DE102018208898A1 - Reciprocating piston for a reciprocating internal combustion engine and use of a reciprocating piston in a reciprocating internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Grundkörper (12) und einer Brennraumfläche (16), wobei innerhalb des Grundkörpers (12) mindestens ein Kühlkanalnetz (32) vorgesehen ist, wobei das Kühlkanalnetz (32) mindestens einen - in radialer Richtung des Grundkörpers (12) betrachtet - innenseitig angeordneten Einströmbereich (34) und eine Vielzahl von sich - ausgehend von dem Einströmbereich (34) - in radialer Richtung jeweils nach außen erstreckenden Mini-Kühlkanälen (42) aufweist, wobei die Mini-Kühlkanäle (42) eine maximale Querschnittsweite von 3 mm aufweisen. Dabei umfasst der Einströmbereich (34) einen Ringkanal (40) oder ein zentrales Reservoir und die Mini-Kühlkanäle (42) erstrecken sich ausgehend von diesem Ringkanal (40) oder dem zentralen Reservoir in radialer Richtung betrachtet nach außen, wobei der Ringkanal (40) oder das zentrale Reservoir nach Art eines Kühlmittelsammelraums ausgebildet ist und dazu eine Querschnittsfläche aufweist, die mindestens dem 1,5-fachen der größten Querschnittsfläche des größten Mini-Kühlkanals (42) entspricht.The invention relates to a reciprocating piston for a reciprocating internal combustion engine having a base body (12) and a combustion chamber surface (16), wherein within the base body (12) at least one cooling duct network (32) is provided, wherein the cooling duct network (32) at least one - in the radial direction of the Viewed base body (12) - arranged on the inside inflow region (34) and a plurality of - starting from the inflow region (34) - in the radial direction in each case outwardly extending mini-cooling channels (42), wherein the mini-cooling channels (42) a maximum cross-sectional width of 3 mm. In this case, the inflow region (34) comprises an annular channel (40) or a central reservoir and the mini-cooling channels (42) extend outwardly from this annular channel (40) or the central reservoir in the radial direction, wherein the annular channel (40) or the central reservoir is designed in the manner of a coolant collecting space and has a cross-sectional area corresponding to at least 1.5 times the largest cross-sectional area of the largest mini-cooling channel (42).
Description
Die Erfindung betrifft einen Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines solchen Hubkolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.The invention relates to a reciprocating piston for a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Kühlung von Hubkolben sowie eine die Kühlung weiter verbessernde Verwendung in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ermöglichen, insbesondere wenn dieser Hubkolben mit Hilfe einer Standard-Ölversorgung gekühlt werden soll.The invention has for its object to provide a reciprocating piston for a reciprocating internal combustion engine available that allow improved cooling of reciprocating and cooling further improving use in a reciprocating internal combustion engine, especially when this reciprocating piston to be cooled by means of a standard oil supply.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is achieved according to the invention with the features of the independent claims. Further practical embodiments and advantages of the invention are described in connection with the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine weist einen Grundkörper mit einer Brennraumfläche auf. Als Brennraumfläche wird diejenige Fläche bezeichnet, welche bei der Anordnung eines solchen Hubkolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu einem Brennraum orientiert ist und den Brennraum in axialer Richtung betrachtet in eine Richtung (in der Regel nach unten) dynamisch begrenzt. Die Brennraumfläche wird teilweise auch als oberer Kolbenboden bezeichnet. In den meisten Fällen weist die Brennraumfläche eine Kolbenmulde in Form einer Vertiefung in einem - in radialer Richtung des Kolbens betrachtet - mittleren Bereich auf. Innerhalb des Grundkörpers des Hubkolbens ist bei dem erfindungsgemäßen Hubkolben mindestens ein Kühlkanalnetz vorgesehen, d.h. ein solches Kühlkanalnetz ist entweder als separat ausgebildetes Element angeordnet und/oder einstückig ausgebildet. Wenn beide Varianten realisiert sind, d.h. die „und“-Kombination des vorstehenden Satzes realisiert ist, ist das Kühlkanalnetz teilweise separat ausgebildet und in dem Hubkolben angeordnet und teilweise einstückig in dem Hubkolben ausgebildet. Unter einem Kühlkanalnetz im Sinne der Erfindung wird eine Gestaltung von Kühlkanälen verstanden, bei welcher ausgehend von einem Eintrittsbereich in das Kühlkanalnetz alle zu diesem Kühlkanalnetz gehörenden Kanäle strömungsleitend miteinander verbunden sind. Über ein Kühlkanalnetz wird insoweit eingeströmte Flüssigkeit innerhalb des „Netzes“ verteilt. Das Kühlkanalnetz weist mindestens einen - in radialer Richtung des Grundkörpers betrachtet - innenseitig angeordneten Einströmbereich und eine Vielzahl von sich - ausgehend von dem Einströmbereich - in radialer Richtung jeweils nach außen erstreckende Mini-Kühlkanäle auf. Die Mini-Kühlkanäle weisen dabei eine maximale Querschnittsweite von 3 mm auf. Dabei umfasst der Einströmbereich einen Ringkanal oder ein zentrales Reservoir, und die Mini-Kühlkanäle erstrecken sich ausgehend von diesem Ringkanal oder dem zentralen Reservoir in radialer Richtung betrachtet nach außen, wobei der Ringkanal oder das zentrale Reservoir nach Art eines Kühlmittelsammelraums ausgebildet ist und dazu eine Querschnittsfläche aufweist, die mindestens dem 1,5-fachen der größten Querschnittsfläche des größten Mini-Kühlkanals entspricht. Bevorzugt entspricht die Querschnittsfläche dem 1,8-fachen, dem 2,0-fachen, dem 2,5-fachen, dem 3,0-fachen oder mehr, verglichen mit der größten Querschnittsfläche des größten Mini-Kühlkanals. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Ringkanal oder das zentrale Reservoir so gestaltet, dass unabhängig von dem Betriebszustand einer Brennkraftmaschine stets eine ausreichende Kühlmittelmenge, insbesondere Öl, in dem Ringkanal oder dem zentralen Reservoir vorgehalten werden kann, um die Mini-Kühlkanäle in allen Richtungen ausreichend mit Kühlmittel bzw. Öl zu versorgen bzw. zu durchströmen.An inventive reciprocating piston for a reciprocating internal combustion engine has a base body with a combustion chamber surface. As a combustion chamber surface that surface is referred to, which is oriented in the arrangement of such a reciprocating piston in a reciprocating internal combustion engine to a combustion chamber and the combustion chamber viewed in the axial direction in one direction (usually down) dynamically limited. The combustion chamber surface is sometimes referred to as upper piston crown. In most cases, the combustion chamber surface has a piston recess in the form of a depression in a middle region, viewed in the radial direction of the piston. Within the base body of the reciprocating piston is provided in the reciprocating piston according to the invention at least one cooling duct network, i. such a cooling duct network is arranged either as a separately formed element and / or formed in one piece. If both variants are realized, i. the "and" combination of the above sentence is realized, the cooling duct network is partially formed separately and arranged in the reciprocating piston and partially formed integrally in the reciprocating piston. A cooling duct network in the sense of the invention is understood to mean a design of cooling ducts in which, starting from an entry region into the cooling duct network, all the ducts belonging to this cooling duct network are connected to one another in a flow-conducting manner. About a cooling duct network so far flowed liquid is distributed within the "network". The cooling duct network has at least one inflow region, which is arranged on the inside in the radial direction of the main body, and a multiplicity of mini-cooling passages extending outwardly in the radial direction, starting from the inflow region. The mini-cooling channels have a maximum cross-sectional width of 3 mm. In this case, the inflow region comprises an annular channel or a central reservoir, and the mini-cooling channels extend outwardly from this annular channel or the central reservoir in the radial direction, wherein the annular channel or the central reservoir is designed in the manner of a coolant collecting space and a cross-sectional area which is at least 1.5 times the largest cross-sectional area of the largest mini-cooling channel. Preferably, the cross-sectional area is 1.8 times, 2.0 times, 2.5 times, 3.0 times or more compared to the largest cross-sectional area of the largest mini-cooling channel. In other words, the annular channel or the central reservoir is designed so that regardless of the operating condition of an internal combustion engine always a sufficient amount of coolant, in particular oil, can be kept in the annular channel or the central reservoir to the mini-cooling channels in all directions sufficient to supply with coolant or oil or to flow through.
Der Begriff zentrales Reservoir ist in diesem Zusammenhang weit auszulegen. Darunter ist insoweit nicht nur ein tankartig ausgebildeter Hohlraum zu verstehen, sondern auch kreisbogenförrmige oder geometrisch anders gestaltete Kanäle mit ausreichend großer Querschnittsfläche, mittels welchen die damit fluidal verbundenen Mini-Kühlkanäle ausreichend mit Kühlmittel versorgt werden können, die in verschiedene radiale Richtungen verlaufen. Vorzugsweise ist ein Reservoir so gestaltet und direkt mit Mini-Kühlkanälen fluidal verbunden, dass ein sich schirmartig erstreckendes Mini-Kühlkanalnetz von diesem Reservoir aus versorgt werden kann. The term central reservoir should be interpreted broadly in this context. In this respect, not only a tank-like cavity is to be understood, but also kreisbogenförrmige or geometrically differently shaped channels with sufficiently large cross-sectional area, by means of which the fluidly connected thereto mini-cooling channels can be sufficiently supplied with coolant, which extend in different radial directions. Preferably, a reservoir is designed and fluidly connected directly to mini-cooling channels that a mini-channel duct extending like an umbrella can be supplied from this reservoir.
Wenn als Kühlmittel eine Kühlflüssigkeit in Form von Öl, eingesetzt wird, kann der Begriff Kühlmittelsammelraum auch durch Ölsammelraum ersetzt werden.When a cooling fluid in the form of oil is used as the coolant, the term coolant-collecting space can also be replaced by oil-collecting space.
Bei einer Verwendung von Hubkolben in Hubkolbenbrennkraftmaschinen erhitzt sich der Grundkörper des Hubkolbens insbesondere brennraumseitig stark, wobei die höchste Temperatur in radialer Richtung betrachtet zentral bzw. mittig der Brennraumfläche auftritt, d.h. dort, wo in vielen Fällen eine Kolbenmulde ausgebildet ist. Die Temperatur der Brennraumfläche bzw. des Grundkörpers nimmt - insbesondere bei ungekühlten Kolben - in radialer Richtung betrachtet von radial innen nach außen ab. Bei dem erfindungsgemäßen Hubkolben ist es vorgesehen, durch einen innenseitig angeordneten Einströmbereich Kühlmittel möglichst direkt zu dem Bereich des Grundkörpers mit der maximalen Temperatur zu fördern und von dort aus radial nach außen weiterzufördern. Durch eine Vielzahl von sich in radialer Richtung nach außen erstreckenden Mini-Kühlkanälen wird die Kühlflüssigkeit darüber hinaus fein verästelt und die zu kühlende Fläche mit vielen Einzelkanälen durchdringend radial nach außen geleitet, um auch die in radialer Richtung betrachtet weiter außen liegenden Abschnitte des Grundkörpers zu kühlen. Die Kühlflüssigkeit strömt damit von einem radial inneren Bereich in Richtung eines radial äußeren Bereiches. So kann die Kühlflüssigkeit optimal zur Kühlung genutzt werden, denn die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit ist damit an den Temperaturgradienten des Grundkörpers während des Betriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angepasst.When using reciprocating piston in reciprocating internal combustion engines, the base body of the reciprocating heated, in particular the combustion chamber side strong, the highest temperature viewed in the radial direction centrally or centrally of the combustion chamber surface occurs, i. where, in many cases, a piston recess is formed. The temperature of the combustion chamber surface or the body decreases - in particular in uncooled piston - viewed in the radial direction from radially inward to outside. In the case of the reciprocating piston according to the invention, it is provided to convey coolant through a inflow region arranged on the inside as directly as possible to the region of the main body with the maximum temperature and to convey it radially outward therefrom. By a plurality of outwardly extending in the radial direction mini-cooling channels, the cooling liquid is also finely ramified and passed the surface to be cooled with many individual channels penetrating radially outwards, to cool even more radially outward portions of the body , The cooling liquid thus flows from a radially inner region in the direction of a radially outer region. Thus, the cooling liquid can be used optimally for cooling, because the flow direction of the cooling liquid is thus adapted to the temperature gradient of the base body during operation of a reciprocating internal combustion engine.
Die Ausbildung von Mini-Kühlkanälen mit einer maximalen Querschnittsweite von 3 mm, ermöglicht es, eine besonders große, zur Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche bereitzustellen, so dass sich eine besonders effiziente Kühlung des Grundkörpers ergibt. Als Querschnittsweite der Mini-Kühlkanäle wird dabei die größte Weite senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Kühlflüssigkeit durch die Mini-Kühlkanäle bezeichnet. Die Mini-Kühlkanäle weisen insbesondere eine maximale Querschnittsweite von 2,5 mm auf und vorzugsweise beträgt die Querschnittsweite der Mini-Kühlkanäle mindestens 1 mm. Die Mini-Kühlkanäle sind im Querschnitt insbesondere kreisförmig ausgebildet. Alternativ können die Mini-Kühlkanäle im Querschnitt auch polygonförmig ausgebildet sein oder eine sonstige Querschnittsform aufweisen.The formation of mini-cooling channels with a maximum cross-sectional width of 3 mm, makes it possible to provide a particularly large, available for cooling surface, so that there is a particularly efficient cooling of the body. As the cross-sectional width of the mini-cooling channels, the largest distance perpendicular to the main flow direction of the cooling liquid is designated by the mini-cooling channels. In particular, the mini-cooling channels have a maximum cross-sectional width of 2.5 mm and preferably the cross-sectional width of the mini-cooling channels is at least 1 mm. The mini-cooling channels are formed in cross-section, in particular circular. Alternatively, the mini-cooling channels may also be polygonal in cross-section or have a different cross-sectional shape.
Durch die Ausbildung von Mini-Kühlkanälen und sich von innen nach außen erstreckenden Kühlkanälen kann auch der Bildung von sogenannten „Hot-Spots“, d.h. besonders heißen Bereichen, an dem Grundkörper des Hubkolbens gezielt und effizient entgegengewirkt werden, insbesondere durch Anordnung der Mini-Kühlkanäle so, dass sich bei Volllast oder einem anderen definierten Lastzustand eine möglichst gleichmäßige Temperarturverteilung auf der Brennraumfläche ergibt. So kann auch das Risiko von Vorentflammungen - insbesondere bei Ottomotoren - reduziert werden.Due to the formation of mini-cooling channels and cooling channels extending from the inside to the outside, the formation of so-called "hot spots", i. particularly hot areas, are targeted and efficiently counteracted on the base body of the reciprocating piston, in particular by arranging the mini-cooling channels so that at full load or other defined load condition results in a uniform temperature Temperarturverteilung on the combustion chamber surface. This also reduces the risk of pre-ignition - especially in gasoline engines.
In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens ist in dem Einströmbereich, in dem Ringkanal und/oder in dem zentralen Reservoir eine Rückströmsicherung vorgesehen. Unter einer solchen Rückströmsicherung sind allgemein alle Mittel zu verstehen, die einer Rückströmung von Kühlmittel, welches einmal unmittelbar vor oder in den Ringkanal bzw. unmittelbar vor oder in das zentrale Reservoir gelangt ist, vollständig oder zumindest teilweise entgegenwirken.In a practical embodiment of a reciprocating piston according to the invention, a backflow safety device is provided in the inflow region, in the annular channel and / or in the central reservoir. Under such a backflow are generally all means to understand, which completely or at least partially counteract a backflow of coolant, which is once directly in front of or in the annular channel or directly before or in the central reservoir.
Nur beispielhaft wird diesbezüglich auf die Ausbildung eines Höhensprunges (z.B. mittels einer stufenartigen, senkrechten und/oder schrägen Stauwand), ein Ventil und einen nach oben gekrümmten Kanalverlauf (umgekehrter Siphon) verwiesen.By way of example only, reference will be made to the formation of a vertical jump (e.g., by means of a step-like, vertical and / or oblique dam wall), a valve, and an upwardly curved passageway (reverse siphon).
Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein nach oben gekrümmter Kanalverlauf häufig aufgrund einer nur begrenzten Höhe des Kolbenbodens nicht nur in geringem Umfang realisierbar ist.It should be noted that an upwardly curved channel course is often due to a limited height of the piston crown not only to a small extent feasible.
Der Einsatz eines Ventils ist mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Gewicht verbunden.The use of a valve is associated with additional costs and weight.
Besonders bevorzugt ist es insoweit, einen Höhensprung derart vorzusehen, dass eine Rückströmung nur nach Überwindung eines gewissen Höhenniveaus möglich ist und auch nur dann, wenn temporär kein weiteres Kühlmittel oder nur Kühlmittel mit einem nicht ausreichend großen Druck in den Einströmbereich nachströmt.It is particularly preferred in this respect to provide a vertical jump such that a return flow is possible only after overcoming a certain height level and only if temporarily no further coolant or only coolant flows with a not sufficiently large pressure in the inflow region.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens ist die Querschnittsweite und/oder die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche der Mini-Kühlkanäle abhängig von deren Abstand vom Einströmbereich - in Strömungsrichtung betrachtet - unterschiedlich groß ausgebildet. Diese Gestaltungsvariante kann insbesondere vorteilhaft genutzt werden, um die Massenströme bzw. Volumenströme durch die einzelnen Mini-Kühlkanäle auf eine gewünschte Art und Weise zu steuern, beispielsweise um eine gleichmäßige Durchströmung aller Mini-Kühlkanäle anzustreben und/oder um durch Auslegung der entsprechenden Teilströmungen eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Kolbenboden zu erreichen.In a further practical embodiment of a reciprocating piston according to the invention, the cross-sectional width and / or the cross-sectional shape and / or the cross-sectional area of the mini-cooling channels is formed differently depending on their distance from the inflow region - viewed in the flow direction. This design variant can be particularly advantageously used to control the mass flow or volume flow through the individual mini-cooling channels in a desired manner, for example, to strive for a uniform flow through all mini-cooling channels and / or by design of the corresponding partial flows a uniform temperature distribution in the piston crown to reach.
Alternativ oder in Ergänzung zu der vorstehend genannten Auslegungsmöglichkeit einzelner Mini-Kühlkanäle kann das Anschluss-Höhenniveau der Mini-Kühlkanäle an den Ringkanal oder das zentrale Reservoir abhängig von deren Abstand vom Einströmbereich - in Strömungsrichtung betrachtet - unterschiedlich hoch gewählt sein. So kann das Anschluss-Höhenniveau beispielsweise auf null gesetzt werden, indem ein Mini-Kühlkanal sich von dem untersten Niveau eines Ringkanals oder zentralen Reservoirs aus erstreckt. Oder das Höhenniveau kann durch eine Stufe mit der Höhe H auf ein höheres Anschluss-Höhenniveau gehoben werden, um die Menge des in einen Mini-Kühlkanal einströmenden Kühlmittels zu reduzieren, wobei mit zunehmendem Anschluss-Höhenniveau die Menge des in den entsprechenden Mini-Kühlkanals einströmenden Kühlmittels reduziert wird.Alternatively or in addition to the above-mentioned design possibility individual mini-cooling channels, the connection height level of the mini-cooling channels to the annular channel or the central reservoir depending on their distance from the inflow - viewed in the direction of flow - be chosen differently high. For example, the port height level may be set to zero by extending a mini-cooling channel from the lowest level of an annular channel or central reservoir. Or, the height level may be raised to a higher connection height level by a step of height H to reduce the amount of refrigerant flowing into a mini-cooling channel, and as the connection height level increases, the amount of air flowing into the corresponding mini-cooling channel Coolant is reduced.
Alternativ oder in Ergänzung dazu kann auch in mindestens einem Mini-Kühlkanal in einem sich an den Ringkanal oder das zentrale Reservoir anschließenden Anfangsabschnitt ein Höhensprung vorgesehen sein, um die Menge des einströmenden Kühlmittels in diesen Mini-Kühlkanal gegenüber einem anderen Mini-Kühlkanal ohne Höhensprung oder mit einem geringeren Höhensprung und/oder Höhen-Anschlussniveau zu reduzieren.Alternatively or in addition, in at least one mini-cooling channel in an adjoining the annular channel or the central reservoir initial portion may be provided a height jump to the amount of inflowing coolant in this mini-cooling channel with respect to another mini-cooling channel without a jump or with a lower height jump and / or height connection level to reduce.
Die Kühlung eines erfindungsgemäßen Hubkolbens kann weiter verbessert werden, wenn die Mini-Kühlkanäle zu einer radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnung oder zu mehreren radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnungen führen. Dabei ist diese eine Ausströmöffnung oder die mehreren Ausströmöffnungen sind insbesondere zumindest teilweise derart ausgerichtet, dass durch die Ausströmöffnung austretende Kühlflüssigkeit unmittelbar oder mittelbar auf eine Außenseite eines Kolbenhemdes gelangt. Als Kolbenhemd wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein Abschnitt des Grundkörpers verstanden, welcher in axialer Richtung betrachtet beabstandet - insbesondere unterhalb - eines Kolbenbodens und der Brennraumfläche angeordnet ist und in der Regel eine oder mehrere Führungsflächen zur Führung des Hubkolbens entlang einer Zylinderwand aufweist. Die Kühlflüssigkeit gelangt damit - wenn überhaupt - erst mittelbar (d.h. nicht unmittelbar) in den Kurbelraum unterhalb des Kolbenhemdes. Durch die von außen auf das Kolbenhemd gelangende Kühlflüssigkeit wird das Kolbenhemd außenseitig gekühlt. Auch einer Bildung von Ölablagerungen und Verkorkungen auf dem Kolbenhemd durch zu hohe Temperaturen kann so wirksam entgegengewirkt werden. Die Kühlflüssigkeit verbessert auch die Schmierung des Kolbenhemdes und verringert dessen Reibung gegenüber der Zylinderwand.The cooling of a reciprocating piston according to the invention can be further improved if the mini-cooling channels lead to a radially outwardly arranged outflow opening or to a plurality of radially outwardly arranged outflow openings. In this case, this one outflow opening or the plurality of outflow openings are in particular at least partially aligned such that coolant exiting through the outflow opening passes directly or indirectly on an outer side of a piston skirt. In this context, a piston skirt is understood to mean, in particular, a section of the base body which is spaced apart-in particular below-a piston crown and the combustion chamber surface and generally has one or more guide surfaces for guiding the piston along a cylinder wall. The cooling liquid thus reaches - if at all - only indirectly (i.e., not directly) into the crankcase below the piston skirt. By reaching from the outside of the piston skirt cooling liquid, the piston skirt is cooled on the outside. Also, a formation of oil deposits and corking on the piston skirt by excessive temperatures can be counteracted so effectively. The coolant also improves the lubrication of the piston skirt and reduces its friction with the cylinder wall.
Die Ausströmöffnungen sind insbesondere derart ausgerichtet, dass die Kühlflüssigkeit direkt und somit unmittelbar von oben auf die radiale Außenseite des Kolbenhemdes strömt. Alternativ können die Ausströmöffnungen auch derart ausgerichtet sein, dass die Kühlflüssigkeit zunächst gegen die Zylinderwand prallt und von dort in Richtung des Kolbenhemdes zurückprallt. Vorzugsweise erstrecken sich die Mini-Kühlkanäle bzw. der mindestens eine Mini-Kühlkanal in dem unmittelbar an die Ausströmöffnung angrenzenden Bereich überwiegend horizontal, d.h. im Wesentlichen in einem Winkel zur Horizontalen von maximal 30° und bevorzugt von maximal 20° und weiter bevorzugt von maximal 10°. Als Horizontalebene wird in diesem Zusammenhang die Richtung senkrecht zur Zylinderachse bezeichnet, entlang welcher sich der Kolben in der Hubkolbenbrennkraftmaschine bewegt.The outflow openings are in particular aligned such that the cooling liquid flows directly and thus directly from above onto the radial outer side of the piston skirt. Alternatively, the outflow openings can also be aligned such that the cooling liquid initially collides against the cylinder wall and rebounds from there in the direction of the piston skirt. Preferably, the mini-cooling channels or the at least one mini-cooling channel in the region immediately adjacent to the outflow opening extend predominantly horizontally, i. essentially at an angle to the horizontal of at most 30 ° and preferably of not more than 20 ° and more preferably of not more than 10 °. In this context, the horizontal plane is the direction perpendicular to the cylinder axis, along which the piston moves in the reciprocating internal combustion engine.
Ebenfalls möglich ist es, die Ausströmöffnungen im inneren Kolbenbereich nach unten oder anders orientiert so auszurichten, dass das austretende Öl die Zylinderwand nicht zusätzlich schmiert und/oder kühlt, insbesondere um ein Ölüberangebot zu vermeiden.It is also possible to orient the outflow openings in the inner piston area downwards or otherwise orientated so that the escaping oil does not additionally lubricate and / or cool the cylinder wall, in particular in order to avoid excessive oil supply.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens ist an dem Grundkörper zumindest über einen Teil des Umfangs ein Spalt zwischen einem radial äußeren Abschnitt des Kolbenhemdes und einem radial äußeren Abschnitt eines Kolbenbodens ausgebildet, und mindestens ein Mini-Kühlkanal führt in den Bereich des Spaltes zwischen dem Kolbenhemd und dem Kolbenboden. Mit dem vorstehend genannten Bereich ist der in axialer Richtung auf der einen Seite durch das Kolbenhemd und auf der anderen Seite durch den unteren Kolbenboden begrenzte Bereich gemeint. Bei der oben erwähnten Gestaltung eines Hubkolbens mit einem Spalt zwischen Kolbenhemd und Kolbenboden ist eine thermische Entkopplung des Kolbenhemdes von dem Kolbenboden realisiert. Diese Gestaltung eignet sich aus konstruktiven Aspekten besonders dazu, die Kühlflüssigkeit unmittelbar auf das Kolbenhemd zu leiten.In a further practical embodiment of a reciprocating piston according to the invention, a gap between a radially outer portion of the piston skirt and a radially outer portion of a piston crown formed on the body at least over part of the circumference, and at least one mini-cooling channel leads into the region of the gap between the Piston shirt and the piston crown. By the above-mentioned range is meant that in the axial direction on the one side by the piston skirt and on the other side by the lower piston crown limited area. In the above-mentioned design of a reciprocating piston with a gap between the piston skirt and the piston crown, thermal decoupling of the piston skirt from the piston crown is realized. This design is particularly suitable for constructive aspects to direct the coolant directly to the piston skirt.
Eine besonders effiziente Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens wird erzielt, wenn in dem Grundkörper mindestens acht (und vorzugsweise mindestens neun, mindestens zehn oder mehr) sich in radialer Richtung erstreckende Mini-Kühlkanäle ausgebildet sind, denn dann ergibt sich bereits ein relativ engmaschiges Verteilnetz mit guter Flächendurchdringung. Insbesondere erstrecken sich die Mini-Kühlkanäle von dem Einströmbereich zu acht, neun, zehn oder mehr korrespondierenden Ausströmöffnungen. Es ist ebenfalls möglich, die Mini-Kühlkanäle so auszubilden, dass sie sich nach radial außen hin noch ein oder mehrmals zusätzlich verzweigen, beispielsweise indem sich zunächst von einem radial innen angeordneten Bereich
Je kleiner die maximale Querschnittsweite gewählt wird, desto feiner können die „Äste“ des Kühlkanalnetzes ausgebildet sein. Umgekehrt steigen die sich ergebenden Druckverluste in den „Ästen“ bzw. Mini-Kühlkanälen mit sich verringernder Querschnittsweite an. Die maximale Querschnittsweite liegt nach derzeitigen Erkenntnissen aus diesem Grund zwischen 1 mm und 4 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.The smaller the maximum cross-sectional width is selected, the finer the "branches" of the cooling duct network can be formed. Conversely, the resulting pressure losses in the "branches" or mini-cooling channels increase with decreasing cross-sectional width. For this reason, the maximum cross-sectional width is between 1 mm and 4 mm, preferably between 1 mm and 3 mm.
Es ist bevorzugt, wenn die projizierte Fläche der Kühlkanäle bezogen auf die Querschnittsfläche des Kolbens mindestens 20 Prozent beträgt, bevorzugt mindestens 25 Prozent und weiter bevorzugt mindestens 30 Prozent.It is preferred if the projected area of the cooling channels, based on the cross-sectional area of the piston, is at least 20 percent, preferably at least 25 percent and more preferably at least 30 percent.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens umfasst der Einströmbereich einen Ringkanal oder ein zentrales Reservoir, und die Kühlkanäle erstrecken sich ausgehend von diesem Ringkanal oder dem zentralen Reservoir in radialer Richtung betrachtet nach außen. Mit „Ring“ sind in diesem Zusammenhang vorzugsweise eine geschlossene, aber auch nur teilringförmige Gestaltungen gemeint, d.h. auch halbringförmige oder andere bogenförmige Ringkanalgestaltungen. Mittels solcher, vorzugsweise zumindest halbkreisförmig ausgebildeter Ringkanäle kann eine gute und homogenere Verteilung der Kühlflüssigkeit in die einzelnen Kühlkanäle erzielt werden, die eine - in Umfangsrichtung betrachtet - gleichmäßige Kolbenbodenkühlung ermöglicht. Mit einem zentralen Reservoir sind beispielsweise hohlkugelförmige oder anders geformte hohlförmige, kammerartige Strukturen gemeint, von deren Außenseiten aus sich die Mini-Kühlkanäle in radialer Richtung nach außen erstrecken.In a further practical embodiment of a reciprocating piston according to the invention, the inflow region comprises an annular channel or a central reservoir, and the cooling channels extend outwardly from this annular channel or the central reservoir in the radial direction. By "ring" is meant in this context preferably a closed, but also only part-ring-shaped designs, i. also semi-annular or other arcuate annular channel designs. By means of such, preferably at least semicircular trained annular channels a good and homogeneous distribution of the cooling liquid can be achieved in the individual cooling channels, which allows a - considered in the circumferential direction - uniform piston crown cooling. By a central reservoir, for example, hollow-spherical or otherwise shaped hollow-shaped, chamber-like structures are meant, from the outer sides of which the mini-cooling channels extend in the radial direction outwards.
Eine konstruktiv besonders einfache Gestaltung ergibt sich, wenn in dem Grundkörper mindestens zwei, strömungsleitend nicht - oder zumindest nur bis zu einer radial innen angeordneten Netz-Verteilstelle - miteinander verbundene Kühlkanalnetze ausgebildet sind.A structurally particularly simple design results if at least two, flow-conducting not - or at least only up to a radially inwardly disposed network distribution point - interconnected cooling channel networks are formed in the body.
Insbesondere können zwei oder mehr Kühlkanalnetze so angeordnet sein, dass der Kolbenboden weitestgehend gleichmäßig von Kanälen der Kühlkanalnetze durchdrungen ist. Beispielsweise können sich ein erstes Kühlkanalnetz und ein zweites Kühlkanalnetz über zwei Hälften der Querschnittsfläche des Grundkörpers erstrecken.In particular, two or more cooling duct nets can be arranged so that the piston crown is largely penetrated evenly by channels of the cooling duct nets. For example, a first cooling duct network and a second cooling duct network may extend over two halves of the cross-sectional area of the main body.
In einer besonders praktischen Ausführungsform sind die Kühlkanalnetze spiegelbildlich zueinander ausgebildet. Die zwei strömungsleitend nicht miteinander verbundenen Kühlkanalnetze weisen weiter bevorzugt zwei voneinander separierte Einströmbereiche auf, die unabhängig voneinander gespeist werden können. Die Ausbildung von solchen separierten Einströmbereichen und Kühlkanalnetzen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Ausbildung des Einströmbereiches in dem Grundkörper in einer zentralen Position, d.h. radial mittig der Brennraumfläche (im Bereich der Zylinder-Mittelachse) bauraumtechnisch und/oder konstruktiv nicht oder nur mit hohem Aufwand zu realisieren ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Einspritzung über eine Kolbenspritzdüse erfolgt (dies wird im Weiteren noch näher erläutert), da diese aufgrund des Pleuels nicht mittig unterhalb des Kolbenbodens angeordnet werden kann.In a particularly practical embodiment, the cooling channel networks are mirror images of each other. The two cooling channel networks which are not connected to one another in a flow-conducting manner preferably further comprise two inflow regions which are separated from one another and which can be fed independently of one another. The formation of such separated inflow regions and cooling channel networks is particularly advantageous if the formation of the inflow region in the main body in a central position, i. radially center of the combustion chamber surface (in the region of the cylinder center axis) space engineering and / or constructive not or only with great effort to realize. This is the case, in particular, when the injection takes place via a piston injection nozzle (this will be explained in more detail below), since it can not be arranged centrally below the piston crown due to the connecting rod.
Insbesondere in Verbindung mit einer Einspritzung von Kühlmittel über eine Kolbenspritzdüse kann es auch vorteilhaft sein, nur einen Ringkanal oder ein zentrales Reservoir zur Verfügung zu stellen, das einen im Verhältnis zum Kolbendurchmesser großen Durchmesser bzw. eine große maximale Querschnittsweite aufweist, beispielsweise mindestens 20 Prozent, mindestens 30 Prozent mindestens 40 Prozent oder sogar mindestens 50 Prozent des Kolbendurchmessers. In diesem Fall können sich die Mini-Kühlkanäle ausgehend von einem solchen, relativ großen Ringkanal oder zentralen Reservoir dementsprechend nur innerhalb des verbleibenden Bereichs außenseitig des Ringkanals bzw. zentralen Reservoirs, d.h. beispielsweise über einen radial gemessenen Bereich von maximal 50 Prozent des Kolbendurchmessers, falls sich das zentrale Reservoir oder der Ringkanal bereits über etwa 5p Prozent erstreckt.In particular, in conjunction with an injection of coolant via a piston nozzle, it may also be advantageous to provide only an annular channel or a central reservoir, which has a diameter in relation to the piston diameter or a large maximum cross-sectional width, for example at least 20 percent. at least 30 percent at least 40 percent or even at least 50 percent of the piston diameter. In this case, the mini-cooling channels can, starting from such a relatively large annular channel or central reservoir accordingly only within the remaining area outside the annular channel or central reservoir, i. For example, over a radially measured range of a maximum of 50 percent of the piston diameter, if the central reservoir or the annular channel already extends over about 5p percent.
Der mindestens eine Einströmbereich kann sich in einer weiteren praktischen Ausführungsform ausgehend von einer Einströmöffnung erstrecken, welche in der Mantelfläche einer Kolbenbolzennabe ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens eignet sich insbesondere für die Versorgung des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit über ein mit dem Hubkolben funktional verbundenes Pleuel. Insbesondere ist es dann vorgesehen, zwei strömungsleitend nicht miteinander verbundene Kühlkanalnetze auszubilden, wobei die Einströmöffnungen auf unterschiedlichen Seiten des Pleuels in der Mantelfläche der Kolbenbolzennabe ausgebildet sind. Wenn das Pleuel innen hohl ausgebildet ist, kann Kühlflüssigkeit innerhalb des Pleuels in Richtung des Hubkolbens geführt werden. Der Hubkolben und das Pleuel sind vorzugsweise mittels eines Bolzens verbunden, wobei der Bolzen insbesondere derart ausgebildet ist, dass Kühlflüssigkeit durch den Bolzen zu der mindestens einen Einströmöffnung gefördert werden kann. Dazu kann insbesondere mindestens ein - insbesondere trichterartiger - Kanal in dem Bolzen so ausgebildet sein, dass unabhängig von einer Schwenkbewegung zwischen Pleuel, Bolzen und Kolben permanent ausreichend Kühlflüssigkeit in Richtung Kolben gefördert werden kann.In a further practical embodiment, the at least one inflow region can extend starting from an inflow opening which is formed in the lateral surface of a piston pin hub. Such an embodiment of a reciprocating piston according to the invention is particularly suitable for supplying the cooling duct network with cooling liquid via a connecting rod functionally connected to the piston. In particular, it is provided to form two flow channels not interconnected cooling channel networks, wherein the inflow openings are formed on different sides of the connecting rod in the lateral surface of the piston pin hub. If the connecting rod is hollow inside, cooling fluid can be guided within the connecting rod in the direction of the reciprocating piston. The reciprocating piston and the connecting rod are preferably connected by means of a bolt, wherein the bolt is in particular designed such that cooling fluid can be conveyed through the bolt to the at least one inflow opening. For this purpose, in particular at least one - in particular funnel-like - channel in the bolt be designed so that regardless of a pivotal movement between the connecting rod, pin and piston permanently sufficient coolant can be conveyed in the direction of the piston.
Die mindestens eine Einströmöffnung erstreckt sich dazu insbesondere über einen Winkelbereich des Umfangs der Mantelfläche der Kolbenbolzennabe. Der Winkelbereich entspricht mindestens dem Winkelbereich, über welchen der Bolzen während der Bewegung des Pleuels relativ zu dem Hubkolben verschwenkt wird. Der Bolzen ist insbesondere mittels Presspassung mit dem Pleuel verbunden und rotiert gegenüber dem Hubkolben. Insbesondere erstreckt sich die Einströmöffnung über mindestens 20° und vorzugsweise über mindestens 30° des Umfangs der Mantelfläche der Kolbenbolzennabe.The at least one inflow opening extends in particular over an angular range of the circumference of the lateral surface of the piston pin hub. The angular range corresponds at least to the angular range over which the bolt is pivoted during movement of the connecting rod relative to the reciprocating piston. The bolt is connected in particular by means of press fit with the connecting rod and rotates relative to the reciprocating piston. In particular, the inflow opening extends over at least 20 ° and preferably over at least 30 ° of the circumference of the lateral surface of the piston pin hub.
Zur Förderung der Kühlflüssigkeit durch das Pleuel in den Grundkörper des Hubkolbens kann optional in einer Variante des erfindungsgemäßen Hubkolbens eine Pumpe vorgesehen sein, mit welcher ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine mindestens 20 Prozent des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit füllen zu können. Als eine solche Pumpe kann eine auch für andere Zwecke genutzte Standard-Ölpumpe einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen sein, es kann aber auch eine zusätzliche Pumpe für einen oder mehrere erfindungsgemäße Hubkolben vorgesehen sein, die ausschließlich oder primär für die Versorgung des Kühlkanalnetzes genutzt wird. Ebenfalls möglich ist es, die Versorgung des Kühlkanalnetzes auf beliebige andere Art und Weise sicherzustellen.To promote the cooling liquid through the connecting rod in the base body of the reciprocating piston, a pump may optionally be provided in a variant of the reciprocating piston according to the invention, with which a sufficiently high pressure is generated to fill at least 20 percent of the cooling duct network with cooling liquid during operation of the reciprocating internal combustion engine , As such a pump, a standard oil pump used for other purposes of a reciprocating internal combustion engine may be provided, but it may also be provided an additional pump for one or more reciprocating piston according to the invention, which is used exclusively or primarily for the supply of the cooling duct network. It is also possible to ensure the supply of the cooling duct network in any other way.
Bevorzugt sind mindestens 25 Prozent, mindestens 30 Prozent oder mindestens 40 Prozent, 50 Prozent oder sogar 75 Prozent des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Das Kühlkanalnetz kann auch vollständig (d.h. zu 100 Prozent) mit Kühlflüssigkeit gefüllt sein, so dass sich eine besonders effiziente Kühlung aufgrund einer maximalen Durchströmung des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit ergibt. Durch Erhöhung des mit der Pumpe erzeugten Drucks und der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeit kann die Kühlleistung dann bedarfsweise angepasst werden, sofern die Pumpe steuerbar und/oder regelbar ist. Wenn Kühlflüssigkeit in den Grundkörper über ein Pleuel eingebracht wird, kann Kühlflüssigkeit kontinuierlich, mit hohem Druck und optional auch durchflussgesteuert oder durchflussgeregelt aktiv in den Grundkörper des Hubkolbens gefördert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft allerdings primär Anwendungsfälle, in welchen die Kühlflüssigkeit mit Umgebungsdruck, aber beaufschlagt mit kinetischer Energie, in den Hubkolben gelangt.Preferably, at least 25 percent, at least 30 percent or at least 40 percent, 50 percent or even 75 percent of the cooling duct network is filled with coolant. The cooling duct network can also be completely (i.e., 100 percent) filled with cooling fluid, resulting in particularly efficient cooling due to maximum flow through the cooling duct network with cooling fluid. By increasing the pressure generated by the pump and the resulting flow rate, the cooling capacity can then be adjusted as needed, provided that the pump is controllable and / or regulated. If cooling liquid is introduced into the main body via a connecting rod, cooling liquid can be conveyed continuously, with high pressure and optionally also flow-controlled or flow-controlled active into the main body of the reciprocating piston. The present invention, however, primarily relates to applications in which the cooling fluid reaches the reciprocating piston at ambient pressure but applied with kinetic energy.
Die Erfindung betrifft insoweit vor allem solche Ausführungsformen, bei welchen sich der Einströmbereich von einem Bereich des unteren Kolbenbodens erstreckt, der beabstandet von der Kolbenbolzennabe ist. Ein solcher Bereich ist insbesondere benachbart zu der Kolbenbolzennabe vorgesehen und insbesondere möglichst - in radialer Richtung betrachtet - zentral im Grundkörper angeordnet, beispielsweise innerhalb eines Radius, der maximal dem halben Radius des Kolbens entspricht. In dieser Ausführungsform erfolgt die Versorgung des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit insbesondere über mindestens eine Kolbenspritzdüse. Dabei wird die Kolbenspritzdüse vorzugsweise unterhalb des unteren Kolbenbodens derart angeordnet, dass Kühlflüssigkeit nach oben in das Kühlkanalnetz eingespritzt werden kann. Es ist auch bei dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn zwei oder mehr strömungsleitend nicht miteinander verbundene Kühlkanalnetze in dem Grundkörper ausgebildet sind. Weiter bevorzugt ist dabei pro Kühlkanalnetz jeweils mindestens eine separate Kolbenspritzdüse vorgesehen. Die Einbringung von Kühlflüssigkeit in den Grundkörper über eine Kolbenspritzdüse ist konstruktiv sehr einfach zu realisieren, insbesondere weil die Kühlflüssigkeit nicht durch relativ zueinander bewegte Elemente geführt werden muss.In this respect, the invention relates in particular to those embodiments in which the inflow region extends from a region of the lower piston crown, which is spaced from the piston pin hub. Such an area is provided in particular adjacent to the piston pin hub and in particular as possible - as viewed in the radial direction - arranged centrally in the body, for example within a radius corresponding to a maximum of half the radius of the piston. In this embodiment, the supply of the cooling duct network with coolant takes place in particular via at least one piston injection nozzle. In this case, the piston injection nozzle is preferably arranged below the lower piston crown in such a way that cooling liquid can be injected upwards into the cooling duct network. It is also preferred in this embodiment if two or more cooling channel networks, which are not connected to one another in terms of flow, are formed in the base body. More preferably, at least one separate piston spray nozzle is provided per cooling channel network. The introduction of cooling liquid into the base body via a piston injection nozzle is structurally very easy to implement, in particular because the cooling liquid does not have to be guided by elements moving relative to one another.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die Kontur der Mini-Kühlkanäle zumindest teilweise an die Kontur der Brennraumfläche derart angepasst, dass der axiale Abstand der Mini-Kühlkanäle zur Brennraumfläche innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters liegt. Insbesondere ist die Kontur der Mini-Kühlkanäle an eine Brennraumfläche mit einer Kolbenmulde angepasst, so dass die Mini-Kühlkanäle ebenfalls eine muldenartige Kontur aufweisen. Vorzugsweise liegt sowohl der axiale Abstand der Mini-Kühlkanäle zu der Brennraumfläche als auch zu dem unteren Kolbenboden innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters. „Innerhalb des vorgegebenen Toleranzfensters“ meint hier insbesondere, dass die Abstandsabweichung zwischen der Brennraumfläche und/oder des unteren Kolbenbodens nicht mehr als 20 Prozent, bevorzugt nicht mehr als 15 Prozent und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 Prozent beträgt. Die Mini-Kühlkanäle erstrecken sich vorzugsweise über mindestens 20 Prozent, bevorzugt mindestens 25 Prozent und insbesondere mindestens 30 Prozent des Durchmessers des Kolbenbodens im Wesentlichen horizontal. Als Bereich ist eine radiale Erstreckung der Mini-Kühlkanäle zwischen 20 und 70 Prozent des Kolbendurchmessers besonders geeignet, insbesondere ein Bereich zwischen 20 und 50 Prozent. Damit sind insbesondere die radial innenseitigen Bereiche des Kolbenbodens gemeint. Weiter bevorzugt sind die Mini-Kühlkanäle zumindest teilweise an die Kontur der Brennraumfläche angepasst, d.h. der Abstand zwischen Brennraumfläche und den jeweiligen Mini-Kühlkanälen ist zumindest über einen Teilbereich ungefähr konstant, vorzugsweise über den gesamten Radial-Erstreckungsbereich der Mini-Kühlkanäle.In a further practical embodiment, the contour of the mini-cooling channels is at least partially adapted to the contour of the combustion chamber surface such that the axial distance of the mini-cooling channels to the combustion chamber surface is within a predetermined tolerance window. In particular, the contour of the mini-cooling channels is adapted to a combustion chamber surface with a piston recess, so that the mini-cooling channels also have a trough-like contour. Preferably, both the axial distance of the mini-cooling channels to the combustion chamber surface and to the lower piston crown within a predetermined tolerance window. "Within the specified tolerance window" means here in particular that the distance deviation between the combustion chamber surface and / or the lower piston crown is not more than 20 percent, preferably not more than 15 percent and particularly preferably not more than 10 percent. The mini-cooling channels preferably extend over at least 20 percent, preferably at least 25 percent and in particular at least 30 percent of the diameter of the piston head substantially horizontally. As a range, a radial extension of the mini-cooling channels between 20 and 70 percent of the piston diameter is particularly suitable, in particular a range between 20 and 50 percent. This means in particular the radially inward regions of the piston crown. More preferably, the mini-cooling channels are at least partially adapted to the contour of the combustion chamber surface, ie, the distance between the combustion chamber surface and the respective mini-cooling channels is approximately constant over at least a partial area, preferably over the entire radial extent of the mini-cooling channels.
Insbesondere ist der Einströmbereich gebildet durch eine Einströmöffnung, welche über einen sich in axialer Richtung erstreckenden Verbindungskanal mit dem Ringkanal verbunden ist. Ausgehend von dem Ringkanal erstrecken sich die Mini-Kühlkanäle in radialer Richtung nach außen, wobei die Kontur der Kühlkanäle an die Kontur der Brennraumfläche mit einer Kolbenmulde angepasst ist. In einem radial äußeren Bereich erstrecken sich die Mini-Kühlkanäle zunächst in einem Axialabschnitt im Wesentlichen in axialer Richtung und münden dann insbesondere überwiegend horizontal in einem Horizontalabschnitt in einen Bereich zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenhemd. Alternativ können sich die Mini-Kühlkanäle auch nur teilweise horizontal oder auch abschnittsweise in rein axialer Richtung des Kolbens erstrecken. Die Orientierung kann beliebig an den Kühlbedarf und die jeweilige Geometrie des Kolbens, insbesondere im Bereich des Kolbenbodens, angepasst werden.In particular, the inflow region is formed by an inflow opening, which is connected to the annular channel via a connecting channel extending in the axial direction. Starting from the annular channel, the mini-cooling channels extend in the radial direction to the outside, wherein the contour of the cooling channels is adapted to the contour of the combustion chamber surface with a piston recess. In a radially outer region, the mini-cooling passages initially extend in an axial section substantially in the axial direction and then in particular lead predominantly horizontally in a horizontal section into a region between the piston crown and the piston skirt. Alternatively, the mini-cooling channels may extend only partially horizontally or in sections in the purely axial direction of the piston. The orientation can be arbitrarily adapted to the cooling requirements and the respective geometry of the piston, in particular in the region of the piston crown.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines wie vorstehend beschriebenen Hubkolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Kühlflüssigkeit wird dabei über einen radial innenseitig angeordneten Einströmbereich in den Hubkolben eingebracht und durch eine Vielzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Kühlkanälen in radialer Richtung nach außen abgeleitet. Es wird durch diese Verwendung eine besonders effiziente Kühlung des Hubkolbens bewirkt, da die Kühlflüssigkeit zunächst den besonders heißen, in radialer Richtung zentralen Bereich der Brennraumfläche kühlt und von dort aus nach außen zu den kälteren Randbereichen strömt.The invention also relates to the use of a reciprocating piston as described above in a reciprocating internal combustion engine. In this case, the cooling liquid is introduced into the lifting piston via an inflow region arranged radially on the inside and is discharged outward in the radial direction through a multiplicity of cooling channels extending in the radial direction. It is caused by this use a particularly efficient cooling of the reciprocating piston, since the cooling liquid first cools the particularly hot, radially central region of the combustion chamber surface and flows from there to the outside to the colder edge regions.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird die Kühlflüssigkeit vorzugsweise derart eingebracht, dass das mindestens eine Kühlkanalnetz zu mindestens 20 Prozent mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Bevorzugt ist das Kühlkanalnetz zu mindestens 30 Prozent oder mindestens 40 Prozent, 50 Prozent oder sogar mindestens 75 Prozent und besonders bevorzugt zu 100 Prozent mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Das heißt, die Kühlflüssigkeit wird mit einem ausreichend hohen Druck und/oder einer ausreichend großen Geschwindigkeit in den Grundkörper eingebracht, um die Kühlflüssigkeit vollständig durch die Mini-Kühlkanäle zu fördern. Insgesamt wird so eine effiziente Kühlung unabhängig von einer Shakerwirkung erzielt.As already mentioned above, the cooling liquid is preferably introduced such that the at least one cooling channel network is filled to at least 20 percent with cooling liquid. Preferably, the cooling duct network is at least 30 percent or at least 40 percent, 50 percent or even at least 75 percent, and more preferably 100 percent filled with coolant. That is, the cooling liquid is introduced into the body at a sufficiently high pressure and / or speed to completely convey the cooling fluid through the mini-cooling channels. Overall, such an efficient cooling is achieved independently of a shaker effect.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einer Seitenansicht, -
2 den Hubkolben aus 1 in einer Draufsicht, -
3 eine Hälfte des Hubkolbens aus1 und2 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben, -
4 denHubkolben aus den 1 bis3 , wobei ein Kolbenhemd in einem Längsschnitt gemäß LinieIV-IV aus2 dargestellt ist, und der in4 mit B gekennzeichnete Bereich teilweise weggeschnitten ist, -
5 denHubkolben aus den 1 bis4 in einem Längsschnitt gemäß LinieV-V aus3 , -
6 nur das isoliert dargestellte Kühlkanalnetz des Hubkolbens gemäßden 1 bis5 in einer perspektivischen Ansicht, -
7 eine schematische Darstellung der Kühlmittelversorgung des Kühlkanalnetzes aus6 mit einer Kolbenspritzdüse, -
8 das Kühlkanalnetz aus6 in einer Ansicht von oben mit Strömungspfeilen, -
9 nur einen Teil des Kühlkanalnetzes aus6 mit einer Detaildarstellung des Einströmbereichs mit Strömungspfeilen in einer Seitenansicht, -
10 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben und -
11 den Hubkolben aus10 ohne den Kolbenboden in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben.
-
1 A first embodiment of a reciprocating piston according to the invention in a side view, -
2 thereciprocating piston 1 in a plan view, -
3 one half of thereciprocating 1 and2 in a perspective view obliquely from above, -
4 the piston from the1 to3 , wherein a piston skirt in a longitudinal section along lineIV-IV out2 is shown, and the in4 Part B is partially cut away, -
5 the piston from the1 to4 in a longitudinal section along the lineVV out3 . -
6 only the isolated cooling duct network of the reciprocating piston according to the1 to5 in a perspective view, -
7 a schematic representation of the coolant supply of the cooling duct network6 with a piston nozzle, -
8th the cooling duct network off6 in a top view with flow arrows, -
9 only a part of the cooling duct network6 with a detailed representation of the inflow region with flow arrows in a side view, -
10 a further embodiment of a reciprocating piston according to the invention in a perspective view obliquely from above and -
11 thereciprocating piston 10 without the piston crown in a perspective view obliquely from above.
In Verbindung mit den
Der Hubkolben
Der Hubkolben
Ferner umfasst der Grundkörper
Wie in
Ein Kühlkanalnetz
Für eine solche Ausführungsform mit Kolbenspritzdüse
Der Einströmbereich
Wie aus einer Zusammenschau der
Die jeweilige geometrische Gestaltung und die jeweiligen Richtungen der einzelnen Mini-Kühlkanäle
In dieser Ausführungsform ist auch der Abstand der Mini-Kühlkanäle
In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Mini-Kühlkanäle
In einem sich an den überwiegend radial nach außen orientierten Abschnitt der Mini-Kühlkanäle
Die Einströmöffnungen
Wie aus einer Zusammenschau der
In
Um einen ausreichend großen Kühlmittelstrom in den Ringkanal
Wie in
Um dennoch eine gleichmäßige Durchströmung und insbesondere einen gleichmäßigen Massenstrom und/oder Volumenstrom durch die Mini-Kühlkanäle
- a) Die Querschnittsweite und/oder die Querschnittsform und/oder die Querschnittsfläche der Mini-Kühlkanäle
42 ist abhängig von deren Abstand vom Einströmbereich34 (d.h. einerMündungsstelle 60 ineinen Ringkanal 40 oder ein zentrales Reservoir) unterschiedlich groß ausgebildet, wobei vorzugsweise die Querschnittsfläche mit zunehmendem Abstand von einerMündungsstelle 60 zunimmt. - b) Das Anschluss-Höhenniveau der Mini-Kühlkanäle
42 anden Ringkanal 40 oder an das zentrale Reservoir ist abhängig von demAbstand einer Mündungsstelle 60 unterschiedlich hoch gewählt, wobei vorzugsweise das Anschluss-Höhenniveau mit zunehmendem Abstand von einerMündungsstelle 60 abnimmt. - c) In mindestens einem Mini-Kühlkanal
42 ist in einem sich anden Ringkanal 40 oder das zentrale Reservoir anschließenden Anfangsabschnitt ein Höhensprung vorgesehen, wobei insbesondere die Höhe solcher Höhensprünge mit zunehmendem Abstand von einerMündungsstelle 60 abnimmt.
- a) The cross-sectional width and / or the cross-sectional shape and / or the cross-sectional area of the
mini-cooling channels 42 depends on their distance from the inflow area34 (ie anestuarine site 60 in aring channel 40 or a central reservoir) of different sizes, wherein preferably the cross-sectional area with increasing distance from anorifice 60 increases. - b) The connection height level of the
mini-cooling channels 42 to thering channel 40 or to the central reservoir is dependent on the distance of aconfluence point 60 chosen different high, preferably the connection height level with increasing distance from anorifice 60 decreases. - c) In at least one
mini cooling channel 42 is in a to thering channel 40 or the central reservoir subsequent initial section provided a height jump, in particular the height of such height jumps with increasing distance from anorifice 60 decreases.
In den
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. The features of the invention disclosed in the present description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any desired combinations for the realization of the invention in its various embodiments. The invention may be varied within the scope of the claims and in consideration of the knowledge of the person skilled in the art.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Hubkolbenreciprocating
- 1212
- Grundkörperbody
- 1414
- Kolbenbodenpiston crown
- 1616
- Brennraumfläche = oberer KolbenbodenCombustion chamber surface = upper piston crown
- 1818
- Kolbenmuldepiston bowl
- 2020
- unterer Kolbenbodenlower piston bottom
- 2222
- Kolbenhemdskirt
- 2424
- Kolbenbolzennabepiston pin
- 2828
- Rückströmsicherungreturn valve
- 3030
- Spaltgap
- 3232
- KühlkanalnetzCooling channel network
- 3434
- Einströmbereichinflow
- 3636
- Einströmöffnunginflow
- 3838
- Verbindungskanalconnecting channel
- 4040
- Ringkanalannular channel
- 4242
- Mini-KühlkanalMini cooling channel
- 4444
- Ausströmöffnungoutflow
- 4646
- Axialabschnittaxial
- 4848
- HorizontalabschnittHorizontal section
- 5050
- Kanalchannel
- 5252
- Kolbenspritzdüsepiston spray nozzle
- 5454
- Mantelflächelateral surface
- 5656
- Höhensprungjump in height
- 5858
- Stauwandretaining wall
- 6060
- Mündungsstelleopening point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102018201556 [0004]DE 102018201556 [0004]
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Publications (1)
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