DE4007992A1

DE4007992A1 - Mehrteiliger kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4007992A1
Application number: DE19904007992
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing Feichtinger; Othmar Dipl Ing Skatsche; Fritz Dipl Ing Leber
Original assignee: AVL List GmbH; AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1989-03-20
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1990-09-27
Also published as: DE4007992C2; FR2644517B1; FR2644517A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrteiligen Kolben für Brennkraftmaschinen, mit einem oberen Bereich, welcher die Nu ten für die Dichtringe und den Ölabstreifring sowie einen zen tralen durch eine untere Begrenzungswand gebildeten Shaker raum, und einen unteren Bereich (Kolbenhemd) für die Kolben führung aufweist, wobei die Ableitung des Öles von der Nut des Ölabstreifringes außerhalb des Shakerraumes bzw. der unteren Begrenzungswand desselben in den unteren Kolbenbereich er folgt.

Bei den bekannten zweiteiligen Kolben ist der Oberteil zumeist aus Stahl oder Stahlguß und der Unterteil meistens aus Alumi nium hergestellt. Bei hochbelasteten Kolben, insbesondere für Dieselmotoren mit Aufladung, wird die thermische Belastung des Kolbenoberteiles, besonders wenn dieser eine Brennraummulde aufweist, für Aluminium zu hoch. Es besteht die Gefahr von Kolbenrissen im Kronenabschnitt. Zur Einsparung von Gewicht und zur Minimierung der Motorbauhöhe wird die Oberlänge des Kolbens, das ist der Abstand zwischen der Achse des Kolbenbol zens und der oberen Stirnfläche des Kolbens, so nieder als möglich konzipiert. Die verbleibende Kolbenbolzennabenwand stärke ist dabei sehr klein, wodurch bei Aluminiumkolben die Gefahr von Nabenrissen besteht.

Aus diesen Gründen wird vielfach der Kolbenoberteil aus Stahl oder Stahlguß ausgeführt, was allerdings Nachteile bezüglich Wärmeabfuhr zur Zylinderbüchse oder ins Schmieröl mit sich bringt. Die Kolbenführung in der Zylinderbüchse wird über den in Aluminium ausgeführten Kolbenunterteil (Kolbenhemd) bewerk stelligt. Der Kolbenunterteil ist am Kolbenbolzen aufgeschoben und fixiert; er stützt den Kolben wie ein Kreuzkopf in der Zylinderbüchse ab.

Die Stahloberteile solcher zweiteiliger Kolben benötigen eine gute Kühlung der Kolbenunterseite durch Spritzöl, insbesondere durch gezielte Spritzöldüsen. Es sind dabei Kolbenausführungen bekannt, die eigene fast abgeschlossene Kühlölräume (Shaker) bilden, die das Öl länger zurückhalten, wobei durch die Kol benbewegung das Öl hin- und hergeschüttelt wird. Dadurch wird die Kolbenunterseite mit dem bewegten Öl gut gekühlt und es ist die Gefahr von Ölanbrennen durch die starke Bewegung des Öls verringert.

So ist durch die DE-OS 34 23 889 ein Kolben der genannten Art mit einem einteiligen Kolbenhauptkörper bekannt geworden, bei welchem Schmiermittel von einer Düse, die an einem festen Teil der Brennkraftmaschine, beispielsweise dem Kurbelgehäuse, befestigt ist, nach oben gespritzt. Dieser Strahl ist so gerichtet, daß er sich durch eine Öffnung zwischen der Seiten wand des Kolbenhauptkörpers und dem Rand einer separaten Auf nahmeplatte erstreckt und zum großen Teil in den Raum über der Aufnahmeplatte zwischen dieser und der Kolbenkrone eindringt und die Deckfläche der Kolbenkrone trifft. Bei der Aufwärtsbe wegung des Kolbens fällt ein großer Teil des eingespritzten Schmiermittels nach unten gegen die Oberseite der Aufnahme platte, wo es die dort gebildete Schmiermittelaufnahmevertie fung füllt. Durch die plötzliche Umkehr der Kolbenbewegung im O.T. wird das in der Vertiefung befindliche Schmiermittel durch Trägheitswirkung aus der Vertiefung herausgeschleudert und gegen den gesamten Bereich der Deckfläche der Kolbenkrone geworfen. Die stetige Schmiermittelströmung ist durch eine der Zuströmöffnung diametral gegenüberliegenden Ablauföffnung sichergestellt. Ein großer Teil des auf die Kronenfläche ge spritzten Schmiermittels fällt nach unten auf die Oberseiten der Kolbenbolzenaugen und fließt um diese Augen herum zu deren Unterseiten und schließlich in den Schmiermittelsumpf der Brennkraftmaschine.

Nachteilig bei dieser Ausführung ist, neben der Einteiligkeit des Kolbenhauptkörpers, daß der Boden der Ringnut für den Öl abstreifring mit dem Innenraum des Kolbens zwar über eine Vielzahl von Schlitzlöchern aber nur auf einem Teil des Kol benumfanges und abgedeckt durch Schenkel der Aufnahmeplatte in Verbindung steht und deshalb das Abführen aus der Ölab streifringnut in den Innenraum des Kolbens zumindest sehr be hindert wird. Dies hat zur Folge, daß entweder die Spannung des Ölabstreifringes erheblich erhöht werden muß, was zusätz liche Reibung verursacht, oder es wird das zu wenig abge streifte Öl im Brennraum verbrannt, wodurch der Ölverbrauch vergrößert und zusätzliche Schadstoffe in den Auspuff gelangen und Verbrennungsrückstände entstehen, die z. B. ein Verkoken der Kolbenringe verursachen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Kolben der eingangs genannten Art besser als bisher zu kühlen, dabei aber die bestimmungsgemäße Funktion des Ölab streifringes zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht im wesentlichen darin, daß der obere und untere Bereich des Kolbens als getrennte Bau teile, dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil, ausgeführt sind und die untere Begrenzungswand des Shakerraumes durch den Unterteil des Kolbens gebildet ist und in Richtung zum Kolben boden abstehende Randbereiche und einen ebenso abstehenden zentralen Mittelbereich mit einer mittigen Ablauföffnung auf weist, so daß der Ölaustritt aus dem Shakerraum in Richtung zum kleinen Pleuellager erfolgt. Zur Verbesserung der Kolbenboden kühlung wird also der Ölaustritt aus dem Shakerraum nach innen zur Mitte auf den Kolbenboden konzentriert und das Öl vom Öl abstreifring außerhalb des Shakerraumes frei in den Kolbenun terteil abgeleitet.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung gemäß der Erfindung sieht vor, daß der Kolbenoberteil im Bereich der Nut für den Ölabstreifring axiale Bohrungen für einen möglichst gleichmä ßigen Ölablauf aus dieser Nut und der Kolbenunterteil Rinnen aufweist, die außerhalb der unteren Begrenzungswand des Sha kerraumes liegen, und axiale Durchbrüche aufweisen, die das abfließende Öl aufnehmen und des weiteren in den Innenraum des Kolbenunterteils leiten. Vorzugsweise liegt dabei die Rinne tiefer als die untere Begrenzungswand des Shakerraumes, einer seits um thermische Ausdehnungen des unteren Shakerraumes nicht auf die Lauffläche des Kolbenunterteils zu übertragen, ande rerseits um druckgußfähige Durchbrüche in den Ölabstreifraum zu schaffen, die dem Abfluß des abgestreiften Öles dienen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kolben unterteil im Bereich unter dem Ölabstreifring mit einer Dop pelwand ausgeführt sein, welche die Rinnen bilden und den Kol benunterteil in diesem Bereich formsteif ausbilden. Anderer seits kann dadurch das Öl, welches vom Ölabstreifring von der Zylinderbüchsenwand abgestreift wird, frei abfließen und dies möglichst gleichmäßig am ganzen Kolbenumfang.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Shakerraum, der durch den Kolbenboden des Kolbenoberteiles und durch die Begrenzungswand des Kolbenunterteiles gebildet ist, durch enge labyrinthartige zusammen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildete Spalte abgedichtet sein. Die Labyrinthspalten sollen verhindern, daß sich das stark bewegte Kühlöl mit dem abgestreiften Öl von der Zylinderbüchse mischt und die Zylinderbüchse eher überschwemmt. Der Kolbenoberteil kann dabei durch Bearbeiten auf genaue Formhaltigkeit im Zu sammenpaß mit dem Unterteil bearbeitet werden. Durch Präzi sions-Stahlguß des Kolbenoberteiles bzw. Druck- oder Kokillen guß des Kolbenunterteiles und mit der Genauigkeit dieser Gieß verfahren kann gegebenenfalls auf Bearbeitungen im Bereich der Spalte verzichtet werden.

Fabrikationsmäßig vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Kolben unterteil druckgußfähig gestaltet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens,

Fig. 2 einen Axialschnitt in der Achse des Kolbenbol zens,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 einen Teilschnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 1.

Der Kolben besteht aus zwei Teilen, dem Kolbenoberteil 1 und dem Kolbenunterteil 2. Der Kolbenoberteil 1 weist an seinem Umfang zwei Nuten 3 für die Dichtringe und eine Nut 4 für den Ölabstreifring auf. Die zentral im Kolben angeordnete ro tationssymmetrische Brennraummulde 5 mündet in der ebenen Stirnfläche 6 des Kolbens. Der dort gebildete Muldenrand ist mit 7 bezeichnet. Der Kolbenoberteil 1 bildet an seiner der Stirnfläche 6 abgewendeten Seite zwei Flansche 8 und 8′, wel che zur Lagerung des Kolbenbolzens 9 dienen. Auf dem Kolben bolzen 9 ist die Pleuelstange 10 mit ihrem Auge 11 gelagert.

Der Kolbenunterteil 2 weist zwei Flansche 12 und 12′ auf, mit welchen er sich auf dem eingeschobenen, gegen Axialver schiebung durch Federringe 9′ gesicherten, Kolbenbolzen 9 ab stützt. Der vom Kolbenoberteil gebildete Shakerraum 13 wird an seiner Unterseite durch die Begrenzungswand 18 im Kolbenunter teil 2 begrenzt. Das Kühlöl wird in den Shakerraum 13 durch zwei diametral gegenüberliegende Öldüsen 14 eingespritzt, wie durch den Pfeil 15 in Fig. 5 angedeutet ist. Die Ölstrahlen durchsetzen dabei den Kolbenunterteil 2 in axialen Zulei tungskanälen 16, welche sich in Richtung zum Shakerraum 13 ko nisch verjüngen. Der Shakerraum 13, welcher durch die Unter seite des Kolbenoberteiles 1 und durch die Oberseite des Kol benunterteiles 2 gebildet wird, ist durch möglichst enge, la byrinthartige Spalten 17 zwischen Kolbenoberteil 1 und Kolben unterteil 2 abgedichtet.

Der Kolbenunterteil 2 weist an seiner dem Kolbenober teil zugewandten Seite eine Begrenzungswand 18 für den Shaker raum 13 auf, diese Begrenzungswand 18, welche den Shakerraum boden im Kolbenunterteil 2 darstellt, weist in Richtung zum Kolbenboden 5′ abstehende Randbereiche 19, 19′ auf. Der eben falls abstehende mittlere Randbereich 18′ der Begrenzungs wand 18 weist eine mittige Abströmöffnung 20 auf, durch welche das Shakeröll in Richtung zum kleinen Lager 11 der Pleuel stange 10 abströmt, wie durch die Pfeile 21 in Fig. 1 angedeu tet ist.

Das durch die in den Nuten 4 angeordneten Ölabstreifringe ab gestreifte Öl wird über am Umfang möglichst gleichmäßig ver teilte radial angeordnete Kanäle 22, welche als Sackbohrungen ausgeführt sein können, in die durch eine Doppelwand 23 gebil dete Rinnen 24 geleitet. Die Ringnuten oder Rinnen 24 weisen Durchbrechungen 25 auf, über welche das durch die Ölab streifringe abgestreifte Öl, wie durch den Pfeil 26 in Fig. 1 veranschaulicht, in den Ölsumpf des Kurbelgehäuses abströmen kann.

Die Shakerwirkung des Kolbens wird durch geeignete Formgebung der Leitrippen im Kolbenunterteil erreicht, wobei das Kühlöl auf den Muldenboden 5′ im Kolbenoberteil gerichtet wird, wie durch die Pfeile 27 angedeutet ist.

Claims

1. Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, mit einem oberen Bereich, welcher die Nuten für die Dichtringe und den Ölabstreifring sowie einen zentralen durch eine untere Begrenzungswand gebildeten Shakerraum, und einen unteren Bereich (Kolbenhemd) für die Kolbenführung aufweist, wobei die Ableitung des Öles von der Nut (4) des Öl abstreifringes außerhalb des Shakerraumes (13) bzw. der unteren Begrenzungswand (18) desselben in den unteren Kol benbereich erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und untere Bereich des Kolbens als getrennte Bauteile, dem Kolbenoberteil (1) und dem Kolbenunterteil (2), ausgeführt sind und die untere Begrenzungswand (18) des Shakerrau mes (13) durch den Unterteil (2) des Kolben gebildet ist und in Richtung zum Kolbenboden (5′) abstehende Randberei che (19, 19′) und einen ebenso abstehenden zentralen Mittelbereich (18′) mit einer mittigen Ablauföffnung (20) aufweist, so daß der Ölaustritt aus dem Shakerraum (13) in Richtung zum kleinen Pleuellager (11) erfolgt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenoberteil (1) im Bereich der Nut (4) für den Öl abstreifring axiale Bohrungen (22) für einen möglichst gleichmäßigen Ölablauf aus dieser Nut und der Kolbenunter teil (2) Rinnen (24) aufweist, die außerhalb der unteren Begrenzungswand (18) des Shakerraumes (13) liegen, und axiale Durchbrüche (25) aufweisen, die das abfließende Öl aufnehmen und des weiteren in den Innenraum des Kolbenunterteils leiten.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (24) tiefer liegen als die untere Begrenzungs wand (18) des Shakerraumes (13).

4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenunterteil (2) im Bereich unter dem Ölabstreif ring (4) mit einer Doppelwand (23) ausgeführt ist, welche die Rinnen (24) bilden und den Kolbenunterteil in diesem Bereich formsteif ausbilden.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Shakerraum (13), der durch den Kolbenbo den (5′) des Kolbenoberteiles (1) und durch die Begrenzungswand (18) des Kolbenunterteiles (2) gebildet ist, durch enge labyrinthartige zusammen von Kolbenober teil (1) und Kolbenunterteil (2) gebildete Spalten (17) abgedichtet ist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegie rung bestehende Kolbenunterteil (2) druckgußfähig gestal tet ist.