DE10126493B4 - Kolben mit zu den Hauptachsen geneigtem Kühlkanal - Google Patents

Abstract

Kolben (1), insbesondere ein Leichtmetallkolben, für eine Brennkraftmaschine, mit einem im Kolbenboden (2) umlaufenden und zu einer Zylinderachse (7) geneigten Kühlkanal (9), der eine Zulauföffnung (12) sowie eine Ablauföffnung (13) für ein Kühlmedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (9) ringartig ausgebildet und in seiner Ebene sowohl zu einer Bolzenachse (6) als auch zu einer dritten Hauptachse (6') des Kolbens (1) geneigt im Kolbenboden (2) angeordnet ist, dass der Kühlkanal (9) eine gegenüber den Öffnungen (12, 13) durchmesserkleinere Entlastungsöffnung (14) aufweist, und dass sich die Entlastungsöffnung (14) an der vom Kolbenboden (2) am weitesten entfernten Stelle im Kühlkanal (9) zwecks Druckausgleich für das Kühlmedium befindet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Leichtmetallkolben, für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
• Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kühlkanal sind bekannt. In den Kühlkanal wird über eine Zulauföffnung ein Kühlmedium insbesondere Motoröl eingespritzt, durchläuft den Kühlkanal und verläßt diesen über eine Ablauföffnung. Mittels des Kühlmediums wird der Kolbenbodenbereich, insbesondere der Bereich um eine Brennraummulde herum, gekühlt. Aufgrund der Kühlung des Kolbenbodens lassen sich höhere Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücke erzielen, die für eine Verringerung der Abgasimmissionen der Brennkraftmaschine erforderlich sind. Zu diesem Zweck muß sichergestellt werden, daß ein ausreichend hoher Volumendurchsatz von Kühlmedium durch den Kühlkanal strömt.
• Aus geometrischen Gründen wegen der Brennraumgestaltung gibt es Kolben, bei denen der Kühlkanal zu einer Zylinderachse geneigt, aber parallel zu einer Bolzenachse angeordnet ist. Damit läßt sich der Kühlkanal bei unsymmetrischen Brennraummulden in solchen Bereichen anordnen, wobei durch die Anordnung in solchen Bereichen nicht zu einer Schwächung des Kolbenbodens führt.
• Aufgrund dieser Neigung in Bezug auf diese Achse hat sich herausgestellt, daß die Kühlungssituation im Kühlkanal unbefriedigend ist, so daß die Kühlung nicht ausreicht und erhöhte insbesondere zu hohe Ringnuttemperaturen auftreten. Damit wiederum verschlechtert sich das Betriebsverhalten des Kolbens in nachteiliger Weise.
• Gattungsbildend ist aus der JP 2000-274306 A ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem im Kolbenboden umlaufenden und zu einer Zylinderachse geneigten Kühlkanal, der eine Zulauföffnung sowie eine Ablauföffnung für ein Kühlmedium aufweist, bekannt. Aus der JP 2000-274306 A ist es somit bekannt, dass bei einem radial vollständig umlaufenden Kühlkanal nur eine Zulauf- und Ablauföffnung vorhanden ist, die keinen optimalen Durchsatz an Kühlmedium bietet, oder dass zwei Kühlkanalsegmente vorhanden sind, die jeweils für sich wieder eine Zulauf- und eine Ablauföffnung aufweisen. Damit verschlechtert sich die Kühlwirkung.
• Aus der DE 11 91 176 B ist ein Kühlkanal bekannt, der zu einer Achse des Kolbens geneigt im Kolbenboden angeordnet ist. Dieser Kühlkanal ist zum einen jedoch nicht ringartig ausgebildet. Zum anderen erstreckt sich der Kühlkanal über mehrere Ebenen im Kolben und liegt damit nicht in einer einzigen Ebene. Außerdem sind nur jeweils eine Zulauföffnung und eine Ablauföffnung vorhanden, nicht jedoch eine Entlastungsöffnung.
• Bei der JP 02-301648 A ist ein ringartig ausgebildeter Kühlkanal in einer Ebene vorhanden, der zu einer Zylinderachse geneigt ist und jeweils eine Zulauföffnung und eine Ablauföffnung aufweist. Eine Neigung des Kühlkanals zu einer dritten Hauptachse des Kolbens ist aus dieser JP 02-301648 A nicht bekannt. Ebenfalls ist das Vorhandensein einer Entlastungsöffnung an einer ganz bestimmten Stelle aus der JP 02-301648 A nicht bekannt. Ausweislich der 8 der japanischen Patentanmeldung weist der Kühlkanal im Bereich einer Öffnung eine Engstelle auf, wodurch der Durchsatz an Kühlmedium gebremst wird.
• Aus der DE 197 36 135 C1 ist wiederum ein Kühlkanal bekannt, wie er auch schon der DE 11 91 176 B entnommen werden kann. Das heißt, dass der Kühlkanal der DE 197 36 135 C1 nicht ringartig und in einer einzigen Ebene ausgebildet ist. Aus der DE 197 36 135 C1 geht als bekannt hervor, dass jede der Öffnungen alternierend als Eintrittsöffnung oder Auslaßöffnung für die Kühlflüssigkeit dienen kann. Das bedeutet aber, dass eine Entlastung für die Kühlflüssigkeit nicht bekannt ist. Denn die DE 197 36 135 C1 zielt auf eine symmetrische Anordnung der Öffnungen, da die Öffnungen einen Fangtrichter aufweisen. Das wiederum bedeutet, dass jede dieser Öffnungen dafür geeignet ist, als Einlaßöffnung zu dienen. Dient eine solche Öffnung als Auslaßöffnung, ist der Fangtrichter nicht schädlich.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden.
• Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Kühlkanal sowohl zu einer Bolzenachse als auch zu einer dritten Hauptachse des Kolbens geneigt im Kolbenboden angeordnet ist. D. h., daß bei einem planen Kolbenboden der Kühlkanal in Bezug auf insgesamt zwei Achsen aus der Planeebene des Kolbenbodens heraus geneigt ist. Durch die Neigung in Bezug auf zwei Achsen hat sich überraschend herausgestellt, daß sich der Durchsatz des Kühlmediums durch den Kühlkanal erhöht, so daß die Kühlungssituation im Kühlkanal wesentlich verbessert wird und das Temperaturniveau absinkt. Damit kann es auch nicht zu einer unzulässigen Erhöhung der Ringnuttemperaturen kommen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die geometrische Ausgestaltung der Brennraummulde immer komplexer wird und durch die Neigung des Kühlkanals der Kühlkanal in einem solchen Bereich um die Brennraummulde herum angeordnet werden kann, durch den es nicht zu einer Schwächung der Festigkeit im Kolbenbodenbereich kommen kann.
• In Weiterbildung der Erfindung weist der Kühlkanal eine Entlastungsöffnung auf, wobei in einer weiteren besonderen Ausgestaltung sich die Entlastungsöffnung an der vom Kolbenboden am weitesten entfernten Stelle im Kühlkanal befindet. Durch diese zusätzliche, zu der Zulauföffnung und der Ablauföffnung vorhandenen, Entlastungsöffnung wird der Durchsatz von Kühlmedium weiter verbessert, insbesondere wird ein Kühlmediumstau wirksam verhindert. Dies wird am zuverlässigsten dann erreicht, wenn sich die Entlastungsöffnung am tiefsten Punkt des Kühlkanales befindet, so daß das Kühlmedium an dieser Stelle von alleine in den Innenbereich des Kolbens austreten kann.
• Weiterhin kann vorgesehen werden, daß die Ablauföffnung oder die Entlastungsöffnung an einer solchen Stelle im Kühlkanal angeordnet sind, daß das dort austretende Kühlmedium der Schmierung des Kolbenbolzens dient.
• Ein beispielhaft ausgestalteter Kolben gemäß der Erfindung, auf den diese jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
• Es zeigen:
• 1 einen Längsschnitt entlang einer Bolzenachse des Kolbens,
• 2 einen Längsschnitt quer zur Bolzenachse des Kolbens,
• 3 einen Querschnitt durch den Kolben.
• 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kolben 1, bei dem es sich beispielsweise um einen aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, im Gußverfahren hergestellten Kolben handeln kann. Dieser Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2 auf, in welchem sich eine beispielhaft geformte Brennraummulde 3 befindet. Diese Brennraummulde 3 kann insbesondere dann, wenn der Kolben 1 für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine (ggf. auch für eine turboaufgeladene Diesel-Brennkraftmaschine) eine äußerst komplexe Formgestaltung aufweisen. Weiterhin weist der Kolben 1 ein Ringfeld 4 sowie eine Bolzenbohrung 5 auf. Die Bolzenachse des nicht gezeigten Bolzens ist mit der Bezugsziffer 6 versehen. Mit der Bezugsziffer 7 ist eine Zylinderachse (Bewegungsrichtungsache) des Kolbens 1 bezeichnet. Im unteren Bereich des Kolbens 1 ist ein Kolbenschaft 8 vorhanden. Weiterhin ist im Kolbenboden 2 ein um die Brennraummulde 3 umlaufender Kühlkanal 9 angeordnet, der in einer Ebene 10 zum Kolbenboden 2 bzw. zur Zylinderachse 7 geneigt ausgerichtet ist. Gleichzeitig ist der Kühlkanal 9 zu beiden weiteren Hauptachsen bzw. in einer zweiten Ebene geneigt ausgerichtet, wie dies in der folgenden Figur gezeigt ist.
• 2 zeigt den Kolben 1 in einem Längsschnitt quer zu der Bolzenachse. Hier ist erkennbar, daß der Kühlkanal 9 in Bezug auf eine dritte Hauptachse 6 in einer zweiten Ebene 11 geneigt zu dem Kolbenboden 2 ausgerichtet ist. Die Neigungen der beiden Ebenen 10 und 11 richten sich nach den geometrischen Verhältnissen der Brennraummulde 3 und sind so zu wählen, daß der Kühlkanal 9 in solchen Bereichen des Kolbenbodens 2 angeordnet ist und verläuft, in denen die Festigkeit des Kolbenbodens 2 nicht beeinträchtigt, insbesondere nicht geschwächt wird. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Kühlkanal 9 in der unteren Hälfte des Bereiches zwischen dem Kolbenboden 2 und dem oberen, den Kolbenboden 2 zugewandten Scheitelpunktes der Bolzenbohrung 5 angeordnet ist. Der Verlauf des Kühlkanals 9 muß nicht (wie in 2 beispielhaft dargestellt) gleiche Steigung haben, sondern kann je nach geometrischen Verhältnissen, insbesondere unter Berücksichtigung der Form der Brennraummulde 3, einen radialen Versatz aufweisen.
• 3 zeigt einen Querschnitt durch den Kolben 1, wobei die Zulauföffnung 12 sowie die Ablauföffnung 13 (oder umgekehrt) sichtbar ist. Ggf. können auch mehr als eine Zulauföffnung 12 bzw. Ablauföffnung 13 vorhanden sein. Weiterhin ist eine Entlastungsöffnung 14 gezeigt, die an der tief liegenden Stelle des Kühlkanales 9 (die also die geringste Entfernung zu der Bolzenbohrung 5 aufweist) angeordnet ist. Über diese Entlastungsöffnung 14, die beispielsweise durch einen Bohrvorgang eingebracht werden kann, kann das den Kühlkanal 9 durchströmende Kühlmedium diesen verlassen.

Claims (3)

1. Kolben (1), insbesondere ein Leichtmetallkolben, für eine Brennkraftmaschine, mit einem im Kolbenboden (2) umlaufenden und zu einer Zylinderachse (7) geneigten Kühlkanal (9), der eine Zulauföffnung (12) sowie eine Ablauföffnung (13) für ein Kühlmedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (9) ringartig ausgebildet und in seiner Ebene sowohl zu einer Bolzenachse (6) als auch zu einer dritten Hauptachse (6') des Kolbens (1) geneigt im Kolbenboden (2) angeordnet ist, dass der Kühlkanal (9) eine gegenüber den Öffnungen (12, 13) durchmesserkleinere Entlastungsöffnung (14) aufweist, und dass sich die Entlastungsöffnung (14) an der vom Kolbenboden (2) am weitesten entfernten Stelle im Kühlkanal (9) zwecks Druckausgleich für das Kühlmedium befindet.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (9) in der unteren Hälfte des Bereiches zwischen dem Kolbenboden (2) und dem oberen, dem Kolbenboden (2) zugewandten Scheitelpunktes der Bolzenbohrung (5) angeordnet ist.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (9) einen radialen Versatz aufweist.