DE19532474C2 - Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kolben für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Insbesondere während Abwärtshüben der Kolben einer Brennkraftmaschine sammelt sich unterhalb und oberhalb der Ölringe an der Kolbenaußenwand Öl an. An der Kolbenaußenwand verbleibendes Öl kann zu Schwierigkeiten beim Öltransport, zu erhöhtem Ölverbrauch und unerwünschten Emissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine führen.

Bekannt ist aus der DE 23 18 113 B2 ein Kolben für Brennkraftmaschinen oder Kompressoren, der an seinem kopfseitigen Ende mit wenigstens einer Ringnut für die Aufnahme eines Ölabstreifrings versehen ist. Für Öltransport sind Bohrungen zwischen einem Nutraum der Ringnut und einem Kolbeninneren vorgesehen. Die Bohrungen sind zur Begrenzung der zur Kolbenaußenwand austretenden Ölmenge mit geschlitzten Röhrchen versehen, wobei ölzuführende Ringnuten zusammenwirken mit ölabführenden Bohrungen für die Ölrückführung von der Kolbenaußenwand in das Kurbelgehäuse. Ein Nachteil dieses bekannten Kolbens ist es, daß die Anzahl der ölführenden Bohrungen entlang des Nutumfangs und die Querschnitte dieser Bohrungen während eines Arbeitsspiels unabhängig von der Drehzahl des Kolbens konstant sind, so daß bei variabler Drehzahl der Brennkraftmaschine Schwierigkeiten beim Öltransport auftreten können und erhöhter Ölverbrauch die Folge sein kann.

Die US-PS 1 640 865 zeigt einen bekannten Kolben, der mit mehreren Kolbenringen ausgestattet ist. Unterhalb des letzten Kolbenringes ist eine Ölsammelnut über den Umfang des Kolbens ausgebildet, in der überschüssiges Schmieröl gesammelt und während einer konstruktiv festgelegten Hubstrecke während des Aufwärtshubs des Kolbens mittels einer Absaugeinrichtung über eine Passage zum Kolbeninneren hin abgesaugt wird. Während des Aufwärtshubs kurz vor der oberen Totpunktstellung des Kolbens sowie während der gesamten Abwärtsbewegung des Kolbens ist der Ölabtransport durch ein Kugelrückschlagventil blockiert. Dieses Kugelrückschlagventil ist Teil der Absaugeinrichtung und wird durch das an ihm stromauf und stromab anliegende Druckgefälle betätigt. Dabei ist die Schließfeder des Rückschlagventils so dimensioniert, daß bei maximaler Motorleistung, also bei maximaler Kolbengeschwindigkeit und maximalen Verbrennungstemperaturen eine ausreichend große Schmierölmenge zur Darstellung der erforderlichen Schmierung im Kolbenringsystem verbleibt. Da der Motor überwiegend unterhalb der Maximalleistung betrieben wird, verbleibt jedoch, bei niedrigen Motordrehzahlen bzw. einer niedrigeren Relativgeschwindigkeit zwischen Zylinderlaufbuchse und Kolbenring, mehr überschüssiges Schmieröl im Kolbenringsystem als zur Schmierung erforderlich ist. Dieser Ölstau trägt während der Abwärtsbewegung des Kolbens zu erhöhtem Ölverbrauch und Schadstoffemissionen bei, weil das vor dem oberen Todpunkt und während des Abwärtshubs aufgestaute Schmieröl bedingt durch die hohen Verbrennungstemperaturen verdampft.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kolben mit ölabführenden Bohrungen zu schaffen, bei dem die Ölrückflußmenge durch die ölabführenden Bohrungen in Abhängigkeit der Motordrehzahl veränderbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit Kolben für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung sind Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Kolben für Dieselmotoren, mit Nuten am Außenumfang versehen zur Aufnahme von Kolben- und/oder Ölringen, wobei mindestens eine Nut für einen Ölring ölabführende Bohrungen zum Kolbeninneren enthält, die über einen Nutgrund dieser Nut verteilt sind. In den ölabführenden Bohrungen sind parallel zur Hubrichtung des Kolbens bewegliche Drosselelemente vorgesehen, die Querschnitte der ölabführenden Bohrungen drehzahlabhängig verändern. Während eines Aufwärtshubs eines erfindungsgemäßen Kolbens wirkt die Massenträgheit der Drosselelemente in den ölabführenden Bohrungen derart, daß die Blenden gegenüber dem Aufwärtshub des Kolbens zurückbleiben und die Querschnitte der ölabführenden Bohrungen zunehmend von den Drosselelementen verkleinert oder geschlossen werden. Der Transport von Öl durch die ölabführenden Bohrungen die kleinen Querschnitt aufweisen oder geschlossen sind, von der Kolbenaußenwand in das Kurbelgehäuse ist so während des Aufwärtshubs des Kolbens reduziert oder blockiert.

Hingegen wirkt während eines Abwärtshubs eines erfindungsgemäßen Kolbens die Massenträgheit auf die Drosselelemente in den ölabführenden Bohrungen derart, daß diese gegenüber dem Abwärtshub des Kolbens zurückbleiben, so daß die ölabführenden Bohrungen zunehmend geöffnet werden. Der Transport von Öl durch die ölabführenden Bohrungen mit großem Querschnitt von der Kolbenaußenwand in das Kurbelgehäuse ist so während des Abwärtshubs des Kolbens vergrößert. Je höher die Drehzahl des Kolbens ist, desto größer sind die Massenkräfte, die entgegen der Hubrichtung auf die Drosselelemente wirken, und desto mehr werden die ölabführenden Bohrungen während eines Abwärtshubs geöffnet und umgekehrt während eines Aufwärtshubs verkleinert. Die drehzahlabhängige Veränderung des Transports von Öl durch die ölabführenden Bohrungen des Kolbens erfolgt erfindungsgemäß selbstregelnd.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im Kolbenhemd der Kolben in Hubrichtung Bohrungen vorgesehen, in denen die verschieblichen Drosselelemente geführt sind.

Die Bohrungen sind konstruktiv einfach in den Kolben zu fertigen, insbesondere wenn die Kolben mehrteilig sind. Die geschützte Unterbringung der Drosselelemente und deren Führungen im Inneren der Kolben gewährleisten hohe Funktionssicherheit bei geringstmöglichem Wartungsbedarf.

Die erfindungsgemäßen Kolben für Brennkraftmaschinen enthalten in den Bohrungen jeweils elastische Medien, insbesondere eine Druckfeder, die mit den Drosselelementen zusammenwirken. Zur Beeinflussung des Transports von Öl durch die ölabführenden Bohrungen können die Parameter der elastischen Medien, wie z. B. Federsteifigkeiten, gewählt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolben für Brennkraftmaschinen sind in einer Nut für einen Ölring radial gerichtete, untere und zusätzliche ölabführende Bohrungen zum Kolbeninneren vorgesehen, und jeweils ein Drosselelement verändert drehzahlabhängig die Querschnitte einer unteren und einer zusätzlichen ölabführenden Bohrungen gemeinsam. Die Unterteilung der ölabführenden Bohrungen und deren separate Querschnittsänderungen durch ein Drosselelement führt zu einer besonders fein abstimmbaren Regelung des Rückflusses von Öl in den ölabführenden Bohrungen. Die Drosselelemente können so geführt sein, daß Querschnitte unterer, ölabführender Bohrungen konstant bleiben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kolben einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung.

Fig. 1: Ein Kolben 1 einer Brennkraftmaschine mit einem kopfseitigen Ende 2 weist an einer Kolbenaußenwand 3 eine Nut 4 für einen Kompressionsring (nicht dargestellt) und eine Nut 5 für einen Ölring (nicht dargestellt) auf. Der Kolben 1 wird in zu einer Kolbenachse 6 parallelen Hubrichtung von einem Pleuel (nicht dargestellt) in einem Zylinder (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine bewegt. An einem Nutgrund 7 der Nut 5 für den Ölring ist durch ein Kolbenhemd 8 des Kolbens 1 eine radial gerichtete untere ölabführende Bohrung 9 und eine radial gerichtete zusätzliche ölabführende Bohrung 10 vorgesehen, die zu einem Kolbeninneren 11 führen.

Parallel zur Kolbenachse 6 sind im Kolbenhemd 8 des Kolbens Bohrungen 12 und 13 enthalten. Die Bohrung 12 enthält ein Formteil 14, eine Druckfeder 15 und ein in Form einer Blende 16 ausgebildetes Drosselelement, die im wesentlichen zylindrisch ist. Die Druckfeder 15 stützt sich jeweils über Scheiben 17 und 18 an dem Formteil 14 und der Blende 16 ab. Die Blende 16 ist in der dargestellten Position in der radial gerichteten, zusätzlichen ölabführenden Bohrung 10 und auch teilweise in der Bohrung 13 enthalten. Das Formteil 14 enthält für die Bohrung 12 einen Entlüftungskanal 19. Die radial gerichtete, untere ölabführende Bohrung 9 kann konstanten Querschnitt aufweisen, der von einer Blende 16 mit begrenztem Hub nicht verändert werden kann.

Funktionsweise beim Betrieb des erfindungsgemäßen Kolbens für Brennkraftmaschinen.

Vom Beginn des Abwärtshubs wird der Kolben 1 von Geschwindigkeit null beschleunigt bis zu einer maximalen Geschwindigkeit des Kolbens. Während der Beschleunigung des Kolbens 1 bewirkt die Massenträgheit der Blende 16, daß die Blende 16 in Hubrichtung gegenüber dem Kolben 1 zurückbleibt und zunehmend in der Bohrung 12 aufgenommen wird. Die Blende 16 gibt dabei zunächst die Bohrung 13 frei und öffnet zunehmend den Querschnitt der radial gerichteten, zusätzlichen ölabführenden Bohrung 10 bis die Druckfeder 15 in Hubrichtung ausreichend Kraft auf die Blende 16 ausübt, daß die Aufnahme der Blende 16 in der Bohrung 12 nicht weiter zunimmt.

Bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine treten große Beschleunigungen am Kolben 1 auf, so daß beim Abwärtshub die Blende 16 erst den Querschnitt der radial gerichteten, unteren ölabführenden Bohrung 9 ganz und den Querschnitt der radial gerichteten, zusätzlichen ölabführenden Bohrung 10 anschließend weitestgehend öffnen kann, und folglich die Menge des Rückflusses von Öl durch die ölabführenden Bohrung 9, 10 groß ist. Umgekehrt kann die Blende 16, die von der Kraft der Druckfeder 15 unterstützt ist, beim Aufwärtshub des Kolbens 1 den Querschnitt der radial gerichteten, zusätzlichen ölabführenden Bohrung 10 zunächst vollständig schließen und bis in den Querschnitt der radial gerichteten, unteren ölabführenden Bohrung 9 vordringen, so daß die Menge des Rückflusses von Öl durch die ölabführenden Bohrung 9, 10 klein ist. Die Regelung des Ölrückflusses durch die ölabführenden Bohrung 9, 10 entspricht bei hoher Drehzahl dem erhöhten Bedarf an Öltransport beim Abwärtshub zwischen Kolbenaußenwand 3 und Kolbeninnerem 11.

Bei kleiner Drehzahl der Brennkraftmaschine treten kleine Beschleunigungen an dem Kolben 1 auf, so daß die Blende 16 beim Abwärtshub gegen den Widerstand der Druckfeder 15 den Querschnitt der radial gerichteten, zusätzlichen ölabführenden Bohrung 10 nur wenig öffnet, und die Menge des Rückflusses von Öl durch die ölabführenden Bohrungen 9, 10 klein ist. Beim Aufwärtshub des Kolbens 1 schließt die von der Kraft der Druckfeder 15 unterstützte Blende 16 zunächst den Querschnitt der radial gerichteten, zusätzlichen ölabführenden Bohrung 10 und erreicht den Querschnitt der radial gerichteten unteren ölabführenden Bohrung 9 nicht, so daß die Menge des Rückflusses von Öl durch die ölabführenden Bohrungen 9, 10 eher groß ist. Die Regelung des Ölrückflusses durch die ölabführenden Bohrungen 9, 10 entspricht bei kleiner Drehzahl dem reduzierten Bedarf an Ölaustausch beim Abwärtshub zwischen Kolbenaußenwand 3 und Kolbeninnerem 11.

Claims (4)

1. Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Kolben (1) für Dieselmotoren, mit Nuten (4, 5) an der Kolbenaußenwand (3) zur Aufnahme von Kolbenringen, mit mindestens einer Nut (5), von deren Nutgrund (7) mindestens ein ölabführender Durchgang (9, 10) zum Kolbeninneren (11) ausgebildet ist, sowie mit einem in dem Durchgang vorgesehenen, parallel zur Hubrichtung des Kolbens (1) verschiebbaren Drosselelement (16), das eine Durchflußöffnung des Durchgangs (9, 10) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens einen ölabführenden Durchgang enthaltende Nut (5) zur Aufnahme eines Ölabstreifrings ausgebildet ist, daß über den Nutgrund (7) verteilt, radial gerichtete ölabführende Bohrungen (9, 10) ausgebildet sind und daß die massenbehafteten Drosselelemente (16) unter der Wirkung der angreifenden Massenträgheitskräfte parallel zur Hubrichtung entgegen dem Hub des Kolbens (1) relativ zum Kolben (1) verschiebbar sind und dabei die Durchlaßöffnung der ölabführenden Bohrungen (9, 10) während des Aufwärtshubs des Kolbens (1) verkleinern oder schließen und während des Abwärtshubs des Kolbens (1) vergrößern.

2. Kolben (1) für Brennkraftmaschinen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenhemd (8) in Hubrichtung Bohrungen (12) vorgesehen sind, in denen die verschiebbaren massenbehafteten Drosselelemente (16) geführt sind.

3. Kolben (1) für Brennkraftmaschinen gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bohrungen (12) jeweils ein elastisches Medium (15), vorzugsweise eine Druckfeder vorgesehen ist, das jeweils mit einem massenbehafteten Drosselelement (16) zusammenwirkt.

4. Kolben (1) für Brennkraftmaschinen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nut (5) zur Aufnahme eines Ölabstreifrings parallel zur Hubrichtung des Kolbens hintereinander radial gerichtete, untere ölabführende Bohrungen (9) und radial gerichtete, zusätzliche obere ölabführende Bohrungen (10) zum Kolbeninneren (11) vorgesehen sind und daß jeweils die Durchgangsöffnungsflächen der unteren (9) und/oder der oberen (10) ölabführenden Bohrungen in Abhängigkeit von der Verschiebung der massebehafteten Drosselelemente (16) veränderbar sind.