DE102021128787A1 - Pistons for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolben (100) für einen Verbrennungsmotor, umfassend ein Kühlsystem zur Kühlung des Kolbens (100), wobei das Kühlsystem einen Zufluss, einen Abfluss, einen Ringkanal (101), einen Zentralbereich (103) und Kühlungsspeichen (102) umfasst, wobei der Ringkanal (101) einen äußeren Abschluss des Kühlsystems bildet, wobei der Ringkanal (101) ringförmig um den Zentralbereich (103) angeordnet ist und die Kühlungsspeichen (102) jeweils in einer radialen Richtung den Ringkanal (101) mit dem Zentralbereich (103) fluidisch verbinden, wobei das Kühlsystem dazu ausgebildet ist, dass ein Fluid (300) über den Zufluss in das Kühlsystem einströmt, durch den Ringkanal (101), die Kühlungsspeichen (102) und den Zentralbereich (103) strömt und über den Abfluss aus dem Kühlsystem austritt, wobei der Ringkanal (101) in ein oberes Volumen (500) umfasst, wobei der Ringkanal (101) ein unteres Volumen (501) umfasst, wobei das Kühlsystem dazu ausgebildet ist, dass bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens (100) zumindest ein Teil des durch das Kühlsystem strömenden Fluids in das obere Volumen (500) gedrückt wird und dass bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens (100) zumindest ein Teil des durch das Kühlsystem strömenden Fluids (300) in das untere Volumen (501) gedrückt wird, wobei das untere Volumen (501) größer als oder gleich groß wie das obere Volumen (500) ist.The invention relates to a piston (100) for an internal combustion engine, comprising a cooling system for cooling the piston (100), the cooling system comprising an inflow, an outflow, an annular channel (101), a central area (103) and cooling spokes (102), wherein the ring channel (101) forms an outer closure of the cooling system, wherein the ring channel (101) is arranged in a ring around the central area (103) and the cooling spokes (102) each connect the ring channel (101) with the central area (103) in a radial direction connect fluidically, wherein the cooling system is designed so that a fluid (300) flows into the cooling system via the inflow, through the annular channel (101), the cooling spokes (102) and the central area (103) and flows out of the cooling system via the outflow exits, wherein the annular channel (101) comprises an upper volume (500), wherein the annular channel (101) comprises a lower volume (501), wherein the cooling system is designed such that when the piston (100) moves downwards, at least a part of the fluid flowing through the cooling system is pushed into the upper volume (500) and that when the piston (100) moves upwards, at least part of the fluid (300) flowing through the cooling system is pushed into the lower volume (501), the lower Volume (501) is greater than or equal to the upper volume (500).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Kolben werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um Kraftstoff zu verdichten und die bei der Verbrennung entstehende Energie in kinetische Energie umzuwandeln. Während des Betriebs wird der Kolben erwärmt. Aus
Demgegenüber liegt der vorliegenden Anmeldung die Aufgabe zugrunde, die Kühlleistung zu verbessern.In contrast, the object of the present application is to improve the cooling capacity.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a piston according to claim 1, a motor vehicle according to claim 7 and a method according to claim 8. Embodiments of the invention are given in the dependent claims.
Der Kolben umfasst ein Kühlsystem zur Kühlung des Kolbens. Das Kühlsystem umfasst einen Zufluss, einen Abfluss, einen Ringkanal, einen Zentralbereich und Kühlungsspeichen. Der Ringkanal bildet dabei einen äußeren Abschluss des Kühlsystems. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass der Ringkanal die übrigen Komponenten des Kühlsystems umringt. Es ist beispielsweise möglich, dass der Ringkanal auf einem geometrischen Kreis angeordnet ist und dass keine Komponente des Kühlsystems außerhalb dieses geometrischen Kreises angeordnet ist. Der Ringkanal ist ringförmig um den Zentralbereich angeordnet. Die Kühlungsspeichen verbinden jeweils in einer radialen Richtung den Ringkanal mit dem Zentralbereich fluidisch. Unter einer fluidischen Verbindung wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass ein Fluid zwischen den beiden verbundenen Bauteilen strömen kann. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Rohr oder eine Röhre handeln.The piston includes a cooling system for cooling the piston. The cooling system includes an inflow, an outflow, an annular channel, a central area and cooling spokes. The ring channel forms an outer closure of the cooling system. In the context of this description, this means in particular that the ring channel surrounds the other components of the cooling system. It is possible, for example, that the annular channel is arranged on a geometric circle and that no component of the cooling system is arranged outside of this geometric circle. The ring channel is arranged in a ring around the central area. The cooling spokes each fluidly connect the ring channel to the central area in a radial direction. In the context of this description, a fluidic connection is understood in particular to mean that a fluid can flow between the two connected components. It can be a pipe or tube, for example.
Das Kühlsystem ist dazu ausgebildet, dass ein Fluid, das beispielsweise ein Öl sein kann, über den Zufluss in das Kühlsystem einströmt, durch den Ringkanal, die Kühlungsspeichen und den Zentralbereich strömt und über den Abfluss aus dem Kühlsystem austritt. Dabei kann das Fluid, den Ringkanal, die Kühlungsspeichen und den Zentralbereich genau in der genannten Reihenfolge durchströmen oder aber auch in einer anderen Reihenfolge. Während das Fluid durch das Kühlsystem strömt, nimmt es Wärme auf. Nachdem es aus dem Kühlsystem ausgetreten ist, kann es die Wärme - beispielsweise in einem Wärmetauscher - abgeben und erneut durch das Kühlsystem fließen.The cooling system is designed so that a fluid, which can be oil, for example, flows into the cooling system via the inflow, flows through the annular channel, the cooling spokes and the central area and exits the cooling system via the outflow. The fluid can flow through the ring channel, the cooling spokes and the central area in exactly the order mentioned or in a different order. As the fluid flows through the cooling system, it absorbs heat. After exiting the cooling system, it can give up the heat - for example in a heat exchanger - and flow through the cooling system again.
Der Ringkanal umfasst ein oberes Volumen, das nach oben und zu den Seiten durch eine erste Wandung begrenzt ist. Außerdem umfasst der Ringkanal ein unteres Volumen, das nach unten und zu den Seiten durch eine zweite Wandung begrenzt ist. Dabei werden die Begriffe „oben“ und „unten“ im Rahmen dieser Beschreibung so verstanden, dass es die Lage beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Kolbens im Verbrennungsmotor betrifft. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch können das obere Volumen und das untere Volumen jeweils durch eine horizontale geometrische Ebene begrenzt sein. Unter einer geometrischen Ebene wird dabei eine Ebene verstanden, die lediglich der Definition der Volumina dient und nicht als Bauteil vorhanden sein muss. Dabei kann die Ebene, die das obere Volumen begrenzt an einem oberen Ende des Übergangs zwischen den Kühlungsspeichen und dem Ringkanal angeordnet sein. Die Ebene, die das untere Volumen begrenzt, kann an einem unteren Ende dieses Übergangs angeordnet sein.The annular channel comprises an upper volume which is delimited at the top and at the sides by a first wall. In addition, the annular channel comprises a lower volume which is delimited at the bottom and at the sides by a second wall. The terms “top” and “bottom” in this description are understood to mean the position when the piston is used as intended in the internal combustion engine. When used as intended, the upper volume and the lower volume can each be delimited by a horizontal geometric plane. A geometric plane is understood to be a plane that only serves to define the volumes and does not have to be present as a component. In this case, the plane that delimits the upper volume can be arranged at an upper end of the transition between the cooling spokes and the ring channel. The plane delimiting the lower volume may be located at a lower end of this transition.
Das Kühlsystem ist dazu ausgebildet, dass bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens zumindest ein Teil des durch das Kühlsystem strömenden Fluids in das obere Volumen gedrückt wird. Dies kann wegen der Trägheit des Fluids aufgrund der Bewegung des Kolbens erfolgen. Es ist insbesondere möglich, dass dabei das komplette obere Volumen mit dem Fluid gefüllt wird. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens wird zumindest ein Teil des Fluids in das untere Volumen gedrückt. Auch dies erfolgt wegen der Trägheit des Fluids aufgrund der Bewegung des Kolbens. Es ist insbesondere möglich, dass dabei das komplette untere Volumen mit dem Fluid gefüllt wird. Es ist auch möglich, dass das komplette durch das Kühlsystem strömende Fluid in das untere Volumen gedrückt wird.The cooling system is designed such that at least part of the fluid flowing through the cooling system is pressed into the upper volume when the piston moves downwards. This can occur due to the inertia of the fluid due to the movement of the piston. In particular, it is possible for the entire upper volume to be filled with the fluid. With an upward movement of the piston, at least part of the fluid is pushed into the lower volume. Again, this is due to the inertia of the fluid due to the movement of the piston. In particular, it is possible for the entire lower volume to be filled with the fluid. It is also possible that all of the fluid flowing through the cooling system is pushed into the lower volume.
Das untere Volumen ist dabei größer als oder gleich groß wie das obere Volumen. Dies führt dazu, dass bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in das untere Volumen mehr Fluid gedrückt wird als bei der Abwärtsbewegung in das obere Volumen gedrückt werden kann. Bei der Abwärtsbewegung strömt somit ein Teil des Fluids durch die Kühlungsspeichen in Richtung des Zentralbereichs. Dabei wird dieser Teil des Fluids an eine obere Wandung der Kühlungsspeichen gedrückt und nimmt somit weiter Wärme auf. Die Kühlwirkung wird somit verbessert. Aufgrund der üblicherweise relativ schnellen Geschwindigkeit des Kolbens, strömt der Teil des Fluids, der nicht in das obere Volumen gedrückt werden kann, mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit vom Ringkanal in die Kühlungsspeichen. Dies verbessert weiter die Kühlwirkung.The lower volume is greater than or equal to the upper volume. As a result, more fluid is pushed into the lower volume during the upward movement of the piston than can be pushed into the upper volume during the downward movement. During the downward movement, part of the fluid thus flows through the cooling spokes in the direction of the central area. This part of the fluid is pressed against an upper wall of the cooling spokes and thus continues to absorb heat. The cooling effect is thus improved. Due to the usually relatively fast speed of the piston, the part of the fluid that cannot be pushed into the upper volume flows from the annular channel into the cooling spokes at a relatively high flow rate. This further improves the cooling effect.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Zentralbereich durch die Kühlungsspeichen, eine obere Wandung und eine untere Wandung begrenzt sein. Die untere Wandung kann eine Durchführung aufweisen, über die der Zentralbereich mit dem Abfluss verbunden ist. Die obere Wandung und/oder die untere Wandung kann frei von Vorsprüngen, Fortsätzen und/oder Hinterschneidungen sein. Dies verbessert die Strömung des Fluids im Zentralbereich. Dies unterscheidet diese Ausführungsform insbesondere von dem in
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Zufluss in den Ringkanal münden. Insbesondere kann der Zufluss in das untere Volumen münden.According to one embodiment of the invention, the inflow can open into the ring channel. In particular, the inflow can open into the lower volume.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können der Zentralbereich und der Ringkanal konzentrisch angeordnet sein.According to one embodiment of the invention, the central area and the ring channel can be arranged concentrically.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die erste Wandung und die zweite Wandung jeweils in Wandungen der Kühlungsspeichen übergehen. Der Übergang kann insbesondere direkt, also ohne einen dazwischen angeordneten Abschnitt oder ein dazwischen angeordnetes Bauteil, ausgebildet sein.According to one embodiment of the invention, the first wall and the second wall can each merge into walls of the cooling spokes. The transition can in particular be formed directly, that is to say without a section arranged in between or a component arranged in between.
Der Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 6 umfasst einen Kolben nach einer Ausführungsform der Erfindung und einen Zylinder. Der Kolben ist dabei im Zylinder angeordnet.The internal combustion engine according to claim 6 comprises a piston according to an embodiment of the invention and a cylinder. The piston is arranged in the cylinder.
Das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 7 umfasst einen Verbrennungsmotor nach einer Ausführungsform der Erfindung.The motor vehicle according to claim 7 comprises an internal combustion engine according to an embodiment of the invention.
Beim Verfahren gemäß Anspruch 8 wird der Kolben nach einer Ausführungsform der Erfindung im Zylinder auf- und abbewegt. Das Fluid strömt über den Zufluss in das Kühlsystem ein, durch den Ringkanal, die Kühlungsspeichen und den Zentralbereich. Über den Abfluss tritt das Fluid aus dem Kühlsystem aus. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens wird zumindest ein Teil des durch das Kühlsystem strömenden Fluids in das obere Volumen gedrückt. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens wird ein Teil des durch das Kühlsystem strömenden Fluids in das untere Volumen gedrückt. Es ist möglich, dass beim Verfahren Merkmale vorgesehen sind, die weiter oben in dieser Beschreibung mit Bezug auf den Kolben beschrieben sind.In the method according to claim 8, according to one embodiment of the invention, the piston is moved up and down in the cylinder. The fluid flows into the cooling system via the inflow, through the ring channel, the cooling spokes and the central area. The fluid exits the cooling system via the drain. As the piston moves downward, at least a portion of the fluid flowing through the cooling system is forced into the upper volume. As the piston moves up, some of the fluid flowing through the cooling system is pushed into the lower volume. It is possible for the method to include features that are described earlier in this specification with reference to the piston.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Fluid bei der Abwärtsbewegung über den Zufluss in das Kühlsystem einströmen. Es ist anzumerken, dass in bestimmten zeitlichen Bereichen das Fluid aufgrund der Trägheit auch bei der Aufwärtsbewegung über den Zufluss einströmt, wenn ein Ölstrahl schneller als der Kolben ist. Somit ist eine Abhängigkeit der Strömung in Bezug auf die Relation von Fließgeschwindigkeit Öhlstrahl und Kolbengeschwindigkeit gegeben.According to one embodiment of the invention, the fluid can flow into the cooling system via the inflow during the downward movement. It should be noted that in certain time ranges, due to inertia, the fluid also flows in via the inflow during the upward movement when an oil jet is faster than the piston. Thus, there is a dependence of the flow in relation to the flow rate of the oil jet and the piston speed.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Fluid bei der Aufwärtsbewegung über den Abfluss aus dem Kühlsystem austreten.According to one embodiment of the invention, the fluid can exit the cooling system via the drain during the upward movement.
Physikalisch betrachtet gibt es selbstverständlich auch während der Aufwärtsbewegung Phasen in denen Öl nach oben gedrückt wird. Die Bewegung des Öls wird durch Trägheitskräfte erzeugt, die durch die Kolbenbewegung entstehen. Der Verlauf der Kolbenbeschleunigung bestimmt daher die Lage des Öls.From a physical point of view, there are of course phases during the upward movement in which oil is pushed upwards. The movement of the oil is created by inertial forces created by the piston movement. The course of the piston acceleration therefore determines the position of the oil.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Merkmale sowie für Merkmale mit gleichen oder ähnlichen Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht durch einen Kolben; -
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines teilweise durchsichtig dargestellten Kolbens nach einer Ausführungsform der Erfindung; -
3 eine schematische Schnittansicht durch ein Kühlsystem eines Kolbens während einer Abwärtsbewegung des Kolbens; -
4 eine schematische Schnittansicht durch das Kühlsystem aus3 während einer Aufwärtsbewegung des Kolbens; und -
5 eine schematische Schnittansicht durch einen Ringkanal eines Kolbens nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 a schematic sectional view through a piston; -
2 a schematic perspective view of a piston shown partially in phantom according to an embodiment of the invention; -
3 a schematic sectional view through a cooling system of a piston during a downward movement of the piston; -
4 a schematic sectional view through the cooling system3 during an upward movement of the piston; and -
5 a schematic sectional view through an annular channel of a piston according to an embodiment of the invention.
Der Kolben 100 umfasst ein Kühlsystem mit einem Ringkanal 101, Kühlungsspeichen 102 und einem Zentralbereich 103. Dabei stellt der Ringkanal 101 eine äußere Begrenzung des Kühlsystems dar. Die Kühlungsspeichen 102 erstrecken sich, ausgehend vom Ringkanal 101, radial nach innen bis zum Zentralbereich 103 und verbinden den Zentralbereich 103 fluidisch mit dem Ringkanal 101.The
Im Betrieb wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 100 ein Öl über einen Zufluss in den Ringkanal 101 gedrückt. Von dort strömt das Öl durch die Kühlungsspeichen 102 zum Zentralbereich 103. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 100 wird das Öl im Zentralbereich 103 nach unten gedrückt, wo sich der Abfluss befindet, sodass das Öl aus dem Abfluss austritt.During operation, when the
Während das Öl durch das Kühlsystem strömt, nimmt es Wärme vom Kolben auf. Nachdem es aus dem Abfluss ausgetreten ist, kann es die Wärme, beispielsweise in einem Wärmetauscher, abgeben und wieder dazu verwendet werden, Wärme aus dem Kolben 100 abzuführen.As the oil flows through the cooling system, it absorbs heat from the piston. After exiting the drain, it can reject the heat, for example in a heat exchanger, and be used again to remove heat from the
In
In
Da im unteren Volumen 501 mehr Fluid 300 aufgenommen werden kann als im oberen Volumen 500, kann ein Teil des Fluids 300 bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 100 nicht im oberen Volumen 500 aufgenommen werden. Dieser Teil strömt entlang der Oberseite der Kühlungsspeichen 102 und nimmt weiter Wärme auf, wodurch sich die Kühlungswirkung des Kühlsystems verbessert. Zudem strömt dieser Teil des Fluids 300 relativ schnell über die Kante zwischen dem oberen Volumen 500 und den Kühlungsspeichen 102. Dies hat ebenfalls einen kühlenden Effekt zur Folge.Since more fluid 300 can be accommodated in the
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- DE 3832022 C1 [0002, 0010]DE 3832022 C1 [0002, 0010]
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