DE10015352C1 - Gebauter Kolben - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein ölgekühlter gebauter Kolben in Stahl-Leichtbauweise für Tauchkolben-Brennkraftmaschinen, vorzugsweise für stationäre Aggregate, Boots- und Flugmotoren, insbesondere für Leichtflugzeuge. DOLLAR A Der Kolben besteht aus einem Kolbenoberteil 1 und einem durch eine Bodenplatte 20 abgeschlossenen Kolbenunterteil 11, die in der Trennebene 10 miteinander verschweißt sind und einen Kühlraum umschließen. DOLLAR A Der Kolbenboden 2 wird über Stege 7; 8 als auch säulenartige Stützstreben 7.1 auf dem Pleuellagerstuhl formschlüssig abgestützt. Der Pleuellagerstuhl besteht aus einer den Pleuelkopf aufnehmenden u-förmigen Trägerbrücke 14 und den beidseitig davon angeordneten Pleuellagernaben 18 mit der Kolbenbolzenbohrung 19. DOLLAR A Zur Unterstützung der Kühlung als auch zur Versteifung ist der Kolbenboden 2 mit parallel zu den Stegen 8 liegenden Kühlrippen 16 bestückt, die mit dem Ringbund 4 für die Kolbenringe 6 bündig abschließen. DOLLAR A Das Kolbenhemd 12 bildet mit den Pleuellagernaben 18 und den Trägerseitenwänden 17 der Trägerbrücke 14 einzelne vertikale Taschen 25, die von der Bodenplatte 20 zur Triebwerkseite hin abgeschlossen sind. Gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 bilden diese Taschen 25 den abgeschlossenen Kolbeninnenraum für eine Ölplanschkühlung. Die Kühlölzuleitung erfolgt über die Einspritzöffnung 21 in der Trägerdeckplatte 15. Über die Bohrungen 22 wird das Kühlöl abgeführt. DOLLAR A Der gebaute Kolben besitzt eine hohe Festigkeit und Formstabilität. Er ist ...
Description
Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten gebauten Kolben in Stahlausführung für Tauchkolben-
Brennkraftmaschinen in Leichtbauweise, vorzugsweise für stationäre Aggregate, Boots- und
Flugmotoren, insbesondere für Leichtflugzeuge.
Der Kolben eines Tauchkolbenmotors besteht zumeist aus Grauguß oder Leichtmetall. Bei
schnelllaufenden kleinen Motoren hat sich der Leichtmetallkolben durchgesetzt. Leichtmetall
besitzt jedoch gegenüber GG oder Stahl eine geringere Festigkeit. Infolge dessen muß der
Kolbenboden und die Bolzenzone für das Pleuellager stärker bemessen werden. Obwohl sich
diese Materialanhäufung günstig auf die Wärmeableitung auswirkt, treten andererseits unter
dem Einfluß der thermischer Belastung relativ große Dehnungen auf, die über die Kolbenform
und das Kolbenspiel in der Zylinderlaufbuchse kompensiert werden müssen. Neben einem
höheren Fertigungsaufwand führen größere Kolbenspiele vor allem in der Anlaufphase und
bei Leerlast durch geringere thermische Belastung zu höheren Spaltverlusten. Diese
Spaltverluste wirken sich negativ auf die Verdichtung und damit auf die Zylinderleistung aus.
Durch zusätzliche hintereinander angeordnete Kolbenringe und gezielte Kühlmaßnahmen
werden diesen Mängel kompensiert. Dennoch sind derartige Kolben für Dieselmotoren, wo
erheblich höhere Verdichtungsverhältnisse vorliegen, wenig geeignet.
Um das Dehnungsverhalten bei Leichtmetallkolben zu verringern, sind Leichbaukolben
bekannt, die durch Stahleinlagen verstärkt werden. Je nach Ausführungsform kann damit der
Wärmeabfluß und das Dehnungsverhalten gesteuert werden. Trotz erreichbarer
Verbesserungen werden diese Kolben für thermisch hochbeanspruchte Motoren, wie für
Dieselmotoren, aus o. g. nicht eingesetzt. Auch sind diese Spezialkolben in ihrer Herstellung
sehr aufwendig und teuer.
Wie in der Praxis zu beobachten ist, sind besonders luftgekühlte Motoren mit
Leichtmetallkolben sehr störanfällig. Bei Flugmotoren dieser Gattung kommt es im Leerlauf
zur Unterkühlen der Zylinderlaufbuchse. Bei einer anschließend Lastaufnahme und schnellen
Temperaturanstieg im Brennraum dehnen sich in der Regel die Kolben schneller aus als die
Zylinderlaufbuchsen. Dieses unterschiedliche Dehnungsverhalten führt leicht zu
Kolbenklemmern in der Zylinderlaufbuchse. Derartige Erscheinungen sind besonders beim
Durchstarten zu beobachten und waren schon Ursache für Motorausfälle und Flugunfälle.
Für thermisch hochbeanspruchte Motoren haben sich mehrteilig gebaute ölgekühlte Kolben
durchgesetzt. Sie bestehen aus einer hochfesten Kolbenkrone mit geringer Wandstärke, die
haubenartig auf dem Kolbenunterteil aufgesetzt und mit diesem verschraubt ist. Zwischen
beiden Bauteilen wird ein Kühlraum eingeschlossen. Kolben dieser Gattung zeigen u. a. die
DE-OS 33 47 292, 34 26 238, 44 29 489. Trotz ihrer hohen statischen Belastbarkeit sind diese
Kolben relativ schwer und daher für Leichtmotoren unzweckmäßig.
GG-Kolben und gegossenen Stahlkolben, die optimale Kolbenspiele zulassen und damit
geringere Spaltverluste verursachen, haben sich bisher auf Grund ihres hohen spezifischen
Gewichtes und der zu beachtenden Konstruktionsbedingungen als Kolben für kleine leichte
Ottomotoren nicht durchgesetzt.
Lediglich für Dieselmotoren kleiner Leistung, wo höhere Gaskräfte auftreten, werden auch
Kolben aus GG und Stahl in Kenntnis vorgenannter Nachteile eingesetzt.
Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, einen gebauten ölgekühlten Kolben für Tauchkolben-
Brennkraftmaschinen in Stahlkonstruktion zu entwickeln, der sich durch folgende Merkmale
auszeichnet, nämlich
- - kleines Einheitsgewicht (geringe Massenkräft),
- - gute Laufeigenschaften und Verschleißfestigkeit,
- - hohe Warmfestigkeit und Zuverlässigkeit,
- - geringe Wärmeausdehnung (Kolbenspiel, Wärmespannungen)
- - geringes Kolbengeräusch auf Grund geringerem Einbauspiel.
Dieser Kolben soll weiterhin eine geringe Eigendehnung besitzen, um kleine Kolbenspiele
und damit geringe Spaltverluste und somit höhere Zylinderdrücke und Zylinderleistungen zu
ermöglichen. Insbesondere soll er für Zweitakt-Dieselmotoren geeignen sein. Zur Aufnahme
hoher thermischer Belastungen sollen die Übertragungswege für den Wärmeabfluß im Kolben
kurze und nicht eingeengte sein. Dementsprechend soll der Kolben eine wirksame
Innenkühlung erhalten.
Entsprechend den Bedingungen häufiger Lastwechsel (Leer- und Volllastwechsel) soll der
Kolben ebenso über eine hohe statische Festigkeit und Standfestigkeit (Zuverlässigkeit)
verfügen.
Die erfindungsgemäßen Merkmale zur Lösung dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 bis
16 zusammengefaßt.
Nachfolgend wird der vorgeschlagene gebaute Kolben in einer Ausführungsform für einen
Zweitakt-Tauchkolben-Dieselmotor dargestellt.
Die Abbildungen zeigen:
Fig. 1: einen ölgekühlten gebauten Kolben mit Kolbenober-
und -Unterteil in perspektivischer Seitenansicht und Teilschnitt,
Fig. 2: das Kolbenoberteil in perspektivischer Sicht von unten,
Fig. 3: das Kolbenunterteil in perspektivischer Sicht von oben,
Fig. 4: ein Kolbenoberteil nach Fig. 2 mit zusätzlichen Stützstreben.
Der Kolben besteht nach Fig. 1 aus dem Kolbenoberteil (Kolbenkrone) 1 und Kolbenunterteil
11. Im zusammengebauten Zustand sind beide Teile in der Trennebene 10 zwischen
Rezessabsatz 3 der Kolbenkrone 1 und dem Kolbenhemd 12 des Kolbenunterteiles 11 fest
miteinander verschweißt. Durch den Rezessabsatz 3 und den damit über die Trennebene 10
reichenden Stege 7 und 8 wird eine sichere Zentrierung zwischen Kolbenkrone 1 und dem
Kolbenunterteil 11 beim Zusammenbau erreicht.
Der Kolben besteht aus hochfestem Stahl. Die Fertigung erfolgt vorzugsweise auf NC
gesteuerten Maschinen aus vollem Material, Stahlguß- oder Stahlpreßrohlingen.
Der Kolbenboden 2 und das Kolbenhemd 12 sind dünnwandig ausgeführt. Zur Aufnahme der
Gasdrücke wird der Kolbenboden 2, wie in Fig. 2 erkennbar, über drei in Kreuzverband
angeordnete und mit dem Ringbund 4 und Kolbenhemdansatz 4.1 verbundene Stege 7 und 8
gegenüber den Pleuellagerstuhl abgestützt. Die Hauptabstützung erfolgt über die beiden
parallel angeordneten Querstege 7. Ihr Abstand bestimmt sich aus der Breite der
Trägerbrücke 14, also mithin der Pleuelbreite. Der dritte Steg ist als Mittelsteg 8 achsparallel
zum Pleuellager angeordnet. Zwischen den Querstegen 7 stütz er sich ebenfalls auf der
Trägerdeckplatte 15 ab. Die Wandstärke der Stege 7 und 8 sind gleichmäßig und ohne
Einschnürungen ausgeführt.
Je nach Kolbengröße können durch Verlängerung ausgewählter Kontenpunkte der Kühlrippen
16 in Form von Stützstreben 7.1 über die gesamte Höhe der Stege 7 die Knicksteifigkeit
derselben erhöht werden. Eine mögliche Anordnung der Stützstreben 7.1 zeigt Fig. 4.
Im Steg 7 und 8 ist für den Übertritt des Kühlöles in die einzelnen Abschnitte (Kammern 26)
des Kolbenbodens 2 eine Bohrungen 9 vorgesehen. Gleichzeitig sind parallel zum Steg 8 in
den Kolbenboden 2 Kühlrippen 16 eingearbeitet. Diese Kühlrippen 16 stützen zusätzlich den
Kolbenboden 2 statisch ab.
Der Feuersteg 5 des Kolbens ist in etwa so groß wie die Stärke des Kolbenbodens 2. Der
Ringbereich mit den Kolbenringnuten 6 ist entsprechend der Tiefe der Kolbenringnuten 6 auf
der Innenseite der Kolbenkrone 1 durch ein Ringbund 4 verstärkt. Für die Aufnahme der
Sicherungsstifte für die Kolbenringe ist im Übergangsbereich zwischen der inneren
Mantelfläche des Ringbundes 4 in den jeweiligen Steg 7 ein Materialpuffer 23, 23' für eine
Bohrung für diesen Sicherungsstift belassen. Auf diese Konstruktionweise kann verzichtet
werden, wenn der Kolben im Viertaktmotor eingesetzt wird.
Fig. 3 zeigt das Kolbenunterteil 11. Es besteht aus dem Kolbenhemd 12 mit einer Nut 13 für
den Ölabstreifring an der Schaftunterkante. Die Aufnahme des Pleuels erfolgt im
Pleuellagerstuhl, der eine über den gesamten Kolbendurchmesser reichende u-förmige
Trägerbrücke 14 und die Pleuellagernaben 18 umfasst. Die Breite der Trägerdeckplatte 15
entspricht funktionell der Breite des jeweiligen aufzunehmenden Pleuelkopfes.
Auf der Trägerdeckplatte 15 stützen sich, wie oben beschrieben, die Stege 7 und 8 im
zusammengebauten Zustand formschlüssig und fluchtend zu den Trägerseitenwänden 17 ab.
Die Trägerseitenwände 17 selbst sind von der Mitte zum Kolbenrand hin in ihrem
Querschnitt trapezartig verjüngt ausgeführt. Beidseitig von der Trägerbrücke 14 sind
zwischen den Trägerseitenwänden 17 und dem Kolbenhemd 12 die Pleuellagernaben 18, 18'
mit dem Kolbenbolzenlager 19 angeordnet (s. Fig. 1). Die neben der Pleuellagernabe 18
ausgearbeiteten vertikalen Taschen 25 sind in Höhe der Unterkante der Pleuellagernabe 18
durch eine Bodenplatte 20 geschlossen. Mit dem Verschweissen von Kolbenkrone 2 und
Kolbenunterteil 11 entsteht damit ein geschlossener Kolbeninnenraum für die Aufnahme des
Kühlmediums, vorzugsweise einer Ölkühlung. Zur Gewichtsreduzierung sind unterhalb der
Pleuellagernabe 18 Taschenvertiefung 24 eingearbeitet.
Durch die Stege 7, 8, Stützstreben 7.1 und die Kühlrippen 16 wird neben der Stützfunktion für
den Kolbenboden 2 auch eine optimal vergrößerte Wärmeübertragungsfläche erreicht.
Gleichzeitig bilden die vertikalen Taschen 25 im Kolbenunterteil 11 mit den durch die Stege 7
und 8 in der Kolbenkrone 1 abgegrenzte Kammern 26 einen dem gesamten Kolbenvolumen
nahekommenden Kühlraum. Dieser Kühlraum kann ohne Zutritts- und Austrittsbohrungen als
geschlossener Kühlraum ausgeführt sein, in dem ein nichtaustauschbares Kühlmedium
eingelagert ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist hier als Kolbenkühlung eine offene
Ölplanschkühlung vorgesehen. Die Zuleitung des Kühlöles in den Kolbeninnenraum erfolgt
auf dem Wege einer Spritzkühlung. Das Kühlöl wird dem unteren oder oberen Pleuellager
über eine Düse entnommen. Für die Kühlölaufnahme ist in der Trägerdeckplatte 15 die
Einspritzöffnung 21 vorgesehen. Der Kühlölaustritt erfolgt über Bohrungen 22, die im
Kolben, welche in Boxermotoren eingesetzt werden, in der Nähe des tiefsten Punktes
angeordnet sind. Über die Anzahl, Durchmesser und Position der Bohrungen 22 wird der
Kühleffekt gesteuert.
Das Sammelöl, welches nicht durch die Bohrung 22 ablaufen kann, dient als Planschöl der
Kühlung in der Anlass- und Startphase. Die Bohrung 22.1 in der Trägerdeckplatte 15 markiert
zugleich den Kühlölhöchststand im Kolbeninnenraum.
Durch diese Konstruktion wird eine wirksame Ölplanschkühlung erreicht. Auch bei geringen
Hubbewegungen (Leer- und Langsamlauf) ist sichergestellt, dass ein ständiger
Kühlmittelkontakt und damit eine funktionsfähige Innenkühlung des Kolbens, insbesondere
des Kolbenbodens 2 gewährleistet ist.
Der Kolben in der vorgeschlagenen Ausführung besitzt eine hohe statische Festigkeit und
Formstabilität. Durch die Verwendung von hochfestem Stahl können sehr dünne Wandstärken
bei guten Dehnungsverhalten realisiert werden. Der Kolben hat eine geringe Masse, so das
relativ geringe Massenkräfte wirksam werden. Die gut gegliederte Abstützung des
Kolbenbodens 2 durch Stege 7 und 8 und Anordnung von Kühlrippen 16 sichert einen
optimale Wärmeableitung und hohe Formstabilität. Formänderungen in Folge der thermischen
Belastung sind gering, was kleine Kolbenspiele zu läßt. Sie verringern die
Verdichtungsverluste und ermöglichen höhere Zylinderleistungen.
Durch die glattwandige und großräumige Konstruktion kann sich der gebaute Kolben schnell
thermischen Belastungsstufen anpassen. Die Gefahr von Kolbenklemmern wird erheblich
eingeschränkt und eine hohe Motorstand- und Verschleißfestigkeit erreicht.
1
Kolbenoberteil
2
Kolbenboden
3
Rezessabsatz
4
Ringbund
4.1
Kolbenhemdansatz
5
Feuersteg
6
Kolbenringnut
7
Steg/Quersteg
7.1
Stützstrebe
8
Steg/Mittelsteg
9
Bohrung
10
Trennebene
11
Kolbenunterteil
12
Kolbenhemd
13
Nut
14
Trägerbrücke
15
Trägerdeckplatte
16
Kühlrippe
17
Trägerseitenwand
18
Pleuellagernabe
19
Kolbenbolzenbohrung
20
Bodenplatte
21
Einspritzöffnung
22
Bohrung
23
Materialpuffer
24
Taschenvertiefung
25
Tasche
26
Kammer
Claims (16)
1. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung für Tauchkolben-Brennkraftmaschinen in Leichtbauweise, vorzugsweise für
stationäre Aggregate, Boots- und Flugmotoren, insbesondere für Leichtflugzeuge, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kolben aus der Kolbenkrone (1) und einem Kolbenunterteil (11)
besteht, die am Kolbenhemd (4.1; 12) miteinander verschweißt sind und dass der
Kolbenboden (2) auf seiner Innenseite Stege (7; 8), Stützstreben (7.1) und Kühlrippen
(16) trägt, wobei die Stege (7; 8) und, wenn vorgesehen, die Stützstreben (7.1) den
Kolbenboden (2) formschlüssig auf dem Pleuellagerstuhl (14) im Kolbenunterteil (11)
abstützen, wobei der Pleuellagerstuhl (14) aus einer den Pleuelkopf aufnehmenden u-
förmigen Trägerbrücke (15) und den Pleuellagernaben (18) mit Kolbenbolzenbohrung
(19) für die Lagerung des Kolbenbolzens besteht und dass die von dem Kolbenhemd (12),
den Pleuellagernaben (18) und den Trägerseitenwänden (17) gebildeten vertikalen
Taschen (25) durch eine Bodenplatte (20) zur Triebwerkseite verschlossen sind und diese
Taschen (25) mit den durch die Stege (7; 8) begrenzten Kammern (24) in der Kolbenkrone
(1) einen eingeschlossenen Kolbenkühlraum bilden.
2. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stege (7; 8) zwei parallel angeordnete Querstege (7) und einen über Kreuz angeordneten
Mittelsteg (8) umfassen.
3. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass in ausgewählter Kontenpunkte der Kühlrippen (16) über die gesamte Höhe der Stege
(7) greifende Stützstreben (7.1) angeordnet sind.
4. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die parallel angeordnete Stege (7) mit oder ohne Stützstreben (7.1) den Kolbenboden
(2) auf der Trägerdeckplatte 16 formschlüssig abstützen.
5. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Abstand der parallel angeordnete Stege (7) aus der Breite der
Trägerdeckplatte (15) bestimmt.
6. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittelsteg (8) achsparallel zur Kolbenbolzenachse angeordnet ist.
7. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Trägerseitenwänden (17) in ihrem Querschnitt von der Kolbenmitte zum
Kolbenhemd (12) trapetzartig verjüngen.
8. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stege (7; 8) über den Bereich der Trennebene (10) der Kolbenkrone (1)
hinausragen und zur Zentrierung am Kolbenhemdansatz (4.1) einen Rezeßabsatz (3)
aufweisen und dass im Umkehrschluß das Kolbenhemd (12) des Kolbenunterteiles (11)
entsprechend der Höhe des Rezeßabsatzes (3) über die Trägerdeckplatte (15) ragt.
9. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Anspüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass für die Kühlung des Kolbens eine offene Ölplanschkühlung vorgesehen ist und dazu
in den Stegen (7, 8) wenigstens eine Bohrung (9) für den Übertritt des Kühlöles in die
einzelnen Kammern (26) vorhanden ist und in der Trägerdeckplatte (16) eine
Einspritzöffnung (21) für die Aufnahme des Kühlöls und Bohrungen (22, 22.1) für den
Ölabfluß in der Trägerdeckplatte (16) bzw. in der Bodenplatte (20) angeordnet sind.
10. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Durchmesser der Bohrungen (22, 22.1) in Abhängigkeit des Ölumlaufs als
Drossel variiert ausgelegt ist und dass die Bohrung (20) in Boxermotoren im Bereich des
tiefsten Punktes der Bodenplatte (20) angeordnet sind.
11. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einspritzöffnung (21) und die Bohrung (22.1) beidseitig von der Mittelstrebe (8)
angeordnet sind.
12. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Aufnahme der Sicherungsstifte für die Kolbenringe im Übergangsbereich der
Mantelinnenseite des Ringträgers (4) der Kolbenkrone (1) zu den jeweiligen
angrenzenden Steg (7 oder 8) Materialpuffer als Sicherungsstiftlager (23, 23') vorhanden
sind.
13. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
auf der Kolbenbodeninnenseite der Kolbenkrone (1) angeordneten Kühlrippen (16)
mindestens der Höhe des Ringträgers (4) entspricht.
14. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
unterhalb der Pleuellagernabe (18) zur Massereduzierung Taschenvertiefungen (24)
eingearbeitet sind.
15. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kolbenunterteil (11) und die Kolbenkrone (1) getrennt aus dem vollem, oder aus
Stahlguß- oder Stahlpreßrohlingen gefertigt sind.
16. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an
Stelle einer offenen Ölplanschkühlung eine geschlossene Planschkühlung mit einem
eingelagerten Kühlmedium vorgesehen ist und dementsprechend die Einspritzöffnung
(21) für die Aufnahme des Kühlöles und die Bohrungen (22, 22.1) für den Ölaustritt
entfallen.
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DE2000115352 DE10015352C1 (de) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | Gebauter Kolben |
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DE (1) | DE10015352C1 (de) |
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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