DE102011106381A1

DE102011106381A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011106381A1
Application number: DE102011106381A
Authority: DE
Inventors: Klaus Keller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-01-10
Also published as: US20130008395A1; US8939114B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem einen Kolbenboden (17) aufweisenden Kolbenkopf (11), einem äußeren umlaufenden Kühlkanal (21), einem im Bereich der Unterseite (17a) des Kolbenbodens (17) angeordneten inneren Kühlraum (22), der mit einem separaten Verschlusselement (23) verschlossen ist, das mindestens eine Ablauföffnung (25) für Kühlöl aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verschlusselement (23) und der innere Kühlraum (22) sich bis unterhalb des äußeren umlaufenden Kühlkanals (21) erstrecken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem einen Kolbenboden aufweisenden Kolbenkopf, einem äußeren umlaufenden Kühlkanal, einem im Bereich der Unterseite des Kolbenbodens angeordneten inneren Kühlraum, der mit einem separaten Verschlusselement verschlossen ist, das mindestens eine Ablauföffnung und mindestens eine Zulauföffnung für Kühlöl aufweist.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der DE 10 2008 055 908 A1 offenbart. Das bekannte Verschlusselement dient dazu, den inneren Kühlraum derart zu verschließen, dass Kühlöl in Richtung des Kolbenbolzens kontrolliert abfließen kann, um den Kolbenbolzen zu schmieren. Problematisch hierbei ist, dass das bekannte Verschlusselement im Motorbetrieb aufgrund der beim Kolbenhub darauf einwirkenden Kräfte in seinem Sitz nicht immer zuverlässig gehalten ist. Ferner ist das bekannte Verschlusselement für Kolben mit einem vollständig geschlossenen äußeren Kühlkanal, wie bspw. natriumgekühlte Kolben, nicht geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass das Verschlusselement gegenüber den beim Kolbenhub darauf einwirkenden Kräften zuverlässig lagegesichert ist und dass sein Einsatzbereich verbreitert wird.
Die Lösung besteht darin, dass das Verschlusselement und der innere Kühlraum sich bis unterhalb des äußeren umlaufenden Kühlkanals erstrecken.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es, das Verschlusselement an beliebigen Haltepunkten im Kolbeninneren derart zu befestigen, dass es im Motorbetrieb zuverlässig lagegesichert ist. Der gegenüber dem Stand der Technik deutlich vergrößerte innere Kühlraum bewirkt eine deutlich wirksamere Kühlung insbesondere im hoch belasteten Bereich unterhalb des Kolbenbodens. Das gegenüber dem Stand der Technik vergrößerte Verschlusselement kann ferner auf einfache Weise mit geeigneten Zulauf- und Ablauföffnungen für Kühlöl versehen werden, um eine wirksame Versorgung mit frischem Kühlöl zu gewährleisten und die Kühlwirkung zu verbessern. Aufgrund der Ausdehnung des inneren Kühlraums bis unterhalb des äußeren umlaufenden Kühlkanals wird der Wandbereich zwischen dem äußeren Kühlkanal und dem inneren Kühlraum besonders wirksam gekühlt, so dass Wärme vom Kolbenboden über diesen Wandbereich in Richtung des Kolbenschafts besonders wirksam abgeleitet wird. Auf diese Weise wird die gesamte Kolbenbodenunterseite optimal gekühlt. Daher kann das erfindungsgemäße Verschlusselement bei einer größeren Anzahl von Kolbentypen zum Einsatz kommen, als es im Stand der Technik bisher möglich war, beispielsweise bei natriumgekühlten Kolben mit vollständig verschlossenem umlaufenden Kühlkanal. Falls das im äußeren Kühlkanal umlaufende Kühlöl in an sich bekannter Weise durch im Kühlkanal vorgesehene Ablauföffnungen austritt, wird es vom erfindungsgemäß vorgesehenen Verschlussblech aufgefangen und trägt somit im inneren Kühlraum zur Kühlung des Kolbens unterhalb des Kolbenbodens bei. Damit kann auf Überlaufbohrungen, die den äußeren Kühlkanal mit dem inneren Kühlraum verbinden, verzichtet werden. Dies ist von Vorteil, da derartige Überlaufbohrungen zusätzliche Spannungen im Kolbenwerkstoff erzeugen, die somit vermieden werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise erstreckt sich das Verschlusselement sich bis zu den inneren Schaftwänden eines unterhalb des Kolbenkopfes angeordneten Kolbenschafts, um in diesem Bereich einen möglichst großen inneren Kühlraum abzutrennen.
Die mindestens eine Ablauföffnung für Kühlöl kann beliebig ausgebildet sein, bspw. durch einen zwischen dem Inneren des Kolbens und einer Kante des Verschlusselements vorgesehenen Spalt oder durch eine oder mehrere im Verschlusselement vorgesehene Bohrungen.
Besonders bevorzugt weist das Verschlusselement mindestens eine Zulauföffnung und mindestens eine Ablauföffnung für Kühlöl auf, um den inneren Kühlraum mit ausreichend frischem Kühlöl zu versorgen und die Kühlung unterhalb des Kolbenbodens zu verbessern. Zu diesem Zweck kann bspw. in der mindestens einen Zulauföffnung zusätzlich ein Leitrohr für Kühlöl vorgesehen sein.
Der äußere umlaufende Kühlkanal kann verschlossen ausgebildet sein, da das erfindungsgemäß vorgesehene Verschlusselement mit einer oder mehreren Zulauföffnungen für Kühlöl versehen werden kann. Der äußere umlaufende Kühlkanal kann aber auch in an sich bekannter Weise mindestens eine Ablauföffnung für Kühlöl aufweisen, derart, dass das ablaufende Öl vom Verschlusselement aufgefangen wird und zusätzlich die Kolbenbodenunterseite kühlt. Das erfindungsgemäß vorgesehene Verschlusselement kann also in zahlreichen unterschiedlichen Kolbentypen zum Einsatz kommen.
Besonders bevorzugt ist das Verschlusselement durch Schweißen mit dem Kolben verbunden, so dass es im Motorbetrieb besonders zuverlässig lagegesichert ist.
Zweckmäßigerweise weist das Verschlusselement mindestens zwei als Schweißpunkte dienende Auflagestellen auf. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Auflagestellen als Abstandhalter zwischen dem Verschlusselement und der Unterseite des Kolbenbodens ausgebildet sein. Damit kann auf besonders einfache Weise ein innerer Kühlraum mit einem vordefinierten Volumen abgetrennt werden.
Um die Kühlwirkung noch weiter zu verbessern, kann das Verschlusselement zusätzliche Kühlrippen aufweisen.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Verschlusselement ist zweckmäßigerweise aus einem Stahlfederblech hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt, wobei die Darstellungen auf beiden Seiten der Mittelachse um 90° gegeneinander verdreht sind;
2 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verschlusselements;
3 eine vergrößerte Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verschlusselements mit einem Leitrohr.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, der im Ausführungsbeispiel als Kastenkolben mit vollständig geschlossenem äußerem Kühlkanal dargestellt ist. Der erfindungsgemäße Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 und einem Kolbenschaft 12 auf. Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 17 mit einer Verbrennungsmulde 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenschaft 12 weist Innenwände 12a sowie Kolbennaben 16 auf, die über Nabenanbindungen 18 mit der Unterseite 17a des Kolbenbodens 17 verbunden sind. Die Kolbennaben 16 sind mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen. Der Kolbenkopf 11 ist im Bereich seiner Ringpartie 15 mit einem umlaufenden äußeren Kühlkanal 21 versehen.
Der Kolben 10 weist einen inneren Kühlraum 22 auf, der mit einem Verschlusselement 23 verschlossen ist. Das Verschlusselement 23 erstreckt sich über die gesamte Breite des Inneren des Kolbens 10 bis zu den Innenwänden 12a des Kolbenschafts 12 Das Verschlusselement 23 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Federblech hergestellt, etwa 0,8 mm dick und durch Schweißen mit dem Kolben 10 verbunden.
Wie sich insbesondere aus 2 ergibt, weist das Verschlusselement 23 im Ausführungsbeispiel vier als Schweißpunkte dienende Auflagestellen 24 auf. Die Auflagestellen 24 sind im Ausführungsbeispiel topfförmig ausgebildet und durch Prägen in das Verschlusselement 23 eingebracht. Die Stirnflächen 24a der Auflagestellen 24 bilden die Schweißpunkte. Die beschriebene Ausgestaltung der Auflagestellen 24 bewirkt, dass diese im montierten Zustand als Abstandhalter zur Unterseite 17a des Kolbenbodens 17 dienen. Daher kann alleine durch die Bemessung der axialen Höhe der Auflagestellen 24 ein innerer Kühlraum 22 mit einem definierten Volumen mittels des Verschlusselements 23 abgetrennt werden. Die Mantelflächen der Auflagestellen 24 können ferner als Leitflächen dienen, um das im inneren Kühlraum 22 aufgenommene Kühlöl in eine gewünschte Richtung zu lenken. Über die Auflagestellen 24 kann ferner zusätzlich gezielt Wärme von der Unterseite 17a des Kolbenbodens 17 auf das Verschlusselement 23 übertragen werden. Zur weiteren Verbesserung der Kühlung kann das Verschlusselement 23 zusätzliche Kühlrippen aufweisen (nicht dargestellt). Im Ausführungsbeispiel weist das Verschlusselement 23 eine gewölbte Teilfläche 23a auf, um die Oberfläche des Verschlusselements zu vergrößern und um die Nabenbohrungen 19 zu umgehen.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Verschlusselements 23 weist ferner eine Ausnehmung 25 auf, die in montiertem Zustand als Ablauföffnung für Kühlöl dient. Selbstverständlich können Ablauföffnungen in beliebiger Zahl und Gestaltung vorgesehen sein, bspw. in Form eines Spaltes zwischen einer Kante des Verschlusselements 23 und einer korrespondierenden Innenwand 12a des Kolbenschafts 12.
3 zeigt in einer vergrößerten Teildarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verschlusselements 123 mit Auflageflächen 124. Das Verschlusselement 123 weist eine zusätzliche, im Ausführungsbeispiel etwa omegaförmige, Aussparung 126 auf, in welche in an sich bekannte Weise ein Leitrohr 127 eingeklipst werden kann. Damit kann gezielt Kühlöl in den Kühlkanal 21 geleitet werden. Das daraus ablaufende Kühlöl wird dann vom Verschlusselement aufgefangen und in Kühlraum 22 geleitet, dessen Füllungsgrad soweit kontrolliert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008055908 A1 [0002]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem einen Kolbenboden (17) aufweisenden Kolbenkopf (11), einem äußeren umlaufenden Kühlkanal (21), einem im Bereich der Unterseite (17a) des Kolbenbodens (17) angeordneten inneren Kühlraum (22), der mit einem separaten Verschlusselement (23) verschlossen ist, das mindestens eine Ablauföffnung (25) und mindestens eine Zulauföffnung für Kühlöl aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) und der innere Kühlraum (22) sich bis unterhalb des äußeren umlaufenden Kühlkanals (21) erstrecken.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) und der innere Kühlraum (22) sich bis zu den inneren Schaftwänden (12a) eines unterhalb des Kolbenkopfes (11) angeordneten Kolbenschafts (12) erstrecken.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ablauföffnung (25) für Kühlöl durch einen zwischen dem Inneren des Kolbens (10) und einer Kante des Verschlusselements (23) vorgesehenen Spalt ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ablauföffnung (25) durch eine im Verschlusselement (23) vorgesehene Bohrung gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) mindestens eine Zulauföffnung (126) für Kühlöl aufweist.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Zulauföffnung (126) ein Leitrohr (127) für Kühlöl vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere umlaufende Kühlkanal (21) verschlossen ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere umlaufende Kühlkanal (21) mindestens eine Ablauföffnung für Kühlöl aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) durch Schweißen mit dem Kolben (10) verbunden ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) mindestens zwei als Schweißpunkte dienende Auflagestellen (24) aufweist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagestellen (24) als Abstandhalter zwischen dem Verschlusselement (23) und der Unterseite (17a) des Kolbenbodens (17) ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) zusätzliche Kühlrippen aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) aus einem Stahlfederblech hergestellt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als natriumgekühltem Kolben (10) mit einem geschlossenen äußeren umlaufenden Kühlkanal (21) ausgebildet ist.