CH238210A - Device for cooling. - Google Patents

Device for cooling.

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CH238210A
CH238210A CH238210DA CH238210A CH 238210 A CH238210 A CH 238210A CH 238210D A CH238210D A CH 238210DA CH 238210 A CH238210 A CH 238210A
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CH
Switzerland
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coolant
cooling
pressure
tubes
cast
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Application number
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German (de)
Inventor
Aktiengesellschaft Gebr Sulzer
Original Assignee
Sulzer Ag
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • F02F3/20Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  

  Vorrichtung zur Kühlung.    Die Erfindung     betrifft    eine     Vorrichtung     zur Kühlung von unter Biegebeanspruchung  stehenden     Teilen    von     Brennkraftmaschinen     und besteht darin, dass das     Kühlmittel    durch  in die druckbeanspruchte Zone eingegossene  Rohre geführt wird, zum Zweck, einerseits  zur     Kühlung,    anderseits zur     Herabminderung     der thermischen     Zugspannungen    der dem Ver  brennungsgas abgewendeten Seite des Körpers  zu dienen.

   Die eingegossenen Rohrschlangen  können vor dem Eingiessen mit Versteifungs  rippen versehen     sein.    Vorteilhaft werden min  destens zwei parallel geschaltete     Rohrstränge     angeordnet, welche     Durchbrechungen    im Kör  per eng umschliessen. Die Rohre können in  Rippenkörper eingebettet sein, um Material  anhäufungen an den der erwärmten Seite  abgewendeten     Wandpartien    zu vermeiden.  



  Normalerweise werden Maschinenelemente,  welche einen     unter    Druck stehenden, mit einem  heissen Mittel gefüllten Raum     umschliessen,     insbesondere Kolben und     Zylinderdeckel    von       Brennkraftmaschinen,    durch einen     Strom    eines  Kühlmittels auf ihrer Aussenseite gekühlt. Es    ist Bekannterweise     möglich,    durch Bohrungen  das Kühlmittel nahe an die gasberührte Ober  fläche heranzubringen und     dadurch    die Wärme  beanspruchungen herabzusetzen.

   Da diese Boh  rungen nur     geradlinig    und nicht in Schlangen  oder Bogen     ausgeführt    werden können, sind       für        die    Anwendung dieses Prinzips enge  Grenzen gezogen. Wärmeabfuhr nahe an der       Oberfläche    von fast beliebig schwierigen Bau  formen     wird    bei der vorliegenden Vorrichtung  dadurch erreicht, dass das     Kühlmittel    in Rohren  geführt wird, welche in dem     betreffenden     Körper eingebettet sind.

   Dadurch, dass die  Rohre in die druckbeanspruchte Zone der  Wandung eingegossen werden, können unter  keinen Umständen Zugbeanspruchungen zwi  schen den Rohren und     ihrer    Umgebung auf  treten, welche die     Bindung    der beiden     aufheben.     



  Ausführungsbeispiele des     Erfindungsgegen-          standes    sind auf der     Zeichnung    schematisch  dargestellt.  



  Die bei der bisherigen     Konstruktion    auf  tretenden Beanspruchungsverhältnisse gehen  aus den     Fig.    1 und 2 hervor.           Fig.    3 zeigt einen     achsialen    Schnitt durch  den Arbeitszylinder,     Fig.    4 einen Schnitt durch  den Deckel eines ersten Beispiels,     Fig.    5 zeigt  einen andern Kolben im Schnitt nach     III-IlI     in     Fig.    6 und     Fig.    6 einen Schnitt durch die  Linie     III-III    von     Fig.    3.  



  In     Fig.    1 ist eine Kurve     a    eingezeichnet,  welche die mechanische Beanspruchung eines  Kolbenbodens in     Funktion    der Wandstärke  darstellt. Wenn die Wandstärke gross ist, ist  die mechanische Beanspruchung klein. Bei  gleichen Kolbenabmessungen und erhöhtem  Druck wird die Kurve     ai    erhalten. b ist die  thermische Beanspruchung. Sie steigt mit stei  gender Wandstärke und hängt ab von den  Temperaturen beidseitig des Kolbenbodens.

    Die resultierende Beanspruchung ist durch die  Kure c dargestellt, die gleich ist der Summe  der Kuren     a    und<I>b.</I> Aus der Kure<B>ei,</B> die  gleich der     Summe    der Kurven     a,    und b ist,  ist ersichtlich, dass durch höheren Druck auf  den Kolbenboden durchwegs höhere resul  tierende Beanspruchungen entstehen.  



  In den Kurven c und ei entsteht bei einer  bestimmten Wandstärke ein Minimum der  totalen (resultierenden)     Beanspruchung.     



  Wenn man den Druck erhöht und gleich  zeitig die Wandstärke verstärkt, so dass die  mechanische Beanspruchung gleich bleibt, so  bleibt die Kurve     a    unverändert     (Fig.    2). Die  Kure b verschiebt sich infolge grösseren  Temperaturabfalls in der nun dickeren Wand  nach     bi,    d. h. verläuft steiler. Die resultierende  neue Kurve ei liegt wiederum höher als die  resultierende Kurve c.  



  Wie auch vorgegangen wird, entspricht  also einer höheren mechanischen oder thermi  schen Belastung eine grössere resultierende  Beanspruchung. Diese Beanspruchung steigt  mit dem Durchmesser, so dass die übliche  Kolbenkonstruktion durch die Materialeigen  schaften auf gewisse Durchmesser- und Be  lastungsgrenzen beschränkt ist.  



  Beim Ausführungsbeispiel nach der Er  findung     (Fig.    3 und 4) ist die Zylinder  laufbüchse 1 mit     Einlasskanälen    2 für die       Einlassluft    und mit     Auslasskanälen    3     für    die       Auspuffgase    verbunden. Der Kolben 4 ist in    der innern     Totpunktstellung    dargestellt. Auf der       Zy        linderlaufbüchse    1 ist der Deckel 5 ange  ordnet, der durch einen Ring 6 und Schrauben 7  mit dem Mantel 8, 9 verbunden ist.

   Im Deckel 5  ist das     Brennstoffventil    10 und das     Anlass-          ventil    11 vorgesehen. Die Schubstange 12 ist  an einem Kolbenzapfen 13 befestigt. Zwischen  dem Einsatzzylinder 1 und dem     Mantel    8  bzw. 9 ist ein Kühlraum angeordnet, wobei  das Kühlmittel in 26 eingeführt und durch  die Leitung 2 7 wieder abgeführt wird. Für  die     Kühlung    des Zylinderdeckels 5 ist eine       Kühlmittelleitung    14 vorgesehen, wobei das  Kühlmittel     beispielsweise    durch in die druck  beanspruchte Zone     eingegossene    Rohre 15 ge  führt ist.

   Diese     Kühlmittelleitung    kann aus  zwei parallel geschalteten Rohrsträngen, z. B.  Rohrschlangen 16 und 17 bestehen, so dass  die     Öffnungen    für das     Anlassventil    11 und die       Öffnungen    für das     Brennstoffventil    10 eng  umschlossen sind. Der     Auslass    des Kühlmittels  erfolgt durch die Leitung 18.  



  Für den Kolben 4 sind die Kühlrohre 20  ebenfalls in die druckbeanspruchte Zone ein  gegossen, wobei durch ein Posaunenrohr 21  das Kühlmittel zugeführt, durch die     Auslass-          leitung    22 in den Raum 23 entleert und durch  das Posaunenrohr 24 abgeleitet wird.  



  An     Stelle    eines     kreisrunden    Rohrprofils  können auch abgeplattete Rohrprofile ver  wendet werden, wobei die einzelnen Rohr  stränge näher angeordnet werden können und  die Länge des vom     Wärmestrom    durchflossenen  Weges verringert wird. Die Rohrschlangen 15  bzw. 20 können zur Erleichterung des Ein  giessens ebenfalls mit Versteifungsrippen 34  versehen sein, welche ebenfalls mehrheitlich  innerhalb der druckbelasteten Zone liegen.  



  In     Fig.    5 ist ein anderes Beispiel darge  stellt. Das Kühlmittel wird durch nichtge  zeichnete Posaunenrohre und durch die Lei  tung 30 eingeführt und durch die Leitung 31  abgelassen. Das Kühlmittel kann aber auch  durch die Rohre 31 eingeführt und durch das  Rohr 30 abgeführt werden. Zwischen den  Rohren 20 sind Distanzstücke 33 angebracht,  um den Rohrschlangen 20     während    des     C1iessens     eine genügende Festigkeit zu verleihen. Der      Kolbenboden selbst ist als Rippenkörper, z. B.  mittels     Kreuzrippen    34, ausgebildet, um     14Ta-          terialanhäufungen    an den der erwärmten Seite  abgewendeten Wandpartien 35 zu vermeiden.  



  Die Rohrschlangen 15 bzw. 20 können vor  dem Eingiessen mit Sandstrahlgebläsen be  handelt werden, um eine metallische Ver  bindung zwischen Rohr- und     Gussstück    zu  erzielen. Gegebenenfalls können die Rohre vor  dem Eingiessen auch luftleer gemacht oder  mit einem     inerten    Gas, z. B.     Stickstoff,    ge  füllt werden, um     Verzunderungserscheinungen     beim Giessen zu vermeiden.



  Device for cooling. The invention relates to a device for cooling parts of internal combustion engines that are subject to bending stress and consists in that the coolant is passed through pipes cast into the pressure-stressed zone, for the purpose of cooling on the one hand and reducing the thermal tensile stresses on the side facing away from the combustion gas on the other to serve the body.

   The cast coils can be provided with stiffening ribs before casting. Advantageously, at least two parallel pipe strings are arranged which closely enclose openings in the body. The tubes can be embedded in rib bodies in order to avoid material accumulations on the wall sections facing away from the heated side.



  Normally, machine elements which enclose a pressurized space filled with a hot medium, in particular pistons and cylinder covers of internal combustion engines, are cooled on their outside by a flow of a coolant. It is known that it is possible to bring the coolant close to the upper surface in contact with the gas through holes and thereby reduce the thermal stress.

   Since these holes can only be carried out in a straight line and not in snakes or arcs, narrow limits are drawn for the application of this principle. Heat dissipation close to the surface of almost any difficult construction is achieved in the present device in that the coolant is guided in tubes which are embedded in the body in question.

   Because the pipes are poured into the pressure-stressed zone of the wall, under no circumstances can tensile stresses occur between the pipes and their surroundings, which break the bond between the two.



  Embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically in the drawing.



  The stress conditions occurring in the previous construction are shown in FIGS. 1 and 2. 3 shows an axial section through the working cylinder, FIG. 4 shows a section through the cover of a first example, FIG. 5 shows another piston in section III-III in FIG. 6 and FIG. 6 shows a section through line III -III of Fig. 3.



  In Fig. 1, a curve a is drawn, which represents the mechanical stress on a piston crown as a function of the wall thickness. If the wall thickness is large, the mechanical stress is small. The curve ai is obtained with the same piston dimensions and increased pressure. b is the thermal stress. It increases with increasing wall thickness and depends on the temperatures on both sides of the piston crown.

    The resulting stress is shown by the curve c, which is equal to the sum of the curves a and <I> b. </I> From the curve <B> ei, </B> which is equal to the sum of the curves a and b is, it can be seen that higher pressure on the piston crown results in higher stresses.



  In curves c and ei, a minimum of the total (resulting) stress occurs at a certain wall thickness.



  If the pressure is increased and the wall thickness is increased at the same time, so that the mechanical stress remains the same, curve a remains unchanged (FIG. 2). The curve b shifts due to the greater temperature drop in the now thicker wall to bi, i.e. H. runs steeper. The resulting new curve ei is in turn higher than the resulting curve c.



  As is also the case, a higher mechanical or thermal load corresponds to a greater resulting stress. This stress increases with the diameter, so that the usual piston design is limited by the material properties to certain diameter and loading limits.



  In the embodiment according to the invention (Fig. 3 and 4), the cylinder liner 1 is connected to inlet ducts 2 for the inlet air and to outlet ducts 3 for the exhaust gases. The piston 4 is shown in the inner dead center position. On the cylinder barrel 1 Zy the cover 5 is arranged, which is connected to the jacket 8, 9 by a ring 6 and screws 7.

   The fuel valve 10 and the starter valve 11 are provided in the cover 5. The push rod 12 is attached to a piston pin 13. A cooling space is arranged between the insert cylinder 1 and the jacket 8 or 9, the coolant being introduced into 26 and discharged again through the line 27. A coolant line 14 is provided for cooling the cylinder cover 5, the coolant being guided, for example, through pipes 15 cast in the pressure-stressed zone.

   This coolant line can consist of two parallel pipe runs, for. B. coils 16 and 17 exist, so that the openings for the starting valve 11 and the openings for the fuel valve 10 are tightly enclosed. The coolant is discharged through line 18.



  For the piston 4, the cooling tubes 20 are also poured into the pressure-stressed zone, the coolant being fed through a trombone tube 21, emptied through the outlet line 22 into the space 23 and discharged through the trombone tube 24.



  Instead of a circular pipe profile, flattened pipe profiles can also be used, whereby the individual pipe strands can be arranged closer and the length of the path through which the heat flow flows is reduced. The coils 15 and 20 can also be provided with stiffening ribs 34 to facilitate the pouring, which are also mostly within the pressure-loaded zone.



  In Fig. 5, another example is Darge provides. The coolant is introduced through the trumpet tubes, not shown, and through the line 30, and is drained through the line 31. However, the coolant can also be introduced through the tubes 31 and discharged through the tube 30. Spacers 33 are attached between the tubes 20 in order to give the tube coils 20 sufficient strength during pouring. The piston head itself is designed as a rib body, e.g. B. by means of cross ribs 34, designed to avoid 14 accumulations of material on the wall sections 35 facing away from the heated side.



  The coils 15 and 20 can be treated with sandblasting before pouring in order to achieve a metallic connection between the pipe and the casting. If necessary, the pipes can also be evacuated or filled with an inert gas, e.g. B. nitrogen, are filled to avoid scaling phenomena when pouring.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Vorrichtung zur Kühlung von unter Biege beanspruchung stehenden Teilen von Brenn- kraftmaschinen, dadurch.gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch in die druckbeanspruchte Zone eingegossene Rohre geführt wird, zum Zweck, einerseits zur Kühlung, anderseits zur Herabminderung der thermischen Zug spannungen der dem Verbrennungsgas abge wendeten Seite des Körpers zu dienen. <B>UNTERANSPRÜCHE:</B> 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die eingegossenen Rohrschlangen mit Versteifungsrippen ver sehen sind. 2. PATENT CLAIM: Device for cooling parts of internal combustion engines that are subject to bending stress, characterized in that the coolant is guided through pipes cast into the pressure-stressed zone for the purpose of cooling on the one hand and reducing the thermal tensile stresses in the combustion gas on the other turned away side of the body to serve. <B> SUBClaims: </B> 1. Device according to patent claim, characterized in that the cast coils are provided with stiffening ribs. 2. Vorrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass mindestens zwei parallel geschaltete Rohrstränge angeordnet sind, welche Durchbrechungen im, Körper eng umschliessen. 3. Vorrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Rohre in Rippen körper eingebettet sind, zum Zweck, Material anhäufungen an den der erwärmten Seite abgewendeten Wandpartien zu vermeiden. Device according to patent claim, characterized in that at least two parallel-connected pipe strings are arranged which tightly enclose openings in the body. 3. Device according to claim, characterized in that the tubes are embedded in ribs body, for the purpose of avoiding material accumulations on the wall sections facing away from the heated side.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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