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Kolbenkühlung für Verbrennungskraftmaschinen. Eines der Maschinenelemente,
das die Leistung von Verbrennungskraftmaschinen pro Zylindereinheit begrenzt, ist
bekanntlich der Kolben. In der Praxis gehen zuverlässige Ausführungen noch nicht
über einige hundert Pferdestärken bei Verwendung flüssigen Brennstoffes. Es liegt
dies zum Teil daran, daß, sobald Durchmesser von etwa 05o mm bei Zweitaktmotoren
oder 85o mm bei Viertaktmotoren wesentlich überschritten werden, Schwierigkeiten
durch die mangelhafte Abführung der in die Kolbenwandungen eindringenden Wärme entstehen,
die namentlich durch das Erreichen von Glühtemperaturen !in mittleren Teil der Kolbenfläche
zum Verderben dieses Teils führen kann.
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Durch Anwendung kalter Kühlflüssigkeiten und kühler Spülluft wird
diese Erwärmung vermindert, es muß aber dabei der Kompressionsgrad hoch getrieben
werden, um zu-
verlässige Zündtemperaturen zu erreichen.
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Diese hohen Kompressionsgrade haben aber den Nachteil, daß bei Maschinen,
die für Verbrennung im Gleichdruckverfahren gebaut sind, mangelhafte Einspritzung
des Brennstoffes zu einer Verbrennung bei konstantem Volumen bei Beginn des Arbeitshubes
führen kann, was eine Steigerung des Druckes bis auf ein Mehrfaches des normalen
bedingt und somit zu einer Beschränkung des Kolbendurchmessers und übertriebenen
Gestängebeanspruchungen führt.
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Vorliegende Erfindung bezweckt die Linderung bzw. Beseitigung dieser
Faktoren, wodurch eine zuverlässige Erhöhung der Kolben-,b über das bisherige Maß
erreicht werden kann und gleichzeitig eine nicht unwesentliche Verbesserung des
thermischen Gütegrades ermöglicht wird.
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Die Erfindung gehört zur Gattung der Verfahren zum Heißkühlen der
Kolben von Verbrennungskraftmaschinen durch Verdampfen einer Flüssigkeit und besteht
darin, daß Verdampfungsflüssigkeit im L-berfluß in einen vom Kolben umschlossenen
Hohlrauen eingelassen und teilweise oder ganz verdampft und durch das Kolbenspiel
die nicht verdampfte Flüssigkeit bzw. das Dampfflüssigkeitsgerni#,ch ganz oder teilweise
durch einen oder mehrere Fortsätze des Kolbens oder dessen Hohlraumes ausgeschleudert
wird. Der so erzeugte Dampf kann allein oder zusammen mit Dan:pf anderer Herkunft
in derselben oder einer anderen Maschine ausgenutzt oder sonstwie verwendet oder
ins Freie geblasen «-erden.
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Durch das Heißkühlen der Kolbenfläche wird vermittels der Dampfbildung
auf der Kühlseite der für den Schurr. der KolLenwandung notwendige Wärmeentzug bei
einer höheren mittleren Wandtemperatur als trit kalter Kühlflüssigkeit bewerkstelligt;
dabei werden nicht nur die Metallspannungen vermindert, sondern es wird auch die
Wirtschaftlichkeit durch verringerten Wärmeentzug aus den Verbrennungsgasen erhöht.
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Die erhöhte Wandungstemperatur erntÖglicht ferner das Erreichen von
zuverlässigen Zündungstemperaturen mit einem kleineren Kompressionsgrad, wodurch
die großen, von fehlerhaften Zündungen herrührenden Gestängedrücke vermieden oder
vermindert werden und ein Begrenzungsfaktor der Einheitsleistung wegfällt, und zwar
um so mehr, als ein erhöhter mittlerer Arbeitsdruck im Zylinder erreicht wird.
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An Hand der Zeichnung, die verschiedene beispielsweise Bauarten zur
Ausführung dieses Verfahrens im Schnitt zeigt, sei die Erfindung näher veranschaulicht.
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In Abb. i ist i der eigentliche Kolbenkörper mit einem hohlen Kolbenfortsatz
a und einer Kolbenstange 3 mit erweitertem Kopf 4. Schraubenverbindung en 5 gestatten
ein leichtes Auseinandernehmen und Reinigen
des Hohlraumes 6, der
die zu verdampfende Flüssigkeit im Überflusse aufnimmt. Der Kolbenkörper i ist aus
Stahlguß, der FOrtSat2 2 und der untere Teil 7 sind dagegen aus Gußeisen gedacht.
Der Hohlraum 6 wird so ausgebildet, daß überall die zu verdampfende Flüssigkeit
Zutritt zu der Wandung hat, die gekühlt werden soll, wobei die hin und her gehende
Bewegung des Kolbens neben dem Herausschleudern der Flüssigkeit eine äußerst lebhafte
und zweckmäßige Wärmeabführung erreicht. Die Formgebung des Hohlraumes soll ferner
so sein, daß die überschüssige Flüssigkeit bis auf einen geringen Rest durch die
Kolbenbewegung herausgeschleudert wird. Dieser geringe Rest wird zweckmäßig über
die inneren zu kühlenden, Kolbenwände fein verteilt, was z. B. durch die Anordnung
von konzentrischen Fangrippen, in die die zackige Form der Verbindungsstege 9 paßt,
bewerkstelligt werden kann. Auch unterstützt die in Abb.2, linke Hälfte, darestellte,
nach außen verlaufende V-Form der' am Kolbenstangenkopf q. sitzenden und zum Tragen
des Kolbenkörpers i mit Fortsatz 2 bestimmten Verbindungsstege 9 diese Wirkung.
Die Stege 9 können jedoch auch die in Abb.2, rechte Hälfte, dargestellte einfache
Form haben. Die linke Hälfte der Abb. i zeigt den Hohlraum 6 nur im Bereich des
Stahlgußkörpers, die rechte Hälfte die Fortsetzung des Hohlraumes 6 in den gußeisernen
Teil 7 hinein. Was das Verhältnis der Durchmesser von Fortsatz 2 und Kolbenkörper
i anbetrifft, so ist dieses im gezeichneten Beispiel etwa 1/3; es kann jedoch z.
B. bei großen Ausführungen, bei denen es wünschenswert sein kann, zwecks Vermeidung
übermäßiger Wärmebelastung der Wände durch Strahlung, die linearen Abmessungen des
Verbrennungsraumes 8 (s. auch Abb. q.) einzuschränken, 1/2 oder 3/, betragen. Bei
Zylindereinheitsleistungen von iooo und mehr P. S. .empfiehlt es sich, den Durchmesser
des Fortsatzes 2 gegenüber der Zylinderbohrung so groß zu wählen, z. B. die Hälfte
oder mehr, daß die spezifische Wärmebelastung der Zylinderwandungen durch die Strahlung
das zulässige Maß nicht überschreitet.
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Der Fortsatz 2 kann aber auch als überträger der Kolbenleistung auf
das Gestänge ausgebildet werden, oder die Kolbenstange kann durch den hohlen Fortsatz
2 nach außen geleitet werden.
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Die gezeichnete Form der oberen Fläche des StahlgußkoIbens i nach
dem Verbrennungsraum 8 hin ist eine für Verwendung bei Zweitaktrraschinen bekannte.
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Durch zentrische Anordnung des hohlen Kolbenfortsatzes z wird die
Mitte des Kolbens und die Verbindung mit der Kolbenstange von den den Verbrennungstemperaturen
ausgesetzten Wandungen isoliert, d. h. der Teil geschont, der bei vielen Bauarten
übermäßigen Erhitzungen ausgesetzt ist. In den Kolbenfortsatz 2 ragt ein Rohr io
mit durch eine Stange i i beherrschtem Ventil 12 hinein. Diese Vorrichtung dient
zum Einfüllen der zu verdampfenden Flüssigkeit, die zweckmäßig in vorgewärmtem Zustande
eingeführt wird. Man kann diese Flüssigkeit durch Ausnutzung der Abwärme aus dem
Zylindermantel oder aus den Abgasen usw. sogar auf ihre Verdampfungstemperatur bringen,
so daß sofort nach dem Einlassen eine lebhafte Verdampfung beginnt. Es ist zweckmäßig,
die im Kolben zu verdampfende Flüssigkeit auf das benötigte Maß einzustellen, wobei
es sich empfiehlt, einen gewissen überschuß vorzusehen, um die sichere allseitige
Verteilung zu bewirken, was durch Drosselung des Ventiles 15 von Hand geschehen
kann (Abb. ¢). Es kann aber auch vom Motor selbsttätig eine Regelung der einzulassenden
Flüssigkeit erfolgen, z. B. in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärme bzw. der
Leistung. Das Einlaßventil12 kann auch, wie Abb.3 zeigt, vom Kolbenstangenkopf q.
aus gesteuert werden. Es sitzt so tief im Fortsatz 2, damit die zu verdampfende
Flüssigkeit sofort über den Kolbenstangenkopfq.in den hierfür günstigsten Teil des
Hohlraumes auf der Kolbenseite abfließt. Es ist ferner möglich, das Ventil 12 auch
nach Abb. 6 durch eine unrunde Scheibe 16 mit Rolle 17 und Hebel i 8 zu steuern.
Das Wasser kann in dieser Weise intermittierend, d. h. während eines bestimmten
Teiles des Kurbelumlaufes, z. B. während eines Viertels einespritzt werden, und
zwar soll sich dieses' Viertel vorzugsweise zu gleichen Teilen vor und nach derjenigen
Totpunktslage befinden, in deren Nähe die ,größte Wärmeentwicklung stattfindet.
Die Flüssigkeitsmenge, deren Überschuß bei jedem Hub herausgeschleudert wird, kann
so klein gehalten werden, daß sie selbst bei diesem Schleudervorgang keine störende
Wirkung im Gang der Maschine verursacht. Einführen und Ausschleudern der Kühlflüssigkeit
bzw. des Dampfflüssigkeitsgemisches kann entweder durch die gleiche Öffnung des
hohlen Kolbenfortsatzes 2 erfolgen (rechte Hälfte der Abb. i), oder es kann die
Kühlflüssigkeit verniittels Organe, wie Gelenkrohr ig (Abb. 4.), dem unteren Teil
des hohlen Kolbenmantels zugeführt werden, um als Dampf oder Dampfflüssigkeitsgemisch
durch die AbdampföfF-nung des Fortsatzes 2 fortgeschleudert zu werden. _ 2o sind
Ablenkbleche für . die herausgeschleuderte Flüssigkeit. Die Brennstoifeinspritzdüse
ist mit 21 bezeichnet. Sie kann, wie Abb. 5 zeigt, im Innern des Kessels
13
angebracht sein, dessen Aufbau durch Vermeidung von Einbuchtungen, wie in Abb. ,1
links, wesentlich vereinfacht wird.
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Durch Verdampfung von Wasser unter Druck (z. B. etwa 8 Atm.), wie
es mit den in den Abb. ¢ bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen möglich ist,
in denen ein geschlossener Flüssigkeitsbehälter 13 den Kolbenfortsatz 2 umgibt,
wird die mittlere Temperatur der Kolbenwandungen gesteigert, dabei aber doch gleichmäßig
bleibend (z. B. auf etwa i 8o° C). Es hat dies den Vorteil, daß die zuverlässige
Zündungstemperatur mit einem kleineren Kompressionsgrad erreicht wird als bei nur
wassergekühlten Motoren. Auch entstehen bei Fehlzündungen im Verhältnis zur Verminderung
des Kompressionsdruckes kleinere überdrucke. In diesen Vorzügen liegt eine weitere
Möglichkeit der Vergrößerung der Einheitsleistung. Aus denselben Gründen kann aber
trotz dieser Vergrößerung das Gestänge leichter gebaut werden.
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Der unter Druck erzeugte Dampf wird durch Leitung 1q. abgeführt und
kann allein oder mit Dampf anderer Herkunft in an sich bekannter Weise in derselben
Maschine oder in einer besonderen, z. B. mit der Verbrennungskraftmaschine gekuppelten
Dampfmaschine ausgenutzt werden, was den Nutzeffekt der Verbrennungskraftmaschine
erhöht. Dieselbe Dampfmaschine kann auch mittels Dampf aus einem besonders gefeuerten
Zusatzkessel als Anwurfmaschine für die Verbrennungskraftmaschine verwendet werden
als Ersatz der bei Dieselmotoren üblichen Anwurfsmittel. Der Dampf aus dem Kolben
wird erst nach Einsetzen des Betriebes hinzu erzeugt. Natürlich kann dieser Kolbendampf
auch zum Antrieb von Hilfsmaschinen, wie Spüler usw., verwendet werden. Um den Hohlraum
6 nicht so oft von Rückständen reinigen zu müssen, ist es zweckmäßig, wenn nicht
vollkommen reines Wasser zur Verfügung steht, den Dampf zu kondensieren. Eine besondere
Lösung ist später bei Erwähnung der Abb. 6 beschrieben. Auch kann ein Teil der Wärme
dieses Dampfes Verwendung finden durch Destillation von Rohwasser, um die Leckageverluste
zu ergänzen. Es ist zweckmäßig, um die Kompressionswirkung auszugleichen, mehrere
Dampfräume solcher Maschinen untereinander zu verbinden.
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Der Verdampferraum des Kolbens kann auch in offener Verbindung mit
dem Dampfraum des als Dampfkessel ausgebildeten Zylinderkühlmantels 2:1 stehen,
so daß durch diese Vereinigung ein gemeinsames Dampfkesselsystem entsteht, wodurch
der Verbrennungsraum 8 vollständig von Wandungen umgeben ist, die einen vollkommenen
oder angenähert vollkommenen Temperaturausgleich besitzen und die sämtliche Abwärme,
mit Ausnahme die der Abgase, nutzbringend abfangen (Abb. q. beide Hälften, sowie
Abb.5 linke Hälfte). Dabei kann das im Kolben zu verdampfende Wasser dem Wasserkörper
des Mantelkessels entnommen werden, wie in Abb. 5 linke Hälfte punktiert angedeutet
ist, wo eine Pumpe 22 diese Förderung bewerkstelligt. Diese Anordnung hat den weiteren
Vorteil, daß sich die im Wasser in Lösung befindlichen Salze usw. nicht im Kolben,
sondern vorzugsweise im Zylindermantel 24 ausscheiden. Wird dem obigen System noch
ein Abgaskessel (nicht dargestellt) angegliedert, so wird eine weitere Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit der Verbrennungskraftmaschine erreicht.
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Es sind aber auch andere Kombinationen der thermischen Einrichtungen
möglich, z. B. nach Abb.5 rechte Hälfte die Verwendung des Zylindermantels 24 als
Vorwärmer für einen oder mehrere Kolbenverdampfer, zu welchem Zweck konzentrische
Blechstreifen 25 in den hohlen Zylindermantel eingebaut sind. Im übrigen ist nach
der rechten Hälfte der Abb.5 sowie nach Abb.6 der Inhalt des Zylindermantels vom
Dampfkessel 13 getrennt. Eine Pumpe 26 fördert das Wasser durch den Zylindermantel.
In Abb.6 ist gezeigt, wie die überschüssige Flüssigkeit durch eine Pumpe 27 im Kreislauf
gehalten wird; der verdampfte Teil der Flüssigkeit wird ergänzt durch Einführung
des Ersatzes bei 28.
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Die Erfindung kann bei Kolben beliebiger Achsenstellung und bei Verbrennungskraftmaschinen
beliebigen Systems Anwendung finden, also auch bei Gegenkolbenmaschinen und doppeltwirkenden
Motoren. Bei letzteren wird der innere Kolbenraum zweckmäßig in die verdickte Kolbenstange
im Bereich der Stopfbüchsen fortgesetzt.