DE19758631B4

DE19758631B4 - Motorkolben

Info

Publication number: DE19758631B4
Application number: DE19758631A
Authority: DE
Inventors: Carmo Ann Arbour Ribeiro; Marcos Clemente; Alan S. Saline Brown; Norbert Abraham; Kristopher R. Bare
Original assignee: Cummins Inc; AE Goetze Inc Carolina
Current assignee: Cummins Inc; Federal Mogul Carolina Inc
Priority date: 1996-08-07
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2017-08-06

Abstract

Es wird ein Kolben für Hochleistungsdieselmotoren vorgeschlagen, der einen Kolbenboden mit einer äußeren Oberfläche, eine Seitenwand und eine innere Oberfläche mit zwei Bolzenaugen aufweist, die sich von der inneren Oberfläche nach unten erstrecken, wobei die innere Oberfläche und die Bolzenaugen einen Kühlungshohlraum abgrenzen, der sich nach unten hin öffnet und um einen Umfang des Kolbenbodens und einen Kolbenschaft erstreckt. Der Kolbenschaft umfaßt eine ausgesparte Schale zur Aufnahme von Kühlmittel, die in einer oberen Oberfläche des Kolbenschaftes ausgebildet ist, nach oben weist und sich zum Hohlraum hin öffnet. Die ausgesparte Schale ist in radialer Richtung nach innen hin geneigt, um aus dem Hohlraum des Kolbenbodens gesammeltes Kühlmittel dorthin zu leiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motorkolben bzw. Gelenkkolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch den Wettbewerbsdruck wurden die Zuverlässigkeits- und Haltbarkeitsanforderungen an Hochleistungsdieselmotoren angehoben. Darüber hinaus führen die Leistungs- und Abgasverbesserungen zu einer Zunahme der thermischen und mechanischen Belastung wichtiger Komponenten von Hochleistungsdieselmotoren.
Um solche Anforderungen erfüllen zu können, hat die Verwendung von angelenkten bzw. mehrteiligen Kolben in den letzten Jahren zugenommen. Herkömmliche Kolben umfassen im allgemeinen einen Kolbenboden mit einem äußeren Brennraum und zum Abkühlen des Bodens einen inneren Kühlhohlraum zwischen dem Brennraum und einem sich peripher anschließenden Teil, welches außen Kolbenringe aufnimmt.
Zum Zwecke der Verbesserung der Kühlungseigenschaften am Kolbenboden wird eine Schale oder Wanne an einem oberen Abschnitt des Kolbenschafts angeordnet, wobei sich die Schale zum Hohlraum hin öffnet, um auf diese Weise diesen Hohlraum teilweise zu verschließen, wodurch eine sogenannte Kühlgalerie gebildet wird. Wenn der Motor läuft, wird eine Kühlflüssigkeit, wie Schmieröl, durch eine Düse gegen den Hohlraum durch einen Öleinlaß eingespritzt, der sich axial entlang der Schale erstreckt, wodurch teilweise Wärme aus diesem Bereich entzogen wird. Das Öl, welches auf den Hohlraum trifft, fließt nach unten und wird von der Schale gesammelt. Aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens wird Öl, welches im Hohlraum gesammelt wurde, gegen und rund um diesen Hohlraum geschüttelt, wodurch die Abführung von Wärme aus diesem Bereich verstärkt wird.
Wenngleich die oben erwähnten Kolben selbst bei Betrieb unter schwierigen Bedingungen gute Leistungen aufweisen, und zwar besonders im Hinblick auf die Temperatur und den Druck, welche sehr hoch sein können, und oftmals in modernen Dieselmotoren mit sehr hoher Geschwindigkeit laufen, gibt es einen Bedarf nach einem Kolbenaufbau mit größerem Wärme- und Bewegungsabgleich.
Der hier und in der gesamten Beschreibung verwendete Begriff des Wärmeabgleichs bezieht sich auf eine gleichförmigere Kühlung des Kolbenbodens. Unter Bewegungsabgleich ist ein Aufbau zu verstehen, der im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit und ein verringertes Gewicht geeigneter bzw. verbessert ist, um mechanischen Belastungen standzuhalten, sowie eine besser gesteuerte Neigungsbewegung (seitliche Bewegungen und Drehbewegungen) des Schaftes während des Motorbetriebs aufweisen soll, was zu einer verlängerten Lebensdauer einer derartigen Komponente und auch des jeweiligen Motors führen soll.
Hinsichtlich des Wärmeabgleichs wurde festgestellt, daß der ungleichmäßige Wärmeentzug rund um den Kühlhohlraum ein schwerwiegendes Problem im Hinblick auf die am Kolben vorhandene Kühlung darstellt, was dazu führt, daß einige Bereiche des Bodens bei Temperaturen arbeiten, die so hoch sind, daß dessen Lebensdauer verkürzt wird. Eine der Tatsachen, welche für dieses ungünstige Szenario verantwortlich sind, liegt darin begründet, daß die Mehrzahl der Motoren Kolben verwendet, die nur eine einzige Kühldüse im Kurbelgehäuse aufweisen.
Bei derartigen Motoren wird das Kühlöl durch die Düse gegen nur einen kleinen Abschnitt des Kühlhohlraums im hohlen Boden gespritzt, der von dem Ölspray überzogen wird. Daher ist das Öl, welches von der Schale für das Schütteln gesammelt wird, auch nur in einem kleineren Abschnitt der Schale vorhanden, wodurch das Schütteln in den restlichen Umfangsabschnitten des Bodens unwirksam bleibt. In diesem Fall unterliegt der Kolben einem vorzeitigen Ausfall, und zwar am häufigsten entweder im Bereich des sich peripher anschließenden Teils oder am Rand des Brennraumes. Insbesondere wurde bemerkt, daß Bereiche des Kolbenbodens, welche dem Kühlöleinlaß genau entgegengesetzt gegenüberlagen, nicht in jenem Umfang gekühlt wurden wie jene, auf welche das Öl direkt durch die Düse gespritzt wird, weil die Ölspritzer solche Abschnitte nicht erreichen, und darüber hinaus erhalten die jeweiligen Abschnitte der darunterliegenden Schale nur eine kleine Menge des Öls für das Schütteln.
Eine mögliche Lösung für den Abgleich der Kühlung könnte darin bestehen, die Anzahl an Kühldüsen zu erhöhen, so daß eine größere Menge an Kühlöl gegen eine größere Oberfläche des Kühlhohlraums gespritzt und somit von der Schale für den Schüttelvorgang gesammelt werden könnte. Diese Lösung ist jedoch deshalb nachteilig, weil die Kosten des Motors durch die Aufnahme der zusätzlichen Düse erhöht würden. Des weiteren würde diese Lösung die Verwendung einer kräftigeren Ölpumpe erfordern, welche die vom Motor verfügbar gemachte Kraft verringert und ebenso wieder die Kosten erhöht.
Demgemäß besteht ein sehr großer Bedarf an einem Kolben mit einem Kolbenschaft, der zu einer Verlängerung der Lebenszeit des Kolbens sowie des gesamten Motors führt. Dies wird erzielt durch die Schaffung eines Kolbenaufbaus und insbesondere eines Kolbenschaftes, der einen größeren Wärmeabgleich aufweist.

Die WO 90/04712 A1, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart einen Gelenkkolben, der einen Kolbenboden mit einer nach unten offenen Kühlausnehmung sowie einen Kolbenschaft mit zwei der Kühlausnehmung zugewandten schalenartigen Ausnehmungen zum Auffangen von Kühlmittel aus der Kühlausnehmung aufweist. Jede schalenartige Ausnehmung ist im Querschnitt im wesentlichen rechteckig und bereichsweise U-förmig ausgebildet. Die WO 90/04712 A1 befaßt sich nicht mit einer Optimierung der schalenartigen Ausnehmungen zur Optimierung der Kühlung, sondern mit der Bereitstellung eines Kolbens, der einfach herstellbar und hochgradig belastbar ist.

Die EP 0 027 445 B1 offenbart einen herkömmlichen Kolben mit einer nach unten offenen Kühlausnehmung sowie einem darunter angeordneten, umlaufenden Absatz, der eine zur Kühlausnehmung hin offene Rille zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit bildet. Die Innenwandung der Rille ist im Radialschnitt zumindest abschnittsweise zur Kolbenmitte hin geneigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gelenkkolben bereitzustellen, der die voranstehend aufgeführten Nachteile vermeidet oder vermindert und der insbe sondere einen verbesserten Wärmeabgleich bei hoher Zuverlässigkeit und Haltbarkeit und bei vorzugsweise kostengünstiger und einfacher Herstellbarkeit durch Gießen aufweist.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gelenkkolben gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Insbesondere ist ein Kolben vorgesehen, der einen Kolbenboden in zylindrischer Form mit einem Brennraum und einem inneren bzw. dem Brennraum abgewandten, peripheren Hohlraum zwischen der Brennkammer und einem äußeren, sich peripher anschließenden Teil umfaßt, das außen die Kolbenringe trägt. Die Kühlung des Kolbenbodens wird verbessert, indem Schalen am oberen Abschnitt des Kolbenschaftes geschaffen werden, wobei diese Schalen zum Hohlraum hin geöffnet sind, um auf diese Weise teilweise den Hohlraum zu schließen, wobei dadurch eine Kühlgalerie geschaffen wird, in welche eine Kühlflüssigkeit, wie Öl, durch eine Kühldüse eingespritzt wird, die auf geeignete Weise am Motorkurbelgehäuse angeordnet ist, wie oben im Detail beschrieben. Der Wärmeabgleich des Kolbens, insbesondere am Kolbenboden, wird erzielt durch Verwendung eines Kolbenschaftes, der von einer oberen, ausgesparten Schale umgrenzt wird, die nach oben weist und zum Hohlraum hin geöffnet ist und sich mindestens um das Umfangsviertel erstreckt, das einen Kühlmitteleinlaß aufweist, und durch ein Paar Seitenwände abgegrenzt ist, die im wesentlichen axial verlaufen und untere Enden aufweisen, welche auf eine Grundfläche treffen, die radial einwärts und in Umfangsrichtung zu einer dem Kühlflüssigkeitseinlaß entgegengesetzt gegenüberliegenden Oberfläche geneigt ist, damit das aus dem Hohlraum des Kolbenbodens in der Schale gesammelte Öl zu jenem ansonsten ungekühlten Abschnitt des Bodens befördert werden kann.

Die zuvor erwähnten Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung zusammen mit der beigefügten Zeichnung besser verstanden werden. In der Zeichnung zeigt
1 eine Perspektivansicht eines Kolbenbodens und eines Kolbenschaftes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zusammenbaubar sind,
2 eine seitliche Ansicht des Schaftes von 1,
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III von 2,
4A eine Draufsicht des Schaftes von 1,
4B eine Draufsicht des Bodens von 1,
5 eine seitliche Ansicht des Kolbenbodens und des Kolbenschaftes von 1 im zusammengebauten Zustand,
6 eine vergrößerte Ansicht des Kreisausschnittes VI von 5,
7 eine seitliche Ansicht des Kolbenbodens und des Kolbenschaftes von 1, im zusammengebauten Zustand, gedreht um 90° gegenüber der in 5 dargestellten Position,
8 eine vergrößerte Ansicht des Kreisausschnittes VIII von 7,
9 eine seitliche Ansicht des Kolbenbodens und des Kolbenschaftes von 1 im zusammengebauten Zustand,
10 eine vergrößerte Ansicht des Kreisausschnittes X von 9,
11 eine seitliche Ansicht des Kolbenbodens und des Kolbenschaftes von 1 im zusammengebauten Zustand, gedreht um 90° gegenüber der in 9 dargestellten Position, und
12 eine vergrößerte Ansicht des Kreisausschnittes XII von 11.
Bezugnehmend auf die einzelnen Figuren umfaßt ein (Motor)Kolben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung generell einen Kolbenboden 10 und einen Kolbenschaft 20, deren Zusammenbau zu einem Kolben 30 führt.
Der Kolbenboden 10 weist einen Brennraum 11 auf, der in einer oberen bzw. äußeren Oberfläche desselben ausgebildet ist. Vom Umfang des Kolbenbodens 10 steht ein etwa zylindermantelförmiges Teil 12 ab, das außen mindestens eine und vorzugsweise einer Mehrzahl von Ringnuten 13 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) in bekannter Weise aufweist. An der Innenfläche bzw. auf der dem Brennraum 11 abgewandten Seite des Kolbenbodens 10 befindet sich ein. Paar daran ausgebildeten Augen 14, die mit dem Teil 12 eine Kühlausnehmung in Form eines Hohlraumes 15 bilden, der sich nach unten hin öffnet und sich rund um den Umfang des Kolbenbodens 10 zwischen den Augen 14 und dem Teil 12 erstreckt. Dieses Merkmal ist in 5 dargestellt.
Der Kolbenschaft 20 umfaßt eine erste Längsebene F mit zwei gegenüberliegenden, eine gemeinsame in der Ebene F liegende Achse aufweisenden Bohrungen 21 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt), der eine Verbindung zu Bohrungen 16 der Augen 14 des Kolbenbodens 10 herstellt, so daß der (zusammengebaute) Kolben 30, wie in 5 dargestellt resultiert. Wie herkömmlicherweise üblich, umfassen die Bohrungen 21 Ringnuten 28, welche bei der Positionierung und Befestigung des Kolbenbolzens helfen.
Zum Zwecke der Verbesserung der Kühleigenschaften am Kolbenboden 10 ist eine periphere Schale 25 am oberen Abschnitt des Kolbenschafts 20 ausgebildet, z.B. durch eine entsprechende Gußform, wobei diese Schale 25 zum Hohlraum 15 hin geöffnet ist, um diesen teilweise zu umschließen und somit eine Kühlgallerie zu bilden. Die Schale 25 ist am besten in 4 und 6 dargestellt.
Wie zuvor erwähnt, besitzt der Kolbenschaft 20 eine erste Längsebene, die mit F gekennzeichnet ist und die zwei gegenüberliegenden Bohrungen 21 zur Aufnahme des Kolbenbolzens (nicht dargestellt) für den Anschluß an die Augen 14 bzw. die gemeinsame Achse der Bohrungen 21 und die Längsachse des Kolbens 30 enthält, wodurch der Kolbenschaft 20 seitlich in zwei halbzylindrische Abschnitte unterteilt wird, wobei ein Abschnitt eine (stärker) druckbelastete Oberfläche bzw. Schub-Oberfläche 22 und der andere eine nicht (oder weniger) druckbelastete Oberfläche bzw. Nicht-Schuboberfläche 23 umfaßt. Die Dynamik des angelenkten Kolbens 30, der sich in einem Zylinder (nicht dargestellt) bewegt, führt dazu, daß auf die Schuboberfläche 22 eine größere Last wirkt als auf die Nicht-Schuboberfläche 23. Demgemäß besitzt die Nicht-Schuboberfläche 23 bzw. deren Wandung eine radiale Dicke t₂₃, die kleiner ist als die entsprechende radiale Dicke t₂₂ der Schuboberfläche 22 bzw. deren Wandung. Im Hinblick darauf wird die Nicht-Schuboberfläche 23 bzw. die Dicke deren Wandung durch kegelförmige Zuspitzung oder Verjüngung der Innenwand 35 des Kolbenschafts 20 unterhalb der Schale 25 über die Länge bzw. den Bereich des Kolbenschafts 20 zwischen den sich an die gegenüberliegenden Bohrungen 21 anschließenden Krümmungen 37 und 39 verringert. Auch hinsichtlich einer Lastabgleichung ermöglicht dieser Dickenunterschied einen besseren Bewegungsabgleich des Kolbenschafts 20. Betrachtet man alle für die Kolbendynamik bedeutsamen Parameter, wie z.B. Winkelgeschwindigkeit, Kolbengewicht usw., so werden die zuvor erwähnten Effekte am besten verwirklicht und abgeglichen, wenn die Dicke t₂₃ der Nicht-Schuboberfläche 23 bzw. deren Wandung zwischen 0,5·t₂₂ und 0,95·t₂₂ liegt, und insbesondere, wenn die Dicke t₂₃ der Nicht-Schuboberfläche 23 bzw. deren Wandung 0,75·t₂₂ beträgt.
Demgemäß ist es möglich, den Kolbenschaft 20 unter Verwendung herkömmlicher Herstellungsverfahren, wie Sandguß, mit einer verringerten Seitenwanddicke herzustellen, wodurch die Kosten des gesamten Kolbens 30 verringert werden, während trotzdem ein Kolbenschaft 20 erzeugt wird, der in der Lage ist, den während des Betriebes auf den Kolbenschaft 20 wirkenden Kräften zu widerstehen. Das heißt, die Schuboberfläche 22 bzw. deren Wandung weist eine Dicke auf, die für den Betrieb unter Bedingungen geeignet ist, welche durch einen Innenverbrennungsmotor, in dem der Kolben eingebaut wird, vorgegeben werden, während die Dicke der Nicht-Schuboberfläche 23 bzw. deren Wandung viel geringer sein kann, was zu Materialkosteneinsparungen führt, ohne dabei die Belastbarkeit bzw. Standzeit des Kolbenschafts 20 zu verringern. Desweiteren wird durch die verringerte Dicke der Nicht-Schuboberfläche 23 bzw. deren Wandung das Gesamtgewicht des Motors auf ähnliche Weise verringert.
Die erste Ebene F des Kolbenschafts 20 schneidet eine zweite gedachte Längsebene S, die senkrecht zur Ebene F ist, wodurch vier Umfangsviertel des Kolbenschafts 20 abgegrenzt werden, wobei mindestens eines von diesen einen Kühlmittel- bzw. Öleinlaß 24 enthält. Um die Kühlungseigenschaften des Bodens 10 zu verbessern, ist die Schale 25 radial von der Außenfläche der Schale 25 nach innen und in Umfangsrichtung zu jenem Viertel hin geneigt, welches dem Kühlmitteleinlaß 24 genau entgegengesetzt gegenüberliegt, wie durch die Pfeile A und B in 4A dargestellt.
Während der Motor (nicht dargestellt) läuft, wird ein Kühlmittel, wie Schmieröl, auf herkömmliche Weise durch eine Düse (nicht dargestellt) gegen den Hohlraum 15, der im Kolbenboden 10 ausgebildet ist, durch den Kühlmitteleinlaß 24 gespritzt, der sich axial entlang des Kolbenschafts 20 erstreckt, wodurch teilweise Wärme aus diesem Bereich abgeführt wird. Mindestens ein Teil des Öls, welches in den Hohlraum 15 trifft, fließt nach unten und wird von der Schale 25 gesammelt. Aufgrund der Neigung der Schale 25 bzw. der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 30 wird das Öl, das aus dem Hohlraum 15 gesammelt wird, besser rund um die Schale 25 verteilt. Wenn es weiter gegen oder rund um den Hohlraum 15 auf schüttelnde Art auftrifft, wird die Abführung von Wärme vom Kolbenboden 10 erhöht, was zu einem besseren Wärmeausgleich bzw. Wärmeabgleich im Kolben 30 führt.
Aufgrund der Charakteristika, wie Kühlmittelviskosität, Neigungsbewegungsintervalle und anderer Eigenschaften, welche der Kolbendynamik eigen sind, hat sich gezeigt, daß ein verbesserter Wärmeabgleich des Kolbens 30 erreicht wird, wenn der Boden der Schale 25 um 1° bis 10° und vorzugsweise um 2° bis 6° hin zu jenem Viertel geneigt ist, welches dem Kühlmitteleinlaß 24 gegenüberliegt. Insbesondere hat sich gezeigt, daß ein verbesserter Wärmeabgleich des Kolbens 30 erreicht wird, wenn der Boden der Schale 25 um 4° hin zu dem Viertel geneigt ist, welches dem Öleinlaß 24 gegenüberliegt.
Die oben beschriebene Neigung ist am besten in den 5–12 dargestellt. Zunächst zeigen 5 und 6 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V von 4B, woraus leicht ersichtlich ist, daß die Schale 25 von einem äußeren Umfang oder einer Seitenwand 26 hin zu einem inneren Umfang oder einer Seitenwand 27 der Schale 25 geneigt ist. Wie zuvor beschrieben, ermöglicht dies eine größere und wirksamere Verteilung des Kühlmittels, das in der Schale 25 gesammelt wird.
Bezugnehmend auf 7 und 8 gemäß der Schnittlinie VII-VII von 4B ist die Schale 25 in eine Richtung weg vom Öleinlaß 24 geneigt. Wie oben beschrieben, liegt diese Neigung im Bereich von 1° bis 10°, insbesondere im Bereich von 2° bis 6°, und vorzugsweise bei 4°. Wie aus 8 leicht ersichtlich, weist der Anfangspunkt 29 der Schale 25 eine Tiefe auf, die wesentlich geringer ist als jene des darin dargestellten Punktes 31. Demgemäß wird das Kühlmittel, welches in der Schale 25 aufgefangen wird, in Umfangsrichtung des Kolbenschafts 20 aufgrund der Neigung der Schale 25 verschoben bzw. fließen.
Aus 9 und 10 entlang der Schnittlinie IX-IX von 4B ist leicht ersichtlich, daß die Tiefe der Schale 25 im Vergleich zu der in 5 und 6 dargestellten wesentlich zugenommen hat. Auf ähnliche Weise ist die Schale 25 nach unten hin zur mittigen Achse des Kolbenschafts 20 geneigt, wie dies beispielhaft dadurch dargestellt ist, daß die Tiefe am inneren Umfang oder an der Seitenwand 27 der Schale 25 größer ist als die Tiefe am äußeren Umfang oder der Seitenwand 26 der Schale 25. Wiederum un terstützt eine derartige Neigung die Verteilung des Kühlmittels innerhalb der Schale 25.
Wie aus 4A ersichtlich, ist die Schale 25 eigentlich in zwei diametral gegenüberliegende Kühlmittelschalen oder Reservoire 25 und 25b unterteilt, wobei jede von diesen sowohl vom Öleinlaß 24 weg als auch nach innen zur mittigen Achse des Kolbenschafts 20 hin geneigt ist. Die Schalen 25 und 25b sind durch Naben bzw. Erhebungen getrennt, welche von dem Kolbenschaft 20 nach oben abstehen. Die Neigung der Schale 25b weg vom Öleinlaß 24 ist am besten. in 11 und 12 dargestellt. Ähnlich wie die in 5 dargestellte Schale 25 ist die Schale 25b ab einem Anfangspunkt 33 vom Öleinlaß 24 weg geneigt. So wie die Schale 25 ist die Schale 25b auf ähnliche Weise in einem Bereich von 1° bis 10° und insbesondere in einem Bereich von 2° bis 6° hin zu dem Viertel geneigt, welches dem Öleinlaß 24 gegenüberliegt, und vorzugsweise ist die Schale 25b etwa 4° hin zu dem Viertel geneigt, welches dem Öleinlaß 24 gegenüberliegt. Demgemäß unterstützt die Schale 25b wie die Schale 25 die Verteilung des Kühlmittels rund um den Umfang des Kolbenschafts 20, wodurch das Kühlmittel besser verteilt wird und der Wärmeabgleich des Kolbens 30 erhöht wird, indem mehr Kühlmittel in jenem Viertel zur Verfügung gestellt wird, welches dem Viertel mit dem Öleinlaß 24 gegenüberliegt.
Demgemäß weist ein wie voranstehend beschrieben hergestellter bzw. ausgebildeter Kolben einen verbesserten Wärmeabgleich sowie einen verbesserten Bewegungsabgleich bzw. verbesserte Wärmeableitungs- und Bewegungseigenschaften auf. Wie zuvor erwähnt, dient der Kolbenschaft zwei zentralen Funktionen, wobei die erste darin besteht, den zusammengebauten Kolben im Zylinder zu führen, und die zweite darin besteht, die Kühlung des Kolbenbodens zu unterstützen. Der Kolbenschaft wird einer Schublast bzw. Druckbelastung ausgesetzt, wenn er den Kolbenboden im Zylinder führt, wobei die Schublast bzw. Druckbelastung an der hauptsächlichen Schubseite bzw. Druckseite des Kolbens größer ist. Anstatt die Schaftwand gleichförmig dick auszubilden, wie bisher üblich, ist jedoch die der größeren Druckbelastung ausgesetzte Schaftseitenwand mit einer Dicke versehen, die den auftretenden Druckbelastungen standhält, wohingegen die einer geringeren oder gar keiner Druckbelastung ausgesetzte Seite der Schaftwand eine um 5 bis 50 % verringerte Wanddicke aufweist. Dieses Merkmal trägt wesentlich zum Bewegungsabgleich des Kolbens bei.
Um den Schütteleffekt des in der vom Kolbenschaft gebildeten Schale aufgefangenen Kühlmittels zu unterstützen, wird die Schale in Umfangsrichtung nach unten von dem Punkt weggeneigt, an dem das Kühlmittel in die Kühlgallerie bzw. in den an der dem Kolbenschaft zugewandten Seite des Kolbenbodens ausgebildeten Hohlraum eingespritzt wird. Auf ähnliche Weise ist die Schale radial nach innen zur Achse des Kolbenschafts hin geneigt, um auch die Verteilung des Kühlmittels innerhalb der Schale zu unterstützen. Jede der zuvor genannten Maßnahmen führt zu einem Kolben mit verbesserter Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, der sich zur Verwendung in Hochleistungsdieselmotoren eignet.

Claims

Gelenkkolben mit einem Kolbenboden (10) und einem Kolbenschaft (20), wobei der Kolbenboden (10) eine dem Kolbenschaft (20) zugewandte, etwa ringförmig verlaufende, zum Kolbenschaft (20) hin offene Kühlausnehmung (15) aufweist und wobei der Kolbenschaft (20) einen auf die Kühlausnehmung (15) gerichteten Kühlmitteleinlaß (24) und eine der Kühlausnehmung (15) zugewandte und zu dieser hin offene schalenartige Ausnehmung bzw. Schale (25), die durch zwei im wesentlichen axial verlaufende Seitenwände (26, 27) und eine sich radial dazwischen erstreckende Bodenwand begrenzt ist und die sich um mindestens ein Umfangsviertel des Kolbenschafts (20) erstreckt, zum Auffangen von Kühlmittel aus der Kühlausnehmung (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand der Schale (2S) entlang der Umfangserstreckung der Schale (25) in radialer Richtung zur Mitte hin vom Kolbenboden (10) weg geneigt ist und daß die Schale (25) ausgehend vom Kühlmitteleinlaß (24) in Umfangsrichtung vom Kolbenboden (10) weg, im wesentlichen gleichbleibend geneigt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalbenboden (10) eine äußere Oberfläche, einen zylindermantelförmigen Teil (12) und eine innere Oberfläche mit zwei Augen (14), die sich von der inneren Oberfläche nach unten erstrecken, aufweist, wobei die innere Oberfläche und die Augen (14) die Kühlausnehmung (15) definieren, wobei der Kolbenschaft (20) umfaßt: eine erste Längsebene (F), die zwei diametral entgegengesetzte Bohrungen (21). zur Aufnahme eines Kolbenbolzens zur Verbindung mit den Augen (14) des Kolbenbodens (10) enthält und zwei etwa halbzylinderförmige Abschnitte des Kolbenschaftes (20) definiert; und eine zweite Längsebene (S), die senkrecht zur ersten Ebene (F) steht und dadurch vier Umfangsviertel des Kolbenschaftes (20) definiert, wobei mindestens eines dieser Viertel den Kühlmitteleinlaß (24) enthält, durch welchen ein durch eine Düse eingespritztes Kühlmittel hindurchtreten und auf die Kühlausnehmung (15) des Kolbenbodens (10) zur Kühlung des Kolbenbodens (10) auftreffen kann; wobei sich die Schale (25) von dem Umfangsviertel, das den Kühlmitteleinlaß (24) enthält, bis zu dem dem Kühlmitteleinlaß (24) gegenüberliegendem Umfangsviertel erstreckt, wobei die Schale (25) in Umfangsrichtung zu dem Umfangsviertel hin geneigt ist, welches dem Kühlmitteleinlaß (24) entgegengesetzt gegenüberliegt, damit das Kühlmittel, welches aus der Kühlausnehmung (15) des Kolbenbodens (10) gesammelt wird, dem entgegengesetzt gegenüberliegenden Umfangsviertel zuführbar ist.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwandung der Schale (25) zwischen 1° und 10°, insbesondere 2° und 6°, vorzugsweise um 4°, bezüglich der oberen Oberfläche des Kolbenschaftes (20) in Umfangsrichtung geneigt ist.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der halbzylindrischen Abschnitte eine druckbelastete Schuboberfläche (22) umfaßt und der andere halbzylindrische Abschnitt eine nicht oder geringer druckbelastete Nicht-Schuboberfläche (23) umfaßt, wobei die Dicke des Kolbenschafts (20) im Bereich der nicht oder geringer druckbelasteten Nicht-Schuboberfläche (23) geringer als die Dicke des Kolbenschafts (20) im Bereich der druckbelasteten Schuboberfläche (22) ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Kolbenschaftes (20) an der nicht oder geringer druckbelasteten Nicht-Schuboberfläche (23) verringert ist, indem die Innenwand des Kolbenschaftes (20), insbesondere unterhalb einer dem Kolbenboden (10) zugewandten Oberfläche des Kolbenschaftes (20) bzw. der darin gebildeten Schale (25), über die Länge bzw. den Bereich des Kolbenschaftes (20) der sich an die gegenüberliegenden Bohrungen (21) anschließenden Krümmung kegelförmig ausgebildet bzw. verjüngt ist.
Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Kolbenschafes (20) an der nicht oder geringer druckbelasteten Nicht-Schuboberfläche (23) um etwa 5% bis 50% geringer als die Dicke des Kolbenschaftes (20) an der druckbelasteten Schuboberfläche (22) ist.
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Kolbenschaftes (20) an der nicht oder geringer druckbelasteten Nicht-Schuboberfläche (23) um etwa 25% geringer als die Dicke des Kolbenschaftes (20) an der druckbelasteten Schuboberfläche (22) ist.
Kolben nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Kolbenschaftes (20) über einen Umfang des Kolbenschaftes (20) hinweg variiert.
Kolben nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schale (25) radial unter die innere Oberfläche des Kolbenbodens (10) erstreckt und zwei einander entgegengesetzte Reservoire umfaßt, die durch Erhebungen getrennt sind, die vom Kolbenschaft (20) nach oben bzw. zum Kolbenboden (10) hin abstehen.