DE10015352C1 - Gebauter Kolben - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein ölgekühlter gebauter Kolben in Stahl-Leichtbauweise für Tauchkolben-Brennkraftmaschinen, vorzugsweise für stationäre Aggregate, Boots- und Flugmotoren, insbesondere für Leichtflugzeuge. DOLLAR A Der Kolben besteht aus einem Kolbenoberteil 1 und einem durch eine Bodenplatte 20 abgeschlossenen Kolbenunterteil 11, die in der Trennebene 10 miteinander verschweißt sind und einen Kühlraum umschließen. DOLLAR A Der Kolbenboden 2 wird über Stege 7; 8 als auch säulenartige Stützstreben 7.1 auf dem Pleuellagerstuhl formschlüssig abgestützt. Der Pleuellagerstuhl besteht aus einer den Pleuelkopf aufnehmenden u-förmigen Trägerbrücke 14 und den beidseitig davon angeordneten Pleuellagernaben 18 mit der Kolbenbolzenbohrung 19. DOLLAR A Zur Unterstützung der Kühlung als auch zur Versteifung ist der Kolbenboden 2 mit parallel zu den Stegen 8 liegenden Kühlrippen 16 bestückt, die mit dem Ringbund 4 für die Kolbenringe 6 bündig abschließen. DOLLAR A Das Kolbenhemd 12 bildet mit den Pleuellagernaben 18 und den Trägerseitenwänden 17 der Trägerbrücke 14 einzelne vertikale Taschen 25, die von der Bodenplatte 20 zur Triebwerkseite hin abgeschlossen sind. Gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 bilden diese Taschen 25 den abgeschlossenen Kolbeninnenraum für eine Ölplanschkühlung. Die Kühlölzuleitung erfolgt über die Einspritzöffnung 21 in der Trägerdeckplatte 15. Über die Bohrungen 22 wird das Kühlöl abgeführt. DOLLAR A Der gebaute Kolben besitzt eine hohe Festigkeit und Formstabilität. Er ist ...

Description

Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten gebauten Kolben in Stahlausführung für Tauchkolben- Brennkraftmaschinen in Leichtbauweise, vorzugsweise für stationäre Aggregate, Boots- und Flugmotoren, insbesondere für Leichtflugzeuge.

Der Kolben eines Tauchkolbenmotors besteht zumeist aus Grauguß oder Leichtmetall. Bei schnelllaufenden kleinen Motoren hat sich der Leichtmetallkolben durchgesetzt. Leichtmetall besitzt jedoch gegenüber GG oder Stahl eine geringere Festigkeit. Infolge dessen muß der Kolbenboden und die Bolzenzone für das Pleuellager stärker bemessen werden. Obwohl sich diese Materialanhäufung günstig auf die Wärmeableitung auswirkt, treten andererseits unter dem Einfluß der thermischer Belastung relativ große Dehnungen auf, die über die Kolbenform und das Kolbenspiel in der Zylinderlaufbuchse kompensiert werden müssen. Neben einem höheren Fertigungsaufwand führen größere Kolbenspiele vor allem in der Anlaufphase und bei Leerlast durch geringere thermische Belastung zu höheren Spaltverlusten. Diese Spaltverluste wirken sich negativ auf die Verdichtung und damit auf die Zylinderleistung aus. Durch zusätzliche hintereinander angeordnete Kolbenringe und gezielte Kühlmaßnahmen werden diesen Mängel kompensiert. Dennoch sind derartige Kolben für Dieselmotoren, wo erheblich höhere Verdichtungsverhältnisse vorliegen, wenig geeignet.

Um das Dehnungsverhalten bei Leichtmetallkolben zu verringern, sind Leichbaukolben bekannt, die durch Stahleinlagen verstärkt werden. Je nach Ausführungsform kann damit der Wärmeabfluß und das Dehnungsverhalten gesteuert werden. Trotz erreichbarer Verbesserungen werden diese Kolben für thermisch hochbeanspruchte Motoren, wie für Dieselmotoren, aus o. g. nicht eingesetzt. Auch sind diese Spezialkolben in ihrer Herstellung sehr aufwendig und teuer.

Wie in der Praxis zu beobachten ist, sind besonders luftgekühlte Motoren mit Leichtmetallkolben sehr störanfällig. Bei Flugmotoren dieser Gattung kommt es im Leerlauf zur Unterkühlen der Zylinderlaufbuchse. Bei einer anschließend Lastaufnahme und schnellen Temperaturanstieg im Brennraum dehnen sich in der Regel die Kolben schneller aus als die Zylinderlaufbuchsen. Dieses unterschiedliche Dehnungsverhalten führt leicht zu Kolbenklemmern in der Zylinderlaufbuchse. Derartige Erscheinungen sind besonders beim Durchstarten zu beobachten und waren schon Ursache für Motorausfälle und Flugunfälle.

Für thermisch hochbeanspruchte Motoren haben sich mehrteilig gebaute ölgekühlte Kolben durchgesetzt. Sie bestehen aus einer hochfesten Kolbenkrone mit geringer Wandstärke, die haubenartig auf dem Kolbenunterteil aufgesetzt und mit diesem verschraubt ist. Zwischen beiden Bauteilen wird ein Kühlraum eingeschlossen. Kolben dieser Gattung zeigen u. a. die DE-OS 33 47 292, 34 26 238, 44 29 489. Trotz ihrer hohen statischen Belastbarkeit sind diese Kolben relativ schwer und daher für Leichtmotoren unzweckmäßig.

GG-Kolben und gegossenen Stahlkolben, die optimale Kolbenspiele zulassen und damit geringere Spaltverluste verursachen, haben sich bisher auf Grund ihres hohen spezifischen Gewichtes und der zu beachtenden Konstruktionsbedingungen als Kolben für kleine leichte Ottomotoren nicht durchgesetzt.

Lediglich für Dieselmotoren kleiner Leistung, wo höhere Gaskräfte auftreten, werden auch Kolben aus GG und Stahl in Kenntnis vorgenannter Nachteile eingesetzt.

Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, einen gebauten ölgekühlten Kolben für Tauchkolben- Brennkraftmaschinen in Stahlkonstruktion zu entwickeln, der sich durch folgende Merkmale auszeichnet, nämlich

• - kleines Einheitsgewicht (geringe Massenkräft),
• - gute Laufeigenschaften und Verschleißfestigkeit,
• - hohe Warmfestigkeit und Zuverlässigkeit,
• - geringe Wärmeausdehnung (Kolbenspiel, Wärmespannungen)
• - geringes Kolbengeräusch auf Grund geringerem Einbauspiel.

Dieser Kolben soll weiterhin eine geringe Eigendehnung besitzen, um kleine Kolbenspiele und damit geringe Spaltverluste und somit höhere Zylinderdrücke und Zylinderleistungen zu ermöglichen. Insbesondere soll er für Zweitakt-Dieselmotoren geeignen sein. Zur Aufnahme hoher thermischer Belastungen sollen die Übertragungswege für den Wärmeabfluß im Kolben kurze und nicht eingeengte sein. Dementsprechend soll der Kolben eine wirksame Innenkühlung erhalten.

Entsprechend den Bedingungen häufiger Lastwechsel (Leer- und Volllastwechsel) soll der Kolben ebenso über eine hohe statische Festigkeit und Standfestigkeit (Zuverlässigkeit) verfügen.

Die erfindungsgemäßen Merkmale zur Lösung dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 bis 16 zusammengefaßt.

Nachfolgend wird der vorgeschlagene gebaute Kolben in einer Ausführungsform für einen Zweitakt-Tauchkolben-Dieselmotor dargestellt.

Die Abbildungen zeigen:

Fig. 1: einen ölgekühlten gebauten Kolben mit Kolbenober- und -Unterteil in perspektivischer Seitenansicht und Teilschnitt,

Fig. 2: das Kolbenoberteil in perspektivischer Sicht von unten,

Fig. 3: das Kolbenunterteil in perspektivischer Sicht von oben,

Fig. 4: ein Kolbenoberteil nach Fig. 2 mit zusätzlichen Stützstreben.

Der Kolben besteht nach Fig. 1 aus dem Kolbenoberteil (Kolbenkrone) 1 und Kolbenunterteil 11. Im zusammengebauten Zustand sind beide Teile in der Trennebene 10 zwischen Rezessabsatz 3 der Kolbenkrone 1 und dem Kolbenhemd 12 des Kolbenunterteiles 11 fest miteinander verschweißt. Durch den Rezessabsatz 3 und den damit über die Trennebene 10 reichenden Stege 7 und 8 wird eine sichere Zentrierung zwischen Kolbenkrone 1 und dem Kolbenunterteil 11 beim Zusammenbau erreicht.

Der Kolben besteht aus hochfestem Stahl. Die Fertigung erfolgt vorzugsweise auf NC gesteuerten Maschinen aus vollem Material, Stahlguß- oder Stahlpreßrohlingen.

Der Kolbenboden 2 und das Kolbenhemd 12 sind dünnwandig ausgeführt. Zur Aufnahme der Gasdrücke wird der Kolbenboden 2, wie in Fig. 2 erkennbar, über drei in Kreuzverband angeordnete und mit dem Ringbund 4 und Kolbenhemdansatz 4.1 verbundene Stege 7 und 8 gegenüber den Pleuellagerstuhl abgestützt. Die Hauptabstützung erfolgt über die beiden parallel angeordneten Querstege 7. Ihr Abstand bestimmt sich aus der Breite der Trägerbrücke 14, also mithin der Pleuelbreite. Der dritte Steg ist als Mittelsteg 8 achsparallel zum Pleuellager angeordnet. Zwischen den Querstegen 7 stütz er sich ebenfalls auf der Trägerdeckplatte 15 ab. Die Wandstärke der Stege 7 und 8 sind gleichmäßig und ohne Einschnürungen ausgeführt.

Je nach Kolbengröße können durch Verlängerung ausgewählter Kontenpunkte der Kühlrippen 16 in Form von Stützstreben 7.1 über die gesamte Höhe der Stege 7 die Knicksteifigkeit derselben erhöht werden. Eine mögliche Anordnung der Stützstreben 7.1 zeigt Fig. 4.

Im Steg 7 und 8 ist für den Übertritt des Kühlöles in die einzelnen Abschnitte (Kammern 26) des Kolbenbodens 2 eine Bohrungen 9 vorgesehen. Gleichzeitig sind parallel zum Steg 8 in den Kolbenboden 2 Kühlrippen 16 eingearbeitet. Diese Kühlrippen 16 stützen zusätzlich den Kolbenboden 2 statisch ab.

Der Feuersteg 5 des Kolbens ist in etwa so groß wie die Stärke des Kolbenbodens 2. Der Ringbereich mit den Kolbenringnuten 6 ist entsprechend der Tiefe der Kolbenringnuten 6 auf der Innenseite der Kolbenkrone 1 durch ein Ringbund 4 verstärkt. Für die Aufnahme der Sicherungsstifte für die Kolbenringe ist im Übergangsbereich zwischen der inneren Mantelfläche des Ringbundes 4 in den jeweiligen Steg 7 ein Materialpuffer 23, 23' für eine Bohrung für diesen Sicherungsstift belassen. Auf diese Konstruktionweise kann verzichtet werden, wenn der Kolben im Viertaktmotor eingesetzt wird.

Fig. 3 zeigt das Kolbenunterteil 11. Es besteht aus dem Kolbenhemd 12 mit einer Nut 13 für den Ölabstreifring an der Schaftunterkante. Die Aufnahme des Pleuels erfolgt im Pleuellagerstuhl, der eine über den gesamten Kolbendurchmesser reichende u-förmige Trägerbrücke 14 und die Pleuellagernaben 18 umfasst. Die Breite der Trägerdeckplatte 15 entspricht funktionell der Breite des jeweiligen aufzunehmenden Pleuelkopfes.

Auf der Trägerdeckplatte 15 stützen sich, wie oben beschrieben, die Stege 7 und 8 im zusammengebauten Zustand formschlüssig und fluchtend zu den Trägerseitenwänden 17 ab. Die Trägerseitenwände 17 selbst sind von der Mitte zum Kolbenrand hin in ihrem Querschnitt trapezartig verjüngt ausgeführt. Beidseitig von der Trägerbrücke 14 sind zwischen den Trägerseitenwänden 17 und dem Kolbenhemd 12 die Pleuellagernaben 18, 18' mit dem Kolbenbolzenlager 19 angeordnet (s. Fig. 1). Die neben der Pleuellagernabe 18 ausgearbeiteten vertikalen Taschen 25 sind in Höhe der Unterkante der Pleuellagernabe 18 durch eine Bodenplatte 20 geschlossen. Mit dem Verschweissen von Kolbenkrone 2 und Kolbenunterteil 11 entsteht damit ein geschlossener Kolbeninnenraum für die Aufnahme des Kühlmediums, vorzugsweise einer Ölkühlung. Zur Gewichtsreduzierung sind unterhalb der Pleuellagernabe 18 Taschenvertiefung 24 eingearbeitet.

Durch die Stege 7, 8, Stützstreben 7.1 und die Kühlrippen 16 wird neben der Stützfunktion für den Kolbenboden 2 auch eine optimal vergrößerte Wärmeübertragungsfläche erreicht. Gleichzeitig bilden die vertikalen Taschen 25 im Kolbenunterteil 11 mit den durch die Stege 7 und 8 in der Kolbenkrone 1 abgegrenzte Kammern 26 einen dem gesamten Kolbenvolumen nahekommenden Kühlraum. Dieser Kühlraum kann ohne Zutritts- und Austrittsbohrungen als geschlossener Kühlraum ausgeführt sein, in dem ein nichtaustauschbares Kühlmedium eingelagert ist.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist hier als Kolbenkühlung eine offene Ölplanschkühlung vorgesehen. Die Zuleitung des Kühlöles in den Kolbeninnenraum erfolgt auf dem Wege einer Spritzkühlung. Das Kühlöl wird dem unteren oder oberen Pleuellager über eine Düse entnommen. Für die Kühlölaufnahme ist in der Trägerdeckplatte 15 die Einspritzöffnung 21 vorgesehen. Der Kühlölaustritt erfolgt über Bohrungen 22, die im Kolben, welche in Boxermotoren eingesetzt werden, in der Nähe des tiefsten Punktes angeordnet sind. Über die Anzahl, Durchmesser und Position der Bohrungen 22 wird der Kühleffekt gesteuert.

Das Sammelöl, welches nicht durch die Bohrung 22 ablaufen kann, dient als Planschöl der Kühlung in der Anlass- und Startphase. Die Bohrung 22.1 in der Trägerdeckplatte 15 markiert zugleich den Kühlölhöchststand im Kolbeninnenraum.

Durch diese Konstruktion wird eine wirksame Ölplanschkühlung erreicht. Auch bei geringen Hubbewegungen (Leer- und Langsamlauf) ist sichergestellt, dass ein ständiger Kühlmittelkontakt und damit eine funktionsfähige Innenkühlung des Kolbens, insbesondere des Kolbenbodens 2 gewährleistet ist.

Der Kolben in der vorgeschlagenen Ausführung besitzt eine hohe statische Festigkeit und Formstabilität. Durch die Verwendung von hochfestem Stahl können sehr dünne Wandstärken bei guten Dehnungsverhalten realisiert werden. Der Kolben hat eine geringe Masse, so das relativ geringe Massenkräfte wirksam werden. Die gut gegliederte Abstützung des Kolbenbodens 2 durch Stege 7 und 8 und Anordnung von Kühlrippen 16 sichert einen optimale Wärmeableitung und hohe Formstabilität. Formänderungen in Folge der thermischen Belastung sind gering, was kleine Kolbenspiele zu läßt. Sie verringern die Verdichtungsverluste und ermöglichen höhere Zylinderleistungen.

Durch die glattwandige und großräumige Konstruktion kann sich der gebaute Kolben schnell thermischen Belastungsstufen anpassen. Die Gefahr von Kolbenklemmern wird erheblich eingeschränkt und eine hohe Motorstand- und Verschleißfestigkeit erreicht.

Bezugszeichen

1

Kolbenoberteil

2

Kolbenboden

3

Rezessabsatz

4

Ringbund

4.1

Kolbenhemdansatz

5

Feuersteg

6

Kolbenringnut

7

Steg/Quersteg

7.1

Stützstrebe

8

Steg/Mittelsteg

9

Bohrung

10

Trennebene

11

Kolbenunterteil

12

Kolbenhemd

13

Nut

14

Trägerbrücke

15

Trägerdeckplatte

16

Kühlrippe

17

Trägerseitenwand

18

Pleuellagernabe

19

Kolbenbolzenbohrung

20

Bodenplatte

21

Einspritzöffnung

22

Bohrung

23

Materialpuffer

24

Taschenvertiefung

25

Tasche

26

Kammer

Claims (16)

1. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung für Tauchkolben-Brennkraftmaschinen in Leichtbauweise, vorzugsweise für stationäre Aggregate, Boots- und Flugmotoren, insbesondere für Leichtflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus der Kolbenkrone (1) und einem Kolbenunterteil (11) besteht, die am Kolbenhemd (4.1; 12) miteinander verschweißt sind und dass der Kolbenboden (2) auf seiner Innenseite Stege (7; 8), Stützstreben (7.1) und Kühlrippen (16) trägt, wobei die Stege (7; 8) und, wenn vorgesehen, die Stützstreben (7.1) den Kolbenboden (2) formschlüssig auf dem Pleuellagerstuhl (14) im Kolbenunterteil (11) abstützen, wobei der Pleuellagerstuhl (14) aus einer den Pleuelkopf aufnehmenden u- förmigen Trägerbrücke (15) und den Pleuellagernaben (18) mit Kolbenbolzenbohrung (19) für die Lagerung des Kolbenbolzens besteht und dass die von dem Kolbenhemd (12), den Pleuellagernaben (18) und den Trägerseitenwänden (17) gebildeten vertikalen Taschen (25) durch eine Bodenplatte (20) zur Triebwerkseite verschlossen sind und diese Taschen (25) mit den durch die Stege (7; 8) begrenzten Kammern (24) in der Kolbenkrone (1) einen eingeschlossenen Kolbenkühlraum bilden.

2. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7; 8) zwei parallel angeordnete Querstege (7) und einen über Kreuz angeordneten Mittelsteg (8) umfassen.

3. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in ausgewählter Kontenpunkte der Kühlrippen (16) über die gesamte Höhe der Stege (7) greifende Stützstreben (7.1) angeordnet sind.

4. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel angeordnete Stege (7) mit oder ohne Stützstreben (7.1) den Kolbenboden (2) auf der Trägerdeckplatte 16 formschlüssig abstützen.

5. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand der parallel angeordnete Stege (7) aus der Breite der Trägerdeckplatte (15) bestimmt.

6. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelsteg (8) achsparallel zur Kolbenbolzenachse angeordnet ist.

7. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trägerseitenwänden (17) in ihrem Querschnitt von der Kolbenmitte zum Kolbenhemd (12) trapetzartig verjüngen.

8. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7; 8) über den Bereich der Trennebene (10) der Kolbenkrone (1) hinausragen und zur Zentrierung am Kolbenhemdansatz (4.1) einen Rezeßabsatz (3) aufweisen und dass im Umkehrschluß das Kolbenhemd (12) des Kolbenunterteiles (11) entsprechend der Höhe des Rezeßabsatzes (3) über die Trägerdeckplatte (15) ragt.

9. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Anspüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kühlung des Kolbens eine offene Ölplanschkühlung vorgesehen ist und dazu in den Stegen (7, 8) wenigstens eine Bohrung (9) für den Übertritt des Kühlöles in die einzelnen Kammern (26) vorhanden ist und in der Trägerdeckplatte (16) eine Einspritzöffnung (21) für die Aufnahme des Kühlöls und Bohrungen (22, 22.1) für den Ölabfluß in der Trägerdeckplatte (16) bzw. in der Bodenplatte (20) angeordnet sind.

10. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrungen (22, 22.1) in Abhängigkeit des Ölumlaufs als Drossel variiert ausgelegt ist und dass die Bohrung (20) in Boxermotoren im Bereich des tiefsten Punktes der Bodenplatte (20) angeordnet sind.

11. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnung (21) und die Bohrung (22.1) beidseitig von der Mittelstrebe (8) angeordnet sind.

12. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Sicherungsstifte für die Kolbenringe im Übergangsbereich der Mantelinnenseite des Ringträgers (4) der Kolbenkrone (1) zu den jeweiligen angrenzenden Steg (7 oder 8) Materialpuffer als Sicherungsstiftlager (23, 23') vorhanden sind.

13. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Kolbenbodeninnenseite der Kolbenkrone (1) angeordneten Kühlrippen (16) mindestens der Höhe des Ringträgers (4) entspricht.

14. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass unterhalb der Pleuellagernabe (18) zur Massereduzierung Taschenvertiefungen (24) eingearbeitet sind.

15. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11) und die Kolbenkrone (1) getrennt aus dem vollem, oder aus Stahlguß- oder Stahlpreßrohlingen gefertigt sind.

16. Ölgekühlter gebauter Kolben in Stahlausführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle einer offenen Ölplanschkühlung eine geschlossene Planschkühlung mit einem eingelagerten Kühlmedium vorgesehen ist und dementsprechend die Einspritzöffnung (21) für die Aufnahme des Kühlöles und die Bohrungen (22, 22.1) für den Ölaustritt entfallen.