DE102010015568A1 - Kolbenoberteil eines gebauten oder geschweißten Kolbens mit erweiterten Kühlräumen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein bevorzugt gebauter oder geschweißter flüssigkeitsgekühlter Kolben, der aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (7) aufweisenden Kolbenoberteil (1) besteht. Diese Kolbenbauteile sind über radial zueinander beabstandete, gemeinsam eine Trennungsebene (4) bildende Fügestege (2, 3) abgestützt und vorzugsweise stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder vorzugsweise reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt. Das Kolbenoberteil (1) umfasst zur Aufnahme von Kolbenringen ein Ringfeld (10) und schließt einen ringförmigen, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckenden Kühlkanal (11) ein, der über Verbindungskanäle (15) mit einem inneren Kühlraum (16) in Verbindung steht. An den Kühlkanal schließen sich in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte Ausnehmungen (12) an, die von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufgeweitet gestaltet sind. Der Ausnehmungsgrund (14) kann stark wellenförmig (vergrößerte Oberfläche) oder fein wellenförmig ausgeführt werden. Der Kolben kann auch als einteiliger Kolben mit einem Kolbenoberteil (1) und einem Kolbenunterteil ohne eine Trennungsebene (4) ausgeführt sein.
Description
- Die Erfindung betrifft einen einteiligen und zweiteiligen Kolben einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung solcher Kolben gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Pantentansprüche.
- Zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten bzw. zur Erreichung von Emissionzielen und Verbrauchszielen werden zur Optimierung der Verbrennung die Verbrennungstemperaturen und die Verbrennungsdrücke angehoben, wodurch insbesondere das Kolbenoberteil thermisch stark beansprucht wird. Die Betriebstemperatur des Kolbens derartiger Brennkraftmaschinen kann die zulässigen Grenzen von dem Kolbenwerkstoff überschreiten, verbunden mit der Gefahr einer Wärmealterung, bei der die Legierung des Kolbenwerkstoffs an Festigkeit und Formsteifigkeit verliert. Um die thermischen Belastungen des Kolbens zu minimieren, werden Kolben eingesetzt, in denen ein ringförmiger Kühlkanal integriert ist, in dem als Kühlmittel eine Teilmenge von dem Schmieröl der Brennkraftmaschine über eine Einspritzdüse eingespritzt wird, den Kühlkanal durchströmt und dann austritt. Die
DE 197 50 021 A1 offenbart einen Kühlkanalkolben, der im Bereich des Ringfeldes radial versetzt zu einer Mantelfläche einen ringförmigen Kühlkanal einschließt. Das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel bewirkt eine Wärmeabfuhr, wobei die Wirksamkeit dieser Flüssigkeitskühlung wesentlich von dem Volumendurchsatz des Kühlmediums durch den Kühlkanal bestimmt wird. - Mit zunehmender spezifischer Leistung der Brennkraftmaschine ist es erforderlich, bekannte Konzepte von flüssigkeitsgekühlten Kolben zu optimieren. Zusätzlich zu einem ringförmigen Kühlkanal ist es daher erforderlich, weitere Bereiche des Kolbens gezielt mit Kühlmittel zu beaufschlagen. Zur Realisierung dieser Maßnahme zeigt die
DE 41 18 400 A1 einen gebauten Kolben, der vom Kühlkanal ausgehend, in Richtung des Kolbenbodens verlaufende Kühlschlitze mit zueinander parallel verlaufenden Wandungen einschließt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kühlwirkung des Kolbenoberteils eines einteiligen und eines zweiteiligen Kolbens in thermisch hochbelasteten Zonen durch eine kostengünstige Maßnahme zu optimieren und dementsprechend einen Kolben und Verfahren zur Herstellung solcher Kolben anzugeben.
- Ausgehend von dem Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Kolbenoberteil eines einteiligen und eines zweiteiligen Kolbens mit integrierten Ausnehmungen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und 2, sowie Verfahren zur Herstellung der Ausnehmungen gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 12, 13 und 14 bereit.
- Der zweiteilige Kolben ist als ein flüssigkeitsgekühlter Kolben, bestehend aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde aufweisenden Kolbenoberteil, ausgeführt. Diese Kolbenbauteile sind über radial zueinander beabstandete, eine Trennungsebene bildende Fügestege abgestützt und vorzugsweise stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder vorzugsweise reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt. Somit ist der zusammengefügte Kolben aus einem Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vorzugsweise zusammengebaut, beispielsweise mittels Schraubenverbindung, oder vorzugsweise zusammengeschweißt, beispielsweise mittels Schweißverbindung. In dem Kolbenoberteil ist ein ringförmiger, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckender Kühlkanal eingebracht, der über Verbindungskanäle mit einem inneren Kühlraum in Verbindung steht. Zur Kühlraumvergrößerung schließt das Kolbenoberteil in Richtung eines Kolbenbodens ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, mit dem Kühlkanal verbundene Ausnehmungen ein.
- Gemäß dem Patentanspruch 2 ist es auch möglich, dass der flüssigkeitsgekühlte Kolben einer Brennkraftmaschine aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde aufweisenden Kolbenoberteil besteht, wobei der Kolben als ein einteiliger Kolben ausgeführt ist, der keine Trennungsebene aufweist.
- Zur Lösung der Problemstellung ist gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 vorgesehen, die zumindest eine von dem Kühlkanal ausgehende, umlaufend eingebrachte Ausnehmung in dem Kolbenoberteil so auszubilden, dass deren Wandungen sich konisch ansteigend aufweiten. Aufgrund der sich einstellenden Spreizung der Wandungen stellt sich ein maximaler Querschnitt in dem Bereich größter Tiefe der Ausnehmung ein. Vorteilhaft vergrößert die Erfindung unter Einhaltung definierter Wandstärken gegenüber bisher bekannten Lösungen den von dem Kühlmittel durchströmten, in der Tiefe erweiterten Kühlraum und optimiert somit die Kühlung des Kolbenoberteils. Eine bevorzugte konstruktive Formgebung der erfindungsgemäßen Ausnehmung folgt beabstandet einer zentrischen Kontur der wannenförmig in dem Kolbenboden eingebrachten Brennraummulde. Verbunden mit einem großvolumigen, die Kühlmittelaufnahme vergrößernden Hohlraum der Ausnehmung kann die Shakerwirkung verbessert und folglich die Kühlwirkung gesteigert werden. Die Größe und die Erstreckung der erfindungsgemäßen, eine Erweiterung des Kühlkanals bildende Ausnehmung ist vorteilhaft nicht durch konstruktiv bedingte Vorgaben, beispielsweise die Lage und Anordnung der Trennungsebene zwischen dem Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil oder dem Kühlkanal begrenzt, sondern kann sich beispielsweise gezielt in Richtung der Brennraummulde erweitern. Die erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmungen sind bevorzugt für Kolbenoberteile mit einem relativ kleinen Brennraummulden-Durchmesser bestimmt, um die sich einstellenden großen Wandstärken und Materialanhäufungen in dem Kolbenboden optimal zu kühlen. Damit kann eine Verkokung bis zu einem Abbrand sowie eine Festigkeitsminderung des Werkstoffs vermieden werden. Vorteilhaft können in Verbindung mit den Maßnahmen zur Optimierung der Kühlung des Kolbenoberteils die Abgasforderungen (Tier 3 und IMO) für gebaute Kolben mit einem kleinen Brennraummulden-Durchmesser erreicht werden. Vorteilhaft bietet es sich an, das erfindungsgemäß gestaltete Kolbenoberteil mit vorhandenen erprobten Kolbenunterteilen zu kombinieren. Bei einem als einteilig ausgeführten flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine ist die Art des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils ebenso, wie vorhergehend beschrieben, passend gestaltet.
- Gemäß der Erfindung wird die Größe und die Erstreckung der Ausnehmung nicht durch den äußeren Durchmesser der Fügestege beziehungsweise der Abstützflächen im Bereich der Trennungsebene zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil begrenzt. Vielmehr ermöglicht die erfindungsgemäße Maßnahme die zur Kühlung bestimmte erfindungsgemäße Ausnehmung bis in thermisch hochbelasteten Zone auszudehnen. Das Querschnittsprofil in dem Ausnehmungsgrund übertrifft aufgrund der konischen Aufweitung folglich das Querschnittsprofil im Bereich eines Übergangs der Ausnehmung zudem Kühlkanal. Bevorzugt schließt der Kolbenboden mehrere umfangsverteilt positionierte, mit dem Kühlkanal in Verbindung stehende Ausnehmungen ein. Diese als Sackloch ausgeführten, den Kühlraum gezielt vergrößernden Ausnehmungen bewirken eine verbesserte, effiziente Kühlung des Kolbenoberteils. Dabei führen die Ausnehmungen zumindest lokal zu reduzierten Wandstärken des Kolbenoberteils, wie gegenüber der Brennraummulde, dem Ringfeld, dem Feuersteg sowie dem Kolbenboden. Bedingt durch abgestimmte Wandstärken zwischen den erfindungsgemäß ausgeführten Ausnehmungen und den benachbarten thermisch stark beanspruchten Zonen wird ein strukturfestes, höchsten Anforderungen standhaltendes Kolbenoberteil realisiert.
- Die erfindungsgemäße Maßnahme reduziert die Bauteiltemperatur auf ein Niveau unterhalb von dem Flammpunkt üblicher Kühlöle, wodurch sich gleichzeitig die Gefahr einer Verkokung für das bevorzugt als Kühlmittel eingesetzte Schmieröl der Brennkraftmaschine verringert. Außerdem besteht keine Gefahr, dass sich eine isolierende, die Kühlwirkung herabsetzende Ölkohleschicht bildet, sowie eine nachteilige thermische Kolben-Deformation aufgrund einer abgesenkten Festigkeit des Kolbenwerkstoffs einstellt. Durch die entscheidend verbesserte Wärmeabfuhr und damit Kühlwirkung der erfindungsgemäßen Ausnehmung ist das Kolbenoberteil und folglich der gesamte Kolben für höhere Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücke, d. h. in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte einsetzbar. Außerdem verringern die großvolumig gestalteten, kostengünstig hergestellbaren Ausnehmungen insbesondere bei kleinen Brennraummulden-Durchmessern vorteilhaft das Gewicht des Kolbenoberteils.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß sich über die Längserstreckung konisch aufweitenden Ausnehmungen sieht vor, dass diese im Kolbenoberteil umfangsverteilt insbesondere als Schlitze, Bohrungen oder Kanäle gestaltet sind. Dabei sind zwischen den Ausnehmungen und dem Kühlkanal von dem Material des Kolbenoberteils gebildete Stege vorgesehen Alternativ zu den Stegen können auch Wandungen oder Stützrippen verwendet werden, wobei sich die Wandungen oder Stützrippen durch ihre jeweilige Form von den Stegen unterscheiden. Zur Erzielung einer hohen Strukturfestigkeit des Kolbenoberteils bietet es sich an, die konisch aufgeweiteten Ausnehmungen als tortenförmige Kühlraumkammern mit einer Wabenstruktur auszubilden, die gleichzeitig die Kühleigenschaften positiv beeinflusst und die zu einer Vergrößerung der Kühloberfläche führt. Zusätzlich wird dadurch auch der Kühlraum räumlich erweitert.
- Einer weiteren konstruktiven Auslegung gemäß werden die erfindungsgemäß gestalteten, benachbarten Ausnehmungen entgegengesetzt wechselweise in übereinstimmenden oder voneinander abweichenden geometrischen Größen und/oder Neigungen zueinander in dem Kolbenoberteil eingebracht. Diese Maßnahme ermöglicht eine gezielte Erstreckung der Ausnehmungen bis in thermisch hoch belastete Zonen, ohne die Gefahr einer Bauteilschwächung.
- Gemäß einer bevorzugten Auslegung sind zur Erzielung weitestgehend übereinstimmender Wandstärken gegenüber den thermisch stark belasteten Zonen die Wandungen der Ausnehmung in einem Neigungswinkel „α, β” zwischen 0° bis 40°, vorzugsweise von ≤ 15° zu einer Kolbenlängsachse geneigt ausgerichtet. Dem konstruktiven Aufbau des Kolbenbodens angepasst, bietet es sich weiterhin an, die Neigungswinkel von gegenüberliegenden Wandungen, insbesondere einer inneren Wandung und einer äußeren Wandung, übereinstimmend oder voneinander abweichend auszulegen.
- Zur kostenoptimierten Fertigung und Vermeidung einer Bauteilschwächung ist vorgesehen, die sich konisch spreizenden Ausnehmungen jeweils mit einem gerundeten, die Strukturfestigkeit positiv beeinflussenden Ausnehmungsgrund zu versehen. Für die gerundete Kontur ist bevorzugt ein Radius „R” zwischen 1,5 mm und D/2 (D = maximaler Durchmesser des verwendeten Werkzeugs für das spanabhebende Verfahren, beispielsweise eines Fräswerkzeugs, für die gerundete Kontur) vorgesehen. Alternativ dazu bietet es sich an, den Ausnehmungsgrund mit einer doppelt gerundeten, ein kuppelartiges Muldengewölbe bildenden Kontur zu versehen. Weiterhin kann zur Anpassung an den konstruktiven Aufbau des Kolbenbodens der doppelt gerundete Ausnehmungsgrund gestuft gestaltet werden. Der Ausnehmungsgrund kann dabei als stark wellenförmige Oberfläche, wodurch eine vergrößerte Oberfläche erzeugt wird, oder als eine fein wellenförmige Oberfläche ausgeführt werden. Durch zusätzliche spanabhebende Fertigungsschritte, beispielsweise Frässchnitte, wird der gestufte Übergang zwischen den Wölbungen verringert, wodurch die Oberfläche der Wölbungen qualitativ durch eine geringere Welligkeit auf der Oberfläche verbessert wird und wodurch die Größe der Oberfläche verringert wird. Somit ist es möglich, durch eine größere Anzahl der Schnitte eine feinwellige Oberfläche zu erzeugen. Alternativ zu einer gerundeten Endkontur schließt die Erfindung einen abgeschrägt ausgebildeten Ausnehmungsgrund ein. Durch die Ausnehmungen in dem Kühlkanal kommt es zusätzlich auch zu einer verstärkten Verwirbelung des Kühlmittels in dem Kühlkanal. Durch eine Anpassung der Oberfläche des Ausnehmungsgrundes und eine Verkleinerung des Durchmessers des Ausnehmungsgrundes ist es möglich, die Emissionen bei dem Betrieb des Kolbens zu verringern bzw. zu optimieren. Auch können durch die Anpassung des gestuften Übergangs die Emissionen beim Betrieb verringert werden. Durch die Variation der Tiefe der Ausnehmung, von dem Kolbenunterteil in Richtung Kolbenoberteil gesehen, kann eine Anpassung des Kühlraums an die Form der Mulde der Brennraummulde erfolgen. Bei einem einteiligen Kolben ist die Anpassung und Ausgestaltung des Ausnehmungsgrundes mittels der Form des Gießformkörpers möglich, dessen Form in bestimmten Bereichen die Negativ-Form der Form des Ausnehmungsgrundes ist.
- Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die bevorzugt als Kanäle, Bohrungen oder Schlitze ausgebildeten Ausnehmungen umfangsseitig symmetrisch oder unsymmetrisch in dem Kolbenoberteil anzuordnen. Die Lage, Ausrichtung und Größe der Ausnehmung kann dabei den unterschiedlichen thermischen Belastungen angepasst werden. Beispielsweise bietet es sich an, das Kühlraum- bzw. Querschnittsvolumen der Ausnehmung auf der Druckseite (DS) gegenüber dem entsprechenden Querschnittsvolumen auf der Gegendrucksseite (GDS) des Kolbenoberteils voneinander abweichend auszulegen. Die Lage und Auslegung der Ausnehmung erfolgt so, dass eine Schwächung der Festigkeit des Kolbenoberteils vermieden wird. Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 12 sind zur Herstellung der Ausnehmungen folgende Schritte vorgesehen. Zunächst wird ein der Form der Ausnehmungen entsprechender Gießformkörper, vorzugsweise ein Salzkern, in die für das Kolbenoberteil bestimmte Gießform lagefixiert. Nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils wird der Gießformkörper durch Ausspülen entfernt.
- Gemäß einem weiteren alternativen erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 13 sind zur Herstellung der Ausnehmungen folgende Schritte bei einem einteiligen Kolben vorgesehen. Zunächst wird ein der Form der Ausnehmungen entsprechender Gießformkörper, vorzugsweise ein Salzkern, in die für den einteiligen Kolben, der ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil aufweist, bestimmte Gießform lagefixiert. Nach erfolgtem Guss und Erkalten des einteiligen Kolbens wird der Gießformkörper durch Ausspülen entfernt.
- Ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung der Ausnehmungen sieht eine mechanische, dreidimensionale zerspannende Bearbeitung vor. Dazu eignet sich bevorzugt eine Dreh- und Fräsbearbeitung, mit der Hohlräume zur Darstellung von Ausnehmungen in dem Kolbenoberteil eingebracht werden. Außerdem bietet es sich an, die Ausnehmungen mittels einer Fräsung oder mit Bohrwerkzeugen darzustellen.
- Ein beispielhaft ausgestaltetes Kolbenoberteil gemäß der Erfindung, auf den diese jedoch nicht beschränkt ist, ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
- Es zeigen:
-
1 : ein Kolbenoberteil in einem Längsschnitt mit einer erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmung, -
2 : ein Detail des Kolbenoberteils gemäß1 in einem vergrößerten Maßstab, -
3 : die Draufsicht auf ein Kolbenoberteil mit mehreren schlitzförmigen Ausnehmungen, -
4 : eine räumliche Darstellung von Kühlschlitzen in einem Kolbenoberteil und -
5 : eine räumliche Darstellung eines Kolbenoberteils mit erweiterten Kühlschlitzen. -
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Kolbenoberteil1 , bei dem es sich beispielsweise um ein aus einer Stahlegierung mittels eines Schmiedeverfahrens hergestelltes Bauteil handelt. Alternativ kann das Kolbenoberteil1 auch aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Eisenlegierung hergestellt werden. Alternativ kann das Kolbenoberteil1 auch mittels eines beliebigen anderen Umformverfahrens oder Urformverfahrens hergestellt werden. Das Kolbenoberteil1 bildet gemeinsam mit einem in1 nicht abgebildeten Kolbenunterteil einen beispielsweise reibschlüssig gebauten oder stoffschlüssig geschweißten zweiteiligen Kolben, der flüssigkeitsgekühlt ist. Über zwei radial zueinander versetzte, umlaufende Fügestege2 ,3 ist das Kolbenoberteil1 an korrespondierenden Fügestegen des Kolbenunterteils abgestützt. Alle Fügestege bilden gemeinsam eine Trennungsebene4 , über die das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil1 mittels einer reibschlüssigen Verbindung, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, dauerfest miteinander verbunden sind. Zum anderen ist das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil1 mittels der Trennungsebene4 formschlüssig aufeinander aufliegend. Konzentrisch zu einer Kolbenlängsachse5 ist in einem Kolbenboden6 des Kolbenoberteils1 eine Brennraummulde7 eingebracht, die außenseitig von einem gestuften Muldenrand8 begrenzt ist. Das Kolbenoberteil1 wird von einem sich an den Kolbenboden6 anschließenden Feuersteg9 umschlossen, an den sich ein zur Aufnahme von Kolbenringen bestimmtes Ringfeld10 anschließt. Zur Kühlung des Kolbenoberteils1 ist im Bereich der Trennungsebene4 ein ringförmiger Kühlkanal11 vorgesehen, der sich bis in das Kolbenunterteil erstreckt und durch den im Betriebszustand der Brennkraftmaschine Kühlmittel, insbesondere Schmieröl der Brennkraftmaschine, zirkuliert. Dazu tritt das Kühlmedium über einen Einlass in den Kühlkanal11 ein und verlässt den Kühlkanal11 über mehrere Verbindungskanäle15 , auch bekannt unter dem Namen Übertrittsbohrungen, über einen Auslass. Der Kühlmittelzulauf kann alternativ auch über die Kolbenmitte, das heißt den innen Kühlraum16 , erfolgen. Dabei wird das Kühlmittel über die Verbindungskanäle15 in den Kühlkanal11 geleitet und fließt anschließend aus dem Kühlkanal11 über Ablaufbohrungen ab. Der Kühlkanal11 steht mit mehreren umfangsverteilt eingebrachten, in Richtung des Kolbenbodens6 ausgerichteten Ausnehmungen12 in Verbindung. Diese umfangsverteilt angeordneten, sacklochartig eingebrachten Ausnehmungen12 sind als Kanäle, Bohrungen und/oder Schlitze ausgebildet und vergrößern den von dem Kühlmittel beaufschlagten Kühlraum im Kolbenoberteil1 . Zur Gewährleistung einer ausreichenden Steifigkeit des Kolbenbodens1 sind in einem Übergangsbereich zwischen dem Kühlkanal11 und den Ausnehmungen12 Stege13 vorgesehen. Von dem Kühlkanal11 ausgehend erweitern sich die Ausnehmungen12 konisch bis zu einem Maximum an einem Ausnehmungsgrund14 . Über umfangsseitig positionierte Verbindungskanäle15 sind die Ausnehmungen12 mit einem zentralen, unterhalb der Brennraummulde7 positionierten inneren Kühlraum16 verbunden. -
2 verdeutlicht die geometrische Gestaltung der Ausnehmung12 in einer vergrößerten Abbildung. Die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil1 eingebrachten Ausnehmungen12 können alternativ auch als begrenzt umlaufende Hohlräume gestaltet werden. Bevorzugt wird die Ausnehmung12 gemäß dem Ausführungsbeispiel nachträglich bei der Herstellung mittels des Schmiedeverfahrens mittels einer mechanischen dreidimensionalen zerspannenden Bearbeitung im Kolbenoberteil1 eingebracht. Alternativ dazu bietet es sich bei einem mittels eines Gießverfahrens hergestellten Kolbenoberteil1 an, die Ausnehmung12 mittels eines Gießformkörpers in das Kolbenoberteil1 einzuformen. Zur Darstellung weitestgehend übereinstimmender Wandstärken zu den Außenkonturen des Kolbenoberteils1 , beispielsweise gegenüber dem Kolbenboden6 , dem Feuersteg9 sowie dem Muldenrand8 der Brennraummulde7 , bildet die Ausnehmung12 einen gestuften Ausnehmungsgrund14 . Der domartig, ein Muldengewölbe bildende Ausnehmungsgrund14 schließt eine doppelt gerundete, den Radius „R” einschließende Kontur ein. Durch die Anzahl der Schnitte kann die Tiefe des zwischen den Radien „R” befindliche Ausnehmungsgrund14 in der Ausnehmung12 eingestellt werden. Insbesondere zur Anpassung an den konstruktiven Aufbau des Kolbenoberteils1 sowie nahezu übereinstimmender Wandstärken gegenüber den thermisch stark belasteten Zonen sind die zur Kolbenlängsachse5 in radialer Richtung näher liegende innere Wandung17 und die zur Kolbenlängsachse5 in radialer Richtung weiter weg liegende äußere Wandung18 der Ausnehmung12 zu der Kolbenlängsachse5 jeweils geneigt. Der Neigungswinkel α der inneren Wandung17 und der Neigungswinkel β der äußeren Wandung18 , wobei die innere Wandung17 und die äußer Wandung18 entgegengesetzt zueinander geneigt sind, können dabei gleich oder voneinander abweichend ausgelegt sein. - In
3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenoberteils1 gemäß der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und neue Bauteile sind mit neuen Bezugsziffern benannt. -
3 zeigt die Draufsicht auf das Kolbenoberteil1 eines zweiteiligen Kolbens in Richtung der beiden Fügestege2 ,3 . Das Kolbenoberteil1 weist mehrere mit einem bestimmten Radius um die Kolbenlängsachse5 tangential angeordnete schlitzförmige Ausnehmungen19 , im Beispiel fünf schlitzförmige Ausnehmungen19 , gemäß3 auf. Bekannt ist der tangentiale Umlauf um die Kolbenlängsachse5 auch unter dem Begriff des radialen Umlaufs um die Kolbenlängsachse5 . Alternativ ist es möglich, dass das Kolbenoberteil1 mehr als fünf oder weniger als fünf schlitzförmige Ausnehmungen19 aufweist. - In
3 ist zur Verdeutlichung zusätzlich der innere Kühlraum16 mit dargestellt, um den die fünf schlitzförmigen Ausnehmungen19 umfangsverteilt angeordnet sind. Dabei sind die schlitzförmigen Ausnehmungen19 nicht miteinander verbunden, so dass jeweils ein Abstand in Form von Stegen20 zwischen den jeweiligen schlitzförmigen Ausnehmungen19 existiert. - In
4 sind zwei Kühlschlitze21 ,22 mit Wellenkühlung in einem Kolbenoberteil1 eines zweiteiligen Kolbens dargestellt, wobei die beiden Kühlschlitze21 ,22 der dargestellten Ausnehmung12 zugeordnet sind. Es ist dabei möglich den Muldendurchmesser des jeweiligen Kühlschlitzes21 ,22 noch zu verkleinern oder eine Stufenmulde einzubringen. Durch die Wellenkühlung wird zum einen eine Vergrößerung der Kühloberfläche und eine Verwirbelung erreicht. In4 ist zusätzlich zur Verdeutlichung auch der innere Kühlraum16 mit dargestellt. - In
5 sind zwei erweitere Kühlschlitze21 ,22 mit geglätteter Oberfläche dargestellt, wobei die beiden Kühlschlitze21 ,22 der dargestellten Ausnehmung12 zugeordnet sind. Es ist dabei möglich, den Muldendurchmesser noch zu verkleinern oder die Stufenmulde zu bearbeiten, die zu einer Verringerung von Emissionen verwendet werden. - Durch die Variation der Schlitztiefe der jeweiligen Kühlschlitze
21 ,22 der Ausnehmung12 ist es möglich, dass eine Anpassung des Kühlraums an die Muldenform der Brennraummulde7 erfolgt. Der Grad der Glättung wird durch die Anzahl der Schlitze zwischen Kühlschlitz21 und Kühlschlitz22 erreicht. In5 ist zusätzlich zur Verdeutlichung auch der innere Kühlraum16 mit dargestellt. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolbenoberteil
- 2
- Fügesteg
- 3
- Fügesteg
- 4
- Trennungsebene
- 5
- Kolbenlängsachse
- 6
- Kolbenboden
- 7
- Brennraummulde
- 8
- Muldenrand
- 9
- Feuersteg
- 10
- Ringfeld
- 11
- Kühlkanal
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Steg
- 14
- Ausnehmungsgrund
- 15
- Verbindungskanal
- 16
- Innerer Kühlraum
- 17
- Innere Wandung
- 18
- Äußere Wandung
- 19
- schlitzförmige Ausnehmung
- 20
- Steg
- 21
- Kühlschlitz
- 22
- Kühlschlitz
- 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 19750021 A1 [0002]
- DE 4118400 A1 [0003]
Claims (16)
- Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein flüssigkeitsgekühlter Kolben, bestehend aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (
7 ) aufweisenden Kolbenoberteil (1 ), die über radial zueinander beabstandete, eine Trennungsebene (4 ) bildende Fügestege (2 ,3 ) abgestützt und zusammengefügt sind, wobei in dem Kolbenoberteil (1 ) ein ringförmiger, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckender Kühlkanal (11 ) eingebracht ist, der über Verbindungskanäle (15 ) mit einem inneren Kühlraum (16 ) in Verbindung steht, sowie in Richtung eines Kolbenbodens (6 ) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, Kühlräume bildende Ausnehmungen (12 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12 ) von dem Kühlkanal (11 ) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14 ) der jeweiligen Ausnehmung (12 ) konisch aufweitend gestaltet sind. - Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein einteiliger flüssigkeitsgekühlter Kolben, mit einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (
7 ) aufweisenden Kolbenoberteil (1 ), wobei in dem Kolbenoberteil (1 ) ein ringförmiger Kühlkanal (11 ) eingebracht ist, der über Verbindungskanäle (15 ) mit einem inneren Kühlraum (16 ) in Verbindung steht, sowie in Richtung eines Kolbenbodens (6 ) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, Kühlräume bildende Ausnehmungen (12 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12 ) von dem Kühlkanal (11 ) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14 ) der jeweiligen Ausnehmung (12 ) konisch aufweitend gestaltet sind. - Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (
1 ) und das Kolbenunterteil stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt sind. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil (
1 ) eingebrachten, konisch ansteigend ausgeführten Ausnehmungen (12 ) als Bohrungen, Kanäle und/oder Schlitze ausgebildet sind. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausnehmungen (
12 ) und dem Kühlkanal (11 ) von einem Material des Kolbenoberteils (1 ) gebildete Stege (13 ,20 ) vorgesehen sind. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil (
1 ) eingebrachten Ausnehmungen (12 ) eine Wabenstruktur bilden. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolbenoberteil (
1 ) benachbart eingebrachte Ausnehmungen (12 ) wechselweise radial nach innen oder radial nach außen geneigt angeordnet sind. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (
12 ) entgegengesetzt geneigte Wandungen, insbesondere eine innere Wandung (17 ) und eine äußere Wandung (18 ), aufweisen, deren übereinstimmender oder voneinander abweichender Neigungswinkel „α, β” zwischen 0° bis 40° beträgt. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (
12 ) einen gerundet oder abgeschrägt gestalteten Ausnehmungsgrund (14 ) mit einem Radius „R” zwischen 1,5 mm und D/2 aufweisen. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (
12 ) einen doppelt gerundeten und/oder gestuft gerundeten Ausnehmungsgrund (14 ) einschließen. - Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Bohrung, Kanal oder Schlitz ausgeführten konisch aufgeweiteten Ausnehmungen (
12 ) umfangsseitig symmetrisch oder unsymmetrisch in dem Kolbenoberteil (1 ) integriert sind. - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils (
1 ) von einem flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, das mit einem Kolbenunterteil zusammengefügt wird, wobei das Kolbenoberteil (1 ) eine Brennraummulde (7 ) sowie einen Kühlkanal (11 ) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6 ) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ausnehmungen (12 ) folgende Schritte vorgesehen sind, – Einlegen eines der Form der Ausnehmung (12 ) entsprechenden Gießformkörpers, der vor einem Gießprozess in einer für das Kolbenoberteil (1 ) bestimmten Gießform positioniert ist; – Entfernen des Gießformkörpers nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils (12 ) durch Ausspülen. - Verfahren zur Herstellung von einem einteiligen flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (
1 ) und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil (1 ) eine Brennraummulde (7 ) sowie einen Kühlkanal (11 ) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6 ) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ausnehmungen (12 ) folgende Schritte vorgesehen sind, – Einlegen eines der Form der Ausnehmung (12 ) entsprechenden Gießformkörpers, der vor einem Gießprozess in einer für das Kolbenoberteil (1 ) des einteiligen Kolbens bestimmten Gießform positioniert ist; – Entfernen des Gießformkörpers nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils (12 ) des einteiligen Kolbens durch Ausspülen. - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils (
1 ) von einem flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, das mit einem Kolbenunterteil zusammengefügt wird, wobei das Kolbenoberteil (1 ) eine Brennraummulde (7 ) sowie einen Kühlkanal (11 ) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6 ) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Ausnehmungen (12 ) in dem Kolbenoberteil (1 ) mittels einer mechanischen, dreidimensionalen zerspanenden Bearbeitung erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (
1 ) vor Einbringung der Ausnehmungen (12 ) mittels eines Umformverfahrens, vorzugsweise mittels eines Schmiedeverfahrens, hergestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (
1 ) und das Kolbenunterteil stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt wird.
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