DE2717084A1

DE2717084A1 - Kolben fuer hubkolben-brennkraftmaschinen, insbesondere dieselmotoren

Info

Publication number: DE2717084A1
Application number: DE19772717084
Authority: DE
Inventors: Ludwig Ing Grad Elsbett
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1977-04-18
Publication date: 1978-10-26
Also published as: JPS6131294B2; JPS549313A; DE2717084C2

Description

T i t e 1 : Kolben für Hubkolben-Brennkraft
maschinen, insbesondere Dieselmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit einem der Brenngaswärme ausgesetzten Boden und einem diesen mit einem nur Normalkräfte aufnehmenden FUhrungsteil verbindenden Mantel sowie einem am Boden des Kolbens angeschlossenen und Dicht- und Abstreifringe aufweisenden Ringträger, welcher ueber eine im Bereich einer durch den Boden des Kolbens führenden Cerade liegende Engstelle am Boden des Kolbens angeschlossen ist, und bei welchen Kolben der den Boden mit dem Führungsteil verbindende Mantel an seinem dem Boden abgewandten Ende einen von zwei gabelförmig angeordneten Schenkeln gebildeten Fuß aufweist, wobei diese Schenkel symeetrlsch zu einer durch die Mitte des Kolbens führenden Ebene ange ordnet und mit Augen für einen den Mantel mit den FAhrungsteil verbindenden Gelenkbolzen ausgestattet sind Bei schnellaufenden Hubkolben-Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Diesel- und Ottomotoren, geht man immer mehr dazu über, die zu bewegenden Massen so gering wie nur möglich zu halten, um dadurch höhere Leistungen durch Erhöhen der Drehzahlen der Brennkraftmaschinen zu ermöglichen. Eine Möglichkeit, aolche zu bewegenden Massen zu verringern, bietet sich in der Gestaltung der Kolben und deren Antriebsteile, und es werden diverse Anstrengungen gemacht, diese Teile gewichtssparender auszuführen.
Um diesen Forderungen Rechnung zu tragen, hat man bei einem bekannten Kolben dieser Art den Kolben in zwei Abschnitte unterteilt, von denen der eine der Brenngaswärme ausgesetzt ist und der andere Abschnitt dem Führen dieses erstgenannten Abschnittes dient. Die einzelnen Abschnitte sind bei dieser bekannten Ausführung Uber einen Gelenkbolzen pendelnd miteinander verbunden, wobei der erste Abschnitt der Abdichtung des Kolbens an der Wand eines Zylinders dienende von der Aufnahme von Normalkräften aus der Bewegung des Kolbens im Zylinder entlastet ist. Der andere der Führung dienende Abschnitt, der sogenannte Fürungsteil, ist bei dieser Ausführung als ein sich an den Wänden abstützender Mantel ausgeführt, über den die Normalkräfte aus der Bewegung des Kolbens in den Zylinder eingeleitet werden und der von den Einwirkungen des Casdruckes entlastet ist. Der erstgenannte, der Brenngaswärme ausgesetzte Abschnitt des Kolbens, in diesem Fall der Kolbenboden, ist mit einem Ringträger, an dem Dicht- und Abstreifringe des Kolbens angebracht sind, ausgestattet, und es ist dieser Kolben mit einer zum Boden hin offenen Ausnehmung versehen. Der Fuß des Kolbens ist Uber ein formschlüssiges Verbindungsteil, welches in der lotrechten Längsmittelachse des Kolbens angeordnet ist, mit dem Gelenkbolzen derart verbunden, daß dieser durch Schwenken in seinen Lagerstellen die Pendelbewegungen des Bodens zulassen kann. Untersuchungen haben indessen ergeben, daß mit einer solchen Konzeption zwar erheblich an Material und somit an bewegten Massen eingespart werden kann, daß aber die Verbindung der einzelnen Abschnitte des Kolbens über diese formschlUssige Verbindung.allein gegebenenfalls einige Schwierigkeiten verursachen kann, besonders dann, wenn nicht mit der notwendigen Sorgfalt die Verbindung der einzelnen Abschnitte vorgenommen wird (vgl. DT-PS 1 576 013).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben dieser Art dahingehend weiterzubilden, daß dieser bei Beibehaltung eines geringen Gewichtes eine hohe Standfestigkeit aufweist und zudem durch einfache Veränderung seiner Komponenten auch verschiedenen Verbrennungsverfahren, wie solchen im Kolbeninneren ablaufenden oder außerhalb desselben sich vollziehende, angepaßt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Kolben der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Mantel kegelstumpfförmig ausgeführt und in seinem Inneren mit einer Ausnehmung ausgestattet ist, und daß diese Ausnehmung mindestens in einer Richtung der LEngsachse (Rotationsachse) des Kolbens geschlossen ist.
Durch diese MaBnahmen wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst, sondern es wird zudem ein Kolben geschaffen, der sich durch eine besonders einfache Herstellungsart auszeichnet.
Dieser neue Kolben läßt sich nicht nur als Automatenteil herstellen, sondern es ist auch möglich, diesen zu gießen und nur dessen der Zylinderwand zugewandten Teile zwecks guter Laufeigenschaften im Zylinder durch spanabhebende Bearbeitung fertigzustellen. Bei gießtechnischer Herstellung des Kolbens läßt sich die spanabhebende Bearbeitung an diesem sehr wesentlich einschränken, so daß dieses bei Brennkraftmaschinen dieser Art als Massenteil gefertigte Bauglied nicht nur sehr preisgünstig und zuverlässig hergestellt, sondern auch sehr standfest ausgeführt werden kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können insbesondere den verbleibenden Unteransprüchen entnommen werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen Kolben in der Ebene I-I in Fig. 2 und Fig. 2 eine Draufsicht auf einen vollständigen Kolben, Jedoch halbseitig mit einer in Richtung der Längsachse einseitig offenen und beidseitig geschlossenen Ausnehmung.
Der Kolben 1 gemäß der Erfindung wird im wesentlichen von zwei Abschnitten gebildet, von denen der eine Abschnitt zum Teil der Brenngaswärme ausgesetzt ist und der andere Abschnitt hinter diesem erstgenannten Abschnitt die Führungsaufgaben des ersten Abschnittes übernimmt. Der der Brenngaswärme ausgesetzte Abschnitt wird dabei von einem Boden 2 mit einem an diesem sich anschließenden Ringträger 3, an dem Dicht- und Abstreifringe 4, 5 angebracht sind, und einem den Boden mit einem Fuß 6 des Kolbens 1 verbindenden Mantel 7 gebildet, und welcher Abschnitt über dessen Fuß und einem diesen mit dem anderen Abschnitt verbindenden und nur strichpunktiert angedeuteten Gelenkbolzen 8 mit diesem zweiten Abschnitt verbunden ist. Dieser zweite Abschnitt ist dabei als ein Führungsteil 9 ausgeführt, welches in diesem Fall ringförmig gestaltet und mit seinem Mantel an den Innenwänden eines Zylinders 10 radial abgestützt ist.
Das Führungsteil 9 dient der Aufnahme von Normalkräften aus der Schrägstellung des Pleuels bei seinem Längshub in einem Zylinder 10 und ist mit dem ersten Abschnitt pendelnd verbunden, damit dieser erste Abschnitt, von Normalkräften entlastet, sich ausschließlich der Abdichtung des Ringträgers 3, und somit auch des Bodens 2 des Kolbens 1, am Zylinder 10 widmen kann. Der Mantel 7, der den Boden 2 des Kolbens 1 mit dessen Fuß 6 verbindet, ist bei dieser Ausführung kegelförmig ausgeführt und in seinem Inneren mit einer Ausnehmung 11 versehen, welche gemäß der rechten Darstellung des Kolbens 1 in Fig. 1 im Bereich des Fußes 6 über eine Öffnung 12 ins Freie mündet. Der Boden 2 des Kolbens 1 ist bei der rechten Darstellung desselben in Fig. 1 als ein sich über den ganzen Durchmesser des Bodens erstreckender geschlossener Bodenteil 3, hingegen bei der linken Darstellung in Fig. 1 verschließbar, und zwar mittels eines Deckels 14, ausgeführt. Bei Ausführung des Kolbens 1 mit einem solchen Deckel 14 zum Abschließen der Ausnehmung 11 im Inneren des Mantels 7 ist es sinnvoll, den Rand 15 des Deckels beispielsweise durch Reib- oder Elektronenstrahlschweißung mit dem Boden 2 des Kolbens unlösbar zu verbinden, um auf diese Weise den Kolben als eine Einheit auszuführen. In der linken Darstellung des Kolbens 1 in Fig. 1 ist der besseren Darstellung wegen zwischen dem Rand 15 des Deckels 14 und dem Boden 2 ein Spalt 16 gezeichnet, der Ilt dem Schweißmaterial auszufüllen wäre. Für das Einsetzen des Deckels 14 ist im Bereich dessen Randes 15 ein Sitz 17 am Boden 2 eingearbeitet.
Um dem Boden 2 des Kolbens 1 auch die für die Aufnahme des Gasdruckes erforderliche Standfestigkeit zu verleihen, ist es vorteilhaft, den Boden, unabhängig davon ob er als durchgehendes Bodenteil 13 oder als Deckel 14 ausgefUhrt ist, mit zur Rotationsachse Y vom Rand bzw.
außen nach innen zunehmenden Querschnitt auszuführen, wie dies auch in Fig. 1 dargestellt ist, wobei der grdßte Querschnitt ul die Rotationsachse zu liegen käme.
Analog der kegelförmigen Gestaltung des Mantels 7, ist auch die Ausnehmung 11 im Inneren desselben kegelföraig ausgerührt. Die Basis dieser Ausnehmung 11, welche dem Boden 2 des Kolbens 1 zugewandt ist, kann einen Durchmesser 18 aufweisen, der annähernd die Größe eines Schwerkreises 19 des Bodens haben kann, wobei unter Schwerkreis hier der etwa 0,7-tache Durchmesser des Bodens des Kolbens verstanden wird.
Der den Boden 2 mit dem Fuß 6 des Kolbens 1 verbindende Mantel 7 kann, wie dargestellt, vorzugsweise die kegelförmige Gestalt aufreißen und kann im Bereich seiner Enden, d. h. seiner Basis 20 und seines Kegelstumpfes 21, über StUtzflichen sowohl am Boden 2 als auch an den Schenkeln 22, 23 im Bereich des Fußes 6 des Kolbens angeschlossen sein. Die Flachen der Querschnitte des Mantels 7 sollen nach Möglichkeit in allen Querschnittsebenen entlang seiner Länge 24 gleich sein, was dadurch erreicht wird, daß der Mantel als ein rotationssy-etrisches Bauteil ausgefuhrt und auch die Ausnehmung 11 selbst dieser rotationssymetrischen Form angepaßt ist.
In besonders gelagerten Fällen wäre es auch denkbar, die Ausnehmung 11 sowohl am Boden 2 als auch am Fuß 6 drittels eines weiteren Deckels 25 zu verschließen und diese Ausnehmung selbst auch in einem solchen Fall als einen Hohlraum zu belassen. Das Verschließen dieser Ausnehmung 11 kann dabei mittels des vorgenannten Dekkels 25 oder bei Vorhandensein einer Öffnung am Boden 2 durch Belassen eines Wandteiles im Bereich des Fußes 6 ausgeftihrt sein. Bei Vorsehen eines Deckels 25 auch am Fuß 6 des Kolbens 1 ist es erforderlich, den Mantel 7 an seinem dem Fuß zugewandten Ende, d. h. im Bereich des Kegelstumpfes 21, ebenfalls mit eine Sitz 26 zu versehen. Die Verbindung dieses Deckels 25 mit dem Mantel 7 kann, wie auch die Verbindung des Deckels 14 mit dem Boden 2, durch Elektronenstrahlschweißung o. a. erfolgen.
In der Regel, und das haben bisherige Anvendungen des Kolbens 1 gezeigt, wird dieser mit einem als durchgezogenen Wandteil 13 gebildeten Boden 2 ausgeführt, und es bleibt die Ausnehmung 11 am Fuß 6 des Kolbens offen.
Bei einer solchen Ausführung des Kolbens 1 ist es auch möglich, diesen durch Einführen eines Spritzöls in dessen Ausnehmung 11 auch zu kühlen, wenn die Belastung des Kolbens dies notwendig erscheinen läßt.
Die am Fuß 6 des Kolbens 1 vorgesehenen Schenkel 22, 23 können in eine solchen Fall neben ihrer symmetrischen Anordnung zu einer durch den Kolben führenden Längsmittelebene X auch eine ausreichend große Spalte zwischen sich in der Höhe deren Augen 26, 27 furden Gelenkbolzen 8 aufrisen, durch die das Spritzöl in die Ausnehmung 11 gelangen kann. Im Fall einer geschlossenen Ausführung der Ausnehmung 11 am Fuß 6 des Kolbens 1 ist es denkbar, mittels dieses Spritzöls den Bereich um den Fuß des Kolbens ausreichend zu kühlen.
Untersuchungen mit solchen wärmedichten Kolben 1 haben auch ergeben, daß durch den Anschluß des Ringträgers 3 über eine Engstelle 28 am Boden 2, die am Ringträger angebrachten Dicht- und Abstreifringe 4, 5 weitgehend von der Wärmeeinwirkung entlastet bleiben, so daß diese Ringe nicht nur eine längere Standzeit haben können, sondern auch aus weniger wärmebestindigem Material und somit auch preisgünstiger hergestellt werden können.
Die Engstelle 28 zwischen Boden 2 und Ringträger 3 des Kolbens 1 liegt in der Höhe einer am Boden des Kolbens führenden Geraden 29.
Somit kann der Kolben 1 nicht nur mit der innerhalb dessen Mantels 7 vorgesehenen Ausnehmung 11 ausgestattet werden, sondern es kann diese Ausnehmung Je nach Wahl des Verbrennungsverfahrens einerseits und gewichtsparender Ausführung des Kolbens andererseits mindestens in einer Richtung der Längsachse, d. h. der Rotationsachse Y, des Kolbens geschlossen ausgeführt sein. Auf diese Weise ist der Kolben 1 sehr einfach für die gegebenen Erfordernisse umrüstbar, so daß auch vielfach eine Grundkonzeption des Kolbens für verschiedene Verbrennungsverfahren (Brennraum im Kolbeninneren oder außerhalb desselben) in Fertigung und Vorrat genommen zu werden braucht.
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Claims

PATENTANSPRUCHE 1. Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit einem der Brenngaswärme ausgesetzten Boden und einem diesen mit einem nur Normalkräfte aufnehmenden FUhrungsteil verbindenden Mantel, sowie einem am Boden des Kolbens angeschlossenen und Dicht- und Abstreifringe aufweisenden Ringträger, welcher über eine im Bereich einer durch den Boden des Kolbens führenden Gerade liegenden Engstelle am Boden des Kolbens angeschlossen ist, und bei welchem Kolben der den Boden mit dem Führungsteil verbindende Mantel an seinem dem Boden abgewandten Ende von zwei gabelförmig ausgeführten Schenkeln gebildeten Fuß aufweist, wobei diese Schenkel symmetrisch zu einer durch die Mitte des Kolbens führenden Ebene angeordnet und mit Augen für einen den Mantel mit dem Führungsteil verbindenden Gelenkbolzen ausgestattet sind, dadurch~eI(en£izeichnet, daß der Mantel (7) kegelstumpfförmig ausgeführt und in seinem Inneren mit einer Ausnehmung (11) ausgestattet ist, und daß diese Ausnehmung mindestens in einer Richtung der Längsachse (Rotationsachse Y) des Kolbens (1) geschlossen ausgefUhrt ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) gegen den Boden (2) des Kolbens (1) durch den Boden selbst geschlossen ist.
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) des Kolbens (1) im Bereich um die Rotationsachse (y) der Ausnehmung (11) eine zur Mitte der Ausnehmung kegelförmig zunehmende Wandstärke aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmig zunehmende Wandstärke vom Rand der Ausnehmung (11) an deren Basis (18) bis zur Rotationsachse (Y) reicht.
5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen aller Querschnitte der Wand des Mantels (7) in allen Querschnittsebenen gleich ist.
6. Kolben nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) innerhalb des Mantels (7) des Kolbens (1) neben der zum Fuß (6) weisenden Öffnung (12) auch eine Öffnung am Boden (2) des Kolbens aufweist, und daß diese Öffnung durch einen mit dem Boden verbundenen Deckel (14), welcher auch einen Teil des Bodens bildet, verscnlossen ist.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daP, der Deckel (14) im Bereich des Schwerkreises (19) des Bodens (2) an diesem befestigt ist.
8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Fuß (6) zugewandte Öffnung (12) der Ausnehmung (11) mittels eines Deckels (25) verschlossen Ist.
9. Kolben nach den AnsprUchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (14, 25) lmlösbar mit den Teilen (Boden 2, Mantel 7) des Kolbens (1) verbunden sind.
10. Kolben nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (14, 25) lösbar mit den Teilen (Boden 2, Mantel 7) des Kolbens (1) verbunden sind.