DE69700999T2

DE69700999T2 - Kolben für verbrennungsmotor, insbesondere schiffsdieselmotoren

Info

Publication number: DE69700999T2
Application number: DE69700999T
Authority: DE
Inventors: Erik Crone
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: HRP970523B1; CN1225153A; ES2141613T3; NO990301L; WO1998014697A1; EP0901570B1; JP3320743B2; PL185455B1; DK173117B1; NO322997B1; HRP970523A2; KR100333007B1; RU2153090C1; AU4294897A; DE69700999D1; CN1079900C; NO990301D0; JP2000503093A; DK106896A; PL331490A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Schiffsdieselmotor, des Typs, welcher als kraftübertragendes Element zwischen dem Kolben und der Kolbenstange eine ringförmige Rippe integral mit dem Kolbenkopf aufweist, wobei in einem ringförmigen Bereich zwischen der Seitenwand des Kolbens, welche vom Kolbenkopf nach unten verläuft und welche mit äußeren Kolbenringen versehen ist, und der Rippe Halteelemente vorgesehen sind, die nach unten hin in einer konischen Wand enden, die von Bohrungen durchsetzt ist, welche sich im wesentlichen parallel zur Kolbenachse erstrecken, wobei durch die Bohrungen Kühlöl fließen kann, und wobei die konische Wand im axialen Schnitt des Kolbens mit der Seitenwand mittels eines abgerundeten Wandabschnitts verbunden ist.
Kolben dieses Typs werden in Verbindung mit langsamen Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotoren verwendet. Über die Jahre hinweg ist es möglich gewesen, die Leistungsabgabe dieser Motoren durch Steigern des effektiven mittleren Drucks zu erhöhen. Diese Erhöhung der Leistungsabgabe führt zu einer entsprechenden Belastung des Kolbenkopfs und folglich derjenigen Teile des Kolbens, die die Belastung auf die Kolbenstange übertragen sollen. Da die Belastung in einem sehr hohen Grade dynamisch ist, müssen die Halteelemente des Kolbens so konstruiert sein, daß sie einer Rißbildung widerstehen. Die höhere Belastung stellt auch große Anforderungen an die Kühlung des Kolbens, weshalb eine Verstärkung des Kolbens nicht allein durch Vergrößerung der Wanddicke in den exponierten Stellen erfolgen kann. Ein besonders exponierter Bereich ist der Übergang zwischen der Seitenwand des Kolbens und den Halteelementen, die die Kräfte von den äußeren Bereichen des Kolbenkopfs zu der kraftübertragenden Rippe übertragen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Kolbens vom anfänglich erwähnten Typ, bei dem das Risiko von Brüchen in dem kritischen Bereich reduziert worden ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch den Kolben erfüllt, der durch den Gegenstand von Anspruch 1 charakterisiert ist.
Es hat sich überrraschenderweise herausgestellt, daß eine Konstruktion, bei der die Wanddicke der Seitenwand des Kolbens im kritischen Bereich reduziert worden ist, zu kleineren dynamischen Zugbelastungen auf den Kolben führt. Die reduzierte Wanddicke wird in der Praxis als eine Hinterschneidung der Seitenwand in dem Bereich ausgeführt, in dem die Halteelemente mit einer Abrundung auf die Seitenwand treffen. Die Hinterschneidung und die Abrundung ziehen eine Trennung der dynamisch am stärksten belasteten Bereiche der Konstruktion nach sich, was trotz der Tatsache, daß die absolute Belastung nicht reduziert ist, zu einem erheblich reduzierten Bruchrisiko führt.
Gemäß der Erfindung ist der abgerundete Wandabschnitt in den Seitenwandabschnitt mit reduzierter Wanddicke ausgedehnt. Durch dieses Auslegungsmerkmal kann der Radius der Abrundung im Vergleich zu den in der Einleitung genannten Ausführungsformen vergrößert werden, und die Empfindlichkeit für dynamische Belastung wird reduziert.
Um die am größten belasteten Abschnitte in dem kritischen Bereich zwischen der Seitenwand des Kolbens und der konischen Wand zu trennen, weist der abgerundete Abschnitt im axialen Schnitt des Kolbens im wesentlichen die Gestalt eines Kreises auf, dessen Mittelpunkt so positionierbar ist, daß er von der Achse des Kolbens weiter weg ist als jeder Teil der Kühlbohrungen.
Gemäß der Erfindung liegt der Winkel zwischen der konischen Wand und der Kolbenachse vorzugsweise zwischen 30 und 60º. Mit einem derartigen Winkel erhalten die Kühlbohrungen mit der konischen Fläche eine derartige ungefähr elliptische. Schnittfläche, daß eine geeignete Entfernung zwischen den dynamisch am stärksten belasteten Bereichen optimal erzielt werden kann.
Die Anordnung gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere für Kolben mit einem großen oberen Abschnitt, d. h., daß der Seitenwandabschnitt, in dem die Kolbenringe positioniert sind, nahe am unteren Ende der Seitenwand liegt. Gemäß der Erfindung ist der Bereich mit der reduzierten Wanddicke der Seitenwand näher am Kolbenkopf als die Kolbenringe angeordnet. Gemäß der Erfindung wird bevorzugt, daß der Bereich der Seitenwand mit verringerter Dicke sich von ungefähr ~ Kolbenringhöhe über dem obersten Kolbenring zum abgerundeten Wandabschnitt erstreckt.
Der Bereich mit reduzierter Wanddicke wird auf einfache Weise durch Drehen ausgeführt, falls der Bereich mit reduzierter Dicke durch den abgerundeten Wandabschnitt und eine konische Fläche definiert ist, wobei der Winkel zwischen der Kolbenachse und der Führung der konischen Fläche 5-25º beträgt.
Die Erfindung wird nun unten anhand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen halben axialen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines oberen Abschnitts für einen Kolben gemäß der Erfindung und
Fig. 2 einen halben axialen Schnitt durch eine zweite Ausführung eines oberen Abschnitts für einen Kolben gemäß der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte Kolbenoberabschnitt umfaßt einen Kolbenkopf 1, der integral mit einer nach unten verlaufenden ringförmigen Rippe 2 ist, die an ihrer nach unten verlaufenden Endfläche 3 ausgelegt ist, um an einem Flansch an einer Kolbenstange mit Hilfe einer Anzahl von Bolzen befestigt zu werden, die in die Löcher 4 eingesetzt werden. Die Rippe 2 dient somit dem Zweck der Übertragung der auf den Kolbenkopf wirkenden Kräfte auf die Kolbenstange. Integral mit dem Kolbenkopf 1 ist außerdem eine sich nach unten erstreckende Seitenwand 5 angeordnet, die an einem Teil ihrer Höhe mit einer Anzahl von Nuten 6 zur Aufnahme von Kolbenringen versehen ist. An der unteren Endfläche 7 der Seitenwand 5 ist eine Anzahl von mit Gewinde versehenen Bolzenlöchern 8 vorgesehen, wobei die Löcher den Zweck des Befestigens eines unteren Teils dienen, der die Unterseite des Kolbens bildet und der am Boden den inneren Hohlraum des Kolbens abschließt. In dem Bereich zwischen der Seitenwand 5 und der Ringwand 2 ist ein Umfangszwischenraum 9 vorgesehen, der oben mit Hilfe eines Kreises von Bohrungen 10 verlängert ist. Die Bohrungen 10 sind mit dem Zwischenraum 11 innerhalb der Ringwand 2 mit Hilfe von Kanälen 12 verbunden. Kühlöl, das durch einen Kanal in der Kolbenstange hoch in den mittleren Hohlraum 11 befördert wird, kann durch die Kanäle 12 in die Bohrungen 10 eingespritzt werden, von wo aus das Öl durch den Zwischenraum 9 zu einem Rückkanal in der Kolbenstange befördert wird.
Zwischen den Bohrungen 10 sind Wände 13 vorgesehen, die als Halteelemente zwischen der Seitenwand 5 und der ringförmigen Rippe 2 dienen. Die Wände 13 enden am Boden in einer konischen Wand 14, die sich in einer sanften Abrundung 15 an die ringförmige Rippe 2 anschließt. Am oberen Ende schließt sich die konische Wand mit Hilfe einer Rundung 16, die die obere Grenze eines Abschnitts 17 der Seitenwand 5 mit reduzierter Dicke bildet, an die Seitenwand 5 an. Am Boden ist der Abschnitt 17 durch eine konische Wand 18 definiert. Die Abrundung 15 weist bei axialer Betrachtung vorzugsweise ein kreisförmiges Profil mit einem Radius von zwischen 5 und 25 mm auf, je nach dem Durchmesser des Kolbens. Der Mittelpunkt des Kreises ist vorzugsweise an oder außerhalb der Ausdehnung der Führung für die Bohrung 10, die am weitesten weg von der Kolbenachse angeordnet ist, angeordnet. Der Bereich der Seitenwand 5 mit reduzierter Wanddicke dient dem Zweck des Entfernens der dynamisch am stärksten belasteten Bereiche in dem Übergang zwischen der konischen Wand 14 und dem Übergang zwischen den Wänden 13 und der konischen Wand 14. Obwohl die Seitenwand 5 in dem Bereich mit reduzierter Wanddicke geschwächt ist, wird eine derartige Reduktion der dynamischen Belastung erhalten, daß das Bruchrisiko in dem kritischen Bereich auf ein Minimum reduziert wird, teilweise durch eine erhöhte Flexibilität der Konstruktion, teilweise durch eine angemessenere Anordnung der am stärksten belasteten Bereiche relativ zueinander. Die Ausführungsform gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere für Kolben mit einem großen Oberabschnitt, d. h., wo die Kolbenringe weit weg von dem Kolbenkopf 1 angeordnet sind. Es wird bevorzugt, daß der Übergang 19 zwischen dem Abschnitt mit reduzierter Wanddicke und dem übrigen Teil der Seitenwand mit den Kolbenringen ungefähr ¹/&sub2; Ringhöhe über der oberen Kolbenringnut 6 angeordnet ist. Der Winkel zwischen der Kolbenachse und der konischen Wand 18 beträgt vorzugsweise 5 bis 25º. Der Winkel zwischen der konischen Wand 14 und der Kurvenachse beträgt normalerweise zwischen 30 und 60º.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Typ von Kolben, bei dem die Bohrungen 10 durch einen Umfangshohlraum 20 ersetzt worden sind. Der Hohlraum 20 wird durch eine Haltewand 13' definiert, die am Boden eine konische Wand 14 aufweist. Die Haltewand 13' ist mit beabstandeten Bohrungen 10 versehen, durch die Kühlöl, das durch die Kanäle 12 in den Hohlraum 20 fließt, zu dem Rückkanal in der Kolbenstange zurückgeführt werden kann.
Der in Fig. 2 gezeigte Kolben ist wie der Kolben gemäß Fig. 1 mit einem Abschnitt 17 der Seitenwand 5 mit reduzierter Dicke versehen. In Fig. 2 werden für analoge Teile die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 verwendet, und diese Teile benötigen keine weitere Beschreibung. Dieser Abschnitt ist auf die gleiche Weise nach oben durch eine Abrundung mit bei axialer Betrachtung des Kolbens im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und mit einem Mittelpunkt für den Krümmungsradius definiert, der radial außerhalb der Ausdehnung der bei radialer Betrachtung äußersten Führung für die Bohrung 13' und vorzugsweise an oder außerhalb der Führung für die Innenfläche der Seitenwand 5 positioniert ist. Die Abmessungen für den Abschnitt mit reduzierter Wanddicke sind übrigens wie in Verbindung mit Fig. 1 erklärt.

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Schiffsdieselmotor, des Typs, welcher als ein kraftübertragendes Element zwischen dem Kolben und der Kolbenstange eine ringförmige Rippe integral mit dem Kolbenkopf aufweist und welcher mit Rippen- Halteelementen in einem ringförmigen Bereich zwischen der Rippe und der Kolben-Seitenwand versehen ist, welche vom Kolbenkopf nach unten verläuft und welche mit äußeren Kolbenringen versehen ist, wobei die Rippen-Halteelemente nach unten hin in einer konischen Wand enden, welche zum Durchfluss von Kühlöl von Bohrungen durchsetzt ist, welche sich im wesentlichen parallel zur Kolbenachse erstrecken, wobei die konische Wand im axialen Schnitt des Kolbens mit der Seitenwand mittels eines abgerundeten Wandabschnitts verbunden ist, durch welchen ein axialer Schnitt im wesentlichen die Gestalt eines Kreises hat, und wobei der abgerundete Wandabschnitt in an sich bekannter Weise eine in einen eine reduzierte Wanddicke aufweisenden Abschnitt der Seitenwand hineinreichende Ausdehnung aufweist, welche es ermöglicht, dass der Mittelpunkt des Kreises so positionierbar ist, dass er radial von der Achse des Kolbens weiter weg ist als jeder Teil der Kühlbohrungen.

Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit der reduzierten Wanddicke der Seitenwand näher am Kopf des Kolbens angeordnet ist als die Kolbenringe.

Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Seitenwand mit verringerter Dicke sich von ungefähr einer halben Kolbenringhöhe über dem obersten Kolbenring zum abgerundeten Wandabschnitt erstreckt.