DE10244510A1

DE10244510A1 - Einteiliger Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10244510A1
Application number: DE10244510A
Authority: DE
Inventors: Peter Kemnitz; Hans-Jürgen Köhnert
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-08
Also published as: BR0314798B1; BR0314798A; CN1685142A; HK1078916A1; US6698392B1; KR20050057589A; DE50311581D1; EP1546536B1; EP1546536A1; WO2004029443A1; JP2006501392A; CN100368674C

Abstract

Bei einem einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) und einen auf Höhe der Ringpartie (11) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7) umfasst, wobei der Kolbenschaft (9) mit den am Kolbenkopf (1) angehängten Naben (12) verbunden ist, soll eine kostengünstige Herstellung mit einer verbesserten Kühlung und gute Formstabilität des Kolbens dadurch erreicht werden, dass der Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden (2) hin gerichtete Bohrungen (14) mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) für den Kolbenboden (2) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf, der eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal umfasst, wobei ein Kolbenschaft mit den am Kolbenkopf angehängten Naben verbunden ist.

Gattungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben sind beispielsweise aus der EP 0 799 373 B1 oder DE 100 13 395 C1 bekannt. Bei den dort benannten Kühlkanalkolben wird ein Kolbenrohling durch Schmieden hergestellt, eine ringförmige Ausnehmung und der nach unten offene Kühlkanal mittels einer spanabhebender Bearbeitung eingebracht und anschließend die Außenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Die axiale Höhe der ringförmigen Ausnehmung entspricht bei der EP 0 799 373 B1 mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals. Das ist erforderlich, da zur Herstellung des nach unten offenen Kühlkanals ein hakenförmiger Drehmeißel in die Ausnehmung eingeführt und durch entsprechende axiale und radiale Zustellung der Kühlkanal in seiner gewünschten Form ausgedreht werden muss.

Nachteilig bei diesen Kolben ist, dass durch die Höhe des hakenförmigen Drehmeißels die zu erreichende Kühlkanalhöhe und damit die vom Kolbenboden abzuleitende Wärmemenge infolge hoher Wanddicken bestimmt wird. Um die Kühlkanalhöhe zu vergrößern bzw. die Wanddicke zwischen Kühlkanal und Kolbenboden zu verringern, müsste die Ausnehmung zur Einführung des Drehmeißels vergrößert werden, mit der aber eine unerwünschte Vergrößerung der Bauhöhe des Kolbens einhergehen würde.

Andererseits würde die Kolbenstabilität infolge vorgenannter verringerter Wandstärke abnehmen. Damit sind diese vorgenannten Herstellungsverfahren bzw. Kolbenkonstruktionen nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Bauhöhe sowie seiner Sta bilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kolbenkonzept für einen einteiligen Kühlkanalkolben anzugeben, mit dem eine kostengünstige Herstellung geringer Kolbenbauhöhe gewährleistet ist und mit dem wirksam einer Kolbendeformation infolge Einwirkung hoher Gasdrücke und Temperaturen entgegengewirkt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein im Kolbenkopf eingeformter Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen für den Kolbenboden bildet.

Bei einem derart hergestellten Kolben kann zumindest ein Teil des Kühlkanals näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität bei einer geringen Kolbenbauhöhe auf. Außerdem erfolgt durch die Anordnung der Stützrippen eine Art Kammerbildung im Kühlkanal, d. h. Erzeugung von Shaker-Räumen, wodurch eine Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls und damit verbesserte Wärmeableitung der zu kühlenden Kolbenbereiche erreicht wird. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals, in denen die Brennstrahlen auf den Kolbenboden treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten in Bolzenrichtung
2 einen erfindungsgemäßen Kolben in Unteransicht, geschnitten entlang der Linie II gemäß 1;
3 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten quer zur Kolbenbolzenrichtung;
4 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus 1;
5 einen erfindungsgemäßen Kolben in perspektivischer Ansicht.
6 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus 1, in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Der erfindungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben besteht aus einem geschmiedeten Kolbenkopf 1 aus Stahl oder schmiedbaren Al-Legierung mit einer Verbrennungsmulde 3 in seinem Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 11, einem auf Höhe der Ringpartie 11 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, wobei ein Kolbenschaft 9 mit den am Kolbenkopf 1 angehängten Naben 12 verbunden ist. Die Herstellung des Kolbens erfolgt nach der EP 0 799 373 B1 , wobei vor dem Verschließen des Kühlkanals 7 mittels einer Abdeckung 13 erfindungsgemäß im Kühlkanal 7 Bohrungen 14 vorgesehen werden, die auf dem Umfang symmetrisch verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens 2, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse K, eingebracht sind. Die Tiefe h_B der Bohrungen 14 beträgt maximal ein Viertel der Gesamthöhe H des Kühlkanals 7, sodass ein ungehinderter Kühlölkreislauf gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl geschaffen, welche die Kühlwirkung erhöhen.
Der Kühlölzulauf 5 und der Kühlölauslauf 10 ist in einer Kühlkanalabdeckung 13, die aus einem zweigeteilten Federelement besteht, gegenüberliegend angeordnet. Durch die Kühlkanalabdeckung 13 erfolgt der Verschluss des Kühlkanals 7 an seinem zum Kolbenschaft 9 hin offenen Ende.
Wie die 3 und 4 zeigen, bilden die zwischen den Bohrungen 14 bezeichneten Materialbereiche Stützrippen 8, deren Breite vom Abstand der Bohrungen 14 bestimmt wird. Die Bohrungen 14 sind im Kühlkanal 7 umfangsseitig derart voneinander beabstandet, dass dieser mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrungen 14 entspricht, wobei die Bohrungsdurchmesser alle identisch sind. Es liegt natürlich im Ermessen des Fachmanns, auch unterschiedliche Bohrungsdurch messer zu verwenden, wobei dann der Abstand der Hälfte des größten Bohrungsdurchmessers entsprechen sollte, um einer Kolbendeformation im Motorbetrieb entgegenzuwirken.
Die Bohrungen 14 und damit die Stützrippen 8 sind, wie in 4 dargestellt, radial symmetrisch über den Umfang des Kühlkanals 7 verteilt angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) kann die Anzahl der Bohrungen 14 und damit die Verteilung der Stützrippen 8 so gestaltet sein, dass in Druck-Gegendruckrichtung D bzw. GD eine größere Anzahl von Stützrippen 8 angeordnet ist, als quer dazu, d. h., eine unsymmetrische umfangsseitige Verteilung im Kühlkanal 7 erfolgt. So kann die Verteilung der Bohrungen 14 und damit der Stützrippen 8 im Kühlkanal 7, wenn dieser nach den durch die Kolbenhauptachsen K_H gebildeten Quadranten I – IV charakterisiert wird, derart sein, dass innerhalb eines Quadranten eine symmetrische (4) oder unsymmetrische bzw. teilsymmetrische Verteilung (6) vorgesehen ist, oder die Verteilung abhängig ist von der örtlichen Temperaturverteilung im Kolbenboden. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals 7, in denen die Brennstrahlen des gezündeten Kraftstoffes auf den Kolbenboden 2 treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden. Dadurch kann im Lastfall auch den auftretenden Spannungsbelastungen des Kolbens besser entgegnet werden.
Die Bohrungen 14 können durch Rundbohrungen realisiert werden, wie in den 4 und 6 dargestellt, oder durch Langlochbohrungen (nicht dargestellt), die mit ihrer langen Seite in Richtung von der Kolbenmitte nach radial außen zur Kolbenwand ausgerichtet sind. Mit diesen jeweiligen Ausführungsbeispielen der Bohrungsanordnungen wird erreicht, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und damit das als Stützrippen 8 ausgebildete Material vergrößert wird. Maßgebend für den Abstand der Bohrungen ist es, dass dieser von Bohrungsachse zu Bohrungsachse umfangsseitig wenigstens die Hälfte des größten verwendeten Bohrungsdurchmessers entspricht.
Zur weiteren Beeinflussung der Wärmeableitung von der Verbrennungsmulde 3 können die Spitzen der Bohrungen 14 rund oder, wie in 1 gezeigt, winklig ausgeführt sein.
Die Achsen der Bohrungen 14 können, wie 1 zeigt, parallel zur Kolbenlängsachse K und/oder, d. h. in Kombination, in einem spitzen Winkel dazu angeordnet sein, wobei die Bohrungen bevorzugt in Richtung Kolbenboden 2 bzw. Verbrennungsmulde 3 zeigen.

1: Kolbenkopf
2: Kolbenboden
3: Verbrennungsmulde
4: Ringwand
5: Kühlölzulauf
7: Kühlkanal
8: Stützrippen
9: Kolbenschaft
10: Kühlölauslauf
11: Ringpartie
12: Naben
13: Kühlkanalabdeckung
14: Bohrungen
K: Kolbenlängsachse
K_H: Kolbenhauptachsen
N: Kühlkanalhöhe
h_B: Tiefe der Bohrungen 14

Claims

Einteiliger Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) und einen auf Höhe der Ringpartie (11) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7) umfasst, wobei ein Kolbenschaft (9) mit den am Kolbenkopf (1) angehängten Naben (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden (2) hin gerichtete Bohrungen (14) mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) für den Kolbenboden (2) bildet.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) radial symmetrisch und/oder unsymmetrisch über den Umfang des Kühlkanals (7) verteilt angeordnet sind.
Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Bohrungen (14) auf dem Umfang des Kühlkanals (7) voneinander mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrung (14) beträgt.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) gleiche Durchmesser aufweisen.
Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine Tiefe (h_B) aufweisen, die maximal ein Viertel der Gesamthöhe (N) des Kühlkanals (7) beträgt.
Kolben nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Achsen der Bohrungen (14) parallel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Bohrungen (14) unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine zylindrische oder langlochförmige Form aufweisen.