DE2151869B2 - Flüssigkeitsgekühlte Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die 40 mit steigt die Gefahr der Rißbüdung auf Grund von von Brenngasen beaufschlagte Fläche (9) des Zugspannungen bei zunehmender Dicke der Wand-Kolbenbodens (1) wenigstens für einen großen elemente. Die Dimensionierung des Kolbenbodens ist Teil geradlinig Erzeugende besitzt, dadurch ge- daher nur sehr schwierig an die sich widersprechenkennzeichnet, daß die radialen Kühlflüssigkeits- den Forderungen anzupassen.

kanäle (13) parallel zu den Erzeugenden der von 45 Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenngasen beaufschlagten Fläche (9) gebohrt flüssigkeitsgekühlten Kolben der eingangs näher besind, zeichneten Art so weiterzubilden, daß die aufgezeig-

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ten Schwierigkeiten auf einfache und zuverlässige dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Rand Weise überwunden werden und daß die Gefahr der des Kolbenbodens (1) ein ringförmiger Kanal 50 Rißbüdung im Kolben fast völlig beseitigt wird.

(23, 24) vorgesehen ist, in den beide Gruppen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Kühlflüssigkeitskanäle (13, 14) einmünden und löst, daß der Kolbenboden zwischen der von den

der nach außen hin durch einen aufgeschweißten Brenngasen beaufschlagten Fläche und seiner Aufla-

Ring (21, 22) verschlossen ist. gefläche, mit der er auf einer Auflagefläche der KoI-

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 55 benstange aufliegt, als Vollkörper hergestellt ist und dadurch gekennzeichnet, daß sich die ringförmige alle Kühlflüssigkeitsleityngen spanabhebend gefertigt Sammelkammer (25) am Ende der achsparallel sind, wobei die radial verlaufenden Kühlflüssigkeitsverlaufenden Kühlflüssigkeitskanäle (14) bis in kanäle unmittelbar unter der von Brenngasen beauf-Höhe der von den Brenngasen beaufschlagten schlagten Fläche des Kolbenbodens verlaufen und an Fläche (9) des Kolbens am nächsten liegenden 60 ihrem äußeren Ende mit Kühlflüssigkeitskanälen in Kolbenringnut erstreckt. Verbindung stehen, die achsparallel in einer hinter

den zur Aufnahme der Kolbenringe im Schaftteil des

Kolbens bestimmten Nuten liegenden Zone verlaufen

und an ihrem von der von den Brenngasen beauf-65 schlagten Fläche abgewandten Ende in eine ringför-

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten mige Sammelkammer einmünden.
Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Durch spanabhebendes Einarbeiten der Kühlflüs-

große Dieselbrennkraftmaschinen, mit einem geson- sigkeitskanäle dicht unter der von den Brenneasen

beaufschlagten Fläche des Kolbens erreicht man, daß ein wesentlicher Teil der von der Brennkammer an den Kolben abgegebenen Wärme durch diese Kühlflüssigkeitskanäle zuverlässig abgeleitet wird. Pie Folge davon ist, daß der größere Teil des Temperaturgefälles durch den Kolbenboden innerhalb der zwischen dia Kühtflüssigkeitskanälen und der von den Brenngasen beaufschlagten FJäche auftritt, 4 h. jn einer Zone, in der die Wärmespanoungen sich als Dk ik ähd i

die in bezug auf die Zylwderwand leicht *w***J£ gene Seitenwand des Kolbenbodens die Schlitze passiert, kürzer wird. _Tpnine. Eine besonders wirksame Steuerung oet iempejatur im Bereich der von den Brenngasen twauischlagten Fläche wird dann erreicht, wenn die wanodicke zwischen den radialen Kühlflüssigkeitskanalen im Kolbenbodee und der von den Brenngasen beauf-

_HI . , ~ „„ „_w .,„».^p.^^g^ «V.U «» scblagtep Fläche des Kolbenbodens etwa gleicfi grw

Druckspannungen auswirken, während im Bereich 10 gewählt wird wie der Durchmesser der &un«iussigder Kühlflttssigkeitskinäle und zwischen diesen und keitskanäle.

der Unterseite des Kolbenbodens nur sehr kleine In den Fällen, bei denen die von den Brenngasen

Zugspannungen auftreten. Die Dicke des zwischen beaufschlagte Fläche des Kolbenbodens w^gstens dem Bereich der Kühiflüssigkeitskanäle und der für einen großen TeU geradlinig Erzeugende oesicn, Rückseite des massiven Kolbenbodens liegenden Be- 15 ist es zweckmäßig, wenn die radialen Kunuiussigleiches kann daher allein unter Berücksichtigung der keitskenäle parallel zu den Erzeugenden der von mechanischen Beanspruchung unier der Einwirkung Brenngasen beaufschlagten Fläche gebohrt sind, uader Gasdrücke gewählt werden, ohne daß hierbei auf durch wird eine hohe Gleichmäßigkeit der Dicke_aes den Einfluß der Wärmespannungen .lücksicht ge- Bereiches des Kolbenbodens zw.sehen den Kuhltlusnommen zu werden braucht. Insbesondere kann da- ao sigkeitskanälen und der von den Brenngasen oeauibei die Dicke des zwischen den Kühiflüssigkeitskanä- schlagten Fläche erzielt, len und der von den Brenngasen beaufschlagten
Fläche liegenden Bereiches wesentlich kleiner als die

Dicke des Bereiches zwischen den Kühlflüssigkeits- „ „ ...

kanälen und der Rückseite des Kolbenbodens ge- 25 Gruppen der gebohrten Kühiflüssigkeitskanä s einwählt werden. Dadurch lassen sich die Zugspannun- münden, wobei man diesen Kanal ^nach,^au,"^en _i:".. gen in dem zuletzt genannten Bereich außerordentlich klein halten, insbesondere im Vergleich zu der
oben beschriebenen bekannten Ausbildung eines
flüssigkeitsgefüllten Kolbens, bei der relativ hohe 30
Zugspannungen in den Rippen auftreten.

Du^rch die Anordnung der Kühiflüssigkeitskanäle dicht unter der von den Brenngasen beaufschlagten

Fläche des Kolbenbodens lassen sich die Temperatu- .-«> „„...». , . , ,.

ren im Bereich dieser Fläche relativ niedrig halten, 35 hat es sich als zweckmäßig erwiesen, *enn βοακ so daß s auch möglich wird, den Kolbenboden aus ringförmige Sammelkammer am fcndedej acnspdrd.-einem relativ billigeren Material herzustellen, z. B.
aus unlegiertem Walz- oder Schmiedfstahl. Es ist sogar möglich, bei der neuen Ausbildung des flüssig-

keitsgekühlten Kolbens hierfür Qualitätsstahlguß 40 streckt. ,

oder -gußeisen zu verwenden. Ua im Bereich zwi- Die Erfindung wird^an^Hand^von. J_r™ungen

sehen den Kühlflüssigkeitskanä'.en und der Rückseite ' ' "'"'" ~"

des kolbenbodens Wärmespannungen fas: nicht auf- —-_o- , . , , ■ _A„_c

treten, kann dieser die mechanischen Kräfte aufneh- Fig. 1 einen MittellängsschnUt durch e.ne Aus-

mende Bereich des Kolbenbodens massiv ausgebildet 45 führungsform eines erfindungsgemaßen Kolbens

F i g. 2 einen Ausschnitt aus der oben links dargestellten Ecke des Kolbens in einer anderen Ausfüh-

hlagten Fläche erzielt.

Besonders einfach läßt sich der neue Kolben herstellen, wenn man am oberen Rand des Kolbenbodens einen ringförmigen Kanal vorsieht, in den beide Gruppen der gebohrten Kühlflüssigkeitskanä's einmünden, wobei man diesen Kanal nach außen hin durch einen aufgeschweißten Ring verschließt. Hierbei lassen sich die Kühiflüssigkeitskanäle leichter von außen her bohren.

Um die oberste Kolbenringnut der von den Brenngasen beaufschlagten Fläche möglichst nahe anordnen zu können und dabei gleichzeitig zu gewährleisten, daß in Umfangsrichtung entlang dieser Nut keine Temperaturdifferenzen auftreten können, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, λϊππ sich die ringförmige Sammelkammer am Ende der achsparallel verlaufenden Kühiflüssigkeitskanäle bis in Höhe der von den Brenngasen beaufschlagten Fläche des Kolbens am nächsten liegenden Kolbenringnut erstreckt.

Die Erfindung wird an Hand von. Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläu'ert. Es zeigt

rungsform,

F i g. 3 einen dem in F i g. 2 gezeigten Ausschnitt entsprechenden Ausschnitt aus einer dritten Ausführungsform,

Fig.4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in

Fig. 1,

F i y 5 pinen Mittellängsschnitt durch eine vierte fh

sein, so daß sich eine kostspielige Bearbeitung von z.B. hinterschnittenen, inneien Hohlräumen für die Kühlflüssigkeit einsparen läßt.

Die «ehr wirksame Kühlung der von den Brenngasen beaufschlagten Fiäche sowie der Zo.:e hinter 5
den zur Aufnahme der Kolbenringe im Schaftteil des
Kolbens bestimmten Nuten macht es ferner möglich,
daß die der von den B^renngasen beaufschlagten
Fläche am nächsten liegende Kolbenringnut verhältnismäßig nahe der von den Brenngasen beaufschlag- 55 Ausführungsform, und

ten Fläche angeordnet werden kann, so daß der KoI- Fig.6 einen entsprechenden Schnitt durch eine

ben eine niedrige Gesamthöhe erhalten kann. Hier- fünfte Ausführungsform,

durch erreicht man ein relativ geringes Kolbenge- Der Kolben ist aus einem Kolbenboden 1 und

wicht und einen geringeren Materialverbrauch und einem Führungselement 2 zusammengesetzt, weiches als Folge davon eine Verringerung der Größe der 60 den Kolben in einem nicht gezeichneten Motorzylinauftretenden Massenkräfte, der führt. In F i g. 1 ist das obere, kegelig erweiterte

Durch die auf Grund der neuen Ausbildung er- Ende einer Kolbenstange 3 zu sehen, die einen nach möglichte geringe Höhe des Kolbenbodens kann man außen zeigenden Flansch 4 aufweist. Der Kolben ist bei Brennkraftmaschinen, die durch den Kolben ge- an der Kolbenstange 3 mit Hilfe von Bolzen 5 befesteuerte Schlitze in der Zylinderwand aufweisen, eine 6₅ stigt, die sich durcn das Führungselement 2 und den höhere Genauigkeit beim Schließen der Schlitze und Flansch 4 hindurch- und in Gewindebohrungen in damit einen genauer vorherbestimmbaren Luftwech- der Unterseite des Kolbenbodens 1 hineinerstrecken, sei erreichen, da die Dauer derjenigen Periode, in der

der Unterseite des Kolbenbodens 1 hineinerstrkn Außerhalb der Auflagefläche, mit der der Kolbenbo-

den 1 auf dem Flansch 4 aufliegt, ist die Unterseite Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist es not-

des Kolbenbodens 1 so abgestuft, daß eine ringför- wendig, die Kühlflüssigkeitskanäle 13 von der zenmige Sammelkammer 6 gebildet wird, die nach außen tralen Sammelkammer 12 aus zu bohren, und dios ist hin von einem relativ dünnen Schaftteil 7 des KoI- nur dann möglich, wenn der Winkel <* zwischen einer benbodens 1 abgegrenzt wird. Die zylindrische Ober- 5 Normalebene im Kolben und den Achsen der Kanäle fläche des Kolbenbodens 1 ist auf übliche Weise mit gleich einem durch den Durchmesser und die Höhe Nuten für die Aufnahme von Kolbenringen 8 verse- des Kolbenbodens 1 bestimmten Minimumwert oder hen. größer als dieser ist. Diese Einschränkung läßt sich

Die nach oben zeigende Fläche 9 des Kolbenbo- durch die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausfühdens 1, die sogenannte Gasseite, ist bei der gezeigten io rungsformen vermeiden, bei denen die obere Ecke Ausführungsform aus einer kegelförmigen Ringfläche des Kolbenbodens 1, die hier mit 19 bzw. 20 bezeich-10, die den größten Teil der Fläche 9 bildet, und net ist, weggeschnitten ist, so daß die Kühlflüssigeinem sphärischen oder hauptsächlich sphärischen, keitskanäle 13 von der Außenseite des Kolbens her zentralen Flächenteil 11 zusammengesetzt. Unter der gebohrt werden können. Bei diesen beiden Ausfüh-Mitte der Fläche 9 ist aus der Unterseite des Kolben- 15 rungsformen ist die Ecke des Kolbenbodens 1 nach bodens 1 eine Sammelkammer 12 für Kühlflüssigkeit dem Bohren der Kühlflüssigkeitskanäle 15, 14 durch herausgedreht. Von der Sammelkammer 12 geht eine Aufschweißen eines Ringes 21 bzw. 22 zwecks BiI-Anzahl Kühlflüssigkeitskanäle 13 aus, die schräg dung eines ringförmig geschlossenen Kanals 23 bzw. nach oben parallel oder hauptsächlich parallel mit 24 zwischen den radialen und den axialen Kühlflüsden Erzeugenden der kegeligen Ringfläche 10 ge- ao sigkeitskanälen 13, 14 geschlossen. Bei der Ausfühbohrt sind, und jeder Kühlflüssigkeitskanal 13 en- rungsform nach F i g. 2 ist der Ring 21 durch Elekdet kurz vor der oberen Kante des Kolbenbodens 1, troschweißung, vorzugsweise in einer Schutzgasatmowo er mit einem achsparallel verlaufenden Kühlmit- Sphäre, aufgeschweißt, während der Ring 22 bei der telkanal 14 in Verbindung steht, der unmittelbar hin- Ausführungsform nach F i g. 3 durch Friktionster den Nuten für die Kolbenringe 8 in den Kolben- 95 schweißung befestigt ist, indem die Verbindungsboden 1 gebohrt ist, welche Kühlflüssigkeitskanäle fläche mischen dem Ring 22 und dem Kolbenboden 14 alle in der Sammelkammer 6 münden. 20 als plane Fläche ausgeführt ist. Es ist auch er-

Die Sammelkammer 12 ist unten durch eine ring- sichtlich, daß die Anzahl der axialen Kühlflüssigförmige Platte 15 verschlossen, die, wie angedeutet, keitskanäle 14 bei den beiden erwähnten Ausfühin Hie Oberseite der Kolbenstange 3 eingesetzt sein 30 ninesformen von der Anzahl der Kühlflüssigkeitskakann, und zwar innerhalb derjenigen Fläche, mit der näle 13 verschieden sein kann, falls dies zweckdiendie Kolbenstange 3 gegen die Unterseite des Kolben- Hch ist.

bodens 1 anliegt. Eine Kühlflüssigkeitsleitung 16, die Zu erwähnen ist noch, daß die Spannungen sowohl

koaxial in der hohlen Kolbenstange 3 angeord- um den ringförmigen Kanal 23 oder 24 herum als net ist, ist mit der Kante der zentralen öffnung in der 35 auch in der zentralen Sammelkammer 12 unter dem Platte 15 verschweißt. Eine Anzahl geeignet verteil- Kolbenboden 1 von den Spannungen im massiven ter Bohrungen 17 im Flansch 4 der Kolbenstange 3 Teil des Kolbcnbodens 1 verschieden sind, indem auf stellt die Verbindung zwischen der Sammelkammer 6 den gekühlten Oberflächen Zugspannungen auftreten und dem ringförmigen Rückleitungskanal 18 her, der können, die größer als diejenigen im massiven Teil sich im Inneren der Kolbenstange 3 um die Kühlflüs- 40 des Kolbenbodens 1 sind. Die Spannungen sind jesigkeitsleitung 16 herum befindet. Insbesondere bei doch unter allen Umständen wesentlich kleiner als in der Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit ist den bisher bekannten Kolbenkonstruktionen, da es es zweckdienlich, die Sammelkammern 6 und 12 mit durch Ausnutzung der Erfindung möglich gemacht Hilfe der gezeigten O-Ringe zwischen dem Kolben- wird, den Kolben in diesen Zonen sehr dünn auszuboden 1 und dem Flansch 4 der Kolbenstange 3 ab- 45 führen, ohne daß die variierenden, durch die Gaszudichten, drücke bewirkten Spannungen besonders groß werden.

Wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb ist, zir- F i g. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, die

kuliert mit Hilfe nicht gezeigter Pumpen Kühlflüs- sich von der in F i g. 1 gezeigten nur dadurcu untersigkeit, welche, wie erwähnt, Wasser oder auch öl scheidet, daß die nut 25 bezeichnete, ringförmige sein kann, von der Kühlflüssigkeitsleitung 16 durch 50 Sammelkammer hinter dem hier mit 26 bezeichneten die schräg nach oben verlaufenden Kühlflüssigkeits- Schaftteil höher als die Sammelkammer in Fig. 6 ist, kanäle 13, hinab durch die Kühlflüssigkeitskanäle 14 und zwar erstreckt sie sich oben am obersten KoI- und von der Sammelkammer 6 durch Bohrungen 17 benring 8 vorbei. Die hierdurch erzielten Vorteile gezurück zum Rückleitungskanal 18. Die Zirkulation- hen bereits aus dem Voranstehenden hervor,
richtung könnte gegebenenfalls jedoch auch umge- 55 Die in Fig.6 dargestellte Ausführungsform entkehrt sein. Hierdurch wird, wie gesagt oben, eine spricht im wesentlichen der in F i g. 5 gezeigten, und starke Kühlung der Fläche 9 des Kolbenbodens 1 in beiden Figuren sind daher die gleichen Bezugszif- und der an die Zylinderwand grenzenden Zone des fern benutzt worden. Der Unterschied zwischen den Kolbenbodens 1, in welcher die Kolbenringe 8 ange- beiden Ausführungsformen besteht darin, daß in bracht sind, erreicht. 60 F i g. 6 der untere Abschnitt 27 des Schaftteils 26 des

Alternativ könnte die Zuleitung der Kühlflüssig- Kolbens aus einem gesonderten Ring besteht, der an keit auf bekannte Weise durch Teleskoprohre erfol- die Unterseite des massiven Kolbenbodens 1 angegen, die durch das Führungselement 2 und den schweißt ist, welcher sich somit durch Bearbeitung Flansch 4 geführt sind und in die Sammelkammer 6 einer massiven, gewalzten oder gegossenen Scheibe einmünden, während die zentrale Sammelkammer 12 65 herstellen läßt, die eine wesentlich geriigere Dicke durch einen Kanal, der durch den Flansch 4 der KoI- aufweist als der in F i g. 5 gezeigte Kolbenboden 1. In benstange3 hindurchgeht, mit einem als Ableitung Fig.6 ist der Umriß der genannten Scheibe nach dienenden Teleskoprohr in Verbindung steht einer vorausgegangenen Verformung, z. B. durch Ge-

senkschmieden, zwecks Hervorbringung der konkaven Fläche 9 durch eine gestrichelte Linie 28 angedeutet. Es liegt auf der Hand, daß bei dieser Ausführungsform eine gewisse Menge Material eingespart wird. Da der Abschnitt 27 des Schaftteils 26 von Gaskräften entlastet ist, weil diese von der weiter in

nen, d. h. näher an der Achse, befindlichen Auflagefläche zwischen dem Kolbenboden 1 und dem Flansch 4 der Kolbenstange 3 übertragen werden, wird die Schweißnaht zwischen dem Kolbenboden 1 und dem Abschnitt 27 keinen größeren Beanspruchungen ausgesetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

. dertep Kolbenboden, der mn End« dfr Kolbenstange f .. , e ~ . befestigt ist und bei dim unter der der Brennkammer * Patentansprüche. zugekehrten Seite des Kolbenboden hauptsächlich

1. Flüssigkeitsgeküblter Kolben für Brenn- radial verlaufende Kühlflüssigkeitskanäle gebohrt

kraftmaschinen, insbesondere große Dieselbrenn- S sind, die an ihrem inneren Ende in einer zwischen

kraftmaschinen, mit einem gesonderten Kolben- dem Kolbenboden und der Kolbenstange befind-

boden, der am Ende der Kolbenstange befestigt liehe Sammelkammer einmünden, die mit 3er KBhI-

T ist, bei dem unter der der Brennkammer züge- flüssigkeitsleitur; in der Kolbenstange in Verbin-

kehrten Seite des Kolbenbodens hauptsächlich dung steht

radial verlaufende Kühlflüssigkeitskanäle gebohrt io Aus der schwedischen Patentschrift 175 061 ist sind, die an ihrem inneren Ende in eine zwischen mn flüssigkeitsgekOhlter Kolben bekannt, dessen KoI-dem Kolbenboden und der Kolbenstange befind- benbeden gegossen isi und einen großen, innenlieliche Sammelkammer einmünden, die mit der jenden Hohlraum für die zirkulierende Kühlflüssig-Kühlflüssigkehsleitung in der Kolbenstange in keit aufweist, die entlang der Unterseite des KoI-Verbindung steht, dadurchgekennzeich- 15 benbodens und entlang der Innenwände des Kolbenn e t, daß der Kolbenboden (1) zwischen der von schaftes strömt, wobei außen in der Umfangsfläche den Brenngasen beaufschlagten Fläche (9) und des Kolbenschaftes Nuten zur Aufnahme der Kolseiner Auflagefläche, mit der er auf einer Aufla- benringe vorgesehen sind. Die Kühiflüssigkeitskanäle gefläche der Kolbenstange (3) aufliegt, als Voll- sind bei dieser bekannten Anordnung in Rippen gekörper hergestellt ist und alle Kühlflüssigkeitslei- ao bohrt, die von der Unterseite des Kolbenbodens in tungen spanabhebend gefertigt sind, wobei die ra- den Hohlraum für die Kühlflüssigkeit hineinragen, dial verlaufenden Kühlflüssigkeitskanäle (13) un- Diese Rippen sollen dazu dienen, die Kühlwirkung mittelbar unter der von Brenngasen beaufschlag- zu verbessern, indem sie diejenige Fläche des KoI-ten Fläche (9) des Kolbenbcdens (1) verlaufen bens vergrößern, die unmittelbar mit der Kühlflüssig- und an ihrem äußeren Ende mit Kühlflüssiektits- 25 keit in Berührung steht. Die Kühlflüssigkeitskanäle kanälen (14) in Verbindung stehen, die achspar- in den Rippen dienen dagegen in erster Linie dazu, allel in einer hinter den zur Aufnahme der KoI- die Kühlflüssigkeit aus dem unter dem Kolbenboden benringe (8) im Schaftteil (7. 26) des Kolbens be- befindlichen Hohlraum zu einem Rückführungskanai stimmten Nuten liegenden Zone verlaufen und an in der Kolbenstange zu leiten.

ihrem von der von deii Brenngasen beaufschlag- 30 PekannUich unterliegt ein Kolben einer Brennten Fläche (9) abgswandten Ende in eine ringför- kraftmaschine einer zweifachen Beanspruchung, mige Sammelkammer (6,25) eiii.nünden. nämlich einmal den während der Kreisprozesse \ a-

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn- liierenden Gasdrücken in der Verbrennungskammer zeichnet, daß die Wanddicke zwischen den radia- und zum anderen thermischen Beanspruchungen auf len Kühlflüssigkeitski nälen (13) im Kolbenboden 35 Grund der in der Brennkammer herrschenden Tem-(1) und der von den Brenngasen beaufschlagten peratur. Während die vom Gasdruck herrührenden Fläche (9) des Kolbenbodens (1) etwa gleichgroß Spannungen bei üblicher Kolbenausbildung mit Zuist wie der Durchmesser der Kühlflüssigkeitska- nähme der Dicke des Kolbenbodens abnehmen, ernäle (13). höhen sich entsprechend die Wärmespannungen. Da-