DE2205540A1

DE2205540A1 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2205540A1
Application number: DE19722205540
Authority: DE
Inventors: Karl Saint-Germain-en-Laye Kühn (Frankreich). P
Original assignee: Societe dEtudes de Machines Thermiques, St. Denis (Frankreich)
Priority date: 1971-02-16
Filing date: 1972-02-05
Publication date: 1972-08-24
Also published as: SU915815A3; SE385139B; SE7201833L; NL7202053A; DK134244C; GB1378595A; DK134244B; FR2125687A5; CH548538A; IT947424B

Description

Societe d^fEtudes de Machines
Thermiques

2, quai de Seine

93 - St. Denis (Frankreich)

Flüssigkeitsgekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Innenverbrennung und insbesondere einen Dieselmotor oder dgl.

Flüssigkeitsgekühlte Kolben aus einem einzigen Teil insbesondere aus Kugelgraphitgußeisen, die beispielsweise zur Verwendung in Verbindung, mit Zy linder lauf büchsen geeignet sind und bei denen die Zwangskühlung wenigstens des Kolbenbodens und bestimmter Kolbenringnuten in den meisten Fällen durch Schmiermittelumwälzung erfolgt, sind bereits bekannt. Bei einigen bekannten Kolbenausführungen ist auch eine umlaufende Ringkammer für Kühlflüssigkeit vorgesehen, die durch diese Kammer umgewälzt wird, wobei der mittige Abschnitt des Kolbenbodens durch einfaches Schmierölaufspritzen gekühlt wird, was jedoch für bestimmte hochgezüchtete Motoren unzureichend ist.

209835/0799

·. ο —

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten flüssxgkeitsgekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Flüssigkeitszwangsumwälzung und einer im Kolbenkopf angeordneten Ringkammer für Kühlflüssigkeit zu schaffen.

Der' zu diesem Zweck vorgeschlagene Kolben ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine im Kolbenkopf in der Nähe des Kolbenbodens ausgebildete zusätzliche mittige Kühlkammer, die über wenigstens eine Verbindungsöffnung mit dem den Kolbenbolzen enthaltenden Kolbeninnenraum in Verbindung steht.

Die Erfindung gestattet eine nahezu gleichmäßige Kühlung des Kolbenbodens durch Zwangsumwälzung der Kühlflüssigkeit sowohl in der Ringkammer als auch in der mittigen Kammer, die sich beide unmittelbar am Kolbenboden befinden. Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten fünf Ausführungsbexspxele näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend I-I der Fig. 2 durch eine erste Ausführungsform eines Kolbens nach der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Querschnitt entsprechend II-II der Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend III-III der Fig. 2 durch einen Kolben wie in Fig.

Fig. U ist ein Axiallängsschnitt entsprechend

IV-IV der Fig. 5 durch eine zweite Ausführungs-

209835/0799

form eines Kolbens nach der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Querschnitt entsprechend V-V der Fig. 4.

Fig. 6 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend VI-VI der Fig. 5 durch den Kolben der Fig. k.

Fig. 7 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend VII-VII der Fig. 8 durch eine dritte Ausführungsform eines Kolbens nach der Erfindung.

Fig. 8 ist ein Querschnitt entsprechend VIII-VIII der Fig. 7.

Fig. 9 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend IX-IX der Fig. 8 durch den Kolben.

Fig.10 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend X-X der Fig. 11 durch eine vierte Ausführungsform eines Kolbens nach der Erfindung.

Fig.11 ist ein Querschnitt entsprechend XI-XI der Fig. 10.

Fig.12 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend XII-

XII der Fig. 11 durch den Kolben.

Fig.13 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend XIII-

XIII der Fig. 14 durch eine fünfte Ausführungsform eines Kolbens nach der Erfindung.

Fig.14 ist ein Querschnitt entsprechend XiV-XIV

der Fig. 13.
Fig.15 ist ein Axiallängsschnitt entsprechend XV-XV der Fig. 14 durch den Kolben.

209835/0799

Bei sämtlichen hier dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Kolben 1 aus einem einzigen Kugelgraphitgußteil und weist an'seinem Kopf eine Ringkammer 2 für Kühlung vermittels einer Flüssigkeit wie z.B. Schmieröl auf. Die Ringkammer 2 umgibt die Kolbenlängsachse 3 und ist einerseits unmittelbar dem Kolbenboden 4 und andererseits wenigstens den ersten Kolbenringnuten 5 für die Kolbenringe benachbart. Die QuerSchnittsformgebung der.Ringkammer 2 entspricht ziemlich genau der inneren Formgebung des Kolbenkopfes, d.h. der Form der den Kolbenboden 4 bildenden Querwand und der des seitlichen Kolbenmantels im Bereich der Kolbenringe.

Die Ringkammer 2 ist seitlich durch zwei Seitenwände 6 und 7 begrenzt. Die im Inneren des Kolbenkopfes befindliche Seitenwand 6 begrenzt einen mittigen Hohlraum 8, während sich die Seitenwand 7 am Umfang des Kolbenkopfes im Bereich der Kolbenringnuten befindet.

Nach einem Merkmal der Erfindung ist der normalerweise zu dem den Kolbenbolzen enthaltenden Kolbeninnenraum hin offene mittige Hohlraum 8 vermittels eines deckeiförmigen Einsatzes 9 verschlossen, der auf beliebige Weise und beispielsweise bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen vermittels Schrauben 10 an dem unteren Ende des mittigen Hohlraums 8 befestigt ist.

Der deckeiförmige Einsatz 9 weist eine Verbindungsöffnung 11 auf, vermittels welcher der mittige Hohlraum 8 mit dem

209835/0799

r
den Kolbenbolzen und den Pleuelstangenkopf enthaltenden Kolbeninnenraum in Verbindung steht. Diese Öffnung 11 kann entsprechend den Ausführungsbeispielen kreisförmig oder in der Form eines waagerechten Langloches ausgebildet sein. Der Innenrand der Verbindungsöffnung 11 steht in das Innere des mittigen Hohlraums 8 hinein vor, so daß in diesem eine Mindestkühlmittelmenge zurückgehalten wird. Daher ist die mittige Kammer 8 wie auch die umlaufende Ringkammer 2 nie ganz mit Flüssigkeit gefüllt, so daß ein "Schütteleffekt" auftritt, wenn die in diesen Kammern befindliche Flüssigkeitsmenge durch die Kolbenbewegung abwechselnd hin und her geschleudert wird. Auf diese Weise benetzt die Flüssigkeit sämtliche Wandflächen der Kammern und verstärkt damit die· Kühlwirkung auf die Wände.

Das Kolbenbolzenlager 12 besteht aus zwei Teilen, nämlich einem rechten und einem linken Lagerabschnitt, die vermittels angenähert parallel zur Kolbenlängsachse 3 verlaufender und mit den inneren und äußeren Seitenwänden 6 und 7 der Ringkammer verbundener Rippen, Pfosten und Stege 13 an dem Kolbenkopf aufgehängt sind. Der Kolbenbolzen 14 ist in den Kolbenbolzenlagern 12 und dem Pleuelstangenkopf 17 beweglich gelagert und weist die Form eines an seinen beiden Enden geschlossenen Hohlzylinders auf. Der im Inneren des Kolbenbolzens 14 befindliche Kanal 15 ist durch Radialkanäle 16 mit der Außenseite des Kolbenbolzens lh verbunden.

Durch den Pleuelstangenschaft und den Pleuelstangenkopf ist ein Kanal 18 beispielsweise im wesentlichen in der Längsachse der Pleuelstange durchgeführt und dient als Zuführkanal für Kühlflüssigkeit, welche durch den Pleuelstangenschaft hindurch dem Ringraum zwischen dem Kolbenbolzen 14· und dem Pleuelstangenkopf 17 zugeführt wird, in diesem umläuft, durch die Kanäle 16 in den (aus einer Bohrung durch den Kolbenbolzen 14 bestehenden) Kanal 15 eintritt und schließlich in den oberen Abschnitt des Kanals 18 gelangt, der sich am oberen Ende des Pleuelstangenkopfes 17 befindet.

Die umlaufende Ringkammer 2 weist im wesentlichen an der Verbindungsstelle der Seitenwände 6 und 7 eine bestimmte Anzahl von öffnungen 20 auf, die ggf. zur Kühlflüssigkeitsumwälzung in der Kammer 2 dienen können. Diese öffnungen 20 dienen außerdem beim Gießen des aus einem Stück bestehenden Kolbenrohlings 1 einerseits zum Halten des Gußkerns und andererseits zum Entfernen des Formsandes aus der Ringkammer 2.

Bei der in den Figuren 1,2 und 3 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Kanal 22 vorgesehen, welcher einen der Kanäle 16 in dem Kolbenbolzen 14 mit der Ringkammer 2 verbindet. Wenigstens eine öffnung 20 ist mit einem Rohrstutzen 2 3 versehen, der in das Innere der Ringkammer 2 hinein vorsteht und dazu dient, in dieser eine bestimmte Kühlflüssigkeitsmenge zurückzuhalten. Die

anderen Öffnungen 20 sind durch Stopfen verschlossen.

Der am oberen Ende des Pleuelstangenkopfes mündende obere Abschnitt des Kanals 18 ist durch eine Düse 24 bis in die Nähe der VerbindungsÖffnung 11 zwischen dem mittigen Hohlraum 8 und dem Kolbeninnenraum verlängert. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Verbindungsöffnung 11 die Form eines Langloches auf.

Das bei dieser Ausführungsform als Kühlflüssigkeit verwendete Schmieröl tritt unter Druck in die Bohrung 15 des Kolbenbolzens IM- ein und gelangt von dieser durch den oberen Abschnitt des Kanals 18, die Düse 24 und die Öffnung 11 in den eine Kühlkammer bildenden mittigen Hohlraum 8, sowie vermittels eines oder mehrerer Kanäle 22 in die umlaufende Ringkammer 2. Die Öffnung 11 und die Rohrstutzen 23 bilden jeweils einen Oberlauf für den mittigen Hohlraum 8 bzw. die Ringkammer 2.

Bei der in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung steht der mittige Hohlraum 8 über wenigstens zwei Öffnungen 30 mit der Ringkammer 2 in Verbindung. Diese beiden Öffnungen 30 haben während der Herstellung des Kolbens außerdem den Vorteil, daß sie das Entfernen des Formsandes aus der Ringkammer erleichtern. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsöffnung 11 im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und ein Hohlkörper 31, der im Inneren der Öffnung 11 gleitend verschiebbar gelagert ist, wird vermittels einer Feder 32 gegen den

209835/0799

Scheitel des Pleuelstangenkopfes 17 beaufschlagt.

Das in den Kanälen 15, 16 und 18 unter Druck umgewälzte Öl tritt frei am oberen Ende des Pleuelstangenkopfes 17 aus, gelangt in das Innere des Hohlkörpers 31 und durch diesen in den mittigen Hohlraum 8, von dem es über die öffnungen 30 in den Ringraum 2 gelangt. Die an den Öffnungen 20 angeordneten Rohrstutzen 2 3 stehen in das Innere der Ringkammer 2 hinein vor und bilden einen Überlauf.

Das in den Figuren 7, 8 und 9 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine Kombination der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dar. Der mittige Hohlraum 8 steht mit der Ringkammer 2 über wenigstens zwei Öffnungen 30 in Verbindung, die Verbindungsöffnung 11 hat die Form eines Langloches, die öffnungen 20 weisen in das Innere der Ringkammer hinein vorstehende Rohrstutzen 2 3 auf und der Kanal 18 ist an seinem oberen Ende vermittels einer Düse 24 bis in die Nähe der schlitzförmigen öffnung 11 verlängert.

Das durch die Kanäle 15, 16 und 18 unter Druck zugeführte öl tritt durch die Düse 24 aus dem Pleuelstangenkopf aus und gelangt durch die öffnung 11 in den mittigen Hohlraum 8, von dem es durch die öffnungen 30 in die Ringkammer 2 eintritt und aus dieser durch die als Überlauf ausgebildeten Rohrstutzen 2 3 wieder austritt.

209835/0799

Eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 10, 11 und 12 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispxel steht der mittige Hohlraum 8 über die Öffnungen 30 mit der Ringkammer 2 in Verbindung, ein im wesentlichen parallel zur Kolbenkängsachse verlaufender Kanal 22· verbindet die Ringkammer 2 über einen Kanal 16 mit dem Kanal 15, der am oberen Ende des Pleuelstangenkopfes mündende obere Abschnitt des Kanals 18 ist vermittels eines Stopfens 26 im wesentlichen dicht verschlossen und die nicht zur. Entleerung der Ringkammer 2 dienenden Öffnungen 20 sind ebenfalls vermittels Stopfen 2 5 im wesentlichen abgedichtet. Die Verbindungsöffnung 11 zwischen dem mittigen Hohlraum und dem unteren Innenraum des Kolbens weist hier eine im wesentlichen kreiszylindrische Formgebung auf.

Bei diesem Ausführungsbeispxel steigt das in dem Kanal unter Druck stehende öl in den Kanälen 16 und 22 auf, gelangt in die Ringkammer 2 und von dieser durch die Öffnungen 30 in den mittigen Hohlraum 8. Die öffnung 11 dient hier als Überlauf und gestattet das Abfließen des Öls aufgrund seiner Schwerkraft.

In den Figuren 13, 14 und 15 ist eine fünfte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die öffnung 11 weist eine im wesentlichen kreis zylindrische Formgebung auf und die öffnungen 20 sowie der obere Abschnitt des Kanals 18 am oberen Ende des Pleuelstangenkopfes sind jeweils durch Stopfen 2 5 bzw. 26 verschlossen. Der mittige Hohlraum 8

209835/0799

- ίο -

ist vermittels wenigstens zwei öffnungen 30 mit der Ringkammer 2 verbunden. Der Ringkammer 2 wird Kühlflüssigkeit durch einen im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse im Inneren des Kolbens und in der Nähe des Kolbenmantels angeordneten Kanal 42 zugeführt, welcher die Ringkammer 2 mit einem feststehenden äußeren Kanal 40 für die Zufuhr von Kühlflüssigkeit vermittels einer Schlauchleitung 41 · verbindet, deren eines Ende mit dem Kanal 42 verbunden und zusammen mit dem Kolben hin und her bewegbar ist und deren anderes Ende mit dem feststehenden äußeren Kanal 40 verbunden ist. Die Kühlflüssigkeit wird von dem Kanal 40 durch den Schlauch 41 und den Kanal 42 der Ringkammer 2 zugeführt, gelangt dann durch die öffnungen 30 in den mittigen Hohlraum 8 und tritt aus diesem unter dem Einfluß von Schwer kraft und Trägheit wieder durch die einen Überlauf bildende Öffnung 11 aus. Die Kühlflüssigkeit tritt außerdem in den Kanal 18 ein und gelangt durch die Kanäle 15 und 16 in den Ringraum zwischen dem Pleuelstangenkopf 17 und dem Kolbenbolzen 14, wobei sie an dieser Stelle lediglich zur Schmierung bei der Bewegung des Pleuelstangenkopfes auf dem Kolbenbolzen 14 und des letzteren in bezug auf den Kolben 1 dient.

- Patentansprüche: -

209835/0799

Claims

- li -

Patentansprüche :

ClJ Flüssxgkeitsgekuhlter Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Flüssigkextszwangsumwälzung und einer im Kolbenkopf angeordneten Ringkammer für Kühlflüssigkeit, gekennzeichnet durch eine im Kolbenkopf in der Nähe des Kolbenbodens (if) ausgebildete mittige Kühlkammer (8), die über wenigstens eine Verbindungsöffnung (11) mit dem den Kolbenbolzen (14) enthaltenden Kolbeninnenraum in Verbindung steht.
2. Kolben nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß -die mittige Kühlkammer (8) von der Ringkammer (2) getrennt ist.
3. Kolben nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß

die mittige Kühlkammer (8) über wenigstens eine öffnung (30) mit der Ringkammer (2) in Verbindung steht.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittige Kühlkammer (8)aus einem Hohlraum im Kopf des Kolbens (1) besteht, der auf der dem Kolbenbolzen (14) zugewandten Seite durch einen aufgesetzten und die Verbindungsöffnung (11) aufweisenden deckeiförmigen Einsatz (9) verschlossen ist.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrand der Verbxndungsöffnung (11) in das Innere der mittigen Kühlkammer (8) hinein derart vor-

209835/0799

steht, daß eine bestimmte Kühlmittelmenge in dieser zurückhaltbar ist.
6. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch wenigstens Kopf (17) und Schaft der Pleuelstange ein zum Zuführen von Kühlflüssigkeit in den Ringraum um den Kolbenbolzen und in das Innere (15) des hohl ausgebildeten Kolbenbolzens (14) dienender und durch eine am Pleuelstangenkopf angeordnete Düse (24) bis in die Nähe der Verbindungsöffnung (11) verlängerter Kanal (18) durchgeführt ist, sowie ein die Ringkammer (2) mit dem Inneren (15) des Kolbenbolzens (14) verbindender Kanal (22, 16) und wenigstens eine als RücklaufÖffnung dienende Öffnung (20, 23) an der Ringkammer (2) vorgesehen sind.
7. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch wenigstens Kopf (17) und Schaft der Pleuelstange ein zum Zuführen von Kühlflüssigkeit in den Ringraum um den Kolbenbolzen und in das Innere des hohl ausgebildeten Kolbenbolzens (14) dienender und durch eine Düse (24) oder einen im Inneren der VerbindungsÖffnung (11) angeordneten Hohlkörper (31) verlängerter Flüssigkeitsumwälzkanal (18) durchgeführt ist, sowie die Ringkammer (2) mit der mittigen Kühlkammer (8) verbindende Öffnungen (30) und an der Ringkammer wenigstens ein mit einem Ende in die Ringkammer vorstehender und zum Zurückhalten einer bestimmten Flüssigkeitsmenge in dieser dienender Flüssigkeitsrücklaufkanal (20,2 3) vorgesehen sind.

209835/0799
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (31) in der VerbindungsÖffnung (11) gleitend verschiebbar gelagert ist und an seinem Ende einen verbreiterten, hohlen, nach unten offenen, in abdichtender Gleitberührung mit der konjugiert ausgebildeten oberen Oberfläche des kolbensextigen Pleuelstangenkopfes (17) stehenden und mit der nach unten offenen Ausnehmung die MündungsÖffnung des innerhalb des Pleuelstangenkopfes aufsteigenden Kanals (18) jederzeit bedeckenden Basisteil aufweist und vermittels eines elastischen Druckgliedes, insbesondere einer zwischen dem Basisteil und dem deckeiförmigen Einsatz (9) an der mittigen Kühlkammer (8) angeordneten Feder (32), gegen den Pleuelstangenkopf (17) beaufschlagt ist.
9. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch wenigstens Kopf (17) und Schaft der Pleuelstange ein zum Zuführen von Kühlflüssigkeit in den Ringraum um den Kolbenbolzen (IO und in das Innere des hohl ausgebildeten Kolbenbolzens dienender und am oberen Ende des Pleuelstangenkopfes verschlossener Flüssigkeitsumwälzkanal (18) durchgeführt ist, sowie wenigstens ein die Ringkammer (2) mit dem Inneren des Kolbenbolzens (IM·) verbindender Kanal (22) und die Ringkammer (2) mit der mittigen Kühlkammer (8) verbindende Öffnungen (30) vorgesehen sind.

209835/0799

- IH -
10. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Ringkammer (2) über wenigstens einen im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse (3) verlaufenden Kanal (H2) mit einer feststehenden äußeren Rohrleitung (HO) vermittels einer Schlauchleitung (Hl), deren eines Ende mit dem Kanal (H2) verbunden und zusammen mit dem Kolben hin und her bewegbar ist und deren anderes Ende mit der äußeren Rohrleitung (HO) verbunden ist, mit Kühlflüssigkeit beschickbar ist.

209835/0799