DE2140824A1

DE2140824A1 - Oelgekuehlter kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2140824A1
Application number: DE2140824A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Haefner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1971-08-14
Filing date: 1971-08-14
Publication date: 1973-02-22
Also published as: JPS4828835A; FR2150044A5; NL7211097A; IT961846B; DK133196C; DK133196B; DE2140824C2; JPS5429660B2; SE386727B

Description

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Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 89 Augsburg, Stadtbachstraße 1

P. B. 2629 / 1046 Augsburg, den 12. August 1971

Ölgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen

iei Erfindung betrifft einen ölgekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen mit Zuführung des Kühlöls durch die Treibstange in eine radial innere Kühlkammer, die durch eine Stützwand zwischen der Abstützung des Kolbens am Treibstangenkopf und dem Kolbenboden von einer im wesentlichen ringförmigen radial äußeren Kühlkammer abgeteilt ist und mit einer Mehrzahl symmetrisch angeordneter Verbindungsöffnungen in der Stützwand, deren oberer Rand in der Nachbarschaft des Kolbenbodens angeordnet ist, und mit Mitteln zur Abführung des erwärmten Kühlöles aus der äußeren Kühlkammer.

Eine derartige Anordnung ist aus der deutschen Patentschrift 499 189 bekannt. Diese bekannte Anordnung weist jedoch hinsichtlich der Führung des Kühlöles und damit seiner Kühlwirkung insofern Nachteile auf, als das beim Abwärts gang des Kolbens in der inneren Kühlkammer gegen den Kolbenboden geschleuderte Kühlöl durch die; Verbindungsöffnungen sofort-zur äußeren Kühlkammer hin abläuft und dadurch insbesondere den mittleren Teil des Kolbenbodens nur kurzzeitig benetzt. Weiterhin werden die beiden Kühlkamme rn durch das Vorsehen eines Ölzulaufs vergleichsweise großen Quer-

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Schnitts und eines Ablaufes geringeren Querschnitts sowie durch die in der Nähe des Kolbenbodens gelegene Mündung der vom Kolbenboden wegführenden Abflußleitung fast vollständig mit Kühlöl angefüllt, wodurch einerseits das bei jedem Kolbenhub zu beschleunigende Gewicht erhöht und andererseits zumindest die spezifische Kühlwirkung durch mangelnde Turbulenz vermindert wird. Zudem .Ist eine solche Führung des Kühlöles im Inneren des Kolbens nur dann sinnvoll möglich, wenn die Abstützung des Kolbens am Treibstangenkopf sehr nahe an den Kolbenboden herangerückt ist.

W Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kühlölführung

bei einem Kolben der eingangs bezeichneten Art so zu gestalten, daß m:.t geringem Aufwand und ohne wesentliche Beeinflussung der unter Festigkeitsgesichtspunkten getroffenen Materialverteilung im Kolbeninneren eine möglichst gute Kühlwirkung erreicht wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der inneren und in der äußeren Kühlkammer je zwei im wesentlichen in Achsrichtung des Kolbens gegenüberliegende Ölfangschalen vorgesehen sind, deren aufnehmbare Ölvolumsn durch die Ränder zugeordneter Verbindungs- bzw. Überlauföffnungen begrenzt sind P und daß in der inneren Kühlkammer das Volumen der oberen, zum

Kolbenboden hin gelegenen Olfangschale höchstens so groß ist wie das der ihr gegenüberliegenden Olfangschale, in deren Bereich die Zufuhr von Kühlöl erfolgt, das aufnehmbare Ölvolumen der oberen, zum Kolbenboden hin gelegenen Olfangschale der äußeren Kühlkammer hingegen größer ist als dasjenige der ihr gegenüberliegenden unteren Olfangschale der äußeren Kühlkammer, über deren Überlauföffnung die Abfuhr des Kühlöles erfolgt. Die Be-

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grenzung des_ aufnehmbaren Ölvolumens der unteren Ölfangschale der inneren Kühlkammer, in deren Bereich die Zufuhr von Kühlöl erfolgt, hat dabei insbesondere die Aufgabe, beim Vorschmieren der Brennkraftmaschine vor dem Start das Ansammeln einer zu großen Ölmenge im Kolbeninneren zu verhindern und so schon bei den ersten Takten nach dem Start für eine ordnungsgemäße Kühlölführung zu sorgen. Beim Expansionshub des Kolbens wird das in der unteren ölfangtasche der inneren Kühlkammer angesammelte Kühlöl zusammen mit dem ständig nachgeförderten Kühlöl gegen die gegenüberliegende Ölfangschale im Bereich des Kolbenbodens geschleudert, wobei durch die Bemessung der Volumina der beiden gegenüberliegenden Ölfangs chalen der inneren Kühlkammer der überschüssige Teil des Kühlöls durch die Verbindun gs öffnungen in die obere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer geleitet wird. Durch die symmetrische Verteilung der Verbindungsöffnungen in der Stützwand'erfolgt ein Übertritt des Kühlöls gleichmäßig, wobei durch die erfindungs gern äße Wirkung der Verbindungsöffnungen als das Volumen begrenzender Rand der beiden zum Kolbenboden hin gelegenen Ölfangs chalen eine die Kühlwirkung erhöhende Turbulenz beim Eintritt des Kühlöles in die obere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer bewirkt wird. Durch die Bemessung der Volumina der Ölfangs chalen der äußeren Kühlkammer wird sichergestellt, daß die Förderbewegung des Kühlöles im Bereich des Kolbenbodens von der inneren Kühlkammer zur äußeren Kühlkammer erfolgt, da das bei Beginn des Expansionshubs von der unteren Ölfangschale der äußeren Kühlkammer in die zugehörige obere, zum Kolbenboden hin gelegene Ölfangschale transportierte Kühlöl nicht ausreicht, um diese obere Ölfangschale voll mit Öl zu füllen.

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Eine Erhöhung des Baugewichts kann insbesondere auch bei Tauchkolbenmaschinen mit einem in der unteren Kolbenhälfte angeordneten Kolbenbolzen auf einfache Weise dadurch vermieden werden, daß die untere Ölfangschale der inneren Kühlkammer in der Nachbarschaft des Treibstangenkopfes angeordnet ist und ihr aufnehmbares Ölvolumen durch den unteren Rand einer ihr zugeordneten eigenen Überlauföffnung begrenzt ist. Eine Minderung der Festigkeit durch Überlauf- bzw. Verbindungsöffnungen in der Stützwand, die über fast die gesamte Höhe der Stützwand reichen bzw. ein dadurch notwendig werdender erhöhter Materialeinsatz zur Kompensation des FestigkeitsVerlustes wird vorteilhaft dadurch vermieden, daß diese Überlauföffnungen an ihren Rändern mit Materialwülsten versehen sind.Dadurch wird die örtliche Schwächung der Stützwand im Bereich der Überlauföffnung ohne zusätzlichen Materialaufwand kompensiert=, Zudem bewirken diese "Wülste eine erhöhte Verwirbelung des Kühlöles.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die untere Ölfangschale der äußeren Kühlkammer taschenförmig ausgebildet und im Bereich der Abstützung des Kolbens gegen den Treibstangenkopf angeordnet. Dadurch werflen Materialanhäufungen im tragenden Bereich der hochbelasteten Stützwand vermieden. Eine einfache Anpassung der jeweils abgeführten Ölmenge an die durch die Treibstange hindurch zugeführte Ölmenge kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß die untere Ölfangscliale der äußeren Kühlkammer radial außen durch eine in dem Zwischenraum zwischen der Stützwand und dem Kolbenhemd ragende Wand begrenzt ist₅ die als Mittel zur Abführung des erwärmten Kühlöles zum Kolbenhemd hin einen für einen ungehinderten Abfluß ausreichenden Abstand aufweist.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, in der ein erfindungsgemäßer Kolben im Längsschnitt dargestellt ist.

Der beispielhaft dargestellte Tauchkolben ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem die Kolbenkrone umfassenden Oberteil 1 und einem den unteren Bereich des Kolbenhemds 2 und die Abstützung 3 des Kolbens gegenüber dem nicht näher dargestellten Treibstangenkopf umfassenden Unterteil 4.· Durch in Schraubenkanonen 5 geführte Spannschrauben wird das Kolbenoberteil 1 an einer Trennfuge 6 gegen das Kolbenunterteil 4 festgelegt. Eine sich zum Kolbenboden 7 hin kegelig erweiternde Stützwand 8 wird dabei auf Druck vorgespannt, wodurch ihre Wechselfestigkeit erhöht wird.

Die Zufuhr des Kühlöles erfolgt durch eine zentrale Bohrung 9 in der Abstützung 3 des Kolbens gegen den Treibstangenkopf in eine innere Kühlkammer 10 hinein. Beim Stillstand der Maschine oder im Kompressionshub wird zunächst eine untere, im Bereich der Abstützung 3 angeordnete Ölfangschale 11 mit Kühlöl angefüllt, deren aufnehmbares Ölvolumen durch den unteren Rand 12 einer Überlauföffnung 13 begrenzt ist. Im Expansionshub wird das in der unteren Ölfangschale 11 gesammelte Öl zum gegenüberliegenden Kolbenboden 7 hingeschleudert, wo es wiederum in einer oberen Ölfangschale 14 der inneren Kühlkammer 10 gesammelt wird. Das aufnehmbare Ölvolumen der oberen Ölfangschale 14 wird begrenzt durch die oberen Ränder 15 einer Mehrzahl von symmetrisch in der Stützwand 8 angeordneten Ve rbindungs Öffnungen 16.

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Beim Aufwärts gang des Kolbens kann das Kühlöl im Raum 10 in die Treibstange zurückgedrückt werden, wenn man nicht besondere Maßnahmen trifft. Eine davon wäre z. B. das Vorsehen eines Rückschlagventils in der Treibstange. Eine andere hier vorgeschlagene besteht darin, ein Auge 27 mit der Bohrung 9 so weit hoch^zuziehen, daß in der unteren Ölfangschale 11 auch gegenüber der Treibstange eine gewünschte Ölmenge zurückgehalten wird. Man wird deswegen z'weckmäßig den Rand 28 des Auges 27 etwa in gleicher Höhe anordnen mit dem Rand 12 der Über ström öffnung 13. Ein Rückschlagventil hat zerstörbare, bewegliche Teile und ist deswegen unerwünscht.

Durch die Bemessung des aufnehmbaren Ölvolumens der oberen, dem Kolbenboden 7 benachbarten Ölfangschale 14 der inneren Kühlkammer 10 derart, daß das von der unteren Ölfangschale 11 und das zusätzliche durch die Bohrung 9 nachgeförderte Ölvolumen das Fassungsvermögen der oberen Ölfangschale 14 übersteigt, wird erreicht, daß im Expansionshub ein Teil des Kühlöles durch die Verbindungsbohrungen 16 in eine äußere, von der inneren Kühlkammer 10 durch die Stützwand 8 abgetrennte Kühlkammer übertritt. Die äußere Kühlkammer 17 weist ebenfalls eine obere, dem Kolbenboden 7 benachbarte Ölfangschale 18 auf, und im Bereich der Abstützung 3 eine untere Ölfangschale 19. Das Kühlöl

tritt dabei im Expansionshub über die erhabenen oberen Ränder der Verbindungsbohrungen 16 mit einer den Wärmeübergang erhöhenden Turbulenz in die obere Ölfangschale 18 der äußeren Kühlkammer 17 ein.

Im nachfolgenden Kompressionshub wird das in der oberen Ölfangschale 18 gesammelte Öl nach unten in Richtung auf die untere

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Ölfangschale 19 geschleudert. Eine äußere Wand 20 der unteren ölfangschale 19_S deren oberer Rand 25 die zugehörige Überlauföffnung 26 begrenzt, schließt die untere Ölfangschale 19 radial nach außen ab. Durch die Wand 2O₅ die im Zwischenraum zwischen der Abstützung 3 und dem Kolbenhemd 4 angeordnet ist, wird das von der oberen Ölfangschale 18 kommende Öl zum einen Teil abgefangen und in der unteren Ölfangschale 19 gesammelt,, zum anderen Teil kann es durch den Zwischenraum zwischen der äußeren Wand 20 der Ölfangschale 19 und dem Kolbenhemd 4 zum Kurbelraum hin abfließen.

Die aufnehmbaren Ölvolumina der oberen Ölfangschale 18 und der unteren Ölfangschale 19 der äußeren Kühlkammer 17 sind so bemessen, daß das im Expansionshub von der unteren Ölfangschale zur oberen Ölfangschale 18 hin transportierte Kühlöl nicht ausreicht, um die Ölfangschale 18 bis zu den Rändern 15 der Verbindungsöffnungen 16 anzufüllen. Dadurch ist sichergestellt, daß im Expansionshub stets eine Förderbewegung des Kühlöls von der inneren Ölfangschale 14 zur äußeren Ölfangschale 18 hin erfolgt.

Mit dieser Anordnung ist ohne zusätzlichen Materialeinsatz₅ ohne zusätzliche HerstellungsSchwierigkeiten und ohne einen Festigkeitsverlust erreicht_s daß sich zur wirkungsvollen Kühlung insbesondere der Kolbenkrone ein gut erfaßbarer Kreislauf des Kühlöls einstellt. Bei Kenntnis des Druckes des durch die Treibstange zugeführten Kühlöls kann durch erfsprechende Bemessung des Querschnitts der Bohrung 9 in der Abstützung 3 sowie durch die Bemessung des Abstands der Wand 20 der Ölfangschale 19 vom Kolbenhemd 4, also der Überströmöffnung 26, die am Kreislauf beteiligte Ölmenge in einfa-

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eher Weise festgelegt werden. Die Bemessung der aufnehmbaren Ölvolumina der Ölfangs chalen 11, 14, 18 und 19 bleibt im Rahmen der beanspruchten Relationen einer insbesondere von der Ölförderleistung abhängigen Optimierung der Olverteilung im Kolbeninneren überlassen, deren Durchführung beispielsweise mittels Versuchen das Durchschnitts können eines Fachmanns keinesfalls übersteigt.

ψ Ähnliches gilt für die Anzahl der Verbindungsbohrungen 16 und der

Uberlaufbohrungen 13. Es wäre durchaus denkbar, daß zur Vermeidung einer unsymmetrischen Spannungsverteilung in der Stützwand 8 mehrere symmetrisch angeordnete Überlauföffnungen 13 angeordnet werden, die vorteilhaft jeweils mit Wülsten Zl versehen sind. Abgesehen von gußtechnischen Vorteilen bringt das Vorsehen der Wülste 21 im Randbereich der Überlauföffnungen 13 eine der örtlichen Spannungsanhäufung angepaßte Verstärkung und darüber hinaus eine zusätzliche Verwirbelung der transportierten Kühlölmenge.

fc Die Neigung der Wand 8 gibt eine Beschleunigung der äußeren Öl-

menge in die ölfangschale 18 so, daß dort ein Ringwirbel erzeugt wird, der sich in gewissem Maße schon aus dem Überströmen von Öl aus der Ölfangschale 14 in die Ölfangschale 18 ergibt, so daß insgesamt in der ölfangschale 18 eine hohe Turbulenz und damit große Wärmeabfuhr erreicht wird.

Eine Neigung des unteren Bereichs 30 der Wand 20 der Ölfangschale 19 ermöglicht ein Sammeln des Öles in der Ölfangschale 19 ohne zu hartes Aufprallen des hin- und her ge schleuderten Öles, so daß die Schaumbildung klein gehalten wird.

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Eine unerwünschte Störung des Kühlölkreislaufs im Kolben durch Spritzöl vom Kurbelraum her kann durch am inneren Umfang des Kolbenhemds 4 im axialen Bereich der Wand 20 der Ölfangschale 19 angeordnete Abdeckstege 22 vermieden ■werden.

Ein Transport von in der äußeren Kühlkammer 17 befindlichem öl nach außen zu den Ölabstreifringen hin kann durch eine von oben innen nach unten außen verlaufende Ablaufbohrung 23 für das über eine Stichleitung 24 von den Ölabstreifringen abgestreifte Öl vermieden werden»

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Claims

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Ansprüche

Ölgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen mit Zuführung des Kühlöls durch die Treibstange in eine radial innere Kühlkammer, die durch eine Stützwand zwischen der Abstützung des Kolbens am Treibstangenkopf und dem Kolbenboden von einer im wesentlichen ringförmigen radial äußeren Kühlkammer abgeteilt ist und mit einer Mehrzahl symmetrisch angeordneter Verbindungsöffnungen in der Stützwand, deren oberer Rand in der Nach-

' barschaft des Kolbenbodens angeordnet ist, und mit Mit

teln zur Abführung des erwärmten Kühlöles aus der äußeren Kühlkammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der inneren (1O) und in der äußeren Kühlkammer (17) je zwei im wesentlichen in Achsrichtung des Kolbens gegenüberliegende Ölfangschalen (11, 14, 18, 19) vorgesehen sind, deren aufnehmbare Ölvolumen durch die Ränder (12, 1.5, 25) zugeordneter Verbindungs - bzw. Überlauföffnungen (13, 16, 26) begrenzt sind und daß in der inneren Kühlkammer (1O) das Volumen der oberen, zum Kolbenboden (7) hin gelegenen Ölfangschale (14)

™ höchstens so groß ist wie das der ihr gegenüberliegen

den Ölfangschale (ll), in deren Bereich die Zufuhr von Kühlöl erfolgt, das aufnehmbare Ölvolumen der oberen, zum Kolbenboden (7) hin gelegenen Ölfangschale (18) der äußeren Kühlkammer (17) hingegen größer ist als dasjenige der ihr gegenüberliegenden unteren ölfangschale (19) der äußeren Kühlkammer (17), über deren Überlauföffnung (26) die Abfuhr des Kühlöles erfolgt.

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Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Ölfangschale (ll) der inneren Kühlkammer (10) in der Nachbarschaft des Treibstangenkopfes angeordnet ist und ihr aufnehmbares Ölvolumen durch den unteren Rand (12) einer ihr zugeordneten eigenen Überlauföffnung (13) begrenzt ist.

Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlauföffnung (13) an ihren Rändern (12) mit Mate rialwülsten (21) versehen ist.

Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Ölfangschale (19) der äußeren Kühlkammer (17) taschenförmig ausgebildet und im Bereich der Abstützung (3) des Kolbens gegen den Treibstangenkopf angeordnet ist.

Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untere ölfangschale (19) der äußeren Kühlkammer (17) radial außen durch eine in den Zwischenraum zwischen der Stützwand (8) und dem Kolbenhemd (4) ragende "Wand (20) begrenzt ist, die als Mittel zur Abführung des erwärmten Kühlöls zum Kolbenhemd (4) hin einen für einen ungehinderten Abfluß ausreichenden Abstand aufweist.

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