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Gekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf einen gekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen, dem Kühlöl vorzugsweise über
eine Bohrung in der Pleuelstange zugeführt wird und der mit einer Einrichtung zum
Fördern des Kühlöles versehen ist.
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Bei einem bekannten Kolben der vorgenannten Bauart besteht die Fördervorrichtung
aus einer am Pleuelstangenauge angebrachten Zunge, die in einen Raum im Kolbenboden
von kreisringsektorförmigem Querschnitt eintaucht und infolge der Relativbewegung
der Pleuelstange gegenüber dem Kolben Kühlöl in Kühlkanäle des Kolbens fördert.
Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist erstens darin zu sehen, daß sich die
Zunge gegenüber den Wänden des Kolbenraumes nur unvollkommen abdichten läßt, und
zweitens, daß eine Verdrängerwirkung nur in einem sehr kleinen Bereich einer Kurbelwellenumdrehung
auftritt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer Vermeidung dieser Nachteile.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich
bekannter Weise in dem Kolben ein koaxial zur Kolbenachse liegender zylindrischer
Raum vorgesehen ist, in dem ein frei beweglicher Pumpenkolben angeordnet ist, der
bei Annäherung des Kolbens an die Totpunkte infolge seiner Massenträgheit eine Relativbewegung
gegenüber dem Kolben ausführt und das in dem zylindrischen Raum befindliche Kühlöl
aus demselben verdrängt, und daß der Pumpenkolben mit einem Absperrglied versehen
ist, durch das er bei Annäherung des Kolbens an dessen unteren Totpunkt eine in
den zylindrischen Raum einmündende Zuführungsöffnung für das Kühlöl verschließt,
worauf er das Kühlöl durch enge, auf den Kolbenboden gerichtete Spritzöffnungen
aus dem zylindrischen Raum verdrängt.
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Man hat schon einen gekühlten Kolben vorgeschlagen, der einen mit
Kühlmittel gefüllten Hohlraum und einen Pumpenkolben aufweist, der infolge seiner
Massenträgheit Relativbewegungen gegenüber dem Kolben ausführt. Diese bekannte Anordnung
ist jedoch wegen des Fehlens einer laufenden Kühlölzufuhr nicht in der Lage, eine
Kühlwirkung zu erzeugen, die mit der Wirkung des Erfindungsgegenstandes vergleichbar
ist.
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Das Absperrglied des Erfindungsgegenstandes ergibt im Bereich zwischen
90 und 180° Kurbelwinkel, d. h. über einem Viertelkreis vor dem unteren Totpunkt,
eine Kühlölförderung zum Kolbenboden, auch wenn die Ölzufuhr über die Pleuelstangenbohrung
in dieser Phase aussetzt. Durch die hohe Geschwindigkeit, mit der das
01 durch die Spritzöffnungen in dieser Phase auf den Kolbenboden auftrifft,
wird die Wärmezufuhr außerdem erheblich verbessert.
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Da in den Bereichen beiderseits des oberen Totpunktes der Massendruck
des Kühlöles den Zuführungsdruck wirksam unterstützt, gibt der Pumpenkolben in seiner
kolbenbodennahen Lage außer den Spritzöffnungen weitere Ausflußöffnungen frei, durch
die Kühlöl unter dem Einfluß der Zuführungs- und Massendrücke ungehindert auf den
Kolbenboden auftreffen kann.
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Vorteilhaft können auch Ausflußbohrungen in der Wandung des zylindrischen
Raumes vorgesehen sein, die in ständig offener Verbindung mit der Ölzufuhr aus dem
Pleuelauge stehen.
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In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Im einzelnen stellt dar F i g. 1 einen Schnitt durch einen Kolben einer
Brennkraftmaschine längs der Linie A-A in F i g. 2, F i g. 2 einen ebensolchen Schnitt
längs der Linie B-B in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie C-C in F
i g. 4 durch eine abgeänderte Bauart der Kolbenkühlvorrichtung, bei der die Ausflußöffnungen
in ständig offener Verbindung mit der Bohrung im Pleuelauge stehen.
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F i g. 4 einen ebensolchen Schnitt längs der Linie D-D in F i g. 3,
F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie E-E in F i g. 3, F i g. 6 den Weg des Ventilkolbens
in dimensionsloser Darstellung über dem Kurbelwinkel aufgetragen, F i g. 7 den Druck
p im Zylinder und die abgeführte Wärmemenge Q in dimensionsloser Darstellung aufgetragen
über dem Kurbelwinkel a; darin ist der Zuführungsdruck des Kühlöles gestrichelt,
der
Trägheitsmassendruck der Ölsäule strichpunktiert und der resultierende Gesamtdruck
ausgezogen gezeichnet; F i g. 8, 9 und 10 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Kolbenkühlvorrichtung, die sich im wesentlichen durch die Führung des Kühlöles im
Kolbenboden unterscheiden.
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An ihrem oberen Ende läuft die Pleuelstange l in das Pleuelauge 2
aus, in das eine Platte 3 eingesetzt sein kann. In der Platte 3 oder im Pleuelauge
2 selbst befindet sich eine Bohrung 4, der über die Ringnut 5 und die Pleuelstangenlängsbohrung
6 Kühlöl in nicht näher dargestellter Weise von der Schmierölpumpe der Brennkraftmaschine
über die Hauptlager, über Bohrungen in der Kurbelwelle und über das jeweilige Pleuellager
zugeführt wird. An die Platte 3 oder an das Pleuelauge 2 wird der Zylinder 7 durch
die Federn 8 bzw. 9 angepreßt, so daß er annähernd dicht aufliegt, damit das Öl
zu der Zuführungsöffnung 10 gelangen kann. In dem Zylinder 7 ist der Pumpenkolben
11 frei beweglich. Er ist mit einem zylindrischen Absperrglied 12 versehen, das
in die Öffnung 10 eintauchen und so den Ölzu-und -abfluß aus dem Zylinder 7 versperren
kann. In dem Pumpenkolben 11 befinden sich Spritzöffnungen 13, die in der Nähe seines
Umfanges angeordnet sind und auf Ausnehmungen 14 im Kolbenboden 15 mit sichelförmigem
Querschnitt zielen. Der Zylinder 7 kann auf den zentrischen Zapfen 16 des Kolbenbodens
15 aufgesteckt sein. Er kann aber auch in die zentrischen Zapfen 17 und 18 (F i
g. 8 bis 10) eingesteckt sein. Die Aufgabe der Ausnehmungen 14 kann auch von einem
eingegossenen Rohr 19, von spiralig verlaufenden Kanälen 20 oder von
Querbohrungen 21 übernommen werden. In diesem Falle zielen die Spritzöffnungen in
das Rohr 19 oder in einen Raum 22, der den Kanälen 20 und 21
vorgeschaltet ist. Der Zapfen 16 bildet einen Anschlag für den Pumpenkolben il in
dessen oberem Totpunkt 0T. Dieser Anschlag kann auch durch einen Sprengring
23 gebildet werden. In den Zylinder sind die Nuten 24 eingearbeitet, die
als Auslußöffnungen dienen, wenn der Pumpenkolben 11 in seiner OT-Stellung steht.
Es kann auch eine dauernde Verbindung zwischen der Bohrung 4 und Ausflußbohrungen
25 (F i g. 3) bestehen. In einem solchen Fall können die Spritzöffnungen 13 entgegen
den Darstellungen in der Zeichnung auch durch am Umfang des Pumpenkolbens eingearbeitete
koaxial verlaufende Nuten von beliebigem Querschnitt ersetzt werden. Schließlich
können Mittel vorgesehen sein, die ein Rückströmen des Kühlöles in der Längsbohrung
6 der Pleuelstange 1 infolge von Massenwirkungen entgegen der Wirkung des Zuführungsdruckes
verhindern, wie hoher Schmieröldruck, Rückschlagventil in der Nähe des Pleuellagers
und zeitweiliger Abschluß der Ölzufuhr zu der Längsbohrung 6 durch entsprechende
Ausbildung des Pleuellagers.
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Der Zapfen 16 befindet sich an der Stelle der größten Wärmebelastung.
Dadurch kann die Wärme auf kürzestem Wege zu dem gekühlten Zapfen strömen, was durch
das große Wärmegefälle noch begünstigt wird. Die Ringpartie wird dadurch thermisch
entlastet, da sie die in Kolbenmitte anfallende Wärme nicht mehr zu übernehmen braucht.
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Wenn der Kolben thermisch nicht gleichmäßig belastet ist, beispielsweise
durch die einseitige Lage des Schußkanals einer Vorkammer eines Dieselmotors oder
des Auslaßventils, so kann dieser Umstand bei der Größe und Lage der Ausnehmungen
14 berücksichtigt werden.
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Der Zylinder 7 wird bei der Montage mit einem geringen Spiel über
den Zapfen 16 geschoben. Bei Beginn des Betriebes wird der Hohlzylinder wechselweise
um den Zapfen 16 kippen. Bei Erwärmung des Kolbens wird sich dann der Zapfen 16
dehnen und das Spiel aufheben.
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Da am Pumpenkolben 11 nicht beide Außendurchmesser die gleiche Passung
haben können, ist für den größeren die gröbere Passung zu empfehlen, da er radial
nicht dichten muß.
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Zur Beeinflussung der Spritzgeschwindigkeit des Kühlöles muß die Masse
des Pumpenkolbens 11 verändert werden, da die Beschleunigung durch die Drehzahl
festliegt. Man kann durch Änderung der äußeren Form des Pumpenkolbens auch seine
Masse ändern, womit sich auch das Fassungsvermögen des Zylinders 7 ändert. Soll
dieses unverändert bleiben, dann bietet sich noch die Wahl eines Werkstoffes mit
einem anderen spezifischen Gewicht.
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Der in der Regel aus Stahl bestehende Pumpenkolben 11 trifft in seinem
UT auf den ebenfalls stählernen Zylinder 7, im OT dagegen auf den Leichtmetallzapfen
16 des Motorkolbens. Es ist möglich, daß der Zapfen 16 an dieser Stelle mit einem
härteren Teil, etwa einer Stahlplatte, ausgerüstet werden muß. Andererseits wäre
es denkbar, daß das dazwischen befindliche Öl den Anschlag so weit dämpft, daß keine
Deformation des Zapfens 16 eintreten kann.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Kühlvorrichtung ist folgende (s.
auch F i g. 6): Bewegt sich der Motorkolben verzögernd vom Kurbelwinkel -x zu 0T,
so legt der Pumpenkolben 11 infolge seiner Massenträgheit den Weg von seinem
UT zu seinem 0T zurück, die Zuführungsöffnung 10
durch das Absperrglied
12 dabei freigebend. Unter der Wirkung des Förderdruckes der Schmierölpumpe und
der Massenträgheit des Ölsäule in der Pleuelstange kann nun das Öl unter den Pumpenkolben
11 in den Zylinder 7 fließen.
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Hat der Motorkolben 0T erreicht, befindet sich der Pumpenkolben 11
ebenfalls in seinem 0T. Das Öl kann nun weiterhin in den Zylinder 7 strömen. Da
es in 0T die maximale relative Beschleunigung erfährt, kann es mit einem so verstärkten
Druck unter Umständen sogar durch die Öffnungen 13, 24 und 25 des Pumpenkolbens
11 bis zum Kolbenboden 15 gelangen. Letzteres ist vom resultierenden Druck und von
den verschiedenen Drosselstellen, insbesondere am Pumpenkolben 11, abhängig.
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Während der beschleunigten Abwärtsbewegung des Motorkolbens bis zum
Kurbelwinkel +a bleibt der Pumpenkolben 11 in seinem 0T stehen. Das Öl kann infolge
seiner Massenträgheit weiter auf dem erwähnten Weg den Zylinder 7 füllen und unter
Umständen auch weiter fließen.
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Nachdem der Kurbelwinkel +a überschritten ist, wird der Motorkolben
bis UT verzögert. Der Pumpenkolben 11 gelangt infolge seiner Massenträgheit in seinen
UT. Er wird nach einem kurzen Zeitraum (etwa bei 90°) einen geringen Weg zurückgelegt
und dabei einen kleinen -Teil der Ölfüllung wieder ausgeschoben haben, dann aber
die Nuten 24 und mit seinem Absperrglied 12 die Zuflußöffnungen
10 im
Zylinder 7 verschließen. Danach schleudert der Pumpenkolben
11 das in dem Zylinder 7 befindliche Öl durch seine axialen Bohrungen
13 gegen den Zapfen 16. In den Ausnehmungen 14 desselben strömt es
mit größerer Geschwindigkeit zum Kolbenboden 15. Der Pumpenkolben 11 möchte seine
beim Kurbelwinkel -h a vom Motorkolben mitgeteilte Geschwindigkeit beibehalten.
Sie wird auch durch die guten Schmierverhältnisse auf seinem Wege zu UT durch die
Reibung nicht wesentlich gemindert. Da der Motorkolben aber immer mehr verzögert
wird, nimmt die Relativgeschwindigkeit des Pumpenkolbens 11 im gleichen Maße zu.
Dadurch entsteht im Zylinder 7 insbesondere im UT ein verhältnismäßig großer Druck,
so daß das Kühlöl nun mit seiner maximalen Geschwindigkeit durch die Ausnehmungen
14 an den Kolbenboden gespritzt wird. Durch die große Geschwindigkeit ist dabei
der Wärmeübergang wesentlich verbessert. Das in der Pleuelstange 1 verbliebene Öl
wird nun etwas verspätet in Richtung auf das Pleuellager zurückfließen. Die Verspätung
hängt vom Druck der Schmierölpumpe ab. Ist dieser sehr groß, so ist es möglich,
daß er die Trägheitskraft überwindet, wodurch stets ein Druck am Pleuelauge 2 erhalten
bleibt und eine Rückströmung überhaupt verhindert wird.
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In UT und auch auf dem Wege zu 0T bis zum Kurbelwinkel -a, den der
Motorkolben beschleunigt zurücklegt, befindet sich der Pumpenkolben 11 in seinem
UT. Die Ölsäule wird anfangs stärker, dann aber schwächer werdend zum Pleuellager
fließen oder aber nur den Förderdruck in der gleichen Weise vermindern.
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Nach dem Kurbelwinkel a wird sich der Pumpenkolben 11 wieder zu seinem
0T bewegen und das Arbeitsspiel wieder beginnen.
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Die Größe der Kurbelwinkel f3 und 7, d. h., die Zeit, welche der Pumpenkolben
benötigt, um von seinem 0T zu UT bzw. zurück zu gelangen, hängt von der Reibung,
der Viskosität des Öles und dessen Drosselverlusten beim Passieren der Spritzöffnungen
13 ab und ist kein konstanter Wert.