DE3637196A1 - Oelgekuehlter kolben mit einer brennmulde fuer eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Oelgekuehlter kolben mit einer brennmulde fuer eine verbrennungskraftmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ölgekühlten Kolben mit einer Brennmulde für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Kolben mit Einrichtungen zum Verändern des Brennraumvolumens werden bei Verbrennungskraftmaschinen zur Begrenzung des Spitzendruckes eingesetzt. Dadurch wird ohne Triebwerksverstärkung eine Steigerung des Mitteldruckes erreicht und der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine angehoben.
Ein gattungsbildender Kolben ist aus der GB-PS 8 99 198 bekannt. Der einteilig ausgebildete Kolbenkörper ist auf der Kolbenbodenseite mit einer dem Durchmesser der Brennraummulde etwa entsprechenden ersten zylindrischen Aussparung, und auf der Kolbenbolzenseite mit einer zweiten kleineren zylindrischen Aussparung ausgestattet. Beide zylindrischen Aussparungen sind durch eine koaxiale Bohrung verbunden. Der Verstellkörper des Kolbens wird von der Kolbenbodenseite aus in die erste zylindrische Aussparung eingesetzt, wobei ein zylindrischer Ansatz des Verstellkörpers die koaxiale Bohrung ausfüllend in die zweite Aussparung reicht und dort einen scheibenförmigen Kolben aufnimmt. Das Oberteil des Verstellkörpers ist durch radiale Nuten für Dichtungsringe und für den Einbau eines Hitzeschildes sehr zerklüftet ausgebildet und daher bei der großen thermischen Belastung im Betrieb besonders rißanfällig.
Die bekannte Bauweise des Kolbens mit Frontmontage des Verstellkörpers ist bei Kolben mit radial eingezogenem Brennraummuldenrand nicht anwendbar. Die Ölversorgung der beiden Kammern erfolgt bei der bekannten Anordnung über einen Ölkanal im Pleuel. Die Herstellung des Ölkanals in Form einer Langbohrung im Pleuel ist schwierig herstellbar und teuer.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei einem ölgekühlten, Kolben mit einem hydraulisch selbsttätig veränderbaren Brennraummuldenboden den mechanischen Aufbau der Verstellvorrichtung zu vereinfachen und den Einbau der Verstellvorrichtung auch bei Brennraummulden mit eingezogenem Muldenrand zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 4 wird die weitere Ausgestaltung der Erfindung erreicht.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die kompakte Form des Verstellkörpers in Verbindung mit der Ölversorgung der Kammer durch eine Spritzdüse, einen einfachen mechanischen Aufbau der Verstellvorrichtung ergibt, daß die glatte Außenkontur des Verstellkörpers die Schwierigkeiten bei der Herstellung aus Keramikmaterial und die Rißempfindlichkeit vermindert, daß die Vorteile des gebauten Kolbens mit denen des veränderbaren Brennraummuldenvolumens bei eingezogenem Brennraummuldenrand vereinigt werden konnten, daß das Keramikmaterial des Verstellkörpers eine hervorragende Wärmedämmung des Brennraummuldenbodens ergibt, und daß die sonst problematische Verbindung bei einer Werkstoffpaarung Stahl-Keramik mit dem keramischen Verstellkörper vermieden sind, was zu erhöhter Betriebssicherheit beiträgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines axialen Schnittes durch den Kolben dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.
Ein Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine ist dreiteilig aus einem ölgekühlten Kolbenringträger 11, einem den Boden einer Brennraummulde 12 bildenden, axial verschiebbaren Verstellkörper 13 und einem die Kolbenbolzenlager enthaltenden Kolbenunterteil 14 zusammengebaut. Kolbenringträger 11 und Kolbenunterteil 14 sind durch Schrauben 15 miteinander verspannt, wobei die Schrauben 15 den Kühlölraum 16 des Kolbenringträgers durchdringen. Das Kühlöl wird über eine Kühlölspritzdüse 17, die am Kurbelgehäuse angeordnet ist, in freiem Strahl in eine Fangbohrung 18 des Kolbenunterteils 14 eingespritzt und strömt von dort in den Kühlölraum 16 weiter.
Der scheibenförmige Verstellkörper 13 ist in einer die Brennraummulde 12 darstellenden Bohrung 34 des Kolbenringträgers 11 angeordnet, wobei der Brennraummuldenrand 35 einen kleineren Durchmesser als die Bohrung 34 des Kolbenringträgers 11 besitzt. Am Verstellkörper 13 ist auf seinem dem Brennraum abgewandten Endbereich ein zylindrischer Bund 21 ausgebildet, der mit einer entsprechenden Ausnehmung des Kolbenringträgers 11 zusammenwirkend eine ringförmige erste Kammer 22 bildet. Eine andere Kammer 23 ist zwischen der brennraumabgewandten Stirnseite des Verstellkörpers 13 und dem Kolbenunterteil 14 angeordnet. Beide Kammern 22, 23 sind im Betrieb mit Öl gefüllt und durch eine Drosselbohrung 29 verbunden. Zur Abdichtung der Kammer 22 zur Brennraummulde 12 hin sind im Kolbenringträger 11 Dichtringe 19, 20 für den Verstellkörper in Nuten angeordnet. Der Verstellkörper 13 besteht aus Keramikmaterial, das eine hervorragende Wärmedämmung des Bodens der Brennraummulde ergibt. Befestigungsprobleme zwischen Stahlteilen des Kolbens und Keramikmaterial, wie sie sonst bei derartigen Werkstoffpaarung bestehen, sind mit dem keramischen Verstellkörper vermieden.
Brennraumseitig sind im Kolbenringträger 11 innenspannende Kolbenringe 19 und zum Bund 21 des Verstellkörpers 13 hin ein elastischer Dichtring 20 vorgesehen. Die Nuten zur Aufnahme der Dichtringe 19, 20 werden durch Stapeln von L-förmigen Ringen 24, 25, 26 in einer zylindrischen Ausnehmung 27 des Kolbenringträgers 11 gebildet, was die Montage der Dichtringe 19, 20 erleichtert.
Die Ölversorgung der beiden Kammern 22, 23 erfolgt durch eine von der Kühlölspritzdüse 17 unabhängige Düse 28, deren Strahl in einen Fangraum 30 gerichtet ist. Im Verbindungskanal 32 zwischen Fangraum 30 und Kammer 23 befindet sich ein Rückschlagventil 31. Ferner ist ein den Druck in der Kammer 23 absicherndes Überdruckventil 33, das zum Kurbelraum hin öffnet, im Kolbenunterteil 14 angeordnet.
Auf den Verstellkörper 13 wirken bei OT- und UT- Durchgang des Kolbens Beschleunigungskräfte und die im Brennraum je nach Arbeitstakt gerade herrschenden Gasdrücke ein. Die Richtung der daraus resultierenden Kraft beeinflußt die Druckverhältnisse in der Ölfüllung der Kammern 22, 23 unterschiedlich. Ist die resultierende Kraft zum Brennraum gerichtet wird die Bewegung des Verstellkörpers 13 durch das Öl in der Kammer 22 gedämpft. Der Druckausgleich zwischen Kammer 22 und 23 über die Drosselbohrung 29 erfolgt dabei verzögert, sodaß sich in Kammer 23 ein Unterdruck ergibt. Dadurch wird Öl aus dem Fangraum 30 über das Rückschlagventil 31 in die Kammer 23 nachgespeist. Ist die resultierende Kraft zum Kolbenunterteil gerichtet, erhöht sich der Druck in der Kammer 23, bis der Ansprechdruck für das Überdruckventil 33 überschritten ist. Dadurch strömt Öl in den Kurbelraum aus, so daß sich der Verstellkörper 13 in Richtung Kolbenunterteil verstellt. Daraus resultiert eine momentane Vergrößerung des Brennraumvolumens, die zu der eingangs erwähnten Begrenzung des Spitzendruckes führt.
Nach Umkehr der Richtung der resultierenden Kraft wird der vorhergehende Ölverlust in den Kammern 22, 23 aus dem Fangraum 30 wie oben beschrieben wieder ergänzt, wobei der Verstellkörper 13 in seine Ausgangslage zurückkehrt.

Claims (5)

1. Ölgekühlter Kolben mit einer Brennmulde für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Boden der Brennraummulde von einem wärmedämmenden Verstellkörper gebildet wird, der gegenüber dem Kolbenkörper axial verstellbar ist, und zwischen Verstellkörper und Kolbenkörper zwei ölgefüllte Kammern mit veränderlichem Volumen angeordnet sind, die aus dem Kolbenkühlölsystem mit Öl versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben dreiteilig aus ölgekühltem Kolbenringträger (11), Verstellkörper (13) und Kolbenunterteil (14) zusammengebaut ist, daß der in einer Bohrung (34) des Kolbenringträgers (11) angeordnete Verstellkörper (13) an seiner brennraumabgewandten Seite einen Bund (21) aufweist, der mit einer entsprechenden Ausnehmung im Kolbenringträger (11) zusammenwirkend eine ringförmige Kammer (22) bildet, daß zwischen der brennraumabgewandten Stirnfläche des Verstellkörpers (13) und dem Kolbenunterteil (14) die andere Kammer (23) ausgebildet ist und daß Nuten für Dichtringe (19, 20) des Verstellkörpers (13) in der Bohrung (34) des Kolbenringträgers (11) angeordnet sind.
2. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellkörper (13) scheibenförmig ausgebildet ist und massiv aus Keramikmaterial besteht.
3. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ölversorgung der Kammern (22, 23) eine von der Kühlölspritzdüse (17) unabhängige Düse (28) angeordnet ist, deren Ölstrahl von einem im Kolbenunterteil (14) ausgebildeten zur Kolbenunterseite hin offenen Fangraum (30) aufgenommen wird.
4. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtringe des Verstellkörpers (13) brennraumseitig wenigstens ein innen spannender Kolbenring (19) und bundseitig ein elastischer Dichtring (20) angeordnet ist.
5. Ölgekühlter Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten für die Dichtringe (19, 20) des Verstellkörpers (13) durch Stapeln von Ringen (24, 25, 26) in einer Ausnehmung (27) des Kolbenringträgers (11) gebildet werden.
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