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Die
Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben
einer Brennkraftmaschine, in dem ein radial umlaufender, ein Kühlmittel
führender
Kühlkanal
integriert ist. Das in dem Kühlkanal
zirkulierende Kühlmittel
tritt über
zumindest eine Zuströmöffnung ein
und über
zumindest eine Abströmöffnung aus. Zur
Erzielung einer Pumpwirkung schließt der Kühlkanal Maßnahmen zur Beeinflussung einer
Kühlmittelströmung ein.
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Kolben
für Brennkraftmaschinen
sind hohen Temperaturen ausgesetzt. Zur gezielten und wirksamen
Kühlung,
mit der die Lebensdauer verbessert werden kann, ist in dem Kolben
ein ringförmiger
Kühlkanal
eingebracht, der von dem Kühlmittel,
insbesondere dem Schmieröl
der Brennkraftmaschine, beaufschlagt wird. Das in dem Kühlkanal
zirkulierende Kühlmittel
bewirkt eine Wärmeabfuhr
aus dem Kolben, wodurch insbesondere die thermisch hoch beanspruchten
Zonen wie Kolbenboden, Brennraummulde, Ringfeld und Ringträger gezielt
und wirksam gekühlt
werden.
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Ein
Kolben gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der
DE 103 19 230 A1 bekannt. Die Auslegung des
eine Zuströmöffnung und
eine Abströmöffnung aufweisenden
Kühlkanals
sieht einen konstanten Innen- und Außendurchmesser vor, sowie eine
Scheitellinie, die in einer Ebene verläuft. Die Innenwandung schließt umfangsseitig
versetzt zueinander verlaufende Strukturen ein.
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Als
Maßnahme,
um die abgeführte
Wärmemenge
aus dem Kolben zu erhöhen,
ist gemäß der
DE 101 26 359 A1 sowie
der
DE 199 30 630
C1 vorgesehen, den Kühlkanal
wellenförmig
in dem Kolben anzuordnen. Dabei zeigt der Kühlkanal einen über die
gesamte Länge
gleichförmig
in Richtung der Kolbenachse geschwungen gestalteten Verlauf, mit
einem stets gleichen unveränderten
Durchströmquerschnitt.
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Diese
Maßnahme
vergrößert die
Oberfläche des
Kühlkanals,
führt aber
anderseits zu einer nachteiligen Beeinflussung der Zirkulation des
Kühlmittels.
Der wellenförmige
Verlauf des Kühlkanals
in Verbindung mit der oszillierenden Kolbenbewegung verhindert eine
kontinuierliche Strömung,
da sich das Kühlmittel
stets an den Vertiefungen des Kühlkanals sammelt
und eine Weiterleitung zu der Abströmöffnung behindert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkanal für einen Kolben mit einer verbesserten
Wärmeabführung zu
realisieren, ohne nachteiligen Einfluss auf die Festigkeit des Kolbens.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Zur
Darstellung eines Pump-Kühlkanals
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Kühlkanal geometrisch
wechselnde Innenstrukturen aufweist, variierende Höhen und
Breiten, sowie eine wellenförmig
bzw. gekrümmt
verlaufende Scheitellinie einschließt. Damit verbunden stellen
sich variabel ausgelegte Durchströmquerschnitte des Kühlkanals
ein. Der Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser des Kühlkanals
ist dazu konstant oder schwankend ausgelegt. Gemäß der Erfindung kann der Kühlkanal vorteilhaft
so gestaltet werden, dass sich unterschiedliche, auf die jeweiligen
thermischen oder mechanischen Belastungen einzelner Zonen des Kolbens
abgestimmte Verweilzeiten des Kühlmittels
in einzelnen Abschnitten einstellen. Die sich umfangsseitig ändernden,
unterschiedliche Kühlkanalvolumina
beinhaltenden Durchströmquerschnitte
des Kühlkanals
können
vorteilhaft bedarfsabhängig
den kritischen Bereichen des Kolbens anpasst werden, wodurch eine
gesteigerte thermisch-mechanische Belastbarkeit des Kolbens erzielbar
ist.
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Aus
der
DE 196 18 625
C1 ist ein Kolben bekannt, der einen Kühlkanal mit einem sich ändernden Durchströmquerschnitt
einschließt.
Um eine ungehinderte Abströmung
des Kühlmittels
zu gewährleisten,
ist der Kühlkanal
diffusorartig ausgebildet, wozu sich der Durchströmquerschnitt
des Kühlkanals
von der Zuströmöffnung kontinuierlich
bis zu der Abströmöffnung erweitert.
Diese ausschließlich
auf einen beschleunigten Transport des Kühlmittels abgestellte Gestaltung
des Kühlkanals
berücksichtigt nachteilig
nicht die thermisch und mechanisch unterschiedlichen belasteten
Bereiche des Kolbens.
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Ein
weiteres Gestaltungsmerkmal der Erfindung bezieht sich auf die Kühlmittelbeaufschlagung des
Kühlkanals.
Zur verbesserten, maximalen Befüllung
umfasst der Kühlkanal
einen Doppeleinlass, der als Zuströmöffnung zwei benachbarte, korrespondierend
angeordnete Öffnungen
umfasst. Die in den Pump-Kühlkanal
eintretende Kühlmittelmenge
und damit die Durchsatzmenge wird durch den Doppeleinlass in Verbindung
mit mindestens zwei Einspritzdüsen
gesteigert, wobei vorteilhaft jeder Öffnung eine Einspritzdüse zugeordnet
ist. Zudem schließt
der auch als Doppeleinlass-Pumpkanal zu bezeichnende erfindungsgemäße Kühlkanal
einen Strömungsteiler ein,
der den von den Einspritzdüsen
jeweils ausgehenden Kühlmittelstrahl
nach der Zuströmöffnung unmittelbar
in zugehörige
Kühlkanalabschnitte
umlenkt, wodurch zwei Kühlmittelströme im Gegenstrom
den Kühlkanal
bis zu der vorzugsweise gemeinsamen Abströmöffnung durchströmen. Der
erfindungsgemäße Kühlkanal
in Verbindung mit dem geometrisch angepassten Doppeleinlass und
getrennt angeordneten Einspritzdüsen
bewirkt bei einer Beibehaltung des Kühlmittelstroms einen vergrößerten Kühlmitteldurchsatz
und damit einen gesteigerten Wirkungsgrad.
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Zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkanals
wird bevorzugt ein einteiliger, geschlossen gestalteter, löslicher
Kern eingesetzt. Dieser Aufbau vereinfacht die Herstellung und die
Montage des insbesondere als Salzkern ausgebildeten Kerns, der in
Verbindung mit einem Haltemittel an der Gießform, insbesondere an einem
Gießkern
fixiert werden kann. Nach dem Gießen des Kolbens werden die Haltemittel
und der Kern ausgespült,
so dass sich ein den Kühlkanal
bildender Hohlraum einstellt, sowie die Öffnungen zum Eintritt und Austritt
des Kühlmittels.
Im Vergleich zu einem zwischen den Zuströmöffnungen unterbrochen Kern
verbessert der einteilige Kern außerdem die Kühlung. Außerdem besitzt
der einteilige Kern eine verbesserte Stabilität, was sich vorteilhaft auf
den Herstellprozess und das Handling bei der Montage auswirkt.
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Alle
erfindungsgemäßen Maßnahmen
führen dazu,
einen für
die Kühlwirkung
vorteilhaften beschleunigten Transport des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals
zu gewährleisten.
Die Auslegung des erfindungsgemäßen Kühlkanals
berücksichtigt
gleichzeitig die unterschiedlichen thermischen und mechanischen
Beanspruchungen des Kolbens, zur Erzielung einer verbesserten Festigkeit
und reduzierter Temperatur, wodurch sich vorteilhaft eine verbesserte
Lebensdauer des Kolbens einstellt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
9.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht zur Ausbildung der
Innenstruktur vor, den Kühlkanal
umfangsseitig mit gegeneinander versetzten Stufen zu versehen, die übereinstimmend
mit einer Richtung einer Kolbenlängsachse
an gegenüberliegenden
Innenseiten des Kühlkanals
wechselweise schräg
verlaufende Stufenflächen
bilden. Diese angenähert
sägezahnartig
ausgebildete, zueinander versetzte Kühlkanalstruktur löst bei dem
Kolbenlauf eine Pumpwirkung aus. Die auch als treppenartige Topologie
zu bezeichnende Struktur hat die Wirkung, dass das in den Kühlkanal
eintretende Kühlmittel
unter dem Einfluss hoher Beschleunigungskräfte, durch das Hin- und Herschleudern
des Kühlmittels
zwischen den gegenüberliegenden
Innenseiten bzw. der Bodenfläche
und der Deckenfläche
kontinuierlich zu einem beschleunigten Transport des Kühlkanals führt. Die
Erfindung schließt
dabei auch umfangsseitig zueinander unterschiedlich geformte Stufenflächen ein,
um beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels
innerhalb des Kühlkanals
lokal zu beeinflussen.
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Die
Zuströmöffnung des
Kühlkanals,
die zwei versetzt angeordnete Öffnungen einschließt, ist
vorteilhaft versetzt zu einer Schwenkachse des Pleuels innerhalb
eines Kolbenschaftes eingebracht. Diese Lage der Öffnungen
ermöglicht
eine optimale Anordnung der Einspritzdüsen, wobei gleichzeitig keine nachteilige
Beeinflussung des Freistrahls erfolgt, mit dem das Kühlmittel
eingespritzt wird.
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Die
als ein Doppeleinlass ausgebildete Zuströmöffnung umfasst bevorzugt weiterhin
einen erweiterten Strömungsteiler.
Dazu schließt
der zwischen dem Doppeleinlass geschlossene, keine Unterbrechung
aufweisende Kühlkanal
ansteigende und abfallende untere und obere Segmente ein, die so
gestaltet sind, dass ein sich dort temporär befindliches Kühlmittelvolumen
bei einem Wechsel der Kolbenbewegung von den getrennten Öffnungen
ausgehend, in Richtung der Abströmöffnung beschleunigt wird.
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Um
die Wärmeaufnahme
in thermisch hochbeanspruchten Zonen des Kolbens zu verbessern,
ist der Kühlkanal
beispielsweise im Bereich der Zuströmöffnung oder in einem beliebigen
weiteren alternativen Abschnitt des Kühlkanals mit Drallwandungen
versehen. Durch diese Maßnahme
wird dem durchströmenden
Kühlmittel
eine Drallbewegung aufgezwungen, wodurch sich eine vergrößerte, die Wärmeaufnahmezeit
verlängernde
Wegstrecke des Kühlmittels
einstellt, ohne dabei die Strömungsgeschwindigkeit
nachteilig zu beeinflussen.
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Ein
gewünschter
schneller Austritt des erwärmten
Kühlmittels
aus dem Kühlkanal
bewirkt eine als Strömungssammler
ausgebildete Abströmöffnung.
Als Strömungssammler
ist erfindungsgemäß ein lokal
aufgeweiteter Abschnitt des Kühlkanals
im Bereich der Abströmöffnung vorgesehen,
der die Strömungsgeschwindigkeit
reduziert und einen ungehinderten Austritt des Kühlmittels sicherstellt, was die
Wirksamkeit der Kolbenkühlung
verbessert.
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Eine
optimierte Beaufschlagung der als Doppeleinlass ausgebildeten, zwei
getrennte Öffnungen einschließenden Zuströmöffnung,
erfolgt gemäß der Erfindung über zwei
getrennt positionierte Einspritzdüsen. Dieser Aufbau verbessert
den Befüllungsgrad der
Zuströmöffnung und
damit des Kühlkanals
mit Kühlmittel,
im Vergleich zu einer Einspritzdüse
deren Kühlmittelstrahl
in eine als Langloch ausgebildete Zuströmöffnung gerichtet ist. Die zwei
Einspritzdüsen gemäß der Erfindung
sind folglich weniger stark geneigt positioniert, wodurch sich die
Befüllungsphasen verlängern. Die
Anwendung von zwei gleichartigen Einspritzdüsen mit übereinstimmendem Volumenströmen und
Kühlmitteldruck,
die in Summe den gleichen Durchsatz wie eine äquivalente Einzeldüse haben,
erhöht
die Kühlmittel-Austrittsgeschwindigkeit, was
die Füllung
und damit verbunden die Kühlwirkung
positiv beeinflusst. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung bietet sich an, die Einspritzdüsen ortsfest
so zu fixierten, damit das Kühlmittel
in einem weitestgehend parallel zu der Kolbenlängsachse ausgerichteten Freistrahl
senkrecht in die Zuströmöffnungen
eingespritzt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nachfolgend
beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
in einem Halbschnitt einen flüssigkeitsgekühlten Kolben
bekannter Bauform,
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2:
in einer Perspektive einen einteilig geschlossen gestalteten, löslichen
Kern, der zur Herstellung eines Kühlkanals bestimmt ist,
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3:
schematisch einen Abwicklungsausschnitt des Kühlkanals, der die als Doppelleinlass ausgebildete
Zuströmöffnung verdeutlicht.
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Der
in 1 im Halbschnitt abgebildete Kolben 1 umfasst
einen umlaufenden, in einem Kolbenboden 2 integrierten
Kühlkanal 3,
der beabstandet zu einer zentrisch in dem Kolbenboden 2 eingebrachten Brennraummulde 4 und
einem Ringfeld 5 positioniert ist. Im Betriebszustand wird
der Kühlkanal 3 von
einem Kühlmittel, insbesondere
dem Schmierstoff der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Dazu ist eine
lagefixierte Einspritzdüse 6 vorgesehen,
von der ausgehend, über
einen Freistrahl 7, das Kühlmittel in eine mit dem Kühlkanal 3 in
Verbindung stehende Zuströmöffnung 8 eingespritzt
wird. Von dort ausgehend durchströmt das Kühlmittel den Kühlkanal 3 und
tritt über
eine in der 3 abgebildete Abströmöffnung 22 aus.
Die Zuströmöffnung 8 und
die damit in Verbindung stehende Einspritzdüse 6 sind einem Kolbenschaft 9 des
Kolbens 1 zugeordnet, und dabei versetzt bzw. außerhalb
einer Schwenkebene eines in der 1 nicht
abgebildeten, mit einer Bolzenbohrung 10 verbundenen Pleuels.
Der von der Einspritzdüse 6 ausgehende,
auf die Zuströmöffnung 8 gerichtete
Freistrahl 7 verläuft
geneigt zu einer Kolbenlängsachse 11.
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In
der 2 ist als Einzelteil ein geschlossen gestalteter,
löslicher
Kern 12 dargestellt, der zur Herstellung des Kühlkanals 3 vorgesehen
ist. Der insbesondere als ein Salzkern ausgebildete Kern 12 wird in
Verbindung mit einem Haltemittel an einer Gießform, insbesondere an einem
Gießkern
fixiert. Nach dem Gießen
und dem Erkalten des Kolbens 1 werden die Haltemittel und
der Kern ausgespült,
so dass sich ein den Kühlkanal 3 bildender
Hohlraum im Kolben 1 einstellt. Der Kern 12 weist
geometrisch wechselnde Strukturen auf, wie eine wellenförmige oder
gekrümmt
verlaufende Scheitellinie 13, sowie an der Oberseite 14 und
an der Unterseite 15 umfangsseitig zueinander versetzt
angeordnete und/oder unterschiedlich ausgebildete Stufen 16a, 16b.
Durch diese Gestaltung des Kerns 12 stellen sich umfangsseitig variierende
Durchströmquerschnitte
des Kühlkanals 3 ein.
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Die 3 zeigt
schematisch in einer Abwicklung einen Ausschnitt des Kühlkanals 3 und
verdeutlicht die geometrische Formgebung und Gestaltung der inneren
treppenartig oder sägezahnartig
ausgebildeten Struktur des Kühlkanals 3.
Als Zuströmöffnung 8 ist
ein Doppeleinlass vorgesehen, der als ein erweiterter Strömungsteiler 19 ausgebildet
ist und der zwei benachbart und korrespondierend angeordnete, als
Bohrungen gestaltete Öffnungen 18a, 18b einschließt. Im Betriebszustand
ist jeder Öffnung 18a, 18b eine
Einspritzdüse
zugeordnet, von der ausgehend über
einen Freistrahl, symbolisch durch Pfeile verdeutlicht, das Kühlmittel
eingespritzt wird. Eine lokale Verengung 20 des Kühlkanals 3 im
Bereich des Strömungsteilers 19 bewirkt
eine Umlenkung der jeweiligen Fluidströme nach Eintritt in den Kühlkanal 3,
verdeutlicht durch die entgegengesetzt ausgerichteten Pfeile. Somit
durchströmt
das Kühlmittel
in zwei getrennten Kühlmittelströmen im Gegenstrom
den Kühlkanal 3 in
Richtung der Abströmöffnung 22.
Der erweiterte Strömungsteiler 19 schließt ansteigende
und abfallende untere und obere Segmente ein, wodurch ein temporär im Doppeleinlass
befindliches Kühlmittelvolumen
bei einem Wechsel der Kolbenbewegung von den getrennten Zuströmöffnungen
in Richtung der Abströmöffnung 9 beschleunigt
wird. Um einen beschleunigten Transport des Kühlmittels auch in den weiteren
Bereichen des Kühlkanals 3 zu
gewährleisten,
ist im Anschluss an den Doppeleinlass der Kühlkanal 3 mit schräg verlaufenden,
wechselweise angeordneten Stufen 16a, 16b an gegenüberliegenden
Innenseiten versehen, die in Richtung der Kolbenlängsachse 11 zeigend
orientiert sind. Die Stufen 16a, 16b in Verbindung
mit zugehörigen,
zueinander abweichend gestalteten Stufenflächen 17a, 17b bilden
eine Kühlkanalstruktur,
die bei dem Kolbenlauf eine gewollte Pumpwirkung auslösen, wodurch
die in Richtung der Pfeile gerichtete Strömung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals 3 beschleunigt
wird. Ein gewollter schneller Austritt des aufgeheizten Kühlmittels
aus dem Kühlkanal 3 bewirkt
eine lokale, als Stömungssammler 21 ausgebildete
Aufweitung des Kühlkanals 3 im Bereich
der Abströmöffnung 22.
Als Maßnahme,
um die Wärmeaufnahmezeit
des Kühlmittels,
ohne nachteiligen Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit zu verlängern, sind
die Öffnungen 18a, 18b mit
einer Drallstruktur 23a, 23b an der Innenwand
versehen. Durch diese Maßnahme
wird dem durchströmenden Kühlmittel
eine Drallbewegung aufgezwungen, wodurch sich eine verlängerte Wegstrecke
einstellt.
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenboden
- 3
- Kühlkanal
- 4
- Brennraummulde
- 5
- Ringfeld
- 6
- Einspritzdüse
- 7
- Freistrahl
- 8
- Zuströmöffnung
- 9
- Kolbenschaft
- 10
- Bolzenbohrung
- 11
- Kolbenlängsachse
- 12
- Kern
- 13
- Scheitellinie
- 14
- Oberseite
- 15
- Unterseite
- 16a
- Stufe
- 16b
- Stufe
- 17a
- Stufenfläche
- 17b
- Stufenfläche
- 18a
- Öffnung
- 18b
- Öffnung
- 19
- Strömungsteiler
- 20
- Verengung
- 21
- Strömungssammler
- 22
- Abströmöffnung
- 23a
- Drallstruktur
- 23b
- Drallstruktur