DE2751306A1 - PISTON-CYLINDER ASSEMBLY FOR COMBUSTION MACHINERY - Google Patents

PISTON-CYLINDER ASSEMBLY FOR COMBUSTION MACHINERY

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DE2751306A1 DE19772751306 DE2751306A DE2751306A1 DE 2751306 A1 DE2751306 A1 DE 2751306A1 DE 19772751306 DE19772751306 DE 19772751306 DE 2751306 A DE2751306 A DE 2751306A DE 2751306 A1 DE2751306 A1 DE 2751306A1
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Description

N. 262N. 262

Augsburg, den 10. November 1977Augsburg, November 10, 1977

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66—7^ Victoria Street, London S.w.l,National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-7 ^ Victoria Street, London S.w.l,

EnglandEngland

Kolben-Zylinder-Baugruppe für BrennkraftmaschinenPiston-cylinder assembly for internal combustion engines

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Baugruppe für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a piston-cylinder assembly for internal combustion engines according to the preamble of Main claim.

Kolben-Brennkraftmaschinen werden häufig flüssigkeitsgekühlt und die Kühlsysteme derartiger Maschinen weisen üblicherweise große, die Zylinder umschließende Kühlmäntel auf, die ausgedehnte Kanäle enthalten, durchPiston internal combustion engines are often liquid-cooled, and so are the cooling systems of such machines usually have large cylinders enclosing the cylinders Cooling jackets that contain extensive channels through

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welche ein Kühlwasserstrom über die Außenoberflächen der Zylinder strömt. Neuerdings kommt man jedoch zu der Erkenntnis, daß diese bekannten Kühlsysteiae oftmals übermäßig groß ausgelegt sind und daß diese Überkapazität der Kühlsysteme zahlreiche Nachteile bringt. Beispielsweise erreicht die Maschine einen geringeren Wirkungsgrad, als es an sich möglich wäre, da manche Zylinderbereiche zu stark gekühlt und deshalb unterhalb der optimalen Betriebstemperatur gehalten werden. Als weitere Folge sind unnötig große und geräuschvolle Lüfter erforderlich, um die von der Kühlflüssigkeit aufgenommene, unnötig große Wärmemenge abzuführen. Außerdem neigt der Kühlmantel gewöhnlich zu geräuschvollen Vibrationen und ist auch nicht dazu geeignet, der Zylinderkonstruktion in wesentlichem Maße zusätzliche Steifigkeit zu verleihen.which a flow of cooling water over the outer surfaces the cylinder flows. Recently, however, it has come to the conclusion that these known cooling systems are often used are designed to be excessively large and that this overcapacity of the cooling systems brings numerous disadvantages. For example the machine achieves a lower level of efficiency than would be possible per se, as some cylinder areas cooled too much and therefore kept below the optimal operating temperature. As a further consequence are unnecessarily large and noisy fans are required to absorb the unnecessarily large amount of heat absorbed by the coolant to dissipate. In addition, the cooling jacket usually tends and is not prone to noisy vibrations suitable to give the cylinder construction a substantial amount of additional rigidity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolben-Zylinder-Baugruppe der eingangs genannten Art im Sinne einer Steigerung des Wirkungsgrades von Kolben-Brennkraftmaschinen zu verbessern.The invention is based on the object of providing a piston-cylinder assembly of the type mentioned in the introduction To improve the sense of an increase in the efficiency of piston internal combustion engines.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.This object is achieved according to the invention by what is specified in the characterizing part of the main claim Arrangement solved.

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Bei der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Baugruppe wird auf einen großen Kühlmantel verzichtet und diesen ersetzende Kühlkanäle sind nur auf diejenigen Bereiche der Maschine beschränkt, die sich ohne Kühlung überhitzen wurden.In the piston-cylinder assembly according to the invention a large cooling jacket is dispensed with and the cooling channels that replace it are only on those areas of the machine that would overheat without cooling.

Unter der Voraussetzung, daß eine überhitzung vermieden wird, ist der Wirkungsgrad der Maschine um so besser, je heißer die Maschine lauft. Eine solche Maschine kann als "minimal gekühlte" Maschine bezeichnet werden, und bei Versuchen mit Maschinen kleiner Leistung hat es sich gezeigt, daß eine kleiner, nur um die Brennzone eines Zylinders herumverlaufender Kühlkanal zur Verhinderung einer Überhitzung des Zylinders ausreicht. Bei Maschinen mittlerer Leistung kann durch Verwendung eines isolierten Kolbenbodens, der den Wärmeübergang von den heißen Gasen im Zylinder auf den Kolben und folglich über die Kolbenringe auf die Zylinderwand begrenzt, erreicht werden, daß immer noch lediglich ein kleiner, um den Zylinder herumverlaufender Kühlkanal ohne überhitzung des Zylinders verwendet werden kann. Bei Maschinen höherer Leistung ist ein wesentlich größerer Kühlwassermantel erforderlich, um eine überhitzung der Zylinderwände und des Kolbenringträgerbereiches des Kolbens zu vermeiden. In diesen Bereichen sind aufgrund der Not-Provided that overheating is avoided, the efficiency of the machine is even higher the hotter the machine runs, the better. Such a machine can be called a "minimally cooled" machine, and in tests with machines of low power it has been shown that a smaller one only around the combustion zone A cooling duct running around a cylinder is sufficient to prevent the cylinder from overheating. at Medium power machines can be achieved by using an insulated piston crown that prevents heat transfer from the hot gases in the cylinder are limited to the piston and consequently to the cylinder wall via the piston rings, it can be achieved that there is still only a small cooling duct running around the cylinder without overheating of the cylinder can be used. For machines with higher performance, there is a much larger cooling water jacket required to prevent overheating of the cylinder walls and the piston ring carrier area of the piston avoid. In these areas, due to the emergency

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wendigkeit, die Schmieröltemperatur auf den Gleitflächen zu begrenzen, den zulässigen Temperaturen strenge Grenzen gesetzt.ability to limit the lubricating oil temperature on the sliding surfaces, the permissible temperatures are strict There are limits.

Der genannte kleine Kühlkanal bietet verschiedene Vorteile, wozu beispielsweise die direkte Wärmeabführung von der großen, nicht ummantelten Zylinderwandfläche an die Außenluft gehört. Dieser Vorteil wirkt sich weniger aus, wenn größere Bereiche der Zylinderwand durch einen Kühlwassermantel umschlossen sind.The small cooling channel mentioned offers various advantages, including, for example, direct heat dissipation from the large, uncovered cylinder wall surface heard the outside air. This advantage has less of an effect when larger areas of the cylinder wall are covered by one Cooling water jacket are enclosed.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:Two embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings described in more detail. It shows:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eineFig. 1 is an axial section through a

Kolben-Zylinder-Baugruppe, undPiston-cylinder assembly, and

Fig. 2 einen Halbschnitt durch eineFig. 2 is a half section through a

abgewandelte Ausführungsform.modified embodiment.

Gemäß Fig. 1 sind zwischen dem aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbenkörper 3 und einem stählernen Kolbenboden Ί isolierende Lufträume 1 und gebildet. Der Kolbenboden 4 ist einstückig mit einemAccording to Fig. 1 are between the aluminum alloy existing piston body 3 and a steel piston head Ί insulating air spaces 1 and educated. The piston head 4 is integral with a

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ringansatzformigen Kolbenringträger 5 ausgebildet, der Kolbenringe 6 trägt.ring approach-shaped piston ring carrier 5 formed, the Piston rings 6 carries.

Zur Kühlung des Kolbenringträgers und der Kolbenringe ist radial innerhalb des Kolbenringträgers 5 ein ringförmiger Kühlkanal 7 gebildet. Durch in der Pleuelstange 11 gebildete Kanäle 8, 9 und 10 sowie durch eine federbelastete Gleitmanschette 12 und einen im Kolbenkörper 3 gebildeten Kanal 13 hindurch wird der Kühlkanal 7 mit gekühltem Schmieröl gespeist. Durch einen ebenfalls im Kolbenkörper 3 gebildeten Rücklaufkanal I1I kann das Öl wieder aus dem Kühlkanal 7 in die ölwanne der Maschine zurücklaufen, die in herkömmlicher Weise ausgebildet sein kann und nicht dargestellt ist. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß der Kühlkanal 7 nicht vollständig mit öl gefüllt ist, so daß während der Kolbenbewegung das im Kühlkanal 7 befindliche Öl wie ein Cocktail in einem Cocktailmixer geschüttelt wird. Dies bringt den Vorteil, daß der Wärmeübergang auf das Öl gesteigert wird. Der ausgedehnte Zylinderwandbereich ist durch keinen Kühlmantel umschlossen, sondern nur am heißesten Teil der Zylinderwand nahe der Position der Kolbenringe 6 bei im oberen Totpunkt befindlichem Kolben ist ein ringförmiger Kühlwasserkanal 17 kleinen Querschnittes angeordnet. Die Zylinderwand ist außerdem außenTo cool the piston ring carrier and the piston rings, an annular cooling channel 7 is formed radially inside the piston ring carrier 5. The cooling channel 7 is fed with cooled lubricating oil through channels 8, 9 and 10 formed in the connecting rod 11 and through a spring-loaded sliding sleeve 12 and a channel 13 formed in the piston body 3. Through a return channel I 1 I also formed in the piston body 3, the oil can flow back from the cooling channel 7 into the oil pan of the machine, which can be designed in a conventional manner and is not shown. The arrangement can be such that the cooling channel 7 is not completely filled with oil, so that the oil in the cooling channel 7 is shaken like a cocktail in a cocktail mixer during the piston movement. This has the advantage that the heat transfer to the oil is increased. The extended cylinder wall area is not enclosed by a cooling jacket, but only on the hottest part of the cylinder wall near the position of the piston rings 6 with the piston at top dead center an annular cooling water channel 17 with a small cross section. The cylinder wall is also outside

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mit Rippen 18 versehen, die den Zylinder versteifen und auch die Wärmeabgabe der Außenflächen durch natürliche Konvektion begünstigen.provided with ribs 18, which stiffen the cylinder and also the heat dissipation of the outer surfaces favor natural convection.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher eine Wärmesperre zwischen dem Trennraum des Zylinders und dem Kolbenkörper 3 durch den Kolbenboden 20 gebildet ist, der aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Siliciumnitrid, besteht. Fig. 2 zeigt außerdem eine Zylinderbohrungsauskleidung 21 mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, die oberhalb des Hubweges der Kolbenringe 6 eine Wärmesperre bildet, weshalb bei dieser Ausführungsform der Kühlwasserkanal 17 etwas weiter unten als bei dem in Fig. 1 gezeigtem Ausführungsbeispiel angeordnet ist. Fig. 2 shows a modified embodiment, in which a thermal barrier between the separating space of the cylinder and the piston body 3 through the piston head 20 is formed, which is made of a material with low thermal conductivity, for example from Silicon nitride. Fig. 2 also shows a cylinder bore liner 21 with low thermal conductivity, which forms a heat barrier above the stroke of the piston rings 6, which is why this Embodiment of the cooling water channel 17 a little further is arranged below than in the embodiment shown in FIG.

Beide in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kolben weisen einen Schaftteil 22 auf, der, falls notwendig, mit (nicht dargestellten) Kühlkanälen versehen sein kann. Diese Kühlkanäle können in ähnlicher Weise wie der Kühlkanal 7 mit gekühltem Schmieröl versorgt werden und mit einem Ablauf versehen sein.Both pistons shown in Figures 1 and 2 have a shaft part 22 which, if necessary, can be provided with (not shown) cooling channels. These cooling channels can be done in a similar way as the cooling channel 7 can be supplied with cooled lubricating oil and provided with a drain.

Im Betrieb der KoIben-Zylinder-Baugruppe soll das 809821/0880 When the piston-cylinder assembly is in operation, the 809821/0880

innere Kühlsystem des Kolbens so viel Wärme vom Kolben
und von den Kolbenringen abführen, daß übermäßig hohe
Temperaturen des auf den Kolbenoberflächen und der
Oberfläche der Zylinderbohrung befindlichen Öls auch
dann vermieden werden, wenn bei einer Maschine verhältnismäßig hoher Leistung nur ein kleiner Kühlkanal zur
Kühlung des Zylinders Anwendung findet. Von den äußeren Zylinderoberflächen findet eine stärkere direkte Wärmeabgabe an die Außenluft statt, als es bei herkömmlichen Anordnungen der Fall ist, und die gesamte, vom Kühlwasser und vom Öl abzuführende Wärmemenge ist erheblich kleiner als die bei Verwendung eines großen Wassermantels abgeführte Wärmemenge.inner cooling system of the piston as much heat from the piston
and derive from the piston rings that excessively high
Temperatures of the on the piston surfaces and the
Surface of the cylinder bore located oil also
can then be avoided if only a small cooling channel for a machine with relatively high performance
Cooling of the cylinder is used. A stronger direct heat release to the outside air takes place from the outer cylinder surfaces than is the case with conventional arrangements, and the total amount of heat to be removed from the cooling water and the oil is considerably smaller than the amount of heat removed when a large water jacket is used.

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Claims (12)

PASBNTARWALTPASBNTARWALTY Dipl. ing. B. HOLZEBDipl. Ing. B. HOLZEB raiUPPlKB-WBLeBB-STBABSB 1«raiUPPlKB-WBLeBB-STBABSB 1 « Patentansprüche ' β»οθ aügsbükq Claims 'β' οθ aügsbükq * TBLBFON Β1β«Τβ* TBLBFON Β1β «Τβ TBlKX 638201 patel dTBlKX 638201 patel d [Uj Kolben-Zylinder-Baugruppe für Brennkraftmaschinen, wobei die Zylinderwand mit Kühlkanälen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (17) nur innerhalb des die Brennzone des Zylinders umschließenden Zylinderwandbereiches angeordnet sind und der Kolben (3,4) mit einem inneren Kühlsystem (7,13, 14) versehen ist. [Uj piston-cylinder assembly for internal combustion engines, wherein the cylinder wall is provided with cooling channels, characterized in that the cooling channels (17) are arranged only within the cylinder wall area surrounding the combustion zone of the cylinder and the piston (3, 4) with an internal cooling system (7,13, 14) is provided. 2. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenbodenbereich des Kolbens (3, 4) Isoliermaßnahmen (1, 2) getroffen sind, welche den Wärmestrom zwischen den heißen Gasen im Zylinder und dem Kolbenkörper (3) begrenzen.2. piston-cylinder assembly according to claim 1, characterized in that insulating measures (1, 2) are taken in the piston crown area of the piston (3, 4), which limit the heat flow between the hot gases in the cylinder and the piston body (3). 3. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kühlsystem (7, 13, 14) des Kolbens (3, 4) für eine Versorgung mit dem Schmieröl der Maschine ausgelegt ist.3. Piston-cylinder assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the inner cooling system (7, 13, 14) of the piston (3, 4) is designed for a supply of the machine's lubricating oil. 4. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kühlsystem (7, 13, 14) des Kolbens (3, 4) über Kanäle (8, 9, 10), die in der, dem Kolben zugeordneten Pleuelstange (11) gebildet sind, mit der Druckölversorgung der Maschine verbindbar ist und4. Piston-cylinder assembly according to claim 3, characterized in that the internal cooling system (7, 13, 14) of the piston (3, 4) via channels (8, 9, 10) associated within, the piston rod (11) are formed, is connectable to the pressure oil supply to the machine and 809821/0880809821/0880 ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED Mittel (l4) zur Rückleitung des Öls aus dem Kolben in die Ölwanne der Maschine aufweist.Means (l4) for returning the oil from the piston to the oil pan of the machine. 5. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche5. Piston-cylinder assembly according to one of the claims 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3» 4) einen Kolbenringträger (5) für mindestens einen Kolbenring (6) aufweist und daß das innere Kühlsystem des Kolbens mindestens einen nahe des Kolbenringträgers verlaufenden Kühlkanal (7) aufweist.1 to 4, characterized in that the piston (3 »4) has a piston ring carrier (5) for at least one piston ring (6) and that the internal cooling system of the piston has at least one cooling channel (7) running close to the piston ring carrier having. 6. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche6. Piston-cylinder assembly according to one of the claims 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das innere Kühlsystem des Kolbens (3, 4) auch auf den Schaftbereich des Kolbens erstreckt.1 to 5, characterized in that the inner cooling system of the piston (3, 4) also extends to the shaft area of the Piston extends. 7. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche7. Piston-cylinder assembly according to one of the claims 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeisolation zwischen dem Kolbenbodenbereich (4) und dem Kolbenkörper (3) ein Bereich (2) niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.2 to 6, characterized in that for thermal insulation an area (2) of low thermal conductivity is provided between the piston crown area (4) and the piston body (3). 8. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich niedriger Wärmeleitfähigkeit durch einen geschlossenen, evakuierten Hohlraum (2) gebildet ist.8. Piston-cylinder assembly according to claim 7, characterized characterized in that the area of low thermal conductivity is formed by a closed, evacuated cavity (2). 809821 /0880809821/0880 27513082751308 9. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich niedriger Wärmeleitfähigkeit durch einen geschlossenen, Gas enthaltenden Hohlraum (2) gebildet ist.9. piston-cylinder assembly according to claim 7 »characterized in that the area of low thermal conductivity through a closed, gas-containing cavity (2) is formed. 10. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbodenbereich (20) aus einem Werkstoff besteht·, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der Werkstoff des angrenzenden Kolbenkörpers (3) besitzt.10. Piston-cylinder assembly according to claim 7, characterized in that the piston head region (20) consists of one Material consists · which has a lower thermal conductivity than the material of the adjacent piston body (3). 11. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oberhalb des Hubweges des Kolbenringträgers (5) gelegene, die Brennzone umschließende Zylinderwandbereich mit einem Werksstoff (21) ausgekleidet ist, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die angrenzenden Zylinderwandbereiche besitzt.11. Piston-cylinder assembly according to one of the claims 5 to 10, characterized in that the cylinder wall area above the stroke of the piston ring carrier (5) and surrounding the combustion zone is lined with a material (21) which has a lower thermal conductivity than the adjacent cylinder wall areas. 12. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kühlsystem (7* 13* 14) des Kolbens (3. Ό so ausgelegt ist, daß die Kühlkanäle (7) dieses Kühlsystems im Betrieb jeweils nur teilweise mit öl gefüllt sind.12. Piston-cylinder assembly according to one of the claims 3 to 11, characterized in that the inner cooling system (7 * 13 * 14) of the piston (3rd Ό is designed so that the Cooling channels (7) of this cooling system are only partially filled with oil during operation. 809821/0880809821/0880
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