DE8515338U1

DE8515338U1 - Tauchkolben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE8515338U1
Application number: DE19858515338
Authority: DE
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1985-05-24
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1987-10-01

Description

PB 3327/1737

Tauchkolben einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben, der über einen in eine Querbohrung eingesetzten Kolbenbolzen an eine Pleuelstange und über diese an eine Kurbewelle einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist, mit Merkmalen, wie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben.

Derartige Tauchkolben werden insbesondere in schwerölbetriebenen Großdieselmotoren eingesetzt, in denen Zünddrücke über 100 bar auftreten. Dabei weist der Tauchkolben im oberen Bereich seines Kolbenhemdes ein Kolbenringpaket auf, das aus mehreren voneinander beabstandeten Kompressionsringen und einem, den unteren Abschluß desselben bildenden, in einer Ölabführnut sitzenden und mit ringsum gleichmäßiger Kraft gegen die zugehörige Zylinderbohrungswand vorgespannten Ölabstreifring besteht. Das Kolbenhemd dieser Tauchkolben ist in Achsrichtung gesehen ballig ausgebildet und im Bereich der Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung Im Querschnitt ovalisiert. Bedingt hierdurch bilden

PB 3327/1737

jefie Umfangsbereiche der Kolbenhemdaußenwand, die der DJfuck- und Gegendrückseite des Tauchkolbens zugeordnet sind, mit der Zylinderwand einen kleineren Spalt als jene dazwischenliegenden Umfärigsbereiche der Kölberihemdaußenwand, die die Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung umgeben. Im untersten triebwerksseitigen Endbereich ist das Kolbenhemd wieder weitestgehend kreisförmig. Bei solchen bekannten Tauchkolben wird der Schmierölverbrauch durch den mit bestimmter Kraft ringsum gleichmäßig gegen die Zylinderwand vorgespannten Ölabstreifring am unteren Ende des Kolbenringpaketes gesteuert. Obschon dieser Ölabstreifring an sich wegen seiner gleichmäßigen Vorspannkraft von der Zylinderwand ringsum von dem an der Zylinderbohrungswand anhefteten Schmierölfilm überall eine gleichmäßige Menge abtragen soll, ist dies in der Praxis nicht möglich. Letzteres deshalb, weil sich, bedingt durch die Balligkeit und Ovalisierung des Tauchkolbens, in den somit unterschiedlich breiten Spalten zwischen Kolberihemdäußenwand und Zylinderbohrungswand ein unterschiedlich dicker Schmierfilm ausbildet, der am Umfang verteilt gesehen, bei Bewegung des Tauchkolbens unterschiedliche hydraulische Kräfte entwickelt. Darüberhinaus wird auch beim Kippen des Tauchkolbens von dem auf der Druck- und Gegendruckseite desselben angeordneten Schmierölfilm ein Teil desselben zu den Umfangsbereichen hin verdrängt, die im Bereich um die Öffnungen der Kolbenbol-Eenaufnahmebohrung liegen. Hierdurch wird einerseits die sich dort sammelnde Schmierölmenge vergrößert, andererseits in Bereichen der Druck- und Gegendruckseite die dort vorher vorhandene Schmierölmenge reduziert.

PB 3327/1737

Dies bedeutet, daß gerade art den Stellen des Tauchkol-

\ bens, wo keine so intensive Schmierung nötwendig ist,

\, immer relativ zu viel Schmieröl vorhanden ist. Außerdem

bedeutet dies, daß gerade an den Stellen, nämlich auf der Druckseite und Gegendruckseite des Tauchkolbens, die intensiv geschmiert werden müssen, relativ wenig

&igr; Schmieröl an der Zylinderbohrungswand verbleibt, so daß

immer die Gefahr eines Trockenlaufens mit der Folge von Kolbenfressern besteht.

Es sind nun aus der Literatur auch schon Tauchkolben « bekanntgeworden - siehe beispielsweise die US-PS

2046789 -, bei denen unterhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung eine ringsumlaufende Ölfangrinne mit Ölabführbohrungen vorgesehen ist, über die Schmieröl ins Kolbeninnere abführbar ist. Dies ändert jedoch nichts an der Tatsache der für den Betrieb negativen Auswirkung, die der am unteren Ende des Kolben-

•j ringpaketes angeordnete Ölabstreifring verursacht, denn

_f ein solcher Ölabstreifring ist auch beim Kolben nach

der US-PS 2046789 vorhanden.

Darüberhinaus ist aus der DE-PS 927544 ein weiterer Tauchkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem am unteren Ende des Kolbenringpaketes ein erster, oberer Ölabstreifring sowie am unteren Ende des Kolbenhemdes ein weiterer, unterer Ölabstreifring vorgesehen ist. Jeder der Ölabstreifringe sitzt dabei in einer Ringnut, &rgr; die von Bohrungen durchsetzt ist, über die das abge

streifte Schmieröl ins Kolbeninnere abführbar ist. Darüberhinaus sind an diesem bekannten Tauchkolben kurz unterhalb des oberen Ölabstreifringes und im Bereich

PB 3327/1737 _ 4 _

obt-rhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung zwei sich etwa über einen Winkelbereich von 90° erstreckende, ins Kolbenhemd eingearbeitete Ölfangnllen vorhanden. An jedem Ende einer solchen Ölfangrille ist eine relativ durchmessergroße Ölabführbohrung vorhanden, über die das von der jeweiligen Ölfangrille gesammelte Schmieröl ins Kolbeninnere abführbar ist.

Dieser bekannte Kolben besitzt eine Reihe von Nachteilen, die eine Anwendung der dort offenbarten Technologie für hochbelastfete Tauchkolben nicht möglich erscheinen lassen. Diese Nachteile sind nachfolgend skizziert.

Durch die oberhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenbohrung ausgebildete Ölfangrinne ist für den Fall keine wirksame Ölabfuhr möglich, wenn der Tauchkolben so wie heute üblich in Bereichen um die Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung ovalisiert ist und deshalb die Kolbenhemdaußenwand in diesem Bereich gegenüber der Zylinderbohrungswand relativ weit zurückgenommen ist. Damit wären zwangsläufig auch die Kanten der Ölfangrinne relativ weit gegenüber der Zylinderbohrungswand zurückgenommen, so daß bedingt durch den relativ großen Abstand praktisch keine Ölabstreifwirkung erzielbar ist. Außerdem ist die Anbringung von Ölablaufbohrungen an den beiden Enden der jeweiligen Ölfangrille wegen der hohen Zünddruckbeaufschlagung, die bei modernden Großdieselmotoren regelmäßig über 100 bar liegt, aue Sicherheitsgründen nicht zulässig. Diese Ölablaufbohrungen würden im Motorbetrieb, bedingt durch die Deformation des Tauchkolbens ovalisiert. Die in diesem Be-

PB 3327/1737 - 5 -

reich auftretenden Spannungen wurden die zulässige |

Grenze übersteigen, so daß sich Risse ergäben, die wiederum Kolbenfresser hervorrufen könnten. Generell kann somit gesagt werden, daß Durchbrüche im Kolbenhemd |

oberhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenbohrung aus Sicherheitsgründen grundsätzlich nicht vertretbar sind.

Was die untere Ringnut mit dem darin eingesetzten unseren Ölabstreifring anbelangt, so sind auch diesbezüglich verschiedene Nachteile aufzuzeigen. Die heute angestrebten, relativ niedrigen Schmierölverbräuchen in der Größenordnung von 0,4 g/PSh bedingen sehr kleine Schmierölmengen an den Zylinderlaufflächen. Durch einen gleichmäßig ringsum am unteren Ende des Tauchkolbens vorgespannten Ölabstreifring wir^ dabei von vornherein der an der Zylinderbohrungswand anhaftende Schmierölfilm auf eine kritisch dünne Dicke im Bereich der Druck- und Gegendruckseite des Tauchkolbens gebracht, weil durch das Kippen des Tauchkolbens der vorhandene Ölfilm zwangsläufig von der Druckseite und Gegendruckseite desselben zu Laufbereichen unterhalb und oberhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung verdrängt wird. Die hochbelasteten Tragseiten des Kolbenhemdes mit der zugehörigen Ringpartie können hierdurch partiell trockenlaufen. Erfahrungen mit solchen Lösungen zeigen, daß damit zwar eine Ölverbrauchsreduzierung möglich ist, aber generell Kolbenfresser begünstigt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für eine Ölverbrauchsreduzierung an einem Tauchkolben der eingangs definierten Art solche Maßnahmen vorzusehen, daß die

4 - - 4 «»I* tilt

PB 32>27/1737 - 6 -

Laufflächen der Zylinder und Kolbenringe immer ausreichend auf den tragenden Seiten gezielt geschmiert bleiben, unnötiges Schmieröl an weniger belasteten Umfangsbereichen von Tauchkolben und Zylinderbohrungswand möglichst vollständig abgestreift wird, ferner der Tauchkolben in seiner Stabilität nicht gefährdet und trotzdem ein insgesamt verbessertes Laufverhalten desselben erziel bar ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Tauchkolben der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

j
i
Durch die am unteren Ende des Kolbenhemdes vorgesehene

Ölfangrinne wird beim Kolbenhub von dem an der Zylin-& d<-rbohrungswand ringsum anhaftenden Schmierölfilm nur

in ihrem wir^Kelmäßigen Erstreckungsbereich Schmieröl in

einer bestimi ten Dicke abgestreift und in das Kolbeninnere abgeführt. In den anderen, der Druck- und Gegen

druckseite des Tauchkolbens zugeordneten Umfangsbereichen dagegen bleibt der Ölfilm in seiner Dicke erhalten. Der am unteren Ende des Ringpaketes vorhandene Ölabstreifring reduziert wegen seiner ringsum gleichnäßigen Vorspannkraft den noch verbleibenden unterschiedlich dicken Ölfilm weiter, und zwar gezielt auf ein gewünschtes Maß, das für ausreichende Schmierung der Kolbenringe, der Zylinderbohrungswand und des Kolbenhemdes genügt. Die Vorspannung dieses Ölabstreifringes ist erfindungsgemäß deshalb zurücknehmbar gegenüber vergleichbaren Ölabstreifringen, weil eine Anhäufung von Öl in den Laufbereichen des Tauchkolbens um die Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung durch das

I t t t , ,"

PB 3327/1737 _ 7 _

Vorabstreifen des in diesem Bereich gegebenen Schmieröles vermieden ist. Zum Vergleich: bei konventionellen Kolben war bisher das in diesen Bereichen in großer Menge und Filmdicke vorhandene Schmieröl das Kriterium für die Vorspannkraft des Ölabstreifringes, mit dem weiter vorn bereits erwähnten Nachteil, daß dort, wo das Schmieröl unbedingt notwendig war, nämlich auf der Druckseite und Gegendruckseite des Tauchkolbens, zwangsläufig zuviel abgestreift und damit der Ölfilm zu dünn wurde. Bedingt durch die Vorabstreifung das Schmieröles über die erfindungsgemäß angeordneten Ölfangrinnen an Umfangsbereichen, wo keine so intensive Schmierung notwendig ist, kann die Vorspannkraft des Ölabstreifringes erfindungsgemäß genau auf jenes Maß der gewünschten ölfilmdicke in den tragenden Bereichen des Tauchkolbens eingestellt werden, und dies, ohne dabei den Ölverbrauch zu erhöhen. Es ist damit eine gezielte Schmierölfilmdickensteuerung gewährleistet. Im Motorbetrieb ist bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung damit sowohl eine Zwickelverschleißminderung, als auch eine Kolbenverschleißreduzierung sowie eine längere Lebensdauer der Kolbenringe bei minimiertem Ölverbrauch erzielbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Details der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kachstehend ist die erfinc"un^£gemäße Lösung anhand Eweier in der Zeichnung dargestellte! Ausführungsbei-Bpiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Il Il

I I > I I I
I ■ I
• I I

PB 3327/1737 - 8 -

Fig* 1: eine Seitenansicht eines Tauchkolbens nach einem ersten AüsfühEungsbeispiel der¹ Er™ findung _t

Fig. 2: einen Schnitt durch den Tauchkolben von Fig. 1 entlang der dort eingezeichneten Schnittlinie II-II,

Fig. 3: eine Seitenansicht eines Tauchkolbens nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4: einen Schnitt durch den Tauchkolben von Fig. 3 entlang der dort eingetragenen Schnittlinie IV-IV,

Fig. 5: einen Querschnitt durch den Tauchkolben nach Fig. 1 und 3 entlang der dort eingezeichneten Schnittlinie V-V.

In den Figuren ist insgesamt mit 1 ein Tauchkolben bezeichnet, der über einen in eine querdurchgehende Aufnahmebohrung 2 eingesetzten Kolbenbolzen 3 (Fig. 5) an eine Pleuelstange 4 (Fig. 5) und über diese an eine nicht dargestellte Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Mit 5 ist der Kolbenboden, mit 6 (Fig. 5) das Kolbenhemd und mit 7 die Kolbenhemdaußenwand bezeichnet. In den Fig. 1 bis 4 ist der Tauchkolben 1 alleine, in Fig. 5 dagegen über den Kolbenbolzen 3 an die Pleuelstange 4 angeschlossen dargestellt.

PB 3327/1737

Der Tauchkolben 1 weist im oberen Bereich seines Kolbenhemdes 6 ein Kolbenringpaket auf, das aus mehreren voneinander beäbstandeten, in Ringnuten eingesetzten KompressionlSrir.gen 8, 9, 10 und einem, den unteren Abschluß bildenden, in einer Ölabführnut sitzenden und mit ringsum gleichmäßiger Kraft gegen die Zylinderbohrungswand 11 (Fig. 5) vorgespannten Ölabstreifring 12 besteht. Auch wenn in der Zeichnung als solches nicht ersichtlich, weil zeichnerisch nicht hinreichend klar darstellbar, so ist die Kolbenhemdaußenwand 7 trotzdem in Achsrichtung gesehen ballig ausgebildet. Diese Balligkeit erstreckt sich, wie in den Fig. 1 und 3 angedeutet, am Tauchkolben 1 über eine Höhe Hl der Kolbenhemdaußenwand 7. Außerdem ist die Kolbenhemdaußenwand 7 des Tauchkolbens 1 im Bereich um die nach Einsetzen des Kolbenbolzens 3 vor dessen beiden axialen Endflächen noch verbleibenden Öffnungen 13, 14 der Kolbenbolzenaufnahmebohrung 2 im Querschnitt ovalisiert. Höhe und Lage dieser aus Fig. 5 gut ersichtlichen Ovalisierung am Tauchkolben 1 sind in Fig. 1 und 3 durch die Höhe H2 angegeben. Bedingt durch diese Ovalisierung des Tauchkolbens 1 in diesem Höhenbereich H2 sind zwischen den Umfangsbereichen 15, 16 (Fig. 5) der Kolbenhemdaußenwand 7, die der Druckseite und Gegendruckseite des Tauchkolbens 1 zugeordnet sind, und der Zylinderbohrungswand 11 Spalte 17 und 18 gegeben, die kleiner sind, als jene Spalte 19, 20, die in dazwischenliegenden Umfangsbereichen 21, 20 der Kolbenhemdaußenwand 7 und der Zylinderbohrungswand 11 gegeben sind. Diese Umfangsbereiche 21, 22 erstrecken sich in Umfangsrichtung gesehen jeweils gleichmäßig beiderseits

PB 3327/1737

der nach Einsetzen des Kolbenbolzens 3 vor dessen beiöen axialen Endflächen noch verbleibenden Öffnungen 13, 14 der Kolbenbolzenaufnahmebohrung 2. In ihrem untersten triebwerkseitigen Endbereich dagegen, der in den Fig. 1 und 3 durch die Höhe H3 angegeben ist, ist die Kolbenhemdaußenwand 7 wieder weitestgehend kreisförmig. Im Arbeitstakt des Tauchkolbens wird dessen Kolbenhemd wegen der einwirkenden Zündkräfte so deformiert, daß die unterhalb der öffnungen 13, 14 liegenden Wandflächenteile nach außen gehen. Die Kolbenhemdaüßenwand ist also in ihrem untersten Bereich (H3) nur leicht ovalisiert, so weit, daß sich im Arbeitstakt infolge der Deformation in diesem untersten Bereich die gewünschte Kreisform einstellt.

Entsprechend einem Kriterium der Erfindung ist im Kolbenhemd 6 unterhalb jeder der beiden Öffnungen 13, 14 der Kolbenbolzenaufnahmebohrung 2 im wieder zumindest nahezu kreisförmigen Endbereich (H3) eine sich jeweils über einen Umfangswinkelbereich ^C — 90° erstreckende und bei der Kolbenhubbewegung nur in diesem Winkelbereich O< Schmieröl von der Zyinderbohrungswand 11 abetreifende und ins Kolbeninnere abführende Ölfangrinne 23 vorgesehen. Diese Ölfangrinne 23 begünstigt darüber hinaus die Kreisformbildung des Kolbenhemdes im untersten Bereich (H3) bei Einwirkung der Zündkräfte im Arbeitstakt des Tauchkolbens.

Beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 und 2 ist jede der beiden Ölfärigrinnen 23 durch eine das Kolbenhemd 6 im angegebenen Winkelbereich O^ vollständig durchsetzende, sich im wesentlichen senkrecht zur Tauchkolbenlängsachse erstreckende Quernut 24 gebildet.

PB 3327/1737

-U-

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4 ist jede der beiden Ölfängrinnen 23 durch eine im angegebenen Winkelbereich OC» das Kolbenhemd 6 mit einer etwa bis zur Hälfte von dessen Wandstärke reichenden Tiefe eingearbeiteten Querrille 25 mit von deren Boden 26 durch den Rest der KolbenhemdwaAd führende Querbohrungen 27 gebildet.

Die axiale Breite der üuernut 24 bzw. Querrille 25 be^ trägt etwa das 1,5- bis 2-fache der Höhe des Ölabstreifringes 12.

Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Kriterium ist die Vorspannkraft des am unteren Ende des Kolbenringpaketes angeordneten Ölabstreifringes 12 reduziert sowie an die geringere noch abzustreifende Ölmenge und an eine, in den der Druck- und Gegendruckseite des Tauchkolbens 1 zugeordneten Laufbereichen 15, 16 an der Zylinderbohrungswand 11 gewünscht kleine, aber ausreichende Schmierung sicherstellende, Ölfilmdicke angepaßt eingestellt.

Durch die Kombination dieser beiden erfindungsgemäße& Maßnahmen ist eine in jeder Beziehung ausreichende Schmierung und trotzdem ein geringerer Schmierölverbrauch im Motorenbetrieb erzielbar. Einzelheiten und Wirkungen der erfindungsgemäßen Lösung sind bereits in der Beschreibungseinleitung ausreichend diskutiert.

Claims

, PB 3327/1737 - 1 -

Ansprüche

Tauchkolben, der über einen in eine Querbohrung (2) eingesetzten Kolbenbolzen (3) an eine Pleuelstange (4) und über diese an eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist, der ferner im oberen Bereich seines Kolbenhemdes (6) ein Kolbenringpaket, bestehend aus mehreren voneinander beabstandeten Kompressionsringen (8, 9, 10) und einem, den unteren Abschluß bildenden, in einer Ölabführnut sitzenden und mit ringsum gleichmäßiger Kraft gegen die Zylinderbohrungswand (11) vorgespannten Ölabstreifring (12), aufweist, und dessen Kolbenhemdaußenwand (7)in Achsrichtung ballig sowie im Bereich um die nach Einsetzen des Kolbenbolzens (3) vor dessen beiden axialen Endflächen noch verbleibenden Öffnungen (13, 14) der Kolbenbolzenaufnahmebohrung (2) im Querschnitt ovalisiert ist, wobei in Umfangsbereichen (15, 16), die der Druck- und Gegendruckseite des Tauchkolbens (1) zugeordnet sind, die Kolbenhemdaußenwand (7) mit der Zylinderwand (11) Spalte (17, 18) bildet, die kleiner als jene Spalte (19, 20) in den dazwischenliegenden Umfangsbereichen (21, 22) zwischen Kolbenhemdaußenwand und Zylinderbohrungswand sind, in denen die Öffnungen (13, 14) der Kolbenbolzenaufnahmebohrung (2) angeordnet sind, und wobei die Kolbenhemdaußenwand (7) in ihrem untersten, x.riebwerkseitigen Endbereich wieder weitestgehend kreisförmig ist,

''dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenhemd (6) unterhalb jeder der beiden Öffnungen (13, 14) der Kolbenbolzenaufnahmebohrung (2) im kreisförmigen

PB 3327/1737 - 2 -

Endbereich (H3) eine sich jeweils über einen Umfangswinkelbereich ¹X — 90" erstreckende sowie bei der Kolbenhubbewegung nur in diesem Winkelbereich cs<, Schmieröl von der ZyIinderbohrungswand (11) abstreifende und ins Kolbeninnere abführende Ölfangrinne (23; 24, 25, 26, 27) vorgesehen ist,

und daß die Vorspannkraft des am unteren Ende des Kolbenringpaketes angeordneten Ölabstreifr'.nges (12) redi'ziert sowie an die geringere noch abzustreifende Gchmierölmenge und an eine, in den der Druck- und Gegendruckseite des Tauchkolbens (1) zugeordneten Laufbereichen (15, 16) an der Zylinderbohrungswand (11) gewünscht kleine, aber ausreichende Schmierung sicherstellende, Ölfilmdicke angepaßt eingestellt ist.
2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ölfangrinne (23) durch eine das Kolbenhemd (6) im angegebenen Winkelbereich CX vollständig durchsetzende, sich im wesentlichen senkrecht zur Tatichkolbenlängsachse erstreckende Quernut (24) gebildet ist.
3. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ölfangrinne (23) durch eine im angegebenen Winkelbereich O<. in das Kolbenhemd (6) mit einer etwa bis zur Hälfte von dessen Wandstärke reichenden Tiefe eingearbeitete, sich im wesentlichen senkrecht zur Tauchkolbenlängsachse erstreckende Querrille (25) mit von deren Boden (26) durch den Rest der Kolbenhemdwand führende Querbohrungen (27) gebildet ist.

PB 3327/1737
4. Tauchkolben nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die axiale Breite der Qüernut (24) bzw. Querrille (25) etwa das 1,5- bis 2-fache der Hohe des Ölabstreifringes (12) beträgt.