DE19703001C2 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für Verbrennungsmotoren.

Die Kolben von Verbrennungsmotoren sind aufgrund der in dem Brennraum stattfindenden Verbrennungen hohen thermischen Belastungen unterworfen. Hierbei ist es insbesondere bei Dieselmotoren und aufgeladenen Motoren zweckmäßig, die Kühlung der Kolben durch die Zuführung von Kühlmittel zu Hohlräumen in dem Kolben zu gewährleisten.

Aus der DE 30 19 953 A1 ist es bekannt, in einem Kolbenoberteil einen ringförmigen Kühlmittelkanal vorzusehen, der über geeignete Einlaßbohrungen von der Seite des Kurbelraumes her mit Kühlmittel, beispielsweise Öl, beaufschlagt wird. Über einen kurzen radial verlaufenden Kühlmittelkanal, der von dem ringförmigen Kühlmittelkanal abgezweigt ist, wird das Kühlmittel etwa im Zentrum des Kolbens zum Kurbelraum hin abgelassen. Eine derartige Anordnung der Kühlmittelkanäle ist deshalb von Nachteil, weil das Kühlmittel im mittleren Bereich des Kolbens, der einer besonders hohen Wärmebelastung unterliegt, den Kontakt zu dem Kolben verliert, wenn es aus der Ablaßöffnung ausfließt. Eine hinreichende Kühlung des Kolbens kann somit durch die aus der genannten Druckschrift bekannte Anordnung von Kühlmittelkanälen nicht immer gewährleistet werden. Da bei diesem bekannten Kolben der Ölablauf über dem Bolzenlager liegen muß, sind die gezeigten Kühlmittelkanäle ferner nur für flache Mulden oder nur halbseitig zu verwenden.

Aus der DE 34 44 661 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben bekannt, der neben einem ringförmigen Kühlmittelkanal mehrere Sacklochbohrungen aufweist, die von dem ringförmigen Kühlmittelkanal in Richtung des Kolbenbodens abzweigen. Ferner sind mehrere sternförmig angeordnete, radial verlaufende Kühlmittelkanäle ausgebildet, und im Kreuzungspunkt dieser Kühlmittelkanäle ist eine Ablaßöffnung vorgesehen. Somit besteht auch für diesen bekannten Kolben der Nachteil, daß das Kühlmittel in demjenigen Bereich nach unten abfließt, welcher der höchsten thermischen Belastung unterworfen ist, so daß die Kühlung unzureichend ist. Ferner weist die beschriebene Anordnung von Kühlmittelkanälen eine sehr komplizierte Gestalt auf, so daß dieser Kolben nur mit einem unerwünscht hohen Aufwand und äußerst komplizierten, mehrarmigen Gießkernen herstellbar ist. Dieser Nachteil verbleibt insbesondere auch für eine Ausführungsform des aus der DE 34 44 661 A1 bekannten Kolbens, bei der im Kreuzungspunkt der radial verlaufenden Kühlmittelkanäle keine Ablaßöffnung ausgebildet ist.

Schließlich ist aus der DE 38 19 663 A1 ein flüssigkeitsgekühlter Kolben mit zwei ringförmigen Hohlräumen im Kolbenoberteil und im Kolbenunterteil, sowie einem mittleren Hohlraum bekannt. Auch dieser Kolben ist jedoch aufgrund der komplizierten Gestalt der vorhandenen Kühlmittelkanäle nur mit einem hohen Herstellungsaufwand zu fertigen.

Angesichts dieser Nachteile der im Stand der Technik bekannten flüssigkeitsgekühlten Kolben liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem eine ausreichende Kühlung des Kolbens in sämtlichen Bereichen gewährleistet ist, und der darüber hinaus bei einem geringen Herstellungsaufwand zu fertigen und mit einem geringen Montageaufwand einzubauen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Demzufolge sind bei dem erfindungsgemäßen Kolben zum einen zwei in einem Kolbenoberteil ausgebildete, ringsegmentförmige Kühlmittelkanäle vorgesehen, die jeweils an bezüglich einer Kolbenbolzenachse symmetrischen Stelle zur Kühlmittelzufuhr und zum Kühlmittelablaß zu einem Kurbelraum hin Öffnungen besitzen. Zum anderen ist ein radial verlaufender, in seinem Verlauf zum Kurbelraum hin geschlossener Verbindungskanal vorgesehen, der mit den ringsegmentförmigen Kanälen im Bereich der Öffnungen in den Kurbelraum mündet.

Durch die einfache Gestalt der in dem erfindungsgemäßen Kolben vorgesehenen Hohlräume zur Kühlmittelzufuhr, nämlich zwei ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen und einem Verbindungs- oder Brückenkanal, ist der erfindungsgemäße Kolben mit Hilfe eines einfachen Gießkernes mit geringem Aufwand herstellbar. Ferner ergibt sich aufgrund der Symmetrie des erfindungsgemäßen Kolbens zu der Kolbenbolzenachse der Vorteil, daß bei der Montage des Kolbens nicht auf die Ausrichtung des Kolbens geachtet werden muß. Wie erwähnt, sind in den ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen an Stellen, die bezüglich der Kolbenbolzenachse symmetrisch angeordnet sind, Öffnungen vorgesehen, und die Bereiche der Öffnungen sind durch den radial verlaufenden Verbindungskanal miteinander verbunden. Der Kolben ist folglich zur Kolbenbolzenachse symmetrisch ausgebildet, und jede der in den ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen ausgebildeten Öffnungen kann als Zuführ- oder als Ablaßöffnung verwendet werden. Bei der Montage des Kolbens macht es somit keinen Unterschied, welche der beiden Öffnungen im Bereich derjenigen Vorrichtung in dem Kurbelraum angeordnet wird, die für eine Zuführung des Kühlmittels, beispielsweise Kühlöl, zu den Hohlräumen des Kolbens sorgt.

Ferner ist der unterhalb der Brennraummulde in dem Kolbenboden verlaufende Verbindungskanal zum Kurbelraum hin geschlossen. Somit erfolgt der Ablaß des Kühlmittels bei dem erfindungsgemäßen Kolben keinesfalls in einem mittleren Bereich des Kolbens, der besonders hohen thermischen Belastungen unterworfen ist. Durch den Durchfluß des Kühlmittels durch den Verbindungskanal unterhalb der Brennraummulde erfolgt eine zweckmäßige Abführung der auf den Kolben übertragenen Wärme, und das Kühlmittel wird in einem Randbereich abgelassen, der ohnehin in geringerem Ausmaß einer Wärmebelastung unterliegt. Hierdurch kann in zweckmäßiger Weise eine stets ausreichende Wärmeabfuhr erfolgen.

Für die Verteilung des Kühlmittels in die als Einlaßöffnung fungierende Öffnung der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle bietet es erfindungsgemäß Vorteile, daß im Bereich der Öffnungen der Kühlmittelkanäle jeweils Ablenkeinrichtungen vorgesehen sind, die einen auf die Öffnung gerichteten Kühlmittelstrahl in Abhängigkeit der Hubhöhe des Kolbens im Zylinder in einen der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle oder den Verbindungskanal ablenkt. Bei der beschriebenen Ablenkeinrichtung handelt es sich beispielsweise um einen rippenartigen Vorsprung, der im Bereich des Öffnungsbodens, also der Zone, die dem Kolbenboden am nächsten ist, ausgebildet ist. Durch geeignete Gestaltung dieser Ablenkeinrichtungen wird hierdurch im Verlauf des Arbeitszyklus eine Zuführung des Kühlmittels zu sämtlichen Kühlmittelkanälen des erfindungsgemäßen Kolbens sichergestellt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Für den Verbindungskanal wird bevorzugt, daß dieser zumindest bereichsweise geneigt ausgebildet ist. Durch eine derartige Gestaltung des Verbindungskanals kann in vorteilhafter Weise eine Anpassung des Verlaufs des Verbindungskanals an die Form der Brennraummulde bzw. des Kolbenbodens insgesamt erfolgen.

Ferner wird hierdurch für einen zuverlässigen Durchfluß des Kühlmittels, ohne die Gefahr eines Staus, gesorgt.

In vorteilhafter Weise kann der Verbindungskanal hinsichtlich seines Verlaufs an den Boden einer in dem Kolbenboden ausgebildeten Brennraummulde angepaßt werden. Durch diese Maßnahme kann eine besonders zuverlässige Kühlung des Kolbens in dem besonders stark erwärmten Bereich der Brennraummulde erfolgen.

In besonderen Versuchen hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, den Verbindungskanal überwiegend oberhalb des Niveaus der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle auszubilden. Hierdurch kann der Verbindungskanal besonders nahe an den Kolbenboden herangeführt werden, um die Kühlung dieses Bereichs zu bewerkstelligen, wobei gleichzeitig die Zuführung von Kühlmittel zu den unterhalb des Verbindungskanals, im Bereich der ringsegmentförmigen Kühlkanäle angeordneten Öffnungen in einfacher Weise gewährleistet werden kann.

Für die Querschnitte der Kühlmittelkanäle haben Versuche ergeben, daß es vorteilhaft ist, diese derart auszubilden, daß sie in einer Entfernung von den Öffnungen größer werden. In Verbindung mit geeignet gestalteten, vergleichsweise großen Öffnungen, durch die das Kühlmittel abfließt, kann hierdurch eine kurze Verweildauer des Kühlöls erreicht werden, was für eine äußerst geringe Erwärmung des Kolbenbodens und des Brennraummuldenbodens sorgt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Kolbens mit dem Verlauf der Kühlmittelkanäle;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Kolbens senkrecht zur Kolbenbolzenachse; und

Fig. 3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens mit Teilschnitt parallel zur Kolbenbolzenachse.

Bei der Darstellung von Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht des erfindungsgemäßen Kolbens 10 der Verlauf der Kühlmittelkanäle dargestellt. Im einzelnen ist in der in radialer Richtung äußeren Hälfte des Kolbenoberteils des Kolbens 10 je ein ringsegmentförmiger Kühlmittelkanal 12a und 12b ausgebildet. Im Verlauf der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle 12a und 12b sind an zwei diametral einander gegenüberliegenden, zur Kolbenbolzenachse 14 symmetrischen Stellen Öffnungen 16a, 16b und 18 ausgebildet. In der Darstellung von Fig. 1 sind die Mündungen der Öffnungen 16a, 16b und 18 gestrichelt gezeichnet.

Im Bereich der Öffnungen 16a und 16b ist ein Verbindungskanal 20, der auch als Brückenkanal bezeichnet wird, mit den ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen 12a, 12b verbunden. Erfindungsgemäß ist dieser Verbindungskanal 20 in seinem Verlauf nicht zum Kurbelraum hin geöffnet. Vielmehr steht der Verbindungskanal 20 lediglich im Bereich der Öffnungen 16a, 16b und 18 mit den ringsegmentförmigen Kanälen 12a und 12b in Verbindung. Hierdurch erfolgt die Kühlmittelzufuhr über eine der beiden Öffnungen 16a und 16b jeweils in die ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle 12a, 12b oder über die Öffnung 18 in den Verbindungskanal 20.

Das Kühlmittel, das in den Verbindungskanal 20 gelangt, kühlt durch den Wärmeübergang von den umgebenden Bereichen des Kolbenoberteils, die unterhalb des Kolbenbodens und insbesondere im Bereich der Brennraummulde liegen, diese Zonen des Kolbens. Der Abfluß des Kühlmittels erfolgt durch die jeweils andere Öffnung 18. Wie beschrieben, ist der Kolben durch die entsprechende Anordnung der Öffnungen 16a, 16b und den Verbindungskanal 20 zur Kolbenbolzenachse 14 völlig symmetrisch, so daß der Einbau des Kolbens vereinfacht werden kann, indem die Ausrichtung des Kolbens 10 nicht beachtet werden muß.

Je nachdem welche der Öffnungen 16a, 16b, 18 oberhalb derjenigen Einrichtung in dem Kurbelraum angeordnet wird, die für die Zuführung des Kühlmittelstrahls zu dem Kolben 10 sorgt, gelangt das Kühlmittel durch die entsprechende Öffnung in einen der Kühlmittelkanäle 12a, 12b und 20 und verläßt diese Kanäle durch die andere der Öffnungen 16a, 16b, 18. In der Draufsicht von Fig. 1 ist ebenfalls zu erkennen, daß die Kanäle 12a, 12b und 20 in dem von den Öffnungen 16a, 16b und 18 entfernten Bereich größer werdend ausgebildet sind, was sich für die Kühlwirkung durch das hindurchfließende Kühlmittel als vorteilhaft erwiesen hat.

In der Schnittdarstellung von Fig. 2, die einen Schnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse darstellt, ist insbesondere der an eine Brennraummulde 22 angepaßte Verlauf des Verbindungskanals 20 zu erkennen. Der Verbindungskanal 20, der im Bereich der Öffnungen 16a, 16b, 18, von denen nur die Öffnungen 16a und 18 gezeigt sind, mit dem (in Fig. 2 nicht gezeigten) ringsegmentförmigen Kanal 12a verbunden ist, verläuft ausgehend von dem Bereich der Öffnung 18 nach oben, in Richtung des Kolbenbodens 24 geneigt und ist dadurch an die Gestalt der Brennraummulde 22 angepaßt.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ist der Kolbenboden 24 in einem zentralen Abschnitt vergleichsweise geringfügig ausgenommen, während die Ausnehmung zu den Randbereichen hin zur Ausbildung einer ringförmigen Brennraummulde größer wird. Für eine optimale Kühlung des Bereichs unterhalb der Brennraummulde 22, der in hohem Ausmaß einer Wärmebelastung unterworfen ist, ist der Verbindungskanal 20 vom Randbereich in Richtung des mittleren Bereichs des Kolbens ansteigend ausgebildet. Aufgrund der symmetrischen Gestalt der Brennraummulde 22 verläuft auch der Verbindungskanal 20 zur Kolbenbolzenachse symmetrisch, so daß sich ein weitgehend dachartiger Verlauf des Verbindungskanals 20 einstellt.

Durch den vergleichsweise geringen Abstand des Verbindungskanals 20 von der Brennraummulde 22 kann hierdurch eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt werden. Insbesondere kann von einem an die Gestalt der Brennraummulde 22 angepaßten Verlauf des Verbindungskanals 20 gesprochen werden, der in vorteilhafter Weise für eine optimierte Kühlung dieser Zonen sorgt.

Aus Fig. 2, in welcher der vollständige Verlauf des Verbindungskanals 20 angedeutet ist, geht ferner hervor, daß dieser erfindungsgemäß zum Kurbelraum hin verschlossen ist, so daß der Abfluß des Kühlmittels in einem Randbereich, über eine der Öffnungen 18 erfolgt, so daß insbesondere eine ausreichende Kühlung des einer besonderen Wärmebelastung unterliegenden mittleren Bereichs gewährleistet ist.

Aus dem parallel zur Kolbenbolzenachse 14 genommenen Teilschnitt der Fig. 3 ist ein fakultatives Merkmal der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10, nämlich eine der Ablenkeinrichtungen 26 zu erkennen. Aus der Schnittdarstellung von Fig. 3 ergibt sich zum einen die Anordnung der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle 12a, 12b in einem Randbereich und in einem unteren Bereich des Kolbenoberteils. Der in der Fig. 3 nicht dargestellte Kühlmittelkanal 12b liegt in bezug auf die senkrecht zur Achse des Kolenbolzens stehende Kolbenmittelachse symmetrisch zu dem dargestellten Kühlmittelkanal 12a. Ferner ist im mittleren, oberen Bereich des Kolbens 10 zu sehen, daß der Verbindungskanal 20 an die Brennraummulde 22 zur Kühlung dieser Zonen des Kolbens 10 herangeführt ist.

Bei der gezeigten Ausführungsform befinden sich im Bereich der Öffnungen 16a und 18 (symmetrisch ebenso im Bereich der nicht dargestellten Öffnung 16b) zu den Kühlmittelkanälen 12a und 20 (symmetrisch ebenso zu dem nicht dargestellten Kühl­ mittelkanal 12b) in Fig. 3 teils gestrichelt gezeichnete Ablenkeinrichtungen 26, in Form eines gerundeten Vorsprungs oder einer Rippe. Aufgrund der Hubhöhe des Kolbens 10 in der Zylinderbuchse sorgen diese Ablenkeinrichtungen 26, auf die der (nicht gezeigte) Kühlmittelstrahl auftrifft, für eine Ablenkung des Kühlmittelstrahls gemäß der Darstellung von Fig. 3 in den linken oder den rechten ringsegmentförmigen Kühlmittelkanal 12a, 12b oder in den Verbindungskanal 20 (wobei, wie bereits erwähnt, der rechte ringsegmentförmige Kühlmittelkanal 12b nicht dargestellt ist). Die Ablenkeinrichtungen 26 sind jeweils am Grund der Öffnung 16a, 16b, 18, also an der dem Kühlmitteleintritt gegenüber­ liegenden Seite der Öffnung 16a, 16b, 18 ausgebildet und weisen in der Draufsicht die in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Gestalt auf. In derjenigen Öffnung 16a, 16b, 18, die für den Ölablaß sorgt, behindert die entsprechende Rippe 26 das Ausfließen des Kühlöls nicht, so daß der erfindungsgemäße Kolben 10 symmetrisch gestaltet werden kann und in beliebiger Orientierung eingebaut werden kann, um für die als Eintrittsöffnung benutzte Öffnung 16a, 16b, 18 die vorteilhafte Wirkung der Rippen 26 zu nutzen.

Claims (5)

1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben (10) für Verbrennungsmotoren, mit:

• 1. zumindest einem in einem Kolbenoberteil ausgebildeten ringsegmentförmigen Kühlmittelkanal (12a, 12b), der an bezüglich einer Kolbenbolzenachse (14) symmetrischen Stellen Öffnungen (16a, 16b) zur Kühlmittelzufuhr und zum Kühlmittelablaß zu einem Kurbelraum hin besitzt, und
• 2. einem annähernd radial verlaufenden, in seinem Verlauf zum Kurbelraum hin geschlossenen Verbindungskanal (20), der mit den ringsegmentförmigen Kanälen (12a, 12b) im Bereich der Öffnungen (16a, 16b, 18) verbunden ist,
• 3. wobei im Bereich der Öffnungen (16a, 16b, 18) der Kühlmittelkanäle (12a, 12b, 20) jeweils eine Ablenkeinrichtung (26) vorgesehen ist, die einen auf die Öffnungen (16a, 16b, 18) gerichteten Kühlmittelstrahl in Abhängigkeit einer Hubhöhe des Kolbens (10) in einem Zylinder in einen der beiden ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle (12a, 12b) oder in den Verbindungskanal (20) ablenkt.

2. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (20) zumindest bereichsweise geneigt ausgebildet ist.

3. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (20) hinsichtlich seines Verlaufs an den Boden einer in einem Kolbenboden (24) ausgebildeten Brennraummulde (22) angepaßt ausgebildet ist.

4. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (20) überwiegend oberhalb des Niveaus der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle (12a, 12b) verläuft.

5. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Kühlmittelkanäle (12a, 12b, 20) derart ausgebildet sind, daß sie in einer Entfernung von den Öffnungen (16a, 16b, 18) größer werden.