DE3625492A1 - Mehrteiliger kolben fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Kolben ist aus der DD-PS 1 23 962 bekannt. Um den Wärmefluß zum Kolbenringfeld zu beeinflussen, weist der Kolben ein den Feuersteg und das Ringfeld bildendes Ringelement auf, das aus einem beliebigen Werkstoff ge­ fertigt sein kann. Zwischen dem Ringelement und dem Kolben ist ein Kühlraum begrenzt, der ständig von Kühlmittel durchströmt ist. Der Wärmefluß in die Ringpartie ist dabei vom Kühlmitteldurchsatz im Kühlraum beeinflußbar, so daß die Temperatur des Ringelementes auf einem vertretbaren Niveau gehalten werden kann. Dieser bekannte Kolben kann sowohl bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen wie bei Brennkraftmaschinen Verwendung finden, die einen luft­ gekühlten Kopf und einen flüssigkeitsgekühlten Kolben ha­ ben.

Gerade bei Brennkraftmaschinen mit einem luftgekühlten Kopf und flüssigkeitsgekühlten Kolben ist jedoch eine er­ höhte Wärmeabfuhr im Bereich des Ringelementes erforder­ lich, um die Zylinderlaufbuchse temperaturmäßig nicht zu hoch zu beanspruchen. Darüber hinaus ergibt sich bei der­ artigen Motoren die Problematik daß ein Teil der Verbren­ nungswärme über den verrippten Zylinderkopf an die Kühl­ luft abgegeben wird, wodurch ein relativ niedriges Tempe­ raturniveau der Kühlflüssigkeit bzw. des Kühlöls auftritt. Hierdurch resultiert einerseits eine relativ lange Warm­ laufphase, andererseits kann die Kühlflüssigkeit bzw. das Kühlöl kaum zu Heizzwecken ausgenutzt werden, da die während des Verbrennungsvorgangs in das Kühlöl übertreten­ de Wärmemenge gerade so groß oder nur geringfügig größer als die Wärmemenge ist, die zur Aufrechterhaltung einer vorteilhaften Betriebstemperatur im Kühlöl - das gleich­ zeitig als Schmieröl verwendet wird - notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubil­ den, daß der Wärmefluß in radialer Richtung zum Zylinder­ rohr möglichst klein und der Wärmefluß in axialer Richtung des Kolbens möglichst groß ist.

Diese Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Da das Ringelement den gesamten die Brennraummulde um­ gebenden Kolbenboden bildet und aus einem Material nie­ driger Wärmeleitfähigkeit besteht, ist ein Wärmeübertritt in den Kolbengrundkörper im wesentlichen nur im Bereich der Brennraummulde gegeben, die etwa mittig im Kolben liegt. Da der Kolben aus einem Material hoher Wärmeleit­ fähigkeit besteht, wird die Verbrennungswärme rasch auf­ genommen und im Kolbengrundkörper weitergeleitet. Radial zum Ringträger hin ist der Kolbengrundkörper vom Ringele­ ment durch einen Kühlraum begrenzt, so daß die radial sich verteilende Wärmemenge über im Kühlraum zirkulierende Kühlflüssigkeit abgeführt wird, ohne daß ein wesentlicher Wärmeübergang in den Ringträger auftritt. Der Wärmefluß erfolgt somit im wesentlichen axial im Kolbengrundkörper, wobei dessen dem Kurbelgehäuse zugewandte Öffnung von Kühlöl angespritzt wird, so daß die axial in den Kolben­ grundkörper einfließende Wärmemenge unmittelbar an das Kühlöl weitergegeben wird, ohne in Richtung auf die Zylin­ derbuchse abzufließen.

Entspricht das Ringelement etwa der Höhe der Brennraum­ mulde, so werden die Wände der Brennraummulde ausschließ­ lich durch das Ringelement gebildet, wodurch ein radialer Wärmeübergang über die gesamte Höhe der Brennraummulde unterbunden ist. Lediglich der freie Boden der Brennraum­ mulde ermöglicht einen Wärmeübertritt, der zu einem weit­ gehend axialen Wärmefluß im Kolbengrundkörper führt.

ln vorteilhafter Weise liegt die Teilungsebene zwischen dem Ringelement und dem Kolbengrundkörper im Übergang der senkrechten Wand der Brennraummulde zu deren Boden, so daß bei einem omegaförmigen Brennraum dessen auf der Brenn­ raummuldenachse liegender Berg des Bodens auf der Tei­ lungsebene liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben und werden in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung eines vorteilhaften Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben.

Der Kolbengrundkörper weist eine Öffnung 2 zur Aufnahme des Pleuels auf. Der dem Brennraum zugewandte Kolbenboden 15 ist mit einer Brennraummulde 4 versehen, deren Achse 4 a mit Abstand zur Kolbenachse 1 a liegt und parallel zu die­ ser verläuft.

Der die Brennraummulde 4 umgebende Kolbenbodenbereich ist von einem Ringelement 3 gebildet, das durch Schrauben 12 fest auf der der Öffnung 2 des Kolbengrundkörpers 1 gegen­ überliegenden axialen Stirnseite des Kolbens befestigt ist. Hierzu weist der Kolbengrundkörper 1 Durchgangsboh­ rungen auf, durch die sich der Schaft einer Gewinde­ schraube 12 erstreckt und in eine Sacklochgewindebohrung 14 eingreift. Zur besseren Krafteinleitung der Schrauben­ spannkraft in den Kolbengrundkörper 1 ist zwischen dem Kopf der Schraube und dem Kolbengrundkörper ein Druckstück 13 angeordnet.

Das den Kolbenboden 15 um die Brennraummulde 4 bildende Ringelement 3 erstreckt sich vorteilhaft etwa über die ganze axiale Höhe der Brennraummulde 4. Die Teilungsebene 5 zwischen dem Ringelement 3 und dem Kolbengrundkörper 1 liegt dabei in Muldenhöhe, vorzugsweise in Höhe des Über­ gangs der senkrechten Wand 6 der omegaförmigen Brennraum­ mulde 4 in deren gerundeten Bodenbereich 7. Die Wände 6 der omegaförmigen Brennraummulde liegen parallel zur Kol­ benachse 1 a) bzw. zur Brennraummuldenachse 4 a).

Das Ringelement 3 bildet ferner den Feuersteg des Kolbens, der axial über die Teilungsebene 5 hinausragt. Einteilig mit dem Ringelement 3 schließt an den Feuersteg ein Ring­ träger 10 an, in den zwei mit axialem Abstand voneinander angeordnete Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen einge­ bracht sind. Der Ringträger 10 mit seinen Ringnuten 11 liegt axial unterhalb der Teilungsebene 5.

Der Ringträger 3 begrenzt mit dem Kolbengrundkörper 1 einen Kühlraum, der im wesentlichen aus zwei Kühlräumen 8 und 9 zusammengesetzt ist. Der Kühlraum 8 erstreckt sich - etwa in Höhe von der Teilungsebene 5 ausgehend - axial in das Ringelement 3 in Richtung auf den Kolbenboden 15, wo­ bei dieser ringförmige Kühlraum 8 etwas radial nach außen zur äußeren Umfangskante 18 des Kolbens verläuft. Dieser in Form einer Ringnut in das Ringelement 3 eingebrachte Kühlraum 8 mündet in einen Ringkanal, der den vom Kolben­ grundkörper 1 und dem Ringträger 10 begrenzten Kühlraum 9 bildet. Der Kühlraum 9 erstreckt sich im wesentlichen in axialer Richtung des Kolbens.

Das Ringelement 3 des Zweimetallkolbens ist vorzugsweise aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere Stahl, d.h. also aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit herge­ stellt, während der Kolbengrundkörper aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, vorzugsweise Aluminium.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Zweimetallkolbens führt dazu, daß die Verbrennungswärme nur schlecht über das Ringelement 3 auf die Zylinderbuchse fließen kann, in der der Kolben gleitet. Dieser Wärmefluß wird darüber hinaus noch durch den Kühlraum 8 und 9 behindert, so daß die in das Ringelement 3 eintretende Verbrennungswärme im wesent­ lichen über die in den Kühlräumen zirkulierende Flüssig­ keit abgeführt werden kann. Es ergibt sich somit nur ein geringer radialer Wärmestrom.

Die in den Brennraumboden der Brennraummulde 4 ein­ tretende Verbrennungswärme wird zum Beispiel durch An­ spritzen des Kolbens mittels Kühlöl über eine Spritzdüse 17 zur Kolbenöffnung 2 hin abgeführt. Dies führt dazu, daß aufgrund der Auswahl des Werkstoffs ein im wesentlichen axialer Wärmestrom im Kolbengrundkörper 1 auftritt. Die in radialer Richtung abfließende Wärmemenge wird dabei weit­ gehend im Bereich des Kühlraums 9 an das Kühlöl abgegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Kolben ergibt sich somit eine relativ niedrige Temperaturbelastung der Ringpartie bzw. der den Kolben umgebenden Zylinderbuchse und ein großer Wärmeübergang in das Kühlöl, dem die Wärme zu Heizzwecken mittels Wärmetauschern entzogen werden kann.

Zur Vermeidung von Ölundichtigkeiten sind die Kontakt­ flächen 20, 21, 22 zwischen Kolbenunterteil 1 und Ring­ träger 3 geschliffen; im Bereich der radial umlaufenden Kontaktfläche 21 liegt der Ringträger 3 mit radialer Pres­ sung an. Das zum Kurbelgehäuse weisende Ende des Ring­ trägers liegt dabei in einem entsprechend ausgesparten Absatz 23 des Grundkörpers 1.

Der Ölabstreifring liegt in einer entsprechenden Nut 24 unterhalb des Absatzes 23 und eng benachbart zu diesem, wodurch ein einwandfreier Ölablauf gesichert ist.

Claims (7)

1. Mehrteiliger Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Kolben­ grundkörper (1) und einer im Kolbenboden (15) angeordneten Brennraummulde (4), insbesondere omegaförmige Brennraum­ mulde, und mit einem zumindest den Feuersteg (16) bilden­ den Ringelement (3), das mit dem Kolbengrundkörper (1) einen Kühlraum (8, 9) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (3) den ge­ samten die Brennraummulde (4) umgebenden Kolbenboden (15) bildet und aus einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht, während der Kolbengrundkörper (1) aus einem Ma­ terial hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, und daß die Tei­ lungsebene (5) zwischen dem Ringelement (3) und dem Kol­ bengrundkörper (1) in der Brennraummulde liegt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (3) etwa der Höhe der Brennraummulde (4) entspricht.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsebene (5) im Über­ gang der senkrechten Wand (6) der Brennraummulde (4) zu deren Boden (7) liegt.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (3) aus einem Eisenwerkstoff, vorzugsweise aus Stahl besteht.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbengrundkörper (1) aus Aluminium besteht.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (3) durch den Kolbengrundkörper (1) axial durchgreifende Schrauben (12) festgelegt ist, die in axiale Gewindesacklöcher (14) des Ringelements (3) eingreifen.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben (12) zwischen dem Kühlraum (8, 9) und der Kolbenachse (1 a) liegen.