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Mehrteiliger, ölgekühlter Kolben für eine Brennkraftmaschine Es ist
ein mehrteiliger, ölgekühlter Muldenkolben bekannt für eine Dieselmaschine hoher
spezifischer Leistung mit Einspritzung des Kraftstoffes in der Zylinderachse, so
daß der Kolben in der Mittelpartie thermisch am höchsten belastet ist. Der Kolben
besteht im wesentlichen aus einem Kolbenhauptkörper mit Boden und aus einer flachen,
Kolbendichtringe tragenden Kolbenbodenplatte, die mit Schrauben auf dem Boden des
Kolbenhauptkörpers vom Zylinderkopf her und in Richtung des Zylinderkopfes lösbar
befestigt ist. Als Kühlsystem hat die Kolbenbodenplatte mehrere konzentrische, gewölbeartige
Ringkanäle, deren äußerem das Kühlöl durch ein Teleskoprohr zugeführt wird. Dieser
äußere Ringkanal ist dicht an der Kolbenringplatte angeordnet und erstreckt sich
über den obersten Kolbendichtring. Zwischen den Ringkanälen ergeben sich Ringflächen,
die auf dem flachen Boden des Kolbenhauptkörpers aufliegen und deren eine von den
im Kreis angeordneten Befestigungsschrauben durchsetzt wird. Aus der Zuflußstelle
in der Kolbenbodenplatte tritt das Kühlöl in einen radialen Verteilerkanal, der
die weiteren konzentrischen Ringkanäle der Platte kreuzt. Aus diesem Verteilerkanal
strömt das Kühlöl in beiden Umfangsrichtungen auf die diametral gegenüberliegende
Seite und sammelt sich in einem ebenfalls radialen Kanal, von dem es in einer Abflußleitung
abgeführt wird. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß das mit verhältnismäßig hoher
Geschwindigkeit in den Kolben hineingepumpte Öl beim Eintritt in die Kolbenbodenplatte
seine Geschwindigkeit infolge des plötzlich vergrößerten Durchströmquerschnittes
erheblich verlangsamt, so daß die thermisch am höchsten belastete Mittelpartie nur
mit verminderter Geschwindigkeit bestrichen wird. Trotz Anordnung von Füllstücken
zur Verengung der Ringkanäle und zur Vergrößerung der Durchflußgeschwindigkeit zeigten
sich Verkokungen, die zu Betriebsstörungen führten.
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Die Erfindung geht von einer derartigen Kolbenbauart aus, vermeidet
aber die unvollkommene Kühlung dadurch, daß als Kühlsystem in der Kolbenbodenplatte
mindestens zwei von Füllstücken verengte Ringkanäle und im Boden des Kolbenhauptkörpers
mindestens ein weiterer Ringraum unterhalb des letzten Ringkanals in der Kolbenbodenplatte
durch Leitungen so verbunden sind, daß die Ringkanäle in einem oder in mehreren
Teilströmen nacheinander im Gegenstrom durchflossen werden und daß die Kolbenbodenplatte
nur wenige, z. B. drei, aber alle Kolbendichtringe, der Kolbenhauptkörper dagegen
gegebenenfalls nur CSlabstreifringe trägt. Ein derartiges Kühlsystem mit nur wenigen
konzentrischen Ringkanälen in der Kolbenbodenplatte, in dem unter dem inneren Ringkanal
ein weiterer Ringkanal angeordnet ist, und der Durchfluß dieses Systems durch einen
oder mehrere Teilströme nacheinander und im Gegenstrom ergibt eine intensive Kühlung
besonders der Mittelpartie des Kolbens. Man hat bei Großkolben für langsam laufende
Brennkraftmaschinen bereits Ringräume angeordnet, die im Gegenstrom durchflossen
werden. Es ist auch bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit gleichmäßig beizubehalten
durch Anordnung eines Kühlsystems in Form einer Spirale, dem von außen das Kühlöl
zugeführt wird und aus dessen Mitte das Kühlöl wieder abgeführt wird. Die Erfindung
beruht in der Beschränkung auf wenige Ringkanäle und in der Übereinanderanordnung
sowie ferner in der Anordnung nur weniger, aber in bekannter Weise aller Kolbendichtringe
an der verhältnismäßig sehr niedrigen Kolbenbodenplatte. Auf engstem Raum ist hiermit
ein Hochleistungskolben geschaffen worden, der für schnell laufende Dieselmotoren
hoher spezifischer Leistung geeignet ist.
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Nach einer Ausbildung der Erfindung dient vorteilhaft das den letzten
Ringkanal in der Kolbenbodenplatte verengende Füllstück als Trennwand gegen den
unterhalb im Kolbenhauptkörper angeordneten Ringraum und weist nur auf der einen
Seite Durchtrittsöffnungen für das Kühlöl aus dem oberen Ringkanal in den unteren
Ringraum auf. Auch hiermit ist eine bauliche Vereinfachung erzielt.
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Außer den beiden letzten Ringkanalstufen des Kühlsystems kann in Weiterbildung
der Erfindung das Ende des Kühlsystems eine mittlere Kühlkammer in der Kolbenbodenplatte
und in dem Kolbenhauptkörper enthalten, in die das Kühlöl aus dem Ringraum durch
radiale Leitungen übertritt und die als Sammelkammer dient. Durch diese zusätzliche
mittlere Sammelkammer werden die in die Mittelpartie
besonders stark
eintretenden Wärmemengen noch besser aufgenommen und abgeführt.
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Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Grundzügen,
und zwar Fig. 1 den Längsmittelschnitt nach I-I in Fig. 3, Fig. 2 die Unteransicht
der Kolbenbodenplatte, Fig. 3 die Draufsicht auf den Kolbenhauptkörper, wenn die
Kolbenbodenplatte abgenommen ist.
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In den Zeichnungen sind die in der nachstehenden Beschreibung erwähnten
Kanal- und Leitungsquerschnitte waagerecht und die Ausnehmungen senkrecht schraffiert.
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Der Muldenkolben besteht aus dem Kolbenhauptkörper 1 und der Kolbenbodenplatte
2. Die Kolbenbodenplatte 2 liegt hauptsächlich mit ihrer Ringfläche 3 auf der Ringfläche
4 des Kolbenhauptkörpers 1 und ist dort mit Dehnschrauben befestigt, die durch die
Mittellinien 5, die Bohrungen 5' und die Gewinde 5" angedeutet sind. Die Kolbenbodenplatte
2 trägt sämtliche Kolbendichtringe 6. Ein ölabstreifring 7 ist am Kolbenhauptkörper
1 angedeutet. Der untere Teil des Kosbenhauptkörpers 1 ist nicht dargestellt. Die
Kolbenbodenplatte 2 hat auf der dem Zylinderraum zugekehrten Seite eine mittlere
Mulde 8 und Warzen 9 zur Aufnahme der Köpfe der Befestigungsschrauben. Auf der unteren
Seite hat das Kühlsystem der Kolbenbodenplatte 2 einen äußeren Ringkanal 10, der
sich mit einem Teil 11 über den oberen der Kolbenringe 6 erstreckt. Innerhalb des
äußeren Ringkanals 10 sind ein Ringkanal 12 und eine mittlere Kammer 13 angeordnet,
die mit der Kammer 13' in dem Kolbenhauptkörper 1 eine Sammelkammer ergibt. Die
Wandungen der Ringkanäle 10 und 12 sowie die Kammer 13 verlaufen gewölbeartig zu
der Hauptauflageringfläche 3, 4 sowie der auf derselben Querebene angeordneten inneren
Auflageringfläche um die Kammer 13. Der der Kolbenbodenplatte 2 zugekehrte Boden
des Kolbenhauptkörpers 1 hat Ausnehmungen 14 und mittig dazu Ausnehmungen 15, die
sternförmig angeordnet sind und durch speicherartig verlaufende Versteifungsrippen
16 getrennt sind. Die inneren Ausnehmungen 15 sind durch einen Ringkanal 17 miteinander
verbunden. Zwischen dem Ringkanal 12 in der Kolbenbodenplatte 2 und den Ausnehmungen
15 im Kolbenhauptkörper 1 ist ein Füllstück 18 angeordnet, das eine Durchtrittsöffnung
19 zur Verbindung des Ringkanals 12 mit dem darunter angeordneten kinglcana117 herstellt,
der die Ausnehmungen 15 verbindet. Dieses Füllstück 18 verengt den Ringkanal 12
bis auf einen geringen Durchflußquerschnitt und hat Einschnitte 20 sowie zwei sektorenartige
Ausnehmungen 21 an der Seite der Bohrung 19 und 22 an der entgegengesetzten Seite.
Das Füllstück 18 ist mit vier Schrauben 23 auf dem Kolbenhauptkörper 1 befestigt.
Auch der Querschnitt des äußeren Ringkanals 10 in der Kolben.bodenplatte 2 ist durch
zwei Füllstücke 24 verengt, die mit je drei Schrauben 25 auf dem Kolbenhauptkörper
befestigt sind. In den äußeren Ringkanal 10 mündet das Tauchrohr 26. Auf der entgegengesetzten
Seite führen von diesem Ringkanal 10 die Leitungen 27 zum inneren Ringkanal 12.
Von dem unteren Ringkanal 17 im Kolbenhauptkörper führen drei radiale Leitungen
28 in die Sammelkammer 13, 13'; aus dieser führt eine Bohrung 29 in den Innenraum
des Kolbenhauptkörpers. Mit 30 ist ein Auge des Kolbenbolzens im Kolbenhauptkörper
1 angedeutet.
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Das Kühlöl wird durch das Tauchrohr 26 in. den äußeren Ringkanal 10
zugeleitet und teilt sich in zwei Umfangsströme. Hierbei kühlt es besonders die
Kolbenringpartie. Auf der entgegengesetzten Seite vereinigen sich die Teilströme
wieder und fließen durch die Leitungen 27 in den inneren Ringkanal 12, und zwar
in den sektorartigen Ausschnitt 22 des Füllstückes 18. Hier verteilt sich das öl
wieder in zwei Umfangsströme, die durch die Einschnitte 20 in dem Füllstück 18 verwirbelt
werden und die infolge der geringen Durc'hflußhöhe hohe Geschwindigkeit haben. Hierdurch
werden nicht nur Ansätze oder Niederschläge, z. B. Verkokungen, aus dem Kühlöl weitgehend
vermieden, sondern es wird auch die besonders hoch beanspruchte mittlere Kolbenbodenzone
intensiv gekühlt. Das Kühlöl sammelt sich wieder auf der entgegengesetzten Seite
des Ringkanals 12 etwa in dem sektorartigen Ausschnitt 21 und fließt nun durch die
Bohrung 19 in die darunterliegende Ausnehmung 15 des Kolbenhauptkörpers 1. Von da
fließt es in den unteren Ringkanal 17, teilweise auch in die anderen Ausnehmungen
15, die mit dem Ringkanal 17
verbunden sind, und durch die drei radialen Leitungen
28 in die Sammelkammer 13, 13', aus der es durch die Bohrung 29 frei in den Innenraum
des Kolbenhauptkörpers 1 austritt und zur Schmierung des Kolbenbolzens dienen kann.
Man kann. die ölförderung so knapp einstellen, daß das öl stoßweise aus der Bohrung
29 austritt. Hierdurch wird beim Hin-und Hergehen des Kolbens bewirkt, daß das öl
nicht nur in den Kammern 14 und 15, sondern auch in seiner letzten Kühlphase in
der Kammer 13, 13' hin-und hergeschleudert wird und so gerade in dieser letzten
Phase noch aus der hoch beanspruchten mittleren Kolbenbodenzone Wärme abzuführen
vermag. Es ist eine besondere Eigenart des Kolbens gemäß der Erfindung, daß man
durch geeignete Bemessung der Kühlölmenge und der Durchströmquerschnitte etwa an
allen Stellen das gleiche Temperaturgefälle zwischen dem zu kühlenden Teil der Kolbenbodenplatte
und dem Kühlöl erreichen kann. Es ist ferner eine großer Vorzug, daß durch die Zufuhr
des kühlen Öles an der Kolbenringzone diese am kühlsten gehalten wird und durch
die Anordnung des mittleren Austritts aus der heißen Zone die dort aufgenommene
Wärme auf dem kürzesten Wege abgeführt wird. Schließlich ist durch geeignete Bemessung
und Anordnung der gewölbeartigen Ringkanäle und der Ringauflageflächen zu erreichen,
daß den auch in die Auflageflächen abfließenden Wärmemengen ein Querschnitt zur
Verfügung steht, der mit der Entfernung von der Wärme aufnehmenden Kolbenbodenfläche
wächst.
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Diese Art der Führung der Kühlströme kann grundsätzlich auch beibehalten
werden, wenn das Kühlöl etwa an zwei gegenüberliegenden Stellen in den äußeren Ringkanal
eintritt. Eine derartige Bauart kann für größere Kolben verwendet werden.
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Wesentlich für den Kolben gemäß der Erfindung ist in jedem Fall, daß
das Kühlöl außen in das Kühlsystem eintritt und etwa in der Mitte des Kolbens das
Kühlsystem verläßt.