EP1198667B1

EP1198667B1 - Flüssigkeitsgekühlter kolben

Info

Publication number: EP1198667B1
Application number: EP00949192A
Authority: EP
Inventors: Edgar Martin; Stephan Thieme
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2003526755A; BR0011981A; EP1198667A1; ES2256023T3; BR0011981B1; DE50012199D1; US20020162448A1; PL198900B1; DE19930630C1; WO2001002713A1; ATE317497T1; PL353177A1; US6499386B2

Description

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

Ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 30 19 953 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.
Die DE 197 36 135 C1 offenbart einen flüssigkeitsgekühlten Kolben mit einem Kühlkanal, der mit zwei getrennten Schenkeln ausgehend von einem radialen Randbereich bis zur Mitte schräg nach oben und anschließend bis zu dem gegenüber liegenden radialen Randbereich schräg nach unten verläuft. Die beiden Schenkel bilden in der Draufsicht gesehen insgesamt eine X-förmige Gestalt aus. Hierdurch soll eine verbesserte Kühlung des Kolbenbodens erreicht werden.
Schließlich ist aus der DE-PS 17 51 342 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.

Darstellung der Erfindung

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-PS 17 51 342 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

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

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, und
dass der Abstand von Wellental (22) zu Wellenberg mehr als das 1,5-fache der Abmessung des Kühlkanals in Richtung der Kolbenachse (18) beträgt.
Kolben nach Anspruch 1,
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.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
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.
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.