-
Tauchkolben einer Brennkraftmaschine
-
Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben, der über einen in eine Querbohrung
eingesetzten Kolbenbolzen an eine Pleuelstange und über diese an eine Kurbewelle
einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist, mit Merkmalen, wie im Oberbegriff des
Anspruches 1 angegeben.
-
Derartige Tauchkolben werden insbesondere in schwerölbetriebenen Großdieselmotoren
eingesetzt, in denen Zünddrücke über 100 bar auftreten. Dabei weist der Tauchkolben
im oberen Bereich seines Kolbenhemdes ein Kolbenringpaket auf, das aus mehreren
voneinander beabstandeten Kompressionsringen und einem, den unteren Abschluß desselben
bildenden, in einer Ölabführnut sitzenden und mit ringsum gleichmäßiger Kraft gegen
die zugehörige Zylinderbohrungswand vorgespannten Ölabstreifring besteht. Das Kolbenhemd
dieser Tauchkolben ist in Achsrichtung gesehen ballig ausgebildet und im Bereich
der Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung im Querschnitt ovalisiert. Bedingt
hierdurch bilden
jene Umfangsbereiche der Kolbenhemdaußenwand, die
der Druck- und Gegendruckseite des Tauchkolbens zugeordnet sind, mit der Zylinderwand
einen kleineren Spalt als jene dazwischenliegenden Umfangsbereiche der Kolbenhemdaußenwand,
die die Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung umgeben. Im untersten triebwerksseitigen
Endbereich ist das Kolbenhemd wieder weitestgehend kreisförmig. Bei solchen bekannten
Tauchkolben wird der Schmierölverbrauch durch den mit bestimmter Kraft ringsum gleichmäßig
gegen die Zylinderwand vorgespannten Ölabstreifring am unteren Ende des Kolbenringpaketes
gesteuert. Obschon dieser Ölabstreifring an sich wegen seiner gleichmäßigen Vorspannkraft
von der Zylinderwand ringsum von dem an der Zylinderbohrungswand anhefteten Schmierölfilm
überall eine gleichmäßige Menge abtragen soll, ist dies in der Praxis nicht möglich.
-
Letzteres deshalb, weil sich, bedingt durch die Balligkeit und Ovalisierung
des Tauchkolbens, in den somit unterschiedlich breiten Spalten zwischen Kolbenhemdaußenwand
und Zylinderbohrungswand ein unterschiedlich dicker Schmierfilm ausbildet, der am
Umfang verteilt gesehen, bei Bewegung des Tauchkolbens unterschiedliche hydraulische
Kräfte entwickelt. Darüberhinaus wird auch beim Kippen des Tauchkolbens von dem
auf der Druck- und Gegendruckseite desselben angeordneten Schmierölfilm ein Teil
desselben zu den Umfangsbereichen hin verdrängt, die im Bereich um die Öffnungen
der Kolbenbolzenaufnahmebohrung liegen. Hierdurch wird einerseits die sich dort
sammelnde Schmierölmenge vergrößert, andererseits in Bereichen der Druck- und Gegendruckseite
die dort vorher vorhandene Schmierölmenge reduziert.
-
Dies bedeutet, daß gerade an den Stellen des Tauchkolbens, wo keine
so intensive Schmierung notwendig ist, immer relativ zu viel Schmieröl vorhanden
ist. Außerdem bedeutet dies, daß gerade an den Stellen, nämlich auf der Druckseite
und Gegendruckseite des Tauchkolbens, die intensiv geschmiert werden müssen, relativ
wenig Schmieröl an der Zylinderbohrungswand verbleibt, so daß immer die Gefahr eines
Trockenlaufens mit der Folge von Kolbenfressern besteht.
-
Es sind nun aus der Literatur auch schon Tauchkolben bekanntgeworden
- siehe beispielsweise die US-PS 2046789 -, bei denen unterhalb der Öffnungen der
Kolbenbolzenaufnahmebohrung eine ringsumlaufende Öl fangrinne mit Ölabführbohrungen
vorgesehen ist, über die Schmieröl ins Kolbeninnere abführbar ist. Dies ändert jedoch
nichts an der Tatsache der für den Betrieb negativen Auswirkung, die der am unteren
Ende des Kolbenringpaketes angeordnete Ölabstreifring verursacht, denn ein solcher
Ölabstreifring ist auch beim Kolben nach der US-PS 2046789 vorhanden.
-
Darüberhinaus ist aus der DE-PS 927544 ein weiterer Tauchkolben für
Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem am unteren Ende des Kolbenringpaketes ein erster,
oberer Ölabstreifring sowie am unteren Ende des Kolbenhemdes ein weiterer, unterer
Ölabstreifring vorgesehen ist.
-
Jeder der Ölabstreifringe sitzt dabei in einer Ringnut, die von Bohrungen
durchsetzt ist, über die das abgestreifte Schmieröl ins Kolbeninnere abführbar ist.
-
Darüberhinaus sind an diesem bekannten Tauchkolben kurz unterhalb
des oberen Ölabstreifringes und im Bereich
oberhalb der Öffnungen
der Kolbenbolzenaufnahmebohrung zwei sich etwa über einen Winkelbereich von 90"
erstreckende, ins Kolbenhemd eingearbeitete Ölfangrillen vorhanden. An jedem Ende
einer solchen Ölfangrille ist eine relativ durchmessergroße Ölabführbohrung vorhanden,
über die das von der jeweiligen Ölfangrille gesammelte Schmieröl ins Kolbeninnere
abführbar ist.
-
Dieser bekannte Kolben besitzt eine Reihe von Nachteilen, die eine
Anwendung der dort offenbarten Technologie für hochbelastete Tauchkolben nicht möglich
erscheinen lassen. Diese Nachteile sind nachfolgend skizziert.
-
Durch die oberhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenbohrung ausgebildete
Ölfangrinne ist für den Fall keine wirksame Ölabfuhr möglich, wenn der Tauchkolben
so wie heute üblich in Bereichen um die Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung
ovalisiert ist und deshalb die Kolbenhemdaußenwand in diesem Bereich gegenüber der
Zylinderbohrungswand relativ weit zurückgenommen ist.
-
Damit wären zwangsläufig auch die Kanten der Öl fangrinne relativ
weit gegenüber der Zylinderbohrungswand zurückgenommen, so daß bedingt durch den
relativ großen Abstand praktisch keine Ölabstreifwirkung erzielbar ist. Außerdem
ist die Anbringung von Ölablaufbohrungen an den beiden Enden der jeweiligen Ölfangrille
wegen der hohen Zünddruckbeaufschlagung, die bei modernden Großdieselmotoren regelmäßig
über 100 bar liegt, aus Sicherheitsgründen nicht zulässig. Diese Ölablaufbohrungen
würden im Motorbetrieb, bedingt durch die Deformation des Tauchkolbens ovalisiert.
Die in diesem Bereich
auftretenden Spannungen würden die zulässige
Grenze übersteigen, so daß sich Risse ergäben, die wiederum Kolbenfresser hervorrufen
könnten. Generell kann somit gesagt werden, daß Durchbrüche im Kolbenhemd oberhalb
der Öffnungen der Kolbenbolzenbohrung aus Sicherheitsgründen grundsätzlich nicht
vertretbar sind.
-
Was die untere Ringnut mit dem darin eingesetzten unteren Ölabstreifring
anbelangt, so sind auch diesbezüglich verschiedene Nachteile aufzuzeigen. Die heute
angestrebten, relativ niedrigen Schmierölverbräuchen in der Größenordnung von 0,4
g/PSh bedingen sehr kleine Schmierölmengen an den Zylinderlaufflächen. Durch einen
gleichmäßig ringsum am unteren Ende des Tauchkolbens vorgespannten Ölabstreifring
wird dabei von vornherein der an der Zylinderbohrungswand anhaftende Schmierölfilm
auf eine kritisch dünne Dicke im Bereich der Druck- und Gegendruckseite des Tauchkolbens
gebracht, weil durch das Kippen des Tauchkolbens der vorhandene Ölfilm zwangsläufig
von der Druckseite und Gegendruckseite desselben zu Laufbereichen unterhalb und
oberhalb der Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung verdrängt wird. Die hochbelasteten
Tragseiten des Kolbenhemdes mit der zugehörigen Ringpartie können hierdurch partiell
trockenlaufen. Erfahrungen mit solchen Lösungen zeigen, daß damit zwar eine Ölverbrauchsreduzierung
möglich ist, aber generell Kolbenfresser begünstigt werden.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für eine Ölverbrauchsreduzierung
an einem Tauchkolben der eingangs definierten Art solche Maßnahmen vorzusehen, daß
die
Laufflächen der Zylinder und Kolbenringe immer ausreichend
auf den tragenden Seiten gezielt geschmiert bleiben, unnötiges Schmieröl an weniger
belasteten Umfangsbereichen von Tauchkolben und Zylinderbohrungswand möglichst vollständig
abgestreift wird, ferner der Tauchkolben in seiner Stabilität nicht gefährdet und
trotzdem ein insgesamt verbessertes Laufverhalten desselben erziel bar ist.
-
Diese Aufgabe ist bei einem Tauchkolben der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Durch die am unteren Ende des Kolbenhemdes vorgesehene Ölfangrinne
wird beim Kolbenhub von dem an der Zylinderbohrungswand ringsum anhaftenden Schmierölfilm
nur in ihrem winkelmäßigen Erstreckungsbereich Schmieröl in einer bestimmten Dicke
abgestreift und in das Kolbeninnere abgeführt. In den anderen, der Druck- und Gegendruckseite
des Tauchkolbens zugeordneten Umfangsbereichen dagegen bleibt der Ölfilm in seiner
Dicke erhalten. Der am unteren Ende des Ringpaketes vorhandene Ölabstreifring reduziert
wegen seiner ringsum gleichmäßigen Vorspannkraft den noch verbleibenden unterschiedlich
dicken Ölfilm weiter, und zwar gezielt auf ein gewünschtes Maß, das für ausreichende
Schmierung der Kolbenringe, der Zylinderbohrungswand und des Kolbenhemdes genügt.
Die Vorspannung dieses Ölabstreifringes ist erfindungsgemäß deshalb zurücknehmbar
gegenüber vergleichbaren Ölabstreifringen, weil eine Anhäufung von Ö1 in den Laufbereichen
des Tauchkolbens um die Öffnungen der Kolbenbolzenaufnahmebohrung durch das
Vorabstreifen
des in diesem Bereich gegebenen Schmieröles vermieden ist. Zum Vergleich: bei konventionellen
Kolben war bisher das in diesen Bereichen in großer Menge und Filmdicke vorhandene
Schmieröl das Kriterium für die Vorspannkraft des Ölabstreifringes, mit dem weiter
vorn bereits erwähnten Nachteil, daß dort, wo das Schmieröl unbedingt notwendig
war, nämlich auf der Druckseite und Gegendruckseite des Tauchkolbens, zwangsläufig
zuviel abgestreift und damit der Ölfilm zu dünn wurde. Bedingt durch die Vorabstreifung
des Schmieröles über die erfindungsgemäß angeordneten Ö1-fangrinnen an Umfangsbereichen,
wo keine so intensive Schmierung notwendig ist, kann die Vorspannkraft des Ölabstreifringes
erfindungsgemäß genau auf jenes Maß der gewünschten Ölfilmdicke in den tragenden
Bereichen des Tauchkolbens eingestellt werden, und dies, ohne dabei den Ölverbrauch
zu erhöhen. Es ist damit eine gezielte Schmierölfilmdickensteuerung gewährleistet.
Im Motorbetrieb ist bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung damit sowohl eine
Zwickelverschleißminderung, als auch eine Kolbenverschleißreduzierung sowie eine
längere Lebensdauer der Kolbenringe bei minimiertem Ö1-verbrauch erzielbar.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Details der erfindungsgemäßen Lösung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Nachstehend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand zweier in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig.
1: eine Seitenansicht eines Tauchkolbens nach einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, Fig. 2: einen Schnitt durch den Tauchkolben von Fig. 1 entlang der dort
eingezeichneten Schnittlinie 11-11, Fig. 3: eine Seitenansicht eines Tauchkolbens
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4: einen Schnitt durch
den Tauchkolben von Fig. 3 entlang der dort eingetragenen Schnittlinie IV-IV, Fig.
5: einen Querschnitt durch den Tauchkolben nach Fig. 1 und 3 entlang der dort eingezeichneten
Schnittlinie V-V.
-
In den Figuren ist insgesamt mit 1 ein Tauchkolben bezeichnet, der
über einen in eine querdurchgehende Aufnahmebohrung 2 eingesetzten Kolbenbolzen
3 (Fig. 5) an eine Pleuelstange 4 (Fig. 5) und über diese an eine nicht dargestellte
Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Mit 5 ist der Kolbenboden,
mit 6 (Fig. 5) das Kolbenhemd und mit 7 die Kolbenhemdaußenwand bezeichnet. In den
Fig. 1 bis 4 ist der Tauchkolben 1 alleine, in Fig. 5 dagegen über den Kolbenbolzen
3 an die Pleuelstange 4 angeschlossen dargestellt.
-
Der Tauchkolben 1 weist im oberen Bereich seines Kolbenhemdes 6 ein
Kolbenringpaket auf, das aus mehreren voneinander beabstandeten, in Ringnuten eingesetzten
Kompressionsringen 8, 9, 10 und einem, den unteren Abschluß bildenden, in einer
Ölabführnut sitzenden und mit ringsum gleichmäßiger Kraft gegen die Zylinderbohrungswand
11 (Fig. 5) vorgespannten Ölabstreifring 12 besteht. Auch wenn in der Zeichnung
als solches nicht ersichtlich, weil zeichnerisch nicht hinreichend klar darstellbar,
so ist die Kolbenhendaußenwand 7 trotzdem in Achsrichtung gesehen ballig ausgebildet.
Diese Balligkeit erstreckt sich, wie in den Fig. 1 und 3 angedeutet, am Tauchkolben
1 über eine Höhe H1 der Kolbenhemdaußenwand 7. Außerdem ist die Kolbenhemdaußenwand
7 des Tauchkolbens 1 im Bereich um die nach Einsetzen des Kolbenbolzens 3 vor dessen
beiden axialen Endflächen noch verbleibenden Öffnungen 13, 14 der Kolbenbolzenaufnahmebohrung
2 im Querschnitt ovalisiert.
-
Höhe und Lage dieser aus Fig. 5 gut ersichtlichen Ovalisierung am
Tauchkolben 1 sind in Fig. 1 und 3 durch die Höhe H2 angegeben. Bedingt durch diese
Ovalisierung des Tauchkolbens 1 in diesem Höhenbereich H2 sind zwischen den Umfangsbereichen
15, 16 (Fig. 5) der Kolbenhemdaußenwand 7, die der Druckseite und Gegendruckseite
des Tauchkolbens 1 zugeordnet sind, und der Zylinderbohrungswand 11 Spalte 17 und
18 gegeben, die kleiner sind, als jene Spalte 19, 20, die in dazwischenliegenden
Umfangsbereichen 21, 20 der Kolbenhemdaußenwand 7 und der Zylinderbohrungswand 11
gegeben sind. Diese Umfangsbereiche 21, 22 erstrecken sich in Umfangsrichtung gesehen
jeweils gleichmäßig beiderseits
der nach Einsetzen des Kolbenbolzens
3 vor dessen beiden axialen Endflächen noch verbleibenden Öffnungen 13, 14 der Kolbenbolzenaufnahmebohrung
2. In ihrem untersten triebwerkseitigen Endbereich dagegen, der in den Fig. 1 und
3 durch die Höhe H3 angegeben ist, ist die Kolbenhemdaußenwand 7 wieder weitestgehend
kreisförmig. Im Arbeitstakt des Tauchkolbens wird dessen Kolbenhemd wegen der einwirkenden
Zündkräfte so deformiert, daß die unterhalb der Öffnungen 13, 14 liegenden Wandflächenteile
nach außen gehen. Die Kolbenhemdaußenwand ist also in ihrem untersten Bereich (H3)
nur leicht ovalisiert, so weit, daß sich im Arbeitstakt infolge der Deformation
in diesem untersten Bereich die gewünschte Kreisform einstellt.
-
Entsprechend einem Kriterium der Erfindung ist im Kolbenhemd 6 unterhalb
jeder der beiden Öffnungen 13, 14 der Kolbenbolzenaufnahmebohrung 2 im wieder zumindest
nahezu kreisförmigen Endbereich (H3) eine sich jeweils über einen Umfangswinkelbereich
CX C 90C erstreckende und bei der Kolbenhubbewegung nur in diesem Winkelbereich
CX Schmieröl von der Zyinderbohrungswand 11 abstreifende und ins Kolbeninnere abführende
Ölfangrinne 23 vorgesehen. Diese Öifangrinne 23 begünstigt darüber hinaus die Kreisformbildung
des Kolbenhemdes im untersten Bereich (H3) bei Einwirkung der Zündkräfte im Arbeitstakt
des Tauchkolbens.
-
Beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 und 2 ist jede der beiden Ölfangrinnen
23 durch eine das Kolbenhemd 6 im angegebenen Winkelbereich z vollständig durchsetzende,
sich im wesentlichen senkrecht zur Tauchkolbenlängsachse erstreckende Quernut 24
gebildet.
-
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4 ist jede der beiden Ölfangrinnen
23 durch eine im angegebenen Winkelbereich CR das Kolbenhemd 6 mit einer etwa bis
zur Hälfte von dessen Wandstärke reichenden Tiefe eingearbeiteten Querrille 25 mit
von deren Boden 26 durch den Rest der Kolbenhemdwand führende Querbohrungen 27 gebildet.
-
Die axiale Breite der Quernut 24 bzw. Querrille 25 beträgt etwa das
1,5- bis 2-fache der Höhe des Ölabstreifringes 12.
-
Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Kriterium ist die Vorspannkraft
des am unteren Ende des Kolbenringpaketes angeordneten Ölabstreifringes 12 reduziert
sowie an die geringere noch abzustreifende Ölmenge und an eine, in den der Druck-
und Gegendruckseite des Tauchkolbens 1 zugeordneten Laufbereichen 15, 16 an der
Zylinderbohrungswand 11 gewünscht kleine, aber ausreichende Schmierung sicherstellende,
Ölfilmdicke angepaßt eingestellt.
-
Durch die Kombination dieser beiden erfindungsgemäßen Maßnahmen ist
eine in jeder Beziehung ausreichende Schmierung und trotzdem ein geringerer Schmierölverbrauch
im Motorenbetrieb erzielbar. Einzelheiten und Wirkungen der erfindungsgemäßen Lösung
sind bereits in der Beschreibungseinleitung ausreichend diskutiert.