DE102012017217A1

DE102012017217A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102012017217A1
Application number: DE102012017217.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bischofberger Ulrich; Sascha-Oliver Boczek
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-05-15
Also published as: BR112015004341A2; EP2920448A2; US20150247475A1; WO2014032644A2; JP2015526643A; WO2014032644A3; US9765728B2; CN104641094A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (13), eine umlaufende Ringpartie (16) sowie im Bereich der Ringpartie (16) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal oder abgeschlossenen Hohlraum (18) aufweist, wobei eine Innenseite (12) des Kolbens (10) zwei Unterflächen (34a, 34b) aufweist, die im Bereich der Kolbenmittelachse (M) stetig in eine gewölbte Fläche (35) übergehen, wobei der Kolbenschaft (21) mit Nabenbohrungen (23) versehene Kolbennaben (22) aufweist, welche über Laufflächen (24, 25) miteinander verbunden sind, die zum Kolbeninneren gewandte Innenflächen (32a, 32b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom freien Ende des Kolbenschafts (21) im Kolbeninneren auf der Druckseite (DS) und/oder Gegendruckseite (GDS) eine Innenfläche (32a, 32b) einer Lauffläche (24, 25) stetig in eine Leitfläche (33a, 33b) für Kühlmittel übergeht, die ihrerseits stetig in eine Unterfläche (34a, 34b) übergeht

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden, eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal oder einen umlaufenden abgeschlossenen Hohlraum aufweist, wobei eine Innenseite des Kolbens zwei Unterflächen aufweist, die im Bereich der Kolbenmittelachse stetig in eine gewölbte Fläche übergehen, wobei der Kolbenschaft mit Nabenbohrungen versehene Kolbennaben aufweist, welche über Laufflächen miteinander verbunden sind, die zum Kolbeninneren gewandte Innenflächen aufweisen.
Bei dem gattungsgemäßen Kolben handelt es sich um einen Kolben mit Anspritzkühlung, d. h. die Kühlung des Kolbens erfolgt durch das Anspritzen mit Kühlmittel vom kolbenschaftseitigen Ende her. Es hat sich gezeigt, dass besonders bei Kolben mit kleiner Kompressionshöhe der Kühlmittelstrahl überwiegend direkt von der Auftreffstelle zurückgeworfen wird. Dies hat zur Folge, dass zwar an dieser Stelle ein merklicher Kühleffekt bewirkt wird, an anderen Stellen jedoch keine ausreichende Kühlung erzielt wird. Daher wird bei derartigen Kolben beobachtet, dass sie im Motorbetrieb bei höheren Lasten zu heiß werden und einer Dauerbelastung nicht standhalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass eine gleichmäßigere Anspritzkühlung erzielt wird.
Die Lösung besteht darin, dass ausgehend vom freien Ende des Kolbenschafts im Kolbeninneren auf der Druckseite und/oder Gegendruckseite eine Innenfläche einer Lauffläche stetig in eine Leitfläche für Kühlöl übergeht, die ihrerseits stetig in eine Unterfläche übergeht.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass das angespritzte Kühlmittel nicht unmittelbar von der Auftreffstelle zurückgeworfen wird. Der Kühlmittelstrahl trifft vielmehr im Wesentlichen tangential auf die Leitfläche auf und wird derart geleitet, dass es über die Unterfläche in Richtung der gewölbten Fläche strömt. Das Kühlmittel fließt also mit einer erheblichen Verzögerung in Richtung der Kurbelwelle zurück. Im Ergebnis wird zum einen eine wesentlich größere Fläche an der Innenseite des Kolbens mit Kühlmittel benetzt und gekühlt, und zum anderen weist das Kühlmittel an der Innenseite des Kolbens eine wesentlich größere Verweildauer auf. Dies führt insgesamt zu einer deutlich stärkeren und gleichmäßigeren Kühlwirkung an der Innenseite des Kolbens. Die im Motorbetrieb aus Richtung des Kolbenbodens auf die Innenseite des Kolbens transportierte Wärme wird erheblich effektiver abgeleitet.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im optimalen Fall wird das Kühlmittel von der Leitfläche derart geleitet, dass es über die Unterfläche in Richtung der gewölbten Fläche und darüber hinaus über die gegenüberliegende Unterfläche und Leitfläche in Richtung der Kurbelwelle strömt. Daher ist es bevorzugt, dass sowohl an der Druckseite als auch an der Gegendruckseite die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einer Leitfläche vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass eine unter einem Winkel δ zur Kolbenmittelachse im Bereich der Innenseite angelegte Tangente mit der Kolbenmittelachse einen Winkel β einschließt, dass jede Unterfläche mit der Kolbenmittelachse einen Winkel α einschließt und dass der Winkel β kleiner oder gleich dem Winkel α ist. Die daraus resultierende Geometrie der Leitfläche und der Unterfläche erlaubt eine besonders wirksame Leitung des angespritzten Kühlmittels von der Leitfläche zur Unterfläche und einen besonders strömungsgünstigen Kühlmittelfluss. Besonders bevorzugt ist die Tangente im Bereich einer Leitfläche angelegt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens eine zwischen einer Lauffläche und einer Nabenbohrung angeordnete, nach außen verschlossene Bohrung vorgesehen ist, die in einen Kühlmittelraum mündet, wobei der Hohlraum und die mindestens eine Bohrung ein Wärmeübertragungsmittel in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung enthalten. Metallische Wärmeübertragungsmittel bewirken eine besonders wirksame Kühlung des Kolbenkopfes und eine besonders effektive Wärmeverteilung.
Bei derartigen Kolben ist der üblicherweise Kühlöl aufnehmende „Kühlkanal” vollständig geschlossen, d. h. es sind weder Einlassöffnungen noch Auslassöffnungen für Kühlmittel vorhanden. Daher wird im Folgenden in Zusammenhang mit derartigen Kolben nicht von einem Kühlkanal, sondern von einem abgeschlossenen Hohlraum oder kurz von einem Hohlraum gesprochen.
Bei mit einem derartigen metallischen Wärmeübertragungsmittel befüllten Kolben kann das Wärmeübertragungsmittel nicht aus dem Hohlraum austreten. Die vom Wärmeübertragungsmittel im Motorbetrieb aus Richtung des Kolbenbodens aufgenommene Wärme wird direkt an die Umgebung abgegeben, insbesondere in den Bereich der Ringpartie und in den unteren Bereich des Hohlraums. Daher ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Innenseite des Kolbens in Verbindung mit derartigen Kolben besonders bevorzugt. Die vom Wärmeübertragungsmittel aufgenommene Wärme wird in Richtung der Innenseite des Kolbens übertragen und vom angespritzten Kühlmittel besonders effektiv abtransportiert.
Bei derartigen Kolben ist die maximale Höhe des Hohlraums im Bereich der Laufflächen vorzugsweise größer als seine maximale Höhe im Bereich der Kolbennaben. Dadurch kann im Bereich der Lauffläche die vom Wärmeübertragungsmittel auf die Innenseite des Kolbens übertragene Wärme besonders wirksam vom angespritzten Kühlmittel abtransportiert werden. Im Bereich der Laufflächen ist die Wanddicke der Innenseite des Kolbens so gering, dass ein effektiver Wärmeübergang erfolgt, ohne die Stabilität des Kolbens zu beeinträchtigen. Der symmetrisch variierende Querschnitt des Kühlkanals führt ferner dazu, dass der erfindungsgemäße Kolben im Motorbetrieb im Zylinder besser ausbalanciert und damit besser geführt wird. Es werden geringere Reibungsverluste als im Stand der Technik festgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens sieht vor, dass innerhalb der Ringpartie eine unterste Ringnut mit einer Nuthöhe h3 vorgesehen ist, dass ein Abstand a zwischen der Unterflanke der untersten Ringnut und der tiefsten Stelle des Hohlraums vorgesehen ist und dass der Abstand a gleich der oder größer als die Nuthöhe h3 ist. Je größer die Differenz zwischen der Nuthöhe und dem Abstand ist, desto größer ist die maximale Höhe des Hohlraums und desto wirksamer ist die Wärmeübertragung vom im Hohlraum aufgenommenen Wärmeübertragungsmittel zur Innenseite des Kolbens. Je größer ferner der Abstand zwischen der Unterflanke der Ringnut und der tiefsten Stelle des Hohlraums ist, desto weniger Wärme wird im Motorbetrieb in den Bereich der untersten Ringnut übertragen, so dass die Gefahr von Verkokungen in diesem Bereich stark reduziert bzw. völlig vermieden wird.
Vorzugsweise ist eine zur Ringpartie weisende Außenwand des Hohlraums in Richtung des Kolbenbodens zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse hin geneigt ausgebildet. Dadurch wird die durch den sog. „Shaker-Effekt” bewirkte Bewegung des im Hohlraum aufgenommenen Wärmeübertragungsmittels während des Kolbenhubs im Motorbetrieb optimiert. Ferner wird vermieden, dass zu viel erhitztes Wärmeübertragungsmittel mit der Außenwand in Berührung kommt und die Ringpartie übermäßig erwärmt, so dass die Gefahr von Verkokungen im Bereich der Ringnuten vermieden wird.
Zweckmäßigerweise schließt die geneigte Außenwand des Hohlraums mit einer Achsparallele zur Kolbenmittelachse einen Winkel von 1° bis 10° ein. Damit wird zusätzlich vermieden, dass der Hohlraum übermäßig verengt wird und ein wirksamer Wärmeübertragungseffekt erhalten bleibt.
Vorzugsweise beträgt die Füllmenge des Wärmeübertragungsmittels 5% bis 10% des Gesamtvolumens des Hohlraums und der mindestens einen Bohrung. Dies hat die vorteilhafte Auswirkung, dass das metallische Wärmeübertragungsmittel die Wärme effektiver in den unteren Bereich des Hohlraums in Richtung des Kolbenschaftes transportiert so dass weniger Wärme in Richtung der Ringpartie abgegeben wird.
Bei diesem Kolbentyp ist es besonders vorteilhaft, eine zur Ringpartie weisende Außenwand des Hohlraums in Richtung des Kolbenbodens zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse hin geneigt auszubilden, um eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden, wie sie bei diesem Kolbentyp ansonsten beobachtet wird.
Niedrig schmelzende Metalle, die zur Verwendung als Wärmeübertragungsmittel geeignet sind, sind insbesondere Natrium oder Kalium. Als niedrig schmelzende Metalllegierungen können insbesondere Galinstan^®-Legierungen, niedrig schmelzende Bismut-Legierungen und Natrium-Kalium-Legierungen eingesetzt werden.
Als sog. Galinstan^®-Legierungen werden Legierungssysteme aus Gallium, Indium und Zinn bezeichnet, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Diese Legierungen bestehen aus 65 Gew.-% bis 95 Gew.-% Gallium, 5 Gew.-% bis 26 Gew.-% Indium und 0 Gew.-% bis 16 Gew.-% Zinn. Bevorzugte Legierungen sind bspw. solche mit 68 Gew.-% bis 69 Gew.-% Gallium, 21 Gew.-% bis 22 Gew.-% Indium und 9,5 Gew.-% bis 10,5 Gew.-% Zinn (Schmp. –19°C), 62 Gew.-% Gallium, 22 Gew.-% Indium und 16 Gew.-% Zinn (Schmp. 10,7°C) sowie 59,6 Gew.-% Gallium, 26 Gew.-% Indium und 14,4 Gew.-% Zinn (ternäres Eutektikum, Schmp. 11°C).
Niedrig schmelzende Bismut-Legierungen sind zahlreich bekannt. Dazu gehören bspw. LBE (eutektische Bismut-Blei-Legierung, Schmp. 124°C), Roses Metall (50 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei und 22 Gew.-% Zinn, Schmp. 98°C), Orionmetall (42 Gew.-% Bismut, 42 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmp. 108°C); Schnelllot (52 Gew.-% Bismut, 32 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmp. 96°C), d'Arcets-Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei und 25 Gew.-% Zinn), Woodsches Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 12,5 Gew.-% Zinn und 12,5 Gew.-% Cadmium, Schmp. 71°C), Lipowitzmetall (50 Gew.-% Bismut, 27 Gew.-% Blei, 13 Gew.-% Zinn und 10 Gew.-% Cadmium, Schmp. 70°C), Harpers Metall (44 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 25 Gew.-% Zinn und 6 Gew.-% Cadmium, Schmp. 75°C), Cerrolow 117 (44,7 Gew.-% Bismut, 22,6 Gew.-% Blei, 19,1 Gew.-% Indium, 8,3 Gew.-% Zinn und 5,3 Gew.-% Cadmium, Schmp. 47°C); Cerrolow 174 (57 Gew.-% Bismut, 26 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmp. 78,9°C), Fields Metall (32 Gew.-% Bismut, 51 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmp. 62°C) sowie die Walkerlegierung (45 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei, 22 Gew.-% Zinn und 5 Gew.-% Antimon).
Geeignete Natrium-Kalium-Legierungen können 40 Gew.-% bis 90 Gew.-% Kalium enthalten. Besonders geeignet ist die eutektische Legierung NaK mit 78 Gew.-% Kalium und 22 Gew.-% Natrium (Schmp. –12,6°C).
Das Wärmeübertragungsmittel kann zusätzlich Lithium und/oder Lithiumnitrid enthalten. Falls beim Befüllen Stickstoff als Schutzgas verwendet wird, kann dieses mit dem Lithium zu Lithiumnitrid abreagieren und auf diese Weise aus dem Hohlraum entfernt werden.
Das Wärmeübertragungsmittel kann ferner Natriumoxide und/oder Kaliumoxide enthalten, falls während des Befüllens ggf. vorhandene trockene Luft mit dem Wärmeübertragungsmittel reagiert hat.
Vorzugsweise sind vier Bohrungen vorgesehen, die zwischen einer Lauffläche und einer Nabenbohrung angeordnet sind, um eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im Kolben zu erreichen.
Die mindestens eine Bohrung ist zweckmäßigerweise mittels eines Verschlusselements verschlossen, um zu vermeiden, dass das Wärmeübertragungsmittel austritt. Das Verschlusselement kann am freien Ende des Kolbenschaftes vorgesehen sein. Bevorzugt ist das Verschlusselement im Kolbenboden vorgesehen, um den Hohlraum und die mindestens eine Bohrung besonders bequem befüllen zu können.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 der Kolben gemäß 1 in einer perspektivischen Darstellung im Schnitt;
3 der Kolben gemäß 1 im Schnitt durch zwei sich diagonal gegenüberliegende Bohrungen.
Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger gegossener Kolben oder ein mehrteiliger gefügter Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem eisenbasierten Werkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Der Kolben 10 gemäß dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit einem metallischen Wärmeübertragungsmittel gefüllt, wie sie weiter oben beschrieben sind. Bevorzugt sind Wärmeübertragungsmittel, die bei Raumtemperatur fest und knetbar sind, bspw. Natrium.
Die 1 bis 3 zeigen beispielhaft einen zweiteiligen gefügten Kastenkolben 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 14 aufweisenden Kolbenboden 13, einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 mit Ringnuten 17a, 17b, 17c zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 16 ist ein umlaufender abgeschlossener Hohlraum 18 vorgesehen, der keine Einlass- oder Auslassöffnungen aufweist.
Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 22 sind in an sich bekannter Weise über Nabenanbindungen mit dem Kolbenkopf 11 verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Laufflächen 24, 25 miteinander verbunden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 aus einem Kolbengrundkörper 10a und einem Kolbenringelement 10b zusammengesetzt, die in an sich bekannter Weise durch Schmieden oder Gießen hergestellt, vorbearbeitet und mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens, gefügt werden, woraus umlaufende Schweißnähte 10c, 10d resultieren. Der Kolben 10 kann bspw. selbstverständlich auch in an sich bekannter Weise aus einem den Kolbenkopf 11 umfassenden Kolbenoberteil und einem den Kolbenschaft 21 umfassenden Kolbenunterteil gefügt sein. Der Kolben 10 kann auch als einteiliger Kolben ausgebildet sein, der in an sich bekannter Weise gegossen wird, wobei bspw. Salzkerne zur Ausbildung des Hohlraums 18 und der Bohrungen 25 (siehe unten) verwendet werden.
Der Kolben 10 weist im Ausführungsbeispiel vier Bohrungen 26 auf (vgl. insbesondere 2 und 3). Die Bohrungen 26 verlaufen im Ausführungsbeispiel in etwa axial und parallel zur Kolbenmittelachse M. Die Bohrungen 26 können aber auch geneigt unter einem Winkel zur Kolbenmittelachse M verlaufen (nicht dargestellt). Die Bohrungen 26 sind zwischen einer Lauffläche 24, 25 und einer Nabenbohrung 23 angeordnet. Die Bohrungen 26 münden in den Hohlraum 18. Der Kühlmittelraum 18 und die Bohrungen 26 sind mit einem metallischen Wärmeübertragungsmittel 27 befüllt, im Ausführungsbeispiel Natrium.
Die Größe der Bohrungen 26 und die Füllmenge des Wärmeübertragungsmittels 27 richten sich nach der Größe und dem Werkstoff des Kolbens 10. Die Kühlleistung kann über die Menge des zugegebenen Wärmeübertragungsmittels 27 unter Berücksichtigung seines Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten gesteuert werden. Die Füllmenge soll vorzugsweise 5% bis 10% des Gesamtvolumens des Hohlraums 18 und der Bohrungen 26 betragen. In diesem Fall kann im Betrieb der an sich bekannte Shaker-Effekt für eine besonders wirksame Wärmeverteilung im Kolben 10 zusätzlich genutzt werden. Für Natrium als Wärmeübertragungsmittel 27 mit einer Temperatur im Betrieb von maximal 350°C ergibt sich bei einer Kühlleistung von 350 kW/m² eine maximale Oberflächentemperatur des Kolbens 10 von etwa 260°C.
Die Innenseite 12 des erfindungsgemäßen Kolbens 10 wird im Motorbetrieb mittels Anspritzkühlung gekühlt. Hierzu ist im Motor in an sich bekannter Weise eine Anspritzdüse 30 für ein Kühlmittel vorgesehen (vgl. 1), die bspw. ortsfest am Kurbelgehäuse vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Kolben kann selbstverständlich auch einen konventionellen Kühlkanal für Kühlöl aufweisen, der Einlass- und Auslassöffnungen für das Kühlöl aufweist. Auch bei einem derartigen Kolben wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Innenseite 12 des Kolbens 10 eine verbesserte Anspritzkühlung im Bereich der Innenseite 12 erzielt.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung der Anspritzkühlung ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die maximale Höhe h1 des Hohlraums 18 im Bereich der Laufflächen 24, 25 größer ist als seine maximale Höhe h2 im Bereich der Kolbennaben 22 (vgl. 2). Dies bewirkt, dass das Wärmeübertragungsmittel 27 im Bereich der Laufflächen die aus Richtung des Kolbenbodens 13 über den Hohlraum 18 transportierte Wärme besonders effektiv in Richtung der Innenseite 12 des Kolbens 10 ableitet. Im Bereich der Laufflächen 24, 25 ist die Wanddicke des Wandbereichs 31 zwischen dem Hohlraum 18 und dem Kolbeninneren so gering, dass ein effektiver Wärmeübergang zur Innenseite 12 des Kolbens 10 erfolgt, ohne die Stabilität des Kolbens 10 zu beeinträchtigen. Der symmetrisch variierende Querschnitt des Hohlraums 18 führt ferner dazu, dass der erfindungsgemäße Kolben 10 im Motorbetrieb im Zylinder besser ausbalanciert und damit besser geführt wird. Es werden geringere Reibungsverluste als im Stand der Technik festgestellt.
Ferner ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die unterste Ringnut 17c eine Nuthöhe h3 aufweist und dass die Nuthöhe h3 kleiner oder gleich dem Abstand a zwischen der Unterflanke der untersten Ringnut 17c und der tiefsten Stelle des Hohlraums 18 ist. Je größer die Differenz zwischen der Nuthöhe und dem Abstand ist, desto größer ist die maximale Höhe des Hohlraums und desto wirksamer ist die Wärmeübertragung vom im Hohlraum aufgenommenen Wärmeübertragungsmittel zur Innenseite des Kolbens. Je größer ferner der Abstand zwischen der Unterflanke der Ringnut und der tiefsten Stelle des Hohlraums ist, desto weniger Wärme wird im Motorbetrieb in den Bereich der untersten Ringnut übertragen, so dass die Gefahr von Verkokungen in diesem Bereich stark reduziert bzw. völlig vermieden wird.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ausgehend vom freien Ende des Kolbenschafts 21 im Kolbeninneren auf der Druckseite DS und/oder Gegendruckseite GDS eine erste Innenfläche 32a einer Lauffläche 24 stetig in eine erste Leitfläche 33a für Kühlmittel übergeht, die ihrerseits stetig in eine erste Unterfläche 34a übergeht. Die erste Unterfläche 34a geht ihrerseits stetig in eine gewölbte Fläche 35, die im Bereich der Kolbenmittelachse M angeordnet ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass die gewölbte Fläche 35 wiederum stetig in eine zweite Unterfläche 34b übergeht, die ihrerseits in eine zweite Leitfläche 33b für Kühlmittel übergeht, welche stetig in eine zweite Innenfläche 32b einer Lauffläche 25 mündet.
Die beiden Innenflächen 32a, 32b, die beiden Leitflächen 33a, 33b, die beiden Unterflächen 34a, 34b und die gewölbte Fläche 35 bilden die Innenseite 12 des Kolbens 10.
Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung bewirkt, dass das angespritzte Kühlmittel nicht unmittelbar von der Auftreffstelle zurückgeworfen wird. Der Kühlmittelstrahl trifft vielmehr im Wesentlichen tangential auf die Leitfläche 33a auf und wird derart geleitet, dass das Kühlmittel über die Unterfläche 34a in Richtung der gewölbten Fläche 35 strömt. Im optimalen Fall fließt das Kühlmittel von der gewölbten Fläche 35 über die Unterfläche 34b, die Leitfläche 33b und die Innenfläche 32b in Richtung der Kurbelwelle zurück.
Das Kühlmittel fließt also mit einer erheblichen Verzögerung in Richtung der Kurbelwelle zurück. Im Ergebnis wird zum einen eine wesentlich größere Fläche an der Innenseite 12 des Kolbens 10 mit Kühlmittel benetzt und gekühlt, und zum anderen weist das Kühlmittel an der Innenseite 12 des Kolbens 10 eine wesentlich größere Verweildauer auf. Dies führt insgesamt zu einer deutlich stärkeren und gleichmäßigeren Kühlwirkung an der Innenseite des Kolbens. Die aus Richtung des Kolbenbodens 13 über den Hohlraum 18 und die Verbrennungsmulde 14 in Richtung der Innenseite 12 des Kolbens 10 transportierte Wärme wird erheblich effektiver abgeleitet.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die unter einem Winkel δ zur Kolbenmittelachse M im Bereich der Innenseite 12 angelegte Tangente T mit der Kolbenmittelachse M einen Winkel β einschließt. Ferner schließt jede Unterfläche 34a, 34b mit der Kolbenmittelachse M einen Winkel α ein. Hierbei ist der Winkel β kleiner oder gleich dem Winkel α. Die daraus resultierende Geometrie der Leitflächen 33a, 33b und der Unterflächen 34a, 34b erlaubt eine besonders wirksame Leitung des angespritzten Kühlmittels von der Leitfläche 33a zur Unterfläche 34a sowie einen besonders strömungsgünstigen Kühlmittelfluss.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass eine zur Ringpartie 16 weisende Außenwand 36 des Hohlraums 18 in Richtung des Kolbenbodens 13 zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse M hin geneigt ausgebildet ist. Im vorliegenden Fall schließt die geneigte Außenwand 36 des Hohlraums 18 mit einer Achsparallele A zur Kolbenmittelachse M einen Winkel γ von vorzugsweise 1° bis 10° ein. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die Ringpartie 16 nicht übermäßig aufgeheizt und die Gefahr von Verkokungen an den Ringnuten vermieden wird. Dieser Effekt beruht im Wesentlichen auf den folgenden Mechanismen. Durch den Shaker-Effekt im Motorbetrieb wird das aus Richtung des Kolbenbodens 13 erwärmte Wärmeübertragungsmittel 27 während des Aufwärtshubs des Kolbens 10 im Wesentlichen senkrecht nach unten bewegt. Dies hat zur Folge, dass eine Berührung der Außenwand 36 des Hohlraums 18 durch das heiße Wärmeübertragungsmittel 27 weitestgehend vermieden wird. Das Wärmeübertragungsmittel 27 gibt daher einen wesentlichen Teil seiner Wärme beim ersten Auftreffen auf den anspritzgekühlten des Hohlraums 18 in Richtung der Innenseite 12 des Kolbens 10 ab. Das nun weniger heiße Wärmeübertragungsmittel 27 kann, ohne die Ringpartie 16 zu stark zu erwärmen, beim nachfolgenden Abwärtshub an der Außenwand 36 des Hohlraums 18 in Richtung des Kolbenbodens 13 entlangfließen. Ferner ist die Außenwand 36 des Hohlraums 18 im Bereich der Ringpartie 16 verdickt ausgebildet, so dass der Wärmedurchgang in Richtung der Ringpartie 16 zusätzlich verringert ist.
Zur Herstellung des Kolbens 10 werden in an sich bekannter Weise ein Kolbengrundkörper 10a und ein Kolbenringelement 10b durch Schmieden oder Gießen hergestellt und vorbearbeitet. Dann wird das bei Raumtemperatur feste, knetfähige metallische Wärmeübertragungsmittel 27 in den Bereich des Kolbengrundkörpers 10a eingelegt, der im fertigen Kolben 10 einen Teil des Hohlraums 18 bildet (vgl. 1). Dann werden der Kolbengrundkörper 10a und das Kolbenringelement 10b zusammengesetzt und mittels eines Schweißverfahrens, bspw. Laserschweißen, gefügt und fest miteinander verbunden, woraus umlaufende Schweißnähte 10c, 10d resultieren.
Falls ein einteiliger Kolben hergestellt werden soll oder ein bei Raumtemperatur flüssiges metallisches Wärmeübertragungsmittel verwendet wird, muss eine Einfüllöffnung 37, 38 vorhanden sein. Diese Einfüllöffnung kann entweder am freien Ende des Kolbenschaftes 21 (Einfüllöffnung 37 in 2) oder im Kolbenboden 13 (Einfüllöffnung 38 in 1) vorgesehen sein. Die Einfüllöffnung wird nach dem Befüllen mit dem Wärmeübertragungsmittel mittels eines Verschlusselements (Verschlusselement 41 in 2 bzw. Verschlusselement 42 in 3) dicht verschlossen. Das Verschlusselement 41, 42 kann bspw. als eingepressten Stahlkugel, aufgeschweißter Deckel oder eingepresste Kappe ausgebildet sein.
Zum Befüllen des Kolbens 10 mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmittel wird durch die Einfüllöffnung 37, 38 eine Lanze eingeführt und mittels Stickstoff oder mittels eines anderen geeigneten Inertgases oder mittels trockener Luft gespült. Zur Einführung des Wärmeübertragungsmittels 27 wird dieses unter Schutzgas (bspw. Stickstoff, Inertgas oder trockene Luft) durch die Einfüllöffnung 37, 38 geleitet, so dass das Wärmeübertragungsmittel 27 in den Bohrungen 26 bzw. im Hohlraum 18 aufgenommen wird.
Ein weiteres Verfahren zum Befüllen des Kolbens 10 zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem Spülen mit Stickstoff, Inertgas oder trockener Luft die Bohrungen 26 und der Hohlraum 18 evakuiert werden und das Wärmeübertragungsmittel 27 im Vakuum eingebracht wird. Damit kann sich das Wärmeübertragungsmittel 27 leichter im Hohlraum 18 hin und her und in den Bohrungen 26 hinein und hinaus bewegen, da es nicht durch vorhandenes Schutzgas behindert wird.
Eine andere Möglichkeit, das Schutzgas aus dem Hohlraum 18 bzw. den Bohrungen 26 zu entfernen, besteht darin, dass Stickstoff oder trockene Luft (d. h. im Wesentlichen eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff) als Schutzgas zu verwenden und dem Wärmeübertragungsmittel 27 eine kleine Menge Lithium zuzusetzen, erfahrungsgemäß etwa 1,8 mg bis 2,0 mg Lithium pro Kubikzentimeter Gasraum (d. h. Volumen des Hohlraums 18 plus Volumen der Bohrungen 26). Während bspw. Natrium und Kalium mit Sauerstoff zu Oxiden reagieren, reagiert das Lithium mit Stickstoff zu Lithiumnitrid. Das Schutzgas wird somit praktisch vollständig als Feststoff im Wärmeübertragungsmittel 27 gebunden.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (13), eine umlaufende Ringpartie (16) sowie im Bereich der Ringpartie (16) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal oder abgeschlossenen Hohlraum (18) aufweist, wobei eine Innenseite (12) des Kolbens (10) zwei Unterflächen (34a, 34b) aufweist, die im Bereich der Kolbenmittelachse (M) stetig in eine gewölbte Fläche (35) übergehen, wobei der Kolbenschaft (21) mit Nabenbohrungen (23) versehene Kolbennaben (22) aufweist, welche über Laufflächen (24, 25) miteinander verbunden sind, die zum Kolbeninneren gewandte Innenflächen (32a, 32b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom freien Ende des Kolbenschafts (21) im Kolbeninneren auf der Druckseite (DS) und/oder Gegendruckseite (GDS) eine Innenfläche (32a, 32b) einer Lauffläche (24, 25) stetig in eine Leitfläche (33a, 33b) für Kühlmittel übergeht, die ihrerseits stetig in eine Unterfläche (34a, 34b) übergeht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom freien Ende des Kolbenschafts (21) im Kolbeninneren sowohl auf der Druckseite (DS) als auch auf der Gegendruckseite (GDS) eine Innenfläche (32a, 32b) einer Lauffläche (24, 25) stetig in eine Leitfläche (33a, 33b) für Kühlmittel übergeht, die ihrerseits stetig in eine Unterfläche (34a, 34b) übergeht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine unter einem Winkel (δ) zur Kolbenmittelachse (M) im Bereich der Innenseite (12) angelegte Tangente (T) mit der Kolbenmittelachse (M) einen Winkel (β) einschließt, dass jede Unterfläche (34a, 34b) mit der Kolbenmittelachse (M) einen Winkel (α) einschließt und dass der Winkel (β) kleiner oder gleich dem Winkel (α) ist.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangente (T) im Bereich einer Leitfläche (33a, 33b) angelegt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zwischen einer Lauffläche (24, 25) und einer Nabenbohrung (23) angeordnete, nach außen verschlossene Bohrung (26) vorgesehen ist, die in den Hohlraum (18) mündet, wobei der Hohlraum (18) und die mindestens eine Bohrung (26) ein Wärmeübertragungsmittel (27) in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung enthalten.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Höhe (h1) des Hohlraums (18) im Bereich der Laufflächen (24, 25) größer ist als seine maximale Höhe (h2) im Bereich der Kolbennaben (22).
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ringpartie (16) eine unterste Ringnut (17c) mit einer Nuthöhe (h3) vorgesehen ist, dass ein Abstand (a) zwischen der Unterflanke der untersten Ringnut (17c) und der tiefsten Stelle des Hohlraums (18) vorgesehen ist und dass der Abstand (a) gleich der Nuthöhe (h3) oder größer als die Nuthöhe (h3) ist.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Ringpartie (16) weisende Außenwand (36) des Hohlraums (18) in Richtung des Kolbenbodens (13) zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse (M) hin geneigt ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Außenwand (36) des Hohlraums (18) mit einer Achsparallele (A) zur Kolbenmittelachse (M) einen Winkel (γ) von 1° bis 10° einschließt.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmenge des Wärmeübertragungsmittels (27) 5% bis 10% des Gesamtvolumens des Hohlraums (18) und der mindestens einen Bohrung (26) beträgt.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als niedrig schmelzendes Metall Natrium oder Kalium enthalten ist.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrig schmelzende Metalllegierung aus der Gruppe umfassend Galinstan^®-Legierungen, niedrig schmelzende Bismut-Legierungen und Natrium-Kalium-Legierungen ausgewählt ist.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier Bohrungen (26) vorgesehen sind, die zwischen einer Lauffläche (24, 25) und einer Nabenbohrung (23) angeordnet sind.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bohrung (26) mittels eines Verschlusselements (41, 42) verschlossen ist.
Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (41) am freien Ende des Kolbenschafts (21) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (42) im Kolbenboden (13) angeordnet ist.