DE102010033882A1

DE102010033882A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010033882A1
Application number: DE102010033882A
Authority: DE
Inventors: Klaus Keller; Michael Ullrich; Rainer Scharp
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-16
Also published as: BR112013003256A2; EP2603686A1; CN103119278B; WO2012019594A1; EP2603686B1; KR20140012936A; US8550052B2; JP2013535617A; CN103119278A; US20120037114A1; BR112013003256B1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (3) für einen Verbrennungsmotor mit einem Oberteil, mit einem daran angeformten Kragen (7), mit einer daran angeordneten Ringrippe (12), mit einem Unterteil (2), das eine Wand (20) und radial innerhalb der Wand (20) eine Auflage (25) aufweist, wobei beim Verbinden des Oberteils (1) mit dem Unterteil (2) mittels des Reibschweißverfahrens die Stirnflächen (16, 17, 23, 26) der Ringrippe (12), des Kragens (7), der Wand (20) und der Auflage (25) Reibschweißflächen bilden. Hierbei bilden sich ein Kühlkanal (9) und ein Kühlraum (14). Zur Versorgung des Kühlkanals (9) und des Kühlraums (14) mit Kühlöl sind in die Ringrippe (12) radial liegende Bohrungen (15) eingebracht, die den Kühlkanal (9) mit dem Kühlraum (14) verbinden. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich im Kühlkanal (9) und im Kühlraum (14) eine ausreichende Restmenge Kühlöl ansammelt, die stetig erneuert wird, und die zu einer guten Kühlung des Kolbenbodens (5) führt.

Description

Die Erfindung betrifft Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Oberteil, dessen Oberseite den Kolbenboden bildet, mit einem radial außen an den Kolbenboden angeformten, nach unten in kolbenbodenabgewandte Richtung weisenden, umlaufenden Kragen, auf dessen radialer Außenseite eine Verdichtungsringnut angeordnet ist, mit einer auf der Unterseite des Oberteils radial innerhalb des Kragens angeordneten, umlaufenden Ringrippe, wobei die axiale Länge des Kragens kleiner ist als der Abstand der unteren Stirnfläche der Ringrippe vom Kolbenboden, mit einem Unterteil, das radial außen eine nach oben weisende, umlaufende Wand aufweist, in deren radialer Außenseite Ringnuten eingeformt sind, und dessen obere Stirnfläche den gleichen radialen Abstand von der Kolbenachse aufweist wie die untere Stirnfläche des Kragens, mit einer am Unterteil angeformten, nach oben weisenden, umlaufenden und radial innerhalb der Wand angeordneten Auflage, deren obere Stirnfläche von der Kolbenachse den gleichen Abstand hat wie die untere Stirnfläche der Ringrippe, und deren obere Stirnfläche von der durch die Stirnfläche der Wand definierten Ebene einen axialen Abstand aufweist, der der Differenz zwischen dem Abstand der unteren Stirnfläche der Ringrippe vom Kolbenboden und der Länge des Kragens entspricht, sodass beim Verbinden des Oberteils mit dem Unterteil mittels des Reibschweißverfahrens die Stirnflächen der Ringrippe, des Kragens, der Wand und der Auflage Reibschweißflächen bilden, wobei sich ein radial außen vom Kragen und von der Wand und radial innen von der Ringrippe und von der Auflage begrenzter, geschlossener, ringförmiger Kühlkanal ergibt, wobei der Bereich zwischen der Auflage von einem Steg mit einer mittige liegenden Öffnung gebildet wird, der die untere Begrenzung eines mittig liegenden Kühlraums bildet, wobei der Kühlraum oben vom Kolbenboden und radial außen von der Auflage und von der Ringrippe begrenzt wird, und wobei auf der Unterseite des Unterteils zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente angeordnet sind, die mittels zweier einander gegenüberliegender Bolzennaben mit je einer Bolzenbohrung miteinander verbunden sind.
Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der PCT-Anmeldung WO 02/33291 bekannt. Dieser Kolben weist einen nahe dem Boden des Kühlraums und des Kühlkanals angeordneten Ölkanal auf, der den Kühlraum mit dem Kühlkanal verbindet, und der insbesondere im Kühlraum die Bildung einer Ölansammlung verhindert und damit die Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbenbodens verschlechtert, weil das im Kühlraum befindliche Öl über den Ölkanal in den Kühlkanal zurückfließen kann, und nur dann Öl vom Kühlkanal in den Kühlraum fließt, wenn der Ölpegel des sich im Kühlkanal befindlichen Öls höher ist als der Pegel des sich im Kühlraum befindlichen Öls. Hierdurch wird zudem der Öldurchfluss vom Kühlkanal über den Kühlraum zur Ölabflussöffnung behindert, was den Nachfluss von kühlem Öl reduziert und damit zu einer weiteren Verschlechterung der Kühlung des Kolbenbodens führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, und die Kühlung des thermisch hoch belastenden Kolbenbodens zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass in die Ringrippe gleichmäßig über den Umfang verteilte, radial liegende Bohrungen eingebracht sind, die den Kühlkanal mit dem Kühlraum verbinden, die von der unteren Stirnfläche der Ringrippe insoweit beabstandet sind, dass zwischen den Bohrungen und der Stirnfläche der Ringrippe ausreichend Platz für eine beim Reibschweißen gebildete Schweißwulst bleibt, und die von einer von der unteren Stirnfläche des Kragens definierten Eben axial beabstandet sind, dass der Steg eine nach oben konisch zulaufende Form aufweist, und dass zwischen dem Kühlkanal und dem Kolbeninnenraum mindestens eine Ölzulauföffnung angeordnet ist.
Hierbei ermöglicht die vom Boden des Kühlraums beabstandete Lage der Bohrungen zwischen dem Kühlkanal und dem Kühlraum und die nach oben konisch zulaufende Form des Steges, der die untere Begrenzung des Kühlraums bildet, im radial äußeren Bereich des Kühlraums die Bildung einer Ölansammlung, die bei den schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens im Motorbetrieb zu einer guten Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbenbodens führt, indem das Öl der Ölansammlung in regelmäßigen Abständen auf die Unterseite des Kolbenbodens geschleudert wird. (Shakerwirkung) Weiterhin wird dann, wenn der Pegel des im Kühlkanal befindlichen Öls die Bohrungen zwischen Kühlkanal und Kühlraum erreicht, Öl vom Kühlkanal über die Bohrungen in den Kühlraum geleitet, was den Öldurchfluss und damit die Kühlung des thermisch hochbelasteten Kolbenbodens verbessert.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Öffnung des Stegs von einer nach oben gewölbten Scheibe mit einer mittig liegenden Öffnung verschlossen wird, die über eine Rastverbindung mit dem Steg verbunden ist, wodurch die Montage des Kolbens erleichtert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 das Oberteil und das Unterteil eines zweiteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor vor der Montage im Schnitt und
2 ein aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild des Kolbens, wobei die linke Hälfte einen Schnitt entlang der Bolzenbohrungsachse zeigt, und die rechte Hälfte einen Schnitt senkrecht zur Bolzenbohrungsachse zeigt.
1 und 2 zeigen einen aus einem Oberteil 1 und einem Unterteil 2 bestehenden Kolben 3 für einen Verbrennungsmotor im Schnitt, wobei die Schnittbilder jeweils aus zwei Hälften bestehen. Die linken Hälften der Schnittbilder liegen auf der Bolzenbohrungsachse 4, wohingegen die rechten Hälften der Schnittbilder senkrecht auf der Bolzenbohrungsachse 4 stehen.
Das aus Stahl bestehende Oberteil 1 weist auf seiner Oberseite einen Kolbenboden 5 mit einer Brennraummulde 6 auf. Radial außen ist an den Kolbenboden 5 ein umlaufender, nach unten weisender Kragen 7 angeformt, der eine umlaufende Ausnehmung 8 radial außen begrenzt, die beim fertigen Kolben 3 gemäß 2 den oberen Teil eines radial außen und in Kolbenbodennähe umlaufenden Kühlkanals 9 bildet. Auf seiner radialen Außenseite bietet der Kragen 7 Platz für einen Feuersteg 10 und eine Verdichtungsringnut 11.
Weiterhin weist das Oberteil 1 auf seiner dem Kolbenboden 5 abgewandten Unterseite eine umlaufende Ringrippe 12 auf, die die radial innere Begrenzung des Oberteils des Kühlkanals 9 und die radial äußere Begrenzung des Oberteils 13 eines mittig liegenden Kühlraums 14 bildet. In die Ringrippe 12 sind gleichmäßig über den Umfang verteilte, radial liegende Bohrungen 15 eingebracht, die beim fertig montierten Kolben 3 gemäß 2 den Kühlkanal 9 mit dem Kühlraum 14 verbinden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Kolben 3 vier Bohrungen 15 auf. Diese Bohrungen 15 können die nach innen und nach außen sich erweiternde Form einer Formbohrung aufweisen.
Damit die Bohrungen 15 vor der Montage des Kolbens 3 problemlos von radial außen in die Ringrippe 12 eingebracht werden können, ist die axiale Länge ”a” des Kragens 7 um ein Maß kleiner als der Abstand ”b” der unteren Stirnfläche 16 der Ringrippe 12 vom Kolbenboden 5, das sich aus dem Durchmesser ”d” der Bohrungen 15, einem Abstand ”s” der Bohrungen 15 von der unteren Stirnfläche 16 der Ringrippe 12 und einem axialen Abstand ”c” der Bohrungen 15 von der unteren Stirnfläche 17 des Kragens 7 zusammensetzt. Hierbei soll der Abstand ”c” gewährleisten, dass die Bohrmaschine beim Einbringen der Bohrungen 15 gegenüber dem Kragen 7 ausreichend Platz hat. Der Abstand ”s” der Bohrungen 15 von der unteren Stirnfläche 16 der Ringrippe 12 entspricht der axialen Abmessung der Schweißwulst 18, die sich bildet, wenn das Oberteil 1 und das Unterteil 2 durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. Durch diesen Abstand ”s” soll verhindert werden, dass der Schweißwulst 18 beim Verschweißen des Oberteils 1 mit dem Unterteil 2 in den Bereich der Bohrungen 15 gelangt und damit den Durchfluss des Kühlöls durch die Bohrungen 15 behindert.
Das ebenfalls aus Stahl bestehende Unterteil 2 des Kolbens 3 besteht aus einem Bodenelement 19, auf dessen kolbenbodenzugewandter Oberseite radial außen eine umlaufende Wand 20 angeordnet ist, in die radial außen Ringnuten 21, 22 eingeformt sind. Die obere Stirnfläche 23 der Wand 20 hat von der Kolbenachse 24 den gleichen Abstand wie die untere Stirnfläche 17 des Kragens 7, sodass die Stirnflächen 7 und 23 beim Verschweißen des Oberteils 1 mit dem Unterteil 2 Reibschweißflächen bilden.
Radial innen schließt sich an die Wand 20 eine umlaufende Auflage 25 an, die von der Kolbenachse 24 den gleichen Abstand hat wie die Ringrippe 12, und deren obere Stirnfläche 26 von der durch die Stirnfläche 23 der Wand 20 gebildeten Ebene einen axialen Abstand hat, der dem Maß (c + d + s) entspricht, um welches der Abstand ”a” der Stirnfläche 17 des Kragens 7 vom Kolbenboden 5 geringer ist als der Abstand ”b” der Stirnfläche 16 der Ringrippe 12 vom Kolbenboden 5. Daraus ergibt sich, dass beim Verschweißen des Oberteils 1 mit dem Unterteil 2 nicht nur die Stirnflächen 17 und 23 sondern auch die Stirnflächen 16 und 26 Reibschweißflächen bilden.
Zwischen der Auflage 25 und der Wand 20 ist in das Bodenelement 19 eine umlaufende Ausnehmung 27 eingeformt, die beim fertig montierten Kolben 3 gemäß 2 das Unterteil des Kühlkanals 9 bildet. Radial innerhalb der Auflage 25 ist das Bodenelement 9 als umlaufender, nach oben konisch zulaufender Steg 28 ausgebildet, der eine mittig liegende, kreisrunde Öffnung 29 aufweist, wobei der Bereich 38 zwischen dem Steg 28 und der Auflage 25 als umlaufende und nach oben offene Rinne ausgebildet ist. Somit ist der Kühlraum 14 oben vom Kolbenboden 5, radial außen von der Ringrippe 12 und von der Auflage 25 und unten vom Steg 28 begrenzt.
Radial innen weist der Rand 32 der Öffnung 29 des Stegs 28 (1) im Schnitt die Form eines nach radial innen offenen ”V” auf, was es ermöglicht, eine schalenförmige, nach oben gewölbte Scheibe 30 mit einer mittig liegenden Öffnung 31, mit einer Außenabmessung, die der Innenabmessung der Öffnung 29 entspricht, und mit einem radial äußeren Rand der komplementär zu dem Rand 32 der Öffnung 29 ausgebildet ist, mittels einer Rastverbindung in der Öffnung 29 zu befestigen. Damit der Rand der Scheibe 30 die hierzu erforderliche Nachgiebigkeit ausweist, sind in den Rand radial liegende Schlitze 33 eingearbeitet, wozwischen der Rand der Scheibe 30 in Form elastisch nachgiebiger Blechlappen ausgebildet ist. Dies ermöglich es, nach der Fertigstellung des Kolbens 3 die Scheibe 30 von unten in die Öffnung 29 des Stegs 28 einzudrücken und über die sich ergebende Rastverbindung zu fixieren.
Über eine Ölzulauföffnung 34 ist der Kühlkanal 9 mit dem Kolbeninnenraum 35 verbunden. Weiterhin sind auf der Unterseite des Bodenelements 19 zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 36, 36' angeordnet, die über zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben 37, 37' mit jeweils einer Bolzenbohrung 39, 39' miteinander verbunden sind.
Im Motorbetrieb wird über die Ölzulauföffnung 34 Kühlöl in den Kühlkanal 9 eingeleitet, das aufgrund der schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 3 an die Unterseite des radial äußeren Bereichs des Kolbenbodens 5 und an den von der Wand 20 und von dem Kragen 7 gebildeten Teil des Kolbens 3 geschleudert wird und hier damit kühlend wirkt. (Shakereffekt) Ein Teil des Öls gelangt dabei über die Bohrungen 15 in den Kühlraum 14, wobei sich im radial äußeren Bereich 38 des Kühlraums 14 eine Ölansammlung bildet, die wegen der vom Bodenelement 19 beabstandeten Lage der Bohrung 15 im Kühlraum 14 verbleibt, an die Unterseite des Kolbenbodens 5 im Bereich der thermisch hochbelasteten Brennraummulde 6 geschleudert wird und hier kühlend wirkt. Ein Teil dieses Öls gelangt anschließend über die Öffnung 31 der Scheibe 30 in den Kolbeninnenraum 35.
Hierdurch ergibt sich als Vorteil der vom Bodenelement 19 beabstandeten Lage der Bohrungen 15 und der gewölbeartigen Form des Steges 28 und der Scheibe 30, wodurch sich im radial äußeren Bereich 38 des Kühlraumes 14 eine Ölansammlung bilden kann, eine Beschleunigung des Ölflusses durch den Kühlkanal 9 und durch den Kühlraum 14 und damit zu einer Verbesserung der Kühlung des Kolbens 3 führt, weil dann, wenn der Pegel des im Kühlkanal 9 befindlichen Öls die Bohrungen 15 erreicht, das Öl ausschließlich vom Kühlkanal 9 in den Kühlraum 14 und von hier über die Öffnung 31 der Scheibe 30 in den Kolbeninnenraum 35 fließt.
Bezugszeichenliste

a, b, c, d, s: Abstände
1: Oberteil des Kolbens 3
2: Unterteil des Kolbens 3
3: Kolben
4: Bolzenbohrungsachse
5: Kolbenboden
6: Brennraummulde
7: Kragen
8: Ausnehmung
9: Kühlkanal
10: Feuersteg
11: Verdichtungsringnut
12: Ringrippe
13: Oberteil de Kühlraums 14
14: Kühlraum
15: Bohrung
16: untere Stirnfläche der Ringrippe 12
17: untere Stirnfläche des Kragens 7
18: Schweißwulst
19: Bodenelement
20: Wand
21, 22: Ringnut
23: Stirnfläche der Wand 20
24: Kolbenachse
25: Auflage
26: obere Stirnfläche der Auflage 25
27: Ausnehmung
28: Steg
29: Öffnung des Stegs 28
30: Scheibe
31: Öffnung der Scheibe 30
32: Rand der Öffnung 29
33: Schlitz
34: Ölzulauföffnung
35: Kolbeninnenraum
36, 36': Schaftelement
37, 37': Bolzennabe
38: äußerer Bereich des Kühlraums 14, Rinne
39, 39': Bolzenbohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/33291 [0002]

Claims

Kolben (3) für einen Verbrennungsmotor – mit einem Oberteil (1), dessen Oberseite den Kolbenboden (5) bildet, – mit einem radial außen an den Kolbenboden (5) angeformten, nach unten in kolbenbodenabgewandte Richtung weisenden, umlaufenden Kragen (7), auf dessen radialer Außenseite eine Verdichtungsringnut (11) angeordnet ist, – mit einer auf der Unterseite des Oberteils (1) radial innerhalb des Kragens (7) angeordneten, umlaufenden Ringrippe (12), wobei die axiale Länge (a) des Kragens (7) kleiner ist als der Abstand (b) der unteren Stirnfläche (16) der Ringrippe (12) vom Kolbenboden (5), – mit einem Unterteil (2), das radial außen eine nach oben weisende, umlaufende Wand (20) aufweist, in deren radialer Außenseite Ringnuten (21, 22) eingeformt sind, und dessen obere Stirnfläche (23) den gleichen radialen Abstand von der Kolbenachse (24) aufweist wie die untere Stirnfläche (17) des Kragens (7), – mit einer am Unterteil (2) angeformten, nach oben weisenden, umlaufenden und radial innerhalb der Wand (20) angeordneten Auflage (25), deren obere Stirnfläche (26) von der Kolbenachse (24) den gleichen Abstand hat wie die untere Stirnfläche (16) der Ringrippe (12), und deren obere Stirnfläche (26) von der durch die Stirnfläche (23) der Wand (20) definierten Ebene einen axialen Abstand aufweist, der der Differenz zwischen dem Abstand (b) der unteren Stirnfläche (16) der Ringrippe (12) vom Kolbenboden (5) und der Länge (a) des Kragens (7) entspricht, sodass beim Verbinden des Oberteils (1) mit dem Unterteil (2) mittels des Reibschweißverfahrens die Stirnflächen (16, 17, 23, 26) der Ringrippe (12), des Kragens (7), der Wand (20) und der Auflage (25) Reibschweißflächen bilden, wobei sich ein radial außen vom Kragen (7) und von der Wand (20) und radial innen von der Ringrippe (12) und von der Auflage (25) begrenzter, geschlossener, ringförmiger Kühlkanal (9) ergibt, – wobei der Bereich zwischen der Auflage (25) von einem Steg (28) mit einer mittige liegenden Öffnung (29) gebildet wird, der die untere Begrenzung eines mittig liegenden Kühlraums (14) bildet, wobei der Kühlraum (14) oben vom Kolbenboden (5) und radial außen von der Auflage (25) und von der Ringrippe (12) begrenzt wird, und – wobei auf der Unterseite des Unterteils (2) zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente (36, 36') angeordnet sind, die mittels zweier einander gegenüberliegender Bolzennaben (37, 37') mit je einer Bolzenbohrung (39, 39') miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, – dass in die Ringrippe (12) über den Umfang verteilte, radial liegende Bohrungen (15) eingebracht sind, die den Kühlkanal (9) mit dem Kühlraum (14) verbinden, die von der unteren Stirnfläche (16) der Ringrippe (12) insoweit beabstandet sind, dass zwischen den Bohrungen (15) und der Stirnfläche (16) der Ringrippe (12) ausreichend Platz für eine beim Reibschweißen gebildete Schweißwulst bleibt, und die von einer von der unteren Stirnfläche (17) des Kragens (7) definierten Eben axial beabstandet sind, – dass der Steg (28) eine nach oben konisch zulaufende Form aufweist, und – dass zwischen dem Kühlkanal (9) und dem Kolbeninnenraum (35) mindestens eine Ölzulauföffnung (34) angeordnet ist.
Kolben (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (29) des Stegs (28) von einer nach oben gewölbten Scheibe (30) mit einer mittig liegenden Öffnung (31) verschlossen wird, die über eine Rastverbindung mit dem Steg (28) verbunden ist.