DE102004056870A1

DE102004056870A1 - Kolben mit einem Kühlkanal für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung des Kolbens

Info

Publication number: DE102004056870A1
Application number: DE200410056870
Authority: DE
Inventors: Peter Heidrich
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-01
Also published as: WO2006056185A1; EP1815123B1; EP1815123A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem nahe dem Kolbenboden (2) angeordneten, ringförmigen Kühlkanal (9), dessen Innenwand in das Innere des Kühlkanals (9) ragende Vorsprünge aufweist, die von einer im Kühlkanal (9) angeordneten und an der Innenwand des Kühlkanals (9) anliegenden, spiralförmigen Wendel (15) gebildet werden. Dadurch ist auf einfache Weise erreichbar, dass das durch den Kühlkanal (9) fließende Kühlöl verwirbelt wird und damit dessen Kühlwirkung verbessert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einem Kühlkanal für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruches 3.

Aus der Japanischen Offenlegungsschrift mit der Publikationsnummer 09096248 (12) ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der in seinem radialen Außenbereich und nahe dem Kolbenboden einen ringförmigen Kühlkanal aufweist, an dessen Innenwand in das Innere des Kühlkanals ragende Vorsprünge angeformt sind, die aus dem gleichem Material wie der Kolben bestehen. Bei der Herstellung des bekannten Kolbens ist die Verwendung eines löslichen Kernes erforderlich, der eine sehr kompliziert strukturierte Oberfläche aufweist, was den Nachteil mit sich bringt, dass die Herstellung des bekannten Kolbens sehr aufwendig und teuer ist.

Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe mir den in den Kennzeichen des Hauptanspruches und des Nebenanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Untersprüche.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine einfache Wendel verwendet, die, um an der Innenwand des Kühlkanals Vorsprünge anzubringen, um einen Salzkern gewickeln wird, der zur Herstellung des Kühlkanals verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 einen Kolben mit einem Kühkanal und mit einer an der Kühlkanalinnenwand angeordneten Wendel zur Verbesserung der Kühlung des Kolbens, und
2 einen torusförmigen Salzkern, auf dessen Außenfläche die erfindungsgemäße Wendel aufgewickelt ist, und der bei der Herstellung des Kolbens in eine Gießform eingelegt und von Aluminium umgossen wird.
1 zeigt einen aus Aluminium hergestellten Kolben 1 im Schnitt, der eine in seinen Kolbenboden 2 eingeformte Verbrennungsmulde 3 und auf dessen kolbenbodenabgewandter Unterseite zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 4, 4' aufweist, von denen Bolzennaben 5 mit Nabenbohrungen 6 gehalten werden. In Kolbenbodennähe befindet sich auf der radialen Außenseite 8 des Kolbens 1 eine Ringpartie 7.
Nahe der Außenseite 8 und nahe dem Kolbenboden 2 weist der Kolben 1 einen ringförmigen und gestrichelt eingezeichneten Kühlkanal 9 auf, in den über eine Ölzulauföffnung 10 Kühlöl 11 eingeleitet wird, das über eine Ölablauföffnung 12 in Richtung des Pfeiles 13 aus dem Kühlkanal 9 wieder ausläuft. Damit sich hierbei das in die Ölzulauföffnung 10 gespritzte Kühlöl 11 gleichmäßig auf die beiden halbkreisförmigen Hälften des Kühlkanals 9 verteilt, kann in Richtung des Kühlölstrahles 11 betrachtet hinter der Ölzulauföffnung 10 an der dem Kolbenboden zugewandten Innenseite des Kühlkanals 9 ein in den Figuren nicht dargestelltes Rippenelement angeordnet sein, das im Querschnitt im Wesentlichen die Form eines Dreieckes hat, dessen Spitze nach unten in Richtung des Kühlölstrahles 11 weist, und von dessen Schenkel das Kühlöl 11 abprallt und zu gleichen Teilen in die beiden Kühlkanalhälften geleitet wird.
Gestrichelt eingezeichnet ist in 1 eine in dem Kühlkanal 9 angeordnete, spiralförmige Wendel 15 aus Federstahl, die an der Wand des Kühlkanals 9 anliegt, und deren Zweck zum einen darin besteht, das durch den Kühlkanal 9 fließende Kühlöl zu verwirbeln, wodurch in gleicher Zeit eine größere Ölmenge in Kontakt mit der Kühlkanalwand kommt als in einem Kühlkanal ohne Vorsprünge, sodass die Wärmeabfuhr im Kolben 1 mit der erfindungsgemäßen Wendel 15 im Kühlkanal 9 gegenüber einem herkömmlichen Kolben mit einem Kühlkanal mit glatter Innenfläche verbessert wird. Zum anderen wird durch die mit der Wand des Kühlkanals 9 in thermischem Kontakt stehende Wendel 15 die für die Kühlwirkung ausschlaggebende Oberfläche des Kühlkanals 9 vergrößert, sodass auch hierdurch die Wärmeabfuhr über das Kühlöl verbessert wird, da hierbei von der Wendel 15 zusätzlich Wärme des Kolbens 1 aufgenommen und über deren Oberfläche an das Kühlöl weitergeleitet wird.
Nicht dargestellte ist in den Figuren, dass die Wendel 15 gemäß der Erfindung auch im Kühlkanal eines gekühlten Ringträgers angeordnet sein kann.
Das Verfahren, die Wendel 15 in den Kühlkanal 9 einzubringen, wird anhand von 2 erläutert. Dargestellt ist ein torusförmiger Salzkern 16, auf dessen Außenfläche die Wendel 15 angeordnet ist. Dieser Salzkern 16 wird in eine Gießform für Kolben eingelegt und mit Aluminium umgossen, wobei der Salzkern 16 die Rolle eines Platzhalter für den Kühlkanal 9 spielt. Anschließend werden in den fertig gegossenen Kolbenrohling im Rahmen der Feinbearbeitung des Kolbens 1 die Ölzulauf- und die Ölablauföffnung 10 und 12 eingebracht, worüber das Salz des Salzkernes 16 aus dem Kühlkanal 9 ausgewaschen wird. Zurück bleibt die Wendel 15, die mit der Innenwand des Kühlkanals 9 verbunden ist und dadurch die Kühlwirkung des durch den Kühlkanal 9 geleiteten Öles verbessert.
Gemäß einem ersten Verfahren zur Herstellung eines Salzkernes 16 mit Wendel 15 wird zunächst der Salzkern 16 hergestellt, indem in eine dem Salzkern 16 entsprechende Form Salzgranulat eingefüllt wird, das einem Pressdruck ausgesetzt wird, der das Salz verfestigt und dadurch der Salzkern 16 bildet. Auf den Salzkern 16 wird anschließend die Wendel 15 aufgewickelt.
Um zu verhindern, dass beim Gießen des Kolbens die Wendel 15 von Aluminium umgossen wird, kann entweder die Form für den Salzkern eine spiralförmige, in das Innere der Form gerichtet Anformung aufweisen, sodass sich beim Pressen des Salzkernes auf dessen Oberfläche eine spiralförmige Nut ergibt, in der die Wendel 15 beim Aufwickeln auf den Salzkern 16 zu liegen kommt.
Oder es kann für das Pressen des Salzkernes 16 eine Fom mit glatter Innenfläche gewählt werden, sodass sich hierbei ein Salzkern 16 mit glatter Oberfläche ergibt. Dann ist es erforderlich, eine spiralförmige Nut zur Aufnahme der Wendel 15 nach dem Pressen des Salzkernes 16 in die Oberfläche des Salzkernes 16 einzuarbeiten. Jedenfalls wird hierdurch erreicht, dass beim Gießen des Kolbens 1 die in der Nut des Salzkernes 16 liegende Wendel 15 nicht von Aluminium umgossen wird, sondern nur an der Innenfläche des Kühlkanals 9 anhaftet. Die Wendel 15 bildet dann im Kühlkanal 9 des fertig gegossenen Kolbens 1 einen spiralförmigen, nach innen gerichteten Vorsprung, der der Verbesserung der Kühlwirkung des Kühlöles dient.
Bei einem zweiten Verfahren zur Herstellung des Salzkernes 16 mit Wendel 15 wird eine Form für den Salzkern 16 gewählt, deren Innendurchmesser gleich dem radialen Durchmesser r₁ der leicht vorgespannten Wendel 15 ist, der also kleiner ist, als der radiale Durchmesser der enspannten Wendel 15. In diese Form wird die durch Verdrehen um ihre Längsachse leicht vorgespannte Wendel 15 eingelegt und zudem Salzgranulat eingefüllt, wonach der Salzkern 16 mit eingelegter Wendel 15 gepresst wird. Hierbei wird der Salzkern 16 derart verfestigt, dass die Wendel 15 nach dem Pressvorgang in dem Salzkern 16 verbleibt. Wird nach dem Gießen des Kolbens 1 unter Verwendung dieses Salzkernes 16 das Salz ausgewaschen, haftet die Wendel 15 unter Vorspannung an die Innenfläche des Kühlkanals 9 an und trägt dadurch zur Verbesserung der Kühlwirkung des Kühlöles bei.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Verbrennungsmulde
4, 4': Schaftelement
5: Bolzennabe
6: Nabenbohrung
7: Ringpartie
8: Außenseite des Kolbens 1
9: Kühlkanal
10: Ölzulauföffnung
11: Kühlöl, Kühlölstrahl
12: Ölablauföffnung
13: Pfeil
14: Öldüse
15: Wendel
16: Salzkern
r₁: radialer Durchmesser der Wendel 15

Claims

Kolben (11 für einen Verbrennungsmotor – mit einem Kolbenboden (2), – mit einem im radialen Außenbereich des Kolbens (1) und nahe dem Kolbenboden (2) angeordneten, ringförmigen Kühlkanal (9), – mit einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölzulauföffnung (10) und einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölablauföffnung (12) und – mit an der Innenwand des Kühlkanals (9) angeordneten und in das Innere des Kühlkanals (9) ragenden Vorsprüngen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge von einer im Kühlkanal (9) angeordneten und mit der Innenwand des Kühlkanals (9) verbundenen, spiralförmigen Wendel (15) gebildet werden.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (15) aus Federstahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einem Kühlkanal (9) für einen Verbrennungsmotor, wobei an die Innenwand des Kühlkanals (9) Vorsprünge angebracht werden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Herstellen eines torusförmigen Salzkernes (16), der eine in spiralfömigen Vertiefungen dessen Außenfläche angeordnete Wendel (15) aufweist, – Einlegen des Salzkernes (16) in eine Gießform für den Kolben (1) an die Stelle, wo der Kühlkanal (9) entstehen soll, – Einfüllen von Gießmaterial in die Gießform zur Herstellung eines Kolbenrohlings mit Kühlkanal (9), – Feinbearbeitung des Kolbenrohlings zur Herstellung des Kolbens (1), – Einbringen einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölzulauföffnung (10) und einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölablauföffnung (12), – Auswaschen des Salzes des Salzkernes (16) über die Ölzulauföffnung (10) und die Ölablauföffnung (12), wobei die Wendel (15) mit der Innenwand des Kühlkanal (9) verbunden bleibt und die Vorsprünge an der Innenwand des Kühlkanals (9) bildet.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte, – Herstellen des Salzkernes (16) durch Pressen des Salzkernes (16) unter Verwendung einer Form, deren Innenfläche eine spiralförmige, in das Innere der Form ragende Anformung aufweist, – Aufwickeln der Wendel (15) auf den Salzkern (16) derart, dass die Wendel (15) in der von der Anformung gebildeten und in der Außenfläche des Salzkernes (16) angeordneten Nut zu liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte, – Herstellen des Salzkernes (16) durch Pressen des Salzkernes (16) unter Verwendung einer Form mit glatter Innenfläche, – Einarbeiten einer spiralförmgen Nut in die Außenfläche des Salzkernes (16), – Aufwickeln der Wendel (15) auf den Salzkern (16) derart, dass die Wendel (15) in der Nut zu liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte, – Herstellen des Salzkernes (16) durch Einlegen der vorgespannte und damit einen verringerten radialen Durchmesser r₁ aufweisende Wendel (15) in eine Form zum Pressen des Salzkernes (16), wobei der Innendurchmesser der Form gleich dem radialen Durchmesser r₁ der vorgespannten Wendel (15) ist, – Einfüllen von Salzgranulat in die Form, – Pressen des Salzkernes mit eingelegter Wendel (15).