DE102013002895A1

DE102013002895A1 - Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102013002895A1
Application number: DE201310002895
Authority: DE
Inventors: Rainer Albat; Markus Löffler; Michael Wagenplast
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: DE102013002895B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenschaft (26), mit einem eine umlaufende Ringpartie (14) aufweisenden Kolbenkopf (12), in welchem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal (34) zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist, und mit wenigsten einem sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im Kolbenkopf (12) erstreckenden Kanalelement (36a), wobei das wenigstens eine Kanalelement (36a) fluidisch vom Kühlkanal (34) getrennt ist, wobei in dem Kanalelement (36a) ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist,

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solcher Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise der DE 10 2011 114 105 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Kolben umfasst einen Kolbenschaft sowie einen mit dem Kolbenschaft verbundenen und eine umlaufende Ringpartie für Kolbenringe aufweisenden Kolbenkopf. In dem Kolbenkopf ist ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen. Der Kolben weist ferner wenigstens ein sich teilweise im Kolbenschaft und teilweise im Kolbenkopf erstreckendes Kanalelement auf. Dabei ist das Kanalelement fluidisch mit dem Kühlkanal verbunden.
Aus der US 2005/0087153 A1 ist ein Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bekannt, welcher einen Kolbenkopf und einen mit dem Kolbenkopf verbundenen Kolbenschaft aufweist. Dabei weist der Kolben auch einen sich teilweise im Kolbenschaft und teilweise im Kolbenkopf erstreckenden Hohlraum auf, in welchem ein Wärmeübertragungsmaterial angeordnet ist.
Schließlich offenbart auch die DE 26 13 059 A1 einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenkopf und mit einem mit dem Kolbenkopf verbundenen Kolbenschaft, wobei sich teilweise im Kolbenkopf und teilweise im Kolbenschaft erstreckende Hohlräume vorgesehen sind, in denen flüssiges Natriummetall aufgenommen ist.
Es hat sich gezeigt, dass bei den herkömmlichen Kolben eine nur unzureichende Kühlung der Kolben realisiert werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei welchem sich eine besonders gute und effektive Kühlung des Kolbens realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das wenigstens eine Kanalelement fluidisch vom Kühlkanal getrennt ist, wobei in dem Kanalelement ein zweites, vom im Kühlkanal aufzunehmenden ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Durch die fluidische Trennung des Kanalelements vom Kühlkanal kann eine gegenseitige Beeinflussung der jeweiligen, im Kühlkanal bzw. im Kanalelement aufgenommenen oder aufzunehmenden Kühlmedien vermieden oder zumindest gering gehalten werden, so dass der Kolben mittels der Kühlmedien besonders effizient und effektiv zu kühlen ist. Darüber hinaus kann eine besonders homogene Temperaturverteilung im Kolben realisiert werden, so dass lokale Temperaturspitzen und daraus resultierende, sehr hohe und lokale Temperaturbelastungen des Kolbens vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. Somit kann das Temperaturniveau des Kolbens insgesamt gering gehalten werden, woraus eine sehr lange Haltbarkeit und somit eine sehr hohe Lebensdauer des Kolbens resultieren.
Insbesondere ist es auf besonders effektive Weise möglich, mittels der fluidisch voneinander getrennten und voneinander unterschiedlichen Kühlmedien Hitze von einem Kolbenboden des Kolbenkopfes in axialer Richtung des Kolbens nach unten zum Kolbenschaft abzutransportieren, so dass das Temperaturniveau des einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zugewandten Kolbenbodens in einem geringen Rahmen gehalten werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht eines Kolbens für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welcher einen Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums in Form von Öl im Bereich einer Ringpartie eines Kolbenkopfes des Kolbens sowie vier fluidisch von dem Kühlkanal getrennte Kanalelemente zum Aufnehmen eines vom ersten Kühlmedium unterschiedlichen, zweiten Kühlmediums aufweist, wobei die Kanalelemente auch fluidisch voneinander getrennt sind.
Die Fig. zeigt einen Kolben 10 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eins Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens. Der Kolben 10 umfasst einen Kolbenkopf 12 mit einer in Umfangsrichtung des Kolbens 10 umlaufenden Ringpartie 14, welche drei Ringnuten 16 zur zumindest teilweisen Aufnahme von jeweiligen Kolbenringen aufweist. In axialer Richtung des Kolbens nach oben hin schließt sich an die Ringpartie 14 ein Feuersteg 18 des Kolbenkopfes 12 an. Darüber hinaus weist der Kolbenkopf 12 einen Kolbenboden 20 mit einer Verbrennungsmulde 22 auf, welche vorliegend als sogenannte Omega-Mulde ausgebildet ist. Dabei weist der Kolbenkopf 12 auch einen sogenannten Kolbendom 24 auf, welcher auch als Kolbenhöcker oder Höcker bezeichnet wird.
In axialer Richtung nach unten schließt sich an den Kolbenkopf 12 ein Kolbenschaft 26 des Kolbens 10 an, welcher mit dem Kolbenkopf 12 verbunden ist. Der Kolbenschaft 26 weist Kolbennaben 28 mit Aufnahmeöffnungen 30 auf. Die Aufnahmeöffnungen 30 werden üblicherweise auch als Nabenbohrungen bezeichnet und sind vorliegend als Durchgangsöffnungen ausgebildet. Die Aufnahmeöffnungen 30 dienen zur zumindest bereichsweisen Aufnahme eines Kolbenbolzens. Mit anderen Worten kann der Kolbenbolzen durch die Aufnahmeöffnungen 30 hindurch gesteckt werden, um dadurch den Kolben 10 über den Kolbenbolzen mit einem Pleuel der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gelenkig zu verbinden.
Die Kolbennaben 28 sind in Umfangsrichtung des Kolbens 10 über jeweilige Laufflächen 32 des Kolbenschafts 26 miteinander verbunden. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Laufflächen 32 in Umfangsrichtung des Kolbens 10 zwischen den Aufnahmeöffnungen 30 angeordnet. Der Kolbenschaft 26 wird üblicherweise auch als Kolbenhemd bezeichnet.
Im fertig hergestellten Zustand der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist der Kolben 10 in einem als Zylinder ausgebildeten Brennraum der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine aufgenommen und kann sich relativ zu dem Brennraum translatorisch bewegen. In dem Brennraum laufen Verbrennungsvorgänge ab, wobei der Brennraum teilweise durch den Kolbenboden 20 begrenzt ist. Mit anderen Worten ist der Kolbenboden 20 dem Brennraum bzw. dem Zylinder zugewandt.
Der Kolben 10 kann sich während Auf- und Abwärtsbewegungen in dem Zylinder über die Laufflächen 32 an den Zylinder begrenzenden Zylinderlaufflächen abstützen, welche beispielsweise durch ein Zylindergehäuse oder ein Zylinderkurbelgehäuse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gebildet sind.
Der Kolben 10 ist als Kühlkanalkolben ausgebildet. Dies bedeutet, dass im Kolbenkopf 12 im Bereich der Ringpartie 14 ein vorliegend in Umfangsrichtung des Kolbens 10 vollständig umlaufender Kühlkanal 34 vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist die Ringpartie 14 in radialer Richtung des Kolbens 10 nach innen hin zumindest bereichsweise durch den Kühlkanal 34 überdeckt. Der Kühlkanal 34 dient zur Aufnahme eines ersten Kühlmediums in Form von Öl. Infolge eines Wärmeübergangs von dem Kolben 10 an das Öl kann der Kolben 10 zumindest bereichsweise und insbesondere im Bereich der Ringpartie 14 gekühlt werden. Die Versorgung des Kühlkanals 34 mit Öl erfolgt beispielsweise mittels wenigstens einer Ölspritzdüse, mittels welcher das Öl von unten gegen den Kolbenboden 20 angespritzt und in den Kühlkanal 34 eingespritzt wird.
Zur Realisierung einer besonders effektiven Kühlung des Kolbens 10 sowie zur Realisierung einer besonders homogenen Temperaturverteilung im Kolben 10 weist der Kolben 10 vier Kanalelemente 36a–d auf. Die Kanalelemente 36a–d werden üblicherweise auch als Bohrungen oder Kühlbohrungen bezeichnet, wobei sie nicht notwendigerweise durch Bohren ausgebildet sein müssen.
Wie aus der Fig. erkennbar ist, erstrecken sich die Kanalelemente 36a–d jeweils teilweise im Kolbenschaft 26 und teilweise im Kolbenkopf 12, wobei sie einen zumindest im Wesentlichen geraden Verlauf aufweisen. Die Kanalelemente 36a–d verlaufen bezogen auf die axiale Richtung des Kolbens 10 vom Kolbenschaft 26 zum Kolbenkopf 12 bzw. umgekehrt, wobei sich die Kanalelemente 36a–d windschief zueinander erstrecken.
Die Kanalelemente 36a–d sind fluidisch voneinander sowie jeweils fluidisch von dem Kühlkanal 34 getrennt. Darüber hinaus ist in den Kanalelementen 36a–d jeweils ein vom ersten Kühlmedium unterschiedliches, zweites Kühlmedium in Form von flüssigem Natrium aufgenommen. Dies bedeutet, dass die Kanalelemente 36a–d jeweils zumindest teilweise mit flüssigem Natrium gefüllt sind. Wie in der Fig. erkennbar ist, sind pro Kolbenseite zwei Kanalelemente 36a–d vorgesehen. Dies bedeutet beispielsweise, dass auf Seiten einer ersten der Kolbennaben 28 oder auf Seiten einer ersten der Laufflächen 32 zwei der Kanalelemente 36a–d angeordnet sind, während auf Seiten der zweiten der Kolbennaben 28 oder auf Seiten der zweiten der Laufflächen 32 die zwei anderen der Kanalelemente 36a–d angeordnet sind. Die Anordnung der Kanalelemente 36a–d kann symmetrisch oder asymmetrisch zur Längsachse des in der Fig. nicht erkennbaren Kolbenbolzens und/oder symmetrisch oder asymmetrisch zur Längsmittelachse des Kolbens 10 erfolgen. Die Kanalelemente 36a–d erstrecken sich dabei windschief in Richtung des Kolbendoms 24 und gewährleisten zusammen mit dem Kühlkanal 34 eine besonders gute Kühlung des Kolbens 10. Mittels der Kanalelemente 36a–d kann insbesondere das Temperaturniveau im Bereich des Kolbendoms 24 besonders gering gehalten werden.
Bei einem Abwärtshub des Kolbens 10 im Zylinder wird Wärme vom Kolbenboden 20 durch das flüssige Natrium aufgenommen. Während eines Aufwärtshubs wird die Wärme mittels des Natriums zum Kolbenschaft 26 geführt und dort an Bereiche um den Kolbenbolzen bzw. das Kolbenhemd abgegeben. Bei dem Kolben 10 kann somit insbesondere eine Aktivkühlung des Kolbens 10 realisiert werden.
Das jeweilige Kanalelement 36a–d kann beispielsweise über eine jeweilige Öffnung an einer Außenfläche des Kolbens 10 mit dem Natrium befüllt werden. Mit anderen Worten münden die jeweiligen Kanalelemente 36a–d im unverschlossenen Zustand über die jeweilige Öffnung an die Umgebung des Kolbens 10. Um einen unerwünschten Austritt des flüssigen Natriums aus dem jeweiligen Kanalelement 36a–d zu vermeiden, ist die jeweilige Öffnung beispielsweise mittels eines Verschlussdeckels, beispielsweise in Form einer Kugel, verschlossen. Bei dieser jeweiligen Außenfläche, in der die jeweilige, verschlossene Öffnung vorgesehen ist, handelt es sich nicht um eine Funktionsfläche, so dass der Verschlussdeckel bzw. das Verschlusselement zum Verschließen der jeweiligen Öffnung keine Funktion des Kolbens 10 beeinträchtigt.
Bezugszeichenliste

10: Kolben
12: Kolbenkopf
14: Ringpartie
16: Ringnut
18: Feuersteg
20: Kolbenboden
22: Verbrennungsmulde
24: Kolbendom
26: Kolbenschaft
28: Kolbennabe
30: Aufnahmeöffnung
32: Lauffläche
34: Kühlkanal
36a–d: Kanalelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011114105 A1 [0002]
US 2005/0087153 A1 [0003]
DE 2613059 A1 [0004]

Claims

Kolben (10) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenschaft (26), mit einem eine umlaufende Ringpartie (14) aufweisenden Kolbenkopf (12), in welchem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal (34) zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist, und mit wenigsten einem sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im Kolbenkopf (12) erstreckenden Kanalelement (36a), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kanalelement (36a) fluidisch vom Kühlkanal (34) getrennt ist, wobei in dem Kanalelement (36a) ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist.
Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im Kolbenkopf (12) erstreckendes, zweites Kanalelement (36b) vorgesehen ist, in welchem ein vom ersten Kühlmedium unterschiedliches, drittes Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist, wobei das zweite Kanalelement (36b) vom ersten Kanalelement (36a) und vom Kühlkanal (34) fluidisch getrennt ist.
Kolben (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalelemente (36a–b) einen geraden Verlauf aufweisen und sich windschief zueinander erstrecken.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlmedium Öl und/oder das zweite Kühlmedium und/oder das dritte Kühlmedium ein Alkalimetall, insbesondere Natrium, insbesondere flüssiges Natrium, ist.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kanalelement (36a) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) zwischen einer Aufnahmeöffnung (30) für einen Kolbenbolzen und einer Lauffläche (32) des Kolbens (10) angeordnet ist.