EP1504182B1 - Gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einer Verbrennungsmulde im Kolbenkopf und einem auf Höhe der Ringpartie ringförmig umlaufenden Kühlkanal, der an seinem zum Kolbenschaft hin offenen Ende durch ein entsprechend geformtes und umfangsseitig wenigstens einmal radial geteiltes mit einem Kühlöleinlass und Kühlölauslass versehenen Wandteil verschlossen ist.
• Ein derartiger Kolben ist beispielsweise aus der DE 199 26 568 A1 bekannt, bei dem ein Wandteil den Kühlkanal verschließt, wobei zur Verbesserung der Wärmeabfuhr das Wandteil auf seinem Umfang verteilt mit mehreren radial angeordneten, sich axial in den Kühlkanal hinein erstreckenden Querwänden versehen ist. Die Querwände teilen dabei den Kühlkanal in Shakerräume bzw. Abschnitte konstanter Größe auf, um ein gewisses Niveau an Kühlöl im Kühlkanal zu halten.
• Aus der DE 27 23 619 C2 ist weiterhin ein mehrteiliger, flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der am Kühlöleinlass seines Kühlkanals einen Ölleitring aufweist, welcher das in den Kühlkanal einlaufende Kühlöl mittels einer Lippe entlang der Peripherie des Kühlkanals leitet.
• Die DE 35 18 497 A1 beschreibt einen flüssigkeitsgekühlten Kolben, bei dem eine tiefe exzentrische Kolbenmulde ohne Beeinträchtigung der Festigkeit des Kolbens realisiert werden kann. Zur Kühlung ist ein Kühlkanal derart gestaltet, dass seine Breite und Tiefe vom Abstand von der Kolbenmulde abhängt, wobei jedoch die Querschnittsfläche des Kühlkanals umfangsseitig und damit das Kühlkanalvolumen, konstant ist.
• Generell nachteilig an den vorgenannten Ausführungen ist, dass die Verweildauer des Kühlöls im Kühlkanal nicht befriedigend gelöst ist und dass mit den vorgenannten Kühlkanalkonstruktionen eine von den auftretenden Temperaturen abhängige bzw. bestimmte Wärmeableitung von den heißen Kolbenbereichen in das Kühlmittel nicht realisiert werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkanal für einen Kolben eines Verbrennungsmotors derart zu gestalten, um eine verbesserte ortsabhängige Wärmeableitung von den insbesondere heißen Kolbenbereichen zu erreichen, so dass eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung im Kühlkanal und damit optimale Kühlwirkung des Kolbens gewährleistet wird.
• Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
• Durch die erfindungsgemäße Lösung wird vorteilhaft erreicht, dass das in den Kühlkanal eingeführte kalte Kühlöl auf einem ersten Abschnitt eines Ölleitringes mit einem zum Gesamtkühlkanalvolumen sehr kleinen Volumen verteilt wird und somit durch die Shakerwirkung ein enger Kontakt mit den zu kühlenden Wandflächen hergestellt wird. Die in das Kühlöl eingeführte Wärmemenge bzw. die Kühlung des Kolbens ist daher hoch und intensiv. Um die aufzunehmende Wärmemenge des Kühlöls so zu steuern, dass eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung an der Ringpartie des Kolbens erreicht wird, vergrößern erfindungsgemäß die nachfolgenden Abschnitte des Ölleitringes das jeweilige Kühlkanalvolumen, wodurch die Verweilzeit des Kühlöls an den zu kühlenden Wandflächen entsprechend verkürzt wird. Der zwischen dem Kühleinlass -kaltes Kühlöl- und Kühlölauslass -heißes Kühlöl- bestehende große Temperaturunterschied wird verhindert und damit auch eine Ursache für das Entstehen von mechanischen Spannungen im Bereich der Verbrennungsmulde des Kolbens.
• Weiter vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

einen Kolben in Seitensicht im Vollschnitt;

Fig. 2

eine vergrößerte Darstellung der Ansicht Z der Fig. 1;

Fig. 3

eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Ölleitring;

Fig. 4

einen Querschnitt des Ölleitringes;

Fig. 5

eine Abwicklung des Ölleitringes.

• Ein Kolben 1 weist einen in Höhe der Ringpartie vorgesehenen Kühlkanal 2 auf, der an seinem zum Kolbenschaft hin offenen Ende durch ein zweigeteiltes Federteil 8 verschlossen ist, welches eine als Kühlöleinlass 5 dienende Öffnung besitzt. Ein umlaufender Ölleitring 3, der umfangseitig mit einen ebenfalls mit 5 bezeichneten Kühlöleinlass und Kühlölauslass 6 versehen ist, wird im Kühlkanal 2 so angeordnet, dass dieser sich auf dem Federteil 8 und mit seinem äußeren Wandteil auf einer Ausnehmung 10, wie in Fig. 2 dargestellt, abstützt. Kühlöleinlass 5 und Kühlölauslass 6 des Ölleitringes 3 liegen sich umfangsseitig gegenüber. Infolge der axialen Federwirkung des Federteils 8 ist der Ölleitring 3 im Kühlkanal fixiert, wobei die radiale Ausrichtung der Öffnung 5 des Federteils 8 und der des Ölleitrings 3 zur Übereinstimmung der Kühlöleinlasse während der Montage erforderlich ist. Der Kühlölauslass 6 ist in dieser Montagestellung in Übereinstimmung mit einem Kühlölabfluss 6.1, der das Öl in das Kolbeninnere ableitet. Alternativ kann der aus einem Leichtmetall, wie Aluminium, oder aus temperaturbeständigem Kunststoff bestehende Ölleitring auf wenigstens einem Teil des zweigeteilten Federteils 8 geklebt oder geschraubt sein. Die Lagerung des Federteils 8 im Kolben 1 erfolgt in an sich in bekannter Art, wie beispielsweise durch Vorsehen eines Auflagers für den inneren Umfang und einer entsprechenden bundartigen Ausnehmung für den äußeren Umfang des Federteils 8. Das Federteil ist durch radiale Teilungen in zwei Hälften geteilt, die vorgespannt den unteren Abschluss des Kühlkanals 8 bilden.
• Der Ölleitring 3 weist auf seinem Umfang symmetrisch verteilt zwischen Kühlöleinlass und - auslass Stufen 9 auf, die jeweils Abschnitte 4 zwischen den Stufen bilden, die axial im Kühlkanal 2 auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. Beginnend vom Kühlöleinlass 5 besitzt der erste Abschnitt 4.1 bzw. 4.1' bezogen auf das Gesamtkühlkanalvolumen das kleinste Volumen, d.h. die Stufe 9 weist eine Höhe h auf, die ca. 60 Prozent der Kühlkanalhöhe entspricht. Jede der nachfolgenden Stufen der Abschnitte 4.2 bis 4.4 bzw. 4.2' bis 4.4' vergrößern sich um ca. weitere 10 Prozent in der Höhe in bezug zum ersten Abschnitt. Die Verteilung der Stufen 9, und damit die Anzahl, wird mittels verschiedener Bogenwinkel α, β, γ, δ (in Uhrzeigerrichtung, gemäß Fig. 3) und α', β', γ', δ' (in Gegenuhrzeigerrichtung, gemäß Fig.3) definiert, deren Anstieg beginnend vom Kühlöleinlass 5 zum Kühlölauslass 6 linear zunimmt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 beträgt α=α'=30 Bogengrad, β=β'=40 Bogengrad, γ=γ'=50 Bogengrad und δ= δ'=60 Bogengrad, d.h., der im Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn zwischen dem Kühlöleinlass 5 und -auslass 6 infolge der flachen Neigung der Flächen zwischen den Stufen fließende Kühlölstrom 7 nimmt ortsabhängig die annähernd gleiche Wärmemenge durch den Wandkontakt auf. Durch diese konstruktive Ausführung wird vorteilhaft erreicht, dass das kalte Kühlöl im ersten Abschnitt 4 eine große Wärmemenge durch den unmittelbaren Kontakt mit den heißen Wandflächen auch ohne Shakerwirkung aufnimmt. Die weitere Aufnahme von Wärme wird durch die abschnittsweise Vergrößerung des Kühlkanalvolumens reduziert, wobei der Wärmeübergang jetzt nur durch die Wirkung des Shakems infolge der Hubbewegung des Kolbens erreicht wird. Im Ausführungsbeispiel vergrößert sich der 28 mm² große Querschnitt der ersten Abschnitte 4.1/4.1' des Kühlkanals auf 198 mm² in den vierten Abschnitten 4.4/4.4'. Insgesamt ergibt sich somit eine bessere Wärmeverteilung, insbesondere an der Ringpartie und dem Muldenrand des Kolbens.
Bezugszeichen

Kolben

1

Kühlkanal

2

Ölleitring

3

Abschnitt

4

erster Abschnitt

4.1/4.1'

zweiter Abschnitt

4.2/4.2'

dritter Abschnitt

4.3/4.3'

vierter Abschnitt

4.4/4.4'

Kühlöleinlass

5

Kühlölauslass

6

Kühlölabfluss

6.1

Kühlöl

7

Federteil

8

Stufen

9

Ausnehmung

10

Bogenwinkel der Abschnitte

α, β, γ, δ, α', β', γ', δ'

Claims (7)

1. Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem im Kolbenkopf auf Höhe der Ringpartie ringförmig umlaufenden Kühlkanal, der an seinem zum Kolbenschaft hin offenen Ende durch ein entsprechend geformtes und umfangsseitig wenigstens einmal radial geteiltes mit einem mit Kühlöleinlass versehenen Federteil verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
   dass im Kühlkanal (2) ein umlaufender Ölleitring (3) angeordnet ist, der den Kühlkanal umfangsseitig symmetrisch vom Kühlöleinlass (5) zum Kühlölauslass (6) in Abschnitte (4) unterschiedlicher Kühlkanalvolumina teilt.
2. Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (4) umfangsseitig durch im Ölleitring (3) eingeformte Stufen (9) gebildet sind, wobei jede Stufe (9) beginnend vom Kühlöleinlass (5) bis zum Kühlölauslass (6) das Kühlkanalvolumen prozentual zum Gesamtkühlkanalvolumen vergrößert.
3. Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Abschnitte (4) durch einen Bogenwinkel definiert sind, dessen Anstieg vom Kühlöleinlass (5) zum Kühlölauslass (6) linear zunimmt.
4. Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg für jeden Abschnitt 10 Bogengrad beträgt.
5. Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlöleinlass (5) und Kühlölauslass (6) im Kühlkanal (2) gegenüberliegend angeordnet ist und dass der erste Abschnitt (4.1) vom Kühlöleinlass (5) durch einen Bogenwinkel von 30 Grad gebildet ist.
6. Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölleitring (3) auf wenigstens einem der Federteile (8) fixiert ist.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölleitring (3) aus Aluminium oder Kunststoff besteht.

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