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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenkopfelement, wobei der Kolbengrundkörper einen Kolbenschaft aufweist, welcher mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen ist, wobei das Kolbenkopfelement zumindest einen Teil eines Kolbenkopfs bildet, und wobei im Kolbenkopf ein umlaufender Kühlkanal vorgesehen ist.
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Bei modernen Kolben ist der Kolbenkopf, insbesondere im Bereich des Kolbenbodens, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Hierbei ergibt sich das Problem, dass bei Temperaturen über 280°C das im umlaufenden Kühlkanal vorhandene Kühlöl thermisch zersetzt wird. Dabei entsteht Ölkohle, die sich an den Innenwänden des Kühlkanals absetzt. Die Ölkohle wirkt wärmeisolierend, so dass die Kühlleistung des Kühlöls im Kühlkanal reduziert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Wärmeableitung in Richtung des Kolbenschafts möglich ist.
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Die Lösung besteht darin, dass im Kühlkanal mindestens ein Wärmeleitelement angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene mindestens eine Wärmeleitelement sorgt für eine verbesserte Wärmeableitung ausgehend vom Kolbenboden in Richtung des Kolbenschaftes. Damit wird die Gefahr der Ölkohlebildung im Kühlkanal deutlich reduziert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Wärmeleitelement mit mindestens einer inneren Wand des Kühlkanals verlötet oder verschweißt. Dies stellt eine besonders einfach und kostengünstig zu realisierende Möglichkeit zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens dar.
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Wenn das mindestens eine Wärmeleitelement in einem Abstand (d) vom Boden des Kühlkanals befestigt ist, der mindestens 10% der Breite (b) des Kühlkanals beträgt, kann das im Kühlkanal vorhandene Kühlöl besonders wirksam das mindestens eine Wärmeleitelement umströmen.
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Wenn der Kolbengrundkörper und das Kolbenkopfelement über Schweißnähte miteinander verbunden sind, kann das mindestens eine Wärmeleitelement auf besonders einfache Weise an mindestens einer Schweißnaht angebunden sein. Bei dieser Ausführungsform wird das mindestens eine Wärmeleitelement gleichzeitig mit dem Verschweißen von Kolbengrundkörper und Kolbenkopfelement im Kühlkanal befestigt, so dass ein Verfahrensschritt, nämlich das separate Befestigen des mindestens einen Wärmeleitelements im Kühlkanal, entfällt.
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Das mindestens eine Wärmeleitelement besteht zweckmäßigerweise aus einem Werkstoff mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Bevorzugt sind Werkstoffe auf der Basis mindestens eines Metalls, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Aluminium, Kupfer und Eisen. Der Werkstoff kann ggf. Graphit enthalten, bspw. um seine Festigkeit zu erhöhen.
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Das mindestens eine Wärmeleitelement ist bevorzugt als Wärmeleitblech ausgebildet, um eine möglichst große Oberfläche zum Wärmeaustausch zu erhalten. Aus demselben Grund und um die Strömungsverhältnisse für das im Kühlkanal vorhandene Kühlöl zu optimieren, kann das mindestens eine Wärmeleitelement eine oder mehrere Öffnungen enthalten.
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Das mindestens eine Wärmeleitelement kann beliebige Querschnittsformen aufweisen. Dies ist abhängig von der Größe des Kühlkanals und der gewünschten Größe der Oberfläche des mindestens einen Wärmeleitelements. Es sind bspw. L-förmige, U-förmige, V-förmige, W-förmige oder WW-förmige Querschnittsformen denkbar. Das mindestens eine Wärmeleitelement kann ferner auch als dreidimensionales Netzwerk ausgebildet sein.
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Das Kolbenkopfelement ist bevorzugt als Kolbenringelement oder als Muldenrandverstärkung einer Verbrennungsmulde ausgebildet. Dies ermöglicht es, die thermisch und mechanisch besonders hoch belasteten Bereiche des Kolbens aus einem hierfür geeigneten Werkstoff herzustellen. Selbstverständlich kann das Kolbenkopfelement auch den gesamten Kolbenkopf umfassen, bspw. mit einem nach unten offenen und mit einem separaten Bauteil verschlossenen Kühlkanal.
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Grundsätzlich können der Kolbengrundkörper aus einem metallischen Werkstoff und das Kolbenkopfelement aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff hergestellt sein. Hierbei sind Stahlwerkstoffe bevorzugt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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2 eine vergrößerte Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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3 eine vergrößerte Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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4 eine vergrößerte Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenkopfelement 12 auf. Der Kolbengrundkörper 11 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den Boden 15 einer Brennraummulde 14. An der Unterseite des Kolbenbodens 13 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 16 angebunden, der mit Nabenbohrungen 17 versehene Bolzennaben 18 sowie Laufflächen 19 aufweist. Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner den Teil einer umlaufenden Ringpartie 22 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt). Der Kolbengrundkörper 11 kann bspw. aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Das Kolbenkopfelement 12 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den äußeren Bereich des Kolbenbodens 13 mit einem umlaufenden Feuersteg 21 sowie den oberen Teil der umlaufenden Ringpartie 22 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt). Das Kolbenkopfelement 12 bildet ferner den äußeren Muldenrand 23 und die Muldenwand 24 der Brennraummulde 14. Das Kolbenkopfelement 12 kann bspw. aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenkopfelement 12 bilden somit gemeinsam den Kolbenkopf 25 des Kolbens 10. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenkopfelement 12 bilden ferner gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal 26 etwa in Höhe der Ringpartie 22. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenkopfelement 12 sind im Ausführungsbeispiel mittels Schweißen miteinander verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel ist im Kühlkanal 26 erfindungsgemäß ein Wärmeleitelement 27 vorgesehen. Das Wärmeleitelement 27 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ringförmig umlaufendes flaches Wärmeleitblech ausgebildet. Selbstverständlich können auch mehrere Wärmeleitelemente oder mehrere ringsegmentartige Wärmeleitelemente vorgesehen sein, die ggf. versetzt zueinander angeordnet sind. Das Wärmeleitelement 27 ist im Ausführungsbeispiel mit Öffnungen 28 versehen, durch welche das im Kühlkanal aufgenommene Kühlöl hindurchströmen kann.
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Zur Montage wird das Wärmeleitelement 27 vor dem Verbinden von Kolbengrundkörper 11 und Kolbenkopfelement 12 im Kolbenkopfelement 12 an einer Innenwand des Kühlkanals 26 angelötet oder angeschweißt. Anschließend werden der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenkopfelement 12, im Ausführungsbeispiel mittels eines Schweißverfahrens, miteinander verbunden. Selbstverständlich kann das Wärmeleitelement 27 an einer beliebigen Stelle an der Innenwand des Kühlkanals 26, also auch am Kolbengrundkörper 11, befestigt sein.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110 in einer vergrößerten Teildarstellung. Der Kolben 110 weist einen Kolbengrundkörper 111 und ein Kolbenkopfelement 112 auf. Der Kolbengrundkörper 111 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den Boden 115 und die umlaufende Muldenwand 124 einer Brennraummulde 114. An der Unterseite des Kolbenbodens 113 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 16 angebunden. Der Kolbenschaft 16 des Kolbens 110 einschließlich Nabenbohrungen, Bolzennaben und Laufflächen entspricht dem Kolbenschaft 16 gemäß 1, so dass auf obige Beschreibung verwiesen wird. Der Kolbengrundkörper 111 kann bspw. aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Das Kolbenkopfelement 112 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den äußeren Bereich des Kolbenbodens 113 mit einem umlaufenden Feuersteg 121 und einer umlaufenden Ringpartie 122 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt). Das Kolbenkopfelement 112 bildet ferner den äußeren Muldenrand 123 der Brennraummulde 114. Das Kolbenkopfelement 112 kann bspw. aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenkopfelement 112 bilden somit gemeinsam den Kolbenkopf 125 des Kolbens 110. Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenkopfelement 112 bilden ferner gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal 126 etwa in Höhe der Ringpartie 122. Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenkopfelement 112 sind mittels Schweißen miteinander verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel ist im Kühlkanal 126 erfindungsgemäß ein Wärmeleitelement 127 vorgesehen. Das Wärmeleitelement 127 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ringförmig umlaufendes Wärmeleitblech mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet. Das Wärmeleitelement 127 bildet somit zwei Schenkel 129, die im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen der Kontur des Kühlkanals 126 angepasst sind, um eine möglichst wirksame Wärmeübertragung zu erzielen. Selbstverständlich können auch mehrere Wärmeleitelemente oder mehrere ringsegmentartige Wärmeleitelemente vorgesehen sein, die ggf. versetzt zueinander angeordnet sind.
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Zur Montage wird das Wärmeleitelement 127 vor dem Verbinden von Kolbengrundkörper 111 und Kolbenkopfelement 112 im Kolbenkopfelement 112 an einer Innenwand des Kühlkanals 126 im Bereich des U-förmigen Steges angelötet oder angeschweißt. Anschließend werden der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenkopfelement 112, im Ausführungsbeispiel mittels eines Schweißverfahrens, miteinander verbunden. Selbstverständlich kann das Wärmeleitelement 127 an einer beliebigen Stelle an der Innenwand des Kühlkanals 126, also auch am Kolbengrundkörper 111, befestigt sein.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210 in einer vergrößerten Teildarstellung. Der Kolben 210 weist einen Kolbengrundkörper 211 und ein Kolbenkopfelement 212 auf. Der Kolbengrundkörper 211 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den Boden 215 und die umlaufende Muldenwand 224 einer Brennraummulde 214. Der Kolbengrundkörper 211 bildet ferner eine umlaufende Ringpartie 222 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt). An der Unterseite des Kolbenbodens 213 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 16 angebunden. Der Kolbenschaft 16 des Kolbens 210 einschließlich Nabenbohrungen, Bolzennaben und Laufflächen entspricht dem Kolbenschaft 16 gemäß 1, so dass auf obige Beschreibung verwiesen wird. Der Kolbengrundkörper 211 kann bspw. aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Das Kolbenkopfelement 212 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den äußeren Bereich des Kolbenbodens 213 mit einem umlaufenden Feuersteg 221. Das Kolbenkopfelement 212 bildet ferner den äußeren Muldenrand 223 der Brennraummulde 214. Das Kolbenkopfelement 212 kann bspw. aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenkopfelement 212 bilden somit gemeinsam den Kolbenkopf 225 des Kolbens 210. Der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenkopfelement 212 bilden ferner gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal 226 etwa in Höhe der Ringpartie 222. Der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenkopfelement 212 sind im Ausführungsbeispiel mittels Schweißen miteinander verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel ist im Kühlkanal 226 erfindungsgemäß ein Wärmeleitelement 227 vorgesehen. Das Wärmeleitelement 227 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ringförmig umlaufendes Wärmeleitblech mit V-förmigem Querschnitt ausgebildet. Das Wärmeleitelement 227 bildet somit zwei Schenkel 229. Das Wärmeleitelement 227 ist im Ausführungsbeispiel mit Öffnungen 228 versehen, durch welche das im Kühlkanal aufgenommene Kühlöl hindurchströmen kann. Das Wärmeleitelement 227 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Kühlkanal 226 an den Schweißnähten 231, 232, über welche der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenkopfelement 212 miteinander verbunden sind, angebunden und auf diese Weise an der Innenwand des Kühlkanals 226 befestigt. Selbstverständlich können auch mehrere Wärmeleitelemente oder mehrere ringsegmentartige Wärmeleitelemente vorgesehen sein.
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Zur Montage wird das Wärmeleitelement 227 vor dem Verbinden von Kolbengrundkörper 211 und Kolbenkopfelement 212 auf den Kolbengrundkörper 211 aufgelegt. Hierfür sind am Wärmeleitelement 227 Flansche vorgesehen, die auf die Fügeflächen des Kolbengrundkörpers 211 aufgelegt und bspw. mittels Schweißpunkten verheftet werden. Anschließend wird das Kolbenkopfelement 212 mit seinen Fügeflächen auf die Flansche des Wärmeleitelements 227 aufgesetzt. Dann werden der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenkopfelement 212 mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden. Dabei verbinden sich die Fügeflächen von Kolbengrundkörper 211 und Kolbenkopfelement 212 sowie die am Wärmeleitelement vorgesehenen Flansche zu den Schweißnähten 231, 232.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 310 in einer vergrößerten Teildarstellung. Der Kolben 310 weist einen Kolbengrundkörper 311 und ein Kolbenkopfelement 312 auf. Der Kolbengrundkörper 311 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den Boden 315 einer Brennraummulde 314, An der Unterseite des Kolbenbodens 313 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 16 angebunden. Der Kolbenschaft 16 des Kolbens 310 einschließlich Nabenbohrungen, Bolzennaben und Laufflächen entspricht dem Kolbenschaft 16 gemäß 1, so dass auf obige Beschreibung verwiesen wird. Der Kolbengrundkörper 311 kann bspw. aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Das Kolbenkopfelement 312 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel den äußeren Bereich des Kolbenbodens 313 mit einem umlaufenden Feuersteg 321 und einer umlaufenden Ringpartie 322 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt). Das Kolbenkopfelement 312 bildet ferner den äußeren Muldenrand 323 und die umlaufende Muldenwand 324 der Brennraummulde 314. Das Kolbenkopfelement 312 kann bspw. aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt sein.
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Der Kolbengrundkörper 311 und das Kolbenkopfelement 312 bilden somit gemeinsam den Kolbenkopf 325 des Kolbens 310. Der Kolbengrundkörper 311 und das Kolbenkopfelement 312 bilden ferner gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal 326 etwa in Höhe der Ringpartie 322.
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Der Kolbengrundkörper 311 und das Kolbenkopfelement 312 sind im Ausführungsbeispiel mittels Schweißen miteinander verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel ist im Kühlkanal 326 erfindungsgemäß ein Wärmeleitelement 327 vorgesehen. Das Wärmeleitelement 327 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ringförmig umlaufendes, im Querschnitt L-förmiges Wärmeleitblech ausgebildet. Das Wärmeleitelement 327 erstreckt sich im Wesentlich vertikal in Richtung des Kolbenbodens 313 und weist ein freies oberes Ende auf. Das Wärmeleitelement 327 ist im Ausführungsbeispiel mit Öffnungen 328 versehen, durch welche das im Kühlkanal aufgenommene Kühlöl hindurchströmen kann. Das Wärmeleitelement 327 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Kühlkanal 326 an der unteren Schweißnaht 331, über welche der Kolbengrundkörper 311 und das Kolbenkopfelement 312 im Bereich der Ringpartie 322 miteinander verbunden sind, angebunden und auf diese Weise an der Innenwand des Kühlkanals 326 befestigt. Hierbei ist im Ausführungsbeispiel das Wärmeleitelement 327 in einem Abstand (d) vom Boden des Kühlkanals 326 befestigt, der mindestens 10% der Breite (b) des Kühlkanals 326 beträgt. Selbstverständlich können auch mehrere Wärmeleitelemente oder mehrere ringsegmentartige Wärmeleitelemente vorgesehen sein.
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Zur Montage wird das Wärmeleitelement 327 vor dem Verbinden von Kolbengrundkörper 311 und Kolbenkopfelement 312 auf die äußere Fügefläche des Kolbengrundkörpers 311 aufgelegt und bspw. mittels Schweißpunkten verheftet. Anschließend wird das Kolbenkopfelement 312 mit seinen Fügeflächen auf den Kolbengrundkörper 311 bzw. das Wärmeleitelement 327 aufgesetzt. Dann werden der Kolbengrundkörper 311 und das Kolbenkopfelement 312 mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden. Dabei verbinden sich die Fügeflächen von Kolbengrundkörper 311 und Kolbenkopfelement 312 sowie das Wärmeleitelement 327 zu der Schweißnaht 331. Die weitere Schweißnaht 332 wird lediglich von Kolbengrundkörper 311 und Kolbenkopfelement 312 gebildet.
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Alle Varianten hinsichtlich Größe und Form des Wärmeleitelements sowie Art und Ort seiner Befestigung im Kühlkanal, sind selbstverständlich untereinander kombinierbar.
