, daß keine Überhitzung auftreten kann.

Der vom inneren Kühlraum unabhängige äußere Kühlraum hingegen dient zur gleichmäßigen Kühlung der der Zylinderwand zugekehrten Außenseite des Kolbens, in der die Kolbenringe

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angeordnet sind, damit eine einwandfreie Schmierung gewährleistet und Verkoken des Schmieröls in den Kolbenringnuten und damit Pestbrennen der Kolbenringe, vermieden werden. Er dient ferner zur Abkühlung des Kühlmittels im inneren Kühlraum bei Teil- und Vollastbetrieb. Als Kühlmittel ist hierfür in bekannter Weise das in seiner Temperatur überwachte Motorschmieröl vorgesehen.

Für den inneren Kühlraum kommt als Kühlmittel, wie im Hauptpatent beschrieben, beispielsweise Woods-Metall in Frage, das erst bei einer Temperatur zwischen 180 und 250° C flüssig wird. Solange die Temperatur der Brennraumwand unterhalb dieser liegt, befindet sich dieses Kühlmittel in starrem Zustand am Boden des Kühlraumes, während der übrige, luftgefüllte Teil desselben eine Wärmeisolierung darstellt. Bei Erreichen der Solltemperatur wird das Kühlmittel flüssig und durch den auf- und abgehenden Kolben ebenfalls auf- und abgeschüttelt ("Shaker-Kühlung"), wodurch nun im oberen Bereich der Brennraumwand, in dem sich die höchste Temperatur einstellt, eine gute Wärmeabfuhr erreicht und die Brennraumwand auf einer günstigen Temperatur gehalten wird.

Das in dem Patent <,.. (Anm.Az. M 74 776 Ia/46e4) beschriebene Kühlverfahren hat sich in der Praxis gut bewährt, es weist jedoch bei schräg liegender Zylinderanordnung, wie beispielsweise bei V-Motoren noch gewisse Mängel auf. Bei einer solchen Einbauweise sammelt sich nämlich beim Absinken der Brennraumtemperatur das Kühlmittel nicht mehr am Böden des Kühlraumes, d.h. unterhalb der Mitte des Brennraumes an und" erstarrt dort, sondern es tritt je nach der Zylinderneigung eine seitliche Verlagerung gegenüber der Kolbenlängsachse auf. Obwohl die dadurch zwangsläufig auftretende, unsymmetrische Gewichtsverlagerung an sich nicht als nachteilig anzusehen ist, wirkt sich dieser Umstand dennoch ungünstig aus, weil dadurch das Kühlmittel entsprechend der Zylinderneigung mehr oder weniger an der unten liegenden Außenseite der oberen Hälfte des Brennraumeinsatzea zum Anliegen kommt und

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dort erstarrt. Beim Anlassen des Motors erfolgt daher auf der oberen, vom Kühlmittel teilweise umgebenen Hälfte der Brennraumwand, auf die der flüssige Kraftstoff aufgespritzt wird, sofort eine gute Wärmeabfuhr. Dies ist jedoch unerwünscht, denn gerade dieser Teil des Brennraumes soll sich nach dem im Hauptpatent "beschriebenen Verfahren zur Vermei- ' dung einer schlechten Verbrennung und der dadurch auftretenden Blaurauchbildung möglichst schnell auf seine Solltemperatur erwärmen.Erst dann, wenn das Kühlmittel flüssig wird, darf in diesem Bereich eine Wärmeabfuhr erfolgen. Dieser Nachteil wirkt sich analog auch bei Leerlauf und im unteren Teillastbereich aus, wenn das Kühlmittel wieder langsam erstarrt.

Durch die genannte Kühlmittelverlagerung tritt als weiterer Nachteil die ungleichmäßige Wärmeabfuhr aus der oberen Hälfte der Brennraumwand und damit die ungleichmäßige Erwärmung dieser Zone auf, solange das Kühlmittel noch im festen Zustand ist. Während die unten liegende Hälfte der Brennraumwand gut gekühlt wird, bleibt die oben liegende Hälfte durch die nach oben verdrängte Luft gut isoliert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Kühlverfahren ννά die dazu erforderliche Einrichtung bzw. Anordnung dahingehend zu verbessern, daß die genannten Nachteile beseitigt werden und auch bei schräger Zylinder- * anordnung eine einwandfreie Punktion gewährleistet ist.

Ilach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der innere Kühlraum in mehrere, flüssigkeitsdicht voneinander getrennte und jeweils den gleichen Anteil des aus einem wärmeleitenden Werkstoff bestehenden Kühlmittels aufnehmende Einzelkammern unterteilt ist. Die Unterteilung erfolgt dabei derart, daß die Bewegungsfreiheit des Kühlmittels in flüssigem Zustand nur in Richtung des senkrecht zur Längsachse verlaufenden Brennraumumfanges, nicht jedoch in Richtung der Längsachse des Zylinders bzw. des Kolbens

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eingeschränkt wird, so daß "bei Schräglage des Kolbens eine einseitige Verlagerung des erstarrenden Kühlmittels in die obere Hälfte des Kühlraumes bzw. eine Benetzung der Wand des Brennraumeinsatzes in der oberen Hälfte unterbunden ist.'

Durch die Unterteilung des Kühlraumes in mehrere voneinander getrennte Kammern besteht auch die Möglichkeit, durch Verwendung von verschiedenartigen Stoffen als Kühlmittel in den einzelnen Kammern eine unterschiedliche Kühlung der Brennraumwandzonen zu schaffen.

Ausgeführt wird diese Unterteilung durch an der dem Brennraum abgewandten Oberfläche des- Brennraumeinsatzes vorgesehene, gleichmäßig über die Oberfläche verteilte, in Richtung der Längsachse des Zylinders und zum Mittelpunkt des Brennraumeinsatzes hin verlaufende Rippen. Die äußere Begrenzung des Kühlraumes wird in an.sich bekannter Weise durch eine über den Brennraumeinsatz aufschiebbare Schale vorgenommen, welche vor dem Einbau des Brennraumeinsatzes in den Kolben mit einem oberen Bund und einer unteren Nabe sowie mit den Rippen des Brennraumeinsatzes durch Schweißen dicht verbunden wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der äußere Kühlraum so ausgebildet, daß er den wesentlichen inneren Kühlraum bzw. die den inneren Kühlraum abschließende Schale umgibt, wodurch bei Teil- und Vollastbetrieb eine Rückkühlung des im inneren Kühlraum befindlichen Kühlmittels erfolgt.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles hervor, in dem im Hauptpatent bereits erwähnte und mit diesem übereinstimmende Teile jeweils mit den gleichen Positionen bezeichnet sind.Es zeigers

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben nach dem Patent ...(Anp.Az. M 74 776 Ιθ/46σ4) mit einer Kühlraumausbildung nach der Erfindung,

Pig. 2 eine Ansicht dee Brennraumeinsatzes nach der Erfindung von unten gesehen,

3 einen Teil des Kolbens nach Pig. 1, jedoch in einer Sc
rechten.

einer Schräglage von ca. 30° gegenüber der Senkin Pig. 1 sind der Brennkraftmaschinenkolben mit 1, der mit einem eingeschnürten Brennraumhals 3 versehene Brennraumeinsatz mit 2, die Brennraumwand mit 4, der innere Kühlraum M mit 5, das im inneren Kühlraum 5 vorgesehene Kühlmittel mit 6, die die äußere Begrenzung des Kühlraumes 5 bildende Schale mit 7> der äußere Kühlraum, welcher nunmehr nahezu die gesamte Schale 7 umgibt, mit 11, die ÖlfangdUse mit und die Kolbenringe mit 13 bezeichnet. Der Brennraumeinsatz 2 weist an seiner dem Kühlraum 5 zugewandten Oberfläche einen Bund 14 und mittig zur Zylinder- bzw. Kolbenlängsachse 15 eine Nabe 16 auf. Der Bund 14 dient als oberer und die Nabe 16 als unterer Abschluß des Kühlraumes 5. An ihnen liegt die Schale 7 dicht an. Eine verlängerte Nabe 17 des Brennraumeinsatzes 2 ist für die Zentrierung und Befestigung beim Einbau in den Kolben 1 vorgesehen. Durch eine Schweiß- ä naht 18 wird der Brennraumeinsatz 2 fest mit dem Kolben 1 verbunden.

In Pig. 2 ist der Brennraumeinsatz von unten, d.h. seine dem Kühlraum 5 zugewandte Oberfläche gezeigt, an der er zwischen dem Bund 14 und der Nabe 17 mehrere gleichmäßig über die Oberfläche verteilte Längsrippen 19 aufweist. Durch die Längsrippen 19_f welche wie der Bund 14 und die Nabe 17 dicht mit der Schale 7 verbunden sind, wird der Kühlraum 5 in mehrere gleiche Kammern 5a bis 5h unterteilt, in denen jeweil· die gleiche Menge de« Kühlmittels 6 (Pig. 1) untergebracht ist.

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den Pig. 1 und 2 geht hervor, daß das Kühlmittel 6, sofern es sich im flüssigen Zustand befindet, durch die Bewegungen des Kolbens 1 in seinen Kammern 5a bis 5h die Schüttelbewegungen, ungehindert durchführen und damit der Brennraumwand 4 eine ausreichende Kühlung verleihen kann.

Wird der Kolben 1, wie in Fig. 3 dargestellt ist, in einer Schräglage eingebaut, so verlagert sich das Kühlmittel 6 beim Abkühlen zwar etwas, indem es jeweils den tiefsten Punkt der Kammern 5a bis 5h einnimmt, es bleibt aber im wesentlichen, am Boden des Brennraumeinsatzes 2 bzw. um diesen herum gleichmäßig verteilt und kann sich keinesfalls so weit verlagern, daß es im festen Zustand an der unten liegenden Seite des Brennraumes bis in die obere Hälfte des Kühlraumes 5 gelangt bzw. daß es dort noch an der Außenwand des Brennraumeinsatzes 2 anliegt. Durch diese Anordnung bleibt also der obere Teil der Brennraumwand 4 durch die ihn umgebende Luftschicht so lange .isoliert, bis er seine Solltemperatur erreicht hat und das Kühlmittel 6 flüssig ist. Erst dann wird die gesamte Brennraumoberfläche gleichmäßig gekühlt.

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Claims

Maschinenfabrik Augsbi^rg-IJürnberg 1814123 Aktiengesellschaft Zweigniederlassung Nürnberg Nürnberg. 10. Dez. 1968

1. Verfahren zur Kühlung eines Brennkraftmaschinenkolbens ^ mit einem Brennraum und mit einem inneren und äußeren ™ Kühlraum, bei dem die Temperatur der Brennraumwand ansaugt emperatur- und lastabhängig selbsttätig gesteuert wird, wobei die beiden Kühlräume völlig voneinander getrennt sind und der innere Kühlraum teilweise mit einem wärmeleitenden, vorzugsweise metallischen Werkstoff oder mit organischen oder mineralischen Stoffen mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt gefüllt ist, nach Patent ... (Anm. Az. M 74 776 Ia/46c4), dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kühlraum (5) in mehrere, £i ni η Ti π. flüssigkeitsdicht voneinander getrennte und jeweils den gleichen Anteil des aus einem wärmeleitenden Werkstoff bestehenden Kühlmittels (6) aufnehmende Einzelkammern (5a bis 5h) Λ

unterteilt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung des inneren Kühlraumes (5) derart erfolgt, daß die Bewegungsfreiheit des Kühlmittels (6) im flüssigen Zustand nur in Richtung des senkrecht zur Längsachse (15) verlaufenden Brennraumumfanges, nicht jedoch in Richtung der Längsachse (15) des Zylinders bzw. Kolbens (1) eingeschränkt wird, so daß bei Schräglage des Kolbens eine einseitige Verlagerung des erstarrenden Kühlmittels (6) in die obere Hälfte des Kühlraumes (5) bzw. eine Benetzung der Wand des Brennraumeinsatzes (2) in der oberen Hälfte unterbunden ist.

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Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Unterteilung des inneren Kühlraumes (5) in mehrere voneinander getrennte Kammern (5a.bis 5h) durch Verwendung von verschiedenartigen Stoffen als Kühlmittel (6) in. den einzelnen Kammern (5a bis 5h) eine unterschiedliche Kühlung der Brennraumwandzonen ermöglicht wird.

Kühleinrichtung in einem Brennkraftmaschinenkolben zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung des inneren Kühlraumes (5) durch an der dem Brennraum abgewandten Oberfläche des Brennraumeinsatzes (2) vorgesehene, gleichmäßig über die Oberfläche verteilte, in Richtung der Längsachse (15) des Kolbens (1) und zum Mittelpunkt des Brennraumeinsatzes (2) hin verlaufende Rippen (19) erfolgt.

Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dio äußere Begrenzung des inneren Kühlraumes (5) in an sich bekannter Weise durch eine über dem Brennraumeinsatz (2) aufschiebbare Schale (7) erfolgt, welche vor dem Einbau des Brennraumeinsatzes (2) in den Kolben (1) mit einem oberen Bund (14) und einer unteren Nabe (16) sowie mit den Rippen (19) des Brennraumeinsatzes (2) diirch Schweißen dicht verbunden wird.

Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 4 und 51 dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kühlraum (11) den wesentlichen inneren Kühlraum (5) bzw. die den inneren Kühlraum (5) abschließende Schale (7) umgibt, wodurch bei Teil- und Vollastbetrieb eine Rückkühlung des im inneren Kühlraum (5) befindlichen Kühlmittels (6) erfolgt.

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Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumeinsatiz (2) mittig zur
Längsachse (15) eine verlängerte, über den Kühlraum (5) hinausragende Nabe (17) zur Zentrierung und Befestigung im Kolben (1) aufweist, und daß er nach Einsetzen zusammen mit der Schale (7) in den Kolben (1) durch eine an sich bekannte Schweißnaht (18) am Boden des Kolbens (1) fest mit diesem verbunden ist.

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