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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Oberteil und einem Unterteil mit einem Kolbenboden, in den eine Verbrennungsmulde eingeformt ist, mit einem nahe dem Kolbenboden radial außen angeordneten, umlaufenden Kühlkanal, der aus einem unteren Teil und einem oberen Teil besteht, wobei der untere Teil des Kühlkanals in die kolbenbodenseitige Stirnfläche des Unterteils des Kolbens und der obere Teil des Kühlkanals in die kolbenbodenabgewandte Seite des Oberteils des Kolbens eingeformt sind, und wobei der obere Teil des Kühlkanals oben von einem radial äußeren Bodenbereich des Kolbenbodens begrenzt ist, und mit einem zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens eingeklemmten Trenneinsatz, der den oberen Teil und den unteren Teil des Kühlkanals voneinander trennt, und der mindestens eine in Richtung des Kolbenbodens und mindestens eine in Richtung des Unterteils des Kolbens weisende Öffnung aufweist.
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Der Trenneinsatz zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Kühlkanals bewirkt, dass das im unteren Teil der Kühlkanals befindliche Öl im Motorbetrieb, darin, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, gegen den Trenneinsatz geschleudert und mittels der in Richtung des Kolbenbodens weisenden Öffnung auf bestimmte Bereich des Kolbenbodens gelenkt wird, sodass diese Bereiche besonders gut gekühlt werden.
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Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der Offenlegungsschrift
DE 40 18 252 A1 bekannt. Der in dem bekannte Kolben angeordnete Kühlkanal und der in diesem Kühlkanal angeordnete Trenneinsatz sind nicht dazu geeignet, mehr als nur einen kleinen Bereich des Muldenrandes und den radial äußeren Bereich des Kolbenbodens zu kühlen. Der thermisch hochbelastete Muldengrund bleibt in dem bekannten Kolben ungekühlt.
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Weiterhin weist der bekannte Kolben lediglich einen dünnen Spalt zwischen dem Trenneinsatz und der Innenseite der Ringwand auf, durch den Öl in den unteren Teil des Kühlkanals zurückfließen kann, wodurch der Ölaustausch zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Kühlkanals stark behindert ist.
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Letztlich ist der aus dem Stand der Technik bekannte Trenneinsatz lediglich über einige wenige, nach außen gebogene Lappen im Kolben befestigt. Im Motorbetrieb ist bei höheren Drehzahlen deshalb nicht gewährleistet, dass der Trenneinsatz der durch die Massenkräfte des hin- und her geschleuderten Öls gegebenen Belastung standhält.
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Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Trenneinsatz einen mittleren, in Richtung des Kolbenbodens sich verjüngenden, umlaufenden Profilbereich mit im Abstand voneinander angeordneten, teilweise umlaufenden und in Richtung des den Muldenrand und den Muldengrund der Verbrennungsmulde umfassenden Bodenbereiches zeigenden Öffnungen und weiterhin jeweils einen radial innerhalb und radial außerhalb des mittleren Profilbereiches angeordneten, seitlichen, sich in kolbenbodenabgewandte Richtung verjüngenden, umlaufenden Profilbereich mit im Abstand voneinander angeordneten, teilweise umlaufenden Öffnungen aufweist.
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Hierdurch wird erreicht, dass die thermisch am höchsten belasteten Bereich des Kolbens, nämlich der Muldenrand und der Muldengrund der Verbrennungsmulde gezielt gekühlt werden. Weiterhin ist durch die in den seitlichen Profilbereichen angeordneten, umlaufenden Öffnungen gewährleistet, dass das sich im oberen Teil des Kolbens befindliche Öl ungehindert in den unteren Teil der Kühlkanals fließen kann, sodass dadurch ein verbesserter Ölaustausch zwischen dem oberen und den unteren Teil des Kühlkanals und damit eine verbesserte Kühlung der kritischen Kolbenbereiche gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind beiderseits des Kühlkanals in die kolbenbodenseitige Stirnfläche des Unterteils des Kolbens zum Kühlkanal hin ausgerichtet, stufenförmige Ausnehmungen eingeformt, in denen der Trenneinsatz über jeweils eine, radial innen und radial außen an den Trenneinsatz angeformte, radial ausgerichtete Anformung lagert, wobei die Anformungen wellenförmig ausgebildet sein können. Hierdurch ergibt sich eine stabile Befestigung des Trenneinsatzes, der somit einer hohen mechanischen Beanspruchung seitens der bei höheren Drehzahlen großen Massenkräfte des Kühlöls ausgesetzt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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1 den Querschnitt eines Kühlkanals eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem Trenneinsatz zwischen dem oberen und der unteren Teil des Kühlkanals und
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2 eine perspektivische Darstellung des Trenneinsatzes.
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In 1 ist ausschnittsweise ein Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor dargestellt, der aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 besteht. Der dargestellte Ausschnitt zeigt den Bereich des Kolbens 1, in dem sich ein Kühlkanal 4 befindet. Der Kühlkanal 4 weist Öffnungen zum Zuführen und Ableiten von Kühlöl auf, die in 1 nicht dargestellt sind.
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Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 sind über eine Dehnschraube 5 miteinander verbunden. Weiterhin weist der Kolben 1 einen Kolbenboden 6 mit einer Verbrennungsmulde 7 auf. Radial außen schließt sich in kolbenbodenabgewandte Richtung an den Kolbenboden 6 ein Feuersteg 8 und eine Ringpartie 9 an.
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Der Kühlkanal 4 wird hierbei oben vom radial äußeren Bereich des Kolbenbodens 6 begrenzt, der insbesondere denjenigen Bodenbereich 25 umfasst, der den Muldenrand 25' und den Muldengrund 25'' der Verbrennungsmulde 7 bildet, und der im Motorbetrieb der größten thermischen Belastung des gesamtem Kolbens 1 ausgesetzt ist.
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Der Kühlkanal 4 weist einen kolbenbodenseitigen, oberen Teil 10 und einen kolbenbodenabgewandten, unteren Teil 11 auf, wobei der obere Teil 10 in das Kolbenoberteil 2 und der untere Teil 11 in das Kolbenunterteil 3 eingeformt sind. Werden die beiden Teile 2 und 3 des Kolbens 1 zusammengeschraubt, ergibt sich der Kühlkanal 4.
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Zwischen dem oberen Teil 10 und dem unteren Teil 11 des Kühlkanals 4 ist ein umlaufender, ringförmiger Trenneinsatz 12 angeordnet, der den oberen Teil 10 und den unteren Teil 11 des Kühlkanals 4 voneinander trennt. Der Trenneinsatz 12 ist in stufenförmigen Ausnehmungen 13 und 14 angeordnet, die beiderseits des Kühlkanals 4 in die kolbenbodenseitige Stirnfläche 15 des Kolbenunterteils 3 eingeformt und zum Kühlkanal 4 hin ausgerichtet sind.
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Bei der Montage des Kolbens 1 wird zunächst der Trenneinsatz 12 in die Ausnehmungen 13 und 14 eingelegt, wonach das Kolbenoberteil 2 auf das Kolbenunterteil 3 gelegt wird. Dadurch, dass die beiden Kolbenteile 2 und 3 anschließend miteinander verschraubt werden, wird der Trenneinsatz 12 zwischen das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 geklemmt und dadurch in dieser Position fixiert.
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Wie aus 1 in Kombination mit 2 ersichtlich ist, weist der Trenneinsatz 12 einen mittleren, im Schnitt sich Richtung Kolbenboden 6 verjüngenden, umlaufenden Profilbereich 16 und jeweils einen radial innen und radial außen sich daran anschließenden, im Schnitt sich in kolbenbodenabgewandte Richtung verjüngenden, umlaufenden, seitlichen Profilbereich 17 und 18 auf. Hierbei weist der mittlere Profilbereich 16 kolbenbodenseitig im Abstand voneinander angeordnete, teilweise umlaufende Öffnungen 19 auf. Die seitlichen Profilbereiche 17 und 18 weisen auf ihren kolbenbodenabgewandten Seiten im Abstand voneinander angeordnete, teilweise umlaufende Öffnungen 20 und 21 auf.
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Radial innen und radial außen schließt sich an die seitlichen Profilbereiche 17 und 18 des Trenneinsatzes 12 jeweils eine radial ausgerichtete, umlaufende Anformung 22 und 23 an, wobei der Trenneinsatz 12 über diese Anformungen 22 und 23 in den Ausnehmungen 13 und 14 des Kolbenunterteils 3 lagert und darüber im Kolben 1 fixiert ist.
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Die Anformungen 22 und 23 können wellenförmig ausgebildet sein, wodurch die vom Oberteil 2 und vom Unterteil 3 des Kolbens 1 auf die Anformungen 22 und 23 ausgeübte Klemmwirkung und damit die Festigkeit der Montage des Trenneinsatzes 12 im Kolben 1 verbessert wird. Diese Welligkeit kann einen Wert zwischen 20 μm und 50 μm haben.
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Der Zweck des Trenneinsatzes 12 besteht hierbei darin, dann, wenn im Motorbetrieb der Kolben 1 den oberen Totpunkt erreicht und aus der Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 eine Abwärtsbewegung wird, und wenn dabei das sich im unteren Teil 11 des Kühlkanals 4 befindliche Öl wegen dessen Massenträgheit gegen den Trenneinsatz 12 geschleudert wird, das Öl durch die Öffnungen 19 des mittleren Profilbereiches 16 zu pressen und als gebündelten Ölstrahl 24 auf die Unterseite desjenigen Bodenbereiches 25 zu lenken, der den radial äußeren Bereich der Verbrennungsmulde 7 bildet, und der somit im Motorbetrieb der größten thermischen Belastung des gesamtem Kolbens 1 ausgesetzt ist. Dieser kritische Bodenbereich 25 des Kolbenbodens 6 wird hierdurch somit besonders gut gekühlt, wobei auch auf die anderen Bereiche des oberen Teils 10 des Kühlkanals 4 Öl auftrifft und diese Bereiche kühlt.
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Bei der Abwärtsbewegung und insbesondere im unteren Totpunkt des Kolbens 1, wenn aus der Abwärtsbewegung des Kolben 1 wieder eine Aufwärtsbewegung wird, wird das im oberen Teil 10 des Kühlkanals 4 befindliche Öl wegen dessen Massenträgheit von oben gegen den Trenneinsatz 12 geschleudert, sodass das Öl durch die Öffnungen 20 und 21 in den seitlichen Profilbereichen 17 und 18 gepresst und in den unteren Teil 11 des Kühlkanals 4 geleitet wird, wie es mittels der Pfeile 26 in den 1 und 2 dargestellt ist.
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Dadurch dass, wie es in 2 gut ersichtlich ist, die Öffnungen 19 im mittleren Profilbereich 16 des Trenneinsatzes 12 als bereichsweise umlaufende, düsenförmige Öffnungen ausgebildet sind, ist gewährleistet, dass der gesamte umlaufende Bodenbereich 25 der Verbrennungsmulde 7 mit Kühlöl angespritzt und dadurch gekühlt wird.
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Der Trenneinsatz 12 kann aus Stahl, Aluminium oder aus einem öl- und temperaturbeständigen Kunststoff bestehen. Als Kunststoffe eignen sich hierzu öl- und temperaturbeständige Polyamide (PA), Polyethylenterephthalat (PETP), Polyoxymethylen (POM) und Polyetherketon (PEK), wobei diese Kunststoffe mit Glasfasern oder mit Kunststoffasern verstärkt sein können.
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Soll der Trenneinsatz 12 aus Metall, wie beispielsweise aus Stahl oder aus Aluminium bestehen, gibt es zur Herstellung des Trenneinsatzes 12 die folgenden Möglichkeiten:
- A) Der ringförmige Trenneinsatz 12 wird gemeinsam mit den Öffnungen 19, 20, 21 aus einem größeren Blechstück ausgestanzt, wonach die mittleren und seitlichen Profilbereiche 16, 17, 18 durch Tiefziehen in den Trenneinsatz 12 eingeformt werden.
- B) Ein ringförmiges Blechstück mit den Außenkonturen des Trenneinsatzes 12 wird aus einem größeren Blechstück ausgestanzt, wonach die mittleren und seitlichen Profilbereiche 16, 17, 18 durch Tiefziehen in das Blechstück eingeformt und anschließend die Öffnungen 19, 20, 21 in das Blechstück eingefräst werden.
- C) Hergestellt wird ein gerades Metallband, das bereits die mittleren und seitlichen Profilbereiche 16, 17, 18 aufweist. Aus dem profilierten Metallband werden Streifen mit geeigneter Länge geschnitten. Die Metallstreifen werden zu Ringen gebogen, wonach die Öffnungen 19, 20, 21 in die Metallstreifenringe eingefräst werden. Die Stoßenden der Metallstreifenringe können durch Schweißen, Löten oder Verklinkern miteinander verbunden werden.
- D) In ein gerades, unprofiliertes Metallband werden die Öffnungen 19, 20, 21 eingestanzt, wonach durch Tiefziehen die mittleren und seitlichen Profilbereiche 16, 17, 18 in das Metallband eingeformt werden. Aus dem profilierten Metallband werden Streifen mit geeigneter Länge geschnitten, die dann zu fertigen Trenneinsätzen 12 rundgebogen werden. Die Stoßenden der aus profiliertem Metallband bestehenden Trenneinsätze können durch Schweißen, Löten und Verklinkern miteinander verbunden werden.
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Soll der Trenneinsatz 12 aus Kunststoff hergestellt werden, gibt es die folgenden Möglichkeiten:
- E) Der Trenneinsatz 12 wird durch das Verfahren des Spritzgießens hergestellt.
- F) In ein gerades Kunststoffband werden die Öffnungen 19, 20, 21 eingestanzt. Anschließend werden mittels einer Heißpresse die mittleren und seitlichen Profilbereiche 16, 17, 18 das Kunststoffband eingeformt. Aus dem profilierten Kunststoffband werden Streifen mit geeigneter Länge geschnitten, die dann zu fertigen Trenneinsätzen 12 rundgebogen werden. Die Stoßenden der aus profiliertem Kunststoffband bestehenden Trenneinsätze können durch Kleben oder durch Ultraschall-Schweißen miteinander verbunden werden.
- G) Durch Extrudieren wird ein gerades Kunststoffband hergestellt, das die mittleren und seitlichen Profilbereiche 16, 17, 18 aufweist. Hierbei wird der geschmolzene Kunststoff durch eine entsprechend geformte Düse gedrückt, wonach der Kunststoff beispielsweise mit Hilfe von Wasser zum Erstarren gebracht wird. Anschließend werden die Öffnungen 19, 20 und 21 in das profilierte Kunststoffband gestanzt und hieraus Streifen mit geeigneter Länge geschnitten. In einem letzten Verfahrensschritt zur Herstellung der Trenneinsätze 12 werden die Kunststoffstreifen rundgebogen. Die Stoßenden der aus profiliertem Kunststoffband bestehenden Trenneinsätze können durch Kleben oder durch Ultraschall-Schweißen miteinander verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Oberteil des Kolbens 1
- 3
- Unterteil des Kolbens 1
- 4
- Kühlkanal
- 5
- Dehnschraube
- 6
- Kolbenboden
- 7
- Verbrennungsmulde
- 8
- Feuersteg
- 9
- Ringpartie
- 10
- oberer Teil des Kühlkanals 4
- 11
- unterer Teil des Kühlkanals 4
- 12
- Trenneinsatz
- 13, 14
- stufenförmige Ausnehmung
- 15
- kolbenbodenseitige Stirnfläche des Unterteils 3
- 16
- mittlerer Profilbereich des Trenneinsatzes 12
- 17, 18
- seitlicher Profilbereich des Trenneinsatzes 12
- 19
- Öffnung im mittleren Profilbereich 16
- 20
- Öffnung im seitlichen Profilbereich 17
- 21
- Öffnung im seitlichen Profilbereich 18
- 22, 23
- Anformung
- 24
- Ölstrahl
- 25
- Bodenbereich
- 25'
- Muldenrand
- 25''
- Muldengrund
- 26
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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