DE4018252C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten Kolben, der zumindest aus einem Kolbenoberteil mit einer Brennraummulde und einem Kolbenunterteil zusammengebaut ist, mit einem zentralen Kühlraum, in den eine Kühlölzuleitung mündet, mit einem äußeren Kühlraum, der durch schräg nach außen zur Kante zwischen Kolbenboden und Kolbenmantel gerichtete Kühlölbohrungen sowie mindestens einen daran anschließenden Kühlölsammelraum gebildet ist und von dem mindestens eine Kühlölabführleitung ausgeht, und mit vom zentralen Kühlraum schräg nach aufwärts zu den Böden der Kühlölbohrungen verlaufenden Verbindungsleitungen.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus der DE 37 02 694 C1 bekannt. Um durch eine Shakerkwirkung eine gute Kühlung des Kolbenoberteils im Bereich der Kühlbohrungen zu erreichen, sind die Öffnungen dieser Kühlbohrungen gegenüber Öffnungen von Sacklochbohrungen im Unterteil des äußeren Kühlraumes versetzt angeordnet. Bei dieser Anordnung tritt also das aus den unteren Sacklochbohrungen austretende Kühlöl etwa mit der maximalen Geschwindigkeit, die der Kolben während seines Aufwärtshubes erreicht, in die oberen Kühlbohrungen ein.

Ein weiterer gattungsgemäßer Kolben ist aus der DE 35 18 721 A1 bekannt. Dieser Kolben weist zwar als die Kühlung vereinfachendes Merkmal einen an der Außenwand zwischen Kolbenboden und Kolbenmantel ausgebildeten umlaufenden Ringspalt auf, dank dessen sich der Außenbereich des Kolbens vergleichsweise gering aufheizt. Eine Maßnahme zur Verbesserung der Kühlung ist dagegen nicht offenbart.

Aus der DE 34 03 624 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Kolben bekannt. Bei diesem Kolben ist zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil ein Ringflansch eingeklemmt, der eine in einen äußeren Kühlkanal hineinragende Zunge aufweist. Die Zunge ist so ausgebildet, daß sie mit der brennraumseitigen Wand des äußeren Kühlkanals zusammen einen vergleichsweise engen Ringspalt bildet. Das beim Betrieb des Kolbens durch diesen Ringspalt in den äußeren Kühlkanal einlaufende Kühlöl soll durch die Verengung beschleunigt werden und so die Kühlung des Kolbenbodens verbessern. Nachteilig ist an dieser Ausbildung des Tauchkolbens, daß der äußere Kühlkanal ein vergleichsweise großes Volumen aufweist, so daß sich der Kühlkanal bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens nicht vollständig entleert. Bei einer nachfolgenden Abwärtsbewegung des Kolbens wird daher nicht nur Kühlöl vom inneren Kühlraum durch den engen Ringspalt hindurch in den äußeren Kühlkanal gepreßt, sondern es wird gleichzeitig das im äußeren Kühlkanal verbliebene Kühlöl zur Austrittsöffnung des engen Ringspalts hin beschleunigt. Daraus resultiert, daß das Kühlöl nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit aus dem engen Ringspalt austreten kann und daß somit die geforderte Kühlwirkung nicht im erforderlichen Maße erzielt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kolben der eingangs genannten Gattung mit einfachen Mitteln eine noch wirksamere Kühlung der Brennraummulde im äußeren und im zentralen, jeweils mit Kühlölbohrungen versehenen Bereich zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird dies durch Anwendung der Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 erreicht.

Bei Anwendung der Erfindung wird zum einen die Geschwindigkeit des zu den Kühlbohrungen geführten Öls durch die düsenförmige Durchtrittsöffnung über die maximale Kolbengeschwindigkeit hinaus erhöht. Zum andern wird durch die Bündelung des Öles durch die düsenförmige Durchtrittsöffnung ein durchschlagskräftiger wandnaher Kühlölstrahl erzeugt, der mit hoher Geschwindigkeit bis zum Boden der Kühlölbohrungen durchtritt und hier infolge seiner hohen Auftreffgeschwindigkeit in der Lage ist, größere Wärmemengen infolge erhöhter Grenzschichtturbulenz gerade von der wärmsten Stelle am äußeren Rand der Brennraummulde abzuführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt einen senkrechten Schnitt durch die erfindungsgemäß wesentlichen Teile eines Kolbens.

Der in der Zeichnung dargestellte Kolben weist ein Kolbenoberteil 1 mit einem Kolbenboden 2 und einem Kolbenmantel 3 auf. In den Kolbenboden ist eine Brennraummulde 4 eingeformt. Im Kolbenmantel 3 sind mehrere Nuten 5 zur Aufnahme von Kolbenringen vorgesehen. Der Kolben weist weiterhin ein Kolbenunterteil 6 mit einem ringförmigen Tragbund 7 auf. Auf dem Tragbund 7 stützt sich eine ringförmige Tragrippe 8 des Kolbenoberteils 1 ab. Anstelle einer direkten Abstützung des Kolbenoberteils 1 auf dem Kolbenunterteil 6 könnte auch ein zwischen beiden Teilen angeordneter umlaufender Stützring zusätzlich vorgesehen sein.

An einem zentralen oberen Vorsprung 9 des Kolbenunterteiles 6 ist eine Kühlölzuleitung 10 angebracht, die in einen nach außen durch den Tragbund 7 und das Kolbenoberteil 1 begrenzten zentralen Kühlraum 11 mündet. An der Tragrippe 8 ist ein ringförmiger Leitkörper 12 befestigt, der eine schräg nach aufwärts in Richtung zur Mündung der Kühlölzuleitung 10 verlaufende Trennwand 13 und ein daran anschließendes umgebogenes Ende 14 aufweist. Das Ende 14 ist dabei so angeordnet und ausgebildet, daß einerseits eine Durchtrittsöffnung 15 zwischen dem Ende 14 und der Kühlölzuleitung 10 offen bleibt. Andererseits bildet das Ende 14 zusammen mit einer gebogen ausgeführten Innenwand 16 des Kolbenoberteiles 1 einen verengten Strömungskanal für das Kühlöl.

Im Kolbenoberteil 1 sind mehrere Verbindungsleitungen 17 vorgesehen. Jede Verbindungsleitung 17 zweigt von dem oberhalb des Leitkörpers 12 befindlichen Teil des zentralen Kühlraums 11 ab und ist schräg aufwärts nach außen gerichtet.

Sie mündet in je eine Kühlölbohrung 19 und, zwar etwa tangential zu deren gebogen ausgebildeten Boden 18. Jede Kühlölbohrung 19 verläuft von der Unterseite des Kolbenoberteils 1 ausgehend schräg nach außen zur Kante zwischen dem Kolbenboden 2 und dem Kolbenmantel 3.

An die untere Öffnung 20 jeder Kühlölbohrung 19 schließt sich ein insgesamt mit 21 bezeichneter Kühlölsammelraum an. Der Kühlölsammelraum 21 bildet zusammen mit den Kühlölbohrungen 19 den äußeren Kühlraum. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt der Kühlölsammelraum 21 einen oberen, außen durch das Kolbenoberteil 1, innen durch das Kolbenunterteil 6 begrenzten Ringkanal 22 und einen unteren, voll im Kolbenunterteil angeordneten Ringkanal 23. Über den Boden 24 des Kühlölsammelraumes 21 erhebt sich mindestens ein Vorsprung 25, in den eine Kühlölabführleitung 26 mündet. Zweckmäßig sind zwei oder mehr Kühlölabführleitungen 26 vorgesehen. Der Boden 24 des Kühlölsammelraumes 21 liegt tiefer als die Nut 5 für den untersten Kolbenring. Anstelle des unteren Ringkanals 23 können auch voneinander getrennte, nur über den oberen Ringkanal 22 miteinander in Verbindung stehende Kühlöltaschen vorgesehen sein, deren obere Öffnung dann jeweils unter einer Öffnung 20 einer Kühlölbohrung 19 angeordnet ist.

Die Kühlölzuleitung 10 und die Kühlölabführleitung 26 sind unter Berücksichtigung des Förderdrucks des Köhlöls so bemessen, daß sich im unteren Totpunkt des Kolbens im Kühlölsammelraum 21 ein Spiegel 31 des Ölstandes ergibt, dessen Höhe über dem Boden 24 des Kühlölsammelraumes 21 20 bis 30% der gesamten Höhe vom Boden 24 des Kühlölsammelraumes 21 bis zum Boden 18 einer Kühlölbohrung 19 beträgt. Um eine möglichst große Kühlölmenge zur Verfügung zu haben, ist der Querschnitt des Kühlölsammelraumes unterhalb des Abstand-Spiegels größer als im restlichen Bereich bemessen.

Im oberen Ringkanal 22 des Kühlölsammelraumes 21 ist ein ringförmiger Leitkörper 27 angeordnet. Der Leitkörper 27 umfaßt einen mittleren, schräg aufwärts zur inneren Wandung des Kühlölsammelraumes 21 gerichteten Steg 28 mit einer daran anschließenden aufwärts weisenden Zunge 29. Die Zunge 29 bildet zusammen mit Teilen des Steges 28 eine sich in Richtung zum Kolbenboden 2 verjüngende düsenförmige Durchtrittsöffnung 30.

Der Leitkörper 27 weist weiterhin ein nach unten abgewinkeltes Ende 32 auf, das zusammen mit der äußeren Wandung des Kühlölsammelraumes 21 einen Rücklaufdurchlaß 34 für Kühlöl bildet. Aus dem unteren Ende 32 sind weiterhin mehrere Lappen 33 herausgebogen, mit denen der Leitkörper 27 zwischen dem Kolbenoberteil 1 und dem Kolbenunterteil 6 festgeklemmt ist.

Es ist einerseits anzustreben, den Leitkörper 27 so weit über dem Spiegel 31 des Kühlöls anzuordnen, daß das im Kühlölsammelraum 21 enthaltene Kühlöl etwa bei Erreichen der maximalen Aufwärtsgeschwindigkeit des Kolbens den Leitkörper 27 erreicht. Andererseits sollte auch der Weg des Kühlöls vom Leitkörper 27 bis zum Boden 18 der Kühlölbohrungen 19 so groß bemessen werden, daß der Kolben beim Auftreffen des Kühlöls auf die Böden 18 seinen oberen Totpunkt erreicht hat oder sich bereits in Abwärtsbewegung befindet.

Die Zeichnung zeigt den Kolben im unteren Totpunkt. Bewegt sich der Kolben ausgehend von dieser Lage aufwärts, so wird zunächst das im Kühlölsammelraum 21 über dem Boden 24 befindliche Kühlöl in der gleichen Richtung mit beschleunigt. Sobald der Kolben etwa auf dem halben Hubweg anfängt, seine Bewegung zu verzögern, bewegt sich das Kühlöl mit der maximalen Kolbengeschwindigkeit weiter in Richtung des Pfeiles a und trifft dann auf den Leitkörper 27 auf. Dieser lenkt das Kühlöl so um, daß es durch die düsenförmige Durchtrittsöffnung 30 tritt. Hierdurch wird zum einen die Geschwindigkeit des Kühlöls nochmals erhöht, zum andern wird ein kompakter, an den inneren Wandungen des Kühlölsammelraumes 21 und anschließend der Kühlölbohrungen 19 entlangfließender kompakter mit den Pfeilen b bezeichneter Kühlölstrom erzeugt. Dieser Kühlölstrom vermischt sich dann mit der wesentlich geringen Kühlölmenge, die durch die Verbindungsleitung 17 tritt. Diese zusammengeführten Kühlölströme treffen mit relativ hoher Geschwindigkeit auf den Boden 18 der Kühlölbohrung 19 auf. Die Größe der Auftreffgeschwindigkeit ergibt sich dabei aus der Summe der maximalen Kolbengeschwindigkeit, der Erhöhung der Geschwindigkeit durch die düsenförmige Durchtrittsöffnung 30 und die momentane Abwärtsgeschwindigkeit des Kolbens.

Das Kühlöl wird dabei unter Verwirbelung nach außen in Richtung des Pfeiles c umgelenkt. Hierdurch können von dem am stärksten wärmebelasteten Teil der Brennraummulde 4 erhebliche Wärmemengen abgeführt werden.

Die Aufprallgeschwindigkeit auf den Boden 18 kann dabei dadurch erhöht werden, daß der gesamte äußere Kühlraum relativ lang ausgebildet wird, so daß im Augenblick des Aufpralls des beim Aufwärtshub durch die düsenförmige Durchtrittsöffnung 30 durchtretenden Kühlöls auf den Boden 18, sich dieser Boden bereits wieder abwärts bewegt.

Eine weitere Erhöhung der Kühlwirkung an der am stärksten wärmebelasteten Stelle der Brennraummulde kann durch den Leitkörper 12 erreicht werden. Beim Aufwärtsgang des Kolbens wird auch das im zentralen Kühlraum 11 befindliche Kühlöl in der gleichen Richtung beschleunigt, bis es auf die Trennwand 13 des Leitkörpers 12 auftritt. Dieses Kühlöl wird dann umgelenkt und tritt durch die Durchtrittsöffnung 15 durch. Anschließend wird es mit dem durch die Kühlölzuleitung 10 frisch zugeführten Kühlöl vermengt, zwischen dem abgebogenen Ende 14 des Leitkörpers 12 und der Innenwand 16 nach außen geleitet und dabei zu einem kompakten Strom zusammengeführt sowie beschleunigt. Dieses Kühlöl tritt anschließend durch die Verbindungsleitungen 17 und vermischt sich dann mit dem durch die düsenförmige Durchtrittsöffnung 30 durchtretenden Kühlöl des äußeren Kühlraumes. Da die beiden zusammenzuführenden Kühlölströme gegen den Boden 18 der Kühlölbohrungen gerichtet sind, wird die Aufprallgeschwindigkeit des gesamten Kühlöls gegen den Boden 18 weiter erhöht.

Während der Abwärtsbewegung des Kolbens wird in der ersten Hälfte des Abwärtshubes das in jeder Kühlölbohrung 19 befindliche Kühlöl abwärts beschleunigt. Sobald der Kolben in der zweiten Hälfte seiner Abwärtsbewegung seine Geschwindigkeit wieder verringert, tritt das Kühlöl durch den Durchlaß zwischen dem Ende 32 des Leitkörper 27 und der benachbarten Wandungen des Kolbens wieder in den unteren Teil des Kühlölsammelraumes 21 ein. Gleichzeitig fließt auch Kühlöl aus dem Bereich oberhalb der Kühlölzuleitung 10 abwärts in den zentralen Kühlraum 11.

Die vorstehend beschriebenen Abläufe treten gleichzeitig in allen Kühlölbohrungen 19 auf.

Claims (10)

1. Ölgekühlter Kolben, der zumindest aus einem Kolbenoberteil mit einer Brennraummulde und einem Kolbenunterteil zusammengebaut ist, mit einem zentralen Kühlraum, in den eine Kühlölzuleitung mündet, mit einem äußeren Kühlraum, der durch schräg nach außen zur Kante zwischen Kolbenboden und Kolbenmantel gerichtete Kühlölbohrungen sowie mindestens einen daran anschließenden Kühlölsammelraum gebildet ist und von dem mindestens eine Kühlölabführleitung ausgeht, und mit vom zentralen Kühlraum schräg nach aufwärts zu den Böden der Kühlölbohrungen verlaufenden Verbindungsleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem äußeren Kühlraum, der gebildet ist vom Kühlölsammelraum (21) und den Kühlölbohrungen (19), unterhalb der Kühlölbohrungen (19) mindestens ein Leitkörper (27) angeordnet ist, der mit der inneren Kühlraum-Wandung eine sich zum Kolbenboden (2) verjüngende, düsenförmige Durchtrittsöffnung (30) und mit der äußeren Kühlraum-Wandung einen Rücklaufdurchlaß (34) bildet.

2. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper (27) in einem mittleren Bereich zwischen den Böden (18) der Kühlölbohrungen (19) und dem Boden (24) des Kühlölsammelraumes (21) angeordnet ist.

3. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper (27) einen mittleren, schräg aufwärts zur inneren Wandung des Kühlölsammelraumes (21) gerichteten Steg (28) mit einer daran anschließenden, aufwärts weisenden Zunge (29) und an dem der äußeren Wandung zugewandten Bereich ein abgebogenes, den Rücklaufdurchlaß (34) innen begrenzendes Ende (32) aufweist.

4. Ölgekühlter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verbindungsleitung (17) etwa tangential an den gebogen ausgebildeten Boden (18) der zugeordneten Kühlölbohrung (19) einmündet.

5. Ölgekühlter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Boden (24) des Kühlölsammelraumes (21) unterhalb der Nut (5) für den untersten Kolbenring liegt.

6. Ölgekühlter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlölzuleitung (10) und die Kühlölabführleitung bzw. -leitungen (26) so ausgebildet sind, daß die Höhe des Ölstandes über dem Boden (24) des Kühlölsammelraumes (21) 20 bis 30% des Abstandes des Bodens (24) des Kühlölsammelraums (21) von den Böden (18) der Kühlölbohrungen (19) beträgt.

7. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kühlölsammelraumes (21) unterhalb des Spiegels (31) des Ölstandes größer als im restlichen Bereich bemessen ist.

8. Ölgekühlter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlölsammelraum (21) als Ringkanal ausgebildet ist.

9. Ölgekühlter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlölsammelraum (21) aus einem oberen Ringkanal (22) und unteren Kühlöltaschen besteht und jede Öffnung einer Kühlöltasche unter einer Öffnung (20) einer Kühlölbohrung (19) angeordnet ist.

10. Ölgekühlter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zentralen Kühlraum (11) ein weiterer ringförmiger Leitkörper (12) angeordnet ist, der eine schräg nach innen und oben verlaufende Trennwand (13) und ein abgebogenes, mit der Kühlölzuleitung (10) eine Durchtrittsöffnung (15) und der Innenwand des Kolbenoberteiles (1) einen Strömungskanal begrenzendes, abgebogenes Ende (14) aufweist.