DE10105762A1 - Kühlkanal für Kolben mit Aufweitungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Ringträger (2) und einem dahinter angeordneten, radial umlaufenden Kühlkanal (3), der von einem Kühlkanalbauteil (4) gebildet ist, wobei zur Erhöhung des Durchsatzes an Kühlmedium vorgesehen ist, daß das Kühlkanalbauteil (4) an wenigstens einer Stelle eine lokale Aufweitung (5) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben einen Ringträger und einen Kühlkanal aufweist, gemäß den Merkmalen des Oberbe­ griffes des Patentanspruches 1.

Aus der DE 197 22 053 A1 ist ein Kolben bekannt, der in seinem Kolbenbodenbe­ reich etwa in Höhe einer Brennraummulde einen radial umlaufenden Ringträger auf­ weist. In dem Bereich zwischen dem radial umlaufenden Ringträger und der Brenn­ raummulde ist ein Kühlkanal zur Kühlung des Kolbenbodens des Kolbens angeord­ net. Der Kühlkanal wird vor dem Gießen in die Gießform eingesetzt und während des Gießens mit Gießschmelze umgeben, wobei es nach dem Erstarren der Gieß­ schmelze noch erforderlich ist, zumindest eine Bohrung zwischen dem Kühlkanal und dem Inneren des Kolbens vorzusehen, damit über diese Bohrung Kühlmedium in den Kühlkanal zur Kühlung des Kolbenbodens eingespritzt werden kann.

Diese Bohrung wird im Regelfall am fertigen Kolben durch ein Bohrwerkzeug vorge­ nommen. Dabei ist der Durchmesser der Bohrung maximal beschränkt auf die lichte Weite des Kühlkanals. Diese Beschränkung liegt daran, daß bei Verwendung eines größeren Bohrerdurchmessers im Bereich des Kühlkanals eine Stufe hergestellt würde, die das Strömungsverhalten und den Volumendurchsatz des Kühlmediums negativ beeinflußt. Außerdem wären bei einem solchen Bohrvorgang zwei unter­ schiedliche Materialien betroffen, nämlich einmal das Material des Kühlkanalbautei­ les und in dessen Bereich auch das Kolbenmaterial, so daß daher ein Grad entste­ hen kann, der entweder das Strömungsverhalten negativ beeinflußt oder im schlimmsten Fall während des Betriebes des Kolbens sich lösen könnte, was zu Zer­ störungen der Brennkraftmaschine führen könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Brennkraft­ maschine bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteil vermieden sind.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Kühlkanalbauteil an wenigstens einer Stelle eine lokale Aufweitung aufweist. Durch diese Aufweitung, die schon bei der Herstellung des Kühlkanalbauteiles eingebracht werden kann, kann einerseits der Durchmesser der Bohrung von dem Inneren des Kolbens in Richtung des Kühlka­ nales vergrößert werden, so daß auch ein höherer Volumendurchsatz an Kühlmedi­ um gegeben ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise das Temperaturniveau im Kol­ benboden gesenkt, wodurch andererseits wieder höhere Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen realisierbar sind. Aufgrund der Aufweitung und den da­ mit verbundenen gerundeten Übergängen von dem normalen Querschnitt des Kühl­ kanales zu dem aufgeweiteten Querschnitt wird auch das Strömungsverhalten des zugeführten und abgeführten Kühlmediums weiter verbessert, so daß auch ein schnellerer Durchsatz an Kühlmedium gegeben ist. Beim Einbringen der Bohrung ist nur das Material des Kühlkanalbauteiles bei dessen Durchdringen betroffen, nach dem der Bohrer das Gießmaterial durchgebohrt hat. Daher können die Umdrehungs­ zahl und die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges in dem Bereich, in dem das Bohrwerkzeug auf das Kühlkanalbauteil trifft und dieses durchbohren soll, opti­ mal auf dieses Material abgestimmt werden, so daß die Entstehung eines Grades vermieden wird. Daraus resultiert auch in vorteilhafter Weise eine längere Standzeit des Bohrwerkzeuges.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Aufweitung kreisförmig oder länglich, insbe­ sondere oval, wobei auch bei mehreren Aufweitungen die in Frage kommenden Formen miteinander kombiniert werden können. Die kreisförmige Aufweitung hat den Vorteil, daß die Bohrung von dem Inneren des Kolbens in Richtung des Kühlkanals durch ein einfaches Bohrwerkzeug eingebracht werden kann. Die längliche, insbe­ sondere ovale Ausgestaltung der Aufweitung hat einerseits den Vorteil, daß auch ei­ ne insbesondere ovale Öffnung zwischen dem Inneren des Kolbens und dem Kühl­ kanal eingebracht werden kann, woraus ein höherer Volumendurchsatz an Kühlmedium resultiert. Dabei wird in Kauf genommen, daß die längliche ausgestaltete Ver­ bindung zwischen dem Inneren des Kolbens und dem Kühlkanal durch beispielswei­ se zwei aufeinander folgende Bohrungen eingebracht werden muß. Außerdem hat die längliche Ausbildung der Aufweitung den Vorteil, daß eine runde Bohrung zwi­ schen dem Inneren des Kolbens und dem Kühlkanal eingebracht werden kann, wo­ bei das Ansetzen des Bohrwerkzeuges keine so hohe Präzision erfordert, wie bei ei­ ner kreisförmigen Aufweitung, die genau getroffen werden muß.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Kühlkanalbauteil Mittel auf, mit denen es in eine vorgebbare Lage in eine Gießform eingesetzt wird. Bei diesen Mitteln kann es sich einerseits um mehrere lokale Aufweitung handeln, die in einer bestimmten Lage zueinander angeordnet sind und die die Vorgabe bilden, wie das Kühlkanalbauteil in die Gießform eingesetzt werden soll. Hierbei könnte daran gedacht werden, daß bei zwei Aufweitungen die eine kreisförmig und die andere oval ausgebildet ist. Bei nur kreisförmiger Aufweitung könnte die Lagefixierung dadurch gegeben sein, daß min­ destens drei Aufweitungen in Dreiecksform, insbesondere eines gleichseitigen oder gleichschenkligen Dreiecks zueinander angeordnet sind.

Ergänzend oder alternativ dazu wäre es denkbar, wenn das Kühlkanalbauteil mit ei­ ner anderen Markierung, wie z. B. einer Kerbe oder eines Vorsprunges oder mehrere davon, versehen ist. Diese Markierungen könnten dann mit entsprechenden Markie­ rungen innerhalb der Gießform korrespondieren, so daß dadurch das Kühlkanal­ bauteil immer in eine vorgebbare Lage in die Gießform eingesetzt wird. Denn diese Lagepositionierung ist erforderlich, da nach dem Umgießen des Kühlkanalbauteiles die Lage der Aufweitungen nicht mehr erkennbar ist, diese aber genau von dem Bohrwerkzeug getroffen werden müssen.

In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Kühlkanalbauteil und der Ringträger entweder von einander getrennte Bauteile oder eine gemeinsame Bau­ einheit bilden. Wenn der Ringträger und das Kühlkanalbauteil eine gemeinsame Baueinheit bilden, kommt es in Betracht, daß vor dem Gießen das Kühlkanalbauteil und der Ringträger voneinander getrennte Bauteile sind, die noch vor dem Gießen miteinander verbunden werden, insbesondere in dem sie miteinander verschweißt werde. Beispielhaft sei in dem Zusammenhang auf die Möglichkeit der Verbindung zwischen dem Ringträger und dem Kühlkanalbauteil auf die DE 197 22 053 A1 (Spalte 1, Zeile 37 bis Spalte 2, Zeile 26) verwiesen.

Denkbar ist aber auch, daß der Ringträger und das Kühlkanalbauteil vor dem Gießen eine einstückige Baueinheit bilden, die beispielsweise dadurch hergestellt wird, daß diese Baueinheit gegossen wird.

Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: einen Kolben im Kolbenbodenbereich im Längsschnitt,

Fig. 2 bis 4: einen Kolben im Kolbenbodenbereich im Querschnitt mit verschie­ denen Aufweitungen.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 im Schnitt im Kolbenbodenbereich, wobei hier ein Ring­ träger 2 radial umlaufend angeordnet ist. Ebenfalls radial umlaufend hinter diesem Ringträger 2 ist ein Kühlkanal 3 vorhanden, wobei der Kühlkanal 3 von einem Kühl­ kanalbauteil 4 gebildet ist. Bei der in Fig. 1 gezeigten Variante ist das Kühlkanal­ bauteil 4 an dem Ringträger 2 vor dem Gießen angeordnet worden (sogenannten Rucksackringträger) während es auch denkbar ist, daß das Kühlkanalbauteil 4 sepa­ rat von dem Ringträger 2 ist.

Bei der Schnittzeichnung gemäß Fig. 1 ist erkennbar, daß das Kühlkanalbauteil 4 an wenigstens einer Stelle seines radialen Umlaufes eine lokale Aufweitung 5 auf­ weist. Dabei ist erkennbar, daß aufgrund dieser lokalen Aufweitung 5 das Bohrwerk­ zeug lediglich im Bereich des Kühlkanalbauteiles 4 dieses durchdringt und nicht mehr das umgebende Kolbenmaterial davon betroffen ist. Außerdem kommt es auf­ grund der lokalen Aufweitung 5 nicht zu einer Schwächung des Bereiches zwischen dem Kühlkanal 4 und der Brennraummulde, so daß die Stabilität des Kolbens nach wie vor gewährleistet ist.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt den Kolben 1, bei dem zwei Aufweitungen 5 asymme­ trisch zu einander vorgesehen sind, wobei die, nach dem Gießen eingebrachten Bohrungen, die eine Zulauf- und eine Ablauföffnung für das Kühlmedium bilden, mit der Bezugsziffer 6 versehen sind. Diese lokalen Aufweitungen 5 können auch der Positionierung des Kühlkanalbauteiles 4 (ggf. mit seinem Ringträger 2) in der Gieß­ form dienen.

Fig. 3 zeigt insgesamt drei Aufweitungen 5, die sich auf den Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreieckes gegenüber liegen. Auch diese Anordnung kann der Po­ sitionierung des Kühlkanalbauteiles 4 in der Gießform dienen.

Fig. 4 zeigt einerseits eine Aufweitung 5 des Kühlkanalbauteiles 4 in kreisförmiger Ausgestaltung, so daß die Bohrung 6 durch ein einfaches Bohrwerkzeug eingebracht werden kann. Zusätzlich ist noch eine längliche Aufweitung 7 vorhanden, die jetzt gestattet, eine im Querschnitt längliche Öffnung 8 als Zulauf- und/oder Ablauföffnung für das Kühlmedium in den Kolben einzubringen. Denkbar wäre es, bei einer längli­ chen Aufweitung 7 lediglich eine kreisförmige Bohrung 6 einzubringen, wenn keine allzu hohe Präzision der Lage der Bohrung 6 zu der Aufweitung 7 gefordert ist.

Claims (6)

1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Ringträger (2) und einem da­ hinter angeordneten, radial umlaufenden Kühlkanal (3), der von einem Kühlka­ nalbauteil (4) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkanalbauteil (4) an wenigstens einer Stelle eine lokale Aufweitung (5) aufweist.

2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung (5) kreisförmig ist.

3. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung (5) länglich, insbesondere als ovale Aufweitung (7) ausgebildet ist.

4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kühlkanalbauteil (4) Mittel aufweist, mit denen es in eine vorgebba­ re Lage in eine Gießform eingesetzt wird.

5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kühlkanalbauteil (4) mit dem Ringträger (2) vor dem Gießen ver­ bindbar ist.

6. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Kühlkanalbauteil (4) und der Ringträger (2) vor dem Gießen eine Bau­ einheit bilden.