EP0403767A2 - Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem kühlöldurchfluteten Kolbenkopf - Google Patents

Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem kühlöldurchfluteten Kolbenkopf Download PDF

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EP0403767A2
EP0403767A2 EP90108027A EP90108027A EP0403767A2 EP 0403767 A2 EP0403767 A2 EP 0403767A2 EP 90108027 A EP90108027 A EP 90108027A EP 90108027 A EP90108027 A EP 90108027A EP 0403767 A2 EP0403767 A2 EP 0403767A2
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F02F3/225—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid the liquid being directed into blind holes

Definitions

  • the invention relates to a plunger for internal combustion engines with a piston head flooded with cooling oil according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to improve, in a piston with the cooling oil guiding means of the generic type, the cooling effect emanating from the cooling oil shaking in the blind holes on the piston head.
  • the purpose of the at least one proposed overflow channel is, in the case of cooling oil penetrating in the direction of the closed end of the blind bores into the cooling oil, which in this operating state is in the lower region of the cooling space which is supplied with oil from the outside and passes the cooling oil into the blind bores through a negative pressure caused by the To reduce ventilation flow flowing overflow channels.
  • Another effect of the overflow channels is that when the cooling oil flows through the piston into the floor area of the cooling space into which the cooling oil is first introduced, oil can flow out through the overflow channels, thereby creating additional cooling oil-free space in the cooling oil guide means can. It is important, however, that an excessive flow of oil cannot flow through the overflow channels, since this cooling oil practically flows out in a short circuit that is in principle undesirable.
  • the flow cross section of all overflow channel openings must therefore be substantially smaller than the total flow cross section of the cross bores connecting the blind bores with the central cooling space.
  • overflow channels open radially above the floor of the cooling space into which the cooling oil is introduced from the outside, the risk of an excessive short-circuit oil flow is already considerably reduced from the outset.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown in the drawing, which shows a longitudinal section through a piston.
  • the piston consists of a lower piston part 1, which is connected to a piston crown via expansion screws (not shown) extending in the longitudinal direction of the piston.
  • cooling ring channel 4 In the area of the piston ring grooves 3, between the lower part 1 and the piston crown 2, there is a cooling ring channel 4, delimited by both parts, into which cooling oil is pumped by the oil supply to the engine and which is passed from there into a central cooling chamber 5 between the piston crown 2 and the lower part 1 . From the central cooling chamber 5, the cooling oil flows back through a central opening to the oil supply source.
  • the transfer of the cooling oil from the cooling ring channel 4 into the central cooling chamber 5 takes place via blind hole bores 6, which flow out from the piston crown 2 into the cooling ring channel 4 approximately in the longitudinal direction of the piston and are distributed over the piston circumference and which are in turn connected to the central cooling chamber 5 via radial transverse bores 7. These transverse bores 7 open into the blind holes 6 approximately in the region of the closed ends thereof.
  • Overflow channels B lead from the lower area of the cooling ring channel 4 into the lower area of the central cooling room 5.
  • the overflow channels can also be formed by radial recesses in the axially superimposed surfaces of the piston crown 2 and the lower part 1 between the cooling ring channel 4 and the central cooling room 5.
  • the design of the cooling oil guide means 4, 6, 7 and 5 including the cooling oil supply and discharge lines is matched to one another together with the set cooling oil flow rate such that the oil within the cooling ring channel 4 and the blind bore holes 6 opening into it can shake freely during engine operation.
  • the overflow channels 8 serve to improve this shaker effect, which is important for intensive cooling of the piston crown part 2. These ensure pressure equalization between the cooling ring channel 4 and the central cooling space 5. When the cooling oil is moved out of the cooling ring channel 4 into the blind holes 6, this pressure equalization causes an inflow of air into the outer ring channel 4. This creates the possibility that that part of the oil in the blind holes 6 which has not passed through the transverse holes 7 to the central cooling chamber 5 can be thrown back into the outer cooling ring channel 4. This achieves an optimal shaker effect.
  • oil can flow radially inwards through the overflow channels 8 in this operating state and thereby create additional oil-free space within the cooling ring channel 4 and the blind holes 6 opening into it.
  • the flow cross section created by the overflow channels 8 is substantially smaller than that which is formed by the sum of the flow cross sections of the cross bores 7. It has proven to be advantageous to make the flow cross-section, which is formed by the overflow channels 8 distributed over the circumference, more than ten times smaller than the corresponding flow cross-section of the cross bores 7. In a specific exemplary embodiment, excellent cooling results were achieved with a cross-sectional ratio of the bores mentioned of 15: 1 achieved.

Abstract

Bei einem Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem kühlöldurchfluteten Kolbenkopf, bei dem die Kühlölführungsmittel bestehen aus einem radial außen gelegenen geschlossenem Kühlringkanal (4), in den vom Kolbenboden (2) aus im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse ausgerichtete Sacklochbohrungen (6) einmünden und einem zentralen Kühlraum (5), der über radiale Querbohrungen (7) mit den Sacklochbohrungen (6) verbunden ist, wobei das Kühlöl den Kühlölführungsmitteln radial innen über den zentralen Kühlraum oder radial außen über den äußeren Kühlringkanal durch eine geschlossene Zuführleitung zugeführt wird und die Kühlölführungsmittel zur Ermöglichung einer Ölshakerbewegung in keinem Betriebszustand des Kolbens voll ausgefüllt, soll die auf den Kolbenboden ausgehende Kühlwirkung erhöht werden. Zu diesem Zweck ist der radial äußere Kühlringkanal (4) über mindestens einen direkt von diesem ausgehen de Überströmkanal (8) mit dem unteren Bereich des zentralen Kühlraums (5) verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben für Verbren­nungsmotoren mit einem kühlöldurchfluteten Kolbenkopf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Für eine gute Kühlwirkung ist es bei derartig gekühl­ten Kolben wichtig, daß die etwa parallel zur Kolben­längsachse verlaufenden Sacklochbohrungen während der oszillierenden Bewegung des Kolbens möglichst voll­ständig gefüllt und entleert werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, den Kühlölstrom so einzustellen, daß der von dem äußeren Kühlringkanal und den darin ein­mündenden Sacklochbohrungen gebildete Ölaufnahmeraum niemals vollständig mit Öl ausgefüllt ist. Die Menge des Kühlölstromes und die konstruktive Ausgestaltung der Kühlölführungsmittel sind vielmehr so aufeinander abgestimmt, daß das Kühlöl bei der Hubbewegung des Kolbens in diesem Raum frei shakern kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­grunde, bei einem Kolben mit den gattungsgemäß ausge­stalteten Kühlölführungsmitteln die von dem in den Sacklochbohrungen shakernden Kühlöl auf den Kolben­kopf ausgehende Kühlwirkung zu verbessern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch das Vorsehen minde­stens eines zusätzlichen Überströmkanals nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un­teransprüche 2 und 3.
  • Der Zweck des mindestens einen vorgeschlagenen Über­strömkanals besteht darin, bei in Richtung des ge­schlossenen Endes der Sacklochbohrungen in diese ein­dringendem Kühlöl den sich in diesem Betriebszustand im unteren Bereich des jeweils von außen mit Öl be­aufschlagten das Kühlöl in die Sacklochbohrungen wei­terleitenden Kühlraumes einstellenden Unterdruck durch einen durch die Überströmkanäle fließenden Lüf­tungsstrom abzubauen. Eine weitere Wirkung der Über­strömkanäle besteht darin, daß bei einer durch die Kolbenbewegung bedingten Strömung des Kühlöles in den Bodenbereich desjenigen Kühlraumes, in den das Kühlöl von außen zuerst eingeleitet wird, Öl durch die Über­strömkanäle abfließen kann, wodurch zusätzlicher küh­lölfreier Raum in den Kühlölführungsmitteln erzeugt werden kann. Wichtig ist dabei allerdings, daß durch die Überströmkanäle kein zu großer Ölstrom abfließen kann, da dieses Kühlöl praktisch in einem im Prinzip unerwünschten Kurzschluß abfließt. Der Strömungsquer­schnitt sämtlicher Überströmkanalöffnungen muß daher wesentlich geringer als der aufsummierte Strömungs­querschnitt der die Sacklochbohrungen mit dem zentra­len Kühlraum verbindenden Querbohrungen sein.
  • Münden die Überströmkanäle radial oberhalb des Bodens desjenigen Kühlraumes, in den das Kühlöl von außen eingeleitet wird, ein, so ist die Gefahr eines zu großen Kurzschlußölstromes bereits von vornherein er­heblich gemindert.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die einen Längsschnitt durch einen Kolben zeigt.
  • Der Kolben besteht aus einem Kolbenunterteil 1, das mit einem Kolbenboden über nicht dargestellte in Kol­benlängsrichtung verlaufende Dehnschrauben verbunden ist.
  • Im Bereich der Kolbenringnuten 3 befindet sich zwi­schen dem Unterteil 1 und Kolbenboden 2 ein von bei­den Teilen begrenzter Kühlringkanal 4, in den von der Ölversorgung des Motors aus Kühlöl eingepumpt wird, das von dort in einen zentralen Kühlraum 5 zwischen Kolbenboden 2 und Unterteil 1 geleitet wird. Von dem zentralen Kühlraum 5 aus fließt das Kühlöl über eine zentrale Öffnung zur Ölversorgungsquelle zurück.
  • Die Überleitung des Kühlöles aus dem Kühlringkanal 4 in den zentralen Kühlraum 5 erfolgt über aus dem Kol­benboden 2 etwa in Kolbenlängsrichtung in den Kühl­ringkanal 4 einmündende über den Kolbenumfang ver­teilte Sacklochbohrungen 6, die wiederum über radiale Querbohrungen 7 mit dem zentralen Kühlraum 5 verbun­den sind. Diese Querbohrungen 7 münden etwa im Be­reich der geschlossenen Enden der Sacklochbohrungen 6 in diese ein.
  • Von dem unteren Bereich des Kühlringkanals 4 führen Überströmkanäle B in den unteren Bereich des zentra­len Kühlraumes 5. Die Überströmkanäle können auch durch radiale Ausnehmungen in den axial aufeinander­liegenden Flächen des Kolbenbodens 2 und des Unter­teils 1 zwischen Kühlringkanal 4 und zentralem Kühl­raum 5 gebildet sein.
  • Die konstruktive Auslegung der Kühlölführungsmittel 4, 6, 7 und 5 einschließlich der Kühlölzuführ- und Abführleitungen ist zusammen mit dem eingestellten Kühlölmengenstrom derart aufeinander abgestimmt, daß im Motorbetrieb das Öl innerhalb des Kühlringkanales 4 und der in diesen mündenden Sacklochbohrungen 6 frei shakern kann.
  • Zur Verbesserung dieser für eine intensive Kühlung des Kolbenbodenteiles 2 wichtigen Shakerwirkung die­nen die Überströmkanäle 8. Diese sorgen für einen Druckausgleich zwischen dem Kühlringkanal 4 und dem zentralen Kühlraum 5. Beim Bewegen des Kühlöles aus dem Kühlringkanal 4 in die Sacklochbohrungen 6 hinein bewirkt dieser Druckausgleich ein Einfließen von Luft in den äußeren Ringkanal 4. Dadurch wird die Möglich­keit geschaffen, daß derjenige Teil des Öles in den Sacklochbohrungen 6, der nicht durch die Querbohrun­gen 7 zum zentralen Kühlraum 5 übergetreten ist, zu­rück in den äußeren Kühlringkanal 4 geschleudert wer­den kann. Hierdurch wird eine optimale Shakerwirkung erzielt.
  • Wird aufgrund der Massen- und Beschleunigungskräfte während der Kolbenhubbewegungen Kühlöl auf den Grund des Kühlringkanales gepreßt, so kann in diesem Be­triebszustand Öl durch die Überströmkanäle 8 nach ra­dial innen abfließen und dadurch für zusätzlichen öl­freien Raum innerhalb des Kühlringkanals 4 sowie der in diesen mündenden Sacklochbohrungen 6 schaffen.
  • Der durch die Überströmkanäle 8 geschaffene Strö­mungsquerschnitt ist wesentlich kleiner als derjeni­ge, der durch die Summe der Strömungsquerschnitte der Querbohrungen 7 gebildet ist. Als günstig hat sich herausgestellt, den von den über den Umfang verteil­ten Überströmkanälen 8 aufsummiert gebildeten Strö­mungsquerschnitt um mehr als das zehnfache kleiner auszubilden als den entsprechenden Strömungsquer­schnitt der Querbohrungen 7. In einem konkreten Aus­führungsbeispiel wurden ausgezeichnete Kühlergebnisse bei einem Querschnittsverhältsnis der genannten Boh­rungen von 15 : 1 erzielt.

Claims (3)

1. Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem kühlöldurchfluteten Kolbenkopf, bei dem die Küh­lölführungsmittel bestehen aus einem radial außen gelegenen geschlossenen Kühlringkanal, in den vom Kolbenboden aus im wesentlichen parallel zur Kol­benlängsachse ausgerichtete Sacklochbohrungen einmünden und einem zentralen Kühlraum, der über radiale Querbohrungen mit zumindest einzelnen der Sacklochbohrungen jeweils in einem von dem offe­nen Ende der jeweiligen Sacklochbohrung entfernt liegenden Bereich verbunden ist, wobei das Kühlöl den Kühlölführungsmitteln radial innen über den zentralen Kühlraum oder radial außen über den äu­ßeren Kühlringkanal durch eine insbesondere ge­schlossene Zuführleitung zugeführt wird und die Kühlölführungsmittej zur Ermöglichung einer Öl­shakerbewegung in keinem Betriebszustand des Kol­bens voll ausfüllt,
dadurch gekennzeichnet,
daß von dem jeweiligen Kühlraum (Kühlringkanal (4) oder zentraler Kühlraum (5)), in den das Kühlöl zuerst eingeleitet wird, mindestens ein Überströmkanal in einen mit dem Kurbelraum des Motors gasförmig in Verbindung stehenden Raum führt, dessen bzw. deren aufsummierter Strömungs querschnitt erheblich kleiner als derjenige der Gesamtheit der radialen Querbohrungen (7) zwi­schen den Sacklochbohrungen (6) und dem zentralen Kühlraum (5) ist.
2. Tauchkolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Überströmkanal in dem be­treffenden Kühlraum (Kühlringkanal (4) oder Kühl­raum (5)) jeweils im wesentlichen radial und in Abstand zum jeweiligen Kühlraumboden einmündet.
3. Tauchkolben nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überströmkanäle (8) den äußeren Kühlring­raum (4) mit dem zentralen Kühlraum (5) verbin­den, wobei die Überströmkanäle axial unterhalb der Querbohrungen (7) in den zentralen Kühlraum einmünden.
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