DE102009027148A1

DE102009027148A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Kühlkanalsystem

Info

Publication number: DE102009027148A1
Application number: DE102009027148A
Authority: DE
Inventors: Scott Kenningley; Thomas Danninger; Markus Rappe; Arnd Baberg
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: DE102009027148B4

Abstract

Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanalsystem aus zumindest zwei ringförmigen Kühlkanälen (18, 20) und zumindest einem die beiden ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) verbundenden Verbindungskanal (26), wobei das Kühlkanalsystemm einen oder mehrere Zuflüsse (28) und einen oder mehrere Abflüsse (30) für ein Kühlmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zuflüsse (28) an einem der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) und alle Abflüsse (30) an einem anderen der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) vorgesehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanalsystem aus zumindest zwei ringförmigen Kühlkanälen.
STAND DER TECHNIK
Mit wachsenden Leistungsanforderungen an Kolben, insbesondere bei Dieselmotoren, nehmen die thermischen und mechanischen Belastungen weiterhin zu. Es werden gegenwärtig verschiedene Ansätze zur Steigerung der Belastbarkeit des Kolbens verfolgt. Beispielsweise wurde eine Steigerung der Warmfestigkeit der Kolbenlegierung vorgesehen. Der Einsatz insbesondere von Aluminiumlegierungen ist jedoch thermisch begrenzt, da die zur Steigerung der Warmfestigkeit zugegebenen Elemente, insbesondere Nickel und Kupfer, zu einer Absenkung der Schmelztemperatur führen. Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Warmfestigkeit von Aluminiumkolben bestehen in dem Einbringen von Bewehrungen, beispielsweise durch Umschmelzen, Auflegieren, Einbringen von metallischen oder keramischen Fasern oder von Dispersionswerkstoffen. Ferner besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Kolben aus Verbundwerkstoffen herzustellen. Die bislang bekannten Lösungen weisen den Nachteil hoher Herstellungskosten auf.
Einen anderen Weg beschreiben die DE 10 2006 027 354 A1 und DE 10 2004 056 769 A1 , welche die Belastungsfähigkeit des Kolbens durch eine verbesserte Kühlarchitektur verbessern. Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung der Kühlarchitektur der DE 10 2004 056 769 A1 dar, die den Oberbegriff des Hauptanspruchs bildet. Darin sind mehrere Kühlkanäle oder miteinander verbundene Kühlabschnitte vorgesehen, die in unterschiedlichen Zonen des Kolbens verlaufen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe. zugrunde, einen Kolben mit verbesserter Kühlwirkung zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Danach weist der Kolben ein Kühlkanalsystem aus zumindest zwei ringförmigen Kühlkanälen auf. Die beiden ringförmigen Kühlkanäle sind mit zumindest einem Verbindungskanal verbunden, wobei das Kühlkanalsystem einen oder mehrere Zuflüsse und einen oder mehrere Abflüsse für Kühlmittel aufweist. Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass alle Zuflüsse an einem der ringförmigen Kühlkanäle und alle Abflüsse an einem anderen der ringförmigen Kühlkanäle vorgesehen sind. Indem die Zu- und Abflüsse auf diese Weise systematisch getrennt sind, ist gewährleistet, dass Kühlmittel, das durch die Zuflüsse eingebracht wird, einen beträchtlichen Teil des Kühlkanalsystems zurücklegt, bevor es durch die Abflüsse abgegeben wird. Dadurch können die Temperaturen im gesamten Kolben wirkungsvoller gesenkt werden.
Vorzugsweise befinden sich zumindest zwei der ringförmigen Kühlkanäle in axialer Kolbenrichtung zumindest teilweise auf unterschiedlichem Niveau, um eine weiträumigere und gezieltere Kühlung besonders beanspruchter Bereiche zu ermöglichen. Zu der Anordnung „auf unterschiedlichem Niveau” ist zu sagen, dass darunter eine Übereinander- und/oder Nebeneinander-Anordnung von in sich geschlossenen Kühlkanälen oder Kühlkanalabschnitten gemeint ist. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte, die sich entlang der Kolbenachse auf unterschiedlichem (axialen) Niveau befinden, im Bereich der kürzesten Verbindung zwischen zwei derartigen Kanälen und Abschnitten durch Kolbenmaterial voneinander abgegrenzt sind. Gleichwohl könnten sie durch eine geeignete, im weitesten Sinne schraubenlinienförmige Verbindung strömungstechnisch miteinander verbunden sein. Daneben kann die Verbindung zwischen zwei derartigen Kühlkanalabschnitten auch durch weitestgehend parallel zur Kolbenachse verlaufende Verbindungsöffnungen oder Bohrungen erfolgen. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich die beiden Kühlkanalabschnitte lediglich in Richtung der Kolbenachse, nicht jedoch in radialer Richtung, auf unterschiedlichem Niveau befinden.
Vorzugsweise weisen zumindest zwei der ringförmigen Kühlkanäle unterschiedliche Umfangslängen auf, um eine weiträumigere und gezieltere Kühlung besonders beanspruchter Bereiche zu ermöglichen.
Ein guter Kompromiss aus konstruktivem Aufwand und raumgreifender Kühlung des Kolbens ergibt sich, wenn der Kolben genau zwei ringförmige Kühlkanäle aufweist.
Vorzugsweise befindet sich der radial innere Kühlkanal bei einem Kolben mit zwei Kühlringen im Bereich der Brennraumbasis des Kolbens, wohingegen der radial äußere Kühlkanal im Bereich der Brennraumkante vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders gute Kühlwirkung bei einer Ausführungsform erreicht werden kann, bei der bei einem Kolben mit einer Brennraummulde zumindest ein Kühlkanal im Bereich radial neben der Brennraummulde vorgesehen ist. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um einen Kühlkanal in einem bezüglich der Kolbenachse „oberen”, in der Umgebung des Kolbenbodens befindlichen Bereich. Ergänzend hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest einen Kühlkanal in einem Bereich axial unterhalb der Brennraummulde vorzusehen. Dieser Kühlkanal kann beispielsweise im Bereich oberhalb eines äußeren Rands der Brennraummulde angeordnet sein.
Gegebenenfalls ergänzend hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest einen Kühlkanal in einem Bereich axial unterhalb der Brennraummulde vorzusehen. Dieser Kühlkanal kann beispielsweise im Bereich unterhalb eines äußeren Randes der Brennraummulde angeordnet sein. Vorzugsweise befindet sich ein solcher radial innere Kühlkanal im Bereich der Bolzenbohrungen.
Vorzugsweise weist der radial äußere Kühlkanal einen größeren Querschnitt auf. Auf diese Weise wird das Strömungsverhalten des Kühlmittels im Kühlkanalsystem vorteilhaft gesteuert.
Vorzugsweise befindet sich der zumindest eine Zufluss an dem radial äußeren Kühlkanal und der zumindest eine Abfluss an dem radial inneren Kühlkanal. Auf diese Weise erfolgt die Kühlung aus radialer Sicht von außen nach innen. Ferner ist eine solche Anordnung vorteilhaft für die Gestaltung der Zu- und Abflüsse des Kühlmittels.
Vorzugsweise sind genau zwei Zuflüsse an dem radial äußeren Kühlkanal und genau zwei Abflüsse an dem radial inneren Kühlkanal vorgesehen, die jeweils symmetrisch angeordnet sein können, um den Kühlmittelfluss im Kühlkanalsystem zu optimieren.
Vorzugsweise sind zwischen den Kühlkanälen mehrere Verbindungskanäle vorgesehen, vorzugsweise vier bis acht, um den Kühlmittelfluss im Kühlkanalsystem zu verbessern.
Vorzugsweise sind die mehreren Verbindungskanäle symmetrisch angeordnet, um die Laufeigenschaften des Kolbens nicht zu beeinträchtigen.
Dazu sind die ringförmigen Kühlkanäle vorzugsweise kreisförmig symmetrisch um die Kolbenachse vorgesehen und jeder kreisförmige Kühlkanal bildet hierbei vorzugsweise eine Ebene, die senkrecht auf der Kolbenachse steht.
Vorzugsweise weist zumindest einer der ringförmigen Kühlkanäle entlang des Umfangs zumindest einen Bereich eines abweichenden Querschnitts auf, um die Strömungseigenschaften und lokale Kühlwirkung zu steuern.
Es hat sich herausgestellt, dass zu dem Zweck lokale Bereiche eines größeren Querschnitts vorteilhaft sind.
Vorzugsweise ist zumindest ein Abfluss so über dem Bolzen angeordnet, dass das austretende Kühlmittel auf den Bolzen im Bereich der Bolzenbohrung und auf den Pleuel gelangen kann, um eine effektive Kühlung dieser besonders beanspruchten Bereiche zu gewährleisten.
Hierzu und aus Symmetriegründen sind vorzugsweise zwei Abflüsse vorgesehen, die sich diametral gegenüber stehen und so angeordnet sind, dass das austretende Kühlmittel auf den Bolzen, in den Bereich der Bolzenbohrungen und auf den Pleuel gelangen kann.
Die Erfindung ist besonders für Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung geeignet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine dreidimensionale, aufgeschnittene Darstellung eines Kolbens;
2 zeigt den Kolben aus 1 in einer anderen Perspektive und in einer Darstellung mit geschlossenem Kühlkreislauf;
3 zeigt das Kanalsystem in einer dreidimensionalen Darstellung, wobei der Bereich des Kolbenkopfs zur besseren Visualisierung des Kanalsystems weggelassen wurde;
4 zeigt den Kolben von unten;
5 ist eine dreidimensionale Darstellung des Kühlkanalsystems;
6 zeigt das Kühlkanalsystem von der Seite.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der Kolben 10, der vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, eine Brennraummulde 12, die ω-förmig sein kann, mehrere Ringnuten 14 und zwei Bolzenbohrungen 16 auf. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist im Kolbenkopf 11 zwei – bis auf in dieser Figur nicht gezeigte Verbindungen – geschlossene ringförmige Kühlkanäle 18 und 20 auf, von denen in der abgeschnittenen Version der 1 nur die Öffnungen zu erkennen sind.
In 2 sind die ringförmigen Kanäle 18 und 20 in Verbindung mit dem Kolben dreidimensional dargestellt. Die Kühlkanäle weisen einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt auf. Ein erster Kühlkanal 18 befindet sich in einem Bereich „neben” der Brennraummulde 12 und in axialer Richtung auf vergleichweise hohem Niveau, insbesondere ein kurzes Stück unterhalb des Kolbenbodens 22. Insoweit wird er nachfolgend als Bodenkühlkanal 18 bezeichnet.
Ein zweiter Kühlkanal 20 ist auf einem Niveau unterhalb der Brennraummulde 12 und unterhalb des Bodenkühlkanals 18 vorgesehen. Dieser Kühlkanal wird nachfolgend als Muldenkühlkanal 20 bezeichnet. Er befindet sich nicht nur, wie erwähnt, hinsichtlich der Höhe in Richtung der Kolbenachse auf einem niedrigeren Niveau, sondern ist darüber hinaus an einer radial weiter innen liegenden Position ausgebildet. An dieser Stelle kann der Muldenkühlkanal 20 besonders effizient für die Kühlung der heißen Zone zwischen der Brennraummulde 12 und den Bolzenbohrungen 16 sorgen.
In den 2 bis 6 ist das Augenmerk auf das Kühlkanalsystem gerichtet. In den 3 bis 6 sind die Kühlmittelzuläufe 28 und die Kühlmittelabläufe 30 zu erkennen. Der Zulauf von Kühl- und/oder Schmierflüssigkeit erfolgt über die getrennt und diametral angeordneten Zuläufe 28, die mit dem Bodenkühlkanal 18 verbunden sind. Die Zuläufe 28 weisen jeweils eine Öffnung auf, die sich in den Bereich öffnet, der von dem Kolbenschaft umgeben ist. Düsen, die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind, können einen Kühlmittelstrahl erzeugen, der in die entsprechenden Zulauföffnungen der Zuläufe 28 eintritt. Auf diese Weise können die Kühlkanäle mit Kühlmittel versorgt werden.
Zwei diametral gegenüberliegende Abläufe 30 sind mit dem Muldenkühlkanal 20 verbunden. Die Abläufe sind so vorgesehen, dass sie das Kühlmittel auf den Pleuel abgeben können. Beide Kühlkanäle sind mit vier Verbindungskanälen 26 verbunden, um einen Kühlkreislauf durch die beiden ringförmigen Kühlkanäle zu ermöglichen und eine Verbindung zwischen den Zuläufen und den Abläufen zu gewährleisten.
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 102006027354 A1 [0003]
- DE 102004056769 A1 [0003, 0003]

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanalsystem aus zumindest zwei ringförmigen Kühlkanälen (18, 20) und zumindest einem die beiden ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) verbindenden Verbindungskanal (26), wobei das Kühlkanalsystem einen oder mehrere Zuflüsse (28) und einen oder mehrere Abflüsse (30) für ein Kühlmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zuflüsse (28) an einem der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) und alle Abflüsse (30) an einem anderen der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest zwei der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) in axialer Kolbenrichtung zumindest teilweise auf unterschiedlichem Niveau befinden.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) unterschiedliche Umfangslängen aufweisen.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben genau zwei ringförmige Kühlkanäle (18, 20) aufweist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben einen Kolbenboden (22) mit einer Brennraummulde (12), die eine Brennraumbasis und eine Brennraumkante hat, aufweist, wobei der radial innere Kühlkanal (20) im Bereich der Brennraumbasis vorgesehen ist, wohingegen der radial äußere Kühlkanal (18) im Bereich der Brennraumkante vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben Bolzenbohrungen (16) aufweist, und sich der radial innere Kühlkanal (20) im Bereich der Bolzenbohrungen (16) befindet.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Kühlkanal (18) einen größeren Querschnitt als der radial innere Kühlkanal (20) aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zufluss (28) an dem radial äußeren Kühlkanal (18) und der zumindest eine Abfluss (30) an dem radial inneren Kühlkanal (20) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Zuflüsse (28) an dem radial äußeren Kühlkanal (18) und genau zwei Abflüsse (30) an dem radial inneren Kühlkanal (20) vorgesehen sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ringförmigen Kühlkanälen (18, 20) mehrere Verbindungskanäle (26) vorgesehen sind, vorzugsweise vier bis acht, welche die beiden ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) miteinander verbinden.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Verbindungskanäle (26) symmetrisch zueinander angeordnet sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Kühlkanäle (26) kreisförmig symmetrisch um die Kolbenachse vorgesehen sind, und jeder kreisförmige Kühlkanal (18, 20) eine Ebene bildet, die senkrecht auf der Kolbenachse steht.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) entlang des Umfangs zumindest einen Bereich eines abweichenden Querschnitts aufweist, vorzugsweise sind lokale Bereiche eines größeren Querschnitts vorgesehen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben einen Bolzen, der in Bolzenbohrungen (16) des Kolbens gelagert ist, mit Pleuel aufweist, und zumindest ein Abfluss (30) so über dem Bolzen angeordnet ist, dass das austretende Kühlmittel auf den Bolzen, vorzugsweise in den Bereich der Bolzenbohrungen (16) und auf den Pleuel, gelangen kann.
Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Abflüsse (30) vorgesehen sind, die sich diametral gegenüber stehen und so angeordnet sind, dass das austretende Kühlmittel auf den Bolzen, vorzugsweise in den Bereich der Bolzenbohrungen und auf den Pleuel gelangen kann.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben ein Aluminiumkolben oder ein Kolben aus einer Aluminiumlegierung ist.