DE19933036A1 - Kühlkanalkolben für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben für eine Verbrennungskraftmaschine, dessen Ringfeld (2) eine erste und eine zweite Ringnut (4, 6) aufweist, von denen zumindest eine in einem in den Kolbenwerkstoff eingegossenen Ringträgerbauteil (8) ausgebildet ist, und mit einem in Umfangsrichtung hinter dem Ringfeld (2) des Kolbens verlaufenden Kühlkanal (12), der radial außen durch die radial innere Seite (14) des Ringträgerbauteils (8) begrenzt wird; um die Kühlung effektiever zu gestalten, ist der Kolben erfindungsgemäß so ausgebildet, dass das Ringträgerbauteil (8) an seiner radial inneren Seite (14) mindestens eine in Umfangsrichtung erstreckte nutförmige Ausnehmung (24) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben für eine Verbrennungskraftmaschine, dessen Ringfeld eine erste und eine zweite Ringnut aufweist, von denen zumindest eine in einem in den Kolbenwerkstoff eingegossenen Ringträgerbauteil ausgebildet ist, und mit einem in Umfangsrichtung hinter dem Ringfeld des Kolbens verlaufenden Kühlkanal, der radial außen durch die radial innere Seite des Ringträgerbauteils begrenzt wird.

Insbesondere für PKW-Dieselmotoren mit hoher thermischer und mechanischer Belastung und mit einem Kolbendurchmesser von 50 bis 150 mm wird die Anordnung eines durch einen herkömmlichen Salzkern gebildeten Kühlkanals aufgrund geringer Kompressionshöhe und im Durchmesser großer Brennraummulden insbesondere bei 2-Ventilmotoren zunehmend schwierig. Es ergeben sich Kühlungsprobleme bei der ersten und zweiten Ringnut.

Um die Kühlung der Ringnutbereiche zu verbessern wurde bereits vorgeschlagen, hinter dem Ringfeld des Kolbens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanal vorzusehen, der radial außen direkt durch die radial innere Seite des Ringträgerbauteils begrenzt wird.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kühlung, die durch im Kühlkanal fließendes Öl hervorgerufen wird, weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kühlkanalkolben der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ringträgerbauteil an seiner radial inneren Seite eine in Umfangsrichtung erstreckte, vorzugsweise umlaufende nutförmige Ausnehmung aufweist. Auf diese Weise kann die zum Wärmeübergang vom Ringträgerbauteil an das Kühlmedium zur Verfügung stehende Oberfläche wesentlich vergrößert werden und die hierdurch erreichte Kühlkapazität wird erhöht.

Üblicherweise werden Ringträgerbauteile aus massiven aus harter Legierung bestehenden ringscheibenförmigen Bauteilen gebildet, die in die Kolbenlegierung beim Gießen des Kolbens mit eingegossen werden. Die Ringnuten werden in einem anschließenden Schritt durch spanende Bearbeitung hergestellt. Es wäre indessen jedenfalls grundsätzlich auch denkbar, das Ringträgerbauteil und dessen Ringnuten aus einem streifenförmigen Material zu walzen. Solchenfalls könnte die in Umfangsrichtung verlaufende nutförmige Ausnehmung auch durch mehrfaches Abkanten dieses streifenförmigen Materials hergestellt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform, die von einem massiven einzugiessenden Ringträgerbauteil ausgeht, ist die nutförmige Ausnehmung von einer Eindrehung gebildet. Sie ist vorzugsweise verrundet ausgebildet.

Die Höhe der nutförmigen Ausnehmung in Richtung der Kolbenlängsachse ist von der Gesamthöhe bzw. -abmessung des Ringträgerbauteils abhängig. Sie beträgt vorteilhafterweise 2 bis 5 mm. Auch die radiale Tiefe der nutförmigen Ausnehmung beträgt vorzugsweise 2 bis 5 mm. Das Ringträgerbauteil weist vorteilhafterweise eine solche Höhe auf, dass die erste und die zweite Ringnut in demselben Ringträgerbauteil ausgebildet sind.

Es wäre zumindest grundsätzlich denkbar, dass der Kühlkanal durch einen an der Innenseite des Ringträgerbauteils angeklipsten Salzkern hergestellt wird. Indessen erweist es sich als vorteilhafter, wenn der Kühlkanal durch ein an das Ringträgerbauteil angefügtes Kühlkanalbauteil begrenzt ist. Dieses Kühlkanalbauteil ist dann im Querschnitt betrachtet U-, V- oder C-förmig im weitesten Sinne ausgebildet und mit seinen freien Schenkeln an das Ringträgerbauteil angefügt, vorzugsweise angeschweißt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlkanalbauteil im Querschnitt betrachtet so ausgebildet, dass der Kühlkanal vom Boden des Kolbens in Richtung auf die Naben eine zunehmende radiale Tiefe oder Breite aufweist. Der Kühlkanal reicht damit auf Höhe einer voluminösen Ausformung der Brennraummulde sehr weit an diese heran. Um eine hinreichende Stabilität bzw. Wanddicke zwischen der Brennraummulde und dem Kühlkanal dennoch sicherzustellen, kann es sich auch als vorteilhaft erweisen, wenn die im Querschnitt betrachtete Kontur des Kühlkanalbauteils der Kontur der Brennraummulde folgend bogenförmig gekrümmt ist.

Die vorliegende Erfindung erweist sich als besonders vorteilhaft bei Kolben mit Kolbendurchmessern zwischen 50 und 150 mm mit einer verhältnismäßig geringen Kompressionshöhe von 25 bis 120 mm.

Eine optimale Kühlwirkung bei gleichwohl hinreichender Stabilität wird erreicht, wenn die radiale Dicke des Ringträgerbauteils vom Boden der eingestochenen Ringnuten nach radial innen gemessen 0,5 bis 2,5 mm beträgt und die Steghöhe zwischen der ersten und der zweiten Ringnut des Ringträgerbauteils 2 bis 10 mm beträgt.

Da das Eindrehen einer nutförmigen Ausnehmung in gewisser Weise mit einer Schwächung des Ringträgerbauteils verbunden ist, ist die Dimensionierung der Ausnehmung von besonderer Bedeutung. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das Verhältnis der Höhe der nutförmigen Ausnehmung zur Steghöhe zwischen 0,2 und 0,6 zu wählen. Bei einem Verhältnis größer als 0,6 ergibt sich eine Schwächung des Ringträgerbauteils und bei einem Verhältnis unterhalb von 0,2 ist die hinzugewonnene Kühlkapazität gering, da die Ausnehmung dann eher spaltförmig ist und das Kühlmittel daher weniger intensiv die dortigen Oberflächen beaufschlagt. Die Höhe der ringförmigen Ausnehmung sollte daher wenigstens 2 mm betragen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, für deren Merkmale auch jeweils für sich Schutz beansprucht wird, und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.

In der Zeichnung zeigen:

die Fig. 1 bis 6 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbens.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens mit einem Ringfeld 2, wobei die erste und die zweite Ringnut 4 bzw. 6 in einem in den Kolbenwerkstoff eingegossenen Ringträgerbauteil 8 ausgebildet sind. Das Ringträgerbauteil 8 besteht aus einem harten und verschleißfesten metallischen Werkstoff und ist in die Leichtmetalllegierung, vorzugsweise eine Aluminiumlegierung, des Kolbens eingegossen. Die Ringnuten 4, 6 wie auch die weitere Ölnut 10 des Kolbens sind im Anschluss an den Gießprozess durch spanabhebende Bearbeitung geformt worden.

Hinter dem Ringfeld 2 ist ein in Umfangsrichtung des Kolbens vorzugsweise durchgehend ausgebildeter Kühlkanal 12 vorgesehen. Der Kühlkanal 12 wird radial außen unmittelbar durch die radial innere Seite 14 des Ringträgerbauteils 4 begrenzt. Der Kühlkanal 12 ist während des Gießprozesses nicht durch Einlegen eines Salzkerns gebildet sondern durch ein im Querschnitt C-förmiges torusartig umlaufendes Kühlkanalbauteil 16, welches mit seinen freien Schenkeln 18, 20 an das Ringträgerbauteil 8 angeschweißt ist und so zusammen mit dem Ringträgerbauteil 8 einen geschlossenen umlaufenden Hohlraum bildet, der nicht vom Umguß der Kolbenlegierung erreicht werden kann. Dieser Hohlraum bildet den Kühlkanal 12. Er wird in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt an zwei Stellen mit einer Bohrung 22 versehen, welche Zulauf bzw. Ablauf in bzw. aus dem Kühlkanal 12 bildet.

Zur Erhöhung der Kühlkapazität der Kühlkanalanordnung ist auf der radial inneren Seite 14 des Ringträgerbauteils 8 eine umlaufende nutförmige Ausnehmung 24 in Form einer verrundet ausgebildeten Eindrehung vorgesehen. Auf diese Weise wird eine größere Kontaktfläche bzw. Wärmeübergangsfläche zwischen Ringträgerbauteil 8 und in dem Kühlkanal 12 strömendem Kühlmedium zur Verfügung gestellt und damit eine bessere Kühlwirkung erreicht.

Die nutförmige Ausnehmung 24 weist eine Höhe H in Richtung der Kolbenlängsachse von 2 bis 10 mm auf. Die Steghöhe S zwischen den Ringnuten 4, 6 des Ringträgerbauteils 8 beträgt 2 bis 10 mm.

Der Kühlkanal 12 bzw. das Kühlkanalbauteil 16 ist so ausgebildet, dass seine radiale Tiefe vom Kolbenboden nach unten hin zunimmt. Ein mittlerer Schenkel 26 zwischen den freien Schenkeln 18, 20 verläuft ca. 5 bis 30° geneigt zur Kolbenlängsachse. Die Brennraummulde 28 erstreckt sich in ihrem unteren Bereich weit nach radial außen. Der Abstand zu dem unteren Bereich des Kühlkanalbauteils 18 ist daher verhältnismäßig gering, und es wird eine gute Kühlkapazität erreicht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen mit abweichender Gestaltung des Kühlkanalbauteils 30, 32.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Höhe H der nutförmigen umlaufenden Ausnehmung 34 größer als die Steghöhe S. Ihre Tiefe T ist demgegenüber verhältnismäßig gering. Hierdurch wird noch eine ausreichende Wandstärke des Ringträgerbauteils 38 beim Übergang von der ersten zur zweiten Ringnut 40, 42 beibehalten.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei dem ein Ringträgerbauteil 44 die erste obere Ringnut 46 und die obere Nutflanke 48 der zweiten Ringnut 50 begrenzt. Auch bei dieser Ausführungsform ist an der radial inneren den Kühlkanal begrenzenden Seite eine in Umfangsrichtung erstreckte nutförmige Ausnehmung 52 vorgesehen.

Schließlich zeigt Fig. 6 eine Ausführungsform, bei der ein Ringträgerbauteil 54 aus einem gewalzten und mehrfach abgekanteten Blechstreifen 56 gebildet ist. Die in Umfangsrichtung verlaufende nutförmige Ausnehmung 62 auf der radial inneren Seite des Ringträgerbauteils 54 ist daher nicht durch spanabhebende Bearbeitung sondern durch Abkanten des Blechstreifens 56 gebildet. Durch diese spanlose Bearbeitung sind die Ringnuten 58, 60 bereits vorgefertigt und müssen durch die nachfolgende spanende Bearbeitung nur noch fertiggestochen werden.

Claims (15)

1. Kühlkanalkolben für eine Verbrennungskraftmaschine, dessen Ringfeld (2) eine erste und eine zweite Ringnut (4, 6) aufweist, von denen zumindest eine in einem in den Kolbenwerkstoff eingegossenen Ringträgerbauteil (8) ausgebildet ist, und mit einem in Umfangsrichtung hinter dem Ringfeld (2) des Kolbens verlaufenden Kühlkanal (12), der radial außen durch die radial innere Seite (14) des Ringträgerbauteils (8) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringträgerbauteil (8) an seiner radial inneren Seite (14) mindestens eine in Umfangsrichtung erstreckte nutförmige Ausnehmung (24) aufweist.

2. Kühlkanalkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Ringnut (4, 6) in dem Ringträgerbauteil (8) ausgebildet sind.

3. Kühlkanalkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nutförmige Ausnehmung (24) eine Eindrehung ist.

4. Kühlkanalkolben nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nutförmige Ausnehmung (24) verrundet ausgebildet ist.

5. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der nutförmigen Ausnehmung (24) in Richtung der Kolbenlängsachse 2 bis 10 mm beträgt.

6. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Tiefe (T) der nutförmigen Ausnehmung (24) 2 bis 5 mm beträgt.

7. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (12) ferner durch ein an das Ringträgerbauteil (8) angefügtes Kühlkanalbauteil (16, 30, 32) begrenzt ist.

8. Kühlkanalkolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (16, 30, 32) an das Ringträgerbauteil (8) angeschweißt ist.

9. Kühlkanalkolben nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (16) im Kolbenlängsschnitt betrachtet so ausgebildet ist, dass der Kühlkanal (12) vom Kolbenboden in Richtung auf die Naben eine zunehmende radiale Tiefe aufweist.

10. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshöhe (K) 25-120 mm beträgt.

11. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Dicke (D) des Ringträgerbauteils (8) vom Boden der eingestochenen Ringnuten (4, 6) nach radial innen gemessen 0,5 bis 2,5 mm beträgt.

12. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steghöhe (S) zwischen der ersten und der zweiten Ringnut 2-10 mm beträgt.

13. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe (H) der nutförmigen Ausnehmung (24) zur Steghöhe (S) zwischen 0,2 und 0,6 liegt.

14. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben einen Kolbendurchmesser von 50 bis 150 mm aufweist.

15. Kühlkanalkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Ringträgerbauteils (8) 8 bis 20 mm beträgt.