EP3004609A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

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Publication number
EP3004609A1
EP3004609A1 EP14753000.0A EP14753000A EP3004609A1 EP 3004609 A1 EP3004609 A1 EP 3004609A1 EP 14753000 A EP14753000 A EP 14753000A EP 3004609 A1 EP3004609 A1 EP 3004609A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cooling channel
piston head
head
closure element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14753000.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Scharp
Peter Kemnitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3004609A1 publication Critical patent/EP3004609A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/08—Cooling of piston exterior only, e.g. by jets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, with a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a piston crown, a circumferential land land, a circumferential ring section with annular grooves and in the region of the ring part a circumferential, downwardly open, closed with a closure element cooling channel wherein the cooling channel has a cooling channel bottom and a cooling channel cover, and wherein the piston skirt has two piston hubs, which are connected to one another via two running surfaces.
  • the object of the present invention is to develop a generic piston so that an optimized balance between stability and flexibility and at the same time the cooling is improved.
  • the solution is that the inner surface is connected exclusively to a running surface of the piston via a connecting web with the underside of the piston head.
  • the piston according to the invention is thus constructed asymmetrically.
  • One of its running surfaces is tied to the two piston hubs.
  • the other tread is additionally bonded to the underside of the piston head.
  • This structure provides both a good stability (additional connection of a running surface to the underside of the piston head), but on the other hand also a certain flexibility (connection of a
  • the connecting web which connects one of the running surfaces to the underside of the piston head, can be used to selectively direct an oil jet onto the surface of the connecting web in engine operation such that the underside of the piston head is specifically cooled.
  • the cooling of the piston according to the invention is improved.
  • the compression height may, for example, be between 38% and 45% of the nominal diameter of the piston head.
  • closure element is arranged in the piston head such that a circumferential annular gap is formed in the piston crown. This eliminates the need to provide oil drain holes.
  • the closure element may be formed with decoupled piston shaft as a separate component which is fixed to the piston.
  • the piston according to the invention may be formed as a one-piece piston. Then, the cooling channel is introduced in a conventional manner by machining in a cast or forged blank. However, it is preferred that the piston is composed of at least two non-detachably interconnected components.
  • the piston according to the invention may have a piston main body and a piston ring element.
  • the closure element may be formed both as a separate component fastened to the piston and as a component integrally connected to the piston. In the latter case, the closure element can be integrally connected either to the piston main body or to the piston ring element.
  • the cooling channel may extend in the axial direction usually up to the level of the lowest annular groove and below, in order to achieve with the aid of the largest possible cooling channel sufficient cooling, especially of steel pistons in engine operation.
  • the cooling oil reciprocates between the cooling channel ceiling, ie a very hot area, and the cooling channel floor, ie a comparatively cool area. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there.
  • a particularly effective cooling is therefore preferably achieved in that the cooling channel is shortened in the axial direction. This has the consequence that the cooling oil moves in particular in the region of the cooling channel bottom in greater proximity to the highly heat-loaded cooling channel bottom and thus in hotter areas than in a cooling channel extending to the lowest annular groove or below. Therefore, in each phase of the piston movement takes place heat absorption from the hot areas of the piston head into the cooling oil.
  • the cooling oil quantity known from the prior art is maintained and the cooling oil supply is set up so that the cooling oil is rapidly exchanged during engine operation, a particularly effective cooling of the piston head results.
  • the cooling channel bottom is preferably arranged at the level of the second annular groove, particularly preferably between the first annular groove and the second annular groove, in order to further increase the cooling capacity by moving the cooling oil even closer to the hot piston bottom during engine operation.
  • a further preferred embodiment provides that the height of the top land is at most 9% of the nominal diameter of the piston head. This causes a particularly advantageous for heat dissipation positioning of the cooling channel with respect to the piston crown and the ring section.
  • the distance between the piston crown and the bottom of the cooling channel can be between 11% and 17% of the nominal diameter of the piston head.
  • the height of the cooling channel can be 0.8 times to 1.7 be fold of its width.
  • the distance between the piston head and the cooling channel ceiling can be between 3% and 7% of the nominal diameter of the piston head.
  • a combustion bowl is formed in the piston head and that the smallest wall thickness in the radial direction between the combustion bowl and the cooling channel is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter of the piston head.
  • the combustion bowl may, for example, be provided with an undercut in order to determine the wall thickness between the combustion bowl and the cooling channel.
  • the present invention is suitable both for pistons of at least one steel material and for pistons of at least one light metal alloy.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 2 shows the piston according to FIG. 1 in a representation rotated by 90 °
  • FIG. 3 shows another embodiment of a piston according to the invention in
  • Figure 4 shows another embodiment of a piston according to the invention in
  • Figure 5 shows another embodiment of a piston according to the invention in section
  • Figure 6 is an enlarged partial view of another embodiment in the
  • FIG. 7 a, 7 b Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 7 a, 7 b according to the present invention
  • FIG. 8a, 8b Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 8a, 8b according to the prior art.
  • FIGS. 1 and 2 show a first exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 can be forged or cast as a one-piece blank, wherein the cooling channel is introduced into the blank by machining.
  • the piston 10 is composed of a piston main body 31 and a piston ring member 32, which may be cast or forged in a conventional manner and which are connected to each other via a weld 33, for example by electron beam welding or laser welding.
  • the weld 33 is arranged in the embodiment at the lowest point of the combustion bowl at an acute angle to the piston center axis A.
  • the piston 10 is made in the embodiment of a steel material. But it can also be made of a light metal material or a combination of both materials.
  • the piston 10 has a piston head 11 with a combustion bowl 13 having a piston head 12, a peripheral land 14 and a revolving ring portion 15 with annular grooves 16, 17, 18 for receiving piston rings (not shown). In height of the ring section 15, a circumferential cooling channel 19 is provided.
  • the piston 10 further comprises a piston stem 21 thermally decoupled from the piston head 11 with piston hubs 22 and hub bores 23 for receiving a piston rod. benbolzens (not shown) on.
  • the piston bosses 22 are connected via hub connections 24 to the underside 11 a of the piston head 11.
  • the piston hubs 22 are connected to each other via running surfaces 25a, 25b.
  • the cooling channel 19 is open at the bottom and closed with a separate closure element 35, in the exemplary embodiment a closure plate.
  • the closure element 35 is fixed in a conventional manner below the ring portion 15 on the piston head 11 and extends in the direction of the combustion bowl 13 such that the annular free end of the closure member 35 forms a circumferential annular gap 36 together with the outer wall of the combustion bowl 13.
  • the inner surface 37 is connected exclusively to a running surface, namely the running surface 25a of the piston 10 via a connecting web 38 with the underside 11a of the piston head 11.
  • a cooling oil jet may be directed along the inner surface 37 of the tread 25a toward the surface of the tie bar 38 to enhance cooling of the underside 11a of the piston head 11, as indicated by the arrow P.
  • the closure element 35 is bent in the direction of the piston head 12 such that a cooling channel bottom 26 is formed, which in the exemplary embodiment is approximately at the height of the second annular groove 17.
  • the cooling channel bottom 26 may also be arranged between the first annular groove 16 and the second annular groove 17.
  • the cooling channel 19 also has a cooling channel cover 27.
  • the compression height KH is in the embodiment between 38% and 45% of the nominal diameter DN of the piston head eleventh Figure 3 shows a further embodiment of a piston 110 according to the invention.
  • the piston 110 is constructed in a similar manner as the piston 10 according to Figures 1 and 2. Therefore, the same structural elements are provided with the same reference numerals, and it is in this respect to the description of the figures 1 and 2 referenced.
  • closure element 135 is designed as an annular disc which completely closes the cooling channel 119.
  • inlet and outlet openings for cooling oil are provided in the closure element 135.
  • the cooling channel bottom 126 of the resulting cooling channel 119 is thus approximately at the level of the lowest annular groove 18th
  • FIG 4 shows a further embodiment of a piston 210 according to the invention.
  • the piston 210 is constructed in a similar manner as the piston 10 according to Figures 1 and 2. Therefore, the same structural elements are provided with the same reference numerals, and it is in this respect to the description of the figures 1 and 2 referenced.
  • the piston 210 has a closure element 235 in the form of a circumferential flange connected in one piece with the piston main body 231.
  • the closure element 235 extends in the direction of the ring portion 15 such that its free end together with the inner wall of the ring portion 15 forms a circumferential annular gap 236.
  • the closure element 235 forms the cooling channel bottom 226.
  • the cooling channel bottom 226 is in the embodiment approximately between the first annular groove 16 and the second annular groove 17 is located.
  • the cooling channel 219 also has a cooling channel ceiling 227.
  • the piston ring element 232 of the piston 210 comprises part of the piston crown 12, the top land 14 and the ring section 15.
  • the piston ring element 232 can be connected to the piston main body 231, in particular by a welding process, for example electron beam welding or laser welding, wherein the weld seam 233 is arranged in the piston head.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a piston 310 according to the invention.
  • the piston 310 is constructed in a similar manner to the piston 210 according to FIG. 4. Therefore, identical structural elements are provided with the same reference numerals, and reference is made to the description of FIG.
  • the essential difference between the piston 310 according to FIG. 5 and the piston 210 according to FIG. 4 is that the closure element 335 is integrally connected to the piston main body 331 such that the cooling channel bottom 326 of the resulting cooling channel 319 is approximately at the level of the lowest annular groove 18 lies.
  • the closure element 335 extends in the direction of the ring part 15 formed by the piston ring element 332 such that its free end together with the inner wall of the ring part 15 forms a circumferential annular gap 336.
  • FIG. 6 shows, in an enlarged partial view, a further exemplary embodiment of a piston 410, in which the closure element 435 is designed in the form of a circumferential flange connected in one piece with the piston ring element 432.
  • the closure element 435 extends in the direction of the combustion bowl 13 formed by the piston base body 431 such that the free end of the closure element 435 together with the outer wall of the combustion bowl 13 forms a circumferential annular gap 436.
  • the combustion bowl 13 is provided with an undercut 429 to determine the wall thickness between the combustion bowl 13 and the cooling channel 419 (see below). The following information applies to pistons 10, 210, 410 according to FIGS. 1, 2, 4 and 6.
  • the height h of the top land 14 is at most 9% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2).
  • a particularly advantageous for the heat dissipation positioning of the cooling channel 419 with respect to the piston head 12 and the ring section 15 is effected.
  • the distance a between the piston head 12 and the cooling channel bottom 426 is between 11% and 17% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2).
  • the cooling channel 419 is positioned in optimum proximity to the hot piston bottom 12 and in an optimal position relative to the cooler annular grooves 16, 17, 18.
  • the height c of the cooling passage 419 is 0.8 times to 1.7 times its width d. This design rule causes an optimal volume of the cooling channel 419 and an optimal alignment relative to the hot combustion bowl 13, in particular to the bowl rim, and to the hot piston bottom 12 and to the cooler annular grooves 16, 17, 18th
  • the distance b between the piston head 12 and the cooling channel cover 427 is between 3% and 7% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (compare FIGS. 1 and 2). Also, this design rule causes optimal positioning of the cooling channel 419 with respect to the hot piston bottom 12th
  • Figures 7a and 7b and 8a and 8b show schematically the cooling oil movement during engine operation and the temperature zones in the region of the combustion bowl, the piston crown, the cooling channel and the annular grooves both for a piston according to the invention with axially shortened cooling channel ( Figures 7a and 7b) and for a Piston with over all three annular grooves extending cooling channel ( Figures 8a and 8b).
  • the cooling channel is shortened in the axial direction.
  • the cooling oil moves almost exclusively along the "hot” regions of the piston crown and the combustion bowl, so that heat absorption from the "hot” regions of the piston head into the cooling oil takes place in each phase of the piston movement.
  • the usual amount of cooling oil should be retained and the engine management set up so that the cooling oil is exchanged quickly during engine operation.
  • the cooling channel extends in the axial direction approximately to the level of the lowermost annular groove or even below, in order to achieve sufficient cooling during engine operation with the aid of the largest possible cooling channel. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between a "hot” area, namely the piston crown and the bowl rim of the combustion bowl and a "cool” area, namely the cooling channel bottom. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (12), einen umlaufenden Feuersteg (14), eine umlaufende Ringpartie (15) mit Ringnuten (16, 17, 18) und im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement (35, 135, 235, 335, 435) verschlossenen Kühlkanal (19, 119, 419) aufweist, wobei der Kühlkanal (19, 119, 419) einen Kühlkanalboden (26, 126, 226, 326, 426) und eine Kühlkanaldecke (27) aufweist, und wobei der Kolbenschaft (21) zwei Kolbennaben (22) aufweist, die über zwei Laufflächen (25a, 25b) miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Innenfläche (37) ausschließlich einer Lauffläche (25a) des Kolbens (10, 110, 210, 310, 410) über einen Verbindungssteg (38) mit der Unterseite (11a) des Kolbenkopfes (11) verbunden ist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg, eine umlaufende Ringpartie mit Ringnuten und im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal einen Kühlkanalboden und eine Kühlkanaldecke aufweist, und wobei der Kolbenschaft zwei Kolbennaben aufweist, die über zwei Laufflächen miteinander verbunden sind.
In modernen Verbrennungsmotoren sind die Kolben im Bereich des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde immer höheren mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Neben einer Optimierung der Kolbenkühlung ist es daher erforderlich, den Kolben einerseits mit der notwendigen Stabilität zu versehen, um den auftretenden mechanischen Belastungen standzuhalten, und den Kolben andererseits so flexibel zu gestalten, dass Schäden, insbesondere Risse, vermieden werden, welche durch diese mechanischen Belastungen verursacht werden könnten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass eine optimierte Balance zwischen Stabilität und Flexibilität erreicht und zugleich die Kühlung verbessert wird.
Die Lösung besteht darin, dass die Innenfläche ausschließlich einer Lauffläche des Kolbens über einen Verbindungssteg mit der Unterseite des Kolbenkopfes verbunden ist.
Der erfindungsgemäße Kolben ist somit asymmetrisch aufgebaut. Eine seiner Laufflächen ist an die beiden Kolbennaben gebunden. Die andere Lauffläche ist zusätzlich an die Unterseite des Kolbenkopfes gebunden. Dieser Aufbau gewährt sowohl eine gute Stabilität (zusätzliche Anbindung einer Lauffläche an die Unterseite des Kolbenkopfes), andererseits aber auch eine gewisse Flexibilität (Anbindung einer
Bestätigungskopiel Lauffläche lediglich an die Kolbennaben). Dabei kommt es nicht darauf an, ob die zusätzliche Anbindung einer Lauffläche an die Unterseite des Kolbenkopfes auf der Druckseite oder der Gegendruckseite des Kolbens vorgesehen ist. Ferner kann der Verbindungssteg, die eine der Laufflächen mit der Unterseite des Kolbenkopfes verbindet, dazu genutzt werden, um im Motorbetrieb gezielt einen Ölstrahl auf die Oberfläche des Verbindungsstegs zu richten, derart, dass die Unterseite des Kolbenkopfes gezielt gekühlt wird. Somit ist auch die Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens verbessert.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Kompressionshöhe kann bspw. zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verschlusselement derart im Kolbenkopf angeordnet ist, dass ein umlaufender Ringspalt im Kolbenboden ausgebildet ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, Ölablauföffnungen vorzusehen.
Das Verschlusselement kann bei entkoppeltem Kolbenschaft als separates Bauteil ausgebildet sein, welches am Kolben befestigt ist.
Der erfindungsgemäße Kolben kann als einteiliger Kolben ausgebildet sein. Dann wird der Kühlkanal in an sich bekannter Weise durch spanende Bearbeitung in einen gegossenen oder geschmiedeten Rohling eingebracht. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Kolben aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt ist. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Kolben einen Kolbengrundkörper und ein Kolbenringelement aufweisen. In diesem Fall kann das Verschlusselement sowohl als separates, am Kolben befestigtes Bauteil als auch als einstückig mit dem Kolben verbundenes Bauteil ausgebildet sein. In letzterem Fall kann das Verschlusselement entweder mit dem Kolbengrundkörper oder mit dem Kolbenringelement einstückig verbunden sein. Der Kühlkanal kann sich in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter erstrecken, um mithilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung insbesondere von Stahlkolben im Motorbetrieb zu erzielen. Allerdings bewegt sich das Kühlöl aufgrund des Shaker-Effekts zwischen der Kühlkanaldecke, d.h. einem sehr heißen Bereich, und dem Kühlkanalboden, d.h. einem vergleichsweise kühlen Bereich, hin und her. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt.
Eine besonders wirksame Kühlung wird daher vorzugsweise dadurch erreicht, dass der Kühlkanal in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl insbesondere im Bereich des Kühlkanalbodens in größerer Nähe zum hoch wärmebelasteten Kühlkanalboden und damit insgesamt in heißeren Bereichen bewegt, als in einem Kühlkanal, der sich bis zur untersten Ringnut oder darunter erstreckt. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den heißen Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Insbesondere wenn die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge beibehalten und die Kühlölversorgung so eingerichtet wird, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird, ergibt sich eine besonders wirksame Kühlung des Kolbenkopfes.
Vorzugsweise ist der Kühlkanalboden in Höhe der zweiten Ringnut, besonders bevorzugt zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut angeordnet, um die Kühlleistung weiter zu steigern, indem sich das Kühlöl im Motorbetrieb in noch größerer Nähe zum heißen Kolbenboden bewegt.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Höhe des Feuerstegs maximal 9 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals in Bezug auf den Kolbenboden und die Ringpartie bewirkt.
In diesem Fall kann der Abstand zwischen dem Kolbenboden und dem Kühlkanalboden zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Zusätzlich oder stattdessen kann die Höhe des Kühlkanals das 0,8-fache bis 1 ,7- fache seiner Breite betragen. Ferner kann alternativ oder kumulativ hierzu der Abstand zwischen dem Kolbenboden und der Kühlkanaldecke zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Diese Bemessungsregeln erlauben eine optimierte Auslegung und Positionierung des Kühlkanals für alle Kolbengrößen.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass im Kolbenkopf eine Verbrennungsmulde ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal erzielt.
Die Verbrennungsmulde kann bspw. mit einem Hinterschnitt versehen sein, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung ist sowohl für Kolben aus mindestens einem Stahlwerkstoff als auch für Kolben aus mindestens einer Leichtmetalllegierung geeignet.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Figur 2 den Kolben gemäß Figur 1 in einer um 90° gedrehten Darstellung;
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt; Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Figur 6 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels im
Schnitt;
Figuren eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben 7a, 7b gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figuren eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben 8a, 8b gemäß dem Stand der Technik.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann, wie grundsätzlich bekannt, als einteiliger Rohling geschmiedet oder gegossen werden, wobei der Kühlkanal durch spanabhebende Bearbeitung in den Rohling eingebracht wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 aus einem Kolbengrundkörper 31 und einem Kolbenringelement 32 zusammengesetzt, die in an sich bekannter Weise gegossen oder geschmiedet sein können und die über eine Schweißnaht 33 bspw. mittels Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden sind. Die Schweißnaht 33 ist im Ausführungsbeispiel an der tiefsten Stelle der Verbrennungsmulde unter spitzem Winkel zur Kolbenmittelachse A angeordnet. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Er kann aber auch aus einem Leichtmetallwerkstoff oder einer Kombination beider Werkstoffe hergestellt sein.
Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten 16, 17, 18 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 19 vorgesehen.
Der Kolben 10 weist ferner einen vom Kolbenkopf 11 thermisch entkoppelten Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kol- benbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 22 sind über Nabenanbindungen 24 mit der Unterseite 11a des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Laufflächen 25a, 25b miteinander verbunden.
Der Kühlkanal 19 ist nach unten offen ausgebildet und mit einem separaten Verschlusselement 35, im Ausführungsbeispiel einem Verschlussblech, verschlossen. Das Verschlusselement 35 ist in an sich bekannter Weise unterhalb der Ringpartie 15 am Kolbenkopf 11 befestigt und erstreckt sich in Richtung der Verbrennungsmulde 13 derart, dass das ringförmige freie Ende des Verschlusselements 35 zusammen mit der Außenwand der Verbrennungsmulde 13 einen umlaufenden Ringspalt 36 bildet.
Erfindungsgemäß ist die Innenfläche 37 ausschließlich einer Lauffläche, nämlich der Lauffläche 25a des Kolbens 10 über einen Verbindungssteg 38 mit der Unterseite 11a des Kolbenkopfes 11 verbunden.
Im Motorbetrieb kann ein Kühlölstrahl entlang der Innenfläche 37 der Lauffläche 25a in Richtung der Fläche des Verbindungsstegs 38 gerichtet werden, um die Kühlung der Unterseite 11a des Kolbenkopfes 11 zu verbessern, wie es durch den Pfeil P angedeutet ist.
Zur weiteren Verbesserung der Kühlung des Kolbens 10 ist das Verschlusselement 35 derart in Richtung des Kolbenbodens 12 gebogen, dass ein Kühlkanalboden 26 gebildet ist, der im Ausführungsbeispiel etwa auf der Höhe der zweiten Ringnut 17 liegt. Der Kühlkanalboden 26 kann auch zwischen der ersten Ringnut 16 und der zweiten Ringnut 17 angeordnet sein.
Der Kühlkanal 19 weist ferner eine Kühlkanaldecke 27 auf.
Die Kompressionshöhe KH beträgt im Ausführungsbeispiel zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11. Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem Kolben 110 gemäß Figur 3 und dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2 besteht darin, dass das Verschlusselement 135 als ringförmige Scheibe ausgebildet ist, welches den Kühlkanal 119 vollständig verschließt. In diesem Fall sind im Verschlusselement 135 Zu- und Ablauföffnungen für Kühlöl vorgesehen. Der Kühlkanalboden 126 des resultierenden Kühlkanals 119 liegt somit in etwa auf der Höhe der untersten Ringnut 18.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210. Der Kolben 210 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen.
Die wesentlichen Unterschiede bestehen zum Einen in der Gestaltung des Kolbengrundkörpers 231 und des Kolbenringelements 232 und zum Anderen darin, dass der Kolben 210 ein gegenüber dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2 unterschiedlich gestaltetes Verschlusselement 235 aufweist.
Der Kolben 210 weist ein Verschlusselement 235 in Form eines einstückig mit dem Kolbengrundkörper 231 verbundenen umlaufenden Flansches auf. Das Verschlusselement 235 erstreckt sich in Richtung der Ringpartie 15 derart, dass sein freies Ende zusammen mit der Innenwand der Ringpartie 15 einen umlaufenden Ringspalt 236 bildet. Das Verschlusselement 235 bildet den Kühlkanalboden 226. Der Kühlkanalboden 226 liegt im Ausführungsbeispiel etwa zwischen der ersten Ringnut 16 und der zweiten Ringnut 17 liegt. Der Kühlkanal 219 weist ferner eine Kühlkanaldecke 227 auf. Das Kolbenringelement 232 des Kolbens 210 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Teil des Kolbenbodens 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 232 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Elektronen- strahlschweißen oder Laserschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 231 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 233 im Kolbenboden angeordnet ist.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 310. Der Kolben 310 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 210 gemäß Figur 4. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu Figur 4 verwiesen.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem Kolben 310 gemäß Figur 5 und dem Kolben 210 gemäß Figur 4 besteht darin, dass das Verschlusselement 335 derart mit dem Kolbengrundkörper 331 einstückig verbunden ist, dass der Kühlkanalboden 326 des resultierenden Kühlkanals 319 in etwa auf der Höhe der untersten Ringnut 18 liegt. Das Verschlusselement 335 erstreckt sich in Richtung der vom Kolbenringelement 332 gebildeten Ringpartie 15 derart, dass sein freies Ende zusammen mit der Innenwand der Ringpartie 15 einen umlaufenden Ringspalt 336 bildet.
Figur 6 zeigt in einer vergrößerten Teildarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens 410, bei dem das Verschlusselement 435 in Form eines einstückig mit dem Kolbenringelement 432 verbundenen umlaufenden Flansches ausgebildet ist. Das Verschlusselement 435 erstreckt sich in Richtung der vom Kolbengrundkörper 431 gebildeten Verbrennungsmulde 13 derart, dass das freie Ende des Verschlusselements 435 zusammen mit der Außenwand der Verbrennungsmulde 13 einen umlaufenden Ringspalt 436 bildet.
Die Verbrennungsmulde 13 ist mit einem Hinterschnitt 429 versehen, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 419 zu bestimmen (siehe dazu unten). Die folgenden Angaben gelten für Kolben 10, 210, 410 gemäß den Figuren 1 , 2, 4 und 6.
Es ist bevorzugt, dass die Höhe h des Feuerstegs 14 maximal 9 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe Figuren 1 und 2) beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals 419 in Bezug auf den Kolbenboden 12 und die Ringpartie 15 bewirkt.
Unter Zugrundelegung dieser Bemessungsregel für den Feuersteg 14 ist es bevorzugt, dass der Abstand a zwischen dem Kolbenboden 12 und dem Kühlkanalboden 426 zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe Figuren 1 und 2) beträgt. Damit wird der Kühlkanal 419 in optimaler Nähe zum heißen Kolbenboden 12 sowie in optimaler Lage relativ zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18 positioniert.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Höhe c des Kühlkanals 419 das 0,8-fache bis 1 ,7-fache seiner Breite d beträgt. Diese Bemessungsregel bewirkt ein optimales Volumen des Kühlkanals 419 sowie eine optimale Ausrichtung relativ zur heißen Verbrennungsmulde 13, insbesondere zum Muldenrand, sowie zum heißen Kolbenboden 12 und zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18.
Schließlich ist es bevorzugt, dass der Abstand b zwischen dem Kolbenboden 12 und der Kühlkanaldecke 427 zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (vgl. Figuren 1 und 2) beträgt. Auch diese Bemessungsregel bewirkt eine optimale Positionierung des Kühlkanals 419 in Bezug auf den heißen Kolbenboden 12.
Schlussendlich ist es bevorzugt, dass die geringste Wanddicke w in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 419 zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 419 erzielt. Die Figuren 7a und 7b sowie 8a und 8b zeigen schematisch die Kühlölbewegung im Motorbetrieb sowie die Temperaturzonen im Bereich der Verbrennungsmulde, des Kolbenbodens, des Kühlkanals und der Ringnuten sowohl für einen erfindungsgemäßen Kolben mit axial verkürztem Kühlkanal (Figuren 7a und 7b) als auch für einen Kolben mit sich über alle drei Ringnuten erstreckenden Kühlkanal (Figuren 8a und 8b).
In den Figuren 7a, 7b, 8a, 8b sind schematisch drei Wärmezonen, nämlich„heiß", „warm" und„kühl" bezeichnet. Damit sollen die relativen Temperaturunterschiede in den einzelnen Kolbenbereichen illustriert werden.
Gemäß den Figuren 7a und 7b ist der Kühlkanal in axialer Richtung verkürzt. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl fast ausschließlich entlang der„heißen" Bereiche des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde bewegt. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den„heißen" Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Die übliche Kühlölmenge sollte beibehalten und das Motormanagement so eingerichtet werden, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird.
Gemäß den Figuren 8a und 8b) erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in etwa bis auf die Höhe der untersten Ringnut oder auch darunter, um mithilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen einem„heißen" Bereich, nämlich dem Kolbenboden und dem Muldenrand der Verbrennungsmulde und einem„kühlen" Bereich, nämlich dem Kühlkanalboden. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt.
Im Ergebnis ergibt sich bei Kolben mit axial verkürztem Kühlkanal eine weiter verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (12), einen umlaufenden Feuersteg (14), eine umlaufende Ringpartie (15) mit Ringnuten (16, 17, 18) und im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement (35, 135, 235, 335, 435) verschlossenen Kühlkanal (19, 119, 419) aufweist, wobei der Kühlkanal (19, 119, 419) einen Kühlkanalboden (26, 126, 226, 326, 426) und eine Kühlkanaldecke (27) aufweist, und wobei der Kolbenschaft (21) zwei Kolbennaben (22) aufweist, die über zwei Laufflächen (25a, 25b) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (37) ausschließlich einer Lauffläche (25a) des Kolbens (10, 110, 210, 310, 410) über einen Verbindungssteg (38) mit der Unterseite (11a) des Kolbenkopfes (11) verbunden ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshöhe (KH) zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (35, 235, 335, 435) derart im Kolbenkopf (11) angeordnet ist, dass ein umlaufender Ringspalt (36, 236, 336, 436) im Kühlkanalboden (26, 226, 326, 426) ausgebildet ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (35, 135) als separates Bauteil ausgebildet ist.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10, 110, 210, 310, 410) aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen (31 , 32; 131 , 132; 231 , 232; 331 , 332; 431 , 432) zusammengesetzt ist.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kolbengrundkörper (31 , 131 , 231 , 331 , 431) und ein Kolbenringelement (32; 132; 232; 332; 432) aufweist.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (235,335) einstückig mit dem Kolbengrundkörper (231 , 331) ausgebildet ist.
8. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (435) einstückig mit dem Kolbenringelement (432) ausgebildet ist.
9. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (35, 235, 435) derart im Kolbenkopf (11) angeordnet ist, dass der Kühlkanalboden (26, 226, 426) oberhalb der untersten Ringnut (18) angeordnet ist.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalboden (26) in Höhe der zweiten Ringnut (17) angeordnet ist.
11. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalboden (226, 426) zwischen der ersten Ringnut (16) und der zweiten Ringnut (17) angeordnet ist.
12. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Feuerstegs (14) maximal 9 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Kolbenboden (12) und dem Kühlkanalboden (26, 226, 426) zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
14. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (c) des Kühlkanals (19, 219, 419) das 0,8-fache bis 1 ,7-fache seiner Breite (d) beträgt.
15. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) zwischen dem Kolbenboden (12) und der Kühlkanaldecke (27, 227, 427) zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
16. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenkopf (11) eine Verbrennungsmulde (13) ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke (w) in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde (13) und dem Kühlkanal (19, 219, 419) zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
17. Kolben nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmulde (13) mit einem Hinterschnitt (429) versehen ist.
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