DE1253514B - Mehrteiliger, fluessigkeitsgekuehlter Kolben fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Mehrteiliger, flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen, flüssigkeitsgekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem obere Kolbenringnuten und nach innen offene Kühlkanäle aufweisenden topfförmigen Bodenteil und einem innerhalb des Bodenteils dagegen flüssigkeitsdicht anliegenden Tragkörper, welcher mit der Kolbenstange und dem Bodenteil verbunden ist.
• Bei derartigen Kolben dient bekanntlich der Bodenteil zur Aufnahme der Wärmebeanspruchung, während der Tragkörper den Gasdruck aufzunehmen hat. Infolge der ungleichmäßigen Erwärmung des Bodenteils und mangels einer seitlichen Ausdehnungsmöglichkeit wird sich der Bodenteil im Betrieb in der Mitte gegen den Brennraum hin durchwölben, wodurch erhebliche Spannungen auftreten, die zu Kolbenrissen führen können. Um diese Spannungen abzubauen, ist bereits vorgeschlagen worden, den Raum zwischen Bodenteil und Tragkörper mit Kühlkanälen zu versehen und diese entsprechend der unterschiedlichen Wärmeverteilung mit entsprechendem Querschnitt auszubilden bzw. die Kühlflüssigkeitsgeschwindigkeit darauf abzustimmen. Diese Maßnahme reicht allein jedoch nicht immer aus, um die auftretenden Schwierigkeiten zu beheben.
• Andererseits hat man zum Verbinden der Bodenteile mit dem Tragkörper auch bereits Schrauben mit großer Dehnlänge verwendet, deren elastische Verformung ohne überbeanspruchung die Formänderung des Bodenteils ermöglichen soll. Eine mechanische Verformung des Bodenteils, welche die auftretenden Wärmespannungen auszugleichen erlaubt, wird dabei jedoch nicht angewendet.
• Zur Behebung der erwähnten Mängel wird bei einem mehrteiligen Kolben der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Bodenteil im ungespannten Zustand lediglich in der Mitte am Tragkörper anliegt und beim Anziehen von längs des Mantelrandes angeordneten Verbindungssehrauben in die Betriebsstellung gegen den ebenen Boden des Tragkörpers so weit durchgedrückt wird, daß die Betriebswärmespannung dadurch annähernd aufgehoben wird. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Beanspruchung des Bodenteils wesentlich verringert, so daß die übertragung großer Leistungen mit geringem Aufwand möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Vorspannung des Bodenteils bzw. des Tragkörpers in den Wärmespannungen entgegengesetzter Richtung wird zudem den von der Beschleunigung und dem Kühlflüssigkeitsdruck herrührenden und die Spannungen erhöhenden Kräften entgegengewirkt. Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt F i g. 1 einen mehrteiligen Kolben im Schnitt, F i g. 2 eine andere Ausführungsform eines mehrteiligen Kolbens.
• In allen Figuren ist übereinstimmend mit 1 der Bodenteil, mit 2 der Tragkörper, mit 3 der nur teilweise dargestellte Kolbenmantel und mit 4 die Kolbenstange bezeichnet.
• Bei der Ausführung nach F i g. 1 besteht der Bodenteil 1 aus dem Kolbenboden 5 und dem Mantel 6. Auf den Innenseiten des Kolbenbodens 5 und des Mantels 6 sind in bekannter Weise Ausnehmungen 8 vorgesehen, die zur Führung der Kühlflüssigkeit dienen. Dieselben sind zum Zweck der bestmöglichen Kühlwirkung so bemessen, daß im Kolbenboden 5 und oberen Teil des Mantels 6 eine turbulente Strömung auftritt, bei möglichst großer Kühlfläche und bestem Wärmeabfluß. Der Querschnitt der Kühlkanäle wird dabei so ausgelegt, daß mit der Fläche, dem Umfang, dem hydraulischen Radius, der Geschwindigkeit und der kinematischen Zähigkeit der Kühlflüssigkeit sich eine Reynoldszahl von wenigstens 2300 ergibt, wobei die Randgeschwindigkeit größer als bei laminarer Strömung ist. Die Ausbildung der Kühlflüssigkeitsführungen ermöglicht es auch, in bekannter Weise in Zonen größeren Wärmeeinflusses die Kühlflächen und die Strömungsgeschwindigkeit für größere Wärmeabfuhr entsprechend größer auszulegen, so daß am Kolbenboden 5 ein annähernd gleichmäßiges Temperaturfeld ohne Spitzen erreicht wird. Infolge der geringen Stützweite zwischen den einzelnen Stegen ist es möglich, den Kolbenboden 5 in geringer Dicke auszuführen. Der Kolbenboden 5 kann auch mit einer Wärmedämmschicht 9 zur Wänneabstrahlung und Dämmung des Wärmeeintritts versehen sein. Der Tragkörper 2 ist mit dem Bodenteil 1 durch achsparallele Verbindungsschrauben 10 am Rand des Mantels 6 mit Vorspannung befestigt, welche als Dehnschrauben ausgebilddt und mit Tellerfedern 11 zusätzlich verspannt sind. Zur besseren Aufnahme der Gaskräfte ist der Tragkörper 2 mit einer kegelmantelförmigen Verstärkung 12 versehen, deren größter Durchmesser etwa zwei Drittel des Kolbendurchmessers beträgt. Die Kolbenstange 4 ist mit der kegelmantelförmigen Verstärkung 12, welche den Kraftfluß unmittelbar und in annähernd gerader Richtung weiterleitet, durch Dehnschrauben 13 verbunden. Der Bodenteil 1 liegt auf dem Tragkörper 2 mit den Stegen zwischen den Kühlkanälen auf, wobei erfindungsgemäß die Auflagefläche des Tragkörpers 2 ballig ausgebildet ist, d. h., der Kolbenboden 5 liegt im unverschraubten Zustand nur innen auf, und es verbleibt ein nach außen hin sich erweiternder Spalt. Nach dem Anziehen der Verbindungssehrauben 10 bzw. 17 liegen durch die Vorspannung alle Stege mit gleicher spezifischer Pressung auf. Bodenteil 1 und Tragkörper 2 sind mit Dichtringen 14 zum Abdichten des Kühlflüssigkeitsraums versehen.
• Der Bodentell 1 weist mittig einen in den Tragkörper 2 reichenden, zapfenförmigen und ein Gewinde aufweisenden Vorsprung 7 auf, der zum Befestigen der beiden Teile mittels einer Mutter 15 dient.
• Bei der Ausführungsforin nach F i g. 2 besteht der Bodenteil 1 lediglich aus einem Kolbenboden 5 und dem Mantel 6, in welche die Kühlkanäle eingearbeitet sind, und zwar in der gleichen Weise, wie bereits in F i g. 1 beschrieben ist. Mit 1-Elfe von Verbindungsschrauben 17, welche bis zu einem Flansch des Kolbenmantels 3 reichen, werden Bodenteil 1 und Tragkörper 2 mit Vorspannung gegeneinander verschraubt. Der Kolbenmantel 18 bleibt dabei in seiner Wärmedehnung unbehindert und spannungsfrei, da derselbe auf dem Bodenteil 1 verschiebbar ist. Der Tragkörper 2 weist ebenfalls eine kegelmantelförmige Verstärkung 12 auf, in deren Flansch die Kolbenstange 4 mittels Dehnschrauben 13 befestigt ist. Die untere Stirnfläche des Tragkörpers 2 ist mit dem Rand des Mantels 6 über ein federndes Zwischenstück 19 verbunden. Im Tragkörper 2 sind Hohlräume 16 vorgesehen, welche durch die öffnungen 20 und 21 mit der Kühlflüssigkeitsführung in Verbindung stehen und als Pufferräume zum Ausgleich von Druckspitzen der Kühlflüssigkeit dienen.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Mehrteiliger flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem obere Kolbenringnuten und nach innen offene Kühlkanäle aufweisenden topfförmigen Bodenteil und einem innerhalb des Bodenteils dagegen flüssigkeitsdicht anliegenden Tragkörper, welcher mit der Kolbenstange und dem Bodenteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (1) im ungespannten Zustand lediglich in der Mitte am Tragkörper (2) anliegt und beim Anziehen von längs des Mantelrandes angeordneten Verbindungssehrauben (10) in die Betriebsstellung gegen den ebenen Boden des Tragkörpers (2) so weit durchgedrückt wird, daß die Betriebswärmespannung dadurch annähernd aufgehoben wird.
2. 2. Mehrteiliger flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Dehnschrauben ausgebildeten Verbindungsschrauben (10) sich über Tellerfedern (11) am Tragkörper (2) abstützen. 3. Mehrteiliger flüssigkeitsgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (1) mittig einen in den Tragkörper (2) reichenden, zapfenförinigen und ein Gewinde aufweisenden Vorsprung (7) aufweist, der züm Verbinden beider Teile mittels einer Mutter (15) dient. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 305 424, 416 900; schweizerische Patentschrift Nr. 65 795; französische Patentschrift Nr. 1126 009; britische Patentschrift Nr. 521632; USA.-Patentschrift Nr. 2 720 193; »Hütte«, Des Ingenieurs, Taschenbuch, 26. Auflage, Bd. I, S. 368 und 370; F. M a y r, »Ortsfeste Dieselmotoren und Schiffsdieselmotoren«, Springer Verlag, 1960, S. 204 und 205.