DE19962325A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder (1) angeordneten, mit umfangsseitig umlaufenden Kolbenringen versehenen Kolben (2), der auf einer vorzugsweise mit einem Flansch (4) versehenen Kolbenstange (3) aufgenommen ist und mit einer mit Kühlmittel beaufschlagbaren, in der Kolbenstange (3) vorgesehenen Steigleitung (15) kommunizierende, im Bereich des umlaufenden Kolbenmantels (8) vorgesehene, achsparallele Kühlbohrungen (12) aufweist, die über radiale Entsorgungskanäle (17) mit einer in der Kolbenstange (3) vorgesehenen Rücklaufleitung (18) kommunizieren, lässt sich dadurch eine Verbesserung der Kühlwirkung erreichen, dass jeder achsparallelen Kühlbohrung (12) wenigstens ein zur Rücklaufleitung (18) führender Entsorgungskanal (17) zugeordnet ist und dass zumindest der kühlbohrungsseitige Endbereich der Entsorgungskanäle (17) gegenüber der Kolbenachse nach radial außen ansteigend geneigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Zweitakt- Großdieselmotor, mit wenigstens einem in einem Zylinder angeordneten, mit umfangsseitig umlaufenden Kolbenringen versehenen Kolben, der auf einer vorzugsweise mit einem Flansch versehenen Kolbenstange aufgenommen ist, und mit einer mit Kühlmittel beaufschlagbaren, in der Kolbenstange vorgesehenen Steigleitung kommunizierende, im Bereich des umlaufenden Kolbenmantels vorgesehene, achsparallele Kühlbohrungen aufweist, die über radiale Entsorgungskanäle mit einer in der Kolbenstange vorgesehenen Rücklaufleitung kommunizieren.

Eine Anordnung dieser Art ist beispielsweise aus der DK 16 14 05 B bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung verlaufen die zur Rücklaufleitung führenden Entsorgungskanäle etwa rechtwinklig zur Kolbenachse. Parallel zur Kolbenachse gerichtete Trägheitskräfte können hier zur Beschleunigung des in den rechtwinklig zur Kolbenachse verlaufenden Entsorgungskanälen enthaltenen Kühlmittels nicht genutzt werden. Es ist daher auch nicht möglich, unter der Wirkung von nach oben gerichteten Trägheitskräften, wie sie bei der Verzögerung des Kolbens vor dem oberen Totpunkt auftreten, das in den Entsorgungskanälen vorhandene Kühlmittel in die Kühlbohrungen einzuleiten. Dies würde bei der bekannten Anordnung auch zu einer über dem Umfang ungleichmäßigen Kühlung führen, da hier nicht jeder Kühlbohrung ein Entsorgungskanal zugeordnet ist.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass eine gute Ausnutzung der Wärmeaufnahmekapazität des Kühlmittels erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder achsparallelen Kühlbohrung wenigstens ein zur Rücklaufleitung führende Entsorgungskanal zugeordnet ist und dass zumindest der kühlbohrungsseitige Endbereich der Entsorgungskanäle gegenüber der Kolbenachse nach radial außen ansteigend geneigt ist.

Mit diesen Maßnahmen wird die vorstehend genannte Aufgabe auf höchst einfache und kostengünstige Weise gelöst. Aufgrund der Neigung zumindest des kühlbohrungsseitigen Endbereichs der Entsorgungskanäle wird beim Auftreten von nach oben gerichteten Trägheitskräften, wie das beispielsweise bei der Verzögerung des Kolbens vor dem oberen Totpunkt der Fall ist, das in den Entsorgungskanälen enthaltene Kühlmittel und auch das in der Rücklaufleitung hochgedrückte Kühlmittel in die Kühlbohrungen eingespritzt, was dort zu starken Turbulenzen und damit zu einem guten Wärmeübergang führt. Das in die Kühlbohrungen eingespritzte Kühlmittel trifft dabei auf den dem Mündungsbereich in Richtung der Achse gegenüberliegenden Wandbereich der jeweils zugeordneten Kühlbohrung auf und steigt an der Bohrungswand hoch bis zum im Bereich der Kolbenkrone sich befindenden, oberen Bohrungsende, das vom Kühlmittel überstrichen und damit ebenso wie die Bohrungswand gekühlt wird. Hierdurch lässt sich ein besonders guter Kühlungseffekt erreichen, da das eingespritzte Kühlmittel zu den thermisch besonders belasteten Bereichen des Kolbens gelangt. Da jeder Kühlbohrung eine Entsorgungsleitung zugeordnet ist, ergibt sich in vorteilhafter Weise über dem Kolbenumfang eine gleichmäßige Kühlung, wodurch Wärmespannungen innerhalb des Kolbens entgegengewirkt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die Kühlbohrungen vorteilhaft an ihrem unteren Ende durch einen umlaufenden Ringkanal verbunden sein, von dem die zur Rücklaufleitung führenden Entsorgungskanäle abgehen, wobei das ringkanalseitige Ende der Entsorgungskanäle höher als der Boden des Ringkanals angeordnet ist. Dies ergibt in vorteilhafter Weise ein im unteren Kolbenbereich sich befindendes Kühlmittelreservoir, aus welchem das Kühlmittel nicht ablaufen kann. Da sich dieses Kühlmittelreservoir im unteren, kühlen Kolbenbereich befindet, wird das Kühlmittel auch abgekühlt. Beim Auftreten von nach oben gerichteten Trägheitskräften wird das in dem durch den Ringkanal gebildeten Kühlmittelreservoir enthaltende Kühlmittel in die Kühlbohrungen hochgeschleudert und gelangt dabei ebenfalls bis in den Bereich der oberen, der Kolbenkrone zugeordneten Kühlbohrungsenden. Das aus dem durch den Ringkanal gebildeten Kühlmittelreservoir hochgeschleuderte Kühlmittel wird dabei von dem über die Entsorgungskanäle eingespritzen Kühlmittel gequert, wodurch sich eine starke Verwirbelung und Turbulenz ergeben, was sich günstig auf den Wärmeübergang auswirkt.

Vorteilhaft können die Achsen zumindest des kühlbohrungsseitigen Endbereichs jeder Entsorgungskanals und der jeweils zugeordneten Kühlbohrung in einer Ebene angeordnet sein. Diese Maßnahme stellt sicher, dass das in die Kühlbohrungen eingespritzte Öl gut bis in den oberen Endbereich der Kühlbohrungen hochsteigen kann.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, dass die Achse zumindest des kühlbohrungsseitigen Endbereichs der Entsorgungskanäle den gegenüberliegenden Wandbereich der jeweils zugeordneten Kühlbohrung auf der Höhe des oberen Bereichs des Kolbenringpakets trifft. Dieser Bereich unterliegt einer starken thermischen Beanspruchung, die durch das eingespritzte Kühlmittel abgebaut werden kann. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass das Kühlmittel von hier aus auch noch zuverlässig in den oberen Endbereich der Kühlbohrungen gelangen kann.

Vorteilhaft kann zumindest der kühlbohrungsseitige Endbereich der Entsorgungskanäle als Düsenbohrung ausgebildet sein. Dies ergibt den erwünschten Jet-Effekt und damit eine besonders gute Verwirbelung und starke Turbulenzen des Kühlmittels, was sich vorteilhaft auf den Wärmeübergang auswirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Zylinder-Kolbenanordnung eines Zweitakt-Großdieselmotors teilweise im Schnitt und

Fig. 2 den Kolben gemäß Fig. 1 von unten gesehen.

Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind große Kreuzkopf-Motoren, wie Zweitakt-Großdieselmotoren, deren Kolben über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf verbunden ist. Die Fig. 1 zeigt einen in einem Zylinder 1 angeordneten Kolben 2 eines derartigen Motors. Der Kolben 2 ist über eine Kolbenstange 3 mit einem nicht näher dargestellten Kreuzkopf verbunden. Der grundsätzliche Aufbau von großen Kreuzkopf-Motoren ist an sich bekannt und bedarf daher im vorliegenden Zusammenhang keiner weiteren Erläuterung mehr.

Die Kolbenstange 3 ist an ihrem oberen Ende mit einem durch einen Flansch 4 begrenzten Zapfen 5 versehen, der in eine zentrale Ausnehmung 6 des Kolbens 2 eingreift. Die Ausnehmung ist nach oben durch den Kolbenboden 7 und umfangsseitig durch den umlaufenden Kolbenmantel 8 begrenzt, der mit dem radial inneren Bereich seines unteren Rands auf dem Flansch 4 der Kolbenstange 3 aufsitzt. Der Kolbenmantel 8 ist mit ein Kolbenringpaket 9 bildenden, umfangsseitig umlaufenden Kolbenringen versehen und radial außerhalb des Flansches 4 durch ein angesetztes Kolbenhemd 10 verlängert, das mit einem radial inneren Bund 11 am Flansch 4 der Kolbenstange 3 anliegt.

Außerhalb seines auf dem Flansch 4 der Kolbenstange 3 aufsitzenden Bereichs ist der Kolbenmantel 8 mit achsparallelen Kühlbohrungen 12 versehen, die bis in den oberen Kolbenbereich reichen. Das obere, kuppelförmige Ende der Kühlbohrungen 12 befindet sich dicht unterhalb der randseitigen Kolbenkrone 13. Die Kühlbohrungen 12 sind, wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, gleichmäßig über den Umfang verteilt und dicht nebeneinander angeordnet, so dass der Kolben 2 praktisch auf seinem ganzen Umfang gekühlt werden kann.

Das oberen Ende der achsparallelen Kühlbohrungen 12 ist durch jeweils eine den benachbarten Bereich des umlaufenden Kolbenmantels 8 durchquerenden Versorgungskanal 14 mit der zentralen Ausnehmung 6 verbunden. Diese ist über eine in der Kolbenstange 3 vorgesehene, zentrale Steigleitung 15 mit Kühlmittel beaufschlagbar. Dieses wird in an sich bekannter Weise der Steigleitung 15 über ein den Kreuzkopf durchsetzendes Bohrungssystem zugeführt. Die zentrale Ausnehmung 6 des Kolbens 2 fungiert dabei als Verteilerkammer, von der aus das Kühlmittel über die Versorgungskanäle 14 den Kühlbohrungen 12 zugeführt wird, wie durch Strömungspfeile angedeutet ist.

Die Kühlbohrungen 12 sind hier an ihrem unteren Ende durch einen umlaufenden Ringkanal 16 miteinander verbunden, der teilweise in den Kolbenmantel 8 und teilweise in das Kolbenhemd 10 eingearbeitet ist und dessen radial innere Begrenzung unterhalb des Kolbenmantels 8 durch die Umfangsfläche des Flansches 4 der Kolbenstange 3 gebildet wird.

Vom Ringkanal 16 gehen den Flansch 4 der Kolbenstange 3 durchquerende Entsorgungskanäle 17 ab, die zu einer in der Kolbenstange 3 vorgesehenen, die zentrale Steigbohrung 15 ringförmig umgebenden Rücklaufleitung 18 führen. Die Entsorgungskanäle 17 sind hier als den Flansch 4 durchquerende Bohrungen ausgebildet, die gegenüber der Kolbenachse so geneigt sind, dass sich ein nach radial außen ansteigender Verlauf ergibt. Hierdurch wird ein vergleichsweise großer, mittlerer Abstand der die Entsorgungskanäle 17 bildenden Bohrungen von der Aufsitzfläche des Kolbenmantels 8 auf dem Flansch 4 erreicht, wie in Fig. 1 bei a angedeutet ist.

Jeder Kühlbohrung 12 ist ein Entsorgungskanal 17 zugeordnet. Die Achsen jeder Kühlbohrung 12 und der den zugeordneten Entsorgungskanal 17 bildenden Bohrung befinden sich dabei jeweils in einer Ebene, wie aus Fig. 2 erkennbar ist. Die als den Flansch 4 der Kolbenstange 3 durchquerende Bohrungen ausgebildeten Entsorgungskanäle 17 gehen, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, vom Ringkanal 16 ab. Das ringkanalseitige Ende der die Entsorgungskanäle 17 bildenden Bohrungen befindet sich dabei mit Abstand h oberhalb des durch den Bund 11 gebildeten Bodens des Ringkanals 16. Dieser Abstand beträgt zweckmäßig ein 1/15 bis 1/10 des Kolbendurchmessers und liegt vorzugsweise bei /12 des Kolbendurchmessers. Die Entsorgungskanäle 17 bilden dementsprechend Überlaufkanäle, die einen in Fig. 1 durch eine Niveaulinie 19 angedeuteten Flüssigkeitsstand im Ringraum 16 ermöglichen.

Das der zentralen Ausnehmung 6 des Kolbens 2 über die Steigleitung 15 zugeführte Kühlmittel gelangt über die Versorgungskanäle 14 in die Kühlkanäle 12 und wird über die Entsorgungskanäle 17 zur Rücklaufleitung 18 zurückgeführt, die mit dem Rücklaufast des dem Motor zugeordneten Kühlsystems verbunden ist. Da der ringkanalseitige Eingang der Entsorgungskanäle 17 gegenüber dem Boden des Ringkanals 16 um den Abstand h erhöht positioniert ist, wird im Ringkanal 16 Kühlmittel zurückgehalten, das über die Entsorgungskanäle 17 nicht ablaufen kann. Es bildet sich dementsprechend ein durch die Niveaulinie 19 angedeutetes Kühlmittelreservoir.

Wenn auf das im Kolben 2 und in der Kolbenstange 3 enthaltene Kühlmittel nach oben gerichtete Trägheitskräfte wirken, was bei der Verzögerung des Kolbens vor Erreichen des oberen Totpunkts der Fall ist, wird das das Kühlmittelreservoir 19 bildende Kühlmittel in die vom Ringkanal 16 abgehenden und dementsprechend gegenüber dem Ringkanal 16 offenen Kühlbohrungen 12 hochgeschleudert.

Dieses Kühlmittel streicht dabei auch am oberen, kuppelförmigen Endbereich der Kühlbohrungen 12 vorbei, wodurch die Kolbenkrone 13 eine zusätzliche Kühlung erhält. Gleichzeitig wird infolge der nach oben gerichteten Trägheitskräfte auch das in den Entsorgungkanäle 17 enthaltene Kühlmittel und das in der Rücklaufleitung 18 von unten hochgedrückte und auf die Entsorgungsleitung 17 verteilte Kühlmittel entgegen der normalen Entsorgungsrichtung dem Kolben 2 zugeführt.

Der Durchmesser der die Entsorgungskanäle 17 bildenden Bohrungen ist dabei so klein, dass sich ein sogenannter Jet-Effekt ergibt. Das in den Kolben zurückgeförderte Kühlmittel wird dementsprechend düsenartig eingespritzt, was eine gute Verwirbelung und starke Turbulenzen erzeugt und damit einen guten Wärmeübergang gewährleistet. Da sich der Eingang der Entsorgungskanäle 17 im oberen Bereich des Ringkanals 16 befindet und die die Entsorgungskanäle 17 bildenden Bohrungen nach radial außen ansteigen, erfolgt eine Einspritzung des Kühlmittel in die Kühlbohrungen 12, in denen das Kühlmittel weiter hochsteigt. Da jeder Kühlbohrung 12, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ein Entsorgungskanal 17 zugeordnet ist, wird jede Kühlbohrung 12 entsprechend beaufschlagt, was eine gleichmäßige Kühlwirkung über dem ganzen Kolbenumfang gewährleistet.

Der Neigungswinkel der die Entsorgungskanäle 17 bildenden Bohrungen gegenüber der Kolbenachse ist so bemessen, dass das von jedem Entsorgungskanal 17 in die jeweils zugeordnete Kühlbohrung 12 eingespritzte Kühlmittel im oberen Bereich des Ringpakets 9 auf den dem ringkanalseitigen Ende des Entsorgungskanals 17 gegenüberliegenden Wandbereich der jeweils zugeordneten Kühlbohrung 12 auftrifft, was eine gute Kühlung dieses thermisch hochbelasteten Bereichs gewährleistet. Da die Achsen jeder Kühlbohrung 12 und der den jeweils zugeordneten Entsorgungskanal 17 bildenden Bohrung in einer Ebene liegen, kann das eingespritzte Kühlmittel auch leicht an der Wandung der zugeordneten Kühlbohrung 12 hochsteigen. Auch dieses hochsteigende Kühlmittel streicht am oberen Endbereich der Kühlbohrung 12 vorbei, wodurch die thermisch ebenfalls sehr stark beanspruchte Kolbenkrone 13 eine zusätzliche Kühlung erfährt. Gleichzeitig bewirkt der eingespritzte Kühlmittelstrahl eine starke Verwirbelung und Turbulenz, was einen guten Werbeübergang gewährleistet.

Der lichte Querschnitt der Steigleitung 15 entspricht etwa dem lichten Querschnitt der Rücklaufleitung 18. Dieser Querschnittsfläche entspricht in etwa auch die Summe aller Querschnitte der Versorgungskanäle 14 bzw. der Entsorgungskanäle 17. Da jeder Kühlbohrung 12 ein Entsorgungskanal 17 zugeordnet ist, ergibt sich, wie aus Fig. 2 erkennbar ist, automatisch ein vergleichsweise kleiner Durchmesser der die Entsorgungskanäle 17 bildenden Bohrungen und damit der gewünschte Jet-Effekt.

Vorstehend ist zwar ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, ohne dass jedoch hiermit eine Beschränkung verbunden sein soll. Vielmehr stehen dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, um den allgemeinen Gedanken der Erfindung an die Verhältnisse des Einzelfalls anzupassen. So wäre es beispielsweise ohne Weiteres möglich, jeder Kühlbohrung 12 auch mehr als eine Entsorgungsleitung 17 zuzuordnen. Ebenso könnte in einfachen Fällen auf den am unteren Ende der Kühlbohrungen 12 vorgesehenen Ringkanal verzichtet werden. Zur Bildung eines Kühlmittelreservoirs könnten einfach die Kühlbohrungen 16 genügend tief ausgeführt werden, d. h. das untere Ende der Kühlbohrungen 16 wäre dabei etwa um, den Abstand h unterhalb dem Eingang der Entsorgungskanäle positioniert.

Claims (11)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem in einem Zylinder (1) angeordneten, mit umfangsseitig umlaufenden Kolbenringen versehenen Kolben (2), der auf einer vorzugsweise mit einem Flansch (4) versehenen Kolbenstange (3) aufgenommen ist und mit einer mit Kühlmittel beaufschlagbaren, in der Kolbenstange (3) vorgesehenen Steigleitung (15) kommunizierende, im Bereich des umlaufenden Kolbenmantels (8) vorgesehene, achsparallele Kühlbohrungen (12) aufweist, die über radiale Entsorgungskanäle (17) mit einer in der Kolbenstange (3) vorgesehenen Rücklaufleitung (18) kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass jeder achsparallelen Kühlbohrung (12) wenigstens ein zur Rücklaufleitung (18) führender Entsorgungskanal (17) zugeordnet ist und dass zumindest der kühlbohrungsseitige Endbereich der Entsorgungskanäle (17) gegenüber der Kolbenachse nach radial außen ansteigend geneigt ist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende der Kühlbohrungen (12) ein Kühlmittelreservoir (19) vorgesehen ist.

3. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (12) an ihrem unteren Ende durch einen umlaufenden Ringkanal (16) miteinander verbunden sind, von dem die Entsorgungskanäle (17) abgehen, und dass das diesem zugewandte Ende der Entsorgungskanäle (17) höher als der Boden des Ringkanals (16) angeordnet ist.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des ringkanalseitigen Endes der Entsorgungskanäle (17) vom Boden des Ringkanals (16) im Bereich zwischen 1/15 bis 1/10 des Kolbendurchmessers liegt, vorzugsweise 1/12 des Kolbendurchmessers beträgt.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des ringkanalseitigen Endes der Entsorgungskanäle (17) vom Boden des Ringkanals (16).

6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen zumindest des oberen Endbereichs jedes Entsorgungskanals (17) und der jeweils zugeordneten Kühlbohrung (12) in einer Ebene liegen.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse zumindest des oberen Endbereichs der Entsorgungskanäle. (17) den gegenüberliegenden Wandbereich der jeweils zugeordneten Kühlbohrung (12) auf der Höhe des oberen Bereichs des Kolbenringpakets (9) trifft.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der obere Endbereich der Entsorgungskanäle (17) als Düsenbohrung ausgebildet ist.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entsorgungskanäle (17) auf ihrer ganzen Länge nach radial außen ansteigend geneigt sind.

10. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entsorgungskanäle (17) als den Flansch (4) der Kolbenstange (3) durchgreifende, gerade Bohrungen ausgebildet sind.

11. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der lichten Querschnitte aller Entsorgungskanäle (17) der lichten Querschnittsfläche der Steigleitung (15) bzw. der Rücklaufleitung (18) entspricht.