[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben mit Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Für hohe und höchste Belastung ist ein Einsatz solch zweiteiliger aus Unter- und
Oberteil bestehender Kolben unumgänglich, die in verschiedenen Werkstoffkombinationen
herstellbar sind. Als Werkstoff für das Oberteil bietet sich gegossener oder geschmiedeter
Stahl an, ebenso Sphäroguß mit seinen dem Stahl ähnlichen Festigkeitswerten. Das Unterteil
kann aus einer gegossenen oder geschmiedeten Aluminium-Kolbenlegierung oder auch aus
Grauguß bestehen. Beide Teile sind vorzugsweise über Dehnschrauben miteinander verspannt.
Diese Kolben verlangen in aller Regel eine Kühlung, vorzugsweise mittels eines Kühlöls.
Bei solchen zweiteiligen Kolben sind in nachteiliger Weise zwischen dem Kolbenober-
und -unterteil an den Auflageflächen der Abstützbunde Verschleißerscheinungen zu beobachten,
die insbesondere im Außenbereich der Auflageflächen und um die Dehnschrauben herum
auftreten. Dieser Verschleiß wird durch radiale und axiale Bewegungen der in der Verbindungsebene
gegeneinander liegenden Auflageflächen der beiden Kolbenbauteile verursacht. Diese
Bewegungen, die durch den durch die Deformation des Kolbenoberteils infolge Temperatur
und Gasdruck bewirkten Krempeleffekt hervorgerufen werden, erzeugen nicht nur einen
Verschleiß, sondern beinhalten auch die Gefahr einer Deformation des Kolbenunterteils
mit nachfolgender Rißbildung und Materialabscheuerung in sich. Zur Vermeidung dieser
Nachteile sind bereits unterschiedliche Lösungen, z.B. durch die DE-PS 27 58 378 und
die EP-PS 7661, vorgesehen.
[0003] Für den Kolbenhersteller besteht die Aufgabe, den aus Ober- und Unterteil bestehenden
Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß dieser der modernen
Brennkraftmaschinentechnik angepaßt ist, wobei insbesondere eine Senkung des Gewichts
und eine Verkleinerung der Bauhöhe der Bauteile anzustreben ist. Eine Gewichtsreduzierung
darf dabei allerdings nicht zu Lasten der Betriebssicherheit und Lebensdauer gehen.
[0004] Gelöst ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten
Merkmale.
[0005] Vorzugsweise Ausgestaltungsformen und Anordnungen der im Oberteil des Kolbens nach
Anspruch 1 angeordneten Sacklochbohrungen sind im Hinblick auf eine optimierte Kühlwirkung
in den Unteransprüchen 2 bis 4 wiedergegeben.
[0006] Um die an exponierten Stellen des Kolbenoberteils unter Temperatureinfluß entstehenden
Spannungen und damit die Deformation so klein wie möglich zu halten, ist nach einem
besonderen Merkmal des erfindungsgemäß gestalteten Kolbens der Übergangsbereich zwischen
der Innenfläche des Kolbenbodens und der unter einem Winkel von 35 bis 55°, vorzugsweise
45°, zur Trennungsebene nach außen ansteigend geneigte Innenfläche des Abstützbundes
(9) des Oberteils (5) mit einem Radius von 30 bis 60 mm verrundet.
[0007] In den Zeichnungen ist in Fig. 1 ein Ausschnitt des erfindungsgemäß ausgebildeten
Kolbens entlang der die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung einerseits sowie die
Kolbenachse und die Richtung senkrecht zur Bolzenachsrichtung einschließenden Ebenen
andererseits in axionometrischer Darstellung wiedergegeben.
[0008] In Fig. 2 ist eine Hälfte eines Schnitts durch das Oberteil des Kolbens entlang der
die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung umfassenden Ebene dargestellt.
[0009] Der Kolben ist aus einem aus Grauguß bestehenden, den Kolbenbolzen (1) aufnehmenden
Unterteil (2) und einem aus Stahl bestehenden, den zentralen Kühlraum (3) begrenzenden
und die Ringpartie (4) tragenden Oberteil (5) mit flacher Brennraummulde (6) aufgebaut,
die über nicht dargestellte Dehnschrauben miteinander verspannt sind. Das Unterteil
(2) ist beidseitig der die Bolzenachsrichtung einschließenden horizontalen Ebene und
kolbenfußseitig bis zum unteren Ende sehnenartig gegenüber dem Außenumfang des Unterteils
(2) zurückgesetzt und die Naben (7) der Bolzenaugen zur Kolbenachse hin verschoben.
Das Unterteil (2) und das Oberteil (5) stützen sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht
zur Kolbenachse stehenden auf Abstützbunden (8,9) angebrachten kreisringförmigen Auflageflächen
(10,11) gegeneinander ab. Die Dehnschrauben sind durch die Abstützbunde (8,9) und
die Auflageflächen (10,11) geführt. Am Außenumfang der Auflagefläche (11) des Oberteils
(5) ist eine Ringpassung (12) angebracht, die an der Außenseite des Abstützbundes
(8) der Auflagefläche (10) des Unterteils (2) zentrierend anliegt. Gegenüber der Trennungsebene
von Oberteil (5) und Unterteil (2) befindet sich eine umlaufende Leernut (13) mit
einem rechtwinklig davon abzweigenden parallel zur Kolbenachse verlaufenden sich hinter
die Ringpartie (4) erstreckenden Abschnitt (14). Die Ringpartie (4) weist zwei Ringnuten
(15,16) für Kompressionsringe und eine Ringnut (17) für einen Ölring auf. Vom Umfang
des Kühlraums (3), der kolbenfußseitig durch einen gewölbeartig gestalteten und mit
den Naben (7) verbundenen Boden (18) mit einer Ablauföffnung (19) für das Kühlöl abgeschlossen
ist, erstrecken sich unter einem Winkel von 45° zur Trennungsebene ansteigend geneigte
radial nach außen verlaufende Sacklochbohrungen (20) bis hinter den Feuersteg (21)
und unter den Bereich des Randes des Kolbenbodens. Vom Kühlraum (3) ausgehend sind
ferner koaxial verlaufende Sacklochbohrungen (22) im mittleren Teil des Kolbens in
nicht dargestellter Sechseck-Konfiguration angebracht. Der Übergangsbereich (23) zwischen
der Innenfläche des Kolbenbodens und der unter einem Winkel von 45° zur Trennungsebene
ansteigend nach außen geneigten Innenfläche des Abstützbundes (9) des Oberteils (5)
ist mit einem Radius von 40 mm verrundet.
[0010] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine
vergleichsweise deutliche Verringerung cer Kompressionshöhe und damit der Bauhöhe
des gebauten Kolbens eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt wird. Diese Gewichtsreduzierung
zeigt jedoch keine nachteiligen Wirkungen, da durch die Anordnung der Sacklochbohrungen
eine optimale Kühlung von Kolbenboden und Ringpartie erzielt und andererseits die
notwendige Elastizität bei guter Dauerfestigkeit durch die Anordnung und Ausgestaltung
der Leernut im Bereich der Trennungsebene und des damit verbundenen kreisringförmigen
und sich hinter die Ringpartie erstreckenden Abschnitts erreicht wird. Durch das Anbringen
der Sacklochbohrungen wird eine vergleichsweise große Kühloberfläche erzeugt.
1. Kolben mit Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für mittelschnellaufende
Dieselmotoren, bestehend aus einem den Kolbenbolzen (1) aufnehmenden Unterteil (2)
und einem einen zentralen Kühlraum (3) begrenzenden und das Ringfeld (4) tragenden
Oberteil (5), die sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht zur Kolbenachse liegende
auf konzentrischen Abstützbunden (8,9) angeordnete kreisförmige Auflageflächen (10,11)
gegeneinander abstützen, über durch die Abstützbunde und die Auflageflächen geführte
Schrauben miteinander verspannt sind, im Bereich ihrer Trennungsebene eine vom Außenumfang
her angebrachte umlaufende Leernut (13) aufweisen und durch eine an dem Außenumfang
der Auflagefläche des Oberteils angebrachte an der radialen Außenseite des Abstützbundes
der Auflagefläche des Unterteils anliegende Ringpassung (12) gegeneinander zentriert
sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringfeld (5) zwei Kompressionsringe und eine
einen Ölring aufnehmende Ringnuten (15,16,17) aufweist, die Höhe des Feuerstegs (21)
6 bis 10 % und die Kompressionshöhe 65 bis 90 % des Kolbendurchmessers betragen, von
der Leernut (13) eine sich hinter das Ringfeld erstreckende Leernut (14) abzweigt
und sich vom Kühlraum (3) aus parallel zur Kolbenachse verlaufende Sacklochbohrungen
(22) in den mittleren Teil des Kolbenbodens sowie vom Umfang des Kühlraums aus gegenüber
der Trennungsebene ansteigend geneigte radial nach außen verlaufende Sacklochbohrungen
(20) bis in die Bereiche hinter den Feuersteg und den Rand des Kolbenbodens erstrecken.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Sacklochbohrungen
(20,22) 10 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 45 mm, beträgt.
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Umfang
des Kühlraums (3) ausgehenden gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten Sacklochbohrungen
(20) einen Winkel von 35 bis 55°, vorzugsweise 45°, mit der Trennungsebene bilden.
4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zur
Kolbenachse verlaufenden Sacklochbohrungen (22) auf den Ecken von gleichseitigen Sechsecken
angeordnet sind.
5. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich
zwischen der Innenfläche des Kolbenbodens und der unter einem Winkel von 35 bis 55°,
vorzugsweise 45°, zur Trennungsebene nach außen ansteigend geneigte Innenfläche des
Abstützbundes (9) des Oberteils (5) mit einem Radius von 30 bis 60 mm verrundet ist.
