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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben mit einer Kanalanordnung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Mittels eines Kurbeltriebs in Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in Längsrichtung innerhalb eines Zylinders in eine drehende Bewegung der Kurbelwelle übersetzt. Dabei ist der Kolben den aus der Verbrennung eines Kraftstoffes im Brennraum resultierenden thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen werden maßgeblich von dem für den Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine gewählten Verfahren bestimmt und haben Einfluss auf die Form, das Material, das Herstellungsverfahren, den Weg und auch die Geschwindigkeit des Kolbens. Dies führt zu unterschiedlichen Ausführungen von Kolben.
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In Abhängigkeit der beim Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen sind die Kolben mit zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung und Isolation versehen. Die zusätzlichen Einrichtungen können in Form von Hohlräumen oder Kanälen ausgeführt sein. Diese Einrichtungen zur Kühlung können sich auf ein oder mehrere Funktionsbestandteile des Kolbens beziehen. So kann der Kolbenboden, welcher den Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine begrenzt, mit zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung und Isolation versehen sein. Auch der Ringbereich beziehungsweise die Ringpartie mit Feuersteg und Kolbenringnuten zur Aufnahme von Kompressions- und Ölabstreifringen, sowie das Kolbenhemd zur Aufnahme des Kolbens im Zylinder mit den Kolbenbolzennaben zur Aufnahme des Kolbenbolzens können zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung und Isolation aufweisen.
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Diese Einrichtungen sind beispielsweise als um die Längsachse des Kolbens herum verlaufende Kanäle ausgestaltet. Die Richtung der durch die Mitte des Kolbens verlaufenden Längsachse wird durch die Bewegungsrichtung des hauptsächlich zylinderförmigen Kolbens in der Zylinderbohrung während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine definiert. Dementsprechend entspricht die Längsachse des Kolbens der Symmetrieachse der Zylinderbohrung.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 1 476 441 A1 ist ein schraubenförmiger Öl-Kühlkanal bekannt, welcher im Kolbenboden unterhalb der Kolbenmulde angeordnet ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 1 751 175 A ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, welcher im Bereich der Kolbenringnuten und im Bereich des Feuerstegs umlaufende Ringkühlkanäle und im Bereich unterhalb des Kolbenbodens einen spiralförmig verlaufenden Kühlkanal aufweist. Weiter ist gegenüber dem Innenraum des Kolbens, welcher dem Kurbelgehäuse zugeordnet ist, ein weiterer umlaufender Kühlkanal vorgesehen.
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Aus der Offenlegungsschrift
FR 897,132 A ist ein Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, welcher im Bereich des flachen Kolbenbodens eine spiral-, mäanderförmige Kanalstruktur aufweist, wobei der Kühlkanal über seine beiden Enden mit dem Innenraum des Kolbens fluidverbunden ist.
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Aus der Patentschrift
GB 161,905 A geht ein Kolben für Hubkolbenmaschinen hervor, welcher für eine Wärmeisolation gegenüber der im Brennraum erzeugten Hitze eine Kühlkammer unterhalb des Kolbenbodens aufweist, welche als Vakuumkammer ausgeführt ist.
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Aus der Patentschrift
GB 1 95 042 A ist bekannt, dass zum Hitzeschutz von gefährdeten Wandteilen Einrichtungen aus Rohren verwendet werden, durch die das Kühlmedium zirkuliert und die als Ganzes gerade oder gekrümmt angeordnet sind. Die Rohre können nach irgendeinem bekannten Verfahren gegossen oder gezogen hergestellt werden. Insbesondere ist ein Hubkolben mit einem Spiralrohr im Bereich des Kolbenbodens versehen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 224 737 A1 ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, welcher einen spiralförmigen Kühlkanal im Bereich der Kolbenmulde zwischen Kolbenmulde und Kolbenringnuten aufweist. In einem Ausführungsbeispiel weist die Spirale einen veränderlichen Anstieg des Radius auf. Zudem weist die Spirale einen konstanten axialen Versatz auf.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolben mit einer Kanalanordnung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen bereitzustellen, wobei der thermische Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine verbessert ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch einen Kolben mit einer Kanalanordnung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt einen vorteilhaften Kolben mit einer Kanalanordnung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen bereit, welcher hinsichtlich eines Wärmeabflusses aus einem Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine und einer thermischen Belastbarkeit verbessert ist. Mittels des erfindungsgemäßen Kolbens wird der Wärmeabfluss aus dem Brennraum reduziert, wodurch höhere Brennraumtemperaturen ermöglicht werden und der thermische Wirkungsgrad demnach erhöht ist.
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Der Kolben weist einen Kolbenboden, mittels welchem ein Brennraum eines Zylinders der Hubkolbenbrennkraftmaschine begrenzt ist, eine Ringpartie, in welcher ein Feuersteg und verschiedene Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen angeordnet sind, ein Kolbenhemd, mittels welchem der Kolben im Zylinder aufgenommen und beweglich in Richtung einer Längsachse des Kolbens gelagert ist, und Kolbenbolzennaben auf, mittels welchen der Kolben über einen darin gelagerten Kolbenbolzen mit einem Pleuel eines Kurbeltriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine verbunden ist. Im Kolbenboden kann zudem eine Kolbenmulde vorgesehen sein.
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Im Kolbenboden ist eine Kanalanordnung vorgesehen, mittels welcher die thermische Belastbarkeit des Kolbens verbessert ist und höhere Bauteiltemperaturen zugelassen werden können. Die Kanalanordnung umfasst in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wenigstens einen ringförmigen Kühlkanal und wenigstens einen spiralförmigen oder schraubenförmigen Isolationskanal. Dadurch erfolgt die Steigerung der thermischen Belastbarkeit einer brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens einerseits durch eine aktive Kühlung und andererseits durch eine Wärmeisolation.
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Ein Kühlkanal ist zur Führung eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels und als ein um die Längsachse des Kolbens herum verlaufender Ringkühlkanal ausgestaltet. Dabei ist der Kühlkanal radial außenliegend im Bereich der Ringpartie, insbesondere im Bereich einer ersten oberen Kolbenringnut nahe des Feuerstegs angeordnet. Als nahe ist ein Abstand zu verstehen, bei welchem der Kühlkanal als dem Feuersteg beziehungsweise der Kolbenringnut zugeordnet betrachtet werden kann, sich also der Kühlkanal gegenüber anderen gleichartigen Elementen in der unmittelbaren Umgebung dichter an dem Feuersteg beziehungsweise der Kolbenringnut befindet. Als radial außenliegend ist eine Lage zu verstehen, bei welcher der Kühlkanal den äußeren Kanal darstellt, also kein weiterer Kanal weiter von der Längsachse des Kolbens entfernt ist. Damit wird der Kolben vorrangig im Bereich der Ringpartie, insbesondere im Bereich der ersten oberen Kolbenringnut gekühlt, um ein Verkoken von Schmieröl im Zylinder und damit ein Stecken eines in der ersten Kolbenringnut montierten Kompressionsrings zu verhindern.
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Über einen separaten Zulauf und einen separaten Ablauf ist der Kühlkanal mit einer Fluidversorgung fluidverbunden, wobei der Kühlkanal während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine über den Zulauf zumindest periodisch mittels einer gegenüber der Hubkolbenbrennkraftmaschine ortsfesten Kühlmitteldüse befüllt wird. Über den Ablauf erfolgt ein freier Rücklauf des Kühlmittels in ein Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Als Kühlmittel findet vorzugsweise Öl, insbesondere Schmieröl aus einer Schmiermittelversorgung Verwendung.
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Ein Isolationskanal ist als ein um die Längsachse des Kolbens herum spiralförmig oder schraubenförmig verlaufender Isolationskanal ausgestaltet. Dabei ist der Isolationskanal radial innenliegend nahe der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens angeordnet. Als nahe ist ein Abstand zu verstehen, bei welchem der Isolationskanal als der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens zugeordnet betrachtet werden kann, sich also der Isolationskanal gegenüber anderen gleichartigen Elementen in der unmittelbaren Umgebung dichter an der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens befindet. Als radial innenliegend ist eine Lage zu verstehen, bei welcher der Isolationskanal einen inneren Kanal darstellt, also ein weiterer Kanal weiter von der Längsachse des Kolbens entfernt ist. Als spiralförmig oder schraubenförmig ist ein Verlauf des Isolationskanals zu verstehen, bei welchem der Isolationskanal mehr als einmal um die Längsachse des Kolbens herum verläuft und dabei einen Versatz aufweist, so dass ein kontinuierlicher Verlauf mit einer definierten Steigung entsteht. Der Versatz des spiralförmigen oder schraubenförmigen Isolationskanals kann bezüglich der Längsachse des Kolbens in radialer und / oder axialer Richtung vorliegen und über den Verlauf des Isolationskanals konstant oder variabel sein. Demnach kann der Isolationskanal eine axiale, radiale oder diagonale Steigung aufweisen und so als ebene Spirale, räumliche Spirale oder Schraube dargestellt sein.
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Ist im Kolbenboden eine Kolbenmulde mit einer Kontur angeordnet, ist der Isolationskanal im Bereich eines Muldengrundes nahe der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens und / oder im Bereich einer Muldenflanke der Kolbenmulde nahe der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens angeordnet, wobei der Isolationskanal der Kontur der Kolbenmulde folgt. Der Isolationskanal folgt der Kontur der Kolbenmulde, wenn sich die Kontur der Kolbenmulde im Verlauf des Versatzes entlang des Isolationskanals abbildet. Über verschließbare Öffnungen an einem jeweiligen Ende des Isolationskanals ist dieser zur Darstellung eines Vakuums entleerbar. Der Verschluss der Öffnungen erfolgt nach dem Herstellen des Vakuums beispielsweise mittels verschweißter Stopfen. Durch das Vakuum im ersten Isolationskanal wird eine Wärmeübertragung reduziert und somit die Isolierwirkung erhöht. Dazu sind durch die besonders vorteilhafte Ausführung des Isolationskanals als spiralförmiger Isolationskanal nur zwei Öffnungen zu verschließen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft ergibt sich eine bezüglich der Längsachse des Kolbens koaxiale Kanalanordnung von Isolationskanal nahe der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens als gegenüber dem Kühlkanal radial innenliegender Isolationskanal und von Kühlkanal im Bereich der Ringpartie als gegenüber dem Isolationskanal radial außenliegender Kühlkanal.
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In erfindungsgemäß ganz besonders vorteilhafter Weise ist der Querschnitt des Isolationskanals tropfenförmig ausgeführt, wobei das kugelförmige Ende der Tropfenform in Richtung der brennraumseitigen Oberfläche ausgerichtet ist. Dadurch kann eine individuell optimale Auslegung der Kanalanordnung hinsichtlich Stabilität des Kolbenbodens und Isolationswirkung bei deutlich erhöhter thermischer Belastbarkeit erreicht werden.
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Der erfindungsgemäß vorteilhafte Kolben wird mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, so dass sich die komplexen Strukturen für die Kanalanordnung in einfacher Weise herstellen lassen. Dabei kommt insbesondere das selektive Lasersintern oder auch das selektive Laserschmelzen zum Einsatz. Nach der additiven Fertigung des Kolbens werden der ringförmige Kühlkanal und der spiralförmige oder schraubenförmige Isolationskanal mittels Strömungsschleifen geschliffen und poliert. Zur Darstellung der erforderlichen thermischen Belastbarkeit des Kolbenbodens werden hochtemperaturbeständige Materialien verwendet, insbesondere Superlegierungen auf Nickelbasis.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Kolbens (1) mit einer Kanalanordnung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
- 1: eine erste schematische Schnittdarstellung des Kolbens (1),
- 2: eine zur ersten schematischen Schnittdarstellung senkrecht ausgerichtete zweite schematische Schnittdarstellung des Kolbens 1, und
- 3: eine schematische Darstellung der Kanalanordnung.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung des Kolbens (1) mit einer Kanalanordnung für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, dargestellt in 1 und 2, weist einen Kolbenboden (2) mit einer Kolbenmulde (2a), eine Ringpartie (3) mit einem Feuersteg (3a) und einer Kolbenringnut (3b), ein Kolbenhemd (4), und Kolbenbolzennaben (5a, 5b) auf. Weiter ist im Kolbenboden (2) zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit ein erster ringförmiger Kühlkanal (6), ein erster spiralförmiger Isolationskanal (7) und ein zweiter schraubenförmiger Isolationskanal (8) vorgesehen.
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Der erste Kühlkanal (6) ist als ein um eine Längsachse (9) des Kolbens (1) herum verlaufender Ringkühlkanal ausgestaltet und radial außenliegend im Bereich der Ringpartie (3), insbesondere im Bereich der Kolbenringnut (3b) nahe des Feuerstegs (3a) angeordnet.
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Der erste Isolationskanal (7) ist als ein um die Längsachse (9) des Kolbens (1) herum spiralförmig verlaufender Isolationskanal (7, 8) ausgestaltet und radial innenliegend nahe einer brennraumseitigen Oberfläche (2b) des Kolbenbodens (2), insbesondere im Bereich eines Kolbenmuldengrundes (2c) angeordnet. Der erste Isolationskanal (7) weist einen radial und axial ausgerichteten Versatz auf. Durch die resultierende Steigung des ersten Isolationskanals (7) kann dieser der Kontur der Kolbenmulde (2a) folgen und nahe des Kolbenmuldengrundes (2c) positioniert sein.
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Der zweite Isolationskanal (8) ist als ein um die Längsachse (9) des Kolbens (1) herum schraubenförmig verlaufender Isolationskanal (7, 8) ausgestaltet und radial zwischen dem ersten Kühlkanal (6) und dem ersten Isolationskanal (7) nahe einer brennraumseitigen Oberfläche (2b) des Kolbenbodens (2), insbesondere im Bereich einer Kolbenmuldenflanke (2d) angeordnet. Der erste Isolationskanal (7) weist einen axial ausgerichteten Versatz auf. Durch die resultierende Steigung des zweiten Isolationskanals (8) kann dieser der Kontur der Kolbenmulde (2) folgen und nahe der Kolbenmuldenflanke (2d) positioniert sein.
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Der Querschnitt des ersten Isolationskanals (7) und des zweiten Isolationskanals (8) ist tropfenförmig ausgeführt, wobei ein kugelförmiges Ende (10) der Tropfenform in Richtung der brennraumseitigen Oberfläche (2b) ausgerichtet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenboden
- 2a
- Kolbenmulde
- 2c
- Kolbenmuldengrund
- 2d
- Kolbenmuldenflanke
- 3
- Ringpartie
- 3a
- Feuersteg
- 3b
- Kolbenringnut
- 4
- Kolbenhemd
- 5a, 5b
- Kolbenbolzennabe
- 6
- erster Kühlkanal
- 7
- erster Isolationskanal
- 8
- zweiter Isolationskanal
- 9
- Längsachse
- 10
- kugelförmiges Ende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1476441 A1 [0005]
- DE 1751175 A [0006]
- FR 897132 A [0007]
- GB 161905 A [0008]
- GB 195042 A [0009]
- DE 102016224737 A1 [0010]
