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Die
Erfindung betrifft einen für
eine Brennkraftmaschine mit einem im Kolbenboden angeordneten Kühlkanal
gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Kolben
für Brennkraftmaschinen,
insbesondere einteilige Kolben, die im Kolbenboden einen radial
umlaufenden Kühlkanal
aufweisen, sind grundsätzlich
bekannt. In diesen Kühlkanal
wird während der
oszillierenden Bewegung des Kolbens im Zylinder über eine Einlaßöffnung ein
Kühlmedium,
beispielsweise Motoröl
eingespritzt, das in dem Kühlkanal
zirkuliert und den Kühlkanal über eine
Auslaßöffnung wieder
verläßt. Das
zirkulierende Kühlmedium nimmt
die in dem Kolbenboden gespeicherte Wärmemenge auf und führt diese
ab. Dadurch kommt es zu einer Kühlwirkung
im Kolbenboden, so dass sich dadurch Verbrennungstemperaturen und
Verbrennungsdrücke
steigern lassen, um zu einer besseren Verbrennung des Kraftstoffes
zu kommen, was sich im Hinblick auf eine Reduzierung der Schadstoffe und
Erhöhung
der Leistung der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise auswirkt.
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Bisher
bekannte Kühlkanäle weisen
radial umlaufend einen gleichbleibenden Querschnitt (z. B. C-förmig) und
damit eine bestimmte Oberfläche
auf, mit der das Kühlmedium
in Berührung
kommt. Die Zirkulation des Kühlmediums
und die abgeführte Wärmemenge
ist bei einer solchen Ausgestaltung aber nur bedingt zufrieden stellend.
Als eine weitere Maßnahme
zur Erhöhung
der Abführung
der Wärmemenge
wurde daher schon vorgeschlagen, dem Kühlkanal einen wellenförmigen Verlauf
zu geben, der in Umfangsrichtung gleichförmig (symmetrisch, beispielsweise
in Sinus-Form) ist.
Damit wird zwar die Oberfläche
des Kühlkanales,
mit der das Kühlmedium
in Berührung
kommt, vergrößert, gleichzeitig aber
die Zirkulation des Kühlmediums aufgrund
des wellenförmigen
Verlaufes behindert, da sich durch den symmetrischen Verlauf und
der oszillierenden Auf- und Abbewegung des Kolbens im Zylinder das Kühlmedium
an den Vertiefungen sammelt und der Transport von der Einlaßöffnung zu
der Auslaßöffnung erschwert
wird.
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Bei
Pendelschaftkolben, die aus einem Kolbenkopf und einem übergestülpten Schaftteil
bestehen, ist es bekannt, im vornehmlich aus Eisenwerkstoffen bestehenden
Kolbenboden des Kolbenkopfes eine zirkular umlaufende Ausnehmung
einzubringen, die nach unten offen ist. Diese wird von einem ein- oder
mehrteiligen Kühlkanalblech
verschlossen, so dass dadurch der Kühlkanal gebildet wird. Hierbei
besteht das Problem, dass das Kühlkanalblech
die radial auf den äußeren Umfang
des Kolbens im unteren Ringfeldbereich wirkenden Kräfte (Führungskräfte) aufnehmen
muß, wobei
diese erforderliche Abstützwirkung
bei einem flachen Kühlkanalblech
nicht ausreichend ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einem
Kühlkanal
bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Kühlkanal
zumindest teilweise von einem geprägten Kühlkanalblech gebildet ist,
wobei die Prägung
in ihrem radialen Verlauf sägezahnförmig ausgestaltet
ist. Bei einem Pendelschaftkolben wird in an sich bekannter Weise
in den Kolbenboden des Kolbenkopfes des Pendelschaftkolbens eine
zirkular umlaufende Ausnehmung eingebracht, die dann von dem erfindungsgemäßen geprägten Kühlkanalblech
verschlossen wird. Je nach Geometrie des Pendelschaftkolbens ist
das geprägte
Kühlkanalblech
ein- oder mehrteilig ausgebildet und wird unlösbar, vor allen Dingen durch
Verschweißen,
mit dem Kolbenboden verbunden.
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Bei
einteiligen Kolben aus Aluminiumlegierung wird zur Armierung der
oberen Ringnuten) ein Ringträger
eingegossen, welcher zur Baulteilkühlung mit einem an der Innenseite
radial angeordneten Kühlkanalblech
zur Realisierung eines Kühlkanales versehen
ist.
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Bei
diesen Kolben wird das geprägte
Kühlkanalblech
mit einem Ringträger,
der eine Ringnut aufweist, unlösbar,
insbesondere durch Verschweißen, verbunden,
wodurch der Kühlkanal
entsteht. Dieses Bauteil, bestehend aus Ringträger und Kühlkanalblech, wird in die Gießform des
Kolbens eingelegt und mit Gießschmelze
umgeben. Nach dem Erstarren der Gießschmelze steht ein Kolbenrohling
mit Kühlkanal
zur Verfügung,
der in an sich bekannter Weise weiter bearbeitet werden kann.
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Insgesamt
bietet das erfindungsgemäß geprägte Kühlkanalblech
sowohl bei einem Pendelschaftkolben als auch bei einem einteiligen
Kolben den Vorteil, dass durch die sägezahnförmige Prägung im radialen Verlauf des
Kühlkanalbleches
keine solchen Vertiefungen entstehen können, wie sie bei dem symmetrischen
Wellenverlauf entstehen, die den Fluß des Kühlmediums behindern. Anstelle
dessen fördert
die sägezahnförmige Prägung die
Zirkulation des Kühlmediums
in dem Kühlkanal
bei der oszillierenden Auf- und Abbewegung des Kolbens. Dabei ist
von besonderem Vorteil eine asymmetrische Sägezahnform derart, dass zunächst in
einem Teilbereich ein kurzer Anstieg vorhanden ist, der insbesondere
von der Einlaßöffnung ausgeht.
Diesem kurzen Anstieg folgt ein langsam abfallender Bereich innerhalb
des Teilbereiches, dem sich wieder ein kurzer Anstieg anschließt u.s.w.
Denkbar ist auch die umgekehrte Ausgestaltung, dass zunächst ein
kurzer Abfall, und dann ein länger
anhaltender Anstieg vorgesehen ist. Diese sägezahnförmige Prägung ist in besonders vorteilhafter
Weise sowohl – bei
Betrachtung der Kolbenhubachse – auf
der Unterseite des Kühlkanalbleches
als auch auf der Oberseite des Kühlkanalbleches
vorhanden, wobei die sägezahnförmigen Teilbereiche
auf der Unterseite Phasen verschoben sind zu den Teilbereichen auf
der Oberseite.
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Darüber hinaus
hat gerade bei Kolben, deren Ringfeld im Bereich hinter den Nuten
zur Erzielung einer Kühlkanalform
hinterschnitten wurde und deren Schaftbereich nicht direkt mit dem
freiliegenden Ringfeld verbunden ist, die sägezahnförmige Prägung den Vorteil, dass sie
in radialer Richtung verlaufende Sicken bildet, welche die auf den
Außenumfang
des Kolbens wirkenden Kräfte
wesentlich besser abgefangen können
und damit der Ringfeldbereich wesentlich steifer ist als bei herkömmlichen
Kolben.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben
und im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1 und 2: Erfindungsgemäße Ausgestaltungen bei einem
Pendelschaftkolben,
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3 und 4: Erfindungsgemäße Ausgestaltungen bei einem
einteiligen Kolben.
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Die 1 und 2 zeigen erfindungsgemäße Ausgestaltungen
der Prägung
des Kühlkanalbleches bei
einem Pendelschaftkolben, wobei ausschnittsweise nur der Kolbenkopf
des Pendelschaftkolbens gezeigt ist. Der Kolbenkopf weist einen
Kolbenboden 1 auf, bei dem sich hinter einem Ringfeld ein
radial umlaufender Kühlkanal 2 befindet.
Der Kühlkanal 2 wird
gebildet durch eine im Kolbenboden 1 einbringbare Ausnehmung,
die noch von einem Kühlkanalblech 3 verschlossen
werden muß.
In der Mitte von 1 ist
ein Längsschnitt
durch den Kolben gezeigt, wobei der sägezahnförmige Verlauf des Kühlkanalbleches 3 erkennbar
ist. Dieses Kühlkanalblech 3 wird durch
Prägen
aus einem flachen Blechteil hergestellt und erhält dadurch seine sägezahnförmige Prägung. Gemäß Schnitt
A ist erkennbar, dass das Kühlkanalblech 3 in
seinem radialen Bereich über
seine Breite gerade verlaufend ausgebildet ist, so dass ein gerader
Bereich 4 entsteht. Dieser gerade Bereich 4 kann radial
umlaufend vorhanden sein, er kann aber auch abgelöst werden
von zumindest teilweise gewölbten Bereichen 5,
die vorzugsweise in Übergangsbereichen
der Sägezahnform
vorhanden sind, wobei der sägezahnförmige Verlauf übergeht
von einem abfallenden in einen ansteigenden Bereich (oder umgekehrt).
Die Anordnung des – bei
Betrachtung der 1 – nach unten
gerichteten gewölbten
Bereiches 5 im Bereich vom Übergang des Abfalles zu einem Anstieg
des sägezahnförmigen Verlaufes
hat den Vorteil, dass sich dort für kurze Zeit Kühlmedium sammeln
kann, welches die Wärmemenge
im Kolbenboden 1 aufnimmt. Aufgrund der oszillierenden Bewegung
des Kolbens und aufgrund des sägezahnförmigen Verlaufes
wird Kühlmedium
von einer Einlaßöffnung zu
einer Auslaßöffnung gefördert, so
dass am Ende des ansteigenden Bereichs des sägezahnförmigen Verlaufes das Kühlmedium
in Richtung der Vertiefung des gewölbten Bereiches 5 schwappt,
dort für
kurze Zeit verbleibt und anschließend nach Aufnahme der Wärmemenge
weiter gefördert
wird.
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Das
abwechselnde Vorhandensein von geraden Bereichen 4 und
gewölbten
Bereichen 5 hat daher in dieser Kombination einerseits
den Vorteil, dass das Kühlkanalvolumen
und die Abfuhr der Wärmemengen
durch das geförderte
Kühlmedium
erhöht wird
und andererseits durch die in radialer Richtung geraden Bereiche
eine Versteifung (Abstützung)
des Kolbens im Ringfeldbereich erreicht wird.
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2 zeigt wiederum das geprägte Kühlkanalblech 3,
das in radialer Umfangsrichtung über
seine Breite gerade verlaufend ausgebildet ist, das heißt, nur
gerade Bereiche 4 aufweist, die die Abstützung des
Ringfeldbereiches bei der Führung
des Kolbens im Zylinder wesentlich verbessert.
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In
den 3 und 4 ist gezeigt, dass das sägezahnförmig geprägte Kühlkanalblech 3 an
einem Ringträger 6,
der eine Ringnut 7 aufweist, angeordnet ist, insbesondere
mit diesem radial umlaufend verschweißt ist. Durch den Ringträger 6 und
das Kühlkanalblech 3 wird
der Kühlkanal 2 gebildet,
wobei ein derartig vorgefertigtes Bauteil in eine Gießform eingesetzt
wird und mit Gießschmelze
zu umgeben ist. Nach dem Erstarren der Gießschmelze kann der Kolbenrohling
weiter bearbeitet werden. Insbesondere werden auf geeignete Art
und Weise vom Innenbereich des Kolbens Öffnungen (z. B. Bohrungen)
in Richtung des Kühlkanales 2 eingebracht,
so dass über
eine Einlaßöffnung 8 das
Kühlmedium
in den Kühlkanal 2 eintreten
(eingespritzt werden) kann, den es nach Umlauf wieder über eine
Auslaßöffnung 9 verläßt. Auch
hier wird wieder ein Kühlkanalblech
eingesetzt, dass durch sägezahnförmige Prägung zum
gezielten Transport von Kühlmedium von
der Einlaßöffnung 8 hin
zu der Aulaßöffnung 9 beiträgt. Durch
Vorsehen einer solchen Prägung
direkt über
der Einlaßöffnung 8,
wie sie in 3 gezeigt
ist, kann das in den Kühlkanal 2 eintretende Kühlmedium,
insbesondere der eintretende Motorölstrahl, in Umfangsrichtung
des Kühlkanales 2 aufgeteilt
werden, wodurch ein höherer
Füllgrad
erreicht wird. Genauso kann durch eine entsprechende Prägung des
Kühlkanalbleches 3,
wie sie in 4 dargestellt
ist, dass in dem Kühlkanal 2 umgelaufene
Kühlmedium
gezielt durch die Auslaßöffnung 9 aus
dem Kühlkanal 2 heraus
gelenkt werden.
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- 1
- Kolbenboden
- 2
- Kühlkanal
- 3
- Kühlkanalblech
- 4
- gerader
Bereich
- 5
- gewölbter Bereich
- 6
- Ringträger
- 7
- Ringnut
- 8
- Einlaßöffnung
- 9
- Auslaßöffnung