DE6801827U - Anordnung zum kuehlen von kolbenbolzenlagern - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

PROF. DR. DR. J. RE1TSTÖTTER DR.-ING. WOLFRAM BUNTE

D — ΘΟ00 MÖNCHEN 15. HAYDN8TRASSE B. FERNRUF (OBU) BS 47 12

Gbm-Anmeldung G 68 Ol 827.9-7302 München, 16. Januar 1969 McCulloch Corp. M/9410 Lo

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Anordnung zum Kühlen
von Kolbenbolzenlagern

Die Neuerung bezieht sich auf eine Anordnung zum Kühlen von Kolbenbolzenlagern in Brennkraftmaschinen, die einen in Ihrem Zylinder hin- und hergehend angeordneten Kolben, eine Pleuelstange und eine Drehverbindung zwischen Pleuelstange und Kolben aufweisen.

Bei Brennkraftkolbenmaschinen ist eine Pleuelstange mit einem hin- und hergehenden Kolben häufig durch eine Drehverbindung, auch Kolben*olzenverbindung genannt, verbunden. Derartige Kolbenbolzenverbindungen wurden bereits z.B. in den USA-Patentschriften 3 257 597 (Sheaffer) und 3 257 993 (Brooks) beschrieben. Bsi den Kolben-Zylinder-Konstruktionen gemäß diesen Patentschriften str" .t eine brennbare, im allgemeinen gasförmige Ladung, dia ein Schmiermittel enthält, vom Innern des Kurbelgehäuses um gewisse Teile des Kolbens herum und durcn Bohrungen in der Zylinderwand hindurcn in den Verbrennungsraum des LIv 1 i nder:;.

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i Trotz dieser Maßnahme wurde gefunden, daß die Kolbenbolzenver- j bindung bei Brennkraftkolbenmaschinen infolge überhitzung der | die Kolbenbolzen mit den Kolben verbindenden Lager störanfällig sind, was einen erheblichen Nachteil darstellt.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und eine gekühlte Drehverbindung zwischen dem Kolben und de ρ Pleuelstange zu scharfen, um die Lebensdauer einer derartigen Drehverbindung zu verlängern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt neuerung3gemäß durch einen Kolbenbolzen, der einen sich durch die Drehverbindung hindurch erstreckenden Durchgang umgrenzt, Mittel zum Hervorrufen eines Kühlmittelstromes durch diesen Durchgang der Drehverbindung, sowie Mittel zum Zuführen dieses die Drehverbindung durchströmenden Kühlmediums, wöbe- der Durchgang ein Kolbenbolzennadellager hält, das von einem äußeren zylindrischen Seitenwandteil des Kolbenj her gesehen in radialem Abstand nach innen versetzt ist und dessen axiales Ende, das dem zylindrischen Seitenwandteil gegenüberliegt, kontinuierlich und im wesentlichen ganz der Strömung des Brennstoffs ausgesetzt ist.

Infolge der Benützung einer gasförmigen, ein Schmiermittel enthaltenden Ladung brennbaren Materials als Kühlmedium und der Tatsache, daß letzteres zuletzt in den Verbrennungsraum

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eingeleitet wird, kommt zum Vorteil der Kolbenbolzenkühlung noch eine erhöhte Strömung der gasförmigen Ladung zum Ve^- brennungsi ium hinzu, was eine Leistungssteigerung des Motors mit sich bringt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3.

Nachstehend sind verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Neuerung mit Bezug auf die schematische Zeichnung beispielsweise näher erläutert;

es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer an sich bekannten Zweitakt-Brennkraftmaschine im Längsschnitt, wobei die Maschine zo abgewandelt ist, daß die Brennladung durch das hohle Innere eines Kolbenbolzens zum Verbrennungsraum strömt;

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Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt des Kolbens und Zylin
'ers der Maschine nach der Linie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht der Maschine gemäß Fig 1 im Längsschnitt nach der gestuften Linie 3-3 von Fig. 2;

eine Seitenansicht einer abgewandelten \.usführungs
form der Maschine gemäß Fig. 1 im Schnitt, in der
gleichen Richtung wie Fig. 2 gesehen.

Fig 1 zeigt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine ¹, die ein übliches Gehäuse 2 mit Kühlrippen 3 aufweist. Außerdem besitzt das Gehäuse 2 ein Kurbelgehäu eteil h und ein den Zylinder bildendes Teil 5· Der Zylinder 5 Kann mit einer üblichen Zylinderbuchse 6 ausgekleidet sein. Ein nicht gezeigter Vergaser liefert durch eine Zweigleitung 7 des Gehäuses gasförmigen Brennstoff in das Innere 8 des Kurbelgehäuses unter dem Zylinder 5· Wie dargestellt, besitzt der Zylinder 5 ein offenes unteres
Ende 9» das mit dem Innern 8 des Kurbelgehäuses in Verbindung
steht.

Die durch die Zweigleitung 7 eintretende brennbare Laaung ist
gewöhnlich ein Gemisch aus Luft, Benzin und einem Schmiermittel, via Öl. Das Öl und das Gas werden durch den Luftanteil der Ladung dispergiert und befördert. Ein herkömmlicher Plattenventil mechanismus 1o dient als Rückschlagventil, das die Brennladung ins Kurbelgehäuseinnere 8 hineinläßt, .-jedoch eine Rückströmung derselben in die Zweigleitung 7 verhindert.

Das Iiint 'e 8 des Kurbelgehäuses bildet eine geschlossene Kammer, deren einziger Auslaß mit einem Verbrennungsraum 11 des Zylinders 5 in Verbindung stehende Brennstoffeinlasse umfaßt.

Eine herkömmlich Zündkerze 12 dient zum Zünden der Brennladung im Verbrennungsraum 11,, Ein Kolben 13 ist in der Zylinderbüchse 6 hin- und hergehend angeordnet. Eine Pleuelstange "\h ist an dem, dem Verbrennungsraum 11 abgekehrten Ende des Kolbens 13 mittels einer Drehverbindung 15 schwenkbar befestigt. Die Drehachse der Verbindung 15 verläuft senkrecht zur Richtung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 13 und fluchtet im allgemeinen mit einer Mittelebene des Zylinders 5· Das entere Ende der Pleuelstange 14 ist mittels einer Drehverbindung 16 an einer herkömmlichen Kurbelwelle 17 angebracht«

Die Drehverbindung i6 kann einen ringförmigen Satz von Nadellagern aufweisen, wie in Fig« 1 dargestellt.

Der verbrannte Brennstoff wird aus dem Verbrennungsraum 11 durch eine sich durch die Wand des Zylinders 5 erstreckende Auslaßöffnung 18 abgeführt, wie aus Fig 1 und 3 ersichtlich. Der Brennstoff tritt in den Verbrennungsraum 11 durch Einlasse 19 und 2o ein, die an diametral entgegengesetzten Seiten des Zylinders 5 angeordnet sein können (Fig. 1 und 3)»

Die Maschine 1 arbeitet auf die herkömmliche Art einer platten-

ventilgesteuerten Zwreitakt-Brennkratmaschine, Während eines Aufwärtshubes des Kolbens 13 (Figo 1) entsteht daher Unterdruck oder Vakuum im Innern 8 des Kurbelgehäuses, wodurch sich das Plattenventil 1o öffnet und eine Menge eines gasförmigen Brennstoffgemisches in das Gehäuseinnere 8 einläßt. Nachdem sich der Kolben 13 über den Brennstoffeinlaß des Zylinders 5 und den Auslaß für die verbrannte Ladung hinaus nach oben bewegt hat, wird der vorher durch die Einlasse 19 und 2o in den Verbrennungsraum 11 eingetretene Brennstoff verdichtet. Wenn der Kolben 13 das obere Ende des Verbrennungsraumes 11 erreicht, zündet die Zündkerze 12 die verdichtete Brennstoffladung. Der durch die brennende Ladung erzeugte Druck läßt den Kolben 13 sich nach unten bewegen und versetzt die Kurbelwelle 17 über die Pleuelstange Ik in Drehung. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß der in Fig. 1 gezeigte Teil der Pleuelstange 14 einen Abschnitt besitzt, der von der Drehachse der Kurbelwelle radial desaxiert ist.

Wenn sich der Kolben 13 nach unten bewegt und dabei die Auslaßöffnung 18 freigibt, kann die verbrannte Brennladung durch letztere aus dem Verbrennungsraum 11 austreten. Anschließend an die Zeitspanne, in der die Auslaßöffnung unbedeckt ist, werden die Brennstoffeinlässe 19, 2o geöffnet.

Die Abwärtsbewegung des Kolbens 13 dient dazu, die Frischladung von brennbarem Material, die ins Kurbelgehäuseinnere 8

eingezogen wird, unter Druck zu setzen, da das untere Ende des Kolbens 13 in unmittelbarer Verbindung mit dem geschlossenen Innenraum 8 steht. Die verdichtete Brennstoff-Frischladung im Innenraum 8 strömt durch die Einlasse 19» 2o während des Abwärtshubes des Kolbens 13» nachdem dieselben freigelegt worden sind«, Die in den Raum 11 eintretende Brennladung dient dazu, das restliche Entfernen der vorher verbrannten Ladung zu erleichtern.

Die Auslaßöffnung 18 wird gewöhnlich vor dem Öffnen der Brennstoff einlasse freigelegt, so daß der Druck im Verbrennungsraum 11 ausreichend vermindert wird, um den Eintritt der Brennstoff-Frischladung in den Verbrennungsraum zu ermöglichen.

Aus Fig. 1, 2 und 3 sind bauliche Einzelheiten der mtomatisch

' gekühlten Kolbenbolzenverbindung 15 ersichtlich.

Die Verbindung 15 besitzt einen hohlen, rohrförmigen Verbindungs- oder Kolbenbolzen 21, der zylindrisch ausgebildet ist und einen hohlen Mitteldurchgang 22 mit offenen Enden 23, 2k aufweist, welch letzterer von einer zylindrischen Wand begrenzt wird. Von der Unterfläche des Kolbens erstreckt sich ein Paar Ansätze 26, 27 nach unte/n, deren Öffnungen 28, 29 mit der Achse des Kolbenbolzens 21, der die Drehachse cer Verbindung bildet, koaxial ausgerichtet sind.

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Ein Ende des rohrförmigen Kolbenbolzens 2 1 ist durch ein herkömmliches, ringförmiges Nadellager 3o innerhalb der öffnung 28 befestigt, während das andere Ende demselben mittels ei.ies weiteren ringförmigen Nadellagers 31 in der Öffnung 29 drehbar angebracht ist. Die Nadellager Jo und 31 können in die Öffnungen bzw. 29 eingepreßt werden und herköjimliche Nadellager darstellen, wobei die Nadelenden an jedem entgegengesetzten axialen Lagerende zum Innern des Innenraumes 8 hin gerichtet sind«

Der rohrförmige Kolbenbolzen 21 sitzt verschiebbar in einer Öffnung 32 am oberen Ende der Pleuelstange 1h. Letztere ist im Raum 33 angeordnet, der sich axial zwischen den Öffuungen 28 und 29 erstreckt. Der rohrförmige Kolbenbolzen 2 1 ist in Paßsitz in die Öffnung 32 eingepreßt, so daß er im wesentlichen starr mit der Pleuelstange 14 verbunden ist»

Der Kolben 13 weist eine nicht druchbrochene Seitenwand 3^ auf, die sich von einer von der Öffnung 28 radial nach außen liegenden Stelle aus bis in die Na^-1Ie der radial gegenüberliegenden Öffnung 29 erstreckt. Die zylindrische ¥and 3k besitzt eine Ausnehmung oder Öffnung 35» die in radialer Richtung nahe bei der den Kolbeiibolzen aufnehmenden Öffnung*» 29 liegt. ?iese Ausneh- InUn₁ wird von einer kontinuierlichen Wand 36 begrenzt, die den Bef itigungsansatz 27 umgibt und von diesem im allgemeinen radial nach außtη absteht. Auf diese Weise bildet die Wand 36 eine umschlossene Ausnehmung 35, die mit dem Mitteldurchgang 22

sowie dem radial äußersten Umfangsrand des Kolbens 13 in Verbindung steht.

Der Zylinder 5 besitzt eine Ausnehmung 37» die sich im allgemeinen vom Verbrennungsraum 11 radial nach außen erstreckt. Die Ausnehmung 37 kann durch eine getrennte, abgesetzte Platte 38 vorgesehen werden, die an den Zylinderkörper angeschweißt wird, wobei die Ausnehmung 37 die Zylinderöffnung 39 einnimmt und verschließt.

Fig. h zeigt nine abgewandelte Ausfünrungsform der Neuerung,, die derjenigen von Fig. 2 entspricht, mit der Ausnahme, daß di·: Wand 30 derart verändert ist, daß eine niedrigere, mit dein Innenraum ό des Kurbelgehäuses in Verbindung stehende Öffnung entsteht. Auf diese Weise umgrenzt die geänderte Wand 36' (Fifijs h) eine Kolbenausnehmung, die oben und seitlich geschlossen, an ^i-hrem unteren Ende jedoch offen ist und so einen Durchgang· ko bildet, der· zwischen dem Nadellager 31 und dem radial anliegenden Wanuteil 41 des Zylinders 5 verläuft.

Bei jedem der in ''Ig, 2 und k gezeigten Ausführungsformen befindet sich die Zylinderwandausnehmung 37 im allgemeinen in radialer Fluchtung mi L einer längs des Zylinders 5 verlaufenden Mit Ce I ebene, welche mit der Mitte oder der Drehachse des rohrförmigen Ko 1 b'-iibo ! zens 2 1 und de¹" Ans laße f fnung Iu koaxial ist;

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ebenso ist bei diesen Ausführungsbeispielen lie Ausnehmung 37 in etwa gleicher Höhe mit den Einlassen )9i 2o angeordnet.

Beim Abwärtshub des Kolbens 13 der Ausführung«form gemäß Fig. 2, während die Kolbenausnehmung 35 mit der Zylinderausnehmung 37 fluchtet und letztere mit dem Verbrennungsraum 11 ±λ Verbindung steht, strömt der Brennstoff vom Kurbelgehäuse-Innenraum 8 durch die herkömmlicher' Einlasse 19» 2o in d^n Verbrennungsraum 11. Zusätzlich tritt Brennstoff durch aen KoIjenbolzendurchgang 22 sowie dessen von den zumindest teilweise fluchtenden Ausnehmungen 351 37 gebildete Verlängerung in den Raum 11 ein. Dieser Strom von frischem Brennstoff ist verhältnismäßig kalt und dient beim Durchlaufen des Durchgangs 22 zum Kühlen der Kolbenbolzen-Nadellager 3o und 3'*·

Zusätzlich zur Herabsetzung d *r Betriebstemperatur dieser Lager wird auch die Gefahr, daß das in nächster Nähe der Auslaßöffnung 18 befindliche Lager 3o stärker als das in größerem Abstand liegende Lager 31 erhitzt wird, beseitigt. Mit anderen Worten bewirkt der Kühlungsstrom der Bren iladung einerseits ein Vermindern der Betriebstemperaturen der Kolbenbolzen-Nadellager Jo und 31 und hält diese andererseits annähernd auf der gleichen Betriebstemperatur.

Da die Enden der Kolbenbolzenlager 3o und 31 offen sind, dient die das Schmiermittel tragende Brennladung zum Schmieren üer Nadel

dieser Lager, indem sie Schmiermittel ins Innere der letztens

ren einbringt.

si Die vom Dui jhgang 22 sowie den Ausnehmungen 35 > 37 gebildete

zusätzliche Brrnnstoff-Strömungsbahn liefert eine größere Menge Brennstoff in den Verbrennungsraum 11, als dies bei Vorhan-

ή densein der üblichen Einlasse 19 und 2o allein der Fall wäre.

h Auf diese Weise erhält man eine nachweisbar höhere Leistungs-

$ abgabe der Maschine 1.

|·| Bezüglich der Ausführungsf orui gemäß Fig. 2 sei bemerkt, daß die

Einlaßausnehmung 37 lediglich über den rohrförmigen Durchgang 22 und die Kolbenausnehmung 35 zugän-Lich ist. Auf diese Weise erzeugt während des Abwärtshubes des Kolbens 13 der Druckunterschied zwischen dem Verbrennungsraum 11 und dem Kurbelgehäuse-Innenraum 8 zwangsläufig eine Strömung des kühlenden Brennstoffs durch dia Kolbenbolzenverbindung 15«

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. h steht der Durchlaß ^o unmittelbar mit dem Innenraum 8 des Kurbelgehäuses in Verbindung; der im Innenraum 8 unter üruc« stehende Brennstoff kann daher sowohl durch den Kolbenbolzendurchgang 22, als auch durch den Durchlaß ^o hindurchströmen, um durch die Ausnehmung 37 in den Verbrennungsraum 11 einzutreten. Die Brennstoffströmung durch den Einlaß 2o ruft jedoch, infolge der Saugwirkung, von sich aus sehen einen Druckunterschied über die ganze Länge des Durch-

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gangs 22 he"vor, wodurch eine kühlende Strömung von Brennstoff durch diesen Durchgang 22 zur Zylinderausnehmung 37 hin verursacht wird.

Bei der jsführungsform gemäß Fig« h ergibt sich infolge derzusätzlichen Strömung durch den Durchlaß 4o eine größere Brennstoffzufuhr zum Verbrennungsraum 11 pro Kolbenhub, als dies bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der Fa¹I ist. Dieser Vorteil wird bis zu einem gewissen Grad aurch die verminderte Kühlung der Verbindung 15 aufgehoben, was auf die verringerte Brennstoff s trö'mun^, durch den Durchgang 22 bei der Ausf ührungai orm von Fig. k zurückzuführen ist, _n Fällen, wo ein Höchstmaß an Kolbenbclzenküblung wünschenswert, erscheint, wird daher zweckmäßigerweise die Ausführungsform gemä.'J Fig. 2 verwendet.

"5in wesentliches Merkmal der feuerung, das sich sowohl bei der Ausführungsform gemäß Fig, 2 als auch bei derjenigen von Fig. k findet, besteht in der Verwendung einer Zylinderwand als fester Wärmeschutz oder -damm zwischen der Auslaböffnung und -lern im allgemeinen radial benachbarten Ende der Verbindung 15. Dios^r Wärmeschutz, der durch eine vom Nadellager 3o radial nach außen im Abstand angebrachte Zylinderwand Jk a gebildet wird, schützt das Lager 3o wirksam gegen die heißen, durch die Aut>laßöffnung 18 austretenden Auspuffgase.

Hauptvorteil der !^;euepmg bestehu in dtr Kühlung der K'>'!_-

beiibol zen] a for i 'Olfj-i do..; Strömeiis der Brennstoff-Frischladung ι

ί durch einen hohlen Durchgang im Kolbenbolzen« ι

ι Ein zusätzlicher Wärmeschutz für dia Kolbenbolzenverbindung wird ; durch ein Teil der Kolbenseitenwand vorgesehen, das im allgemeinen radial zwischen einer Auslaßöffnung und dem nächstliegenden Kolbenbolzenlager angeordnet ist«

Dieser Wärmeschutz dient auch dazu, die Betriebstemperaturen der im Abstand voneinander angebrachten Kolbenbolzenlager anzugleichen, wodurch Spannungen vermieden werden, die sonst durch einen Temperaturunterschied zwischen den im Abstand voneinander liegenden Lagern hervorgerufen werden könnten.

Bei Probeläufen wurde festgestellt, daß dieser Wärmeschutz für die Kolbenbolzenverbindung überraschend bemerkenswerte Ergebnisse liefert. Bei den herkömmlichen Kolbenbolzenkonstruktionen ergaben sich häufig Kolbenbolzenlagerschäden, wodurch die Lebensdauer der Maschine beeinträchtigt und verkürzt wurde. Be Benützung der n©tfel»-jungsgemäßen Kolbenbolzenanordnungen erhöhte sich die Lebensdauer der Kolbenbolzenlager um das Doppelte und mehr, wobei Schaden durch andere Maschinenteile und nicht durch die Kolbenbolzenverbindungen verursacht wurden«

Ebenso wurde gefunden, daß die Zuführung der kühlenden Brennstoff strömung zum Verbrennungsraum zwecks Erhöhung der Brenn-

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in der Praxis rine nachweisbare Leistungssteigerung ergeben hat.

Diese Vorteile werden zudem mit Hilfe einer baulichen Anordnung erzielt, die keine umfangreiche oder grundlegende Änderung der Grundkonstruktion einer Maschine erfordert und den vorhandenen Brennstoff wirksam als Kühlmittel verwendet.

Claims (3)

r > « ι ι ; i I < · - 15 Schut zansprüche

1. Anordnung zum Kühlen von Kolbenbolzenlagern in Brennkraftmaschinen, die einen in ihrem Zylinder hin- und hergehend angeordneten Kolben, eine Pleuelstange und eine Drehverbindung zwischen Pleuelstange und Kolben aufweisen, gekennzeichnet durch einen Kolbenbolzen (21), der einen sich durch die Drehverbindung (15) hindurch erstreckenden Durchgang (22) umgrenzt, Mittel (10, 13, 37) zum Hervorrufen eines Kühlmittelstromes durch diesen Durchgang der Drehverbindung, sowie Mittel (7) zum Zuführen dieses die Drehverbindung durchströmenden Kühlmediums, wobei der Durchgang (22) ein Kolbenbolzennadellager (30) hält, das von einem äußeren zylindrischen Seitenwandteil (34) des Kolbens (13) her gesehen in radialem Abstand nach innen versetzt ist und dessen axiales Ende, das dem zylindrischen Seitenwandteil (34) gegenüberliegt, kontinuierlich und im wesentlichen ganz der Strömung des Brennstoffs ausgesetzt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolben und dem Zylinder, in dem er hin- und hergehend angeordnet ict, Organe (13,37) vorgesehen sind, die nacheinander eine Kühlmittelkommunikation zwischen einem Verbrennungsraum (11) des Zylinders und dem Durchgang (22) herstellen, das Mittel (7) zum Zuführen des Kühlmediums zur Lieferung des Brennstoffs geeignet ist, und der Kolben (13)

Wände (3*1-36) aufweist, die eine im wesentlichen geschlossene Brennst offströmung zwischen dem Durchgang (22) der Drehverbindung sowie dem Verbrennungsraum ergeben und sich radial zwischen dem Durchgang (22) und dem Zylinder (5) erstrecken.

3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehverbindung (15) ein ringförmiges Nadellager (30) aufweist, das ein Ende des Kolbenbolzens (21) umgibt und ein offenes Ende besitzt, so daß das Nadellager dieses Lagers freigelegt und dem Kolbenbolzen (21) zugekehrt ist, und daß letzterer ein Teil (36) aufweist, das eine im wesentlichen geschlossene, sich zwischen dem Durchgang (22) und einem äußeren zylindrischen Seitenwandteil des Kolbens (13) erstreckende Durchgangsverlängerung bildet.

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