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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einen damit verbundenen Kolbenunterteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
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Aus der
DE 10 2011 114 105 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil sowie einem damit verbundenen Kolbenunterteil mit zwei gegenüberliegenden Schaftwänden bekannt, wobei die beiden Schaftwände über Kastenwände, in denen jeweils eine Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens angeordnet ist, verbunden sind. Im Kolbenoberteil ist dabei ein erster Teilquerschnitt eines Kühlkanals angeordnet, während ein zweiter Teilquerschnitt dieses Kühlkanals im Kolbenunterteil angeordnet ist. Über in den Kastenwänden angeordnete Sacklochbohrungen, die mit dem Kühlkanal kommunizierend verbunden sind, sollen eine verbesserte Wärmeableitung und damit eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht werden können.
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Nachteilig bei dem gattungsgemäßen Kolben ist jedoch, dass dieser für die nachträglich im Bereich der Kastenwände eingebrachten Sacklochbohrungen durchgängig breite und damit massive und schwere Kastenwände erfordert, was insbesondere unter Gewichtsgesichtspunkten nicht vorteilhaft ist.
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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 sich insbesondere durch eine leichtere Ausführung bei gleichzeitig optimaler Kühlung auszeichnet.
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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, Sacklochbohrungen, welche eine kommunizierende Verbindung mit einem Kühlkanal eines Kolbens einer Brennkraftmaschine schaffen, nicht wie bislang im Bereich der Kastenwände vorzusehen, sondern erfindungsgemäß erstmals in einem leicht verdickten Bereich zumindest einer Schaftwand. Der erfindungsgemäße Kolben weist dabei in bekannter Weise ein Kolbenoberteil und ein damit verbundenes Kolbenunterteil mit zwei gegenüberliegenden Schaftwänden und zwei orthogonal dazu angeordneten Kolbennaben auf, die mit den Schaftwänden durch Kastenwände verbunden sind. In den Kolbennaben sind Nabenbohrungen zur Aufnahme eines Kolbenbolzens angeordnet. Im Kolbenoberteil ist dabei ein erster Teilquerschnitt eines Kühlkanals angeordnet, während im Kolbenunterteil ein zweiter Teilquerschnitt des Kühlkanals angeordnet ist. Durch die Anordnung der zumindest einen Sacklochbohrung im Bereich der zumindest leicht verdickten Schaftwand können die Kastenwände in bekannter Weise dünnwandig ausgeführt und zugleich erreicht werden, dass vergleichsweise viel Wärme in die Schaftwände abgeführt wird. Die zumindest eine Schaftwand, in welcher die zumindest eine Sacklochbohrung in der zugeordneten Verdickung angebracht ist, muss zwar im Bereich der später eingebrachten Sacklochbohrung ebenfalls dicker ausgeführt werden, jedoch ergibt sich hieraus eine deutlich geringere Volumenzunahme und Gewichtszunahme als bei den dickwandig ausgeführten Kastenwänden bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Kolben. Gleichzeitig können die Auswölbungen an der Innenseite der Schaftwände, welche die Verdickung darstellen, kostengünstig in den Rohling eingeschmiedet werden, wobei die Auswölbung an der Innenseite der zumindest einen Schaftwand zugleich auch die wärmeübertragende Fläche zur Kolbeninnenseite hin erhöht, die mit Kühlöl angespritzt wird, wodurch die Kühlleistung weiter gesteigert werden kann. Der erfindungsgemäße Kolben ermöglicht so im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Kolben ein deutlich geringeres Gewicht bei gleicher oder sogar noch gesteigerter Kühlleistung. Das geringere Gewicht und die verbesserte Kühlleistung wirken sich dabei beide positiv auf den Wirkungsgrad der mit einem derartigen Kolben ausgestatteten Brennkraftmaschine aus.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind an zumindest einer Schaftwand zwei schräg zur Kolbenachse verlaufende und vom Kühlkanal ausgehende Sacklochbohrungen vorgesehen. Vom Kühlkanal ausgehend heißt in diesem Fall bzw. auch bei lediglich einer einzigen Sacklochbohrung vom unteren Teilquerschnitt des Kühlkanals ausgehend. Die beiden schräg zur Kolbenachse verlaufenden Sacklochbohrungen können sich dabei kreuzen oder sich nicht berühren, wobei insbesondere bei sich kreuzenden Sacklochbohrungen die hinter der Schaftwand befindenden Auswölbungen bzw. Verdickungen reduziert werden können. Hierdurch verringert sich einerseits das Gewicht des Kolbenunterteils sowie nach Einbringen der Sacklochbohrungen und dem Kühlmedium auch das Gesamtgewicht des Kühlmediums, da im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Sacklochbohrungen, die im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse verlaufen, bei schräg zur Kolbenachse verlaufenden Sacklochbohrungen weniger Kühlmedium eingefüllt werden muss.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die zumindest eine Sacklochbohrung um einen Winkel α um 30° ≤ α ≤ 80° gegenüber der Kolbenachse geneigt, besonders bevorzugt sogar um einen Winkel α zwischen 35° und 50°. Eine unter einem solchen Winkel bzw. Winkelbereich geneigte Sacklochbohrung bietet dabei einerseits den Vorteil, im Vergleich zu parallel zur Kolbenachse angeordneten Sacklochbohrungen die Menge an erforderlichem Kühlmedium geringer zu halten, andererseits jedoch die zumindest eine Sacklochbohrung noch so weit in den Bereich nach unten, das heißt in Richtung des Kolbenschaftes zu führen, dass eine möglichst optimale Wärmeabfuhr und damit eine möglichst optimale Kühlung des Kolbens, die zur Leistungssteigerung beiträgt, realisiert werden kann. In diesem Winkelbereich für den Winkel α liegt das Optimum aus genügend großer wärmeübertragender Fläche und geringstmöglicher Aufdickung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist das Kolbenunterteil und/oder das Kolbenoberteil geschmiedet. Insbesondere das erfindungsgemäße Kolbenunterteil bietet dabei den großen Vorteil, dass die im Bereich der Verdickung einer Schaftwand später anzuordnenden Sacklochbohrungen bzw. die zumindest eine dort anzuordnende Sacklochbohrung eine Materialaufdickung benötigt, die jedoch nur lokal und damit gewichtsoptimiert vorgesehen werden muss und zudem kostengünstig in den Rohling eingeschmiedet werden kann. Dabei ist insbesondere sogar daran zu denken, dass an den die Sacklochbohrungen beinhaltenden Verdickungen bzw. Materialaufdickungen in Richtung des Kolbeninneren, d.h. in Richtung beispielsweise eines später anzubringenden Pleuels, oberflächenvergrößernde Strukturen mit eingeschmiedet werden, die die zum Wärmeübertrag vorhandene Oberfläche vergrößern und dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen. Die Oberflächen vergrößernden Strukturen können dabei als Negativform bereits im Schmiedestempel vorgesehen werden, wodurch die Herstellung derselben keine nachträgliche und zusätzliche Bearbeitung erfordert, jedoch die Kühlung des Kolbens erheblich verbessert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist im Kühlkanal ein Natrium und/oder Kalium aufweisendes Kühlmedium angeordnet. Üblicherweise sind derartige NaK-Kühlmedien bei Raumtemperatur flüssig und besitzen darüber hinaus eine exzellente Wärmeübertragungsfähigkeit sowie einen großen nutzbaren Temperaturbereich. Natrium schmilzt dabei bereits bei 98° C, siedet aber erst bei 883° C, beispielsweise ein NaK-78 Kühlmedium bei - 12,6° C schmilzt und erst bei 785° C siedet. Ein derartiges NaK-78 Kühlmedium besitzt ein eutektisches Gemisch aus 22 Gew.-% Natrium und 78 Gew.-% Kalium. Zudem sind noch andere Kühlmedien, z.B. Gemische aus thermobeständigen Ölen in Kombination mit niedrigschmelzenden Legierungen, z.B. eutektische Zinn-Bismut-Legierungen (58 Gew.-% Bi, 42 Gew.-% Sn), denkbar.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 einen teilweise geschnittenen erfindungsgemäßen Kolben mit zwei schräg zur Kolbenachse verlaufenden Sacklochbohrungen,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit sich kreuzenden Sacklochbohrungen.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenoberteil 3 sowie ein damit verbundenes, insbesondere verschweißtes, Kolbenunterteil 4 auf. Eine Verbindung zwischen dem Kolbenoberteil 3 und dem Kolbenunterteil 4 kann dabei beispielsweise über eine Laserschweißverbindung oder eine Reibschweißverbindung erfolgen.
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Das Kolbenunterteil 4 weist dabei zwei gegenüberliegende Schaftwände 5 auf, von denen gemäß den 1 und 2 lediglich eine gezeigt ist. Die beiden Schaftwände 5 sind dabei über zwei Kastenwände 6 mit den Kolbennaben 16 verbunden bzw. ausgesteift, in denen jeweils eine Nabenbohrung 7, üblicherweise auch als Bolzenbohrung bezeichnet, zur Aufnahme eines nicht gezeigten Kolbenbolzens angeordnet ist. Im Kolbenoberteil 3 ist dabei ein erster Teilquerschnitt 8 eines Kühlkanals 9 angeordnet, während im Kolbenunterteil 4 ein zweiter Teilquerschnitt 10 des Kühlkanals 9 angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist nun an zumindest einer Schaftwand 5 eine Verdickung 11 vorgesehen, in der eine schräg zur Kolbenachse 12 verlaufende und vom Kühlkanal 9 ausgehende Sacklochbohrung 13 angeordnet ist. Eine derartige im Bereich der zumindest einen Schaftwand 5 angeordnete Sacklochbohrung 13 ermöglicht eine deutlich verbesserte Wärmeableitung in den Schaftbereich des Kolbens 1, ohne dass hierfür die Kastenwände 6 insgesamt deutlich massiver ausgebildet werden müssten, wie dies erforderlich wäre, sofern die Sacklochbohrungen 13 in den Kastenwänden 6 angeordnet wären. Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 kann somit ein nicht nur gewichtsoptimierter Kolben 1 erreicht werden, da die Kastenwände 6 in bekannter Weise dünnwandig ausgeführt werden können, sondern es kann zudem auch die Kühlung des Kolbens 1 und damit dessen Leistungsfähigkeit verbessert werden.
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Betrachtet man dabei die gemäß den 1 und 2 dargestellten Kolben 1, so kann man erkennen, dass bei diesen in der Schnittebene, d.h. an der vorderen Schaftwand 5 jeweils zwei schräg zur Kolbenachse 12 verlaufende und vom Kühlkanal 9 ausgehende Sacklochbohrungen 13 vorgesehen sind. Zumindest eine Sacklochbohrung 13 ist dabei um einen Winkel α zwischen 30° ≤ α ≤ 80°, vorzugsweise um einen Winkel α zwischen 35° ≤ α ≤ 50°, gegenüber der Kolbenachse 12 geneigt, wobei beim Vorhandensein einer zweiten Sacklochbohrung 13 diese um einen Winkel α' gegenüber der Kolbenachse 12 geneigt sein kann, der identisch zum Winkel α oder leicht davon abweichend, d.h. +/- 5°, ist. Durch die schräg zur Kolbenachse 12 angeordneten Sacklochbohrungen 13 kann zum einen eine deutlich verbesserte Wärmeabfuhr in Richtung der Schaftwände 5 und damit eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbens 1 erreicht werden, wobei aufgrund der Schrägstellung der Sacklochbohrungen 13 im Vergleich zum aus der Stand der Technik bekannten, parallel zur Kolbenachse 12 verlaufenden Sacklochbohrungen eine deutliche Reduzierung an Kühlmedium und damit auch eine Reduzierung des Gewichts des Kolbens 1 erreicht werden können. Vorzugsweise sind dabei selbstverständlich zwei Sacklochbohrungen 13 an beiden gegenüberliegenden Schaftwänden 5 vorgesehen.
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Durch die ausschließlich lokal vorgesehenen Verdickungen 11 im Bereich der zumindest einen Schaftwand 5 entsteht zugleich eine Aufwölbung 14, die eine nach innen gerichtete und von Kühlöl angespritzte Wärmetauscherfläche vergrößert und dadurch ebenfalls eine verbesserte Wärmeableitung und zugleich eine verbesserte Kühlung des Kolbens 1 ermöglichen. Dabei können selbstverständlich an den Aufwölbungen 14 noch einem Innenraum des Kolbens zugewandte und eine Oberfläche vergrößernde Strukturen 15 angeordnet sein, die die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche nochmals vergrößern und dadurch den Wärmeübertrag verbessern. Die Strukturen 15 sind dabei derart ausgestaltet, dass diese beim Schmieden des Kolbenunterteils 4 hergestellt, d.h. geschmiedet werden können, so dass eine aufwändige und insbesondere auch teure Nachbearbeitung entfallen kann. Das Gleiche gilt in diesem Sinne auch für die Verdickungen 11 bzw. Aufwölbungen 14, die derart angeordnet sind, dass diese ebenfalls beim Schmieden des Kolbenunterteils 4 mitgeschmiedet, d.h. kostengünstig in den Rohling eingeschmiedet werden können.
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Sind je Schaftwand 5 zwei Sacklochbohrungen 13 vorgesehen, so können diese in einer Ebene liegen, z.B. wie in den 1 und 2 dargestellten Schnittebenen.
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Hergestellt wird der erfindungsgemäße Kolben 1 wie folgt: Zunächst werden das Kolbenoberteil 3 und das Kolbenunterteil 4 insbesondere durch Schmieden hergestellt, wobei beim Kolbenunterteil 4 zugleich auch die Verdickung 11 im Bereich zumindest einer Schaftwand 5, d.h. konkret zumindest eine Verdickung 11 an zumindest einer Schaftwand 5 mitgeschmiedet werden. Sind oberflächenvergrößernde Strukturen 15 vorgesehen, so werden diese durch einen entsprechend geformten Schmiedestempel ebenfalls in den Rohling eingeschmiedet.
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Anschließend werden die Sacklochbohrungen 13 bzw. die zumindest eine Sacklochbohrung 13 durch Bohren in die Verdickung 11 eingebracht, wobei der Winkel α, α' durch eine Trennebene zwischen Kolbenoberteil 3 und Kolbenunterteil 4 begrenzt wird. Anschließend werden das Kolbenunterteil 4 und das Kolbenoberteil 3 fest miteinander verbunden, beispielsweise durch Laserschweißen oder Reibschweißen.
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Zuletzt wird der aus den beiden Teilquerschnitten 8,10 gefügte Kühlkanal 9 an einer Stelle angebohrt, insbesondere auch im Bereich zumindest einer Sacklochbohrung 13, und mit Kühlmedium, beispielsweise einer Natrium-Kalium-Legierung, gefüllt. Eine Einfüllöffnung kann beispielsweise an der Kolbeninnenseite durch eine Aufwälbung 14 eingebracht und anschließend verschlossen werden.
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Sind zwei Sacklochbohrungen 13 an einer Schaftwand 5 vorgesehen, so können diese im fertigen Zustand beabstandet voneinander, d.h. sich nicht berührend, in die Verdickung 11 eingebracht werden, wie dies gemäß der 1 dargestellt ist, oder aber sich auch kreuzen, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 lässt sich ein nicht nur gewichtsoptimierter, sondern auch hinsichtlich seiner Kühlung und damit seiner Leistungsfähigkeit verbesserter Kolben 1 erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011114105 A1 [0002]
