EP0167976A2 - Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkühlung und einer inneren Zylinderrohrkühlung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkühlung und einer inneren Zylinderrohrkühlung Download PDF

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EP0167976A2
EP0167976A2 EP85108225A EP85108225A EP0167976A2 EP 0167976 A2 EP0167976 A2 EP 0167976A2 EP 85108225 A EP85108225 A EP 85108225A EP 85108225 A EP85108225 A EP 85108225A EP 0167976 A2 EP0167976 A2 EP 0167976A2
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EP
European Patent Office
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piston
coolant
combustion engine
internal combustion
cooling
Prior art date
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EP85108225A
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English (en)
French (fr)
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EP0167976A3 (en
EP0167976B1 (de
Inventor
Hans Stadler
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Kloeckner Humboldt Deutz AG
Original Assignee
Kloeckner Humboldt Deutz AG
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Publication date
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Publication of EP0167976A3 publication Critical patent/EP0167976A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means
    • F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/14—Cylinders with means for directing, guiding or distributing liquid stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a piston cooling and an inner cylinder tube cooling, with at least one cooling chamber delimited by the piston and the cylinder tube and with suitable sealants of the piston at its end on the combustion chamber side, for example piston rings, the cooling chamber extending in the circumferential direction of the piston at least one coolant supply and one coolant discharge for the coolant is provided and has at least two approximately axially extending guide pieces.
  • Such a cooling device is known from DE-OS 25 41 966.
  • the cylinder tube and the piston are cooled equally by a coolant, where the coolant flows in a cooling space between the piston and the cylinder tube, the cylinder tube cools from the inside and is discharged through a second opening.
  • the piston is provided with an annular space on its outer surface.
  • the coolant inlets and outlets are arranged as radial bores in the cylinder tube, the same not being closed by the piston in any position of the piston.
  • the coolant flows through the bore in the cylinder tube wall into the cooling space delimited by the piston and the cylinder tube wall and cools the piston itself and the part of the cylinder tube wall covered by the piston during the upward and downward movement of the piston.
  • the coolant can still cool the piston crown via a separate central space in the piston.
  • axial and radial baffles are provided for particularly good swirling of the coolant in the cooling space.
  • the coolant leaves the cooling chamber via a second outlet hole in the cylinder tube wall opposite the inlet hole.
  • it is also proposed in DE-OS to seal the piston with piston rings not only in a pressure-tight manner to the combustion chamber but also to the crankcase.
  • this cooling device has the disadvantage that considerable partial flows of the coolant pass directly from the coolant inlet to the coolant outlet along the circumference of the piston.
  • a second coolant flow is passed through another separate cooling chamber in the piston crown in order to cool a combustion chamber trough there.
  • the heat capacity of the coolant is therefore poorly utilized, because one coolant partial flow is little used and the second coolant partial flow is heavily used with regard to its heat absorption capacity.
  • the upper ring zone of the piston with the piston rings the thermal load of which is very high, is not reached by the coolant and is therefore cooled only inadequately.
  • the invention has for its object to propose a cooling device for the simultaneous cooling of the piston and the cylinder tube, which makes better use of the heat capacity of the available coolant and thus optimizes the overall cooling of the internal combustion engine.
  • the axial guide pieces in the annular cooling space of the piston are designed as partitions which extend almost or completely to the circumference of the piston. This creates at least two separate cold rooms or sub-rooms.
  • the partition walls do not extend over the entire axial height of the cooling space, but only in one axial area section of the refrigerator are arranged. The separate subspaces are thus connected to one another via the second axial section of the cooling space, which is free of partition walls.
  • Both the coolant supply and the coolant discharges are located in the axial section of the cooling space provided with dividing walls, the coolant supply being provided in one partial space and the coolant discharge being provided in the adjacent partial space.
  • the particular advantage of such a design of the cooling space is that the coolant cannot flow directly from the coolant inlet to the coolant outlet.
  • the coolant only flows into the partial space of one axial section of the piston provided with a coolant supply and is thrown into the opposite axial section by the upward and downward movement of the piston.
  • the partition walls can be arranged either in the lower or in the upper axial section of the piston. In both cases, the coolant is distributed along the circumference of the piston in the axial section without a partition. Only in the following downward stroke or upward stroke does the coolant return to the axial section of the piston provided with dividing walls, and the part of the coolant which has flowed into the partial space provided with a coolant discharge is at least partially removed. The rest of the coolant remaining in the other sub-area takes part in the process again, together with the freshly flowed-in coolant.
  • cooling space In a preferred embodiment of the invention, it is provided to subdivide the cooling space into a plurality of subspaces.
  • a number of four or six sub-rooms is a particularly suitable embodiment. Coolant Tel inflow and outflow are each separately assigned to a subspace. The total number of subspaces therefore corresponds to a multiple of the number two.
  • the coolant inlets and outlets are arranged at the bottom dead center of the piston, radial bores being provided in the cylinder tube wall.
  • at least the coolant discharge can also be designed as a bore in the connecting rod-side wall of the piston, which connects the partial space to the crankcase. If the piston is not at its bottom dead center, the piston skirt closes the coolant supply. It can thus be achieved that the coolant remains in the cooling space of the piston for a defined time and its cooling effect is used intensively. This applies in particular if the volume of the annular groove corresponds to the volume of the subspaces provided with a coolant supply, because then the entire coolant can cool the piston in the upper region. Furthermore, it is also possible for the coolant to be guided from the annular groove into still further coolant channels or coolant spaces in the interior of the piston and to take on further cooling tasks there.
  • the volumes of the subspaces are approximately the same size.
  • a similar result could be achieved by unevenly dimensioning the coolant supply and coolant outlets.
  • the flow cross sections of the coolant and -all guides are of approximately the same size, the coolant discharges advantageously having a slightly larger capacity in order to ensure a safe drainage of the coolant from the cooling space.
  • the engine oil of the internal combustion engine is provided as the coolant.
  • a separate cooling circuit is saved and the piston need not be made coolant-tight to the crankcase.
  • the engine oil can cool the entire internal combustion engine, in particular the cylinder head and the cylinder tube, from the outside via a cooling circuit.
  • only a single cooler namely an oil cooler, is advantageously required. If the inner cylinder cooling is sufficient for cooling, an outer cylinder tube cooling can be omitted entirely.
  • Corresponding designs of the overall cooling system can be used for any coolant if the cooling space is designed to be coolant-tight.
  • the piston 1 shows a piston 1 according to the invention, which is guided axially in a cylinder tube 2.
  • the piston 1 is equipped with a piston skirt 3, a combustion chamber trough 4 and a cooling chamber 5.
  • the cooling chamber 5 runs once around the entire piston 1 in the circumferential direction of the piston 1 and is essentially an annular or tubular notch in the piston peripheral surface 14 of the piston 1, the cooling chamber 5 being opened over the entire circumference of the piston to the cylinder tube 2.
  • the cooling chamber 5 further consists of two axial sections, of which the combustion chamber side is formed as an annular groove 7, which is formed by the inner piston body and an outer ring wall 17, which is a boundary to the cylinder tube 2 and which carries the piston rings.
  • the cooling chamber 5 extends in this axial section to behind the piston rings.
  • the other A xialabites is nearly open over its entire axial height of the cylinder barrel 2 and has four partitions 8. These partitions 8 extend radially from the inner wall of the cooling chamber 5 to the K ol benhabs simulation 14 and axially 5 to the axial beginning of the annular groove 7 of the pleuel Indeeden ends of the cooling chamber allows the pleuel sue axial section into four almost equal parts spaces 9 is divided.
  • the dividing walls 8 are parts of the piston 1.
  • the dividing walls 8 could, however, also be produced as separate components, or the two axial sections of the cooling space 5 could be formed by several assembled parts of the piston.
  • radial bores 10 are arranged in the cylinder tube 2 and are located approximately in the middle of the axial height of the lower axial section of the cooling space 5. Viewed in the circumferential direction of the piston, two radial bores 10 are provided for each sub-space 9 in such a way that each bore 10 is assigned an approximately identical angular section of the sub-space.
  • the radial bores 10 in the cylinder tube wall 2 serve to supply coolant, while the axial bores 11 discharge the coolant into the crank chamber.
  • the diameters of the axial bores 11 are designed to be slightly larger than the radial bores 10 of the coolant feeds for safe coolant discharge.
  • a compartment 9 with a coolant supply is always adjacent to a compartment 9 with a coolant discharge.
  • the size of the subspaces is dimensioned such that the subspaces, which are provided with a coolant supply, all together have approximately the volume of the annular groove 7.
  • all subspaces are equal in size to one another. It can also be expedient to form the subspaces of different sizes in order to achieve a desired, different, local cooling of the cylinder tube wall.
  • the coolant inlets are provided as radial bores 10 in the cylinder tube 2 and the coolant outlets as axial bores 11 in the piston 1; on the other hand, it is also possible to also provide the coolant outlets in the cylinder tube 2.
  • the coolant supply and discharge for precise control of the coolant supply time Lzw. of the coolant discharge time with the axially extending grooves in the cylinder tube wall 2 and also in the piston skirt 3. This combination of axially extending grooves makes it possible, for example, to maintain the coolant supply into the cooling space 5 from bottom dead center to a maximum of top dead center or up to a defined point in time of the piston path.
  • a type of web 13 is provided on the piston 1 on the ring wall 17 carrying the piston rings. This web 13 is arranged on the connecting rod-side lower edge of the ring wall 17 on the side facing the cylinder tube 2 in the cylinder-axial direction. For a higher effect of the web 13, the same is slotted many times in the axial direction and provided with a pretension. As a result of this pretension, the web 13 projects radially out of the piston peripheral surface 14 when the piston 1 is not installed.
  • the E indrin- gen coolant in the combustion chamber Only when installed it shall be optimally adapted to the cylinder tube 2 and prevented by this sealing effect, the E indrin- gen coolant in the combustion chamber.
  • the web 13 could also be arranged at the connecting rod end of the piston for sealing the cooling space 5 with still further sealing means and could seal the cooling space 5 against the crankshaft space for the use of another coolant.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine innere Zylinderrohr- und eine Kolbenkühlung für eine Brennkraftmaschine. Dabei ist im Kolben (1) ein ringförmiger Kühlraum (5) vorgesehen, der auf der Kolbenumfangsfläche (14) zum Zylinderrohr geöffnet ist. Dieser Kühlraum (5) ist über einen Teil seiner axialen Höhe in Teilräume (9) unterteilt. Die Kühlmittelzuführung erfolgt in einen Teilraum (9), während die Kühlmittelabführung in dem benachbarten Teilraum (9) angeordnet ist. In einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist der teilraumfreie Bereich des Kühlraums (5) als Ringnut (7), welche hinter den Kolbenringen gelegen ist, vorgesehen. Die besondere Kühlwirkung wird im wesentlichen durch die Hin- und Herbewegung des Kühlmittels sowohl axial als auch in Umfangsrichtung in der Ringnut (7) bewirkt. Dabei benetzt das Kühlmittel während der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens (1) das Zylinderrohr (2). Bei einer genügend großen Kühlmittelmenge kann auf eine äußere Kühlung des Zylinderrohres (2) ganz oder teilweise verzichtet werden. Weiterhin ist als kostengünstiger Ersatz des Ölabstreifringes ein axial verlaufender Steg (13) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkühlung und einer inneren zylinderrohrkühlung, mit zumindest einem vom Kolben und dem Zylinderrohr begrenzten Kühlraum und mit geeigneten Dichtmitteln des Kolbens an dessen brennraumseitigem Ende, beispielsweise Kolbenringen, wobei der Kühlraum sich in Umfangsrichtung des Kolbens erstreckt, mit mindestens je einer Kühlmittelzuführung und einer Kühlmittelabführung für das Kühlmittel versehen ist und mindestens zwei etwa axial verlaufende Leitstücke aufweist.
  • Bei Brennkraftmaschinen besteht die Notwendigkeit, die durch die Verbrennung entstehende Wärme von den Bauteilen der BrennkraftMaschine insoweit fernzuhalten, daß diese keinen Schaden nehmen. Für einen thermisch hochbelasteten Kolben ist es daher bereits üblich, eine Kühlung unter Zuhilfenahme des Motoröls vorzusehen, während die Zylinderrohre oder Buchsen an ihrem äußeren Umfang entweder luft-oder wassergekühlt werden. Die Erfindung beschäftigt sich damit, beide Kühlungsarten, sowohl die des Kolbens als auch die des Zylinderrohres, miteinander zu kombinieren und so die Gesamtkühlung der Brennkraftmaschine und deren Konstruktion zu verbessern bzw. zu vereinfachen.
  • Aus der DE-OS 25 41 966 ist eine derartige Kühleinrichtung bekannt. Dort wird das Zylinderrohr und der Kolben gleichermaβen von einen Kühlmittel gekühlt, woLei das Kühlmittel in einem Kühlraum zwischen Kolben und Zylinderrohr einströmt, das Zylinderrohr von innen kühlt und durch eine zweite Öffnung abgeführt wird. In der weiteren Ausgestaltung ist der Kolben mit einem ringartigen Raum an seiner Mantelfläche versehen. Die Kühlmittelzu- und -abführungen sind als radiale Bohrungen in dem Zylinderrohr angeordnet, wobei dieselben in keiner Stellung des-Kolbens vom Kolben verschlossen werden. Das Kühlmittel strömt durch die Bohrung in der Zylinderrohrwand in den vom Kolben und der Zylinderrohrwand begrenzten Kühlraum ein und kühlt während der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens den Kolben selbst und den von dem Kolben überstrichenen Teil der Zylinderrohrwand. Dabei kann das Kühlmittel noch weiterhin über - einen separaten zentralen Raum im Kolben den Kolbenboden kühlen. Um die an sich bekannte Shaker-Wirkung zu erhöhen, sind zur besonders guten Verwirbelung des Kühlmittels im Kühlraum axiale und auch radiale Leitbleche vorgesehen. Das Kühlmittel verläβt über eine zweite der Eintrittsbohrung gegenüberliegende Austrittsbohrung in der Zylinderrohrwand den Kühlraum. Um die Verwendung irgendeines Kühlmediums außer gerade dem Motoröl der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist in der DE-OS ferner vorgeschlagen, den Kolben mit Kolbenringen nicht nur zum Brennraum sondern auch zum Kurbelgehäuse druckdicht abzuschließen.
  • Aus der DE-OS 25 41 966 ist es in weiterer Ausgestaltung der inneren Zylinderrohr- und Kolbenkühlvorrichtung Lekannt, den Kühlmittelstrom an einen Kühlmittelgesamtkreislauf anzuschließen. Während der Warmlaufphase der Drennkraftmaschine kann der Kühlmittelstrom von einer Wärmequelle erhitzt werden, wodurch der warme Kühlmittelstrom die Zylindereinheit zur Verschleißverminderung beheizt.
  • Diese Kühlvorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß erhebliche Teilströme des Kühlmittels entlang des Kolbenunfanges vom Kühlmitteleintritt direkt zum Kühlmittelaustritt gelangen. Andererseits wird ein zweiter Kühlmittelstrom über eine weitere separate Kühlkammer im Kolbenboden geleitet, um dort eine Brennraummulde zu kühlen. Die Wärmekapazität des Kühlmittels ist somit schlecht ausgenutzt, denn hinsichtlich seines Wärmeaufnahmevermögens wird ein Kühlmittelteilstrom wenig und der zweite Kühlmittelteilstrom stark beansprucht. Ferner wird insbesondere die obere Ringzone des Kolbens mit den Kolbenringen, deren thermische Belastung sehr hoch ist, von dem Kühlmittel nicht erreicht und daher nur unzureichend gekühlt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung zur gleichzeitigen Kühlung des Kolbens und des Zylinderrohres vorzuschlagen, die die Wärmekapazität des zur Verfügung stehenden Kühlmittels besser ausnutzt und so die gesamte Kühlung der Brennkraftmaschine optimiert.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Dabei ist es vorgesehen, die axialen Leitstücke im ringförmigen Kühlraum des Kolbens als Trennwände auszubilden, die bis nahezu oder vollständig bis an den Kolbenumfang reichen. Es entstehen so zumindest zwei voneinander separate Kühlräume bzw. Teilräume. Erfindungsgemäß ist es dabei beabsichtigt, daß die Trennwände sich nicht über die gesamte axiale Höhe des Kühlraumes erstrecken, sondern nur in einem Axialabschnitt des Kühlraumes angeordnet sind. Die separaten Teilräume stehen somit über den zweiten trennwandfreien Axialabschnitt des Kühlraumes miteinander in Verbindung. Sowohl die Kühlnittelzu- als auch die Kühmittelabführungen befinden sich in dem mit Trennwänden versehenen Axialabschnitt des Kühlraumes, wobei die Kühlmittelzuführung in einem Teilraum und die Kühlmittelabführung in den benachbarten Teilraum vorgesehen ist.
  • Der besondere Vorteil einer derartigen Ausbildung des Kühlraumes liegt darin, daß das Kühlmittel nicht direkt vom Kühlmitteleinlaß zum Kühlmittelauslaß strömen kann. Das Kühlmittel fließt nur in den mit einer Kühlmittelzuführung versehenen Teilraum des einen Axialabschnittes des Kolbens ein und wird durch die Auf- bzw. Abwärtsbewegung des Kolbens in den gegenüberliegenden trennwandfreien Axialabschnitt geschleudert. Die Trennwände können cabei entweder im unteren oder im oberen Axialabschnitt des Kolbens angeordnet sein. In beiden Fällen verteilt sich das Kühlmittel im trennwandfreien Axialabschnitt entlang dem Kolbenumfang. Erst im folgenden Abwärtshub bzw. Aufwärtshub gelangt das Kühlmittel wieder in den mit Trennwänden versehenen Axialabschnitt des Kolbens, und es wird der Teil des Kühlmittels, welcher in den mit einer Kühlmittelabführung versehenen Teilraum geströmt ist, zumindest teilweise abgeführt. Der im anderen Teilraum verbliebene Rest des Kühlmittels nimmt, zusammen mit frisch eingeströmtem Kühlmittel, erneut am Prozeß teil.
  • Somit wird eine intensive Vermischung des Kühlmittels erreicht, und alle Teilströme des Kühlmittels werden zur Kühlung herangezogen. Das Kühlmittel überstreicht in Leiden Teilräumen das zylinderrohr bei der Auf- bzw. Abwärtsbewegung und kühlt dieses dabei wirksam. Durch die in Umfangsrichtung verlaufende Fließbewegung im trennwandfreien Axialabschnitt wird eine weitere Erhöhung der Wärmeübertragung aufgrund erzwungener Konvektion erreicht. Die Gesamtwirkung der erfindungsgemäßen Merkmale führt zur gewünschten, vorteilhaften Verbesserung der Kühlung des Kolbens und des Zylinderrohres.
  • In der Weiterbildung der Erfindung (Ansprüche 2 und 3) ist vorgesehen, daß der trennwandfreie Axialabschnitt des Kühlraumes in Form einer Ringnut hinter den Dichtmitteln des Kolbens, d. h. hinter den Kolbenringen, welche den Kühlraun zum Brennraum hin abdichten, angeordnet ist. Der mit Trennwänden versehene Axialabschnitt des Kolbens ist dabei an pleuelseitigen Ende des Kolbens vorgesehen. Durch diese Ausbildung des Kolbens wird erfindungsgemäß erreicht, daß die thermisch stark belasteten Dereiche hinter den Dichtmitteln des Kolbens wirksam gekühlt werden. Dieser besondere Vorteil ist nur mit einer derartigen Ausgestaltung möglich, denn nur so gelangt das Kühlmittel bis an die Dichtmittel heran und kann in kolbenaxialer Richtung betrachtet, sogar noch Bereiche des Kolbens erreichen, die - axial gesehen - oberhalb der Dichtmittel des Kolbens liegen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, den Kühlraum in eine Mehrzahl von Teilräumen zu unterteilen. Je größer die Zahl der Teilräume ist, desto gleichmäßiger wird die Kühlwirkung auf das Zylinderrohr. Da jedoch der Bauaufwand mit der Zahl der Teilräume stark ansteigt, ist eine Anzahl von vier oder sechs Teilräumen eine besonders geeignete Ausführungsform. Kühlmittelzu- und -abfluß sind getrennt jeweils einem Teilraum zugeordnet. Die Gesamtzahl der Teilräume entspricht deshalb einen Vielfachen der Zahl Zwei.
  • In der Ausbildung der Erfindung gemäß den Unteransprüchen 5 bis 10 sind die Kühlmittelzu- und -abführungen im unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet, wobei radiale Bohrungen in der Zylinderrohrwand vorgesehen sind. Zumindest jedoch die Kühlmittelabführung kann auch als Bohrung in der pleuelseitigen Wandung des Kolbens, welche den Teilraum mit dem Kurbelgehäuse verbindet, ausgebildet sein. Befindet sich der Kolben nicht in seinem unteren Totpunkt, so schließt das Kolbenhemd den Kühlmittelzufluβ. Damit ist erreichbar, daß das Kühlmittel eine definierte Zeit in dem Kühlraum des Kolbens verbleibt und in seiner Kühlwirkung intensiv ausgenutzt wird. Dies gilt insbesondere, wenn der Rauminhalt der Ringnut dem Rauminhalt der mit einer Kühlmittelzuführung versehenen Teilräume entspricht, denn gerade dann kann das gesamte Kühlmittel den Kolben im oberen Bereich kühlen. Es ist im weiteren auch möglich, daß das Kühlmittel von der Ringnut in noch weitere Kühlmittelkanäle bzw. Kühlmittelräume im Inneren des Kolbens geleitet wird und dort noch weitere Kühlaufgaben übernimmt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Kolbens sind die Volumina der Teilräume etwa gleich groß. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, z.B. um örtlich besonders hohe Kühlwirkungen am Zylinderrohr zu erzielen, die Volumina der Teilräume unterschiedlich groß vorzusehen. Ein ähnliches Ergebnis ließe sich durch ungleichmäßige Dimensionierung der Kühlnittelzu- und Kühlmittelabführungen erreichen. Dagegen sind in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Durchflußquerschnitte der Kühlmittelzu-und -aLführungen etwa gleich bemessen, wobei die Kühlmittelabführungen vorteilhafterweise eine geringfügig größere Kapazität aufweisen, um einen sicheren Abfluß des Kühlmittels aus dem Kühlraum sicherzustellen.
  • Als Kühlmittel ist gemäß Anspruch 14 das Motoröl der Brennkraftmaschine vorgesehen. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird ein separater Kühlkreislauf eingespart und der Kolben braucht zum Kurbelgehäuse nicht kühlmitteldicht ausgeführt zu sein. Auch ist es so möglich, daß das Motoröl über einen Kühlkreislauf die gesamte Brennkraftmaschine, insbesondere noch den Zylinderkopf und das Zylinderrohr von außen, kühlt. Bei einer derartigen Ausbildung wird in vorteilhafter Weise nur ein einziger Kühler, nämlich ein Ölkühler, benötigt. Reicht die innere Zylinderkühlung zur Kühlung aus, so kann eine äußere Zylinderrohrkühlung ganz entfallen. Entsprechende Ausbildungen des Gesamtkühlsystems sind bei entsprechend kühlmitteldichter Konstruktion des Kühlraumes für jedes Kühlmittel verwendbar.
  • Weitere Herkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der schematisch bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit seitlicher Kühlmittelzuführung,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Kolben gemäß Fig. 1,
    • Fig. 3 eine Teildarstellung eines axialen Schnitts durch einen Kolben in unterer Totpunktlage bei- Kühlmittelzuführung,
    • Fig. 4 eine Teildarstellung eines Schnitts des Kolbens nach Fig. 3 in oberer Totpunktlage,
    • Fig. 5 eine Teildarstellung eines axialen Schnitts durch einen Kolben in Höhe eines kühlmittelabführenden Teilraumes in unterer Totpunktlage,
    • Fig. 6 eine Teildarstellung eines axialen Schnitts durch einen Kühlraum mit einem Steg als Dichtmittel zum Brennraum,
    • Fig. 7 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Steg
      • a) an einer Ringwand des Kolbens einzeln abstehend angesetzt,
      • b) aus der Ringwand des Kolbens durch spanende oder errodierende Fertigung herausgearbeitet oder
      • c) als separates Bauteil in die Ringwand des Kolbens eingesetzt.
  • In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolben 1, der in einem Zylinderrohr 2 axial geführt ist, dargestellt. Der Kolben 1 ist mit einem Kolbenhemd 3, einer Brennraummulde 4 und einem Kühlraum 5 ausgestattet. Der Kühlraum 5 verläuft in Umfangsrichtung des Kolbens 1 einmal um den gesamten Kolben 1 herum und ist im wesentlichen eine ring- oder schlauchförmige Einkerbung in der Kolbemumfangsfläche 14 des Kolbens 1, wobei der Kühlraum 5 über den gesamten Umfang des Kolbens zum zylinderrohr 2 geöffnet ist. Der Kühlraum 5 besteht im weiteren aus zwei Axialabschnitten, wovon der brennraumseitige als Ringnut 7 augebildet ist, die von dem inneren Kolbenkörper und einer äußeren Ringwand 17, die eine Begrenzung zum Zylinderrohr 2 ist und die die Kolbenringe trägt, gebildet wird. Der Kühlraum 5 erstreckt sich in diesem Axialabschnitt bis hinter die Kolbenringe. Der andere Axialabschnitt ist nahezu auf seiner gesamten axialen Höhe zum Zylinderrohr 2 geöffnet und weist vier Trennwände 8 auf. Diese Trennwände 8 reichen radial von der inneren Wand des Kühlraumes 5 an die Kol- benumfangsfläche 14 und axial von den pleuelseitigen Enden des Kühlraumes 5 bis zum axialen Beginn der Ringnut 7. Dadurch ist der pleuelseitige Axialabschnitt in vier nahezu gleichgroße Teilräume 9 unterteilt. Die Trennwände 8 sind Teile des Kolbens 1. Es könnten die Trennwände 8 jedoch auch als separate Bauteile hergestellt sein, oder die beiden Axialabschnitte des Kühlraumes 5 durch mehrere zusammengesetzte Teile des Kolbens gebildet werden.
  • In der Nähe des unteren Totpunktes des Kolbens 1 sind im Zylinderrohr 2 radiale Bohrungen 10 angeordnet, die sich etwa in der Mitte der axialen Höhe des unteren Axialabschnittes des Kühlraumes 5 befinden. In Umfangsrichtung des Kolbens betrachtet sind für einen Teilraum 9 je zwei radiale Bohrungen 10 derart vorgesehen, daß jeder Bohrung 10 ein etwa gleicher Winkelabschnitt des Teilraums zugeordnet ist. An einen Teilraum 9, in den radiale Bohrungen 10 münden, grenzt ein Teilraum 9 an, der axiale Bohrungen 11 in der pleuelseitigen Wandung 12 aufweist. Diese axialen Bohrungen 11 sind im Teilraum 9 symmetrisch verteilt.
  • Die radialen Bohrungen 10 in der Zylinderrohrwand 2 dienen zur Kühlmittelzuführung, während die axialen Bohrungen 11 das Kühlmittel in den Kurbelraum abführen. Die Durchmesser der axialen Bohrungen 11 sind zur sicheren Kühlmittelabführung geringfügig größer als die radialen Bohrungen 10 der Kühlmittelzuführungen ausgebildet. Ein Teilraum 9 mit einer Kühlnittelzuführung ist stets einem Teilraum 9 mit einer Kühlmittelabführung benachbart.
  • Die Größe der Teilräume ist so bemessen, daß die Teilräume, welche mit einer Kühlmittelzuführung versehen sind, alle zusammen in etwa das Raumvolumen der Ringnut 7 aufweisen. Außerdem sind alle Teilräume untereinander gleich groß. Es kann auch zweckmäßig sein, zur Erzielung einer gewollten, unterschiedlichen, örtlichen Kühlung der Zylinderrohrwand die Teilräume unterschiedlich groß auszubilden.
  • In den Fig. 3 bis 5 ist die Funktionsweise einer derartigen Kühlvorrichtung des Zylinderrohres 2 bzw. des Kolbens 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt. Befindet sich der Kolben 1 im unteren Totpunkt, so sind die in jedem zweiten Teilraun 9 mündenden Kühlmittelzuführungen geöffnet. Das Kühlmittel kann in den jeweiligen Teilraum 9 hineinströmen und füllt diesen bis zur Oberkante der Trennwände 8 auf. Wird der Kolben nun zum oberen Totpunkt hin bewegt, so benetzt das Kühlmittel in dem Kühlraum 5 das Zylinderrohr 2 auf dessen Umfang und kühlt dieses dabei. Ab einer durch die Lage der Kühlmittelzuführung zum unteren Totpunkt des Kolbens bestimmten Höhe der Kolbenlaufbahn verschließt das Kolbenhemd die Kühlmittelzuführung. Setzt infolge der Annäherung an den oberen Totpunkt des Kolbens die Verzögerung desselben ein, so wird das gesamte Kühlmittel in die den Teilräumen 9 gegenüberliegende Ringnut 7 des Kühlraumes 5 geschleudert. Dort breitet es sich infolge der axialen Beschleunigung in Umfangsrichtung gleichmäßig aus. Durch diese Strömungsbewegung des Kühlmittels innerhalb der Ringnut 7 wird die Kühlung des Kolbens 1 intensiviert. Da der Rauminhalt aller mit einer Kühlmittelzuführung versehenen Teilräume 9 dem Gesamtrauminhalt der Ringnut 7 entspricht, wird das Kühlmittel vollständig von der Ringnut 7 aufgenommen (Fig. 4). Im darauf folgenden Abwärtshub des Kolbens fällt das Kühlmittel infolge der einsetzenden entgegengesetzt gerichteten Beschleunigung wieder in den unterteilten Axialabschnitt des Kühlraunes 5 zurück. Da das Kühlmittel sich jedoch in der Ringnut 7 gleichmäßig auf den gesamten Umfang verteilt hat, gelangt es je zur Hälfte in die Teilräume 9 mit einer Kühlmittelabführung und in die Teilräume 9 mit einer Kühlmittelzuführung. Auch bei der Abwärtsbewegung benetzt das Kühlmittel das Zylinderrohr 2 und kühlt dieses. Sobald sich das Kühlmittel in den Teilräumen 9, welche mit den Kühlmittelabführungsbohrungen 11 versehen sind, befindet, wird es durch diese Bohrung 11 abgeführt. Im unteren Totpunkt angelangt, gibt das Kolbenhemd 3 die Zuflußbohrung 10 frei, und der Zyklus beginnt von neuem. Es können mehr als zwei Zuflußbohrungen 10 bzw. Abflußbohrungen 11 in einem Teilraun 9 des Kolbens 1 angeordnet sein.
  • In der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausbildung der Erfindung sind die Kühlmittelzuführungen als radiale Bohrungen 10 im Zylinderrohr 2 und die Kühlmittelabführungen als axiale Bohrungen 11 in Kolben 1 vorgesehen; es ist hingegen auch möglich, die Kühlmittelabführungen ebenfalls in dem Zylinderrohr 2 vorzusehen. Außerdem können die Kühlmittelzu- und auch -abführungen zur genauen Steuerung des Kühlnittelzuführungszeitpunktes Lzw. des Kühlmittelabführungszeitpunktes mit axial verlaufenden Nuten in der Zylinderrohrwand 2 und auch im Kolbenhemd 3 verbünden sein. Durch diese Kombination von axial verlaufenden Nuten ist es beispielsweise möglich, die Kühlmittelzuführung in den Kühlraum 5 vom unteren Totpunkt bis maximal zum oberen Totpunkt oder bis zu einem definierten Zeitpunkt der Kolbenbahn aufrecht zu erhalten.
  • In den Fig. 6 und 7 ist die Ausbildung einer ölabstreifvorrichtung bzw. einer Kühlmittelabstreifvorrichtung dargestellt. Auf diese Weise kann ein besonderer Ölabstreifring bzw. ein Kühlmittelabstreifring entfallen. Es ist dabei an dem Kolben 1 an die die Kolbenringe tragenden Ringwand 17, eine Art Steg 13 vorgesehen. Dieser Steg 13 ist an der pleuelseitigen Unterkante der Ringwand 17 auf der den Zylinderrohr 2 zugewandten Seite in zylinderaxialer Richtung angeordnet. Zur höheren Wirkung des Steges 13 ist derselbe in axialer Richtung vielfach geschlitzt und mit einer Vorspannung versehen. Durch diese Vorspannung ragt der Steg 13 im nicht eingebauten Zustand des Kolbens 1 radial aus der Kolbenumfangsfläche 14 heraus. Erst im eingebauten Zustand legt er sich optimal an das Zylinderrohr 2 an und verhindert durch diese Dichtwirkung das Eindrin- gen von Kühlmittel in den Brennraum. Der Steg 13 könnte zur Abdichtung des Kühlraums 5 mit noch weiteren Dichtmitteln ebenfalls an dem pleuelseitigen Ende des Kolbens angeordnet sein und den Kühlraum 5 zur Verwendung eines anderen Kühlmittels gegen den Kurbelwellenraum abdichten.
  • In Fig. 7 sind verschiedene Ausführungsformen des Steges 13 gezeigt. Bevorzugt ist die Ausbildung als völlig separat stehender Steg 13 nach Fig. 7a oder als durch Fräsen einer Nut 15 aus der Ringwand 17 hergestellter Steg 13 nach Fig. 7b. In Fig. 7c ist eine Ausführungsform des Steges 13 als selbständiges Bauteil gezeigt. Dabei ist der Steg 13 in eine ringförmige, radial verlaufende Nut in die Ringwand 17 mit einem Grundkörper 16 eingesetzt. Von diesem Grundkörper 16 läuft der eigentliche Steg 13, welcher die Dichtwirkung bewirkt, axial in Richtung des pleuelseitigen Endes des Kolbens 1. Der gesamte separate Körper kann aus einem anderen Material als der Kolben 1 gefertigt werden. Hierbei ist insbesondere Keramik oder auch ein hochlegiertes Metallmaterial von besonderer βedeutung.

Claims (17)

1. Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkühlung und einer inneren Zylinderrohrkühlung, mit zumindest einen von Kolben (1) und dem Zylinderrohr (2) begrenzten Kühlraum (5) und mit geeigneten Dichtmitteln des Kolbens an dessen brennraumseitigem Ende, beispielsweise Kolbenringen, wobei der Kühlraum (5) sich in Umfangsrichtung des Kolbens (1) erstreckt, wobei der Kühhlraum (5) mit mindestens je einer Kühlmittelzuführung und einer Kühlmittelabführung für das Kühlmittel versehen ist und wobei der Kühlraum (5) mindestens zwei etwa axial verlaufende Leitstücke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstücke als Trennwände (8) ausgebildet sind, daß die in zylinderaxialer Richtung gemessene Höhe der Trennwände (8) geringer als die in selber Richtung gemessene Höhe des Kühlraumes (5) ist, daß die Trennwände (8) einen ersten Axialabschnitt des Kühlraumes (5) in Umfangsrichtung des Kolbens (1) in zumindest zwei voneinander getrennte Teilräume (9) aufteilen, die über den zweiten, trennwandfreien Axialabschnitt des Kühlraumes (5) miteinander in Verbindung stehen, und daß eine Kühlmittelzuführung einem Teilraum (9) und eine Kühlmittelabführung einem benachbarten Teilraun (9) zugeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (8) am pleuelseitigen Axialabschnitt des Kühlraumes (5) vorgesehen sind.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der trennwandfreie Axialabschnitt des Kühlraumes (5) als Ringnut (7) ausgebildet ist, die radial hinter den Dichtmitteln des Kolbens (1) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der mit Trennwänden (8) versehene Axialabschnitt des Kühlraumes (5) in eine Anzahl von Teilräumen (9) geteilt ist, wobei die Anzahl ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl Zwei ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelabführung als mindestens eine Bohrung (11) im Kolben (1), ausgebildet ist.
6. Erennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführung mit einer Tasche oder mit mindestens einer axialen bzw. auch radialen Nut in Verbindung steht.
7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer radial in der Zylinderrohrwand (2) angeordneten Kühlmittelzuführung und einer Kühlmittelabführung,
dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Kühlmittelzuführung oder die Kühlmittelabführung oder auch beide im unteren Totpunkt des Kolbens (1) angeordnet sind.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß in oberen Totpunkt des Kolbens (1) kein Kühlmittel zu- bzw. abführbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Raumvolumen der Ringnut (7) in etwa dem Raumvolumen aller mit einer Kühlmittelzuführung versehenen Teilräume (9) des Kolbens (1) entspricht.
10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rauninhalt aller Teilräume (9) gleich groß ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß am brennraumseitigen Axialabschnitt des Kühlraumes (5) an der Kante der seitlichen Öffnung zum Zylinderrohr (2) hin ein dünnwandiger Steg (13) vorgesehen ist.
12. Drennkraftmaschine nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (13) über den gesamten Umfang des Kolben (1) verläuft und koaxial zur Zylinderachse angeordnet ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steg (13) an einer Ringwand (17), die zusammen mit einem inneren Teil des Kolbens (1) die Ringnut (7) bildet, an der zum pleuelseitigen Ende des Kolbens (1) weisenden Oberfläche oder an der zum Zylinderrohr (2) weisenden Oberfläche vorgesehen ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (13) mehrfach in zylinderaxialer Richtung geschlitzt ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (13) im spitzen Zinkel von vorzugsweise etwa 0 - 15° zur Zylinderachse nach außen abgewinkelt ist und daß der Steg (13) im eingebauten Zustand des Kolbens (11) mit Eigenspannung an Zylinderrohr (2) aufliegt.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (13) als getrenntes Bauteil, vorzugsweise aus Keramik, gefertigt ist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel das Motoröl der Brennkraftmaschine ist.
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