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Die Erfindung betrifft einen Kolben
für einen Verbrennungsmotor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die in Verbrennungsmotoren eingesetzten Kolben
unterliegen einer hohen Wärmebelastung
infolge der Verbrennungen, die in dem Verbrennungsraum, der unter
anderem durch den Kolben begrenzt wird, stattfinden. Durch geeignete
Maßnahmen
wird dafür
Sorge getragen, dass die Kolben gekühlt werden.
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Stand der
Technik
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Insbesondere bei den Kolben von hochbelasteten
Verbrennungsmotoren ist es zur Kühlung
der Kolben bekannt, diese von ihrer Unterseite her mit Kühlöl zu beaufschlagen.
Ferner sind im Stand der Technik Kühlkanäle bekannt, die in dem Kolben
in verschiedensten Formen im Bereich des Kolbenbodens, also möglichst
nahe an dem besonders hoch belasteten, oberen Bereich, ausgebildet
sein können.
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Ein Kolben nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der
DE
196 18 625 C1 bekannt. Dieser Kolben weist einen Kühlkanal
auf, der insofern diffusorförmig
gestaltet ist, als sich sein Querschnitt ausgehend von dem Öleinlass
zu dem Ölauslass erweitert.
Hierdurch soll eine ungehinderte Abströmung des Kühlöles gewährleistet und eine gute Kühlwirkung
erreicht werden. Zu diesem Zweck sind ferner Turbulenzkanten und/oder
Querschnittssprünge
vorgesehen.
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Auch die
JP 56-124650 A beschreibt
einen Kolben mit einem Kühlkanal,
der sich von dem Ein- zu dem Auslass erweiternd ausgebildet ist.
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Die
DE 197 36 135 C1 offenbart einen flüssigkeitsgekühlten Kolben
mit einem Kühlkanal,
der mit zwei getrennten Schenkeln ausgehend von einem Einlass, der
in einem radialen Randbereich vorhanden ist, bis zur Mitte schräg nach oben
und anschließend
bis zu dem gegenüberliegenden
Auslass schräg
nach unten verläuft.
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Aus der
DE 100 81 224 T1 geht ein
Kolben mit einem ringförmigen
Kühlkanal
hervor, der zur Vergrößerung der
Fläche,
die zur Wärmeübertragung genutzt
werden kann, mit zahlreichen lokalen Erweiterungen versehen sein
kann. Diese Erweiterungen sind unter Ausbildung von Kanten und damit
unstetig an den Kühlkanal
angebunden. und vergleichsweise tief, so dass ein Kühlmittel
im Rahmen der Bewegung des Kolbens dazu neigt, im Bereich der Erweiterungen
zu verbleiben.
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Schließlich beschreibt die
DE 198 10 937 C1 einen
Kolben für
einen Verbrennungsmotor mit schräg
angeordneten Zylindern, der einen Kühlkanal mit Mulden und Rampen
aufweist, wobei gemäß der Schrägstellung
des Kolbens der Öleinlass
oben angeordnet sein soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Kolben mit einem Kühlkanal
zu schaffen, der derart gestaltet ist, dass die erreichbare Kühlwirkung
optimiert wird, wobei die Ausgestaltung des Kühlkanals möglichst einfach sein soll.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt
durch den Kolben gemäß Anspruch
1.
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Demzufolge weist der erfindungsgemäße Kolben
zumindest einen Kühlkanal
auf, der zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass besitzt.
Der erfindungsgemäße Kolben
zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlkanal bezüglich des Kolbenbodens ausgehend
von dem Einlass zumindest geringfügig und zumindest abschnittsweise
nach unten geneigt ausgebildet ist. Hierbei bleibt der Querschnitt
des Kühlkanals
bevorzugt über
seinen Verlauf weitgehend gleich, so dass der Kühlkanal des Kolbens gemäß der Erfindung
nicht mit dem bekannten Kühlkanal
vergleichbar ist, der sich diffusorartig erweitert. Die Begrenzung
des Kühlkanals
ist an nur einer Seite, bevorzugt an der Oberseite wellenförmig gestaltet,
so dass sieh lokale Querschnittserweiterungen ergeben. Hierdurch
kann der vorteilhafte Wärmeübergang
infolge einer wellenförmigen
Gestaltung und einer dadurch vergrößerten Wärmeübergangsfläche genutzt werden, ohne dass
der Kühlkanal
insgesamt über
seinen Verlauf vom Ein- zum Auslass erweiternd gestaltet ist. Vielmehr
ergeben sich lediglich lokale Erweiterungen, die jedoch nicht mit
einem Diffusor zu verwechseln sind. Der sichere Verbleib des Öles und
das sichere Nachströmen
von frischem, kühlem Öl können dadurch
gewährleistet werden,
dass die Achse des Kühlkanals,
die in der Mitte des Kühlkanals
parallel zu den verbleibenden, geraden Innenwänden des Kühlkanals verläuft, geneigt
ausgerichtet ist.
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Insbesondere sind in dem Kühlkanal
des erfindungsgemäßen Kolbens
lokale Erweiterungen des Querschnitts vorgesehen, da die Begrenzungen
des Kühlkanals
wellenförmig,
insbesondere mehrfach wellenförmig
ausgebildet sein können,
wie nachfolgend noch genauer erläutert
wird. Die beispielsweise im Bereich der ("von dem verbleibenden Material aus gesehen") ausgebildeten Wellentäler vorhandenen Erweiterungen
sind jedoch nicht mit einer Erweiterung in Form eines Diffusors
vergleichbar, da sie lediglich lokal vorgesehen sind, und auf eine
derartige Erweiterung eine lokale Verengung durch den nachfolgenden
Wellenberg ausgebildet ist.
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Dementsprechend kommt es gemäß der Erfindung
nicht auf die Begünstigung
der Strömung durch
Ausbildung einer sich von dem Ein- zu dem Auslass insgesamt erweiternden
Querschnittsgestaltung an. Vielmehr liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde,
dass durch die Art und Weise, wie der Kühlkanal eines Kolbens mit Öl befüllt wird,
und welche Kräfte
und Beschleunigungen hierauf wirken, nicht davon ausgegangen werden
kann, dass sich hier eine Strömung
ausbildet, für
welche die Kontinuitätsgleichung
angewendet werden kann. Dementsprechend wurde im Rahmen der Entwicklungsarbeit,
die zu dem erfindungsgemäßen Kolben
geführt hat,
festgestellt, dass mit einem sich diffusorartig erweiternden Kühlkanal
nicht immer ein zufriedenstellender Kühlmittelfluss und dementsprechend
eine gute Kühlwirkung
erreicht werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann
dies jedoch sichergestellt werden. Insbesondere erfolgt dies durch
die geneigte Gestaltung des Kühlkanals.
Hierunter wird erfindungsgemäß verstanden,
dass die Längsachse
des Kühlkanals
unter einem Winkel zur Kolbenachse von weniger als 90° von dem
Einlass zu dem Auslass verläuft.
Hierdurch können,
ohne die Notwendigkeit einer vergleichsweise aufwendigen, diffusorartigen
Gestaltung des Kühlkanals,
die folgenden Effekte erzielt werden. Im Rahmen des Bewegungszyklus
eines Motorkolbens kehrt der Kolben an dem oberen und dem unteren
Totpunkt seine Bewegungsrichtung um. An diesen Punkten wird das
in dem Kühlkanal
befindliche Öl
aufgrund seiner Trägheit
derart bezüglich
des Kolbens bewegt, dass es an dem oberen Totpunkt an die obere
Begrenzung oder die Decke des Kühlkanals
geschleudert wird, und an dem unteren Totpunkt gegen die untere
Begrenzung oder den Boden des Kühlkanals
gedrückt
wird. Hierbei besteht insbesondere an dem unteren Totpunkt die große Gefahr,
dass das in dem Kühlkanal
vorhandene Öl
an dessen Einlass ungewollt heraustritt und somit, ohne die zur
Kühlung
des Kolbens erforderliche Wärmemenge
aufgenommen zu haben, den Kühlkanal
verlässt.
Ferner kann das in der beschriebenen Weise bewegte Öl frisches,
kühles Öl, das an
dem Einlass in den Kühlkanal
gespritzt werden soll, am Eintritt hindern. Auch dieser Effekt verschlechtert
die Kühlwirkung.
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Demgegenüber sorgt die erfindungsgemäße, vom
Einlass zum Auslass zumindest abschnittsweise geneigte Gestaltung
des Kühlkanals
dafür, dass
das Öl
bei den beschriebenen Bewegungen zwar – im unteren Totpunkt – auf den
Boden des Kühlkanals
gedrückt
wird, jedoch weitgehend daran gehindert wird, am Einlass aus dem
Kühlkanal
herauszutreten. Vielmehr wird es aufgrund der geneigten Ausrichtung
des Kühlkanals
zuverlässig
zum Auslass strömen,
die zur Kühlung
des Kolbens erforderliche Wärmemenge
aufnehmen und den Eintritt von frischem Öl weniger umfangreich behindern.
Mit anderen Worten wird mit Zuhilfenahme der Trägheitskräfte das im Kühlkanal
vorhandene Öl
in Richtung des Auslasses gezwungen. Dies kann, wie erwähnt, durch
eine Maßnahme
erreicht werden, die zum einen wirksamer und zum anderen weniger
aufwendig ist als die Ausbildung eines Kühlkanals mit sich zum Auslass
erweiterndem Querschnitt. Der Kühlkanal
kann nämlich
gemäß der einfachsten
Ausführungsform
einen weitgehend gleichbleibenden Querschnitt aufweisen und muss
lediglich, in der Verwendungsstellung betrachtet, bezüglich des
Kolbenbodens, geringfügig
vom Ein- zum Auslass
geneigt ausgebildet werden.
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Durch die wellenförmigen Begrenzungen des Kühlkanals
wird allgemein erreicht, dass der Kühlkanal verlängert wird,
so dass das zugeführte Öl in erhöhtem Umfang
Wärme von
dem Kolben aufnehmen und diesen damit kühlen kann. Ferner wird in vorteilhafter
Weise diejenige Fläche
vergrößert, über welche
der Wärmeübergang
erfolgen kann. Hierdurch kann erfindungsgemäß ohne eine insgesamt vorgesehene
Querschnittserweiterung ein günstiger Wärmeübergang
und durch die in diesem Fall wellenförmig und hinsichtlich der Achse
des Kühlkanals
geneigte Gestaltung ein sicherer Verbleib des Öls im Kühlkanal gewährleistet werden. In diesem
Zusammenhang wird insbesondere die Offenbarung der
DE 199 30 630 A1 der Anmelderin
hinsichtlich der verschiedenen Ausgestaltungen eines wellenförmigen Kühlkanals
zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Bei der wellenförmigen Gestaltung der inneren
Begrenzungen des Kühlkanals
bietet es Vorteile, wenn unmittelbar am Einlass des Kühlkanals
insbesondere die obere und/oder die untere Begrenzung des Kühlkanals
einen Wellenberg aufweist. Mit anderen Worten verläuft beispielsweise
die untere Begrenzung des Kühlkanals
vom Einlass ausgehend zunächst
in Richtung eines Wellentales, was die Wirkung, die bereits durch
die insgesamt geneigte Ausrichtung des Kühlkanals erreicht wird, weiter
verstärkt.
Das Öl,
das im unteren Totpunkt gegen die untere Begrenzung des Kühlkanals
gedrückt
wird, strömt
nämlich
durch die Neigung und das zusätzlich vorhandene
Wellental von dem Einlass weg in Richtung des weiteren Verlaufs
des Kühlkanals.
Ebenso kann diese Wirkung für
die obere Begrenzung des Kühlkanals
erzielt werden, indem das Öl,
das im oberen Totpunkt gegen die Decke des Kühlkanals gedrückt wird,
zunächst
von dem im Einlass ausgebildeten Wellenberg (von der Seite des verbleibenden Materials
aus gesehen) in Richtung eines Wellentales strömt, somit von dem Einlass weggeführt wird,
in das Innere des Kühlkanals
strömt
und den Eintritt von frischem Öl
nicht behindert.
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Wenngleich grundsätzlich denkbar ist, dass der
Kühlkanal
in dem erfindungsgemäßen Kolben
lediglich abschnittsweise und auch über seinen Verlauf mit unterschiedlicher
Neigung geneigt sein kann, wird zur Ausbildung eines besonders einfach
gestalteten Kühlkanals
bevorzugt, dass dieser vom Ein- zum Auslass kontinuierlich und bevorzugt
mit der gleichen Neigung geneigt ist.
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Bei Versuchen hat sich ferner herausgestellt, dass
besonders günstige
Eigenschaften bei dem erfindungsgemäßen Kolben dann erreicht werden
können,
wenn der Kühlkanal
ringförmig
ausgebildet ist. Die Ringform ist in etwa konzentrisch zur Grundfläche des
Kolbens. Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile
infolge der Neigung des Kühlkanals
lassen sich jedoch auch für
beliebige sonstige Gestaltungen von Kühlkanälen mit zumindest teilweise
radial oder insgesamt sternförmig
verlaufenden Abschnitten von Kühlkanälen, die
auch mehrfach verzweigt sein können,
erhalten. Es ist jeweils dafür
Sorge zu tragen, dass der Kühlkanal
ausgehend von dem Einlass, an dem das Öl üblicherweise durch eine Düse eingespritzt
wird, in Richtung des Auslasses oder der Auslässe zumindest geringfügig geneigt
verläuft.
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Besonders bevorzugt wird derzeit
eine Ausführungsform
eines Kolbens, der einen insgesamt ringförmigen Kühlkanal aufweist, der jedoch
in zwei halbkreisförmige
Hälften
unterteilt ist. Hierbei befinden sich die Einlässe der beiden Hälften unmittelbar benachbart
zueinander und sind beispielsweise durch eine Rippe voneinander
getrennt. Hierdurch kann durch eine geneigt ausgerichtete Ölspritzdüse in dem
einen Bereich der Kolbenbewegung das Öl in die eine Hälfte und
in dem anderen Bereich in die andere Hälfte eingespritzt werden. Eine
derartige Gestaltung eines Kühlkanals
kann aus einem einzigen Gießkern
hergestellt werden. Am Ölauslass
ist eine größere, gemeinsame Öffnung für die beiden
Hälften des
Kühlkanals
vorgesehen.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung, die beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt sind,
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Kolbens;
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2 schematisch
einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Kolbens; und
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3 schematisch
einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens.
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Ausführliche
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist
schematisch ein Querschnitt durch einen Kolben 10 mit der
Kolbenachse 12 angedeutet. In der Umgebung des Kolbenbodens,
also des oberen Bereichs des Kolbens, der den Verbrennungsraum abgrenzt,
und der einer besonderen Wärmebelastung
ausgesetzt ist, ist ein Kühlkanal 14 ausgebildet,
der zumindest einen Einlass 16 und zumindest einen Auslass 18 aufweist. Über den
Einlass 16 wird mittels einer Ölspritzdüse Kühlmittel, beispielsweise Öl, in den
Kühlkanal 14 eingespritzt.
Damit eine sichere Strömung
des Kühlmittels
von dem Einlass 16 in Richtung des Auslasses 18 sichergestellt wird,
ist der Kühlkanal 14 in
dem erfindungsgemäßen Kolben 10 insgesamt
von dem Einlass 16 zu dem Auslass 18 geneigt ausgebildet.
Mit anderen Worten bildet die Achse des Kühlkanals mit der Kolbenachse 12 einen
Winkel von weniger als 90°.
Unter der Annahme, dass der Kühlkanal 14 ringförmig verläuft, gilt diese
Angabe für
die seitliche Draufsicht des Kühlkanals 14,
wie in 1 angedeutet.
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Die geneigte Ausrichtung des Kühlkanals 14 hat
die Wirkung, dass insbesondere im unteren Totpunkt des Kolbens das
an den Boden 20 des Kühlkanals 14 gedrückte Öl aufgrund
der geneigten Ausbildung in Richtung des Auslasses 18 geführt wird,
und die Gefahr deutlich verringert wird, dass dieses ungewollt über den
Einlass 16 austritt oder hier den Eintritt frischen Öls verhindert.
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Diese Wirkung kann auch für die in 2 gezeigte Ausführungsform
eines Kolbens erhalten werden, wobei hier der Wärmeübergang von dem Kolben zu dem
in dem Kühlkanal 14 strömenden Öl durch eine
insgesamt mehrfach wellenförmige
Ausbildung des Kühlkanals 14 verstärkt wird.
Auch in diesem Fall ist jedoch die Mittelachse 22 des Kühlkanals 14 gegenüber der
Kolbenachse 12 von dem Einlass 16 ausgehend, der
gemäß 2 im Gegensatz zur 1 rechts vorhanden ist,
zu dem Auslass 18 geneigt. Hierdurch kann in vorteilhafter
Weise bei dieser Ausführungsform
der infolge der wellenförmigen Ausgestaltung
des Kühlkanals 14 verbesserte
Wärmeübergang
mit der Verbesserung der Kühlwirkung durch
die Unterstützung
der Strömung
von dem Einlass 16 zu dem Auslass 18 kombiniert
werden.
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Insbesondere ist bei der gezeigten
Ausführungsform
vorgesehen, dass sich in der unteren Begrenzung des Kühlkanals 14 an
dem Einlass 16 zunächst
ein Wellenberg 24 befindet, so dass der Kühlkanal
an dieser Stelle zusätzlich
zu der insgesamt geneigten Ausbildung von dem Einlass 16 ausgehend "abfällt", so dass der beschriebene
Effekt hinsichtlich einer Wegführung
des Öls
von dem Einlass 16 noch verstärkt werden kann. Dies gilt
bei der gezeigten Ausführungsform
auch für
die obere Begrenzung des Kühlkanals 14,
da auch hier an dem Einlass 16 ausgehend von einem (im
Hinblick auf das verbleibende Material gesehen) Wellenberg ein Wellental 26 ausgebildet
ist, in welches das Öl
bei der Bewegungsumkehr des Kolbens im oberen Totpunkt strömt. Hierdurch
kann es zumindest über
eine gewisse Strecke von dem Einlass weggeführt werden, wodurch verhindert
wird, dass dies an dem Einlass austritt, was die Kühlwirkung
verschlechtern würde, und
wodurch darüber
hinaus der Eintritt frischen Öls möglichst
wenig behindert wird.
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Ergänzend sei für die in 2 gezeigte Ausführungsform darauf hingewiesen,
dass der insgesamt zwischen der wellenförmigen Unterseite und der wellenförmigen Oberseite
des Kühlkanals 14 vorgesehene
Querschnitt desselben über
den Verlauf weitgehend gleich bleibt, so dass mit anderen Worten keine
Diffusorwirkung genutzt wird. Vielmehr wird durch die wellenförmige Gestaltung
lediglich der Wärmeübergang
insgesamt verbessert, und durch die insgesamt geneigte Ausrichtung
des Kühlkanals 14,
zu erkennen an der Neigung von dessen Achse 22, wird das Öl zuverlässig von
dem Einlass 16 weg geleitet. Insbesondere hat sich herausgestellt,
dass durch die gezeigten und die erfindungsgemäßen Maßnahmen im Gegensatz zu den
im Stand der Technik bekannten Kolben keine Abreißkanten
oder Querschnittssprünge
erforderlich sind, um den Wärmeübergang
zu verbessern. Dies kann vielmehr durch die vergleichsweise einfachen
Maßnahmen gemäß der Erfindung
erreicht werden.
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Auch bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
von 3, bei welcher der
Einlass 16 wiederum auf der linken Seite vorgesehen ist,
während sich
der Auslass 18 auf der rechten Seite befindet, kann dies
gewährleistet
werden, ohne dass eine Diffusorwirkung genutzt werden müsste. Bei
der Ausführungsform
von 3 ist der Boden 20 des
Kühlkanals 14 weitgehend
gerade ausgebildet, während die
Oberseite des Kühlkanals 14 mehrfach
wellenförmig
gestaltet ist. Hierdurch kann insbesondere in dem oberen Bereich,
der dem Kolbenboden zugewandt ist und deshalb einer besonderen Wärmebelastung
ausgesetzt ist, ein verbesserter Wärmeübergang und eine besonders
gute Kühlwirkung
erreicht werden. Durch die wellenförmige Gestaltung der oberen
Begrenzung des Kühlkanals 14 ergeben
sich im Bereich der (von dem verbleibenden Material aus gesehen)
Wellentäler
lokale Erweiterungen, die jedoch mit einer insgesamt diffusorförmigen Gestaltung
des Kühlkanals
nicht zu verwechseln sind. An den Wellenbergen dazwischen liegen
nämlich
Querschnittsverengungen vor. Erfindungsgemäß kommt es darauf an, dass
die Achse 22 des Kühlkanals 14, die
bei dieser Ausführungsform
parallel zu dem Boden 20 des Kühlkanals 14 verläuft, von
dem Einlass 16 zu dem Auslass 18 geneigt ist,
was die Strömung des Öls in Richtung
des Auslasses begünstigt
und eine vorteilhafte Strömung
des Kühlmittels
gewährleistet.
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Bei der gezeigten Ausführungsform
ist an der Oberseite im Einlassbereich, ausgehend von einem Wellenberg
zunächst
ein Wellental 26 ausgebildet, welches eine Strömung des Öls derart,
dass es sich von dem Einlass 16 weg bewegt und hier den
Eintritt frischen Öls
nicht behindert, begünstigt.
Im Hinblick auf die Ausführungsform
von 3 versteht sich, dass
anstelle der Oberseite auch der Boden 20 des Kühlkanals 14 wellenförmig gestaltet
sein könnte, wobei
auch in diesem Fall zu bevorzugen wäre, an dem Einlass einen Wellenberg
vorzusehen, um insbesondere im unteren Totpunkt eine günstige Ableitung
des Öles
von dem Einlass 16 zu erreichen.
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Ferner ist es selbstverständlich ebenso denkbar,
sowohl die untere als auch die obere Begrenzung des Kühlkanals
wellenförmig
auszubilden, jedoch diese nicht derart zueinander zu versetzen, dass,
wie in 2 dargestellt,
einem Wellental auf der einen Seite ein Wellenberg auf der anderen
Seite gegenüberliegt.
Auch wenn sich jeweils Wellentäler und
Wellenberge gegenüberliegen,
ergeben sich lediglich lokale Erweiterungen und Verengungen, die mit
der erfindungsgemäßen geneigten
Gestaltung des Kühlkanals 14 insgesamt
derart kombiniert werden können,
dass die erfindungsgemäßen Wirkungen
erhalten werden können.
Im Übrigen
versteht sich, dass bei dem erfindungsgemäßen Kolben der Kühlkanal
auch derart vorgesehen sein könnte,
dass die Seitenwände
wellenförmig
gestaltet sind, um hier den Wärmeübergang
zu verbessern. Dies gilt insbesondere für jede beliebige Querschnittsform
des Kühlkanals,
die weitgehend kreisförmig
oder auch oval sein kann. Bei einer ovalen Gestaltung könnte der
Kühlkanal
ferner ein wenig nach außen
geneigt sein.