DE102009027148B4 - Piston for an internal combustion engine with cooling duct system - Google Patents
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Abstract
Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanalsystem aus genau 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,
wobei alle Zuflüsse (28) an einem der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) und alle Abflüsse (30) an dem anderen der ringförmigen Kühlkanäle (18, 20) vorgesehen sind, wobei
genau zwei Zuflüsse (28) an dem radial äußeren Kühlkanal (18) und genau zwei Abflüsse (30) an dem radial inneren Kühlkanal (20) vorgesehen sind, und
der Kolben mit einem Bolzen, der in Bolzenbohrungen (16) des Kolbens gelagert ist, bestückbar ist, und zumindest ein Abfluss (30) so über dem Bolzen angeordnet ist, dass das austretende Kühlmittel auf den Bolzen gelangen kann.Piston for an internal combustion engine, with a cooling channel system of exactly two annular cooling channels (18, 20) and at least one connecting channel (26) connecting the two annular cooling channels (18, 20), the cooling channel system having one or more inflows (28) and one or more Having outlets (30) for a coolant,
wherein all the inlets (28) on one of the annular cooling channels (18, 20) and all outlets (30) on the other of the annular cooling channels (18, 20) are provided,
exactly two inflows (28) on the radially outer cooling channel (18) and exactly two outlets (30) are provided on the radially inner cooling channel (20), and
the piston can be equipped with a bolt which is mounted in bolt bores (16) of the piston, and at least one outflow (30) is arranged above the bolt so that the escaping coolant can reach the bolt.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanalsystem aus zumindest zwei ringförmigen Kühlkanälen.The invention relates to a piston for an internal combustion engine, with a cooling channel system comprising at least two annular cooling channels.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
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.With increasing performance requirements on pistons, especially diesel engines, the thermal and mechanical loads continue to increase. Various approaches are currently being pursued to increase the capacity of the piston. For example, an increase in the hot strength of the piston alloy was provided. However, the use of aluminum alloys in particular is thermally limited, since the elements added to increase the heat resistance, in particular nickel and copper, lead to a lowering of the melting temperature. Other measures to increase the heat resistance of aluminum pistons consist in the introduction of reinforcements, for example by remelting, alloying, introduction of metallic or ceramic fibers or of dispersion materials. Furthermore, it is basically possible to produce pistons from composite materials. The previously known solutions have the disadvantage of high production costs.
Einen anderen Weg beschreiben die
Die
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit verbesserter Kühlwirkung zu schaffen.The invention has for its object to provide a piston with improved cooling effect.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.The object is achieved by the piston described in claim 1.
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.Thereafter, the piston has a cooling channel system of at least two annular cooling channels. The two annular cooling channels are connected to at least one connecting channel, wherein the cooling channel system has one or more inflows and one or more outflows for coolant. The piston according to the invention is characterized in that all inflows are provided on one of the annular cooling channels and all outlets are provided on another of the annular cooling channels. By systematically separating the inlets and outlets in this manner, it is ensured that coolant introduced through the inflows travels a substantial portion of the cooling duct system before being discharged through the outlets. As a result, the temperatures in the entire piston can be lowered more effectively.
Erfindungsgemäß 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.According to the invention, at least one outflow is arranged above the bolt such that the exiting coolant can reach the bolt in the area of the bolt bore and onto the connecting rod in order to ensure effective cooling of these particularly stressed areas.
Da der Kolben genau zwei Kühlkanäle aufweist, ergibt sich ein guter Kompromiss aus konstruktivem Aufwand und raumgreifender Kühlung des Kolbens.Since the piston has exactly two cooling channels, a good compromise results from constructive effort and expansive cooling of the piston.
Hierbei 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.In this case, exactly two inlets are provided on the radially outer cooling channel and exactly two outflows on the radially inner cooling channel, which can each be arranged symmetrically in order to optimize the coolant flow in the cooling channel system.
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.Preferably, at least two of the annular cooling channels in the axial piston direction are at least partially at different levels in order to enable a more spacious and targeted cooling of particularly stressed areas. As to the "different level" arrangement, it is meant to mean a superimposed and / or juxtaposed arrangement of self-contained cooling channels or cooling channel sections. It is preferably provided that cooling channels or cooling channel sections which are located at different (axial) levels along the piston axis are delimited from one another in the region of the shortest connection between two such channels and sections by piston material. However, they could be fluidly interconnected by a suitable, in the broadest sense helical connection.
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.In addition, the connection between two such cooling duct sections can also be effected by connection openings or bores extending as far as possible parallel to the piston axis. this applies In particular, when the two cooling duct sections are only in the direction of the piston axis, but not in the radial direction, at different levels.
Vorzugsweise weisen zumindest zwei der ringförmigen Kühlkanäle unterschiedliche Umfangslängen auf, um eine weiträumigere und gezieltere Kühlung besonders beanspruchter Bereiche zu ermöglichen.Preferably, at least two of the annular cooling channels have different circumferential lengths in order to allow a more spacious and targeted cooling of particularly stressed areas.
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.Preferably, the radially inner cooling channel is in a piston with two cooling rings in the region of the combustion chamber base of the piston, whereas the radially outer cooling channel is provided in the region of the combustion chamber edge. It has been found that a particularly good cooling effect can be achieved in an embodiment in which, in the case of a piston with a combustion chamber recess, at least one cooling channel is provided in the area radially adjacent to the combustion chamber recess. In other words, this is a cooling channel in a "upper" with respect to the piston axis, located in the vicinity of the piston crown area. In addition, it has proved to be advantageous to provide at least one cooling channel in a region axially below the combustion chamber trough. This cooling channel can be arranged, for example, in the region above an outer edge of the combustion bowl.
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.Optionally, in addition to this, it has proved to be advantageous to provide at least one cooling channel in a region axially below the combustion chamber trough. This cooling channel can be arranged, for example, in the region below an outer edge of the combustion bowl. Such a radially inner cooling channel is preferably located in the region of the bolt bores.
Vorzugsweise weist der radial äußere Kühlkanal einen größeren Querschnitt auf. Auf diese Weise wird das Strömungsverhalten des Kühlmittels im Kühlkanalsystem vorteilhaft gesteuert.Preferably, the radially outer cooling channel has a larger cross-section. In this way, the flow behavior of the coolant in the cooling channel system is advantageously controlled.
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.Preferably, the at least one inflow is located on the radially outer cooling channel and the at least one outflow is located on the radially inner cooling channel. In this way, the cooling takes place from the radial view from outside to inside. Furthermore, such an arrangement is advantageous for the design of the inflows and outflows of the coolant.
Vorzugsweise sind zwischen den Kühlkanälen mehrere Verbindungskanäle vorgesehen, vorzugsweise vier bis acht, um den Kühlmittelfluss im Kühlkanalsystem zu verbessern.Preferably, a plurality of connection channels are provided between the cooling channels, preferably four to eight, in order to improve the coolant flow in the cooling channel system.
Vorzugsweise sind die mehreren Verbindungskanäle symmetrisch angeordnet, um die Laufeigenschaften des Kolbens nicht zu beeinträchtigen.Preferably, the plurality of connection channels are arranged symmetrically so as not to affect the running properties of the piston.
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.For this purpose, the annular cooling channels are preferably provided in a circularly symmetrical manner about the piston axis, and each circular cooling channel in this case preferably forms a plane which is perpendicular to the piston axis.
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.Preferably, at least one of the annular cooling channels along the circumference has at least a portion of a different cross section to control the flow characteristics and local cooling effect.
Es hat sich herausgestellt, dass zu dem Zweck lokale Bereiche eines größeren Querschnitts vorteilhaft sind. It has been found that for the purpose local areas of a larger cross-section are advantageous.
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.For this purpose, and for reasons of symmetry, two outflows are preferably provided, which are diametrically opposed and arranged so that the escaping coolant can reach the bolt, into the region of the bolt holes and onto the connecting rod.
Die Erfindung ist besonders für Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung geeignet. The invention is particularly suitable for pistons made of aluminum or an aluminum alloy.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Wie in
In
Ein zweiter Kühlkanal
In den
Zwei diametral gegenüberliegende Abläufe
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