DE60220925T2

DE60220925T2 - Einstückiger kolben für dieselmotoren

Info

Publication number: DE60220925T2
Application number: DE60220925T
Authority: DE
Inventors: Xiluo Ann Arbor ZHU; Randall R. Chelsea GAISER
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: ATE365864T1; US20030037671A1; US6526871B1; WO2003019049A1; JP2005501197A; KR20040041583A; EP1419328A1; EP1419328A4; EP1419328B1; MXPA04001580A; DE60220925D1; ES2289129T3

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf einstückige Kolben für den Einsatz in Dieselmotoren, bei denen der Kolbenmantel als ein integrales Teil des Kolbenkorpus ausgebildet ist, und insbesondere auf den Aufbau des Kolbenmantels.
2. Stand der Technik
Einstückige Kolben für den Einsatz in Dieselmotoren sind bekannt, bei denen der Kolbenmantel im Gegensatz zu angelenkten Abschnitten als integraler Abschnitt des Kolbenkorpus ausgebildet ist. Derartige Kolben weisen bekanntlich Kolbenmäntel auf, die eine solche Länge aufweisen und/oder so positioniert sind, dass sich die untere Kante des Kolbenmantels deutlich unter das untere Ende der Anschlussvorsprünge erstreckt, um so die gewünschte Abstützung und Führung für den Kolben zu erreichen, während sich dieser im Zylinder des Motors hin und her bewegt. Solche tief liegenden Kolbenmäntel können sich jedoch in der Position im unteren Totpunkt aus der Zylinderlaufbuchse heraus erstrecken und können infolge des plötzlichen Lastwechsels und der Richtungsänderung bei der Umkehr des Kolbens nach oben in den Zylinder zum Verschluss des Kolbenmantels und/oder der Laufbuchse führen. Außerdem beeinträchtigt der tief liegende Kolbenmantel die Lage der Öleinspritzdüsen, welche Kühlöl nach oben in den Kolben leiten, was voraussetzt, dass der Kolbenmantel im Bereich der Düsen mit Einkerbungen versehen wird, um eine Freimachung bereitzustellen. Beispiele für einstückige Kolben dieser Art werden in den US-Patentschriften 4,161,165 ; 4,286,505 und 6,026,777 sowie in der veröffentlichten inter nationalen Patentanmeldung WO 9620340 offenbart. Der in den bei den letztgenannten Schriften offenbarte Kolben weist einen kurzen, tief liegenden Kolbenmantel auf, der vom Ringkranz abgekoppelt ist, und überträgt infolge des breiten Spalts zwischen dem unteren Ende des Ringkranzes und dem oberen Ende des Kolbenmantels sowie aufgrund der tiefen, entfernten Anordnung des Kolbenmantels einige der Kolbenführungsaufgaben auf die Rippen („ring lands") in der Nähe des oberen Teils des Kolbens, was weniger wirksam ist und an den Rippen Schäden verursachen sowie die Leistung des Kolbens verringern könnte.
Die US-Patentschrift Nr. 4,704,950 offenbart einen Hochleistungskolben für Benzinmotoren von Kraftfahrzeugen, der vollständig aus Aluminium gefertigt ist und für den Einsatz bei hoch verdichtenden Dieselmotoren ungeeignet wäre, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einstückigen Kolben für Dieselmotoren zu schaffen, der die Nachteile bei den vorstehend dargestellten Kolben nach dem Stand der Technik beseitigt oder bedeutend verringert.
Kurzbeschreibung der Erfindung und der Vorteile
Ein Kolben für Dieselmotoren, der gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist, weist einen Kolbenkorpus auf, der aus Stahl gefertigt ist und eine Außenwandung sowie einen geschlossenen Ölkanal besitzt. Ein Paar Anschlussvorsprünge weist axial zueinander ausgerichtete Bolzenbohrungen und einen am weitesten unten liegenden Tangentialpunkt der Bolzenbohrungen auf. Der Kolbenkorpus besitzt einen Kolbenmantel, der einstückig mit den Anschlussvorsprüngen ausgebildet und an seinem oberen Ende mit der Außenwandung so verbunden ist, dass eine durchgehende Verlängerung der Außenwandung gebildet wird. Der Kolbenmantel weist eine untere Kante auf, die zwar im Abstand unterhalb der Bolzenbohrungsachse angeordnet ist, aber sich an oder über dem am weitesten unten liegenden Tangentialpunkt der Bolzenbohrungen befindet.
Die Erfindung sieht auch einen Dieselmotor vor, der einen Motorblock mit mindestens einer Zylinderbohrung und einen einstückigen Kolben aufweist, der in der Zylinderbohrung angeordnet ist und einen Kolbenkorpus aufweist, der aus Stahl gefertigt ist und ein Paar Anschlussvorsprünge mit zueinander ausgerichteten Bolzenbohrungen aufweist, die um eine Bolzenbohrungsachse herum angeordnet sind und einen am weitesten unten liegenden Tangentialpunkt an den Bolzenbohrungen aufweisen. Ein Kolbenmantel ist einstückig mit den Anschlussvorsprüngen ausgebildet und weist eine untere Kante auf, die unterhalb der Bolzenbohrungsachse an oder über dem am weitesten unten liegenden Tangentialpunkt der Bolzenbohrungen angeordnet ist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass sie einen einstückigen Kolben aus Stahl für den Einsatz bei Dieselmotoren schafft, der mit einem kurzen Kolbenmantel versehen ist, welcher aus dem gleichen Stahlwerkstoff in einer solchen Größe hergestellt und in einer solchen Lage relativ zum übrigen Teil des Kolbenkorpus angeordnet ist, dass eine wirksame Führung des Kolbens während der Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung gegeben ist, um die auf die Rippen einwirkende Belastung aufgrund ihrer hohen Lage relativ zu den Bolzenbohrungen zu verringern. Die hohe Lage der unteren Kante des Kolbenmantels verhindert, dass der Kolbenmantel aus dem Unterteil der Zylinderbohrung im unteren Totpunkt des Kolbens herausragt, wodurch ein Verschleiß des Kolbenmantels, der durch einen plötzlichen Lastwechsel oder eine Veränderung der Richtung bei der Umkehr des Kolbens nach oben hervorgerufen wird, verringert oder beseitigt wird. Die vergleichsweise hohe Lage der unteren Kante des Kolbenmantels sorgt außerdem für eine ausreichende Freigabe der Ölstrahldüsen, wodurch die Notwendigkeit für Freimachungskerben in der unteren Kante des Kolbenmantels entfällt, so dass eine durchgehende untere Führungskante des Kolbenmantels ohne Unterbrechungen gebildet wird, die stabiler und leichter herstellbar ist als Kolbenmäntel mit Einkerbungen.
Die Gesamtreduktion und Höhe des Kolbenmantels hat ferner den Vorteil einer vereinfachten Herstellung geschmiedeter Stahlkolben. Die kürzere Länge lässt die Herstellung einer vergleichsweise dünneren und glelchmäßigeren Kolbenmantelwandung im Vergleich zu geschmiedeten Kolbenmänteln von größerer Länge zu, die aufgrund der erforderlichen Entformungsschräge im Allgemeinen dicker sind, um das Schmieden des Kolbenmantels möglich zu machen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung noch besser deutlich, wenn sie in Verbindung mit der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden, in denen
1 eine perspektivische Unteransicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Kolbens zeigt;
2 eine Seitenansicht des Kolbens aus 1 ist;
3 eine fragmentarische Ansicht ähnlich 2 ist, die allerdings teilweise im Schnitt dargestellt ist, und
4 eine schematische fragmentarische Schnittansicht eines Dieselmotors zeigt, der mit dem Kolben gemäß den 1 bis 3 ausgerüstet ist.
Ausführliche Beschreibung
Unter dem Bezugszeichen 10 ist in den 1 bis 3 ein erfindungsgemäß aufgebauter Kolben dargestellt, den 4 eingebaut als Teil eines Dieselmotors 12 zeigt.
Der Kolben 10 weist einen Kolbenkorpus 14 auf, der eine obere Wandung 16 besitzt, die mit einer Verbrennungsmulde oder einem Krater 18 ausgebildet ist, welche sich von einer Oberseite 20 der oberen Wandung 16 aus nach unten erstreckt.
Der Kolbenkorpus 14 weist eine außen liegende ringförmige Wandung bzw. einen Ringkranz 22 mit einer Außenfläche 24 auf, in der eine Vielzahl ringförmiger Vertiefungen oder Nuten 26 zur Aufnahme (hier nicht dargestellter) Kolbenringe ausgebildet ist. Die Außenwandung 22 umfasst eine ringförmige Innenfläche 28, welche gegenüber der Außenfläche 24 radial zum Inneren des Kolbenkorpus 14 weist.
Der Kolbenkorpus 14 weist eine ringförmige Innenwandung 30 auf, die sich von der Verbrennungsmulde 18 aus nach unten erstreckt, welche eine radial nach außen weisende ringförmige Fläche 32 besitzt, die von der Innenfläche 28 der Außenwandung 22 in radialer Richtung nach innen beabstandet ist.
Der Kolbenkorpus 14 weist vorzugsweise eine untere Wandung 34 auf, die sich zwischen den unteren Endbereichen der Außenwandung 22 und der Innenwandung 30 in beabstandeter Beziehung zur oberen Wandung 16 erstreckt und diese Endbereiche mit einander verbindet. Die obere Wandung 16 und die äußere Wandung 22 sowie die Innenwandungen 30 begrenzen eine ringförmige Kühlkammer bzw. einen Kanal 36 zur Aufnahme von Kühlöl, welche bzw. welcher vorzugsweise am unteren Ende durch die untere Wandung 34 verschlossen ist. Unter „verschlossen” ist jedoch nicht zu verstehen, dass dieser Kanal völlig in sich geschlossen ist, sondern es wurden daran Vorkehrungen für Öffnungen und Durchlässe zum Einleiten von Öl in den Kanal 36 und zum Ausleiten von Öl aus diesem getroffen. In 3 ist repräsentativ eine Öleinlassöffnung 38 dargestellt, und ebenso ein repräsentativer Ölauslasskanal 40, welcher dem Üblichen entspricht. Die untere Wandung 34 ist einstückig mit den unteren Bereichen der Außenwandung 22 und der Innenwandung 30 ausgebildet und dient neben dem Verschließen des Kanals 36 als Konstruktionssteg oder als Brücke zwischen der Außenwandung 22 und der Innenwandung 30.
Der Kolbenkorpus 14 weist ein Paar Anschlussvorsprünge 42 auf. Die Anschlussvorsprünge 42 sind einstückig mit der Innenwandung 30 ausgebildet und erstrecken sich vorzugsweise von der unteren Wandung 34 aus nach unten, während sie in radialer Richtung von der Außenfläche 24 der Außenwandung 22 aus nach innen versetzt sind. Die Anschlussvorsprünge 42 sind mit Bolzenbohrungen 44 ausgebildet, welche einen (hier nicht dargestellten) Schwenkzapfen aufnehmen, der dazu dient, den Kolben 10 mit einer (hier nicht dargestellten) Pleuelstange des Motors 12 zu verbinden. Die Bolzenbohrungen 44 sind um eine gemeinsame Bolzenbohrungsachse A herum ausgerichtet, welche, bezogen auf eine Längsachse B des Kolbenkörpers 14, eine Mittellinie für die Bolzenbohrungen darstellt. Die Bolzenbohrungen 14 besitzen einen untersten Tangentialpunkt 46, welcher den untersten Teil der Bolzenbohrungen 44 in Längsrichtung darstellt, wobei der Tangentialpunkt 46 dadurch festgelegt wird, dass eine Ebene P durch den Kolbenkorpus 14 senkrecht zur Längsachse B gelegt wird, welche den untersten Punkt der Bolzenbohrungsflächen 48 der Bolzenbohrungen 44 enthält, wie dies in 2 dargestellt ist.
Der Kolbenkorpus 14 weist einen Kolbenmantel 50 auf, der einstückig mit den Bolzenbohrungen 44 so ausgebildet ist, dass der Kolbenkorpus 14 einen einstückigen Aufbau mit daran befestigtem Kolbenmantel aufweist, und keinen separaten Mantel, der mittels des (hier nicht dargestellten) Schwenkzapfens an den Anschlussvorsprüngen angelenkt ist. An dem Kolbenmantel 50 ist vorzugsweise ein oberer Endbereich 52 ausgebildet, der direkt mit der Außenwandung 22 verbunden ist, so dass der Kolbenmantel 50 als durchgehende Verlängerung der Außenwandung 22 nach unten unter die untere Wandung 34 ausgebildet ist. Der Kolbenmantel 50 ist als solcher auch in einem Stück mit der unteren Wandung 34 verbunden, wie dies am deutlichsten in 3 dargestellt ist.
Der Kolbenmantel 50 weist einen unteren freien Randbereich 54 auf, welcher den untersten Teil des Mantels 50 in Längsrichtung des Kolbenkorpus 14 definiert. Erfindungsgemäß befindet sich die untere Kante 54 an einer solchen Stelle, dass ein im Vergleich zu herkömmlichen Kolbenmänteln vergleichsweise kurzer Kolbenmantel 50 entsteht. Insbesondere ist die untere Kante 54 des Kolbenmantels 50 an einer Stelle angeordnet, die sich unterhalb der Höhe der Bolzenbohrungsachse A, aber an dem untersten Tangentialpunkt 46 der Bolzenbohrungen 44 oder darüber und besonders bevorzugt über dem untersten Tangentialpunkt 46 befindet.
Zusätzlich zu der Beziehung der unteren Kante 54 zum Kolbenmantel 50 relativ zu den Bolzenbohrungen 44 in Längsrichtung weist der Kolbenkorpus 14 die folgenden Verhältnisse in den Abmessungen auf: H/D = 0,5–0,75, A/D = 0,3–0,6 und A/H = 0,7–1,2, wobei H die Kompressionshöhe des Kolbenkorpus 14 ist, gemessen zwischen der Oberseite 20 des Kolbenkorpus und der Achse A der Bolzenbohrungen 44; wobei D der Kolbendurchmesser ist und A die Länge zwischen der untersten Ringnut 26 und dem unteren Rand 54 des Kolbenmantels 50 in axialer Richtung angibt, wie dies am besten in 2 zu erkennen ist.
Die untere Kante 54 des Kolbenmantels 50 ist, wie aus 1 und 2 am deutlichsten zu entnehmen ist, vergleichsweise glatt und durchgehend und frei von irgendwelchen Freimachungskerben für Öldüsen oder dergleichen.
Der Kolbenkorpus 14 ist vorzugsweise aus mindestens zwei separaten Teilen hergestellt, die getrennt von einander geformt und anschließend über eine Verbindungsstelle oder mehrere Verbindungsstellen 56 miteinander verbunden werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kolbenkorpus 14 ein oberes Teil 58 und ein unteres Teil 60 auf, wobei die beiden Teile im zusammengefügten Zustand den eingeschlossenen Kühlkanal 36 bilden. Die Verbindungsstelle 56 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine reibverschweißte Fuge. Jedoch sind bei der Erfindung auch andere Ansätze zum Verbinden separat geformter Kolbenteile in Erwägung zu ziehen, wie beispielsweise Verkleben, Hartlöten, eine Bolzenverbindung, Verbindungsgewinde, usw., die dazu dienen, die getrennt geformten Teile zu einer einzigen vereinigten Struktur miteinander zu verbinden, die einmal für den Einsatz als Kolbenkorpus 14 zusammengefügt wird. Bei dem hier besprochenen Ausführungsbeispiel umfasst das untere Teil 60 die Anschlussvorsprünge 42, den Kolbenmantel 50, die untere Wandung 34 und die unteren Abschnitte der Außen- und Innenwandungen 24 und 30, wobei die reibverschweißte Fuge 56 in den Innen- und Außenwandungen 22, 30 vorgesehen ist. Das untere Teil 60 ist vorzugsweise aus Stahl geschmiedet. Das obere Teil 60 umfasst die obere Wandung 16, die Mulde 18 und die oberen Abschnitte der Außenwandung 22 und der Innenwandung 30, die über die Verbindungsstelle 56 mit den unteren Abschnitten der Außenwandung 22 und der Innenwandung 30 zum Vereinigen der Struktur mit einander verbunden sind.
4 stellt den vorstehend beschriebenen Kolben 10 dar, der hier in dem Dieselmotor 12 zur Hin- und Herbewegung in mindestens einem zugehörigen Zylinder 62 des Motors 12 eingebaut ist. Der Kolben 14 wird dabei in seiner Stellung am unteren Totpunkt gezeigt, bei dem es sich um den am weitesten unten liegenden Punkt handelt, den der Kolben 10 bei seinem Hub im Zylinder 62 erreicht. Es ist erkennbar, dass der Kolbenmantel 50 im Inneren des Zylinders 62 eingeschlossen ist, so dass die untere Kante 52 des Mantels 50 sich nicht bis unterhalb der unteren Kante 64 des Zylinders 62 erstreckt, in dem er sich hin und her bewegt.
Es liegt auf der Hand, dass angesichts der vorstehenden Lehre zahlreiche Modifizierungen und Abweichungen bei der vorliegenden Erfindung möglich sind. Deshalb versteht es sich von selbst, dass die Erfindung im Rahmen der beiliegenden Ansprüche auch in anderer Weise als der hier speziell beschriebenen praktisch ausgeführt werden kann. Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims

Kolben (10) für einen Dieselmotor (12), weicher folgendes aufweist: einen Kolbenkorpus (14), der aus Stahl gefertigt ist und eine Außenwandung (22) besitzt; ein Paar Anschlussvorsprünge (42) für die Kolbenbolzen mit zueinander ausgerichteten Bolzenbohrungen (44), die um eine Bolzenbohrungsachse (A) herum angeordnet sind und einen am weitesten unten liegenden Tangentialpunkt (46) der Bolzenbohrungen (44) aufweisen; einen Kolbenmantel (50), der einstückig mit den Anschlussvorsprüngen (42) für die Kolbenbolzen ausgebildet ist und einen oberen Endbereich (52), der direkt mit der Außenwandung (22) verbunden ist, sowie einen unteren Rand (54) aufweist, welcher den untersten Teil des Kolbenmantels (50) in Längsrichtung des Kolbenkorpus (14) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (54) unterhalb der Bolzenbohrungsachse (A) und an dem am weitesten unten liegenden Tangentialpunkt (46) der Bolzenbohrungen (44) oder oberhalb desselben angeordnet ist.
Kolben (10) nach Anspruch 1, welcher einen geschlossenen Ölkanal (36) aufweist.
Kolben (10) nach Anspruch 2, bei welchem der Kolbenkorpus (14) die folgenden Abmessungsverhältnisse aufweist: (H/D) = 0,5–0,75 (A/D) = 0,3–0,6 (A/H) = 0,7–1,2 wobei H = Kompressionshöhe des Kolbenkorpus (14) zwischen einer Oberseite (20) des Kolbens (10) und der Achse (A) der Bolzenbohrungen (44), D = Kolbendurchmesser, und A = Länge zwischen der untersten Ringnut (26) und dem unteren Rand (54) des Kolbenmantels (50) in axialer Richtung.
Kolben (10) nach Anspruch 2, bei welchem der Kolbenkorpus (14) aus mindestens zwei getrennten Teilen (58, 60) hergestellt ist, welche über mindestens eine Verbindungsstelle (56) mit einander verbunden sind.
Kolben (10) nach Anspruch 4, bei welchem die mindestens eine Verbindungsstelle (56) eine reibverschweißte Fuge aufweist.
Dieselmotor (12), welcher folgendes aufweist: einen Motorblock mit mindestens einer Zylinderbohrung (62) und einem Kolben (10) nach Anspruch 1.
Dieselmotor (12) nach Anspruch 6, bei welchem der Kolbenkorpus (14) die folgenden Abmessungsverhältnisse aufweist: (H/D) = 0,5–0,75 (A/D) = 0,3–0,6 (A/H) = 0,7–1,2 wobei H = Kompressionshöhe des Kolbenkorpus (14) zwischen einer Oberseite (20) des Kolbens (10) und der Achse (A) der Bolzenbohrungen (44), D = Kolbendurchmesser, und A = Länge zwischen der untersten Ringnut (26) und dem unteren Rand (54) des Kolbenmantels (50) in axialer Richtung.
Dieselmotor (12) nach Anspruch 6, bei welchem der Zylinder (62) einen unteren Rand (64) aufweist und der untere Rand (54) des Kolbenmantels (50) an dem unteren Rand (64) des Zylinders (62) oder über diesem angeordnet ist, wenn sich der Kolben (10) an einem untersten Punkt seines Hubs in dem Zylinder (62) befindet.