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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Kolben ist aus der
DE 10 2004 043 720 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Kolben weist einen Kolbenboden, wenigstens einen in dem Kolbenboden verlaufenden und von Öl durchströmbaren Kühlkanal, welcher in Umfangsrichtung des Kolbens zumindest teilweise umläuft, und zumindest eine in den Kühlkanal mündende Eintrittsöffnung auf, in welche von einer Ölspritze der Verbrennungskraftmaschine ausgespritztes Öl einspritzbar ist, wodurch das Öl dem Kühlkanal zuführbar ist.
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Des Weiteren offenbart die
EP 3 242 008 B1 einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kolben einen Körper, der ein Kolbenbolzenauge zum Einsetzen eines Kolbenbolzens in dasselbe und einen Mantel, der einer Zylinderwand entspricht, umfasst, und einen Kühlkanal aufweist, der in dem Körper bereitgestellt wird, um zu ermöglichen, dass ein Kühlmittel zum Kühlen des Körpers durch denselben strömt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, sodass der Kolben besonders vorteilhaft gekühlt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Kolben der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, sodass der Kolben besonders vorteilhaft gekühlt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Eintrittsöffnung in radialer Richtung des Kolbens, insbesondere nach innen, versetzt zu dem Kühlkanal angeordnet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist eine in Längsrichtung der Eintrittsöffnung verlaufende Mittelachse der Eintrittsöffnung in der radialen Richtung des Kolbens versetzt zu einer zweiten Mittelachse des Kühlkanals angeordnet, wobei die Mittelachse und die zweite Mittelachse vorzugsweise in einer axialen Richtung des Kolbens verlaufen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt liegt die Eintrittsöffnung seitlich versetzt zu dem Kühlkanal. Die Eintrittsöffnung kann insbesondere als Einlassöffnung bezeichnet werden.
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In einem vollständig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ist der Kolben beispielsweise translatorisch bewegbar in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine aufgenommen. Der Kolben ist gelenkig mit einem Pleuel der Verbrennungskraftmaschine verbunden, wobei das Pleuel über einen Kolbenbolzen mit einer Kolbennabe des Kolbens gelenkig verbunden und um eine Drehachse des Kolbenbolzens relativ zu dem Kolben verdrehbar ist. Mittels des Pleuels kann eine translatorische in Richtung einer Zylinderhochachse des Zylinders verlaufende Bewegung des Kolbens in eine rotatorische Bewegung beziehungsweise Drehung einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine umgewandelt werden.
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Der Kühlkanal kann insbesondere als Kolbenkühlkanal bezeichnet werden. Mittels des den Kühlkanal durchströmenden Öls kann der Kolben, insbesondere der Kolbenboden, gekühlt werden. Das von der Ölspritze ausgespritzte Öl kann insbesondere als Ölstrahl bezeichnet werden.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Bei einem herkömmlichen Kolben weist der öldurchflossene Kühlkanal, welchem das Öl mittels der insbesondere als Kolbenspritze bezeichneten Ölspritze zugeführt wird, einen besonders geringen Füllgrad beziehungsweise Fanggrad an Öl auf. Dadurch kann der Kühlkanal von dem Öl lediglich mit einem besonders geringen Massenstrom durchströmt werden, wodurch der Kolben, insbesondere der Kolbenboden, suboptimal beziehungsweise besonders gering gekühlt werden kann. Dadurch können insbesondere als Kolbentemperaturen bezeichnete Temperaturen des Kolbens, insbesondere des Kolbenbodens, besonders hoch sein. Zudem kann ein Mehrbedarf an Öl zur insbesondere als Kolbenkühlung bezeichneten Kühlung des Kolbens erforderlich sein, was bedeutet, dass die insbesondere als Ölspritzdüse bezeichnete Ölspritze einen besonders hohen Durchsatz an Öl aufweist. Dadurch kann eine Förderleistung einer Ölpumpe, mittels welcher das Öl der Ölspritze zugeführt werden kann, und somit eine Antriebsleistung der Ölpumpe besonders hoch sein. Bei einem herkömmlichen Kolben kann die Einlassöffnung in der Zylinderhochrichtung besonders lang ausgeführt sein, um einen Abstand der Einlassöffnung zur Ölspritze besonders zu verkürzen und ein Rückfließen des Öls aus der Einlassöffnung in Richtung der Ölspritze besonders zu erschweren. Allerdings geht dies zu Lasten eines besonders hohen, insbesondere als Kolbengewicht bezeichneten, Gewicht des Kolbens. Des Weiteren erfolgt bei einem herkömmlichen Kolben keine strömungsgünstige Umlenkung des Ölstrahls in den Kühlkanal, sodass der in die Einlassöffnung eintretende Ölstrahl nahezu zentral, insbesondere in einem 90 Grad Winkel, auf eine Kühlkanalwand des Kühlkanals auftreffen kann. Dadurch kann das Öl an der Kühlkanalwand entgegen einer Förderrichtung des Öls reflektiert werden. Dies kann ein Nachfließen des Öls erschweren, wodurch das Öl durch die Einlassöffnung hindurch zurück in Richtung der Ölspritze und somit wieder außerhalb des Kolbens gelangen kann. Die Strömung in dem Kühlkanal kann deshalb besonders chaotisch sein. Unter der Förderrichtung kann insbesondere eine Spritzrichtung des die Ölspritze verlassenden Ölstrahls oder eine Strömungsrichtung des Öls in dem Kühlkanal verstanden werden. Des Weiteren kann bei einem herkömmlichen Kolben in einem Auftreffbereich ein Strahlteiler vorhanden sein, um den Ölstrahl bei einem auftreffen auf den Auftreffbereich zumindest teilweise in Richtung des umlaufenden Kühlkanals abzulenken. Beispielsweise kann die Kühlkanalwand als der Auftreffbereich ausgebildet sein oder der Auftreffbereich kann in der Einlassöffnung angeordnet sein. Aufgabe des Strahlteilers ist es, den Ölstrahl zu teilen und ein Rückprallen des Öls besonders zu reduzieren. Dies kann jedoch nur besonders begrenzt möglich sein, um einen Querschnitt der Einlassöffnung beziehungsweise des Kühlkanals nicht zu stark zu verengen und/oder da bei einer Fertigung des Kolbens, insbesondere des Kühlkanals, mittels Guss erforderliche Konturen sich nicht beziehungsweise besonders schlecht abbilden lassen können. Daher kann ein Großteil des Ölstrahls dennoch nahe an dem Winkel von 90 Grad auf die Kühlkanalwand auftreffen, wodurch der Füllgrad beziehungsweise der Fanggrad besonders gering sein kann.
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Demgegenüber kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben, bei welchem die Eintrittsöffnung in radialer Richtung des Kolbens versetzt zu dem Kühlkanal angeordnet ist, das in die Eintrittsöffnung eingespritzte Öl besonders vorteilhaft und besonders strömungsgünstig dem Kühlkanal zugeführt werden. Dadurch kann der Fanggrad und der Füllgrad des Öls in dem Kühlkanal besonders erhöht und somit besonders verbessert werden. Somit kann eine Durchströmung des Kühlkanals mit dem Öl besonders erhöht werden, wodurch die Kühlung des Kolbens besonders erhöht werden kann und besonders effizient sein kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens;
- 2 eine schematische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Schnittebene, welche in axialer Richtung des Kolbens und senkrecht zu der Teilschnittansicht der 1 verläuft;
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines Salzkerns zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens mittels Guss; und
- 4 eine schematische Unteransicht eines Salzkerns zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens mittels Guss.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Teilschnittansicht eines Kolbens 10 für eine Verbrennungskraftmaschine und 2 zeigt eine schematische Teilschnittansicht des Kolbens 10 in einer Schnittebene, welche in axialer Richtung 12 des Kolbens 10 und senkrecht zu der Teilschnittansicht der 1 verläuft. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Zylinder auf, in welchem in vollständig hergestelltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine der Kolben 10 translatorisch in Richtung einer Zylinderhochachse des Zylinders bewegbar aufgenommen ist. Die Zylinderhochachse verläuft in Richtung der axialen Richtung 12 des Kolbens 10. Der Zylinder und der Kolben 10 begrenzen einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine teilweise. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt und einen von einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt. Im Brennraum finden insbesondere als Verbrennung bezeichnete Verbrennungsvorgänge statt, wobei ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, woraus das Abgas der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Mittels einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug angetrieben werden, welches vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen ausgebildet ist.
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Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 14 und einen insbesondere als Kolbenhemd bezeichneten Kolbenschaft 16 auf. Der Kolben 10 umfasst eine Kolbenmulde 18, welche an einer Oberseite 20 des Kolbens 10 von dem Kolbenboden 14 gebildet ist. Der Kolben 10 weist wenigstens einen in dem Kolbenboden 14 verlaufenden und von Öl durchströmbaren Kühlkanal 22 auf, welcher in Umfangsrichtung des Kolbens 10 zumindest teilweise umläuft. Mittels des den Kühlkanal 22 durchströmenden Öls kann der Kolben 10, insbesondere der Kolbenboden 14 gekühlt werden. Der Kolben 10 umfasst zumindest eine in den Kühlkanal 22 mündende Eintrittsöffnung 24, in welche von einer Ölspritze der Verbrennungskraftmaschine ausgespritztes Öl einspritzbar ist, wodurch das Öl dem Kühlkanal 22 zuführbar ist. Das von der Ölspritze ausgespritzte Öl kann insbesondere als Ölstrahl bezeichnet werden. Der Kolben 10 weist drei Ringnuten 26 auf, in welchen Kolbenringe angeordnet werden können. Mittels der Kolbenringe kann eine Abdichtung des Brennraums gegenüber einem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Zudem kann über die Kolbenringe Wärme des Kolbens 10 abgeführt werden, wodurch der Kolben 10, insbesondere der Kolbenschaft 16, gekühlt werden kann.
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Um den Kolben 10 besonders vorteilhaft kühlen zu können, ist die Eintrittsöffnung 24 in radialer Richtung des Kolbens 10 nach innen versetzt zu dem Kühlkanal 22 angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt ist eine in axialer Richtung 12 des Kolbens 10 verlaufende Mittelachse 28 der Eintrittsöffnung 24 versetzt zu einer in der axialen Richtung 12 verlaufenden, zweiten Mittelachse 29 des Kühlkanals 22. Dadurch kann das in die Eintrittsöffnung 24 eingespritzte Öl besonders vorteilhaft dem Kühlkanal 22 zugeführt werden, wodurch ein Füllgrad beziehungsweise ein Fanggrad des Öls in dem Kühlkanal 22 besonders hoch ist. Dadurch kann der Kühlkanal 22 besonders vorteilhaft und mit einem besonders hohen Massenstrom von dem Öl durchströmt werden, wodurch der Kolben 10, insbesondere der Kolbenboden 14, besonders vorteilhaft gekühlt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung 24 in axialer Richtung 12 des Kolbens 10 nach oben hin durch eine Prallfläche 30 überlappt, gegen welche das in die Eintrittsöffnung 24 eingespritzte Öl direkt zu spritzen ist, welches mittels der Prallfläche 30 in radialer Richtung des Kolbens 10 und/oder schräg zur radialen Richtung des Kolbens 10 nach außen hin umlenkbar und dadurch zu wenigstens einer den Kühlkanal 22 in radialer Richtung des Kolbens 10 nach außen hin direkt begrenzenden Rückwand 32 führbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt trifft das in einer Spritzrichtung, welche mittels ersten Pfeilen 34 veranschaulicht ist, in die Eintrittsöffnung 24 eingespritzte Öl auf die Prallfläche 30, welche so stark geneigt oder gekrümmt ist, dass das auf die Prallfläche 30 auftreffende Öl in der radialen Richtung und/oder schräg zu der radialen Richtung nach außen und somit weg von der Eintrittsöffnung 24 umgelenkt und zur Rückwand 32 geführt wird, was insbesondere als erste Umlenkung bezeichnet wird und mittels zweiten Pfeilen 36 skizziert ist. Dadurch wird das Öl von der Prallfläche 30 in einer zu der Spritzrichtung verschiedenen Umlenkrichtung reflektiert, wodurch zumindest ein überwiegender Teil, insbesondere ein vollständiger Teil des Öls in dem Kolben 10 verbleibt und somit den Kolben 10 nicht über die Eintrittsöffnung 24 verlässt. Mittels der Rückwand 32 ist das zu der Rückwand 32 geführte und dadurch auf die Rückwand 32 auftreffende Öl in Umfangsrichtung des Kolbens 10 umlenkbar und dadurch in sich in Umfangsrichtung des Kolbens 10 beidseitig an die Eintrittsöffnung 24 anschließende Längenbereiche 38a, b des Kühlkanals 22 einleitbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt wird das auf die Rückwand 32 auftreffende Öl von der Rückwand 32 umgelenkt, was insbesondere als zweite Umlenkung bezeichnet wird, und somit von der Rückwand 32 in Umfangsrichtung des Kolbens 10 oder schräg zu der Umfangsrichtung geführt, was mittels dritten Pfeilen 39 veranschaulicht ist, wodurch das Öl den Längenbereichen 38a, b zugeführt werden kann. Die erste Umlenkung des Öls mittels der Prallfläche 30 und/oder die zweite Umlenkung des Öls mittels der Rückwand 32 kann besonders wenig abrupt und damit besonders strömungsgünstig erfolgen, wodurch der Füllgrad beziehungsweise der Fanggrad des Kühlkanals 22 an Öl besonders erhöht werden kann. Bei der zweiten Umlenkung kann das Öl mittels der Rückwand 32 in eine Rotationsbewegung versetzt werden, wodurch ein Durchfluss des Öls in dem Kühlkanal 22 besonders erhöht werden kann. Die Spritzrichtung des Öls entspricht vorzugsweise der axialen Richtung 12 des Kolbens 10. Die Prallfläche 30 kann mit einer insbesondere als Dachschräge bezeichneten Schräge ausgeführt sein, um das Öl zusätzlich zu der radialen Richtung in Umfangsrichtung und somit in Richtung seitlicher Abgänge der Längenbereiche 38a, b umzulenken.
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In weiterer Ausgestaltung weist die Rückwand 32 zwei gegensinnig verlaufende Schrauben 40 oder Spiralen auf, mittels welchen das Öl in die Längenbereiche 38a, b einleitbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Rückwand 32 zumindest teilweise schraubenförmig oder spiralförmig ausgeführt, wodurch das Öl in einer schraubenförmigen beziehungsweise spiralförmigen Strömungsrichtung den Längenbereichen 38a, b zuführbar ist. Dadurch weist das Öl einen Drall auf, wodurch der Durchfluss des Öls in dem Kühlkanal 22, insbesondere in den Längenbereichen 38a, b, besonders erhöht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Rückwand 32 einen Strahlteiler 42 auf, mittels welchem das zu der Rückwand 32 geführte Öl in eine einem ersten der Längenbereiche 38a zuzuführende, erste Teilmenge und in eine einem zweiten der Längenbereiche 38b zuzuführende zweite Teilmenge aufteilbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Rückwand 32 als Strahlteiler 42 ausgeführt, mittels welchem die erste Teilmenge des auf die Rückwand 32 auftreffenden Öls in den ersten Längenbereich 38a führbar ist und die von der ersten Teilmenge verschiedene, zweite Teilmenge des auf die Rückwand 32 auftreffenden Öls in den zweiten Längenbereich 38b führbar ist. Dadurch kann das Öl bedarfsgerecht, insbesondere gleichmäßig, auf die Längenbereiche 38a, b aufgeteilt werden, wodurch der Kolben 10, insbesondere der Kolbenboden 14, besonders vorteilhaft gekühlt werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung verläuft die Prallfläche 30 schräg zur axialen Richtung 12 des Kolbens 10. Mit anderen Worten ausgedrückt ist eine Längserstreckungsrichtung und/oder eine Quererstreckungsrichtung der Prallfläche 30 schräg zur axialen Richtung 12 ausgeführt. Dadurch kann das auf die Prallfläche 30 auftreffende Öl besonders vorteilhaft umgelenkt werden, wodurch der Fanggrad und der Füllgrad des Kühlkanals 22 besonders erhöht werden können.
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Vorzugsweise weist die Eintrittsöffnung 24, insbesondere außen, einen Fangtrichter auf. Mittels des Fangtrichters kann der Ölstrahl, insbesondere ein aufgefächerter Ölstrahl, durch die Eintrittsöffnung 24, welche besonders eng sein kann, geleitet werden. Mittels des Fangtrichters kann besonders viel des von der Ölspritze ausgespritzten Öls aufgefangen werden, wobei durch die besonders eng ausgeführte Eintrittsöffnung 24 besonders wenig Öl über die Eintrittsöffnung 24 nach außen gelangen und somit den Kolben 10 verlassen kann.
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Vorzugsweise wird der Kolben 10 mittels Gießen hergestellt. 3 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Salzkern 44, mittels welchem der Kolben 10, insbesondere der Kühlkanal 22 und die Eintrittsöffnung 24, mittels Gießen hergestellt werden kann. 4 zeigt den Salzkern 44 in einer schematischen Unteransicht. Der Salzkern 44 ist in den 3 und 4 hohl dargestellt. Der Salzkern 44 kann insbesondere als Gießkern bezeichnet werden und kann bei einer Herstellung des Kolbens 10 mittels Guss als Platzhalter für Hohlräume in dem Kolben 10, insbesondere der Kühlkanal 22 oder die Eintrittsöffnung 24, in eine Gießform eingesetzt werden. Der Salzkern 44 weist somit Negativgeometrien, insbesondere eine Kühlkanalnegativgeometrie 22a und eine Eintrittsöffnungsnegativgeometrie 24a, auf. Mittels des Salzkerns 44 kann der Kolben 10 besonders vorteilhaft und besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 12
- axiale Richtung
- 14
- Kolbenboden
- 16
- Kolbenschaft
- 18
- Kolbenmulde
- 20
- Oberseite
- 22
- Kühlkanal
- 22a
- Kühlkanalnegativgeometrie
- 24
- Eintrittsöffnung
- 24a
- Eintrittsöffnungsnegativgeometrie
- 26
- Ringnuten
- 28
- Mittelachse
- 29
- zweite Mittelachse
- 30
- Prallfläche
- 32
- Rückwand
- 34
- erste Pfeile
- 36
- zweite Pfeile
- 38a
- erster Längenbereich
- 38b
- zweiter Längenbereich
- 39
- dritte Pfeile
- 40
- Schrauben
- 42
- Strahlteiler
- 44
- Salzkern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004043720 A1 [0002]
- EP 3242008 B1 [0003]
