Ölgekühlter Kolben mit Pleuelstange für Fahrzeugdieselmotoren Für Grossdieselmotoren sind seit vielen Jahren ölgekühlte Kolben mit bestem Erfolg in Benutzung. Die Kühleinrichtung ist so ausgebildet, dass durch einen Hohlraum zwischen einem Innenteil der Ring partie und dem Kolbenboden Öl oder Wasser als Kühlmittel durchgepumpt werden können. Es sind aber auch schon bei einteiligen Kolben Rohrschlan gen zur Führung des Kühlmittels in den Kolben ein gegossen worden. Das Eingiessen derartiger aus mehreren Windungen bestehender Kühlsysteme er fordert verhältnismässig grosse Aufmerksamkeit und bedingt eine besondere Bauweise des Kolbens sowie das Vorsehen eines vielfach unerwünscht grossen Raumes für die Unterbringung der Schlangen.
Bei Kolben mit einem Bolzenstuhl wurde dieser bei den bekannten Ausführungen zur Abdeckung des Kühlraumes mit hinzugezogen. Die Kolben für Gross motoren weisen ferner Einrichtungen auf, die die Zuleitung des Kühlmittels unter Druck gestatten und sich hierfür eines sogenannten Posaunenrohres oder in schnellaufenden Maschinen eines Gelenkrohres bedienen. Andere Kolben, wie z. B. solche für mit telgrosse Dieselmotoren, fördern das Kühlmittel durch einen Kanal in der Pleuelstange. Bei diesen Ausführungen werden vielfach elastische Dichtungen im Kühlraum des Kolbens erforderlich, wenn das Kühlmittel unter Druck steht. Der Ablauf des Öls nach dem Kurbelraum erfolgt über eine oder mehrere Bohrungen.
Bei kleineren Kraftmaschinen mit Zylindern, deren Bohrungen zwischen 80 und 150 mm liegen, haben sich Schwierigkeiten insofern herausgestellt, als sich die Kolben nicht einwandfrei kühlen lassen. Es ist zwar schon versucht worden, die heissen Teile im Kolbeninnern durch die Kühlmittel anzuspritzen, die über Zuführungen durch die Pleuelstange geleitet werden; es gelang jedoch nicht, gerade die Teile, die am stärksten gekühlt werden mussten, durch das frei in den Raum hineingespritzte Kühlöl zu erfassen.
Bekanntlich dürfen erfahrungsgemäss bei hoch beanspruchten Motoren die Temperaturen in der obern Kolbenringnut 180 bis 200 C nicht über schreiten, da sonst, gleichgültig nach welchem Sy stem der Motor arbeitet, die handelsüblichen Schmieröle verdampfen und sich in den Ringnuten Rückstände festsetzen können, die ein einwandfreies Arbeiten der Kolbenringe unterbinden. Es steht ferner auch fest, dass die Viskosität eines Schmieröl films bei 200 C so niedrig ist, dass sich ein trag fähiger Schmierfilm nicht mehr zu bilden vermag. Hieraus ergibt sich die Forderung, bei hochbean spruchten Tauchkolben die Kühlung innerhalb der selben hinter den obern Verdichtungsringen am intensivsten durchzuführen.
Bei den relativ kleinen Kolbenabmessungen ist es daher nicht möglich, die Kühlölzuführung so zu gestalten, wie sie bei Gross motoren bisher üblich war, sofern nicht ein viel gliedriger Aufbau mit in Kauf genommen werden soll.
Die Erfindung weist einen Weg zur Lösung dieser Aufgabe, indem sie eine neue Regel zur Her stellung der verhältnismässig kleinen Kühlmittel räume hinter der Ringpartie im Kolbenkopf, z. B. für ölgekühlte Kolben, die in Fahrzeugdieselmotoren laufen, angibt und dabei berücksichtigt, dass das Kühlmittel pendelnd die zu kühlende Wand benetzt. Bei der Lösung der Aufgabe ist ferner die Herstel lung des Kolbens als einteiliger Kolben möglich.
Erfindungsgemäss ist der ölgekühlte Kolben da durch gekennzeichnet, dass im Kolbenkopf hinter der Ringpartie ein ringförmiger Hohlkörper für das Kühlöl vorgesehen ist, der aus Blech besteht und in den einteiligen Kolbenkörper eingegossen ist. Der metallische Werkstoff des Blechringes weist zweck mässig einen höheren Schmelzpunkt auf als der des Kolbens. Die Anfertigung solcher Ringräume kann durch Biegen und Zusammendrücken der Bleche er folgen; es können aber auch profilierte Bänder be- nutzt werden, die gegebenenfalls durch Schweissen bis zu ihrem Einsetzen in die Giessform zusammen gehalten sind.
Mit diesen eingegossenen Blechkanä len können ferner die Kühlölzuleitungen so verbun den werden, dass die kalten Kühlmittel zuerst auf die Ringpartie auftreffen und dann heissere Stellen des Kolbens beaufschlagen. Für die Kühlölzuleitun- gen können dabei die Erfahrungen, die sich bei Grossdieselmotoren als recht vorteilhaft erwiesen haben, ausgenutzt werden.
Die Figuren veranschaulichen Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes. Sie zeigen im Längsschnitt Kolben mit verschiedenartig ausgebil deten Kühlräumen im Kolbenkopf hinter der Ring- partie.
In allen Figuren ist der Kühlölraum mit 1 be zeichnet. Er besteht aus einem zu einem Ringkanal geformten dünnwandigen Blech 2, das beim Giessen des einteiligen Kolbens mit eingegossen worden ist.
Ein Tauchkolben 3 für einen Zweitaktdiesel- motor, wie ihn die Fig. 1 veranschaulicht, weist einen relativ schmalen ringförmigen Kühlraum 1 hinter der Ringpartie 4 auf, dessen der Kolben bodenoberfläche 5 zugekehrte Wand nur geringe, radiale Ausdehnung hat. Die Zünddrücke werden zum Teil über den äussern Kolbenquerschnitt und zum grösseren Teil durch die innere Wand 6 des Kühlraumes 1 auf die Kolbenbolzenaugen 7 weiter geleitet.
Die Ölzuführung erfolgt durch ein einge gossenes Strahlrohr 8, das in den ringförmigen Kühlraum so mündet, dass das Kühlöl zur heissesten Stelle gelangt. Die axiale Länge des Kühlraumes kann je nach der thermischen Belastung so gross ge wählt werden, dass die gesamte Ringpartie 4 oder auch nur ein Teil derselben direkt gekühlt wird.
In der Fig. 2 ist ein Kolben dargestellt für einen Viertaktdieselmotor mit einem Hessehnann-Brenn- raum 9 im Kolbenboden 10. Derartige Kolben sind sehr oft nicht nur in der Ringpartie, sondern auch in dem Kolbenteil 11 oberhalb der Ringpartie ther misch sehr hoch belastet. Der ringförmige Kühlraum I ist infolgedessen so gestaltet, dass aus dem gesam ten thermisch überlasteten Gebiet die Wärme gut abgeführt wird.
Das Kühlöl soll auch bei dieser Aus führung durch ein oder mehrere Bohrungen oder Rohre zugeführt werden, und zwar derart, dass durch ein Strahlrohr 12, welches am Kurbelgehäuse 13 be festigt ist, ein dünner scharfer Ölstrahl während des Kolbenlaufes durch die Bohrung bzw. das Rohr 14, welches im Kolben eingegossen ist, bis in den Ring raum gespritzt wird. Es können bei derartigen Kol ben ein oder mehrere Strahlrohre für die Öl zuführung und auch gleichzeitig für die Ölabführung vorgesehen werden, die so eingegossen sind, dass das rücklaufende Öl das Innere des Kolbens nicht be netzt.
Selbstverständlich ist es bei den beschriebenen Kolbenausführungen nach Fig. 1 und 2 auch mög lich, das überschüssige Kühlöl durch entsprechende Bohrungen direkt aus dem Ringraum 1 in das Innere des Kolbens austreten zu lassen. Ausserdem ist es mitunter vorteilhaft, gleichzeitig mit der Kühlölzu- führung 14 auch eine intensiv wirkende Kolben bolzenschmierung in den Kolbenbolzenaugen 15 zu verbinden. Es wird zu diesem Zweck vorteilhafter weise das zugeführte kalte Öl verwendet. Hat das abfliessende Öl keine sehr hohen Temperaturen, dann kann auch dieses noch zur Schmierung des Bolzens mit herangezogen werden.
Der Kolben nach der Fig. 3 weist einen Kugel- brennraum 16 auf. Derartige Kolben haben nicht nur eine sehr hohe thermische Belastung in der Ringpartie, sondern auch im Kolbenboden 17 in der Nähe der Öffnung des Kugelbrennraumes aufzu nehmen. Infolgedessen kann der Kühlraum 1 zweck mässigerweise so gestaltet werden, dass sowohl der Boden 17 als auch die Ringpartie des Kolbens durch im Raum 1 hin und her pendelndes Öl gekühlt wird.
Um die Kühlwirkung wesentlich zu verbessern und die Festigkeit des Kolbenbodens 17 zu verstärken, sind tunlichst radiale Rippen 18 an der Innenseite des Kolbenbodens 17 vorgesehen, durch die im übrigen auch die zu kühlende Oberfläche wesentlich vergrössert wird. Bei einer derartigen Kolbenbau weise ist die Zuführung des Kühlöls auch durch die hohlgebohrte Pleuelstange 19 möglich, wenn das Öl durch entsprechende Bohrungen 20 in der Wand des Kolbenbolzens 21 unter Zwischenschaltung eines Kanals 22 oder eines eingegossenen Rohres über dem Kolbenbolzenauge geleitet wird.
Das Zufüh rungsrohr 22 und die Rückleitungsrohre können da bei so weit in den Ringraum 1 eingeführt werden, dass bei stillstehender Maschine eine entsprechende Kühlölmenge in dem Ringraum zurückbleibt.
Die Fig. 4 lässt einen Tauchkolben 23 erkennen, der nicht nur in der Ringpartie 24 ausserordentlich hoch belastet ist, sondern bei dem der Kolbenboden 25 so heiss wird, dass eine Kühlung desselben unbe dingt erforderlich ist. Die Kühlölzuführung erfolgt auch hier durch die hohlgebohrte Pleuelstange 26. Das Öl wird durch Spritzdüsen 27, die parallel zum Kolbenbolzen 28 angeordnet sind, in Schlitze 29 über dem Kolbenbolzenauge während des Laufes ge spritzt.
Die Schlitze 29 sind so gestaltet, dass bei einem maximalen Pleuelausschlag von etwa 30 der Ölstrahl mit Sicherheit aufgefangen wird und den Ringraum erreicht, und zwar unabhängig von der Kolbengeschwindigkeit.
Um eine zweckmässige Führung des Kühlöls zu erreichen, sind in der Fig. 4 senkrecht und radial verlaufende Rippen in dem Kühlölraum 1 vor gesehen. Der Abfluss des heissen Öls kann sowohl in der Nähe der Kolbenbodenmitte 30 als auch recht winklig zu den Eintrittsschlitzen an der Unterkante des Kühlraumes erfolgen. Fig. 5 zeigt einen Kolben, der doppelwandig bis zur Nut für den untern Ölabstreifring ausgebildet ist. Die Zuführung des Schmieröls erfolgt wiederum durch die hohlgebohrte Pleuelstange 32.
Die Spritz düse 33 befindet sich unterhalb des Kolbenbolzens 34 parallel zu demselben und führt das Öl durch einen sich etwa auf einen Bogen von 30 erstreckenden Schlitz 35 dem Kühlraum 1 zu. Durch die Pendel wirkung im Kolbenkühlraum wird die Kühlöhnenge in der Richtung zum Kolbenboden hin beschleunigt. Das Kühlöl kann daher an der Unterseite des Brenn- raumes 36 im Kolbeninnern zurückgeführt werden. Um eine möglichst grosse Stabilität derartiger Kolben zu erreichen, kann der Kühlraum 1 je nach Bedarf durch kreisförmig oder andere gestaltete Verbin dungsstücke 37 mit dem äussern Kolbenmantel ver steift werden.
Diese Verbindungen können so aus gebildet sein, dass die Pendelwirkung des Kühlöls durch dieselben nicht wesentlich beeinflusst wird. Zweckdienlich ist es, derartige Verbindungsstellen vorzugsweise auch dort anzuordnen, wo Ölrückführ- bohrungen von den Ringnuten zum Kolbeninnern vorgesehen werden müssen.
In der Fig. 6 ist ein Kolben mit geschlossenem Laufmantel und einem Kolbenbolzenstuhl 38 darge stellt, bei dem auch eine Kühlung durch Pendeln des Öls hinter der Ringpartie vorgesehen ist. Das Kühlöl wird bei einer derartigen Kolbenkonstruktion durch ein Strahlrohr 39 oder über die Pleuelstange dem Kühlraum 1 zugeleitet. Das heisse Kühlöl verlässt durch Rückführlöcher 40 im Innern über den Bolzenstuhl die Kühlräume 1 und 41, um über die Pleuelstange zum Kurbelgehäuse zurückgeleitet zu werden.
Oil-cooled piston with connecting rod for vehicle diesel engines For large diesel engines, oil-cooled pistons have been used with great success for many years. The cooling device is designed so that oil or water can be pumped through as a coolant through a cavity between an inner part of the ring section and the piston crown. But there are already in one-piece piston Rohrschlan conditions for guiding the coolant into the piston have been poured. The pouring of such cooling systems consisting of several windings he calls for relatively great attention and requires a special design of the piston and the provision of an often undesirably large space for accommodating the snakes.
In the case of pistons with a bolt seat, this was included in the known designs to cover the cooling chamber. The pistons for large engines also have devices that allow the supply of the coolant under pressure and use a so-called trumpet tube or, in high-speed machines, an articulated tube. Other pistons, such as B. those for with telgrosse diesel engines, promote the coolant through a channel in the connecting rod. In these designs, elastic seals are often required in the cooling chamber of the piston when the coolant is under pressure. The oil drains to the crankcase through one or more bores.
In the case of smaller prime movers with cylinders whose bores are between 80 and 150 mm, difficulties have arisen insofar as the pistons cannot be perfectly cooled. Attempts have already been made to inject the hot parts inside the piston with the coolant that is passed through the connecting rod via feeds; however, it was not possible to capture precisely the parts that had to be cooled the most by the cooling oil freely injected into the room.
As is well known, experience has shown that the temperatures in the upper piston ring groove must not exceed 180 to 200 C in highly stressed engines, otherwise, regardless of which system the engine is working on, the commercially available lubricating oils evaporate and residues can settle in the ring grooves, which would enable proper operation the piston rings. It is also clear that the viscosity of a lubricating oil film at 200 C is so low that a stable lubricating film can no longer form. This results in the requirement to carry out the most intensive cooling within the same behind the upper compression rings for highly stressed plungers.
With the relatively small piston dimensions, it is therefore not possible to design the cooling oil supply in the way that it was previously common for large engines, unless a much more segmented structure is to be accepted.
The invention has a way of solving this problem by introducing a new rule for the manufacture of the relatively small coolant spaces behind the ring belt in the piston head, eg. B. for oil-cooled pistons that run in vehicle diesel engines, and takes into account that the coolant wets the wall to be cooled pendulously. In solving the problem, it is also possible to manufacture the piston as a one-piece piston.
According to the invention, the oil-cooled piston is characterized in that an annular hollow body for the cooling oil is provided in the piston head behind the ring belt, which is made of sheet metal and is cast into the one-piece piston body. The metallic material of the sheet metal ring expediently has a higher melting point than that of the piston. The production of such annular spaces can be followed by bending and compressing the sheets; however, it is also possible to use profiled strips which, if necessary, are held together by welding until they are inserted into the casting mold.
With these cast-in sheet metal ducts, the cooling oil supply lines can also be connected in such a way that the cold coolants first hit the ring belt and then hit hot spots on the piston. For the cooling oil supply lines, the experience that has proven to be quite advantageous with large diesel engines can be used.
The figures illustrate Ausführungsbei games of the subject invention. In a longitudinal section they show pistons with differently designed cooling spaces in the piston head behind the ring section.
In all figures, the cooling oil chamber is marked with 1 be. It consists of a thin-walled sheet metal 2 which is shaped into an annular channel and which was cast in when the one-piece piston was cast.
A plunger piston 3 for a two-stroke diesel engine, as illustrated in FIG. 1, has a relatively narrow annular cooling chamber 1 behind the ring belt 4, the wall of which facing the piston bottom surface 5 has only a small radial extent. Some of the ignition pressures are passed on to the piston pin bosses 7 via the outer piston cross-section and the greater part through the inner wall 6 of the cooling chamber 1.
The oil is supplied through a cast-in jet pipe 8 which opens into the ring-shaped cooling chamber in such a way that the cooling oil reaches the hottest point. Depending on the thermal load, the axial length of the cooling space can be selected to be so large that the entire ring belt 4 or only part of it is cooled directly.
2 shows a piston for a four-stroke diesel engine with a Hessehnann combustion chamber 9 in the piston crown 10. Such pistons are very often not only in the ring belt but also in the piston part 11 above the ring belt under very high thermal loads. As a result, the annular cooling space I is designed in such a way that the heat is dissipated well from the entire thermally overloaded area.
The cooling oil should also be fed through one or more bores or pipes in this execution, in such a way that a thin, sharp oil jet during the piston movement through the bore or the pipe through a jet pipe 12, which is fastened to the crankcase 13 14, which is cast in the piston until it is injected into the ring space. With such Kol ben one or more jet pipes for the oil supply and also for the oil discharge can be provided, which are cast in such a way that the returning oil does not wets the interior of the piston.
Of course, it is also possible, please include in the described piston designs according to FIGS. 1 and 2, to let the excess cooling oil escape through appropriate holes directly from the annular space 1 into the interior of the piston. In addition, it is sometimes advantageous to also connect an intensely acting piston pin lubrication in the piston pin bosses 15 at the same time as the cooling oil supply 14. The cold oil supplied is advantageously used for this purpose. If the draining oil is not at very high temperatures, this can also be used to lubricate the bolt.
The piston according to FIG. 3 has a spherical combustion chamber 16. Such pistons not only have a very high thermal load in the ring belt, but also take up in the piston head 17 near the opening of the ball combustion chamber. As a result, the cooling space 1 can expediently be designed in such a way that both the base 17 and the ring belt of the piston are cooled by oil oscillating back and forth in the space 1.
In order to significantly improve the cooling effect and to increase the strength of the piston head 17, radial ribs 18 are provided on the inside of the piston head 17 as far as possible, by means of which the surface to be cooled is also substantially increased. In such a piston construction, the supply of cooling oil is also possible through the hollow bored connecting rod 19 if the oil is passed through corresponding bores 20 in the wall of the piston pin 21 with the interposition of a channel 22 or a cast tube above the piston pin boss.
The supply pipe 22 and the return pipes can be inserted so far into the annular space 1 that when the machine is at a standstill a corresponding amount of cooling oil remains in the annular space.
4 shows a plunger piston 23 which is not only extremely heavily loaded in the ring belt 24, but in which the piston head 25 becomes so hot that it is absolutely necessary to cool it. The cooling oil is also supplied here through the hollow-bored connecting rod 26. The oil is injected through spray nozzles 27, which are arranged parallel to the piston pin 28, into slots 29 above the piston pin boss during the run.
The slots 29 are designed so that with a maximum connecting rod deflection of about 30, the oil jet is reliably caught and reaches the annular space, regardless of the piston speed.
In order to achieve an appropriate guidance of the cooling oil, 4 vertically and radially extending ribs in the cooling oil chamber 1 are seen in FIG. The hot oil can drain off near the center of the piston crown 30 or at right angles to the inlet slots on the lower edge of the cooling chamber. Fig. 5 shows a piston which is double-walled up to the groove for the lower oil control ring. The lubricating oil is in turn supplied through the hollow-bored connecting rod 32.
The spray nozzle 33 is located below the piston pin 34 parallel to the same and leads the oil to the cooling chamber 1 through a slot 35 extending approximately on an arc of 30. The pendulum action in the piston cooling chamber accelerates the amount of cooling in the direction of the piston crown. The cooling oil can therefore be returned to the underside of the combustion chamber 36 in the interior of the piston. In order to achieve the greatest possible stability of such pistons, the cooling chamber 1 can be stiffened ver as required by circular or other connecting pieces 37 with the outer piston skirt.
These connections can be formed in such a way that the pendulum effect of the cooling oil is not significantly influenced by them. It is expedient to arrange such connection points preferably also where oil return bores have to be provided from the annular grooves to the inside of the piston.
In Fig. 6, a piston with a closed barrel jacket and a piston pin seat 38 is Darge provides, in which a cooling is provided by oscillating the oil behind the ring belt. With such a piston construction, the cooling oil is fed to the cooling chamber 1 through a jet pipe 39 or via the connecting rod. The hot cooling oil leaves the cooling chambers 1 and 41 through return holes 40 in the interior via the bolt chair in order to be returned to the crankcase via the connecting rod.