DE2530736C3 - Thermisch belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine mit einer heißen Wand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisch belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine mit einer heißen Wand, insbesondere Zylinderkopf oder Kolben, das zwei durch eine Zwischenwand getrennte Kühlräume aufweist und bei dem durch enge Durchflußöffnungen in der Zwischenwand Kühlflüssigkeit unter Druckabfall aus dem äußeren Kühlraum in den inneren Kühlraum strömt, der an eine Abflußleitung angeschlossen ist, wobei die Kühlflüssigkeitsströme aus den Durchflußöffnungen gegen die heiße Wand gerichtet sind.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-PS 5 11 545 bekannt. Hierbei läuft in einem Zylinderdeckel die dem Wärmeeinfall abgewandte Seite der zu kühlenden Wand geradlinig durch. Soll diese Wand hohe mechanische Beanspruchungen aufnehmen, muß ihre Stärke hinreichend groß bemessen sein. Dies führt in der Wand aber zu einer Erhöhung der Temperaturspannungen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein thermisch belastetes Bauteil der eingangs definierten Art derart auszubilden und mit Kühlmittel zu versorgen, daß eine intensive Kühlung mit hoher Wärmeabfuhr aus den zu kühlenden Wandpartien und niedrige Temperaturspannungen bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit der zu kühlenden Wand erzielbar sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die heiße Wand mehrere, Stege belassende, als zylindrische Hohlräume ausgebildete Kühlvertiefungen aufweist, in deren wandnahen Bereich die Kühlflüssigkeitsströme gerichtet sind, daß ferner die Hohlräume mit mindestens einem Teil ihres wandnahen Bereiches in einen quer zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufenden, an die Abflußleitung angeschlossenen Abströmkanal münden und daß die Hohlräume mit zu einer Mittellängsebene symmetrischen Querschnittshälften ausgebildet sind, wobei in die eine Querschnittshälfte der jeweils aus der Durchflußöffnung austretende Kühlmittelstrom gerichtet ist und die andere Querschnittshälfte mit dem Abströmkanal in Verbindung steht

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einem solchermaßen ausgestalteten Bauteil sind die heißen Wandpartien intensiv kühlbar. Die hervorragende Kühlwirkung kommt dabei dadurch zustande, weil ständig frisches Kühlmittel in die einseitig offenen Kühlvertiefungen unter hohem Druck eingeleitet, dort an deren Wänden zwangsweise entlanggeführt, am Boden ir Gegenrichtung umgelenkt und anschließend wieder aus den Kühlvertiefungen abgeführt wird. Dies erbringt eine hohe Wärmeabfuhr aus der zu kühlenden Zone. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist darin begründet, daß diese universell an einer Brennkraftmaschine, das heißt, sowohl bei bewegten Bauteilen wie Kolben, als auch statisch angeordneten Bauteilen wie Zylinderköpfen oder Zylinderbuchsen, anwendbar ist.

Man kann das der erfindungsgemäßen Lösung zugrunde liegende Kühlprinzip als »Jet-Kühlung« bezeichnen, weil dabei, im Gegensatz zur sogenannten »Shaker-Kühlung«, die Turbulenz in der wärmeübertragenden Grenzschicht des Kühlmediums in unmittelbarer Nähe der zu kühlenden Wandpartie durch die kinetische Energie eines umgelenkten Flüssigkeitsstrahles erzeugt wird. Bei der »Shaker-Kühlung« dagegen, die bekanntlich nur bei Kolben schnellaufender Brennkraftmaschinen anwendbar ist, wird Kühlflüssigkeit in einem teilweise gefüllten Kühlraum durch die am oszillierenden Kolben im oberen und unteren Totpunkt wirkenden Beschleunigungskräfte in eine Plantschbewegung versetzt. Letztere sorgt für die zur Kühlung erforderliche Relativbewegung zwischen der Kühlflüssigkeit und der zu kühlenden Wand. Das Prinzip der »Shaker-Kühlung« beruht mithin zum einen auf Benutzung kolbenseitiger Beschleunigungskräfte, die erst bei höheren Drehzahlen die erforderliche Turbulenz im Kühlmittel erzeugen, und zum anderen darauf, daß der zu kühlende Raum nur teilweise mit Kühlmittel gefüllt ist. Fehlt eines dieser beiden Merkmale, dann ist eine Kühlung entweder überhaupt nicht oder nur in ungenügendem Maße möglich. Ein nach diesem Prinzip der »Shaker-Kühlung« gekühlter Kolben ist aus der DE-PS 10 45172 bekannt. Entsprechend der Zielsetzung der Shaker-Kühlung wird bei diesem Kolben in Kühlräumen eine bestimmte Füllstandshöhe des zur Kühlung verwendeten Kühlöles durch entsprechende Mittel sichergestellt. Als solche Mittel sind Röhrchen offenbart, die zentral in die Kühlräume hineinragen, das Kühlöl zu- oder abführen und in Verbindung mit außerdem in die Kühlräume mündenden Zu- bzw. Abführbohrungen stets eine bestimmte

Kühlmittelmenge in den Kühlräumen zurückhalten. Anstelle über je eine Zuflußbohrung können die Kühlräume auf ihrer der heißen Zone abgewandten Seite an einen Ringkanal angeschlossen sein. Uip eine Entleerung der Kühlräume zum Kurbelraum hin zu verhindern, sind auch bei dieser Lösung Abflußröhrchen vorgesehen, die ein bestimmtes Maß und zentral in die Kühlräume hineinragen. Bei dieser bekannten Lösung wird also, um den gewünschten Füllstand zu sichern, in jedem Kühlraum immer nur jene Kühlölmenge, die aus diesem abgeflossen ist, durch eine entsprechende Menge frischen Kühlöles ersetzt. Dies bedeutet, daß das in den Kühlräumen eingeschlossene Kühlöl immer ein Temperaturniveau aufweisen wird, das um einiges höher als jenes des frisch zugeführten Kühlöles liegt Hieraus wird deutlich, daß das in seinem Temperaturniveau erhöhte, eingeschlossene Kühlöl nie jene Kühlwirkung entfalten kann wie ständig frisches, nur kurzzeitig in den Kühlräumen verweilendes Kühlmittel. Abgesehen davon ist bei diesem bekannten Kolben wegen der Rückführung in den Kurbelraum nur öl als Kühlmittel verwendbar. Kühlöl ist jedoch - wie an sich bekannt - für hohe Kühlleistungen nur bedingt geeignet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Teilschnitt durch einen Zylinderkopf und einen Zylinderbuchsenbund,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II in F i g. 1,

Fig.3 einen senkrechten Teilschnitt durch ein Kolbenoberteil und

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in F i g. 3.

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte Zylinderkopf umfaßt eine einen Brennraum 1 oberhalb eines Kolbens 2 begrenzende Zylinderdeckelwand 3 und ein darüber angeordnetes Zylinderdeckelgehäuse 4. Die Zylinderdeckelwand 3 und das Zylinderdeckelgehäuse 4 sind über innere Spannschrauben 5 sowie nicht dargestellte äußere Spannschrauben fest miteinander verbunden. Im Zylinderdeckelgehäuse 4 sind mehrere Räume 6 vorgesehen, die durch radial verlaufende Querwände mit öffnungen 7 miteinander in Verbindung stehen. Der dargestellte Raum 6 weist weiterhin eine Zutrittsöffnung 8 auf, an die eine nicht dargestellte Kühlflüssigkeitszuführleitung angeschlossen ist. An der der Zylinderdeckelwand 3 benachbarten Wand 9 des Raumes 6 sind radial verlaufende Rippen 10 vorgesehen. Durch die Rippen 10 erstrecken sich eine Anzahl von Durchflußöffnungen 11 geringen Querschnitts.

Die Zylinderdeckelwand 3 weist an der dem Brennraum abgewandten Seite eine Vielzahl von Kühlvertiefungen 12,12a auf, die so gelegt sind, daß die Wände der Kühlvertiefungen entweder mit den Stirnflächen oder Seitenflächen möglichst nah an die dem Wärmeeinfall ausgesetzte Zylinderdeckelwand 3 herangeführt sind. Zwischen den Kühlvertiefungen 12, deren Längsachsen A-A unter einem Winkel von 90° zu der dem Wärmeeinfall ausgesetzten Seite der Zylinderdeckelwand 3 verlaufen, verbleiben Stege 13, die die mechanische Festigkeit der Zylinderdeckelwand 3 erhöhen und es gestatten, die Böden 14 der Kühlvertiefungen 12 bis nahe an die dem Brennraum 1 zugewandte Seite der Zylinderdeckelwand 3 heranzuziehen. Die am weitesten außenliegenden Kühlvertiefungen 12a sind bis in den Bereich eines Randes 15 der Zylinderdeckelwand 3 herabgezogen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlvertiefungen 12, 12a als zylindrische Hohlräume mit einem etwa halbkreisförmig gebogenen Boden 14 ausgebildet Der Boden kann jedoch auch kegelförmig ausgebildet sein. Die runde Ausgestaltung der Querschnittsfläche der Kühlvertiefungen gestattet, diese durch Bohren und Fräsen herzustellen. Soweit die

ί Zylinderdeckelwand durch Gieäen hergestellt wird, besteht auch die Möglichkeit, andere Querschnittsformen, beispielsweise elliptische, vier- oder sechseckige Querschnitte, zu verwenden. Zweckmäßig weisen die Kühlvertiefungen zu einer Mittellängsebene B-B

ι"'(Fig.2) symmetrische Querschnittshälften auf. Jede Durchflußöffnung 11 ist so angeordnet, daß sie in einen wandnahen Bereich der öffnung 11 der Kühlvertiefung 12 gerichtet ist Ein zweckmäßig gegenüberliegender Teil des wandnahen Bereichs der

öffnung jeder Kühlvertiefung steht mit einem geradlinig verlaufenden Abströmkanal 16 in Verbindung. Dabei werden die Abströmkanäle 16 durch die Rippen

10 begrenzt Die Querschnittsfläche jeder öffnung einer Kühlvertiefung 12,12a, die mit dem Abströmkanal 16 in Verbindung steht, ist wesentlich größer als die Querschnittsfläche der zugehörigen Durchflußöffnung

11 bemessen. Ebenso weisen die Abströmkanäle 16 vorteilhaft Abströmquerschnitte auf, die der Summe der Abströmquerschnitte aller an den jeweiligen Abströmkanal gelegten Kühlvertiefungen 12, 12a entsprechen. Die Abströmkanäle 16 ihrerseits münden ebenfalls ohne weitere Drosselstellen für die Kühlflüssigkeit in eine Abflußleitung 17. Am inneren, eine Einspritzdüse 18 umgebenden Rand der Zylinder-

JO deckelwand 3 ist weiterhin ein umlaufender Kühlkanal

19 vorgesehen, in den ebenfalls mehrere Durchflußöffnungen 11a münden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Reihe von nebeneinander angeordneten Kühl-Vertiefungen 20 in einem Bund 21 einer Zylinderbuchse 22 vorgesehen. Da die mechanischen Beanspruchungen des ohnehin stabilen Bundes 21 durch die vom Brennraum 1 aus wirkenden Gaskräfte geringer sind als die der Zylinderdeckelwand, können die Längsachsen der Kühlvertiefungen 20 unter einem kleineren Winkel gegenüber der Innenfläche der Zylinderbuchse 22 geneigt sein. Diesen Kühlvertiefungen 20 wird die Kühlflüssigkeit ebenfalls aus einem Raum 23 durch eine verengte Durchflußöffnung 24 zugeführt, die wiederum

in einen Randbereich der öffnung der Kühlvertiefung

20 gerichtet ist Ein gegenüberliegender Bereich der öffnung der Kühlvertiefung 20 steht mit einem umlaufenden Abströmkanal 25 in Verbindung, der seinerseits wiederum an eine nicht dargestellte Abflußleitung angeschlossen ist.

Beim Betrieb der Anordnung befindet sich in den Räumen 6 und 23 Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann aus diesen Räumen durch die Durchflußöffnungen 11,11a und 24 unter gleichzeitiger Druckminderung und Erhöhung ihrer Geschwindigkeit ausströmen. Der aus den Durchtrittsöffnungen austretende Strahl gelangt, wie durch Pfeile in F i g. 1 angedeutet, weitgehend geschlossen bis zum Boden 14 der Kühlvertiefungen 12 bzw. 20. Er wird durch den etwa halbkreisförmig gebogenen Boden 14 um 180° umgelenkt und im wesentlichen in der anderen Hälfte der Kühlvertiefungen 12,20 zurückgeführt. Danach gelangt der in Gegenrichtung umgelenkte Strahl in die etwa quer zur Ausströmrichtung verlaufendenAbströmkanäle 16 bzw. 25. Von hier fließt die Kühlflüssigkeit zu den Abflußleitungen 17, wie ebenfalls durch Pfeile dargestellt ist.

Der in den F i g. 3 und 4 teilweise-dargestellte Kolben umfaßt einen Kolbenboden 30 und einen Kolbengrund-

körper 31. Im mittleren Bereich des Kolbenbodens 30 sind mehrere Reihen von Kühlvertiefungen 32 vorgesehen, deren Längsachsen C-C unter einem Winkel von etwa 60° zu der dem Brennraum zugewandten Seite des Kolbenbodens 30 verlaufen. Im Randbereich des Kolbens ist eine weitere Reihe von Kühlvertiefungen 32a vorgesehen, die etwa senkrecht zu der dem Brennraum zugewandten Seite des Kolbenbodens 30 und parallel zu einem seitliche Kolbenringe 33 aufnehmenden Ansatz 34 verlaufen. Die Kühlvertiefungen 32, 32a sind wiederum mit rundem Querschnitt ausgeführt und weisen einen halbrunden Boden 35 auf. Zwischen den Reihen der Kühlvertiefungen 32 bzw. zwischen der innersten Reihe dieser Kühlvertiefungen und einem zentralen Kühlraum 36 verbleiben wiederum Stege 37, die nicht nur die wärmeabführenden Flächen vergrößern, sondern auch die mechanische Belastbarkeit des Kolbenbodens erhöhen.

Der mit dem Kolbenboden 30 mittels Spannschrauben 38 verbundene Kolbengrundkörper 31 weist einen mittleren Raum 39 auf, in den eine Kühlflüssigkeitszuleitung 40 mündet. Eine parallel zu den öffnungen der Kühlvertiefungen 32 verlaufende Begrenzungswand 41 dieses Raumes ist mit Rippen 42 versehen, durch die sich wiederum Durchflußöffnungen 43 erstrecken. Jede dieser Durchflußöffnungen 43 ist an einen wandnahen Bereich einer Kühlvertiefung 32 gerichtet. Dabei sind die Rippen 42 wiederum bis unmittelbar an die Ebene der öffnungen der Kühlvertiefungen vorgezogen und verlaufen etwa sternförmig zu der Kolbenlängsachse D-D.

Zwischen den Rippen 42 verbleiben Abströmkanäle 44, die zu einer Abflußleitung 45 führen. Der Raum 39 steht über einen Kühlkanal 46 mit dem Kühlraum 36 in Verbindung, von dem aus ein Ringkanal 47 zu den Absirömkanälen 44 führt

Zur Kühlflüssigkeitsversorgung der Kühlvertiefungen 32a führen vom Raum 39 ausgehend radiale Kühlkanäle 48 zu einem ringförmig umlaufenden Kühlkanal 49. Von diesem Kanal gehen wiederum Durchflußöffnungen 50 aus, durch die jeweils ein Kühlflüssigkeitsstrahl in einen wandnahen Bereich einer Kühlvertiefung 32a eintreten kann. Unterhalb der Mündungsebene der Durchflußöffnungen 50, die wiederum etwa bis in die Ebene der öffnungen der Kühlvertiefungen 32a hochgezogen sind, befindet sich ein Auffangraum 51, der über einen Abströmkanal 52 mit der Abflußleitung 45 in Verbindungsteht.

Beim Betrieb der Anordnung wird die Kühlflüssigkeit durch die Kühlflüssigkeitszuleitung 40 in den Raum 39 geführt. Von hier aus tritt ein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Kühlkanal 46 in den Kühlraum 36. Der Kühlkanal 46 ist hierbei so ausgelegt, daß die zum Kühlraum 36 durchtretende Kühlflüssigkeit eine merkliche Druckminderung erfährt. Dabei tritt durch den Kühlkanal 46 ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit, der am zu kühlenden Brennraurnboden in den Raum 36 umgelenkt wird und über den Ringkanal 47 in die Abflußkanäle 44 eintritt. Ein anderer Teil der Kühlflüssigkeit tritt durch die Durchflußöffnungen 43 in die Kühlvertiefungen 32 ein und wird hier, wie wiederum durch Pfeile dargestellt ist, in einem wandnahen Bereich bis zum Boden 35 geleitet, dort umgelenkt und dann in einem anderen Bereich zurückgeführt bis zu den Bereichen der öffnungen der Kühlvertiefungen 32, die mit den beiderseits der Rippen 42 angeordneten Abströmkanälen 44 in Verbindung stehen und etwa quer zur Rückströmrichtung der Kühlflüssigkeit in den Kühlvertiefungen 32 verlaufen. Dabei ist die Durchflußöffnung 47 so bemessen, daß die durch den Kühlkanal 46 geleitete Teilmenge der Kühlflüssigkeit in diesen Durchflußöffnungen auf den gleichen niedrigen Druck gebracht wird, den die andere durch die Durchflußöffnungen 43 in die Kühlvertiefungen 43 eingeführte Kühlflüssigkeitsmenge nach deren Verlassen aufweist. Eine dritte Teilmenge der Kühlflüssigkeit tritt durch die radialen Kühlkanäle 48 und den umlaufenden Kühlkanal 49 sowie die Durchflußöffnungen 50 in die Kühlvertiefungen 32a ein und wird nach deren Durchströmen im Auffangraum 51 aufgenommen und über den Abströmkanal 52 ebenfalls der Abflußleitung 45 zugeleitet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Thermisch belastetes Bauteil einer Brennkraftmaschine mit einer heißen Wand, insbesondere Zylinderkopf oder Kolben, das zwei durch eine Zwischenwand getrennte Kühlräume aufweist und bei dem durch enge Durchflußöffnungen in der Zwischenwand Kühlflüssigkeit unter Druckabfall aus dem äußeren Kühlraum in den inneren Kühlraum strömt, der an eine Abflußleitung angeschlossen ist, ι ο wobei die Kühlflüssigkeitsströme aus den Durchflußöffnungen gegen die heiße Wand gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wand (3, 21,30) mehrere, Stege (13,37) belassende, als zylindrische Hohlräume ausgebildete Kühlvertiefungen (12, 12a, 20, 32, 32a) aufweist, in deren wandnahen Bereich die Kühiriüssigkeitsströme gerichtet sind, daß die Hohlräume mit mindestens einem Teil ihres wandnahen Bereiches in einen quer zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit verlaufenden, an die Abflußleitung (17, 45) angeschlossenen Abströmkanal (16, 25, 44, 51) münden und daß die Hohlräume mit zu einer Mittellängsebene symmetrischen Querschnittshälften ausgebildet sind, wobei in die eine Querschnittshälfte der jeweils aus der Durchflußöffnung austretende Kühlmittelstrom gerichtet ist und die andere Querschnittshälfte mit dem Abströmkanal (16, 25, 44, 51) in Verbindung steht.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nebeneinander angeordnete Hohlräume (12, 32) mit einem gemeinsamen Abströmkanal (16,44) in Verbindung stehen.

3. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußöffnungen (11, 43) in etwa bis zu einer die Hohlräume begrenzenden Ebene (12, 32) vorgezogenen Rippen (10,42) eines mit der zu kühlenden Wand (3, 30) fest verbundenen Teiles (4,31) angeordnet sind.

4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abströmquerschnitt der Abflußleitungen (17 bzw. 45) größer als die Summe der Querschnittsflächen der Durchflußöffnungen (11,24,43,50) bemessen ist.

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