DE3922473C2 - Gekuehlter zweiteiliger kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gekühlten zweiteiligen Kolben mit unabhängigen Kopf- und Schaftteilen für eine Brennkraftmaschine, bei dem der innere Teil des Kopfteils mit einer ringförmigen Ausnehmung zwischen der Verbrennungsmulde und dem Ringbereich versehen ist und der Schaft in seinem oberen Teil einen umlaufenden Trog aufweist, wobei die Ausnehmung und der Trog eine halboffene Kühlkammer bilden.

Zur Zeit besteht eine zunehmende Tendenz zur Verwendung von zweiteiligen Kolben in Dieselmotoren. Bei einem zweiteiligen Kolben besteht der Kopf und der Schaft aus unabhängigen Teilen: Der Schaft oder das Kolbenhemd wird mit Hilfe eines Kolbenbolzens mit den Kolbennaben verbunden, die sich am unteren Ende der von dem Kolbenkopf herab abgeführten Teile befinden. Wenn der Kolben in den Zylinder eingepaßt ist, besteht kein Kontakt zwischen dem Kopf- und dem Schaftteil. Wesentlich bei einem zweiteiligen 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 zwischen 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 allgemeinen ist das obere Teil oder der Kopf eines zweiteiligen Kolbens aus Eisenmetall gefertigt, das besonders widerstandsfähig gegen hohe thermische und mechanische Belastungen ist, während der Kolbenschaft im allgemeinen aus einer gegossenen oder geschmiedeten Aluminiumlegierung besteht. 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 Aluminiumlegierung nicht praktikabel ist.

Bei Hochleistungsdieselmotoren machen die hohen Temperaturen am oberen 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 Blockieren der Ringe verursachen. Im Bereich der Verbrennungskammer können thermische Risse entstehen, die zur Ausbreitung neigen und letztlich ein Zerbrechen des Kolbenbodens bewirken. Es ist daher notwendig, für eine Temperaturverringerung in diesen Bereichen zu sorgen, um die Schwierigkeiten zu beheben. Eine bekannte Möglichkeit, diese Kühlung bei einem zweiteiligen Kolben zu bewirken, besteht darin, den oberen Teil des Kolbenschaftes, der in der Nähe des unteren Teils 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 von 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 an dem 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 Kolbenschaft. Dieses Überschußöl, das dann zwischen dem Kolbenschaft und dem Zylinder eingeschlossen ist, führt zu einer Überbelastung des Ölabstreifringes, der dann nicht verhindern kann, daß ein Teil des Öles am Kolbenkopfsteg ankommt, wo es 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.

Aus der US 41 80 027 ist ein zweiteiliger Kolben der eingangs genannten Art bekannt. Der Kolben weist unabhängige Kopf- und Schaftteile auf. An der Innenseite des Schaftteils befindet sich ein ringförmiger Trog, der zusammen mit einer Ausnehmung am Kopfteil einen etwa toroidförmigen Innenhohlraum bildet, in dem sich beim Betrieb des Kolbens Öl befindet, das dort durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens geschüttelt wird und die Wände kühlt. Der Kopfteil und der Schaftteil sind relativ dicht zusammengeführt. Gleichwohl muß zwischen Kopf- und Schaftteil in axialer Richtung ein Abstand eingehalten sein, der gewährleistet, daß Wärmedehnungen und geringe Verkantungen zwischen den Kopf- und Schaftteilen aufgenommen werden können, ohne daß die beiden Teile aneinanderstoßen. Überschußöl fließt jedoch über die äußere Wand des Troges und bewegt sich in Richtung auf die Zylinderwand. Dies führt zu der oben bereits genannten Überlastung des Ölabstreifringes und den dadurch verursachten Folgen, wie erhöhten Schmierölverbrauch und höhere Schadstoffemission.

Aus der DE 32 41 343 A1 ist ein Kreuzkopfkolben bekannt, bei dem der Kolbenschaft an seinem oberen Ende eine Verjüngung aufweist und in das Innere des Kolbenkopfes hineinragt. Mit anderen Worten, es wird das obere Ende des Kolbenschaftes von dem Kolbenkopf umgeben. Hierdurch soll erreicht werden, daß ein größerer Anteil der Oberfläche des Kolbenkopfes an die Kolbenwand angrenzt, wodurch die Wärmeabfuhr aus dem Kolbenkopf verbessert werden soll. An den sich in axialer Richtung überlappenden Mantelflächen ist ein Dichtring in eine Nut eingelassen. Das Vorsehen eines solchen Dichtringes gewährleistet zwar eine sichere Abdichtung zwischen den beiden Kolbenteilen, andererseits wird jedoch durch den Dichtring das Kolbengewicht erhöht.

Aus der US 43 72 194 ist ein Verbundkolben, bestehend aus einem oberen Stahlteil und einem unteren Aluminiumteil, bekannt. Die Teile sind starr miteinander verschraubt und über eine Kontaktauflagefläche miteinander verbunden. An der oberen Seite des unteren Aluminiumteils ist mit einer dünnen Wandung zum Bereich der Ölabstreifringe hin eine Ausnehmung angeordnet, die mit einer entsprechenden Ausnehmung im oberen Teil bei zusammengesetztem Kolben einen Hohlraum ergibt. Dieser Hohlraum ist, da eine Bewegung zwischen den beiden Kolbenteilen nicht vorgesehen ist, bis auf Wärmedehnungstoleranzen dicht abgeschlossen. Bei dem bekannten Kolben ist folglich ein dichter Paßsitz (fitting) vorgesehen, jedoch keine Ölsperre, die dem Umstand Rechnung tragen muß, daß zwischen dem Kolbenschaft und dem Kolbenkopf wegen einer möglichen Relativbewegung ein Abstand eingehalten werden muß. Dieses Problem stellt sich bei dem bekannten Kolben nicht. Es befindet sich in dem Hohlraum keinerlei Kühlöl. Der Hohlraum dient vielmehr nur dazu, den Ringbereich vor der in dem Aluminiumteil vorhandenen Hitze zu schützen, bevor diese durch Spülung mit dem Öl aus dem Kurbelgehäuse abgeführt werden kann. Wie erwähnt ist der Hohlraum sogar gasdicht, was jegliches Spiel und jegliche Bewegungsfähigkeit zwischen den beiden Kolbenteilen ausschließt.

Aus "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 1987, Seiten G 82 und 83" sind berührungslose Dichtungen für Wälzlager bekannt. Durch die Dichtungen soll während der Betriebszeit der Wälzlager das Eindringen von Schmutz und das Austreten von Schmierstoff verhindert werden. Die Bedingungen beim Abdichten von Wälzlagern sind jedoch nicht mit denen bei der Abdichtung von Kolbenteilen vergleichbar, da Kolbenteile - im Gegensatz zu Wälzlagern - extremen Axialbeschleunigungskräften ausgesetzt werden, während bei Wälzlagern nur eine rotationssymmetrische Bewegung zwischen den abzudichtenden Teilen stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nur über den Kolbenbolzen verbundenen zweigeteilten, aus Kolbenkopf und Kolbenschaft gebildeten Kolben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem das Austreten von Öl in den Zylinder in dem Bereich, in dem der Kolbenkopf an den Kolbenschaft angrenzt, weitgehend unterbunden wird.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß bei zusammengesetztem Kopf- und Schaftteil durch zusammenpassende Nuten und Vorsprünge auf dem unteren Ende des Kopfteiles unterhalb des Ringbereiches und dem oberen Ende des Schaftteiles, das die äußere Wand des Troges darstellt, eine das Austreten von Öl aus dem Inneren des Kolbens verhindernde Ölsperre gebildet ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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

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 Schaftteil 12 ist auf den Kolbennaben 18 mittels des Kolbenbolzens 19 befestigt. Wie aus der vergrößerten Detaildarstellung der Fig. 2 hervorgeht, ist bei diesem Ausführungsbeispiel das untere Ende des Kopfteils 11 an der Außenseite eingekerbt, so daß sich eine Stufe bildet, die eine Nut 29 darstellt. 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. Auf diese Weise entsteht ein Vorsprung 20. 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 29 und Vorsprünge 20 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 Kopfteils 11 am inneren Teil eingeschnitten, so daß dort eine Nut 21 entsteht, während das obere Ende des Kolbenschaftes 12 an seinem äußeren Teil eingeschnitten oder eingerückt ist, so daß ein Vorsprung 22 gebildet wird. 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 24 versehen, der zu einer Ausnehmung in Form einer Nut 23 paßt, die am unteren Ende des Kopfteils 11 vorgesehen ist.

In Fig. 5 weist das untere Ende des Kopfteils 11 die Form eines Vorsprun­ ges 26 auf, der in eine am oberen Ende des Kolbenschaftes 12 vorgesehene Ausnehmung in Form einer Nut 25 paßt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das untere Ende des Kopfteils 11 und das obere Ende des Schaftes 12 mit Schrägkanten versehen sind, die abwärts in das Kolbeninnere und parallel zueinander verlaufen und auf diese Weise eine Nut 27 in Schaftteil 12 und einen Vorsprung 28 in Kopfteil 11 bilden. 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 (5)

1. Gekühlter zweiteiliger Kolben mit unabhängigen Kopf- und Schaftteilen für eine Brennkraftmaschine, bei dem der innere Teil des Kopfteils (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, wobei die Ausnehmung (15) und der Trog (16) eine halboffene Kühlkammer bilden, dadurch gekennzeichnet, daß bei zusammengesetztem Kopf- und Schaftteil (11, 12) durch zusammenpassende Nuten (29; 21; 23; 25; 27) und Vorsprünge (20; 22; 24; 26; 28) auf dem unteren Ende des Kopfteils (11) unterhalb des Ringbereiches (13) und im oberen Ende des Schaftteils (12), das die äußere Wand des Troges (16) darstellt, eine das Austreten von Öl aus dem Inneren des Kolbens verhindernde Ölsperre gebildet ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenpassenden Nuten (29; 21) und die Vorsprünge (20; 22) so ausgebildet sind, daß sich ein etwa z-förmiges Labyrinth ergibt.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere stirnseitige Ende des Schaftteils (12) einen Vorsprung (24) aufweist, der in eine als Ausnehmung ausgebildete Nut (23) paßt, die am unteren Ende des Kopfteils (11) vorgesehen ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere stirnseitige Ende des Kopfteils (11) einen Vorsprung (26) aufweist, der in eine als Ausnehmung ausgebildete Nut (25) paßt, die am oberen Ende des Schaftteils (12) vorgesehen ist.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenpassenden Nuten (27) und Vorsprünge (28) durch abwärts in das Kolbeninnere verlaufende parallele Schrägkanten am unteren Ende des Kopfteils (11) und am oberen Ende des Schaftteils (12) gebildet sind.