DE1751013A1 - Dieselmotorkolben - Google Patents
DieselmotorkolbenInfo
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Description
Dipl. Ing. Helmut Zoepke / tv 7~Ί uet. 994
Dip!. Ing. Car! O. Zospke / ^JyY, Έζχ ψ)-1
Patentanv/älte ' | j
8 München 5, Erhardtstraße 11 " " 1751013
401 ITorth Michigan Avenue
Chicago, Illinois (V.St.A.)
Chicago, Illinois (V.St.A.)
Die Erfindung betrifft einen einteiligen Dieselmotorkolben mit
zentraler Brennraummulde, mehreren Kolbenringnuten und definierten
Durohmeeserabweiohungen in Riohtung der Kolbenlängsachse und
senkrecht dazu,
DSe Ablagerung von Kokekohle an den brennraumnahen Flächen dee
Kolbens ist ein vordringlich asu lösendes konstruktives Problem.
Duroh Kombination der relativ harten Kokspartikeln mit einem lackartigen
Binder sind die Bedingungen' gegeben, die zu einem verstärkten Festsetzen der Ablagerungen an den Laufbucheen- und Kolbenflächen
fUhrtn. Auf diess leise kommt es zu einer bohleifwirkung, die sehr
bald lu Beschädigungen oder Zerstörungen der polierten Laufbuohse
fuhrt« Man war daher in der Vergangenheit bestrebt, den Hingapalt
■wieohen dem heißen Kolben und der Zylinderlauf/ltfohe mögllohst
klein au halten, us den Ablagerungen keinen Baum zu bieten. Der höh·
Standard heutiger Fertigungomethoden kommt diesem Trend entgegen,
•0 daS uohlieeiioh der Ringspalt im oberen Kolbenbereioh praktisch
109840/0400 ^2-
BAD ORJQtNAL
Diesem an eich erstrebenswerten Zustand steht nun aber als Nuchtell
entgegen» daß die Diohtwirkune des oberen Kolbenringes beeinträchtigt
wird, besonders bei Motoren mit sohrägliegenden Zylindern, wie das
beispielsweise auf V~Motoren sutrifft. Hler verlagert sich nämlich
das Kolbengewicht einseitig auf eine Zylinderseite, so daß jeder
Zwischenraum «wischen den aufelnanderfleitenden flaohen völlig
verschwindet, woduroh dann auch die Druckbeaufeohlagung des oberen
Kolbenringes durch dl· Brenngase einseitig unterbunden wird. Er- £ fahrungsgeaäff kann ein Kolbenring eeine Diohtfunktion aber nur dann
einwandfrei erfüllen, wenn 'er von dem Brück der Brenngase getroffen
und In axialer und radialer Richtung fixiert wird. Darliberhinaus
wird eine einseitige Kokeablagerung gefördert, well nämlich auch dl·
Blaewirkung der Brenngase wegfällt. Wie bereits erwähnt, worden die
Verhältnisse durch die ständig kleiner werdenden Kolbentoleransen
nur noch komplizierter. * ·
Hit der vorliegenden Erfindung wirrt die Aufgabe verfolgt, die
geschilderten Nachtelle ohne Leistungaverluat au beseitigen und
LV ■
neben einer unverminderten Gaadruokwirkung auf den oberen Kolbenring
auch die Ablagerung voÄ Kokskohle zu vermeiden bzw. zu, besoitigeni
Die erfinderische Lösung bei einem einteiligen Diese!motorkolben
mit zentraler Brennraunmulde und riohtungsabhängigen Durchmesseränderungen verwendet In einem Bereloh des Kolbenboden, der durch
die obere Kolbenringnut nach unten ubgogrenst lat, einen kleineren
Durchmesser als der Übrige Kolben von leicht elliptleohem yuereohnlt%
nobel der Durchmesser In Richtung der Kolbenboleenaohee kleiner ist
als senkrecht au dieser. Der Kolben bildet also im oberen Duroh-
109840/0400 J3 _
messerbereich mit der Zylinderwandung einen Ringspalt, dessen
Weite eich aus der Durehmesserdifferena von Kolben und Zylinder
ergibt. In einem ausgeführten Beispiel mit einem Kolbtn von 63,5 am
Durchmesser ergibt sich als Differenz der Durchmesser in Richtung der Kolbenbolzenachse und senkrecht zu dieser ein Mittelwert von
0,2 mm. In weiterer vorteilhafter Ausbildung des Erfindungsgedankene
sind im Bereich des oberen Hingspalte mindestens vier gleichmäßig über den Kolbenumfang verteilte flache Gaekanäle angeordnet, wobei
deren Breite etwa den 9,5fachen Betrag ihrer Tiefe ausmacht; die Gaskanäle durchdringen eine eingesetzte Ringnut durch den Kolbenring
einseitig. Die Gaszufuhr zun Kompressionsring kann nach einem
weiteren Ausführun^sbeiBpiel dadurch gewährleistet werden, daß
zwischen der Brennraummulde und einer eingesetzten Hingnut mindestens
vier gleichmüßig über den Kolbenunfang verteilte ochrjige Gaekanäle
angeordnet sind, die unter einem bestimmten tfinkel gegen die
Senkrechte geneigt aindttSnd schließlich läßt sich die engestrebte
Wirkung einer Druckgasbeaufschlugung des oberen Kolbenringes noch
dadurch verwirklichen, daß die sswiachen der Brennraummulde und der
Kolbenaußenkante liegende kreieringförmige Kolbenbodenfläche mit
der Kolbenringnut durch mehrere gleichmäßig Über den Kolbenumfang verteilte Gaskanäle in schräger Anordnung verbunden 1st. In diesem
Falle beträgt der Ev/ischen dem Gaskanal und der Senkrechten
vorhandene Winkel etwa 20°.
Der Ixfindungsgegenstand ist in der Zeichnung in drei AusfUhrungübelspielen
dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch den Kolben und einen Teil
des Zylinderkopfes j
109840/0400
— 4 —
<m I _
Figur 1 s
Figur 3 einen Längsuchnitt des Kolbeno ohne die umgebende
Figur 3 einen Längsuchnitt des Kolbeno ohne die umgebende
Zylinderlaufbuchee}
Figur 4 ein Diagramm der Kokekohleablagerung Im Ringepalt dee
Figur 4 ein Diagramm der Kokekohleablagerung Im Ringepalt dee
Kolbens ι
Figur 5,
6 und 7 axiale OaafUhrungekanäle 1« Kolbenbodenbereloh;
Geekanalι
Figur 10 eine «eitere Anordnung des Gaskanals.
Figur 10 eine «eitere Anordnung des Gaskanals.
In den Figuren 1 und 2 1st ein Zylinder 20 mit einem Zylinderkopf
angedeutet, der zusammen mit dem Boden des Kolbens 24 einen Brennraum 26 bildet. Eine Pleuelstange*28 verbindet In gewöhnlicher Welse
einen Kolbenbolzen 30 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle· Weiter sind in nicht abweichender Bauart vorhanden ein »weiter
Kolbenring 32, ein Ölabstreifring 34 aowie ein Kolbenmantel, der bei
einem V-t!otor eine druckbeauf schlaft te Seite 36 und eine drucken tlastete
Seite 36 aufweist. Die Nennweite der Zylinderbohrung ist in Figur 1 mit B beseiohnet. Oberhalb der beiden genannten Kolbenring·
1st noch ein Kompressionsring 40 in einer besonderen Ringnut 42
angeordnet, der aen im Durchmesser kleineren Kolbenbodenteil gegenüber dem sich anschließenden^ im Durchmesser größeren Kolbenmantel
ab,;ren*t. Der heiße Kolben weist in diesen Bereich einen Durchmesser
d auf, so daß zwischen Kolben« und Zylinderwandung ein Rlng&palt
44,4$ entsteht, der nach unten duroh den Kolbenring abgeschlossen 1st«
Im Übrigen ist der Kolben konventionell ausgebildet, d.h. et let eine
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Brennraummulde 46,4B innerhalb des umgebenden Kolbenbodens 50
vorhanden. Von der Brennrauramulde βweigt je ein flacher Einlafkanal
52 sowie ein geometrisch ähnlicher, aber kleinerer Auslaßkanal 54 In
Sichtung der entsprechenden Ventile ab.
Der aus einer Aluminiumlegierung bestehende Kolben ist im Durcheeseer
leitittftelliptisch ausgebildet, so daB im kalten Zustand zwiuchen der
oben, erwähnten druokbelasteten Seit· 36 einerseits und der druckentlasteten
Seite 38 andererseits ein größerer Durchmesser existiert als zwischen den die Kolbenboleenbohrungen aufnehmenden Kolbenselten
oder »flächen. Bei einem Kolben mit einem Durchmesser von 4,5* *
63$5 am beträgt diese Durchmesserdifferenz, d.h. der Unterachled
«wischen den senjpecht aufeinanderstehenden Kolbenflächen, la
Kittel also 0,008" =» 0,2 mm. Zu Unterschied zu dieser allgemeinen
Kolbengeometrie ist der Durchmesser des Kolbene im Bereich dee
oberen Hingepalte 44 koatant, wenn hier an sich auch eine unrundβ
form möglich wäre. Im übrigen ist der Kolben 24 ao petonfa daβ der
kalt gemessene Durchmesser D in lUohtung der Kolbenbolzenaohse immer
kleiner ist als in Richtung senkrecht daau. Dabei ist ein thermischer Auedehnungsfaktor von 0,0045 berücksichtigt, -so daß ein störungsfreier
Kolbenlauf unter allen Betriebsbedingungen des kotors gewährleistet
bleibt· Hlnau kommt noch eine ύ·η Gasdruck berücksichtigende Duron-
»eeeertolerans von 0,Q6 bis 0,04*| al· bevorzugte -Verte werden 0,06
bi· 0908N genannt. Mit diesen faktor Über 0,1* hinauszugehen ist
ebenso unnütig wie unerwUnsoht, weil dadurch das wirksame Verdichtungevoluaen
im Brennraum verringert werden wurde. In einem Auei'ührungebeiepiel
der Lrfindung mit gußeieenen Zylinderlaufbuohaen und
4,5" Bohrung ergibt «loh in kalte» Zustand tine Bohrung von 4,501"
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BAD ORIGINAL
and in heißen Zustand tine Bohrung von 4,503". Der entsprechende
lolbendurohaesaer D la Bestich dta Ringapaita 44 wird mit 4,420"
angegeben.
Bai Betriebstemperaturen «wischen 315 und 3750C scheidet dae Verbrennungagaa
festen Kohlenetoff ab, der in Verbindung mit tiner
laokartigen Konpontnta an dan Zylinder- und Kolbtnflächen haftet·
Mit dar Zeit bildet aioh auf diese Weise eine kompakte Kokakohleaohicht
au», die nur im Kantenbereich 45 dta Ringapaltes 44 aerfällt
und von dtn Verbrennungegawen weggeblaetn wird» vcrauageaetet* daB
Temperatur und Turbulen* hoch genug aind· DIt verwendete Kolbenring*·
anordnung 40,42 ermöglicht nicht nur tint einwandfreie Gaudichtung
bti herabgeaeteter ülveruohmuteung und niedrigerem Ölverbrauch*
eonderη eie^veraeidet auoh daa gefährliche Veetfreaeen dar Kolbänringt·
Aue ditatn und anderen Gründen können üohmierble «it weniger
Additiven verwendet werden, und «war nloht »uletat auoh deshalb,
«all der obere Kolbenring infolge atlnta verbesserten dynamieohen
Dichteffecktfa dia Oxydation, Verunreinigung und lindickung das !
Soheieröle herabsetit. Auöerdea lat noch dia Verweildauer daa Ü'lea
in dar Rlngiont klirxer, was imaer vorteilhaft igt. Dia Mit dan '
genannten Ma|nahaen araitltt fiadusltrung von Kokakohleablagerung :
gewährleistet eine gleichbleibende Oberflächengüte der polierten ,
Zylinderlaufbuchse sowie auoh alntn geringeren Versohltü dea oberen
Kolbenringes, was wiederua Mit einen intakten ölfil« in dar
kausal suaaoDienhängt.
dia weohaelbeeiehung ■wischen dar Ablagerung von Kokekohle
einerseita und dar obartn Ringapaltgröia andararealt· klar dariu-
109840/0400 -7 -
■ BAD ORiGINAIr ' ^
stellen, ist in Figur 4 eine Kurve wiedergegeben worden, der die
Veränderung der Kokskohlenmenge in Abhängigkeit von der Spaltbreite
entnommen werden kann« Die Ablagerungarute dient hier als Parameter.
Eine Ablagerung O bei nicht vorhandenem Kolbenapitl bleibt infolge
der teohniaohen NiehtauafUhrbarkeit eine theoretische Annähme.
Praktisch ausführbar wäre dagegen der Eereich 56» def die kleinstmögliche,
dem Nullwert angenäherte Spaltbreite zeigt. Ein optimal günstiger Bereich für die Ablagerung von Kokskohle ist mit 58 bezeichnet,
für den schon Grenzwertbedingungen gelten. Unter diesen
Bedingungen wird jeder sich bildende Ansatz von Featkohle weggebrannt
und/oder weggeblasen. Trotz des aich unter Botriebetemperatür
verringernden Kolbenspiels bleibt ein hinreichender Gasdurchtritt aufrechterhalten. Zum Nachwels der kritischen Funktion dee oberen
Kolbenringspiels wurden Veruuche mit einem V-8-Dieael fcotor von
250 PS unternommen; die Ergebnisse dieser Versuche stimmen mit den
erwarteten Werten im wesentlichen Uberein.
Läßt man den Bingspalt 44 Überhaupt fortfallen, können mit anderen
Maßnahmen ähnliche Wirkungen erzielt werden, d.h. eine ausreichende
Belastung des oberen Kolbenringes 40, wie sie zur Herbeiführung einer
einwandfreien Abdichtung erforderlich ist, bleibt durch den Explosionedruok
des Gaseβ gewährleistet. Die konkrete Gestaltung einer
solchen Alternativlösung zeigen die Figuren 5,6 und 7, wonach am Kolbenumfang beispielsweise vier flache Oaskanäle 84 angeordnet sind,
die eich vom Kolbenboden 88 bie zur Kolbenringnut 86 erstrecken,
ilir den Kolben des AusfUhrungsbeiepiels Bit einen Durchmesser von
4,5" 1st jeder dieser Oaakanäle etwa 11,7 mm breit und 1,25 nc: tief.
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Ein« weitere Verwirklichung dta Srflndungegsdankans selgt die ^p
Figur 8» «o ein Kolbenring 98 Über schräge Oaakanäle 91 direkt
Bit der BrennrauonuMe 92 verbunden let. Diese AuefUhrung durfte
Infolge einer verstärkten BJJblldung an der Oberfläche weniger eu "<v
empfehlen eein ala die Anordnung naott den Figuren 5,6 und 7· Der
Kolbenring 9B ateht eoalt einwandfrei unter dem Druck der Brenngase,
waa au einer suverlässlgen Abdichtung führt· Erwähnenswert iat nooh
die Xeigung der Kanal· 91» d.h. wie ale dur*h den Winkel «wischen
den Kanälen und der Senkrechten gekennzeichnet iat· In der Praxis
werden Winkel awlaohen 50 und 54° gewählt·
Die Figuren 9 und 10 «eigen ein weitarea AuafUhrungabelaplel der
Erfindung» bei de« vier tiohrägbohrungen 104»104a in einen konventionellen Kolben 102 vorhanden aInd. Der daadruok pflanat eich in
dleaeai lalle voa Kolbenboden bla in den Blngelnaeta 105» 108 fort»
eo da8 der darin altsende Kolbenring entsprechend beaufeohlagt
werden kann* lachteIUg bei den Ausführungen nach den Figuren 8 bis
10 1st deren erhöhte Anfälligkeit gegenüber Oaeeroelon. Mehr ala
vier Oaakanäle von Js 1/8" vorsttsehen» hat sieh bei de» vorliegendem
Kolbendurohtteaaer von 4,5" als unsweokBäfilg erwlesen|' Der awleohen
des Oaskanal und der Senkrechten gebildete Winkel beträgt hler etws
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BAD
Claims (7)
1) Einteiliger Dieselaotorkolben mit zentraler Brennraummulde,
mehreren Kolbenringnuten und Durohmeezerabweiohungen in Richtung
der Kolbenlängaachse und senkrecht dazu, dadurch gekennzeichnet,
daS der Kolbenboden in einen Bereich, der duroh eine Kolbenringnut (42) nach unten abgegrenzt ist, einen kleineren Durchmesser
(d) aufweist als der Übrige Kolben von leicht eläptieohem Querschnitt
ι wobei der Durchmesser in Richtung der Kolbenbolzenachs·
(30) kleiner ist als senkrecht zu dieser.
Z) Dieselootorkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolben 1« Durchmesserbereich (d) mit der Zylinderwandung
einen Ringspalt (44,45) bildet, dessen Weite sich aus der Duroh-Msserdifferens
(B~d) ergibt.
3) Dieeelisotorkolben nooh den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eich Lei einem Kolben von beispielsweise 63,5 m
Duroh»eee>r al· Differenz der Durohaeeeer in Richtung der Kolben-
bolzenaohee (30) und eenkreoht zu dieser ein Mittelwert τon
0,2 um ergibt. 109840/0400
BAD ORIQiNAt/ <
4) Einteiliger Dieeelaotorkolben naoh den AneprUohen 1 bie 3»
dadurch gekenneeiohnet, daß im Bereioh dt« Ringapalte (44 »45)
vier gleichmäßig Über dtn Kolbenumfang verteilte flache Oaskanttle
(84) angeordnet eind, deren Breite etwa den 9,5faohen
Wert ihrer Tiefe beträgt, und die eine eingesetzte Ringnut (86)
einseitig durchdringen·
5) Diese!motorkolben nach den AneprUohen 1 bis 3» dadurch gekennaeiohnet,
daß swleohen der Brennraummulde (92) und einer eingesetzten
Ringnut (94) mindestens vier gleichmäßig Über den Kolbenumfang verteilte sohräge (teskanäle (91) angeordnet sind.
6) Dieselmotorkolben naoh Anapruoh 5, dadurch gekenneelohnet,
daß die Kanal· (91) 50 bis 54° gegen die Senkrechte geneigt
t
sind.
sind.
7) Dieselmotorkolben naoh den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekenn-*
eeichnet, daß die gwisohen der Brennraummulde (46) und dar
Kolbenaußenkante liegende krelarlngfOrmige Kolbenbodenfläohe (50)
mit einer eingeeetiten Ringnut' (106) daroh mindestens vier \
glelohmäBig über dan Kolbenumfang verfeilt· (teekanüle (104)
verbunden let. i
1098AO/0400
*■·■ :/ J Mmom L
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