DE112016005765T5

DE112016005765T5 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112016005765T5
Application number: DE112016005765.2T
Authority: DE
Inventors: Dieter Gabriel; Ralph Klein; Michael T. Lapp; Fabio Menotti; Luiz Perrone; Ioan STEFAN; Joachim Wagenblast
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-08-30
Also published as: JP2018537613A; CN108291497A; US20170175671A1; CN108291497B; WO2017102252A1; US10227948B2

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor wird aus einem oberen Teil, der mit einem unteren Teil verbunden ist, gebildet. Der obere Teil weist eine Verbrennungsmulde, einen Feuersteg und einen Ringbereich, der sich umlaufend um den oberen Teil des Kolbens herum erstreckt, auf. Der untere Teil enthält Bolzennaben und einen Kolbenschaft. Ein umlaufender Kühlkanal wird durch Verbinden des oberen und des unteren Teils gebildet. Es gibt einen Öleinlass, der einstückig mit dem unteren Teil des Kolbens ausgebildet ist. Der Einlass weist ein unteres Ende und ein oberes Ende, das am Boden des Kühlkanals endet, auf. Eine Bohrung erstreckt sich durch den Öleinlass von dem unteren Ende durch den Boden des Kühlkanals nach oben. Der Umfang der Bohrung nimmt von dem oberen Ende zu dem unteren Ende zu, so dass der Öleinlass eine Trichterform bildet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen unteren Teil und einen oberen Teil aufweist, die dahingehend miteinander verschweißt sind, einen einstückigen Kolben zu erzeugen. Der untere Teil weist mindestens einen Kolbenschaft auf, und der obere Teil weist mindestens einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg und einen umlaufenden Ringbereich, der mit Ringnuten versehen ist, auf. Der untere und der obere Teil sind miteinander verschweißt und bilden zwischen sich einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal. Ein trichterförmiger Öleinlass ist dahingehend in den unteren Teil geschmiedet, zu gestatten, dass Öl effizient in den Kühlkanal eingespritzt wird.
Stand der Technik
Bei Kolben mit geschlossenen Kühlkanälen ist es notwendig, einen Einlass, durch den Kühlöl eingespritzt wird, bereitzustellen. Dieser Einlass wird gewöhnlich durch den Boden des Kühlkanals hindurch bereitgestellt und steht mit der Unterseite des Kolbens in dem Bereich unmittelbar außerhalb der Bolzennabe in Verbindung. Öl wird über eine Düse durch diesen Einlass zum Kühlen des Kolbens während des Betriebs eingespritzt. Der Einspritzwinkel wird stark berücksichtigt, da mit einem breiteren Winkel beim Eintreten des Öls in den Kühlkanal eine bessere Kühlung erzielt wird.
Es sind einige Anstrengungen unternommen worden, einen Öleinlass zu konstruieren, der den Kühlungswirkungsgrad des Öls maximiert. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 5,730,090 von Kling et al. einen Kolben mit einem länglichen Öleinlass und einer gekrümmten Schaftwand, die die Leitung des Ölstrahls zum Eintreten in den Einlass unterstützt. Das US-Patent Nr. 7,051,684 von Bauer zeigt einen Kolben, der einen Einsatz in der Kühlkanalabdeckung aufweist. Der Einsatz ist so geformt, dass er am Boden breiter ist, so dass er das in den Kühlkanal eintretende Öl sammeln kann, und ist dahingehend geformt, das Öl effizient durch den Kanal zu befördern.
WO97/48896 von Nardi offenbart einen Kolben mit einem Öleinlass, der an dem Boden breiter als an dem Eingang zum Kühlkanal ist. Die Wände des Öleinlasses sind dahingehend konisch, das Öl zur Innenseite des Kühlkanals abzulenken. Der Öleinlass ist als ein Kanal durch den Kolbenbasisabschnitt ausgebildet. Obgleich diese Lösung effektiv sein kann, weißt der resultierende Kolben den Nachteil überschüssigen Gewichts auf, da sich das zur Erzeugung des länglichen Öleinlasses erforderliche Material komplett um den Umfang des Kolbens erstreckt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der einen geschlossenen Kühlkanal und einen trichterförmigen Öleinlass, der in den Kolbenbasiskörper eingeschmiedet ist, bereitzustellen, ohne das Gewicht des Kolbens wesentlich zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben für einen Verbrennungsmotor gelöst, der aus einem oberen Teil, der mit einem unteren Teil verbunden ist, gebildet ist. Der obere Teil weist einen Kolbenboden, eine Verbrennungsmulde und einen Ringbereich, der sich umlaufend um den oberen Teil des Kolbens herum erstreckt, auf. Der untere Teil enthält Bolzennaben und einen Kolbenschaft. Ein umlaufender Kühlkanal wird durch Verbinden des oberen Teils und des unteren Teils gebildet und weist einen durch den unteren Teil gebildeten Boden auf. Sowohl der obere als auch der untere Teil weist eine innere und eine äußere umlaufende Wand auf, die in Verbindung slächen enden. Die Verbindungsfläche der äußeren umlaufenden Wand des oberen Teils ist mit der Verbindungsfläche der äußeren umlaufenden Wand des unteren Teils verbunden, und die Verbindungsflächen der inneren umlaufenden Wände des oberen und des unteren Teils sind auch durch Löten oder Schweißen, und bei einem derartigen Beispiel durch Reibschweißen, verbunden. Der geschlossene Kühlkanal wird somit zwischen den verbundenen inneren und äußeren umlaufenden Wänden ausgebildet.
Es gibt mindestens einen Öleinlass, der einstückig mit dem unteren Teil des Kolbens, vorzugsweise durch Schmieden, ausgebildet ist. Der Einlass weist ein unteres Ende und ein oberes Ende, das am Boden des Kühlkanals endet, auf. Eine Bohrung erstreckt sich durch den Öleinlass von dem unteren Ende durch den Boden des Kühlkanals nach oben. Der Umfang der Bohrung verringert sich von dem unteren Ende zu dem oberen Ende, so dass der Öleinlass trichter förmig ist. Der Öleinlass wird auf einer Seite durch eine innere Wand des Kolbenschafts und auf einer gegenüberliegenden Seite durch einen umlaufenden Bund, der mit dem Kolbenschaft verbunden ist, gebildet.
Bei einer Ausführungsform ist der Öleinlass neben einer der Bolzennaben positioniert, und der Bund ist mit einem Ende mit dem Kolbenschaft und an einem anderen Ende mit einer inneren Wand der jeweiligen Bolzennabe verbunden.
Die Trichterform des Öleinlasses maximiert die Menge an Kühlöl, das in den Kühlkanal eintreten kann, da das Öl, das in den Einlass eingespritzt wird, von den schrägen Wänden weg abgelenkt wird und mit verschiedenen Winkeln in den Kühlkanal eintreten kann. Für die bestmöglichen Ergebnisse liegt ein Verhältnis der Fläche der Bohrung an dem oberen Ende zu der Fläche der Bohrung an dem unteren Ende im Bereich von 1:2 bis 1:8.
Die Bohrung kann an dem unteren Ende nicht kreisförmig, d. h. länglich, und an dem oberen Ende kreisförmig oder nicht kreisförmig sein. Die längliche Form an dem unteren Ende gestattet die Verwendung einer geteilten Öleinspritzdüse, die einen nicht kreisförmigen Strahl ausgibt. Das Abgleichen der Einspritzdüse mit der Form des unteren Endes bewirkt, dass der Öleinlass die maximal mögliche Menge an Öl aufnimmt und es in den Kühlkanal ohne exzessives Zurückspritzen einspeist.
Bei einer Ausführungsform weist der Bereich der inneren Wand des Kolbenschafts, der den Öleinlass bildet, eine axiale Nut darin auf, die eine der Seiten der Bohrung definiert.
Der Bund und somit der Öleinlass selbst weist vorzugsweise eine axiale Höhe zwischen 5 und 12 mm auf. Es versteht sich jedoch, dass die Höhe des Bundes zur Größe des Kolbens und dem zur Verfügung stehenden Zwischenraum zwischen dem Kolben und der Pleuelstange im Verhältnis steht. Bei einigen Ausführungen kann die Bundhöhe 20 mm überschreiten, um die Aufnahme von Öl in und durch den Kühlkanal weiter zu erhöhen. Der Bund weist eine innere Wand und eine äußere Wand, die durch einen gekrümmten Boden verbunden sind, auf. Der gekrümmte Boden weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 4-15 mm auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zwei Öleinlässe, die ungefähr 180° voneinander angeordnet sind. In diesem Fall wird einer der Einlässe als ein Ölauslass verwendet, um zu gestatten, dass das Öl wieder aus dem Kühlkanal herausläuft.
Figurenliste
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen lediglich veranschaulichend sind und keine Definition der Beschränkungen der Erfindung sein sollen.
In den Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugszeichen über die verschiedenen Ansichten hinweg ähnliche Elemente angeben, zeigen:

• 1 eine Querschnittsansicht des Kolbens gemäß der Erfindung;
• 2 eine Ansicht des Kolbens von der Seite und von unten;
• 3 eine Ansicht des Kolbens von unten; und
• 4 das Ölstrahlbild durch den Öleinlass in einer Querschnittsansicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUS FÜHRUNGS FORM
Es wird nun genauer auf die Zeichnungen und insbesondere 1-3 Bezug genommen, die einen Kolben 10 gemäß der Erfindung zeigen, wobei die Querschnittsansicht von 1 entlang Linie I-I von 3 entnommen ist. Der Kolben 10 wird aus einem oberen Teil 20 gebildet, der einen Kolbenboden 21, einen Ringbereich 22 und eine Verbrennungsmulde 23 aufweist. Der untere Teil 30 setzt sich aus zwei Bolzennaben 31 und einem Schaft 32 zusammen. Ein geschlossener Kühlkanal 40 wird zwischen dem oberen Teil 10 und dem unteren Teil 20 durch dahingehendes Verbinden der inneren und der äußeren umlaufenden Wand 24, 25 des oberen Teils 20 mit der inneren und der äußeren umlaufenden Wand 34, 35 des unteren Teils 30 durch Löten oder Schweißen, den Kühlkanal 40 zu umschließen, gebildet.
Um zu gestatten, dass Kühlöl in den Kühlkanal 40 eintritt, ist mindestens ein Öleinlass 50 vorgesehen, der einen Boden des Kühlkanals 40 durchdringt. Der Öleinlass 50 weist eine Bohrung 51 auf, die von einem Bund 52 umgeben wird, der sich zwischen dem Schaft 32 und der Bolzennabe 31 erstreckt. Der Bund 52 ist einstückig mit dem unteren Teil 30 geschmiedet. Die Bohrung 51 erstreckt sich in die innere Wand des Schafts 32 in dem Bereich 53. Der Bund 52 und die innere Schaftwand 36 bilden einen Öleinlass 50, der trichterförmig ist, wie in 1 gezeigt wird. Die Bohrung 51 in dem unteren Ende des Einlasses 50 weist einen größeren Durchmesser d₁ als der Durchmesser d₂ in dem oberen Ende, das sich in den Kühlkanal 40 erstreckt, auf. Beispielsweise kann d₁ 16 mm betragen und d₂ beträgt vorzugsweise zwischen 20 mm und 45 mm. Insbesondere weist die Bohrung 51 in dem unteren Ende des Öleinlasses 50 eine Fläche auf, die zwischen dem 2- und 8-Fachen der Fläche der Bohrung 51 in dem oberen Ende am Boden des Kühlkanals 40 beträgt.
Der Bund 52 weist eine innere Wand 54 und eine äußere Wand 55, die durch einen gekrümmten Boden 56 verbunden sind, auf. Der gekrümmte Boden 56 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius von 4-15 mm auf. Die innere Wand 54 ist dahingehend schräg, die Trichterform des Öleinlasses 50 zu erzeugen.
Wie in 3 gezeigt wird, kann es zwei Öleinlässe 50 geben, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 10 positioniert sind. Die Bohrung 51 in jedem Einlass 50 weist eine längliche Form 60 mit dem Durchmesser d₂ an dem unteren Ende des Einlasses 50 auf. Diese Form ist bei der Verwendung einer geteilten Öldüse 70 gemäß der Darstellung in 4 von Vorteil, da die längliche Form des Sprühstrahls 71, der aus der Düse 70 Austritt, von der Bohrung 51 komplett erfasst wird und durch die Bohrung 51 bei minimalem Zurückspritzen in den Kühlkanal 40 geleitet wird.
Durch die Konfiguration des Öleinlasses 50 über den Bund 52 ist sehr wenig zusätzliches Material zur Konfiguration des trichterförmigen Öleinlasses erforderlich. Dadurch wird das Gewicht des Kolbens auf ein Minimum reduziert, was zu einer verbesserten Leistung führt. Die Konfiguration des Öleinlasses 50 als ein länglicher Einlass in dem unteren Abschnitt maximiert die Ölaufnahme, insbesondere bei Verwendung einer geteilten Öldüse. Darüber hinaus werden durch das Schmieden des trichterförmigen Öleinlasses sekundäre Arbeitsgänge, die in der Regel zur Erzeugung eines Trichters um die Einlassbohrung herum erforderlich sind, reduziert. Beispielsweise kann durch den geschmiedeten Einlass der Einsatz zusammen mit einem Presspassungs- oder Gewindeschnittarbeitsgang zur Sicherung des Einsatzes in der Bohrung reduziert oder beseitigt werden, wodurch die Herstellungskosten des Kolbens reduziert werden.
Entsprechend ist es offensichtlich, dass, obgleich lediglich einige wenige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, viele Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5730090 [0003]
US 7051684 [0003]
WO 9748896 [0004]

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, der Folgendes umfasst: - einen oberen Teil, der eine Verbrennungsmulde, einen Feuersteg und einen Ringbereich, der sich umlaufend um den oberen Teil des Kolbens herum erstreckt, aufweist, - einen unteren Teil, der mit dem oberen Teil verbunden ist, wobei der untere Teil Bolzennaben und einen Kolbenschaft aufweist; - einen umlaufenden Kühlkanal, der durch den oberen Teil und den unteren Teil gebildet wird und einen durch den unteren Teil gebildeten Boden aufweist; und - mindestens einen Öleinlass, der einstückig mit dem unteren Teil des Kolbens ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Öleinlass ein unteres Ende und ein oberes Ende aufweist, wobei das obere Ende am Boden des Kühlkanals endet, wobei der Öleinlass eine Bohrung aufweist, die sich von dem unteren Ende durch den Boden des Kühlkanals erstreckt, wobei der Umfang der Bohrung von dem oberen Ende zu dem unteren Ende zunimmt, wobei der Öleinlass auf einer Seite durch eine innere Wand des Kolbenschafts und auf einer gegenüberliegenden Seite durch einen umlaufenden Bund, der mit dem Kolbenschaft verbunden ist, gebildet wird.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der Bund mit einem Ende mit dem Kolbenschaft und an einem anderen Ende mit einer inneren Wand einer der Bolzennaben verbunden ist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis einer Fläche der Bohrung an dem oberen Ende zu der Fläche der Bohrung an dem unteren Ende im Bereich von 1:2 bis 1:8 liegt.
Kolben nach Anspruch 1, wobei die Bohrung an dem unteren Ende nicht kreisförmig ist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der Bereich der inneren Wand des Kolbenschafts, der den Öleinlass bildet, eine axiale Nut darin aufweist, wobei die Nut eine Seite der Bohrung definiert.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der Öleinlass durch Schmieden hergestellt ist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der Bund eine axiale Höhe zwischen 5 und 12 mm aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der Bund eine innere Wand und eine äußere Wand, die durch einen gekrümmten Boden verbunden sind, aufweist.
Kolben nach Anspruch 8, wobei der gekrümmte Boden einen Krümmungsradius von 4-15 mm aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der obere Teil mit dem unteren Teil verschweißt ist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei es zwei Öleinlässe gibt, die ungefähr 180° voneinander angeordnet sind.