DE10158607A1 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Flüssigkeitsgekühlter Kolben (1) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem im Kolbenkopf (2) ringförmig umlaufenden oder aus mehreren Segmenten bestehenden Kühlkanal (3), der an seinem zum Kolbenschaft (4) hin offenen Ende durch ein am Kolben (1) befestigtes mindestens einmal radial geteiltes Blechteil (8) verschlossen ist, wobei sich das Blechteil (8) auf seinem Umfang verteilt an mehreren etwa radial angeordneten Bereichen in Richtung der Kolbenachse (6) in den Kühlkanal (3) hinein erstreckt und dass das kolbenkopfseitige Ende (5) des Kühlkanals (3) zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenachse (6) wellenförmig verläuft und dass das Blechteil (8) dem wellenförmigen Verlauf des Kühlkanals (3) folgt, so dass der Kühlkanal (3) einen nahezu konstanten Querschnitt aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem im Kolbenkopf ringförmig umlaufenden oder aus mehreren Segmenten bestehenden Kühlkanal, der an seinem zum Kolbenschaft hin offenen Ende durch ein am Kolben befestigtes mindestens einmal radial geteiltes Blechteil verschlossen ist, wobei sich das Blechteil auf seinem Umfang verteilt an mehreren etwa radial angeordneten Bereichen, in Richtung der Kolbenachse in den Kühlkanal hinein erstreckt.
• Aus den stetig steigenden Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen ergeben sich zwangsläufig steigende Anforderungen an die Komponenten in den Motoren. Dabei sollen aus kontinuierlich abnehmenden Gewichten der Motorkomponenten immer größere Leistungen gewonnen werden. Höhere Leistungen führen zu höheren Belastungen, dass heißt zu größeren Spannungen, Kräften und thermischen Belastungen, die auf die Motorkomponenten wirken. Insbesondere im Verbrennungsraum werden die Motorkomponenten über größere Drücke und höhere Temperaturen bis an die Grenzen der Belastbarkeit der Werkstoffe geführt.
• Eine entscheidende Rolle bei den Motorkomponenten spielt dabei der Kolben. Der Kolben soll bei höchster Beständigkeit gegen wechselnde thermische und mechanische Belastungen ein möglichst geringes spezifisches Gewicht besitzen. Hierbei sind die lokalen Belastungen am Kolben sehr unterschiedlich. Während der Kolbenboden einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist spielen im Bereich des Kolbenschaftes eher mechanische Belastungen eine Rolle.
• Um die thermischen Belastungen auf den Kolben zu minimieren kommen sogenannte Kühlkanalkolben zum Einsatz. Diese Kolben besitzen im Kolbenkopf einen oder mehrere meist ringförmig angeordnete Hohlräume durch die eine Kühlflüssigkeit strömt. In den meisten Fällen, wie beispielsweise beim Ottomotor, wird als Kühlflüssigkeit das Motoröl verwendet.
• Bei der Kühlung des Kolbenkopfes spielt u. a. die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit und die wirksame Oberfläche im Kühlkanal bezogen auf den Wärmeübergang eine entscheidende Rolle.
• Ein diesem Stand der Technik entsprechender Kolben ist in der DE 199 26 567 A1 offenbart. Es handelt sich um einen gekühlten Kolben mit einem im Kolbenkopf ringförmig umlaufenden Kühlkanal, der an seinem zum Kolbenschaft hin offenen Ende durch ein entsprechend geformtes Wandteil verschlossen ist. Die Zuführung des Kühlmittels erfolgt dabei über ein schräg zum Kühlölstrahl ausgerichtetes Teilstück des Wandteils.
• Die für den Wärmeübergang wirksame Oberfläche wird hierbei dadurch vergrößert, dass der Kühlkanal bis an die axial oberste Ringnut reicht.
• Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels wird hierbei lediglich über die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Kühlmittels bestimmt, die aber wiederum durch die Zuführung über das schräge Teilstück im Wandteil stark verringert wird. Eine gezielte Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit und somit auch des Wärmeübergangs kann bei dieser Kolbenbauart nicht erfolgen.
• Das Problem der Verweildauer des Kühlmediums im Kühlkanal wird in der DE 199 26 568 A1 aufgegriffen. Die Druckschrift offenbart einen gattungsgemäßen Kolben, wobei der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, die Verweildauer des Kühlöls im Kühlkanal zu verlängern und den Shakereffekt des Kühlöls zu verstärken, um eine bessere Wärmeabfuhr der zu kühlenden Kolbenbereiche zu erreichen.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Wandteil auf seinem Umfang verteilt mit mehreren etwa radial angeordneten, sich axial in den Kühlkanal hinein erstreckenden Querwänden versehen ist. Durch diese Art der Ausbildung des Wandteils werden Kammern gebildet in denen aufgrund der Hubbewegung des Kolbens das Kühlmittel mehrfach auf und ab bewegt und somit mehrfach mit den zu kühlenden Kolbenbereichen in Verbindung gebracht wird. In einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen zur Vergrößerung dieser Kammern zwischen den Querwänden Vertiefungen vorzusehen.
• Nachteilig bei dieser Art der Ausgestaltung des Wandteils ist, dass die erforderliche kontinuierliche Strömung im Kühlkanal durch die Querwände gehemmt wird. Es kann weiterhin nicht gewährleistet werden, dass auch das gesamte Kühlmittel von Kammer zu Kammer gefördert wird. Ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und den zu kühlenden Kolbenwandbereichen kann vielleicht gewährleistet werden, aber ein kontinuierlicher Transport des Kühlmittels durch den Kühlkanal nicht. Ein weiterer Nachteil der Ausgestaltung des Wandteils ist, dass es zu Ablagerungen zwischen den Querwänden kommen kann.
• Ein Kolben der seine oszillierende Bewegung zur Förderung des Kühlmittels im Kühlkanal optimal ausnutzt wird in der DE 199 30 630 C1 beschrieben. Bei diesem Kolben verläuft der Kühlkanal ringförmig und ist in Richtung der Kolbenachse zumindest abschnittsweise wellenförmig ausgebildet.
• Der Kühlkanal erhält dabei einen weitgehend gleichmäßigen Querschnitt, so dass er von dem Bereich hinter den Kolbenringen jeweils abschnittsweise näher an den Bolzennabenbereich heranreicht, als dies bei den bekannten Kolben der Fall ist, was wiederum die Kühlwirkung positiv beeinflusst. Das der Kühlkanal in Richtung des Kolbenschaftes offen ausgeführt sein kann ist der Druckschrift nicht zu entnehmen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die beschriebenen Nachteile zu überwinden und einen gattungsgemäßen Kolben zu entwickeln, der die oszillierenden Bewegungen des Kolbens zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal ausnutzt und der gleichzeitig eine maximale Kühlfläche für das Kühlmittel bereitstellt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.
• Der erfindungsgemäße Gedanke löst die gestellte Aufgabe, bezogen auf den gattungsgemäßen Kolben, in der Art, dass das kolbenkopfseitige Ende des Kühlkanals zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenachse wellenförmig verläuft und dass das Bleichteil dem wellenförmigen Verlauf des Kühlkanals folgt, so dass der Kühlkanal einen nahezu konstanten Querschnitt aufweist.
• Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens unterstützt die oszillierende Bewegung nun den Transport des Kühlmittels durch den Kühlkanal und es kann sogar, je nach Steigung und Anzahl der Wellen, Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit genommen werden. Dem Kühlmittel steht gleichzeitig eine größere Kühlfläche zur Verfügung, so dass die Kühlleistung insgesamt erhöht wird.
• Der erfindungsgemäße Kolben ist in Richtung des Kolbenschaftes mit einem geöffneten Kühlkanal ausgestattet und kann als Stahl-, Pendelschaft- oder als gebauter Kolben ausgeführt sein, wobei der Pendelschaft- und der gebaute Kolben aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein können. So ist es beispielsweise vorstellbar, dass bei einem gebauten Kolben der Kolbenkopf aus Stahl und der Kolbenschaft aus Aluminium besteht.
• Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Kolbens ist es, dass der Kühlkanal in Richtung des Kolbenschaftes geöffnet ausgeführt ist, so dass der Kolben in einer speziellen Ausführungsform gießtechnisch ohne die sogenannten Salzkerne hergestellt werden kann. Der hierbei hergestellte Kühlkanal zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass er in Richtung der Kolbenachse wellenförmig verläuft. Die Wellenform ist vornehmlich in Richtung der Kolbenachse orientiert kann aber auch radial ausgerichtet sein, so ist es vorstellbar, dass eine Welle axial in Richtung der Kolbenachse verläuft und die folgende Welle radial in Richtung der Kolbenringnuten ausgerichtet ist.
• Damit ein kontinuierlicher Zufluss der Kühlflüssigkeit in den Kolben gewährleistet ist wird in einer Ausführung der Erfindung vorgeschlagen eine kolbenkopfseitige Welle so auszubilden, dass sie bis an das untere Ende des Kolbenkopfes reicht. Diese Welle bildet dann in Verbindung mit dem Blechteil die Zulauföffnung für das Kühlmittel. Eine weitere kolbenkopfseitige Welle ist ebenfalls bis an das untere Ende des Kolbenkopfes heran ausgebildet, diese bildet dann mit dem Blechteil die Ablauföffnung für das Kühlmittel. Je nach Ausführung und Größe des Kolbens können auch mehrere Kühlkanäle im Kolben vorgesehen sein, der Anzahl der Kühlkanäle entsprechend sind dann natürlich auch entsprechend viele Zu- und Ablauföffnungen am Kolben auszubilden.
• Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Abstand zwischen Wellenberg, als oberer axialer Scheitelpunkt der Welle, und Wellental, als unterer axialer Scheitelpunkt der Welle, als das 1,5-fache des Durchmessers des Kühlkanals auszubilden. Hierbei ist unter Durchmesser der Abstand zwischen Blechteil und kolbenkopfseitigem Ende des Kühlkanals in Richtung der Kolbenachse zu verstehen. Die Wellen verlaufen vornehmlich axial in Richtung der Kolbenachse können aber auch, je nach Ausgestaltung des Kolbens, radial ausgerichtet sein. Die radiale Ausrichtung der Wellen des Kühlkanals kann in Bereichen oder umlaufend ausgeführt sein.
• Es hat sich gezeigt, dass es bei LKW-Kolben aus Stahl mit herkömmlichen Kühlkanälen in Teilbereichen zu einer Überhitzung kommen kann, so dass das Schmiermittel, hier vornehmlich Öl, in den Ringnuten verkokt oder dass der Werkstoff des Kolbens aufgeschmolzen wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens können nun gezielt einzelne Bereiche des Kolbens, wie beispielsweise die Ringnuten, gekühlt werden. Dabei wird der Kühlkanal so ausgebildet, dass er bis auf 0,5 mm an die Ringnut herangeführt wird.
• In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kolbens wird vorgeschlagen, dass das Wellenprofil durchlaufend im Kolbenkopf angeordnet ist. Hierbei erfolgt der Zufluss des Kühlmittels über ein schräg in Richtung des Kolbenkopfes abgebogenes Teilstück des Blechteils. Der Abfluss des Kühlmittels erfolgt dann über eine Öffnung im Blechteil, die in unmittelbarer Nähe hinter dem schrägen Teilstück angeordnet ist, so dass das Kühlmittel einen möglichst großen Bereich im Kolbenkopf durchströmt.
• Ein erfindungsgemäßer Kolben wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt und im weiteren näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführung eines flüssigkeitsgekühlten Kolbens in der Seitenansicht.
• In Fig. 1 ist die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 dargestellt. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolbenkopf 2 mit einem Kühlkanal 3 und einem Kolbenschaft 4. Das kolbenkopfseitige Ende 5 des Kühlkanals 3 verläuft dabei wellenförmig in Richtung der Kolbenachse 6. Der Kühlkanal 3 ist an seinem kolbenschaftseitigen Ende 7 mit einem Blechteil 8 verschlossen, wobei das Blechteil 8 dem wellenförmigen Verlauf des Kühlkanals 3 folgt.
• Im Kolbenkopf 2 ist eine Welle als Ablenkrippe 9 ausgebildet. Die Welle reicht dabei bis an das untere Ende Kolbenkopfes 2 und bildet mit dem Blechteil 8 eine Öffnung 10, die der Aufnahme des Kühlmittels dient.

Claims (8)

1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben (1) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem im Kolbenkopf (2) ringförmig umlaufenden oder aus mehreren Segmenten bestehenden Kühlkanal (3), der an seinem zum Kolbenschaft (4) hin offenen Ende durch ein am Kolben (1) befestigtes mindestens einmal radial geteiltes Blechteil (8) verschlossen ist, wobei sich das Blechteil (8) auf seinem Umfang verteilt an mehreren etwa radial angeordneten Bereichen, in Richtung der Kolbenachse (6) in den Kühlkanal (3) hinein erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das kolbenkopfseitige Ende (8) des Kühlkanals (3) zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenachse (6) wellenförmig verläuft und dass das Bleichteil (8) dem wellenförmigen Verlauf des Kühlkanals (3) folgt, so dass der Kühlkanal (3) einen nahezu konstanten Querschnitt aufweist.

2. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine kolbenkopfseitige Welle so ausgebildet ist, dass sie bis an das untere Ende des Kolbenkopfes (5) reicht, so dass eine Ablenkrippe (9) gebildet ist, die zusammen mit dem Blechteil (8) eine Öffnung (10) bildet, die der Kühlflüssigkeit als Zuflussöffnung dient.

3. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere kolbenkopfseitige Welle so ausgebildet ist, dass sie bis an das untere Ende des Kolbenkopfes (7) reicht, so dass eine Ablenkrippe (9) gebildet ist, die zusammen mit dem Blechteil (8) eine Öffnung (16) bildet, die der Kühlflüssigkeit als Ablauföffnung dient.

4. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus Stahl, insbesondere durch ein Schmiede- oder ein Gießverfahren, hergestellt ist.

5. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von Wellental zu Wellenberg mehr als das 1,5-fache der Abmessungen des Kühlkanals (3) in Richtung der Kolbenachse (6) beträgt.

6. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke zwischen Kühlkanal (3) und Ringnut auf 0,5 bis 10,0 mm, bevorzugter auf 0,5 bis 5,0 mm, noch bevorzugter auf 0,5 bis 2,0 mm verringert ist.

7. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (8) eine Öffnung besitzt, die als Ablauf für das Kühlmittel dient und dass das Blechteil an seiner Teilung zur Aufnahme des Kühlmittels einseitig und schräg in Richtung des Kolbenkopfes (2) abgebogen ist.

8. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnung unmittelbar hinter der Aufnahmeschräge des Blechteils (8) angeordnet ist.