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Flüssigkeitsgekühlter Kolben, vorzugsweise für Brennkraftmaschinen,
bei welchem das Kühlmittel einer Ringkammer zugeführt wird Die Erfindung bezieht
sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Kolben, vorzugsweise für Brennkraftmaschinen.
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Bekanntlich wird das kalte Kühlmittel im Kolben so geleitet, daß es
zunächst die Ringpartie bespült und dann der Innenfläche des Kolbenbodens Wärme
entzieht, um schließlich wieder in das Kolbeninnere oder in den Ölsumpf zurückzukehren.
Tauchkolben, bei denen das geführte Kühlmittel zunächst die Ringpartie bespült,
weisen verschiedenartige Ausführungen der Kühleinrichtungen auf. So wird z. B. das
Kühlmittel durch die hohlgebohrte Pleuelstange und besondere Bohrungen in einen
Kolbenbolzenstuhl gedrückt und gelangt in den Raum zwischen dem Kolbenschaft und
dem Bolzenstuhl. Dabei entsteht eine sogenannte Pendelkühlung, die von der Kolbenbewegung
stark beeinflußt wird.
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Es ist ferner auch nicht mehr neu, die Kühleinrichtungen für Kolben
so auszuführen, daß hinter der Ringpartie ein besonderer Kühlmittelraum vorgesehen
ist, durch den das besonders zugeleitete Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit strömt.
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Mitunter sind auch Rippen vorgesehen, die vom Kolbenmantel aus in
einen trogartig gestalteten Kühlmittelraum radial hineinragen und vom Kolbenkopf
nach unten weisen. Die Rippen teilen diesen Raum jedoch nicht kammerartig auf, sondern
erlauben einen Durchfluß des Kühlmittels und eine Bewegung desselben an den Rippen
vorbei. Sie dienen daher lediglich dazu, die Wärme von der Ringpartie an das Kühlmittel
abzuführen.
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Die bekannten Ausführungen nehmen keine Rücksicht auf die ungleichmäßige
Erwärmung der einzelnen Kolbenteile und führen die Kühlflüssigkeit willkürlich sowohl
zu den heißesten als auch zu den kühlsten Stellen des Kolbens, um diese gleichzeitig
zu umspülen.
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Dieser Nachteil ist durch die Erfindung vermieden. Der Kolben besitzt
eine Pendelkühlung und eine Ringkammer, welcher das Kühlmittel zugeführt wird, das
sie nur zum Teil ausfüllt. Die Ringkammer ist längs des Kolbenhemdes und der Ringpartie
angeordnet und weist radial von der letzteren in das Kolbeninnere sich erstreckende
Rippen auf. Das Kühlmittel gelangt durch Öffnungen in einer Innenwand der Ringkammer
in das Kolbeninnere. Erfindungsgemäß verbinden die Rippen die Ringpartie und das
Kolbenhemd einerseits mit einer parallel im gleichen Abstand von der Ringpartie
liegenden Innenwand andererseits und sind, in Richtung der Kolbenachse vom Kolbenboden
aus gemessen, verschieden lang und können, im Umfang gemessen, einen verschieden
großen gegenseitigen Abstand aufweisen. Hierdurch gelingt es, entsprechend der verschieden
großen thermischen Beaufschlagung der einzelnen Bereiche des Kolbenbodens und der
Ringpartie, verschieden große Kammern entstehen zu lassen, aus denen das Kühlmittel
durch verschieden große Durchbrechungen in der Innenwand austritt.
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Die erfindungsgemäße Ausführung erlaubt somit z. B. bei einem Tauchkolben
für eine schlitzgespülte Zweitaktmaschine, das Kühlmittel so zu leiten, daß in der
Nähe der durch den Kolben gesteuerten Auslaßöffnung eine wesentlich intensivere
Kühlung durchgeführt wird als an der Stelle des Kolbenschaftes, die den Zylinder
an einer kälteren Stelle berührt. Die gleiche Maßnahme ist auch anwendbar bei Kolben
von ventilgesteuerten Viertaktmaschinen, bei denen bekanntlich in der Nähe des Brennraumes
und der Auslaßventile eine wesentlich höhere Erwärmung des Kolbens besteht als beispielsweise
auf der Seite, die unterhalb des Saugventils liegt. Bei einem Kolben mit Bolzenstuhl,
für welchen es bereits bekannt ist, das Kühlmittel in einem Ringraum zwischen Kolbenhemd
und Bolzenstuhl unterzubringen und für die Ölzufuhr die Pleuelstange zu durchbohren
und auch den Kolbenbolzen mit Bohrungen zu versehen, so daß das Öl aus dem hohlen
Kolbenbolzen in den vorerwähnten Ringraum auszutreten vermag, in welchem es während
des Betriebes zwischen Kolbenboden und Ringraumunterfläche hin- und herpendeln kann,
sind ebenfalls im Oberteil, also unterhalb des Kolbenbodens hinter der Ringpartie
Rippen vorgesehen, die in das Innere des Kolbens hineinragen und je. nach der thermischen
Beanspruchung verschiedene Länge aufweisen, um auf diese Weise eine größere oder
kleinere Oberfläche vom pendelnden Kühlöl benetzen zu lassen. Um einen gesteuerten
Ölumlauf
auch in horizontaler Richtung zu ermöglichen, ist der Raum im Oberteil des Kolbens
durch zwei oder mehrere Öffnungen in einer Innenwand zwischen Kolbenboden und Bolzenauge
unterbrochen, so daß die Kühlmittelmenge, die an dieser Stelle beim Lauf des Motors
hin- und herpendelt, aus diesem Raum nach dem Kolbeninnern auszutreten vermag. Die
durch die Rippen gebildeten Ölkammern werden bei der Kolbenbewegung zum Teil gefüllt
und auch wieder entleert, wobei das Kühlmittel in einer gleich dosierten Menge an
der einen Stelle den Ringraum verläßt und nach dem Kolbeninneren abströmt, nachdem
es sich an der Rippenkühlung beteiligt hat. Wenn mehrere Abflußöffnungen nach dem
Kolbeninneren vorgesehen sind, kann an der heißesten Stelle des Kolbens die Ausflußöffnung
größer als an der kühleren Stelle bemessen werden. Hierdurch wird entsprechend dem
unterschiedlichen Querschnitt der Öffnung eine größere Menge des Kühlmittels an
der heißeren Stelle des Kolbens abgeleitet. Gleichzeitig können jedoch auch die
vertikal nach dem Kolbeninnern ragenden Rippen, die zwischen der Ringpartie und
dem Innenteil des Kolbens in der Nähe des heißeren Teiles vorgesehen sind, wesentlich
länger ausgeführt werden als die Rippen am kälteren Teil. Auch besteht die Möglichkeit,
den Abstand zwischen je zwei benachbarten Rippen verschieden groß entsprechend den
thermischen Beanspruchungen zu wählen. Sofern nur eine Abflußöffnung am gesamten
Umfang vorgesehen wird und die Kühlflüssigkeit durch ein Strahlrohr in den Ringraum
hinter die Ringpartie gelangt, kann die Abflußöffnung je nach der unterschiedlichen
Temperatur der Ringpartie und des Kolbenbolzens einseitig am Umfang angeordnet werden,
so daß die Kühlflüssigkeit von der Eintrittsöffnung bis zur Austrittsöffnung an
der heißeren Stelle des Kolbens einen wesentlich kleineren Weg zurückzulegen hat
als an den kühleren Teilen.
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Wird zur Zuführung des Kühlmittels ein sogenanntes Strahlrohr verwendet,
so ist dafür zu sorgen, daß es tunlichst so weit in das Kolbeninnere hineinragt,
daß die kalte Kühlflüssigkeit im unteren Totpunkt des Kolbens möglichst die heißeste
Stelle im Kolbeninneren beaufschlagt. Die Durchtrittsöffnung des Strahlrohres in
das Kolbeninnere ist dabei so zu bemessen, daß durch sie ein Abfließen des Schmieröles
verhindert wird und außerdem ein wesentlicher Teil des Kühlmittels auch bei stillstehendem
Motor im unteren Teil des Kolbens zurückbleibt. Das= abfließende Kühlöl kann beispielsweise
bei .einem Stuhlkolben nach- dem Kolbeninnern über den Stuhl abgeleitet werden und
dort nochmals die Rippen zwischen Kolbenboden und Kolbenbolzenstuhl bestreichen
und die daselbst anfallende Wärme aufnehmen. Der Rücklauf des Öles ist in diesem
Fall so zu steuern, daß sich auch in diesem Raum .dauernd eine kleine Ölmenge befindet,
die beim Anlaufen des Motors sofort zwecks Kühlung zur Verfügung steht. Aber auch
bei einem Kolben ohne Kolbenbolzenstuhl kann das Innere oberhalb des Kolbenbolzens
von dem rücklaufenden Kühlmittel zusätzlich bespült werden und auf diese Weise auch
die Mitte des Kolbenbodens kühlen.
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Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens.
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Abb. 1 zeigt im Längsschnitt einen Stuhlkolben. Abb.2 veranschaulicht
.den gleichen Kolben in einem Teilschnitt, und zwar in der linken Hälfte nach einem
um 90° versetzten Längschnitt zur Abb. 1 und in der rechten Hälfte so, daß nur ein
Teil des Kolbens im Schnitt erscheint; Abb. 3 stellt die Abwicklung der Verrippung
hinter der Ringpartie unterhalb des Kolbenbodens dar. Außerdem ist in dieser Darstellung
auch die Schlitzgröße eines Zweitaktzylinders angedeutet; Abb. 4 läßt einen Längsschlitz
durch einen Kolben erkennen, bei dem das Kühlmittel durch ein Strahlrohr zugeführt
wird. Auch hier ist die eine Hälfte gegenüber der anderen Hälfte um 90° versetzt
zu denken; Abb. 5 ist ein Querschnitt durch die Ringpartie des Kolbens nach Abb.
4.
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Der Kolben, wie ihn die Abb. 1 und 2 veranschaulichen, besteht aus
dem Kolbenhemd a und dem Bolzenstuhl b. In dem letzteren ist der Kolbenbolzen c
mit den Bohrungen f gelagert. Aus der Pleuelstange d mit den Bohrungen e
tritt das Kühlmittel durch den hohlgebohrten Kolbenbolzen c in einen Ringraum g,
der vom Kolbenhemd a und dem Bolzenstuhl b gebildet ist. Das Kühlmittel pendelt
während der Bewegung des Kolbens von dem Unterteil des Ringraumes g in die einzelnen
kammerartigen Räume h, die zwischen den Rippen i liegen und sich vom Kolbenboden
aus axial nach dem Kolbeninneren erstrecken und nach dem Kolbeninneren hin durch
eine Innenwand y abgeschlossen werden. Die letztere weist Durchbrechungen h und
Z auf und gestattet dem Kühlmittel einen Durchtritt in den Innenraum m im Oberteil
des Kolbens. Der Rückfluß des Kühlmittels in das Kurbelgehäuse bzw. den Ölsumpf
erfolgt durch Öffnung n.
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Entsprechend der Darstellung in der Abb.3 sind die Auslaßöffnungen
eines Zweitaktzylinders bei o noch eingezeichnet. Die Länge der Kühlrippen ist verschieden.
Die langen Kühlrippen p befinden sich in der Nähe der Auslaßöffnungen, während die
kürzeren Kühlrippen q in größerer Entfernung davon vorgesehen sind (Abb.3).
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Der Innenraum, der entsprechend der Kolbengestaltung nach Abb. 4 das
Kühlmittel aufnimmt, ist mit bezeichnet, während die Kühlrippen zwischen der Ringpartie
und dem Kolbeninnenteil das Bezugszeichen s tragen. Das Kühlmittel wird durch ein
Stahlrohr t und den dazugehörigen durchbohrten Halter 2z als Ölzuleitung in den
Ringraum y gedrückt. Das Strahlrohr t ist durch eine Bohrung w geführt,
so rlaß sich der Kolben ungehindert längs des Strahlrohres hin- und herbewegen kann.
Der Hub des Kolben ist so lang bemessen, daß das Strahlrohr t nahezu aus der Bohrung
w heraustreten kann. Das Kühlmittel wird dann in einem freien Strahl .durch die
Bohrung w his in den oberen Bereich des Ringraumes r gespritzt.
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Das Kühlmittel gelangt bei der Kühleinrichtung nach den Abb. 1 und
2 in den Kanal e der Pleuelstange d und von da durch die Bohrungen
f in den Kolbenbolzen und von dort in den Ringkanal g, woselbst es sich gleichmäßig
verteilt und beim Hin- und Hergehen des Kolbens die Innenwand des Kolbenschaftes
und der Ringpartie sowie die Oberfläche der Rippen i bespült. Durch die Pendelbewegung
wird von den heißen Teilen oberhalb des Kolbenbolzens auf diese Weise die Wärme
abgeführt.
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Um eine Steuerung des Kühlmittels entsprechend der thermischen Beaufschlagung
der einzelnen Teile des Kolbens am Kolbenboden und in der Ringpartie vorzunehmen,
ist die Rückflußöffnung k, die sich zwischen zwei Rippen p befindet, um das Mehrfache
größer als die Rückflußöffnung Z zwischen zwei Rippen q. Infolgedessen wird das
Kühlmittel beim Hin-und Hergehen des Kolbens in weitaus größeren Mengen durch die
Öffnungen k nach dem Inneren des Kolbens austreten und in wesentlich kleineren Mengen
durch
die Öffnungen l den unter dem Kolbenboden befindlichen Ringraum verlassen. Die Kühlmittelmenge
ist jedoch nicht nur durch die Größe der Öffnungen von k und L bestimmt,
sondern auch durch den Rauminhalt, der durch die Längen der Rippen p und q vorgeschrieben
ist. Bei langen Rippen p ist das Kühlmittelvolumen wesentlich größer, während sich
zwischen zwei kurzen Rippen q eine wesentlich kleinere Ölmenge befindet, so daß
aus der Nische zwischen zwei Rippen q auch eine geringere Menge in das Kolbeninnere
austreten kann. Durch diese Einrichtung gelingt es, einen Kolben für einen Zweitaktmotor
in der Nähe der Auslaßschlitze o wesentlich intensiver zu kühlen als auf der den
Schlitzen gegenüberliegenden Seite. Die Kühlverhältnisse für einen solchen können
an der Abwicklung nach Abb. 3 verfolgt werden. Sie sind in dem Zustand dargestellt,
bei dem sich die Oberkante des Kolbens bei der teilweisen Öffnung der Schlitze im
Zylinder befindet.
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Sehr hochbeanspruchte Kolben, die eine außerordentlich große Kühlflüssigkeitsmenge
benötigen, verlangen, daß der Kühlraum r bis an die Kolbenunterkante reicht. Indem
die Bohrung zu (Abb. 4 und 5) sich so weit erstreckt, wird verhindert, daß bei stillstehendem
Motor das Kühlmittel abläuft.
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Die Abb. 4 und 5 lassen weiterhin erkennen, daß die Öffnung für das
zurückfließende Kühlmittel nicht genau der Öffnung des Strahlrohres t gegenüber
angeordnet sein muß. Sie wird vielmehr tunlichst so weit in den Umfang des Kolbens
verschoben, daß die thermisch höher beanspruchte Stelle des Kolbens entsprechend
stärker gekühlt wird als der übrige Umfang. Erreicht ist dies, wie der Abb. 4 entnommen
werden kann, dadurch, daß die einzelnen Räume zwischen den Rippen s ungleich verteilt
werden. Es besteht ferner auch noch die Möglichkeit, diese Merkmale gleichzeitig
bei der Durchbildung und Bemessung der Rippen so vorzusehen. Das zurückfließende
Öl bewegt sich durch Öffnungen v in das Kolbeninnere bzw. in den Ölsumpf, woselbst
auch ein Teil des Öles stets zurückbleibt, so daß schon beim Wiederanlassen des
Motors die Pendelkühlung wirkam wird.
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Wird ein Kolbenbolzenstuhl im Kolbenkörper vorgesehen, kann eine Verdrehung
desselben gegenüber dem Kolbenhemd ohne weiteres erfolgen. Soll sie verhindert werden,
wie dies beispielsweise dann der Fall ist, wenn der Kolben mit einer einseitigen
Kühlwirkung für schlitzgesteuerte Zweitaktmotoren oder für solche Viertaktmotoren
gebraucht wird, deren Kolbenboden durch das Verbrennungsverfahren örtlich eine Überhitzung
erleidet, ist ein Sicherungsstift x (Abb.2) vorgesehen.