EP1778964B1

EP1778964B1 - Leichtmetallkolben mit wärmerohren

Info

Publication number: EP1778964B1
Application number: EP05774022.7A
Authority: EP
Inventors: Peter Heidrich; Roland Lochmann; Klaus Keller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2025-08-10
Also published as: WO2006015584A1; EP1778964A1; KR20070049202A; CN101002013B; KR101279844B1; JP5096146B2; CN101002013A; DE102004038945A1; US20080078288A1; BRPI0513462A; US7549368B2; JP2008509337A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben mit Wärmerohren, mit einer im Kolbenboden angeordneten Verbrennungsmulde geeigneter Bodendicke, einer Ringpartie, Kolbenschaft und Kolbennaben zur Aufnahme eines Kolbenbolzens sowie mit einer Vielzahl verschlossener, mit Verdampfer- und Kondensatorseite versehenen, flüssigkeitsgefüllten Wärmerohren, die umfangsseitig in der Nähe der Ringpartie verteilt angeordnet und axial zur Kolbenachse ausgerichtet sind.
Aus der US 5,454,351 ist ein Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der zur Ableitung von Wärme von den heißen Kolbenbereichen sogenannte Heat Pipes, also Wärmerohre, verwendet, die luft- und druckdicht verschlossen eine leicht verdampfende Kühlflüssigkeit, wie bevorzugt Wasser oder aber auch Ammoniak, Glycol oder ähnliches, enthält. Die aus Kupfer bestehenden Wärmerohre sind in umfangsseitig gleichverteilte Bohrungen, die im kurbelwellenseitigen Kolbenbodenbereich eingebracht sind, eingesetzt bzw. eingegossen, wobei sich die Bohrungen bis auf Höhe der Ringpartie erstrecken. Im Bereich der Kolbennaben sind die Wärmerohre leicht gebogen ausgeführt, um die Montage des Kolbenbolzens in den Kolben zu ermöglichen. Die an sich bekannte Wirkungsweise der Wärmerohre besteht in der Verdampfung der im Wärmerohr befindlichen Flüssigkeit auf der "heißen" Seite - Verdampferseite - durch Absorption der Wärme des zu kühlenden Bereiches. Die gebildeten Dampfteile strömen zur "kalten" Seite - Kondensatorseite - des Wärmerohres, wo sie unter Abgabe ihrer latenten Verdampfungswärme infolge des Temperaturgefälles zwischen heißer und kalter Seite wieder in den Flüssigkeitszustand übergehen. Auf der kalten Seite wird durch Anspritzen von Kühlöl aus dem Kurbelwellenraum des Verbrennungsmotors die Verdampfungswärme abtransportiert. Um einen derartigen Abtransport der Wärme bei einer Vielzahl von einzelnen Wärmerohren zu gewährleisten, ist ein Ansprühen aller Wärmerohre erforderlich, welches zu einer aufwendigen und kostenintensiven Kolbenkonstruktion führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leichtmetallkolben der eingangs genannten Art derart weiter auszugestalten, dass bei Vereinfachung der Kolbenkonstruktion eine verbesserte Wärmeabfuhr von den wärmebelasteten Kolbenbereichen erzielt und damit das Auftreten thermischer Spannungen verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Vielzahl mit Verdampfer- und Kondensatorseite versehenen flüssigkeitsgefüllten Wärmerohren die Verdampferseite durch kurze Rohrabschnitte gebildet sind, die in der Bodendicke zum Kolbenboden hin brennstrahlausgerichtet angeordnet und mittels eines zum Kolbenboden parallel verlaufenden Verbundwärmerohres verbunden sind. Mindestens zwei als Kondensatorseite wirkende Rohrabschnitte sind außerdem mit dem Verbundwärmerohr derart gekoppelt, dass durch eine an ihren kondensatorseitigen Enden angeordnete mit einer Rippung versehenen Rohrverbindung ein umlaufender geschlossener Prozesskreislauf der Kühlflüssigkeit zwischen Verdampferseite, Verbundwärmerohr und Kondensatorseite der Wärmerohre realisiert ist.
Dadurch, dass die Rohrverbindung zwischen den kondensatorseitigen Rohrabschnitten derart ausgebildet ist, dass zwischen oberen Totpunkt und unteren Totpunkt des Leichtmetallkolbens die Rippung dauerhaft mit einem kurbelwellenseitigen Kühlölstrahl einer Öldüse des Verbrennungsmotors beaufschlagt ist, wird vorteilhaft ein effektiver und schneller Wärmeabtransport am kondensatorseitigen Ende des Wärmerohres erreicht. Das zum Kolbenboden parallel verlaufende Verbundwärmerohr sorgt außerdem für eine gleichmäßige Temperaturverteilung entlang des Kolbenmuldenrandes, wodurch Rissbildungen am Kolbenboden und Muldenrand der Verbrennungsmulde infolge thermischer Spannungen wirksam verhindert werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1: eine erfindungsgemäße erste Ausführung des Kühlsystems in einem Leichtmetallkolben;
Fig. 2: eine erfindungsgemäße zweite Ausführung des Kühlsystems in einem Leichtmetallkolben;
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht eines Leichtmetallkolbens mit integriertem Kühlsystem gemäß Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird ein Kühlsystem 20, welches einen geschlossenen Kühlkreislauf darstellt, aus Wärmerohren - sogenannte Heat Pipes 6 - mit einer Vielzahl von Verdampferseiten 6a und wenigsten zwei Kondensatorseiten 6b gebildet, die über ein Verbundwärmerohr 7 verbunden sind. Am kondensatorseitigem Ende 6c der Wärmerohre 6b ist eine Rohrverbindung 8 mit einer auf dieser angeordneten äußeren Rippung 9 vorgesehen, durch welche die kondensatorseitigen Enden 6c der beiden Wärmerohre 6b gekoppelt sind. Zur weiteren Vergrößerung einer wärmeabgebender Fläche kann neben der Rippung 9 auch an den Kondensatorseiten 6b der Wärmerohre 6 zusätzliche Rippungen (nicht dargestellt) angebracht sein, die zur Massereduzierung ebenfalls aus Aluminium bestehen. Die vorgenannte Kühlkreisanordnung besteht bevorzugt aus Kupferrohren oder kann auch aus Aluminiumrohren bestehen, die mit Wärmeträgeröl oder mit Frostschutzzusatz versehenem Wasser als Kühlflüssigkeit befüllt. Die geometrischen Abmessungen des Kühlsystems 20 erlauben ihren Einsatz in Aluminiumkolben ohne wesentliche Veränderung der geforderten hohen Bauteilfestigkeit. Als vorgefertigtes Produkt wird die Kühlanordnung in eine Gießform zur Herstellung eines Aluminium-Leichtmetallkolbens 10 eingelegt, um anschließend den Kolben nach bekanntem Gießverfahren herzustellen. Infolge der ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Aluminium und Kupfer sind im Motorbetrieb eines derart hergestellten Leichtmetallkolbens 10 keine Spannungsprobleme beobachtet worden.
In einer weiteren Herstellungsvariante des Kühlsystems 20 ist das Verbundwärmerohr 7 einschließlich die Verdampferseite 6a der Wärmerohre 6 mittels eines in die Gießform eingelegten Salzkernes realisiert, wobei wenigstens 2 von verwendeten 3 Auflagepinolen für den Salzkern als Anschluss für die kondensatorseitigen Wärmerohre 6b dienen. Durch Ausspülen des Salzkernes entsteht die gemäß Fig. 1 und Fig. 2 angegebene Struktur im Leichtmetallkolben ohne Kondensatorseite 6b und Rohrverbindung 8 der Wärmerohre 6, die nach der Endbearbeitung des Leichtmetallkolbens 10 in die entsprechenden Öffnungen des Verbundwärmerohres 7 eingesetzt und anschließend verlötet oder verklebt werden. Das Evakuieren und Befüllen des Kühlsystems 20 erfolgt über eine am kondensatorseitigen Ende eingebrachte Bohrung, die nach dem Befüllen mit Kühlflüssigkeit luftdicht verschlossen wird. Die Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, muss vor dem Abfüllen unter Vakuum bei einem Druck von 10^-4 bis 10^-5 bar entgast werden, um eine Kavitation infolge der Kolbenbewegung im Verbrennungsmotor zu verhindern. In den Umkehrpunkten des Kolbens beschleunigt die Kühlflüssigkeit auf die gegenüberliegende Seite, wobei es zu implodierenden Gasblasen mit einhergehender Kavitation kommen kann. Zweckmäßigerweise ist das Kühlsystem maximal bis zur Hälfte seines Volumens mit Kühlflüssigkeit gefüllt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlsystems 20, bei dem zwei weitere Kondensatorseiten 6b in das Kühlsystem eingebracht sind, dessen umfangsseitige Verteilung im Leichtmetallkolben derart erfolgt, dass jeweils zwei auf der Druck- und Gegendruckseite angeordnet sind. Die Pfeilrichtung NB gibt den Verlauf der Nabenbohrung an.
Für beide Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und Fig. 2 gilt, dass die Verdampferseite 6a der Wärmerohre auf dem Umfang des Verbundwärmerohres 7 derart verteilt angeordnet sind, dass diese der Verteilung des Auftreffens der Brennstrahlen vom Verbrennungsmotor entsprechen.
Gemäß der Figur 3 ist die Lage des Kühlsystems im Leichtmetallkolben 10 ersichtlich. Die durch kurze Rohrabschnitte gebildete Verdampferseiten 6a sind in der Bodendicke 11 angeordnet und zum Kolbenboden 1 hin brennstrahlausgerichtet. Das zum Kolbenboden 1 parallel verlaufende Verbundwärmerohr 7 verbindet die Verdampferseite 6a und mindestens zwei als Kondensatorseite 6b wirkende Rohrabschnitte, wobei die mindestens zwei als Kondensatorseite 6a wirkende Rohrabschnitte beabstandet vom Kolbenschaft 4 angeordnet sind.
Die Ableitung der durch die Brennstrahlen des Verbrennungsmotors erzeugten Wärme vom Kolbenboden 1, Verbrennungsmulde und der Region vom Feuersteg 12 sowie Ringpartie 3 erfolgt über die äußere Wand der Verdampferseite 6a der Wärmerohre und des Verbundwärmerohres 7 auf die innere Wand und wird durch die Kühlflüssigkeit unter Verdampfung selbiger absorbiert. Die gebildeten Dampfteile strömen über die Verbundwärmrohr 7 zur Kondensatorseite 6b der Wärmerohre 6, wo sie unter Abgabe ihrer latenten Verdampfungswärme infolge des Temperaturgefälles zwischen Verdampferseite 6a und Kondensatorseite 6b wieder in den Flüssigkeitszustand übergehen. Auf der Kondensatorseite 6b, speziell der Rohrverbindung 8 wird durch das Anspritzen von Kühlöl aus dem Kurbelwellenraum des Verbrennungsmotors mittels der Öldüse 13 die Verdampfungswärme abtransportiert.
Durch die Konstruktion des Kühlsystems ist damit während der Bewegung des Kolben zwischen oberen Totpunkt und unteren Totpunkt ein dauerhafter Abtransport der Verdampfungswärme aus den Wärmerohren 6 gewährleistet. Der Einsatz des Leichtmetallkolbens aus AISi- Legierung mit erfindungsgemäßem Kühlsystem 20 ist für Dieselmotoren besonders geeignet.

Bezugszeichen

Leichtmetallkolben: 10
Kühlsystem: 20
Kolbenboden: 1
Ringpartie: 3
Kolbenschaft: 4
Wärmerohr: 6
Verdampferseite: 6a
Kondensatorseite: 6b
kondensatorseitiges Ende des Verbundwärmerohres: 6c
Verbundwärmerohr: 7
Rohrverbindung: 8
Rippung: 9
Bodendicke: 11
Feuersteg: 12
Öldüse: 13

Claims

Leichtmetallkolben (10) mit Wärmerohren, mit einer im Kolbenboden angeordneten Verbrennungsmulde geeigneter Bodendicke, einer Ringpartie (3), Kolbenschaft (4) und Kolbennaben zur Aufnahme eines Kolbenbolzens sowie mit einer Vielzahl verschlossener, mit Verdampfer- (6a) und Kondensatorseite (6b) versehenen, flüssigkeitsgefüllten Wärmerohren (6), die umfangsseitig in der Nähe der Ringpartie (3) verteilt angeordnet und axial zur Kolbenachse ausgerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Verdampferseite (6a) der Wärmerohre (6) durch kurze Rohrabschnitte gebildet sind, die in der Bodendicke (12) zum Kolbenboden hin brennstrahlausgerichtet angeordnet und mittels eines zum Kolbenboden parallel verlaufenden Verbundwärmerohres (7) verbunden sind;

- dass mindestens zwei als Kondensatorseite (6b) wirkende Rohrabschnitte mit dem Verbundwärmerohr (7) derart gekoppelt sind, dass durch eine an ihren kondensatorseitigen Enden (6c) angeordnete Rohrverbindung (8) ein umlaufender geschlossener Prozesskreislauf der Kühlflüssigkeit zwischen Verdampferseite, Verbundwärmerohr und Kondensatorseite der Wärmerohre (6) realisiert ist.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundwärmerohr (6) auf Höhe der Ringpartie (3) zwischen Muldenrand und Feuersteg (12) angeordnet ist.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei kondensatorseitig wirkenden Rohrabschnitte (6b) auf der Druck- oder Gegendruckseite beabstandet vom Kolbenschaft (4) angeordnet sind.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an den kondensatorseitigen Enden (6b) angeordnete Rohrverbindung (8) eine Vergrößerung der wärmeabgebenden Fläche durch eine Rippung (9) aufweist.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrverbindung (8) zwischen den Rohrabschnitten (6b) derart aufgebildet ist, dass zwischen oberen Totpunkt (OT) und unteren Totpunkt (UT) des Leichtmetallkolbens die Rippung (9) dauerhaft mit einem kurbelwellenseitigen Kühlölstrahl (14) einer Öldüse (13) des Verbrennungsmotorsmotors beaufschlagt ist.