DE1751013A1 - Dieselmotorkolben - Google Patents

Description

Dipl. Ing. Helmut Zoepke / tv 7~Ί uet. 994

Dip!. Ing. Car! O. Zospke / ^JyY, Έζχ ψ)-1

Patentanv/älte ' | j

8 München 5, Erhardtstraße 11 " " 1751013

International Harvester Company 21. März I968

401 ITorth Michigan Avenue
Chicago, Illinois (V.St.A.)

Dieselmotorkolben

Die Erfindung betrifft einen einteiligen Dieselmotorkolben mit zentraler Brennraummulde, mehreren Kolbenringnuten und definierten Durohmeeserabweiohungen in Riohtung der Kolbenlängsachse und senkrecht dazu,

DSe Ablagerung von Kokekohle an den brennraumnahen Flächen dee Kolbens ist ein vordringlich asu lösendes konstruktives Problem. Duroh Kombination der relativ harten Kokspartikeln mit einem lackartigen Binder sind die Bedingungen' gegeben, die zu einem verstärkten Festsetzen der Ablagerungen an den Laufbucheen- und Kolbenflächen fUhrtn. Auf diess leise kommt es zu einer bohleifwirkung, die sehr bald lu Beschädigungen oder Zerstörungen der polierten Laufbuohse fuhrt« Man war daher in der Vergangenheit bestrebt, den Hingapalt ■wieohen dem heißen Kolben und der Zylinderlauf/ltfohe mögllohst klein au halten, us den Ablagerungen keinen Baum zu bieten. Der höh· Standard heutiger Fertigungomethoden kommt diesem Trend entgegen, •0 daS uohlieeiioh der Ringspalt im oberen Kolbenbereioh praktisch

Tereohwunden ist«

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BAD ORJQtNAL

Diesem an eich erstrebenswerten Zustand steht nun aber als Nuchtell entgegen» daß die Diohtwirkune des oberen Kolbenringes beeinträchtigt wird, besonders bei Motoren mit sohrägliegenden Zylindern, wie das beispielsweise auf V~Motoren sutrifft. Hler verlagert sich nämlich das Kolbengewicht einseitig auf eine Zylinderseite, so daß jeder Zwischenraum «wischen den aufelnanderfleitenden flaohen völlig verschwindet, woduroh dann auch die Druckbeaufeohlagung des oberen Kolbenringes durch dl· Brenngase einseitig unterbunden wird. Er- £ fahrungsgeaäff kann ein Kolbenring eeine Diohtfunktion aber nur dann einwandfrei erfüllen, wenn 'er von dem Brück der Brenngase getroffen und In axialer und radialer Richtung fixiert wird. Darliberhinaus wird eine einseitige Kokeablagerung gefördert, well nämlich auch dl· Blaewirkung der Brenngase wegfällt. Wie bereits erwähnt, worden die Verhältnisse durch die ständig kleiner werdenden Kolbentoleransen nur noch komplizierter. * ·

Hit der vorliegenden Erfindung wirrt die Aufgabe verfolgt, die geschilderten Nachtelle ohne Leistungaverluat au beseitigen und

LV ■

neben einer unverminderten Gaadruokwirkung auf den oberen Kolbenring auch die Ablagerung voÄ Kokskohle zu vermeiden bzw. zu, besoitigeni

Die erfinderische Lösung bei einem einteiligen Diese!motorkolben mit zentraler Brennraunmulde und riohtungsabhängigen Durchmesseränderungen verwendet In einem Bereloh des Kolbenboden, der durch die obere Kolbenringnut nach unten ubgogrenst lat, einen kleineren Durchmesser als der Übrige Kolben von leicht elliptleohem yuereohnlt% nobel der Durchmesser In Richtung der Kolbenboleenaohee kleiner ist als senkrecht au dieser. Der Kolben bildet also im oberen Duroh-

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BADOFIIGINAL.

messerbereich mit der Zylinderwandung einen Ringspalt, dessen Weite eich aus der Durehmesserdifferena von Kolben und Zylinder ergibt. In einem ausgeführten Beispiel mit einem Kolbtn von 63,5 am Durchmesser ergibt sich als Differenz der Durchmesser in Richtung der Kolbenbolzenachse und senkrecht zu dieser ein Mittelwert von 0,2 mm. In weiterer vorteilhafter Ausbildung des Erfindungsgedankene sind im Bereich des oberen Hingspalte mindestens vier gleichmäßig über den Kolbenumfang verteilte flache Gaekanäle angeordnet, wobei deren Breite etwa den 9,5fachen Betrag ihrer Tiefe ausmacht; die Gaskanäle durchdringen eine eingesetzte Ringnut durch den Kolbenring einseitig. Die Gaszufuhr zun Kompressionsring kann nach einem weiteren Ausführun^sbeiBpiel dadurch gewährleistet werden, daß zwischen der Brennraummulde und einer eingesetzten Hingnut mindestens vier gleichmüßig über den Kolbenunfang verteilte ochrjige Gaekanäle angeordnet sind, die unter einem bestimmten tfinkel gegen die Senkrechte geneigt aindttSnd schließlich läßt sich die engestrebte Wirkung einer Druckgasbeaufschlugung des oberen Kolbenringes noch dadurch verwirklichen, daß die sswiachen der Brennraummulde und der Kolbenaußenkante liegende kreieringförmige Kolbenbodenfläche mit der Kolbenringnut durch mehrere gleichmäßig Über den Kolbenumfang verteilte Gaskanäle in schräger Anordnung verbunden 1st. In diesem Falle beträgt der Ev/ischen dem Gaskanal und der Senkrechten vorhandene Winkel etwa 20°.

Der Ixfindungsgegenstand ist in der Zeichnung in drei AusfUhrungübelspielen dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Kolben und einen Teil

des Zylinderkopfes j

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BAD ORIGffJAL

<m I _

Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie II/II der

Figur 1 s
Figur 3 einen Längsuchnitt des Kolbeno ohne die umgebende

Zylinderlaufbuchee}
Figur 4 ein Diagramm der Kokekohleablagerung Im Ringepalt dee

Kolbens ι

Figur 5,

6 und 7 axiale OaafUhrungekanäle 1« Kolbenbodenbereloh;

Figur 8 einen Telleohnltt dee Kolbens alt einen schrägen

Geekanalι
Figur 10 eine «eitere Anordnung des Gaskanals.

In den Figuren 1 und 2 1st ein Zylinder 20 mit einem Zylinderkopf angedeutet, der zusammen mit dem Boden des Kolbens 24 einen Brennraum 26 bildet. Eine Pleuelstange*28 verbindet In gewöhnlicher Welse einen Kolbenbolzen 30 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle· Weiter sind in nicht abweichender Bauart vorhanden ein »weiter Kolbenring 32, ein Ölabstreifring 34 aowie ein Kolbenmantel, der bei einem V-t!otor eine druckbeauf schlaft te Seite 36 und eine drucken tlastete Seite 36 aufweist. Die Nennweite der Zylinderbohrung ist in Figur 1 mit B beseiohnet. Oberhalb der beiden genannten Kolbenring· 1st noch ein Kompressionsring 40 in einer besonderen Ringnut 42 angeordnet, der aen im Durchmesser kleineren Kolbenbodenteil gegenüber dem sich anschließenden^ im Durchmesser größeren Kolbenmantel ab,;ren*t. Der heiße Kolben weist in diesen Bereich einen Durchmesser d auf, so daß zwischen Kolben« und Zylinderwandung ein Rlng&palt 44,4$ entsteht, der nach unten duroh den Kolbenring abgeschlossen 1st« Im Übrigen ist der Kolben konventionell ausgebildet, d.h. et let eine

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BADORIQINAL

Brennraummulde 46,4B innerhalb des umgebenden Kolbenbodens 50 vorhanden. Von der Brennrauramulde βweigt je ein flacher Einlafkanal 52 sowie ein geometrisch ähnlicher, aber kleinerer Auslaßkanal 54 In Sichtung der entsprechenden Ventile ab.

Der aus einer Aluminiumlegierung bestehende Kolben ist im Durcheeseer leitittftelliptisch ausgebildet, so daB im kalten Zustand zwiuchen der oben, erwähnten druokbelasteten Seit· 36 einerseits und der druckentlasteten Seite 38 andererseits ein größerer Durchmesser existiert als zwischen den die Kolbenboleenbohrungen aufnehmenden Kolbenselten oder »flächen. Bei einem Kolben mit einem Durchmesser von 4,5* * 63$5 am beträgt diese Durchmesserdifferenz, d.h. der Unterachled «wischen den senjpecht aufeinanderstehenden Kolbenflächen, la Kittel also 0,008" =» 0,2 mm. Zu Unterschied zu dieser allgemeinen Kolbengeometrie ist der Durchmesser des Kolbene im Bereich dee oberen Hingepalte 44 koatant, wenn hier an sich auch eine unrundβ form möglich wäre. Im übrigen ist der Kolben 24 ao petonfa daβ der kalt gemessene Durchmesser D in lUohtung der Kolbenbolzenaohse immer kleiner ist als in Richtung senkrecht daau. Dabei ist ein thermischer Auedehnungsfaktor von 0,0045 berücksichtigt, -so daß ein störungsfreier Kolbenlauf unter allen Betriebsbedingungen des kotors gewährleistet bleibt· Hlnau kommt noch eine ύ·η Gasdruck berücksichtigende Duron- »eeeertolerans von 0,Q6 bis 0,04*| al· bevorzugte -Verte werden 0,06 bi· 0₉08^N genannt. Mit diesen faktor Über 0,1* hinauszugehen ist ebenso unnütig wie unerwUnsoht, weil dadurch das wirksame Verdichtungevoluaen im Brennraum verringert werden wurde. In einem Auei'ührungebeiepiel der Lrfindung mit gußeieenen Zylinderlaufbuohaen und 4,5" Bohrung ergibt «loh in kalte» Zustand tine Bohrung von 4,501"

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BAD ORIGINAL

and in heißen Zustand tine Bohrung von 4,503". Der entsprechende lolbendurohaesaer D la Bestich dta Ringapaita 44 wird mit 4,420" angegeben.

Bai Betriebstemperaturen «wischen 315 und 375⁰C scheidet dae Verbrennungagaa festen Kohlenetoff ab, der in Verbindung mit tiner laokartigen Konpontnta an dan Zylinder- und Kolbtnflächen haftet· Mit dar Zeit bildet aioh auf diese Weise eine kompakte Kokakohleaohicht au», die nur im Kantenbereich 45 dta Ringapaltes 44 aerfällt und von dtn Verbrennungegawen weggeblaetn wird» vcrauageaetet* daB Temperatur und Turbulen* hoch genug aind· DIt verwendete Kolbenring*· anordnung 40,42 ermöglicht nicht nur tint einwandfreie Gaudichtung bti herabgeaeteter ülveruohmuteung und niedrigerem Ölverbrauch* eonderη eie^veraeidet auoh daa gefährliche Veetfreaeen dar Kolbänringt· Aue ditatn und anderen Gründen können üohmierble «it weniger Additiven verwendet werden, und «war nloht »uletat auoh deshalb, «all der obere Kolbenring infolge atlnta verbesserten dynamieohen Dichteffecktfa dia Oxydation, Verunreinigung und lindickung das ! Soheieröle herabsetit. Auöerdea lat noch dia Verweildauer daa Ü'lea in dar Rlngiont klirxer, was imaer vorteilhaft igt. Dia Mit dan ' genannten Ma|nahaen araitltt fiadusltrung von Kokakohleablagerung : gewährleistet eine gleichbleibende Oberflächengüte der polierten , Zylinderlaufbuchse sowie auoh alntn geringeren Versohltü dea oberen Kolbenringes, was wiederua Mit einen intakten ölfil« in dar kausal suaaoDienhängt.

dia weohaelbeeiehung ■wischen dar Ablagerung von Kokekohle einerseita und dar obartn Ringapaltgröia andararealt· klar dariu-

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■ BAD ORiGINAIr ' ^

stellen, ist in Figur 4 eine Kurve wiedergegeben worden, der die Veränderung der Kokskohlenmenge in Abhängigkeit von der Spaltbreite entnommen werden kann« Die Ablagerungarute dient hier als Parameter. Eine Ablagerung O bei nicht vorhandenem Kolbenapitl bleibt infolge der teohniaohen NiehtauafUhrbarkeit eine theoretische Annähme. Praktisch ausführbar wäre dagegen der Eereich 56» def die kleinstmögliche, dem Nullwert angenäherte Spaltbreite zeigt. Ein optimal günstiger Bereich für die Ablagerung von Kokskohle ist mit 58 bezeichnet, für den schon Grenzwertbedingungen gelten. Unter diesen Bedingungen wird jeder sich bildende Ansatz von Featkohle weggebrannt und/oder weggeblasen. Trotz des aich unter Botriebetemperatür verringernden Kolbenspiels bleibt ein hinreichender Gasdurchtritt aufrechterhalten. Zum Nachwels der kritischen Funktion dee oberen Kolbenringspiels wurden Veruuche mit einem V-8-Dieael fcotor von 250 PS unternommen; die Ergebnisse dieser Versuche stimmen mit den erwarteten Werten im wesentlichen Uberein.

Läßt man den Bingspalt 44 Überhaupt fortfallen, können mit anderen Maßnahmen ähnliche Wirkungen erzielt werden, d.h. eine ausreichende Belastung des oberen Kolbenringes 40, wie sie zur Herbeiführung einer einwandfreien Abdichtung erforderlich ist, bleibt durch den Explosionedruok des Gaseβ gewährleistet. Die konkrete Gestaltung einer solchen Alternativlösung zeigen die Figuren 5,6 und 7, wonach am Kolbenumfang beispielsweise vier flache Oaskanäle 84 angeordnet sind, die eich vom Kolbenboden 88 bie zur Kolbenringnut 86 erstrecken, ilir den Kolben des AusfUhrungsbeiepiels Bit einen Durchmesser von 4,5" 1st jeder dieser Oaakanäle etwa 11,7 mm breit und 1,25 nc: tief.

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BADORIQIMAk

Ein« weitere Verwirklichung dta Srflndungegsdankans selgt die ^p Figur 8» «o ein Kolbenring 98 Über schräge Oaakanäle 91 direkt Bit der BrennrauonuMe 92 verbunden let. Diese AuefUhrung durfte Infolge einer verstärkten BJJblldung an der Oberfläche weniger eu "^<v empfehlen eein ala die Anordnung naott den Figuren 5,6 und 7· Der Kolbenring 9B ateht eoalt einwandfrei unter dem Druck der Brenngase, waa au einer suverlässlgen Abdichtung führt· Erwähnenswert iat nooh die Xeigung der Kanal· 91» d.h. wie ale dur*h den Winkel «wischen den Kanälen und der Senkrechten gekennzeichnet iat· In der Praxis werden Winkel awlaohen 50 und 54° gewählt·

Die Figuren 9 und 10 «eigen ein weitarea AuafUhrungabelaplel der Erfindung» bei de« vier tiohrägbohrungen 104»104a in einen konventionellen Kolben 102 vorhanden aInd. Der daadruok pflanat eich in dleaeai lalle voa Kolbenboden bla in den Blngelnaeta 105» 108 fort» eo da8 der darin altsende Kolbenring entsprechend beaufeohlagt werden kann* lachteIUg bei den Ausführungen nach den Figuren 8 bis 10 1st deren erhöhte Anfälligkeit gegenüber Oaeeroelon. Mehr ala vier Oaakanäle von Js 1/8" vorsttsehen» hat sieh bei de» vorliegendem Kolbendurohtteaaer von 4,5" als unsweokBäfilg erwlesen|' Der awleohen des Oaskanal und der Senkrechten gebildete Winkel beträgt hler etws

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BAD

Claims (7)

g^iFFHlifi ?3rf nichjjsancio.t ws: f. η' Pa t ent ans pr licht

1) Einteiliger Dieselaotorkolben mit zentraler Brennraummulde, mehreren Kolbenringnuten und Durohmeezerabweiohungen in Richtung der Kolbenlängaachse und senkrecht dazu, dadurch gekennzeichnet, daS der Kolbenboden in einen Bereich, der duroh eine Kolbenringnut (42) nach unten abgegrenzt ist, einen kleineren Durchmesser (d) aufweist als der Übrige Kolben von leicht eläptieohem Querschnitt ι wobei der Durchmesser in Richtung der Kolbenbolzenachs· (30) kleiner ist als senkrecht zu dieser.

Z) Dieselootorkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben 1« Durchmesserbereich (d) mit der Zylinderwandung einen Ringspalt (44,45) bildet, dessen Weite sich aus der Duroh-Msserdifferens (B~d) ergibt.

3) Dieeelisotorkolben nooh den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eich Lei einem Kolben von beispielsweise 63,5 m Duroh»eee>r al· Differenz der Durohaeeeer in Richtung der Kolben-

bolzenaohee (30) und eenkreoht zu dieser ein Mittelwert τon

0,2 um ergibt. 109840/0400

BAD ORIQiNAt/ <

4) Einteiliger Dieeelaotorkolben naoh den AneprUohen 1 bie 3» dadurch gekenneeiohnet, daß im Bereioh dt« Ringapalte (44 »45) vier gleichmäßig Über dtn Kolbenumfang verteilte flache Oaskanttle (84) angeordnet eind, deren Breite etwa den 9,5faohen Wert ihrer Tiefe beträgt, und die eine eingesetzte Ringnut (86) einseitig durchdringen·

5) Diese!motorkolben nach den AneprUohen 1 bis 3» dadurch gekennaeiohnet, daß swleohen der Brennraummulde (92) und einer eingesetzten Ringnut (94) mindestens vier gleichmäßig Über den Kolbenumfang verteilte sohräge (teskanäle (91) angeordnet sind.

6) Dieselmotorkolben naoh Anapruoh 5, dadurch gekenneelohnet,

daß die Kanal· (91) 50 bis 54° gegen die Senkrechte geneigt

t
sind.

7) Dieselmotorkolben naoh den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekenn-* eeichnet, daß die gwisohen der Brennraummulde (46) und dar Kolbenaußenkante liegende krelarlngfOrmige Kolbenbodenfläohe (50) mit einer eingeeetiten Ringnut' (106) daroh mindestens vier \ glelohmäBig über dan Kolbenumfang verfeilt· (teekanüle (104) verbunden let. i

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