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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Große Kolben für Dieselmotoren sind gewöhnlich mehrteilige, sogenannte gebaute Kolben, die heutzutage typischerweise zwei miteinander verbundene Teile, ein Oberteil und ein Unterteil, aufweisen. Diese Teile sind durch eine Schraubenverbindung mit einer Schraube oder mehreren Schrauben zusammengefügt Das Oberteil des Kolbens bildet einen Teil eines Brennraums und das Oberteil weist dazu Ringnuten des Kolbens auf. Das Unterteil des Kolbens wird auch Kolbenmantel genannt. Die Aufgabe dieses Mantelteils ist, auf das Oberteil des Kolbens gerichtete Gasdruckkräfte durch einen Kolbenbolzen auf eine Kurbelstange zu übertragen, durch welche Stange die Kraft zu einer Kurbelwelle strömt. Der Mantelteil des Kolbens ist auch angeordnet, Seitenkräfte gegen eine Zylinderhülse aufzunehmen.
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Weil ein Kolben von einem Motor im Betrieb erheblich erhitzt wird, müssen Kolbenteile abgekühlt werden. Dabei wird die Überschusstemperatur konventionell mittels Öl vom Kolben abgeleitet. Das fortgeschrittenste Abkühlungsverfahren bei solchen großen Kolben für Dieselmotoren ist die sogenannte Shaker-Abkühlung. Dabei weist das Oberteil des Kolbens typisch zwei Kühlgalerien auf, eine innere Kühlgalerie und eine diese umgebende äußere Kühlgalerie, in welchen Galerien das Kühlöl abgeführt wird. Solche Kühlgalerien sind konventionell kreissymmetrisch, wobei die innere Kühlgalerie unten in Richtung des Kolbenbolzens entweder offen oder teilweise geschlossen ist. Die äußere Kühlgalerie ist ringförmig oder oben kreissymmetrisch.
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Bei schwerölbetriebenen Dieselmotoren zum Beispiel tritt jedoch in zunehmenden Maße das Problem auf, dass das in den Kühlräumen des Kolbens wirkende Kühlöl nicht imstande ist, Wärme in ausreichendem Maße von der am meisten wärmebelasteten Bauteilen abzuleiten. Zum Vermeiden dieser Probleme ist die Ausgestaltung der Kühlgalerie beispielsweise mit bohrlochartigen Ausnehmungen entwickelt worden, um das Eindringen von Kühlöl gemäß
EP 0 464 626 A1 zu verbessern. Die Ausnehmungen können auch längliche, durch Bearbeitung geschaffene Ausnehmungen sein, wie in der Schrift
DE 4118 400 A1 gezeigt ist. Verschiedene Ausgestaltungen von Kühlgalerien werden auch in den Schriften
DE 38 42 321 A1 und
DE 39 19 872 A1 beschrieben.
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Bei Untersuchung der Belastung des Kolbens wird festgestellt, dass die Aufbauten des Kolbens in dessen Betriebsverhältnissen von Verformungen aufgrund von Temperaturbelastung und Gasdruck beeinflusst werden, welche Verformungen bei den Schrauben der die Kolbenteile zusammenfügenden Schraubenverbindung ermüdende Spannungsschwankungen veranlassen. Die Größe und Anzahl der Spannungsschwankungen wirken auf die Lebensdauer der Schrauben ein. Bei großen Spannungsschwankungen nimmt die Ermüdung der Schraubenverbindung zu und somit die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des ganzen Kolbens.
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Somit kann festgestellt werden, dass die gegenwärtigen Kolben Mängel aufweisen, die auf deren Abkühlung und besonders auf die korrekte Richtung von deren Abkühlung zurückzuführen sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beeinflussung der Nachteile des bekannten Stands der Technik zu vermindern und eine Lösung von einem ganz neuen Typ zu schaffen, mittels deren die Abkühlung des Kolbens intensiviert und besser gerichtet und die Spannungsschwankungen der Schrauben bei der Schraubenverbindung des Kolbens dadurch reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kolben des Verbrennungsmotors nach dieser Erfindung die in den Patentansprüchen bestimmten Kennzeichen aufweisen. Genauer gesagt ist diese erfindungsgemäße Anordnung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausformung einer Kühlgalerie wird eine vorteilhaftere Kühlwirkung als durch die konventionelle erreicht. Wenn der Kolben sich je nach verlangsamter Kolbengeschwindigkeit abwärts bewegt, presst somit eine Trägheitskraft das Kühlöl in der äußeren Kühlgalerie des Kolbens in erfindungsgemäße Vertiefungen im Unterteil der Kühlgalerie ein. Wenn der Kolben dann die Richtung wechselt und die Kolbengeschwindigkeit zunimmt, hält die Trägheitskraft das Öl weiter in diesen Vertiefungen eingepresst. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Unterteil der Kühlgalerie eine solche Form, dass das Öl sich momentan in den zwei Vertiefungen im Unterteil der Kühlgalerie ansammelt. Wenn der Kolben sich weiter aufwärts bewegt, erreicht der Kolben seine höchste Geschwindigkeit, wonach die Geschwindigkeit des Kolbens anfängt, langsamer zu werden.
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Dann setzt das Öl seine Bewegung mit unveränderter Geschwindigkeit fort und macht sich vom Unterteil der Kühlgalerie los. Nach einer bestimmten Zeit stößt das Öl an das Oberteil der Kühlgalerie, wobei das Öl noch in der Umfangsrichtung des Kolbens ungleichmäßig verteilt ist. wegen der großen Beschleunigung des Kolbens wird die freie Oberfläche des Öls momentan im Oberteil der Galerie ausgeglichen. Wegen seiner ungleichmäßigen Verteilung kann das Öl jedoch nur dank einer Strömung in der Umfangsrichtung ausgeglichen werden. In dieser Weise wird eine tangentiale Strömung des in den Vertiefungen angesammelten Öls bewirkt, während das Öl sich in das Oberteil des Kolbens verteilt. Dank der erfindungsgemäßen Lösung strömt das Kühlöl in den Kühlgalerien des Kolbens somit nicht zur während einer Pendelbewegung des Kolbens in der Richtung der Kolbenlängsachse zwischen dem Oberteil und dem Unterteil der Kühlgalerie hin und zurück, sondern dank der neuartigen Ausformung des Unterteils der äußeren Kühlgalerie kann eine Ölströmung in der Umfangsrichtung und eine effizientere Konvektion zustande gebracht werden. Auf die Weise können mit Hilfe des Kühlöls größere Wärmemengen von den heißen Wänden des Oberteils des Kolbens abgeführt werden.
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In der erfindungsgemäßen Lösung sind Schrauben einer das Oberteil und Mantelteil eines Kolbens zusammenfügenden Schraubenverbindung bei einer inneren, axialen Auflagefläche des Kolbens in eine zu einem Kolbenbolzen im Wesentlichen senkrechte Lage angeordnet, und die Vertiefungen der äußeren Kühlgalerie sind in einer im Wesentlichen in der Nähe des Kolbenbolzens befindlichen Lage angeordnet. So ist der Boden der Kühlgalerie an den Schrauben am höchsten, wobei im Bereich der Schraubenverbindung weniger Kühlfläche vorgesehen ist. Dabei können ein von thermischer Belastung veranlasster Temperaturunterschied zwischen den Schrauben und einem Teil des Kolbenvolumens der Schraubenverbindung möglichst minimiert und eine auf die Schraube richtende Spannungswirkung vermindert werden. Dadurch wird eine deutlich verbesserte Dauerfestigkeit der Schrauben erreicht. Wie bekannt, ist der dehnbare Teil der Schraubenverbindung die Schraube. Mit der Schraube wird eine Schraubenkraft erzeugt, unter deren Einwirkung die miteinander zu verbindenden Teile zusammengepresst werden. Das dieser Schraubenkraft ausgesetzte Volumen wird Pressstück genannt. Wenn zwischen der Schraube und dem diese umgebenden Pressstück ein großer, variierender Temperaturunterschied entsteht, werden die Schrauben erheblichen Spannungsschwankungen ausgesetzt.
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Es gibt eine Tendenz, dass im Material der Schraubenverbindung eines montierten Kolbens und in dem Material, das die Schrauben umgibt, ein erheblicher Temperaturunterschied entsteht, weil das Gewindeteil der Schrauben, von dem Wärme auf die Schrauben übergeht, sich nahe bei einem Brennraum befindet. Sonst ist die Schraube von einem Freiraum umgeben, wobei es um die Schraube herum Luft gibt, die eine gute Wärmeisolation bildet. Dabei wird die Schraube durchaus auf eine hohe Temperatur erhitzt. Von dem die Schraube umgebenden Material wird die Wärme anderswohin in die Konstruktion abgeleitet, wobei die Wärmeableitung stark ist, wenn der Abstand zur Kühlgalerie kurz ist.
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Diese Spannungsschwankungen haben eine bemerkenswerte Einwirkung auf die Lebensdauer der Schrauben, während die Schwankungen und darauf zuzuführende Einwirkungen jedoch nach der erfindungsgemäßen Lösung bedeutend zu reduzieren sind.
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In einer Lösung mit den Schrauben der das Oberteil und das Mantelteil des Kolbens zusammenfügenden Schraubenverbindung im Bereich einer inneren, axialen Kolbenauflagefläche in einer zum Kolbenbolzen senkrechte Lage angeordnet, kann das Mantelteil des Kolbens so ausgeformt werden, dass der Kraftfluss der Gasdruckkraft möglichst wenig durch das Pressstück der Schraubenverbindung strömt Dann kann das Mantelteil gewölbeartig gestaltet werden, während das Pressstück hauptsächlich aus die Schrauben umgebenden sogenannten Schraubendomen besteht. Dank einer solchen Struktur veranlasst eine vom Gasdruck erzeugte, variierende Belastung möglichst kleine Spannungsschwankungen bei den Schrauben.
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Im folgenden wir die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung erläutert und ein Längsschnitt des Kolbens eines Verbrennungsmotors gezeigt, wobei nur die Teile gezeigt werden, die zum Verständnis der Erfindung wesentlich sind, indem der Schnitt teils parallel zu der Längsachse des Kolbenbolzens und teils senkrecht zu der Längsachse des Kolbenbolzens verläuft.
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Die Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung. Dabei weist der Kolben ein Oberteil 1 und ein damit vorzugsweise mit Schrauben 2 verbundenes Mantelteil 3 des Kolbens auf. Das Oberteil des Kolbens weist eine Platte 4 und eine wesentlich zylindrische Wand 5 auf, die mit wenigstens einer Ringnut 6 für einen Kolbenring versehen ist. Die Platte nimmt eine auf den Kolben gerichtete Gasdruckkraft auf. Die Oberfläche der Platte ist so ausgestaltet, dass sie eine Brennraummulde 7 bildet, und die Unterfläche 8 der Platte bildet das Oberteil einer ringförmigen, äußeren Kühlgalerie 9 und das Oberteil einer inneren Kühlgalerie 10 in der Mitte des Kolbens. Diese innere Kühlgalerie steht über Ölleitungskanäle mit der äußeren Kühlgalerie des Kolbens in Verbindung.
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Die Teile des erfindungsgemäßen Kolbens sind an einer Fugenfläche zusammengefügt, die wenigstens eine Auflagefläche aufweist, wobei die Ausführungsform der Figur eine Lösung mit zwei Auflageflächen zeigt, und zwar mit einer inneren axialen Auflagefläche 11 und einer äußeren axialen Auflagefläche 12. Die ringförmige innere axiale Auflagefläche befindet sich zwischen den Kühlgalerien 9 und 10. Die äußere axiale Auflagefläche ist bei der im Wesentlichen zylindrischen Wand 5 angeordnet. Zwischen den Auflageflächen auf dem Oberteil des Kolbens ist das Oberteil der äußeren Kühlgalerie des Kolbens angebracht.
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Das Unterteil 3 des Kolbens, d. h. das Mantelteil, weist auch die innere und äußere axiale Auflagefläche 11 und 12 auf, die das Oberteil des Kolbens aufnehmen und zusammen das Unterteil der äußeren Kühlgalerie des Kolbens zwischen sich begrenzen. Das Mantelteil weist weiter Gleitflächen 13 gegen eine den Kolben umgebende Zylinderhülse und eine Nabe 14 des Kolbenbolzens mit Lagerbohrungen auf.
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Das Oberteil 1 und das Mantelteil 3 des Kolbens sind also angeordnet, sich auf die ringförmigen, axialen Auflageflächen 11 und 12 einer oder mehrerer Fugenfläche(n) abzustützen. Die innere axiale Auflagefläche 11 des Mantelteils bildet einen Teil eines zu einer angenommenen Mittelachse 15 des Kolbens wesentlich parallelen Ringvorsprungs 16, der angeordnet ist, die die Kolbenteile zusammenfügenden Schrauben 2 aufzunehmen. Der Ringvorsprung begrenzt zusammen mit der Unterfläche 8 der Platte des Kolbenoberteils die innere Kühlgalerie 10 des Kolbens, während die äußere Kühlgalerie 9 angeordnet ist, den Ringvorsprung von außen zu umgeben. Im Bereich des Ringvorsprungs, unterhalb der inneren axialen Auflagefläche 11, ist die innere Form des Mantelteils gewölbeartig gestaltet. Schraubendome 17 sind dann angeordnet, sich vom Gewölbe abwärts zu erstrecken, wobei diese Schraubendome einen bedeutenden Teil eines die Schraubenverbindung umgebenden Pressstücks ausmachen.
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Den beiden Kühlgalerien 9 und 10 des Kolbens wird Kühlöl zugeführt, das für Shaker-Abkühlung verwendet wird. Das Kühlöl wird über wenigstens einen Zuführkanal in die eine Kühlgalerie geleitet, woraus das Öl über Ölleitungskanäle in die andere Kühlgalerie gerät.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kolben wird die Bewegung des Kühlöls in der äußeren Kühlgalerie 9 intensiviert, und zwar vorzugsweise durch Fräsen eines Bodens 18 der Kühlgalerie, um den Boden mit variierender Tiefe zu versehen. So ist am Boden der Kühlgalerie eine oder mehrere Vertiefungen 19 angeordnet, die tiefer sind, als der übrige Boden der Galerie. Bei Bewegung des Kolbens wird das Kühlöl in den Kühlgalerien somit veranlasst, sich in der Vertiefung anzusammeln, wenn es sich im Unterteil der Galerie befindet. Wegen der Bewegung des Kolbens stößt das Öl vor dem oberen Totpunkt der Bewegung an ein Oberteil 20 der Platte der Kühlgalerie. Beim Auftreffen auf den Oberteil der Galerie ist das Öl wegen der Vertiefungen im Unterteil der Galerie in der Umfangsrichtung ungleichmäßig verteilt. Unter der Einwirkung einer Trägheitskraft wird das Öl in das Oberteil der Kühlgalerie eingepresst und von einer tangentialen Strömung gesteuert momentan ausgeglichen. In dieser Weise wird eine Ölströmung in Umfangsrichtung geschaffen, wobei die Strömung größere Wärmemengen von den heißen Wänden des Kolbenoberteils ableitet.
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In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Schrauben 2 der das Oberteil 1 und das Mantelteil 3 des Kolbens zusammenfügenden Schraubenverbindung bei der inneren axialen Auflagefläche 11 des Kolbens in einer zum Kolbenbolzen im Wesentlichen senkrechten Lage angebracht. Dabei befindet sich der Boden 18 der äußeren Kühlgalerie beim Pressstück höher als der umgebende Boden der Kühlgalerie, während der Boden in Richtung des Kolbenbolzens tiefer ist, als in zur Bolzenrichtung senkrechter Richtung. Weil die äußere Kühlgalerie 9 an den Schrauben niedrig ist und die radiale Querschnittsfläche der Kühlgalerie auch am kleinsten ist, ist die mit Kühlöl erzeugte Kühlwirkung im Bereich des Pressstücks der Schraubenverbindung auch kleiner als in den übrigen Teilen der Kühlgalerie. In dieser Weise wird zwischen den Schrauben und den diese umgebenden Pressstücken ein kleinerer Temperaturunterschied geschaffen.
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Mit der gewölbeartig gestalteten Form des Ringvorsprungs 16 des Mantelteils 3 unterhalb der inneren axialen Auflagefläche 11 ist der höchste Teil des Bogens des Gewölbes 21 im Wesentlichen an den Schrauben 2 angebracht. Indem die sich vom Gewölbe abwärts erstreckenden Schraubendome 17 einen bedeutenden Teil des Pressstücks der Schraubenverbindung bilden, wird das Mantelteil des Kolbens mit einer Struktur versehen, in der der Kraftfluss der Gasdruckkraft in möglichst geringem Maße durch. das Pressstück der Schraubenverbindung strömt. Mittels einer solchen Struktur werden die von der Belastung der Gasdruckkraft des Kolbens veranlassten Spannungsschwankungen bei den Schrauben reduziert.
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Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung und die dazu gehörende Figur nur beabsichtigt sind, die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen. Die Erfindung ist somit nicht nur auf das oben Angeführte oder auf die in den Patentansprüchen bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern den Fachleuten werden viele verschiedene Variationen und Modifikationen der Erfindung offenbar sein, die im Rahmen der erfinderischen Idee der beigefügten Patentansprüche möglich sind.
