DE2151869A1 - Kolben fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Patentanwälte

P Γ. · I η g. Π. Döring
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A/S BURMEISTER & WAIN'S Motor- og Maskinfabrik af 1971, Kopenhagen, Dänemark

Kolben für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere grosse Dieselmotoren, mit einem separaten Kolbenboden, der am oberen Ende der Kolbenstange befestigt ist, und bei dem unter der der Brennkammer zugekehrten Gasseite des Kolbenbodens hauptsächlich radial verlaufende Kanäle gebohrt sind, die an ihrem inneren Ende in eine zwischen dem Kolbenboden und der Kolbenstange befindliche Sammelkammer einmünden·

Aus der Beschreibung zum schwedischen Patent Nr. 175.061 ist ein Kolben der erwähnten Art bekanntgeworden, bei dem der Kolbenboden gegossen ist und einen grossen inwendigen Hohlraum für die Zirkulation von Kühlflüssigkeit entlang der Unterseite des Kolbenbodens und der Innenwände des Kolbenschaftes aufweist, in welchen die Kolbenringe eingelegt sind. Die erwähnten Kanäle sind in Rippen gebohrt, die von der Unterseite des Kolbenbodens in den Hohlraum für die Kühlflüssigkeit hineinragen und daau dienen, die Kühlwirkung dadurch zu verbessern, dass sie diejenige Fläche vergrössern, die mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommt, während die Kanäle primär dazu dienen, die Kühlflüssigkeit aus dem im Kolbenboden befindlichen Hohlraum zu einem Rückführkanal in der Kolbenstange zurückzuleiten.

Die Beanspruchung eines Motorkolbens rührt teils von den in der Brennkammer des Zylinders wirksamen, während des Kreisprozesses variierenden Gasdrücken, teils von der Temperatur in der Brennkammer her, und während die vom Gasdruck hervorgerufenen Spannungen bei üblicherweise benutzten Kolbenkonstruktionen mit wachsender Stärke des Kolbenbodens abnehmen, wachsen die Hitzespannungen und damit die Gefahr der Rissbildung auf Grund von Zugspannungen im Material mit zunehmender Materialstilrke. Die Diaeniionierung des Kolbenboden· ist daher kompliziert und schwierig»

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Die genannten Probleme werden auf vorteilhafte Weise durch die vorliegende Erfindung gelöst, die darin besteht, dass der Kolbenboden zwischen der Gasseite und seiner Auflagefläche, mit der er auf der Kolbenstange aufliegt, massiv ist, und dass die Kanäle dicht an der Gasseite des Kolbenbodens verlaufen und an ihrem äusseren Ende mit gebohrten Kühlmittelkanälen in Verbindung stehen, die axial hinter den zur Aufnahme der Kolbenringe im Schaftteil des Kolbens bestimmten Nuten verlaufen und unten in eine ringförmige Sammelkammer einmünden·

Durch Bohren der Kühlmittelkanäle dicht unter der Gasseite des Kolbens erreicht man, dass ein wesentlicher Teil der von der

t Brennkammer an den Kolben abgegebenen Hitze durch diese Kanäle abgeführt wird, so dass der grösste Teil des Temperaturgefälles durch den Kolbenboden in der über den Kanälen befindlichen Zone auftritt, wo die Hitzespannungen zu Druckspannungen werden, während sie an und unter den Bohrungen in der Form äusserst kleiner Zugspannungen vorliegen. Die Stärke des unter den Kühlmittelkanälen befindlichen Teils des massiven Kolbenbodens kann daher allein unter Berücksichtigung der Beanspruchung durch die Gaskräfte dimensioniert werden, ohne dass diese Dimensionierung einen spürbaren Einfluss auf die Hitzespannungen erhält, und da die Stärke des Kolbens unter den Kühlmittelkanälen erheblich grosser als die Stärke des Kolbens über den Kanälen ist, werden die Zugspannungen in der erstgenannten Zone klein im Vergleich zu

) den beim beschriebenen bekannten Kolben auftretenden, bei dem relativ hohe Zugspannungen in den Rippen auftreten.

Hierzu kommt, dass die Temperaturen auf der Gasseite niedrig werden, so dass es möglich gemacht wird, den Kolbenboden aus einem relativ billigen Material herzustellen, z.B. aus unlegiertem Wals- oder Schmiedestahl. Es wäre jedoch auch möglich, Qualitltsetahlguss oder -gusseisen zu verwenden. Da, wie bereits erwähnt, praktisch keine Hitsespannungen unter den Kühlmittelkanälen auftreten, kann dieser kraftübertragende Teil des Kolbenbodens aaasiv itin, so dass sich «in« kostspielige Bearbeitung hintersehnittsner inwendiger Hohlräume für das Kühlmittel einsparen liest, was avch datu aitwirkt» den Herstellungspreis des Kolbens herabsusetzen. Die effektive Kühlung der Gaseeite des

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Kolbens und der Zone hinter den Kolbenringen bewirkt ferner, dass die obere Kolbenringnut, deren Anordnung durch die Temperaturverhältnisse bedingt ist, relativ nah an der Oberseite des Kolbens angebracht werden kann, so dass sich der Kolben mit niedriger Gesamthöhe ausführen lässt. Dies trägt dazu bei, das Kolbengewicht und damit den Materialverbrauch und die Grosse der auftretenden Massenkräfte zu reduzieren, wobei es möglich wird, auch die Gesamthöhe der Brennkraftmaschine entsprechend herabzusetzen.

Schliesslich kann angeführt werden, dass die durch die Erfindung ermöglichte, kleine Höhe des Kolbenbodens bei Motoren, die kolbengesteuerte Schlitze in der Zylinderwand haben, ein genaueres Schliessen dieser Schlitze und damit einen genauer vorhersagbaren Luftwechsel ermöglichen, da die Dauer derjenigen Periode, in welcher die in bezug auf die Zylinderwand leicht zurückgezogene Seitenwand des Kolbenbodens die Schlitze passiert, kürzer wird.

Erfindungsgemäss hat es sich als zweckdienlich erwiesen, die gebohrten Kühlmittelkanäle so dicht an die Gasseite des Kolbenbodens zu verlegen, dass die Materialstärke zwischen den Kanälen und der Gasseite des Kolbenbodens von der gleichen Grössenordnung ist wie der Durchmesser der Kanäle.

Ist die Gasseite des Kolbenbodens auf wenigstens einem wesentlichen Teil ihrer Fläche als Rotationsfläche mit geradliniger Erzeugenden ausgebildet, können die radialen Kanäle parallel mit Erzeugenden auf der Fläche gebohrt sein, wodurch eine hauptsächlich konstante Stärke der gekühlten Oberflächenzone erreicht wird.

Die Sammelkammer am unteren Ende der axialen Bohrungen kann sich bis in Höhe der obersten Kolbenringnut emporerstrecken, wodurch gleichmässige Temperaturverhältnisse entlang der Peripherie jeder einzelnen Nut sichergestellt werden, wo sonst auf Grund der separaten axialen Kühlmittelkanäle kleinere, Örtliche Temperaturgradienten auftreten könnten.

Am oberen Rand des Kolbens kann ein umlaufender Kanal vorgesehen sein, in den beide Gruppen KÜhlraittelbohrungen einmünden und der nach aussen hin durch einen aufgesehweissten Ring verschlossen

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ist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Vereinfachung der Bearbeitung, da es hierdurch ermöglicht wird, die entlang der Gasseite des Kolbenbodens verlaufenden Kühlmittelkanäle von aussen her zu bohren. Ferner bewirkt diese Ausführungsform, dass die Kanäle immer parallel mit den Erzeugenden der Fläche gebohrt werden können, ganz gleich ob die Gasseite des Kolbens plan, konkav oder konvex ist. Bei planen und konvexen Flächen ist dies überhaupt nur möglich, wenn die Kanäle von aussen her gebohrt werden, während man sie bei konkaven Flächen von innen her bohren kann, falls ihr Winkel mit der Achse des Kolbens kleiner als ein vom Durchmesser und der Höhe des Kolbenbodens abhängiger Grenzwert ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kolbens,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der oben links dargestellten Ecke des Kolbens in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3 einen dem in Fig. 2 gezeigten Ausschnitt entsprechenden Ausschnitt aus einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig..l,

Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht einer vierten Ausführungsform, und

Fig. 6 eine entsprechende Ansicht einer fünften Ausführungsform.

Die Fig. 1 und 4 veranschaulichen einen Kolben, der aus einem Kolbenboden 1 und einem Führungselement 2 zusammengesetzt ist, welches den Kolben in einem nicht gezeichneten Motorzylinder führt. In Fig. 1 ist das obere, konisch erweiterte Ende einer Kolbenstange 3 zu sehen, die einen nach aussen zeigenden Flansch 4 aufweist. Der Kolben ist an der Kolbenstange mit Hilfe von Bolzen 5 befestigt, die sich durch den Ring 2 und den Flansch 4 hindurch- und in Gewindebohrungen in der Unterseite des Kolbenbodens 1 hineinerstrecken.'Ausserhalb der Auflagefläche, mit

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der der Kolbenboden auf dem Flansch 4 aufliegt, ist die Unterseite des Kolbenbodens so abgestuft, dass eine ringförmige Kammer 6 gebildet wird, die nach aussen hin von einem relativ dünnen Schaftteil 7 des Kolbenbodens abgegrenzt wird. Die zylindrische Oberfläche des Kolbenbodens ist auf übliche Weise mit Nuten für die Aufnahme von Kolbenringen 8 versehen.

Die nach oben zeigende Fläche 9 des Kolbenbodens 1, die sogenannte Gasseite, ist bei der gezeigten Ausführungsform aus einer kegelförmigen Ringfläche 10, die den grbssten Teil der Fläche der Gasseite bildet, und einem sphärischen oder hauptsächlich sphärischen zentralen Flächenteil 11 zusammengesetzt. Unter der Mitte der Gasseite 9 ist aus der Unterseite des Kolbenbodens eine Sammelkammer 12 für Kühlmittel herausgedreht. Von der Kammer 12 geht eine Anzahl Kühlmittelkanäle 13 aus, die schräg nach oben parallel oder hauptsächlich parallel mit den Erzeugenden der Kegelfläche 10 gebohrt sind, und jeder Kanal endet kurz vor der oberen Kante des Kolbenbodens, wo er, vgl. auch Fig. 4, mit einem axial verlaufenden Kühlmittelkanal 14 in Verbindung steht, der unmittelbar hinter den Nuten für die Kolbenringe 8 in den Kolbenboden gebohrt ist, welche Kanäle 14 alle von der Kammer 6 ausgehen.

Die Kammer 12 ist unten durch eine ringförmige Platte 15 verschlossen, die, wie angedeutet, an die Oberseite der Kolbenstange 3 angebolzt sein kann, und zwar innerhalb derjenigen Fläche, mit der die Kolbenstange gegen die Unterseite des Kolbenbodens anliegt. Ein Zuleitungsrohr 16 für Kühlmittel, das sich koaxial mit der hohlen Kolbenstange 3 nach unten erstreckt, ist mit der Kante der zentralen Öffnung in der Platte 15 verschweisst. Eine Anzahl geeignet verteilter Bohrungen 17 im Flansch 4 der Kolbenstange stellt die Verbindung zwischen der Kammer 6 und dem ringförmigen Kanal 18 her, der sich im Inneren der Kolbeatange um das Rohr 16 herum befindet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann es zweckmässig sein, den Boden der Bohrungen 14 z.B. mit Hilfe einer Stirnfräse abzurunden, um der Gefahr einer Rissbildung auf Grund der Kerbenwirkung vorzubeugen. Insbesondere bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel ist es zweckdienlich, die Kammern 6 und 12 mit Hilfe der gezeigten O-Ringe zwischen

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dem Kolbenboden 1 und dem Flansch 4 der Kolbenstange abzudichten.

Wenn der Motor in Betrieb ist, zirkuliert mit Hilfe nicht gezeigter Pumpenorgane ein Kühlmittel, welches, wie erwähnt, Wasser oder auch Öl sein kann, vom Zuleitungsrohr 16 durch die schräg nach oben verlaufenden Kanäle 13, hinab durch die Kanäle 14 und von der Kammer 6 durch Bohrungen 17 zurück zum Rückleitungskanal Iß. Die Zirkulationsrichtung könnte gegebenenfalls jedoch auch umgekehrt sein. Hierdurch wird, wie gesagt oben,eine starke Kühlung der Gasseite 9 des Kolbenbodens und der an die Zylinderwand grenzenden Zone des Kolbenbodens, in welcher die Kolbenringe S angebracht sind, erreicht.

Alternativ könnte die Zuleitung des Kühlmittels auf bekannte Weise durch Teleskoprohre erfolgen, die durch den Ring 2 und den Flansch 4 geführt sind und in die Sammelkammer 6 einmünden, während die zentrale Kammer 12 durch einen Kanal, der durch den Flansch der Kolbenstange hindurchgeht, mit einem als Ableitung dienenden Teleskoprohr in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist es notwendig, die Kanäle 13 von der zentralen Kammer 12 aus zu.bohren, und, wie bereits hervorgehoben, ist dies nur dann möglich, wenn der Winkel α zwischen einer Normalebene im Kolben und den Achsen der Kanäle gleich einem durch den Durchmesser und die Höhe des Kolbenbodens 1 bestimmten Minimumwert oder grosser als dieser ist. Diese Ein-

schränkung lässt sich durch die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Konstruktionen vermeiden, bei denen die obere Ecke des Kolbenbodens, die hier mit 19 bzw. 20 bezeichnet ist, weggeschnitten ist, so dass die Kanäle 13 von der Aussenseite des Kolbens her gebohrt werden können. Bei diesen beiden Ausführungsformen ist die Ecke nach dem Bohren der Kanäle, hierunter eventuell auch der Kanäle 14, durch Aufschweissen eines Ringes 21 bzw. 22 zwecks Bildung eines geschlossenen Verbindungskanals 23 bzw. 24 zwischen den radialen und den axialen Kühlmittelkanälen geschlossen. Bei der Ausführungsform nach Fig* 2 ist der Ring 21 durch Elektroschweissung, vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre, aufgeschweisst, während der Ring 22 bei der Ausführungs-

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form nach Fig. 3 durch Friktionsschweissung befestigt ist, indem die Verbindungsfläche zwischen dem Ring und dem Kolbenboden 20 als plane Fläche ausgeführt ist. Es ist auch ersichtlich, dass die Anzahl der axialen Kühlmittelkanäle bei den beiden erwähnten Ausführungsformen von der Anzahl der Kühlmittelkanäle 13 verschieden sein kann, falls dies zweckdienlich ist.

Zu erwähnen ist noch, dass die Spannungen sowohl um den ringförmigen Kanal 23 oder 24 herum als auch in der zentralen Kammer unter dem Kolbenboden von den Spannungen im massiven Teil des Kolbenbodens verschieden sind, indem auf den gekühlten Oberflächen Zugspannungen auftreten können, die grosser als diejenigen im massiven Teil des Kolbenbodens sind. Die Spannungen sind jedoch unter allen Umständen wesentlich schwächer als in den bisher bekannten Kolbenkonstruktionen, da es durch Ausnutzung der Erfindung möglich gemacht wird, den Kolben in.diesen Zonen sehr dünn auszuführen, ohne dass die variierenden, durch die Gasdrücke bewirkten Spannungen besonders gross werden.

Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, die sich von der in Fig. 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, dass die mit 25 bezeichnete, ringförmige Sammelkammer hinter dem hier mit 26 bezeichneten Schaftteil höher als die Kammer in Fig. 6 ist, und zwar erstreckt sie sich oben am obersten Kolbenring 8 vorbei. Die hierdurch erzielten Vorteile gehen bereits aus dem Voranstehenden hervor.

Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform entspricht im wesentlichen der in Fig. 5 gezeigten, und in beiden Figuren sind daher die gleichen Bezugsziffern benutzt worden. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, dass in Fig.6 der untere Abschnitt 27 des Schaftteils des Kolbens aus einem separaten Ring besteht, der an die Unterseite des massiven Kolbenbodens 1 angeschweisst ist, welcher sich somit durch Bearbeitung einer massiven gewalzten oder gegossenen Scheibe herstellen lässt, die eine wesentlich geringere Stärke besitzt als der in Fig. 5 gezeigte Kolbenboden. In Fig. 6 ist die Kontur der genannten Platte nach einer vorausgegangenen Verformung, z.B. durch

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Gesenkschmieden, zwecks Hervorbringung der konkaven Gasseite durch eine gestrichelte Linie 2Ö angedeutet. Es liegt auf der Hand, dass bei dieser Ausführungsform eine gewisse Menge Material eingespart wird. Da der Schaftteil 27 von Gaskräften entlastet ist, weil diese von der weiter innen, d.h. näher an der Achse, befindlichen Auflagefläche zwischen dem Kolbenboden 1 und dem Flansch 4 der Kolbenstange übertragen werden, wird die Schweissnaht zwischen dem Kolbenboden und dem Schaftteil 27 keinen grösseren Beanspruchungen ausgesetzt.

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Claims (7)

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1. Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere grosse Dieselmotoren, mit einem separaten Kolbenboden (1), der am oberen Ende der Kolbenstange (3) befestigt ist, und bei dem unter der der Brennkammer zugekehrten Gasseite (9) des Kolbenbodens (1) hauptsächlich radial verlaufende Kanäle (13) gebohrt sind, die an ihrem inneren Ende in eine zwischen dem Kolbenboden und der Kolbenstange befindliche Sammelkammer (12) einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden zwischen der Gasseite (9) und seiner Auflagefläche, mit der er auf der Kolbenstange (3) aufliegt, massiv ist, und dass die Kanäle (13) dicht an der Gasseite des Kolbenbodens verlaufen und an ihrem äusseren Ende mit gebohrten Kühlmittelkanälen (14) in Verbindung stehen, die axial hinter den zur Aufnahme der Kolbenringe (Ö) im Schaftteil des Kolbens bestimmten Nuten verlaufen und unten in eine ringförmige Sammelkammer (6, 25) einmünden.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke zwischen den Kanälen (13) und der Gasseite (9) des Kolbenbodens von der gleichen Grössenordnung ist wie der Durchmesser der Kanäle.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gasseite des Kolbenbodens wenigstens für einen wesentlichen Teil ihrer Fläche (10) geradlinige Erzeugende hat, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Kanäle (13) parallel mit Erzeugenden auf der Fläche gebohrt sind.

4. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3# dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sammelkammer (25) am unteren Ende der axialen Bohrungen (14) bis in Höhe der obersten Kolbenringnut emporerstreckt.

5. Kolben nach irgendeinem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Rand des Kolbens ein umlaufender Kanal (23, 24) vorgesehen ist, in den beide Gruppen Kühlmittelbohrungen (13, 14) einmünden und der nach aussen hin durch einen aufge-

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ORIGINAL INSPECTED

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schweissten Ring (21, 22) verschloseen ist.

6. Kolben nach irgendeinem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Mitte des Kolbenbodens befindliche Sammelkammer (12) von einer Vertiefung im massiven Block gebildet wird, die unten durch eine abnehmbare, plane Wand (15) verschlossen ist.

7. Kolben nach irgendeinem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Abschnitt des Kolbens, der die Kolbenringnuten enthält, ganz oder teilweise von einem an die Unterseite des Kolbenbodens angeschweissten Ring (27) gebildet wird.

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