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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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Kolben in Verbrennungsmotoren sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen gekühlt werden, auch um die Emissionswerte zu verbessern. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Energierückgewinnung aus dem Abgas untersucht, für die eine höhere Abgasenthalpie, beispielsweise durch Reduzierung der Wärmeströme durch den Kolben, vorteilhaft wäre.
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STAND DER TECHNIK
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Zur Kühlung weisen einige Kolben daher einen offenen ringförmigen Kühlkanal auf, welcher durch einfließendes Öl durchflossen wird und einen äußeren Teil des Kolbens kühlt. Im (inneren) Bereich des Muldendoms, wo aufgrund des Verbrennungsprozesses besonders hohe thermische Belastungen auftreten, findet jedoch in einem derartigen Aufbau kaum Kühlung durch das Kühlmittel im Kühlkanal statt.
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In neueren Entwicklungen wurde daher zusätzlich eine Innendomkühlung vorgesehen, bei der ein Kühlraum im Innendom durch mehrere Bohrungen mit dem äußeren Kühlkanal verbunden ist. In dieser Konfiguration wird Kühlöl aufgrund der Shaker-Wirkung vom äußeren Kühlkanal in den inneren Kühlraum befördert, wo es durch einen mittigen Abfluss den Kolben wieder verlässt.
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Allerdings existieren mittlerweile auch Bestrebungen, die Leistung der Ölpumpe des Motors einzuschränken. Damit erhöht sich jedoch die Neigung zur Ölverkokung am Kolben und zur Ölalterung. Um dieses Risiko zu minimieren sind verschiedene Ansätze erprobt worden:
- Bei Stahlkolben ist die Erhöhung der Wandstärke zwischen Kühlkanal und Mulde beziehungsweise Innen- und Außenseite des Innendoms eine übliche Methode, um aufgrund der größeren Wandstärke eine Absenkung der Temperatur an der kühlen Seite zu erreichen. Dies führt allerdings zu einer Gewichtszunahme und Erhöhung der Temperatur auf der heißen Seite, insbesondere auch zu Temperaturspitzen am Muldenrand.
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Untersucht wurde auch die Füllung des äußeren Kühlkanals mit einem Metall oder einer Metalllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt, wobei der Kühlkanal nach dem Füllen des Mediums verschlossen wird.
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In der
US 2017 0159604 A1 wird ein Kolben beschrieben, der über einen abgeschlossenen äußeren Kühlkanal verfügt. Das darin befindliche Kühlmedium beinhaltet Bismut und/oder Zinn. Der Innendom des Kolbens ist allerdings offen.
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Aus der
DE 10 2011 111319 A1 ist ein Kolben bekannt, der einen mit Kühlöl versorgten ringförmigen Kühlkanal sowie einen mit einem metallischen Kühlmedium befüllten allseitig abgeschlossenen Hohlraum unterhalb des Kolbenbodens aufweist.
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Die
DE 10 2013 211953 A1 befasst sich mit Kühlkanalkolben für Brennkraftmaschinen. Diese weisen üblicherweise einen hinter einem Ringfeld angeordneten radial umlaufenden Kühlkanal auf, in dem ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl, zirkuliert. Konkret wird dieses Kühlmedium von einer Ölspritzdüse über eine Eintrittsöffnung in den äußeren ringförmig radial laufenden Kühlkanal eingespritzt, zirkuliert dort und gelangt in einer Ausführungsform über zumindest eine, vorzugsweise mehrere Übertrittsöffnungen in den innenliegenden Kühlraum. Von dort aus kann das Kühlmedium über eine zentrale Bohrung, durch welche die Kolbenhubachse verläuft, aus dem zentralen Kühlraum austreten, um die Wärme im Kolbenboden abzuführen. Vor diesem Hintergrund ist die
DE 10 2013 211953 A1 mit der Herausforderung betraut, das Herstellverfahren für Übertrittsbohrungen in Kühlkanalkolben zu verbessern.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit verbesserten Kühleigenschaften bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den in Anspruch 1 beschrieben Kolben. Bevorzugte Modifikationen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß handelt es sich um einen Kolben, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen inneren Kühlhohlraum und einen äußeren Kühlhohlraum in Form eines ringförmigen Kühlkanals umfasst. Die beiden Kühlhohlräume sind dabei, insgesamt betrachtet, allseitig geschlossen und zumindest teilweise mit einem Kühlmedium befüllt. Im Kontext der vorliegenden Erfindung bedeutet „insgesamt betrachtet, allseitig geschlossen“, dass die beiden Kühlhohlräume entweder über mindestens eine Verbindung miteinander verbunden sind, so dass die beiden Kühlhohlräume einen abgeschlossenen Gesamthohlraum bilden und Kühlmedium zwischen den beiden Kühlhohlräumen strömen kann, oder dass die beiden Kühlhohlräume, jeweils für sich betrachtet, allseitig geschlossen sind.
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Der erfindungsgemäße Kolben kombiniert in synergistischer Art und Weise die Kombination aus Innendomkühlung und äußerem Kühlkanal mit den Vorteilen eines hermetisch abgeschlossenen Kühlraums. Da aufgrund der abgeschlossenen Kühlung weniger Wärme in den Kolben eingetragen wird und diese zu einem höheren Anteil auch über die Ringe und die Kolbennabe abgeführt wird, kann die zur Kühlung notwendige Ölmenge signifikant reduziert werden. Dazu trägt auch bei, dass der Ölstrahl des Motors nun nicht mehr den äußeren Kühlkanal versorgen muss. Der Ölstrahl kann daher nun so eingestellt werden, dass er die Innenfläche optimal kühlt.
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Da außerdem das Öl nicht direkt mit den besonders heißen Kolbenflächen in Kontakt steht, wird die Ölalterung deutlich reduziert und ein Kohleaufbau am Kolben vermieden. Insbesondere für Generatoranwendungen mit hoher Laufzeit wird die Ölalterung als deutlicher Vorteil gesehen.
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Überaschenderweise hat sich zusätzlich herausgestellt, dass der erfindungsgemäß konstruierte Kolben Vorteile hinsichtlich der Kontaminierung des Ölkreislaufs mit sich bringt. In konventionellen Kolben mit Innendomkühlung entsteht produktionsbedingt häufig Restschmutz, beispielsweise an der inneren Schweißnaht: Da dieser oft nicht vollständig entfernt werden kann, wird er während des Betriebs in den Kühlkreislauf eingetragen. Durch die erfindungsgemäße Konfiguration mit nach außen abgeschlossen Kühlhohlräumen kann dieses unerwünschte Phänomen ausgeschlossen werden: Etwaige Verunreinigungen verbleiben und zirkulieren in den Kühlhohlräumen, wo sie keinen nennenswerten Einfluss haben.
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Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Kolben engere Gewichtstoleranzen eingehalten werden, da das Gesamtgewicht des Kolbens sich aus dem Kolbengewicht und dem Gewicht des Kühlmediums zusammensetzt. Letzteres kann bei der Herstellung mittels einer präzisen Dosiereinheit so eingestellt werden, dass die Gewichtsvorgaben bezüglich des Gesamtgewichts nahezu exakt erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kühlmedium aus einer der folgenden Optionen ausgewählt:
- - Natrium oder Natriumlegierung,
- - Legierung bestehend aus 62 bis 95 Gew.-% Gallium, 5 bis 22 Gew.-% Indium und 0 bis 16 Gew.-% Zinn,
- - Bismut-Zinn Legierung, bevorzugt bestehend aus 57 Gew.-% Bismut und 43 Gew.-Zinn.
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Der Begriff Natriumlegierung bezeichnet dabei eine Legierung, die Natrium als Hauptlegierungselement beinhaltet. Die vorstehend aufgezählten Legierungen haben sich als besonders geeignet erwiesen, um eine effiziente Wärmeleitung zwischen den betroffenen Bereichen des Kolbens sicherzustellen.
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In vorteilhafter Weise besteht der Kolben aus Stahl, bevorzugt aus einem Vergütungsstahl. Derartige Materialien weisen bei den aus dem erfindungsgemäßen Design resultierenden Temperaturen eine zufriedenstellende Oxidationsbeständigkeit auf. 42CrMo4 hat sich in diesem Zusammenhang als Kolbenmaterial bewährt. Je nach Maximaltemperatur, die 540°C oder mehr betragen kann, können jedoch auch noch oxidationsbeständigere Materialien ausgewählt werden.
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Bevorzugt sind der innere Kühlhohlraum und der äußere Kühlhohlraum über mindestens eine Verbindung derart miteinander verbunden, dass Kühlmedium zwischen den beiden Kühlhohlräumen strömen kann. In dieser Konfiguration wird eine effiziente Wärmeleitung zwischen den jeweiligen Kühlhohlräumen, und damit auch zwischen den jeweiligen zu kühlenden Kolbenbereichen, erreicht, was im Ergebnis zu einer homogeneren Temperaturverteilung im Kolben führt.
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Der Kolben besteht bevorzugt aus einem Ober- und Unterteil, welche durch ein Schweißverfahren, bevorzugt ein Reibschweißverfahren oder ein Induktionsschweißverfahren, miteinander verbunden wurden. Im Ober- und Unterteil ist dann jeweils ein Teil der Begrenzungsfläche der beiden Kühlhohlräume vorgesehen, so dass letztere im fertigen Kolben durch die Verbindung des Oberteils mit dem Unterteil gebildet werden. Ein derartiger Kolben ist einfach zu produzieren und bringt entsprechende Kostenvorteile mit sich.
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In vorteilhafter Weise wird die mindestens eine Verbindung zwischen den beiden Kühlhohlräumen im Unterteil, d.h. unterhalb der inneren Schweißfläche angeordnet. Diese Anordnung verbessert den Austausch des Kühlmediums zwischen den beiden Kühlhohlräumen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der Füllanteil des Kühlmediums mit Bezug auf das gesamte Volumen der beiden Kühlhohlräume 10% bis 50%, bevorzugt 10% bis 30%. Ein Füllanteil von mindestens 10% verbessert dabei die Wärmeleitung. Bei weniger als 50% Füllanteil kann zudem die besonders vorteilhafte „Shaker“-Bewegung des Kühlmediums im Kühlhohlraum erreicht werden, zudem ist das zusätzliche Gewicht bei Füllanteilen über 50% nachteilig.
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Der innere Kühlhohlraum, der äußere Kühlhohlraum und die mindestens eine Verbindung zwischen den beiden Kühlhohlräumen sind bevorzugt derart angeordnet, dass im motorischen Betrieb der zeitlich gemittelte Füllanteil des Kühlmediums in Bezug auf das Volumen des inneren Kühlhohlraums 10% nicht unterschreitet. Vorteilhafterweise sind der innere Kühlhohlraum, der äußere Kühlhohlraum und die mindestens eine Verbindung zwischen den beiden Kühlhohlräumen ferner derart angeordnet, dass im motorischen Betrieb der zeitlich gemittelte Füllanteil des Kühlmediums in Bezug auf das Volumen des äußeren Kühlhohlraums 20% nicht unterschreitet. Diese zeitlich gemittelten Füllanteile in den beiden Kühlhohlräumen stellen einen besonders guten Wärmetransfer in den betroffenen Bereichen sicher. Der zeitlich gemittelte Füllanteil wird mittels kommerziell verfügbarer Simulationssoftware ermittelt. Im motorischen Betrieb bezeichnet dabei einen Zustand im Verbrennungsmotor bei einer Motordrehzahl von 1800 Umdrehungen pro Minute. In anderen Worten ist der Kolben gemäß den vorgenannten bevorzugten Ausführungen derart gestaltet, dass der über eine Dauer von 10 Minuten gemittelte Füllanteil bei einer Motordrehzahl im Verbrennungsmotor von 1800 Umdrehungen pro Minute ungeachtet der verbleibenden Rahmenparameter (z.B. Kolbenhub) nicht die vorstehend genannten Füllanteile unterschreitet. Ein Beispiel für ein Design des inneren Kühlhohlraums, des äußeren Kühlhohlraums und der mindestens einen Verbindung zwischen den beiden Kühlhohlräumen, die beide Bedingungen hinsichtlich des zeitlich gemittelte Füllanteils (d.h. im inneren und äußeren Kühlhohlraum) erfüllt, ist in 2 dargestellt.
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Bevorzugt sind der innere Kühlhohlraum und der äußere Kühlhohlraum, einzeln betrachtet, allseitig geschlossen. In dieser Konstellation kann der Füllanteil in den jeweiligen Kühlhohlräumen besonders präzise eingestellt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden der innere Kühlhohlraum und der äußere Kühlhohlraum mit unterschiedlichen Kühlmedien befüllt. Damit kann den unterschiedlichen Bedingungen in diesen Bereichen, insbesondere hinsichtlich der Temperatur, besonders gut Rechnung getragen werden. Der Füllanteil des Kühlmediums ist, bezogen auf das jeweilige Volumen, im inneren Kühlhohlraum bevorzugt kleiner als im äußeren Kühlhohlraum. Durch diese Ausführungsform wird die ausreichende Kühlung des Innendoms, u.a. durch den Shaker-Effekt, garantiert, ohne zu große Gewichtszunahmen in Kauf nehmen zu müssen. Besonders bevorzugt beträgt der Füllanteil des Kühlmediums, bezogen auf das jeweilige Volumen, im inneren Kühlhohlraum, im äußeren Kühlhohlraum und/oder in der Gesamtheit der beiden Kühlhohlräume 10% bis 50%, bevorzugt 10% bis 30%. Wie auch bei der Ausführungsform mit verbundenen Kühlhohlräumen verbessert ein Füllanteil von mindestens 10% die Wärmeleitung, zudem kann bei weniger als 50% Füllanteil die besonders vorteilhafte „Shaker“-Bewegung des Kühlmediums im Kühlhohlraum erreicht werden, wobei darüber hinaus das zusätzliche Gewicht bei Füllanteilen über 50% vermieden wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 1b den erfindungsgemäßen Kolben gemäß der ersten Ausführungsform aus 1a in einer abweichenden Schnittperspektive,
- 2a den erfindungsgemäßen Kolben gemäß der ersten Ausführungsform aus 1a mit schematisch eingezeichnetem Kühlmedium,
- 2b den erfindungsgemäßen Kolben gemäß der ersten Ausführungsform aus 1b mit schematisch eingezeichnetem Kühlmedium,
- 3a eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3b den erfindungsgemäßen Kolben gemäß der zweiten Ausführungsform aus 3a in einer abweichenden Schnittperspektive,
- 4a den erfindungsgemäßen Kolben gemäß der ersten Ausführungsform aus 3a mit schematisch eingezeichnetem Kühlmedium, und
- 4b den erfindungsgemäßen Kolben gemäß der ersten Ausführungsform aus 3b mit schematisch eingezeichnetem Kühlmedium,
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Anhand der beigefügten Figuren werden bevorzugte Ausführungen eines erfindungsgemäßen Kolbens beschrieben. Auch wenn die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen rein beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind, können Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen auch zur weiteren Charakterisierung des in den Ansprüchen genannten Produkts herangezogen werden.
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Zudem können einzelne, in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale auch in einer einzigen Ausführungsform umgesetzt werden, sofern sie nicht strukturell inkompatibel sind. Gleichermaßen können verschiedene Merkmale, die im Rahmen einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in unterschiedlichen Ausführungsformen einzeln oder in jeder geeigneten Unterkombination vorgesehen sein.
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Dabei benennen gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Figuren aufgeführt sind, identische, einander entsprechende, oder funktionell ähnliche Elemente.
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Die 1a, 1b, 2a und 2b zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens (1). Der dargestellte Kolben (1) ist aus je einem Oberteil (1a) und einem Unterteil (1b) zusammengesetzt, die miteinander verschweißt sind. Der Kolben (1) umfasst einen ersten Kühlhohlraum (2), der ringförmig um die Brennraummulde verläuft und diese im Wesentlichen von außen kühlt, sowie einen zweiten Kühlhohlraum (3) unterhalb des Innendoms. In dieser Ausführungsform sind die beiden Kühlhohlräume (2, 3), insgesamt betrachtet, allseitig geschlossen, die Kühlhohlräume (2, 3) sind allerdings nicht verbunden. In anderen Worten sind die beiden Kühlhohlräume (2, 3) jeweils für sich betrachtet allseitig geschlossen. In den 2a und 2b ist zudem das in den Kühlhohlräumen (2, 3) befindliche Kühlmedium (7) schematisch dargestellt.
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Die in den 3a, 3b, 4a und 4b gezeigte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens (1) unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform vorrangig dadurch, dass die beiden Kühlhohlräume (2, 3) mittels mehrerer Verbindungen beziehungsweise Kühlmediumkanälen (4) miteinander verbunden sind.
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In beiden Ausführungsformen werden die beiden Kühlhohlräume (2, 3) durch Kombination von Teilvolumina im Oberteil (1a) und Unterteil (1b) des Kolbens, d.h. durch die Schweißverbindung des Ober- (1a) und Unterteils (1b) gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 1a
- Kolbenoberteil
- 1b
- Kolbenunterteil
- 2
- ringförmiger äußerer Kühlhohlraum
- 3
- innerer Kühlhohlraum
- 4
- Verbindung/Kühlmediumkanal
- 7
- Kühlmedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20170159604 A1 [0007]
- DE 102011111319 A1 [0008]
- DE 102013211953 A1 [0009]
