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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, ist beispielsweise der
DE 2013 002 895 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Kolben weist einen Kolbenschaft sowie einen Kolbenkopf auf, der beispielsweise eine umlaufende Ringpartie aufweist. In dem Kolbenkopf ist ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal in Umfangsrichtung des Kolbens zumindest teilweise umläuft. Bei dem Kühlmedium handelt es sich beispielsweise um eine Kühlflüssigkeit, insbesondere um Öl. Der Kolben weist ferner wenigstens ein sich teilweise im Kolbenschaft und teilweise im Kolbenkopf erstreckendes, fluidisch vom Kühlkanal getrenntes Kanalelement auf, in welchem ein von dem Kühlmedium unterschiedliches Kühlmittel zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens aufgenommen ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens 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 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlmittel als ein Feststoff ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist das Kanalelement zumindest teilweise mit einem Feststoff gefüllt, welcher als das Kühlmittel zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens wirkt.
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Das Kühlmittel ist beispielsweise als einstückiges, formstabiles Kühlmittel ausgebildet, wobei in dem Kanalelement beispielsweise genau ein Kühlmittel oder eine Mehrzahl an solchen Kühlmitteln angeordnet sein kann. Insbesondere ist es denkbar, dass der Feststoff aus einem anderen Werkstoff als der Kolbenschaft und der Kolbenkopf gebildet ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Feststoff aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Leichtmetall wie vorzugsweise Aluminium, gebildet ist. Beispielsweise ist das Kühlmittel als ein Aluminiumstift ausgebildet, welcher beispielsweise in das Kanalelement eingeschrumpft ist. Mit anderen Worten wird der Aluminiumstift beispielsweise unter Schrumpfen in das Kanalelement eingebracht, wodurch ein besonders großer Oberflächenkontakt zwischen dem Aluminiumstift und wenigstens einer das Kanalelement zumindest teilweise begrenzenden Wandung des Kolbens realisiert werden kann.
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Insbesondere ist es denkbar, ein Wärmeleitmittel an Trennstellen, insbesondere zwischen dem Kühlmittel und der genannten Wandung, anzuordnen, um dadurch einen besonders vorteilhaften Wärmeübergang beziehungsweise eine vorteilhafte Wärmeübertragung zu realisieren. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Feststoff aus einem Metall gebildet ist, welches einen höheren Wärmeleitkoeffizienten als der Werkstoff aufweist, aus welchem der Schaft und der Kolbenkopf gebildet sind. Dabei sind der Kolbenschaft und der Kolbenkopf beziehungsweise der Kolben insgesamt beispielsweise aus einem Stahl gebildet.
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Ferner ist es denkbar, dass der Feststoff kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig in dem Kanalelement befestigt ist. Insbesondere kann der Feststoff in das Kanalelement eingepresst und/oder durch Verstemmen in dem Kanalelement fixiert sein. Außerdem ist es möglich, dass der Feststoff mittels einer Presspassung und/oder mittels eines Gewindes und/oder auf andere Weise in dem Kanalelement verankert ist. Durch die vorteilhafte Kühlung des Kolbens können der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden. Darüber hinaus kann die Temperatur des Kolbens, insbesondere während des Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, gering gehalten werden. Außerdem kann die Bauhöhe des Kolbens gering gehalten werden, wobei gleichzeitig eine besonders hohe Festigkeit des Kolbens dargestellt werden kann. Ferner ist es denkbar, dass der Kolben ohne weiteren Kühlkanal ausgestaltet werden kann.
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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 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.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht eines Kolbens für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welcher eine Mehrzahl von Kanalelementen zum Aufnehmen eines jeweiligen, als Feststoff ausgebildeten Kühlmittels aufweist.
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Die Fig. zeigt einen Kolben 10 für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise 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 10 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.
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In axialer Richtung nach unten schließt sich an den Kolbenkopf 12 ein Kolbenschaft 26 des Kolbens 10 an, wobei der Kolbenschaft 26 mit dem Kolbenkopf 12 verbunden ist. Der Kolbenschaft 26 weist Kolbennaben 28 mit Aufnahmen in Form von Aufnahmeöffnungen 30 auf. Die Aufnahmeöffnungen 30 werden üblicherweise auch als Nabenbohrungen bezeichnet und sind vorliegend als Durchgangsöffnungen ausgebildet. Die Aufnahmeöffnungen 30 dienen der zumindest bereichsweisen Aufnahme eines Kolbenbolzens. Mit anderen Worten kann der Kolbenbolzen durch die Aufnahmeöffnungen 30 hindurchgesteckt 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.
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In fertig hergestelltem 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 beziehungsweise 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.
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Der Kolben 10 ist als Kühlkanalkolben ausgebildet. Dies bedeutet, dass in dem 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 der Aufnahme eines Kühlmediums, welches beispielsweise als Kühlflüssigkeit insbesondere in Form von Öl ausgebildet ist. 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. Ferner ist es denkbar, dass der Kühlkanal 34 entfallen kann, sodass der Kühlkanal 34 nicht vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal 34 in dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel optional vorgesehen.
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Zur Realisierung einer besonders effektiven Kühlung des Kolbens 10 sowie zur Realisierung einer besonders homogenen Temperaturverteilung im Kolben 10 weist der Kolben 10 vorliegend 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 beziehungsweise umgekehrt, wobei sich die Kanalelemente 36a–d windschief zueinander erstrecken.
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Beispielsweise sind die Kanalelemente 36a–d fluidisch voneinander sowie jeweils fluidisch von dem Kühlkanal 34 getrennt. Darüber hinaus ist in den Kanalelementen 36a–d jeweils ein vom Kühlmedium unterschiedliches Kühlmittel aufgenommen. Dies bedeutet, dass die Kanalelemente 36a–d jeweils zumindest teilweise mit dem Kühlmittel 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 beziehungsweise mittels des jeweiligen Kühlmittels kann insbesondere das Temperaturniveau im Bereich des Kolbendoms 24 besonders gering gehalten werden.
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Um nun eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens 10 zu realisieren, ist das jeweilige Kühlmittel als ein Feststoff ausgebildet. Dabei sind beispielsweise der Kolbenschaft 26 und der Kolbenkopf 12 aus einem ersten Werkstoff gebildet, wobei der Feststoff aus einem vom ersten Werkstoff unterschiedlichen, zweiten Werkstoff gebildet ist. Bei dem zweiten Werkstoff handelt es sich beispielsweise um einen metallischen Werkstoff, welcher insbesondere ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium, umfassen kann. Somit ist das jeweilige Kühlmittel beispielsweise als ein Stift, insbesondere als ein Aluminiumstift, ausgebildet. Somit ist es vorliegend vorgesehen, dass das jeweilige Kanalelement 36a–d zumindest teilweise mit einem festen Metall befüllt ist.
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Bei dem ersten Werkstoff handelt es sich vorzugsweise um einen Stahl, sodass der Kolben 10 beispielsweise als Stahlkolben ausgebildet ist. Ferner ist es denkbar, dass der zweite Werkstoff alternativ oder zusätzlich zu dem Aluminium Kupfer und/oder ein anderes Metall, insbesondere mit einem sehr guten Wärmeleitkoeffizienten, aufweist, sodass ein besonders vorteilhafter Wärmeabtransport darstellbar ist.
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Der jeweilige Feststoff ist somit vorzugsweise als Wärmeleitmetall ausgebildet. Der jeweilige Feststoff beziehungsweise das jeweilige Kanalelement 36a–d kann ohne Verschluss zum Brennraum oder zur Kolbenunterseite ausgeführt sein, sodass das jeweilige Kanalelement 36a–d beispielsweise zum Brennraum oder zur Kolbenunterseite hin offen ist.
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Der jeweilige Feststoff kann beispielsweise mittels einer Presspassung und/oder mittels eines Gewindes und/oder auf andere Weise in dem jeweiligen Kanalelement 36a–d festgelegt sein. Insbesondere ist es denkbar, dass der Feststoff in das jeweilige Kanalelement 36a–d eingepresst ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der jeweilige Feststoff in das jeweilige Kanalelement 36a–d eingeschrumpft ist. Dies bedeutet, dass der jeweilige Feststoff unter Schrumpfen in das jeweilige Kanalelement 36a–d eingebracht ist, sodass ein besonders großer beziehungsweise großflächiger Oberflächenkontakt zwischen dem jeweiligen Feststoff (Kühlmittel) und einer jeweiligen, das jeweilige Kanalelement 36a–d zumindest teilweise begrenzenden Wandung des Kolbens 10 realisiert werden kann. Mittels eins solchen großen Oberflächenkontakts kann ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang von der Wandung an das Kühlmittel erfolgen, sodass ein effektiver und effizienter Wärmeabtransport dargestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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