DE3707462C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/0015—Multi-part pistons
- F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/16—Pistons having cooling means
- F02F3/20—Pistons having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
- F02F3/22—Pistons having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
- F02F3/225—Pistons having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid the liquid being directed into blind holes
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Description
Die Erfindung betrifft einen ölgekühlten, mehrteiligen
Tauchkolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Kolben ist aus der DE-OS 35 02 644 bekannt. Bei
diesem wird Kühlöl über Bohrungen in der Kurbelwelle, eine die
Pleuelstange in Längsrichtung durchdringende Ölzufuhrbohrung und
eine zentrisch in einem Vorsprung des Kolbenunterteils
verlaufende Kühlöldurchtrittsbohrung in einen inneren Kühlraum
gepumpt, wo es zunächst gegen die in ihrer Mitte eine Erhebung
aufweisende Unterseite des Kolbenbodens spritzt und sich dann
entlang der gewölbten Kolbenbodeninnenseite nach außen verteilt.
Dabei kann sich keine geschlossene Strömung ausbilden, denn das
im unteren Ringraum des inneren Kühlraumes gesammelte Kühlöl
wird durch die Shakerwirkung des auf- und abgehenden Kolbens
gegen die Unterseite des Kolbenbodens geschleudert und überlagert
sich der nach außen gerichteten Verteilung. Ein Teil des Öls wird
durch die Shakerwirkung über die schräg nach außen gerichteten
Öldurchtrittsbohrungen und an diese anschließende
Sacklochbohrungen in den äußeren Kolbenkühlraum geführt, bevor es
über Ablaufbohrungen im Inneren des Kolbenunterteils zum
Triebwerksraum zurückgelangt. Eine reine Shakerkühlung hat den
Nachteil, bezüglich ihrer Wirkung von der Drehzahl des Motors
abhängig zu sein. Insbesondere bei gedrückter Drehzahl im
Vollastbetrieb ist diese nicht befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Kolben derart weiterzubilden, daß unabhängig von der Drehzahl
eine verbesserte Kühlwirkung erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch Anwendung der Merkmale im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei Anwendung dieser Merkmale
entsteht - unabhängig von der jeweiligen Drehzahl, abhängig
allein vom Druck der Kühlölpumpe - eine erzwungene turbulente
Grenzschichtströmung an der Kolbenbodenunterseite, die eine
Vergrößerung der Wärmeübergangszahl α und somit der abgeführten
Wärmemenge bewirkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen enthalten.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Details aus der
Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines weiteren
Details aus Fig. 1;
Fig. 4 eine Variante eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Längsschnitt.
Der in Fig. 1 dargestellte Tauchkolben einer
Hubkolbenbrennkraftmaschine setzt sich aus einem Kolbenoberteil 1
und einem Kolbenunterteil 2 zusammen.
Das Kolbenunterteil 2 steht in bekannter und daher nicht
dargestellter Weise über einen Kolbenbolzen mit einer Pleuelstange
in Verbindung, die an ihrem anderen Ende mit einer Kurbelwelle
verbunden ist.
Das Kolbenoberteil 1 setzt sich aus einem Kolbenboden 5 und einer
Seitenwand 6 zusammen, wobei letztere mit ihrem oberen Teil einen
Feuersteg 7 bildet und in ihrem unteren Teil Ringnuten 8 zur
Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenringpaketes aufweist. Der
Kolbenboden 5 ist in der Mitte zum Brennraum 9 hin aufgewölbt,
daran nach außen anschließend durch eine ringförmige Mulde 10
vertieft und zur Außenkante 11 hin mit einem hochgezogenen Rand
12 versehen. An seiner dem Brennraum 9 abgewandten Innenseite
weist der Kolbenboden 5 unter der Mulde 10 eine hülsenförmige
Tragwand 13 auf, die am Umfang verteilt von mehreren schräg nach
außen ansteigenden Öldurchlaßbohrungen 14 durchbrochen ist. Die
im wesentlichen der Kontur der Außenseite folgende Innenseite des
Kolbenbodens 5 weist in ihrem Mittelbereich in Abweichung von der
hier insgesamt nach oben gerichteten Wölbung eine nach unten
gerichtete Erhöhung 15 auf. Von dem zwischen Tragwand 13 und
Seitenwand 7 befindlichen Ringraum 16 ausgehend sind in den Rand
12 des Kolbenbodens 5 am Umfang verteilt mehrere schräg nach
außen geneigte Sacklochbohrungen 17 eingebracht.
Das Kolbenoberteil 1 stützt sich mit der Unterseite der Tragwand
7 auf der Oberseite einer hülsenförmigen Tragrippe 18 am
Kolbenunterteil 2 ab. Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2 sind
im Bereich dieser Abstützflächen durch mehrere von unten her in
Sacklochgewinde im Oberteil eingeschraubte Schrauben verbunden,
die in der gewählten Schnittlage nicht dargestellt sind.
Das Kolbenunterteil 2 weist in der Mitte seiner Oberseite einen
Vorsprung 19 auf, der zentrisch zur Kolbenlängsachse von einer
zentralen Ölzufuhrleitung 20 durchbrochen ist. Diese steht an
ihrer Unterseite mit einem in der Pleuelstange verlaufenden
Ölzufuhrkanal in Verbindung. Die Oberseite des
Kolbenunterteils 2 weist ausgehend von der sich gekrümmt nach
unten erweiternden Außenwand des Vorsprungs 19 eine ringförmige
Mulde 22 auf, die nach außen hin in die gekrümmte Innenwand der
Tragrippe 18 übergeht.
Die Außenwand des Vorsprungs 19, die Mulde 22, die Innenwand der
Tragrippe 18 und die Innenseite der Tragwand 13 begrenzen
gemeinsam mit der Kolbenbodeninnenseite 23 einen zentralen
Kühlraum 24. Dieser steht über die schräg nach außen ansteigenden
Öldurchlaßbohrungen 14 mit einem im Querschnitt kreisringförmigen
äußeren Kühlraum 25 in Verbindung, der vom Ringraum 16 und den
Sacklochbohrungen 17 gebildet wird. Vom äußeren Kühlraum 25 führen
mehrere, das Kolbenunterteil 2 durchdringende Ölablaufbohrungen 26
zur dem Kolbengehäuse zugewandten Unterseite des Kolbenunterteils
2.
Wie Fig. 2 zeigt, folgt ein oberhalb der Austrittsöffnung 27 der
Ölzufuhrleitung 20 liegender Teil 28 der Kontur der
Kolbenbodeninnenseite 23 der Funktion
wobei mit d der Durchmesser der Austrittsöffnung 27 bezeichnet
ist. Zur Erläuterung der vorstehenden Funktion wird hilfsweise
eine Ebene E₂ benötigt, die in einem Abstand y, der das 0,15 bis
0,20fache des Durchmessers d beträgt, parallel über der senkrecht
zur Kolbenlängsachse verlaufenden Ebene E₁ der Austrittsöffnung 27
liegt. In dieser Ebene E₂ werden alle Randpunkte der
Austrittsöffnung 27 senkrecht hochprojeziert und bilden dort eine
der Austrittsöffnung 27 kongruente Kreisbahn. Von den durch diese
Projektion entstandenen Punkten P ist exemplarisch nur ein
einziger in der Fig. 2 dargestellt.
Von diesem Punkt P aus wird der Teil 28 der Kontur der gegebenen
Funktion folgend durch ein Bündel von Geraden 29 erzeugt. Die
abhängige Variable s in der Funktion gibt dabei die Länge dieser
Geraden 29 in Abhängigkeit vom Winkel β an, den diese Geraden
29 mit der Ebene E₂ einschließen.
Die Funktion ist dabei begrenzt auf einen Winkelbereich von β,
der theoretisch von 0° bis 90° reicht. In der Praxis muß die
Spitze der Erhebung 15 mit einer dem Fertigungsverfahren
entsprechenden Abrundung versehen werden. Als Folge dieser
Abrundung wird der gültige Bereich des Winkels β auf etwa 3°
bis 90° beschränkt.
Durch die Wahl des Abstandes y in Verbindung mit der Gestaltung
der Kontur wird dem durch die Ölzufuhrleitung 20 austretenden, von
einer Ölpumpe mit konstantem Druck geförderten Ölstrom eine
derartige Richtung und Geschwindigkeit erteilt, daß sich an der
Berührungsfläche mit der Kolbenbodeninnenseite 23 eine erzwungene
turbulente Grenzschichtströmung einstellt. Der daraus
resultierende verbesserte Wärmeübergangskoeffizient α bewirkt
gegenüber einem auf herkömmliche Art allein durch Shakerwirkung
gekühlten Kolben bei gleicher Ölmenge eine beträchtliche
Temperaturreduzierung am Kolbenboden. Die Erfindung ist insoweit
auch bei einem Kolben vorteilhaft einsetzbar, der nur über einen
zentralen Kühlraum verfügt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht - wie in Fig.
3 dargestellt - vor, daß bei einem vorstehend beschriebenen
Kolben mit einem zusätzlichen äußeren Kühlraum 25 am unteren Teil
der dem zentralen Kühlraum 24 zugewandten Eintrittskante der
Öldurchlaßbohrungen 14 wulstartige Vorsprünge 30 angeordnet sind.
Durch diese wird die Geschwindigkeit des an der
Kolbenbodeninnenseite 23 über die Innenseite der Tragwand 13
entlangstreichenden Ölstromes erhöht. Gemäß der
Tragflügeltheorie entsteht dadurch an der Tragwand 13 zugewandten
Innenseite des Ölstromes ein Unterdruck, der einen Teil desselben
in die Öldurchlaßbohrungen 14 hineinzieht. Dadurch wird auch die
Kühlwirkung in dem über den äußeren Kühlraum 25 liegenden Rand 12
des Kolbenbodens 5 verbessert, wobei dies ebenfalls weitestgehend
unabhängig von der von der Kolbengeschwindigkeit abhängigen
Shakerwirkungen geschieht.
Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung. Dabei wird die zentrale Ölzufuhrleitung 20 von einer
in das Kolbenunterteil 2 eingesetzten röhrenförmigen Hülse 31
gebildet, wodurch die Herstellung des Kolbenunterteils selbst
vereinfacht wird.
Claims (3)
1. Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben mit einem zentralen,
brennraumseitig von der Kolbenbodeninnenseite begrenzten
Kühlraum, in den eine zentrale Ölzufuhrleitung hineinragt,
gegenüber deren kreisförmiger Austrittsöffnung an der
Kolbenbodeninnenseite eine der Ölverteilung dienende Erhebung
mit abgerundeter Spitze angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der über der Austrittsöffnung (27)
liegende Teil (28) der Kontur der Kolbenbodeninnenseite (23)
von der Mitte nach außen eine Krümmung aufweist, die der
Funktion
folgt, wobei mit d der Durchmesser der Austrittsöffnung (27)
bezeichnet ist und mit β der in einem Bereich von 3° bis 90°
veränderliche Winkel, den alle von einem Punkt P, der durch
senkrechte Projektion eines beliebigen Randpunktes der
Austrittsöffnung (27) auf eine parallel zu dieser in einem
Abstand y = (0,15 . . . 0,20) · d befindliche Ebene E₂ erzeugt
wird, ausgehenden Geraden (29) der Länge s mit dieser Ebene
einschließen.
2. Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der in den
zentralen Kühlraum (24) hineinragenden Ölzufuhrleitung (20)
von einer ins Kolbenunterteil (2) eingesetzten Hülse (31)
gebildet wird.
3. Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2,
der zusätzlich zum zentralen Kühlraum (24) über einen
äußeren, im Querschnitt kreisringförmigen Kühlraum (25)
verfügt, der mit diesem über Öldurchlaßbohrungen (14) in
Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren,
dem zentralen Kühlraum (24) zugewandten Eintrittskante der
Öldurchlaßbohrungen (14) wulstartige Vorsprünge (30) angeordnet
sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MAN B & W DIESEL AG, 8900 AUGSBURG, DE |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MAN DIESEL SE, 86153 AUGSBURG, DE |