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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für eine Hubkolben-Verbrennungsmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für eine Hubkolben-Verbrennungsmaschine, ist beispielsweise bereits der
WO 01/02713 A1 beziehungsweise der
EP 1 198 667 B1 als bekannt zu entnehmen. Der Kolben weist dabei wenigstens eine Bolzennabe zum zumindest teilweisen Aufnehmen eines Kolbenbolzens sowie einen sich in Umfangsrichtung des Kolbens zumindest teilweise umlaufend erstreckenden Kühlkanal auf. Der Kühlkanal verläuft bezogen auf die axiale Richtung des Kolbens wellenförmig und weist dabei jeweilige Segmente auf, welche Wellenberge und Wellentäler der Wellenform des Kühlkanals bilden. Dabei sind die Wellenberge und die Wellentäler in Umfangsrichtung des Kolbens abwechselnd beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet. Ferner weist der Kühlkanal wenigstens eine Einspritzöffnung auf, über welche Schmieröl in den Kühlkanal, beispielsweise von einer Ölspritze, einspritzbar ist.
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Ferner offenbart die
DE 6602491 U1 einen Kolben, mit einem im Kolbenkopf angeordneten Kühlkanal für Verbrennungsmotoren mit schräg oder horizontal liegendem Zylinder. Dabei ist es vorgesehen, dass die sich in der Bewegungsrichtung des Kolbens gegenüberliegenden Innenflächen des Kanals gegeneinander versetzte Stufen aufweisen, die von miteinander abwechselnden Schrägen mit ungefähr in der Bewegungsrichtung liegenden Flächen gebildet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Kolben der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich das erste, an die Einspritzöffnung anschließende Segment der Wellenform abwärts in Richtung der Bolzennabe erstreckt. Mit anderen Worten ist das erste Kanalsegment nach der einen Öleintritt darstellenden Einspritzöffnung abwärts geneigt, um somit eine besonders vorteilhafte Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal zu gewährleisten.
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In fertig hergestelltem Zustand der Hubkolbenmaschine, welche beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet ist, ist der Kolben translatorisch bewegbar in einem korrespondierenden und als Zylinder ausgebildeten Brennraum der Hubkolbenmaschine angeordnet. Dabei ist der Kolben zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) bewegbar. Die Bewegung des Kolbens aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt wird auch als Abwärtsbewegung bezeichnet, sodass sich das erste an die Einspritzöffnung anschließende Segment der Wellenform abwärts in Richtung des unteren Totpunkts erstreckt, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Massenkräfte um den unteren Totpunkt herum ebenfalls nach unten beziehungsweise abwärts wirken, sodass dadurch, dass das erste Segment ebenfalls abwärts verläuft beziehungsweise geneigt ist, das über die Einspritzöffnung in den Kühlkanal eingespritzte Schmieröl besonders gut durch den Kühlkanal gefördert werden kann. Durch diese vorteilhafte Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal kann der Kolben mittels des Schmieröls besonders gut gekühlt werden. Insbesondere lässt sich auch bei hohen Drehzahlen der Hubkolbenmaschine eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren. Daraus resultieren beispielsweise im Vergleich zu einem Kolben mit einem herkömmlichen, nicht wellenförmig verlaufenden Kühlkanal die Vorteile einer besseren Bauteilhaltbarkeit, einer höheren Leistung beziehungsweise eines niedrigeren Kraftstoffverbrauchs und, insbesondere bei einem Ottomotor, einer geringeren Klopfneigung.
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Der Erfindung liegt dabei ferner die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Kolben mit wenigstens einem Kühlkanal die Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal üblicherweise von einem Ölstrahl geleitet werden muss, welcher über die Einspritzöffnung in den Kühlkanal gespritzt wird. Es wurde jedoch gefunden, dass bei hohen Drehzahlen der Kolben in seinem Aufwärtshub, das heißt bei seiner Bewegung aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt schneller als der Ölstrahl wird, wodurch der Ölfluss durch den Kühlkanal unterbrochen werden kann. Diese Nachteile und Probleme können nun mittels des erfindungsgemäßen Kolbens vermieden werden, sodass sich eine besonders effektive Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal und somit eine vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren lassen. Die Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal wird dabei durch Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens in dem Zylinder bewirkt, wobei sich der Kolben bei seiner jeweiligen Aufwärtsbewegung aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt und bei seiner jeweiligen Abwärtsbewegung aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt bewegt. Der Verlauf des Kühlkanals ist durch seine Wellenform an diese Auf- und Abwärtsbewegungen angepasst, sodass das Schmieröl durch die Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens effektiv durch den Kühlkanal gefördert wird. Der Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens ist somit nicht rein ringförmig ausgeführt, sondern weist einen sich mehrfach wiederholenden auf- und absteigenden Verlauf über dem Umfang auf, sodass aus den wirkenden oszillierenden Massenkräften in Hubrichtung eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung des Kühlkanals entsteht. Diese in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente wird zur Förderung des Schmieröls durch den Kühlkanal genutzt.
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Unter einem jeweiligen absteigenden Verlauf der Wellenform beziehungsweise des jeweiligen Segments ist zu verstehen, dass sich das jeweilige Segment in Richtung der Bolzennabe erstreckt und somit beispielsweise zumindest im Wesentlichen der Abwärtsbewegung des Kolbens folgt. Unter einem auf- oder ansteigenden Verlauf ist ein Verlauf der Wellenform beziehungsweise des jeweiligen Segments von der Bolzennabe weg zu verstehen, dass der Verlauf des jeweiligen Segments zumindest im Wesentlichen der Aufwärtsbewegung des Kolbens entspricht.
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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 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.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung eines abgewickelten Verlaufs eines Kühlkanals eines Kolbens für eine Hubkolbenmaschine, wobei der Kühlkanal wenigstens eine Einspritzöffnung und eine Wellenform aufweist und wobei sich das erste an die Einspritzöffnung anschließende Segment der Wellenform abwärts in Richtung einer Bolzennabe des Kolbens erstreckt.
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Die einzige Fig. veranschaulicht einen abgewickelten Verlauf eines Kühlkanals eines Kolbens, welcher ein Bauelement einer beispielsweise als Verbrennungsmotor beziehungsweise Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Hubkolbenmaschine ist. Die Hubkolbenmaschine ist somit beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet und weist in ihrem vollständig hergestellten Zustand wenigstens einen als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf, in welchem der Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben ist dabei zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) bewegbar, wobei der Kolben auf seinem Weg vom unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt eine Aufwärtsbewegung und auf seinem Weg vom oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt eine Abwärtsbewegung durchführt.
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Der Kolben weist dabei wenigstens eine in der Fig. nicht dargestellte Bolzennabe auf, in welcher ein Kolbenbolzen zumindest teilweise aufnehmbar beziehungsweise aufgenommen ist. Über den Kolbenbolzen ist der Kolben gelenkig mit einem Pleuel gekoppelt, wobei der Kolben über das Pleuel gelenkig mit einer als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist. Infolge dieser gelenkigen Kopplung können die translatorischen Bewegungen des Kolbens in dem Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden.
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Der Kühlkanal 10 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Kolbens zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umlaufend und verläuft dabei bezogen auf die axiale Richtung des Kolbens zumindest im Wesentlichen wellenförmig, sodass der Kühlkanal 10 eine besonders gut aus der Fig. erkennbare Wellenform mit Wellenbergen und Wellentälern aufweist, von denen in der Fig. ein mit 12 bezeichnetes Wellental und ein sich daran anschließender, mit 14 bezeichneter Wellenberg erkennbar sind. In Erstreckungsrichtung des Kühlkanals 10 und somit in Umfangsrichtung des Kolbens sind die Wellenberge und die Wellentäler aufeinanderfolgend beziehungsweise abwechselnd angeordnet. Die Wellenberge und die Wellentäler sind durch jeweilige Segmente 16a–c gebildet, welche jeweils von Schmieröl durchströmbar und dabei fluidisch miteinander verbunden sind, sodass die fluidisch miteinander verbundenen Segmente 16a–c, welche auch als Kanalsegmente bezeichnet werden, den Kühlkanal 10 und insbesondere dessen Wellenform bilden. In der Fig. ist durch eine strichpunktierte Linie 18 eine Ebene veranschaulicht, wobei die axiale Richtung des Kolbens zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene verläuft.
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Der Kühlkanal 10 weist ferner wenigstens eine Einspritzöffnung 20 auf, in welche das zuvor genannte Schmieröl, insbesondere mittels einer in der Fig. nicht dargestellten Ölspritze, einspritzbar ist. Diese Einspritzung des Schmieröls über die Einspritzöffnung 20 in den Kühlkanal 10, das heißt durch die Einspritzöffnung 20 hindurch in den Kühlkanal 10, ist in der Fig. durch einen Pfeil 22 veranschaulicht.
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Um nun eine besonders vorteilhafte Förderrichtung des Schmieröls durch den Kühlkanal 10 realisieren zu können, erstreckt sich das erste an die Einspritzöffnung 20 anschließende Segment 16a der Wellenform abwärts in Richtung der Bolzennabe. In der Fig. sind durch einen Doppelpfeil 24 die Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens veranschaulicht. Mit anderen Worten veranschaulicht der Doppelpfeil 24 eine Bewegungsrichtung des Kolbens, entlang welcher sich der Kolben zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt bewegt. Die Bewegung des Kolbens aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt wird auch als Abwärtsbewegung bezeichnet, wobei die Bewegung des Kolbens aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt auch als Aufwärtsbewegung bezeichnet wird. Unter der abwärts in Richtung der Bolzennabe verlaufenden Erstreckung des Segments 16a ist zu verstehen, dass sich das Segment 16a – wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet – abwärts in Richtung des unteren Totpunkts erstreckt. Das sich unmittelbar an das Segment 16a anschließende und zwischen dem Segment 16a und 16c angeordnete Segment 16b erstreckt sich hingegen aufwärts von der Bolzennabe weg, sodass das Segment 16b – wenn sich der Kolben in seinem unteren Totpunkt befindet – zum oberen Totpunkt hin beziehungsweise in Richtung des oberen Totpunkts, also aufwärts, verläuft.
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Durch die in der Fig. besonders gut erkennbare Wellenform des Kühlkanals 10 wird das in den Kühlkanal 10 eingespritzte Schmieröl durch die Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens durch den Kühlkanal 10 hindurch gefördert, wobei in der Fig. durch einen Pfeil 26 eine Förderrichtung veranschaulicht ist, entlang welcher das Schmieröl durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens durch den Kühlkanal 10 hindurch gefördert wird. Hierdurch kann eine besonders effektive Kühlung des Kolbens mittels des Kühlmittels realisiert werden.
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Da der Kühlkanal 10 wellenförmig und nicht etwa stufenförmig verläuft, kann der Einsatz von komplizierten Salzkernen mit tiefen Einschnitten, die dann Zacken im Kühlkanal 10 ergeben, vermieden werden. Ferner erfolgt beispielsweise kein Öltransport gegen die Schwerkraft bei Schräglage des Zylinders beziehungsweise der Zylinderachse.
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Der jeweilige An- und Abstieg der einzelnen Segmente 16a–c kann dabei mit einem kleinen Winkel ausgeführt werden, da bei den versorgungskritischen hohen Drehzahlen die Massenkräfte sehr groß sind. Somit kann das Schmieröl auch bei hohen Drehzahlen sicher durch den Kühlkanal 10 gefördert werden. Es steht dabei eine hohe Antriebsleistung zur Verfügung, die nicht aus der Ölpumpe zum Fördern des Schmieröls bezogen wird, sondern direkt aus dem Kurbeltrieb. Die flachen Winkel helfen, den Bauraumbedarf gering zu halten. Eventuell reichen aufgrund der Eigenförderwirkung des Kühlkanals 10 auch geringere Kanalquerschnitte aus, sodass der Kühlkanal 10 bauraumneutral im Vergleich zu einem klassischen Kühlkanal dargestellt werden kann.
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Vorzugsweise ist ein jeweiliger Übergangsbereich zwischen den an- und absteigenden Segmenten 16a–c so ausgeführt, dass jedes, auch als Ölpaket bezeichnetes Segment 16a–c am Auslauf des jeweiligen Segments 16a–c gegenüber der passenden Wirkfläche des nächsten Segments 16a–c positioniert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass im Knickbereich die Scheitelpunkte der Ober- und Unterseitenkontur in Umfangsrichtung versetzt liegen. Der in Hubrichtung außen liegende Scheitelpunkt ist dabei vorzugsweise strömungsgünstig verrundet und unter Ausbildung einer Fang- und/oder Umlenkkontur 27 mit einem Fangvolumen versehen. Der innen liegende Scheitelpunkt ist jedoch vergleichsweise scharfkantig ausgeführt.
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Mit anderen Worten ist es beispielsweise vorgesehen, dass eine Flanke 28 des jeweiligen Segments 16a–c zumindest in einem Längenbereich 30 konkav ausgebildet und somit verrundet ist. Die jeweilige, diese Verrundung aufweisende Flanke 28 ist dabei bei den abfallenden beziehungsweise absteigenden Segmenten 16a und 16c auf einer jeweiligen, der Bolzennabe abgewandten Seite des jeweiligen Segments 16a–c angeordnet, wobei die Flanke 28 bei dem ansteigenden Segment 16b auf Seiten der Bolzennabe angeordnet ist. Dadurch wird den Massekräften Rechnung getragen, welche bei den Auf- und Abwärtsbewegungen jeweils wirken. Durch diese Anordnung der Flanken 28 kann ein besonders sicherer Transport des Schmieröls durch den Kühlkanal 10 gewährleistet werden. An den konkav ausgebildeten Längenbereich 30 der jeweiligen Flanke 28 schließt sich ein weiterer Längenbereich 31 der jeweiligen Flanke 28 an, wobei der jeweilige weitere Längenbereich 31 zumindest im Wesentlichen gerade verläuft.
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Ferner weist der Kühlkanal 10 wenigstens eine von der Einspritzöffnung 20 unterschiedliche Austrittsöffnung 32 auf, über welche das Schmieröl aus dem Kühlkanal 10 abführbar ist, was in der Fig. durch einen Pfeil 34 veranschaulicht ist. Dabei erstreckt sich das in Strömungsrichtung des Schmieröls durch den Kühlkanal 10 der Austrittsöffnung 32 unmittelbar vorweggehende Segment 16c der Wellenform abwärts in Richtung der Bolzennabe. Hierdurch kann das Schmieröl besonders gut aus dem Kühlkanal 10 abgeführt werden und sich beispielsweise in einem Ölsumpf sammeln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlkanal
- 12
- Wellental
- 14
- Wellenberg
- 16a–c
- Segment
- 18
- strichpunktierte Linie
- 20
- Einspritzöffnung
- 22
- Pfeil
- 24
- Doppelpfeil
- 26
- Pfeil
- 27
- Fang- und/oder Umlenkkontur
- 28
- Flanke
- 30
- Längenbereich
- 31
- Längenbereich
- 32
- Austrittsöffnung
- 34
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 01/02713 A1 [0002]
- EP 1198667 B1 [0002]
- DE 6602491 U1 [0003]
