DE3723046A1 - Tauchkolben einer hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem nach dem Shakerprinzip arbeitenden Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 35 02 644 ist ein nach dem Shakerprinzip gekühlter Tauchkolben bekannt, dessen äußerer Kolbenkühlraum im Kolbenoberteil von gegen den Rand des Kolbenbodens nach außen geneigten Sacklöchern gebildet wird. Im Kolbenunterteil setzt sich der äußere Kolbenkühlraum als ein bis in Höhe des Pleuelkopfes herabreichender umlaufender Ringkanal fort. Das durch die Shakerwirkung des Kolbens bei dessen Aufwärtshub aus diesem Ringkanal emporgeschleuderte Kühlöl trifft in einer Front auf die Eintrittsquerschnitte der Sacklöcher im Kolbenoberteil. Dabei ist der Anteil des in die Sacklöcher eintretenden Kühlöls aufgrund der in den Sacklöchern eingeschlossenen Luft gemessen an der emporgeschleuderten Menge sehr gering. Da gleichzeitig durch das vom inneren Kolbenkühlraum über die schräg in die Sacklöcher einmündenden Durchlaßkanäle Öl in die Sacklöcher gefördert wird, gibt es für eingeschlossene Luftblasen keine Möglichkeit des Entweichens. Der schlechtere Wärmeübergangsbeiwert der Luft sowie deren geringere spezifische Wärmekapazität verhindern eine optimale Kühlwirkung im äußeren Kolbenkühlraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlwirkung eines Tauchkolbens im Bereich des äußeren Kolbenkühlraums zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch das Vorsehen von unteren Sacklöchern im Kolbenunterteil, die zu den oberen Sacklöchern soweit versetzt angeordnet sind, daß sich ihre Eintrittsquerschnitte nur teilweise überlagern, wird eine günstige Strömungsführung in den oberen Sacklöchern entlang einer Wand derselben erreicht. Der in den oberen Sacklöchern zu Beginn eines Aufwärtshubes befindlichen Luft wird die Möglichkeit zum Entweichen entlang der der ölführenden Seite gegenüberliegenden Seite der oberen Sacklöcher gegeben.

Da das Kolbenunterteil im Außenbereich nicht mehr durch einen umlaufenden Ringkanal, sondern nur durch einzelne Sacklöcher geschwächt wird, gestattet der erfindungsgemäße Kolben auch bei sehr hohen Zünddrücken die Verwendung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Werkstoff zur Herstellung des Kolbenunterteils.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Dabei ist eine Schrägstellung der Achsen von im Kolbenunterteil angeordneten Sacklöchern prinzipiell aus der DE-PS 35 11 853 bekannt. Diese sind jedoch in Umfangsrichtung und nicht in radialer Richtung geneigt, um die Kühlölverwirbelung in einem im Kolbenoberteil durch einen umlaufenden Ringraum gebildeten äußeren Kolbenkühlraum zu verbessern.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit mehreren Varianten anhand der Zeichnungen erklärt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen shakergekühlten Tauchkolben im Halblängsschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf das Kolbenunterteil,

Fig. 3 eine Variante zur Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Variante zu Fig. 2 und 3 und

Fig. 5 einen Teillängsschnitt einer Variante zur Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kolbenoberteil eines nach dem Shakerprinzip mit Öl gekühlten Tauchkolbens einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet. Das Kolbenoberteil 1 setzt sich aus einem dem Brennraum zugewandten Kolbenboden 2 und einem seitlich an diesem anschließenden Kolbenhemd 3 zusammen. Der obere Teil des Kolbenhemdes 3 wird als Feuersteg 4 bezeichnet, der untere Teil dient mit seinen Ringnuten 5 zur Aufnahme nicht dargestellter Kolbenringe.

An der Unterseite 6 des Kolbenbodens 2 ist vorzugsweise in einem solchen Abstand von der Kolbenlängsachse 7, in dem bei Belastung des Kolbenbodens mit Betriebskräften dessen belastungsneutrale Zone liegt, eine ringförmige Tragrippe 8 angeformt. Mittels dieser stützt sich das Kolbenoberteil 1 auf einem ringförmigen Tragbund 9 ab, der sich an der Oberseite eines Kolbenunterteils 10 befindet. Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 10 sind im Bereich des Tragbundes über mehrere Spannschrauben 11 miteinander verbunden, die in der für die Fig. 1 gewählten Schnittebene nicht dargestellt sind, deren Lage aber den Fig. 3 bis 5 entnommen werden kann.

Das Kolbenunterteil 10 ist in seiner Mitte in Richtung der Kolbenlängsachse 7 von einer Kühlölzuführung 12 durchdrungen, deren Bohrung 13 über weitere Bohrungen in einer nicht dargestellten Pleuelstange mit Kühlöl versorgt wird. Die Kühlölzuführung 12 ragt über die Oberseite des Kolbenunterteils 10 hinaus in einen inneren Kolbenkühlraum 14 hinein, der von der Außenseite der Kühlölzuführung 12, der Unterseite des Kolbenbodens 2, der Oberseite des Kolbenunterteils 10 sowie den Innenwänden des Tragbundes 9 und der Tragrippe 8 begrenzt wird.

Der innere Kolbenkühlraum 14 steht über die Tragrippe 8 durchdringende, schräg nach außen steigende Durchlaßkanäle 15 mit einem äußeren Kolbenkühlraum 16 in Verbindung. Dieser wird von der Innenseite des Kolbenhemdes 3 sowie den Außenseiten der Tragrippe 8 und des Tragbundes 9 begrenzt und ist in seinem mittleren Teil auf Höhe der Ringnuten 5 als umlaufender Ringkanal 17 ausgebildet. Im Kolbenoberteil 1 wird der äußere Kolbenkühlraum von oberen Sacklöchern 18 gebildet, die von der Unterseite des Kolbenoberteils 1 her gegen die Kante des Kolbenbodens 2 schräg nach außen verlaufen. Die Längsachsen 19 der oberen Sacklöcher 18 weisen gegenüber der Kolbenlängsachse 7 einen spitzen Neigungswinkel 20 auf.

Im Kolbenunterteil 10 ist der äußere Kolbenkühlraum 16 durch von dessen Oberseite her eingebrachte untere Sacklöcher 21 fortgesetzt, deren Längsachse 22 in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Kolbenlängsachse 7 verläuft.

In Fig. 2, die einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf die Randzone des Kolbenunterteils darstellt, ist ersichtlich, daß die Eintrittsquerschnitte der unteren Sacklöcher 21 bei einer ersten erfindungsgemäßen Variante gegenüber den Eintrittsquerschnitten der oberen Sacklöcher 18, die zusätzlich strichpunktiert angedeutet wurden, um einen Betrag 23 radial versetzt angeordnet sind. Beim Kolbenaufwärtshub wird das über Pleuelstange, Kühlölzuführung 12, inneren Kolbenkühlraum 14 und Durchlaßkanäle 15 in den äußeren Kolbenkühlraum 16 gelangende und in den unteren Sacklöchern 21 gesammelte Kühlöl emporgeschleudert. Aufgrund des radialen Versatzes 23 wird nur der Teil des Eintrittsquerschnitts jedes oberen Sacklochs 18 mit Kühlöl beaufschlagt, der sich mit dem ihm zugeordneten unteren Sackloch 21 in der axialen Projektion überdeckt. Die in den oberen Sacklöchern 18 vorhandene Luft kann dabei über deren freien Querschnitt entlang der Innenseite des Kolbenhemdes 3 ungehindert entweichen.

In Fig. 3, die eine zweite erfindungsgemäße Variante in gleicher Ansicht wie Fig. 2 darstellt, ist mit 24 der Tragbund und mit 11 eine der bereits weiter oben erwähnten Spannschrauben bezeichnet.

Die Eintrittsquerschnitte der unteren Sacklöcher 25 sind gegenüber den Eintrittsquerschnitten der oberen Sacklöcher 26 in radialer Richtung um einen Betrag 27 und zusätzlich in Umfangsrichtung um einen Betrag 28 versetzt. In der axialen Projektion steht somit jedes obere Sackloch 26 mit zwei benachbarten unteren Sacklöchern 25 in teilweiser Überdeckung. Beim Kolbenaufwärtshub wird dementsprechend jedes obere Sackloch 26 von zwei unteren Sacklöchern 25 über die sich überdeckenden Flächen ihrer Eintrittsquerschnitte mit Kühlöl beaufschlagt. Die in den oberen Sacklöchern 25 vorhandene Luft kann dabei über die freien Querschnitte entlang der Innenseite des Kolbenhemdes 3 ungehindert entweichen.

In Fig. 4 sind bei einer dritten Variante beide in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen vorhanden. Im Bereich der Spannschrauben 11′ sind die unteren Sacklöcher 29 gegenüber den oberen Sacklöchern 30 radial und in Umfangsrichtung versetzt, womit eine größere Materialstärke zwischen den unteren Sacklöchern 29 und den Spannschrauben 11′ erreicht wird. In den übrigen, nicht von Spannschrauben 11′ durchsetzten Umfangsbereichen sind die unteren Sacklöcher 29′ gegenüber den oberen Sacklöchern 30′ ausschließlich radial versetzt.

Bei einer in Fig. 5 dargestellten Variante sind alle zur Fig. 1 gleichen Teile aus Vereinfachungsgründen mit einer um 500 erhöhten Bezugszahl versehen und werden hier nicht erneut beschrieben. In Abweichung von Fig. 1 weisen die Längsachsen 31 der unteren Sacklöcher 32 gegenüber der Kolbenlängsachse 507 in radialer Richtung einen spitzen Neigungswinkel 33 auf. Dieser Neigungswinkel 33 ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem Neigungswinkel 520, den die Längsachsen 519 der oberen Sacklöcher 518 gegenüber der Kolbenlängsachse 507 aufweisen. Das vom Grund der unteren Sacklöcher 32 beim Kolbenaufwärtshub emporgeschleuderte Kühlöl erhält dabei durch deren Neigung bereits in der Beschleunigungsphase eine radiale Komponente, die eine eindeutige Aufwärtsströmung entlang der der Kolbenmitte zugewandten Innenseiten der oberen Sacklöcher 518 begünstigt.

Der Rückfluß des Kühlöls vom äußeren Kolbenkühlraum 516 zum Kurbelgehäuse erfolgt über mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere gleichmäßig am Umfang verteilte, das Kolbenunterteil axial durchdringende Rücklaufbohrung(en). Solche Rücklaufbohrungen sind bei allen vorstehend beschriebenen Varianten vorhanden, wurden jedoch nur in Fig. 5 angedeutet.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Durchmesser der unteren Sacklöcher 29, 29′ - wie in Fig. 4 angedeutet - kleiner als die der oberen Sacklöcher 30, 30′.

Zur Verdeutlichung der Vorteile der Erfindung sei abschließend noch das Beispiel einer zu befüllenden Flasche genannt, die mit den oberen Sacklöchern vergleichbar ist. Von einem Strahl, dessen Durchmesser den der Eintrittsöffnung der Flasche übersteigt, wird diese wesentlich langsamer und mit größeren Verlusten gefüllt, als von einem einem Strahl kleineren Durchmessers, der noch dazu durch Neigung von Strahl und Flasche gegeneinander entlang einer Seite ihrer Eintrittsöffnung auftrifft.

Claims (6)

1. Tauchkolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

• - mit einem aus Kolbenboden und Kolbenhemd bestehenden Kolbenoberteil, das sich mit einer an der Unterseite des Kolbenbodens angeformten Tragrippe auf einem ringförmigen Tragbund an der Oberseite eines Kolbenunterteils abstützt und mit diesem über Spannschrauben verbunden ist,
• - mit einem von den Innenseiten des Tragbundes und der Tragrippe, der Unterseite des Kolbenbodens, der Oberseite des Kolbenunterteils und der Außenseite einer das Kolbenunterteil zentrisch durchdringenden Kühlölzuführung begrenzten inneren Kolbenkühlraum,
• - mit einem von der Außenseite des Tragbundes und der Tragrippe sowie der Innenseite des Kolbenhemdes begrenzten äußeren Kolbenkühlraum, der mit dem inneren Kolbenkühlraum über die Tragrippe durchsetzende Durchlaßkanäle verbunden ist und gemeinsam mit diesem ein nach dem Shakerprinzip arbeitendes Kühlsystem bildet und
• - mit im Bereich des äußeren Kolbenkühlraums im Kolbenoberteil von dessen Unterseite in Richtung zum Rand des Kolbenbodens hin verlaufenden oberen Sacklöchern, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kolbenkühlraum (16; 716) im Kolbenunterteil (10; 510) zumindest teilweise von in dessen Oberseite eingebrachten unteren Sacklöchern (21, 25, 27, 29; 32) gebildet ist, wobei jedes der unteren Sacklöcher (21, 25, 27, 29; 32) mit wenigstens einem der oberen Sacklöcher (18, 26, 30, 30′; 518) derart in Verbindung steht, daß durch einen Versatz (23, 27) ihrer Längsachsen (22; 31) in radialer Richtung und/oder einen Versatz (28) ihrer Längsachsen (22, 31) in Umfangsrichtung die einander zugewandten Eintrittsquerschnitte eines oberen und eines unteren Sackloches sich in axialer Projektion nur teilweise überlagern.

2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse jedes unteren Sacklochs (25, 29) mittig zwischen den Längsachsen zweier oberer Sacklöcher (26, 30) angeordnet und gegenüber diesen radial nach innen versetzt ist.

3. Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (31) der unteren Sacklöcher (32) gegenüber der Kolbenlängsachse (507) in radialer Richtung unter einem spitzen Winkel (33) zur Oberseite des Kolbenunterteils (510) hin nach außen geneigt verlaufen.

4. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (519) der oberen Sacklöcher (518) parallel zu den Längsachsen (31) der unteren Sacklöcher (32) verlaufen.

5. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der unteren Sacklöcher (29, 29′) kleiner ist als der der oberen Sacklöcher (30, 30′).

6. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenunterteil (10; 510) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.