DE3707462A1 - Oelgekuehlter, mehrteiliger tauchkolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten, mehrteiligen Tauchkolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Kolben ist aus der DE-OS 35 02 644 bekannt. Bei diesem wird Kühlöl über Bohrungen in der Kurbelwelle, eine die Pleuelstange in Längsrichtung durchdringende Ölzufuhrbohrung und eine zentrisch in einem Vorsprung des Kolbenunterteils verlaufende Kühlöldurchtrittsbohrung in einen inneren Kühlraum gepumpt, wo es zunächst gegen die in ihrer Mitte eine Erhebung aufweisende Unterseite des Kolbenbodens spritzt und sich dann entlang der gewölbten Kolbenbodeninnenseite nach außen verteilt. Dabei kann sich keine geschlossene Strömung ausbilden, denn das im unteren Ringraum des inneren Kühlraumes gesammelte Kühlöl wird durch die Shakerwirkung des auf- und abgehenden Kolbens gegen die Unterseite des Kolbenbodens geschleudert und überlagert sich der nach außen gerichteten Verteilung. Ein Teil des Öls wird durch die Shakerwirkung über die schräg nach außen gerichteten Öldurchtrittsbohrungen und an diese anschließende Sacklochbohrungen in den äußeren Kolbenkühlraum geführt, bevor es über Ablaufbohrungen im Inneren des Kolbenunterteils zum Triebwerksraum zurückgelangt. Eine reine Shakerkühlung hat den Nachteil, bezüglich ihrer Wirkung von der Drehzahl des Motors abhängig zu sein. Insbesondere bei gedrückter Drehzahl im Vollastbetrieb ist diese nicht befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, daß unabhängig von der Drehzahl eine verbesserte Kühlwirkung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch Anwendung der Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei Anwendung dieser Merkmale entsteht - unabhängig von der jeweiligen Drehzahl, abhängig allein vom Druck der Kühlölpumpe - eine erzwungene turbulente Grenzschichtströmung an der Kolbenbodenunterseite, die eine Vergrößerung der Wärmeübergangszahl α und somit der abgeführten Wärmemenge bewirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Details aus der Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines weiteren Details aus Fig. 1;

Fig. 4 eine Variante eines erfindungsgemäßen Kolbens im Längsschnitt.

Der in Fig. 1 dargestellte Tauchkolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine setzt sich aus einem Kolbenoberteil 1 und einem Kolbenunterteil 2 zusammen.

Das Kolbenunterteil 2 steht in bekannter und daher nicht dargestellter Weise über einen Kolbenbolzen mit einer Pleuelstange in Verbindung, die an ihrem anderen Ende mit einer Kurbelwelle verbunden ist.

Das Kolbenoberteil 1 setzt sich aus einem Kolbenboden 5 und einer Seitenwand 6 zusammen, wobei letztere mit ihrem oberen Teil einen Feuersteg 7 bildet und in ihrem unteren Teil Ringnuten 8 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenringpaketes aufweist. Der Kolbenboden 5 ist in der Mitte zum Brennraum 9 hin aufgewölbt, daran nach außen anschließend durch eine ringförmige Mulde 10 vertieft und zur Außenkante 11 hin mit einem hochgezogenen Rand 12 versehen. An seiner dem Brennraum 9 abgewandten Innenseite weist der Kolbenboden 5 unter der Mulde 10 eine hülsenförmige Tragwand 13 auf, die am Umfang verteilt von mehreren schräg nach außen ansteigenden Öldurchlaßbohrungen 14 durchbrochen ist. Die im wesentlichen der Kontur der Außenseite folgende Innenseite des Kolbenbodens 5 weist in ihrem Mittelbereich in Abweichung von der hier insgesamt nach oben gerichteten Wölbung eine nach unten gerichtete Erhöhung 15 auf. Von dem zwischen Tragwand 13 und Seitenwand 7 befindlichen Ringraum 16 ausgehend sind in den Rand 12 des Kolbenbodens 5 am Umfang verteilt mehrere schräg nach außen geneigte Sacklochbohrungen 17 eingebracht.

Das Kolbenoberteil 1 stützt sich mit der Unterseite der Tragwand 7 auf der Oberseite einer hülsenförmigen Tragrippe 18 am Kolbenunterteil 2 ab. Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2 sind im Bereich dieser Abstützflächen durch mehrere von unten her in Sacklochgewinde im Oberteil eingeschraubte Schrauben verbunden, die in der gewählten Schnittlage nicht dargestellt sind.

Das Kolbenunterteil 2 weist in der Mitte seiner Oberseite einen Vorsprung 19 auf, der zentrisch zur Kolbenlängsachse von einer zentralen Ölzufuhrleitung 20 durchbrochen ist. Diese steht an ihrer Unterseite mit einem in der Pleuelstange 4 verlaufenden Ölzufuhrkanal 21 in Verbindung. Die Oberseite des Kolbenunterteils 2 weist ausgehend von der sich gekrümmt nach unten erweiternden Außenwand des Vorsprungs 19 eine ringförmige Mulde 22 auf, die nach außen hin in die gekrümmte Innenwand der Tragrippe 18 übergeht.

Die Außenwand des Vorsprungs 19, die Mulde 22, die Innenwand der Tragrippe 18 und die Innenseite der Tragwand 13 begrenzen gemeinsam mit der Kolbenbodeninnenseite 23 einen zentralen Kühlraum 24. Dieser steht über die schräg nach außen ansteigenden Öldurchlaßbohrungen 14 mit einem im Querschnitt kreisringförmigen äußeren Kühlraum 25 in Verbindung, der vom Ringraum 16 und den Sacklochbohrungen 17 gebildet wird. Vom äußeren Kühlraum 25 führen mehrere, das Kolbenunterteil 2 durchdringende Ölablaufbohrungen 26 zur dem Kolbengehäuse zugewandten Unterseite des Kolbenunterteils 2.

Wie Fig. 2 zeigt, folgt ein oberhalb der Austrittsöffnung 27 der Ölzufuhrleitung 20 liegender Teil 28 der Kontur der Kolbenbodeninnenseite 23 der Funktion

wobei mit d der Durchmesser der Austrittsöffnung 27 bezeichnet ist. Zur Erläuterung der vorstehenden Funktion wird hilfsweise eine Ebene E₂ benötigt, die in einem Abstand y, der das 0,15 bis 0,20fache des Durchmessers d beträgt, parallel über der senkrecht zur Kolbenlängsachse verlaufenden Ebene E₁ der Austrittsöffnung 27 liegt. In dieser Ebene E₂ werden alle Randpunkte der Austrittsöffnung 27 senkrecht hochprojeziert und bilden dort eine der Austrittsöffnung 27 kongruente Kreisbahn. Von den durch diese Projektion entstandenen Punkten P ist exemplarisch nur ein einziger in der Fig. 2 dargestellt.

Von diesem Punkt P aus wird der Teil 28 der Kontur der gegebenen Funktion folgend durch ein Bündel von Geraden 29 erzeugt. Die abhängige Variable s in der Funktion gibt dabei die Länge dieser Geraden 29 in Abhängigkeit vom Winkel β an, den diese Geraden 29 mit der Ebene E₂ einschließen.

Die Funktion ist dabei begrenzt auf einen Winkelbereich von β, der theoretisch von 0° bis 90° reicht. In der Praxis muß die Spitze der Erhebung 15 mit einer dem Fertigungsverfahren entsprechenden Abrundung versehen werden. Als Folge dieser Abrundung wird der gültige Bereich des Winkels β auf etwa 3° bis 90° beschränkt.

Durch die Wahl des Abstandes y in Verbindung mit der Gestaltung der Kontur wird dem durch die Ölzufuhrleitung 20 austretenden, von einer Ölpumpe mit konstantem Druck geförderten Ölstrom eine derartige Richtung und Geschwindigkeit erteilt, daß sich an der Berührungsfläche mit der Kolbenbodeninnenseite 23 eine erzwungene turbulente Grenzschichtströmung einstellt. Der daraus resultierende verbesserte Wärmeübergangskoeffizient α bewirkt gegenüber einem auf herkömmliche Art allein durch Shakerwirkung gekühlten Kolben bei gleicher Ölmenge eine beträchtliche Temperaturreduzierung am Kolbenboden. Die Erfindung ist insoweit auch bei einem Kolben vorteilhaft einsetzbar, der nur über einen zentralen Kühlraum verfügt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht - wie in Fig. 3 dargestellt - vor, daß bei einem vorstehend beschriebenen Kolben mit einem zusätzlichen äußeren Kühlraum 25 am unteren Teil der dem zentralen Kühlraum 24 zugewandten Eintrittskante der Öldurchlaßbohrungen 14 wulstartige Vorsprünge 30 angeordnet sind. Durch diese wird die Geschwindigkeit des an der Kolbenbodeninnenseite 23 über die Innenseite der Tragwand 13 entlangstreichenden Ölstromes erhöht. Gemäß der Tragflügeltheorie entsteht dadurch an der Tragwand 13 zugewandten Innenseite des Ölstromes ein Unterdruck, der einen Teil desselben in die Öldurchlaßbohrungen 14 hineinzieht. Dadurch wird auch die Kühlwirkung in dem über den äußeren Kühlraum 25 liegenden Rand 12 des Kolbenbodens 5 verbessert, wobei dies ebenfalls weitestgehend unabhängig von der von der Kolbengeschwindigkeit abhängigen Shakerwirkungen geschieht.

Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Dabei wird die zentrale Ölzufuhrleitung 20 von einer in das Kolbenunterteil 2 eingesetzten röhrenförmigen Hülse 31 gebildet, wodurch die Herstellung des Kolbenunterteils selbst vereinfacht wird.

Claims (3)

1. Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben mit einem zentralen, brennraumseitig von der Kolbenbodeninnenseite begrenzten Kühlraum, in den eine zentrale Ölzufuhrleitung hineinragt, gegenüber deren kreisförmiger Austrittsöffnung an der Kolbenbodeninnenseite eine der Ölverteilung dienende Erhebung mit abgerundeter Spitze angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der über der Austrittsöffnung (27) liegende Teil (28) der Kontur der Kolbenbodeninnenseite (23) von der Mitte nach außen eine Krümmung aufweist, die der Funktion folgt, wobei mit d der Durchmesser der Austrittsöffnung (27) bezeichnet ist und mit β der in einem Bereich von 3° bis 90° veränderliche Winkel, den alle von einem Punkt P, der durch senkrechte Projektion eines beliebigen Randpunktes der Austrittsöffnung (27) auf eine parallel zu dieser in einem Abstand y = (0,15 . . . 0,20) · d befindliche Ebene E₂ erzeugt wird, ausgehenden Geraden (29) der Länge s mit dieser Ebene einschließen.

2. Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der in den zentralen Kühlraum (24) hineinragenden Ölzufuhrleitung (20) von einer ins Kolbenunterteil (2) eingesetzten Hülse (31) gebildet wird.

3. Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, der zusätzlich zum zentralen Kühlraum (24) über einen äußeren, im Querschnitt kreisringförmigen Kühlraum (25) verfügt, der mit diesem über Öldurchlaßbohrungen (14) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren, dem zentralen Kühlraum (24) zugewandten Eintrittskante der Öldurchlaßbohrungen (14) wulstartige Vorsprünge (30) angeordnet sind.