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Arbeitskolben fUr Brennkraftmaschinen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Arbeitskolben für Brennkraftmaschinen,
der auf seinem Mantel in Abstand und unterhalb des Kolbenbodens mindestens einen
zur druckdichten Anlage an der dem Kolben zugeordneten maschinenseitigen Zylinderwand
bestimmten Kolbenring trägt und der zur Kühlung gegenüber der äusseren Umfangsfläche
des Kolbenringes radial nach innen gedrückte Wandungsteile aufweist.
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Es sind Arbeitskolben dieser Art zur verbesserten Kolbenkühlung bekannt.
Hierbei sind Teile der Kolbenwand nach innen gezogen, um mit der maschinenseitigen
Zylinderwand zusammen Kühlkanäle zu bilden, die durch einen Hohlraum des Kolbens
miteinander in Verbindung stehen. Von entscheidendem Nachteil ist hierbei jedoch,
daß diese Kühlkanäle nicht zuverlässig dicht zum Kurbelraum der Brennkraftmaschine
hin abgeschlossen sind. Daher kann das KUhlmedium, in der Regel Luft, in den Kurbelraum
hinein entweichen. Ausserdem verläuft das Kühlmedium nicht rundum um den Kolbenmantel,
sodaß eine gleichmassige Rundumkuhlung nicht gegeben ist. Auch das Problem der zuverlässigen
Abdichtung des Verdichtungsraumes oberhalb des Kolbenbodens zum Kurbelraum der Brennkraftmaschine
hin ist dabei nicht berücksichtigt. Denn ein bei Verbrennungskraftmaschinen insbesondere
nach dem Viertaktprinzip bekanntes dübel ist die nur unvollkommene Abdichtung des
Verdichtungsraumes im Bereich des Kolbenringes, vor allem bei Motoren mit hohem
Verdichtungsverhältnis, Dieselmotoren, sowie bei auftretenden Verschleißerscheinungen
am
Kolbenring und/oder an den Zylinderwanden. Das noch nicht gezündet Brenngas-Luftgemisch
und/oder nach der Zündung die heißen Verbrennungsgase können infolge Undichtigkeiten
am Kolbenring sowie infolge hohen Verdichtungsverhältnissen vom Verdichtungsraum
im Zylinder in den Kurbelraum und somit in das Öl im Kurbelgehäuse gelangen, wobei
im Kurbelraum ein Druck aufgebaut wird. Umgekehrt kann Öl aus dem Kurbelraum an
den Kolbenringen vorbei in den Verdichtungsraum gelangen. Die Folge sind einmal
Herabsetzung des erreichbaren Verdichtungsenddruckes, Gefahr der Kolbenüberhitzung,
Abwaschen des Schmierölfilmes von der Zylinderwand, vermehrter Ö Iverlust infolge
Verbrennung im Verdichtungsraum, Anlaßschwierigkeiten wegen zu geringer Verdichtung,
wegen verölten Zündkerzen od. dgl.
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Betrachtet man das Öl im Kurbelgehäuse, das zur Schmierung durch Tauchschmierung,
Druckumlaufschmierung oder je nach Brennkraftmasch inentyp auch durch Trockensumpfschmierung
zum Kolben mit Kolbenring und Zylinderwand geführt wird, so gilt generell, daß die
Filterung dieses Öles und der von Zeit zu Zeit durchgeführte Wechsel Uber Verschleiß
und Lebensdauer der Brennkraftmaschine entscheiden. Hier müssen folgende Belastungen
des Öles berucksichtigt werden: Die thermische Belastung durch die zum Teil sehr
hohen örtlichen Temperaturen im gesamten Motorraum und durch die Zusatzfunktion
des Öles als Kühimittel, die mechanische Belastung des Öles durch Zerreiben auf
den Gleit- und Reibflächen, durch Aufnahme und Bindung von metallischem Abrieb und
vor allem die chemische Belastung des Öles. Alle drei Belastungen Uberlagern sich.
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Somit ist das Öl extremen Belastungen ausgesetzt, die zum Teil von
den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängen. Brennkraftmaschinen, die
lange Zeit mit Vollast laufen, erreichen hohe Öltemperaturen, die wiederum als Katalysator
fUr chemische Ölreaktionen wirken. Man weiß, daß das Öl unter Einwirkung von Luftsauerstoff
oxydiert.
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Diesem ist das Öl im gesamten Motorraum ausgesetzt. Die oxydierende
Wirkung nimmt mit steigender Öltemperatur zu. Man versucht zwar, legierte Öle bereitzustellen,
bei denen durch Zusätze (Additives) die Oxydationsneigung gemindert, die Haftfähigkeit
erhöht und auch bei hohen Drücken ausreichende Schmierung gewahrleistet sein soll.
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Die Belastung des Öles durch Luftsauerstoff der Umgebung und durch
Gas- und/oder Flussigkeitsdurchtritt vom Zylinder zum Kurbelraum beseitigt man dadurch
aber nicht.
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Man weiß, daß die Oxydationsprodukte das Öl verdicken, also die Viskosität
nachteilig beeinflussen, und sich ausserdem als lackartige Überzüge an den oberen
Kolbenpartien,
in den Ringnuten des Kolbens' und an den Ventilschäften
ablagern. Dies sind die Folgen lang andauemder Vollast.
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Bei kroftstoffüberreicher Gemischeinstellung, bei nur selten auf Höchstleistung
gefahrener Brennkraftmaschine oder bei unterkuhitem Betrieb ist die unvollkommene
Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches die Folge. Hierbei fUhren dann Ruß, Ölkohle
und andere Produkte, ferner der unverbrannte Kraftstoff selbst und die Kondensation
von Feuchtigkeit, zur Bildung von Schlamm, Säure und Asphalt im Öl. Der unverbrannte
Kraftstoff läuft in das Kurbelgehäuse und reichert dort das Öl an. Je nach Kraftstoffgehalt
werden dadurch die Schmiereigenschaften des Öles beeinträchtigt, so daß bei zu hoher
Ölverdünnung evtl. ein vorzeitiger Ölwechsel vorzunehmen ist.
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Bei langer andauernder Vollast oder bei hoher Motortemperatur hingegen
verflUchtigen sich Brennstoffanteile im Öl, was von Zeit zu Zeit Ölnuchfüllungen
erforderlich macht. Alle zuvor beschriebenen Ölbelastungen sind unter anderem dadurch
bedingt, daß sich eine vollkommene Abdichtung zwischen Verdichtungsraum und Kurbelraum,
vor allem bei Maschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis und/oder bei zunehmenden
Verschleißerscheinungen, nicht erreichen läßt. Vielmehr werden unter dem Druck im
Verdichtungsraum an den Kolbenringen vorbei Brennstoff-Luftgemisch und/oder Verbrennungsgase
in den Kurbelraum und damit in das Öl gedruckt. Der Überdruck im Kurbelraum-fUhrt
dazu, daß in umgekehrter Richtung Öl in den Verdichtungsraum hineingedruckt wird.
Beides fUhrt zu schneller Verschmutzung des Öles und zu dessen vorzeitigem Verbrauch,
nicht zuletzt auch deswegen, weil das Öl überall, z.B. am Kontrollmeßstab, herausgepreßt
wird.
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Man behilft siclhier mit einer EntlUftung des Kurbelraumes, um ein
Herauspressen des Öles durch Druckabsenkung im Kurbelraum zu unterbinden und die
unter Druck stehenden Öldämpfe zu beseitigen. Früher mUndete die EntiUftung des
Kurbelkastens unmittelbar ins Freie mit einhergehender hoher Umweltbelastung. Im
Zuge des steigenden Umweltbewußtseins fUhrte man den EntlUftungsschlauch zurück
zum Vergaser und ließ ihn vor oder hinter dem Luftfiltereinsatz in den Luftfilter
einmünden, so daß die Öldampfe und Gase durch Unterdruck aus dem Kurbelraum abgesaugt
und danach unter Zumischung zum Brennstoff-Luftgemisch der Brennkammer zur Verbrennung
zugefUhrt werden. Da vorgenannte Dämpfe und Gase eine heterogene, mit dem jeweiligen
Betriebszustand schwankende Zusammensetzung haben, z.B. mehr oder weniger stark
mit Kohlenstoff, Feuchtigkeit, Brennstoff, Teerkondensierbaren Medien,
Feststoffteilen
od. dgl. durchsetzt sind, verändern sie bei Zumischung zum Brennstoff-Luftgemisch
die optimale Gemischbildung. Beeinträchtigungen in der Leistung der Brennkraftmaschine
sind die Folge. Dieser Nachteil ergibt sich, ganz gleich, ob nun die Kurbelraumentiüftung
mittels Überdruck oder Unterdruck vorgenommen wird. Man hat versucht, die Kurbelgehäuseentiüftungseinrichtungen
mit Rückführung der Öldömpfe und Xase so zu gestalten, daß diese Nachteile gemindert
sind.
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Der apparative Aufwand hierfür ist jedoch erheblich, und dennoch deren
Wirkung weist unzulänglich. Das Übel selbst, nämlich die Belastung des Motoröles
mit Gasen, Flüssigkeit und/oder Feststoffbestandteilen, die vom Verdichtungsraum
herkommen, wurde bisher nicht abgestellt, sondern vielmehr als unumgänglich hingenommen.
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Diese Gesichtspunkte sind bei Arbeitskolben bisher nicht berücksichtigt
worden.
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Man hat allenfalls versucht, die Kolbenkuhlung zu verbessern, z.B.
durch zusätzliche Schlitze oder Bohrungen im Kolbenmantel, die einerseits zum Kolbenumfang
und andererseits zum Kolbeninneren und damit zum Kurbelraum hin geöffnet sind.
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Unter dem Gesichtspunkt der besseren Kolbenkühlung hat man auch schon
z.B.
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zwei diametral einander gegenüberliegende Wandungsteile des Kolbens
am unteren Kolbenende doppelwandig gestaltet und in Richtung zum Kolbenboden gefuhrt,
dort eine Kommunikation für beide Doppelwandkanäle geschaffen und letztere am unteren
Ende zum Kurbelraum hin offen gestaltet. Jeder Doppelwandkanal steht dabei Uber
Bohrungen im Außenmantel mit der äusseren Kolbenumfangsflöche in Verbindung. Demzufolge
gelangt Kühlluft vom Kurbelraum her Uber die untere Öffnung eines Doppelwandkanales
in diesen hinein, danach in den anderen Doppelwandkanal und Uber die untere Öffnung
des letzteren wieder zurück in den Kurbelkasten. Die gleiche KUhlluft kann ferner
ober die Bohrungen zur äusseren Kolbenumfangsfräche hin gelangen und sich dort mit
Gasen, Dämpfen, Feststoffteilen etc., die aus dem Verdichtungsraum am Kolbenring
vorbeigepreßt werden, vermischen, die somit dem Öl im Kurbelraum zugefUhrt werden.
Ausserdem stellt auch diese Anordnung keine Rundumkuhlung des Kolbens sicher, sodaß
also alle eingangs erläuterten Nachteile auch hier gegeben sind.
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Bekannt ist ferner ein luftgekUhlter Kolben mit einander diametral
gegenuberstehenden, etwa taschenförmigen Innenräumen, durch die ein KUhlluftstrom
hindurchgepreßt wird, und zwar dadurch, daß der Kolben bei jedem Hub in einer bestimmten
Kolbenstellung mit einer Kühlluft zufuhrenden Öffnung und Kühlluft abfUhrenden Öffnung
in der Zylinderwandung in Verbindung' gelangt und dadurch Kühlluft in die Innenräume
des Kolbens hineingepreßt wird. Damit nun der Eintritt und Austritt der Kühlluft
nicht nur in einer bestimmten Kolbenstellung1 sondern in jeder Kolbenstellung möglich
ist, sind bei diesem bekannten Prinzip im Kolbenmantel Löcher vorgesehen, wodurch
Kühlluft, aber zugleich auch am Kolbenring vorbeigedrückte Gase, FlUssigkeit und
Feststoffteile mit in den Kurbelraum hineingedrückt werden. Der Kolben erfährt auch
hier keine Rundumkühlung, auch nicht auf einem wesentlichen Teil seiner axialen
Erstreckung. Somit gelten auch hier die eingangs erläuterten Nachteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Arbeitskolbsn für
Brennkraftmaschinen zu schaffen, der einmal eine KUhlung oder auch Beheizung auf
einem wesentlichen Teil seiner Axialerstreckung und rund um den Kolbenmantel, und
zwar mittels gasförmigem oder flüssigem Medium, gestattet, dabei in jeder beliebigen
Kolbenstellung mit einer Zufuhr- und/oder Abfuhröffnung für das Medium in der Zylinderwand
in Verbindung stehen kann und der sicherstellt, daß das KUhlmedium, aber auch am
Kolbenring vorbeigedruckte Gase, Flüssigkeiten und/oder Feststoffteile aus dem Verdichtungsraum
nicht in den Kurbelraum hineingelangen können.
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Die Aufgabe ist bei einem Arbeitskolben der eingangs genannten Art
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kolben in axialem Abstand vom Kolbenring
am dem Kolbenboden gegenuberliegenden Ende mindestens einen kolbenringförmigen,
zur ebenfalls druckdichten Anlage an der Zylinderwand bestimmten Dichtring trägt,
daß die nachinnengeruckten Wandungsteile durch den Kolbenmantel im Bereich der Axialerstreckung
zwischen Kolbenring und Dichtring gebildet sind, die ringsum
den
Kolben gegenüber dessen zum Kurbelraum geöffneten Inneren druckdicht geschlossen
sind, und daß der Kolbenring zusammen mit dem Dichtring und dem sich dazwischen
erstreckenden Kolbenmantel einen zusammen mit der zugeordneten, maschinenseitigen
Zylinderwand allseits im wesentlichen druckdichten, rings um den Kolben verlaufenden
Ringraum bildet. Der Dichtring ist genau wie ein üblicher Kolben ring gestaltet,
also als Verdichtungsring, im Gegensatz zu einer an sich bekannten Ringanordnung,
bei der statt des erfindungsgemaßen Dichtringes ein Ölabstreifring am unteren Kolbenende
vorgesehen ist, der natürlich keinerlei Dichtaufgaben erfüllen kann. Die zylinderseitige
Zufuhröffnung und Abfuhröffnung in der Zylinderwand ordnet man so an, daß beide
in jeder Kolbenstellung, also sowohl in der oberen wie unteren Totpunktstellung
und dazwischen, mit dem Ringraum in Verbindung stehen. So ist sichergestellt, daß
in jeder Kolbenstellung über die Zufuhröffnung ein flUssiges oder gasförmiges Kühlmedium
oder auch Vorheizmedium in den Ringraum des Kolbens eingeleitet werden, diesen auf
einem wesentlichen Teil seiner axialen Erstreckung und vor allem in Umfangsrichtung
rundum umströmen und dann über die Abfuhröffnung abströmen kann. Somit wird der
Kolbenmantel rundum und auf einem wesentlichen Teil seiner axialen Länge gleichmussig
und gut gekühlt. Zugleich ist sichergestellt, daß das KUhlmedium nicht vorbei am
Kolbenring oder Dichtring aus dem Ringraum entweichen kann, weil die Spalte zwischen
diesen Ringen und Zylinderwand so eng im Vergleich zum Querschnitt des Ringraumes
und der Abfuhröffnung sind, daß das Medium dem Wege des geringsten Widerstandes
folgend Uber die Abfuhröffnung den Ringraum verläßt nicht zuletzt infolge der Gestaltung
des Dichtringes als abdichtender Verdichtungsring. Das Heiz- und/oder KUhlmedium
kann also weder in den Verdichtungsraum noch in den Kurbel raum gelangen und in
letzterem mit Öl in Verbindung treten. Das Öl ist seinerseits Uber den Dichtring
am Eintritt in den Ringraum gehindert. Sollten gasförmige, flüssige und/oder feste
Substanzen aus dem Verdichtungsraum oberhalb des Kolben bodens vorbei am Kolben
ring in den Ringraum hineingeraten, dann werden sie ebenfalls dem Weg des geringeren
Widerstandes folgend aus diesem über die Abfuhröffnung, gegebenenfalls zusammen
mit dem Kühlmedium und dadurch unterstüt2tRabgefUhrt, sodaß sie nicht in den Kurbelraum
gelangen und das Öl auch dogegen völlig abgeschirmt ist. Es versteht sich, daß sowohl
ein gasförmiges als auch flüssiges Kühlmedium oder auch
Vorheizmedium
in Betracht kommt. Diese werden durch Unterdruck, z.B. mittels einer Saugpumpe,
von der Abfuhröffnung her angesaugt, und/oder mittels Überdruck durch eine Druckpumpe
in die Zufuhröffnung hineingepreßt. Zusätzlich oder statt der Druckpumpe oder Saugpumpe
kann das Einführen des KUhlmediums bei Kühlluft und bei Fahrzeugen, durch den Fahrtwind
selbst erfolgen. Es versteht sich, daß die völlige Abschirmung des Öles im Kurbeiraum
auch dann gegeben ist, wenn man die erfindungsgemaße Gestaltung ausschließlich dafür
und nicht zusdtzlich für Kühizwecke im Bereich des Kolbens und der Zylinderwandung
wählt.
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Es versteht sich natürlich, daß statt nur eines einzigen Kolbenringes
in Höhe etwa des Kolbenbodens oder eines einzigen Dichtringes am gegenuberliegenden
Kolbenende jeweils zwei oder mehrerer solcher Kolbenringe vorgesehen sein können,
und zwar auch aus anderen Materialien, z.B. aus einem Material mit guten Selbst-
und Notlaufschmierungseigenschaften. Femer kann unterhalb des Dichtringes ein Ölubstreifring
vorgesehen sein, z.B. in herkömmlicher Gestaltung. Es zeigt sich, daß selbst unter
unveränderter Beibehaltung herkömmlicher Kolben - und Zyl inderdurch -messer der
Ringspalt zwischen dem Kolben mantel und der Zylinderwand auf dem Längenbereich
zwischen dem oberen Kolbenring und dem unteren Dichtring in Radialrichtung gemessen
beachtlich größer ist, als der sich bei hohem Verdichtungsverhältnis oder eintretendem
Verschleiß ergebende "Dvrchblasspalt" vorbei am Kolbenring. Somit ist der Weg de
s geringeren Widerstandes fUr derartige durchgeblasene Medien immer der durch den
Ring raum hindurch und aus der Abfuhröffnung heraus.
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Durch die Erfindung wird also eine gute Rundumkühlvng und je nach
Wunsch auch Vorheizung des Kolbenmantels auf einem wesentlichen axialen Längenbereich
erzielt. Femer ist das Öl im Kurbelkasten völlig gegenüber dem Verdichtungsraum
und dem KUhlmedium im Ringraum des Kolbens abgeschirmt, sodaß es praktisch keiner
Alterung, Verschmutzung, Zersetzung od. dgl. Einflüssen unterworfen ist und die
bisher gewohnte relativ häufige Erneuerung oder NachfUllung des Öles nun ober sehr
lange Betriebsdauer, bei Fahrzeugen Uber eine extrem hohe km-Leistung, z B. in der
Größenordnung von 50 000 km und mehr entföllt. Die gute Kühlung
kommt
der Zylinderwandung auf dem vom Ringraum durchfahrenen Axialbereich, dem Kolbenmantel,
Kolbenboden und auch dem Kolbenbolzen zugute, sowie angrenzenden Kolbenteilen, denen
über Wärmeleitung ebenfalls Wärme entzogen wird.
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Die bei Brennkraftmaschinen vorhandene PrimärkUhlung, und zwar Wasser-
oder Luftkühlung, wird wirksam unterstützt, sodaß der Leistungsbedarf fUr das Primärkühlsystem
gesenkt werden kann. Ausserdem sind wegen der günstigen thermischen Verhältnisse
Leistungsteigerungen möglich, und zwar gleichermaßen für wassergekuhlte wie fUr
luftgekühlte Brennkraftmaschinen. Gerade fUr letztgenannte, die angesichts der beschränkten
Möglichkeiten der Luftkühlung und gleichzeitig fortwährend gesteigerter Leistung
an die Grenze des Möglichen gelangt sind, knn die Erfindung neue Inpulse geben;
denn die gute Kühlung ober den Ringraum macht selbst für hohe Leistungen die Luftkühlung
wieder diskutabel. Die Gefahr von KolbenUberhitzungen, Lochbränden im Kolbenboden,
verbrannten Kolbenringen etc. ist wesentlich verringert. Ferner eignet sich die
innere zusätzliche Kühlung z.B. als Notkühlung bei Ausfall oder umgebungstemperatur-
oder klimatisch bedingter Überlastung des primären KOhlsystems, und zwar fUr jeglichen
Einsatzzweck von Brennkraftmaschinen, also Luft-, Wasser-, Straßen- und/oder Schienenfahrzeugen
sowohl des zivilen als auch des militärischen Bereichs. Auch dies ist von wesentlichem
Vorteil. Wegen der guten Kolbenkühlung ist es ferner möglich, den Kolbenmantel und/oder
Kolbenboden im Querschnitt dUnner, den Kolben also insgesamt leichter zu gestalten,
sodaß man eine Leistungssteigerung infolge kleinerer zu beschleunigender und zu
verzögemder Massen erreicht. Es versteht sich, daß statt der Kühlung auch eine Vorwärmung
des Ringraumes und der Nachbarteile mit heissem flüssigem oder gasgörmigem Medium
möglich ist, was insbesondere in sehr kalten klimatischen Zonen mitunter wünschenswert
sein kann.
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Bei allem ist der erfindungsgemäße Arbeitskolben einfach und billig
in der Herstellung.
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Da sichergestellt sein muß, daß der Ringraum nicht etwa über Spalte
zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenaugen des Kolbens zum Kolbeninneren und damit
Kurbelraum geöffnet ist, ist es zweckmässig, wenn der vorzugsweise hohle Kolbenbolzen
endseitig im wesentlichen druckdicht im Kolbenbolzenauge des Kolbens gehalten ist.
Dies ist im einfachsten Fall durch einen eingebrachten Simmerring od.
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dgl. möglich. Der beidendig offene hohle Kolbenbolzen bildet hierbei
einen Querkanal des axial und radial druckdicht abgeschlossenen Ringraumes, wodurch
die zur Wörmeabfuhr nutzbare Oberfläche des Ringraumes vergrößert ist. Ferner wird
über diesen zusätzlichen Querkanal auch das Innere des Kolbens in der Nähe des Kolbenbolzens
noch besser gekühlt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften AusfUhrungsform ist vorgesehen, daß
der Kolbenmantel auf dem Bereich zwischen Kolbenring und Dichtring ein oder mehrere,
den Strömungsquerschnitt des Ringraumes vergrößernde Umfangsnuten und/oder Langsnuten
aufweist.
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Sind Längsnuten und Umfangsnuten gemeinsam vorgesehen, dann winden
die Langsnuten in die Umfangsnuten ein und leiten darin geführtes Medium in die
Umfangsnuten hinein, sowie umgekehrt. Hierdurch ist die Kühlwirkung noch verbessert,
weil mit Sicherheit der Ringraum rund um den Kolben verläuft und somit eine rundum
Kühlung oder auch Vorheizung des Kolben mantels erfolgen kann, ohne daß der Ringraum
zum darüberliegenden Verdichtungsraum oder darunterliegenden Kurbelraum geöffnet
ist. Durch die Nuten wird die im Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium stehende Kolbenmantelfltiche
vergrößert, somit die Kühlung noch verbessert. Ferner ist eine Zwangsführung für
das Kühlmedium in Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung des Kolbens erreicht, sodaß
der Kolben noch zuverlässiger auf grosser axialer Erstreckung im wesentlichen gleichmässig
gekühlt wird. Ferner wird das Kühlmedium über vorgesehene Längsnuten zwangsläufig
bis nahe an den Kolbenring und Kolbenboden herangeführt und somit eine gute Wärmeabfuhr
vor allem an dieser, im Betrieb sehr heißen Stelle sichergestellt.
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Von Vorteil kann es ferner sein, wenn der an der Ringraumbildung beteiligte
Kolbenmantel gegenüber zumindest der im Bereich des Kolbenbodens am oberen Kolbenende
gelegenen, den Kolbenring tragenden Umfangsfläche radial nach innen gerückt ist.
Diesbedeutet also, daß der an der Ringraumbildung beteiligte Kolbenmantel einen
geringeren Durchmesser hat als zumindest der Kolbenteil, der etwa in Höhe des Kolbenbodens
liegt, den Kolbenring trägt und den Ring raum axial nach oben begrenzt.
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Von Vorteil kann es beispielsweise sein, wenn der Kolbenmantel im
Bereich des Kolbenbodens und/oder des gegenüberliegenden Kolbenendes einen separaten,
am Kolbenmantel befestigten, platten- oder ringförmigen Kolbenteil trägt, an dem
der
Kolbenring und/oder Dichtring gehalten ist. Dieser obere Kolbenteil
kann also beträchtlich grösser sein, als der gesamte restliche sich anschließende
Kolbenmantelteil bis hin zum unteren Ende, sofern am unteren Kolbenende kein platten-
oder ringförmiger Kolbenteil vorgesehen ist. In diesem Fall muß natürlich die Zylinderbohrung
der Brennkraftmaschine ebenfalls im Durchmesser entsprechend abgestuft sein.
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Es versteht sich, daß durch diese Ausbildung mit einfachen konstruktiven
Mitteln ein im Ringquerschnitt großer Ringraum geschaffen ist. Vor allem wird ein
großteil der den Kolben bildenden Partie gut'gekühlt, da dieser Teil radial über
den Kolbenmantel relativ weit Uberstehen kann und mit der Unterseite den Ringraum
unmittelbar abschließt, dort also unmittelbar mit Kühlmedium in großflächige Beruhrung
tritt. Der Kolben ist dabei billig zu erstellen, z.B. aus einem Rohrteil einerseits,
das den im Durchmesser kleineren Kolben mantel bildet und aus einem den besonderen
Anforderungen an den Kolbenmantel genügenden Material besteht, und aus einer im
Durchmesser grösseren Platte oder dgl. andererseits, die endseitig auf das Rohr
aufgesetzt ist und dort z.B.durch Schweißen befestigt ist. Der plattenförmige Kolbenteil
kann dabei aus anderem Material als der Kolbenmantel bestehen, z.B.
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aus hochwarmfestem Werkstoff, der den Anforderungen genügt, die an
den Kolbenboden gestellt werden. Somit kann man den Einsatz hochwertiger Materialien
auf das Nötigste und auf die Teile beschränken, die entsprechend hoch beansprucht
sind, während spezifisch anders oder nicht so hoch beanspruchten Teile aus entsprechend
angepaßtem anderen Material erstellt werden. Zugleich wird dadurch mit einfachen
Mitteln die Möglichkeit eröffnet, aus sonst im wesentlichen gleichen Einzelteilen
und mit lediglich unterschiedlich gestalteten Platten zur Bildung des Kolbenbodens
jeweils Kolbentypen verschiendenster Art zu erstellen, die je Einzelfall gewunscht
werden. Der Dichtring, ggf. der darunterliegende Ölabstreifring, ist hierbei am-im
Durchmesser kleineren rohrFörmigen' Kolbenmantel gehalten, der oder die oberen Kolbenringe
hingegen in Umfangsrillen der im Durchmesser größeren, den Kolbenboden bildenden
Platte.
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In entsprechender Weise kann die Anrodnung so getroffen sein, daß
der an der Ringraumbildung beteiligte Kolbenmantel zusätzlich gegenüber der im Bereich
des dem Kolbenboden gegenuberliegenden Kolbenendes gelegenen, den Dichtring tragenden
Kolbenumfangsflöche radial nach innen gerückt ist. Hier ist also auch der sich an
den unteren Kolbenbereich anschließende Kolbenmantelbereich im Durchmesser kleiner.
Der untere Kolbenteil kann in gleicher Weise aus einer angesetzten Platte oder auch
einem im Inneren offenen Ring gebildet sein, und zwar mit kleinerem oder gleichem
Durchmesser wie die den Kolbenboden bildende Platte am gegenüberliegenden Ende.
Der Dichtring, ggf. mit darunterliegendem Ölabstreifring, ist dabei in der unteren
Platte gehalten.
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Beide Platten begrenzen den Ringraum in axialer Richtung oben und
unten. Auch für diese Gestaltung des unteren Kolbenendes ergeben sich im wesentlichen
die vorstehend erläuterten Vorteile.
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Bei beiden Gestaltungen oder auch bei anderen Gestaltungen kann der
radial nach innen gerückte Kolbenmantel im wesentlichen Zylinderform aufweisen.
Z.B. kann er aus einem zylindrischen Rohr gebildet sein, auf das endseitig der obere
und/oder untere Kolbenteil fest aufgesetzt ist. Von besonderem Vorteil ist es jedoch,
wenn der radial nach innen gedrückte Kolbenmantel zumindest auf einem Teil der sich
zwischen Kolbenring und Dichtring erstreckenden Länge etwa bogenförmig, z.B. parabel-
oder hyperbelförmig, nach innen gebogen und rotationssymmetrisch gestaltet ist.
Ein derart geformter rotationssymmetrischer Kolben mantel bringt spri tzgußtechnisch
keine Probleme mit sich. Er hat den besonderen Vorteil, daß der Ringraum nach oben
und unten in Axialrichtung gesehen keilförmig ausläuft, wodurch bei der Kolbenhubbewegung
das KUhlmittel zuverlässig bis hin zum axial äußeren Ende des Ringraumes, also oben
und unten, transportiert wird, so daß eine gute und gleichmaßige KUhlung Uber die
gesamte Axialerstreckung des Ringraumes gesichert ist. Ferner führt der Kolbenmantel
an der am stärksten gekrümmten Stelle radial relativ weit bis hinein in das Kolbeninnere,
so daß auch dort noch eine gute KUhlung gegeben ist.
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Am Kolbenmantel können radial in den Ringraum vorstehende, in radialem
Abstand vor der Kolbenumfangsfläche endende Leitstege angeordnet sein, z.B. in Umfangsrichtung
und/oder Axialrichtung in Abstand voneinander verteilte Gleitstege. Letztere vergrößern
einmal die für die Wärmeabfuhr maßgebliche Oberfläche, zum anderen führen sie zu
guter Verwirbelung und Verteilung des KUhlmediums in Umfangsrichtung und in Axialrichtung
des Ringraumes. NatUrlich stehen diese Leitstege radial nicht so weit vor wie der
Kolbenring und Dichtring, sondern sie sind kürzer, um keinerlei Beschädigung an
der maschinenseitigen Zylinderwand hervorzurufen.
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Bei einer besonders vorteilhaften, weiteren AusfUhrungsform ist vorgesehen,
daß der plattenförmige Kolbenteil im Bereich des Kolbenbodens mindestens einen im
wesentlichen radial verlaufenden Durchströmungskanal aufweist, der unterhalb des
Kolbenringes zum Ringraum hin geöffnet ist und quer durch den Kolbenteil fUhrt.
Dadurch kann das Kühlmedium auch den Kolbenboden passieren und damit einen der im
Betrieb der Brennkraftmaschine heißesten Teile optimal kühlen. Hierzu strömt das
KUhlmittel vom Ringraum her in den Durchströmungskanal ein, passiert diesen z.B.
in diametraler Richtung und strömt dann Uber den Ringraum und die Abfuhröffnung
in der Zylinderwand ab. Die KUhlung ist somit wesentlich verbessert, und zwar vor
allem im oberen Endbereich des Kolbens, und zwar nicht nur randseitig des Kolbenbodens
sondern vor allem auch im Bereich der Kolbenbodenmitte.
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Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
daß der Kolben am oberen Ende eine muldenförmige, ringsum durch axial überstehende
Wandungsteile des Kolbenmantels begrenzte Aussparung aufweist, die nach unten hin
von einem quer verlaufenden Kolbenzwischenboden druckdicht abgeschlossen ist, daß
die muldenförmige Aussparung an der oberen Kolbenstirnseite und in Abstand vom Kolbenzwischenboden
mittels eines eingelegten, am Wandungsteil befestigten, etwa plattenförmigen Kolbenbodeneinsatzes
nach oben hin im wesentlichen druckdicht abgeschlossen ist und daß in den die Aussparung
umgrenzenden Wandungsteilen unterhalb des dem Ringraum
zugewandten
Kolbenringes mindestens eine Einlaßöffnung und mindestens eine in Umfangsrichtung
versetzte, vorzugsweise diametral gegenüberliegende, Auslaßöffnung vorgesehen sind,
die den muldenförmigen Hohlraum unterhalb des eingelegten Kolbenbodeneinsatzes mit
dem Ringraum des Kolbens verbinden. Dies ist eine besonders einfache, auch fertigungstechnisch
problemlose Ausbildung, zugleich mit dem Vorteil, daß der Kolbenbodeneinsatz als
separater Teil den jeweiligen Anforderungen entsprechend form- und materialmäßig
gestaltet werden kann. Von Vorteil kann es sein, wenn der Kolbenbodeneinsatz in
eine Ringnutschulter am oberen Ende der Wandungsteile im wesentlichen passgenau
eingelegt ist. Dadurch nimmt die Ringnutschulter den auf den Kolbenbodeneinsatz
vom Verdichtungsraum her wirkenden Druck randseitig auf. Von Vorteil kann es ferner
sein, wenn der Kolbenbodeneinsatz nach außen ballig ausgewölbt oder muldenförmig
nach innen gewölbt ist und/oder auf seiner Oberseite etwa höckerartige Vorsprünge
trägt. Auch eine andersartige Gestaltung ist möglich.
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Je nach gewünschtem, herzustellenden Kolben kann der Kolbenbodeneinsatz
variiert werden, während alle übrigen Kolbenteile völlig gleich bleiben. Dies führt
zu einer wesentlichen Vereinfachung und Verbilligung. Man kann zugleich durch entsprechende
Auswahl des Kolbenbodeneinsatzes nach Werkstoff und Gestalt alle möglichen Kolbentypen
zusammensetzen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen gezeigten
AusfUhrungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen vertikalen, zentralen
Längsschnitt eines Arbeitskolbens mit einem Teil einer Zylinderwand, gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 a - d Querschnitte von Kolbenbodeneinsd.tzen
für den Arbeitskolben in Fig. 1 in vier verschiedenen Ausführungsformen, Fig. 3
eine Seitenansicht des Arbeitskolbens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig.
4, 5 u. 6 jeweils eine Ansicht etwa entsprechend Fig. 1 gemäß einem dritten bzw.
vierten bzw fünften Ausführungsbeispiel.
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In Fig. 1 ist ein Teil eines Zylinders 10 mit Zylinderwand 11 einer
Brennkraftmaschine gezeigt, in dem ein Arbeitskolben 12 hin- und herbeweglich geführt
ist. Der Arbeitskolben 12 ist in Fig. 1 in seiner oberen Totpunktstellung gezeigt.
Er ist in üblicher Weise über ein am Kolbenbolzen 13 angelenktes Pleuel 14 mit einer
nicht weiter sichtbaren Kurbelwelle im nicht gezeigten Kurbelraum des Maschinengehöuses
verbunden.
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Der Arbeitskolben 12 ist als etwa topfförmiger, im Inneren hohler
Kolben ausgebildet, der am in Fig. 1 oberen Ende Uber einen allgemein mit 15 bezeichneten
Kolbenboden abgeschlossen ist und der am dem Kolbenboden 15 gegenüberliegenden Ende
zum nicht weiter gezeigten Kurbelraum hin geöffnet ist.
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Der Kolben 12 trägt auf seinem Mantel 16 in Abstand und unterhalb
des Kolbenbodens 15 mindestens einen, beim gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
1 zwei in Richtung der Kolbenachse in Abstand voneinander in Ringnuten des Kolbens
gehaltene Kolbenringe 17 und 18, die druckdicht an der Zylinderwand 11 anliegen,
die die Koibenlauffläche bildet.
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Erfindungsgemäí3 trägt der Kolben am dem Kolbenboden 15 gegenüberliegenden
Ende in axialem Abstand vom unteren Kolbenring 18 mindestens einen kolbenringförmigen,
ebenfalls an der Zylinderwand 11 druckdicht anliegenden Dichtring 19 und unterhalb
des letzteren in axialem Abstand davon noch einen Ölabstreifring 20. Beide Ringe
19 und 20 sind in gleicher Weise wie die Kolbenringe 17 und 18 in ringförmigen Umfangsnuten
des Kolbenmantels 16 gehalten.
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Der Dichtring 19 schließt zusammen mit dem oberen, ihm zugewandten
Kolbenring 18 einen einerseits durch die Zylinderwand 11 und andererseits den Kolbenmantel
16 radial abgegrenzten, sich rund um den Kolben 12 erstreckenden Ringraum 21 in
axialer Richtung im wesentlichen völlig druckdicht ab.
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In der Zylinderwand 11 ist mindestens eine in jeder beliebigen Stellung
des Kolbens 12 - also in der gezeigten oberen Totpunktstellung und der nicht gezeigten
unteren Totpunktstellungisowie Stellungen zwischen beiden Totpunktlagen - mit dem
Ringraum 21 in Verbindung stehende Abfuhröffnung 22 ( Fig. 1 rechts ) vorgesehen,
an die eine nicht
weiter gezeigte Abfuhrleitung angeschlossen ist.
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Nicht weiter gezeigt ist, daß der im Inneren hohle Kolbenbolzen 13
endseitig im wesentlichen druckdicht in dem zugeordneten Kolbenbolzenauge des Kolbens
12 gehalten ist.
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Zur druckdichten Halterung ist z.B. ein Simmerring ausreichend. Somit
steht der hohle Kolbenbolzen 13 in Verbindung mit dem Ringraum 21 und bildet einen
im wesentlichen diametralen Querkanal für den Ringraum 21.
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Vorzugsweise diametral gegenuberliegend und auf gleicher Höhe wie
die Abfuhröffnung 22 ist in der Zylinderwand 11 eine ebenfalls mit dem Ringraum
21 in Verbindung stehende Zufuhröffnung 23 angeordnet, an die eine nicht weiter
gezeigte Zufuhrleitung angeschlossen ist. Über die Zufuhrleitung und die Zufuhröffnung
23 ist in den Ringraum 21 ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium oder auch Vorheizmedium
einleitbar. Das Medium durchströmt dann den Ringraum 21 und strömt über die Abfuhröffnung
22 und die nicht gezeigte Abfuhrleitung wieder ab. Bei der Durchströmung des Ringraumes
21 wird der sich in diesem Bereich befindliche Kolbenmantel 16 sowohl ringsum als
auch auf einem wesentlichen Teil der gesamten Axialerstreckung des Kolbens 12 gekühlt.
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Da das Kühlmedium zugleich durch den hohlen Kolbenbolzen 13 als Querkanal
strömt, wird auch dieserlder obere Kopf des Pleuels 14sowie der benachbarte innere
Bereich des Kolbens 12 ebenfalls mitgekühlt. Das Kühlmedium oder auch Vorheizmedium
kann entweder mittels einer in der Zufuhrleitung sitzenden Druckpumpe mit überdruck
eingeleitet werden oder mittels einer in der Abfuhrleitung sitzenden Saugpumpe mit
Unterdruck hindurchgesaugt werden. Bei Fahrzeugen kann bereits die Zufuhr eines
gasförmigen KUhimediums, z.B. Luft, allein über den Fahrtwind ausreichend sein,
ggf.
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unterstutzt durch einen nicht gezeigten, vorzugsweise temperaturabhdngig
gesteuerten Ventilator.
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Durch den allseitig druckdicht abgeschlossenen Ringraum 21 wird zugleich
folgendes Problem beseitigt Bei Brennkraftmaschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis
innerhalb des nicht gezeigten Verdichturigsraumes, also oberhalb des Kolbenbodens
15, insbesondere bei Dieselmotoren, oder auch bei Maschinen mit anfangendem Verschleiß
zwischen
Zylinderwand 1 1 und oberen Kolbenringen 17 und 18 wird unvermeidlicherweise das
hochgespannte Brennstoff-Luftgemisch im Verdichtungsraum oder nach Entzündung das
Verbrennungsgas zwischen Zylinderwand 11 und Außenseite der Kolbenringe 17 und 18
längs der Zylinderwand 11 nach unten und in den Kurbelraum hineingedrückt. Der Kurbelraum
und damit das darin enthaltene Öl wird dadurch unter relativ hohen Druck gesetzt.
Das Öl wird vor allem mit den flüssigen, gasförmigen und/oder festen Medien aus
dem Verdichtungsraum vermischt und sehr schnell unbrauchbar gemacht. Der damit einhergehende
Druck im Kurbelraum hat außerdem zur Folge, daß das Öl in Gegenrichtung von unten
nach oben zwischen Zylinderwand 11 und Kolbenmantel 16 vorbei an den oberen Kolbenringen
17 und 18 in den Verdichtungsraum gepreßt wird, in dem das Öl unter sich ergebenden
schädlichen Rückständen verbrennt. Der hohe Druck im Kurbelraum drückt ferner das
Öl z.B.
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am nicht gezeigten Stutzen, in den der Ölkontrollstab eingesteckt
ist, heraus, was zusätzliche Ölverluste nach sich zieht.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Arbeitskolben 12 hingegen treten diese
erltiuterten Probleme nicht auf; denn die mit hohem Druck aus dem Verdichtungsraum
vorbei an den oberen Kolbenringen 17 und 18 gedruckten Medien gelangen danach in
den rings um den Kolbenmantel 16 laufenden Ringraum 21 und werden aus diesem über
die Abfuhröffnung 22 in der Zylinderwand 11 abgeleitet. Dadurch ist vermieden, daß
diese Medien in den Kurbelraum gelangen können; denn die Medien nehmen den Weg des
geringsten Widerstandes, also statt der sehr engen Zylinderringspalte zwischen Zylinderwand
11 und unterem Dichtring 19 den im Querschnitt wesentlich-.größeren Weg des Ringraumes
21 und der Abfuhröffnung 22. Somit ist der Kurbelraum von den schädlichen, im Verdichtungsraum
entstehenden Medien hohen Druckes völlig abgeschirmt.
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Umgekehrt kann auch kein Öl aus dem Kurbelraum in den Verdichtungsraum
hineingelangen, da dieses Öl, sollte es den Dichtring 19 von unten nach oben passieren,
uber den Ringraum 21 und die Abfuhröffnung 22 ebenfalls nach außen abgeleitet wird.
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Somit ergibt sich einerseits ein völlig abgekapselter Kurbelraum und
andererseits ein völlig abgekapselter Verdichtungsraum. Das Öl im Kurbelraum ist
daher praktisch
keinerlei Alterung, Verschmutzung, Zersetzung od.
dgl. Einflüssen mehr unterworfen, die sonst maßgeblich fUr den von Zeit zu Zeit
notwendigen Ölwechsel und das nötige ÖInachfUllen waren. Es ergibt sich also eine
erhebliche Kosteneinsparung, da ein ÖIwechseI praktisch entfällt. Zugleich ist natürlich
eine optimale KUhlung des Arteitskolben 12 rundum und auch über einen wesentlichen
axialen Teil seiner Erstreckung gegeben. Dadurch kann der Leistungsbedarf für die
PrimärkUhlung der Brennkraftmaschine vermindert werden, was letztlich zu einer höheren
Leistungsausbeute der Maschine führt.
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Beschädigungen des Arbeitskolbens 12 und/oder der Zylinderwand 11
sind im wesentlichen ausgeschaltet, so daß die Lebensdauer wesentlich gesteigert
ist. Die erreichte innere KUhlung kann als Zusatzkühlung zum PrimärkUhlsystem und/oder
als Notkuhlung bei überlastung oder Ausfall desselben herangezogen werden. Ferner
kann über den Ringraum 21 auch ein Heizmedium eingeleitet werden, um den Arbeitskolben
12 vorzuheizen, was insbesondere in sehr kalten klimatischen Zonen mitunter wünschenswert
sein kann.
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Aus Fig. 1 ist ferner eine weitere wesentliche Gestaltung des Kolbenmantels
16 ersichtlich. Denn der an der Bildung des Ringraumes 21 beteiligte Kolbenmantel
16 ist, wie Fig. 1 zeigt, gegenüber der im Bereich des Kolbenbodens 15 am oberen
Kolbenende gelegenen, die Kolbenringe 17 und 18 tragenden Kolbenumfangsfläche radial
relativ weit nach innen gerückt und zusätzlich dazu auch im Bereich des dem Kolbenboden
15 gegenüberliegenden unteren, den Dichtring 19 tragenden Kolbenendes. Bei allem
ist der radial nach innen geruckte Kolbenmantel 16 auf dem Teil der sich zwischen
unterem Kolbenring 18 und Dichtring 19 erstreckenden Länge etwa bogenförmig, z.B.
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wrabel- oder hyperbelförmig, nach innen gebogen und rotationssymmetrisch
gestaltet.
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Die Bogenform ist nahezu beliebig. Es ergibt sich dadurch bei der
Gestaltung gemäß Fig. 1 ein im Ringq uerschnitt breiter Ringraum 21, der in Axialrichtung
nach oben hin und nach unten hin allmählich und etwa keilförmig verkleinert wird.
Diese keilförmige Verkleinerung hat den besonderen Vorteil, daß bei der Hubbewegung
des ArbeitskoJbens 12 das über die Zufuhröffnung 23 eingeleitete Kühlmedium im Ringraum
21 infolge der Keilwirkung zuverlässig bis hin zum oberen und unteren Ende des Ringraumes
21 geführt wird, also auch in diesen Endbereichen des Ringraumes 21 eine sehr gute
und gleichmäßige KolbenkUhlung erzielt wird.
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Die Kühimittelverteilung innerhalb des Ringraumes 21 und die Kühlwirkung
kann dadurch noch gesteigert werden, daß, wie in Fig. 1 angedeutet ist, am Kolbenmantel
16 radial in den Ringraum 21 vorstehende, in radialem Abstand vor der Kolbenumfangfläche
endende Leitstege 24 angeordnet sind. Durch diese wird die für den Wdrmeaustausch
vorhandene Kolbenfläche vergrößert, somit der Wärmeaustausch verbessert. Die Leitstege
können in Axialrichtung und/oder Radialrichtung in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen
Abständen voneinander verteilt angeordnet sein.
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Eine weitere wesentliche Verbesserung der Kühlverhältnisse ist bei
dem in Fig. 1 gezeigten Kolben 12 dadurch erreicht, daß der Kolben 12 am oberen
Ende eine muldenförmige, ringsum durch axial überstehende Wandungsteile 25 des Kolbenmantels
16 begrenzte Aussparung 26 aufweist, die nach unten hin von einem quer verlaufenden
Kolbenzwischenboden 27 druckdicht abgeschlossen ist, der einstückiger Bestandteil
des Kolbenmantels 16 sein kann oder auch aus einem separat eingesetzten und z.B.
eingeschweißten Teil bestehen kann. Die muldenförmige Aussparung 26 ist an der oberen
Kolbenstirnseite und in Abstand vom Kolbenzwischenbaden 27 mittels eines besonderen,
eingelegten und am Wandungsteil 25 befestigten Kolbenbodeneinsatzes 28 nach oben
hin im wesentlichen druckdicht abgeschlossen, der etwa Plattenform besitzt. In den
die muldenförmige Aussparung 26 umgrenzenden Wandungsteilen 25, die im wesentlichen
zyl inderringförmig sind, sind unterhalb des dem Ringraum 21 zugewandten Kolbenringes
18 mindestens eine Einlaßöffnung 29 und mindestens eine in Umfangsrichtung versetzte
und vorzugsweise diametral gegenüberliegende Auslaßöffnung 30 vorgesehen, die den
muldenförmigen Hohlraum 26 unterhalb des eingelegten Kolbenbodeneinsatzes 28 mit
dem Ringraum 21 des Kolbens 12 verbinden.
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Es ist somit unmittelbar unterhalb des Kolbenbodens 15 ein besonderer
KUhlmittelraum in Gestalt der Aussparung 26 geschaffen, der zur oberen Kolbenstirnseite
hin völlig dicht abgeschlossen ist und mit dem Ringraum 21 kommuniziert. Dies führt
zu einer wesentlichen Verbesserung der Kolbenkühlung, insbesondere im Bereich des
oberen Kolbenendes und auf der ganzen Fläche des Kolbenbodens 15. Das über die Zufuhröffnung
23 in den Ringraum 21 eingeführte Kühlmedium durchströmt den Ringraum 21 in
Richtung
der Pfeile 31 und uberstreicht dabei die äußere Umfangsfläche des gebogenen Kolbenmanteis
16 sowie der Leitstege 24, an denen das Kühlmittel zusätzlich verwirbelt und verteilt
wird. Dabei durchströmt das Kühimittel den Ringraum 21 aufseiner gesamten axialen
Erstreckung und rings um den Kolbenmantel 16 herum. Ein Teil des KUhlmittels tritt
Uber die Einlaßöffnung 29 in den muldenförmigen Hohlraum 26 unterhalb des Kolbenbodens
15 in Richtung der Pfeile 32 ein und durchströmt den Hohlraum 26 auf einer großen
radialen Ausdehnungsflache, wonach das Kühlmedium in Richtung der Pfeile 33 Uber
die Auslaßöffnung 30 den Hohlraum 26 verläßt und in den Ringraum 21 einströmt, wie
die Pfeile 34 zeigen. Das Kühlmittel verläßt sodann den Ringraum 21 Uber die Abfuhröffnung
22. Durch den zusätzlich vom Kühlmedium durchströmbaren Hohlraum 26 wird der gesamte
obere Bereich des Kolbens außerordentlich gut und zuverlässig gekühlt, und zwar
unter Einschluß des Kolbenbodeneinsatzes 28, der Kolbenumfangsfldche im oberen Endbereich
und der Kolbenringe 17 und 18, sowie natUrlich des gesamten Kolbenmantels 16 und
des Kolbenzwischenbodens 27.
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Der Kolbenbodeneinsatz 28 ist in eine Ringnutschulter 35 am oberen
Ende der Wandungsv teile 25 im wesentlichen passgenau eingelegt und z.B. eingeschweißt.
Diese Gestaltung wirft keinerlei fertigungstechnische, insbesondere spritzgußtechnische
Probleme auf. Sie hat neben der besonders guten Kühlung des gesamten Kolbenbodens
15 noch den Vorteil, daß verschiedenartig gestaltete Kolbenbodeneinsötze 28 einsetzbar
sind, um im Bereich des Kolbenbodens 15 verschiedenartig gestaltete Kolben herzustellen.
Die anderen Kolbenteile hingegen sind dabei unverändert. Dies ist eine wesentliche
fertigungstechnische und kostenmäßige Vereinfachung.
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Verschiedenartig geformte Kolbenbodeneinsdtze sind z.B. in Fig. 2a
bis Fig. 2d gezeigt. Allen ist gemeinsam ein durch den Innendurchmesser der Ringnutschulter
35 und der Wandungsteile 25 vorgegebener Innendurchmesser. Die Ausfuhrungsform gemäß
Fig. 2a zeigt einen Kolbenbodeneinsatz 36, der nach außen hin ballig ausgewölbt
ist. Hingegen zeigt das andere Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2b einen muldenförmig
nach innen ausgewölbten Kolbenbodeneinsatz 37. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
2c zeigt einen im Querschnitt vollen Kolbenbodeneinsatz 38 ebenfalls mit nach außen
konvex gekrümmer
Oberfläche. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig,
2d zeigt einen etwa plattenförmigen Kolbenbodeneinsatz 39, der auf seiner Oberseite
etwa höckerartige Vorspruenge 40 trägt. Es sind darüberhinaus weitere, konstruktiv
anders gestaltete Kolbenbodeneinsätze möglich, je nach gewünschter Gestaltung des
Uber die Form des Kolbenbodeneinsatzes angestrebten Verdichtungsraumes. All diese
anderen möglichen konstruktiven Gestaltungsformen liegen im Bereich der Erfindung.
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Bei dem in Fig, 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Kolbenmantel
41 im Gegensatz zum ersten Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 durchgehend zylindrisch
gestaltet. Am oberen Ende trägt er in gleicher Weise zwei Kolbenringe 17 und 18,
am unteren Kolbenende den Dichtring 19 und sich anschließenden Ölabstreifring 20.
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Die zylindrische Gestaltung des Kolbenmantels 41 reicht an sich schon
aus, um einen Ringraum 21 zwischen Kolbenring 18 und Dichtring 19 zu bilden, da
ja der Kolben mit seiner Umfangsfläche des Kolbenmantels 41 nicht unmittelbar auf
der nicht gezeigten Zylinderwand gleitet, sondern vielmehr in radialem Abstand davon
verläuft. Um den Querschnitt des Ringraumes zu vergrößern und zugleich eine Zwangsführung
für das darin eingeleitete Medium zu erreichen, weist der Kolbenmontel 41 auf den
Bereich zwischen Kolbenring 18 und Dichtring 19 ein oder mehrere, den Strömungsquerschnitt
des Ringraumes vergrößernde Umfangsnuten 42 sowie Längsnuten 43 auf. Durch die Umfangsnut
42, die rund um den Kolbenmantel 41 läuft und in den durch den hohlen Kolbenbolzen
13 gebildeten Querkanal einmUndet, ist eine ZwangsfUhrung fUr das Medium in Umfangsrichtung
rings um den Kolbenmantel 41 gegeben. Die Längsnut 43 verursacht eine ZwangsfUhrung
des Mediums in Axialrichtung über die gesamte axiale Erstreckung des Kolbenmantels
41 zwischen Kolbenring 18 und Dichtring 19. Von Vorteil ist ferner, daß für diese
Gestaltung unverändert herkömmliche Kolben verwendet werden können, die nur nachtruglich
mit Umfangsnut 42 und Längsnut 43 versehen werden. Zweckmäßigerweise ist auf zwei
einander diametral gegenüberliegenden Seiten des Kolbenmantels 41 jeweils eine Längsnut
43 vorgesehen. Natürlich sind auch mehrere Längsnuten 43 möglich.
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Bei dem in Fig, 4 gezeigten dritten AusfUhrungsbeispiel weist der
radial nach innen gerückte Kolbenmantel 44 im wesentlichen Zylinderform auf. Er
ist z.B. aus einem zylindrischen Rohr aus einem Werkstoff gebildet, der optimal
an die Anforderungen
angepaßt, die an den Kolbenmantel gestellt
werden. Der Kolbenmantel 44 ist ebenfalls mit radialen, in den Ringraum 45 hinein
vorstehenden Leitstegen 46 versehen.
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Im oberen Bereich, also im Bereich des Kolbenbodens, trägt der Kolbenmantel
44 einen separaten, an letzterem befestigten, etwa plattenförmigen Kolbenteil 47,
der den Kolbenboden bildet und der in Ringnuten auf dem Umfang die beiden Kolbenringe
17 und 18 trägt. Auch im Bereich des dem Kolbenboden 47 gegenüberliegenden, also
unteren, Kolbenendes trägt der rohrförmige Kolbenmantel 44 einen separaten, daran
befestigten, etwa ringförmigen Kolbenteil 48, der z.B. den gleichen Durchmesser
wie der Kolbenteil 47 aufweist und der auf seiner äußeren Umfangsfldche in Ringnuten
einmal den Dichtring 19 und zum anderen den Ölabstreifring 20 trägt. Beide Kolbenteile
47 und 48 besitzen gegenüber dem Kolbenmantel 44 einen wesentlich größeren Außendurchmesser,
wodurch sich ein Ringraum 45 mit relativ großem Ringquerschnitt ergibt. Ferner stehen
beide Kolbenteile 47 und 48 dadurch in Radialrichtung relativ weit über den Außenumfang
des Kolbenmantels 44 vor, so daß sie auf diesem axialen, ringförmigen Flächenbereich
großflächig mit dem Kühlmedium im Ringraum 45 in BerUhrung gelangen und dadurch
eine außerordentlich gute Kühlung, vor allem auch im Bereich des oberen, den Kolbenboden
bildenden Kolbenteiles 47 erzielt wird. Der Kolbenteil 47 kann aus anderem Werkstoff
als der Kolbenmantel 44 bestehen, z.B.
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aus einem solchen Material, das den an den Kolbenboden zu stellenden
Anforderungen optimal genügt. Für die Herstellung von hinsichtlich der Gestaltung
des Kolbenbodens verschiedenartig gestalteten Kolben ergibt sich eine besondere
Vereinfachung dadurch, daß dann jeweils ein entsprechend geformter oberer Kolbenteil
47 zum Einsatz kommt, hingegen die übrigen Teile, die den Kolben bilden, unverändert
die gleichen sind.
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Der untere, ringförmige Kolbenteil 48 hingegen kann aus anderem, nicht
so hochwertigem Werkstoff bestehen. Dies alles trägt zu einer wesentlichen Vereinfachung
und Verbilligung der Kolbenfertigung bei. Im Verschleißfall könnte notfalls ein
Austausch z-. B, des oberen Kolbenteiles 47 und/oder unteren Kolbenteiles 48 erfolgen,
was ebenfalls zu einer Verbilligung führen kann.
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Das in Fig. 5 gezeigte vierte Ausführungsbeisptel unterscheidet sich
vom dritten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 dadurch, daß der plattenförmige Kolbenteil
49 im Bereich des oberen Kolbenendes, der also den Kolbenboden bildet, mindestens
einen im wesentlichen radial verlaufenden Durchströmungskanal 50 aufweist, der unterhalb
des Kolbenringes 18 zum Ringraum 51 hin über Öffnungen 52, 53 geöffnet ist und der
quer durch den oberen Kolbenteil 49, z.B. diametral, durch diesen hindurchführt.
Ein derartiger oberer Kolbenteil 49 ist einfach und billig herstellbar. Er hat vor
allem den Vorteil einer außerordentlich guten Kühlung des gesamten Kolbenbodens
bis hin in radialer Richtung zu den Kolbenringen 17 und 18 und der Umfangsfläche
des Kolbenteiles 49. Es werden daher im wesentlichen die gleichen Vorteile wie beim
ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 hinsichtlich der Kuhlung des Kolbenbodens
erzielt.
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Das in Fig. 6 gezeigte fünfte AusfUhrungsbeispiel unterscheidet sich
vom dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dadurch, daß der untere, ringförmige
Kolbenteil 48 entfallen ist und der Dichtring 19 und sich anschließende Ölabstreifring
20 in Ringnuten unmittelbar des rohrförmigen, zylindrischen Kolbenmantels 54 gehalten
sind. Es ergeben sich somit im Durchmesser kleinere Dichtringe 19 und Ölabstreifringe
20 als Kolbenringe 17, 18 im oberen Kolbenbereich. In entsprechender Anpassung ist
die Zylinderwand 55 gestuft, d.h., sie besitzt im unteren Bereich einen im Durchmesser
kleineren, dem Dichtring 19 und Ölabstreifring 20 angepaßten Wandungsbereich 56.
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Bei allen Ausführungsbeispielen gemdß Fig. 1 - 6 ist der Kolben jeweils
in seiner oberen Totpunktstellung gezeigt. In seiner unteren, nicht gezeigten Totpunktstellung
nimmt der Kolben eine Lage ein, bei der der Kolbenring 18 immer noch, wenn auch
mit geringem axialen Abstand oberhalb der Zufuhröffnung 23 und Abfuhröffnung 22
liegt. Somit werden beide Öffnungen beim Durchfahren des gesamten Kolbenhubes nicht
Uberfahren, so daß sie in jeder Kolbenstellung mit dem jeweiligen Kolbenringraum
in Verbindung stehen.