Kolben mit Flüssigkeitskühlung

Beschreibung

[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 Olring 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 Ubergangsbereich (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.

Ansprüche

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.

Revendications

1. Piston à refroidissement par un liquide pour des moteurs à combustion interne, notamment pour des moteurs diesel à régime moyen, constitué d'une partie inférieure (2) recevant le tourillon du piston (1) et d'une partie supérieure (5), délimitant une chambre centrale de refroidissement (3) et comportant la zone des segments (4), qui s'appuient l'une contre l'autre par des surfaces d'appui (10, 11) de forme circulaire, qui sont prévues sur des collets d'appui (8, 9) concentriques et dont le plan de séparation est perpendiculaire à l'axe du piston, qui sont bloquées l'une avec l'autre par des vis passant à travers les collets d'appui et les surfaces d'appui, qui comportent dans la région de leur plan de séparation une gorge périphérique vide (13), ménagée à partir de la périphérie extérieure, et qui sont centrées l'une par rapport à l'autre par un rebord annulaire (12) ménagé sur la périphérie extérieure des surfaces de contact de la partie supérieure et s'appliquant sur le côté extérieur radial du collet d'appui de la surface d'appui de la partie inférieure, caractérisé en ce que la zone des segments (4) comporte deux segments de compression et une gorge de segment (15, 16, 17) recevant une bague de graissage, la hauteur de la zone de feu (21) représente de 6 à 10% et la hauteur de compression de 65 à 90% du diamètre du piston, de la gorge vide (13) est dérivée une gorge vide (14) s'étendant derrière la zone des segments, et des trous borgnes (22), s'étendant à partir de la chambre de refroidisborsement (3) parallèlement à l'axe du piston, ainsi que des trous borgnes (20), inclinée vers le haut par rapport au plan de séparation et s'étendant radialement vers l'extérieur, et qui s'étendent jusqu'à la partie derrière la zone de feu et jusqu'au bord de la tête du piston.

2. Piston suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des trous borgnes (20, 22) est compris entre 10 et 50 mm et de préférence entre 20 et 45 mm.

3. Piston suivant la revendication 1 ou 2, charac- térisé en ce que les trous borgnes (20) issus de la périphérie de la chambre de refroidissement (3) et montant de manière inclinée par rapport au plan de séparation, font un angle de 35 à 55_° et de préférence de 45_° avec le plan de séparation.

4. Piston suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les trous borgnes (22) qui s'étendent parallèlement à l'axe du piston sont disposés aux sommets d'hexagones réguliers.

5. Piston suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie de transition entre la surface intérieure de la tête du piston et la surface intérieure du collet d'appui (9) de la partie supérieure (5), inclinée vers le haut et vers l'extérieur par rapport au plan de séparation selon un angle de 35 à 55_° et de préférence de 45°, est arrondie avec un rayon de 30 à 60 mm.

Claims

1. Piston with liquid cooling for internal combustion engines, in particular for medium-fast runing diesel engines, consisting of a lower section (2) receiving the gudgeon pin (1) and an upper section (5) delimiting a central cooling chamber (3) and bearing the ring zone (4), which are supported on each other on circular bearing surfaces (10, 11) in their division plane perpendicular to the piston axis and located on concentric supporting collars (8, 9), are braced together by screws guided through the supporting collars and the bearing surfaces, have in the region of their division plane a circumambient empty groove (13) made starting from the outer periphery and are centred relative to each other by a ring fit (12) made on the outer periphery of the bearing surface of the upper section and resting on the radial outside of the supporting collar of the bearing surface of the lower section, characterised in that the ring zone (5) has ring grooves (15, 16, 17) receiving two compression rings and an oil ring, the height of the top land (21) is 6 to 10% and the compression height is 65 to 90% of the piston diameter, an empty groove (14) extending behind the ring zone branches off from the empty groove (13), and from the cooling chamber (3) blind holes (22) which run into the middle section of the piston head parallel to the piston axis and from the periphery of the cooling chamber blind holes (20) which run radially outwards and are inclined ascending relative to the division plane extend into the regions between the top land and the edge of the piston head.

2. Piston according to Claim 1, characterised in that the diameter of the blind holes (20, 22) is 10 to 50 mm, preferably 20 to 45 mm.

3. Piston according to Claims 1 and 2, characterised in that the blind holes (20) starting from the periphery of the cooling chamber (3) and inclined ascending relative to the division plane form an angle of 35 to 55°, preferably 45_°, with the division plane.

4. Piston according to Claims 1 to 3, characterised in that the blind holes (22) running parallel to the piston axis are disposed on the corners of equilateral hexagons.

5. Piston according to Claims 1 to 4, characterised in that the region of transition between the inner surface of the piston head and the inclined inner face of the supporting collar (9) of the upper section (5) ascending outwards at an angle of 35 to 55°, preferably 45_°, to the division plane is rounded with a radius of 30 to 60 mm.

Zeichnung