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Kolben Die Erfindung bezieht sich auf Kolben, die einen inneren, den
Kolbenbolzen tragenden Teil aufweisen, auf dem ein äußerer, den Kolbenboden und
den Kolbenmantel umfassender Teil mittels durch den Kolbenboden hindurchgehender
Schrauben befestigt ist, und betrifft eine Verbesserung dieser Kolbenbauart, durch
die eine leichte, aber dennoch kräftige Kolbenkonstruktion geschaffen wird, bei
der gleichzeitig die Kolbenkrone und die Kolbenringzone wirksam gekühlt werden.
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Bei solchen Kolben ist es bereits bekannt, den Kolbenboden und die
Ringzone des Kolbens dadurch zu kühlen, daß von der Kurbelwelle über die Pleuelstange
dem Kolben zugeführtes öl durch radiale Kanäle in eine unter dem Kolbenboden in
dem Raum hinter den Kolbenringen liegende ringförmige Kammer fließt, die mit einem
Durchlaß zur Ableitung des so zugeführten Öls versehen ist.
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Es sind ferner schon gekühlte Kolbenböden für Großdieselmaschinen
bekannt, die aus einem Ober-und einem Unterteil bestehen, zwischen denen von der
Kolbenstange kommendes 0I von einer außenliegenden ringförmigen Kammer unter dem
Kolbenboden über mehrfache Umlenkungen ohne eine geregelte Strömung hoher Geschwindigkeit
zur Mitte fließt und durch die Kolbenstange wieder zurückgeführt wird. Die auf den
Kolbenboden wirkenden Gaskräfte werden bei diesen Kolben zum Teil über die Ringzone
des Kolbens geleitet.
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Weiter sind Kolben bekannt, die einen Kühleinsatz besitzen, der einen
schmalen Zwischenraum gegenüber dem Kolbenboden frei läßt, durch den öl
zu
einem hinter der Kolbenringzone liegenden ringförmigen Körper fließt und von dort
wieder weitergeführt wird. Diese Kühleinsätze übertragen jedoch keine auf den Kolbenboden
wirkenden Gaskräfte. Diese gehen vielmehr insgesamt über die Kolbenringzone des
Kolbens zu den Kolbenbolzenlagern.
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Der Kolben gemäß der Erfindung ist dadurch gehennzeichnet, daß der
innere Teil eine scheibenförmige Krone aufweist, deren Stirnfläche durch die Befestigungsbolzen
in innigem Kontakt mit der Innenfläche des Kolbenbodens des äußeren Teils gehalten
wird, und daß, in der Krone des inneren Teils schmale radiale Nuten gebildet sind,
die eine. geregelte Kühlölströmung hoher Geschwindigkeit von der Pleuelstange zu
der ringförmigen Kammer ergeben.
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Das erste Merkmal hat die Wirkung, daß die auf die Kolbenkrone wirkenden
Gaskräfte direkt auf den Kolbenbolzen übertragen werden, ohne dalß, sie über die
Ringzone des Kolbens geleitet werden. Dadurch ist es möglich, für die ganze Kolbenkrone
einschließlich der Ringzone des Kolbens; selbst wenn der Kolben aus einer Leichtmetallegierung
hergestellt wird, nur einen geringen Querschnitt vorzusehen.
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Durch das weitere Merkmal, da3 in der den Kolbenboden abstützenden,
flachen, scheibenförmigen Krone des Innenteils schmale, radial verlaufende Nuten
vorgesehen sind, wird einerseits die Wärme von dem Kolbenboden durch das durch die
radialen Nuten fließende Kühlöl direkt abgeleitet und anderseits außerdem auch eine
sehr wirksame direkte Wärmeübertragung auf den inneren Kolbenteil erhalten, der
durch die Spannung der durch die Krone hindurchgehenden Befestigungsbolzen auf großer
Fläche in innigem Kontakt mit der Kolbenkrone gehalten und selbst wieder durch das
Öl gekühlt wird.
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Der Außenteil des Kolbens, der die Krone und das Kolbenhemd' umfa;ßt,
kann ausschließlich durch Drehen hergestellt werden und ist dann zur Kolbenachse
symmetrisch, weil er kreisförmig ist und in Umfangsrichtung in jeder senkrechten
Ebene zur Kolbenachse einheitliche Wandstärke hat.
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Um Leckverluste zu vermeiden und dafür zu sorgen, daß alles Öl, das
durch die Pleuelstange fließt, von dem dünnen Ende dieser Pleuelstange in den mittleren
Durchlaß durch den Innenteil des Kolbens übertritt, ist es erwünscht, eine federbelastete,
teleskopartig wirkende Rohrverbindung vorzusehen, die einen Ölsammler zwischen dem
Durchlaß' durch die Krone dieses Kolbenteils und der Bohrung, durch die das Öl aus
dem dünnen Ende der Pleuelstange herausfließt, bildet. Dieser Olsammler umfaßt zweckmäßigerweise
einen rohrförmigen Einsatz, der durch die obere Stirnfläche der Kröne des Kolbeninnenteils
eingesetzt ist, und einen Rohrteil, der teleskopartig entweder auf oder in dem unteren
bzw. äußeren Ende des Einsatzes gleiten kann und durch die Wirkung einer Feder mit
der Oberfläche des benachbarten Endes der Pleuelstange in Berührung gehalten wird.
Solch ein federbelasteter Ölsammler ist hauptsächlich dann erforderlich, wenn der
verbesserte Kolben bei einer Verbrennungskraftmaschine zur Anwendung gelangt, die
nach dem Viertaktprinzip arbeitet. Der Kolben, bei dem die Erfindung insbesondere
angewendet wird, ist zur Erleichterung der Herstellung aus zwei Teilen zusammengebaut;
wobei diese beiden Teile durch Bolzen zusammengehalten werden, die durch die Krone
des Außenteils und durch einen scheibenförmigen, gegen die Innenseite der Krone
anliegenden Teil bzw. eine Krone des Innenteils hindurchgehen. Der Innenteil ist
seitlich durch eine Rippe abgestützt, die von den den Kolbenbolzen tragenden Ansätzen
hervorragt, -und liegt innerhalb einer entsprechend nach innen gerichteten, vorspringenden,
ringförmigen Rippe innerhalb des Hemdbereichs des äußeren Kolbenteils. Es bestehen
solche Aussparungen zwischen diesen zusammenwirkenden Vorsprüngen, daß das Öl, nachdem
es seine Kühlung in dem Kolben ausgeführt hat, zwischen ihnen abfließen kann.
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. Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. i ist eine längs geschnittene Ansicht des vollständigen Kolbens,
wobei der Schnitt in der Ebene liegt, die die Achse des Kolbens und die Achse des
Kolbenbolzens enthält; Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht, nur liegt der Schnitt in
einer im rechten Winkel zu der Schnittebene in Fig. i liegenden Ebene, d. h. in
einer Ebene senkrecht zur Kolbenbolzenachse; Fig.3 ist eine geschnittene Ansicht
des für sich allein gezeigten, wie in Fig. i dargestellten, inneren Teils des Kolbens;
Fig. .4 ist eine ähnliche Ansicht des inneren Teils des Kolbens, nur liegt der Schnitt
in derselben Ebene wie der in Fig. 2 gezeigte Schnitt; Fig. 5 ist eine Aufsicht
auf den Innenteil nach dem Ausbau; Fig. 6 ist eine Untersicht desselben Teils und
wie in Fig. q. dargestellt; Fig. 7 ist eine geschnittene Ansicht des für sich allein
gezeigten, wie in Fig. i dargestellten äußeren Teils des Kolbens; Fig. 8 ist eine
Seitenansicht des Innenteils nach dem Abdrehen und bevor Teile des Hemds zur Bildung
der Ansätze für die Kolbenbolzenlager weggeschnitten sind; Fig.9 ist eine geschnittene
Ansicht des vollständigen Kolbens und der Pleuelstange, wobei der Schnitt nach der
Linie 9-9 der Fig. io, d. h. in einer Ebene senkrecht zur Kurbelwellenachse verläuft,
und zeigt eine etwas abgeänderte Ausbildung des Innenteils des Kolbens; Fig. io
ist ein ähnlicher Schnitt nach der Linie io-io der Fig. 9; Fig. i i ist eine Seitenansicht
des Kurbelzapfens, die den Öldurchlaß, durch seine Wand zeigt; Fig.12 ist ein Querschnitt
des Kurbelzapfens nach der Linie i2-12 in Fig. i i ; Fig. 13 und 14 sind längsgeschnittene
Ansichten in zueinander im rechten Winkel stehenden Ebenen, ähnlich Fig. i und 2,
die aber eine abgeänderte Anordnung des Ölsammlers zwischen dem dünnen Ende
der
Pleuelstange und der Krone des Innenteils des verbesserten Kolbens zeigen.
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Der Außenteil des Kolbens umfaß't die Krone A, den Flansch A 1, in
dem sich die Kolbenringnuten A 2 für die Gaskompressionsringe befinden, und das
Kolbenhemd A 3. Innerhalb des Hemds dieses Kolbenteils befindet sich eine ringförmige
Rippe A4, und zwischen dieser Rippe und der Kolbenkrone A sind zwei ringförmige
Vertiefungen B und B1, von denen die erste in dem Flansch A 1 um einen Teil A 5
herum gebildet ist, der dadurch an der Innenseite der Krone hervorsteht und eine
flache Stirnfläche hat. Diese Vertiefung B liegt außerdem hinter den Kolbenringnuten
A2, und zwischen dieser und der Rippe A4 befindet sich die andere Vertiefung B l,
die von einem Teil des Kolbenhemds A3 umgeben ist. Der für sich hergestellte innere
Teil des Kolbens ist etwa kolbenähnlich und hat eine Scheibe, die eine Krone C bildet,
welche eine flache Stirnfläche aufweist, die mit der flachen Stirnfläche des Teils
A 5 in Berührung steht und in der. eine Reihe von Nuten C 1 angeordnet sind, die
von einer mittleren Öffnung C2 strahlenförmig ausgehen. Wenn dieses innere Teil
in das Außenteil eingebaut ist, hat der Umfang C3 der Krone C des Innenteils gerade
so viel Spiel gegenüber der inneren Oberfläche des Flansches A 1 des Außenteils,
daß ein ringförmiger Spalt D gebildet wird, der, wie es deutlich aus den Fig. i
und 2 ersichtlich ist, als Verbindung zwischen der inneren ringförmigen Vertiefung
B und der anderen ringförmigen Vertiefung B 1 dient. Die Krone C hat ein hemdähnliches
Teil C4, das an seiner Außenseite eine ringförmige Rippe C5 aufweist, von der Teile
wie bei C(; (s. Fig.6) weggeschnitten sind. Die vorspringenden Teile der Rippe stehen,
wenn der Kolben zusammengebaut ist, mit der Innenfläche einer ringförmigen Rippe
A 4 innerhalb desHemds des Außenteils des Kolbens in Berührung und geben dadurch
die seitliche Abstützung für den Innenteil. Eine Vertiefung B2 in dem Hemd C4 zwischen
dem Umfang C3 der Krone C und der Rippe C5 wirkt mit der Vertiefung B 1 innerhalb
des Außenteils des Kolbens bei der Bildung einer ringförmigen Kammer zusammen, mit
der, wie erwähnt, die Vertiefung B durch den Spalt D in Verbindung steht. Dadurch
kann das Öl, das durch die Öffnung C2 austritt, durch die radial angeordneten Nuten
C1 in die von der Vertiefung B gebildete Ringkammer und von dort durch den eine
Verengung bildenden Spalt D in die Ringkammer B 1, B 2 wandern und weiter durch
die Zwischenräume C6 in der Rippe C5 in den äußeren Teil des Hemds A3 hinübertreten.
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Der Innenteil C hat Ansätze E, die aus dem Hemd C4 hervorspringen
bzw. von diesem gebildet werden. In diesen Ansätzen befinden sich Lager E 1 für
den Kolbenbolzen F. Von der Krone A des Außenteils aus sich erstreckende Bolzen
G gehen durch diese Ansätze und dienen zur starren Verbindung der zwei Teile des
Kolbens.
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Der an ihrer Unterseite befindliche Bereich der Krone C des Innenteils
um die mittlere Öffnung C2 herum ist, wie bei C7 gezeigt, als Sitz für das Zusammenwirken
mit der Außenfläche des dünnen Endes der Pleuelstange H ausgebildet. Entsprechend
der äußeren Formgebung der letzteren kann dieser Sitz zylindrisch oder kugelförmig
sein, jedoch ist er vorzugsweise zylindrisch, wie es in den Zeichnungen gezeigt
ist. Das Öl, das in der durch die Pleuelstange H hindurchgehenden Bohrung
K 1 hochgedrückt wird, fließt in-einer Nut H2 innerhalb des dünnen Endes
der Pleuelstange zu einer Austrittsöffnung H3 herum und von dort durch die mittlere
Öffnung C 2 und radiale Nuten C 1 in der Krone C des Innenteils und bewirkt eine
Kühlung der Krone A des Außenteils, der Ringe in den Kolbenringnuten A2 und des
Hemds A 3.
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In der abgeänderten Konstruktion, wie sie in Fig. 9 und io dargestellt
ist, wird der Sitz für das dünne Ende der Pleuelstange über der mittleren Öffnung
der Krone C des Innenteils des Kolbens von einem rohrförmigen Einsatz J gebildet,
dessen oberer Teil bei J 1 mit einem außenliegenden Flansch versehen ist. Dieser
Flansch sitzt in einer um die Öffnung herum befindlichen Vertiefung in der Stirnfläche
der Krone C. Das innere Ende des rohrförmigen, als Ölsammler dienenden Einsatzes
J steht mit der Oberfläche des dünnen Endes der Pleuelstange in Berührung. In dem
mit Flansch versehenen Ende J1 sind radiale Einschnitte bzw. Nuten J2 gebildet,
die mit den Enden der radialen Nuten C 1 in der flachen Fläche der Krone C übereinstimmen,
so daß das 01, das durch die Öffnung H3 in dem Ende der Pleuelstange herauskommt,
durch die Bohrung J 3 in dem Teil I und mittels der Nuten C 1 in die Ringkammer
B und B 1 übertreten kann.
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Der ölfluß- von der Kurbelwelle durch die Pleuelstange H herauf erfolgt
in irgendeiner bekannten Weise, die allgemein als eine gesteuerte Lieferung bezeichnet
wird, bei der die Förderung nur stattfinden kann, während der Kurbelzapfen sich
zwischen begrenzten Winkelbereichen bewegt, die so angeordnet sind, daß' das Öl
in die Pleuelstange eintreten kann, während die Trägheitskräfte des Öls in Richtung
zum Kolben hin wirken. Alternativ dazu kann in der Leitung Hl durch die Pleuelstange
ein Rückschlagventil vorgesehen sein, wobei dieses Ventil beispielsweise die Form
einer Scheibe aufweist, die in einer Vertiefung in dem Ende der Leitung H 1 nahe
dem dicken Ende der Pleuelstange angeordnet ist, wobei sich der Sitz des Ventils
in einem herausnehmbaren Einsatz befindet. Eine zweckmäßige Anordnung zur Erzielung
einer gesteuerten Förderung ist in Fig. 9, io, i i und 12 gezeigt. Das Öl wird in
üblicher Weise durch die hohle Kurbelwelle K in das Innere des Kurbelzapfens L gedrückt,
der eine radiale Bohrung L1 durch seine Wand aufweist, die in eine Nut L2 mündet,
welche in der Oberfläche des Kurbelzapfens eine kurze Strecke in Umfangsrichtung
verläuft. Die Bohrung L1 steht im rechten Winkel zu einer Linie, die die Achsen
des Kurbelzapfens und der Kurbelwelle verbindet. In der Lagerschale A1 sind Bohrungen
Ml, die in eine Nut N münden, welche innerhalb des dicken Endes H4 in Umfangsrichtung
ein begrenztes Stück herumreicht und in dem Ende der Bohrung H1 endigt. Die Drehrichtung
der Kurbelwelle ist durch den Pfeil 0 in Fig. 9
angezeigt. Es ist
ersichtlich, daß das C51 nur dann von dem Kurbelzapfen L in die Leitung H1 fließen
kann, wenn die Bohrung L1 durch einen Winkelbereich geht, in dem sie durch die Bohrung
M 1 in der Lagerschale mit der in Umfangsrichtung angeordneten Nut N in Verbindung
steht. Der in Fig. 9 links gezeigte Kurbelzapfen nähert sich gerade der Winkelstellung,
in der das Öl beginnen kann, in die Leitung H1 einzufließen, während der rechte
Kurbelzapfen sich in einer Stellung befindet, in der die Bohrung L1 nahe dem Ende
der Nut N sich befindet, wo der Ölstrom abgeschnitten wird.
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Durch diese Einrichtung wird das Öl gezwungen, mit Unterbrechungen
durch die Pleuelstange und in die Ringkammern bzw. Räume B, B 1 zu fließen:
Der Raum B wird infolge des durch den engen Ringspalt D hervorgerufenen Widerstands
gegen das freie Abfließen wenigstens teilweise mit 01 gefüllt gehalten. Dieser
Spalt ist an einem Ort angeordnet, der jenseits der untersten Kolbenringnut A2 liegt
bzw., wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, in einer zur Kolbenachse senkrechten
Ebene, welche unterhalb, aber nahe dieser untersten Kolbenringnut liegt. Dadurch,
daß: der Ringraum bzw. die Ringkammer B teilweise mit Öl gefüllt bleibt, wird dieses
Öl dort durch die Bewegung des .Kolbens geschüttelt und dadurch zur innigen Berührung
mit dem die Wandung dieses Raumes bildenden Metall gebracht.
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Von zwei der radialen Nuten C 1 gehen Bohrungen P in die Kolbenbolzenlager
in den Ansätzen E. In der in Fig. 13 und 14 gezeigten abgeänderten Konstruktion
ist ein federbetätigter Ölsammler zwischen dem Innenteil C des Kolbens und dem dünnen
Ende der .Pleuelstange H vorgesehen, eine Anordnung, die, um Ölleckverluste an dieser
Stelle zu vermeiden, besonders da erwünscht ist, wo der verbesserte Kolben in einer
Viertaktverbrennungskraftmaschine Verwendung findet. In dieser Konstruktion hat
der rohrförmige Einsatz 14 einen Außendurchmesser, der merklich geringer ist als
der Innendurchmesser der Mittelbohrung C2 in der Krone C des Kolbeninnenteils. Der
Einsätz wird durch den an seinem oberen bzw. inneren Ende befindlichen Flansch J5
in dieser Bohrung zentriert, wobei der Flansch in einer in einer ringförmigen, in
der Stirnfläche der Krone angebrachten Vertiefung liegt und mit dieser sich im Eingriff
befindet. Dieses Ende des Einsatzes hat radiale Einschnitte, die mit den Enden der
radialen Nuten C 1 in der Stirnfläche der Krone übereinstimmen. Auf dem zylindrischen
Hauptteil 14 des Einsatzes ist ein rohrförmiges Teil-Q angebracht, das auf diesem
gleitet, wobei dieser rohrförmige Teil in dem in der Bohrung C 2 um den Einsatz
J4 befindlichen Ringraum liegt: An seinem äußeren Ende hat dieses gleitende Teil
Q einen Außenflansch Q 1, der sich auch teilweise nach innen erstreckt, wo sich
ein diametraler Schlitz Q 2 befindet, der so angepaßt ist, daß' er mit der Boh-Tung
H 3, durch die das Öl aus dem dünnen Ende der Pleuelstange herausfließt, zusammenwirkt.
Die Endfläche des gleitenden Teils Q ist gekrümmt, damit sie mit der zylindrischen
Oberfläche des Endes der Pleuelstange in Berührung steht. Diese Teile werden durch
die Wirkung einer Schraubenfeder R, die den gleitenden Teil Q umgibt und zwischen
seinem Endflansch Q 1 und der benachbarten Fläche der Krone C des Kolbenteils liegt,
in Berührung gehalten. Diese Anordnung vermeidet die Tendenz, die bei einer Viertaktverbrennungskraftmaschine
am Ende des Ausschubhubs auftreten kann, wenn; kein wesentlicher Gasdruck in dem
Zylinder herrscht, daß der Sammler außer Berührung mit dem Ende der Pleuelstange
gebracht wird. Falls es wünschenswert erscheint, kann der rohrförmige Teil Q so
angeordnet sein, daß er innerhalb des Einsatzes J4 gleitet.
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Wenn der Innenteil des Kolbens aus einem Metall wie Aluminium hergestellt
ist, das einen großen Ausdehnungskoeffizienten hat, sind die Bolzen G, durch die
die zwei Teile des Kolbens zusammengehalten werden, aus einer Stahllegierung hergestellt,
die gleichfalls einen hohen Ausdehnungskoeffizienten hat.
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Die verbesserte Kolbenkonstruktion hat bestimmte Vorteile, die sich
in erster Linie aus der Form des Außenteils ergeben. Da dieser vollständig symmetrisch,
kreisförmig und in jeder Ebene senkrecht zu seiner Achse von gleichbleibender Wandstärke
ist, kann dieser Teil durch Drehen hergestellt werden. Zweitens ist dank dieser
symmetrischen Ausbildung die Gefahr des von den Wärmewirkungen herrührenden Verziehens
vermieden. Drittens entfällt infolge der Konstruktion aus zwei Teilen die aus den
auf die Kolbenkrone wirkenden Gasdrücken resultierende Kraftübertragung durch den
Außenteil.