DE102010033882A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Kolben (3) für einen Verbrennungsmotor mit einem Oberteil, mit einem daran angeformten Kragen (7), mit einer daran angeordneten Ringrippe (12), mit einem Unterteil (2), das eine Wand (20) und radial innerhalb der Wand (20) eine Auflage (25) aufweist, wobei beim Verbinden des Oberteils (1) mit dem Unterteil (2) mittels des Reibschweißverfahrens die Stirnflächen (16, 17, 23, 26) der Ringrippe (12), des Kragens (7), der Wand (20) und der Auflage (25) Reibschweißflächen bilden. Hierbei bilden sich ein Kühlkanal (9) und ein Kühlraum (14). Zur Versorgung des Kühlkanals (9) und des Kühlraums (14) mit Kühlöl sind in die Ringrippe (12) radial liegende Bohrungen (15) eingebracht, die den Kühlkanal (9) mit dem Kühlraum (14) verbinden. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich im Kühlkanal (9) und im Kühlraum (14) eine ausreichende Restmenge Kühlöl ansammelt, die stetig erneuert wird, und die zu einer guten Kühlung des Kolbenbodens (5) führt.
Description
- Die Erfindung betrifft Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Oberteil, dessen Oberseite den Kolbenboden bildet, mit einem radial außen an den Kolbenboden angeformten, nach unten in kolbenbodenabgewandte Richtung weisenden, umlaufenden Kragen, auf dessen radialer Außenseite eine Verdichtungsringnut angeordnet ist, mit einer auf der Unterseite des Oberteils radial innerhalb des Kragens angeordneten, umlaufenden Ringrippe, wobei die axiale Länge des Kragens kleiner ist als der Abstand der unteren Stirnfläche der Ringrippe vom Kolbenboden, mit einem Unterteil, das radial außen eine nach oben weisende, umlaufende Wand aufweist, in deren radialer Außenseite Ringnuten eingeformt sind, und dessen obere Stirnfläche den gleichen radialen Abstand von der Kolbenachse aufweist wie die untere Stirnfläche des Kragens, mit einer am Unterteil angeformten, nach oben weisenden, umlaufenden und radial innerhalb der Wand angeordneten Auflage, deren obere Stirnfläche von der Kolbenachse den gleichen Abstand hat wie die untere Stirnfläche der Ringrippe, und deren obere Stirnfläche von der durch die Stirnfläche der Wand definierten Ebene einen axialen Abstand aufweist, der der Differenz zwischen dem Abstand der unteren Stirnfläche der Ringrippe vom Kolbenboden und der Länge des Kragens entspricht, sodass beim Verbinden des Oberteils mit dem Unterteil mittels des Reibschweißverfahrens die Stirnflächen der Ringrippe, des Kragens, der Wand und der Auflage Reibschweißflächen bilden, wobei sich ein radial außen vom Kragen und von der Wand und radial innen von der Ringrippe und von der Auflage begrenzter, geschlossener, ringförmiger Kühlkanal ergibt, wobei der Bereich zwischen der Auflage von einem Steg mit einer mittige liegenden Öffnung gebildet wird, der die untere Begrenzung eines mittig liegenden Kühlraums bildet, wobei der Kühlraum oben vom Kolbenboden und radial außen von der Auflage und von der Ringrippe begrenzt wird, und wobei auf der Unterseite des Unterteils zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente angeordnet sind, die mittels zweier einander gegenüberliegender Bolzennaben mit je einer Bolzenbohrung miteinander verbunden sind.
- Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der PCT-Anmeldung
WO 02/33291 - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, und die Kühlung des thermisch hoch belastenden Kolbenbodens zu verbessern.
- Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass in die Ringrippe gleichmäßig über den Umfang verteilte, radial liegende Bohrungen eingebracht sind, die den Kühlkanal mit dem Kühlraum verbinden, die von der unteren Stirnfläche der Ringrippe insoweit beabstandet sind, dass zwischen den Bohrungen und der Stirnfläche der Ringrippe ausreichend Platz für eine beim Reibschweißen gebildete Schweißwulst bleibt, und die von einer von der unteren Stirnfläche des Kragens definierten Eben axial beabstandet sind, dass der Steg eine nach oben konisch zulaufende Form aufweist, und dass zwischen dem Kühlkanal und dem Kolbeninnenraum mindestens eine Ölzulauföffnung angeordnet ist.
- Hierbei ermöglicht die vom Boden des Kühlraums beabstandete Lage der Bohrungen zwischen dem Kühlkanal und dem Kühlraum und die nach oben konisch zulaufende Form des Steges, der die untere Begrenzung des Kühlraums bildet, im radial äußeren Bereich des Kühlraums die Bildung einer Ölansammlung, die bei den schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens im Motorbetrieb zu einer guten Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbenbodens führt, indem das Öl der Ölansammlung in regelmäßigen Abständen auf die Unterseite des Kolbenbodens geschleudert wird. (Shakerwirkung) Weiterhin wird dann, wenn der Pegel des im Kühlkanal befindlichen Öls die Bohrungen zwischen Kühlkanal und Kühlraum erreicht, Öl vom Kühlkanal über die Bohrungen in den Kühlraum geleitet, was den Öldurchfluss und damit die Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbenbodens verbessert.
- Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Öffnung des Stegs von einer nach oben gewölbten Scheibe mit einer mittig liegenden Öffnung verschlossen wird, die über eine Rastverbindung mit dem Steg verbunden ist, wodurch die Montage des Kolbens erleichtert wird.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
-
1 das Oberteil und das Unterteil eines zweiteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor vor der Montage im Schnitt und -
2 ein aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild des Kolbens, wobei die linke Hälfte einen Schnitt entlang der Bolzenbohrungsachse zeigt, und die rechte Hälfte einen Schnitt senkrecht zur Bolzenbohrungsachse zeigt. -
1 und2 zeigen einen aus einem Oberteil1 und einem Unterteil2 bestehenden Kolben3 für einen Verbrennungsmotor im Schnitt, wobei die Schnittbilder jeweils aus zwei Hälften bestehen. Die linken Hälften der Schnittbilder liegen auf der Bolzenbohrungsachse4 , wohingegen die rechten Hälften der Schnittbilder senkrecht auf der Bolzenbohrungsachse4 stehen. - Das aus Stahl bestehende Oberteil
1 weist auf seiner Oberseite einen Kolbenboden5 mit einer Brennraummulde6 auf. Radial außen ist an den Kolbenboden5 ein umlaufender, nach unten weisender Kragen7 angeformt, der eine umlaufende Ausnehmung8 radial außen begrenzt, die beim fertigen Kolben3 gemäß2 den oberen Teil eines radial außen und in Kolbenbodennähe umlaufenden Kühlkanals9 bildet. Auf seiner radialen Außenseite bietet der Kragen7 Platz für einen Feuersteg10 und eine Verdichtungsringnut11 . - Weiterhin weist das Oberteil
1 auf seiner dem Kolbenboden5 abgewandten Unterseite eine umlaufende Ringrippe12 auf, die die radial innere Begrenzung des Oberteils des Kühlkanals9 und die radial äußere Begrenzung des Oberteils13 eines mittig liegenden Kühlraums14 bildet. In die Ringrippe12 sind gleichmäßig über den Umfang verteilte, radial liegende Bohrungen15 eingebracht, die beim fertig montierten Kolben3 gemäß2 den Kühlkanal9 mit dem Kühlraum14 verbinden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Kolben3 vier Bohrungen15 auf. Diese Bohrungen15 können die nach innen und nach außen sich erweiternde Form einer Formbohrung aufweisen. - Damit die Bohrungen
15 vor der Montage des Kolbens3 problemlos von radial außen in die Ringrippe12 eingebracht werden können, ist die axiale Länge ”a” des Kragens7 um ein Maß kleiner als der Abstand ”b” der unteren Stirnfläche16 der Ringrippe12 vom Kolbenboden5 , das sich aus dem Durchmesser ”d” der Bohrungen15 , einem Abstand ”s” der Bohrungen15 von der unteren Stirnfläche16 der Ringrippe12 und einem axialen Abstand ”c” der Bohrungen15 von der unteren Stirnfläche17 des Kragens7 zusammensetzt. Hierbei soll der Abstand ”c” gewährleisten, dass die Bohrmaschine beim Einbringen der Bohrungen15 gegenüber dem Kragen7 ausreichend Platz hat. Der Abstand ”s” der Bohrungen15 von der unteren Stirnfläche16 der Ringrippe12 entspricht der axialen Abmessung der Schweißwulst18 , die sich bildet, wenn das Oberteil1 und das Unterteil2 durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. Durch diesen Abstand ”s” soll verhindert werden, dass der Schweißwulst18 beim Verschweißen des Oberteils1 mit dem Unterteil2 in den Bereich der Bohrungen15 gelangt und damit den Durchfluss des Kühlöls durch die Bohrungen15 behindert. - Das ebenfalls aus Stahl bestehende Unterteil
2 des Kolbens3 besteht aus einem Bodenelement19 , auf dessen kolbenbodenzugewandter Oberseite radial außen eine umlaufende Wand20 angeordnet ist, in die radial außen Ringnuten21 ,22 eingeformt sind. Die obere Stirnfläche23 der Wand20 hat von der Kolbenachse24 den gleichen Abstand wie die untere Stirnfläche17 des Kragens7 , sodass die Stirnflächen7 und23 beim Verschweißen des Oberteils1 mit dem Unterteil2 Reibschweißflächen bilden. - Radial innen schließt sich an die Wand
20 eine umlaufende Auflage25 an, die von der Kolbenachse24 den gleichen Abstand hat wie die Ringrippe12 , und deren obere Stirnfläche26 von der durch die Stirnfläche23 der Wand20 gebildeten Ebene einen axialen Abstand hat, der dem Maß (c + d + s) entspricht, um welches der Abstand ”a” der Stirnfläche17 des Kragens7 vom Kolbenboden5 geringer ist als der Abstand ”b” der Stirnfläche16 der Ringrippe12 vom Kolbenboden5 . Daraus ergibt sich, dass beim Verschweißen des Oberteils1 mit dem Unterteil2 nicht nur die Stirnflächen17 und23 sondern auch die Stirnflächen16 und26 Reibschweißflächen bilden. - Zwischen der Auflage
25 und der Wand20 ist in das Bodenelement19 eine umlaufende Ausnehmung27 eingeformt, die beim fertig montierten Kolben3 gemäß2 das Unterteil des Kühlkanals9 bildet. Radial innerhalb der Auflage25 ist das Bodenelement9 als umlaufender, nach oben konisch zulaufender Steg28 ausgebildet, der eine mittig liegende, kreisrunde Öffnung29 aufweist, wobei der Bereich38 zwischen dem Steg28 und der Auflage25 als umlaufende und nach oben offene Rinne ausgebildet ist. Somit ist der Kühlraum14 oben vom Kolbenboden5 , radial außen von der Ringrippe12 und von der Auflage25 und unten vom Steg28 begrenzt. - Radial innen weist der Rand
32 der Öffnung29 des Stegs28 (1 ) im Schnitt die Form eines nach radial innen offenen ”V” auf, was es ermöglicht, eine schalenförmige, nach oben gewölbte Scheibe30 mit einer mittig liegenden Öffnung31 , mit einer Außenabmessung, die der Innenabmessung der Öffnung29 entspricht, und mit einem radial äußeren Rand der komplementär zu dem Rand32 der Öffnung29 ausgebildet ist, mittels einer Rastverbindung in der Öffnung29 zu befestigen. Damit der Rand der Scheibe30 die hierzu erforderliche Nachgiebigkeit ausweist, sind in den Rand radial liegende Schlitze33 eingearbeitet, wozwischen der Rand der Scheibe30 in Form elastisch nachgiebiger Blechlappen ausgebildet ist. Dies ermöglich es, nach der Fertigstellung des Kolbens3 die Scheibe30 von unten in die Öffnung29 des Stegs28 einzudrücken und über die sich ergebende Rastverbindung zu fixieren. - Über eine Ölzulauföffnung
34 ist der Kühlkanal9 mit dem Kolbeninnenraum35 verbunden. Weiterhin sind auf der Unterseite des Bodenelements19 zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente36 ,36' angeordnet, die über zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben37 ,37' mit jeweils einer Bolzenbohrung39 ,39' miteinander verbunden sind. - Im Motorbetrieb wird über die Ölzulauföffnung
34 Kühlöl in den Kühlkanal9 eingeleitet, das aufgrund der schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens3 an die Unterseite des radial äußeren Bereichs des Kolbenbodens5 und an den von der Wand20 und von dem Kragen7 gebildeten Teil des Kolbens3 geschleudert wird und hier damit kühlend wirkt. (Shakereffekt) Ein Teil des Öls gelangt dabei über die Bohrungen15 in den Kühlraum14 , wobei sich im radial äußeren Bereich38 des Kühlraums14 eine Ölansammlung bildet, die wegen der vom Bodenelement19 beabstandeten Lage der Bohrung15 im Kühlraum14 verbleibt, an die Unterseite des Kolbenbodens5 im Bereich der thermisch hochbelasteten Brennraummulde6 geschleudert wird und hier kühlend wirkt. Ein Teil dieses Öls gelangt anschließend über die Öffnung31 der Scheibe30 in den Kolbeninnenraum35 . - Hierdurch ergibt sich als Vorteil der vom Bodenelement
19 beabstandeten Lage der Bohrungen15 und der gewölbeartigen Form des Steges28 und der Scheibe30 , wodurch sich im radial äußeren Bereich38 des Kühlraumes14 eine Ölansammlung bilden kann, eine Beschleunigung des Ölflusses durch den Kühlkanal9 und durch den Kühlraum14 und damit zu einer Verbesserung der Kühlung des Kolbens3 führt, weil dann, wenn der Pegel des im Kühlkanal9 befindlichen Öls die Bohrungen15 erreicht, das Öl ausschließlich vom Kühlkanal9 in den Kühlraum14 und von hier über die Öffnung31 der Scheibe30 in den Kolbeninnenraum35 fließt. - Bezugszeichenliste
-
- a, b, c, d, s
- Abstände
- 1
- Oberteil des Kolbens
3 - 2
- Unterteil des Kolbens
3 - 3
- Kolben
- 4
- Bolzenbohrungsachse
- 5
- Kolbenboden
- 6
- Brennraummulde
- 7
- Kragen
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Feuersteg
- 11
- Verdichtungsringnut
- 12
- Ringrippe
- 13
- Oberteil de Kühlraums
14 - 14
- Kühlraum
- 15
- Bohrung
- 16
- untere Stirnfläche der Ringrippe
12 - 17
- untere Stirnfläche des Kragens
7 - 18
- Schweißwulst
- 19
- Bodenelement
- 20
- Wand
- 21, 22
- Ringnut
- 23
- Stirnfläche der Wand
20 - 24
- Kolbenachse
- 25
- Auflage
- 26
- obere Stirnfläche der Auflage
25 - 27
- Ausnehmung
- 28
- Steg
- 29
- Öffnung des Stegs
28 - 30
- Scheibe
- 31
- Öffnung der Scheibe
30 - 32
- Rand der Öffnung
29 - 33
- Schlitz
- 34
- Ölzulauföffnung
- 35
- Kolbeninnenraum
- 36, 36'
- Schaftelement
- 37, 37'
- Bolzennabe
- 38
- äußerer Bereich des Kühlraums
14 , Rinne - 39, 39'
- Bolzenbohrung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 02/33291 [0002]
Claims (2)
- Kolben (
3 ) für einen Verbrennungsmotor – mit einem Oberteil (1 ), dessen Oberseite den Kolbenboden (5 ) bildet, – mit einem radial außen an den Kolbenboden (5 ) angeformten, nach unten in kolbenbodenabgewandte Richtung weisenden, umlaufenden Kragen (7 ), auf dessen radialer Außenseite eine Verdichtungsringnut (11 ) angeordnet ist, – mit einer auf der Unterseite des Oberteils (1 ) radial innerhalb des Kragens (7 ) angeordneten, umlaufenden Ringrippe (12 ), wobei die axiale Länge (a) des Kragens (7 ) kleiner ist als der Abstand (b) der unteren Stirnfläche (16 ) der Ringrippe (12 ) vom Kolbenboden (5 ), – mit einem Unterteil (2 ), das radial außen eine nach oben weisende, umlaufende Wand (20 ) aufweist, in deren radialer Außenseite Ringnuten (21 ,22 ) eingeformt sind, und dessen obere Stirnfläche (23 ) den gleichen radialen Abstand von der Kolbenachse (24 ) aufweist wie die untere Stirnfläche (17 ) des Kragens (7 ), – mit einer am Unterteil (2 ) angeformten, nach oben weisenden, umlaufenden und radial innerhalb der Wand (20 ) angeordneten Auflage (25 ), deren obere Stirnfläche (26 ) von der Kolbenachse (24 ) den gleichen Abstand hat wie die untere Stirnfläche (16 ) der Ringrippe (12 ), und deren obere Stirnfläche (26 ) von der durch die Stirnfläche (23 ) der Wand (20 ) definierten Ebene einen axialen Abstand aufweist, der der Differenz zwischen dem Abstand (b) der unteren Stirnfläche (16 ) der Ringrippe (12 ) vom Kolbenboden (5 ) und der Länge (a) des Kragens (7 ) entspricht, sodass beim Verbinden des Oberteils (1 ) mit dem Unterteil (2 ) mittels des Reibschweißverfahrens die Stirnflächen (16 ,17 ,23 ,26 ) der Ringrippe (12 ), des Kragens (7 ), der Wand (20 ) und der Auflage (25 ) Reibschweißflächen bilden, wobei sich ein radial außen vom Kragen (7 ) und von der Wand (20 ) und radial innen von der Ringrippe (12 ) und von der Auflage (25 ) begrenzter, geschlossener, ringförmiger Kühlkanal (9 ) ergibt, – wobei der Bereich zwischen der Auflage (25 ) von einem Steg (28 ) mit einer mittige liegenden Öffnung (29 ) gebildet wird, der die untere Begrenzung eines mittig liegenden Kühlraums (14 ) bildet, wobei der Kühlraum (14 ) oben vom Kolbenboden (5 ) und radial außen von der Auflage (25 ) und von der Ringrippe (12 ) begrenzt wird, und – wobei auf der Unterseite des Unterteils (2 ) zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente (36 ,36' ) angeordnet sind, die mittels zweier einander gegenüberliegender Bolzennaben (37 ,37' ) mit je einer Bolzenbohrung (39 ,39' ) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, – dass in die Ringrippe (12 ) über den Umfang verteilte, radial liegende Bohrungen (15 ) eingebracht sind, die den Kühlkanal (9 ) mit dem Kühlraum (14 ) verbinden, die von der unteren Stirnfläche (16 ) der Ringrippe (12 ) insoweit beabstandet sind, dass zwischen den Bohrungen (15 ) und der Stirnfläche (16 ) der Ringrippe (12 ) ausreichend Platz für eine beim Reibschweißen gebildete Schweißwulst bleibt, und die von einer von der unteren Stirnfläche (17 ) des Kragens (7 ) definierten Eben axial beabstandet sind, – dass der Steg (28 ) eine nach oben konisch zulaufende Form aufweist, und – dass zwischen dem Kühlkanal (9 ) und dem Kolbeninnenraum (35 ) mindestens eine Ölzulauföffnung (34 ) angeordnet ist. - Kolben (
3 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (29 ) des Stegs (28 ) von einer nach oben gewölbten Scheibe (30 ) mit einer mittig liegenden Öffnung (31 ) verschlossen wird, die über eine Rastverbindung mit dem Steg (28 ) verbunden ist.
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