DE102009059656B4

DE102009059656B4 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009059656B4
Application number: DE102009059656.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fiedler Rolf-Gerhard
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-12-19
Filing date: 2009-12-19
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2029-12-20
Also published as: DE102009059656A1

Abstract

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenkopf (11) ringförmig umlaufenden Kühlkanal (19), dadurch gekennzeichnet,- dass im Kühlkanal (19) ein Bauteil (24) frei beweglich angeordnet ist,- dass der Kühlkanal (19) geschlossen ausgebildet ist,- dass das Bauteil (24) ringförmig ausgebildet ist,- dass der Durchmesser des ringförmig ausgebildeten Bauteils (24) dem Durchmesser des Zenits (19') des Kühlkanals (19) entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenkopf ringförmig umlaufenden Kühlkanal.
Derartige Kühlkanalkolben sind in zahlreichen Bauformen bekannt, wie bspw. einteilige Kolben, gebaute Kolben, Pendelschaftkolben und sonstige mehrteilige Kolben. Bei derartigen Kühlkanalkolben besteht das generelle Problem, dass sich an der Innenwand des Kühlkanals eine Schmutzschicht aus so genannter Ölkohle aufbauen kann. Die Ölkohle besteht im Allgemeinen aus Verbrennungsrückständen aus dem im Kühlkanal zirkulierenden, in der Regel mit Additiven angereicherten Kühlöl. Die Ölkohle besteht demzufolge im Wesentlichen aus Kohlenstoff sowie bspw. Zink, Schwefel, Phosphor und Kalzium. Die Ölkohle entsteht insbesondere im Zenit des Kühlkanals, der sich unmittelbar unter dem Kolbenboden befindet, wo besonders hohe Temperaturen herrschen, so dass das im Kühlkanal zirkulierende Kühlöl insbesondere in diesem Bereich thermisch zu Ölkohle zersetzt wird. Die Ölkohleschicht, die eine Dicke von bis zu mehreren Zehntelmillimetern erreichen kann, ist ein schlechter Wärmeleiter und wirkt somit wie eine Sperr- oder Isolationsschicht, d.h. sie behindert die Wärmeübertragung vom Kolbenboden zum Kühlöl, so dass der Kolben in diesem Bereich überhitzt werden kann.
Aus der DE 198 46 496 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden und mindestens einem unterhalb des Kolbenbodens angeordneten mit Öl beschickbaren Kühlraum bekannt, dessen untere Begrenzung durch ein am Kolben fixiertes elastisch verformbares Blech gebildet ist.
Aus der DE 39 35 077 A1 ist eine Einrichtung zur Verhinderung der Kohlenstoffablagerung auf Kolben für Innenverbrennungsmotoren bekannt, wobei die Kolben mindestens eine Kompressionsringnut und mindestens einen Kompressionsring aufweisen. Die Einrichtung umfasst mindestens ein ringförmiges Teil, das in dem Raum angeordnet ist, der durch die Innenkante des Kompressionsrings, die obere und untere Wand der Kompressionsringnut, und den Nutgrund der Kompressionsringnut begrenzt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, dass der Aufbau einer Ölkohleschicht an der Innenwand des Kühlkanals behindert oder verhindert wird.
Die Lösung besteht darin, dass im Kühlkanal mindestens ein ringförmiges Bauteil frei beweglich angeordnet und der Kühlkanal geschlossen ausgebildet ist. Zudem entspricht der Durchmesser des ringförmig ausgebildeten Bauteils dem Durchmesser des Zenits des Kühlkanals.
Das mindestens eine Bauteil kann sich im Kühlkanal frei bewegen, so dass es im Betrieb aufgrund der Auf- und Abbewegung des Kolbens an beliebigen Stellen gegen die Innenwand des Kühlkanals prallt. Durch den beim Aufprall erzeugten Schlagimpuls wird eine ggf. vorhandene Ölkohleschicht zunächst angegriffen, so dass Risse und Sprünge entstehen, und im weiteren Verlauf abgetragen. So kann auf besonders einfache Weise die Bildung einer Ölkohleschicht dauerhaft unterbunden und die Überhitzung des Kolbens vermieden werden. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist dabei ein ringförmig ausgebildetes Bauteil vorgesehen. Ein derartiges Bauteil stellt einen besonders guten Kompromiss zwischen einer effektiven Bearbeitung der Innenwand des Kühlkanals und der damit verbundenen mechanischen Belastung des Kolbens dar. Ein ringförmig ausgebildetes Bauteil wird insbesondere zwischen dem Zenit und dem Nadir des Kühlkanals hin und her bewegt, so dass der besonders kritische Bereich, nämlich der Zenit des Kühlkanals, von dem ringförmig ausgebildeten Bauteil regelmäßig getroffen wird.
Das ringförmig ausgebildete Bauteil kann als offener oder geschlossener Ring ausgebildet sein. Dies hängt im Wesentlichen von der Bauart des Kolbens ab, welche die Montage des Bauteils bestimmt.
Das ringförmig ausgebildete Bauteil kann über seinen Umfang wellenförmig gestaltet sein, um die Wirksamkeit beim Aufprall auf die Innenwand des Kühlkanals punktuell zu verstärken.
Das ringförmig ausgebildete Bauteil kann bspw. einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, so dass es besonders leicht herzustellen ist, bspw. aus einem drahtförmigen Halbzeug.
Der Durchmesser des ringförmig ausgebildeten Bauteils entspricht dem Durchmesser des Zenits des Kühlkanals, so dass im Betrieb der Bereich des Zenits zentral und damit am wirkungsvollsten getroffen wird.
Zur weiteren Verstärkung des beim Aufprall erzeugten Schlagimpulses kann das mindestens eine Bauteil eine strukturierte Oberfläche aufweisen, bspw. Rauigkeiten, Riefen, Rillen, Noppen etc..
Das mindestens eine Bauteil kann aus einem beliebigen Werkstoff bestehen, der thermisch beständig und gegen Kühlöl unempfindlich sein sollte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe oder Kunststoffe.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben;
2 einen Schnitt entlang der Linie II - II in 1.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein einteiliger Stahlkolben und weist einen Kolbenkopf 11 und einen Kolbenschaft 12 auf, die über eine Schaftanbindung 13 einstückig miteinander verbunden sind. Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 14 mit einer Verbrennungsmulde 15 auf. An den Kolbenboden 14 schließen sich ein umlaufender Feuersteg 16 und eine umlaufenden Ringpartie 17 mit Kolbenringnuten 18 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) an. Die umlaufende Ringpartie 17 begrenzt einen an der Unterseite des Kolbenbodens 14 angeordneten umlaufenden, unten offenen Kühlkanal 19 radial nach außen. Der Kühlkanal 19 ist mit einem Abdeckring 21 verschlossen. Der Zenit 19' des Kühlkanals 19 ist unmittelbar unterhalb des Kolbenbodens 14 angeordnet. Daher stellt der Zenit 19' den Bereich des Kühlkanals 19 mit den höchsten Temperaturen dar, wo sich zuerst eine Ölkohleschicht bilden kann. Der Kolbenschaft 12 weist Naben 22 auf, die mit Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen sind.
Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich auch für beliebige andere Bauarten von Kolben mit Kühlkanal geeignet.
Erfindungsgemäß ist im Kühlkanal 19 ein Bauteil 24 in Form eines offenen Ringes frei beweglich eingeschlossen. Das Bauteil 24 ist im Ausführungsbeispiel als offener elastischer Stahldrahtring mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Das Bauteil 24 kann insbesondere auch wellenförmig und/oder mit strukturierter Oberfläche ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 24 nach der Fertigstellung des Kolbens 10 in den Kühlkanal 19 eingelegt, der anschließend mit dem Abdeckring 21 verschlossen wird. Hierfür wird das Bauteil 24 aufgeweitet, bis es im Bereich der Schaftanbindung 13 um den Kolben gelegt und nach oben in den Kühlkanal 19 geschoben werden kann. Dort nimmt das Bauteil 24 seine vorbestimmte Lage und Form ein (vgl. 2). Der Durchmesser des Bauteils 24 ist so bemessen, dass es im Betrieb des Kolbens, wobei im Kühlkanal 19 Kühlöl zirkuliert, im Bereich des Zenits 19' des Kühlkanals 19 aufprallt. Dadurch wird die Bildung einer Ölkohleschicht vor allem im Bereich des Zenits 19' des Kühlkanals 19, effektiv unterbunden.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere auch mit gegossenen Kolben verwirklicht werden, die einen geschlossenen Kühlkanal aufweisen. Derartige Kühlkanalkolben werden in an sich bekannter Weise hergestellt, indem ein Salzkern in die Gießform eingelegt und nach dem Gießen des Kolbens ausgespült wird. Der resultierende Hohlraum bildet den Kühlkanal. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens werden das oder die erfindungsgemäß vorgesehenen Bauteile, bspw. ein offener oder geschlossener Ring oder Kügelchen, in den Salzkern eingearbeitet, bevor dieser in die Gießform eingebracht wird. Nach dem Ausspülen des Salzkerns sind das oder die Bauteile frei beweglich im Kühlraum eingeschlossen.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenkopf (11) ringförmig umlaufenden Kühlkanal (19), dadurch gekennzeichnet, - dass im Kühlkanal (19) ein Bauteil (24) frei beweglich angeordnet ist, - dass der Kühlkanal (19) geschlossen ausgebildet ist, - dass das Bauteil (24) ringförmig ausgebildet ist, - dass der Durchmesser des ringförmig ausgebildeten Bauteils (24) dem Durchmesser des Zenits (19') des Kühlkanals (19) entspricht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmig ausgebildete Bauteil (24) als offener oder geschlossener Ring ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmig ausgebildete Bauteil (24) über seinen Umfang wellenförmig gestaltet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmig ausgebildete Bauteil (24) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Bauteil (24) eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Bauteil (24) aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff besteht.