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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf in welchem ein zumindest teilweise umlaufender und geschlossener Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
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Gattungsgemäße Kolben sind hinlänglich bekannt und werden bereits mannigfaltig in Brennkraftmaschinen, bspw. auch im Kraftfahrzeugbau, eingesetzt. Um dabei die Leistung derartiger Kolben steigern zu können, sind diese in thermisch hoch belasteten Bereichen, wie bspw. an einer Brennraummulde und/oder an einem Feuersteg, zusätzlich gekühlt, wozu im Kolbenkopf üblicherweise ein umlaufender Kühlkanal angeordnet ist. In diesem Kühlkanal ist ein Kühlmedium angeordnet, welches einen verbesserten Wärmeübertrag von der Brennraummulde bzw. dem Feuersteg hin zu kühleren Bereichen an einer Kolbenunterseite bewirken soll. Bei einem geschlossenen Kühlkanal wird oftmals ein niedrigschmelzendes Metall, zum Beispiel eine Natrium-Kalium-Legierung, eingesetzt, die in kaltem Zustand fest und erst im Betriebszustand flüssig wird. Bei offenen Kühlkanälen wird in diese üblicherweise Kühlöl eingespritzt.
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Nachteilig bei gattungsgemäßen Kolben mit geschlossenem Kühlkanal ist jedoch, dass aufgrund des in dem geschlossenen Kühlkanal gefangenen Kühlmediums eine nur bedingte Regelbarkeit der Kühlleistung besteht. Nachteilig bei einem Kolben mit offenem Kühlkanal ist hingegen, dass Öl eine geringere Wärmekapazität aufweist und dadurch eine schlechtere Kühlleistung besitzt.
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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 aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kühlkonzept von einem Kolben mit einem geschlossenen Kühlkanal mit dem Kühlkonzept eines Kolbens mit einem offenen Kühlkanal zusammenzuführen und dadurch die Vorteile beider Kühlkonzepte zu verbinden. Der erfindungsgemäße Kolben einer Brennkraftmaschine besitzt dabei in bekannter Weise einen Kolbenkopf, in welchem ein zumindest teilweise umlaufender und geschlossener Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist nun in dem Kühlkanal ein Kühlmittelrohr angeordnet, in welchem ein Kühlmittel strömt. Der erfindungsgemäße Kolben wird somit einerseits von dem im geschlossenen Kühlkanal angeordneten Kühlmedium, bspw. einer Natrium-Kalium-Legierung, gekühlt, die wiederum durch ein ebenfalls in dem Kühlkanal angeordnetes Kühlmittelrohr, in welchem ein weiteres Kühlmittel, bspw. Kühlöl, strömt, gekühlt wird. Hierdurch kann eine deutlich verbesserte Wärmeabfuhr und damit eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbens, insbesondere im Bereich der Brennraummulde bzw. des Feuerstegs, erreicht werden, wobei durch eine derartig verbesserte Kühlung auch die Leistung eines derartigen Kolbens gesteigert werden kann. Das Kühlmedium, welches bei einer Betriebstemperatur üblicherweise in flüssiger Form vorliegt (wie z. Bsp. eine Natrium-Kalium-Legierung), ist gegenüber einer Kühlung eines Kolbens mit einem offenen Kühlkanal und darin eingespritztem Kühlöl von Vorteil, da das Kühlmedium eine deutlich höhere Wärmekapazität besitzt als Kühlöl. Hierdurch kann somit eine deutlich höhere Wärmeenergie von den zuvor genannten temperaturbelasteten Bereichen aufgenommen und an kältere Bereiche im Kolben wieder abgegeben werden. Zudem entsteht bei einem derartigen Kühlmedium das Problem einer Verkokung des Öls im Kühlkanal nicht, wodurch vor allem Rissbildungen aufgrund der isolierenden Wirkung einer Ölkohleschicht und die damit einhergehenden, teilweise extrem hohen Temperaturen im Kolbenboden zuverlässig vermieden werden können. Der Vorteil der Ölkühlung ist hingegen die bessere Regelbarkeit der Kühlleistung über die Regelbarkeit der Ölzufuhr. Bei hohen Lasten und damit auch höheren Temperaturen im Kolben, kann z. Bsp. die Ölmenge erhöht werden, während bei einem Kolben mit geschlossenem Kühlkanal die Menge an Kühlmedium immer dieselbe ist. Zwar könnte auch hier eine Anspritzung des Kolbens im Bodenbereich bzw. an einen Kühlkanalboden realisiert werden, wobei jedoch die vergleichsweise großen Wanddicken an der Kolbenbodenunterseite bzw. am Kühlkanalboden die Effektivität einer derartigen Kühlung stark mindern würden. Bei dem erfindungsgemäßen Kolben werden somit die Vorteile beider Kühlkonzepte zusammengeführt. Durch das Kühlmittelrohr im Kühlkanal lässt sich die Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens nicht nur verbessern, sondern zudem auch deutlich besser regeln, als bspw. durch eine etwaige Anspritzkühlung der Kolbenbodenunterseite bzw. eines Kühlkanalbodens. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind u.a., dass die NaK-Menge im Kühlkanal deutlich reduziert werden kann, bei zumindest gleichbleibender Kühlleistung. Eine geringere NaK-Menge ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft, vor allem jedoch wegen der hohen Reaktionsfreude beim Kontakt mit Wasser.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Kühlmittelrohr einen Zulauf und einen Ablauf auf, die durch einen Kühlkanalboden geführt sind. Im Bereich des Zulaufs und des Ablaufs ist dabei das Kühlmittelrohr dicht mit dem Kühlkanalboden verbunden, bspw. verschweißt, wodurch ein unerwünschtes Austreten von Kühlmedium aus dem Kühlkanal zuverlässig vermieden werden kann. Durch die feste Verbindung des Kühlmittelrohrs zumindest im Bereich des Zulaufs und des Ablaufs mit dem Kühlkanalboden kann das Kühlmittelrohr im Kühlkanal auch fixiert und gegen ein ungewolltes Bewegen bzw. Verrutschen gesichert werden. Die dichte Verbindung des Kühlmittelrohrs im Bereich des Zulaufs und des Ablaufs mit dem Kühlkanalboden ist dabei essentiell, um ein unerwünschtes Austreten von Kühlmedium zuverlässig ausschließen zu können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Kühlmittelrohr aus Stahl, aus Blech, aus einer Metalllegierung, aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgebildet. Selbstverständlich sind auch weitere metallische Materialien denkbar, die jedoch auf jeden Fall eine hohe Wärmeleitfähigkeit und damit eine hohen Wärmeübertragungsfähigkeit aufweisen sollten. Die für das Kühlmittelrohr verwendeten Materialien müssen neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit selbstverständlich auch eine Beständigkeit gegenüber dem Kühlmedium und dem Kühlmittel aufweisen, um langfristig bestehen zu können. Dabei ist es denkbar, dass das Kühlmittelrohr eine vergleichsweise geringe Wandstärke aufweist, welche einen schnellen und hohen Wärmeübertrag zwischen dem Kühlmedium im Kühlkanal und dem Kühlmittel im Kühlmittelrohr zusätzlich verbessert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Kühlmittelrohr im Wesentlichen zentral im Kühlkanal angeordnet und dadurch allseitig von Kühlmittel umströmt. Hierdurch ist es möglich, eine besonders hohe Wärmetauscherfläche, nämlich vorzugsweise die gesamte Außenmantelfläche des Kühlmittelrohrs, für einen Wärmeübertrag zu nutzen und dadurch eine hohe Wärmeabfuhr und eine verbesserte Kühlleistung zu bewirken.
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Zweckmäßig weist das Kühlmittelrohr eine seine Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur oder auf seiner Oberfläche angeordnete Wärmeleitelemente auf. Durch eine derartige die Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur oder solche Wärmeleitelemente kann eine für den Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Wärmeübertragungsfläche vergrößert und damit der Wärmeübertrag verbessert werden. Die die Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur bzw. die auf der Oberfläche angeordneten Wärmeleitelemente können dabei auf einer Außenseite und/oder auf einer Innenseite des Kühlmittelrohrs angeordnet werden, je nachdem, wo ein erhöhter Wärmeübertrag gewünscht ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Kühlmittelrohr ein im Querschnitt U-förmiges Oberteil auf und ist mit dem Kühlkanalboden verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Hierzu können insbesondere bewährte und langjährig erprobte Laserschweißverfahren oder auch Reibschweißverfahren eingesetzt werden. Die Anbindung des Oberteils an den Kühlkanalboden erfolgt dabei linienförmig entlang der mit dem Kühlkanalboden in Kontakt stehenden Wände des Oberteils.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Kolben ein Kolbenoberteil und ein damit verbundenes Kolbenunterteil auf, wobei im Kolbenunterteil eine Wandstruktur vorgesehen ist, die zusammen mit dem U-förmigen Oberteil das Kühlmittelrohr bildet. Die Wandstruktur kann dabei durch eingefräste/eingedrehte Nuten begrenzt sein. Die Wandstruktur ist dabei komplementär zu den Wänden des Oberteils ausgebildet, so dass die Anbindung des Oberteils an die Wandstruktur linienförmig entlang der mit der Wandstruktur in Kontakt stehenden Wände des Oberteils erfolgt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben im Bereich eines Kühlkanals und im Bereich eines Zu- oder Ablaufs eines in dem Kühlmittelkanal angeordneten Kühlmittelrohrs,
- 2 eine Darstellung ähnlich wie in 1, jedoch in einer anderen Schnittebene,
- 3 eine Schnittdarstellung durch eine spezielle Ausführungsform eines Kühlmittelrohrs mit einer speziellen Oberflächenstruktur bzw. mit Wärmeleitelementen,
- 4 eine Schnittdarstellung durch eine spezielle Ausführungsform eines Kolbens mit einem ein U-förmiges Oberteil aufweisenden Kühlmittelrohr,
- 5 eine Darstellung wie in 4 nur im Bereich eines Zulaufs oder Ablaufs,
- 6 eine Explosions-Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines Kolbens mit einem ein U-förmiges Oberteil aufweisenden Kühlmittelrohr und einem Kolbenunterteil mit zugehöriger Wandstruktur.
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Entsprechend den 1, 2 und 4 bis 6 weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2, einen Kolbenkopf 3 auf, in welchem ein zumindest teilweise umlaufender und geschlossener Kühlkanal 4 zum Aufnehmen eines Kühlmediums 5 vorgesehen ist. Im Bereich des Kolbenkopfs 3 sind dabei eine Brennraummulde 6 sowie ein Feuersteg 7 angeordnet, die beide im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 thermisch hoch belastet sind. Aus diesem Grund wird mit dem im Kühlkanal 4 angeordneten Kühlmedium 5, welches bspw. als Natrium-Kalium-Legierung ausgebildet ist, eine Kühlung, insbesondere dieser thermisch kritischen Bereiche erreicht. Die Vorteile eines derartigen Kühlmediums 5 (Natrium-Kalium-Legierung) liegen insbesondere in der im Vergleich zu Kühlöl 8 höheren Wärmekapazität.
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Eine Natrium-Kalium-Legierung mit einem Kaliumgehalt zwischen 40 % und 90 % sind bei Raumtemperatur flüssig. Geeignete Natrium-Kalium-Legierungen können 40 Gew.-% bis 90 Gew.-% Kalium enthalten. Besonders geeignet ist die eutektische Legierung NaK mit 78 Gew.-% Kalium und 22 Gew.- Natrium (Schmelzpunkt. -12,6°C). Ein derartiges Kühlmedium 5 ist somit im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 auf jeden Fall flüssig. Als niedrig schmelzende Metalllegierungen können auch Galinstan®-Legierungen und niedrig schmelzende Bismut- Legierungen eingesetzt werden. Als sog. Galinstan®-Legierungen werden Legierungssysteme aus Gallium, Indium und Zinn bezeichnet, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Diese Legierungen bestehen aus 65 Gew.-% bis 95 Gew.-% Gallium, 5 Gew.-% bis 26 Gew.-% Indium und 0 Gew.-% bis 16 Gew.-% Zinn. Bevorzugte Legierungen sind bspw. solche mit 68 Gew.-% bis 69 Gew.-% Gallium, 21 Gew.-% bis 22 Gew.-% Indium und 9,5 Gew.-% bis 10,5 Gew.-% Zinn (Schmelzpunkt. -19°C), 62 Gew.-% Gallium, 22 Gew.-% Indium und 16 Gew.-% Zinn (Schmelzpunkt. 10,7°C) sowie 59,6 Gew.-% Gallium, 26 Gew.-% Indium und 14,4 Gew.%- Zinn (ternäres Eutektikum, Schmelzpunkt. 11°C).
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Niedrig schmelzende Bismut-Legierungen sind zahlreich bekannt. Dazu gehören bspw. LBE (eutektische Bismut-Blei-Legierung, Schmelzpunkt. 124°C), Roses Metall (50 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei und 22 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt. 98°C), Orionmetall (42 Gew.-% Bismut, 42 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt. 108°C); Schnelllot (52 Gew.-% Bismut, 32 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt. 96°C), d'Arcets-Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei und 25 Gew.-% Zinn), Wood- sches Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 12,5 Gew.-% Zinn und 12,5 Gew.-% Cadmium, Schmelzpunkt. 71 °C), Lipowitzmetall (50 Gew.-% Bismut, 27 Gew.-% Blei, 13 Gew.-% Zinn und 10 Gew.-% Cadmium, Schmelzpunkt. 70°C), Harpers Metall (44 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 25 Gew.-% Zinn und 6 Gew.-% Cadmium, Schmelzpunkt. 75°C), Cerrolow 117 (44,7 Gew.-% Bismut, 22,6 Gew.-% Blei, 19,1 Gew.-% Indium, 8,3 Gew.-% Zinn und 5,3 Gew.-% Cadmium, Schmelzpunkt. 47°C); Cerrolow 174 (57 Gew.-% Bismut, 26 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt. 78,9°C), Fields Metall (32 Gew.-% Bismut, 51 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt. 62°C) sowie die Walkerlegierung (45 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei, 22 Gew.-% Zinn und 5 Gew.-% Antimon).
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Erfindungsgemäß ist nun in dem Kühlkanal 4 ein Kühlmittelrohr 9 angeordnet, in welchem ein Kühlmittel 10, bspw. Kühlöl 8, strömt. Der erfindungsgemäße Kolben 1 ist somit nicht nur das Kühlmedium 5, sondern zusätzlich auch durch das Kühlöl 8 bzw. das Kühlmittel 10 gekühlt. Der Einsatz des Kühlmittelrohrs 9 in den Kühlkanal 4 bewirkt jedoch nicht nur eine verbesserte Kühlung des Kolbens 1 und damit eine Steigerung dessen Leistungsfähigkeit, sondern auch eine deutlich verbesserte Regulierung der Kühlung des Kolbens 1, da bspw. bei hohen Lasten mehr Kühlöl 8, das heißt mehr Kühlmittel 10 in das Kühlmittelrohr 9 gespritzt werden kann und dort für einen verbesserten Wärmeübertrag und damit eine verbesserte Kühlung sorgt.
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Das Kühlmittelrohr 9 besitzt dabei einen Zulauf 11 und einen Ablauf, wobei in der 1 lediglich der Zulauf 11 gezeigt ist, ein Ablauf jedoch in analoger Weise und auch in aus dem Stand der Technik bekannter Weise ausgeführt sein kann. Über den Zulauf 11 wird dabei Kühlmittel 10, das heißt konkret Kühlöl 8, vorzugsweise bedarfsgerecht, in das im Kühlkanal 4 angeordnete Kühlmittelrohr 9 eingespritzt und dadurch die Kühlung des Kolbens 1 verbessert.
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Das Kühlmedium 5 kann dabei ein Öl aufweisen, welches bis zumindest 400°C temperaturbeständig ist. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind u.a., dass die Menge des Kühlmediums 5, insbesondere die NaK-Menge, im Kühlkanal 4 deutlich reduziert werden kann, bei zumindest gleichbleibender Kühlleistung. Eine geringere NaK-Menge ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft, vor allem jedoch wegen der hohen Reaktionsfreude beim Kontakt mit Wasser.
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Um dabei ein unerwünschtes Austreten des Kühlmediums 5 aus dem Kühlkanal 4 zu verhindern, ist das Kühlmittelrohr 9 im Bereich seines Zulaufs 11 bzw. seines Ablaufs mit einem Kühlkanalboden 12 dicht verbunden, bspw. verschweißt.
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Das Kühlmittelrohr 9 selbst kann aus Blech, aus Stahl, aus Kupfer, aus einer Metalllegierung, insbesondere aus einer Kupferlegierung, ausgebildet sein und dabei eine möglichst geringe Wandstärke aufweisen, um einen möglichst hohen Wärmeübertrag ermöglichen zu können.
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Das Kühlmittelrohr 9 ist dabei vorzugsweise möglichst zentral in dem Kühlkanal 4 angeordnet und dadurch allseitig von Kühlmedium 5 umströmbar, wodurch ebenfalls ein gesteigerter Wärmeübertrag möglich ist.
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Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass an dem Kühlmittelrohr 9 zusätzlich eine seine Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur 13, bspw. durch eine entsprechende Prägung, Riffelung oder Noppung, vorgesehen sein kann. Zusätzlich oder alternativ können darüber hinaus Wärmeleitelemente 14 vorgesehen sein, welche ebenfalls eine vergrößerte für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche schaffen und damit den Wärmeübertrag verbessern. Sowohl die Oberflächenstruktur 13 als auch die Wärmeleitelemente 14 können dabei an einer Innenmantelfläche des Kühlmittelrohrs 9 und/oder an einer Außenmantelfläche desselben angeordnet sein. Insbesondere die Anordnung von Wärmeleitelementen 14 an einer Außenmantelfläche des Kühlmittelrohrs 9 kann darüber hinaus eine Zentrierung des Kühlmittelrohrs 9 im Kühlkanal 4 bewirken. Gemäß der 3 sind dabei sowohl die die Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur 13 als auch die Wärmeleitelemente 14 lediglich partiell angeordnet, wobei selbstverständlich klar ist, dass diese vollumfänglich und zwar sowohl alternativ als auch kumulativ am Kühlmittelrohr 9 angeordnet sein können.
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Betrachtet man die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 gemäß den 4 und 5, so kann man erkennen, dass das Kühlmittelrohr 9 ein im Querschnitt U-förmiges Oberteil 19 aufweist und mit dem Kühlkanalboden 12 verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet, ist. Hierzu können insbesondere bewährte und langjährig erprobte Laserschweißverfahren oder auch Reibschweißverfahren eingesetzt werden. Die Anbindung des Oberteils 19 an den Kühlkanalboden 12 erfolgt dabei linienförmig entlang der mit dem Kühlkanalboden 12 in Kontakt stehenden Wände 15 des Oberteils 19. Der Kolben 1 aus den 4 und 5 ist dabei als einteiliger Kolben 1 ausgebildet.
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Betrachtet man den Kolben 1 gemäß der 6, so kann man erkennen, dass der Kolben 1 aus einem Kolbenoberteil 16 und einem damit verbundenen Kolbenunterteil 17 zusammengesetzt ist, wobei im Kolbenunterteil 17 eine Wandstruktur 18 vorgesehen ist, die zusammen mit dem U-förmigen Oberteil 19 das Kühlmittelrohr 9 bildet. Die Wandstruktur 18 kann dabei durch eingefräste/eingedrehte Nuten 20 begrenzt sein. Die Wandstruktur 18 ist dabei komplementär zur den Wänden 15 des Oberteils 19 ausgebildet, so dass die Anbindung des Oberteils 19 an die Wandstruktur 18 linienförmig entlang der mit der Wandstruktur 18 in Kontakt stehenden Wände 15 des Oberteils 19 erfolgt. Ein Fügen des Kolbenoberteils 16 mit dem Kolbenunterteil 17 erfolgt dabei in bekannt bewährter Weise, beispielsweise mittels Laser- oder Reibscheißen.
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Mit dem erfindungsgemäß in dem Kühlkanal 4 angeordneten Kühlmittelrohr 9 lassen sich dabei nicht nur die temperaturkritischen Bereiche besser kühlen, sondern zudem auch eine Kühlung besser regulieren, was ebenfalls von großem Vorteil ist.
