EP1799987A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor sowie verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor sowie verbrennungsmotor

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EP1799987A1
EP1799987A1 EP05784034A EP05784034A EP1799987A1 EP 1799987 A1 EP1799987 A1 EP 1799987A1 EP 05784034 A EP05784034 A EP 05784034A EP 05784034 A EP05784034 A EP 05784034A EP 1799987 A1 EP1799987 A1 EP 1799987A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
opening
coolant
combustion engine
outflow
Prior art date
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Granted
Application number
EP05784034A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1799987B1 (de
Inventor
Roland Linz
Kurt Voit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Federal Mogul Nuernberg GmbH filed Critical Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority to PL05784034T priority Critical patent/PL1799987T3/pl
Publication of EP1799987A1 publication Critical patent/EP1799987A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1799987B1 publication Critical patent/EP1799987B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine and an internal combustion engine with a novel piston.
  • the pistons of internal combustion engines are exposed to high thermal loads during operation.
  • the pistons can be cooled by suitable measures. This is done essentially by the fact that the respective piston from the side of the crankcase forth with a cooling medium, usually oil, is applied.
  • a cooling medium is at least over a certain period in contact with the piston material, so that it can absorb heat from this.
  • a piston is known in which a ring carrier is provided with a cooling channel plate, which may have a plurality of flat spots.
  • the flats can be drilled to form inflows and outflows. Since the formed cooling channel is circumferential, in the case that two drainage holes are provided, they are connected to each other.
  • EP 1 231 374 A2 discloses a piston which, in areas adjacent to the piston pin bosses, has various overhanging areas. These are acted upon from the side of the piston housing forth with cooling oil, which can flow in sections through so-called passage channels.
  • the invention has for its object to provide a piston for an internal combustion engine and an internal combustion engine, which is improved in terms of the ability to provide reliable cooling.
  • the solution of this object is achieved by the piston described in claim i.
  • the piston has a cooling channel with a single inflow opening and at least two outflow openings. At least two of the discharge openings are separated with respect to the outflowing coolant. This is to be understood that there is no flow connection between them in the region of the discharge openings. Rather, the cooling medium, which flows from the inflow opening via a corresponding channel section to a, from other drainage openings fluidly separated outflow ,. emerge unhindered from this drain opening. It does not occur that cooling medium flows out of different channel sections through one and the same outlet opening. Rather, each channel section or "sub-channel” at least one "own”, so only this channel section associated drain opening.
  • a connection in the form of a preferably small passage can be provided in the region of the outflow openings.
  • the coolant is not intended that flows through this passage coolant from the one cooling passage portion in the other cooling passage portion or to its drain port.
  • the coolant is directed out of the respective cooling channel section to the respective outflow opening associated with this cooling channel section.
  • the inflow opening can also be referred to as an inflow, an inflow, an inlet, inlet, inlet or inlet opening.
  • the drain hole also be called just a drain or an outlet.
  • the measure according to the invention provides the following advantages.
  • the cooling effect depends inter alia on the residence time of the cooling medium in the cooling channel.
  • the desired cooling effect can be matched to the cooling medium leaving the cooling channel after a certain residence time. According to the invention, this can be ensured particularly well by allowing the coolant jet to escape unhindered at the outflow opening.
  • an undisturbed discharge of the coolant flow can take place in the piston according to the invention. This improves the cooling effect.
  • the cooling of a piston can be improved by the piston according to the invention, in which the cooling channel consists of two sections of unequal length.
  • the cooling channel consists of two sections of unequal length.
  • the inlet opening can be arranged off-center.
  • a central arrangement of the outlet openings to the effect that they are located above the piston pin, in particular between the pin bosses and the small connecting rod eye can be maintained.
  • Such an arrangement is advantageous for the best possible lubrication of the articulated connection between the piston pin and the pin bosses or the connecting rod eye.
  • the two outlet openings can be arranged in particular and advantageously to the left and right of the connecting rod, to provide here for an advantageous lubrication.
  • This advantage can be realized in particular in the case of a coolant jet which runs largely parallel to the piston axis.
  • a feature combination which is novel over the prior art and achieves the advantages according to the invention can be seen in that a largely circumferential cooling channel has at least one inflow opening and at least two outflow openings which are separated from one another with regard to the outflowing coolant.
  • At least one flow dividing element in the region of the inflow opening.
  • This may be, for example, a rib or a bead, to which the supplied for example via a nozzle Coolant flow flows.
  • the flow dividing element divides the coolant flow into the respective channel sections. Since, as mentioned, at least two channel sections each have their "own" discharge opening, an unhindered flow of the coolant can be ensured, and the subsequent flow of coolant is not hindered.
  • the flow dividing element is preferably optimized by flow geometry such that the coolant flow can be divided into the at least two directions largely without turbulence losses. This is preferred
  • the measure according to the invention makes it possible for the cooling channel to have sections of unequal length. It has also been stated that this is advantageous with regard to the use of the supplied coolant jet. This can be achieved in particular by the preferred measure that the inflow opening with respect Outlet openings is provided asymmetrically. This is therefore preferred to allow a coolant jet which is substantially parallel to the piston axis and can be supplied at the entrance with particularly low losses.
  • the cooling channel of the piston according to the invention is designed to be largely circumferential.
  • the cooling channel designed according to the invention it is preferable to provide two largely semicircular cooling channel sections. This means that the two outflow openings are arranged adjacent to one another but are separated from one another. Since there is no continuation of the peripheral design in certain embodiments, a cooling channel designed in this way is described as substantially circumferential.
  • the piston according to the invention can be improved in addition to the improvement of the cooling with respect to the lubrication of the connection between the piston pin and the piston pin eyes or connecting rod eye.
  • This can be achieved in that at least one outflow opening is directed in the direction of a piston pin eye.
  • a preferably gentle deflection takes place in one direction away from the piston crown, or in the case of an ordinary orientation of the piston "downwards". Therefore, in this preferred embodiment, the exiting coolant jet is directed towards the piston pin and can provide beneficial lubrication.
  • the desired deflection at the Drain opening so gently and without abrupt changes in direction done that the outlet of the coolant flow is largely unhindered and turbulence.
  • the piston according to the invention is further combined with a piston pin and a connecting rod.
  • a piston pin and a connecting rod With such a combination, particularly favorable lubrication conditions could be ascertained on the piston pin if at least one outflow opening is located in a region between a piston pin boss and the connecting rod eye, but typically at an edge of the piston.
  • both the connection between the piston pin and the piston pin boss and the connection to the connecting rod eye can be efficiently lubricated by the exiting coolant flow.
  • the piston according to the invention presents itself as being capable of being used independently. However, it develops its advantages in particular in the state in which it is installed in an internal combustion engine. In this respect, an internal combustion engine with at least one such piston is considered as the subject of the application.
  • a coolant jet for the internal combustion engine designed in this way according to the invention, it is preferred for the efficient use of a coolant jet that it be a device for generating a coolant jet which is substantially parallel to the piston axis.
  • a coolant jet which can be used advantageously in a piston according to the invention with an asymmetrically provided inflow opening, significantly lower losses result at the inflow opening than is the case for the arrangements with tilted coolant jet known in the prior art.
  • the coolant jet is substantially parallel to the piston axis, this is not absolutely necessary. Rather, the coolant jet can also run in any manner obliquely or inclined to the piston axis.
  • Fig. 1 shows schematically the cooling channel of the piston according to the invention and the flow generated therein;
  • Fig. 1 shows schematically the cooling channel 10 of the piston according to the invention.
  • This has essentially two semicircular cooling duct sections 12.1 and 12.2.
  • the coolant flows into the cooling channel 10 through a single inlet port 14 at which the coolant flow through a flow dividing element 16, preferably in the form of a rib or a bead in the two substreams in the cooling duct sections 12.1 and is split 12.2.
  • the flow dividing element 16 is optimized in terms of flow such that no abrupt but gentle changes in direction take place, and the flow losses and turbulences remain low.
  • the coolant flow leaves the respective cooling channel section 12.1 or 12.2 by their own separate, only the respective cooling channel section associated drain opening 18.1 and 18.2.
  • the walls required for the deflection are also designed to be so harmonious and optimized in terms of flow geometry that no abrupt changes in direction and turbulence occur. Rather, the coolant flow can escape from the respective outflow opening 18 largely unhindered. In particular, the two coolant streams do not interfere with each other due to the fluidic separation at the outlet.
  • FIG. 1 it should be understood that the illustration is highly schematic, and usually neither the inflow nor the outflow "to the side" to or from the cooling channel 10 takes place. Rather, the cooling channel 10 is formed in a plane substantially perpendicular to the piston axis. The inflow and / or outflow is largely parallel to the Piston axis, ie from the bottom of the piston ago. This can not be seen in the schematic representation of FIG. 1, but is apparent from FIG.
  • FIG. 2 shows a piston 20 according to the invention from the underside, so that the one inflow opening 14 and the two outflow openings 18 can be seen.
  • the flow dividing element 16 Approximately in the region of the center of the inflow opening 14 is the flow dividing element 16, which is in the form of a rib or bead. As the flow divider element 16 flows against the coolant jet, it is partially directed into one of the 12.1 and the other cooling duct sections 12.2 (see FIG. 2, these sections 12 each extend approximately semicircular starting from the inflow opening 14 in the region above the pin bosses to be recognized in FIG
  • Cooling duct sections 12 each have their own outlet opening 18. In the region of the respective outflow opening 18, a deflection takes place "downwards", that is to say according to the representation of FIG. 2 in the direction of the observer.
  • a deflection takes place "downwards", that is to say according to the representation of FIG. 2 in the direction of the observer.
  • the deflected in the direction of the piston pin coolant can be used advantageously for lubricating the connections between the piston pin and the piston pin bosses and the connecting rod.
  • the "area between the piston pin bosses” is understood to mean the approximately strip-shaped area between the inflow opening 14 and the outflow opening 18. In this area, in particular on an edge of the piston, in the embodiment shown, at least the drain opening 18. 2 is located, so that the coolant jet issuing therefrom at least partially reaches the piston pin (not shown) inserted into the piston pin bosses 22.
  • the inflow opening 14 is provided asymmetrically with respect to the outflow openings 18, and consequently that the cooling channel section to the left-hand outlet opening 18.1 in FIG. 1 is shorter than the other cooling channel section.
  • the inflow opening 14 may also be arranged centrally between the piston pin bosses 22. Likewise, unlike in FIG. 2, it may be provided offset further in the direction of the piston pin bosses 22.
  • Fig. 3 shows in a radial section of the piston 10, the two cooling duct sections 12.1 and 12.2.
  • the flow dividing element 16 can be seen.
  • the cross section of the cooling channel 12.1, 12.2 is at least substantially constant over the extent of each section, so that the favorable and largely unhindered flow of the coolant is supported.
  • the cross section remains constant, in particular starting from the point at which the flow dividing element 16 is inclined relative to the respective cooling channel section 12.1 or 12.2.
  • the inflow opening 14 is off-center. This results from the fact that in the illustration of Fig. 3, the piston is rotated slightly to the right, so that the inner surface of the left piston pin eye 22 can be seen.
  • Fig. 4 it is a view perpendicular to a (imaginary) piston pin axis.
  • Fig. 4 it can be seen that in this view, the two drainage openings 18.1 and 18.2 are symmetrical to each other, while it is apparent from the comparison with Fig. 3, that the inflow opening is provided asymmetrically.
  • Fig. 4 can also be seen that the two outflow openings 18.1 and 18.2 are indeed connected by a small passage 24 with each other.

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Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen Kühlkanal mit einer einzigen Zuflussöffnung und zumindest zwei Abflussöffnungen auf, von denen zumindest zwei im Hinblick auf das ausströmende Kühlmittel voneinander getrennt sind. Ein Verbrennungsmotor weist zumindest einen derartigen Kolben auf.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verbrennungsmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor mit einem neuartigen Kolben.
Die Kolben von Verbrennungsmotoren sind im Betrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um zu hohe Temperaturen zu vermeiden, können die Kolben durch geeignete Maßnahmen gekühlt werden. Dies erfolgt im Wesentlichen dadurch, dass der jeweilige Kolben von der Seite des Kurbelgehäuses her mit einem Kühlmedium, üblicherweise Öl, beaufschlagt wird. Ein derartiges Kühlmedium ist zumindest über einen gewissen Zeitraum mit dem Kolbenmaterial in Berührung, so dass es Wärme von diesem aufnehmen kann. Dadurch, dass ein Abfließen des in dieser Weise aufgewärmten Kühlmediums gewährleistet wird, und ferner für ein Nachfließen von vergleichsweise kühlem Kühlmedium gesorgt wird, kann die Temperatur des Kolbens in einem sicheren Bereich gehalten werden. Stand der Technik
Aus der DE 102 18 653 Al ist ein Kolben bekannt, in dem ein Ringträger mit einem Kühlkanalblech vorgesehen ist, das mehrere Flachstellen aufweisen kann. Die Flachstellen können zur Ausbildung von Zu- und Abflüssen angebohrt werden. Da der ausgebildete Kühlkanal umlaufend ist, sind in dem Fall, dass zwei Abflussöffnungen vorgesehen sind, diese miteinander verbunden.
Dies gilt in gleicher Weise für den Kolben gemäß der EP 1 063 409 A2 , bei dem zwei symmetrische Zuflussöffnungen vorgesehen sind, von denen jeweils nur eine, je nach der Orientierung beim Einbau des Kolbens, genutzt wird. Die übrige Zuflussöffnung kann als Abflussöffnung genutzt werden, ist jedoch ebenfalls mit der ohnehin vorgesehenen Abflussöffnung verbunden.
Schließlich geht aus der EP 1 231 374 A2 ein Kolben hervor, der in Bereichen neben den Kolbenbolzennaben verschiedene überkragende Bereiche aufweist. Diese werden von der Seite des Kolbengehäuses her mit Kühlöl beaufschlagt, welches abschnittsweise durch sogenannte Durchgangskanäle strömen kann.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der hinsichtlich der Möglichkeit, für eine zuverlässige Kühlung zu sorgen, verbessert ist. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch i beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist der Kolben einen Kühlkanal mit einer einzigen Zuflussöffnung und zumindest zwei Abflussöffnungen auf. Von den Abflussöffnungen sind zumindest zwei im Hinblick auf das ausströmende Kühlmittel voneinander getrennt. Dies ist so zu verstehen, dass im Bereich der Abflussöffnungen keine Strömungsverbindung zwischen diesen besteht. Vielmehr kann das Kühlmedium, das von der Zuflussöffnung über einen entsprechenden Kanalabschnitt zu einer, von anderen Abflussöffnungen strömungstechnisch getrennten Abflussöffnung strömt,. ungehindert aus dieser Abflussöffnung austreten. Es tritt nicht der Fall auf, dass Kühlmedium aus unterschiedlichen Kanalabschnitten durch ein und dieselbe Abflussöffnung ausströmt. Vielmehr weist jeder Kanalabschnitt oder "Teilkanal" zumindest eine "eigene", also nur diesem Kanalabschnitt zugeordnete Abflussöffnung auf. Insbesondere kann im Bereich der Abflussöffnungen eine Verbindung in Form eines vorzugsweise kleinen Durchganges vorgesehen sein. Es ist jedoch nicht vorgesehen, dass durch diesen Durchgang Kühlmittel aus dem einen Kühlkanalabschnitt in den anderen Kühlkanalabschnitt oder zu dessen Abflussöffnung strömt. Vielmehr wird durch geeignete Gestaltung der Wandungen im Bereich der jeweiligen Abflussöffnung das Kühlmittel aus dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt zu der jeweiligen, diesem Kühlkanalabschnitt zugeordneten Abflussöffnung gelenkt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Beeinflussung und Störung des Kühlmittelabflusses in dem jeweils anderen Kühlkanalabschnitt vermieden. Die Zuflussöffnung kann auch als ein Zufluss, ein Zulauf, eine Zulauf-, Zutritts-, Einlauf- oder Eintrittsöffnung bezeichnet werden. Ebenso könnte die Abflussöffnung auch lediglich ein Abfluss oder eine Austrittsöffnung genannt werden.
Die erfindungsgemäße Maßnahme sorgt für die folgenden Vorteile. Die Kühlwirkung ist unter anderem von der Verweildauer des Kühlmediums in dem Kühlkanal abhängig. Insbesondere kann die gewünschte Kühlwirkung darauf abgestimmt sein, dass das Kühlmedium nach einer bestimmten Verweildauer den Kühlkanal verlässt. Dies kann erfindungsgemäß besonders gut dadurch gewährleistet werden, dass an der Abflussöffnung ein ungehindertes Austreten des Kühlmittelstrahls möglich ist. Im Gegensatz zu einer Situation, in der sich zwei Kühlmittelströme an einer Abflussöffnung vereinigen und gegenseitig beeinflussen, kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben ein ungestörter Austritt des Kühlmittelstromes erfolgen. Dies verbessert die Kühlwirkung.
Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Kolben auch die Kühlung eines Kolbens verbessert werden, bei dem der Kühlkanal aus zwei ungleich langen Abschnitten besteht. Durch die Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens entsteht nämlich in dem Kühlkanal ein gepulster Durchfluss. Somit kann die Druckwelle des kürzeren Kühlkanalabschnitts die Abflussöffnung vor der Druckwelle des längeren Abschnitts erreichen, und das Austreten des Kühlmittelstromes aus dem längeren Abschnitt behindern. In diesem längeren Abschnitt entsteht somit eine längere Verweildauer des Kühlmittels und eine Verschlechterung der Kühlung. Die erfindungsgemäße Maßnahme schafft in einer derartigen Situation eine wirksame Abhilfe und ermöglicht insbesondere eine effiziente Kühlung auch in einem Fall, in dem ein Kühlkanal zwei ungleich lange Abschnitte aufweist. Zusammenfassend werden ein Rückstau oder Verwirbelungen am Austritt der Kühlmittelströme verhindert. Ferner hat sich bei Untersuchungen herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme ein nahezu laminarer Durchfluss des Kühlmittels, insbesondere des Kühlöls erreicht werden kann, was für den Wärmeübergang äußerst günstig ist.
In diesem Zusammenhang ergibt sich außerdem der Vorteil, dass aufgrund der Möglichkeit, ungleich lange Kanalabschnitte vorzusehen und dennoch für eine effiziente Kühlung zu sorgen, die Zuflussöffnung außermittig angeordnet werden kann. Hierbei kann jedoch eine dahingehend mittige Anordnung der Austrittsöffnungen derart, dass sie sich über den Kolbenbolzen, insbesondere zwischen den Bolzennaben und dem kleinen Pleuelauge befinden, beibehalten werden. Eine derartige Anordnung ist für eine bestmögliche Schmierung der gelenkigen Verbindung zwischen dem Kolbenbolzen und den Bolzennaben bzw. dem Pleuelauge vorteilhaft. Die beiden Austrittsöffnungen können insbesondere und in vorteilhafter Weise links und rechts des Pleuelauges angeordnet sein, um hier für eine vorteilhafte Schmierung zu sorgen. Dieser Vorteil kann insbesondere bei einem Kühlmittelstrahl verwirklicht werden, der weitgehend parallel zur Kolbenachse verläuft. Demgegenüber ist es im Stand der Technik bekannt, einen geneigten Kühlmittelstrahl zu verwenden, der, je nach Position des Kolbens im Rahmen der Auf-Ab-Richtung, in eine von zwei Zufluss- oder Eintrittsöffnungen eintritt. Auch in einem solchen Fall wird der Kühlmittelstrahl in einzelne Kanalabschnitte aufgeteilt. Es kommt jedoch in wesentlich größerem Umfang, bis zu 20%, zu einem ungenutzten "Verspritzen" des Öles an der Teilungsrippe zwischen den beiden Eintrittsöffnungen. Demgegenüber kann der erfindungsgemäß mögliche, weitgehend parallel zur Kolbenachse vorgesehene Kühlmittelstrahl vollständig genutzt werden, da er, unabhängig von der Auf-Ab-Bewegung des Kolbens, immer an der gleichen Stelle auf eine fließgeometrisch optimierte Teilungsrippe auftreffen kann. Damit kann der Kühlmittelstrahl, weitgehend ohne Verluste, in zwei oder mehr Kanalabschnitte aufgeteilt werden, die unterschiedlich lang sein können.
Es ist ergänzend zu erwähnen, dass eine gegenüber dem Stand der Technik neue und die erfindungsgemäßen Vorteile erzielende Merkmalskombination darin gesehen werden kann, dass ein weitgehend umlaufender Kühlkanal zumindest eine Zuflussöffnung und zumindest zwei Abflussöffnungen aufweist, die im Hinblick auf das ausströmende Kühlmittel voneinander getrennt sind. Durch einen mit diesen Merkmalen versehenen Kolben können ebenfalls Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden. Dies gilt ferner für einen Kolben, dessen Kühlkanal zumindest eine Zuflussöffnung aufweist, an die sich zumindest zwei Kanalabschnitte mit jeweils einer einzigen, nur dem jeweiligen Kanalabschnitt zugeordneten Abflussöffnung anschließen. Diese zuletzt beschriebenen Ausführungsformen sind als Gegenstand der Anmeldung anzusehen und können insbesondere mit sämtlichen vorangehend und nachfolgend genannten Merkmalen kombiniert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für Strömungsverhältnisse, die im Hinblick auf den Wärmeübergang besonders effizient sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, im Bereich der Zuflussöffnung zumindest ein Strömungsteilungselement vorzusehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Rippe oder eine Wulst handeln, auf welche der beispielsweise über eine Düse zugeführte Kühlmittelstrom strömt. Das Strömungsteilungselement teilt den Kühlmittelstrom in die jeweiligen Kanalabschnitte auf. Da, wie erwähnt, zumindest zwei Kanalabschnitte ihre jeweils "eigene" Abflussöffnung aufweisen, kann ein ungehindertes Strömen des Kühlmittels gewährleistet werden, und das Nachströmen von Kühlmittel wird nicht behindert. Das Strömungsteilungselement ist bevorzugt fließgeometrisch derart optimiert, dass der Kühlmittelstrom in die zumindest zwei Richtungen weitgehend ohne Verwirbelungsverluste aufgeteilt werden kann. Bevorzugt ist das
Strömungsteilungselement an dem Zufluss derart ausgebildet, dass allenfalls sanfte Richtungsänderungen bewirkt, und abrupte Richtungsänderungen vermieden werden. Hierdurch können Strömungsverluste und Verwirbelungen weitgehend ausgeschlossen werden.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass bereits durch die vorangehend beschriebenen Maßnahmen eine besonders verlustarme und im Hinblick auf den Wärmeübergang effiziente KühlmittelStrömung gewährleistet werden kann. Eine weitere Verbesserung kann jedoch durch die bevorzugte Maßnahme erreicht werden, wonach im Bereich zumindest eines Kühlkanalabschnitts zwischen der Zuflussöffnung und der jeweiligen Abflussöffnung ein zumindest weitgehend konstanter Querschnitt vorgesehen ist. Hierdurch können die Strömungsverhältnisse weiter verbessert werden.
Wie oben erwähnt, ermöglicht die erfindungsgemäße Maßnahme, dass der Kühlkanal ungleich lange Abschnitte aufweist. Es wurde ebenfalls ausgeführt, dass dies im Hinblick auf die Nutzung des zugeführten Kühlmittelstrahles vorteilhaft ist. Dies kann insbesondere durch diejenige bevorzugte Maßnahme erreicht werden, dass die Zuflussöffnung bezüglich Abflussöffnungen asymmetrisch vorgesehen ist. Dies wird deshalb bevorzugt, um einen Kühlmittelstrahl zu ermöglichen, der weitgehend parallel zu der Kolbenachse ist, und am Eintritt mit besonders geringen Verlusten zugeführt werden kann.
Darüber hinaus wird für den Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens bevorzugt, dass dieser insgesamt weitgehend umlaufend ausgebildet ist. Wenngleich denkbar ist, dass durch den erfindungsgemäß gestalteten Kühlkanal lediglich einzelne Bereiche des Kolbens gekühlt werden, wird bevorzugt, zwei weitgehend halbkreisförmige Kühlkanalabschnitte vorzusehen. Dies bedeutet, dass die beiden Abflussöffnungen zueinander benachbart angeordnet sind, jedoch voneinander getrennt sind. Da sich an dieser Stelle bei bestimmten Ausführungsformen keine Fortsetzung der umlaufenden Gestaltung ergibt, wird ein in dieser Weise gestalteter Kühlkanal als weitgehend umlaufend beschrieben.
Durch besondere Maßnahmen kann der erfindungsgemäße Kolben zusätzlich zu der Verbesserung der Kühlung auch im Hinblick auf die Schmierung der Verbindung zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenaugen bzw. Pleuelauge verbessert werden. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass zumindest eine Abflussöffnung in Richtung eines Kolbenbolzenauges gerichtet ist. Mit anderen Worten erfolgt an der Abflussöffnung eine bevorzugt sanfte Umlenkung in einer Richtung von dem Kolbenboden weg, oder bei einer gewöhnlichen Ausrichtung des Kolbens "nach unten". Deshalb ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform der austretende Kühlmittelstrahl in Richtung des Kolbenbolzens gerichtet und kann hier für eine vorteilhafte Schmierung sorgen. Auch an dieser Stelle kann in vorteilhafter Weise die gewünschte Umlenkung an der Abflussöffnung derart sanft und ohne abrupte Richtungswechsel erfolgen, dass der Austritt des KühlmittelStromes weitgehend ungehindert und verwirbelungsfrei ist.
Es wird ferner bevorzugt, zumindest eine Abflussöffnung in einem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen, wenngleich üblicherweise an den Rand versetzt, vorzusehen. Hierdurch kann im Hinblick, auf eine besonders effiziente Schmierung des Kolbenbolzens eine günstige Lenkung des Kühlmittelstrahles auf die zu schmierenden Bereiche erfolgen.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Kolben ferner mit einem Kolbenbolzen und einem Pleuel kombiniert. Bei einer derartigen Kombination konnten besonders günstige Schmierungsverhältnisse an dem Kolbenbolzen festgestellt werden, wenn sich zumindest eine Abflussöffnung in einem Bereich zwischen einem Kolbenbolzenauge und dem Pleuelauge, typischerweise jedoch an einem Rand des Kolbens, befindet. Hierdurch kann durch den austretenden Kühlmittelstrom sowohl die Verbindung zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenauge als auch die Verbindung zu dem Pleuelauge effizient geschmiert werden.
Grundsätzlich stellt sich der erfindungsgemäße Kolben als selbständig verkehrsfähig dar. Er entfaltet jedoch seine Vorteile insbesondere in dem Zustand, in dem er in einen Verbrennungsmotor eingebaut wird. Insofern wird als Gegenstand der Anmeldung auch ein Verbrennungsmotor mit zumindest einem derartigen Kolben angesehen.
Für den in dieser Weise erfindungsgemäß gestalteten Verbrennungsmotor wird es für die effiziente Nutzung eines Kühlmittelstrahles bevorzugt, dass dieser eine Einrichtung zur Erzeugung eines KühlmittelStrahles aufweist, der weitgehend parallel zu der Kolbenachse verläuft. Durch einen derartigen Kühlmittelstrahl, der in vorteilhafter Weise bei einem erfindungsgemäßen Kolben mit asymmetrisch vorgesehener Zuflussöffnung verwendet werden kann, ergeben sich an der Zuflussöffnung deutlich geringere Verluste als dies für die im Stand der Technik bekannten Anordnungen mit geneigtem Kühlmittelstrahl der Fall ist. Wenngleich es, wie oben erwähnt, vorteilhaft ist, wenn der Kühlmittelstrahl weitgehend parallel zur Kolbenachse verläuft, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr kann der Kühlmittelstrahl auch in beliebiger Weise schräg oder geneigt zur Kolbenachse verlaufen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird eine beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens und die darin erzeugte Strömung;
Fig. 2 die Unterseite eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 3 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens im Bereich der Zuflussöffnung; und
Fig. 4 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens im Bereich der Abflussöffnungen. Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch den Kühlkanal 10 des erfindungsgemäßen Kolbens. Dieser weist im Wesentlichen zwei halbkreisförmige Kühlkanalabschnitte 12.1 und 12.2 auf .' Das Kühlmittel strömt in den Kühlkanal 10 durch eine einzige Zuflussöffnung 14, an welcher der Kühlmittelstrom durch ein Strömungsteilungselement 16, bevorzugt in Form einer Rippe oder einer Wulst, in die beiden Teilströme in den Kühlkanalabschnitten 12.1 und 12.2 aufgeteilt wird. Das Strömungsteilungselement 16 ist derart strömungstechnisch optimiert, dass keine abrupten, sondern sanfte Richtungsänderungen erfolgen, und die Strömungsverluste und Verwirbelungen gering bleiben. Der Kühlmittelstrom verlässt den jeweiligen Kühlkanalabschnitt 12.1 bzw. 12.2 durch eine jeweils eigene, nur dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt zugeordnete Abflussöffnung 18.1 bzw. 18.2. Im Bereich des Übergangs zwischen dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt 12 und der Abflussöffnung 18 sind die für die Umlenkung erforderlichen Wandungen ebenfalls derart harmonisch und strömungsgeometrisch optimiert gestaltet, dass keine abrupten Richtungsänderungen und Verwirbelungen erfolgen. Vielmehr kann der Kühlmittelstrom weitgehend ungehindert aus der jeweiligen Abflussöffnung 18 austreten. Insbesondere stören sich die beiden Kühlmittelströme durch die strömungstechnische Trennung am Abfluss nicht gegenseitig. Im Hinblick auf die Fig. 1 versteht sich, dass die Darstellung stark schematisiert ist, und üblicherweise weder der Zufluss noch der Abfluss "seitlich" zu bzw. von dem Kühlkanal 10 erfolgt. Vielmehr ist der Kühlkanal 10 in einer Ebene weitgehend senkrecht zu der Kolbenachse ausgebildet. Der Zu- und/oder Abfluss erfolgt weitgehend parallel zu der Kolbenachse, also von der Unterseite des Kolbens her. Dies ist in der schematischen Darstellung von Fig. 1 nicht zu erkennen, geht jedoch aus Fig. 2 hervor.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 20 von der Unterseite her, so dass die eine Zuflussöffnung 14 und die beiden Abflussöffnungen 18 erkennbar sind. Etwa im Bereich der Mitte der Zuflussöffnung 14 befindet sich das Strömungsteilungselement 16, das in Form einer Rippe oder Wulst ausgebildet ist. Durch das Anströmen des Strömungsteilungselements 16 mit dem Kühlmittelstrahl wird dieser teilweise in den einen 12.1 und den anderen Kühlkanalabschnitt 12.2 (vgl. Fig. 1) geleitet. Gemäß Fig. 2 erstrecken sich diese Abschnitte 12 jeweils etwa halbkreisförmig von der Zuflussöffnung 14 ausgehend in dem Bereich oberhalb der in Fig. 2 zu erkennenden Bolzenaugen 22. An der gegenüberliegenden Seite weisen die
Kühlkanalabschnitte 12 jeweils ihre eigene Abflussöffnung 18 auf. Im Bereich der jeweiligen Abflussöffnung 18 erfolgt eine Umlenkung "nach unten", also gemäß der Darstellung von Fig. 2 in Richtung des Betrachters. Im eingebauten Zustand des Kolbens befindet sich, in den Kolbenbolzenaugen 22 ein Kolbenbolzen, und zwischen den Kolbenbolzenaugen das Pleuelauge. Das in Richtung des Kolbenbolzens umgelenkte Kühlmittel kann in vorteilhafter Weise zur Schmierung der Verbindungen zwischen dem Kolbenbolzen und den Kolbenbolzenaugen bzw. dem Pleuelauge verwendet werden. In diesem Zusammenhang ergibt sich aus Fig. 2 ferner, dass unter dem "Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen" der in etwa streifenförmige Bereich zwischen der Zuflussöffnung 14 und der Abflussöffnung 18.2 verstanden wird. In diesem Bereich, insbesondere an einem Rand des Kolbens, befindet sich bei der gezeigten Ausführungsform zumindest die Abflussöffnung 18.2, so dass der hieraus austretende Kühlmittelstrahl zumindest teilweise auf den in die Kolbenbolzenaugen 22 eingesetzten, nicht dargestellten Kolbenbolzen gelangt.
In Fig. 2 ist ferner zu erkennen, dass die Zuflussöffnung 14 bezüglich der Abflussöffnungen 18 asymmetrisch vorgesehen ist, und dass folglich der Kühlkanalabschnitt zu der in Fig. 1 linken Abflussöffnung 18.1 kürzer ist als der andere Kühlkanalabschnitt. Durch die strömungstechnisch getrennten Abflussöffnungen kann jedoch eine ungünstige Behinderung des Abströmens aus dem längeren Kühlkanalabschnitt durch eine Druckwelle vermieden werden, die von der Seite des kürzeren Kühlkanalabschnitts als erste eine gemeinsame Abflussöffnung erreichen würde. Die Zuflussöffnung 14 kann jedoch auch mittig zwischen den Kolbenbolzenaugen 22 angeordnet sein. Ebenso kann sie, anders als in Fig. 2 dargestellt, weiter in Richtung der Kolbenbolzenaugen 22 versetzt vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt in einem Radialschnitt des Kolbens 10 die beiden Kühlkanalabschnitte 12.1 und 12.2. Im Bereich der gemeinsamen Zuflussöffnung 14 ist das Strömungsteilungselement 16 zu erkennen. Aus Fig. 3 geht ferner hervor, dass der Querschnitt der Kühlkanalabschnitte 12.1, 12.2 zumindest weitgehend über die Erstreckung des jeweiligen Abschnitts konstant ist, so dass die günstige und weitgehend ungehinderte Strömung des Kühlmittels unterstützt wird. Der Querschnitt bleibt insbesondere ausgehend von der Stelle, an der das Strömungsteilungselement 16 zu dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt 12.1 bzw. 12.2 geneigt ausgebildet ist, konstant. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist ferner zu erkennen, dass sich die Zuflussöffnung 14 außermittig befindet. Dies ergibt sich daraus, dass in der Darstellung von Fig. 3 der Kolben etwas nach rechts verdreht ist, so dass die Innenfläche des linken Kolbenbolzenauges 22 zu erkennen ist.
Demgegenüber geht aus der Schnittdarstellung von Fig. 4 hervor, dass es sich um eine Ansicht senkrecht auf eine (gedachte) Kolbenbolzenachse handelt. In Fig. 4 ist zu erkennen, dass bei dieser Ansicht die beiden Abflussöffnungen 18.1 und 18.2 symmetrisch zueinander sind, während aus dem Vergleich mit der Fig. 3 hervorgeht, dass die Zuflussöffnung asymmetrisch vorgesehen ist. In Fig. 4 ist ferner zu erkennen, dass die beiden Abflussöffnungen 18.1 und 18.2 zwar durch einen kleinen Durchgang 24 miteinander verbunden sind. Die Umlenkung des jeweiligen Kühlmittelstromes erfolgt jedoch durch geneigte Wandungen 26 derart, dass der Kühlmittelström zumindest weitgehend ausschließlich durch lediglich eine, nämlich die dem jeweiligen Kühlkanalabschnitt 12.1 bzw. 12.2 zugeordnete Abflussöffnung 18.1 bzw. 18.2 erfolgt, und keine ungünstige, gegenseitige Beeinflussung auftritt. Insgesamt erfolgt durch die harmonische Ausbildung der geneigten und leicht konkaven Wandungen 26 eine strömungstechnisch günstige Umlenkung des jeweiligen Kühlmittelstromes nach unten, in den Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen 22, um im eingebauten Zustand für eine günstige Schmierung des Kolbenbolzens zu sorgen. Ferner können, anders als in Fig. 4 dargestellt, die Wandungen 26 mit der unterhalb des gezeigten Durchgangs 24 vorgesehenen "Nase" 26 verbunden sein. In diesem Fall sind die Abflussöffnungen 18.1 und 18.2 vollständig voneinander getrennt. Hierdurch kann, ebenso wie dies bereits bei der Ausführungsform von Fig. 4 der Fall ist, kein Kühlmittel von der einen zu der anderen Seite gelangen, und es tritt keine Beeinträchtigung des Kühlmittelabflusses an der jeweiligen Abflussöffnung 18.1 und 18.2 auf.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, welcher Kolben
(20) einen Kühlkanal (10) mit einer einzigen Zuflussöffmmg (14) und zumindest zwei Abflussöffnungen (18) aufweist, von denen zumindest zwei (18.1, 18.2) im Hinblick auf das ausströmende Kühlmittel voneinander getrennt sind.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Bereich der Zuflussöffnung (14) zumindest ein
Strömungsteilungselement (16) vorgesehen ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Bereich zumindest eines Kühlkanalabschnitts (12.1, 12.2) zwischen der Zuflussöffnung (14) und der jeweiligen Abflussöffnung (18.1, 18.2) ein zumindest weitgehend konstanter Querschnitt vorgesehen ist.
4. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuflussöffnung (14) bezüglich der Abflussöffnungen (18) asymmetrisch vorgesehen ist.
5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kühlkanal (10) weitgehend umlaufend ausgebildet ist.
6. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Abflussöffnung (18) in Richtung eines Kolbenbolzens gerichtet ist.
7. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Abflussöffnung (18) in einem Bereich zwischen Kolbenbolzenaugen (22) angeordnet ist.
8. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dieser mit einem Kolbenbolzen und einem Pleuel kombiniert ist, und zumindest eine Abflussöffnung (18) in einem Bereich zwischen einem Kolbenbolzenauge (22) und einem Pleuelauge vorgesehen ist.
9. Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dieser eine Einrichtung zur Erzeugung eines Kühlmittelstrahles aufweist, der weitgehend parallel zur Kolbenachse verläuft.
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