DE102015002322A1

DE102015002322A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015002322A1
Application number: DE102015002322.5A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schmidt
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2016-09-01
Also published as: US20180038265A1; WO2016135301A1; JP2018507977A; EP3262289A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (18), mit einer im Kolbenkopf (11) angeordneten, Ringnuten (16a, 16b, 16c) zur Aufnahme von Kolbenringen aufweisenden umlaufenden Ringpartie (15) und einem im Kolbenkopf (11) in Höhe der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (17), welcher Zulauföffnungen (23a, 23b) und Ablauföffnungen (26, 27) für Kühlöl aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest im Bereich einer Zulauföffnung (23a, 23b) für Kühlöl ein Hohlraum (24a, 24b) zur Aufnahme von Kühlöl vorgesehen ist, welcher in den Kühlkanal (17) mündet

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, mit einer im Kolbenkopf angeordneten, Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen aufweisenden umlaufenden Ringpartie und einem im Kolbenkopf in Höhe der Ringpartie umlaufenden Kühlkanal, welcher Zulauföffnungen und Ablauföffnungen für Kühlöl aufweist.
Gattungsgemäße Kolben sind bekannt. Moderne Kolben zeichnen sich durch eine geringe Bauhöhe und damit eine geringe Kompressionshöhe aus. Daher ist eine effektive Kühlung des Kolbens im Motorbetrieb mittels Kühlöl immer schwieriger zu realisieren, da für einen funktionsgerechten Kühlkanal immer weniger Raum vorhanden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Kühlung mittels Kühlöl erzielt wird.
Die Lösung besteht darin, dass zumindest im Bereich einer Zulauföffnung für Kühlöl ein Hohlraum zur Aufnahme von Kühlöl vorgesehen ist, welcher in den Kühlkanal mündet.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich mindestens einer Zulauföffnung für Kühlöl ein zusätzlicher Shaker-Effekt erzielt wird, da sich das Kühlöl im erfindungsgemäß vorgesehenen Hohlraum frei bewegen kann und im Motorbetrieb aufgrund der Hubbewegung des Kolbens im Hohlraum auf und ab bewegt wird. Daraus resultiert ein verbesserter Wärmetransport vom Kolbenkopf in Richtung des Kolbenschafts, wo die Wärme großflächig abgeleitet wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise sind die Höhe (H) des Hohlraums und die Höhe (h) des Kühlkanals im Verhältnis 5:2 zueinander ausgebildet, um einen optimal verbesserten Wärmetransport zu erhalten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Querschnittsfläche (Q) des Hohlraums und die Querschnittsfläche (q) des Kühlkanals im Verhältnis 4:1,2 bis 4:1,5 zueinander ausgebildet sind. Auch mit dieser Maßnahme wird ein optimierter Wärmetransport erzielt.
Der erfindungsgemäße Kolben weist in vorteilhafter Weise eine Druckseite (DS) und eine Gegendruckseite (GDS) auf, wobei je eine Zulauföffnung für Kühlöl im Bereich der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) vorgesehen ist. Wenn beide Zulauföffnungen mit einem erfindungsgemäßen Hohlraum versehen sind, wird die im Motorbetrieb anfallende Wärmemenge noch effizienter abtransportiert.
Der Kühlkanal kann zusätzliche Bohrungen und/oder Rippen zur Steuerung der Verweildauer des im Kühlkanal aufgenommenen Kühlöls aufweisen.
Die Kompressionshöhe KH des erfindungsgemäßen Kolbens beträgt vorzugsweise 30 bis 35 mm, bevorzugt 32 mm, so dass ein derartiger Kolben zur Verwendung im Rennsport geeignet ist.
Der erfindungsgemäße Kolben ist aus Gründen der Gewichtsersparnis vorzugsweise als Kastenkolben ausgebildet. In diesem Fall können die im Kolbenschaft vorgesehenen, mit Nabenbohrungen ausgestatteten Kolbennaben mit Stützrippen versehen sein, um die Steifigkeit des Kolbens in sich zu erhöhen.
Der erfindungsgemäße Kolben ist vorzugsweise aus einem Werkstoff auf der Basis von Aluminium hergestellt, um die bewegte Masse des Kolbens im Motorbetrieb weiter zu reduzieren.
Der erfindungsgemäße Kolben kann aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil hergestellt sein, um die Auswahl geeigneter Werkstoffe optimal an die Belastungen des Kolbens im Motorbetrieb anzupassen. In diesem Fall sind das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil vorzugsweise mittels eines hochtemperaturfesten Klebstoffs auf Epoxid- oder Keramikbasis fest miteinander verbunden. Die Fügenaht zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ist bevorzugt zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut der Ringpartie angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt, entlang der Linie I-I in 4;
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1;
3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 1;
4 eine Draufsicht auf den Kolben gemäß 1.
Die 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel als Kastenkolben ausgebildet. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12, einer Verbrennungsmulde 13, einem umlaufenden Feuersteg 14 sowie einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten 16a, 16b, 16c zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht darstellt) auf. In Höhe der Ringpartie ist ein umlaufender Kühlkanal 17 vorgesehen.
Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 18 auf, der in an sich bekannter Weise mit Kolbennaben 19 versehen ist, in welche Nabenbohrungen 21 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) eingebracht sind. Die Kolbennaben 19 sind über Laufflächen 22a, 22b miteinander verbunden.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens 10 weist in seinem Innenraum 10a auf seiner Druckseite DS und seiner Gegendruckseite GDS, welche über seine Laufflächen 22a, 22b definiert sind, je einen Hohlraum 24a, 24b auf. Jeder Hohlraum 24a, 24b ist mit einer Zulauföffnung 23a, 23b für Kühlöl versehen (vgl. 1). Jeder Hohlraum 24a, 24b ragt in den Innenraum 10a des Kolbens 10 in Richtung der Kolbennaben 19 und mündet im Bereich des Kolbenkopfes 11 in den umlaufenden Kühlkanal 17. Die Außenwand jedes Hohlraums 24a, 24b und die Innenwand der ihm zugeordneten Lauffläche 22a, 22b bilden einen Zulauftrichter 25a, 25b für Kühlöl, der über die entsprechende Zulauföffnung 23a, 23b in den jeweiligen Hohlraum 24a, 24b mündet (vgl. 1).
Die Hohlräume 24a, 24b wirken erfindungsgemäß als Shaker-Räume, in denen das Kühlöl während des Motorbetriebs in an sich bekannter Weise auf und ab bewegt wird (so genannter „Shaker-Effekt”). Daraus resultiert erfindungsgemäß eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Region des Kolbenkopfes 11 in Richtung des Kolbenschafts 18, wo die Wärme über die Laufflächen 22a, 22b abgeleitet wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Höhe H jedes Hohlraums 24a, 24b und die Höhe h des Kühlkanals 17 etwa im Verhältnis 5:2 zueinander ausgebildet. Die Querschnittsfläche (Q) jedes Hohlraums 24a, 24b und die Querschnittsfläche (q) des Kühlkanals 17 sind im Ausführungsbeispiel etwa im Verhältnis 4:1,35 ausgebildet.
Der Kühlkanal 17 des dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens weist in an sich bekannter Weise Ablauföffnungen 26 für Kühlöl auf, durch welche das Kühlöl in Richtung des Innenraums 10a des Kolbens 10 geleitet wird. Dadurch wird zum Einen eine zusätzliche Kühlung der Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 und zum Anderen eine zusätzliche Schmierung der Nabenbohrungen 21 und des im Motorbetrieb darin aufgenommenen Kolbenbolzens erzielt.
Der Kühlkanal 17 des dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 weist ferner in an sich bekannter Weise zusätzliche Bohrungen 27 und Rippen 28 zur Steuerung der Verweildauer des im Kühlkanal 17 im Motorbetrieb aufgenommenen Kühlöls auf.
Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens 10 ist aus einem Kolbenoberteil 31 und einem Kolbenunterteil 32 gebildet, die vorzugweise einem Werkstoff auf der Basis von Aluminium hergestellt und mittels eines hochtemperaturfesten (bis 300°C) Klebstoffs auf der Basis von Epoxidharzen oder Keramiken fest miteinander verbunden. Die Fügenaht 34 zwischen dem Kolbenoberteil 31 und dem Kolbenunterteil 32 ist im Ausführungsbeispiel zwischen der ersten Ringnut 16a und der zweiten Ringnut 16b angeordnet.
Der Kolben 10 weist im Ausführungsbeispiel eine Kompressionshöhe KH von 32 mm auf und ist in dieser Ausgestaltung zur Verwendung im Automobilrennsport geeignet.
Als zusätzliche Stabilisierung bzw. Versteifung des Kolbens 10 in weisen die Kolbennaben 19 im Bereich der Nabenbohrungen 21 Stützrippen 33 auf. Die Stützrippen 33 stützen den Kolbenkopf 11 im Bereich unterhalb seiner Ringpartie 15 gegenüber den Kolbennaben 19 ab, derart, dass die Gefahr von Verformungen des Kolbenkopfs 11 im Bereich seiner Ringpartie 15 während des Motorbetriebs zumindest reduziert ist.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (18), mit einer im Kolbenkopf (11) angeordneten, Ringnuten (16a, 16b, 16c) zur Aufnahme von Kolbenringen aufweisenden umlaufenden Ringpartie (15) und einem im Kolbenkopf (11) in Höhe der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (17), welcher Zulauföffnungen (23a, 23b) und Ablauföffnungen (26, 27) für Kühlöl aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich einer Zulauföffnung (23a, 23b) für Kühlöl ein Hohlraum (24a, 24b) zur Aufnahme von Kühlöl vorgesehen ist, welcher in den Kühlkanal (17) mündet.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) des mindestens einen Hohlraums (24a, 24b) und die Höhe (h) des Kühlkanals (17) im Verhältnis 5:2 zueinander ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (Q) des mindestens einen Hohlraums (24a, 24b) und die Querschnittsfläche (q) des Kühlkanals (17) im Verhältnis 4:1,2 bis 4:1,5 zueinander ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Druckseite (DS) und eine Gegendruckseite (GDS) aufweist, und dass je eine Zulauföffnung (23a, 23b) für Kühlöl im Bereich der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (17) Bohrungen (27) und/oder Rippen (28) zur Steuerung der Verweildauer des im Kühlkanal (17) aufgenommenen Kühlöls aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kompressionshöhe (KH) von 30 bis 35 mm aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Kastenkolben ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenschaft (18) Nabenbohrungen (21) aufweisende Kolbennaben (19) vorgesehen sind und dass Stützrippen (33) im Bereich der Kolbennaben (19) vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Werkstoff auf der Basis von Aluminium hergestellt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Kolbenoberteil (31) und einem Kolbenunterteil (32) hergestellt ist.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (31) und das Kolbenunterteil (32) mittels eines hochtemperaturfesten Klebstoffs auf Epoxid- oder Keramikbasis fest verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fügenaht (34) vorgesehen ist, die zwischen der ersten Ringnut (16a) und der zweiten Ringnut (16b) der umlaufenden Ringpartie (15) angeordnet ist.