DE3922473A1 - Gegliederter kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweigeteilten Kolben der im Ober­ begriff des Patentanspruches 1 angegeben Art für Innenverbrennungs­ motoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen gegliederten Kolben, der vor allem für Dieselmotoren bestimmt ist.

Zur Zeit besteht eine zunehmende Tendenz zur Verwendung von geglieder­ ten oder zweigeteilten Kolben in Dieselmotoren. Bei einem gegliederten Kolben besteht der Kopf und der Schaft aus unabhängigen Teilen: der Schaft oder das Kolbenhemd wird mithilfe eines Kolbenbolzens mit den Kolbennaben verbunden, die sich am unteren Ende der von dem Kolbenkopf herabgeführten Teile befinden. Wenn der Kolben in den Zylinder eingepaßt ist, besteht kein Kontakt zwischen dem Kopf- und dem Schaftabschnitt. Wesentlich bei einem gegliederten Kolben ist, daß seine Bauteile unabhängige Aufgaben erfüllen: der Kopf, der den Ringbereich trägt, erfährt den Druck der Verbrennungsgase, während der Kolbenschaft als Führung des Kolbens in dem Zylinder wirkt und die Seitenkräfte aufnimmt, die durch die Neigung der Pleuelstange übertragen werden. Kolben dieser Art können in dem Zylinder mit kleinem Spiel infolge der Verwendung von Eisenmetallen geführt sein, die einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der etwa gleich dem der Zylinderlaufbüchse ist. Dies begünstigt eine bessere Kolbenringstabilität infolge einer geringeren seitlichen Bewegung des Kolbens, wodurch der Schmierölverbrauch und die Menge an durchgeblasenem Gas reduziert wird. Das Fehlen eines Kontaktes zwi­ schen dem Schaft und dem Kopf führt zu einer verringerten Temperatur an dem Schaft, weswegen ein geringeres Spiel erforderlich ist. Dies führt wiederum zu einer Verringerung des Kolbengeräuschpegels. Im all­ gemeinen ist das obere Teil oder der Kopf eines gegliederten Kolbens aus Eisenmetall gefertigt, das besonders widerstandsfähig gegen hohe thermi­ sche und mechanische Belastungen ist, während der Kolbenschaft im allge­ meinen aus einer gegossenen oder geschmiedeten Aluminiumlegierung be­ steht. Die Verwendung von Eisenmetall für den Kopf erfordert es, daß der obere Kompressionsring sehr nahe an der Oberseite des Kolbens angeordnet wird, was eigentlich bei konventionellen Kolben aus Al­ uminiumlegierung nicht praktikabel ist.

Bei Hochleistungsdieselmotoren machen die hohen Temperaturen am obe­ ren Teil des Kolbens, insbesondere in dem Ringbereich und der Verbrennungskammer, diese Bereiche extrem empfänglich für Schwierigkeiten. Im Ringbereich können hohe Temperaturen einen übergroßen und frühzeitigen Verschleiß der oberen Kompressionsringnut, die Zersetzung des Schmieröls, die Entstehung von Kohlenstoffablagerungen und ein Ringblockieren verursachen. Im Bereich der Verbrennungskammer bestehen diese Schwierigkeiten in thermischen Rissen, die zur Ausbreitung neigen und letztlich ein Zerbrechen des Kolbenbodens bewirken. Es ist daher notwendig, für eine Temperaturver­ ringerung in diesen Bereichen zu sorgen, um die Schwierigkeiten zu be­ heben. Eine bekannte Möglichkeit, diese Kühlung bei einem gegliederten Kolben zu bewirken, besteht darin, den oberen Teil des Kolbenschaftes, der in der Nähe des unteren Teil des Kolbenkopfes liegt, mit einem Trog zu versehen und in dem Kopfbereich, zwischen dem Zentrum und dem Ringbereich eine Ausnehmung auszubilden, in der Weise, daß der Trog und die Ausnehmung eine halboffene Kammer für den Umlauf für Kühlöl bilden, das in die Kammer mittels einer Einspritzdüse gefördert wird. Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens bewirkt, daß das Kühlöl in der Kammer eine Bewegung ausführt, ähnlich wie die Flüssigkeit in einem Cocktailmixer, wobei ein Teil der Wärme aus dem Ringbereich und Teilen der Verbrennungskammer abgeführt und somit die Temperatur in diesen Bereichen verringert wird. Das erhitzte Öl verläßt die Kühlkammer durch eine oder mehrere geeignet angebrachte Bohrungen, wenn eine Menge an Frischöl in die Kammer gefördert wird, woraus sich ein kontinuierlicher Umlauf von Kühlmittel ergibt.

Bei der Aufwärtsbewegung und der Abwärtsbewegung des Kolbens ergeben sich Trägheitsphänomene infolge der Verzögerungs- und Beschleunigungskräfte, die dazu führen, daß ein Teil des in die Kammer eingespritzten Öls an dem Kolbenboden verbleibt, d.h. auf dem unteren Teil der Verbrennungskammer. Sobald die Wirkung dieser Trägheitskräfte beendet ist, tropft oder fließt ein großer Teil des bis dahin festgehaltenen Kühlöls in den Trog am oberen Teil des Kolbenschafts. Zusammen mit diesem Kühlöl ist die Menge des durch die Einspritzdüse ebenfalls in den Trog eingeleiteten Öls größer als die Aufnahmefähigkeit des Troges, so daß das Überschußöl über die innere Wand des Troges in das Kurbelgehäuse strömt. Ein Teil des Überschußöls fließt jedoch über die äußere Wand des Troges und bewegt sich in Richtung auf den Zylinder durch die Öffnung zwischen dem Kopf und dem Kolbenschaft. Dieses Überschußöl, das dann zwischen dem Kolbenschaft und dem Zylinder eingeschlossen ist, führt zu einer Überbelastung des Ölabstreif­ ringes, der dann nicht verhindern kann, daß ein Teil des Öles am Kolbenkopfsteg ankommt, wo es dann in dem Verbrennungsprozeß verbrannt wird. Dies führt zu einem höheren Schmierölverbrauch, zur Ablagerung von Kohlenstoff am oberen Kolbensteg und zu einer höheren Schadstoffemission, insbesondere von Partikeln.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, bei dem die oben geschilderten Schwie­ rigkeiten weitgehend vermieden sind und bei dem das Austreten von Öl in den Zylinder weitgehend unterbunden ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspru­ ches 1 angegeben. Erfindungsgemäß ist ein zweigeteilter oder geglieder­ ter Kolben geschaffen, bei dem die Unterkante des Kolbenkopfes und die Oberkante des Kolbenschaftes so ausgebildet sind, daß sie eine Sperre bil­ den, die den Durchtritt von Kühlöl durch den Spalt zwischen dem Kopf und dem Kolbenschaft erschwert.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt des zweigeteilten Kol­ bens gemäß der Erfindung.

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Konfiguration der Unterkante des Kolbenkopfes und der Oberkante des Kolbenschaftes des in Fig. 1 gezeigten zweigeteilten Kolbens.

Fig. 3 bis 6 vergrößerte Teilansichten von verschiedenen alternativen Konfigurationen der Unterkante des Kopfes und der Oberkante des Schaftes zu dem in Fig. 1 gezeigten zweigeteilten Kolben.

Bei der in Fig. 1 beispielsweise wiedergegebenen Ausführungsform eines zweigeteilten oder gegliederten Kolbens besteht der Kolben aus einem Kopfteil 11, das einen Ringbereich 13, eine Verbrennungsmulde 14 und eine Ausnehmung 15 zwischen dem Ringbereich 13 und der Verbrennungs­ mulde 14 aufweist, und aus einem Schaftteil 12, das in seinem oberen Bereich mit einem Trog 16 versehen ist, wobei die Ausnehmung 15 und der Trog 16 eine halboffene Kühlkammer bilden. Einstückig mit dem Kolbenkopf sind zwei Teile 17 mit Kolbennaben 18 zur Aufnahme des Kolbenbolzens 19. Der Kolbenschaft 12 ist auf den Naben 18 mittels des Kolbenbolzens 19 befestigt. Wie aus der vergrößerten Detaildarstellung der Fig. 2 hervorgeht, ist bei diesem Ausführungsbeispiel das untere Ende des Kopfes 11 an der Außenseite eingekerbt, so daß sich eine Stufe bildet. Das obere Ende des Schaftes 12 ist an der Innenseite eingekerbt oder eingerückt, so daß ebenfalls eine Stufe, jedoch in umgekehrter Lage bezogen auf die Stufe des Kopfteiles, gebildet wird. Bei zusammengesetztem Kolben befinden sich die beiden genannten zueinander komplementären Stufen in einer solchen gegenseitigen Beziehung, daß der Vorsprung des einen Teiles in eine Nut auf dem anderen Teil paßt, so daß dadurch eine etwa Z-förmige Sperre geschaffen wird, die die Ölströmung aus dem Trog 16 in den Zylinder durch den Spalt zwischen dem Kopf und dem Schaft des Kolbens erschwert. Die Sperre besteht somit aus einem Z-förmigen Labyrinth, das durch komplementäre Nuten und Vorsprünge am Außenmantel des Kolbenkopfes, bzw. des Kol­ benschaftes in dem Bereich vorgesehen ist, in dem die beiden Teile aneinandergrenzen.

Bei der Ausführungsvariante, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist das untere Ende des Kopfes 11 am inneren Teil eingeschnitten, während das obere Ende des Kolbenschaftes 12 an seinem äußeren Teil eingeschnitten oder eingerückt ist. Auf diese Weise ergibt sich bei diesem Ausführungsbei­ spiel eine Labyrinthsperre etwa in Form eines umgekehrten "Z".

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei weitere Ausführungsvarianten. In Fig. 4 ist das obere Ende des Kolbenschaftes mit einem Vorsprung versehen, der zu einer Ausnehmung paßt, die am unteren Ende des Kopfes 11 vorgesehen ist.

In Fig. 5 weist das untere Ende des Kopfes 11 die Form eines Vorsprun­ ges auf, der in eine am oberen Ende des Kolbenschaftes 12 vorgesehene Ausnehmung paßt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das untere Ende des Kopfes 11 und das obere Ende des Schaftes 12 mit Schrägkanten versehen sind, die abwärts in das Kolbeninnere und parallel zueinander verlaufen. Bei dieser Ausführungsform wird das Fehlen eines Labyrinths durch den hydrodynamischen Druck kompensiert, der sich in dem Raum ausbildet, der durch den Kolben, den Ölabstreifring und die Zylinderlaufbuchse gebil­ det wird, welcher Druck das in diesem Raum zurückgehaltene Öl in den Spalt zwischen dem Kopf und dem Schaft drückt und dabei gegen die aus dem Trog 16 in den Zylinder gerichtete Ölströmung wirkt.

Die Ausnehmungen und Vorsprünge sind so dimensioniert, daß kein Kontakt zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft während des Betriebs des Motors ermöglicht wird.

Claims (3)

1. Gekühlter zweiteiliger Kolben mit unabhängigen Kopf- und Schaft­ teilen, bei dem der innere Teil des Kopfteiles (11) mit einer ringförmigen Ausnehmung (15) zwischen der Verbrennungsmulde (14) und dem Ringbereich (13) versehen ist, und der Schaft (12) in seinem oberen Teil einen umlaufenden Trog (16) aufweist, der Art, daß durch die Ausnehmung (15) und dem Trog (16) eine halboffene Kühlkammer gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei zusammengesetztem Kopf- und Schaftteil (11, 12) das untere Ende des Kopfteils (11) unterhalb des Ringbereichs (13) und das obere Ende des Schaftteils (12), das die äußere Wand des Troges darstellt, eine Ölsperre bilden.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölsperre durch zusammenpassende Nuten und Vorsprünge auf den unteren Enden des Kopfteiles (11) und im oberen Ende des Schaftteils (12) gebildet ist.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölsperre durch gegenseitig parallele Schrägkanten gebildet ist, die am unteren Ende des Kopfteils (11) und dem oberen Ende des Schaftteils (12) vorge­ sehen sind, welche Schrägkanten nach unten geneigt sind, ausgehend von der Kolbenaußenfläche.