[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
[0002] Bei Brennkraftmaschinen wird der Materialabtrag am Kolbenoberteil wesentlich bestimmt
von der Temperatur. Bei modernen Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist die Kühlung der
Kolben einer der Faktoren, die die Leistung der Maschine limitieren. Die Effizienz
des Kühlsystems für die Kolben ist deshalb von zentraler Bedeutung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen,
die höchsten Anforderungen bezüglich Leistung und Zuverlässigkeit genügen.
[0003] Ein Kolben gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist offenbart im Japanischen Gebrauchsmuster
Hei 4-39 384. Dieser Kolben wird dadurch gekühlt, dass im Kolbenoberteil in der Nähe
der dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine zugewandten Stirnfläche des Kolbens
eine Kühlkammer vorgesehen ist, in die als Kühlmittel Öl mittels Spritzdüsen gespritzt
wird. Das eingespritzte Öl wird aus der Kühlkammer abgeleitet durch einen Rückflusskanal,
der im Innern der Kolbenstange über deren gesamte Länge verläuft und am von der Kühlkammer
entfernten Ende der Kolbenstange in eine separate Ölabflussleitung mündet, die in
dem mit der Kolbenstange verbundenen Kreuzkopf verläuft. Der Ölrückfluss wird getrieben
durch die Schwerkraft auf das sich in der Kühlkammer sammelnde Öl, d. h. aufgrund
des Gefälles im Rückflusskanal, wobei die Kolbenstange gewöhnlich vertikal und unterhalb
der Kühlkammer angeordnet ist. Der Ölablauf aus der Kühlkammer wird unterstützt durch
Zufuhr von Luft in die Kühlkammer mit Hilfe eines Belüftungsrohres, welches eine Verbindung
herstellt zwischen der Umgebungsluft der Maschine und der Kühlkammer. Dabei ist das
Belüftungsrohr im Innern der Ölrückflusskanals so untergebracht, dass eines seiner
Enden in die Kühlkammer ragt und dass es am von der Kühlkammer entfernten Ende übergeht
in eine Luftleitung, die im Kreuzkopf getrennt von der Ölabflussleitung verläuft und
eine Verbindung zur Umgebungsluft herstellt.
[0004] Es hat sich herausgestellt, dass der maximale Kühlmitteldurchsatz, den diese Anordnung
zur Kühlung eines Kolbens zulässt, zu limitiert ist und einer Weiterentwicklung der
heutigen Brennkraftmaschinen zu noch höheren Leistungen Grenzen setzt.
[0005] Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben
für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kühlsystem mit verbesserter Kühlwirkung
zu schaffen.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung mit den Kennzeichen
des Anspruchs 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung.
[0007] Der erfindungsgemässe flüssigkeitsgekühlte Kolben hat eine Kühlkammer mit einem Rückflusskanal
für das in die Kühlkammer eingebrachte Kühlmittel, welcher Rückflusskanal in der Kolbenstange
verläuft, und zeichnet sich dadurch aus, dass im Rückflusskanal ein Belüftungsrohr
angeordnet ist, das kolbenseitig in die Kühlkammer des Kolbens ragt und sich nur über
einen Teil des Rückflusskanals in der Kolbenstange erstreckt. Der sich im Rückflusskanal
erstreckende Teil des Belüftungsrohrs endet noch innerhalb der Kolbenstange, mündet
also nicht in den Kreuzkopf, und hat keine vom Rückflusskanal getrennte Verbindung
zur Umgebungsluft. Das Belüftungsrohr beeinflusst das Strömungsprofil des Kühlmittels
im Rückflusskanal derart, dass Gase im Rückflusskanal einen Zugang zum Belüftungsrohr
und über dieses einen Zugang zur Kühlkammer haben und so einen Unterdruck in der Kühlkammer
vermeiden, der den Abfluss des Kühlmittels im Rückflusskanal behindern würde. Der
erfindungsgemässe Kolben hat den Vorteil, dass das Kühlsystem einen erhöhten Kühlmitteldurchsatz
ermöglicht und konstruktiv vereinfacht ist.
[0008] Die Erfindung wird im folgenden im Detail erläutert anhand der folgenden Abbildung.
Es zeigt
- FIG. 1
- einen Längsschnitt durch einen Kolben mit Kühlkammer, Kühlmitteleinspritzung, Rückflusskanal
und Belüftungsrohr.
[0009] FIG. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens. Die wesentlichen
Bestandteile des Kolbens sind das Kolbenoberteil 1 mit der dem Verbrennungsraum der
Brennkraftmaschine zugewandten Kolbenoberseite 25, die Spritzplatte 4, das Kolbenhemd
3. Der Kolben ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 50. Das Kolbenoberteil
1 und die Spritzplatte 4 grenzen zusammen die Kühlkammer 15 des Kolbens ab. Das Kolbenoberteil
1 und das Kolbenhemd 3 sowie die Spritzplatte 4 sind auf ihrem Umfang mit der Kolbenstange
5 verbunden. Das Kolbenoberteil 1 enthält blinde Kühlbohrungen 17, die von der Kühlkammer
aus in Richtung auf die Kolbenoberfläche 25 bzw. eine Aussenseite des Kolbens weisen.
An dem vom Kolben entfernten Ende ist die Kolbenstange mit dem Kreuzkopf 8 verbunden.
[0010] Im Betrieb der Brennkraftmaschine bewegt sich der Kolben längs der Achse 50, wobei
diese bevorzugt im wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche verläuft und das Kolbenoberteil
1 über der Kolbenstange 5 angeordnet ist.
[0011] Die Kühlkammer ist Teil eines Kühlmittelkreislaufs. Das Kühlmittel, z. B. Öl oder
Wasser, gelangt mittels eines Einspritzsystems in die Kühlkammer, wobei das Kühlmittel
kreuzkopfseitig in eine durch die Kolbenstange 5 verlaufende Leitung 30 eingespeist
und von dort über einen Kanal 31 mit ringförmigem Querschnittsprofil und einen Hohlraum
32 zwischen der Spritzplatte 4 und der Kolbenstange 5 durch eine Vielzahl durch die
Spritzplatte 4 geführter Düsen 18 gepresst wird. Die Düsen 18 sind bevorzugt so angeordnet,
dass das eingespritzte Kühlmittel auf die Regionen des Kolbenoberteils 1 trifft, die
der Kolbenoberfläche 25 besonders nahe kommen und im Betrieb der Brennkraftmaschine
am stärksten wärmebelastet sind. Eine besonders gute Kühlwirkung wird erzielt durch
Spritzkühlung, d. h. durch Spritzen des Kühlmittels an eine Wandung der Kühlbohrungen
17 oder an eine Wand der Kühlkammer 15.
[0012] Das Einspritzen hat zwei Funktionen. Einerseits kommen zu kühlende Flächen mit Kühlmittel
in Berührung, dessen Temperatur der Vorlauftemperatur des Kühlmittelkreislaufs entspricht
und das durch das Einspritzen eine turbulente Strömung zeigt. Auf diese Weise wird
der Wärmeübergang zwischen den zu kühlenden Flächen und dem Kühlmittel optimiert.
Weiterhin ist das Spritzen von Kühlmittel an eine Grenzfläche häufig mit einer reinigenden
Wirkung verbunden. Das Kühlmittel Öl beispielsweise bildet bei den im Betrieb erreichten
Kolbentemperaturen leicht an Grenzflächen haftende Rückstände, die meist den Wärmeübergang
zwischen Grenzfläche und Kühlmittel verschlechtern und so einer weiteren Temperaturerhöhung
und einer beschleunigten Ablagerung von Ölrückständen Vorschub leisten. Ablagerungen
in den Kühlbohrungen 17 sind besonders nachteilig. Aufwendige Wartungsarbeiten sind
zur Entfernung der Ablagerungen nötig. Das Spritzen des Kühlmittels an die zu kühlenden
Grenzflächen hingegen wirkt der Ablagerung von Rückständen entgegen.
[0013] Für den Abfluss des Kühlmittels aus der Kühlkammer ist der Rückflusskanal 6 vorgesehen.
Er ist vorzugsweise längs der Mittelachse 50 der Kolbenstange 5 geführt, mündet in
die Kühlkammer 15 an der Öffnung 21 in der Spritzplatte 4 und ist kreuzkopfseitig
mit einer Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs verbunden. Zur Optimierung der
Einströmung von Kühlmittel in den Rückflusskanal weist die Spritzplatte 4 kühlkammerseitig
ein Gefälle zur Öffnung 21 hin auf. Ferner ist der Rückflusskanal 6 an seiner Mündung
21 in die Kühlkammer 15 so gestaltet ist, dass sich sein Querschnitt in die von der
Kühlkammer abgewandte Richtung verengt. Das Profil des Querschnitts des Rückflusskanals
6 ist bevorzugt rund wegen der einfachen Herstellbarkeit. Grundsätzlich ist die Funktion
für ein beliebiges Querschnittsprofil gewährleistet.
[0014] Im wesentlichen zwei Kühleffekte tragen zur Kühlwirkung des Kühlmittels in der Kühlkammer
15 bei. Ein Kühleffekt ist der Spritzkühlung mittels Kühlmittel, das direkt aus einer
Düse 18 an eine zu kühlende Fläche gespritzt wird, zuzuordnen. Einen weiteren Beitrag,
die Planschkühlung, liefert das Kühlmittel, das sich nach dem Einspritzen in der Kühlkammer
15 sammelt und im Betrieb der Brennkraftmaschine in der Richtung der Kolbenbewegung
hin und her planscht. Zur Optimierung der Kühlwirkung muss einerseits die Menge Kühlflüssigkeit,
die die Kühlkammer 15 passiert, möglichst gross sein. Andererseits muss der Wärmeübergang
zwischen den zu kühlenden Flächen und dem Kühlmittel möglichst gut sein. Ein Übermass
an Kühlmittel in der Kühlkammer 15 reduziert die Kühlwirkung. Wenn z. B die Einspritzdüsen
18 mit Kühlmittel bedeckt werden, wird Kühlmittel mit verminderter Effizienz eingespritzt
und die Wirkung der Spritzkühlung nimmt ab. Weiterhin ist bekannt, dass die Wirkung
der Planschkühlung abnimmt, wenn ein übermässiger Anteil der Kühlkammer 15 mit Kühlmittel
gefüllt ist. Andererseits ist die Planschkühlung nur möglich, wenn ein Mindestmass
an Kühlmittel sich in der Kühlkammer 15 sammelt. Zur Optimierung der Kühlung wird
der Kühlmitteldurchfluss durch die Kühlkammer 15 so eingerichtet, dass die Menge Kühlflüssigkeit,
die einen Teil des Volumens der Kühlkammer 15 ausfüllt, nicht grösser als ein vorgegebener
oberer Wert und nicht geringer als ein vorgegebener unterer Wert ist. Deshalb ist
die maximale Menge Kühlflüssigkeit, die unter diesen Bedingungen in die Kühlkammer
15 gespritzt werden kann und eine optimale Kühlwirkung erzielt, limitiert durch die
Menge Kühlflüssigkeit, die pro Zeiteinheit aus der Kühlkammer 15 abfliessen kann.
[0015] Von wesentlicher Bedeutung für die pro Zeiteinheit aus der Kühlkammer 15 abströmende
Menge Kühlmittel ist die Gestaltung des Belüftungsrohrs 10, welches mit Stützblechen
40 und 41 in seiner Position bezüglich dem Rückflusskanal 6 fixiert ist.
[0016] Erfindungsgemäss sorgt der Rückflusskanal 6 in Kombination mit dem Belüftungsrohr
10 für den Abfluss von Kühlmittel bei gleichzeitigem Druckausgleich in einer Gasatmosphäre,
die sowohl die Kühlkammer 15 als auch den Rückflusskanal 6 und die im Kreuzkopf 8
an den Rückflusskanal 6 anschliessende Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs ausfüllt.
Bei der Gestaltung des Belüftungsrohrs 10 zur Optimierung der Kapazität des Rückflusskanals
6, gemessen in der pro Zeiteinheit aus der Kühlkammer abfliessenden Menge Kühlmittels,
müssen verschiedene Effekte berücksichtigt werden, die als Funktion einzelner Parameter
gegenläufige Tendenzen aufweisen und deshalb zu optimalen Kompromissen führen:
- Für die Länge des Abschnitts des Belüftungsrohrs 10, der im Rückflusskanal 6 verläuft,
gibt es einen optimalen Bereich als Kompromiss zwischen gegenläufigen Einflüssen:
Einerseits nimmt mit wachsender Länge des Belüftungsrohrs 10 der Stömungswiderstand
des Rückflusskanals zu, da das Belüftungsrohr 10 eine reibende Fläche für das abströmende
Kühlmittel darstellt und das Kühlmittel hauptsächlich zwischen der Aussenseite des
Belüftungsrohrs 10 und der Wandung des Kanals 6 abfliesst. Ist hingegen das Belüftungsrohr
im Extremfall nicht vorhanden, so bildet sich ein Kühlmittelsee, der die Öffnung 21
in der Spritzplatte abdeckt. Dieser Kühlmittelsee behindert das Einströmen von Gasen
aus dem Rückflusskanal 6 und somit den Druckausgleich zwischen Kühlkammer 15 und dem
Rückflusskanal 6. Dieser den Abfluss von Kühlmittel mindernde Effekt wird reduziert
mit wachsender Länge des im Rückflusskanal 6 verlaufenden Abschnitts des Belüftungsrohrs
10: Es wird verhindert, dass ein Kühlmittelsee die Öffnung 21 bedeckt; weiterhin formt
das Belüftungsrohr das Strömungsprofil des Kühlmittels in dem Bereich des Rückflusskanals
6 zwischen Kreuzkopf 8 und dem kühlkammerfernen Ende des Belüftungsrohrs 10 dergestalt,
dass eine Durchlässigkeit für Gase gewährleistet ist. Als Kompromiss ergibt sich ein
optimaler Bereich für die Länge des in den Rückflusskanal 6 ragenden Teils des Belüftungsrohrs
10: Experimente zeigen, dass die optimale Länge des sich im Rückflusskanal 6 erstreckenden
Teils des Belüftungsrohrs 10 im Bereich 10%-90% der Länge des Rückflusskanals 6, vorzugsweise
im Bereich 15%-50% der Länge des Rückflusskanals 6, liegt. Details hängen von anderen
Parametern wie der Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs oder der Form des Belüftungsrohrs
ab.
- Eine optimale Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs 10 ergibt sich als Kompromiss
zwischen der Forderung, die Querschnittsfläche möglichst klein zu wählen, um der abströmenden
Kühlflüssigkeit zwischen der Aussenseite des Belüftungsrohrs 10 und der Wandung des
Rückflusskanals 6 möglichst viel Platz zu gewähren, und der Forderung, die Querschnittsfläche
möglichst gross zu wählen, um ein effizientes Einströmen von Gasen in die Kühlkammer
15 zu gewährleisten. Experimente zeigen, dass die optimale Querschnittsfläche des
Belüftungsrohrs 10 zwischen 20% und 70% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals
6, vorzugsweise zwischen 25% und 60% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals 6,
beträgt. Details hängen von anderen Parametern wie der Länge des Belüftungsrohrs oder
der Form des Belüftungsrohrs ab.
- Die optimale Länge des Abschnitts des Belüftungsrohrs 10, der in die Kühlkammer 15
ragt, ist ein Kompromiss: ist die Länge zu kurz, dann läuft ein beträchtlicher Anteil
der Kühlflüssigkeit durch das Belüftungsrohr 10 ab und vermindert die Zufuhr von Gas
in die Kühlkammer 15, ist sie zu gross und kommt das kühlkammerseitige Ende des Belüftungsrohrs
10 zu nahe an eine Wand der Kühlkammer 15, dann wird zwar das Eindringen von Kühlflüssigkeit
in das Belüftungsrohr 10 vermindert, aber auch die Zufuhr von Gas in die Kühlkammer
15 limitiert. Experimente zeigen, dass der optimale Abstand a des kühlkammerseitigen
Endes des Belüftungsrohrs 10 von der Wandung der Kühlkammer 15 zwischen 10% und 90%
der Erstreckung h der Kühlkammer 15 in der Längsrichtung des Belüftungsrohrs 10, vorzugsweise
zwischen 15% und 65% der Erstreckung h der Kühlkammer 15 in der Längsrichtung des
Belüftungsrohrs 10, beträgt.
[0017] Ausser von den genannten Parametern ist die maximale Menge Kühlflüssigkeit, die durch
den Rückflusskanal 6 abfliesst, von der Frequenz abhängig, mit der der Kolben im Betrieb
der Brennkraftmaschine in Richtung der Kolbenstange 5 oszilliert. Wegen des Hin- und
Herplanschens des Kühlmittelsees in Richtung der Kolbenstange 5 läuft Kühlmittel bei
oszillierenden Kolben nur während eines Bruchteils einer Periode der Oszillation des
Kolbens im Rückflusskanal 6 ab. Experimente zeigen, dass einerseits durch die Kolbenoszillation
zwar der Abfluss von Kühlmittel aus der Kühlkammer 15 reduziert wird, andererseits
aber die Kapazität des Rückflusskanals bei einem oszillierenden Kolben wesentlich
empfindlicher von der Dimensionierung des Belüftungsrohrs 10 abhängt als bei einem
ruhenden Kolben. Deshalb ist es relevant, die Gestaltung des Belüftungsrohrs 10 speziell
für den oszillierenden Kolben zu optimieren. Die genannten optimalen Bereiche für
die Dimensionen des Belüftungsrohrs gelten für oszillierende Kolben.
[0018] Für die beschriebene Erfindung ist die Form des Belüftungsrohrs 10 nicht relevant,
z. B. der Querschnitt des Belüftungsrohrs 10 kann beliebiges Profil haben. Eine bevorzugte
Ausführungsform stellt ein Belüftungsrohr 10 mit einem Querschnitt mit rundem Profil
dar. Solche Rohre sind meist verfügbar und müssen nicht speziell gefertigt werden.
Solche Rohre sind auch speziell geeignet für eine Kombination mit Kolben mit einem
runden Abflusskanal. Besonders vorteilhaft ist ein rundes Belüftungsrohr 10, dass
konzentrisch in dem Rückflusskanal 6 angebracht ist. Diese konzentrische Anordnung
ist angepasst an das Profil der Strömung des Kühlmittels in der Kühlkammer 15, welches
Profil im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse 50 ist. Das Querschnittsprofil
des Belüftungsrohrs 10 kann längs des Rohrs variieren.
[0019] Folglich hat der erfindungsgemässe flüssigkeitsgekühlte Kolben eine Kühlkammer 15
mit einem Rückflusskanal 6 für das in die Kühlkammer 15 durch eine Zuleitung 30, 31,
32 und Spritzdüsen 18 eingebrachte Kühlmittel. Der Rückflusskanal 6 verläuft in der
Kolbenstange 5 und zeichnet sich dadurch aus, dass im Rückflusskanal 6 ein Belüftungsrohr
10 angeordnet ist, das kolbenseitig in die Kühlkammer 15 des Kolbens ragt und sich
nur über einen Teil des Rückflusskanals 6 in der Kolbenstange 5 erstreckt. Der sich
im Rückflusskanal 6 erstreckende Teil des Belüftungsrohrs 10 endet noch innerhalb
der Kolbenstange 5 und hat keine vom Rückflusskanal 6 getrennte Verbindung zur Umgebungsluft.
Das Belüftungsrohr 10 beeinflusst das Strömungsprofil des Kühlmittels im Rückflusskanal
6 derart, dass Gase im Rückflusskanal 6 einen Zugang zum Belüftungsrohr 10 und über
dieses einen Zugang zur Kühlkammer 15 haben und so einen Unterdruck in der Kühlkammer
15 vermeiden, der den Abfluss des Kühlmittels im Rückflusskanal 6 behindern würde.
Das Belüftungsrohr 10 dient der Optimierung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Kühlkammer
15.
1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben mit Kühlkammer (15), für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine,
mit einem Rückflusskanal (6) für das Kühlmittel in der Kolbenstange (5), dadurch gekennzeichnet,
dass im Rückflusskanal (6) ein Belüftungsrohr (10) angeordnet ist, das kolbenseitig
in die Kühlkammer (15) des Kolbens ragt und sich über einen Teil des Rückflusskanals
(6) in der Kolbenstange (5) erstreckt.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des sich im Rückflusskanal
erstreckenden Teils des Belüftungsrohrs (10) im Bereich 10%-90% der Länge des Rückflusskanals
(6), vorzugsweise im Bereich 15%-50% der Länge des Rückflusskanals (6), liegt.
3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche
des Belüftungsrohrs (10) zwischen 20% und 70% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals
(6), vorzugsweise zwischen 25% und 60% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals
(6), beträgt.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des
kühlkammerseitigen Endes des Belüftungsrohrs (10) von der Wandung der Kühlkammer (15)
zwischen 10% und 90% der Ausdehnung der Kühlkammer (15) in der Längsrichtung (50)
des Belüftungsrohrs (10), vorzugsweise zwischen 15% und 65% der Erstreckung (h) der
Kühlkammer (15) in der Längsrichtung (50) des Belüftungsrohrs (10), beträgt.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflusskanal
(6) an seiner Mündung (21) in die Kühlkammer (15) so gestaltet ist, dass sich sein
Querschnitt in die von der Kühlkammer abgewandte Richtung verengt.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungsrohr
(10) im Rückflusskanal (6) konzentrisch angeordnet ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1-6, mit einem Einspritzsystem (30, 31, 32, 18) zum
Einspritzen des Kühlmittels in die Kühlkammer (15).
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (15)
ein oder mehrere Kühlbohrungen (17) aufweist.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem
ein oder mehrere Düsen (18) zum Spritzen des Kühlmittels in die Kühlbohrungen (17)
und/oder an eine Wand der Kühlkammer (15) aufweist.
10. Brennkraftmaschine, mit einem Kolben nach einem der Ansprüche 1-9.