-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
-
Insbesondere bei Dieselmotoren wird der Rand einer typischerweise im Kolbenboden ausgebildeten Brennraummulde thermisch und mechanisch am stärksten belastet. Im Betrieb biegt sich der Kolben über den Kolbenbolzen, so dass der Bereich der Bolzenebene, die durch die Kolbenhubachse und die Kolbenbolzenachse aufgespannt wird, auf Zug belastet wird.
-
Stand der Technik
-
Vor diesem Hintergrund wurden Maßnahmen getroffen, die Betriebsfestigkeit am Muldenrand zu erhöhen, was jedoch zu einer reduzierten Betriebsfestigkeit in der Kolbenbolzennabe führt, was nicht wünschenswert ist.
-
Da der Kühlkanal üblicherweise in der Nähe des Muldenrandes angeordnet ist, bietet er Potenzial zur Reduktion der Spannungen am Muldenrand. Beispielsweise gibt es vorbenutzte Kolben, die lokal einen vergrößerten Querschnitt aufweisen, so dass die Kühlwirkung erhöht wird. Ferner kann zumindest bereichsweise der Kühlkanal höher, d.h. weiter in Richtung des Kolbenbodens, angeordnet werden. Schließlich gibt es wellenförmig verlaufende Kühlkanäle, die auch als Kronenkühlkanal bezeichnet werden, bei denen die Wellen für eine gute Füllung mit Kühlöl sorgen, so dass eine erhöhte sogenannte Shaker-Wirkung erwartet wird.
-
Darstellung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Kühlkanal eines Kolbens so zu verändern, dass sich am Muldenrand eine erhöhte Betriebsfestigkeit ergibt, ohne die Betriebsfestigkeit in der Kolbenbolzennabe zu beeinträchtigen.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Kolben gemäß dem Patentanspruch 1.
-
Demzufolge weist dieser einen im Wesentlichen kreisringförmigen Kühlkanal auf, dessen Querschnitt sich von der Laufebene ausgehend in Richtung der Bolzenebene kontinuierlich verändert. Es sei erwähnt, dass der Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens als im Wesentlichen kreisringförmig beschrieben ist, weil er, wie nachfolgend ausgeführt, zumindest bereichsweise der Form einer Sekante folgen kann. Wie erwähnt, wird von einem Querschnitt des Kühlkanals ausgegangen, der in der Laufebene vorliegt, und herkömmlich, beispielsweise im Wesentlichen stehend oval sein kann. Bei der Laufebene handelt es sich um diejenige Ebene, die senkrecht zur Bolzenebene steht und die Kolbenhubachse enthält.
-
Erfindungsgemäß liegt die umfangreichste Abweichung, beschrieben durch die größte Breite des Querschnitts, von dem Querschnitt an der Laufebene an einer Stelle vor, die von der Bolzenebene in Richtung der Druckseite des Kolbens versetzt ist. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass aufgrund des sogenannten Bolzenversatzes in Richtung der Druckseite auch die Spannungskonzentration in Richtung der Druckseite versetzt ist. Somit können durch den erfindungsgemäßen Kühlkanal und eine vorteilhafte Querschnittsveränderung, wie nachfolgend detaillierter beschrieben, Zugspannungen vom Muldenrand hin zum Muldengrund und dem Kühlkanalboden umverteilt werden. Die Amplitudenspannung kann somit reduziert werden und am Muldenrand wird die Betriebsfestigkeit einschließlich eines Sicherheitsfaktors verbessert.
-
Es hat sich ferner herausgestellt, dass hierdurch andere kritische Bereiche, wie beispielsweise die Kolbenbolzennabe, nicht zusätzlich belastet werden. Auch die Temperaturverteilung bleibt vorteilhafterweise im Wesentlichen unverändert. Ferner kann durch die Möglichkeit, die Querschnittsfläche über den Verlauf des Kühlkanals im Wesentlichen konstant zu halten, die Herstellung sichergestellt werden. Schließlich ergibt sich in vorteilhafter Weise keine Gewichtszunahme. Besonders vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße Kolben bei Dieselmotoren für vergleichsweise leichte Fahrzeuge einsetzen, da hier zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen der Feuersteg mit möglichst geringer Höhe ausgebildet wird. Dies erhöht grundsätzlich die Belastung am Muldenrand. Diesem Effekt wird jedoch durch die Erfindung in vorteilhafter Weise entgegengewirkt.
-
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
-
Die erfindungsgemäßen Effekte lassen sich nach ersten Simulationen besonders gut nutzen, wenn der veränderte Querschnitt des Kühlkanals, in Richtung der Kühlkanalachse betrachtet, an der Unterseite radial nach innen verbreitert ist. Nachdem sich die Unterkante des Kühlkanals typischerweise auf dem Niveau des Muldenbodens einer typischerweise ω-förmigen Brennraummulde oder etwas unterhalb befindet, lässt sich durch die beschriebene Verbreiterung die Wanddicke zwischen Brennraummulde und Kühlkanal verkleinern, und Spannungen können an den Kühlkanalboden umverteilt werden.
-
Besonders umfangreich können die erfindungsgemäßen Vorteile erreicht werden, wenn der Kühlkanal an der Innenseite in Umfangsrichtung bereichsweise einer Sehne, also einer Verbindungstrecke, die Teil einer Sekante ist, folgt. Diese Sehne ist, wenn der Kühlkanal in Richtung der Kolbenhubachse betrachtet wird, als Strecke zu erkennen. Hierdurch kann der Kühlkanal bereichsweise noch näher an die Brennraummulde gebracht werden, um Spannungen an den Muldengrund umzuverteilen. Folgt die Innenseite einer Sehne, so fällt der Mittelpunkt der Sehne mit dem Punkt der größten Querschnittsänderung zusammen.
-
Wenngleich auf beiden Seiten der Laufebene, der sogenannten Vorder- und der Rückseite eine unterschiedliche Gestaltung des Kühlkanals vorliegen kann, wird bevorzugt, dass der Kühlkanal bezüglich der Laufebene, abgesehen von Zu- und Abflüssen, symmetrisch ausgebildet ist.
-
Für die Herstellbarkeit bietet es Vorteile, wenn die Querschnittsfläche des Kühlkanals im Wesentlichen über seinen gesamten Verlauf, trotz der Veränderungen der Querschnittsgestalt, gleichbleibt. Dies sorgt nämlich bei der Herstellung des für die Ausbildung des Kühlkanals notwendigen Salzkerns für eine homogene Verteilung des Materials.
-
Bei ersten Simulationen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die umfangreichste Abweichung des Querschnitts und/oder die Mitte der oben beschriebenen Sekante an einer Stelle zwischen 10° und 15°, insbesondere zwischen 12° und 13° und vorzugsweise bei etwa 12,5° von der Bolzenebene auszubilden.
-
Dies gilt gleichermaßen für eine Ausbildung der Querschnittsveränderung über einen Bereich von 45° bis 55°, bevorzugt etwa 50° und/oder der Sekante über einen Bereich von 35° bis 40°, bevorzugt 37° bis 38°, und vorzugsweise 37,5° .
-
Schließlich wird für den Ausgangsquerschnitt und/oder den veränderten Querschnitt des Kühlkanals an seinem radial außenliegenden Bereich bevorzugt, dass ein weitgehend gerader Verlauf, im Wesentlichen parallel zur Kolbenhubachse vorliegt.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kolben an der Laufebene;
- 2 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kolben an der Bolzenebene;
- 3 eine Draufsicht auf den Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens;
- 4 bis 6 die Querschnittsgestalt des Kühlkanals an verschiedenen Stellen entlang dessen Verlauf; und
- 7 eine isometrische Ansicht des erfindungsgemäßen Kolbens.
-
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
-
Wie in Fig: 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 einen Kolbenboden 12 mit einer darin ausgebildeten Brennraummulde 14, ein Ringfeld 16 mit darin ausgebildeten Nuten 18 sowie einen Schaft 20 auf. Zwischen dem Ringfeld und der Brennraummulde ist ein im Wesentlichen ringförmiger Kühlkanal 22 ausgebildet, dessen Unterkante sich im Wesentlichen auf Höhe der Mitte der zweiten Kolbenringnut und dessen Oberkante sich ein wenig unterhalb der ersten, obersten Kolbenringnut befindet. Bezüglich der Brennraummulde 14 befindet sich die Oberkante des Kühlkanals 22 etwas unterhalb der mittleren Entfernung zwischen Kolbenboden 12 und der tiefsten Stelle der Brennraummulde.
-
Im Hinblick auf den Querschnitt ist der Kühlkanal 22 im Wesentlichen als aufgerichtetes Oval gestaltet. Er kann dahingehend beschrieben werden, dass die radial außenliegende Kante 24 im Wesentlichen gerade, parallel zur Kolbenhubachse, verläuft. Auch an der radialen Innenseite kann ein derartiger gerader Abschnitt vorliegen, der im gezeigten Fall jedoch nicht so hoch reicht wie an der Außenkante. Vielmehr beginnt im radial inneren, oberen Bereich eine vergleichsweise große Krümmung, die sich in eine kleinere Krümmung in Richtung der radialen Außenseite fortsetzt. Die Ecken zwischen den beschriebenen radial inneren und äußeren Begrenzungen sowie dem Boden 26 des Kühlkanals sind ebenfalls mit einem vergleichsweise kleinen Krümmungsradius verrundet. Anders betrachtet kann der Querschnitt des Kühlkanals als aufrechtes Rechteck, bei dem die lange Seite in etwa doppelt so lang ist wie die kurze Seite mit verrundeten Ecken beschrieben werden. Hierbei ist an der zur Brennraummulde 14 gerichteten Ecke ein deutlich größerer Krümmungsradius gewählt als an den drei anderen Ecken.
-
Ausgehend von dieser Gestalt verändert sich der Querschnitt des Kühlkanals, wie nachfolgend genau unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben, in Richtung der in 2 gezeigten, an der Bolzenebene vorliegenden Gestalt. Verglichen mit dem in 1 gezeigten Kühlkanal ist die Unterseite deutlich verbreitert, und der Boden 26 erhält nahezu die Form eines Halbkreises. Um die Querschnittsfläche des Kühlkanals im Wesentlichen gleich zu belassen, ist die radial innere Begrenzung im Wesentlichen nach außen geneigt ausgebildet, so dass sich im oberen Bereich des Kühlkanals ein vergleichsweiser geringer Krümmungsradius ergibt. Anders betrachtet kann der Querschnitt des Kühlkanals an der Bolzenebene, wie in 2 dargestellt, als Dreieck mit einer verrundeten Ecke (an der Oberseite) und einer kürzesten Seite (der Boden), der im Wesentlichen durch eine einzige Verrundung gebildet wird, beschrieben werden.
-
Wie ein Vergleich der 1 und 2 zeigt, kann der Kühlkanal somit in diesem Bereich über einen deutlich längeren Verlauf, nämlich die radial nach außen geneigte, radial innere Begrenzung des Kühlkanals, nahe an die Brennraummulde 14 gebracht werden, was für eine Umlagerung der mechanischen Spannungen sorgt. Gleichzeitig haben Simulationen ergeben, dass die Belastung im Bereich der Kolbenbolzennabe, von der in 2 nur die obere Begrenzung 28 dargestellt ist, nicht erhöht wird.
-
In 3 ist im Einzelnen zu erkennen, wo die vorangehend beschriebenen oder ähnliche Querschnitte vorliegen. Mit 30 ist in 3 die Laufebene bezeichnet, an welcher der Querschnitt gemäß 5 und 1 vorliegt. In Richtung der mit 32 bezeichneten Bolzenebene verändert sich der Querschnitt ab einer Stelle 34, die etwa 37,5° vor der Bolzenebene 32 liegt, in Richtung des in 4 dargestellten Querschnitts. Dieser entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Querschnitt, wobei die Veränderungen gegenüber dem Ausgangsquerschnitt gemäß 5 noch ausgeprägter sind. Erfindungsgemäß liegt die größte Abweichung an der Stelle des Schnittes B-B gemäß 4 vor. Diese Stelle befindet sich im Wesentlichen im gezeigten Fall um 12,5° von der Bolzenebene 32 in Richtung der Druckseite (in 3 rechts) versetzt. Ausgehend von der Stelle B-B und in Richtung der Druck- und Gegendruckseite verändert sich der Querschnitt kontinuierlich zurück zu dem in 5 gezeigten Querschnitt. Dieser ist vollständig erreicht, sobald die Verbindungspunkte der Sehne bei 34 und 36 erreicht sind.
-
An der sogenannten Rückseite (gemäß 3 unten) ist dieselbe Gestaltung gewissermaßen spiegelverkehrt ausgebildet, so dass sich der Querschnitt gemäß 6 ergibt.
-
In 3 ist ergänzend zu erkennen, dass gemäß einer bevorzugten Maßnahme im Bereich der umfangreichsten Querschnittsabweichung, also an den Stellen B-B und C-C, der Kühlkanal an seiner radialen Innenseite einer Sehne 38 folgt. Hierbei befindet sich die Mitte der Sehne im Wesentlichen ebenfalls an der Stelle B-B bzw. C-C. Es sei noch erwähnt, dass die angegebenen Winkel beispielsweise für eine Höhe zwischen Kolbenboden und Kolbenbolzenachse von etwa 46 mm und einer Breite der Brennraummulde an der breitesten Stelle von etwa 52 mm sowie einer maximalen Tiefe von etwa 14 mm gelten. Hierbei hat sich ferner eine Fläche am Ausgangsquerschnitt gemäß 5 von etwa 34 mm2, und eine Fläche an der Stelle der maximalen Veränderung von etwa 35,8 mm2 als vorteilhaft erwiesen. Ein derartiger Kolben ist beispielsweise für einen Motor mit 2,0 1 Hubraum geeignet.
-
Zu den Merkmalen der nachfolgenden Patentansprüche 2 und 3 sei betont, dass diese von dem neuen Merkmal des Patentanspruchs 1, wonach die größte Querschnittsabweichung in Richtung der Druckseite versetzt ist, unabhängig ist. Mit anderen Worten ist als Gegenstand der Erfindung auch ein Kolben anzusehen, dessen Querschnitt kontinuierlich derart verändert ist, dass er an der Unterseite radial nach innen verbreitert ist, sowie ein Kolben, der bereichsweise an der radialen Innenseite einer Sekante folgt. Diese beiden Maßnahmen können jedoch miteinander sowie mit sämtlichen vorangehend und in den Ansprüchen beschriebenen Merkmalen, einzeln oder in Kombination, kombiniert werden.
