DE1174110B

DE1174110B - Kolben fuer schnell laufende Dieselmotoren

Info

Publication number: DE1174110B
Application number: DEM42384A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Siegfried Meurer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1959-08-07
Filing date: 1959-08-07
Publication date: 1964-07-16

Description

Kolben für schnell laufende Dieselmotoren Die Erfindung betrifft einen Kolben für schnell laufende Dieselmotoren. Bei derartigen Motoren spielt das Gewicht des Kolbens sowie des Kolbenbodens eine entscheidende Rolle für die Größe der auftretenden Massenkräfte und damit der Lagerbelastung. Bei Kolben für Viertakt-Dieselmaschinen ist die Kolbenkonstruktion so vorgesehen, daß die auf den Kolbenboden einwirkenden Gasdruckkräfte in den Schaft des Kolbens übertragen werden. Am Kolbenschaft sind die Augen für den Kolbenbolzen angeordnet, die mit Rippen gegen den Kolbenboden und den Schaft selbst versteift sind. Die Kräfte werden also vom Kolbenboden in den Schaft übergeführt und von dort auf das Kolbenbolzenauge und schließlich über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange übertragen. Damit überbeanspruchungen der einzelnen Teile vermieden werden, müssen alle Querschnitte auf diesem Kraftweg genügend groß bemessen sein.
Bei Zweitaktmotoren werden teilweise andere Kolkenkonstruktionen angewendet, da dort die Massenkräfte und die Gaskräfte meist nur in einer Richtung, nämlich in Richtung auf den Kurbeltrieb wirken. Hier weist die Pleuelstange an ihrem oberen Ende eine kugelige Ausbildung auf, die in eine entsprechende Hohlkugel des Kolbens eingreift, so daß die Kräfte unmittelbar auf die Pleuelstange übertragen werden.
Des weiteren sind auch sogenannte Stuhlkolben bekanntgeworden, bei denen zwar eine kolbenbolzenähnliche Konstruktion vorhanden ist, jedoch geht der Kolbenbolzen nicht bis in die Kolbenbolzenaugen hinein, !die an dem Schaft des Kolbens angebracht sind. Vielmehr stellt hier der Kolbenbolzen nur einen Teil eines Stuhles dar, der im Innern des Kolbens auf der Pleuelstange befestigt ist. Auf diesem Stuhl stützt sich dann der Kolben mit seinem mittleren Teil ab. Bei den zuletzt genannten beiden Ausführungen geht der Kraftfluß also nicht mehr durch den Schaft, sondern nur durch den mittleren Teil des Kolbens.
Die Erfindung hängt mit den Bestrebungen im Dieselmotorenbau zusammen, die Gasdrücke, und vielfach auch Drehzahlen, über das bisher übliche Maß weiter zu steigern. Hieraus ergibt sich, daß der Kolbenbolzen, bzw. die Kolbenaugen für dessen Lagerung, die erhöhten Gas- und Massenkräfte nicht mehr in befriedigender Weise aufnehmen können, obgleich an sich die herkömmliche, beiderseits in den Kolbenaugen vorgesehene Kolbenbolzenlagerung sich besonders bewährt hat. Es besteht daher vorliegend die Aufgabe, diese gebräuchliche Lagerung beizubehalten. Weiterhin hängt der Erfindungsvorschlag mit der Verwendung eines Kolbens mit Brennraum zusammen, welch letzterer im oberen Totpunkt den größten Teil der Verbrennungsluft in sich aufnimmt. Für Kolben, bei denen diese Bedingung nicht erfüllt ist, gilt die Erfindung nicht. Es besteht die Aufgabe, die Wandung eines solchen Brennraumes nicht übermäßig massiv machen zu müssen, um auf diese Weise Kolbengewicht sparen und die weitere Erhöhung der Drehzahl möglich zu machen. Es ist daher die weitere Aufgabe gegeben, eine wirksame mittlere Abstützung der verhältnismäßig schwach gehaltenen und daher elastischen Brennraumwandung zu verwirklichen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe geht die Erfindung von einem an sich bekannten, für hochbelastete Verbrennungsmotoren bestimmten Kolben aus, bei welchem ein in zwei Augen gelagerter Kolbenbolzen und außerdem ein mittig bzw. im wesentlichen mittig, zur Kolbenlängsachse angeordneter Gleitschuh für die Abstützung des Kolbens auf dem Pleuelstangenkopf vorgesehen sind. Die Erfindung besteht darin, daß zwischen der Lagerfläche des an der Außenwandung des Grundes des Brennraumes vorgesehenen Gleitstückes und der Gegenlagerfläche des Pleuelstangenkopfes ein Spielraum vorgesehen ist, welcher bei niedriger Gasdruckbelastung erhalten bleibt und erst bei gesteigerter Gasdruckbelastung als Folge des elastischen Nachgebens der Brennraumwandung verschwindet. Es ensteht auf diese Weise eine dritte Lagerstelle für den Kolben mit dem entscheidenden Vorteil, daß eine Doppelpassung zu den zwei anderen Lagerstellen (Kolbenbolzenaugen) vermieden ist. Auch werden die Reibungskräfte bei niedriger Motorbelastung nicht unnötig erhöht, weil dann das Gleitstück nicht am Pleuelstangenkopf anliegt. Durch die gewonnene Abstützung der elastischen Brennraumwandung kann die letztere mit geringerer Wandstärke ausgebildet werden als bei Fehlen einer solchen Abstützung.
Wird ein hohler Kolbenbolzen verwendet, dann wird gemäß einem Ausgestaltungsvorschlag der Erfindung der Wandungsquerschnitt dieses Bolzens so bemessen, daß die maximal zulässige Durchbiegung des Bolzens bereits bei 60'°/o der höchsten auftretenden Kolbenbodenbelastung (bezogen auf alleinige Abstützung des Kolbenbolzens in den beiden Kolbenbolzenaugen) eintritt.
Die Erfindung ist in der Zeichnung am Ausführungsbeispiel eines Kolbens dargestellt, in dessen Boden der Brennraum angeordnet ist.
In der Längsschnittzeichnung ist mit 1 der Kolben eines Dieselmotors bezeichnet, in dessen Boden 2 ein rotationskörperförmiger Brennraum 3 mittig zur Kolbenlängsachse angeordnet ist. Somit bilden die Brennraumbegrenzungsflächen einen Bestandteil des den Gasdruckkräften ausgesetzten Kolbenbodens. Die Kolbenbolzenaugen 5 (in der Zeichnung nur das eine sichtbar), in denen der hohle Kolbenbolzen 7 lose gelagert ist, sind durch Rippen 6 mit dem Kolbenschaft 1 verbunden. Auf dem Kolbenbolzen selbst ist die Pleuelstange 8 gelagert.
Der innere Kolbenboden weist einen Gleitschuh 9 auf, der hier zusammen mit der Brennraumwand aus einem Stück besteht; er kann aber auch beispielsweise als gesonderter Bauteil am Kolbeninnenboden angeschraubt sein. Dieser auf dem Pleuelstangenkopf 4 gleitende Gleitschuh ist am Übergang zum Kolbeninnenboden bei 10 eingeschnürt, so daß der Wärmeübergang vom heißen Brennraumboden zum Gleitschuh gedrosselt wird. Um diese Wärmedrosselung zu verstärken, können im Einschnürquerschnitt noch Isoliereinlagen 11 angeordnet werden.
Während also bei den bisher meist üblichen Kolbenkonstruktionen die Gesamtheit der auf den Kolbenboden 2 sowie auf die Brennraumwandung 3a wirkenden Kräfte über den Kolbenschaft und die Rippen 6 auf die Kolbenbolzenaugen 5 übertragen wurde und infolgedessen relativ große Querschnitte der einzelnen Teile erforderlich waren, wird durch das Abstützen des Gleitschuhes 9 auf dem Pleuelstangenkopf 4 ein weiterer Bauteil zur Aufnahme eines Teiles der auf den Kolben wirkenden Gaskräfte herangezogen. Auf diese Art können nunmehr die einzelnen belasteten Querschnitte des Kolbens wesentlich kleiner ausgeführt werden, so daß auch die Gesamtkonstruktion des Kolbens leichter wird.
Der Luftspalt 12 zwischen der Gleitfläche des Gleitschuhes und der Gleitfläche des Pleuelstangenkopfes wird erfindungsgemäß so groß gehalten, daß im normalen Belastungsfall ein genügendes Spiel vorhanden ist. Erst wenn durch die auftretenden Gasdrücke der in seiner Bemessung bewußt schwächer als üblich gehaltene Kolbenboden eine gewisse Durchbiegung erfährt, erfolgt die Abstützung des Gleitschuhes 9 auf dem Pleuelstangenkopf. Durch diese Maßnahme wird auch eine unerwünschte Wärmeübertragung vom Brennraum auf die Pleuelstange wirksam unterbunden. Für die Bemessung des Luftspaltes ist beispielsweise vorgesehen, daß dieser Spalt gleich oder kleiner ist als die bei 60 0/0 der maximalen Kolbenbodenbelastung auftretenden Kolbenbolzendurchbiegung.

Claims

Patentansprüche: 1. Für schnell laufende Dieselmotoren bestimmter und mit einem im oberen Totpunkt den größten Teil der Verbrennungsluft aufnehmenden Brennraum ausgestatteter Kolben, bei welchem ein in zwei Augen gelagerter Kolbenbolzen und außerdem ein mittig zur Kolbenlängsachse angeordneter Gleitschuh für die Abstützung des Kolbens auf dem Pleuelstangenkopf vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lagerfläche des an der Außenwandung des Grundes des Brennraumes (3) vorgesehenen Gleitstückes (9) und der Gegenlagerfläche des Pleuelstangenkopfes (4) ein Spielraum (12) vorgesehen ist, welcher bei niedriger Gasdruckbelastung erhalten bleibt, jedoch bei gesteigerter Gasdruckbelastung als Folge des elastischen Nachgebens der Brennraumwandung (3a) verschwindet und alsdann eine dritte Lagerstelle für den Kolben (1) ermöglicht.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (12) im unbelasteten Zustand des Kolbenbodens der bei 60% der maximalen Kolbenbodenbelastung auftretende Kolbenbolzendurchbiegung entspricht.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Gleitschuhes an der Übergangsstelle (10) zum Kolbeninnenboden eingeschnürt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 418 819, 871222; deutsche Auslegeschriften Nr. 1031052, 1049174; britische Patentschrift Nr. 210 805; USA: Patentschriften Nr. 1089 823, 2 442 408, 2742027.