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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
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Insbesondere bei aufgeladenen Dieselmotoren kommt es oftmals aufgrund der sehr hohen spezifischen Leistungen von über 60 kW je Liter Hubraum zu einer starken thermischen Belastung der Kolben einer damit ausgestatteten Brennkraftmaschine beziehungsweise des Dieselmotors und insbesondere eines Kolbenbodens. Der Kolbenboden ist dabei mit seiner Brennraummulde dem Brennraum im Zylinder der Brennkraftmaschine zugewandt und unterliegt demzufolge der höchsten thermischen Belastung. Um eine derartige Brennkraftmaschine beziehungsweise einen derartigen Dieselmotor langfristig betreiben zu können, ist es erforderlich, eine Kühlung des Kolbens vorzunehmen, die insbesondere die thermische Belastung des Kolbens, insbesondere in seinem Kolbenkopf, reduziert.
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Hierzu ist es aus der
DE 10 2008 028 197 A1 bekannt, die Oberfläche eines Kühlkanals, der im Kolbenkopf umläuft, mit an einer Oberfläche des Kühlkanals umlaufenden Rillen auszustatten. Diese Rillen dienen dort vorrangig zur Verringerung der Blasenbildung beim Gießprozess zur Herstellung des Kolbens. Durch die Rillen wird das durch den Kühlkanal strömende Kühlmedium aber auch zusätzlich verwirbelt und erhöht somit die Kühlleistung. Wäre die Oberfläche des Kühlkanals im Wesentlichen glatt ausgeführt, so würde sich nahe der Oberfläche eine laminare Unterschicht des Kühlmediums anlegen. Diese Unterschicht verringert oder verhindert sogar einen ausreichenden Wärmetransport durch beispielsweise Kühlmediummoleküle, die sich in orthogonaler Richtung weg von der Oberfläche des Kühlkanals bewegen sollten. Da der Kühlkanal aber gerade zum Abtransport überschüssiger Wärme weg von dessen Oberfläche vorgesehen ist, dienen diese zusätzlichen Rillen beziehungsweise eine Rauigkeit in der Oberfläche zur Verbesserung der Wärmeübertragung. Die zugrundeliegenden Herleitungen dieses Effekts sind beispielsweise in der
EP 0 945 201 B1 beschrieben, die die Herstellung von thermisch belasteten Gussteilen mit integrierten Kühlkanälen beschreibt.
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Weiterhin ist es aus der
DE 10 2014 017 091 A1 bekannt, die Oberfläche des Kühlkanals in einem Kolben einer Brennkraftmaschine mit einer bestimmten Oberflächenrauheit auszubilden, wobei die gemittelte Rautiefe R
Z zwischen 200 µm und 400 µm liegt. Hierzu wird bei der Herstellung die Oberfläche des Salzkerns, der beim Gießen des Kolbens den eigentlichen Kühlkanal im Kolben bildet, entsprechend strukturiert, um in der Oberfläche des Kühlkanals abwechselnd Erhöhungen und Vertiefungen oder Rillen auszubilden.
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Es ist gewünscht, die thermische Belastbarkeit eines Kolbens einer Brennkraftmaschine weiter zu verbessern.
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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, an einer Oberfläche eines Kühlkanals eines Kolbens eine nach Möglichkeit turbulente Strömung zu erzwingen, die im Vergleich zu einer laminaren Strömung einen deutlich verbesserten Wärmeübertrag und damit auch eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbens ermöglicht. Der erfindungsgemäße Kolben weist einen Kolbenkopf mit einem darin umlaufend angeordneten Kühlkanal auf, wobei eine Oberfläche des Kolbens mit einer Oberflächenstruktur mit einer Oberflächenrauheit versehen ist, deren gemittelte Rautiefe RZ zwischen 200 µm und 400 µm liegt. Zusätzlich hat es sich durch Berechnungen und Versuche gezeigt, dass die Kühlleistung durch ein den Kühlkanal durchströmendes Kühlmedium weiter verbessert werden kann, wenn die einander abwechselnden Erhöhungen und Vertiefungen, die zur gemittelten Rautiefe RZ führen, regelmäßig verlaufen beziehungsweise in gleichbleibenden Abständen angeordnet sind, um die laminare Strömung beziehungsweise Unterschicht in gewünschter Weise in eine turbulente Strömung zu zwingen, also zu verwirbeln. Hierzu wird die Homogenität der Rauheit der Oberfläche derart eingestellt, dass die Schiefe RSK, also die Amplitudenverteilung der Erhöhungen und Vertiefungen der Oberfläche (englisch: „skewness“), einen dimensionslosen Wert annimmt von -0,5 < RSK < 0,5. Insbesondere bevorzugt ist dabei ein Wert RSK = 0. Durch die so gebildete turbulente Strömung des Kühlmediums an der Oberfläche des Kühlkanals kann die Wärme effizienter abtransportiert werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Oberfläche des Kühlkanals die gewünschte Struktur in an sich beliebiger Weise mit bekannten Herstellungs- und/oder Bearbeitungsverfahren verliehen werden, beispielsweise durch die Verwendung eines entsprechend strukturierten Salzkerns oder durch eine prägende Bearbeitung, bevorzugt jedoch wie im Folgenden beschrieben, beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Oberflächenstruktur des Kühlkanals derart strukturiert, dass deren Wölbung oder Kurtosis Rku, das heißt wie spitz oder abgerundet die Rauspitzen beziehungsweise die Erhebungen ausgebildet sind, einen dimensionslosen Wert von 2 < Rku < 3 annimmt. Derartige Werte der Kurtosis erhöhen ebenfalls die turbulente Strömung des Kühlmittels entlang der Oberfläche des Kühlkanals und damit die Wärmeübertragungsfähigkeit und die Kühlung des Kolbens.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass ein entsprechend ausgebildetes und dimensioniertes Werkzeug dazu verwendet wird, um im Kühlkanal umlaufende Rillen mit einer Tiefe zwischen 200 µm und 400 µm in gleichbleibenden Abständen und bevorzugt mit der gewünschten Spitzheit oder Rundheit auszubilden. Beispielsweise kann eine spanende Bearbeitung mittels eines spanabhebenden oder fräsenden Werkzeugs erfolgen. Dies erlaubt eine größere Präzision als bei der Oberflächengestaltung eines Salzkerns.
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Auch ist bevorzugt, dass der Kolben aus Stahl ausgebildet und insbesondere gegossen oder geschmiedet ist. Stahl beziehungsweise dessen Oberfläche kann mit der gewünschten Präzision bearbeitet werden, verfügt über eine ausreichende Stabilität und thermische Leitfähigkeit. Prinzipiell können auch andere Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium oder deren Kombinationen verwendet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kolben zweiteilig ausgebildet mit einem Kolbenringelement und einem damit verbundenen, insbesondere verschweißten, insbesondere laserverschweißten, Kolbengrundkörper, wobei bevorzugt der Kühlkanal zum Teil in das Kolbenringelement und zum Teil in den Kolbengrundkörper eingeformt ist. Somit kann dem Kühlkanal in dessen Querschnitt gesehen ein gewünschtes Profil verliehen werden, um dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr des im geschlossenen Kühlkanal während des Betriebs hin und her schleudernden Kühlmediums in Richtung des Kolbenschaftes zu erreichen.
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Zweckmäßig sind die Rillen beziehungsweise die Erhebungen und Vertiefungen auf der Oberfläche des Kühlkanals nur in dem Bereich des Kühlkanals ausgebildet, der unmittelbar der Brennraummulde des Kolbens zugewandt ist. Da die Brennstrahlen aufgrund der Kraftstoffeinspritzung beziehungsweise die heißen Explosionsgase auf den Kolbenkopf beziehungsweise dessen Brennraummulde auftreffen ist besonders dort eine effiziente Wärmeabfuhr erforderlich. Die die Wärmeübertragung verbessernde Profilierung der Oberfläche des Kühlkanals ist somit speziell dort vorzusehen.
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Besonders bevorzugt erfolgt dies bei einem vorstehend beschriebenen zweiteiligen Kolben. Somit kann vor dem Verbinden des Kolbenringelements mit dem Kolbengrundkörper die Strukturierung derjenigen Oberfläche des Kolbenringelements erfolgen, die im verbundenen Zustand die Oberfläche des Kühlkanals bildet. Diese Oberfläche ist vor dem Verbinden leicht zugänglich. Zudem erspart dies Zeit und erfordert weniger Werkzeugeinsatz gegenüber einer vollständigen Bearbeitung der gesamten Oberfläche des Kühlkanals.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind in einem Umfangsbereich von +/- 10° bezogen auf eine Kolbenachse im Bereich einer Kühlkanalzulaufbohrung/ Kühlkanalzulauföffnung keine Rillen oder dergleichen ausgebildet. Das heißt in diesem Bereich der Oberfläche, insbesondere des Kolbenringelements, sind die Rillen ausgespart. Dabei dienen die Kühlkanalzulaufbohrung und Kühlkanalablaufbohrung zur Zirkulation des Kühlmediums im Kühlkanal beziehungsweise im Kolben. Aufgrund anderer Strömungsverhältnisse im Bereich der Kühlkanalzulaufbohrung ist es für eine effiziente Wärmeübertragung vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Kühlkanals in diesem Bereich glatt oder eben ausgeführt ist und lediglich die anderen Bereiche der Oberfläche mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur ausgestattet sind.
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Als Kühlmedium wird bevorzugt ein Kühlöl/Motoröl verwendet.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem solchen Kolben auszustatten wie er vorstehend beschrieben wurde. Hierdurch kann durch die verbesserte Kühlung des Kolbens auch eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine erreicht werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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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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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben.
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Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einen Kolbenschaft 17 sowie einen Kolbenkopf 12 auf, wobei in dem Kolbenkopf 12 ein Kühlkanal 2 zur Zirkulation eines Kühlmediums ausgebildet ist. Im Kolbenkopf 12 selbst ist darüber hinaus eine Brennraummulde 3 angeordnet. Eine Oberfläche 4 des Kühlkanals 2 weist eine durch gezackte Linien angedeutete Oberflächenstruktur 5a auf. Diese kann in Form von zumindest teilweise umlaufenden Rillen 5 ausgebildet sein. Diese Rillen 5 weisen eine Tiefe zwischen 200 µm und 400 µm auf, das heißt die gemittelte Rautiefe RZ liegt zwischen 200 µm und 400 µm.
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Erfindungsgemäß sind die Rillen 5 derart ausgebildet und mit gleichbleibenden Abständen angeordnet, dass eine Schiefe RSK einen dimensionslosen Wert von -0,5 < RSK < 0,5 aufweist, besonders von RSK = 0. Dies kann bevorzugt bei Kolben 1 aus Stahl derart erfolgen, dass die Oberfläche 4 des Kühlkanals 2 zunächst glatt hergestellt wird, insbesondere gegossen, und nachfolgend beispielsweise durch Spanabhebung oder Fräsen die Rillen 5 in gewünschter Ausgestaltung in die Oberfläche 4 des Kühlkanals 2 eingebracht werden.
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Mittels der Rillen 5 wird das im Kühlkanal 2 zirkulierende Kühlmedium zumindest im Bereich der Oberfläche 4, die mit Rillen 5 ausgestattet ist, derart zu einer turbulenten Strömung gezwungen bzw. verwirbelt, dass die Ausbildung einer laminaren Unterschicht unterdrückt, zumindest aber hinsichtlich ihrer Dicke reduziert, wird. Somit kann aber beispielsweise das an der Oberfläche 4 des Kühlkanals 2 durch die Wärme in der Brennraummulde 3 aufgeheizte Kühlmedium in orthogonaler Richtung zur Oberfläche 4 schneller abtransportiert werden. Daher ist eine Kühlleistung verbessert und eine Beschädigung des Kolbens 1 wird vermieden.
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Bevorzugt sind die Rillen 5 derart strukturiert, dass deren Wölbung oder Kurtosis Rku, das heißt wie spitz oder abgerundet die Rauspitzen beziehungsweise die Erhebungen ausgebildet sind, einen dimensionslosen Wert von 2 < Rku < 3 annimmt. Dies verbessert die Kühlung nochmals.
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Weiterhin sind an dem Kolbenkopf 12 in an sich bekannter Weise ein durchgehend umlaufender Feuersteg 13 sowie eine durchgehend umlaufende Ringnut 14 zur Aufnahme von nicht gezeigten Kolbenringen ausgebildet.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kolben 1 zweiteilig ausgebildet, umfassend einen Kolbengrundkörper 11 mit Kolbenkopf 12 und Kolbenschaft 17 sowie ein Kolbenringelement 18. Dabei sind am Kolbenkopf 12 beziehungsweise am Kolbengrundkörper 11 Kolbengrundkörper-Kontaktflächen 23a, 23b ausgebildet, die durchgehend um den Kolben 1 umlaufend ausgebildet sind, sowie am Kolbenringelement 18 Kolbenringelement-Kontaktflächen 24a, 24b, die durchgehend um das Kolbenringelement 18 umlaufend ausgebildet sind. Es versteht sich, dass die jeweiligen Kontaktflächen 23a, 23b, 24a, 24b derart zueinander korrespondierend ausgebildet sind, dass diese beispielsweise miteinander verschweißt werden können, insbesondere laserverschweißt.
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Zur Verbesserung der Wärmeübertragung von der Brennraummulde 3, in der die eigentliche Gasexplosion einer Brennkraftmaschine 7 stattfindet, durch das Material des Kolbens 1 hin zum Kühlmedium, das im Kühlkanal 2 zirkuliert, sind die Rillen 5 lediglich am Kolbenringelement 18 ausgebildet und zwar auf dessen Oberfläche 4, die dem Kühlkanal 2 zugewandt ist. Hier tritt aufgrund der Nähe zur Brennraummulde 3 die größte thermische Belastung auf. Zudem ist das Einbringen der Rillen 5 in das Kolbenringelement 18 vor dem eigentlichen Zusammenbau des Kolbens 1 sehr einfach. Selbstverständlich kann auch der übrige Kühlkanal 2, beispielsweise an einer radial außen gelegenen Kühlkanalwand 4a, zur verbesserten Kühlung des Kolbens 1, insbesondere dessen Ringpartie mit einer derartigen Oberflächenstruktur 5a versehen sein.
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Zudem müssen die Oberflächenstruktur 5a bzw. die Rillen 5 nicht durchgehend umlaufend ausgebildet sein. Insbesondere im Bereich von hier nicht abgebildeten Kühlkanalzulaufbohrungen/Kühlkanalöffnungen können die Rillen 5 entfallen oder ausgespart werden. Aufgrund anderer Strömungsverhältnisse an den Kühlkanalzulaufbohrungen ist hier eine glatte Oberfläche 4 des Kühlkanals 2 gewünscht, beispielsweise in einem Umfangsbereich um eine Kolbenachse 6 von +/- 10° an den Kühlkanalzulaufbohrungen.
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Ein derartiger Kolben 1 wird in einer Brennkraftmaschine 7 mit mindestens einem Zylinder eingesetzt, wobei der Kolben 1 sich im Zylinder beziehungsweise in einer Zylinderlaufbuchse bewegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008028197 A1 [0003]
- EP 0945201 B1 [0003]
- DE 102014017091 A1 [0004]
