-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf, in dem ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
-
Aus der
DE 10 2013 002 895 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf bekannt, wobei in dem Kolbenkopf eine Brennraummulde mit einem zentralen Dom angeordnet ist. Ebenfalls vorgesehen ist wenigstens ein sich zumindest im Kolbenkopf erstreckendes Kanalelement, welches fluidisch vom Kühlkanal getrennt ist und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest vergleichsweisen Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Hierdurch soll insbesondere eine verbesserte Kühlung erreicht werden können.
-
Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten, gattungsgemäßen Kolben ist jedoch, dass das zumindest eine Kanalelement nur vergleichsweise aufwendig, bspw. durch eine von einer Schaftwand des Kolbenschafts ausgehenden Schrägbohrung hergestellt werden kann. Hierzu ist es bspw. erforderlich, die Außenfläche des Kolbenschaftes zuerst spanend zu bearbeiten, um ein Abrutschen des Bohrers vermeiden zu können. In gleicher Weise schwierig sind bei derartig hergestellten Kanalelementen deren Befüllen sowie deren Verschließen.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest zwei Kanalelemente, welche von einem Kühlkanal eines Kolbens fluidisch getrennt sind als von einem Dom im Bereich einer Brennraummulde ausgehende Sacklöcher auszubilden und anschließend durch ein Verschlusselement zu verschließen, was den großen Vorteil bietet, dass insbesondere ein bislang erforderliches, aufwendiges spanendes Bearbeiten der Nabenanbindung zum Einbringen der das Kanalelement bildenden Bohrung entfallen kann. Dabei ist selbstverständlich klar, dass die die Kanalelemente bildende Sacklöcher durch Bohren hergestellt werden können, oder aber alternativ durch das Vorsehen eines entsprechenden Gießkerns, was insbesondere auch einen nicht linearen Verlauf der einzelnen Kanalelemente ermöglicht. Besonders das Herstellen der Kanalelemente mittels Bohren stellt jedoch eine besonders bevorzugte, da kostengünstige Variante dar. Zugleich werden üblicherweise ausgehend von dem Dom nicht nur zwei, sondern bspw. drei oder mehr Kanalelemente vorgesehen, die anschließend mit lediglich einem einzigen, gemeinsamen Verschlusselement verschlossen werden können. Hierdurch ist es möglich, auch den Aufwand des Verschließens im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Kolben deutlich zu reduzieren. Beim Vorsehen von mehreren im Bereich des Doms startenden Kanalelementen können diese zudem auch fluidisch miteinander verbunden sein und dadurch einen Austausch des darin angeordneten zweiten Kühlmediums untereinander ermöglichen. Der erfindungsgemäße Kolben, der üblicherweise in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eingesetzt wird, weist dabei in bekannter Weise einen Kolbenschaft mit einem eine umlaufende Ringpartie aufweisenden Kolbenkopf auf, in dem ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf selbst besitzt eine Brennraummulde mit dem, insbesondere zentralen, Dom. Erfindungsgemäß vorgesehen sind nun die zumindest zwei Kanalelemente, die als von dem Dom ausgehende Sacklöcher ausgebildet und im Bereich des Doms von einem gemeinsamen Verschlusselement verschlossen sind. In den zumindest zwei Kanalelementen, die fluidisch vom Kühlkanal getrennt sind, ist ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens aufgenommen. Wie eingangs erwähnt, kann durch die zentrale Anordnung der Eingänge der Kanalelemente im Bereich des Doms ein Bohren derselben von oben durch die Brennraummulde erfolgen, was nicht nur deutlich einfacher ist, sondern auch die Möglichkeit eröffnet, diese durch ein einziges Verschlusselement gemeinsam zu verschließen, wodurch das Vorsehen einer der Anzahl der Kanalelemente entsprechenden Anzahl an Verschlusselementen nicht mehr erforderlich ist. Durch das Zusammenlaufen der zumindest zwei Kanalelemente im Bereich des Doms und das Anordnen deren Einfüllöffnungen im Bereich des Doms, können diese auch gemeinsam und damit deutlich einfacher befüllt werden.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Dom eine Ausnehmung auf, in welche die zumindest zwei Kanalelemente münden. Eine derartige Ausnehmung bietet dabei den großen Vorteil, dass diese zum Einen das Einfüllen des zweiten Kühlmediums deutlich vereinfacht zum Anderen durch ein entsprechendes Verschlusselement auch einen Fluidaustausch zwischen den einzelnen Kanalelementen im Betriebszustand ermöglichen. Das Verschlusselement kann somit alternativ derart ausgebildet sein, dass es in montiertem Zustand eine fluidische Trennung der einzelnen Kanalelemente voneinander bewirkt, oder aber eine fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Kanalelementen zulässt und dadurch eine besonders gleichmäßige und homogene Zusatzkühlung ermöglicht.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung verlaufen die zumindest zwei Kanalelemente schräg zur Längsachse des Kolbens, insbesondere sogar entlang eines Brennraummuldenbodens. Hierdurch kann eine besonders gezielte Kühlung des Brennraummuldenbodens ermöglicht werden. Der Verlauf der einzelnen Kanalelemente ist dabei üblicherweise linear, wobei selbstverständlich auch kurvige Verläufe denkbar sind, insbesondere sofern die einzelnen Kanalelemente nicht durch Bohren, sondern durch einen Gießkern hergestellt sind.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Verschlusselement mit dem Dom bzw. einer Innenwandung der im Bereich des Doms angeordneten Ausnehmung verschweißt, bspw. mittels Reibschweißen, MIG-Schweißen oder Laserschweißen. Alternativ ist auch denkbar, dass das Verschlusselement mit dem Dom verlötet ist. Das Verschweißen bietet dabei den großen Vorteil, dass dieses gleichzeitig mit dem Verschweißen bspw. eines ersten Kolbenteils mit einem zweiten Kolbenteil erfolgen könnte. Der erfindungsgemäße Kolben kann somit nicht nur einteilig bzw. einstückig, sondern auch mehrteilig ausgebildet sein, bspw. mit einem den Kolbenboden bildenden ersten Kolbenteil und einem zumindest einen Bereich des Kolbenschafts bildenden zweiten Kolbenteil. Auch die Materialauswahl für den erfindungsgemäßen Kolben ist nicht beschränkt, so dass dieser bspw. aus Stahl oder aus Aluminium ausgebildet sein kann.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das zweite Kühlmedium Natrium und/oder Kalium auf. Eine Natrium-Kalium-Mischung hat dabei sogar einen Schmelzpunkt, der deutlich unter den Schmelzpunkten der Einzelstoffe liegt.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung verlaufen die zumindest zwei Kanalelemente entlang eines Brennraummuldenbodens und enden in einem Bereich unterhalb des Kühlkanals und/oder des Kolbenschaftes. Durch den Verlauf entlang eines Brennraummuldenbodens kann insbesondere eine besonders effektive Kühlung des dem Brennraum ausgesetzten Brennraummuldenbodens erreicht werden, wobei durch eine Erstreckung der Kanalelemente bis in den Kolbenschaft eine nochmals verbesserte Kühlung erreicht werden kann.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
-
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen und fertig bearbeiteten Kolben,
-
2 eine Detaildarstellung aus 1 im Bereich eines Doms mit einem noch nicht fertig bearbeiteten Verschlusselement.
-
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer nur angedeuteten Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenschaft 3 und einen, eine umlaufende Ringpartie 4 aufweisenden Kolbenkopf 5 auf, in dem ein, vorzugsweise zumindest teilweise umlaufender, Kühlkanal 6 zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf 5 besitzt eine Brennraummulde 7 mit einem zentralen Dom 8. Erfindungsgemäß sind nun zumindest zwei Kanalelemente 9 vorgesehen, die fluidisch vom Kühlkanal 7 getrennt sind und in denen ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens 1 aufgenommen ist. Die zumindest zwei Kanalelemente 9 sind dabei erfindungsgemäß als von dem Dom 8 ausgehende Sacklöcher ausgebildet und im Bereich des Doms 8 von einem Verschlusselement 10 verschlossen.
-
Betrachtet man dabei den Dom 8 genauer, so kann man gemäß den 1 und 2 erkennen, dass dort eine Ausnehmung 11 vorgesehen ist, in welche die zumindest zwei Kanalelemente 9 münden bzw. von der die zumindest zwei Kanalelemente 9 ausgehen. Betrachtet man dabei das Verschlusselement 10 gemäß den 1 und 2, so kann man erkennen, dass dieses auch im montierten Zustand eine fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Kanalelementen 9 im Bereich der Ausnehmung 11 ermöglicht, so dass rein theoretisch auch ein Austausch des zweiten Kühlmediums zwischen den einzelnen Kanalelementen 9 im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 möglich ist. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Verschlusselement 10 derart ausgebildet ist, dass es die Ausnehmung 11 komplett ausfüllt und dadurch in montiertem Zustand die einzelnen Kanalelemente 9 fluidisch voneinander trennt und verschließt.
-
Betrachtet man die zumindest zwei Kanalelemente 9 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass diese schräg zur Längsachse 12 des Kolbens 1 verlaufen, wobei sich die einzelnen Längsachsen 13 der Kanalelemente 9 im Bereich der Längsachse 12 des Kolbens 1 treffen. Insgesamt sind dabei vorzugsweise vier Kanalelemente 9 vorgesehen.
-
Das Verschlusselement 10 kann nach dem Befüllen der einzelnen Kanalelemente 9 mit dem zweiten Kühlmedium, bspw. mit Natrium und/oder Kalium, in der Ausnehmung 11 des Doms 8 fixiert werden, bspw. mit dem Dom 8 verlötet oder verschweißt werden. Ein Verschweißen kann dabei insbesondere durch ein Laserschweißen, ein MIG-Schweißen oder ein Reibschweißen erfolgen. Der Kolben 1 selbst kann dabei aus Stahl oder aus Aluminium ausgebildet sein und einteilig bzw. mehrteilig ausgeführt werden. Bei einer mehrteiligen Ausführungsform, wie diese bspw. gemäß der 1 dargestellt ist, ist sogar denkbar, dass die einzelnen Verbindungsstellen 14 zwischen einem ersten Kolbenteil 15 und einem zweiten Kolbenteil 16 gleichzeitig mit den Verbindungstellen 14' zwischen dem Verschlusselement 10 und dem Dom 8, das heißt im vorliegenden Fall dem zweiten Kolbenteil 16 verbunden, bspw. verschweißt werden.
-
Wie bereits erwähnt, kann das zweite Kühlmedium bspw. Natrium und/oder Kalium aufweisen, welches unterhalb einer Temperatur von ca. 98 °C bzw. 63 °C fest und darüber flüssig ist. Durch das Flüssigwerden des zweiten Kühlmediums im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 kann ein die Kühlwirkung unterstützender Shakereffekt erzielt werden, wodurch eine besonders effektive Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Brennraummulde 7 erreicht werden kann. Um eine besonders effektive Kühlung der Brennraummulde 7 erreichen zu können, verlaufen die zumindest zwei Kanalelemente 9 entlang eines Brennraummuldenbodens 17 und können darüber hinaus bis in einen Bereich unterhalb des Kühlkanals 6 und/oder des Kolbenschaftes 3 ragen, wodurch eine besonders effektive Wärmeabfuhr aus dem Bereich des Brennraummuldenbodens 17 erreicht werden kann. Eine Natrium-Kalium-Mischung hat dabei sogar einen Schmelzpunkt, der deutlich unter den Schmelzpunkten der Einzelstoffe liegt. Selbstverständlich kann auch anstelle von Natrium/Kalium auch Lithium bzw. Lithiumnitrid als Kühlmedium verwendet werden.
-
Hergestellt wird der erfindungsgemäße Kolben 1 bspw. wie folgt: Zunächst wird der Kolben 1 hergestellt, entweder als einstückiges Bauteil oder durch zwei separate Kolbenteile 15, 16. Der Kolben 1 bzw. die einzelnen Kolbenteile 15, 16 können dabei auch geschmiedet sein. Die Kanalelemente 9 können dabei entweder anschließend von der Ausnehmung 11 ausgehend gebohrt werden oder aber bereits zusammen mit dem Kolben 1, das heißt insbesondere zusammen mit dem zweiten Kolbenteil 16 hergestellt werden, insbesondere sofern hierfür ein die Kanalelemente 9 freihaltender Gießkern vorgesehen wird. Nach dem Herstellen der Kanalelemente 9 bzw. dem Entfernen des diese bildenden Gießkerns werden die Kanalelemente 9 mit dem zweiten Kühlmedium, welches bspw. Natrium und/oder Kalium ist, befüllt und anschließend das Verschlusselement 10 aufgesetzt und insbesondere randseitig dicht mit der Ausnehmung 11 verbunden, bspw. verlötet oder verschweißt. Das Verlöten bzw. Verschweißen kann dabei gleichzeitig mit bspw. dem Verschweißen der anderen Verbindungsstellen 14 zwischen dem ersten und zweiten Kolbenteil 15, 16 erfolgen oder entsprechend im Anschluss dazu. Abschließend wird nun endgültig die Kontur des Brennraummuldenbodens 17 durch Drehen hergestellt, so dass das Verschlusselement 10 ausgehend von der gemäß der 2 gezeigten Gestalt die gemäß der 1 gezeigte Gestalt einnimmt.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 ist es erstmals möglich, eine Kühlung zusätzlich unterstützende Kanalelemente 9 zentral vom Dom 8 ausgehend vorzusehen und bspw. gemeinsam zu befüllen und insbesondere auch durch ein einziges, gemeinsames Verschlusselement 10 zu verschließen, wodurch nicht nur das Befüllen, sondern auch das Verschließen der Kanalelemente 9 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kanalelementen deutlich vereinfacht werden kann. Insbesondere muss auch kein separates spanendes Bearbeiten der Nabenanbindung erfolgen, um die Kanalelemente bislang bildenden Bohrungen zuverlässig einbringen zu können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013002895 A1 [0002]
