DE2751306A1

DE2751306A1 - Kolben-zylinder-baugruppe fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2751306A1
Application number: DE19772751306
Authority: DE
Inventors: Wilfred Percival Mansfield
Original assignee: NAT RES DEV
Current assignee: NAT RES DEV
Priority date: 1976-11-18
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1978-05-24
Also published as: SE7712947L; FR2371581A1; IT1091487B; JPS5374640A

Description

N. 262

Augsburg, den 10. November 1977

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

England

Kolben-Zylinder-Baugruppe für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Baugruppe für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Kolben-Brennkraftmaschinen werden häufig flüssigkeitsgekühlt und die Kühlsysteme derartiger Maschinen weisen üblicherweise große, die Zylinder umschließende Kühlmäntel auf, die ausgedehnte Kanäle enthalten, durch

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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.

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.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

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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.

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-

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wendigkeit, die Schmieröltemperatur auf den Gleitflächen zu begrenzen, den zulässigen Temperaturen strenge Grenzen gesetzt.

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.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine

Kolben-Zylinder-Baugruppe, und

Fig. 2 einen Halbschnitt durch eine

abgewandelte Ausführungsform.

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 einem

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ringansatzformigen Kolbenringträger 5 ausgebildet, der Kolbenringe 6 trägt.

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 außen

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mit Rippen 18 versehen, die den Zylinder versteifen und auch die Wärmeabgabe der Außenflächen durch natürliche Konvektion begünstigen.

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.

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.

Im Betrieb der KoIben-Zylinder-Baugruppe soll das 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.

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Claims

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Dipl. ing. B. HOLZEB

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Patentansprüche ' β»οθ aügsbükq

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[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.
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.
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.
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 und

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ORIGINAL INSPECTED

Mittel (l4) zur Rückleitung des Öls aus dem Kolben in die Ölwanne der Maschine aufweist.
5. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche

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.
6. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das innere Kühlsystem des Kolbens (3, 4) auch auf den Schaftbereich des Kolbens erstreckt.
7. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach einem der Ansprüche

2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeisolation zwischen dem Kolbenbodenbereich (4) und dem Kolbenkörper (3) ein Bereich (2) niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.
8. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich niedriger Wärmeleitfähigkeit durch einen geschlossenen, evakuierten Hohlraum (2) gebildet ist.

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9. Kolben-Zylinder-Baugruppe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich niedriger Wärmeleitfähigkeit durch einen geschlossenen, Gas enthaltenden Hohlraum (2) gebildet ist.
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.
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.
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.

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