DE102008002571A1

DE102008002571A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008002571A1
Application number: DE102008002571A
Authority: DE
Inventors: Marcus Freidhager
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-12-31
Also published as: JP2011524958A; BRPI0914149A2; PL2288800T3; CN105804882A; US20110180025A1; US9382869B2; CN102046953A; EP2288800A1; ES2392490T3; EP2288800B1; WO2009153237A1

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen Kühlkanal (24) auf, der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses (14) auf einem niedrigen, von dem Kolbenboden vergleichsweise entfernten Niveau (12) und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, näher zum Kolbenboden gelegenen Niveau (16) befindet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren muss allgemein für eine ausreichende Kühlung der Kolben gesorgt werden. Ferner erhöhen sich fortlaufend die spezifischen Leistungen der Motoren, insbesondere bei Dieselmotoren, was zu immer höheren Kolbentemperaturen führt. Dies kann die Lebensdauer und die Festigkeit beeinträchtigen. Insofern ist insbesondere an kritischen Stellen, wie z. B. dem Muldenrand und der obersten Ringnut des Kolbens für eine effiziente Kühlung zu sorgen.
Stand der Technik
Aus der JP 2002 221086 geht ein Kolben hervor, bei dem der Kühlkanal im Bereich der Bolzennaben in Richtung derselben abgesenkt ist.
Die WO 03/098022 betrifft einen Kolben, bei dem sich der Kühlkanal vom Ein- zum Auslass kontinuierlich in Richtung auf ein niedrigeres Niveau erweitert.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die Kühlung, insbesondere der kritischen Bereiche, verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist dieser zumindest einen Kühlkanal auf, der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses auf einem vergleichweise niedrigen, von dem Kolbenboden vergleichweise entfernten Niveau, und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, vergleichsweise näher zu dem Kolbenboden gelegenen Niveau befindet. Durch die Anordnung auf dem vergleichweise ”hohen” Niveau kann der Kühlkanal in seinem überwiegenden Verlauf besonders nah an den kritischen Stellen, wie z. B. dem Muldenrand und der obersten Ringnut ausgebildet werden. Insbesondere kann sich der Kühlkanal weitgehend vollständig auf dem Niveau eines Ringträgers befinden, so dass dieser kritische Bereich besonders effizient gekühlt werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für den sich in Richtung der Rotationsachse des Kolbens anschließenden Bereich der Brennraummulde. Auch bezüglich dieser kann der Kühlkanal in dem erfindungsgemäßen Kolben weitgehend vollständig auf dem Niveau der Brennraummulde ausgebildet werden, so dass hier eine besonders gute Kühlwirkung erfolgt.
Gleichzeitig kann den Erfordernissen am Zu- und Abfluss bei dem erfindungsgemäßen Kolben besonders gut Rechnung getragen werden. In diesen Bereichen ist es nämlich vorteilhaft, wenn der Querschnitt des Kühlkanals gegenüber seinem übrigen Verlauf etwas vergrößert ist, um einen günstigen Zu- und Abfluss zu gewährleisten. Ein in dieser Weise vergrößerter Zu- und Abfluss kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben dadurch besonders einfach ausgebildet werden, dass sich der Kühlkanal im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses auf einem niedrigeren, d. h. von dem Kolbenboden weiter entfernten Niveau befindet. Der Kühlkanal wird somit in diesen Zonen aus dem Bereich zwischen der obersten Ringnut und der Brennraummulde etwas abgesenkt, so dass die Querschnittsvergrößerung des Kühlkanals vorgesehen werden kann, ohne die Festigkeit zu gefährden. Sowohl zu der obersten Ringnut als auch zu der Brennraummulde kann nämlich eine ausreichende Materialdicke beibehalten werden, um den Festigkeitsanforderungen weiterhin zu genügen.
Dadurch, dass sich der Kühlkanal ausschließlich im Bereich des Zu- und zumindest eines Abflusses auf dem niedrigeren Niveau befindet, und im Übrigen auf im Wesentlichen demselben, höheren Niveau verbleibt, kann über weitgehend den gesamten Umfang eine besonders effiziente Kühlung der kritischen Bereiche an der obersten Ringnut und der Brennraummulde gewährleistet werden. Es sei erwähnt, dass der Kühlkanal weitere Zu- und Abflüsse aufweisen kann. Insbesondere können in seinem Verlauf ein oder mehrere Abflüsse, bevorzugt mit vergleichsweise kleinem Querschnitt, vorgesehen werden, um die Lagerung zwischen Pleuel und Kolbenbolzen zu schmieren. Im Bereich dieser Abflüsse muss sich der Kühlkanal jedoch nicht notwendigerweise auf das niedrigere Niveau begeben, weil hier keine Verbreiterung notwendig ist.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Im Hinblick auf die Anordnung des Kühlkanals auf dem höheren Niveau hat es sich bei ersten Versuchen als günstig erwiesen, wenn die Unterkante des Kühlkanals auf diesem Niveau im Wesentlichen auf derselben Höhe ist, wie die Unterkante eines Ringträgers für die oberste Ringnut. Hierdurch kann eine besonders gute Kühlung der genannten kritischen Bereiche erzielt werden.
Dies gilt in gleicher Weise und ermöglicht darüber hinaus die gewünschte Querschnittsvergrößerung des Kühlkanals im Bereich des Zu- und Abflusses, wenn sich das genannte untere Niveau etwa 3–5 mm, insbesondere 3,5–4 mm und besonders bevorzugt etwa 3,8 mm unterhalb des genannten höheren Niveaus befindet.
Wenngleich dies für die Kühlleistung nicht unbedingt erforderlich ist, wird aufgrund der vorangehend geschilderten Umstände bevorzugt, dass der Querschnitt des Kühlkanals im Bereich zumindest eines Zu- und/oder Abflusses gegenüber dem Rest des Kühlkanals vergrößert ist.
Im Hinblick auf den Übergang von dem niedrigen zu dem höheren Niveau und umgekehrt wird derzeit bevorzugt, dass hier ein allmählicher, geneigter Anstieg mit Knicken oder Stufen zwischen dem beispielsweise schrägen Anstieg und dem Bereich auf dem höheren bzw. niedrigeren Niveau vorgesehen wird.
Diejenigen Bereiche des Kühlkanals, die sich auf dem niedrigeren Niveau befinden, einschließlich der geneigten Übergänge zu dem höheren Niveau, können jeweils einen Winkel von etwa 50–70°, insbesondere etwa 60–65° einschließen.
Für die Querschnittsgestalt des Kühlkanals wird derzeit bevorzugt, dass diese weitgehend oval ist, wobei sich die längere Achse des Ovals weitgehend in Richtung der Rotationsachse des Kolbens erstreckt, jedoch gegenüber dieser etwas geneigt sein kann. Für diese Neigung wird derzeit ein Winkel von etwa 7° und/oder eine Neigung, die an der Oberseite nach außen gerichtet ist, bevorzugt. Durch die im Allgemeinen ovale Gestaltung kann eine effiziente Kühlung des Bereichs ”zwischen” oberster Ringnut und Brennraummulde gewährleistet werden, und es können gleichzeitig die notwendigen Materialdicken eingehalten werden. Die Neigung unterstützt diesen Effekt im Hinblick auf die typische Gestalt einer Brennraummulde.
Schließlich wird derzeit ferner bevorzugt, dass sich Zu- und Abfluss diametral gegenüberliegen. Hierdurch, sowie durch eine derzeit ferner bevorzugte Symmetrie bezüglich der Rotationsachse des Kolbens kann der Kolben in einer beliebigen Orientierung eingebaut werden, und eine beliebige Öffnung kann als Zu- oder Abfluss genutzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein beispielhaft in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Salzkerns, der bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens verwendet wird;
2 eine geschnittene Seitenansicht eines Teils des in 1 gezeigten Salzkerns; und
3 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist zunächst in einer perspektivischen Ansicht der Salzkern 20 gezeigt, der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens verwendet wird. Der Salzkern weist, wie dies für den späteren Kühlkanal gilt, bei der gezeigten Ausführungsform zwei diametral gegenüberliegende Bereiche auf, die hinsichtlich ihres Querschnitts gegenüber dem übrigen Kühlkanal verbreitert sind und später als Zu- und Abfluss 14 genutzt werden. Wie bereits in 1 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, befindet sich der Kühlkanal im Bereich von Zu- und Abfluss 14 auf einem niedrigeren Niveau, als der übrige Kühlkanal. Die Bereiche des Kühlkanals auf dem höheren Niveau gehen jeweils in der Umgebung vom Zu- und Abfluss 14 und auf beiden Seiten desselben durch Schrägen 18 von dem höheren 16 auf das niedrigere Niveau 12 über. Für Zu- und Abfluss 14 ist in 1 zusätzlich zu erkennen, dass die Verbreiterung des Querschnitts bei der besagten Ausführungsform in Richtung der Rotationsachse 22 (vgl. 2) erfolgt.
In 2 sind ferner erneut die beiden Niveaus 12 und 16, sowie im Bereich des gezeigten Zu- oder Abflusses 14 die Schrägen 18 zu erkennen. Insbesondere ist anzumerken, dass der Querschnitt des Kühlkanals mit Ausnahme des vergrößerten Bereichs am Zu- und Abfluss, jedoch einschließlich der Schrägen 18 weitgehend gleich bleibt. Bei der gezeigten Ausführungsform des Kühlkanals ist der Querschnitt weitgehend oval, wobei die längere Achse weitgehend parallel oder allenfalls mit einem spitzen Winkel zu der Rotationsachse 22 des Kolbens verläuft. Bei der gezeigten Ausführungsform ist zwischen der Rotationsachse 22 des Kolbens und der längeren Achse des Ovals, das den Querschnitt des Kühlkanals bildet, ein Winkel α von beispielsweise etwa 7° ausgebildet.
In 3 ist ergänzend zu erkennen, wie der Kühlkanal 24 durch die erfindungsgemäße Maßnahme in günstiger Weise auf das Niveau eines Ringträgers 26 und der Brennraummulde 28 gebracht werden kann. Durch die in Richtung der Rotationsachse 22 des Kolbens 10 ovale Form passt der Kühlkanal 24 in den Bereich zwischen dem Ringträger 26 und der Brennraummulde 28 und kann diese kritischen Zonen besonders effizient kühlen, ohne die Festigkeit durch zu geringe Materialdicken zu gefährden. In 3 ist insbesondere zu erkennen, dass der Kühlkanal 24 sich bei der gezeigten Ausführungsform im Hinblick auf seine Unterkante weitgehend auf dem Niveau der Unterkante des Ringträgers 26 und sogar ein wenig oberhalb des Bodens der Brennraummulde 28 befindet. Wie in Kombination mit 2 zu erkennen ist, können die Bereiche an Zu- und Abfluss auch bei der Gestaltung gemäß 3 vergrößert werden, ohne die Materialdicke zwischen Ringträger 26 und Brennraummulde 28 zu gefährden, da der Kühlkanal 24 in diesen Bereichen auf das niedrigere Niveau 12 abgesenkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2002221086 [0003]
- WO 03/098022 [0004]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Kühlkanal (24), der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses (14) auf einem niedrigen, von dem Kolbenboden vergleichsweise entfernten Niveau (12) und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, näher zum Kolbenboden gelegenen Niveau (16) befindet.
Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (24) auf seinem höheren Niveau (16) mit seiner Unterkante im Wesentlichen auf dem selben Niveau wie eine Unterkante eines Ringträgers (26) befindet.
Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das niedrige Niveau etwa 3–5 mm, insbesondere etwa 3,5–4 mm und bevorzugt etwa 3,8 mm unterhalb des höheren Niveaus (16) befindet.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal im Bereich zumindest eines Zu- und/oder Abflusses (14) einen gegenüber dem restlichen Verlauf des Kühlkanals (24) vergrößerten Querschnitt aufweist.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal zwischen den auf dem niedrigen (12) und dem hohen Niveau (16) gelegenen Bereichen geneigt verläuft.
Kolben (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche des Kühlkanals (24) auf dem niedrigen Niveau (12), einschließlich der geneigten Übergänge (18), zu dem höheren Niveau (16) einen Winkel von etwa 50–70°, insbesondere etwa 60–65° abdecken.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (28) einen ovalen Querschnitt mit einer längeren Achse, die im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse (22) des Kolbens (10) verläuft, aufweist.
Kolben (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Querschnitt längere Achse des Kühlkanals bezüglich der Rotationsachse (22) des Kolbens (10) um etwa 5–10°, insbesondere etwa 7° nach außen geneigt ist.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Zu- und Abfluss (14) diametral gegenüberliegen.