EP0747591B1 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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EP0747591B1
EP0747591B1 EP95810373A EP95810373A EP0747591B1 EP 0747591 B1 EP0747591 B1 EP 0747591B1 EP 95810373 A EP95810373 A EP 95810373A EP 95810373 A EP95810373 A EP 95810373A EP 0747591 B1 EP0747591 B1 EP 0747591B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cooling chamber
flow channel
return flow
coolant
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP95810373A
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English (en)
French (fr)
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EP0747591A1 (de
Inventor
Robert Hofer
Marc Spahni
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Wartsila NSD Schweiz AG
Original Assignee
Wartsila NSD Schweiz AG
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Publication date
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Priority to DK95810373T priority patent/DK0747591T3/da
Priority to EP95810373A priority patent/EP0747591B1/de
Priority to KR1019960018920A priority patent/KR100408136B1/ko
Priority to CN96105336A priority patent/CN1077214C/zh
Priority to JP14277996A priority patent/JP3859769B2/ja
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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
    • 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
    • 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
    • F02F3/225—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid the liquid being directed into blind holes

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled Piston for a reciprocating internal combustion engine according to the Preamble of claim 1.
  • a piston according to the preamble of claim 1 disclosed in Japanese Utility Model Hei 4-39 384 This piston is cooled by the fact that in the upper part of the piston near the combustion chamber of the internal combustion engine facing the face of the piston a cooling chamber is provided in the oil as a coolant Spray nozzles is sprayed.
  • the injected oil is made the cooling chamber is drained through a backflow channel inside the piston rod over its entire length runs and at the end of the Piston rod opens into a separate oil drain line runs in the crosshead connected to the piston rod.
  • the oil return flow is driven on by gravity the oil collecting in the cooling chamber, d. H. due to the Slope in the return flow channel, the piston rod usually vertical and is arranged below the cooling chamber.
  • the oil drain from the cooling chamber is supported by supplying air to the cooling chamber with the help of a Ventilation pipe, which creates a connection between the Ambient air of the machine and the cooling chamber. It is Ventilation pipe housed inside the oil return duct so that one its ends protrudes into the cooling chamber and that it is from the cooling chamber distant end merges into an air duct that is separate from the crosshead Oil drain line runs and creates a connection to the ambient air.
  • JP-A-57 081145 describes a liquid-cooled piston in which Ventilation gas via a gas inlet in the crosshead bearing and a ventilation pipe is directed through the return flow channel to the piston chamber.
  • the object of the present invention is a liquid-cooled Piston for a reciprocating internal combustion engine with a cooling system to create improved cooling effect.
  • the liquid-cooled piston according to the invention has a cooling chamber a return flow channel for the coolant introduced into the cooling chamber, which return flow channel runs in the piston rod, and is characterized by it from the fact that an aeration pipe is arranged in the return flow duct, on the piston side protrudes into the cooling chamber of the piston and extends only over part of the Backflow channel extends in the piston rod. Which is in the return flow channel extending part of the ventilation pipe still ends inside the piston rod, does not open into the crosshead, and has no connection to the Ambient air.
  • the ventilation pipe affects that Flow profile of the coolant in the return flow channel in such a way that gases in the return flow channel give access to the ventilation pipe and have access to the cooling chamber and so on Avoid a negative pressure in the cooling chamber, which the Drain the coolant in the return flow channel would hinder.
  • the piston according to the invention has the advantage that Cooling system allows an increased coolant throughput and is structurally simplified.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a piston according to the invention.
  • the essential components of the piston are the piston upper part 1 with the Combustion chamber facing the internal combustion engine Piston top 25, the splash plate 4, the piston skirt 3.
  • the piston is rotationally symmetrical with respect to axis 50.
  • Limit the upper piston part 1 and the splash plate 4 together the cooling chamber 15 of the piston.
  • the Piston upper part 1 and the piston shirt 3 and the Splash plate 4 are on their circumference with the piston rod 5th connected.
  • the upper piston part 1 contains blind Cooling holes 17, which from the cooling chamber in the direction on the piston surface 25 or an outside of the Pistons point. At the end distant from the piston is the Piston rod connected to the crosshead 8.
  • the piston moves during operation of the internal combustion engine along axis 50, which preferably preferably essentially runs perpendicular to the earth's surface and the piston top 1 is arranged above the piston rod 5.
  • the cooling chamber is part of a coolant circuit.
  • the Coolant e.g. B. oil or water
  • the Coolant by means of a Injection system in the cooling chamber, the coolant on the crosshead side into a through the piston rod 5 running line 30 fed and from there via a Channel 31 with an annular cross-sectional profile and one Cavity 32 between the splash plate 4 and the Piston rod 5 through a plurality through the splash plate 4 guided nozzle 18 is pressed.
  • the nozzles 18 are preferably arranged so that the injected coolant on the regions of the piston upper part 1, which the Piston surface 25 come particularly close and in operation the internal combustion engine are most exposed to heat.
  • a particularly good cooling effect is achieved through Spray cooling, d. H. by spraying the coolant onto a Wall of the cooling holes 17 or on a wall of the Cooling chamber 15.
  • the injection has two functions. On the one hand come to cooling surfaces in contact with coolant, the Temperature of the flow temperature of the coolant circuit corresponds and that by injecting a turbulent Current shows. In this way the heat transfer between the surfaces to be cooled and the coolant optimized. Furthermore, the spraying of coolant is on an interface often with a cleaning effect connected.
  • the coolant forms oil, for example, in the piston temperatures reached slightly during operation Interfaces adhering residues, which usually the Heat transfer between the interface and the coolant deteriorate and so a further increase in temperature and accelerated deposition of oil residues Afford. Deposits in the cooling holes 17 are particularly disadvantageous. Extensive maintenance work is required Deposits must be removed. The splash of the Coolant, however, acts on the interfaces to be cooled against the deposit of residues.
  • the Return flow channel 6 is provided. It is preferably along the Center axis 50 of the piston rod 5 guided, opens into the Cooling chamber 15 at the opening 21 in the spray plate 4 and is on the crosshead side with a return line from the Coolant circuit connected.
  • the inflow of coolant into the return flow channel shows Splash plate 4 on the cooling chamber side has a slope to opening 21 towards.
  • the return flow channel 6 is at its mouth 21 in the cooling chamber 15 is designed to be Cross section in the direction facing away from the cooling chamber narrowed.
  • the profile of the cross section of the return flow channel 6 is preferred round because of the ease of manufacture. Basically, the function is for any Cross-sectional profile guaranteed.
  • Coolant in the cooling chamber 15 Essentially two cooling effects contribute to the cooling effect of the Coolant in the cooling chamber 15.
  • Spray cooling using coolant that comes directly from a Nozzle 18 is sprayed onto a surface to be cooled, assign.
  • Another contribution, the paddling cooling provides the coolant that is injected into the cooling chamber 15 collects and in the operation of the Internal combustion engine in the direction of the piston movement and splashes here.
  • the amount of cooling liquid that the cooling chamber 15 happens to be as large as possible.
  • the Heat transfer between the surfaces to be cooled and the Coolant should be as good as possible. Excess coolant in the cooling chamber 15 reduces the cooling effect. If e.g.
  • Coolant Coolant injected with reduced efficiency and the The effect of spray cooling diminishes. It is also known that the effect of paddling cooling decreases when one excessive proportion of the cooling chamber 15 with coolant is filled. On the other hand, the splash cooling is only possible if a minimum amount of coolant is in the Cooling chamber 15 collects.
  • the Coolant flow through the cooling chamber 15 so set up the amount of coolant that a Fills part of the volume of the cooling chamber 15, not larger as a predetermined upper value and not less than one is the specified lower value. That is why the maximum Amount of coolant flowing into the under these conditions Cooling chamber 15 can be injected and an optimal Cooling effect achieved, limited by the amount Coolant that flows from the cooling chamber 15 per unit of time can drain off.
  • Coolant flowing through the return flow channel 6 depends on the frequency with which the piston operates the internal combustion engine in the direction of the piston rod 5 oscillates. Because of the back and forth splashing of the Coolant runs in the direction of the piston rod 5 Coolant for oscillating pistons only during one Fraction of a period of oscillation of the piston in the Return channel 6 from.
  • the outflow of coolant through the piston oscillation is reduced from the cooling chamber 15, but on the other hand the Capacity of the return flow channel with an oscillating one Piston much more sensitive to the dimensioning of the Ventilation tube 10 depends on than with a stationary piston. That is why it is relevant to the design of the ventilation pipe 10 specially optimized for the oscillating piston.
  • the optimal ranges mentioned for the dimensions of the Aeration pipe apply to oscillating pistons.
  • the shape of the Ventilation tube 10 not relevant, e.g. B. the cross section the ventilation tube 10 can have any profile.
  • a preferred embodiment provides a ventilation pipe 10 a cross section with a round profile.
  • Such pipes are mostly available and do not have to be specially manufactured.
  • Such pipes are also particularly suitable for one Combination with pistons with a round drain channel.
  • a round ventilation pipe 10 is particularly advantageous, that is mounted concentrically in the return flow channel 6. This concentric arrangement is adapted to the profile the flow of the coolant in the cooling chamber 15, which Profile essentially rotationally symmetrical to axis 50 is.
  • the cross-sectional profile of the ventilation pipe 10 can vary along the tube.
  • the liquid-cooled according to the invention Piston a cooling chamber 15 with a return flow channel 6 for that into the cooling chamber 15 through a feed line 30, 31, 32 and spray nozzles 18 introduced coolant.
  • the Return flow channel 6 runs in the piston rod 5 and is characterized in that in the return flow channel 6 Ventilation pipe 10 is arranged, the piston side in the Cooling chamber 15 of the piston protrudes and extends only over part of the return flow channel 6 extends in the piston rod 5.
  • Ventilation pipe 10 is arranged, the piston side in the Cooling chamber 15 of the piston protrudes and extends only over part of the return flow channel 6 extends in the piston rod 5.
  • the part of the Aeration pipe 10 still ends within the piston rod 5 and has no connection to the return flow channel 6 Ambient air.
  • the ventilation pipe 10 influences this Flow profile of the coolant in the return flow channel 6 in such a way that gases in the return flow channel 6 have access to the Ventilation pipe 10 and via this access to Have cooling chamber 15 and so a negative pressure in the Avoid cooling chamber 15, the drain of the coolant in the Backflow channel 6 would hinder.
  • the ventilation pipe 10 serves to optimize the coolant throughput through the Cooling chamber 15.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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.
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.
JP-A-57 081145 beschreibt einen flüssigkeitsgekühlten Kolben bei welchem Belüftungsgas über einen Gaseinlass im Kreuzkopflager und ein Belüftungsrohr durch den Rückflusskanal zum Kolbenraum geleitet wird.
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.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kühlsystem mit verbesserter Kühlwirkung zu schaffen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims (11)

  1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben mit Kühlkammer (15) und Kolbenstange (5), für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem Rückflusskanal (6) für das Kühlmittel in der Kolbenstange (5), und mit einem Belüftungsrohr (10) das im Rückflusskanal (6) angeordnet ist und kolbenseitig in die Kühlkammer (15) des Kolbens ragt, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Belüftungsrohr (10) nur über einen Teil des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5) erstreckt und noch innerhalb der Kolbenstange (5) in den Rückflusskanal (6) mündet.
  2. Kolben nach Anspruch 1, bei welchem der Rückflusskanal (6) mit dem Belüftungsrohr (10) die einzige Verbindung der Kühlkammer (15) zur Umgebungsluft bildet.
  3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des sich im Rückflusskanal (6) erstreckenden Teils des Belüftungsrohrs (10) im Bereich 10%-90% der Länge des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5), vorzugsweise im Bereich 15%-50% der Länge des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5), liegt.
  4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Belüftungsrohrs (10) zwischen 20% und 70% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5), vorzugsweise zwischen 25% und 60% der Querschnittsfläche des Rückflusskanals (6) in der Kolbenstange (5), beträgt.
  5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand 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 (50) des Belüftungsrohrs (10), vorzugsweise zwischen 15% und 65% der Erstreckung (h) der Kühlkammer (15) in der Längsrichtung (50) des Belüftungsrohrs (10), beträgt.
  6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungsrohr (10) im Rückflusskanal (6) konzentrisch angeordnet ist.
  8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Einspritzsystem (30, 31, 32, 18) zum Einspritzen des Kühlmittels in die Kühlkammer (15).
  9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (15) eine oder mehrere Kühlbohrungen (17) aufweist.
  10. Kolben nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eine oder mehrere Düsen (18) zum Spritzen des Kühlmittels in die Kühlbohrungen (17) und/oder an eine Wand der Kühlkammer (15) aufweist.
  11. Brennkraftmaschine, mit einem oder mehreren Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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