DE102011114105A1

DE102011114105A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102011114105A1
Application number: DE201110114105
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bischofberger
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-12-18
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-06-21
Also published as: JP6113075B2; JP2013545927A; EP2652302A2; WO2012079566A2; US8899208B2; CN203655459U; US20130312695A1; EP2652302B1; WO2012079566A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (16), wobei der Kolbenkopf (11) eine umlaufende Ringpartie (15) sowie im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden Kühlkanal (23) aufweist, wobei der Kolbenschaft (16) mit Nabenbohrungen (18) versehene Kolbennaben (17) aufweist, dieüber Nabenanbindungen (19) an der Unterseite (11a) des Kolbenkopfes (11) angeordnet sind, wobei die Kolbennaben (17)über Laufflächen (21,22) miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäßist vorgesehen, dass innerhalb einer Kolbennabe (17) mindestens eine axiale, nach außen verschlossene Bohrung (24a,24b,24c,24d) vorgesehen ist, die zwischen einer Lauffläche (21,22) und einer Nabenbohrung (18) angeordnet ist, dass die mindestens eine Bohrung (24a,24b,24c,24d) in den Kühlkanal (23) mündet, und dass der Kühlkanal (23) und die mindestens eine Bohrung (24a,24b,24c,24d) eine Füllung (27) aus Natrium und/oder Kalium enthalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden Kühlkanal aufweist, wobei der Kolbenschaft mit Nabenbohrungen versehene Kolbennaben aufweist, die über Nabenanbindungen an der Unterseite des Kolbenkopfes angeordnet sind, wobei die Kolbennaben über Laufflächen miteinander verbunden sind.
In modernen Verbrennungsmotoren sind die Kolben im Bereich der Kolbenböden immer höheren Temperaturbelastungen ausgesetzt. Dies führt im Betrieb zu erheblichen Temperaturunterschieden zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft. Damit ist auch das Einbauspiel der Kolben im kalten Motor unterschiedlich zum Einbauspiel im warmen Motor.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass sich im Betrieb eine gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft einstellt.
Die Lösung besteht darin, dass innerhalb einer Kolbennabe mindestens eine axiale nach außen verschlossene Bohrung vorgesehen ist, die zwischen einer Lauffläche und einer Nabenbohrung angeordnet ist, dass die mindestens eine Bohrung in den Kühlkanal mündet, und dass der Kühlkanal und die mindestens eine Bohrung eine Füllung aus Natrium und/oder Kalium enthalten.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass die im Bereich des Kolbenbodens erzeugte Wärme über den Kolbenkopf in die Kolbennaben geleitet und über die vergleichsweise großflächigen Laufflächen abgegeben wird. Damit wird im Betrieb eine gleichmäßige Wärmeverteilung über den gesamten Kolben erreicht. Ferner wird eine effektivere Kühlung des gesamten Kolbens erzielt.
Wenn zusätzlich die Unterseite des Kolbenkopfes mit Kühlöl gekühlt wird, wird die Bildung von Ölkohle vermieden. Insgesamt ist außerdem der Kühlölverbrauch reduziert.
Da die Differenz im Einbauspiel des Kolbens zwischen kaltem und warmer Motor verringert wird, kann bereits beim Einbau des Kolbens ein geringeres Spiel als bisher eingestellt werden. Ferner werden im Betrieb Reibungsverluste verringert, indem im noch kalten Motor die Laufflächen des Kolbens erwärmt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise sind vier Bohrungen vorgesehen, die zwischen einer Lauffläche und einer Nabenbohrung angeordnet sind, um eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im Kolben zu erreichen.
Die mindestens eine Bohrung ist zweckmäßigerweise mittels eines Verschlusselements verschlossen, das bspw. in die Bohrung eingepresst oder mit dem Kolben verschweißt ist, um zu vermeiden, dass das Kühlmittel austritt.
Die Füllung mit dem Kühlmittel weist vorzugsweise eine Füllhöhe bis zur halben Höhe des Kühlkanals auf, um einen Shaker-Effekt und damit eine besonders wirksame Kühlung zu erzielen.
Insbesondere wenn der Anteil der Verbrennungswärme, welcher während des Motorbetriebs in den Kolben abfließt, begrenzt werden soll, kann dies mit der Menge an eingefülltem Kühlmittel gesteuert werden. Es hat sich gezeigt, dass mitunter bereits eine Füllung von 3–5% des Kühlkanalvolumens mit dem Kühlmittel ausreicht, um die Funktion des Kolbens sicherzustellen.
Die Füllung kann aus Kalium, Natrium oder einer Legierung aus beiden Metallen bestehen. Besonders zweckmäßig ist eine Füllung aus einer Kalium-Natrium-Legierung mit 22 Gew.-% Natrium und 78 Gew.-% Kalium, da diese Legierung einen besonders niedrigen Schmelzpunkt aufweist.
Die Füllung kann zusätzlich Lithium und/oder Lithiumnitrid enthalten. Falls beim Befüllen Stickstoff als Schutzgas verwendet wird, kann dieses mit dem Lithium zu Lithiumnitrid abreagieren und auf diese Weise aus dem Kühlkanal entfernt werden.
Die Füllung kann ferner Natriumoxide und/oder Kaliumoxide enthalten, falls während des Befüllens ggf. vorhandene trockene Luft mit dem Kühlmittel reagiert hat.
Der erfindungsgemäße Kolben kann aus einem eisenbasierten Werkstoff, bspw. einem Werkstoff aus der Gruppe umfassend ausscheidungshärtende Stähle, Vergütungsstähle hochfestes Gusseisen und Gusseisen mit Lamellengraphit bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens, teilweise im Schnitt;
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1;
3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 1;
4 eine vergrößerte Teildarstellung aus 3.
Die 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Die 1 bis 3 zeigen beispielhaft einen einteiligen Kastenkolben 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 23 vorgesehen. Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 16 mit Kolbennaben 17 und Nabenbohrungen 18 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 17 sind über Nabenanbindungen 19 mit der Unterseite 11a des Kolbenkopfes verbunden. Die Kolbennaben 17 sind über Laufflächen 21, 22 miteinander verbunden (vgl. insbesondere 2).
Der Kolbenschaft 16 weist im Ausführungsbeispiel vier axiale Bohrungen 24a, 24b, 24c, 24d auf. Die Bohrungen 24a–d sind jeweils in die Kolbennaben eingebracht und zwischen einer Lauffläche 21, 22 und der Nabenbohrung 18 angeordnet. Die Bohrungen 24a–d münden in den Kühlkanal 23. Im Ausführungsbeispiel kann der Kolbens 10 bspw. in an sich bekannter Weise gegossen sein, wobei der Kühlkanal 23 und die Bohrungen 24a–d in an sich bekannter Weise mittels eines Salzkerns eingebracht werden können. Wesentlich ist, dass zumindest eine Bohrung 24a eine Öffnung 25 nach außen aufweist. Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel 27, nämlich Natrium, Kalium oder eine Legierung aus beiden Metallen durch die Öffnung 25 in die Bohrung 24a gefüllt. Von dort aus verteilt sich das Kühlmittel 27 im Kühlkanal 23 sowie in den weiteren Bohrungen 24b–d. Die Öffnung 25 wird anschließend dicht verschlossen, im Ausführungsbeispiel mittels einer eingepressten Stahlkugel 26. Die Öffnung 25 kann auch bspw. durch Aufschweißen eines Deckels oder Einpressen einer Kappe verschlossen werden (nicht dargestellt).
Die Größe der Bohrungen 24a–d und die Füllmenge des Kühlmittels 27 richten sich nach der Größe und dem Werkstoff des Kolbens 10. Durchschnittlich werden etwa. 10 g bis 40 g Kühlmittel 27 pro Kolben 10 benötigt. Die Kühlleistung kann über die Menge des zugegebenen Kühlmittels 27 gesteuert werden. Zweckmäßigerweise ergibt sich im Kühlkanal 23 ein Füllstand, der in etwa der halben Höhe des Kühlkanals 23 entspricht. In diesem Fall kann im Betrieb der an sich bekannte Shaker-Effekt für eine wirksame Kühlung zusätzlich genutzt werden. Für Natrium als Kühlmittel 27 mit einer Temperatur im Betrieb von 220°C ergibt sich bei einer Kühlleistung von 350 kW/m² eine maximale Oberflächentemperatur des Kolbens 10 von etwa 260°C. Zusätzlich kann die Unterseite 11a des Kolbenkopfes 11 durch Anspritzen mit Kühlöl gekühlt werden.
Zum Befüllen der Bohrung 24a wird durch die Öffnung 25 eine Lanze eingeführt und mittels Stickstoff oder mittels eines anderen geeigneten Inertgases oder mittels trockener Luft gespült. Zur Einführung des bei Raumtemperatur festen Kühlmittels 27, bspw. Natrium und/oder Kalium wird dieses unter Schutzgas (bspw. Stickstoff, Inertgas oder trockene Luft) mittels einer Presse durch die Öffnung 25 gedrückt, so dass sich das Kühlmittel 27 drahtförmig in die Bohrung 24a bzw. den Kühlkanal 23 eindrücken lässt. Anstelle des reinen Metalls kann auch eine Legierung aus Natrium und Kalium verwendet werden, die bei Raumtemperatur bereits flüssig ist. Ein weiteres Verfahren zum Befüllen der Bohrung 24a zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem Spülen mit Stickstoff, Inertgas oder trockener Luft die Bohrungen 24a–d und der Kühlkanal 23 evakuiert werden und das Kühlmittel 27 im Vakuum eingebracht wird. Damit kann sich das Kühlmittel 27 leichter im Kühlkanal 23 hin und her und in den Bohrungen 24a–d hinein und hinaus bewegen, da es nicht durch vorhandenes Schutzgas behindert wird.
Praktischerweise hat sich gezeigt, wenn der Anteil der Verbrennungswärme, welcher während des Motorbetriebs in den Kolben abfließt, begrenzt werden soll, kann dies mit der Menge an eingefülltem Kühlmittel gesteuert werden. Es hat sich desweiteren gezeigt, dass mitunter bereits eine Füllung von 3–5% des Kühlkanalvolumens mit dem Kühlmittel ausreicht, um die Funktion des Kolbens sicherzustellen.
Eine andere Möglichkeit, das Schutzgas aus dem Kühlkanal 23 bzw. den Bohrungen 24a–d zu entfernen, besteht darin, dass Stickstoff oder trockene Luft (d. h. im Wesentlichen eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff) als Schutzgas zu verwenden und dem Kühlmittel 27 eine kleine Menge Lithium zuzusetzen, erfahrungsgemäß etwa 1,8 mg bis 2,0 mg Lithium pro Kubikzentimeter Gasraum (d. h. Volumen des Kühlkanal 23 plus Volumen der Bohrungen 24a–d). Während Natrium und Kalium mit Sauerstoff zu Oxiden reagieren, reagiert das Lithium mit Stickstoff zu Lithiumnitrid. Das Schutzgas wird somit praktisch vollständig als Feststoff im Kühlmittel 27 gebunden.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (16), wobei der Kolbenkopf (11) eine umlaufende Ringpartie (15) sowie im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden Kühlkanal (23) aufweist, wobei der Kolbenschaft (16) mit Nabenbohrungen (18) versehene Kolbennaben (17) aufweist, die über Nabenanbindungen (19) an der Unterseite (11a) des Kolbenkopfes (11) angeordnet sind, wobei die Kolbennaben (17) über Laufflächen (21, 22) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Kolbennabe (17) mindestens eine axiale, nach außen verschlossene Bohrung (24a, 24b, 24c, 24d) vorgesehen ist, die zwischen einer Lauffläche (21, 22) und einer Nabenbohrung (18) angeordnet ist, dass die mindestens eine Bohrung (24a, 24b, 24c, 24d) in den Kühlkanal (23) mündet, und dass der Kühlkanal (23) und die mindestens eine Bohrung (24a, 24b, 24c, 24d) eine Füllung (27) aus Natrium und/oder Kalium enthalten.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Bohrungen (24a, 24b, 24c, 24d) vorgesehen sind, die zwischen einer Lauffläche (21, 22) und einer Nabenbohrung (18) angeordnet sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bohrung (24a, 24b, 24c, 24d) mittels eines Verschlusselements (26) verschlossen ist.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (26) in die Bohrung eingepresst oder mit dem Kolben verschweißt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (27) eine Füllhöhe bis zur halben Höhe des Kühlkanals (23) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Füllmenge von 3% bis %% des Volumens des Kühlkanals aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (27) aus einer Kalium-Natrium-Legierung mit 22 Gew.-% Natrium und 78 Gew.-% Kalium besteht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Lithium und/oder Lithiumnitrid enthält.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Natriumoxide und/oder Kaliumoxide enthält.