DE2654034B2 - Den Brennraum einer Brennkraftmaschine begrenzendes Bauteil - Google Patents

Description

Gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ausgebildete Brennkraftmaschinen ermöglichen eine Steuerung der Abkühlung, so daß eine übermäßige Abkühlung verhindert wird.

Bei einer bekannten Bauart (US-PS 33 90 667) enthält der Kolben einer Brennkraftmaschine eine geschlossene Kammer zur Aufnahme der verdampfbaren Flüssigkeit, in der sowohl das Verdampfen als auch das Kondensieren erfolgt. Der Kolben enthält eine zweite von der ersten Kammer getrennte Kammer, die von Schmieröl zur Aufnahme der Wärme durchströmt ist. Es ergibt sich hierbei eine erhebliche Bauhöhe des Kolbens und ein verwickelter Aufbau für die laufende Versorgung der zweiten Kammer mit Schmieröl. Diese Bauart ist im übrigen für Zylinderköpfe nicht geeignet, da in diesen das Bereitstellen einer von Schmieröl durchströmten Kammer aus baulichen Gründen zumeist nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß mit geringem baulichen Aufwand und geringem Raumbedarf eine genaue Steuerung der Temperatur an den Brennraumwänden erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Teilschnitt durch einen Zylinder und Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine,

F i g. 2 eine Ansicht auf den Zylinderkopf nach der Linie 2-2 in F i g. 1 gesehen,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2 und F i g. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 3.

Eine Brennkraftmaschine hat einen Zylinderblock 12 mit mehreren Zylindern 14, von denen in der Zeichnung nur einer dargestellt ist, zur Aufnahme eines Kolbens 16, der über eine Pleuelstange 18 auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle arbeitet Auf den Zylinderblock 12 ist ein Zylinderkopf 20 aufgesetzt der zusammen mit den Zylindern und den Kolben Brennräume 22 begrenzt, wobei eine Dichtung 24 zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock vorgesehen ist

Jeder Brennraum 22 ist von Flächen begrenzt die drei verschiedenen Bauteilen zugehören, nämlich der Stirnwand 26 des Kolbens, der Innenwandung 28 des Zylinders und der unteren Wand 30 des Zylinderkopfes, welch letzterer eine Aussparung 32 aufweist um den Brennraum eine vorgegebene Form zu geben. Der Zylinderkopf 20 enthält ferner Einlaßkanäle 34 und Auslaßkanäle 35, die an den Brennraum angeschlossen sind und die Einlaßventile 36 bzw. Auslaßventile 38 enthalten, um die Zuteilung von Gemisch bzw. die Abfuhr der Abgase zu steuern. Ein Gewindeloch 40 dient der Aufnahme einer Zündkerze 42.

Der wesentliche Anteil des Brennraumes 22 wird durch die Aussparung 32 im Zylinderkopf gebildet während seitlich ein enger Raum 44 gebildet wird, wenn sich der Kolben in seiner oberen Totpunktlage befindet in der die Stirnwand 26 des Kolbens dicht neben der benachbarten Fläche des Zylinderkopfes liegt. Um die Wandung des Zylinderkopfes in diesem Bereich auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur während des Betriebes zu halten, enthält der Zylinderkopf einen besonders hergestellten Einsatz, der gasdicht abgedichtet als Kapsel 46 ausgebildet ist

Die Kapsel 46 ist innerhalb der unteren Wand 30 des Zylinderkopfes vorzugsweise durch Eingießen festgelegt Die Kapsel 46 enthält eine untere Wand 48, eine obere Wand 50 und Seitenwände 52, die einen Raum umschließen, der durch eine Zwischenwand 58 in einen Verdampfungsteil 54 und einen Kondensatorteil 56 unterteilt ist. Die Zwischenwand 58 enthält große

öffnungen 60 für den Durchtritt von Dampf und mehrere kleine Rücklauföffnungen 62 für den Abfluß des Kondensats. Die Innenwand mindestens des Verdampfungsteils 54 ist mit einem geeigneten Dochtwerkstoff 64 bekleidet, beispielsweise einem Kupferdrahtsieb.

Die untere Wand 48 der Kapsel bildet einen Teil des Brennraumes 22 und ist damit der Brenntemperatur ausgesetzt. Die obere Wand 50 der Kapsel ist ein Teil der Wandung des Einlaßkanals 34, während ein Teil der Seitenwände Berührung mit einem Kühlmantel 66 im Zylinderkopf hat. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, kann auch ein Teil der Zwischenwand 58 Berührung mit dem Kühlmantel 66 haben.

Der Kolben 16 hat einen üblichen unteren Teil 68, der

aus Aluminiumguß oder anderem geeigneten Werkstoff besteht und an dem oben eine vorgefertigte Kapsel 70 befestigt ist, die die Stirnfläche des Kolbens bildet. Die Kapsel 70 hat ein oberes Teil 72; das mit dem unteren Teil des Kolbens verbunden ist. Die Kapsel hat eine obere Wand 74, Seitenwände 76 und eine untere Wand 78, die einen Verdampfungsteil 80 umschließen. Die Seitenwände 76 und der Mantel des unteren Kolbenteils 68 enthalten Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenrin-

gen 82. Die Kapsel 70 hat ferner ein unteres Teil 84 mit einer unteren Wand 86 und einer Seitenwand 88, welche zusammen mit der unteren Wand 78 einen Kondensatorteil 89 umschließen. Die Wand 78 bildet in diesem Falle eine Zwischenwand, in der eine zentrale Öffnung 90 für den Durchtritt von Dampf und mehrere diese öffnung umgebende kleinere öffnungen 92 für den Rückfluß des Kondensats vorgesehen sind. Das Innere des Verdampfurgsteils 80 ist mit einem geeigneten Dochtmaterial 94 bekleidet, das sich auch durch die Rücklauföffnungen 92 bis zur unteren Wand 86 des Kondeusatorteils 89 erstreckt

Da die obere Wand 74 der Kapsel zugleich die Stirnfläche des Kolbens bildet ist sie als Wandung des Brennraumes den Brenntemperaturen ausgesetzt Die untere Wand 86 des Kondensatorteils wird im Ausführungsbeispiel durch angespritztes öl gekühlt das durch eine öffnung 96 am oberen Ende der Pleuelstange 18 ausgespritzt wird und Ober ölkanäle 97 und 98 in der Pleuelstange von einer nicht dargestellten Quelle für Kühlö! versorgt wird.

Beide Kapseln im Zylinderkopf und im Kolben enthalten ein vorgegebenes Volumen eines verdampfbaren Kühlmittels mit hoher Wärmekapazität Wasser und auf Wasserbasis gebildete Lösungen, beispielsweise eine Mischung von Wasser und Alkohol, sind wegen ihrer hohen Wärmekapazität geeignet Der notwendige Anteil der in der Kapsel eingeschlossenen Flüssigkeit wird durch die Anforderungen der Wärmeübertragung bestimmt und ist im allgemeinen mehr als ausreichend, wenn der gesamte Dochtwerkstoff innerhalb der Kapsel gesättigt ist und das Volumen der Flüssigkeit weniger als das Volumen des Verdampfungsteils im flüssigen Zustand ist

Das restliche Volumen in jeder Kapsel wird durch ein auf einen vorgegebenen Druck verdichtetes inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, ausgefüllt, so daß anfänglich die Kapsel einen solchen Druck erhält, daß ein Aufdampfen der Flüssigkeit unterhalb der eingestellten Regeltempera air verhindert ist. Eine einwandfreie Steuerung erfordert ferner, daß bei Verdampfen der Flüssigkeit in dem Verdampfungsteil die dam·! verbundene Drucksteigerung nur so groß ist, daß die Verdampfungstemperatur um einen vorgegebenen Betrag erhöht wird, durch den jedoch die vorgegebene Höchsttemperatur der Kapsel nicht überschritten wird.

Beim Anlassen der Brennkraftmaschine oder bei Betrieb mit verhältnismäßig geringer Leistung sind die Brenntemperaturen und damit die Wärmebelastungen im Bereich des Brennraun.es verhältnismäßig klein. Es wird dann die durch die Wände 48 und 74 aufgenommene Wärme die Temperatur dieser Wandungen steigern, bis sie die Temperatur erreichen, bei der unter Druck stehende Flüssigkeit in den zugeordneten Kapseln zu verdampfen beginnt Ist dieser Punkt erreicht, so wird ein Teil der aufgenommenen Wärme Flüssigkeit verdampfen, wobei der Dampf durch die öffnungen 60 bzw. 90 in den zugeordneten Kondensatorteil gelangt, in dem eine Kondensation an den Wänden 50 bzw. 86 deren Abkühlung bewirkt.

In der Kapsel 46 des Zylinderkopfes tropft die kondensierte Flüssigkeit von der oberen Wand 50 auf die Zwischenwand 58 und fließt durch die Schwere über die Rücklauföffnungen (»2 zum Verdampfungsteil 54 wieder ab. In der Kapsel 70 des Kolbens wird die kondensierte Flüssigkeit von der unteren Wand 86 des Kondensatorteils durch d. η Dochtwerkstoff 94 aufgenommen und durch Kapillarwirkung durch die öffnung 92 zum Verdampfungsteil und längs der Oberfläche der oberen Wand 74 gefördert und damit der erneuten Verdampfung zugeführt
Hierdurch werden die Temperaturen der Wandungen

der Kapseln, die den Brennraum begrenzen, verhältnismäßig konstant durch den sich wiederholenden Aufdampf- und Kondensierungsvorgang gehalten, wobei Wärme nach außen abgeführt wird. Dies tritt bei allen Leistungen der Brennkraftmaschine ein. Der

ίο Wärmefluß ändert sich selbsttätig durch verstärkte oder verringerte Verdampfung der Flüssigkeit um die

Wandtemperaturen innerhalb vorgegebener Grenzen

zu halten.

Wie die Zeichnungen zeigen, ist die Lage der Kapseln

so gewählt, daß eine gesteuerte Temperatur der Wandungen des Brennraumes gewährleistet ist und zwar insbesondere an den Stellen, an denen ein Unterkühlen der Wandungen eintreten kann. Dies ist besonders der schmale Bereich 44 zwischen Zylinderkopf und dem in der oberen Totpunk.f'age befindlichen Kolben. Falls notwendig, könnten auch laviere Teile mit zusätzlichen Kapseln versehen werden, um in diesen Teilen in gleicher Weise eine Steuerung der Temperatur zu erzielen. Durch diese Steuerung der Temperatur der Wandungen werden insbesondere in kritischen Zonen des Brennraumes eine vollständige Verbrennung des Gemisches erzielt und gleichzeitig örtliche Überhitzungen der Wandungen vermieden, und damit Frühzündungen oder Klopfen und auch ein Verkoken von flüssigen

Brennstoffresten.

Aus Gründen der Standfestigkeit ist es erwünscht, die Kapseln aus einem nichtkorrodierenden hochhitzebeständigen Werkstoff herzustellen, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Bei der Herstellung werden die

Kapseln mit der zu verdampfenden Flüssigkeit und dem

inerten Gas gefüllt, sodann hermetisch abgedichtet, so daß ein selbständiges Unterbauteil geschaffen wird, das keine weitere Bearbeitung nötig hat.

Während des Betriebes wird der Siedepunkt der

•»η Flüssigkeit durch die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und den Druck des inerten Gases innerhalb der Kapsel bestimmt

Von den möglichen Dochtwerkstoffen können beliebige verwendet werden, jedoch hat sich Kupferdraht-

■*·') sieb besonders geeignet gezeigt

Bei einer Ausführungsform ändert sich die Wärmebeiastung des Kolbens beispielsweise von weniger als 252 cal/sec bei kleinen Leistungen auf nahezu 1260cai/sec bei Höchstleistung. Diese Wärmebelastun-

w gen müssen durch die Kapseln vom Kolbenboden zum Kolbeninneren abgeführt werden, das durch angespritztes Öl gekühlt ist. Dies führt zu einem maximalen Wärmefhiß an der den Brenntemperaturen ausgesetzten Fläche des Vcrdampfungsteils von mehr als

ί^λ> 93 Watt/cm². Um einen derartigen großen Wännefiuß zu ermöglichen, ist als Wärmeflüssigkeit Wasser oder auf Wasser basierende Mischung zu verwenden.

Die vorgegebene Betriebstemperatur der Kapsel ist wesentlich durch cjn Einfluß der Temperatur des

6" Kolbenbodens auf die Klopffestigkeit der Brennkraftmaschine bestimmt Jedoch liegt die Steuertemperatur bei Verwendung von Wasser als Flüssigkeit in den Kapseln zwischen 140 und 205⁰C. Bei einer in dem Zylinderkopf vorgesehenen Kapsel kann es erwünscht sein, den Temperaturbereich auf 160 bis 180⁰C zu begrenzen, wenn die Kühlung des Kondensatorteils ganz oder teilweise durch eingespritzten Brennstoff oder zuströmendes Gemisch erfolgt damit eine

ausreichende Erwärmung ohne Verkoken des Brennstoffes an der Wandung des Einlaßkanals erfolgt. Bei Saugrohreinspritzung können die Einspritzdüsen so angeordnet werden, daß sie unmittelbar auf die Wandung des Kondensatorteils gerichtet sind, um eine gute Verdampfung zu gewährleisten.

Die Flüssigkeit in den Kapseln des Kolbens unterliegt hohen Beschleunigungen infolge der Hubbewegung des Kolbens. Durch richtige Auslage können aber die Kräfte des Dochtwerkstoffes so groß gemacht werden, daß sie diese Fliehkräfte überwinden. Da diese Bewegungen im übrigen zyklisch erfolgten, ist ihr Mittelwert für eine Umdrehung Null, so daß der Docht normalerweise geeignet ist, das Kondensat aus dem Kondensatorteil zum Verdampfungsteil zu pumpen. Da normalerweise etwa 9 der Flüssigkeit vom Docht aufgenommen ist, unterliegt nur ein geringer Teil der Flüssigkeit den Trägheitskräften durch die Kolbenbewegung.

Die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit in den

Kapseln, die aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, kann zur Bildung von Wasserstoff führen. Bei den hier in Betracht kommenden Temperaturbereichen ist die Bildung von Wasserstoff zwar nur gering, jedoch kann über längere Betriebszeiten ein Ansammeln von

ίο Wasserstoffgas eintreten, wodurch die Betriebstemperatur der Kapsel um etwa H⁰C oder mehr erhöht werder. kann. Diese chemische Reaktion kann verhindert werden, wenn das Innere der Kapsel aus rostfreiem Stahl mit einem reaktionsfähigen Überzug aus Kupfer oder einer NickelCadmium-Legierung versehen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Den Brennraum einer Brennkraftmaschine begrenzendes Bauteil mit einer abgedichteten Kammer, die eine verdampfbare Flüssigkeit enthält, die die durch Verdampfung aufgenommene Wärme durch Kondensieren an eine gekühlte Wand abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch eine Zwischenwand (78) in einen Verdampfungsteil (80) neben der Wärme abgebenden Wand (74) und einen Kondensatorteil (89) neben der die Wärme abführenden Wand (86) unterteilt ist, und beide Teile durch öffnungen (90 und 92) in der Zwischenwand zum Leiten von Dampf bzw. Kondensat miteinander verbunden sind.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer in einer Kapsel (70) gebildet ist, die bei der Herstellung des den Brennraum begrenzenden Bauteils als Fertigteil eingesetzt wird.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeicfcrjet daß die Kammer (54, 56) im Zylinderkopf gebildet ist und mit der Wärme aufnehmenden Wand (48) einen Abkühlungsbereich (44) bei dichter Annäherung des den Brennraum begrenzenden Kolbens (26) begrenzt.

4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme abgebenden Wand (50) des Kondensatorteils (56) wenigstens zum Teil einen Einlaßkanal (34) im Zylinderkopf (20) begrenzt

5. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Kolben (16) der Brennkraftmaschine ist und die Wärme abgebende Wand (86) des Kondensate: teils außen durch Anspritzen von Schmieröi gekühlt ist