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Die Erfindung betrifft einen Kolben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit einer funktionsoptimierten Kolbenkühlung.
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Moderne Verbrennungsmotoren von Straßenfahrzeugen werden in Abhängigkeit der Fahrweise des Fahrers mitunter insbesondere thermisch sehr stark belastet. Daher gehören Kühlkanalkolben insbesondere bei Hochleistungsmotoren mittlerweile zum Stand der Technik. Diese besondere Form der Kolben weisen einen Kühlkanal, häufig in Form eines Ringkanals, auf, in dem Kühlöl zirkulieren kann, um somit die Temperatur des Kolbens zu senken. Das Kühlöl gelangt über einen Kühlölzulauf in den Kühlkanal und fließt über eine Kühlölablauf wieder aus diesem ab.
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Ein Kolben mit einer derartigen Kolbenkühlung ist in 1 dargestellt. Sie zeigt einen durch die schraffierte Fläche angedeuteten Schnitt durch einen Kolben 10 mit einem umlaufenden Ringkanal 22, in dem zur Kühlung des Kolbens 10 ein Kühlöl 30 zirkuliert. Das Kühlöl 30 gelangt über einen Kühlölzulauf 23 in den Ringkanal 22. Dabei ergibt sich das Problem, dass durch die Kolbenbewegungen zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) das Kühlöl 30 insbesondere bei der Bewegung hin zum OT, bei der das Kühlöl 30 durch die Trägheit in Richtung Boden des Ringkanals 22 gedrückt wird, wieder aus dem Kühlölzulauf 23 herausgedrückt wird und somit den Zulauf des Kühlöls 30 behindert. Die Kühlleistung am Kolben 10 insgesamt wird dadurch merklich verschlechtert.
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Ein ähnliches System zeigt das Patentdokument
EP 2 304 210 B1 . Hier wird ein Kolben mit einem Ober- und Unterteil offenbart, deren Fügestege im Bereich der Kontaktgeometrie reibverschweißt sind. Kühlöl gelangt über einen freien Strahl der Einspritzdüse und ein im Unterteil eingesetztes Strömungsrohr, das in den Ringkanal ragt, in den Ringkanal und verlässt den Kolben durch einen Kühlölablauf. Ähnliche Systeme werden ebenfalls in den Patentdokumenten
JP 2010- 59 842 A EP 1 678 418 B1 ,
DE 10 2015 206 375 A1 und
DE 40 18 252 C2 offenbart.
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Das Patentdokument
DE 34 44 661 A1 offenbart einen flüssigkeitsgekühlten Kolben mit einem Ringkanal und sternförmig radial verlaufenden Kühlkanälen, wobei eine Kühlmittelzuführung im Ringkanal und ein Kühlmittelablauf durch eine zentrische Verbindungsbohrung gewährleistet ist.
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Das Patentdokument
AT 186 470 B offenbart eine Kolbenbauart, welche eine hohe Betriebssicherheit, Verschleißfestigkeit und Einfachheit im Aufbau verspricht. Dies werde erreicht durch eine Kombination unterschiedlicher Merkmale. Darunter, dass das Kühlsystem in der Kolbenbodenplatte mit mindestens zwei mittigen Ringkanälen, in die außen Kühlöl eintritt und in deren Mitte austritt und die Kanalwandungen gewölbeartig verlaufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlleistung einer oben beschriebenen Kolbenkühlung zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Der erfindungsgemäße Kolben weist einen Kühlkanal auf, welcher im Inneren des Kolbens angeordnet ist und dazu ausgebildet ist Kühlöl im Kolben zirkulieren zu lassen. Der Kühlkanal setzt sich dabei aus einem umlaufenden Ringkanal und zudem aus wenigstens einer Zwischenverbindung, die einen Punkt des Ringkanals mit einem anderen Punkt des Ringkanals fluidisch verbindet, zusammen. Der Kühlkanal weist dabei weiterhin wenigstens einen Kühlölzulauf und einen Kühlölablauf auf, welche dazu ausgebildet sind Kühlöl in den Kühlkanal zu leiten bzw. Kühlöl aus dem Kühlkanal herauszuleiten. Erfindungsgemäß weist der Kühlkanal in einem Zulaufbereich um den Kühlölzulauf eine Rücklaufsperre auf, welche dazu ausgebildet ist, ein Rücklaufen des Kühlöls durch den Kühlölzuauf zu verhindern.
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Als Zulaufbereich wird dabei der Bereich des Kühlkanals verstanden, der sich in unmittelbarer Umgebung des Kühlölzulaufs, also direkt an diesen anschließend, befindet. Unter Rücklaufsperre ist ein Element zu verstehen, welches ein Zurücklaufen des Kühlöls in den Kühlölzulauf weitestgehend verhindert. Es kann dabei als einfaches geometrisches Element ausgestaltet sein, welches allein durch seine geometrische Ausgestaltung ein Zurücklaufen des Kühlöls erschwert. Als Beispiel für ein derartiges Element sei eine Erhöhung im Boden des Kühlkanals genannt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Rücklaufsperre als hydraulisches Element beispielsweise in Form eines Rückschlagventils ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Zwischenverbindungen vorgesehen, welche als mehrere vom Ringkanal ausgehende und auf einen zentralen Punkt zulaufende Speichen ausgeführt sind. Die speichenförmigen Zwischenverbindungen laufen somit in dem zentralen Punkt zusammen und sind dort fluidisch verbunden. Aufgrund der so gewählten Geometrie kann eine gleichmäßige Kühlung des Kolbens erfolgen, wobei durch die Position des zentralen Punktes die Kühlleistung in bestimmten Bereichen des Kolbens lokal erhöht werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist die Ausführungsform, wenn der Kühlölablauf in dem zentralen Punkt, an dem sich die Speichen treffen, angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich in einer Ausführungsform der Erfindung der zentrale Punkt in der Mitte des Kolbenquerschnitts in Bewegungsrichtung befinden. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige und symmetrische Kühlleistung sichergestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist die Rücklaufsperre als Erhöhung im Boden des Kühlkanals ausgestaltet wobei vorzugsweise eine Höhe der Rücklaufsperre mindestens so hoch ist wie eine Verbindungseintrittshöhe, welche eine Höhe eines Verbindungseintritts aus dem Ringkanal in die wenigstens eine Zwischenverbindung definiert.
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Erfindungsgemäß ist weiterhint der Querschnitt eines Verbindungseintritts aus dem Ringkanal in die wenigstens eine Zwischenverbindung größer als ein rechter oder linker Strömungsquerschnitt zwischen der Decke des Kühlkanals (Kühlkanaldecke) und der Rücklaufsperre.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Kühlöl leichter aus dem Ringkanal in die Zwischenverbindungen bzw. Speichen abfließt als neues Kühlöl aus dem Kühlölzulauf nachfließt und zudem, dass das Kühlöl leichter in die Zwischenverbindung gelangt als zurück in den Kühlölzulauf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rücklaufsperre als Erhöhung im Boden des Kühlkanals ausgestaltet ist, ist ein Zulaufquerschnitt des Kühlölzulaufs kleiner als die Summe eines rechten und linken Strömungsquerschnitts zwischen einer Kühlkanaldecke des Ringkanals und der Rücklaufsperre. Durch diese Ausführungsform wird sichergestellt, dass die entscheidende geometrische Größe für den eintretenden Volumenstrom von frischem Kühlöl durch den Kühlölzulauf der Zulaufquerschnitt des Kühlölzulaufs bleibt und nicht durch die Rücklaufsperre beeinflusst bzw. verringert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rücklaufsperre als Erhöhung im Boden des Kühlkanals ausgestaltet ist, wird die Menge des zugeführten Kühlöls derart eingestellt, dass die Höhe des Füllstands des Kühlöls zwischen der Verbindungseintrittshöhe der Zwischenverbindungen und der Höhe der Rücklaufsperre liegt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Kühlmittel stets durch die Zwischenverbindungen strömt, während ein ungewollter Rücklauf des Kühlöls in den Kühlölzulauf durch die Rücklaufsperre verhindert werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rücklaufsperre als Erhöhung im Boden des Kühlkanals ausgestaltet ist, und die Rücklaufsperre über runde Übergänge zum Kühlkanal und/oder zum Kühlölzulauf verfügt. Unter runden Übergängen wird verstanden, dass keine Ecken, Kanten oder Sicken zwischen Kühlkanal, Rücklaufsperre und Kühlölzulauf vorhanden sind, welche die Strömung des Kühlöls in den Kühlkanal negativ beeinflussen könnten.
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Ebenfalls vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rücklaufsperre als Erhöhung im Boden des Kühlkanals ausgestaltet ist und zusätzlich eine Abschrägung aufweist. Die Abschrägung ist dabei derart ausgestaltet, dass das Kühlöl bei der Bewegung des Kolbens in Richtung OT gegen die Abschrägung gedrückt wird und dadurch von dem Kühlölzulauf weggedrückt wird. Auf diese Weise kann die Wirkung der Rücklaufsperre weiter verstärkt werden und ein Rücklauf in den Kühlölzulauf verhindert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rücklaufsperre als Erhöhung im Boden des Kühlkanals ausgestaltet ist, ist die Rücklaufsperre weiterhin derart ausgeführt, dass ein rechter Strömungsquerschnitt größer oder kleiner ist als ein linker Strömungsquerschnitt. Der rechte bzw. linke Strömungsquerschnitt ist dabei der Querschnitt durch den zwischen Kühlkanaldecke und Rücklaufsperre Kühlöl strömen kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in eine Richtung ein größerer Volumenstrom von Kühlöl gelangt, um lokal unterschiedliche Kühlleistungen zu erzeugen.
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Weiterhin ist es in einer Ausführungsform der Erfindung möglich die Rücklaufsperre derart auszubilden, dass der rechte Strömungsquerschnitt oder der linke Strömungsquerschnitt gleich oder näherungsweise Null ist, sodass der Volumenstrom des Kühlöls im Wesentlichen lediglich auf der entsprechend anderen Seite Heraustreten kann. Somit wird der in der Ausführungsform gemäß dem Absatz zuvor genannte Effekt weiterhin verstärkt und eine Strömungsrichtung des Kühlöls kann vorgegeben werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kühlkanaldecke im Zulaufbereich des Kühlölzulaufs eine Abschrägung auf. Die Abschrägung ist dabei derart ausgeführt, dass Kühlöl, wenn es beispielsweise aufgrund der Trägheit bei der Bewegung des Kolbens in Richtung UT gegen die Kühlkanaldecke gedrückt wird, je nach Abschrägung nach rechts bzw. links in den Kühlkanal, in jedem Fall aber weg von dem Kühlölzulauf gedrückt wird. Auf diese Weise kann weiterhin sichergestellt werden, dass das Kühlöl auch in anderen Bewegungen als in Richtung des OT weg vom Kühlölzulauf bewegt wird und somit ein Rückfluss des Kühlöls in den Kühlölzulauf verhindert wird.
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Im Folgenden werden Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 zeigt einen Kolben mit einer Kolbenkühlung in einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittansicht.
- 2 zeigt einen Kolben mit dem Layout einer Kolbenkühlung gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht
- 3 zeigt die in 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung in einer Detailansicht
- 4 zeigt den Querschnitt eines Kühlkanals der in 2 und 3 gezeigten Ausführungsform einer Kolbenkühlung
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1 wurde bereits im Hinblick auf die Erläuterungen zum Stand der Technik näher beschrieben, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann.
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2 zeigt einen Kolben 10 mit dem Layout einer erfindungsgemäßen Kolbenkühlung in einer perspektivischen Ansicht. Der Kolben 10 weist einen Kühlkanal 20 auf, welcher aus einem umlaufenden Ringkanal 22 und mehreren Zwischenverbindungen besteht, welche verschiedene Punkte auf dem Ringkanal 22 miteinander verbinden. Die Zwischenverbindungen sind als Speichen 21 ausgeführt, welche auf einen gemeinsamen zentralen Punkt zulaufen und dort fluidisch verbunden sind.
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Die Speichen 21 sind jeweils mit dem Ringkanal 22 über Verbindungseintritte 21 a fluidisch verbunden, sodass das im Kühlkanal 20 strömende Kühlöl jede Stelle des Kühlkanals 20 erreichen kann. Im Ringkanal 22 ist ein Kühlölzulauf 23 vorgesehen, welcher Kühlöl in den Ringkanal 22 befördert. Im zentralen Punkt in der Mitte des Kolbens, dort wo sich die Speichen 21 treffen, ist der Kühlölablauf 24 angeordnet, über den das Kühlöl wieder aus dem Kühlkanal 20 austreten kann.
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Ein derartiges Layout des Kühlsystems stellt eine gleichmäßige Kühlung des Kolbens 10 sicher. Eine Detailbetrachtung des Kühlölzulaufs 23 wird anhand 3 vorgenommen.
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3 zeigt eine Schnittansicht des Kolbens 10 auf Höhe des Kühlölzulaufs 23 mit einem Zulaufquerschnitt Azu. Das Kühlöl 30 gelangt über den Kühlölzulauf 23 in den umlaufenden Ringkanal 22 (siehe 2). Ausgehend vom Ringkanal 22 befinden sich die Verbindungseintritte 21a, welche es dem Kühlöl 30 ermöglichen in die Speichen 21 (siehe 2) einzuströmen. Rechts und links des Kühlölzulaufs 23 sind in dessen unmittelbarer Umgebung Rücklaufsperren 25 in Form von Erhebungen im Boden des Ringkanals 22 angeordnet. Diese verhindern, dass das Kühlöl 30 in den Kühlölzulauf 23 zurückströmen kann. Die Rücklaufsperren 25 weisen eine Höhe d auf.
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Auf der Deckenseite des Kühlkanals 20 befindet sich die Kühlkanaldecke 26. Im Zulaufbereich des Ringkanals 21 kann zwischen der Kühlkanaldecke 26 und den Rücklaufsperren 25 das aus dem Kühlölzulauf 23 heraustretende Kühlöl 30 durch Strömungsquerschnitte rechts AR und links AL in den Ringkanal 22 einströmen. Die Summe der Strömungsquerschnitte AL und AR ist dabei größer als der Zulaufquerschnitt Azu, um sicherzustellen, dass die Menge des in den Ringkanal 22 gelangenden Kühlöls 30 nicht durch die Strömungsquerschnitte rechts AR und links AL eingeschränkt werden.
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Die Kühlkanaldecke 26 weist im Bereich des Kühlölzulaufs 23 Abschrägungen auf, sodass die Kühlkanaldecke 26 direkt oberhalb des Kühlölzulaufs 23 den tiefsten Punkt aufweist und in Richtung rechts und links ausgehend von der Position des Kühlölzulaufs 23 höher wird. In der dargestellten Ansicht steht der Kolben 10 still oder bewegt sich in Zeichenebene nach oben, also in Richtung des OT, wodurch das Kühlöl 30 auf den Boden des Ringkanals 22 gedrückt wird. Bewegt sich der Kolben 10 jedoch in die entgegengesetzte Richtung, also in Richtung des UT, wird aufgrund der Trägheit das Kühlöl 30 an die Kühlkanaldecke 26 gedrückt. Durch die Abschrägungen an der Kühlkanaldecke 26 rechts und links von der Mitte des Kühlölzulaufs 23, wird das Kühlöl 30 nach rechts bzw. links und somit weg von dem Kühlölzulauf 23 gedrückt. Somit kann es beim Durchschreiten des UT, und dem damit verbundenen Fallen des Kühlöls 30 auf den Boden des Ringkanals 22 nicht in den Kühlölzulauf 23 gelangen.
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Analog zu den genannten Abschrägungen weisen auch die Rücklaufsperren 25 entsprechende Abschrägungen auf, welche das Kühlöl 30 in der Bewegung des Kolbens 10 zum OT vom Kühlölzulauf 23 fernhalten. Weiterhin weisen die Rücklaufsperren eine runde Form ohne Ecken, Kanten und Sicken auf, da dadurch die Strömung des Kühlöls 30 gestört werden könnte, was zu ungewollten Strömungsbewegungen und Turbulenzen und damit möglicherweise zu einer ungewollten Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls 30 im Kühlkanal 20 führen kann.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird sowohl die 3 als auch die 4 betrachtet.
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4 zeigt eine Detailansicht von dem Querschnitt des in 2 und 3 gezeigten Ringkanals 22 auf Höhe eines Verbindungseintritts 21a in eine der Speichen 21. Im Ringkanal 22 befindet sich Kühlöl 30 mit einem Füllstand h, welcher größer ist als eine Verbindungseintrittshöhe b, welche die Höhe des Verbindungseintritts 21a der Speiche 21 ausgehend vom Boden des Ringkanals 22 definiert. Dadurch kann das Kühlöl 30 in die Speiche 21 einströmen und den entsprechenden Kolbenbereich kühlen.
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Aus der Zusammenschau der 3 und 4 geht hervor, dass die Höhe d der Rücklaufsperren 25 höher ist als die Verbindungseintrittshöhe b. Bei einem Füllstand h des Kühlöls 30 zwischen der Verbindungseintrittshöhe b und der Höhe d der Rücklaufsperren 25, kann somit garantiert werden, dass das Kühlöl 30 zunächst in die Speichen 21 eintritt bevor es über die Rücklaufsperren 25 in den Kühlölzulauf 23 gelangt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 20
- Kühlkanal
- 21
- Speiche
- 21a
- Verbindungseintritt
- 22
- Ringkanal
- 23
- Kühlölzulauf
- 24
- Kühlölablauf
- 25
- Rücklaufsperre
- 26
- Kühlkanaldecke
- 30
- Kühlöl
- b
- Verbindungseintrittshöhe
- h
- Füllstand des Kühlöls
- d
- Höhe Rücklaufsperre
- Azu
- Zulaufquerschnitt
- AR
- Strömungsquerschnitt rechts
- AL
- Strömungsquerschnitt links
