DE4014705C2 - Gekühlter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit voneinander getrenntem Kolbenoberteil und Kolbenschaft - Google Patents

Gekühlter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit voneinander getrenntem Kolbenoberteil und Kolbenschaft

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Description

Die Erfindung betrifft einen gekühlten Tauchkolben für Ver­ brennungsmotoren mit voneinander getrenntem Kolbenoberteil und Kolbenschaft nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist z. B. aus der WO 88/09433 bekannt. Er zeigt einen Pendelschaftkolben, d. h. einen Kolben, bei dem das Schaftteil getrennt vom Kolbenkopf vor­ liegt und mit diesem nur über den Kolbenbolzen verbunden ist.
Der Kolbenboden und das Ringband derartiger Kolben verfor­ men sich im Motorbetrieb unter Temperatureinwirkung. Da­ durch ändert sich auch die Anlage der Kompressionsringe an den Ringnutflanken. Dies führt zu einem schlechteren Wärme­ übergang vom Ringband in die Kolbenringe und in den Zylin­ der.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei gattungsgemäßen Kolben den Wärmeübergang vom Kolbenboden in die Kolbenringe und von diesen in den Zylinder zu verbes­ sern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung des gat­ tungsgemäßen Kolbens nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Von der nicht vorveröffentlichten DE 40 10 062 unterscheidet sich der erfindungsgemäße Gegenstand durch das kennzeich­ nende Merkmal k.
Die kennzeichnenden Merkmale g, h und i sollen in erster Linie bewirken, daß ein möglichst hoher Anteil der von den Verbrennungsgasen in den Kolbenboden eindringenden Wärme über die Kolbenringe an den Motorzylinder geleitet werden kann. Dadurch wird sichergestellt, daß das Kühlöl innerhalb des Kühlölringraumes durch Berührung an der dem Kolbenboden zugewandten Begrenzungswand des Ringraumes nicht auf für die Beständigkeit des Öles zu hohe Temperaturen erhitzt wird. Dadurch wird eine unzulässig rasche Ölalterung sowie eine Öllackbildung an der oberen Begrenzungswand des Kühl­ ringraumes vermieden.
Durch die Merkmalskombination wird auch die Festigkeit und die Verformungssteifigkeit günstig beeinflußt.
Auch das kennzeichnende Merkmal i ist unter dem vorgenann­ ten Aspekt zu betrachten, wobei hier zusätzlich noch Fe­ stigkeitsgesichtspunkte mit berücksichtigt sind.
Durch das kennzeichnende Merkmal k wird die Aufrechterhal­ tung einer einwandfreien Dichtfunktion der Kolbenringe bei einem sich im Motorbetrieb durch die Wärme leicht aufwöl­ benden Kolbenboden gewährleistet und gleichzeitig der Wär­ meübergang in den betreffenden Kolbenring erleichtert.
Das Merkmal des Anspruchs 4 dient einer guten Führung des Kolbenoberteiles in der Zylinderbohrung des Motors. Insbe­ sondere soll eine hohe Freßsicherheit gegeben sein.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung in einem Längsschnitt dargestellt.
Der Kolben besteht aus einem Oberteil 1 aus einem bei­ spielsweise geschmiedeten Stahl und einem Schaft 2 aus bei­ spielsweise Aluminium.
Das Oberteil 1 und der Schaft 2 sind lediglich über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kolbenbol­ zen miteinander verbunden und an dem Pleuel 3 des Mo­ tors angelenkt.
Das die Kolbenringnuten 3, 4 und 5 aufnehmende Ring­ band 6 ragt frei von dem Kolbenboden ab und endet axial mit kurzem Abstand oberhalb des Schaftes 2.
Radial innerhalb des Ringbandes 6 befindet sich ein Kühlölringraum 7, der im Kolbenoberteil zum Schaft 2 hin offen ausläuft.
Radial innen ist der Ringraum 7 durch eine von dem Kolbenboden ausgehende Ringrippe 8 begrenzt, an die jeweils gegenüberliegend eine Nabe 9 zur Aufnahme des Kolbenbolzens angeformt ist.
Im Zentrum des Kolbenbodens liegt eine Brennraummulde 10, die teilweise direkt an die Ringrippe 8 angrenzt. Die Ringrippe 8 besitzt eine mittlere Neigung von etwa alpha = 20 Grad.
Die Dicke des Kolbenbodens oberhalb des Ringraumes 7 beträgt B = 10% des Kolbendurchmessers D. Die Wand­ dicke der Ringrippe 8 beträgt N = 6% des Kolbendurch­ messers.
Die geringste Wanddicke hinter einer der die Kompres­ sionsringe aufnehmenden Ringnuten beträgt N' = 2,8% des Kolbendurchmessers. Die für den Motorbetrieb vor­ gehaltene Schräge für die zweite Ringnut beträgt beta = 10 Minuten.
Der Unterschied in der Länge der großen und kleinen Ovalitätsachse der polaren Außenform des Ringbandes 6 beträgt 0,2% des Kolbendurchmessers.
Der gezeigte Kolben besitzt einen Durchmesser von D = 120 mm.
In dem Kolbenschaft 2 sind an dem zu dem Kolbenober­ teil weisenden Ende Ölfangtaschen 11 angebracht, in denen das aus dem Kühlölringraum 7 austretende Kühlöl aufgefangen und zurück in den Ringraum geshakert wird.
In dem Bereich, in dem die Ringrippe 8 in die Naben 9 übergeht, ist radial umlaufend um die Naben eine Ein­ schnürung 12 eingearbeitet und zwar beispielsweise durch spanende Bearbeitung.

Claims (5)

1. Gekühlter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit voneinander getrenntem Kolbenoberteil und Kolben­ schaft, die über einen Kolbenbolzen gelenkig mit­ einander verbunden sind, bei dem das Kolbenober­ teil aus Stahl oder Eisen besteht und folgende Grundform besitzt,
  • a) von dem Kolbenboden ragt ein die Ringnuten (3, 4, 5) aufnehmendes Ringband (6) frei in Richtung des Kolbenbolzens, oberhalb dessen es endet,
  • b) radial innen grenzt das Ringband (6) an einen mit Kühlöl beaufschlagbaren in Richtung zum Kolben­ schaft (2) offenen, jedoch abdeckbaren, Kühlöl­ ringraum (7),
  • c) die radial innere Begrenzung des Kühlölringraumes (7) bildet eine von dem Kolbenboden ausgehende Ringrippe (8),
  • d) die Ringrippe (8) geht in Richtung des Kolben­ schaftes (2) in zwei gegenüberliegende den Kolben­ bolzen lagernde Naben (9) über,
  • e) das freie kolbenschaftseitige Ende des Ringbandes (6) ist radial nicht steif an die zentrale Ringrippe (8) angebunden,
  • f) in dem Kolbenboden ist eine Brennraummulde (10) eingeformt, die zum Teil von der Ringrippe (8) be­ grenzt ist, gekennzeichnet durch die Merkmale,
  • g) der Kühlölringraum (7) endet kolbenbodenseitig in einer zum Kolbenboden parallelen Ebene, die gegen­ über der von dem Kolbenboden gebildeten Ebene ei­ nen Abstand von etwa B = 6-12% des Kolbendurch­ messers D aufweist,
  • h) der Abstand B und die Lage der obersten Kolben­ ringnut (3) sind so aufeinander abgestimmt, daß der Kühlölringraum (7) axial nicht oberhalb der unteren Nutflanke der obersten Ringnut (3) zu lie­ gen kommt,
  • i) in dem oberhalb der Unterflanke der zweiten Kol­ benringnut (4) liegenden Bereich des Ringbandes (6) besitzt dieses eine radiale Wanddicke N' von größer als 2,5% des Kolbendurchmessers D,
  • j) in dem radial an die Brennraummulde (10) angren­ zenden Bereich der Ringrippe (8) besitzt diese ra­ dial eine Dicke von etwa N = 4-7% des Kolben­ durchmessers D, wobei der obere Wert für eine mittlere Schräge des die Brennraummulde (10) di­ rekt begrenzenden Bereichs der Ringrippe (8) ge­ genüber der Kolbenachse von etwa alpha = 60 Grad gilt und mit auf etwa alpha = 0 Grad fallender Schräge auf den unteren Wert abnimmt.
  • k) zumindest bei einer der Kompressionsringnuten (3, 4) ist die Oberflanke derart schräg nach oben außen ver­ laufend im Kaltzustand des Kolbens vorgehalten, daß bei einer Aufwölbung des Kolbenbodens im Mo­ torbetrieb eine für diesen Zustand gewünschte An­ lage des Kolbenringes an diese Nutoberflanke gege­ ben ist.
2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlölringraum (7) über einen radial in­ neren und einen radial äußeren Verrundungsradius (Ri bzw. Ra) in den Kolbenbodenbereich einmündet, der mindestens Ri = 3 mm beträgt.
3. Tauchkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Verrundungsradius Ri größer als der äußere Verrundungsradius Ra ist und minde­ stens R = 4 mm mißt.
4. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Außenfläche des Ringbandes (6) leicht oval mit in Richtung der Bolzenachse lie­ gender kleiner Ovalitätsachse ausgebildet ist.
5. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich, in dem die Ringrippe (8) in die Naben (9) übergeht, radial außen eine geringe Einschnürung (12) eingearbeitet ist.
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