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Zwangsumlaufschmierung und -kühlung für den Arbeitskolben von Brennkraftmaschinen
Die Schmierung der Kolbenlaufbahn und der Ringe von insbesondere kleinen schnell
laufenden Motoren wird im allgemeinen mit dem Öl durchgeführt, das von den Lagern
der Pleuelstange auf die Zylinderlaufbahn geschleudert wird. Der Nachteil dieser
Schmierungsart liegt darin, daß bei geringer Drehzahl des Motors und besonders beim
Start des kalten Motors kein oder nur zu wenig Öl auf die Zylinderlaufbahn
gelangt, wodurch infolge mangelnder Schmierung der Ringe ein erhöhter Verschleiß
auftritt. Weiterhin tritt, wenn das Öl sehr heiß ist, eine große Ölmenge aus den
Lagern aus, und der Ölverbrauch des Motors steigt: Eine solche wechselhafte oder
ungleichmäßige Schmierung der Kolbenlaufbahn ist aber sowohl für die Lebensdauer
des Motors als auch für dessen wirtschaftliche Betriebsweise nachteilig. Andererseits
ist es bislang noch nicht gelungen, das Problem der Kolbenschmierung in Verbindung
mit der Kühlung des Kolbens etwa durch Einspritzen von Öl in das Kolbeninnere in
zufriedenstellender Weise zu lösen, da zur Kolbenkühlung weit größere Ölmengen erforderlich
sind als zur Kolbenschmierung. Man war bislang nicht in der Lage, die für die Kolbenkühlung
erforderlichen großen Ölmengen ohne den Nachteil eines erhöhten Ölverbrauches zu
beherrschen, und es führten daher alle bisher bekannten Einrichtungen, die sich
damit befaßten, ein einfaches Anspritzen des Kolbeninneren mit Öl für eine wirksame
Kühlung zu benutzen, nicht zu dem gewünschten Erfolg; denn die Menge an Kühlöl,
die man auf diese Weise dem Kolben zuführen konnte, war durch den mit der Kühlölmenge
stark anwachsenden Ölverbrauch begrenzt.
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Die Erfindung betrifft eine Zwangsumlaufschmierung und -kühlung für
den Arbeitskolben von Brennkraftmaschinen, insbesondere von schnell laufenden Brennkraftmaschinen,
der als Vollschaftkolben ausgebildet ist und nur unmittelbar unterhalb des unteren
Kolbenringes einen 0labstreifring aufweist, wobei das Öl im Überschuß in das hohle
Kolbeninnere eingespritzt oder eingeschleudert wird und ein mindestens teilweiser
Austritt von Öl durch in der der Ölabstreifkante vorgelagerten Ringnut beginnende
und in den Kolbeninnenraum führende Durchtrittsöffnungen nach der Zylinderwand stattfindet.
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Auch eine bekannte Einrichtung dieser Art weist den Mangel eines unzulässig
hohen Ölverbrauches auf, weil das Öl, welches infolge der großen für die Kühlung
erforderlichen Menge dem Kolbeninneren in weit reichlicherem Maße zuströmt, als
dies für die Kolbenschmierung an sich erforderlich ist, einen Stau erfährt, wenn
es durch die üblichen oberen Ölabstreifringbohrungen nach außen auf die Kolben-
bzw. Zylinderlauffläche gelangt und dort zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand
eingeschlossen ist. Dieser Ölstau bedingt einen unerwünscht langen Aufenthalt des
Öles zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand, wobei infolge übermäßiger thermischer
Einwirkung leicht Ölvererackung stattfindet und es zu den bekannten lackartigen
Überzügen am Kolben kommt, die für die Betriebsweise des Kolbens sehr nachteilig
sind. Diese Nachteile lassen sich nach.-den Erkenntnissen der Erfindung nur dadurch
vermeiden, daß zur Ermöglichung eines raschen Zwangsumlaufes des gleichzeitig zur
Kühlung und Schmierung des Kolbens dienenden Öles dem zwischen Kolbenmantel und
Zylinderwand gelangenden Öl ein freier Abzug' nach unten gewährt wird.
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Die Erfindung besteht deshalb darin, daß der Schaft an den von den
Gleitbahndrücken nicht belasteten Umfangsflächen im Durchmesser zu je einer Ausnehmung
zurückgesetzt ist, welche sich in etwa gleichbleibender, etwa einem Viertel des
Schaftumfanges entsprechender Breite von mindestens dem Ölabstreifring an bis an
das untere Schaftende erstreckt und in ihrer radialen Tiefe derart bemessen ist,
daß das aus der Ringnut in die Ausnehmungen austretende Öl ungehemmt durch die Relativbewegung
zwischen Kolben und Zylinder nach dem Kurbelgehäuse abfließen kann.
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Die Ölrückführ-Ausnehmungen am Kolbenschaft erstrecken sich in Ausgestaltung
der- Erfindung, von der Kolbenbolzenachse aus gesehen, seitlich über einen Winkel
von 90°, wobei der 90°-Winkel von der Kolbenbolzenachse halbiert wird. Die Tiefe
der Ausnehmungen muß dabei aus dem Grunde mindestens
0,5 mm sein,
damit sich auf der kolbenseitigen Wand der Kanäle jeweils eine Ölschicht bilden
kann., die nicht von der Ölschicht auf der Zylinderwandung in ihrer Wirkung gehemmt
wird.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung werden die am Kolbenhemd
vorgesehenen Ölrückführ-Ausnehmungen gegebenenfalls bis zum zweiten Kolbenring hochgezogen,
um auch das an den obersten Kolbenringen anfallende Schmieröl mit in den Rückführkreislauf
einzubeziehen.
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Der Vorgang bei der erfindungsgemäßen Zwangsumlaufschmierung ist folgender:
Der oder die in das Innere des Kolbens eingespritzten Ölstrahlen prallen auf der
Innenseite der Kolbenwandung auf und verteilen sich dort, wobei ein Teil des Öles
durch die Bohrungen oder Löcher in der der Abstreifkante vorgelagerten Ringnut nach
außen auf die Zylinderwand gelangt, während ein anderer Teil des Öles unmittelbar
von dem Kolben nach dem Motorinneren zurückgeschleudert wird. Beim Auftreffen des
oder der Ölstrahlen an der inneren Kolbenwandung erfährt außerdem der Kolben die
beabsichtigte Kühlung. Das so auf die Zylinderwand bzw. Kolbenlaufbahn gelangende
Öl bewirkt zunächst eine kräftige Durchschmierung der letzteren, wird dann aber
infolge des dort herrschenden Kolbendruckes von der Kolbenlaufbahn nach außen in
die am Kolbenhemd vorgesehenen Rückführ-Ausnehmungen gedrückt und kann in diesen
ungehemmt nach unten abfließen. Infolge der gewählten ausreichenden Tiefe der Ausnehmungen
entsteht besonders im unteren Totpunkt bei der Bewegungsumkehr des Kolbens ein kräftiger
Abschütteleffekt, der das in großer Menge geförderte Öl nach dem Kurbelgehäuse zu
aus dem Spalt herausschleudert.
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Wird ein Kolbenbenutzt, der -wie dies in manchen Fällen unvermeidbar
ist - ein seitliches Führungsband am unteren Ende besitzt, das den freigeschliffenen
Raum um das Kolbenbolzenauge nach dem Zylinderraum hin abschließt, dann wird der
Ölumlauf in der durch die Erfindung vorgesehenen Form nach einem weiteren Merkmal
dadurch sichergestellt, daß das Führungsband von breiten Kanälen durchbrochen ist,
die zusammen eine Fortsetzung der am Kolbenhemd vorgesehenen Rückführkanäle bis
ans untere Kolbenschaftende bilden, wodurch dem Öl ausreichende Durchtrittsmöglichkeit
nach unten gegeben ist.
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Für die Merkmale der Unteransprüche wird Patentschutz nur im Zusammenhang
mit dem Hauptanspruch begehrt.
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Die Erfindung schafft sonach eine wirksame Zwangsumlaufschmierung
und -kühlung, jedoch nicht in dem bisher üblichen Strömungssinn, wonach die Rückförderung
des Schmieröles von der Zylinderwand nach dem Kolbeninneren durch die in den ölabstreifringen
üblicherweise vorgesehenen Öffnungen erfolgt, sondern -im umgekehrten Strömungssinn.
Es ist daher auch von ausschlaggebender Bedeutung, daß an dem dein Kurbelgehäuse
zugewandten Ende des Kolbens weder zusätzliche Ölringe noch Ölfangringe zum Aufhalten
des Öles angebracht sind. Von ebenso großer Bedeutung ist es, daß die Kanäle außen
am Kolbenhemd angebracht sind und nach dem Kolbeninneren keine Durchbrechungen (Vollschaftkolben)
aufweisen, durch die das durch Öleinspritzung reichlich im Kolbeninneren fließende
Kühlöl auf die Zylinderwand gelangen und die Ausnehmungen zur Überfüllung bringen
könnte.
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Bei einer bekannten Vollschaftkolbenausführung ist zwar ein Ölablaufweg
von der Ölabstreifnut bis ans untere Kolbenende vorgesehen, jedoch besteht dieser
Weg aus relativ schmalen Ölführungsnuten, in denen ein ungehemmter Abfluß für Ölmengen,
welche sowohl für die Schmierung als auch für die Kühlung ausreichen sollen, unmöglich
wäre.
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Für einen solch ungehemmten Ölabfluß am Kolbenhemd nach unten sind
weiterhin auch alle jene Maßnahmen ungeeignet, welche durch elliptischen Freischliff
oder entsprechend schwache Hinterschneidungen im Bereich der Kolbenbolzenachse dazu
dienen, betriebsbedingte Wärmedehnungen am Kolben auszugleichen. Derartige Einschnitte
am Kolbenhemd besitzen nur gerade so viel Ausnehmungstiefe, daß der Kolben im Warmzustand
der Maschine ohne schädliche mechanische Reibung an der Zylinderwand gleitet. Gerade
im betriebwarmen Zustand der Maschine aber, wo zur Vermeidung schädlicher Ölverbräuche
ein rascher Umlauf des Öles stattfinden muß, wird an den Stellen des Freischliffes
der Abstand des Kolbenhemdes von der Zylinderwand so klein, daß ein zügiger ungehemmter
ölabfluß im Sinne der Erfindung in dem dann nun noch verbleibenden minimalen Spielraum
ausgeschlossen ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an einem teils aufgeschnitten,
teils perspektivisch dargestellten Kolben beispielsweise veranschaulicht.
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In der Abbildung ist 1 ganz allgemein der Kolben mit dem darin ausgesparten
Brennraum 2 und der Einspritzdüse 3, die nicht zur Erfindung gehören und daher nicht
weiter zu betrachten sind. Die Kolbenringe sind mit 4, 5 und 6, der Ölabstreifring
mit 7 bezeichnet. Zur ölringnut 7a des Ölabstreifringes 7 führen vom Kolbeninneren
her die Bohrungen 8 im Kolben und Schlitze 9 im Olabstreifring.
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In das hohle Innere des Kolbens 1 werden durch eine oder mehrere im
Kurbelgehäuse angebrachte Düsen (in der Zeichnung nicht zu sehen) ein oder mehrere
Ölstrahlen 10 bis zur inneren oberen Kolbenwandung 1 a eingespritzt. Die Ölförderung
könnte auch in bekannter Weise durch die Pleuelstange 11 erfolgen, die zu dem Zweck
mit einer entsprechenden Bohrung und Ölaustrittskanälen zu versehen wäre, was aus
Übersichtlichkeitsgründen in der Zeichnung ebenfalls nicht weiter dargestellt ist.
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Das eingespritzte Öl verteilt sich an der inneren Wandung 1 a des
Kolbens 1,. kühlt den letzteren und gelangt durch die nach der Ölringnut 7a führenden
Bohrungen 8 und Schlitze 9 auf die (nur andeutungsweise dargestellte) Zylinderwandung
12. Zwecks Abführung des Öles sind nun am Kolbenhemd 5 a zwei breite rinnenartige
Ausnehmungen 13 vorgesehen, die eine Tiefe von mindestens 0,5 mm aufweisen und sich
in Richtung der Kolbenachse von mindestens der Ölringnut 7 a aus bis ans untere
Kolbenschaftende 14 erstrecken. Seitlich erstrecken sich die Ausnehmungen 13 - von
der Kolbenbolzenachse 15 aus gesehen -in einem Ausdehnungswinkel von 90°, wobei
der 90°-Winkel von der Kolbenbolzenachse halbiert wird. Die Ausnebmungen 13 können
zwecks Einbeziehung der Kolbenringe in den Rückführkreislauf bis zum zweiten Kolbenring
5 hochgezogen sein.
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Die Rückführung des aus den Bohrungen 8 bzw. Schlitzen 9 ausfließenden
Schmieröles erfolgt in Strömen 16, 17, wobei die unmittelbar aus dem Ölring 7 austretenden
Schmierölströme 16- vom Ölring selbst oder von dem darüberliegenden Kolbenring 6
abgestreift werden und durch die Ausnehmungen 13 abfließen, während die Ölströme
17, nachdem sie die Gleitbahn des Kolbens geschmiert haben, von der Kolbenlaufbahn
- wie durch die Pfeile 17a angedeutet - seitlich in die Ausnehmungen 13 gedrückt
werden
und dadurch im wesentlichen ebenfalls zur Rückführung kommen.
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In der Zeichnung ist in der perspektivischen Hälfte nächst dem unteren
Kolbenschaftende 14 gestrichelt auch der Fall angedeutet, daß ein Kolben vorliegt,
bei dem auf ein seitliches unteres Führungsband nicht verzichtet werden kann. In
diesem Fall muß das Führungsband 18 von rinnenartigen Kanälen 19 durchbrochen sein,
die den beabsichtigten Ölabfluß am Kolbenhemd nach unten und damit den Ölkreislauf
als solchen gewährleisten.
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Die Erfindung ist nicht auf Kolben für schnell laufende Verbrennungsmotoren
beschränkt, sondern kann ganz allgemein für Kolbenmaschinen Verwendung finden.