DE3802714A1 - Zweiteiliger kolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiteiligen Kolben für Brennkraft­ maschinen, mit einem Kopfteil aus eisenmetallischem Werkstoff oder einer Aluminium-Legierung, wobei der Schaft in einem Abstand vom Kopf­ teil entfernt angeordnet und mittels eines Anlenkzapfens mit einem Paar von Tragaugen verbunden ist, die unten an vom Kopfteil vorstehenden Stützgliedern angebracht sind; solche Kolben werden insbesondere bei Dieselmotoren eingesetzt.

Bei modernen Dieselmotoren, die sich durch hohe Geschwindigkeit und große Leistung auszeichnen, insbesondere bei turboaufgeladenen Dieselmotoren, werden die Kolben außerordentlich starken thermischen und mechanischen Belastungen unterworfen. Es ist eine übliche und bekannte Praxis, für solche Motoren einstückige Kolben aus Aluminiumlegierung einzusetzen, die mit Verstärkungsteilen insbesondere im oberen Ringbereich und im Bereich der Brennkammer im Kolben versehen sind, so daß diese Bereiche den auftretenden großen Belastungen standhalten können. Allerdings erfüllen einstückige Kolben aus Aluminiumlegierung, selbst wenn sie mit solchen Verstärkungsteilen versehen sind, noch immer nicht die Anforderungen an die Gefügefestig­ keit, die für bestimmte Anwendungsfälle unbedingt erforderlich ist.

Um diese Problemstellung anzugehen, wurde vorgeschlagen, zweistückige Kolben einzusetzen, bei denen die Kopf- und die Schaftabschnitte voneinander unabhängige Teile sind, wobei der Schaft mittels eines geeigneten Anlenkzapfens auf vom Kolbenkopf vorstehenden Tragaugen befestigt ist und das Kopfteil und das Schaftteil sich gegenseitig nicht berühren. Das grundsätzliche Merkmal dieser zweiteiligen Kolben liegt also darin, daß die Funktionen dieser beiden Teile völlig unabhängig voneinander sind: der Ringgürtel, innerhalb dessen die Kolbenringe angeordnet sind, nimmt den Druck auf, der durch die Verbrennungsgase erzeugt wird, während der Schaft als Führung für den Kolben im Zylinder dient und dabei die seitlichen Kräfte abstützt, die durch die Neigung der Pleuel ausgelöst werden. Mit dieser Art von Kolben ist es möglich, den Ringgürtel oder den oberen Abschnitt des Kolbenkopfes aufgrund der reduzierten Pendelbewegungen des Kolbens mit kleinen Toleranzen montieren zu können, was zu einer verbesserten Kolbenringstabilität und dadurch zu einer Verkleinerung des Schmierölverbrauches und des Gas­ durchblasens führt. Daneben führt die Anordnung des Kolbenschaftes im Abstand vom Kolbenkopf zu einer geringeren Temperatur im Bereich des Kolbenschaftes, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, geringere Einbautoleranzen einzusetzen, was schließlich auch zu einer Absenkung des Geräuschniveaus des Kolbens bei Betrieb führt.

Der obere Abschnitt bzw. das Kopfteil von zweistückigen Kolben besteht im allgemeinen aus einem Eisenmetall, das widerstandsfähiger gegen die hohen thermischen und mechanischen Belastungen ist, während der Schaft­ abschnitt des Kolbens üblicherweise als Gußteil oder Schmiedeteil aus Aluminiumlegierung ausgeführt ist. Die Verwendung eines Kopfteiles aus Eisenmetall läßt es zu, die oberste Kolbenringnut, d.h. die Ringnut für den obersten Kompressionsring, ganz nahe beim Kolbenscheitel anzuordnen, was bei üblichen Kolben aus Aluminiumlegierung nicht vorstellbar ist.

Ein wichtiger Gesichtspunkt, der bei solchen Kolben stets zu berücksichtigen ist, ist die effektive Kühlung der obersten Kolbenringnut. Temperaturen die oberhalb annehmbarer Grenzen in diesem Abschnitt des Kolbenkopfes auftreten, führen zu außerordentlich großem und frühzeitigem Verschleiß des Kompressionsrings, zu einer Zersetzung des Schmieröls, zur Anlagerung von Kohlenstoff- oder Verbrennungsrückständen und zu einem Anhaften der Kolbenringe. Bei Motoren, bei denen die Belastungsbedingungen außerordentlich hoch liegen, ist es auch nötig, eine angemessene Kühlung des Kolbenkopf-Mittelbereiches durch Einrichtungen sicherzustellen, die das Kühlmedium auf diesen Teil des Kolbens hinlenken.

Eine übliche Lösung zur Ausbildung dieser Kühlung besteht darin, eine geeignete Rinne oder Mulde oben auf dem Kolbenschaft in der Nähe des unteren Abschnitts des Kopfteiles und eine Ausnehmung auf dem Kopfteil zwischen dessen Mittelabschnitt und dem Ringgürtel vorzusehen und zwar derart, daß die Rinne oder Mulde und die Ausnehmung gemeinsam eine halb-offene Kammer für die Zirkulation von Kühlflüssigkeit ausbilden, wobei die Kühlflüssigkeit dieser Kammer mittels eines Ölstrahls zugeführt wird. Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens sorgt dafür, daß das Öl in dieser Kammer eine sogenannte "Cocktail-Shaker"-Bewegung ausführt, wodurch es einen Teil der Hitze des oberen Kolbenabschnitts abführt und dadurch die Temperatur dieses Abschnitts absenkt. Das aufgeheizte Öl verläßt die Kühlkammer durch eine oder mehrere Öffnung(en), die an geeigneten Stellen an dieser angebracht ist/sind, und zwar zur selben Zeit, zu der neues Öl in die Kammer eingeführt wird, wodurch eine kontinuierliche Zirkulation des Kühlmittels sichergestellt ist.

Obwohl dieser Kolbenaufbau verschiedene Betriebsanforderungen erfüllt, weist er dennoch auch einige Nachteile auf. Als erstes ist hier zu erwähnen, daß die Wände des aus Eisenmetall bestehenden Kopfteiles relativ dünn ausgeführt werden, um das Kolbengewicht so gering wie möglich zu halten, wobei das Einbringen einer Nut oder einer Einbuchtung zwischen dem zentralen Mittelabschnitt des Kopfteils und dessen Ringgürtel eine Verschlechterung der Gefügefestigkeit des Kopf­ teiles bewirkt, was unter bestimmten Umständen zu einer Beschädigung oder gar einem Ausfall dieses Teiles des Kolbens führen kann. Zum zweiten macht die Anordnung einer Rinne auf dem oberen Schaftabschnitt dessen Herstellung kompliziert und teuer. Zusätzlich kommt es durch den halboffenen Kühlkanal zu einem großen Verlust an Kühlflüssigkeit, wodurch die Wirksamkeit des Kühlsystems zum Teil verringert wird.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß unter weitgehender Vermeidung der aufgezeigten Nachteile eine deutliche Verbesserung der Kühlung innerhalb des Kolbenkopfes erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem zweiteiligen Kolben der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Kopfteil nicht mehr mit einem im Querschnitt halb offenen, sondern vielmehr geschlossenen, ringförmig umlaufenden Kühlkanal versehen ist, der im Bereich zwischen Ringgürtel und im Kolbenkopf ausgebildetem Brennraum vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer im Querschnitt geschlossenen ring­ förmigen Kammer führt zu einer wesentlichen Verstärkung des Kolben­ kopfes, indem sie diesem eine größere Geschlossenheit und eine erhöhte strukturelle Festigkeit verleiht. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kolbenausbildung liegt auch darin, daß das Kühlöl in dem geschlossenen Kanal für eine längere Zeit zurückgehalten wird als bei einem halboffenen Kanal, wodurch selbst bei einer geringeren Ölmenge eine wirksamere Kühlung der kritischen Bereiche des Kopfteils des Kolbens, nämlich des Bereichs des Ringgürtels und des Verbrennungsraums, erzielbar ist. Darüberhinaus macht es der geschlossene Kühlkanal auch noch möglich, die Wanddicke zwischen Kühl­ kanal und Verbrennungsraum ohne Beeinträchtigung der Festigkeit des Kopfteiles verringern zu können. Auf diese Weise kann die Gewichtszunahme aufgrund der geschlossenen Ausbildung des Kühlkanales durch die Wanddickenverringerung und zusätzlich das Weglassen der Ölrinne auf dem Kolbenschaft sowie die Verkleinerung dessen Höhe noch ausgeglichen werden. Demgemäß ist das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Kolbens gleich oder vielleicht sogar noch geringer als das Gewicht eines üblichen Kolbens. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbens ist auch darin zu sehen, daß der er­ findungsgemäße Kolbenaufbau die Kolbenbearbeitung erleichtert, insbesondere die Ausbildung bzw. Bearbeitung der Kolbenring-Nuten, wobei auch das Erreichen einer guten Umlauf-Oberflächenqualität im Sinne des Vermeidens einer unerwünschten Welligkeit begünstigt wird.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Kolben das Kopfteil entweder als ein durch Präzisionsguß, Sandformguß oder Schalenguß hergestelltes Stahlteil oder, gleichermaßen vorzugsweise, ein auf demselben Weg hergestelltes Sphäroguß- oder Temperguß-Teil ausgeführt; für manche Einsatzfälle wird es auch empfehlenswert sein, das Kopfteil als ein durch Standguß oder Druckguß hergestelltes Teil aus Aluminium-Legierung auszubilden. Der Kolbenschaft wird bevorzugt aus Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung, ganz besonders bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, durch Guß oder durch Schmieden erstellt.

ln einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens wird der Querschnitt des Kühlkanales im Kopfteil bis über die Lage der obersten Kolbenringnut hinaus und/oder mindestens bis zur Lage der untersten Kolbenringnut hinunter ausgeführt, wodurch sich eine ganz besonders wirkungsvolle Kühlung gerade in diesem kritischen Bereich erzielen läßt.

Weiter bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Kolben der Kühlkanal mit einer Einlaßöffnung, der eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kühlöl in geeigneter Weise zugeordnet ist, sowie mit einer oder mehreren geeignet angebrachten Auslaßöffnung(en) versehen, um einen ungestörten kontinuierlichen Kühlölkreislauf sicherzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen (etwas schematisierten) Längsschnitt durch den oberen Teil, d.h. den Kopfteil eines erfindungsgemäßen Kolbens, der mit einem im Querschnitt geschlossenen Kühlkanal und mit einem Paar vorstehenden Stützgliedern versehen ist, welche Tragaugen für einen Anlenkzapfen haltern, sowie

Fig. 2 einen (ebenfalls etwas schematisierten) Längsschnitt durch eine vollständige Baueinheit eines erfindungsgemäßen Kolbens (die Darstellung nach Fig. 2 ist gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 um 90° gedreht gezeigt).

Fig. 1 zeigt einen zweiteiligen Kolben mit einem Kopfteil 1, das mit Ringnuten 3.1, 3.2 und 3.3 innerhalb eines Ringgürtels 3 versehen ist, ferner einen zentral vorgesehenen Brennraum 4 trägt und einen ringförmig geschlossenen Kühlkanal 5 in der Nähe des Ringgürtels aufweist. Vom Kopfteil 1 ragen als integraler Bestandteil desselben zwei Stützglieder 6 vor, die Tragaugen 7 für die Aufnahme eines Anlenkzapfens 9 (Fig. 2) haltern. Die Tragaugen 7 können dabei mit Buchsen 8 zur Verstärkung dieses sehr hohen Belastungen ausgesetzten Abschnittes versehen sein.

Fig. 2 zeigt einen vollständigen Kolben, wobei die Darstellung um 90° gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 gedreht ist. Der in Fig. 2 dargestellte Kolben weist ein Kopfteil 1 (entsprechend dem aus Fig. 1) und einen Schaft 2 auf, der an den Tragaugen 7 mittels eines Anlenk­ zapfens 9 befestigt ist. Der Kolbenschaft 2 ist mit einer Höhe ausgeführt, die der minimalen Höhe entspricht, die für den Kolbenschaft 2 erforderlich ist, um diesen noch als Kolbenführung im Motorzylinder verwenden zu können. Diese Reduzierung der Kolbenhöhe ist möglich, weil keine der üblicherweise verwendeten Rinnen vorgesehen ist, was gleichzeitig auch noch eine Verringerung des Gewichtes des Kolbenschaftes 2 bringt. Darüberhinaus entfällt durch den Wegfall einer Ölrinne oben am Kolbenschaft auch noch das Erfordernis einer Befestigung des Kolbenschaftes 2 in unmittelbarer Nähe des unteren Abschnitts des Kopfteiles, weshalb der Kolbenschaft 2 weiter vom Kopfteil 1 entfernt befestigt werden kann, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Dies in Verbindung mit dem Fehlen heißen Öles oben auf dem Schaft 2 führt zu einer merklich geringeren Temperatur des Kolbenschaftes 2, was die Verwendung geringerer Einbautoleranzen zuläßt und dadurch auch eine Absenkung des Geräuschniveaus des Kolbens im Betrieb ergibt. Ein weiterer vorteilhafter Effekt muß auch noch in der Vereinfachung des Kolbenaufbaus gesehen werden, der durch die Erfindung erreicht wird und ganz merklich die Herstellungskosten für den Kolben senkt.

Das Kühlöl gelangt in den Kühlkanal 5 durch eine an diesem angebrachte (in den Figuren nicht gezeigte) Einlaßöffnung und wird mittels einer (ebenfalls nicht in den Figuren dargestellten) Einspritzdüse in bekannter Weise zugeführt. Das Öl verläßt den Kühlkanal 5 über eine oder mehrere (nicht gezeigte) Öffnung(en) an geeignet gewählten Stellen des Kanales 5.

Das Kolben-Kopfteil 1 wird im allgemeinen aus einem Eisenmetall, wie z.B. Stahl, oder als Sphärogußteil oder Tempergußteil ausgeführt, die durch Präzisionsguß, Sandformguß oder Schalenguß hergestellt werden können. Für das Kopfteil 1 kann aber auch eine geeignete Aluminiumlegierung über ein Standguß- oder Druckguß-Herstellungsver­ fahren eingesetzt werden. Der Kolbenschaft 2 besteht aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und kann durch Guß oder Schmieden erzeugt werden.

Die Formgebung des Kühlkanales 5, wie sie in den Figuren dargestellt ist, stellt nur ein Beispiel und damit nur eine vieler möglicher Ausbildungen des Kühlkanales dar. Es versteht sich von selbst, daß in Abhängigkeit von speziellen Vorgaben oder unterschiedlichen Kolbengestaltungen der Kühl­ kanal 5 auch jede andere geeignete Formgebung aufweisen kann, um sich einer vorgegebenen Kolbenform in besonders günstiger Weise anzupassen.

Claims (6)

1. Zweiteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, mit einem Kopfteil aus Eisenmetall oder einer Aluminium-Legierung und mit einem Kolbenschaft, der in einem Abstand vom Kopfteil entfernt angeordnet und mittels eines Anlenkzapfens mit einem Paar von Tragaugen verbunden ist, die unten an vom Kopfteil vorstehenden Stützgliedern angebracht sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kopfteil (1) mit einem im Querschnitt geschlossenen ringförmig umlaufenden Kühlkanal (5) im Bereich zwischen Ringgürtel und Brennraum (4) des Kolbens versehen ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (1) als ein durch Präzisionsguß, Sandformguß oder Schalenguß hergestelltes Stahlteil ausgeführt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (1) als ein durch Präzisionsguß, Sandformguß oder Schalenguß hergestelltes Sphäroguß- oder Temperguß-Teil ausgeführt ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (1) als ein durch Standguß oder Druckguß hergestelltes Aluminiumlegierungs­ teil ausgeführt ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Kühlkanales (5) im Kopfteil (1) bis über die Lage der obersten Kolbenringnut (3.1) hinaus und bis mindestens zur Lage der untersten Kolbenringnut (3.3) hinunter erstreckt.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (5) mit einer Einlaßöffnung und einer dieser zugeordneten Einspritzdüse zum Einspritzen von Kühlöl sowie mit einer oder mehreren geeignet angebrachten Auslaßöffnung(en) für das Kühlöl versehen ist.