DE102004029926B4

DE102004029926B4 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004029926B4
Application number: DE200410029926
Authority: DE
Inventors: Kurt Reinl; Karl-Heinz Obermeier
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: DE102004029926A1

Abstract

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlraum (18), der durch einen Boden (20) begrenzt ist, der zumindest einen Öleinlass (24) und zumindest eine Erhebung (22) aufweist, wobei der Öleinlass (24) von einem Kragen (26) umgeben ist, und der Boden (20) ferner zumindest einen Ölablauf (30) aufweist, der sich oberhalb des niedrigsten Bereichs des Bodens (20) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kragen des Öleinlasses (24) zumindest bis auf das Niveau der Erhebung (22) erstreckt, und dass um den Ölablauf (30) ein relativ zu der Richtung der Erstreckung des Kragens (26) des Öleinlasses (24) geneigter Kragen (32) vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind während des Betriebs äußerst hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, so dass in bestimmten Fällen durch geeignete Maßnahmen eine Kühlung zu gewährleisten ist mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentenspruchs 1.
Eine bekannte Maßnahme besteht darin, in dem Kolben einen im Bereich des Kolbenbodens beispielsweise ringförmig umlaufenden Kühlkanal vorzusehen, in den mittels zumindest einer Einlassöffnung Kühlmittel, beispielsweise Öl, eingespritzt werden kann. Die Versorgung mit Kühlöl erfolgt hierbei üblicherweise während des Abwärtshubes, während sich der Kolben auf eine Ölspritzdüse zu bewegt. Das Abführen des Öls findet üblicherweise dadurch statt, dass das Öl während der Aufwärtsbewegung des Kolbens durch Trägheitskräfte an die Unterseite des Kühlkanals gedrückt und aus dem Kühlkanal herausgepresst wird.
Eine besondere Situation entsteht bei modernen Kolben, die eine vergleichsweise geringe Kompressionshöhe und damit eine kurze Bauhöhe aufweisen. In diesem Fall reicht der Bauraum für einen Kühlkanal in vielen Fällen nicht aus.

Stand der Technik

AT 001 919 U1 offenbart in Kombination die technischen Merkmale des Oberbegriffs des untenstehenden Anspruchs 1.

In der DE 19 30 302 A ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Kühlen eines Brennkraftmaschinenkolbens offenbart. Ein in Form einer Senke ausgebildeter Kühlraum des Kolbens weist eine Ölfangdüse und ein Ablaufrohr auf, die ein Stück in den Kühlraum hineinragen.

Aus der DE 199 60 913 A1 ist ein Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt, in dem ein Kühlraum an seiner Unterseite durch eine gesondert eingebrachte Abdeckung begrenzt ist. Ein rohrartiger Zulauf wird in die untere Abdeckung eingeclipst oder durch eine Rastverbindung befestigt.

Ein ähnlicher Kolben ist aus der US 43 77 967 bekannt. In diesem Fall wird insbesondere dafür Sorge getragen, dass das Öl auch während des Aufwärtshubes bis zu einem bestimmten Niveau in dem Kühlraum verbleibt.

Die JP 56-124650 A offenbart einen Kolben mit einem ringförmigen Kühlkanal, bei dem der Zulauf und der Ablauf derart gestaltet sind, dass stets Kühlflüssigkeit in dem Kühlkanal verbleiben kann. Bei einer Ausführungsform ist hierzu eine ringförmig umlaufende Rippe vorgesehen, die sich oberhalb des untersten Niveaus des Kühlkanals erstreckt.

Schließlich geht aus der DE 37 35 590 C1 ein Kolben hervor, dessen Kühlkanal herstellungsbedingte Bohrungen aufweist, die durch Hülsen verschlossen werden. Hierbei kann es sich um geschlitzte Leichtspannhülsen handeln, die dafür vorgesehen werden können, den Kühlmittel-Füllstand zu begrenzen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor im Hinblick auf dessen Kühlung zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge weist der erfindungsgemäße Kolben für einen Verbrennungsmotor einen Kühlraum auf, der durch einen Boden begrenzt ist. Der Kühlraum kann grundsätzlich ringförmig umlaufend sein. Der Kühlraum kann jedoch in besonders günstiger Weise auch bei modernen Kolben mit vergleichsweise geringer Bauhöhe eingesetzt werden, indem er, wie nachfolgend genauer erläutert, in dem Bereich unterhalb der Kolbenkrone und zwischen den Kolbenbolzenaugen vorgesehen wird, und durch die nachfolgend erläuterten Maßnahmen ein Transport und ein ausreichend langer Verbleib des Kühlöles in diesem Kühlraum gewährleistet wird.

Der Kühlraum ist durch einen Boden begrenzt, der zumindest einen Öleinlass und zumindest eine Erhebung aufweist. Die Erhebung sorgt zum einen für einen vorteilhaften Öltransport in Bereiche, in denen kein Öleinlass vorgesehen ist. Beispielsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben auf einer Seite der Erhebung der Öleinlass vorgesehen sein, und durch die nachfolgend genauer beschriebenen Maßnahmen kann die notwendige Förderung des Kühlöles auch über die Erhebung hinweg in die gegenüberliegenden Bereiche erfolgen. Die Erhebung macht den Kühlraum darüber hinaus in günstiger Weise auch bei Kolben mit vergleichsweise geringer Bauhöhe einsetzbar. wie erwähnt, kann in diesen Fällen der Kühlraum durch den Bereich unterhalb der Kolbenkrone zwischen den Kolbenbolzenaugen gebildet werden. Dieser Bereich kann dahingehend beschrieben werden, dass er weitgehend die Form der Zahl 8 oder die Form einer Hantel aufweist. Die Verengung im mittleren Bereich ist durch die an den Seiten angeordneten Kolbenbolzenaugen bedingt. Im Übrigen kann in dieser Form eines Kühlraum-Bodens, unabhängig von den vorangehend und nachfolgend geschilderten Merkmalen, bevorzugt jedoch damit kombiniert, eine Neuerung gesehen werden. Im montierten Zustand erstrecken sich durch und zwischen den Kolbenbolzenaugen der Kolbenbolzen und das kleine Pleuelauge. Der Boden des Kühlraums überbrückt gewissermaßen in dem erfindungsgemäßen Kolben den Kolbenbolzen sowie das kleine Pleuelauge. Hierdurch wird ein vergleichsweise großer verfügbarer Raum als Kühlraum genützt, und der erfindungsgemäße Kolben kann in vorteilhafter Weise gekühlt werden.

Dies wird insbesondere dadurch gewährleistet, dass der Öleinlass von einem Kragen umgeben ist, der sich zumindest bis auf das Niveau der Erhebung erstreckt. Hierdurch wird bei dem erfindungsgemäßen Kolben stets ein gewisser Ölstand aufrechterhalten, der insbesondere dafür ausreicht, für eine Förderung des Öles über die Erhebung hinweg zu sorgen. Das Öl kann nämlich lediglich bis auf das Niveau des Kragens, der im Bereich des Öleinlasses, bevorzugt diesen unmittelbar umgebend, ausgebildet ist, abfließen. Folglich reicht der Ölstand stets bis zu dem Niveau der Erhebung oder, bei einem entsprechend höher ausgebildeten Kragen, sogar darüber hinaus. Durch die Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens während des Betriebs entsteht eine Bewegung des Öles, die als "Cocktail-Shaker-Strömung" bezeichnet werden kann und unter anderem dafür sorgt, dass das Öl auch über die Erhebung hinweg und in diejenigen Bereiche gelangt, in denen kein Öleinlass vorgesehen ist. Hierdurch kann mit vergleichsweise einfachen Maßnahmen eine Kühlung von Kolben gewährleistet werden, auch wenn diese eine vergleichsweise geringe Bauhöhe aufweisen.

Ergänzend zu den vorangehend beschriebenen Maßnahmen, die insbesondere auf derjenigen Seite der Erhebung, auf welcher der Öleinlass vorgesehen ist, für einen bestimmten Füllstand sorgen, kann dies auch in anderen Bereichen sichergestellt werden. Hierzu weist der Boden des Kühlraumes zumindest einen Ölablauf auf, der sich oberhalb des niedrigsten Bereichs des Bodens befindet. Soweit dies nicht bereits aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, sei erwähnt, dass die Oberseite des Kolbens durch diejenige Seite gebildet wird, die den Brennraum begrenzt. In diesem Sinne erstreckt sich die Erhebung des Kühlraum-Bodens, beispielsweise zwischen den Kolbenbolzennaben "nach oben". Dementsprechend gibt es niedrigere Bereiche, und der Ölablauf ist oberhalb derartiger, niedrigerer Bereiche, beispielsweise im Bereich oder an der Erhebung, vorgesehen. Hierdurch kann unterhalb des Ölablaufes bis in die niedrigeren Bereiche ein gewisser Kühlöl-Füllstand sichergestellt werden. Aufgrund der beschriebenen angestrebten Förderung des Öles von der Seite, die den Öleinlass aufweist, in andere Bereiche, insbesondere auf der anderen Seite der Erhebung, ist der Ölablauf ferner bevorzugt im Bereich dieser, also dem Öleinlass gegenüberliegenden Bereiche vorgesehen.

Auch um den Ölablauf ist ein Kragen vorgesehen, der beispielsweise verhindert, dass das über die Erhebung geförderte und dementsprechend in den Bereich des Ölablaufs strömende Öl sofort den Kühlraum verlässt. Durch den Kragen kann das Öl zumindest nicht vollständig in den Ablauf einströmen, so dass die weitere Kühlwirkung des in dem Kühlraum befindlichen Öles genutzt werden kann. Die Oberkante des um den Ölablauf vorgesehenen Kragens ist geneigt ausgebildet. Beispielsweise ist die Oberkante des um den Ölablauf vorgesehenen Kragens in einer Richtung geneigt, in der auch die an der Stelle des Ölablaufes vorgesehene Flanke der Erhebung geneigt ist.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Wenngleich es bei bestimmten Anwendungsfällen denkbar ist, dass mehrere Erhebungen vorgesehen sind und/oder der Boden des Kühlraumes mit Wellen versehen ist, wird bevorzugt, dass dieser eine einzige Erhebung aufweist, die bevorzugt im Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen vorgesehen ist. Hierdurch wird in günstiger Weise die Realisierung eines Kühlraumes bei Kolben mit besonders geringer Bauhöhe ermöglicht.

Es kann günstig sein, eine Möglichkeit vorzusehen, bei Stillstand des Motors eine vollständige Entleerung des Kühlraumes zu ermöglichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Boden ferner zumindest eine vergleichsweise kleine Ablauföffnung im Bereich des Einlasses und/oder des niedrigsten Bereichs des Bodens aufweist. Unter vergleichsweise "klein" ist zu versehen, dass diese Ablauföffnung verglichen mit dem "normalen" Ablauf und üblicherweise auch verglichen mit dem Öleinlass einen geringen Durchgangsquerschnitt hat. Dies hat zur Wirkung, dass während des Betriebs Kühlöl nur in vergleichsweise geringer Menge durch diese Ablauföffnung herausströmt. Das Kühlöl kann jedoch beim Stillstand des Motors den Kühlraum durch die zumindest eine Ablauföffnung vollständig verlassen.

Derzeit wird ferner bevorzugt, dass der Boden des Kühlraumes des erfindungsgemäßen Kolbens durch ein separates Teil gebildet wird. Bei diesem Teil kann es sich beispielsweise um ein gesondert eingesetztes Blech handeln. Durch ein derartiges Bauteil wird der bei Kolben vorhandene 8- oder hantelförmige Raum unterhalb der Kolbenkrone und zwischen den Kolbenbolzenaugen zu einem Kühlraum. Ein derartiges separates Teil kann auch als Ölauffangblech oder Shakerblech bezeichnet werden und sorgt im Wesentlichen für einen längeren Verbleib des Kühlöles im Bereich unterhalb der Kolbenkrone, um die Kühlwirkung des Öles besser zu nutzen. Dies wird erfindungsgemäß darüber hinaus durch die Sicherstellung eines bestimmten Füllstandes durch den Kragen um den Öleinlass gewährleistet.

Für ein derartiges separates, den Boden des Kühlraumes bildendes Teil wird derzeit bevorzugt, dass dieses eingeschnappt wird. Beispielsweise können hierfür in den Wandungen unterhalb der Kolbenkrone geeignete Schlitze oder Rillen vorgesehen sein.

In bestimmten Anwendungsfällen können ferner Vorteile erhalten werden, wenn das den Boden bildende getrennte Teil durch Schweißen, vorzugsweise durch Punktschweißen unter Verwendung von Laschen befestigt wird.

Bevorzugt wird derzeit auch eine Ausführungsform, bei der das separate Teil durch Löten befestigt wird.

Für eine günstige Abdichtung an den Kontaktstellen zwischen dem separaten Teil, das den Boden des Kühlraumes bildet, und dem Kolbenwerkstoff selbst, wird derzeit eine bevorzugt aufgespritzte Flüssigdichtung bevorzugt.

Für den Werkstoff eines den Boden bildenden Teiles wird derzeit eine aushärtbare Kupfer- oder Aluminiumlegierung bevorzugt.

Auch für den zumindest einen Kragen, der um den Öleinlass und/oder den Ölablauf vorgesehen ist, können in bestimmten Fällen Vorteile erhalten werden, wenn dieser von dem Boden getrennt vorgesehen ist. Dies gilt sowohl für einen mit dem Kolben einstückigen als auch durch ein separates Teil vorgesehenen Boden. Der Kragen kann beispielsweise durch eine in den Boden eingesetzte, eingeclipste und/oder durch Schweißen oder Löten befestigte Hülse gebildet werden. Alternativ kann der Kragen selbstverständlich bei der Formung des Bodens des Kühlraumes ausgebildet, also insbesondere beim Biegen und/oder Prägen angeformt oder in sonstiger Weise ausgebildet werden.

Neben der Tatsache, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei Kolben mit vergleichsweise geringer Bauhöhe ihre besonderen Vorteile entfalten, wird für den erfindungsgemäßen Kolben ferner bevorzugt, dass dieser eine Brennraummulde aufweist. Bei derartigen Kolben sind die Platzverhältnisse im Hinblick auf das Vorsehen eines Kühlkanals oder -raumes besonders schwierig. Hier wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen in besonders günstiger Weise Abhilfe geschaffen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Kolben im Bereich des Öleinlasses;
2 eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Kolben im Bereich des Ölablaufes; und
3 eine perspektivische Ansicht des den Boden des Kühlraumes bildenden Bauteils.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Wie an dem in 1 gezeigten Kolben 10 zu erkennen ist, weist dieser eine vergleichsweise geringe Bauhöhe und im Bereich der Kolbenkrone 12 eine Brennraummulde 14 auf. Bei der Brennraummulde 14 handelt es sich um eine sogenannte Omegamulde. Wie in 1 ferner zu erkennen ist, reicht die Brennraummulde 14 vergleichsweise weit in Richtung des Kolbenbolzens 16, so dass ein Kühlraum 18 nur mit besonderen Maßnahmen zu realisieren ist. Diese bestehen bei dem erfindungsgemäßen Kolben darin, dass der Boden 20 des Kühlraumes 18 eine Erhebung 22 aufweist, mit der sich der Boden 20 über den Kolbenbolzen 16 erstreckt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Boden 20 des Kühlraumes 18 ferner durch ein gesondertes Bauteil gebildet, das in den Kolben von dessen Unterseite her eingesetzt ist. Der Boden 20 weist ferner einen Öleinlass 24 auf, der durch einen Kragen 26 umgeben ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kragen im Wesentlichen durch einen Rohrabschnitt mit im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt gebildet.
In 1 ist ferner eine Öldüse 28 zu erkennen, mittels der Kühlöl durch den Öleinlass 24 in den Kühlraum 18 eingespritzt wird. Wie 1, welche die Situation im Bereich des unteren Totpunkts darstellt, erkennen lässt, kann sich die Öldüse 28 durch den Öleinlass 24 und in den Kühlraum 18 erstrecken.
Durch die Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens 10 während des Betriebs besteht die Tendenz des eingespritzten Öles, den Kühlraum 18 nach vergleichsweise kurzer Zeit durch den Öleinlass 24 wieder zu verlassen. Dem wird erfindungsgemäß entgegengewirkt. Hierdurch kann eine ausreichende Kühlwirkung erreicht werden, auch wenn das Kühlöl nur im Bereich einer Seite, bezogen auf die Erhebung 22, eingespritzt wird. Der Kragen 26 stellt nämlich im Bereich derjenigen Seite, auf der Öl eingespritzt wird, gemäß 1 auf der rechten Seite, einen Füllstand des Öles sicher, der bis zu der Oberkante des Kragens 26 reicht. Diese befindet sich zumindest auf dem Niveau der Erhebung 22, bevorzugt und wie in 1 dargestellt, etwas darüber. Folglich ist in der Umgebung des Öleinlasses 24 stets Kühlöl bis zu einem bestimmten Niveau vorhanden, das auch bei der Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens über die Erhebung 22 strömen und hierdurch in denjenigen Bereich gelangen kann, der dem Öleinlass 24 gegenüberliegt. Folglich kann auch hier eine ausreichende Kühlwirkung sichergestellt werden. Wie in 1 zu erkennen ist, kann der Boden 20 des Kühlraumes 18 vergleichsweise harmonisch geformt sein. Insbesondere kann er beispielsweise die Form einer langgezogenen Sinuskurve aufweisen. Der Kragen 26 kann von dem Boden 20 getrennt vorgesehen sein. Insbesondere kann dieser durch einen Rohrabschnitt gebildet werden, der in eine entsprechende Öffnung in dem Boden 20 eingesetzt und befestigt ist. Bei dieser besonders einfach herzustellenden Ausführungsform befindet sich auch an der Unterseite des Bodens ein kurzer Kragen. Es sei erwähnt, dass sich der Öleinlass 24 bei der dargestellten Ausführungsform in einem seitlich versetzen Bereich des Kolbens befindet. Demgegenüber befindet sich ein Ölablauf in einem mittleren Bereich.
Ein Schnitt in diesem Bereich ist in 2 gezeigt. In dieser Darstellung ist der Kragen 26 von einer "geschlossenen" Seite her zu erkennen. Im Bereich der Erhebung 22 ist der Ölablauf 30 zu erkennen, der bei der gezeigten Ausführungsform ebenfalls durch einen, in diesem Fall vergleichsweise kurzen Kragen 32 umgeben ist. Dieser Kragen verhindert, dass das Öl, das über die Erhebung 22 strömt, den Kühlraum 18 unmittelbar durch den Ölablauf 30 verlässt. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Oberkante des Kragens 32 in Richtung der Flanke der Erhebung 22 geneigt. Hierdurch wird den Gegebenheiten im Hinblick auf die omegaförmige Brennraummulde 14 Rechnung getragen.
In 3 ist in einer perspektivischen Ansicht das Teil 34 dargestellt, das bei der gezeigten Ausführungsform den Boden 20 des Kühlraumes 18 bildet. Dieses kann als weitgehend hantelförmig mit einem Steg 36 und zwei verbreiterten Endbereichen 38 beschrieben werden. Dies spiegelt im Wesentlichen den Freiraum unterhalb der Kolbenkrone wider, der in den Bereichen seitlich des Steges 36 durch die Kolbenbolzenaugen eingeschränkt wird. Zwischen den Kolbenbolzenaugen erstreckt sich der Kolbenbolzen 16 (vgl. 1), der durch den Steg 36, der die Erhebung 22 bildet, überbrückt wird.
In dem einen verbreiterten Endbereich 38, bei der gezeigten Ausführungsform in einem seitlichen Bereich, ist der Öleinlass 24 mit dem Kragen 26 vorgesehen. An dem Übergang zwischen dem Steg 36 und dem anderen verbreiterten Endbereich 38 ist der Ölablauf 30 mit dem diesen umgebenden, vergleichsweise kurzen Kragen 32 vorgesehen. An ihren jeweiligen Außenseiten sind die verbreiterten Endbereiche 38 bei der gezeigten Ausführungsform gewellt ausgebildet, um die Montage, beispielsweise durch Punktschweißen, an den hierdurch erzeugten Laschen zu erleichtern.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlraum (18), der durch einen Boden (20) begrenzt ist, der zumindest einen Öleinlass (24) und zumindest eine Erhebung (22) aufweist, wobei der Öleinlass (24) von einem Kragen (26) umgeben ist, und der Boden (20) ferner zumindest einen Ölablauf (30) aufweist, der sich oberhalb des niedrigsten Bereichs des Bodens (20) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kragen des Öleinlasses (24) zumindest bis auf das Niveau der Erhebung (22) erstreckt, und dass um den Ölablauf (30) ein relativ zu der Richtung der Erstreckung des Kragens (26) des Öleinlasses (24) geneigter Kragen (32) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Erhebung (22) vorgesehen ist, die sich im Bereich oberhalb eines Kolbenbolzens (16) befindet.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (20) ferner zumindest eine vergleichsweise kleine Ablauföffnung im Bereich des Öleinlasses (24) und/oder des niedrigsten Bereichs des Bodens (20) aufweist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (20) durch ein separates Teil (34) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Teil (34) durch Einschnappen befestigt ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Teil (34) durch Schweißen, bevorzugt Punktschweißen mittels Laschen, befestigt ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Teil (34) durch Löten befestigt ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Teil (34) zu dem Kolbenwerkstoff mittels einer Flüssigdichtung abgedichtet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Teil (34) aus einer aushärtbaren Kupfer- oder Aluminiumlegierung besteht.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kragen (26, 32) als ein von dem Boden (20) getrenntes Bauteil vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) eine Brennraummulde (14) aufweist.