DE102004038946A1

DE102004038946A1 - Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor mit Wärmerohren

Info

Publication number: DE102004038946A1
Application number: DE102004038946A
Authority: DE
Inventors: Peter Heidrich; Roland Lochmann; Timo Estrum
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-02-23
Also published as: BRPI0514305A; EP1778965A1; US20070251487A1; JP2008509338A; CN101018942A; WO2006015585A1; JP4909269B2; KR101210098B1; US7603977B2; KR20070050068A

Abstract

Bei einem Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor mit Wärmerohren soll eine Verbesserung der Wärmeabfuhr von den wärmebelasteten Kolbenbereichen unter Vermeidung thermischer Spannungen dadurch erzielt werden, dass mit einer Verdampfer- (6a) und Kondensatorseite (6b) versehene, flüssigkeitsgefüllte Wärmerohre (6) in zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (5) des Kühlkanals (7) angeordnet sind, wobei die Anordnung derart erfolgt, dass die Verdampferseiten (6a) am kolbenbodenseitigen Ende der Bohrungen und die Kondensatorseiten (6b) im verschlossenen Kühlkanal (7) enden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor mit Wärmerohren, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf, der eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie sowie einem auf Höhe der Ringpartie umlaufenden, mittels einer Abdeckung verschließbaren Kühlkanal umfasst, wobei im Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt eine Vielzahl zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen angeordnet sind, und der einen Kolbenschaft aufweist, welcher mit am Kolbenkopf angehängten Kolbennaben verbunden ist.

Stahlkoben der gattungsgemäßen Art sind bisher nicht bekannt geworden. Aus der WO 2004/029443 A1 ist lediglich ein Kühlkanalkolben aus Stahl bekannt, bei dem eine Verbesserung der Kühlung und Formstabilität des Kolbens dadurch erreicht werden soll, dass der Kühlanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen aufweist.

In der US 5,454,351 und der DE 32 05 173 A1 sind Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor beschrieben, der zur Ableitung von Wärme von den heißen Kolbenbereichen sogenannte Heat Pipes, also Wärmerohre, verwendet, die luft- und druckdicht verschlossen eine leicht verdampfende Kühlflüssigkeit, wie bevorzugt Wasser oder aber auch Ammoniak, Glycol oder ähnliches, enthält. Die aus Kupfer bestehenden Wärmerohre sind in umfangsseitig gleichverteilten Bohrungen, die im kurbelwellenseitigen Kolbenbodenbereich eingebracht sind, eingesetzt bzw. eingegossen, wobei sich die Bohrungen bis auf Höhe der Ringpartie erstrecken. Im Bereich der Kolbennaben sind die Wärmerohre leicht gebogen ausgeführt, um die Montage des Kolbenbolzens in den Kolben zu ermöglichen. Die an sich bekannte Wirkungsweise der Wärmerohre besteht in der Verdampfung der im Wärmerohr befindlichen Flüssigkeit auf der „heißen" Seite – Verdampferseite – durch Absorp tion der Wärme des zu kühlenden Bereiches. Die gebildeten Dampfteile strömen zur „kalten" Seite – Kondensatorseite – des Wärmerohres, wo sie unter Abgabe ihrer latenten Verdampfungswärme infolge des Temperaturgefälles zwischen heißer und kalter Seite wieder in den Flüssigkeitszustand übergehen. Auf der kalten Seite wird durch Anspritzen von Kühlöl aus dem Kurbelwellenraum des Verbrennungsmotors die Verdampfungswärme abtransportiert. Um einen derartigen Abtransport der Wärme bei einer Vielzahl von einzelnen Wärmerohren zu gewährleisten, ist ein Ansprühen aller Wärmerohre erforderlich, welches zu einer aufwendigen und kostenintensiven Kolbenkonstruktion führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkanalkolben der eingangs genannten Art derart weiter auszugestalten, dass eine verbesserte Wärmeabfuhr von den wärmebelasteten Kolbenbereichen erzielt und damit das Auftreten thermischer Spannungen verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit einer Verdampfer- und Kondensatorseite versehene, flüssigkeitsgefüllte Wärmerohre in den Bohrungen des Kühlkanals angeordnet sind, wobei die Anordnung derart erfolgt, dass die Verdampferseiten am kolbenbodenseitigen Ende der Bohrungen und die Kondensatorseiten im verschlossenem Kühlkanal enden.

Dadurch, dass die Kondensatorseiten im verschlossenen Kühlkanal enden, wird ein von der Kolbenstellung, insbesondere zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt, unabhängiger, effektiver und schneller Wärmeabtransport am kondensatorseitigen Ende des Wärmerohres erreicht, sodass eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung entlang des Kolbenmuldenrandes, erreicht wird, wodurch Rissbildungen am Kolbenboden und Muldenrand der Verbrennungsmulde infolge thermischer Spannungen wirksam verhindert werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 eine halbseitige Schnittdarstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlkanaldarstellung;
2 eine halbseitige Schnittdarstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlkanal und Wärmerohr in einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung;
3 eine halbseitige Schnittdarstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlkanal und Wärmerohr in einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung;
4 eine halbseitige Schnittdarstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlkanal und Wärmerohr in einer dritten erfindungsgemäßen Anordnung;
5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie AA gemäß 1;
6A) eine Schnittdarstellung eines Wärmerohres in einer ersten Ausführung;
6B) eine Schnittdarstellung eines Wärmerohres in einer zweiten Ausführung.
Der erfindungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben mit Wärmerohren besteht aus einem geschmiedeten Kolbenkopf 10 aus Stahl mit einer Verbrennungsmulde 2 in seinem Kolbenboden 1, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 3, einem auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, wie in 1 dargestellt. Ein Kolbenschaft ist mit den am Kolbenkopf angehängten Naben verbunden, analog der Darstellung der Figuren nach der WO 2004/029443 A1. Die Herstellung des geschmiedeten Kolbens erfolgt nach dem Verfahren nach EP 0 799 373 B1 , wobei im Kühlkanal 7 Bohrungen 5 vorgesehen sind, die auf dem Umfang entsprechend des Auftreffens der Brennstrahlen verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens, d.h. parallel zur Kolbenachse A, eingebracht sind, wie aus der Schnittdarstellung gemäß 5 ersichtlich ist. Das Verschließen des Kühlkanals erfolgt mittels einer mit Kühlöleinlass und -auslass versehenen Abdeckung 8. Die Tiefe B_T der Bohrungen 5 ist derart ausgelegt, dass ein Wandsteg 9 zwischen Kolbenboden 1 und bodenseitigem Ende der Bohrungen 5 entsteht.
Wie in 6A) und B) dargestellt, weisen als sogenannte Heat Pipes bezeichnete Wärmerohre 6 einen Stahlmantel auf und werden aus einem zylindrischen Unterteil 6f und einem entweder kegelförmigen oder zylinderförmigen Kopfteil 6c gebildet. Kopf- und Unterteil weisen im Inneren einen zylindrischen Hohlraum auf, der evakuiert und mit einer bestimmten Menge an Kühlmittel 6g, beispielsweise Wasser, befüllt ist. Das Kühlmittel, insbesondere Wasser, muss vor dem Abfüllen unter Vakuum bei einem Druck von 10^–4 bis 10^–5 bar entgast werden, um eine Kavitation infolge der Kolbenbewegung im Verbrennungsmotor zu verhindern, da die Kühlflüssigkeit in den Umkehrpunkten des Kolbens auf die gegenüberliegende Seite beschleunigt wird, wobei es zu implodierenden Gasblasen mit einhergehender Kavitation kommen kann. Zweckmäßigerweise werden die Wärmerohre maximal bis zur Hälfte ihres Volumens mit Kühlmittel gefüllt. Kopfteil 6c und Unterteil 6f der Wärmerohre 6 sind über die Verbindungsfläche 6e miteinander luftdicht verbunden. Bei den derart ausgebildeten Wärmerohren wird die Verdampferseite als heiße Seite mit 6a und die Kondensatorseite mit 6b als kalte Seite bezeichnet.
Die Durchmesser der Wärmerohre 6 betragen ca. 3 bis 10% des Kolbendurchmessers (D_kolben) und die Gesamtlänge ca. 20 bis 50 % D_kolben, je nach den Ausführungsbeispielen gemäß den 2/3 oder 4.
Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 sind die mit Kühlmittel befüllten Wärmerohre 6 nach 6B) mit einem zylindrischen Kopfteil derart in die Bohrungen 5 eingebracht, dass die Verdampferseiten 6a am kolbenbodenseitigen Ende der Bohrungen 5 und die Kondensatorseiten 6b im verschlossenem Kühlkanal 7 enden. Der Wärmefluss erfolgt somit vom Kolbenboden 1 über den Wandsteg 9 und des äußeren Stahlmantels der Verdampferseite 6a zur inneren Wand des Stahlmantels und verdampft unter Absorption der Wärme das Kühlmittel. Die gebildeten Dampfteile strömen zur Kondensatorseite 6b der Wärmerohre 6, wo sie unter Abgabe ihrer latenten Verdampfungswärme infolge des Temperaturgefälles zwischen Verdampfer- und Kondensatorseite wieder in den flüssigen Zustand übergehen. Die Wärmeabgabe erfolgt an das im Kühlkanal befindliche Kühlöl und wird von dort infolge der Shakerbewegung zum Kühlölauslass transportiert. Da die Kondensatorseiten 6b im Kühlkanal angeordnet sind, wird eine gleichmäßige Wärmeabgabe an das dort befindliche Kühlöl realisiert, wodurch das Entstehen thermischer Spannungen am Kolben weitgehend verhindert werden kann.
Als weitere Variante dieser Ausführung kann ebenso die Verwendung der im Kolbenkopf 10 eingebrachten Bohrungen 5 als zylinderförmiges Kopfteil 6d betrachtet werden, welches mit einem Wärmerohrunterteil 6f, das am kühlkanalseitigen Ende der Bohrung 5 mittels einer Reibschweiß-, Schraub- oder Klebeverbindung befestigt ist, verbunden wird. Bei den derart hergestellten Wärmerohren bildet die Bohrung 5 somit die Verdampferseite 6a und das reibgeschweißte Unterteil 6f die Kondensatorseite 6b der Wärmerohre.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel nach 3 sind die Kopfteile 6c der Wärmerohre 6 kegelförmig ausgebildet. Die im Kühlkanal 7 zum Kolbenboden 1 hin eingebrachten Bohrungen 5 verlaufen bis zum Kolbenboden als durchgängige Bohrung, die im Bereich des Kolbenbodens ebenfalls kegelförmig zur Aufnahme der Wärmerohre 6 ausgebildet sind. Im eingesetzten Zustand der Wärmerohre in die Bohrungen 5 bildet die obere Bodenfläche der Verdampferseiten 6a auch einen Teil des Kolbenbodens selbst, wodurch besonders effektiv ein Wärmeabtransport, wie vorangehend beschrieben, realisiert wird. Die Kondensatorseiten 6b enden hier ebenfalls im Kühlöl des Kühlkanals 7.
In einem dritten Ausführungsbeispiel nach 4, bei dem die Verdampferseiten 6a ebenfalls einen Teil des Kolbenbodens 1 bilden, enden die Kondensatorseiten 6b unter Verwendung kegelförmiger Kopfteile im kurbelwellenseitigen Ende des Motorraumes, d. h., die Wärmerohre werden durch die Abdeckung 8 des Kühlkanals geführt und von einer oder mehreren dort angeordneten Kühlöldüsen (nicht dargestellt) angespritzt. Dadurch wird erreicht, dass nicht die gesamte brennraumseitig aufgenommene Wärmemenge nur an das im Kühlkanal 7 befindliche Kühlöl abgege ben wird und damit im Kolbenkopf 10 verbleibt, sondern der Hauptanteil der Wärmemenge vom Kolbenkopf 10 wegtransportiert wird.
Zur Realisierung eines geringen Wärmeübergangswiderstandes zwischen Wärmerohren 6 und Kolbenkopf 10 bestehen diese bevorzugt aus gleichem Stahlmaterial, wobei die Bohrungen 5 und der Außendurchmesser der Wärmerohre derart ausgeführt sind, dass die Wärmerohre 6 mit dem Kolbenkopf 10 mittels einer Presspassung oder mittels einer Löt- oder Schweißverbindung, auch Reibschweißverbindung, verbunden sind.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Bohrungen 5 zur Aufnahme der Wärmerohre 6 neben einem zur Kolbenachse A parallelem Verlauf auch unter einer Neigung zur Kolbenachse, je nach Ausgestaltung der Verbrennungsmulde bzw. Wandstärke zwischen Verbrennungsmulde 2 und Kühlkanal 7, angeordnet sein kann (nicht dargestellt), so dass die Verdampferseite 6a der Wärmerohre einen Wandsteg 9 oder direkt einen Teil der Wand der Verbrennungsmulde, entsprechend der vorangegangen Ausführungsbeispiele, bildet, wobei die Kondensatorseite im Kühlkanal 7 endet.

10: Kolbenkopf
1: Kolbenboden
2: Verbrennungsmulde
3: Ringpartie
4: Ringwand
5: Bohrungen
: für Wärmerohre
6: Wärmerohr
6a: Verdampferseite
6b: Kondensatorseite
: Wärmerohrkopfteil
6c: -kegelförmig
6d: -zylinderförmig
6e: Verbindungsnaht
6f: Wärmerohrunterteil
6g: Kühlmittel
7: Kühlkanal
8: Kühlkanalabdeckung
9: Wandsteg
A: Kolbenachse

Claims

Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (2) im Kolbenboden (11, eine Ringwand (4) mit Ringpartie (3) sowie einem auf Höhe der Ringpartie umlaufenden, mittels einer Abdeckung (8) verschließbaren Kühlkanal (7) umfasst, wobei im Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt eine Vielzahl zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (5) angeordnet sind, und der einen Kolbenschaft aufweist, welcher mit am Kolbenkopf angehängten Kolbennaben verbundenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Verdampfer- (6a) und Kondensatorseite (6b) versehene, flüssigkeitsgefüllte Wärmerohre (6) in den Bohrungen (5) des Kühlkanals (7) angeordnet sind, wobei die Anordnung derart erfolgt, dass die Verdampferseiten (6a) am kolbenbodenseitigen Ende der Bohrungen und die Kondensatorseiten (6b) im verschlossenem Kühlkanal (7) enden.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (5) eine vor dem Kolbenboden (1) endende Bohrungstiefe (B_T) aufweisen, so dass zwischen den Verdampferseiten (6a) der Wärmerohre und dem Kolbenboden (1) ein Wandsteg (9) aus Kolbenmaterial besteht.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (5) eine sich bis zum Kolbenboden (1) erstreckende Bohrungstiefe (B_T) aufweisen, sodass eine der Verdampferseiten (6a) der Wärmerohre (6) einen Teil des Kolbenbodens (1) bilden.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (6) im Bereich des Auftreffens der Brennstrahlen angeordnet sind.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorseiten (6b) der Wärmerohre durch die Abdeckung (8) des Kühlkanals (7) geführt ist.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorseite (6b) der Wärmerohre mittels Kühlöl aus einer im Motorraum angeordneten Düse beaufschlagt ist.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Bohrungen (5) eingebrachten Wärmerohre (6) mit dem Kolbenkopf (1) unlösbar mittels einer Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindung oder mittels einer Presspassung verbunden sind.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre aus einem zylindrischen oder kegelförmigen Kopfteil und einem zylindrischen Wärmerohrunterteil bestehen, die miteinander unlösbar verbunden sind.
Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Achsen der Bohrungen (5) parallel zur Kolbenachse (A) verlaufen.