DE102021128790A1 - Piston assembly for an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkörper (6), der zumindest einen Kolbenboden (8), eine Ringpartie (10) und eine zylindrische Kolbenwand (12) aufweist, wobei der Kolbenkörper (6) im Bereich des Kolbenbodens (8) und der Ringpartie (10) eine Kühlkanalanordnung (16) aufweist, die einen am äußeren Umfang angeordneten Kühlringkanal (18) und hiervon in radialer Richtung zu einem Kühlmittelpunkt (20) verlaufende Kühlquerkanäle (22) aufweist, wobei mindestens eine Kühlmittelzuführöffnung (26) fluidisch verbunden mit dem Kühlringkanal (18) und eine Kühlmittelabführöffnung (28) fluidisch verbunden mit dem Kühlmittelpunkt (20) vorgesehen sind, wobei die Kühlquerkanäle (22) in Richtung des Kühlmittelpunktes (20) einen sich vergrößernden Querschnitt aufweisen.Piston arrangement for an internal combustion engine, with a piston body (6) which has at least one piston head (8), a ring part (10) and a cylindrical piston wall (12), the piston body (6) in the area of the piston head (8) and the ring part (10) has a cooling channel arrangement (16), which has a cooling ring channel (18) arranged on the outer circumference and cooling transverse channels (22) running from it in the radial direction to a coolant point (20), with at least one coolant supply opening (26) fluidically connected to the cooling ring channel (18) and a coolant discharge opening (28) fluidically connected to the coolant point (20), the coolant transverse channels (22) having an increasing cross-section in the direction of the coolant point (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkörper der zumindest einen Kolbenboden, eine Ringpartie und eine zylindrische Kolbenwand aufweist, wobei der Kolbenkörper im Bereich des Kolbenbodens und der Ringpartie eine Kühlkanalanordnung aufweist, die einen am äußeren Umfang angeordneten Kühlringkanal und hiervon in radialer Richtung zu einem Kühlmittelpunkt verlaufende Kühlquerkanäle aufweist, wobei mindestens eine Kühlmittelzuführöffnung fluidisch verbunden mit dem Kühlringkanal und eine Kühlmittelabführöffnung fluidisch verbunden mit dem Kühlmittelpunkt vorgesehen sind.The invention relates to a piston arrangement for an internal combustion engine, with a piston body which has at least one piston head, a ring part and a cylindrical piston wall, the piston body having a cooling channel arrangement in the area of the piston head and the ring part, which has a cooling ring channel arranged on the outer circumference and from there in a radial direction Direction to a coolant point running cooling transverse channels, wherein at least one coolant supply opening fluidically connected to the cooling ring channel and a coolant discharge opening fluidically connected to the coolant point are provided.

Derartige Kolbenanordnungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 34 44 661 A1 eine derartige gattungsgemäße Kolbenanordnung. Diese Kolbenanordnung ist auf bekannte Weise in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Der Kolbenkörper dieser Kolbenanordnung bewegt sich auf Grund einer explosionsartigen Verbrennung eines Brennstoffgemisches im Brennraum nach unten in Richtung eines unteren Totpunktes. Hierdurch wird wiederum eine im Kolbenkörper gelagerte Pleuelstange in eine Rotationsbewegung versetzt. Der Kolbenboden des Kolbenkörpers ist hierbei einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Um diese thermische Belastung einzuschränken, ist eine Kühlkanalanordnung vorgesehen, die einen am äußeren Umfang angeordneten Kühlringkanal und hiervon in radialer Richtung zu einem Kühlmittelpunkt verlaufende Kühlquerkanäle aufweist. Durch eine derartige Kühlkanalanordnung soll eine besonders gleichmäßige Kühlung des Kolbenbodens gewährleistet werden. Es hat sich aber nun herausgestellt, dass insbesondere die im Bereich der Kolbenquerkanäle vorhandene Kolbenbodenfläche noch stets einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, was sich negativ auf die Lebensdauer der Kolbenanordnung auswirkt.Such piston assemblies are well known from the prior art. This is how the German Offenlegungsschrift describes DE 34 44 661 A1 such a generic piston assembly. This piston arrangement is provided in a known manner in a combustion chamber of an internal combustion engine. Due to explosive combustion of a fuel mixture in the combustion chamber, the piston body of this piston arrangement moves downwards in the direction of a bottom dead center. As a result, a connecting rod mounted in the piston body is set in rotation. The piston crown of the piston body is exposed to high thermal stress. In order to limit this thermal load, a cooling channel arrangement is provided which has a cooling ring channel arranged on the outer circumference and cooling transverse channels running from it in the radial direction to a coolant point. Such a cooling channel arrangement is intended to ensure particularly uniform cooling of the piston crown. However, it has now been found that in particular the piston crown surface present in the area of the transverse piston passages is still always exposed to a very high thermal load, which has a negative effect on the service life of the piston arrangement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den oben genannten Nachteil auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.It is therefore the object of the present invention to avoid the disadvantage mentioned above in a simple and inexpensive manner.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Bereich des Kühlmittelpunktes ein zum Kolbenboden gerichteter Zusatzkühlmittelraum vorgesehen ist, der fluidisch mit dem Kühlmittelpunkt verbunden ist. Hierdurch wird im Bereich der betroffenen Kühlbodenfläche der Kühlmitteldurchsatz erhöht. Zudem verringert sich hierdurch die Wandstärke des Kolbenbodens, wodurch eine verbesserte Wärmeabfuhr gewährleistet ist.This object is achieved in that in the region of the coolant point, an additional coolant space is provided which is directed toward the piston head and is fluidically connected to the coolant point. As a result, the coolant throughput is increased in the area of the affected cooling base surface. This also reduces the wall thickness of the piston crown, which ensures improved heat dissipation.

Ein besonders effizienter Wärmeaustausch wird dadurch gewährleistet, dass ein Durchmesser D1 des Zusatzkühlmittelraumes kleiner 50% eines Durchmesser D2 des Kolbenbodens entspricht, insbesondere kleiner 30 %.A particularly efficient heat exchange is ensured in that a diameter D 1 of the additional coolant space corresponds to less than 50% of a diameter D 2 of the piston crown, in particular less than 30%.

Der Zusatzkühlmittelraum kann in vorteilhafter Weise einer Ellipsoidenhälfte entsprechen, dessen Äquatorhalbachsen in radialer Richtung der Ringpartie verlaufen.The additional coolant space can advantageously correspond to an ellipsoid half whose semi-equatorial axes run in the radial direction of the annular part.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die Kühlquerkanäle in Richtung des Kühlmittelpunktes einen sich vergrößernden Querschnitt auf, wodurch die Kühlung des Kolbenbodens noch effizienter gestaltet ist. Hierbei können die Kühlquerkanäle kegelförmig ausgebildet sein. Hierdurch ist eine besonders einfache Herstellung der Kühlquerkanäle mit sich vergrößerndem Durchmesser möglich.In a particularly advantageous embodiment, the transverse cooling channels have an increasing cross-section in the direction of the coolant point, as a result of which the cooling of the piston head is made even more efficient. Here, the transverse cooling channels can be conical. As a result, it is possible to produce the transverse cooling channels with an increasing diameter in a particularly simple manner.

Auf vorteilhafte Weise ist die Kühlmittelzuführung in einem Abzweigpunkt eines Kühlquerkanals des Kühlringkanals vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, sowohl den Kühlringkanal als auch einen Kühlquerkanal und damit auch die besonders gefährdete Kolbenbodenfläche direkt zu kühlen.The coolant supply is advantageously provided in a branching point of a transverse cooling channel of the annular cooling channel. This makes it possible to directly cool both the cooling ring channel and a cooling transverse channel and thus also the piston crown area, which is particularly at risk.

Auf eine weitere vorteilhafte Weise ist die Kühlmittelzuführung in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Abzweigpunkte zweier Kühlquerkanäle des Kühlringkanals vorgesehen. Hierdurch ist es besonders vorteilhaft eine gleichverteilte Einströmung von Kühlmittel in die Kühlquerkanäle zu realisieren.In a further advantageous manner, the coolant supply is provided in an area between two adjacent branching points of two transverse cooling channels of the annular cooling channel. As a result, it is particularly advantageous to realize an evenly distributed inflow of coolant into the transverse cooling channels.

Um zu gewährleisten, dass ausreichend Kühlmittel in den Kühlringkanal strömt, ist im Abzweigpunkt der Durchmesser des Kühlquerkanals kleiner ausgebildet als der Durchmesser des Kühlringkanals.In order to ensure that sufficient coolant flows into the annular cooling channel, the diameter of the transverse cooling channel is designed to be smaller than the diameter of the annular cooling channel at the branching point.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:

  • 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung, und
  • 2 eine perspektivische Draufsicht auf eine Kühlkanalanordnung im Kolbenkörper der Kolbenanordnung aus 1.
The invention is explained in more detail with reference to a drawing, which shows:
  • 1 a sectional view of a piston assembly according to the invention, and
  • 2 a perspective top view of a cooling channel arrangement in the piston body of the piston arrangement 1 .

1 zeigt in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung 2 für einen nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotor. Auf bekannte Weise besitzt die Kolbenanordnung 2 eine Pleuellagerstelle 4 für eine nicht weiter dargestellte Pleuelstange. Des Weiteren weist die Kolbenanordnung 2 einen Kolbenkörper 6 auf, der im Wesentlichen aus einem Kolbenboden 8, einer Ringpartie 10 und einer zylindrischen Kolbenwand 12 aufgebaut ist. Die Ringpartie 10 mit Nuten 14 dient der Aufnahme von nicht weiter dargestellten Kolbenringen, um einen variablen Arbeitsraum abzugrenzen. 1 shows a sectional view of a piston assembly 2 according to the invention for an internal combustion engine not shown in detail. In a known manner, the piston assembly 2 has a connecting rod bearing 4 for a connecting rod, not shown in detail. Furthermore, the piston arrangement 2 has a piston body 6 which is composed essentially of a piston head 8 , a ring part 10 and a cylindrical piston wall 12 . The ring part 10 with grooves 14 is used Recording of piston rings, not shown, in order to delimit a variable working space.

Um den Kolbenkörper 6 zu kühlen und auf diese Weise die thermische Belastung zu begrenzen, ist eine Kühlkanalanordnung 16 vorgesehen. Diese Kühlkanalanordnung 16 besitzt (wie in 2 deutlicher dargestellt) im Bereich des Kolbenbodens 8 und der Ringpartie 10 einen am äußeren Umfang angeordneten Kühlringkanal 18 und hiervon in radialer Richtung zu einem Kühlmittelpunkt 20 verlaufende Kühlquerkanäle 22, von denen in 1 zwei dargestellt sind. Zudem weist die Kühlkanalanordnung 16 einen Zusatzkühlmittelraum 24 auf, der fluidisch mit dem Kühlmittelpunkt 20 und somit auch mit den Kühlquerkanälen 22 verbunden ist. Der Zusatzkühlmittelraum 24 weist hier einen Durchmesser D1 auf, der ca. 30% eines Durchmesser D2 des Kolbenbodens 8 entspricht. Der Zusatzkühlmittelraum 24 entspricht hierbei einer Ellipsoidenhälfte, dessen Äquatorhalbachsen in radialer Richtung der Ringpartie verlaufen.A cooling channel arrangement 16 is provided in order to cool the piston body 6 and in this way to limit the thermal load. This cooling channel arrangement 16 has (as in 2 shown more clearly) in the area of the piston head 8 and the ring section 10, a cooling ring duct 18 arranged on the outer circumference and cooling transverse ducts 22 running from it in the radial direction to a coolant point 20, of which in 1 two are shown. In addition, the cooling channel arrangement 16 has an additional coolant space 24 which is fluidically connected to the coolant point 20 and thus also to the transverse cooling channels 22 . The additional coolant space 24 here has a diameter D 1 which corresponds to approximately 30% of a diameter D 2 of the piston head 8 . The additional coolant chamber 24 corresponds here to an ellipsoid half whose semi-equatorial axes run in the radial direction of the annular part.

Die Kühlkanalanordnung 16 weist zudem im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kühlmittelzuführöffnung 26, eine Kühlmittelabführöffnung 28 und eine Fluidöffnung 29 auf, die ebenfalls im Bereich des Kühlmittelpunktes 20 gelegen sind, um Kühlöl, das von einem nicht weiter dargestellten Kurbelraum strömt, auf diese Weise in die Kühlkanalanordnung 16 und in den Zusatzkühlmittelraum 24 einzuführen beziehungsweise daraus abzuführen. 1 zeigt den dargestellten Kühlringkanal 18, die zwei Kühlquerkanäle 22 und im Zusatzkühlmittelraum 24 mit Kühlmittel während einer Abwärtsbewegung des Kolbenkörpers 6.In the present exemplary embodiment, the cooling duct arrangement 16 also has a coolant supply opening 26, a coolant discharge opening 28 and a fluid opening 29, which are also located in the region of the coolant point 20, in order in this way to allow cooling oil, which flows from a crankcase (not shown in detail), into the cooling duct arrangement 16 and to be introduced into or removed from the additional coolant space 24 . 1 shows the illustrated cooling ring channel 18, the two cooling transverse channels 22 and in the additional coolant space 24 with coolant during a downward movement of the piston body 6.

Wie deutlich in 1 zu erkennen ist, besitzen die Kühlquerkanäle 22 ausgehend vom Kühlringkanal 18 in Richtung des Kühlmittelpunktes 20 einen sich vergrößernden Querschnitt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die kegelförmige Ausbildung der Kühlquerkanäle 22 erreicht wird. Hierdurch wird zum einen erreicht, dass im Bereich, der am stärksten thermisch belasteten Kolbenbodenfläche eine größere Menge an Kühlmittel vorhanden ist und zudem hierdurch die Dicke des Kolbenbodens 8 verringert ist, wodurch ein verbesserter Wärmeaustausch stattfindet. Auch der Zusatzkühlmittelraum 24 führt zu einer weiteren Verringerung der Dicke des Kolbenbodens 8 und zur Möglichkeit einer größeren Menge von Kühlmittel im betroffenen Bereich des Kolbenbodens 8. Insbesondere die Befüllung des Zusatzkühlmittelraumes 24 findet durch die Förderung des Kühlmittels während der Abwärtsbewegung in Richtung eines unteren Totpunktes des Kolbenkörpers 6 statt. Das durch die Abwärtsbewegung in Richtung des Zusatzkühlmittelraumes 24 bewegte Kühlmittel ist in der 1 durch eine durchgezogene Linie mit darüber angeordneten gestrichelten Linien dargestellt.As evident in 1 As can be seen, the transverse cooling channels 22 have an increasing cross section, starting from the annular cooling channel 18 in the direction of the coolant point 20 , which is achieved in the present exemplary embodiment by the conical design of the transverse cooling channels 22 . As a result, on the one hand, there is a larger quantity of coolant in the area of the piston crown surface that is subjected to the greatest thermal stress, and the thickness of the piston crown 8 is also reduced as a result, as a result of which an improved heat exchange takes place. The additional coolant chamber 24 also leads to a further reduction in the thickness of the piston crown 8 and to the possibility of a larger quantity of coolant in the affected area of the piston crown 8. In particular, the filling of the additional coolant chamber 24 takes place through the conveyance of the coolant during the downward movement in the direction of a bottom dead center of the Piston body 6 instead. The moving through the downward movement in the direction of the additional coolant space 24 coolant is in the 1 represented by a solid line with dashed lines superimposed.

2 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht insbesondere die Kühlkanalanordnung 16 ohne den Kolbenboden 8 jedoch mit dem geschnittenen Zusatzkühlmittelraum 24. Deutlich zu erkennen ist hier der Kühlringkanal 18 von dem aus die kegelförmig ausgebildeten Kühlquerkanäle 22 radial in Richtung des Kühlmittelpunktes 20 abzweigen. Auch dargestellt ist hier, dass die Kühlmittelzuführöffnung 26 in einem Abzweigpunkt 30 von dem ein Kühlquerkanal 22 vom Kühlringkanal 18 abzweigt, vorgesehen ist. Wie deutlicher in 1 zu erkennen, ist der Durchmesser des Kühlquerkanals 22 im Abzweigpunkt 30 kleiner ausgebildet als der Durchmesser des Kühlringkanals 18. Hierdurch wird gewährleistet, dass ausreichend Kühlmittel in den Kühlringkanal 18 geführt wird. 2 shows in a perspective top view in particular the cooling channel arrangement 16 without the piston crown 8 but with the sectioned additional coolant chamber 24. The cooling ring channel 18 from which the conical cooling transverse channels 22 branch off radially in the direction of the coolant point 20 can be clearly seen here. It is also shown here that the coolant supply opening 26 is provided in a branching point 30 from which a transverse cooling channel 22 branches off from the cooling ring channel 18 . As more clearly in 1 As can be seen, the diameter of the transverse cooling channel 22 at the branch point 30 is smaller than the diameter of the annular cooling channel 18 . This ensures that sufficient coolant is guided into the annular cooling channel 18 .

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 3444661 A1 [0002]DE 3444661 A1 [0002]

Claims (8)

Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkörper (6), der zumindest einen Kolbenboden (8), eine Ringpartie (10) und eine zylindrische Kolbenwand (12) aufweist, wobei der Kolbenkörper (6) im Bereich des Kolbenbodens (8) und der Ringpartie (10) eine Kühlkanalanordnung (16) aufweist, die einen am äußeren Umfang angeordneten Kühlringkanal (18) und hiervon in radialer Richtung zu einem Kühlmittelpunkt (20) verlaufende Kühlquerkanäle (22) aufweist, wobei mindestens eine Kühlmittelzuführöffnung (26) fluidisch verbunden mit dem Kühlringkanal (18) und eine Kühlmittelabführöffnung (28) fluidisch verbunden mit dem Kühlmittelpunkt (20) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kühlmittelpunktes (20) ein zum Kolbenboden (8) gerichteter Zusatzkühlmittelraum (24) vorgesehen ist, der fluidisch mit dem Kühlmittelpunkt (20) verbunden ist.Piston arrangement for an internal combustion engine, with a piston body (6) which has at least one piston head (8), a ring part (10) and a cylindrical piston wall (12), the piston body (6) in the area of the piston head (8) and the ring part (10) has a cooling channel arrangement (16), which has a cooling ring channel (18) arranged on the outer circumference and cooling transverse channels (22) running from it in the radial direction to a coolant point (20), with at least one coolant supply opening (26) fluidically connected to the cooling ring channel (18) and a coolant discharge opening (28) are fluidically connected to the coolant point (20), characterized in that in the region of the coolant point (20) there is an additional coolant chamber (24) directed towards the piston crown (8) which is fluidically connected to the coolant point (20) is connected. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser D1 des Zusatzkühlmittelraumes (24) ca. 5% - 30% eines Durchmesser D2 des Kolbenbodens entspricht.piston arrangement claim 1 , characterized in that a diameter D 1 of the additional coolant space (24) corresponds to approximately 5% - 30% of a diameter D 2 of the piston crown. Kolbenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkühlmittelraum (24) einer Ellipsoidenhälfte entspricht, dessen Äquatorhalbachsen in radialer Richtung der Ringpartie (10) verlaufen.piston arrangement claim 1 or 2 , characterized in that the additional coolant space (24) corresponds to an ellipsoid half whose semi-equatorial axes run in the radial direction of the ring part (10). Kolbenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlquerkanäle (22) in Richtung des Kühlmittelpunktes (20) einen sich vergrößernden Querschnitt aufweisen.Piston arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transverse cooling channels (22) have an increasing cross-section in the direction of the coolant point (20). Kolbenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlquerkanäle (22) kegelförmig ausgebildet sind.piston arrangement claim 4 , characterized in that the transverse cooling channels (22) are conical. Kolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abzweigpunkt (30) der Durchmesser des Kühlquerkanals (22) kleiner ausgebildet ist als der Durchmesser des Kühlringkanals (18).piston arrangement claim 5 , characterized in that in a branching point (30) the diameter of the cooling transverse channel (22) is smaller than the diameter of the cooling ring channel (18). Kolbenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführöffnung (26) im Abzweigpunkt (30) eines Kühlquerkanals (22) des Kühlringkanals (18) vorgesehen ist.piston arrangement claim 6 , characterized in that the coolant supply opening (26) is provided in the branching point (30) of a cooling transverse channel (22) of the cooling ring channel (18). Kolbenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführung (26) in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Abzweigpunkte (30) zweier Kühlquerkanäle (22) des Kühlringkanals (18) vorgesehen ist.piston arrangement claim 6 , characterized in that the coolant supply (26) is provided in a region between two adjacent branching points (30) of two transverse cooling channels (22) of the annular cooling channel (18).
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