DE60121308T2

DE60121308T2 - Hochleistungskolben mit öldeflektor

Info

Publication number: DE60121308T2
Application number: DE60121308T
Authority: DE
Inventors: S. Mark Whitmore Lake LASH
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: EP1268991A4; EP1268991A1; ES2267749T3; WO2001073275A1; EP1268991B1; DE60121308D1; WO2001073275A9; US20010035139A1; AU2001249557A1; US6371061B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Offenbarung beansprucht die Priorität der am 28. März 2000 eingereichten Provisional Application 60/192,593.
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hochleistungskolben für Dieselmotoranwendungen und insbesondere die Handhabung von Kühlöl in Gelenkkolben.
2. Verwandte Technik
Herkömmlich ausgeführte Gelenkkolben sind oftmals mit einer um den Umfang verlaufenden Kühlgalerie im Kolbenkopf ausgebildet, die nach unten hin offen ist und mit einer oder mehreren Ölspritzdüsen in Verbindung steht, die sich von unten in das Hemd des Kolbens erstrecken und einen Kühlölspritzstrahl in die Kühlgalerie leiten, wenn sich der Kolben im Kolbenzylinder hin- und herbewegt, um Kühlung zu gewährleisten. In der Regel sorgen innere Ölöffnungen für die Schmierung der Bolzenbohrungen und des Kolbenbolzens. Jegliche Kühlung der Bolzenbohrungen und des Kolbenbolzens wird von dem Schmieröl abgeleitet. In einigen Anwendungen können die Bolzennaben, ihre Bolzenbohrungen, Buchsen und der Kolbenbolzen über erwünschte Temperaturen erhitzt werden, was die Leistung und Langlebigkeit des Kolbens beeinträchtigen kann.
In der WO 80/02308 wird eine Handhabung von Kühlöllösung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gezeigt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE
Eine gemäß der Erfindung ausgeführte Kolbenanordnung enthält einen Kolbenkopf mit einer Kühlgalerie mit offenem Boden, die in der Unterseite des Kolbenkopfes ausgebildet ist, ein Paar von dem Kolbenkopf herabhängender Bolzennaben, die Bolzenbohrungen zur Abstützung eines Kolbenbolzens einer Verbindungsstange aufweisen, ein mit den Bolzennaben zur Hin- und Herbewegung mit dem Kolbenkopf verbundenes Kolbenhemd und eine stationäre Ölspritzdüse, die sich in das Kolbenhemd erstreckt und eine Auslassposition zum Leiten eines Kühlölstroms entlang einem Weg zur Kühlgalerie aufweist. Ein Öldeflektorschirm wird von dem Kolbenhemd in einer Position getragen, um den Kühlölstrom zur Kühlgalerie im Wesentlichen zu blockieren und den blockierten Strom auf die Bolzennaben zu leiten, wenn der Kolbenkopf in eine abgesenkte Position bewegt wird. Der Öldeflektorschirm ist auch dazu positioniert, sich im Wesentlichen aus dem Weg des Kühlöls zu bewegen, um zu bewirken, dass das Kühlöl in die Kühlgalerie geleitet wird, wenn der Kolbenkopf in eine angehobene Position bewegt wird.
Des Weiteren sieht die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines sich hin und her bewegenden Kolbens vor, das den erwähnten Deflektorschirm einsetzt, der dahingehend wirkt, den Kühlölstrom zur Kühlgalerie gezielt zu blockieren, wenn sich der Kolben am unteren Hubpositionsende befindet, um während eines Teils des Kolbenhubs eine direkte Kühlung der Bolzenbohrungsbereiche des Kolbens zu erreichen. Diese Erfindung weist den Vorteil auf, dass sie eine direkte Kühlung der Kühlgalerie des Kolbenkopfes während des Hubs des Kolbens gewährleistet, wenn das Kühlen des Kopfes am erforderlichsten ist, nämlich, wenn sich der Kolben zum oberen Hubpositionsende hin befindet, wo er der stärksten Hitze ausgesetzt ist und die meiste Kühlung erfordert. Wenn sich der Kolben zum unteren Hubpositionsende hin bewegt, wird der Kolbenkopf von der Verbrennungshitze weg bewegt, so dass die Kühlanforderungen geringer werden, und gemäß der Erfindung wirkt der Deflektor während dieser Zeit dahingehend, das Kühlöl auf die Bolzennabenbereiche zu leiten, so dass die Bolzennabenbereiche während eines Zeitpunkts des Kolbenzyklus direkt gekühlt werden, während dessen die Kühlung des Kopfes weniger kritisch ist.
Somit weist die Erfindung den Vorteil auf, dass sie eine direkte Kühlung der Bolzennabenbereiche ohne Beeinträchtigung der effizienten Kühlung des Kolbenkopfes gewährleistet.
Die Erfindung weist den weiteren Vorteil auf, dass sie ein Kühlen des Kolbenkopfes und der Bolzenbohrungen mit Verwendung einer einzigen Ölspritzdüse in Verbindung mit dem Deflektor erreicht.
DIE ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen bei Betrachtung in Verbindung mit der folgenden ausführlichen Beschreibung und den angehängten Zeichnungen deutlicher hervor, darin zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer gemäß der Erfindung ausgeführten Kolbenanordnung, die in der Darstellung mit einer fragmentarisch dargestellten Verbindungsstange verbunden ist;
2 eine Draufsicht des Kolbenhemds, mit Blickrichtung allgemein entlang den Linien 2-2 von 1;
3 eine Schnittansicht allgemein entlang den Linien 3-3 von 2;
4 eine Schnittansicht allgemein entlang den Linien 4-4 von 2; und
5 eine Schnittansicht allgemein entlang den Linien 5-5 von 2, die das zwischen der oberen Position in durchgezogener Linie und der unteren Position in Strichlinie mit dem Hub des Kolbens bewegte Kolbenhemd zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, zeigt 1 eine Gelenkkolbenanordnung 10 mit einem Kopf oder einer Krone 12 und einem getrennt ausgebildeten Hemd 14, das auf gewöhnliche Weise durch einen Kolbenbolzen 16 mit der Krone 12 verbunden ist.
Auf die 2 und 3 Bezug nehmend, weist die Krone 12 einen mittleren Kuppelteil 18 mit einer konturierten Oberseite auf, die eine Verbrennungsschale 20 definiert. Der Kuppelteil 18 ist von einem ringförmigen Ringfeldteil 22 umgeben, der sich von einer Oberseite 24 der Krone 12 zu einer Unterseite 26 erstreckt. In einer äußeren Fläche 30 des Ringfeldteils 22 sind mehrere Ringnuten 28 ausgebildet. Zwischen dem Ringfeld 22 und dem Kuppelteil 18 definieren radial beabstandete Wände 32, 34 eine Kühlölkammer oder -galerie 36, die nach unten hin offen ist, um Kühlöl L in die Galerie 36 von unten aufzunehmen, das von einer oder mehreren Ölspritzdüsen 38 eines (nicht gezeigten) Motors stammt, in dem der Kolben angebracht ist.
Von dem Kuppelteil 18 erstreckt sich ein Paar lateral beabstandeter Bolzennaben 40 nach unten, die mit ausgerichteten Bolzenbohrungen 42 zur Aufnahme des Kolbenbolzens 16 ausgebildet sind. In vielen Anwendungen, einschließlich der dargestellten Ausführungsform, sind die Bolzenbohrungen 42 auf eine Buchse 44 ausgerichtet, um als Lagerfläche für den Kolbenbolzen 16 zu dienen. Jedoch erfordern nicht alle Anwendungen die Buchse 44, und die vorliegende Erfindung kann mit oder ohne Buchse 44 ausgeübt werden. Der Kolbenbolzen 16 verbindet natürlich auf gewöhnliche Weise die Kolbenanordnung 10 mit dem oberen Ende einer (in 1 schematisch gezeigten) Verbindungsstange 45, um die Kolbenanordnung 10 in einer (nicht gezeigten) Zylinderbohrung mittels einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle, mit der das andere Ende einer Verbindungsstange 45 verbunden ist, auf typische Weise hin und her zu bewegen. 4 zeigt das Hemd 14 der Kolbenanordnung 10 in der Nähe des oberen Endes ihres Hubs, während 3 die Kolbenanordnung 10 in der Nähe eines Mittelhubs und auf dem Weg zu einer unteren Hubposition in dem Zylinder zeigt. 5 zeigt das Hemd in beiden Positionen, wobei die obere Position in durchgezogener Linie die Position des Hemds 14 in der Nähe des oberen Totpunkts zeigt und die Strichlinien-Position die Position des Hemds 14 in der Nähe des unteren Totpunkts zeigt. Des Weiteren wird in 5 die Positions-Beziehung des Hemds bezüglich des eine festgelegte Richtung aufweisenden Strömungswegs des Kühlöls L, wie weiter unten besprochen, gezeigt. Die Ölspritzdüse 38 ist bezüglich des hin und her gehenden Kolbens insofern festgelegt, als sich die Kolbenanordnung 10 im Betrieb auf die Düse 38 zu und davon weg bewegt.
Das Kolbenhemd 14 weist ein Paar teilzylindrischer Hemdteile 46 auf, die von den Bolzennaben 40 radial nach außen beabstandet und durch ein Paar Endwände 48 verbunden sind, welche sich über die Bolzennaben 40 in lateral nach außen verlaufender, benachbarter Beziehung dazu erstrecken. Die Endwände 48 weisen Bolzennabenöffnungen 50 auf, die auf die Bolzenbohrungen 42 der Bolzennaben 40 ausgerichtet sind. Durch Aufnahme des Kolbenbolzens 16 in den Bolzennabenöffnungen 50 des Hemds wird das Hemd 14 gelenkig mit der Krone 12 verbunden, so dass sich das Hemd 14 bezüglich der Krone 12 um die Achse des Kolbenbolzens 16 leicht bewegen oder schwenken kann. Das Hemd 14 weist eine Oberseite 52 auf, die von der Unterseite 26 der Krone beabstandet ist, so dass das Hemd 14 von der Krone 12 entkoppelt ist und nur durch den Kolbenbolzen 16 verbunden wird. Die Krone 12 kann aus Stahl gefertigt sein, während das Hemd 14 aus Aluminium oder dergleichen gefertigt sein kann. Natürlich kommen durch die Erfindung auch andere Materialauswahlen in Betracht, einschließlich einer Stahlkrone in einem Stahlhemd, einer Aluminiumkrone und eines Aluminiumhemds oder Variationen davon.
Wie am besten in 2 gezeigt, ist das obere Ende 52 des Hemds 14 mit mindestens einem und vorzugsweise mehreren Ölbehältnissen, in der bevorzugten Form von Schalenausbildungen 54, geformt, die in beabstandeter Umfangsbeziehung zur Ölspritzdüse oder zu den Ölspritzdüsen 38 von den Hemdteilen 46 radial nach innen ragen, so dass sie außerhalb des direkten Spritzwegs der Düse liegen, wodurch gewährleistet wird, dass die Schalen 54 den direkten Kühlölstrom von der Düse 38 von unten in die Ölkühlgalerie 36 nicht hindern. Wenn das Kühlöl aus der Kühlgalerie 36 durch ihren offenen Boden herausfließt, wird ein Teil des Öls von den Schalen 54 aufgefangen, um eine „Cocktail-Shaker-Wirkung" bereitzustellen, die das aufgefangene Öl bei schneller Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung 10 im Betrieb wieder zurück in die Kühlgalerie 36 leitet. Die Schalen 54 sind voneinander abgetrennt, so dass sie einzelne Behältnisse bilden.
Gemäß der Erfindung ist das Hemd 14 weiterhin mit einem Öldeflektor 56 ausgestattet, der zumindest während eines Teils des Hubs der Kolbenanordnung 10 dahingehend wirkt, den ganzen oder einen Teil des von der Spritzdüse 38 stammenden Kühlölstrahls auf den Kolbenbolzen und den Bolzennabenteil 40 der Anordnung 10 zu leiten, um den Kolbenbolzen 16 und die Bolzennaben 40 zu kühlen, insbesondere in der Nähe der Bolzenbohrungen 42, um die Lagerfläche zwischen den Bolzennaben und den Kolbenbolzen 16 zu kühlen. In dem dargestellten Beispiel sind die Bolzenbohrungen 42 mit Buchsen 44 ausgestattet, und das abgelenkte Öl dient zur Kühlung der Buchsen im Betrieb.
Der Deflektor 56 ist ähnlich ausgeführt wie die Ölkühlschalen 54, ist aber allgemein breiter und auf das Hemd 14 ausgerichtet, so dass er über einen Teil des Hubs S des Kolbens (siehe 5) in dem Weg des von der Spritzdüse 38 stammenden Kühlölstrahls liegt. Der Deflektor 56 weist eine Deflektorwand 58 auf, die von der Innenwand des Hemdteils 46 radial nach innen ragt, wie am besten in den 2, 3 und 5 gezeigt. Die Deflektorwand 58 ist bezüglich der Ölspritzdüse 38 so ausgerichtet, dass bei Bewegung des Kolbens in eine obere Position zum oberen Ende des Hubs der Kolbenanordnung 10 hin, wo die Krone 12 den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist (3 und Position in durchgezogener Linie in 5), der Aufprallwinkel des von der Spritzdüse 38 stammenden Ölspritzstrahls gestattet, dass ein wesentlicher Ölstrom L den Deflektor 58 passiert und in die Kühlgalerie 36 der Krone 12 geleitet wird, um die Oberseite 24 und den Ringfeldteil 22 zu kühlen. Am Umfang neben dem Deflektor 58 befindet sich eine Aussparung 59, die bezüglich des Ölstroms L so positioniert ist, dass sie einen Durchgang für das Öl L um den Deflektor 58 herum und in die Galerie 36 bereitstellt, wenn das Hemd 14 mit dem Kolben in die obere Position bewegt wird. Wenn sich der Kolben in seinem Hub nach unten in die abgesenkte Position zur unteren Hubposition bewegt, tritt die Deflektorwand 58 in den Weg des Ölstroms L ein, wie in den 2, 3 und 5 dargestellt, und bewirkt ein Blockieren des Stroms zur Kühlgalerie 36, so dass ein wesentlicher Teil des Ölstroms L radial nach innen abgelenkt wird, um auf den Kolbenbolzen 16, die Bolzennaben 40 und die Buchsen 44 zwecks Kühlung dieser Bereiche der Kolbenanordnung 10 im Betrieb aufzutreffen.
Die Düse 38 ist in einem Winkel zur Längsachse des Kolbenhemds 14 angeordnet (siehe 5), so dass der Ölstrom L den Deflektor 58 passieren kann, wenn sich der Kolben 10 dem oberen Hubende nähert, während er in den Weg in der Nähe des unteren Hubendes eintritt, um den Ölstrom gezielt abzulenken.
Die Oberseite des Öldeflektors 56 weist eine schalenförmige Aussparung 60 auf, die wie die Schalen 54 dazu dient, aus der Kühlgalerie 36 herausfließendes Öl aufzufangen, um solch zusätzliches Öl zwecks verbesserter Kühlung in die Kühlgalerie zurück zu leiten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Öldeflektormerkmal 56 einstückig mit dem Kolbenhemd 14 ausgebildet und kann somit damit gegossen oder geschmiedet werden. Als Alternative dazu könnte das Deflektormerkmal 56 die Form einer angeschweißten oder angeschraubten Komponente annehmen, obgleich die einstückige Konstruktion bevorzugt wird.
Deshalb versteht sich, dass die Erfindung im Schutzbereich der angehängten Ansprüche auch anders ausgeübt werden kann als speziell beschrieben. Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims

Kolbenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine, die Folgendes umfasst: einen Kolbenkopf (12), der zur Hin- und Herbewegung in einem Kolbenzylinder zwischen einer abgesenkten Position und einer angehobenen Position gestützt wird, wobei der Kolbenkopf (12) eine Kühlgalerie (36) mit offenem Boden aufweist, die in einer Unterseite des Kolbenkopfs (12) ausgebildet ist; ein Paar Bolzennaben (40), die von dem Kolbenkopf herabhängen und Bolzenbohrungen (42) zum Stützen eines Kolbenbolzens (16) einer Verbindungsstange aufweisen; ein mit den Bolzennaben (40) für die Hin- und Herbewegung mit dem Kolbenkopf (12) verbundenes Kolbenhemd (14); eine stationäre Ölspritzdüse (38), die in das Kolbenhemd ragt und einen zum Leiten eines Kühlölstroms entlang einem Weg zur Kühlgalerie positionierten Auslass aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenanordnung (10) Folgendes umfasst: einen Öldeflektorschirm (56), der von dem Kolbenhemd (14) getragen wird und mit dem Kolbenkopf (12) bezüglich der stationären Ölspritzdüse (38) zwischen einer abgesenkten Ölablenkposition im Weg des Kühlöls, um den Kühlölstrom zur Kühlgalerie (36) im Wesentlichen zu blockieren und den blockierten Kühlölstrom auf die Bolzennaben (40) zu leiten, wenn der Kolbenkopf in die abgesenkte Position bewegt wird, und einer angehobenen nicht blockierenden Position im Wesentlichen außerhalb des Wegs des Kühlölstroms, um zu bewirken, dass das Kühlöl in die Kühlgalerie (36) geleitet wird, wenn der Kolbenkopf (12) in die angehobene Position bewegt wird, beweglich ist.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 1, bei der das Kolbenhemd (14) eine Innenwand aufweist und sich der Ölspritzdeflektor von der Innenwand nach innen erstreckt.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 2, bei der die Kühlgalerie (36) durch eine Ringnut mit einer inneren Ringnutwand und einer äußeren Ringnutwand gebildet wird.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 3, bei der der Kolbenkopf (12) eine äußere Umfangsfläche (22) enthält, die mit mehreren Kolbenringnuten (28) ausgebildet ist.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 4, bei der sich die äußere Ringnutwand neben der äußeren Umfangsfläche (22) des Kolbenkopfes (12) befindet.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 1, bei der das Hemd (14) eine Aussparung (59) enthält, die sich am Umfang neben dem Ölspritzdeflektor (56) befindet und einen Durchgang für das Öl bildet, wenn sich das Hemd in der abgesenkten Position befindet.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 6, bei der die Ölspritzdüse (38) in einem Winkel zur Aussparung (59) gestützt wird.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 1, bei der das Kolbenhemd (14) eine obere Endfläche aufweist, die mit mindestens einem Ölsammelbehälter (54) ausgebildet ist.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 8, bei der das Kolbenhemd mehrere Ölsammelbehälter (54) enthält.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 9, bei der die mehreren Ölsammelbehälter (54) voneinander abgetrennt sind.
Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 10, bei der einer der Ölsammelbehälter (54) in einer Oberseite des Ölspritzdeflektors (56) vorgesehen ist.
Verfahren zum Kühlen eines Kolbens bei Hin- und Herbewegung in einem Kolbenzylinder zwischen einer angehobenen und einer abgesenkten Position, der einen Kolbenkopf (12) mit einer um den Umfang verlaufenden Kühlgalerie (36) mit offenem Boden, ein Paar Bolzennaben (40), die von dem Kolbenkopf (12) herabhängen und Bolzenbohrungen (42) aufweisen, in denen ein Kolbenbolzen (16) einer Verbindungsstange aufgenommen wird, und ein Kolbenhemd (14), das mit den Bolzennaben (40) zur Hin- und Herbewegung mit dem Kolbenkopf (12) verbunden ist, enthält, wobei man bei dem Verfahren eine stationäre Ölspritzdüse von unten in das Kolbenhemd ragen lässt; dadurch gekennzeichnet, dass es einen Ölspritzdeflektor (56) am Kolbenhemd (14) bereitstellt, der bezüglich der Kühlgalerie (36), des Kolbenhemds (12), der Bolzennaben (40) und der Ölspritzdüse (38) so bemessen und positioniert ist, dass er einen von der Ölspritzdüse (38) stammenden Kühlölstrom im Wesentlichen daran hindert, in die Kühlgalerie (36) zu strömen, wenn sich der Kolben in der abgesenkten Position befindet, und solches Öl in dieser abgesenkten Position auf die Bolzennaben (40) und Bolzenbohrungen (42) ablenkt, und weiterhin sich aus dem Weg des Kühlölstroms bewegt, wenn der Kolben in die angehobene Position bewegt wird, um zu bewirken, dass das Kühlöl in solch einer angehobenen Position in die Kühlgalerie (36) eintritt.