DE102004029927A1

DE102004029927A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004029927A1
Application number: DE200410029927
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erhardt
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: DE102004029927B4

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen Kühlkanal auf, der einen Boden (16) und zumindest eine Einlass- und/oder Auslassöffnung aufweist, wobei im Bereich zumindest einer Öffnung ein Kragen (18) vorgesehen ist, der sich oberhalb des Bodens (16) des Kühlkanals (10) erstreckt, und im Bereich des Bodens (16) des Kühlkanals (10) eine Ablauföffnung (28, 30) vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen Kühlkanal mit einem Boden und zumindest einer Einlass- und/oder Auslassöffnung aufweist.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind während des Betriebs äußerst hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, so dass in bestimmten Fällen durch geeignete Maßnahmen eine Kühlung zu gewährleisten ist.

Eine bekannte Maßnahme besteht darin, in dem Kolben einen im Bereich des Kolbenbodens beispielsweise ringförmig umlaufenden Kühlkanal vorzusehen, in den mittels zumindest einer Einlassöffnung Kühlmittel, beispielsweise Öl, eingespritzt werden kann. Die Versorgung mit Kühlöl erfolgt hierbei üblicherweise während des Abwärtshubes, während sich der Kolben auf eine Ölspritzdüse zu bewegt. Das Abführen des Öls findet üblicherweise dadurch statt, dass das Öl während der Aufwärtsbewegung des Kolbens durch Trägheitskräfte an die Unterseite des Kühlkanals gedrückt und aus dem Kühlkanal herausgepresst wird.

Stand der Technik

Aus der DE 199 60 913 A1 ist ein Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt, in dem ein Kühlraum an seiner Unterseite durch eine gesondert eingebrachte Abdeckung begrenzt ist. Ein rohrartiger Zulauf wird in die untere Abdeckung eingeclipst oder durch eine Rastverbindung befestigt.

Ein ähnlicher Kolben ist aus der US 4,377,967 bekannt. In diesem Fall wird insbesondere dafür Sorge getragen, dass das Öl auch während des Aufwärtshubes bis zu einem bestimmten Niveau in dem Kühlraum verbleibt.

Schließlich geht aus der DE 37 35 590 C1 ein Kolben hervor, dessen Kühlkanal herstellungsbedingte Bohrungen aufweist, die durch Hülsen verschlossen werden. Hierbei kann es sich um geschlitzte Leichtspannhülsen handeln, die dafür vorgesehen werden können, den Kühlmittel-Füllstand zu begrenzen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor im Hinblick auf dessen Kühlung zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge weist der erfindungsgemäße Kolben für einen Verbrennungsmotor einen Kühlkanal mit einem Boden und zumindest einer Einlass- und/oder einer Auslassöffnung auf. Unter Boden des Kühlkanals wird dessen Unterseite oder sein Grund verstanden, mit anderen Worten, der Bereich, gegen den das Kühlmittel beim Aufwärtshub des Kolbens gedrückt wird. Bei einer Motorbauweise, bei der sich die Kolben in vertikaler Richtung bewegen, entspricht der Boden insoweit der Unterseite des Kühlkanals. Für einen Stern- oder V-Motor ist jedoch zu beachten, dass die Beschleunigungen im Betrieb um ein Vielfaches größer sind als die Erdbeschleunigung. Das Kühlmittel wird folglich in Richtung der Kolbenachse gegen die weitgehend senkrecht zur Kolbenachse ausgerichtete untere, also auf der Seite des Kurbelgehäuses liegende Begrenzung des Kühlkanals gedrückt. Folglich ist dieser Bereich als "Boden" des Kühlkanals anzusehen. Dieser, als Boden bezeichnete Bereich des Kühlkanals weist, wie erwähnt, zumindest eine Einlass- oder Auslassöffnung auf.

Erfindungsgemäß ist im Bereich zumindest einer Öffnung, der Einlass- und/oder der Auslassöffnung, ein Kragen vorgesehen, der sich oberhalb des Bodens des Kühlkanals erstreckt. Der beschriebene Kragen, der im Wesentlichen eine umlaufende Erhebung im Bereich der Öffnung oberhalb des Bodens des Kühlkanals ist, kann einen gewissen Mindest-Füllstand des Kühlkanals sicherstellen. Hierdurch, so konnte bei Versuchen festgestellt werden, kann eine ausreichende Menge an Kühlmittel, insbesondere Kühlöl, das auch beim Aufwärtshub des Kolbens in dem Kühlkanal verbleibt, sichergestellt werden. Dies verbessert die erforderliche Kühlung des Kolbens.

Erfindungsgemäß ist ferner im Bereich des Bodens des Kühlkanals eine Ablauföffnung vorgesehen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise für den Fall, dass der Motor einschließlich des Kolbens steht, sichergestellt werden, dass weitgehend das gesamte, in dem Kühlkanal vorhandene Kühlmittel abfließen kann. Ein dauerhaftes Verbleiben von Kühlmittel, insbesondere Öl, in dem Kühlkanal könnte nämlich zu einer thermischen Schädigung des Öls führen. Gleichzeitig kann die beschriebene Ablauföffnung lediglich so groß gewählt werden, dass sie das Abfließen des Füllmittels beim Stillstand des Motors gewährleistet. Während des Betriebs des Motors behindert die vergleichweise kleine Ablauföffnung das Abfließen des Kühlmittels in ausreichendem Maße, so dass eine vorteilhafte Mindestfüllmenge gewährleistet ist. Da die Ablauföffnung somit das Abfließen des Öles beim Stillstand des Motors sicherstellt, ist für deren Anordnung die Situation beim Stillstand des Motors zu berücksichtigen. Mit anderen Worten befindet sich bei einem Motor derjenigen Bauart, bei der sich die Kolben in vertikaler Richtung bewegen, die Ablauföffnung im Bereich des Bodens, grundsätzlich an einer beliebigen Stelle, jedoch bevorzugt im Bereich einer niedrigsten Stelle. Für einen Stern- oder V-Motor ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich die Kolben beim Stillstand des Motors in einer geneigten Ausrichtung befinden. Insofern wird für Kolben, die für derartige Motoren vorgesehen sind, bevorzugt, dass sich die beschriebene Ablauföffnung ebenfalls, im Hinblick auf eine Einbaulage, im Bereich eines niedrigsten Bereichs des Kühlkanals befindet.

Die beschriebene Mindestfüllmenge kann insbesondere ohne aufwändige Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise können vergleichsweise große und leistungsstarke Ölpumpen vermieden werden, die bislang dazu verwendet wurden, insbesondere bei Stahlkolben mit großen Kühlkanalquerschnitten sicher zu stellen, dass sich stets eine ausreichende Menge an Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal befindet. Demgegenüber ist der erfindungsgemäße Kolben in vorteilhafter Weise so gestaltet, dass die ausreichende Kühlmittelmenge sichergestellt werden kann, ohne auf aufwändige Maßnahmen, wie leistungsstarke Ölpumpen, zurückgreifen zu müssen.

Die Tatsache, dass die Ablauföffnung im Bereich des Bodens des Kühlkanals angeordnet ist, bedeutet lediglich, dass sie unterhalb der Oberkante des beschriebenen Kragens, der den Mindest-Füllstand sicherstellt, angeordnet ist. Mit anderen Worten, kommt es lediglich darauf an, während des Stillstandes zu gewährleisten, dass das Kühlmittel zumindest teilweise abfließen kann. Besonders bevorzugt wird selbstverständlich, dass die Ablauföffnung mit ihrer Unterkante an dem Boden des Kühlkanals angeordnet ist, so dass ein vollständiges Entleeren ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Ablauföffnung jedoch in dem Fall, dass der Boden des Kühlkanals wellenförmig oder in ähnlicher Weise gestaltet ist, auch im Bereich der Wellenberge ausgebildet sein, so dass im Bereich der Wellentäler Füllmittel in dem Kühlkanal verbleiben kann. Bevorzugt wird jedoch in diesem Fall, dass die Ablauföffnung im Bereich der Wellentäler angeordnet ist, so dass eine vollständige Entleerung möglich ist.

Wenngleich die Erfindung auf beliebige Kolben anwendbar ist, entfaltet die erfindungsgemäße Lehre besondere Vorteile, wenn es sich bei dem Kolben um einen Stahlkolben handelt. Derartige Kolben weisen vergleichsweise große Kühlkanalquerschnitte auf, für die es besonders vorteilhaft ist, sicher zu stellen, dass im Betrieb stets eine gewisse Menge Kühlöl im Kühlkanal verbleibt. Hier entfaltet die Erfindung dementsprechend ihre besonderen Vorteile dahingehend, dass mit einfachen Mitteln die beschriebene Mindest-Füllmenge sichergestellt werden kann.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei Versuchen hat es sich als günstig herausgestellt, die Ablauföffnung im Bereich des Kragens vorzusehen.

Bevorzugt ist die Ablauföffnung an dem Kragen selbst vorgesehen. Insbesondere in dem nachfolgend noch genauer beschriebenen Fall, dass der Kragen durch ein separates Bauteil ausgebildet ist, kann dieser einschließlich der Ablauföffnung als separates Bauteil vorbereitet und in den Boden des Kühlkanals eingesetzt werden, um die beschriebenen Funktionen zu gewährleisten.

Bei Versuchen hat es sich als günstig herausgestellt, den Kragen, der den Verbleib eines gewissen Kühlmittelvolumens sicherstellt, hinsichtlich seiner Erstreckung derart auszubilden, dass ein Kühlmittelniveau bis zur Oberkante des Kragens mindestens etwa 10 % des Volumens des Kühlkanals entspricht. Mit anderen Worten, verbleibt im Normalbetrieb mindestens etwa 10 % des maximal möglichen Kühlmittelvolumens in dem Kühlkanal.

Besondere Vorteile können erhalten werden, wenn der beschriebene Kragen sowohl am Ein- als auch am Auslass ausgebildet ist. Zum einen kann hierdurch besonders zuverlässig ein gewisser Mindest-Füllstand des Kühlkanals sichergestellt werden. Zum anderen kann insbesondere dann, wenn sowohl der Kragen am Einlass als auch der Kragen am Auslass die beschriebene Ablauföffnung aufweist, sichergestellt werden, dass auch bei einem beliebig geneigt geparkten Fahrzeug das gesamte Öl aus dem Kühlkanal des Kolbens läuft.

Bei Versuchen hat sich für den Kragen als günstig herausgestellt, dessen Innendurchmesser mit etwa 8 mm auszuführen.

Ferner wurden besonders gute Erfahrungen mit Ablauföffnungen gemacht, die in Form zumindest einer Bohrung und/oder zumindest eines Schlitzes ausgeführt sind. Die Öffnung oder Bohrung kann eingestanzt sein und kann jede beliebige Form aufweisen. Als Beispiele seien ein Quadrat, ein Rechteck, eine Ellipse, ein Oval oder eine kreisrunde Öffnung genannt. Durch diese Ausbildungen kann zuverlässig ein vollständiger Ablauf des Kühlöls gewährleistet werden.

Im Hinblick auf die Ablauföffnung hat sich insbesondere eine Breite von etwa 1 bis 4 mm als günstig erwiesen. Besonders bevorzugt wird derzeit für die Ausführungsform, bei der die Ablauföffnung in Form eines Schlitzes ausgebildet ist, eine Breite von etwa 1 mm. Der Schlitz erstreckt sich in diesem Fall bevorzugt in Richtung der Erstreckung des Kragens von dem Boden des Kühlkanals. Für eine in dem Kragen ausgebildete Bohrung, die als Ablauföffnung dient, oder auch mehrere derartige Bohrungen, wird ein Durchmesser von etwa 4 mm derzeit bevorzugt.

Wie vorangehend ausgeführt, kommt es für die Nutzung der erfindungsgemäßen Vorteile lediglich darauf an, dass der beschriebene Kragen vorgesehen wird, der im Normalbetrieb einen gewissen Füllstand des Kühlkanals gewährleistet und dessen Ablauföffnung bei Stillstand des Kolbens ein weitgehend vollständiges Ablaufen des Kühlmittels ermöglicht. Besonders bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Kragen an einem separaten Bauteil ausgebildet ist, das in die Öffnung, die Einlass- oder die Auslassöffnung eingesetzt ist. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um eine Art Hülse handeln, die über das Niveau des Bodens des Kühlkanals derart in den Kühlkanal hinein vorsteht, dass der beschriebene Mindest-Füllstand eingehalten wird. Eine derartige Hülse kann problemlos mit zumindest einem Schlitz und/oder zumindest einer Bohrung derart versehen sein, dass ein weitgehend vollständiges Entleeren des Kühlkanals ermöglich wird. Das separate Teil kann aus einem beliebigen, geeigneten hitzebeständigen Material hergestellt sein. Besonders bevorzugt wird ein Material, das dem Werkstoff des Kolbens zumindest ähnlich ist, so dass eine formschlüssige Befestigung durch Punkt-, Reib-, Laser- oder sonstiger Schweißung zuverlässig möglich ist.

Dementsprechend wird bevorzugt, das beschriebene, separate Bauteil durch Einpressen, Einschnappen oder Verschweißen zu befestigen.

Schließlich kann auch der Boden des Kühlkanals durch ein separates Bauteil gebildet sein, das durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise eine der oben für den separaten Kragen genannten Möglichkeiten, an dem Kolben befestigt ist. Insbesondere kann auch ein derartiger, separater Boden sowohl mit einem integral ausgebildeten Kragen, als auch mit einem Kragen ausgebildet sein, der als ein separates Bauteil vorgesehen ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Kolbens.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Wie in der Figur gezeigt ist, ist ein Kühlkanal 10 eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zur Oberseite, also in Richtung des Kolbenbodens durch Kolbenmaterial 12 und zur Unterseite hin, also in Richtung eines Kurbelgehäuses, ebenfalls durch Kolbenmaterial 14 begrenzt. Es sei erwähnt, dass es sich insbesondere bei dem Kolbenmaterial 14 um eine zunächst getrennt vorgesehene Abdeckung des Kühlkanals 10 handeln kann. In jedem Fall ragt oberhalb des Bodens 16 des Kühlkanals 10 ein Kragen 18 in den Kühlkanal hinein. Die Figur zeigt zwei Ausführungsformen eines jeweils separat vorgesehenen Bauteils in Form einer Hülse 20 bzw. 22, deren Oberkante jeweils den Kragen 18 bildet. Die linke Hülse 20 ist beispielhaft in das die untere Begrenzung des Kühlkanals bildende Material 14 eingeclipst. Die rechte Hülse 22 ist in eine geeignete Öffnung eingesetzt und in geeigneter Weise durch Schweißen und/oder Einpressen befestigt, wie anhand der Schweißnaht 24 zu erkennen ist. Wie durch das Füllniveau 26 in dem Kühlkanal 10 angedeutet, kann durch den oberhalb des Bodens 16 des Kühlkanals 10 befindlichen Kragen 18 im Normalbetrieb ein gewisser Mindest-Füllstand hergestellt werden. Eine gewisse Menge an Füllmittel wird, insbesondere während des Aufwärtshubs des Kolbens, nicht in Richtung des Pfeils A durch die Öffnung des Kragens 18 aus dem Kühlkanal herausgedrückt, sondern verbleibt vielmehr in diesem.
Insbesondere erfolgt auch in Richtung des jeweiligen Pfeiles B kein nennenswertes Herausdrücken aus dem Kühlkanal. Mit dem Pfeil B ist angedeutet, dass in dem Kragen 18 eine Ablauföffnung 28 ausgebildet ist, die im Stillstand des Kolbens für ein Ablaufen des verbleibenden Kühlmittels sorgt. Im Fall der linken Hülse 20 ist die Ablauföffnung 28 als Schlitz ausgebildet, der sich über die gesamte Länge des Kragens 18, im gezeigten Fall über die gesamte Länge der eingesetzten Hülse 20, erstreckt. In dieser Ausführungsform kann der Schlitz 28 in vorteilhafter Weise zum einen dazu benutzt werden, ein radiales Zusammendrücken der Hülse 20 zu ermöglichen, um diese in der Öffnung des Kolbenmaterials 14 zu befestigen. Insbesondere kann die Hülse 20 so zusammengedrückt werden, dass die in der Figur zu erkennenden, breiteren Abschnitte durch die in dem Kolbenmaterial 14 ausgebildete Öffnung treten können. Nachdem der in der Zeichnung zu erkennende schmalere Bereich 32 der Hülse 22 die Öffnung in dem Kolbenmaterial 14 erreicht hat, kann die Hülse aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften zumindest weitgehend zu ihrer Ausgangsform zurückkehren und ist hierdurch zuverlässig in der Öffnung in dem Kolbenmaterial 14 befestigt, insbesondere eingeclipst.
Im Fall der rechten, in der Figur gezeigten Hülse 22 ist die Ablauföffnung als Bohrung 30 ausgebildet. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, befindet sich in dem gezeigten Fall die Unterkante der Bohrung 30 unterhalb des Bodens 16 des Kühlkanals 10, so dass eine vollständige Entleerung des Kühlkanals 10 beim Stillstand des Kolbens möglich ist. Die Unterkante der Bohrung 30 kann sich jedoch auch ein wenig oberhalb des Bodens 16 des Kühlkanals 10 befinden, so dass zumindest eine weitgehend vollständige Entleerung des Kühlkanals 10 gewährleistet ist.
Es sei noch erwähnt, dass die in der Figur gezeigten Hülsen 20 und 22 in übereinstimmenden Ausführungsformen oder auch in unterschiedlichen Ausführungsformen in die Einlass- und/oder Auslassöffnung des Kühlkanals 10 eingesetzt sein können. Ferner kann, wie aus der Figur ohne Weiteres ersichtlich ist, der Kragen 18 einschließlich der Ablauföffnung 28 bzw. 30 auch integral mit dem Kolbenmaterial 14 ausgebildet sein. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Kragen 18 bevorzugt sowohl an der Einlass- als auch an der Auslassöffnung vorgesehen ist, um auch bei in beliebiger Weise geneigtem Fahrzeug eine Mindest-Füllmenge und mittels der Ablauföffnung ein zumindest weitgehend vollständiges Entleeren des Füllkanals zu ermöglichen.

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanal (10), der einen Boden (16) und zumindest eine Einlass- und/oder Auslassöffnung aufweist, wobei im Bereich zumindest einer Öffnung ein Kragen (18) vorgesehen ist, der sich oberhalb des Bodens (16) des Kühlkanals (10) erstreckt, und im Bereich des Bodens (16) des Kühlkanals (10) eine Ablauföffnung (28, 30) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnung (28, 30) im Bereich des Kragens (18) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnung (28, 30) an dem Kragen (18) selbst vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (18) eine derartige Erstreckung aufweist, dass ein Kühlmittelniveau (26) bis zur Oberkante des Kragens (18) mindestens etwa 10 % des Volumens des Kühlkanals (10) entspricht.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl an der Einlass- als auch an der Auslassöffnung ein Kragen (18) vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (18) einen Innendurchmesser von etwa 8 mm aufweist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnung durch zumindest eine Bohrung (30) und/oder durch zumindest einen Schlitz (28) gebildet wird.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnung (28, 30) eine Breite von ca. 1 bis ca. 4 mm aufweist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (18) an einem separaten Bauteil (20, 22) ausgebildet ist, das in die Ein- und/oder Auslassöffnung eingesetzt ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Bauteil durch Einpressen, Einschnappen oder Verschweißen befestigt ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (16) durch ein separates Bauteil gebildet wird.