DE102013009415A1

DE102013009415A1 - Kolben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013009415A1
Application number: DE102013009415.1A
Authority: DE
Inventors: Talat Shaer; Hubert Pelzel
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2014-12-11
Also published as: CN105247197B; CN105247197A; JP6381053B2; KR20160017053A; JP2016520759A; WO2014195288A1; KR101793848B1

Abstract

Kolben (20) für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, mit einem einen definierten Außendurchmesser aufweisenden Kolbenkörper (21), der einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden (22) aufweist, welcher einen Brennraum des Zylinders abschnittsweise definiert, wobei der Kolbenboden (22) am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21) unter Verringerung der Wandstärke desselben nach axial hinten gezogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kolben einer Brennkraftmaschine können als sogenannte gebaute Kolben, die aus einem Kolbenoberteil und aus einem Kolbenunterteil zusammengesetzt sind, bzw. als sogenannte Monoblockkolben ausgeführt sein. Aus der DE 35 18 721 C2 sowie aus der DE 10 2005 013 087 B3 sind jeweils gebaute Kolben bekannt, die aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzt sind, wobei das Kolbenoberteil einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden und eine zylindrische Außenwand aufweist. Am Kolbenboden kann eine sogenannte Brennraummulde in einem radial inneren Bereich des Kolbenbodens ausgebildet sein. Die zylindrische Außenwand weist Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen auf. Ein solcher Kolben einer Brennkraftmaschine ist in einer Zylinderlaufbuchse des Zylinders der Brennkraftmaschine geführt, wobei die DE 101 21 852 C2 den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Zylinderlaufbuchse zeigt, der ein sogenannter Flammring zugeordnet ist. Ein Abschnitt des Kolbens, der sich zwischen dem Kolbenboden und den Nuten zur Aufnahme der Kolbenringe erstreckt, ist im Bereich des Flammrings der Zylinderlaufbuchse geführt.
1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Kolben 10 einer Brennkraftmaschine zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse 11 zugeordneten Flammring 12, wobei der Kolben 10 in Axialrichtung vorne einen Kolbenboden 13, welcher einen Brennraum 14 des jeweiligen Zylinders abschnittsweise definiert, und wobei an einer zylindrischen Außenwand 15 des Kolbens 10 Nuten 16 zur Aufnahme nicht gezeigter Kolbenringe ausgebildet sind. Der in 1 gezeigte Kolben 10 weist einen Kühlraum 17 zur Kühlung des Kolbens 10 auf.
Wie 1 entnommen werden kann, ist ein axial vorderer Abschnitt 18 des Kolbens 10, der sich zwischen dem Kolbenboden 13 und der in Axialrichtung vordersten Nut 16 zur Aufnahme eines Kolbenrings erstreckt, in dem Flammring 12 der Zylinderlaufbuchse 11 geführt, wobei der Abstand Z zwischen dem Kolbenboden 13 und der vordersten Nut 16 als Feuersteghöhe bezeichnet wird.
Beim Stand der Technik besteht das Problem, dass sich zwischen dem am Flammring 12 geführten, vorderen Abschnitt 18 des Kolbens 10 und dem Flammring 12 ein sogenanntes Schadvolumen 19 ausbildet, in welchem sich Kraftstoff sammeln kann, der bei der Verbrennung im Brennraum 14 nicht oder unvollständig verbrannt wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine beschränkt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Kolben einer Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Kolben nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Kolbenboden am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers unter Verringerung der Wandstärke desselben nach axial hinten gezogen.
Durch das nach axial hinten Ziehen des Kolbenbodens am radial äußeren Rand können eine Vielzahl von Vorteilen realisiert werden. So kann das Schadvolumen, welches sich zwischen dem Flammring und dem Kolben ansammeln kann, verringert werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden. Weiterhin nimmt durch das nach axial hinten Ziehen des Kolbenbodens im Bereich des radial äußeren Rands die Wandstärke des Kolbenkörpers in diesen Bereich ab, so dass der Kolben in diesem Bereich effektiv gekühlt werden kann. Hier können lokale Überhitzungen des Kolbens, die auch als Hotspots bezeichnet werden, vermieden werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kolbenboden am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung nach axial hinten gezogen. Dann, wenn der Kolbenboden am radial äußeren Rand unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung nach axial hinten gezogen ist, sind die oben genannten Vorteile besonders ausgeprägt. So kann dann die Wärme vom äußeren Rand des Kolbenbodens effektiv abgeführt und ein Schadvolumen zwischen dem Kolben und dem Flammring besonders effektiv verringert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich die Materialaussparung ausgehend von einem radial äußeren Rand des Kolbenkörpers um ein erstes Maß Y in Radialrichtung nach innen. Ausgehend vom vorderen Kolbenboden des Kolbenkörpers erstreckt sich die Materialaussparung um ein zweites Maß X in Axialrichtung nach hinten. Diese Ausgestaltung der Materialaussparung erlaubt eine besonders effektive Kühlung des Kolbens sowie eine besonders effektive Reduzierung des Schadvolumens.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring;
2: einen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring;
3: einen Detail der 2;
4: einen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring;
5: einen Querschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring; und
6: einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer als Dieselmotor oder Gasmotor oder Diesel-Gas-Motor ausgeführten Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel einer Schiffsdieselbrennkraftmaschine. Ein solcher Kolben wird auch als Tauchkolben bezeichnet.
2 und 3 zeigen Details eines erfindungsgemäßen Kolbens 20 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Kolben 20 kann es sich um einen aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzten bzw. gebauten Kolben oder alternativ um einen sogenannten Monoblockkolben handeln.
Dann, wenn es sich um einen gebauten Kolben handelt, handelt es sich bei dem in 2 und 3 gezeigten Kolbenkörper 21 um das Kolbenoberteil des gebauten Kolbens 20.
Der Kolbenkörper 21 des Kolbens 20, bei einem gebauten Kolben das Kolbenoberteil desselben, verfügt in Axialrichtung gesehen vorne über einen Kolbenboden 22, der einen Brennraum 23 eines Zylinders der Brennkraftmaschine abschnittsweise begrenzt.
An einer zylindrischen Außenwand 24 des Kolbenkörpers 21 sind Nuten 25 zur Aufnahme nicht gezeigter Kolbenringe ausgeführt. Der Kolben 20 umfasst einen Kühlraum 26 zur Ölkühlung desselben.
Der Kolbenkörper 21 des Kolbens 20, bei einem gebauten Kolben das Kolbenoberteil desselben, ist mit einem axial vorderen Abschnitt 27, der sich zwischen dem Kolbenboden 22 und der in Axialrichtung gesehen vordersten Nut 25 zur Aufnahme eines Kolbenrings erstreckt, in einem Flammring 28 einer Zylinderlaufbuchse 29 geführt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist der Kolbenboden 22 am radial äußeren Rand bzw. an der zylindrischen Außenwand 24 des Kolbenkörpers 21 unter Verringerung der Wandstärke des Kolbenkörpers 21 nach axial hinten gezogen, vorzugsweise unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung 30.
Hiermit wird, wie einem Vergleich der 1 und 2 entnommen werden kann, die Wandstärke des Kolbenkörpers 21 am äußeren Rand des Kolbenbodens 22 reduziert, wodurch einerseits der Kolben 20 in diesem Abschnitt effektiv gekühlt werden kann und wodurch sich andererseits ein Schadvolumen 31 zwischen dem Kolben 20 und dem Flammring 28 reduziert. Hiermit kann eine lokale Überhitzung des Kolbens vermieden und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden.
Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich die Materialaussparung 30 ausgehend vom äußeren Rand bzw. der zylindrischen Außenwand 24 des Kolbenkörpers 21 um ein erstes Maß Y in Radialrichtung nach innen, wobei sich weiterhin diese Materialaussparung 30 ausgehend von einem nicht nach axial hinten gezogenen Abschnitt des axial vorderen Kolbenbodens 22 um ein zweites Maß X in Axialrichtung nach hinten erstreckt. Diese beiden Maße X und Y können identisch sein, vorzugsweise sind diese Maße X und Y jedoch voneinander verschieden.
Vorzugsweise beträgt das erste Maß Y, welches sich in Radialrichtung erstreckt, mindestens 2% des Außendurchmessers des Kolbens 20 bzw. des Kolbenkörpers 21, vorzugsweise beträgt dieses Maß Y zwischen 2% und 10% dieses Außendurchmessers.
Das zweite Maß X, welches sich in Axialrichtung erstreckt, beträgt ebenfalls vorzugsweise mindestens 2% des Außendurchmessers des Kolbens 20 bzw. des Kolbenkörpers 21, vorzugsweise beträgt dieses zweite Maß X zwischen 2% und 6% dieses Außendurchmessers.
Die Materialaussparung 30 am äußeren Rand des Kolbenbodens 22 ist von einer Brennraummulde, die zusätzlich an einem radial inneren Abschnitt des Kolbenbodens 22 ausgebildet sein kann, zu unterscheiden.
Vorzugsweise kommt die Erfindung bei Großmotoren zum Einsatz, so zum Beispiel bei Schiffsmotoren, die als Dieselmotor oder Gasmotor oder Diesel-Gas-Motor ausgeführt sein können und deren Kolben 20 einen Außendurchmesser von mindestens 160 mm aufweisen.
Wie 2 bis 6 entnommen werden kann, kann die Materialaussparung 30 mit unterschiedlichen Konturierungen des Kolbenbodens 22 am äußeren Rand desselben einhergehen. So ist in 3 der Kolbenboden 22 im Bereich der Materialaussparung 30 gekrümmt konturiert, wobei sich die Krümmung in einem Wendepunkt 32 ändert. Auch in 6 ist der Kolbenboden 22 im Bereich der Materialaussparung 30 gekrümmt konturiert, wobei jedoch unterschiedliche Krümmungsradien vorgesehen sind. In 4 ist der Kolbenboden 22 im Bereich der Materialaussparung 30 rampenartig konturiert. In 5 geht eine rampenartige Konturierung radial innen unter Ausbildung einer Abrundung in den nicht nach axial hinten gezogenen Abschnitt des Kolbenbodens 22 über.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden eines Kolbenkörpers eines Kolbens einer Brennkraftmaschine am radial äußeren Rand unter Ausbildung einer Materialaussparung unter Verringerung der Wandstärke des Kolbenkörpers in diesen Bereich nach axial hinten zu ziehen, wodurch der Kolben in diesem Bereich effektiv gekühlt werden kann und wodurch unter Erhöhung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine das sogenannte Schadvolumen reduziert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Kolben
11: Zylinderlaufbuchse
12: Flammring
13: Kolbenboden
14: Brennraum
15: Außenwand
16: Nut
17: Kühlraum
18: Abschnitt
19: Schadvolumen
20: Kolben
21: Kolbenkörper/Kolbenoberteil
22: Kolbenboden
23: Brennraum
24: Außenwand
25: Nut
26: Kühlraum
27: Abschnitt
28: Flammring
29: Zylinderlaufbuchse
30: Materialaussparung
31: Schadvolumen
32: Wendepunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3518721 C2 [0002]
DE 102005013087 B3 [0002]
DE 10121852 C2 [0002]

Claims

Kolben für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, mit einem einen definierten Außendurchmesser aufweisenden Kolbenkörper (21), der einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden (22) aufweist, welcher einen Brennraum des Zylinders abschnittsweise definiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21) unter Verringerung der Wandstärke desselben nach axial hinten gezogen ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21) unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung (30) nach axial hinten gezogen ist.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialaussparung (30) ausgehend von einem radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21) um ein erstes Maß (Y) in Radialrichtung nach innen erstreckt.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maß (Y) mindestens 2% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21), vorzugsweise zwischen 2% und 10% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21), beträgt.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialaussparung (30) ausgehend von einem nicht nach axial hinten gezogenen Abschnitt des axial vorderen Kolbenbodens (22) des Kolbenkörpers (21) um ein zweites Maß (X) in Axialrichtung nach hinten erstreckt.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maß (X) mindestens 2% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21), vorzugsweise zwischen 2% und 6% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21), beträgt.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe einen Außendurchmesser von mindestens 160 mm aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derselben als gebauter Kolben mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil ausgebildet ist, wobei der den Kolbenboden (22) aufweisende Kolbenkörper (21) das Kolbenoberteil ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derselben als Monoblockkolben ausgebildet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) in einem radial inneren Abschnitt eine Brennraummulde definiert.