DE19930630C1 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben - Google Patents
Flüssigkeitsgekühlter KolbenInfo
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Abstract
Ein flüssigkeitsgekühlter Kolben (10) für Verbrennungsmotoren weist eine ringförmigen oder aus mehreren Ringsegmenten bestehenden Kühlkanal (16) auf, der einen in seinem Verlauf weitgehend gleichbleibenden Querschnitt aufweist und zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenachse (18) wellenförmig verläuft.
Description
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Kolben von Verbrennungsmotoren sind aufgrund der in dem
Brennraum stattfindenden Verbrennungen hohen thermischen
Belastungen unterworfen. Hierbei ist es insbesondere bei
Dieselmotoren und aufgeladenen Motoren zweckmäßig, die
Kühlung der Kolben durch die Zuführung von Kühlmittel zu
Hohlräumen in dem Kolben zu gewährleisten.
Ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 30 19 953 A1 bekannt. Dieser Kolben weist einen
ringförmigen Kanal auf, an den eine zum Kurbelraum hin offene
Bohrung angrenzt, durch die das Kühlöl einströmen kann. Das
Öl fließt bei diesen bekannten Kolben durch eine
Auslaßbohrung aus, die in etwa im Zentrum des Kolbens (in der
Draufsicht gesehen) vorgesehen ist. Ebenso ist es denkbar,
den Kühlmittelabfluß an einer dem Zufluß diametral
gegenüberliegenden Stelle vorzusehen. Bei dem bekannten
Kolben befindet sich der ringförmige Kanal vollständig auf
einer bestimmten Höhe des Kolbens. Hierdurch wird eine
brauchbare Kühlung des Feuerstegbereichs, also des Bereichs,
der sich hinter den Kolbenringen befindet, sowie des Bereichs
unterhalb der Brennraummulde erreicht. Die insbesondere bei
schnellaufenden Dieselmotoren besonders hoch belasteten
Bolzenaugen und der diese umgebende Bereich werden jedoch nur
unzureichend gekühlt.
Dieser Nachteil gilt auch für den Kolben gemäß der
DE 195 22 756 A1, bei dem durch Bohrungen, die weitgehend in
Richtung der Kolbenachse verlaufen, eine Kühlung des Bereichs
hinter den Kolbenringen erreicht wird.
Auch beim Kolben gemäß der DE 34 44 661 A1 sind die
sternförmig angeordneten Kühlkanäle so ausgebildet, daß sie
insbesondere den Bereich hinter den Ringen sowie den Bereich
der Brennraummulde kühlen. Eine zufriedenstellende Kühlung des
Bolzennabenbereichs kann nur durch das Vorsehen komplizierter
Gießkerne gewährleistet werden, die von dem fertigen Kolben
nur mit großem Aufwand zu entfernen sind.
Die Kühlkanäle des Kolbens gemäß der DE 196 18 625 C1 sind
zwar vergleichsweise einfach gestaltet, sie liegen jedoch von
dem Bereich der Bolzennabe so weit entfernt, daß in dieser
Zone keine hinreichende Kühlung erfolgt.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 198 10 937 C1 ist ein
Kolben bekannt, der einen ringförmigen Kühlkanal aufweist,
dessen Oberseite asymmetrische Rampen, und dessen Unterseite
dazu in Umfangsrichtung versetzte Mulden aufweist. Hierdurch
soll eine gute Förderung des Öls durch den Kühlkanal erreicht
werden.
Schließlich ist aus der DE 17 51 342 B ein Kolben für
Brennkraftmaschinen mit schräg- oder horizontalliegendem
Zylinder bekannt, bei dem an den Innenwänden des Kühlkanals
gegeneinander versetzte Stufen vorgesehen sind, um eine
zuverlässige Förderung und Durchströmung des Kühlkanals auch
bei schrägliegendem Kolben zu erreichen. Auch in diesem Fall
ist der Kühlkanal jedoch zu weit von dem Bolzennabenbereich
entfernt, um in dieser Zone bei modernen, schnellaufenden
Dieselmotoren und aufgeladenen Motoren eine zuverlässige
Kühlung sicherzustellen. Ferner erfordert auch diese
aufwendige innere Gestaltung des Kühlkanals aufwendige
Gießkerne.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leicht zu
fertigenden flüssigkeitsgekühlten Kolben zu schaffen, der
eine gute Kühlung sowohl des Ringbereichs als auch des
Bolzennabenbereichs aufweist, wobei die an den Kolben
gestellten Festigkeitsanforderungen weiterhin erfüllt bleiben
sollen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1.
Demzufolge ist der Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens,
der insgesamt in der Draufsicht gesehen weitgehend ringförmig
ist oder aus mehreren Ringsegmenten besteht, in Richtung der
Kolbenachse wellenförmig ausgebildet. Hierbei bleibt der
Querschnitt des Kühlkanals im wesentlichen über den gesamten
Verlauf des Kühlkanals gleich, so daß beispielsweise im
Gegensatz zu dem Kolben gemäß der DE 17 51 342 B keine
unnötige Verkomplizierung der Gestalt des Kühlkanals
erforderlich ist.
Vielmehr verläuft der Kühlkanal mit weitgehend
gleichbleibendem Querschnitt in einer Seitenansicht des
Kolbens gesehen wellenförmig, so daß er von dem Bereich
hinter den Kolbenringen jeweils abschnittsweise näher an den
Bolzennabenbereich heranreicht, als dies bei den bekannten
Kolben der Fall ist. Hierdurch kann eine zuverlässige Kühlung
beider dieser Bereiche erreicht werden. Durch die
wellenförmige Gestalt ergibt sich darüber hinaus der Vorteil,
daß der Kühlkanal insgesamt länger wird, so daß er eine
gegenüber herkömmlichen Kühlkanälen vergrößerte
Kühloberfläche aufweist, und die Kühlleistung erhöht wird.
Außerdem ermöglicht der wellenförmige Verlauf des Kühlkanals
einen geringeren Abstand zwischen dem Kühlkanal und dem
Ringträger, da in den Wellentälern jeweils genügend Material
hinter dem Ringträger verbleibt, und somit insgesamt den
Festigkeitsanforderungen genügt wird.
Der wellenförmige Verlauf des Kühlkanals bewirkt außerdem,
daß das Kühlöl, anders als bei bekannten, auf einem Niveau
verbleibenden Kühlkanälen, nicht direkt durch diese
hindurchströmt, sondern mit längerer Verweildauer in dem
Kühlkanal verbleibt, und somit mehr Wärme aufnehmen kann.
Schließlich erfolgt die Kühlung der den Kühlkanal umgebenden
Bereiche anders als bei herkömmlichen Kühlkanälen nicht nur
von einer einzigen Seite aus. Gewissermaßen kühlt der
Kühlkanal die anliegenden Bereiche nicht nur von dem
Kühlkanal ausgehend, sondern bei Betrachtung eines Wellentals
erfolgt die Kühlung sowohl von dem Wellental ausgehend, als
auch von den beiden benachbarten Wellenbergen in Richtung des
Wellentals. Auch durch diese Wirkungsweise kann die
Kühlleistung verbessert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
Bei Versuchen hat sich eine Gestalt des Kühlkanals als
besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher der Abstand
zwischen Wellental und Wellenberg mehr als das 1,5-fache des
Kühlkanalquerschnitts beträgt. Mit anderen Worten beträgt der
in Richtung der Kolbenachse gemessene Abstand vom tiefsten
Punkt eines Wellentales zum höchsten Punkt eines Wellenberges
mindestens das 1,5-fache des Abstands zwischen dem tiefsten
Punkt eines Wellentales und dem höchsten Punkt des Kühlkanals
in dem Wellental, was dem Kühlkanalquerschnitt entspricht.
In besonders vorteilhafter Weise ermöglichen es die
erfindungsgemäßen Maßnahmen, daß die Wanddicke zwischen
Kühlkanal und Ringträgern auf 0-10 mm, vorzugsweise 0-5 mm,
insbesondere 0-2 mm verringert ist. Hierdurch kann zur
Verbesserung der Kühlung der Kühlkanal besonders nah an den
Ringträger herangeführt werden und diesen sogar berühren, so
daß stellenweise die innenseitige Oberfläche des Ringträgers
den Kühlkanal begrenzt. Hierbei verbleibt durch den
wellenartigen Verlauf im Bereich der Wellentäler eine
ausreichende Wanddicke, um insgesamt für eine ausreichende
Festigkeit zu sorgen.
Für die Gestalt des wellenförmigen Kühlkanals wird bevorzugt,
daß dieser in einer Hälfte seines ringförmigen Verlaufs eine
ungerade Anzahl von vollständigen Wellen aufweist. Mit
anderen Worten sind bei einer gedachten, durch den Kühlkanal
geführten seitlichen Schnittansicht eine ungerade Anzahl von
Wellenbergen zu erkennen, so daß sich im Bereich oberhalb des
Bolzenauges ein Wellenberg befindet. Im Fall einer geraden
Anzahl würde sich hier ein Wellental befinden, so daß in
bestimmten Situationen eine nicht ausreichende Materialstärke
zwischen dem Wellental und dem Bolzenauge verbleibt. Eine
derartige, nicht erwünschte Schwächung des Kolbens kann
zuverlässig vermieden werden, wenn die Anzahl der Wellen
ungerade ist, so daß sich oberhalb der Bolzenbohrung ein
Wellenberg befindet, der sich hinsichtlich seiner Form
besonders günstig an den Verlauf der oberen Hälfte des
Bolzenauges anpaßt.
Schließlich hat sich hinsichtlich der Querschnittsform des
Kühlkanals eine ovale Gestalt als besonders vorteilhaft
erwiesen, wobei für diese bevorzugt wird, daß sie nach außen
geneigt ausgerichtet ist. Mit anderen Worten befindet sich in
einer Schnittansicht gesehen der obere Bereich des oval
gestalteten Kühlkanals näher an der Außenwand des Kolbens als
der untere Bereich.
Nachfolgend wird eine beispielhaft in den Zeichnungen
dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des
erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens
mit Teilschnitt; und
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Innenraums des
Kühlkanals des erfindungsgemäßen Kolbens.
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Kolben 10 in einer
Seitenansicht in Richtung der Bolzennabe 12 gesehen
dargestellt. In seinem oberen Bereich weist der schematisch
gezeigte Kolben 10 einen Ringträger 14 auf. Der Bereich des
Ringträgers 14 ist ebenso wie der Bereich in der Umgebung der
Bolzennabe 12 besonders zuverlässig zu kühlen. Zu diesem
Zweck ist ein (in der Draufsicht gesehen) weitgehend
ringförmig, parallel zu dem Umfang des Kolbens verlaufender
Kühlkanal 16 vorgesehen.
Um eine zuverlässige Kühlung des Bereichs des Ringträgers 14
und der Zonen in der Umgebung der Bolzennabe 12 miteinander
zu kombinieren, verläuft der Kühlkanal 16 erfindungsgemäß
derart in Richtung der Kolbenachse 18 wellenförmig, daß er
sich zwischen diesen Bereichen erstreckt. Bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist in besonders vorteilhafter Weise
oberhalb der Bolzennabe 12 ein Wellenberg 20 vorgesehen, der
zusammen mit den weiteren Wellenbergen eine zuverlässige
Kühlung des Bereichs mit dem Ringträger 14 sicherstellt.
Wenngleich zwischen den Wellenbergen 20 und dem Ringträger 14
eine vergleichsweise geringe Wanddicke verbleibt, ist die
Festigkeit insgesamt sichergestellt, da im Bereich der
Wellentäler 22 die Wanddicke hinter dem Ringträger 14 nicht
so stark verringert ist.
Durch die Wellentäler 22 reicht der Kühlkanal 16 in diesen
Abschnitten besonders nah an die Bolzennabe 12 heran, so daß
auch deren Umgebung gut gekühlt werden kann. Durch die in
Fig. 1 zu erkennende, bevorzugte Maßnahme, wonach die Zahl
der vollständigen Wellenberge in einer Hälfte des Kühlkanals
ungerade ist, befindet sich bei dem in Fig. 1 gezeigten
Beispiel oberhalb der Bolzennabe 12 ein Wellenberg, so daß
auch in diesem Bereich eine hinreichende Wanddicke verbleibt.
Dieser Bereich ist bei dem in Fig. 2 in detaillierterer Art
und Weise dargestellten Ausführungsbeispiel anders gestaltet.
Durch eine geeignete Gestaltung des wellenförmigen Kühlkanals
16 kann jedoch auch bei dieser Ausführungsform in dem Bereich
oberhalb des Bolzenauges 12 eine hinreichende Materialstärke
erreicht werden. In der Schnittdarstellung im linken Bereich
von Fig. 2 ist im einzelnen ein Ringträger 14 zu erkennen, an
den der Kühlkanal 16 im Bereich der Wellenberge
vergleichsweise nah heranreicht. Wie sich aus der
Schnittdarstellung von Fig. 2 ergänzend ergibt, ist der
Kühlkanal 16 bei dem gezeigten Beispiel mit einem in Richtung
der Kolbenachse 18 verlaufenden Oval gestaltet, wobei dieses
ein wenig nach außen geneigt ist. Wie in Fig. 2 ebenfalls zu
erkennen ist, beträgt der Abstand vom tiefsten Punkt eines
Wellentales 22 zum höchsten Punkt eines Wellenberges 20 in
etwa das Doppelte des Kühlkanalquerschnitts, wie er in der
Seitenansicht von Fig. 2 zu erkennen ist.
In Fig. 3 ist in einer perspektivischen Ansicht der Innenraum
des Kühlkanals 16 dargestellt. Gewissermaßen hätte ein
Gießkern, der beim Gießen des erfindungsgemäßen Kolbens 10
eingebracht wird, in etwa die in Fig. 3 gezeigte Gestalt. Aus
der Darstellung ergibt sich, daß der Kühlkanal 16 bei dem
gezeigten Beispiel zwei diametral gegenüberliegende Einström-
bzw. Ablaßbereiche 26 aufweist, deren Querschnitt in etwa
doppelt so groß ist wie die Querschnittsfläche des Kühlkanals
16. Ausgehend von dem jeweiligen Eintritts- bzw. Ablaßbereich
26 wird der Kühlkanal 16 insgesamt durch zwei in der
Draufsicht gesehen ringsegmentförmige Abschnitte gebildet,
die jeweils nahezu die Form eines Halbkreises aufweisen.
Hierdurch ergibt sich zusammen mit den Eintritts- bzw.
Ablaßbereichen 26 eine insgesamt weitgehend ringförmige
Gestalt des Kühlkanals 16. Ausgehend von dem jeweiligen
Eintritts- bzw. Ablaßbereich 26 verläuft der Kühlkanal
zunächst bis zu einem ersten Wellenberg 20a in Richtung des
Kolbenbodens. An diesen ersten Wellenberg 20a schließt sich
ein Wellental 22a sowie drei vollständige Wellenberge 20b,
20c, 20d an, bevor der Kühlkanal über einen letzten
Wellenberg 20e in den gegenüberliegenden Eintritts- bzw.
Ablaßbereich 26 mündet. Die andere Hälfte des insgesamt
ringförmigen Kühlkanals 16 ist in ähnlicher Weise gestaltet.
Wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 1 angedeutet,
bewirkt die ungerade Anzahl von in dem gezeigten Fall fünf
vollständigen Wellen in der oben erläuterten Hälfte des
Kühlkanals 16, daß sich oberhalb des Bolzenauges ein
Wellenberg, in dem gezeigten Fall mit 20c bezeichnet,
befindet. Hierdurch kann, wie erwähnt, in sämtlichen
Bereichen die erforderliche Wanddicke sichergestellt werden,
wobei insbesondere durch die benachbarten Wellentäler 22b und
22c eine zuverlässige Kühlung des Bereichs in der Umgebung
des Bolzenauges erreicht wird.
Mit den Wellenbergen 20 reicht der Kühlkanal mit dem in Fig.
3 dargestellten Innenraum besonders nah an den Ringträger des
Kolbens heran, so daß auch dieser Bereich zuverlässig gekühlt
wird. Ferner ergibt sich eine größere Innenfläche des
Kühlkanals, verglichen mit einem Verlauf des Kühlkanals, der
auf einem bestimmten Niveau verbleibt, sowie eine längere
Verweildauer des Kühlöls, so daß die Kühlleistung insgesamt
erhöht werden kann. Wie aus Fig. 3 zu erkennen ist, ergibt
sich für die Gestalt des Innenraums des Kühlkanals 16
insgesamt eine "kronenartige" Form.
Claims (5)
1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben (10) für Verbrennungsmotoren
mit einem ringförmigen oder aus mehreren Ringsegmenten
bestehenden Kühlkanal (16), der einen in seinem Verlauf
weitgehend gleichbleibenden Querschnitt aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kanal (16) zumindest abschnittsweise in Richtung der
Kolbenachse (18) wellenförmig verläuft.
2. Kolben nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand von Wellental (22) zu Wellenberg mehr als das
1,5-fache der Abmessung des Kühlkanals in Richtung der
Kolbenachse (18) beträgt.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wanddicke zwischen Kühlkanal (16) und Ringträgern
(14) auf 0-10 mm, vorzugsweise 0-5 mm, insbesondere
0-2 mm verringert ist.
4. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der vollständigen Wellen in einer Hälfte des
Kühlkanals (16) ungerade ist, so daß sich oberhalb des
Bolzenauges (12) ein Wellenberg (20c) befindet.
5. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt des Kühlkanals (16) im wesentlichen oval
ist und vorzugsweise nach außen geneigt ausgerichtet ist.
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