DE10015709A1 - Kolben mit einem ringförmigen Kühlkanal - Google Patents
Kolben mit einem ringförmigen KühlkanalInfo
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Abstract
Ein Kolben (1) mit einem ringförmigen Kühlkanal (2), durch den ein Kühlmedium zirkulliert, ist dadurch verbessert, daß an wenigstens einer Öffnung (3) in dem Kühlkanal (2) ein Kanal (7) angefügt ist und der Kühlkanal (2) mit dem Kanal (7) eine vor dem Gießen des Kolbens (1) separate Einheit bilden.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einem ringförmigen Kühlkanal gemäß den
Merkmalen des Oberbegriffes Patentanspruches 1.
Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen und zur Einhaltung von
Umweltschutzvorschriften ist der Einsatz von hoch belastbaren Kolben zwingend
erforderlich. Zu diesem Zweck sind Kolben bekannt, die in ihrem Kopfbereich einen
ringförmigen Kühlkanal aufweisen, in dem ein Kühlmedium zirkuliert, welches den
Kopfbereich des Kolbens, der der Verbrennungsseite zugewandt ist, kühlt. Das
Kühlmedium, insbesondere ein Kühlöl, wird mittels einer Kühlölstrahldüse in die
Öffnung gespritzt, verteilt sich dann in dem Kühlkanal und wird anschließend
entweder über die Zuführöffnung oder über eine weitere Öffnung abgeführt.
Für die Herstellung des ringförmigen Kühlkanales sind mehrere Möglichkeiten
bekannt.
Zum einen kann der ringförmige Kühlkanal durch Salzkerne in der Gießform
hergestellt werden, wozu es erforderlich ist, den Kolben an geeigneten Stellen
aufzubohren, um den Salzkern ausspülen zu können. Die Bohrungen dienen im
Motorbetrieb als Zu- und Ablauf für das Kühlmedium. Diese haben allerdings den
Nachteil, daß beim Aufbohren im Übergangsbereich zwischen Metall und Salzkern
ein Grat entsteht, der entweder gar nicht oder nur aufwendig entfernt werden kann.
Sollte sich dieser Grat im Betrieb des Kolbens lösen, hat dies schwerwiegende
Folgen für den Betrieb der Brennkraftmaschine bis hin zu einer Zerstörung
derselben. Außerdem stellt das Aufbohren einen zusätzlichen und damit
unerwünschten Verfahrensschritt dar. Um das Aufbohren zu umgehen, ist schon
daran gedacht worden, zusätzlich zu dem Salzkern, der den Kühlkanal bildet, auch
einen weiteren Kern von diesem Salzkern bis zu dem Gießkern anzuordnen, wobei
der durch den zusätzlichen Kern hergestellte Kanal später den Zufluß und Abfluß
des Kühlmediums ermöglicht. Dies hat jedoch den Nachteil, daß das
Salzkerngebilde sehr anfällig ist und beim Gießvorgang zerstört werden kann. Daher
bringt eine solche Anordnung ebenfalls keine befriedigenden Ergebnisse.
Alternativ zu der Herstellung des Kühlkanales mittels Salzkernen ist es denkbar, daß
im Kopfbereich des Kolbens ein Ringträger angeordnet ist, an welchem ein
Kühlkanalblech befestigt wird, welches den Kühlkanal bildet. Eine derartige
Anordnung ist aus der DE 197 50 021 A1 bekannt. Diese hat aber den Nachteil, daß
der Kühlkanal beim Gießvorgang vollständig geschlossen sein muß, wozu nach dem
Anfügen des Kühlkanalbleches an den Ringträger der Kühlkanal auf absolute
Dichtheit überprüft werden muß. Ist nämlich eine Undichtigkeit im Kühlkanal
vorhanden und kann das darin eingeschlossene Gas beim Gießvorgang austreten,
besteht eine Explosiongefahr, der durch entsprechende aufwendige
Sicherheitsmaßnahmen am Gießort begegnet werden muß. Aber auch schon vorher
beim Alfinieren des Ringträgers mit seinem Kühlkanal bewirkt eine Undichtigkeit, daß
das beim Alfinieren aufzutragende Aluminium an der Undichtigkeitsstelle keine
innermetallische Verbindung mit dem Material des Ringträgers/Kühlkanales eingeht.
Ein weiterer Nachteil bei dieser Anordnung besteht darin, daß, nachdem der
Rohlingskolben gegossen worden ist, eine Verbindung vom Innenbereich des
Kolbens zu dem Kühlkanal hergestellt werden muß. Dies geschieht in der Regel
dadurch, daß vom Innenbereich des Kolbens in Richtung des Kühlkanals die
Zulauföffnung sowie die Ablauföffnung aufgebohrt wird. Aufgrund der immer
komplexeren Innengeometrie des Kolbens besteht die Schwierigkeit, an der
erforderlichen Stelle die Bohrung durchführen zu können. Bei unterschiedlichen
Materialien für den Kolben (z. B. Aluminium) und den Kühlkanal (z. B. Stahl) kommt
es zu Schwierigkeiten bei der Bohrung. Aufgrund unterschiedlicher
Materialeigenschaften ist ein Bohren mit optimaler Vorschubgeschwindigkeit nicht
möglich. Daher entsteht immer ein Grat bei dieser Art von Bohrung, der zum einen
den Fluß des Kühlmediums behindert oder sogar verhindert. Sollte sich bei Betrieb
des Kolbens dieser Grat lösen, kommt es zu der schon beschriebenen
Beschädigung der Brennkraftmaschine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einem
ringförmigen Kühlkanal einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem die
geschilderten Nachteile vermieden sind.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß an die zumindest eine Öffnung in dem
Kühlkanal ein Kanal angefügt ist und der Kühlkanal mit dem Kanal eine vor dem
Gießen des Kolbens separate Einheit bilden. Durch das Anfügen des Kanals an die
Öffnung in dem Kühlkanal kann vor dem Gießen überprüft werden, ob ein Grat
vorhanden ist oder nicht. Durch entsprechende Herstellung der Öffnung (wie
beispielsweise Stanzen oder Brennen mittels Laser) kann von vornherein eine
Gratbildung verhindert werden. Wird die Öffnung gebohrt, kann durch entsprechende
Vorschubgeschwindigkeit und aufgrund der Tatsache, daß nur ein Material vorliegt,
verhindert werden, daß überhaupt ein Grat entsteht. Sollte dennoch ein Grat
entstehen, kann dieser leicht entfernt werden, da der Kühlkanal bzw. die Öffnung
noch sehr gut zugänglich ist.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Kanal eine Trennwand auf. Damit ist es
möglich, über nur einen Kanal und eine Öffnung in dem Kühlkanal den Zufluß und
den Abfluß des Kühlmediums zu realisieren. Um den Fluß des Kühlmediums
regulieren zu können, reicht die Trennwand bis in den Kühlkanal entweder ganz oder
zumindest teilweise hinein. Durch die Einspritzung von Kühlmedium in die eine Hälfte
des durch die Trennwand unterteilten Kanales wird der Kühlmediumsfluß
sichergestellt.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung dazu ist vorgesehen, daß der
Kühlkanal zusätzlich zu dem einen Kanal für den Zufluß des Kühlmediums
zumindest eine weitere Öffnung für den Abfluß des Kühlmediums aufweist.
Umgekehrt dazu kann über den schon vorhandenen Kanal der Abfluß erfolgen,
während über eine weitere Öffnung der Zufluß des Kühlmediums erfolgt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkanal zwei Öffnungen
auf, an denen jeweils ein Kanal angefügt ist. Über den einen Kanal erfolgt der
Zufluß, während über den anderen Kanal der Abfluß des Kühlmediums erfolgt. In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind die beiden Kanäle genau
gegenüberliegend an dem Kühlkanal angeordnet. Dadurch kann das zugeführte
Medium in beide Richtungen, ausgehend von der Zuflußöffnung, durch den
Kühlkanal strömen und den Kopfbereich des Kolbens kühlen und über die weitere
Öffnung und deren Kanal wieder austreten.
In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest einer der Kanäle, insbesondere alle
Kanäle, einstückig mit dem Kühlkanal ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß der
ringförmige Kühlkanal mit seinen Öffnungen und den daran angefügten Kanälen als
separate Einheit vor dem Gießen des Kolbens gefertigt werden kann. Damit entfallen
alle Bearbeitungsschritte des Kühlkanales, insbesondere das Bohren, da diese
separate Einheit z. B. ebenfalls durch Gießen vorgefertigt werden kann. Die fertige
separate Einheit muß dann nur noch vor dem Gießen in die Gießform des Kolbens
eingesetzt und positioniert werden. Dabei sind die Enden der Kanäle so geformt, daß
sie bündig mit dem Innenbereich des fertigen Kolbens anschließen. Denkbar ist aber
auch, daß die Kanäle zumindest mit ihren Enden aus der Innenkontur des fertigen
Kolbens herausragen und stehenbleiben oder je nach Bedarf überarbeitet werden,
so daß die Enden des Kanales bzw. der Kanäle mit der Innenkontur des Kolbens
bündig abschließen.
In Weiterbildung der Erfindung werden zumindest einer der Kanäle, insbesondere
alle Kanäle, an dem Kühlkanal befestigt. Hier bietet es sich an, den ringförmigen
Kühlkanal aus einem Rohr, welches gebogen wird, herzustellen. An den Enden wird
das gebogene Rohr dichtend verschweißt und anschließend durch Bohren, Stanzen,
Brennen oder dergleichen die zumindest eine Öffnung eingebracht. Wird gebohrt,
kann in diesem Stadium der Herstellung ein eventuell entstandener oder lose im
Kühlkanal angefallener Grat noch entfernt werden. Anschließend wird der Kanal bzw.
werden die Kanäle angefügt, was z. B. durch Schweißen, Löten, Einpressen oder
dergleichen erfolgen kann. Die Kanäle können aus metallischen sowie aus nicht
metallischen Materialien erzeugt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest ein Kanal konisch verlaufend
ausgebildet, so daß das dem Kühlkanal abgewandte Ende des Kanales eine größere
Querschnittfläche ausweist als das Ende, mit dem der Kanal in dem Kühlkanal
steckt. Dadurch kann eine extrem genaue Positionierung der
Kühlmediumsstrahldüse entfallen.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des Kanales bzw. der Kanäle, der bzw. die an dem
Kühlkanal angefügt ist/sind, ist der, daß über die Enden des Kanales/der Kanäle die
separate Einheit auf den Gießkern aufgesteckt werden kann und somit als Stütze
dienen. Damit ist eine weitere Vereinfachung bei der Herstellung des gekühlten
Kolbens gegeben. Ebenso kann die Dichtheitsprüfung des Kühlkanales entfallen, da
dieser über das wenigstens eine Ende des Kanales offen bleibt und das darin
befindliche Gas beim Gießen entweichen kann.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Kolben und eine separate Einheit, auf die die
Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden beschrieben und anhand
der Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen gekühlten Kolben und
Fig. 2 einen ringförmigen Kühlkanal als separate Einheit.
Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine, welcher in seinem
Kopfbereich einen ringförmigen Kühlkanal 2 aufweist. Dieser Kühlkanal 2 weist
wenigstens eine Öffnung 3 auf, über die der Kühlkanal 2 mit Kühlmedium,
insbesondere Motoröl, versorgt werden kann. Mit der Bezugsziffer 4 ist noch der
Kolbenschaft und mit der Bezugsziffer 5 ein Innenbereich des Kolbens 1 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt den Kühlkanal 2 in seiner Ausgestaltung als vorgefertigte, separate
Einheit, die schon in dem Kolben 1, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, eingesetzt
(umgossen) ist. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Kühlkanal 2 ist neben der ersten
Öffnung 3 (Zufluß für das Kühlmedium) eine zweite Öffnung 6 vorhanden, über den
der Abfluß des Kühlmediums erfolgt. An dieser Stelle sei erwähnt, daß auch mehr als
eine Öffnung für Zufluß bzw. Abfluß vorhanden sein können. Sowohl an der ersten
Öffnung 3 als auch an der zweiten Öffnung 6 sind ein erster Kanal 7 bzw. ein zweiter
Kanal 8 an dem Kühlkanal 2 angefügt, wobei der Kühlkanal 2 und zumindest einer
der beiden weiteren Kanäle, insbesondere beide Kanäle 7 und 8, Einzelteile sind und
zu der separaten Einheit zusammengefügt werden oder schon mit Herstellung eine
einstückige Einheit bilden. Von besonderem Vorteil ist, wenn die beiden Öffnungen 3
und 6 in den Kühlkanal 2 eingestanzt oder eingebrannt werden, da mit diesen
Herstellungsmethoden kein Grat entsteht. Anschließend werden die beiden Kanäle 7
und 8 in die erzeugten Öffnungen 3 und 6 eingesteckt und fixiert (insbesondere
durch Schweißen oder Löten). In vorteilhafter Weise bestehen die beiden Kanäle 7
und 8 aus dem gleichen Material wie der Kühlkanal 2, müssen es aber nicht. So
bestehen z. B. der Kühlkanal 2 und die beiden Kanäle 7 und 8 aus Rohrstücken mit
gleichem oder unterschiedlichem Durchmesser, wobei insbesondere der
Kühlkanal 2 einen größeren Durchmesser aufweist wie die beiden Kanäle 7 und 8.
Alternativ dazu kann aber auch das in Fig. 2 gezeigte Gebilde als einstückige
Einheit gegossen werden. Die Anordnung der beiden Kanäle 7 und 8 an dem
Kühlkanal 2 richtet sich insbesondere nach den geometrischen Gegebenheiten des
Innenbereiches 5 des Kolbens 1, wobei die Enden der Kanäle 7 und 8 vom
Kolbenschaft 4 entfernt oder auch in dem Kolbenschaft 4 angeordnet sein können.
Entweder ragen die Enden der beiden Kanäle 7 und 8 frei in den Innenbereich 5
hinein oder schließen bündig mit diesem Innenbereich 5 ab oder sind versenkt. Die
Kanäle 7 und 8 müssen auch nicht gerade sein, sonder können auch konisch
verlaufend, trompetenförmig, gebogen oder dergleichen ausgestaltet sein. Es ist
lediglich darauf zu achten, daß die Öffnung des Kanales, der den Zulauf des
Kühlmediums übernimmt, im Bereich der Strahldüse, die vom Motor das
Kühlmedium abgibt, angeordnet ist.
Claims (7)
1. Kolben (1) mit einem ringförmigen Kühlkanal (2), der wenigstens eine Öffnung (3)
aufweist, wobei ein Kühlmedium über die eine Öffnung (3) dem Kühlkanal (2)
zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Öffnung (3) ein Kanal (7)
angefügt ist und der Kühlkanal (2) mit dem Kanal (7) eine vor dem Gießen des
Kolbens (1) separate Einheit bilden.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (7) eine
Trennwand aufweist.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (2)
zusätzlich zu dem Kanal (7) für den Zufluß des Kühlmediums zumindest eine weitere
Öffnung (6) für den Anfluß des Kühlmediums oder umgekehrt aufweist.
4. Kolben (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der weiteren
Öffnung (6) ein weiterer Kanal (8) angefügt ist.
5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest einer der Kanäle, insbesondere alle Kanäle (7, 8), einstückig mit dem
Kühlkanal (2) ausgebildet sind.
6. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest einer der Kanäle, insbesondere alle Kanäle (7, 8), an dem Kühlkanal
(2) befestigt werden.
7. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Kanal konisch verlaufend, insbesondere trompetenförmig,
ausgebildet ist.
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DE10015709B4 (de) | 2011-08-11 |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
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