DE4007992C2

DE4007992C2 -

Info

Publication number: DE4007992C2
Application number: DE19904007992
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing. Feichtinger; Othmar Dipl.-Ing. Skatsche; Fritz Dipl.-Ing. Graz At Leber
Original assignee: AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1989-03-20
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1992-02-20
Also published as: FR2644517B1; FR2644517A1; DE4007992A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrteiligen Kolben für Brennkraftmaschinen, mit einem oberen Kolbenteil zur Aufnahme des Kolbenbodens und der Ringpartie, mit einem unteren Kolbenteil für die Kolbenführung, mit einem Kolbenbolzen, welcher die beiden Kolbenteile gelenkig verbindet, mit Nuten in der Ringpartie für Dichtringe und eine Nut für einen Ölabstreifring, und mit einem zentralen Shakerraum zur Aufnahme von Kühlöl, welcher durch eine untere Begrenzungswand des unteren Kolbenteils mit in Richtung zum Kolbenboden abstehenden Rändern gebildet und unterhalb des Kolbenbodens angeordnet ist, und mit Ölzufuhr- und -ablauföffnungen im Shakerraum.

Bei den bekannten zweiteiligen Kolben ist der Oberteil zumeist aus Stahl oder Stahlguß und der Unterteil meistens aus Aluminium 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 Kolbenbolzens und der oberen Stirnfläche des Kolbens, so nieder als möglich konzipiert. Die verbleibende Kolbenbolzennabenwandstärke 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) bewerkstelligt. 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 Kolbenbewegung 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 34 23 889 A1 ein Kolben der zuletzt 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 wird. Dieser Strahl ist so gerichtet, daß er sich durch eine Öffnung zwischen der Seitenwand des Kolbenhauptkörpers und dem Rand einer separaten Aufnahmeplatte 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 Aufwärtsbewegung des Kolbens fällt ein großer Teil des eingespritzten Schmiermittels nach unten gegen die Oberseite der Aufnahmeplatte, wo es die dort gebildete Schmiermittelaufnahmevertiefung 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 gespritzten 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 Ölabstreifring mit dem Innenraum des Kolbens zwar über eine Vielzahl von Schlitzlöchern aber nur auf einem Teil des Kolbenumfanges und abgedeckt durch Schenkel der Aufnahmeplatte in Verbindung steht und deshalb das Abführen aus der Ölabstreifringnut in den Innenraum des Kolbens zumindest sehr behindert wird. Dies hat zur Folge, daß entweder die Spannung des Ölabstreifringes erheblich erhöht werden muß, was zusätz liche Regelung verursacht, oder es wird das zu wenig abgestreifte 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.

Die DE 37 09 969 A1 beschreibt einen Kolben mit Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen, der aus einem dem Kolbenbolzen aufnehmenden Unterteil und einem einen zentralen Kühlraum begrenzenden und das Ringfeld tragenden Oberteil besteht. Diese Teile stützen sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht zur Kolbenachse liegende auf konzentrischen Abstützbunden angeordnete kreisförmige Auflageflächen gegeneinander ab. Die beiden Kolbenteile sind durch über die Abstützbunde und die Auflageflächen geführte Schrauben miteinander verspannt. Zur Verringerung der Kolbenbauhöhe sind im Ringfeld des Oberteils nur zwei Kompressionsringe und ein Ölring vorhanden, von welch letzterem eine sich hinter das Ringfeld erstreckende Leernut abzweigt. Das Kolbenunterteil begrenzt den zentralen Kühlraum nach unten durch einen Boden, der eine zentrale Ablauföffnung aufweist. Auch bei diesem Kolben ist die Ölabführung aus der Nut des Ölabstreifringes unzureichend, so daß der Ölverbrauch entsprechend hoch ist.

In der DE 34 26 238 A1 ist ein Kolben beschrieben, dessen Kolbenboden und Kolbenunterteil durch zwei Dehnschrauben mit Muttern zusammengespannt sind. Die Dehnschrauben durchsetzen dabei eine Strömungsverbindung zwischen dem Kühlölringkanal und dem Ölsammelraum und werden dadurch gekühlt. Der Ölsammelraum weist außermittige Bohrungen auf, durch welche das Kühlöl in das Kurbelgehäuse zurückgeleitet wird. Der Ölabstreifring ist zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil angeordnet. Dadurch verursachtes Lecköl wird über Ölableitkanäle der Ringnut des Ölabstreifringes in das Kurbelgehäuse zurückgeleitet. Auch hier ist der Ölverbrauch der Brennkraftmaschine problematisch, weil das Lecköl und das abgestreifte Öl in der Ringnut des Ölabstreifringes zusammengeleitet werden.

Aus der US 41 80 027 ist ein Kolben der eingangs genannten Art bekannt, mit einem oberen Kolbenteil und einem unteren Kolbenteil, die über einen Kolbenbolzen gelenkig verbunden sind und Nuten für die Dichtringe und einen Ölabstreifring im Kolbenoberteil aufweisen. Weiters ist ein Shakerraum unterhalb des Kolbenbodens vorgesehen, welcher durch eine untere Begrenzungswand des unteren Kolbenteils und mit in Richtung zum Kolbenboden abstehenden Randbereichen gebildet wird. Aus dem Shakerraum wird Kühlöl über seitliche Öffnungen in den Ölsumpf abgeleitet. Da die Ableitung des Kühlöles aus der Nut des Ölabstreifringes in dem unteren Kolbenbereich "direkt" erfolgt, sind auch hier die zur Ausführung nach der DE 34 23 889 A1 angegebenen Nachteile im Zusammenhang mit der Behinderung der Ölableitung aus der Ringnut für den Ölabstreifring in den Schmiermittelsumpf der Brennkraftmaschine vorhanden. Es handelt sich insbesondere um den größeren Ölverbrauch und die zusätzlichen Schadstoffe.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Kolben der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen geringeren Ölverbrauch gewährleistet und dabei besser als bisher gekühlt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht im wesentlichen darin, daß die Ölablauföffnung im mittleren Bereich der Begrenzungswand angeordnet ist, daß die seitliche Begrenzung des Shakerraums durch labyrinthartige Spalten zwischen dem oberen und unteren Kolbenteil abgedichtet ist, daß der Umfangsbereich des Kolbenunterteils, außerhalb der unteren Begrenzungswand, eine Rinne mit axialen Durchbrüchen zum Kurbelgehäuse besitzt, und daß die Nut für den Ölabstreifring mit gleichmäßig verteilten, axialen Bohrungen versehen ist, um das Öl aus dieser Nut abzu leiten.

Die Labyrinthspalten sollen verhindern, daß sich das stark bewegte Kühlöl mit dem von der Zylinderbüchse abgestreiften Öl mischt und die Zylinderbüchse eher überschwemmt.

Zur Verbesserung der Kolbenkühlung durch das eingespritzte Kühlöl weist die im Kolbenunterteil vorgesehene untere Begrenzungswand des Shakerraumes in Richtung zum Kolbenboden abstehende Randbereiche und einen ebenso abstehenden zentralen Mittelbereich mit einer mittigen Ablauföffnung auf, so daß der Ölaustritt aus dem Shakerraum in Richtung zum kleinen Pleuellager erfolgt. Die Ableitung des Öles vom Ölabstreifring erfolgt außerhalb des Shakerraumes bzw. der unteren Begrenzungs wand desselben in den Kolbenunterteil und wird durch den Ölaustritt aus dem Shakerraum über die mittige Ablauföffnung nicht behindert.

Der Kolbenoberteil kann dabei durch Bearbeiten auf genaue Formhaltigkeit im Zusammenpaß mit dem Unterteil bearbeitet werden. Durch Präzisions-Stahlguß des Kolbenoberteiles bzw. Druck- oder Kokillenguß des Kolbenunterteiles und mit der Genauigkeit dieser Gießverfahren kann gegebenenfalls auf Bearbeitungen im Bereich der Spalte verzichtet werden.

Vorzugsweise liegt dabei, im Rahmen der Erfindung, die Rinne tiefer als die untere Begrenzungswand des Shakerraumes. Dies einerseits um thermische Ausdehnungen des unteren Shakerdecks nicht auf die Lauffläche des Kolbenunterteils zu übertragen, andererseits um druckgußfähige Durchbrüche in den Ölabstreifraum zu schaffen, die dem Abfluß des abgestreiften Öles die nen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kolbenunterteil im Bereich unter dem Ölabstreifring mit einer Doppelwand ausgeführt sein, welche die Rinne bildet und den Kolbenunterteil in diesem Bereich formsteif ausbildet. Es kann dadurch das Öl, welches vom Ölabstreifring von der Zylinderbüchsenwand abgestreift wird, frei abfließen und dies möglichst gleichmäßig am ganzen Kolbenumfang.

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 oberen Kolbenteil 1 und dem unteren Kolbenteil 2. Der obere Kolbenteil 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 obere Kolbenteil 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 untere Kolbenteil 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. 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 unteren Kolbenteil 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 oberen Kolbenteiles 1 und durch die Oberseite des unteren Kol benteiles 2 gebildet wird, ist durch möglichst enge, la byrinthartige Spalten 17 zwischen oberem und unterem Kolben teil 1, 2 abgedichtet.

Der Kolbenunterteil 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 unteren Kolbenteil 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 Ölablauföffnung 20 auf, durch welche das Shakeröl in Richtung zum kleinen Lager 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 Bohrungen 22, welche als Sackbohrungen ausgeführt sein können, in die durch eine Doppelwand 23 gebil dete Rinnen 24 geleitet. Die Ringnuten oder Rinnen 24 weisen Durchbrüche 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 Kolbenboden 5′ im Kolbenoberteil gerichtet wird, wie durch die Pfeile 27 angedeutet ist.

Claims

1. Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, mit einem oberen Kolbenteil (1) zur Aufnahme des Kolbenbodens (5′) und der Ringpartie, mit einem unteren Kolbenteil (2) für die Kolbenführung, mit einem Kolbenbolzen (9), welcher die beiden Kolbenteile (1, 2) gelenkig verbindet, mit Nuten (3) in der Ringpartie für Dichtringe und eine Nut (4) für einen Ölabstreifring, und mit einem zentralen Shakerraum (13) zur Aufnahme von Kühlöl, welcher durch eine untere Begrenzungswand (18) des unteren Kolbenteils (2) mit in Richtung zum Kolbenboden (5′) abstehenden Rändern gebildet und unterhalb des Kolbenbodens (5′) angeordnet ist, und mit Ölzufuhr- und -ablauföffnungen im Shakerraum (13), dadurch gekennzeichnet, daß die Ölablauföffnung (20) im mittleren Bereich (18′) der Begrenzungswand (18) angeordnet ist, daß die seitliche Begrenzung des Shakerraums (13) durch labyrinthartige Spalten (17) zwischen dem oberen (1) und unteren Kolbenteil (2) abgedichtet ist, daß der Umfangsbereich des unteren Kolbenteils (2), außerhalb der unteren Begrenzungswand (18), eine Rinne (24) mit axialen Durchbrüchen (25) zum Kurbelgehäuse aufweist, und daß die Nut (4) für den Ölabstreifring mit gleichmäßig verteilten, axialen Bohrungen (22) versehen ist, die das Öl aus dieser Nut (4) ableiten.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (24) tiefer liegt als die untere Begrenzungswand (18) des Shakerraumes (13).

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Kolbenteil (2) im Bereich unter der Nut (4) für den Ölabstreifring mit einer Doppelwand (23) ausgeführt ist, welche die Rinne (24) bildet und den unteren Kolbenteil (2) in diesem Bereich formsteif ausbildet.