Verfahren zur Kühlung eines Brennkraftmaschinenkolbens Die Erfindung bezieht sich nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes auf ein Verfahren zur Kühlung eines Brenn- kraftmaschinenkolbens mit einem Brennraum und mit einem inneren und äusseren Kühlraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Brennraumwand unabhängig von der Temperatur des die Kolbenringe tragenden Kolbenmantels durch den inneren Kühlraum und das in ihm vorgesehene Kühlmittel geregelt wird, derart, dass der innere Kühlraum bis zum Erreichen der für die Verbrennung günstigen Temperatur der Brennraumwand diese isolierend umfasst,
und dass eine Kühlung durch das Kühlmittel erst bei Erreichen dieser Tem peratur einsetzt und diese unabhängig von der jeweiligen Drehzahl und dem Lastzustand der Maschinen nahezu kon stant hält.
Bei dem genannten Kühlverfahren ist der innere Kühlraum zweckmässig um den Brennraum bzw. um den Brennraumein- satz angeordnet und dient dazu, die Temperatur in der Wand des Kolbenbrennraumes im Hinblick auf den jeweiligen Bela stungszustand der Maschine zu regeln, d. h. beim Starten, im Leerlauf und bei geringer Teillast muss die Brennraumwand möglichst gut isoliert sein, damit sie rasch ihre Solltemperatur erreicht bzw. beibehält, bei Vollast hingegen bzw. mit Errei chen der Solltemperatur muss automatisch die Wärmeabfuhr so weit erhöht werden, dass keine Überhitzung auftreten kann.
Der vom inneren Kühlraum unabhängige äussere Kühlraum hingegen dient zur gleichmässigen Kühlung der der Zylinder wand zugekehrten Aussenseite des Kolbens, in der die Kolben ringe angeordnet sind, damit eine einwandfreie Schmierung gewährleistet und Verkoken des Schmieröls in den Kolbenring nuten und damit Festbrennen der Kolbenringe vermieden werden. Er dient ferner zur Abkühlung des Kühlmittels im inneren Kühlraum bei Teil- und Vollastbetrieb. Als Kühlmittel ist hierfür in bekannter Weise das in seiner Temperatur über wachte Motorschmieröl vorgesehen.
Für den inneren Kühlraum kommt als Kühlmittel, wie im Hauptpatent beschrieben, beispielsweise Woods-Metall in Frage, das erst bei einer Temperatur zwischen 180 und 250 C flüssig wird. Solange die Temperatur der Brennraumwand unterhalb dieser liegt, befindet sich dieses Kühlmittel in star rem Zustand am Boden des Kühlraumes, während der übrige, luftgefüllte Teil desselben eine Wärmeisolierung darstellt.
Bei Erreichen der Solltemperatur wird das Kühlmittel flüssig und durch den auf- und abgehenden Kolben ebenfalls auf- und abgeschüttelt ( Shaker-Kühlung ), wodurch nun im oberen Bereich der Brennraumwand, in dem sich die höchste Tempe ratur einstellt, eine gute Wärmeabfuhr erreicht und die Brenn- raumwand auf einer günstigen Temperatur gehalten wird.
Das in dem Hauptpatent<B>501</B>148 beschriebene Kühlverfah ren hat sich in der Praxis gut bewährt, es weist jedoch bei schräg liegender Zylinderanordnung, wie beispielsweise bei V- Motoren noch gewisse Mängel auf. Bei einer solchen Einbau weise sammelt sich nämlich beim Absinken der Brennraum- temperatur das Kühlmittel nicht mehr am Boden des Kühlrau mes, d. h. unterhalb der Mitte des Brennraumes an und erstarrt dort, sondern es tritt je nach der Zylinderneigung eine seitliche Verlagerung gegenüber der Kolbenlängsachse auf.
Obwohl die dadurch zwangsläufig auftretende, unsymmetrische Gewichts verlagerung an sich nicht als nachteilig anzusehen ist, wirkt sich dieser Umstand dennoch ungünstig aus, weil dadurch das Kühlmittel entsprechend der Zylinderneigung mehr oder weni ger an der unten liegenden Aussenseite der oberen Hälfte des Brennraumeinsatzes zum Anliegen kommt und dort erstarrt. Beim Anlassen des Motors erfolgt daher auf der oberen, vom Kühlmittel teilweise umgebenen Hälfte der Brennraumwand, auf die der flüssige Kraftstoff aufgespritzt wird, sofort eine gute Wärmeabfuhr.
Dies ist jedoch unerwünscht, denn gerade die ser Teil des Brennraumes soll sich nach dem im Hauptpatent beschriebenen Verfahren zur Vermeidung einer schlechten und der dadurch auftretenden Blaurauchbildung möglichst schnell auf seine Solltemperatur erwärmen. Erst dann, wenn das Kühl mittel flüssig wird, darf in diesem Bereich eine Wärmeabfuhr erfolgen. Dieser Nachteil wirkt sich analog auch bei Leerlauf und im unteren Teillastbereich aus, wenn das Kühlmittel wie der langsam erstarrt.
Durch die genannte Kühlmittelverlagerung tritt als weiterer Nachteil die ungleichmässige Wärmeabfuhr aus der oberen Hälfte der Brennraumwand und damit die ungleichmässige Erwärmung dieser Zone auf, solange das Kühlmittel noch im festen Zustand ist. Während die unten liegende Hälfte der Brennraumwand gut gekühlt wird, bleibt die oben liegende Hälfte durch die nach oben verdrängte Luft gut isoliert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Kühlverfahren und die dazu erforderliche Einrichtung bzw.
Anordnung dahingehend zu verbessern, dass die genannten Nachteile beseitigt werden und auch bei schräger Zylinderan ordnung eine einwandfreie Funktion gewährleistet ist.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der innere Kühlraum in mehrere, flüssigkeitsdicht voneinander getrennte und jeweils den gleichen Anteil des aus einem wär meleitenden Werkstoff bestehenden Kühlmittels aufnehmende Einzelkammern unterteilt ist.
Die Unterteilung kann dabei derart erfolgen, dass die Bewe gungsfreiheit des Kühlmittels in flüssigem Zustand nur in Richtung des senkrecht zur Längsachse verlaufenden Brenn- raumumfanges, nicht jedoch in Richtung der Längsachse des Zylinders bzw. des Kolbens eingeschränkt wird, so dass bei Schräglage des Kolbens eine einseitige Verlagerung des erstar renden Kühlmittels in die obere Hälfte des Kühlraumes bzw. eine Benetzung der Wand des Brennraumeinsatzes in der oberen Hälfte unterbunden ist.
Durch die Unterteilung des Kühlraumes in mehrere vonein ander getrennte Kammern besteht auch die Möglichkeit, durch Verwendung von verschiedenartigen Stoffen als Kühlmittel in den einzelnen Kammern eine unterschiedliche Kühlung der Brennraumwandzonen zu schaffen.
Ausgeführt wird diese Unterteilung vorzugsweise durch an der dem Brennraum abgewandten Oberfläche des Brennraum- einsatzes vorgesehene, gleichmässig über die Oberfläche ver teilte, in Richtung der Längsachse des Zylinders und zum Mittelpunkt des Brennraumeinsatzes hin verlaufende Rippen. Die äussere Begrenzung des Kühlraumes kann in an sich bekannter Weise durch eine über den Brennraumeinsatz auf schiebbare Schale vorgenommen werden, welche vor dem Einbau des Brennraumeinsatzes in den Kolben mit einem oberen Bund und einer unteren Nabe sowie mit den Rippen des Brennraumeinsatzes durch Schweissen dicht verbunden wird.
Der äussere Kühlraum kann so ausgebildet sein, dass er den wesentlichen inneren Kühlraum bzw. die den inneren Kühl raum abschliessende Schale umgibt, wodurch bei Teil- und Vollastbetrieb eine Rückkühlung des im inneren Kühlraum befindlichen Kühlmittels erfolgt.
Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausfüh rungsbeispieles hervor, in dem im Hauptpatent bereits erwähnte und mit diesem übereinstimmende Teile jeweils mit den gleichen Positionen bezeichnet sind. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit einer Kühlraumausbildung nach der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht des Brennraumeinsatzes nach der Erfin dung von unten gesehen, Fig. 3 einen Teil des Kolbens nach Fig. 1, jedoch in einer Schräglage von ca. 30- gegenüber der Senkrechten.
In Fig. 1 sind der Brennkraftmaschinenkolben mit 1, der mit einem eingeschnürten Brennraumhals 3 versehene Brennraum- einsatz mit 2, die Brennraumwand mit 4, der innere Kühlraum mit 5, das im inneren Kühlraum 5 vorgesehene Kühlmittel mit 6, die die äussere Begrenzung des Kühlraumes 5 bildende Schale mit 7, der äussere Kühlraum, welcher nunmehr nahezu die gesamte Schale 7 umgibt, mit 11, die Ölfangdüse mit 12 und die Kolbenringe mit 13 bezeichnet. Der Brennraumeinsatz 2 weist an seiner dem Kühlraum 5 zugewandten Oberfläche einen Bund 14 und mittig zur Zylinder- bzw. Kolbenlängsachse 15 eine Nabe 16 auf.
Der Bund 14 dient als oberer und die Nabe 16 als unterer Abschluss des Kühlraumes 5. An ihnen liegt die Schale 7 dicht an. Eine verlängerte Nabe 17 des Brennraumeinsatzes 2 ist für die Zentrierung und Befestigung beim Einbau in den Kolben 1 vorgesehen. Durch eine Schweissnaht 18 wird der Brennraumeinsatz 2 fest mit dem Kolben 1 verbunden.
In Fig. 2 ist der Brennraumeinsatz von unten, d. h. seine dem Kühlraum 5 zugewandte Oberfläche gezeigt, an der er zwischen dem Bund 14 und der Nabe 17 mehrere gleichmässig über die Oberfläche verteilte Längsrippen 19 aufweist. Durch die Längsrippen 19, welche wie der Bund 14 und die Nabe 17 dicht mit der Schale 7 verbunden sind, wird der Kühlraum 5 in mehrere gleiche Kammern 5a bis 5h unterteilt, in denen jeweils die gleiche Menge des Kühlmittels 6 (Fig. 1) unterge bracht ist.
Aus den Fig. 1 und 2 geht hervor, dass das Kühlmittel 6, sofern es sich im flüssigen Zustand befindet, durch die Bewe gungen des Kolbens 1 in seinen Kammern 5a bis 5h die Schüt telbewegungen ungehindert durchführen und damit der Brenn- raumwand 4 eine ausreichende Kühlung verleihen kann.
Wird der Kolben 1, wie in Fig. 3 dargestellt ist, in einer Schräglage eingebaut, so verlagert sich das Kühlmittel 6 beim Abkühlen zwar etwas, indem es jeweils den tiefsten Punkt der Kammern 5a bis 5h einnimmt, es bleibt aber im wesentlichen am Boden des Brennraumeinsatzes 2 bzw. um diesen herum gleichmässig verteilt und kann sich keinesfalls so weit verla gern, dass es im festen Zustand an der unten liegenden Seite des Brennraumes bis in die obere Hälfte des Kühlraumes 5 gelangt bzw. dass es dort noch an der Aussenwand des Brenn- raumeinsatzes 2 anliegt.
Durch diese Anordnung bleibt also der obere Teil der Brennraumwand 4 durch die ihn umgebende Luftschicht so lange isoliert, bis er seine Solltemperatur erreicht hat und das Kühlmittel 6 flüssig ist. Erst dann wird die gesamte Brennraumoberfläche gleichmässig gekühlt.