DE602004011811T2

DE602004011811T2 - Kühlkanalabdeckung für einen einstückigen kolben eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE602004011811T2
Application number: DE602004011811T
Authority: DE
Inventors: Dieter Highland GABRIEL; Michael T. Bloomfield LAPP
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: CN100476186C; KR20070020179A; EP1685320B1; US20050072386A1; WO2005040584A1; BRPI0415221A; CN1863997A; DE602004011811D1; JP2007507650A; ES2302023T3; US6920860B2; EP1685320A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Anwendungsbereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Kühlkanalabdeckung eines einstückigen Kolbens für Verbrennungsmotoren, wobei der Kolben einen geschlossenen Kühlkanal aufweist, der innerhalb der Kolbenkrone auf Höhe eines Kolbenringbereichs umläuft, sowie eine zwischen dem Kolbenringbereich und dem Kolbenschaft angebrachte ringförmige Aussparung. Der Kolbenschaft ist mit der Kolbenkrone mittels an der Kolbenkrone angehängten Kolbennaben verbunden.
2. Früherer Stand der Technik
Ein Kolben aus mehreren Teilen mit einem im Kantenbereich der Kolbenkrone angebrachten Kühlkanal ist aus der deutschen Patentschrift Nr. DE 40 39 751 A1 bekannt. Der Kühlkanal ist dort mit einem Metallblechring abgedeckt, der im Wesentlichen wie eine Tellerfeder aufgebaut ist. Der Metallblechring besteht aus einem Teil und kann nur deswegen leicht in den Kolben eingebaut werden, weil dieser aus zwei Teilen besteht. Es ist folglich notwendig den Metallblechring zuerst in den oberen Kolbenteil einzusetzen, bevor man diesen mit dem unteren Kolbenteil verbindet.
Patentschrift Nr. DE 40 39 754 A1 offenbart, dass sich zwischen Ringrippe und Ringwand eines gelenkigen Kolbens eine ringförmige Hohlkammer befindet, welche mit einem flachen Ring abgeschlossen ist, um eine geschlossene Kühlölkammer zu bilden. Der flache Ring ist an seinem Umfang radial in zwei Hälften unterteilt, wobei die Kanten in Druck- und Gegendruckrichtung nach oben abgebogen werden, so dass sie sich gegenseitig elastisch abstützen.
Des Weiteren sind aus der deutschen Patentschrift Nr. DD 252 638 A1 und aus der deutschen Patentschrift Nr. DE 41 34 540 A1 Kolben bekannt, bei denen ein Kolbenwandteil einen nach unten offenen Kühlkanal abdeckt und ringförmig am Umfang umläuft. Der Kühlkanal ist aus einem offenen Metallblechring aufgebaut, der einerseits in einer Nut am Innenumfang des Kolbenringbereichs ruht und sich andererseits am äußeren Umfang der Wand des Verbrennungsraums abstützt, indem er Nutzen aus seiner plastischen Verformbarkeit nach dem Seeger-Ring-Prinzip, d. h. der Vorspannung in radialer Richtung, zieht.
Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift Nr. DE 42 08 037 C2 ein mehrteiliger Kolben mit einem Kühlkanal bekannt, bei dem der Kühlkanal nach unten offen ist und durch eine vorgespannte Tellerfeder abgedeckt wird. Diese Feder ist an ihrem Umfang in mindestens zwei Teile unterteilt und ruht frei auf axial gegenüberliegenden und radial innen und außen angebrachten Halterungen.
Aus den Patentschriften EP 0 561 871 B1 und EP 0 799 373 B1 sind schließlich einstückige Kolben mit Kühlkanal im Kantenbereich des Kolbenbodens bekannt, bei denen der Kühlkanal ebenfalls durch Abdeckringe abgedeckt ist, die wie Tellerfedern aufgebaut sind bzw. wie Tellerfedern aufgebaut und mit einem Bund versehen sind.
Ein Nachteil der vorgenannten Ausführungsformen ist, dass der Abdeckring oder die Tellerfeder in zwei Teilen aufgebaut sein muss, um den Zusammenbau zu ermöglichen. Weiterhin muss beim Zusammenbau jede der zwei halbringförmigen Hälften im vorgespannten Zustand in entsprechende Aufnahmen in der Kolbenkrone eingesetzt werden.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es ist aus den genannten Gründen Ziel der Erfindung, eine Kühlkanalabdeckung für einen einstückigen Kolben eines Verbrennungsmotors vorzustellen, wobei sich diese Abdeckung schnell und einfach einbauen und wodurch sich das Kolbengewicht im Vergleich zum bekannten Stand der Technik verringern lässt.
Dieses Ziel erfüllt ein einteiliger Kunststoffring mit U-förmigem Querschnitt und einem Ringboden, sowie einem äußeren Schenkel am Umfang, der an den Ringboden angegossen und radial nach außen abgewinkelt ist, sowie einem inneren Schenkel am Umfang, der radial nach innen abgewinkelt ist. Ein Filmgelenk ermöglicht eine radiale Auslenkung in der Lageebene des ringförmigen Schenkels des durch das Gelenk gebildeten Kunststoffrings. Der Ring weist eine erste radiale Unterteilung mit einer Öffnungsweite auf, sowie eine am Umfang ihr ungefähr gegenüberliegende zweite radiale Unterteilung auf, welche den radial abgewinkelten und am Umfang umlaufenden äußeren Schenkel nicht trennt, um das Filmgelenk zu bilden. Der U-förmige Ring ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie z. B. aus Polyphenyl-Sulfid (PPS) oder aus einem Polyimid (PI), gefertigt. Auf diese Weise ermöglicht die Kühlkanalabdeckung einen sehr einfachen und schnellen Zusammenbau des Kolbens, sowie eine Verringerung des Kolbengewichts durch die Kunststoff-Konstruktion.
Das Filmgelenk ist vorzugsweise durch die Materialstärke des äußeren Schenkels bestimmt. Der äußere Schenkel ist vorzugsweise an einem äußeren Umfang der Kolbenkrone angebracht und in Bezug zur Kolbennabenachse radial nach außen abgewinkelt, und der innere Schenkel ist vorzugsweise an einem inneren Umfang des Kolbenbodens angebracht und ist radial nach innen abgewinkelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in den inneren und äußeren Schenkeln Schlitze angebracht, die bis zum Ringboden reichen. Diese Schlitze sind unregelmäßig über den Umfang des Rings verteilt, so dass sie eine Vielzahl von Schenkeln mit unterschiedlicher Schenkellänge bilden. Das Filmgelenk ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen den Schlitzen angeordnet. Die Schlitze haben vorzugsweise eine Breite von 2 mm bis 3 mm und die Schenkellänge zwischen den Schlitzen beträgt 15 mm bis 20 mm.
Die erste radiale Unterteilung mit einer Öffnungsweite bildet vorzugsweise einen Kühlöleinlass oder einen Kühlölauslass für den Kühlkanal.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Gegenstände und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Zeichnungen lediglich zur Illustration dienen und keinesfalls die Grenzen der Erfindung festlegen.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Kennbuchstaben oder -zahlen jeweils gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten.
1 zeigt einen einstückigen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal, welcher durch einen erfindungsgemäßen U-förmigen Ring abgedeckt wird. Die Figur ist eine in zwei Hälften unterteilte Querschnittsansicht, die zwei um 90° versetzte Längsquerschnitte des Kolbens darstellt.
2 zeigt einen Kolben gemäß 1, jedoch um 90° gedreht.
3 zeigt im Detail den Ausschnitt X aus 2.
4 ist eine Draufsicht auf den U-förmigen Kunststoffring.
5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch den U-förmigen Kunststoffring gemäß 4.
6 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B durch den U-förmigen Kunststoffring gemäß 4.
7 zeigt im Detail den Ausschnitt Y aus 4.
8 ist eine Draufsicht auf den U-förmigen Kunststoffring im geöffneten Zustand mittels des erfindungsgemäßen Filmgelenks.
9 ist eine Draufsicht auf den U-förmigen Kunststoffring im geschlossenen Zustand mittels des erfindungsgemäßen Filmgelenks.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 einen einstückigen Kolben für einen Verbrennungsmotor in einer Querschnittsansicht, die aus zwei Hälften besteht. Die linke Hälfte zeigt einen Querschnitt durch den Kolben entlang der Längsachse 2 während die rechte Hälfte die Längsdachse des Kolbens 1 in einer um 90° gegenüber der ersten Ansicht gedrehten Lage darstellt.
Der Kolben 1 ist aus Stahl hergestellt und hat eine Kolbenkrone 9 mit einem Kolbenringbereich 7, sowie einen Kolbenboden 4 mit einer Vertiefung 5 für den Verbrennungsraum. Der Kolbenschaft 10 ist mit den an der Kolbenkrone angehängten Kolbennaben 3 verbunden. In Höhe des Kolbenringbereichs 7 ist in der Kolbenkrone 9 ein am Umfang ringförmig umlaufender geschlossener Kühlkanal 6 angebracht. Die äußere radiale Begrenzung und die innere radiale Begrenzung dieses Kühlkanals sind durch die in den Kolbenboden 4 eingegossene Ringwand und durch den Kolbenkronenbereich vorgegeben, an dem die Kolbennaben 3 hängen. Die Innenseite des Kühlkanals 6 hat eine Vertiefung 14.2 auf Seite der Ringwand und 14.1. auf Seite der Kolbenkrone, wobei sich die Wandung im Bereich der Kolbenkrone in axialer Richtung bei Annäherung an den Kolbenboden 4 konisch verjüngt. Die Steigung ist in jedem Fall durch den Winkel zwischen axialer Kolbenachse 2.1 und der Neigung der Vertiefungswandung gegeben, welche ca. 30° beträgt. Die Vertiefungen 14.1 und 14.2 sind in jedem Fall durch Stufen 15.1 und 15.2 begrenzt, was ebenfalls zu einer sich in Richtung Kolbenschaft 10 konisch verjüngenden Form führt, deren vorgenannter definierter Winkel einen Wert von ca. 20° bis 30° hat.
Zwischen Kolbenringbereich 7 und Kolbenschaft 10 ist eine ringförmige Aussparung 11 vorgesehen, durch die sich der Einbau einer Abdeckung des Kühlkanals 6 mittels eines einteiligen und im Querschnitt U-förmigen Kunststoffrings 8 bewerkstelligen lässt.
Erfindungsgemäß wird für diesen Zweck vorzugsweise ein thermoplastischer Polymer-Kunststoff verwendet, wie z. B. Polyphenylen-Sulfid (PPS), Ryton R4^® oder Hochtemperatur-Polyimid (PI), wie z. B. VESPEL^® von DuPont oder AURUM^® von Mitsui Chemicals Inc. Die Abkürzungen entsprechen der internationalen ISO-Norm 1043-1, Ausgabejahr 1997. Diese Kunststoffe zeichnen sich durch eine hohe Hitzebeständigkeit von 200°C bis auf über 400°C im langfristigen Betrieb aus. Zusätzlich kann der Kunststoff durch Fasern verstärkt werden.
Gemäß 4 hat der U-förmige Kunststoffring 8 einen radialen äußeren Schenkel 8.1, der von seinem Ringboden 8.3 abgewinkelt ist, sowie einen radialen inneren Schenkel 8.2, der vom Ringboden 8.3 abgewinkelt ist; dabei sind die Schenkel durch unregelmäßig über den Umfang verteilte Schlitze 13 unterteilt, um den Zusammenbau zu vereinfachen, so dass Schenkelsegmente L unterschiedlicher Länge gebildet werden. Die Schlitze reichen bis zum Boden 8.3 des Kunststoffrings 8, weisen eine leicht V-förmige oder U-förmige Form auf und haben eine Schlitzbreite von 2 mm bis 3 mm. Die vorgenannte radiale Schlitzung findet verteilt über den Umfang des Rings statt, vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 15° und 25°.
Wie in der Querschnittsansicht gemäß 6 gezeigt, ist der äußere Schenkel 8.1 am Außenumfang des Ringbodens 8.3 angeordnet und radial nach außen in Bezug zur Kolbennabenachse 2.2 vom Ringboden 8.3 abgewinkelt, während der innere Schenkel 8.2 radial nach innen abgewinkelt und am Innenumfang des Kolbenbodens 8.3 angeordnet ist.
Wie in 4 ersichtlich, ist der U-förmige Kunststoffring 8 radial so unterteilt, dass eine Öffnung 17 mit einer Öffnungsweite M gebildet wird. Auf der 180° gegenüberliegenden Seite befindet sich eine U-förmige Öffnung 16 mit etwa derselben Weite, die sich über die radiale Mitte von Ringboden 8.3 erstreckt. Beide Öffnungen 16 und 17 dienen im eingebauten Zustand des Rings 8 jeweils als Ölauslass und Öleinlass, um den Kühlkanal 6 mit Öl zu versorgen.
Gemäß 4 und der vergrößerten Detailansicht gemäß 7 ist am radial äußeren und mittleren Ende von Öffnung 16 ein so genanntes Filmgelenk angebracht, das im Wesentlichen durch einen zweiten radialen Einschnitt D in den Kolbenkopf bis zum äußeren Schenkel 8.1 gebildet wird, so dass durch das Filmgelenk und die Werkstoffstärke des äußeren Schenkels 8.1 eine radiale Auslenkung der Ring-Schenkel 8.4 und 8.5 in der Lageebene E des Kunststoffrings ermöglicht wird, wie durch die Pfeile in 8 gezeigt. In diesem Zusammenhang ist die Größe der Auslenkung der Ring-Schenkel durch die mechanische Festigkeit des für Ring 8 verwendeten Kunststoffs vorgegeben. Dabei ist eine Auslenkung sicher bis zur Kontaktaufnahme der beiden äußeren Radien des Rings möglich.
Gemäß einer anderen, hier nicht gezeigten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Filmgelenk 12 auch am radialen inneren Schenkel 8.1 des U- förmigen Rings 8 angebracht werden, wodurch dann in dieser Ausführungsform die Öffnung nicht radial nach innen gerichtet ist, wie in 8 und 9 gezeigt, sondern radial nach außen. Die Auslenkung der beiden Ring-Schenkel 8.4 und 8.5 ist dann allerdings stark eingeschränkt, da sie durch die Weite der Öffnung 16 vorgegeben ist.
Der Einbau des Rings 8 kann in einfacher Weise erfolgen, indem man den Ring am Filmgelenk 12 so aufbiegt, dass er sich in die Aussparung 11 einführen lässt und ihn über den an die Kolbenkrone angehängten Nabenbereich schiebt. In diesem Voreinbau-Status wird der Ring mit seinem Ringboden 8.3 gegen den Kolbenkopf ausgerichtet. Um den Kühlkanal 6 zu schließen wird Ring 8 nacheinander über die Stufen 15.1 und 15.2 gedrückt, so dass die inneren und äußeren Schenkel 8.1 und 8.2 jeweils in die Vertiefungen 14.1 und 14.2 einrasten und sich die Seiten der Schenkel an den Stufen abstützen. Die radiale Auslenkung der Schenkel 8.1 und 8.2 ist durch die Elastizität des Kunststoffrings gewährleistet. Eine oder zwei am Außenumfang angebrachte Vorsprünge 13.1, die über den Umfang gegenüber dem äußeren Schenkel 8.1 hervorstehen und in eine oder zwei, hier nicht gezeigte Vertiefungen im Kühlkanal einrasten, verhindern ein Verdrehen des U-förmigen Rings.

Claims

Kühlkanalabdeckung (18) für einen einstückigen Kolben (1) eines Verbrennungsmotors, wobei der Kolben einen geschlossenen Kühlkanal (6) aufweist, der innerhalb der Kolbenkrone (9) auf Höhe eines Kolbenringbereichs umläuft, sowie eine zwischen dem Kolbenringbereich (7) und dem Kolbenschaft (10) angebrachte ringförmige Aussparung (11), und wobei der Kolbenschaft (10) mit den an der Kolbenkrone (9) angehängten Kolbennaben (3) verbunden ist, und wobei die Kühlkanalabdeckung (8) einen einteiligen Ring (8) mit einem Ringboden (8.3) umfasst, sowie einen am Umfang des Rings umlaufenden und in den Ringboden (8.3) vergossenen und radial nach außen abgewinkelten äußeren Schenkel (8.1), sowie eine erste radiale Unterteilung (M) mit einer Öffnungsweite, sowie ein Filmgelenk (12) für die radiale Auslenkung des äußeren Schenkels (8.1) des Rings (8), und wobei das Filmgelenk (12) von einer zweiten radialen Unterteilung (D) gegenüber der ersten Unterteilung (M) am Umfang gebildet wird, und wobei die zweite radiale Unterteilung den am Umfang umlaufenden äußeren Schenkel (8.1) nicht trennt, um das Filmgelenk zu bilden, und wobei die Kühlkanalabdeckung dadurch gekennzeichnet ist, – dass der einteilige Ring (8) aus einem Kunststoffmaterial besteht; – und dass der besagte Ring einen U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein um den Umfang des Rings umlaufender innerer Schenkel (8.2) in den Ringboden vergossen und radial zur Innenseite des Kolbens abgewinkelt ist.
Kühlkanalabdeckung nach Anspruch 1, wobei das Filmgelenk (12) durch die Materialstärke des äußeren Schenkels (8.1) bestimmt ist.
Kühlkanalabdeckung nach Anspruch 1, wobei im inneren und im äußeren Schenkel (8.1 und 8.2) bis zum Ringboden (8.3) reichende Schlitze (13) angebracht sind und wobei die besagten Schlitze (13) unregelmäßig über den Umfang des Rings (8) verteilt sind, so dass sie eine Vielzahl von Schenkeln mit unterschiedlicher Schenkellänge (L) bilden.
Kühlkanalabdeckung nach Anspruch 3, wobei das Filmgelenk (12) in einem Bereich zwischen den Schlitzen (13) angebracht ist.
Kühlkanalabdeckung nach Anspruch 3, wobei die Schlitze (13) eine Breite zwischen 2 mm und 3 mm aufweisen und die Schenkellängen (L) zwischen den Schlitzen 15 mm bis 20 mm betragen.
Kühlkanalabdeckung nach Anspruch 1, wobei die erste radiale Unterteilung (M) mit ihrer Öffnungsweite einen Kühlöleinlass (16) oder einen Kühlölauslass (17) für den Kühlkanal (6) bildet.
Kühlkanalabdeckung nach Anspruch 1, wobei der U-förmige Ring (8) aus Polyphenylen-Sulfid (PPS) oder aus einem Polyimid (PI) besteht.
Ein einstückiger Kolben (1) eines Verbrennungsmotors, umfassend: – eine Kolbenkrone (9); – einen geschlossenen Kühlkanal (6) der innen am Umfang der Kolbenkrone auf Höhe des Kolbenringbereichs (7) umläuft; – einen Kolbenschaft (10), der über an die Kolbenkrone angehängte Kolbennaben (3) mit der Kolbenkrone (9) verbunden ist; – eine zwischen dem Kolbenringbereich und dem Kolbenschaft (10) angebrachte ringförmige Aussparung (11); und – eine Kühlkanalabdeckung, die ihrerseits umfasst: einen einteiligen Ring (8) mit einem Ringboden (8.3), einen am Umfang des Rings umlaufenden und in den Ringboden (8.3) vergossenen und radial nach außen abgewinkelten äußeren Schenkel (8.1), sowie eine erste radiale Unterteilung (M) mit einer Öffnungsweite, sowie ein Filmgelenk (12) für die radiale Auslenkung des äußeren Schenkels (8.1) des Rings (8), und wobei das Filmgelenk (12) von einer zweiten radialen Unterteilung (D) gegenüber der ersten Unterteilung (M) am Umfang gebildet wird, und wobei die zweite radiale Unterteilung den am Umfang umlaufenden äußeren Schenkel (8.1) nicht trennt, um das Filmgelenk zu bilden, und wobei die Kühlkanalabdeckung dadurch gekennzeichnet ist, – dass der einteilige Ring (8) aus einem Kunststoffmaterial besteht; – und dass der besagte Ring einen U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein um den Umfang des Rings umlaufender innerer Schenkel (8.2) in den Ringboden vergossen und radial zur Innenseite des Kolbens abgewinkelt ist.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 8, wobei das Filmgelenk (12) der Kühlkanalabdeckung durch die Materialstärke des äußeren Schenkels (8.1) bestimmt ist.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 8, wobei der äußere Schenkel (8.1) der Kühlkanalabdeckung an einem äußeren Umfang der Kolbenkrone (9) angebracht und in Bezug zur Kolbennabenachse radial nach außen abgewinkelt ist, und wobei der innere Schenkel (8.2) an einem inneren Umfang des Kolbenbodens (4) angebracht und radial nach innen abgewinkelt ist.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 10, wobei im inneren und im äußeren Schenkel (8.1 und 8.2) bis zum Ringboden (8.3) reichende Schlitze (13) angebracht sind und wobei die besagten Schlitze (13) unregelmäßig über den Umfang des Rings (8) verteilt sind, so dass sie eine Vielzahl von Schenkeln mit unterschiedlicher Schenkellänge (L) bilden.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 11, wobei das Filmgelenk (12) in einem Bereich zwischen den Schlitzen (13) angebracht ist.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 11, wobei die Schlitze (13) eine Breite zwischen 2 mm und 3 mm aufweisen und die Schenkellängen (L) zwischen den Schlitzen 15 mm bis 20 mm betragen.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 8, wobei die erste radiale Unterteilung des Kühlkanals mit ihrer Öffnungsweite einen Kühlöleinlass (16) oder einen Kühlölauslass (17) für den Kühlkanal (6) bildet.
Ein einstückiger Kolben nach Anspruch 8, wobei der U-förmige Ring (8) aus Polyphenylen-Sulfid (PPS) oder aus einem Polyimid (PI) besteht.