DE3842321A1

DE3842321A1 - PISTON WITH OIL COOLING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Info

Publication number: DE3842321A1
Application number: DE3842321A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Griesbach
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1990-06-21
Also published as: EP0373689B1; EP0373689A1; DE58903352D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit Ölkühlung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für mittelschnellaufende Dieselmotoren, bestehend aus einem den Kolbenbolzen aufnehmenden Unterteil und einem einen zentralen mit am Umfang befindlichen Zulauföffnungen für das Schmieröl versehenen Kühlraum begrenzenden und das Ringfeld tragenden Oberteil, die sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht zur Kolbenachse liegende auf konzentrischen Abstützbunden angeordnete kreisförmige Auflageflächen gegeneinander abstützen, über durch die Abstützbunde und die Auflageflächen geführte Schrauben miteinander verspannt sind, im Bereich ihrer Trennungsebene eine vom Außenumfang her angebrachte umlaufende Leernut aufweisen, durch eine am Innen- oder Außenumfang der Auflagefläche des Oberteils angebrachte, an der radialen Innen- bzw. Außenseite des Abstützbundes der Auflagefläche des Unterteils anliegende Ringpassung gegeneinander zentriert sind, das Ringfeld zwei Kompressionsringe und einen Ölring aufnehmende Ringnuten aufweist, von der Leernut eine sich hinter das Ringfeld erstreckende Leernut abzweigt und sich vom Kühlraum aus parallel zur Kolbenachse verlaufende Sacklochbohrungen in den mittleren Teil des Kolbenbodens sowie vom Umfang des Kühlraums aus gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigte radial nach außen verlaufende Sacklochbohrungen bis in den Bereich hinter den Feuersteg und den Rand des Kolbenbodens erstrecken.The invention relates to a piston with oil cooling for Internal combustion engines, especially for medium-speed ones Diesel engines, consisting of a piston pin receiving lower part and a central with am Circumferential inlet openings for the lubricating oil provided cooling space and the ring field load-bearing top that is over in their parting plane concentric to the piston axis Circular support surfaces arranged in support collars support each other, through the support collars and the contact surfaces guided screws together are tense, in the area of their separation level one from Have circumferential empty groove attached to the outer circumference, through one on the inner or outer circumference of the support surface attached to the upper part, on the radial inner or Outside of the support collar of the bearing surface of the Center fit the lower part against each other are, the ring field two compression rings and an oil ring has receiving annular grooves, one of the empty groove the empty groove extending behind the ring field branches off and from the cold room parallel to the piston axis Blind holes in the middle part of the piston crown as well as from the circumference of the cold room compared to the Separation plane ascending inclined radially outwards running blind holes up to the area behind extend the top land and the rim of the piston crown.

Ein solcher in der DE-OS 37 09 969 beschriebener ölgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen besitzt infolge einer Höhe des Feuerstegs von 6 bis 15% des Kolbendurchmessers sowie einer vergleichsweise niedrigen Kompressionshöhe von 65 bis 90% des Kolbendurchmessers und damit kleinen Bauhöhe ein niedrigeres Gewicht. Durch die Anordnung der eine große Kühloberfläche schaffenden Sacklochbohrungen wird eine hinreichende Kühlung von Kolbenboden und Ringpartie erzielt und andererseits die notwendige Elastizität bei guter Dauerfestigkeit durch die Anordnung und Ausgestaltung der Leernut im Bereich der Trennungsebene von Kolbenober- und Kolbenunterteil und des damit verbundenen kreiszylinderförmigen, sich hinter die Ringpartie erstreckenden Abschnitts erreicht.One such described in DE-OS 37 09 969 As a result, oil-cooled pistons for internal combustion engines a height of the top land of 6 to 15% of the Piston diameter and a comparatively low Compression height from 65 to 90% of the piston diameter and thus a small overall height and a lower weight. By the arrangement of the creating a large cooling surface Blind holes will provide adequate cooling from Piston bottom and ring section achieved and on the other hand the necessary elasticity with good fatigue strength through the Arrangement and design of the empty groove in the area of Separation level of the upper and lower piston parts and the associated circular cylindrical, located behind the Ring section extending section reached.

Es hat sich jedoch im Motorbetrieb herausgestellt, daß sich auf den Wänden, insbesondere der gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten radial nach außen verlaufenden Sacklochbohrungen Ablagerungen ausbilden, die den Wärmeübergang vom Randbereich des Kolbenbodens sowie vom Bereich des Feuerstegs und der ersten Ringnut auf das Kühlöl erheblich beeinträchtigen. Ursache hierfür sind relativ hohe Oberflächentemperaturen infolge mangelnder Kühlwirkung durch ungenügende Füllung der äußeren Kühlölbohrungen sowie mangelnder Shaker- und Waschwirkung des Kühlöls. Diese beiden Wirkungen lassen sich durch Filmaufnahmen am Shaker-Prüfstand nachweisen.However, it has been found in engine operation that on the walls, especially the one opposite the Separation plane ascending inclined radially outwards running blind holes form deposits that the heat transfer from the edge area of the piston crown and from the area of the top land and the first ring groove to the Significantly affect cooling oil. The reason for this are relatively high surface temperatures due to lack of Cooling effect due to insufficient filling of the outer Cooling oil holes and lack of shaker and washing effects of the cooling oil. These two effects can be combined Prove film recordings on the shaker test bench.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs beschriebenen ölgekühlten Kolben so auszubilden, daß eine verbesserte Waschwirkung des Kühlöls auf die Wände der gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten radial nach außen verlaufenden Sacklochbohrungen und deren bessere Füllung erzielt wird, wobei allerdings die Temperatur im Bereich der ersten Ringnut wegen der bestehenden Korrosionsgefahr 180°C nicht unterschreiten sollte.It is therefore the object of the present invention to design oil-cooled pistons described at the outset so that an improved washing effect of the cooling oil on the Walls that rise towards the level of separation inclined radially outward blind holes and their better filling is achieved, however the temperature in the area of the first annular groove because of the Do not fall below the existing risk of corrosion 180 ° C should.

Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß in dem Abstützbund des Unterteils eine mit der Öffnung in der Trennungsebene liegende umlaufende, in den Kühlölkreislauf integrierte Rille angebracht ist und jede gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigte radial nach außen verlaufende Sacklochbohrung über wenigstens eine gegenüber der Trennungsebene ansteigend größer als die Sacklochbohrung geneigte radial nach außen verlaufende Bohrung mit der Rille verbunden ist.This problem is solved in that in the support collar of the lower part one with the opening in the parting plane horizontal circumferential, integrated in the cooling oil circuit Groove is attached and each opposite the parting plane increasing inclined radially outward Blind hole over at least one opposite the Separation level increasing larger than the blind hole inclined radially outward bore with the Groove is connected.

Die vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Neigung der die umlaufende Rille mit den Sacklochbohrungen verbindenden Bohrungen 65 bis 90° beträgt.The preferred embodiment of the invention is in that the inclination of the circumferential groove with the Blind holes connecting holes 65 to 90 ° is.

Die Bohrungen besitzen zur Erzeugung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit einen Durchmesser von < 10 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm.The holes have a high generation Flow velocity a diameter of <10 mm, preferably 2 to 6 mm.

Zweckmäßigerweise beträgt die Breite der umlaufenden Rille 5 bis 20 mm und die Tiefe 10 bis 25 mm.The width of the circumferential groove is expediently 5 to 20 mm and the depth 10 to 25 mm.

Im Rahmen der weiteren Ausbildung der Erfindung mündet diese Bohrung tangential in der Sacklochbohrung, um einen optimalen Verlauf der Kühlölströmung zu gewährleisten.As part of the further development of the invention flows this hole tangential in the blind hole to one to ensure optimal course of the cooling oil flow.

Die Anordnung der umlaufenden Rille und der die Sacklochbohrungen mit der Rille verbindenden Bohrungen mit vergleichsweise kleinem Durchmesser, aus denen das Kühlöl mit hoher Geschwindigkeit austritt, sowie deren Lage bezogen auf die Trennungsebene ermöglicht, daß auch in den exponierten Bereichen der gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten radial nach außen verlaufenden Sacklochbohrungen die dort einfallende Wärme so schnell wie möglich abtransportiert wird und die Verkokung des Kühlöls unterbleibt bzw. Ablagerungen vermieden werden.The arrangement of the circumferential groove and the Blind holes with the groove connecting holes with comparatively small diameter, from which the cooling oil emerges at high speed, as well as their location based on the level of separation allows that even in the exposed areas of the opposite of the separation level increasing inclined radially outward Blind holes the heat incident there so quickly is transported away as possible and the coking of the No cooling oil or deposits are avoided.

Die Zeichnung zeigt ein Segment des erfindungsgemäß gestalteten ölgekühlten Kolbens entlang der Kolbenachse und der Bolzenachsrichtung einerseits sowie der Kolbenachse und der Richtung senkrecht zur Bolzenachsrichtung einschließenden Ebenen andererseits in axionometrischer Darstellung. The drawing shows a segment of the invention designed oil-cooled pistons along the piston axis and the bolt axis direction on the one hand and the Piston axis and the direction perpendicular to Levels including bolt axis direction on the other hand in axionometric representation.

Der Kolben ist aus einem aus Grauguß bestehenden, den Kolbenbolzen (1) aufnehmenden Unterteil (2) und einem aus Stahl bestehenden, den zentralen Kühlraum (3) begrenzenden und die Ringpartie (4) tragenden Oberteil (5) mit flacher Brennraummulde (6) aufgebaut. Das Unterteil (2) und das Oberteil (5) sind durch nicht dargestellte Dehnschrauben miteinander verspannt. Das Unterteil (2) ist beidseitig der die Bolzenachsrichtung einschließenden horizontalen Ebene und kolbenfußseitig bis zum unteren Ende sehnenartig gegenüber dem Außenumfang des Unterteils (2) zurückgesetzt und die Naben (7) der Bolzenaugen zur Kolbenachse hin verschoben. Das Unterteil (2) und das Oberteil (5) stützen sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht zur Kolbenachse stehenden, auf Abstützbunden (8, 9) angebrachten kreisringförmigen Auflageflächen (10, 11) gegeneinander ab. Die Dehnschrauben sind durch die Abstützbunde (8, 9) und die Auflageflächen (10, 11) geführt. Am Innenumfang der Auflagefläche (11) des Oberteils (5) ist eine Ringpassung (12) angebracht, die an der Innenseite des Abstützbundes (8) der Auflagefläche (10) des Unterteils (2) zentrierend anliegt. Gegenüber der Trennungsebene von Oberteil (5) und Unterteil (2) befindet sich eine umlaufende Leernut (13) mit einem rechtwinklig davon abzweigenden parallel zur Kolbenachse verlaufenden sich hinter die Ringpartie erstreckenden kreiszylinderförmigen Abschnitt (14). Die Ringpartie (4) weist zwei Ringnuten (15, 16) für die Aufnahme von Kompressionsringen und eine Ringnut (17) für die Aufnahme eines Ölrings auf. Vom Umfang des Kühlraums (3), der kolbenfußseitig durch einen gewölbeartig gestalteten und mit den Naben verbundenen Boden (18) mit einer Ablauföffnung (19) für das Kühlöl abgeschlossen ist, erstrecken sich unter einem Winkel von 45° zur Trennungsebene ansteigend geneigte radial nach außen verlaufende Sacklochbohrungen (20) bis hinter den Feuersteg (21) und unter den Bereich des Randes des Kolbenbodens. Vom Kühlraum (3) ausgehend sind ferner koaxial verlaufende Sacklochbohrungen (22) im mittleren Teil des Kolbenbodens in nicht dargestellter Sechseckkonfiguration angeordnet. In dem Abstützbund (8) des Unterteils (2) ist eine mit der Öffnung in der Auflagefläche (10) liegende umlaufende Rille (23) angebracht, der über mehrere nicht dargestellte parallel zur Kolbenachse verlaufende Bohrungen Kühlöl zugeführt wird. Die gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten radial nach außen verlaufenden Sacklochbohrungen (20) sind über gegenüber der Trennungsebene stärker als die Sacklochbohrungen (20) geneigte radial nach außen durch den Abstützbund (9) des Oberteils (5) verlaufende Bohrungen (24) mit der Rille (23) verbunden und treten tangential in die Sacklochbohrungen (20) ein. Das Unterteil (2) kann auch aus einer Aluminium-Kolbenlegierung bestehen.The piston is made of a gray cast iron, the piston pin ( 1 ) receiving the lower part ( 2 ) and a steel, the central cooling chamber ( 3 ) delimiting and the ring section ( 4 ) supporting upper part ( 5 ) with a flat combustion chamber bowl ( 6 ) . The lower part ( 2 ) and the upper part ( 5 ) are clamped together by expansion screws, not shown. The lower part ( 2 ) is set back on both sides of the horizontal plane enclosing the pin axis direction and on the piston foot side up to the lower end like a sinew against the outer circumference of the lower part ( 2 ) and the hubs ( 7 ) of the pin eyes are displaced towards the piston axis. The lower part ( 2 ) and the upper part ( 5 ) are supported against one another via annular bearing surfaces ( 10 , 11 ), which are perpendicular to the piston axis in their plane of separation and are attached to support collars ( 8 , 9 ). The expansion screws are guided through the support collars ( 8 , 9 ) and the contact surfaces ( 10 , 11 ). On the inner circumference of the support surface ( 11 ) of the upper part ( 5 ) there is an annular fit ( 12 ) which is centered on the inside of the support collar ( 8 ) of the support surface ( 10 ) of the lower part ( 2 ). Opposite the plane of separation of the upper part ( 5 ) and lower part ( 2 ) there is a circumferential empty groove ( 13 ) with a circular cylindrical section ( 14 ) that branches off at right angles and runs parallel to the piston axis and extends behind the ring section. The ring section ( 4 ) has two ring grooves ( 15 , 16 ) for receiving compression rings and one ring groove ( 17 ) for receiving an oil ring. From the circumference of the cooling space ( 3 ), which is closed on the piston foot side by a vault-like base ( 18 ) with a drain opening ( 19 ) for the cooling oil, extends at an angle of 45 ° to the parting plane blind holes ( 20 ) running behind the top land ( 21 ) and under the area of the rim of the piston crown. Starting from the cooling space ( 3 ), coaxial blind bores ( 22 ) are also arranged in the central part of the piston head in a hexagonal configuration (not shown). In the support collar ( 8 ) of the lower part ( 2 ) there is a circumferential groove ( 23 ) with the opening in the support surface ( 10 ), to which cooling oil is supplied via several bores (not shown) running parallel to the piston axis. The blind hole bores ( 20 ), which are inclined radially outward and increase in relation to the plane of separation, are bores ( 24 ) with the groove ( 24 ) which extend radially outward more than the blind hole bores ( 20 ) through the support collar ( 9 ) of the upper part ( 5 ) and have the groove ( 23 ) and enter tangentially into the blind holes ( 20 ). The lower part ( 2 ) can also consist of an aluminum piston alloy.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß die Ausbildung einer Koksschicht bzw. von Ablagerungen auf den gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten radial nach außen verlaufenden Sacklochbohrungen unterbleibt, ohne daß die vorteilhaften Wirkungen des Kolbens beeinträchtigt werden.The advantage achieved with the invention is particular to be seen in the fact that the formation of a coke layer or of deposits on the opposite of the separation level increasing inclined radially outward Blind holes are omitted without the advantageous Effects of the piston are affected.

Claims

1. Piston with oil cooling for internal combustion engines, in particular for medium-speed diesel engines, consisting of a lower part receiving the piston pin and a central cooling space provided with circumferential inlet openings for the cooling oil and the upper part bearing the ring field, which is perpendicular to the piston axis in its plane of separation support lying circular support surfaces arranged on concentric support collars against each other, are clamped together by screws guided through the support collars and the support surfaces, have a circumferential empty groove in the area of their parting plane, provided by an outer groove on the inner or outer circumference of the support surface of the upper part ring fit against the radially inner or outer side of the support collar of the support surface of the lower part, the ring field accommodating two compression rings and an oil ring Has annular grooves, an empty groove extending behind the ring field branches off from the cooling space and blind holes extending parallel to the piston axis from the cooling space into the central part of the piston crown, and from the circumference of the cooling space, blind holes, which are inclined radially outwards and rise towards the area, from the circumference of the cooling space extend behind the top land and the rim of the piston crown, characterized in that in the support collar ( 8 ) of the lower part ( 2 ) there is a circumferential groove ( 23 ) with the opening in the plane of the bearing surface ( 10 ) and each opposite the separation plane the inclined radially outwardly extending blind hole ( 20 ) is connected to the groove via at least one bore ( 24 ) which is inclined radially outwards and is larger than the blind hole and is larger than the blind hole and extends through the support collar of the upper part.

2. Piston according to claim 1, characterized in that the inclination of the bores ( 24 ) is 65 to 90 °.

3. Piston according to claims 1 and 2, characterized in that the bores ( 24 ) have a diameter of <10 mm, preferably 2 to 6 mm.

4. Piston according to claims 1 to 3, characterized in that the width of the groove ( 23 ) is 5 to 20 mm and the depth is 10 to 25 mm.

5. Piston according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the bores ( 24 ) open tangentially into the blind bores ( 20 ).