DE102009013201A1

DE102009013201A1 - Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal mit einer Förderwirkung

Info

Publication number: DE102009013201A1
Application number: DE102009013201A
Authority: DE
Inventors: Karl Dieffenbach; Eberhard Weiss
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, der einen Kühlkanal (1) in seinem Kolbenboden (2) aufweist, wobei der Kühlkanal (1) zumindest eine Einlassöffnung (5) und zumindest eine Auslassöffnung (6) aufweist und ein in die Einlassöffnung (5) eingespritztes Kühlmedium sich in Strömungsrichtung (4) zu der Auslassöffnung (6) auf Grund einer Auf- und Abbewegung des Kolbens in Richtung einer Kolbenhubachse (3) bewegt, wobei weiterhin der Kühlkanal (1) in seiner radialen Erstreckung von der Einlassöffnung (5) zu der Auslassöffnung (6) obere Teilsegmente (7) und/oder untere Teilsegmente (8) mit in Bezug auf die Kolbenhubachse (3) ansteigenden und/oder abfallenden Flanken aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Verlauf der Flanke zumindest des einen oberen Teilsegmentes (7) und/oder des zumindest einen unteren Teilsegmentes (8) gekrümmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft Kolben einer Brennkraftmaschine, der einen Kühlkanal in seinem Kolbenboden aufweist, wobei der Kühlkanal zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung aufweist und ein in die Einlassöffnung eingespritztes Kühlmedium sich in Strömungsrichtung zu der Auslassöffnung auf Grund einer Auf- und Abbewegung des Kolbens in Richtung einer Kolbenhubachse bewegt, wobei weiterhin der Kühlkanal in seiner radial umlaufenden Erstreckung von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung obere Teilsegmente und/oder untere Teilsegmente mit in Bezug auf die Kolbenhubachse ansteigenden und/oder abfallenden Flanken aufweist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Kolben von Brennkraftmaschinen, die einen Kühlkanal aufweisen (so genannte Kühlkanalkolben), sind grundsätzlich bekannt. Zur Verbesserung der Durchsatzleistung des Kühlmediums von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung ist es aus der DE 103 19 230 A1 schon bekannt geworden, den Kühlkanal in seiner radialen Erstreckung zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung in Teilsegmente zu unterteilen, wobei diese Teilsegmente insgesamt in ihrem radialen Verlauf sägezahnförmig ausgebildet sind. Dabei ist der Verlauf der Flanken des jeweiligen oberen Teilsegmentes bzw. des jeweiligen unteren Teilsegmentes geradlinig. Mit diesem Verlauf der Flanken wird zwar die Förderwirkung des Kühlmediums innerhalb des Kühlkanals von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung verbessert, wobei jedoch die Durchsatzleistung immer noch nicht zufriedenstellend ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine, der einen Kühlkanal mit Teilsegmenten aufweist, dahingehend zu verbessern, dass die Durchsatzleistung des Kühlmediums erhöht wird und in Folge dessen eine verbesserte Kühlleistung des Kolbenbodens des Kolbens erzielt wird.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verlauf der Flanke eines oberen Teilsegmentes und/oder eines unteren Teilsegmentes gekrümmt ist. Dies hat den Vorteil, dass auf Grund des gekrümmten Verlaufs der Flanke des oberen und/oder des unteren Teilsegmentes die einzelnen Bewegungskomponenten sowohl des Kühlmediums als auch des Kolbens berücksichtigt werden und Einfluss nehmen auf die Förderwirkung des Kühlmediums in Strömungsrichtung. Auf Grund des gekrümmten Verlaufs der Flanke der Teilsegmente wird somit nicht nur der oszillierenden Auf- und Abbewegung des Kolbens im Zylinderraum der Brennkraftmaschine in Kolbenhubachsenrichtung Rechnung getragen, sondern auch die dazu senkrechte Bewegungskomponente des Kühlmediums in dem Kühlkanal berücksichtigt. So kann auf Grund des gekrümmten Verlaufs zunächst am Anfang einer Flanke die Förderwirkung auf Grund der oszillierenden Auf- und Abbewegung noch relativ gering sein, wohin sie sich im weiteren gekrümmten Verlauf überproportional steigert, so dass es am Ende eines Teilsegmentes in Strömungsrichtung zu einer deutlich verbesserten Durchsatzleistung kommt, die wiederum auf das nächste Teilsegment übergeht und dort wieder überproportional (in Bezug auf die sägezahnförmigen Flanken aus dem Stand der Technik) zusätzlich beschleunigt wird.
Die Erfindung stellt somit einen Kühlkanal zur Verfügung, der auch als so genannter Pumpkühlkanal bezeichnet wird, wobei die Schräge der Pumpsegmente (Teilsegmente) nicht geradlinig verläuft, wie im Stand der Technik, sondern eine Krümmung in Form einer Kurve aufweist. Diese Krümmung kann sowohl bogenförmig sein, kreissegmentförmig (ein Kreisbogenausschnitt) sein, ellipsenförmig sein, als auch jede beliebige andere Kurvenform annehmen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, und werden im Zusammenhang mit der einzigen Figur näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ausschnittsweise einen Kühlkanal 1 in einem Kolbenboden 2 eines insgesamt nicht dargestellten ein- oder mehrteiligen Kolbens, wobei der Kühlkanal 1 in einer Ebene in etwa oder genau senkrecht zu einer Kolbenhubachse 3 angeordnet ist. In einer an sich bekannten Ausführungsform ist koaxial innerhalb des ringförmigen Kühlkanals 1 eine Brennraummulde angeordnet, und außerhalb des ringförmigen Kühlkanals 1 ein Ringfeld des Kolbens vorhanden. Der Kühlkanal 1 weist einen Querschnitt auf, der im Regelfall rund oder ellipsenförmig ist, aber nicht sein muss.
Ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl, zirkuliert in einer Strömungsrichtung 4 von zumindest einer Einlassöffnung 5 zu einer Auslassöffnung 6. Im radialen Verlauf der Strömungsrichtung 4 sind ein oder mehrere obere Teilsegmente 7 und/oder ein oder mehrere untere Teilsegmente 8 vorhanden.
Ein oberes Teilsegment 7 beginnt mit einer Übergangsflanke 71, steigt dann in seinem radialen Verlauf gekrümmt an (mit Bezug auf die Kolbenhubachse 3) und geht dann bei einer weiteren Übergangsflanke 72 in das nächste Teilsegment 7 über. Dabei ist erkennbar, dass der Verlauf des jeweiligen oberen Teilsegmentes zwischen den Übergangsflanken 71, 72 gekrümmt verläuft. Die Übergangsflanken 71, 72, sind gleich oder unterschiedlich ausgeführt und weisen beim Übergang, bei Betrachtung in Strömungsrichtung 4 eine in Kolbenhubachse 3 betrachtete abfallende Flanke auf, die einen spitzen Winkel zu der Kolbenhubachse 3 bildet. Die Übergangsflanken 71, 72 können entweder geradlinig oder in bevorzugter Ausführungsform ebenfalls gekrümmt verlaufen.
Die einzelnen Teilsegmente 7 sind in ihrem radialen Verlauf alle gleich, können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein, so wie dies z. B. in der einzigen Figur erkennbar ist. Die Teilsegmente zwischen den Öffnungen 5, 6 sind gleich gestaltet, wohingegen das obere Teilsegment 7 oberhalb der Auslassöffnung 6 länger gestreckt ist, als die übrigen Teilsegmente 7. Dies kann auch im Bereich der Einlassöffnung 5 der Fall sein, muss es aber nicht. In besonders vorteilhafter Weise werden die Längen der oberen Teilsegmente 7 und die Positionierung der Übergangsflanken 71, 72 so gewählt, dass oberhalb der Öffnungen 5, 6 keine Übergangsflanke 71, 72 angeordnet ist, sondern dass sich oberhalb dieser Öffnung 5, 6 in etwa die Mitte eines Teilsegmentes 7 befindet. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer weiteren Verbesserung der Durchsatzleistung des Kühlmediums in Strömungsrichtung 4.
Die unteren Teilsegmente 8 sind entsprechend der oberen Teilsegmente 7 ausgebildet, wobei auch hier im radialen Verlauf in Strömungsrichtung 4 die unteren Teilsegmente 8 sich zwischen Übergangsflanken 81, 82 befinden. Die Länge der Teilsegmente 8 kann, wie bei den oberen Teilsegmenten 7, gleich oder unterschiedlich sein. Wiederum von besonderem Vorteil in Bezug auf die Verbesserung der Durchsatzleistung des Kühlmediums in dem Kühlkanal 1 ist es, wenn die eine Übergangsflanke im Bereich der Einlassöffnung 5 angeordnet ist, wohingegen im Bereich der Auslassöffnung 6 sich nicht eine Übergangsflanke 81, 82 des unteren Teilsegmentes 8 befindet, sondern die Auslassöffnung etwa in der Mitte eines unteren Teilsegmentes 8 liegt.
In der einzigen Figur ist dargestellt, dass die jeweiligen oberen Teilsegmente 7 sich mit den zugehörigen unteren Teilsegmenten 8 überlappen, das heißt, die Übergangsflanken 71, 72 liegen im gekrümmten Verlauf der Flanke des unteren Teilsegmentes 8 und umgekehrt, wobei in besonders vorteilhafter Weise die Übergangflanken 71, 72 der oberen Teilsegmente 7 etwa in der Mitte des sich zwischen den Übergangsflanken 81, 82 erstreckenden unteren Teilsegmentes 8 liegen (und umgekehrt).
Alternativ dazu ist vorgesehen, dass sich zumindest ein oberes Teilsegment 7 und zumindest ein unteres Teilsegment 8 in Bezug auf die Kolbenhubachse 3 vollständig überdecken.
Der Kühlkanal 1 weist auch im Bereich der Übergangsflanken einen Querschnitt auf, der im Regelfall rund oder ellipsenförmig ist, aber nicht sein muss.
Der gekrümmte Verlauf der einzelnen Teilsegmente ist in jedem Fall im Bereich der oberen Scheitellinie des oberen Teilsegmentes 7 bzw. im Bereich der unteren Scheitellinie des unteren Teilsegmentes 8 vorhanden und geht dann auf Grund des Querschnittes des Kühlkanales stetig in dessen innere und äußere Seitenwand über, wobei der Durchmesser der inneren und äußeren Seitenwand im radialen Verlauf konstant ist.
Besonders wichtig und vorteilhaft in Bezug auf die Kühlmittelförderung ist die Ausgestaltung der von den Öffnungen 5, 6 bzw. deren Symmetriachsen 91, 91 ausgehenden oberen Flanken 73 bzw. 74 sowie die unteren Flanken 83, 84. Das bedeutet, dass das obere Teilsegment 7 oberhalb der Einlassöffnung 5 und/oder oberhalb der Auslassöffnung 6 tangential in ein weiteres, spiegelbildlich zur Symmetrieachse angeordnetes Teilsegment übergeht. Das Gleiche gilt für die unteren Teilsegmente 8. Somit sind die Flanken 73, 74 oberhalb der Einlassöffnung 5 und/oder die Flanken 75, 76 oberhalb der Auslassöffnung 6 spiegelbildlich zu der jeweiligen Symmetrieachse 91, 91 ausgeführt. Ebenso sind alternativ oder ergänzend die unteren Flanken 83, 84 ausgehend von der Einlassöffnung 5 und/oder die unteren Flanken 85, 86 ausgehend von der Auslassöffnung 6 spiegelbildlich zu der jeweiligen Symmetrie achse 91, 91 ausgeführt. Die Flanken 73, 74 bilden dabei oberhalb der Einlassöffnung einen nach unten gerichteten Scheitel zur Aufteilung des eingespritzten Kühlmediums, so dass es in Strömungsrichtung 4 in die beiden Kühlkanalhälften geleitet wird.

1: Kühlkanal
2: Kolbenboden
3: Kolbenhubachse
4: Strömungsrichtung
5: Einlassöffnung
6: Auslassöffnung
7: oberes Teilsegment
8: unteres Teilsegment
71: Übergangflanke
72: Übergangflanke
73: Flanke
74: Flanke
75: Flanke
76: Flanke
81: Übergangflanke
82: Übergangflanke
83: Flanke
84: Flanke
85: Flanke
86: Flanke
91: Symmetrieachse
92: Symmetrieachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10319230 A1 [0002]

Claims

Kolben einer Brennkraftmaschine, der einen Kühlkanal (1) in seinem Kolbenboden (2) aufweist, wobei der Kühlkanal (1) zumindest eine Einlassöffnung (5) und zumindest eine Auslassöffnung (6) aufweist und ein in die Einlassöffnung (5) eingespritztes Kühlmedium sich in Strömungsrichtung (4) zu der Auslassöffnung (6) auf Grund einer Auf- und Abbewegung des Kolbens in Richtung einer Kolbenhubachse (3) bewegt, wobei weiterhin der Kühlkanal (1) in seiner radial umlaufenden Erstreckung von der Einlassöffnung (5) zu der Auslassöffnung (6) obere Teilsegmente (7) und/oder untere Teilsegmente (8) mit in Bezug auf die Kolbenhubachse (3) ansteigenden und/oder abfallenden Flanken aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Flanke zumindest des einen oberen Teilsegmentes (7) und/oder des zumindest einen unteren Teilsegmentes (8) gekrümmt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf bogenförmig ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf kreissegmentförmig ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf ellipsenförmig ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen oberen Teilsegmente (7) in ihrem radialen Verlauf alle gleich, teilweise unterschiedlich oder alle unterschiedlich ausgebildet sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen unteren Teilsegmente (8) in ihrem radialen Verlauf alle gleich, teilweise unterschiedlich oder alle unterschiedlich ausgebildet sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen oberen Teilsegmente (7) sich mit den zugehörigen unteren Teilsegmenten (8) überlappen, wobei Übergangsflanken (71, 72) des oberen Teilsegmentes (7) im gekrümmten Verlauf der Flanke des jeweiligenunteren Teilsegmentes (8) liegen (und umgekehrt)
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangflanken (71, 72) der oberen Teilsegmente (7) etwa in der Mitte des sich zwischen den Übergangsflanken (81, 82) erstreckenden unteren Teilsegmentes (8) liegen (und umgekehrt).
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein oberes Teilsegment (7) und zumindest ein unteres Teilsegment (8) in Bezug auf die Kolbenhubachse (3) vollständig überdecken.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Verlauf der einzelnen Teilsegmente (7, 8) im Bereich der oberen Scheitellinie des oberen Teilsegmentes (7) bzw. im Bereich der unteren Scheitellinie des unteren Teilsegmentes (8) vorhanden ist und auf Grund des Querschnittes des Kühlkanales (1) stetig in dessen innere und äußere Seitenwand über geht, wobei der Durchmesser der inneren und äußeren Seitenwand im radialen Verlauf konstant ist.