EP1815122A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor und kombination eines kolbens mit einer öleinspritzanordnung - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor und kombination eines kolbens mit einer öleinspritzanordnung

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EP1815122A1
EP1815122A1 EP05822560A EP05822560A EP1815122A1 EP 1815122 A1 EP1815122 A1 EP 1815122A1 EP 05822560 A EP05822560 A EP 05822560A EP 05822560 A EP05822560 A EP 05822560A EP 1815122 A1 EP1815122 A1 EP 1815122A1
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EP
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piston
cooling
piston according
cooling channel
coolant
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EP05822560A
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EP1815122B1 (de
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Karl-Heinz Obermeier
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Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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    • 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 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/08—Cooling of piston exterior only, e.g. by jets
    • 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

  • Piston for an internal combustion engine and combination of a piston with a ⁇ lleinspritzanordnunq
  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a combination of such a piston with an oil injection arrangement.
  • the invention is based on a prior art in the form of a piston with a cooling channel, which as
  • Known cooling channels may have different cross-sectional shapes and particular configurations, such as e.g. have a wave-shaped course.
  • a piston which has no combustion bowl.
  • the piston is formed with two or more separate cooling channels, which are filled by an inclined nozzle, wherein holes for an oil supply in the cooling channels are arranged obliquely according to the jet direction.
  • a piston which has two separate cooling channels, wherein two inclined nozzles are provided for an oil supply and holes for an oil supply in the cooling channels are arranged obliquely according to the jet direction.
  • the invention has for its object to provide with simple means improved in terms of cooling effect piston and a populated arrangement with a cooling channel.
  • the piston according to the invention has a cooling channel which has at least two sections which are at different levels with regard to the height along the piston axis and / or in the radial direction.
  • a second Measure which can be combined with said first measure, but also, as the first measure may be provided alone, the piston according to the invention two or more cooling channels, of which at least two in terms of the height along the piston axis and / or are located in the radial direction at different levels.
  • the basic idea of the invention is to provide a plurality of cooling channels or interconnected cooling channel sections, which extend in different zones of the piston and thus bring about efficient cooling. In particular, this can be used to lower the temperatures in the entire piston without the hitherto chosen, complex measures being required.
  • the arrangement "at different levels” it is to be understood that a superposition and / or side-by-side arrangement of self-contained cooling channels or
  • Cooling duct sections is meant.
  • the teaching described herein differs from known cooling channels, which may have a wave-like course, and in which, accordingly, individual, comparatively short sections are at different levels.
  • this difference exists with respect to cooling channels, which may have an annular section and one of which branches off, inclined section.
  • Such sections are not at different levels insofar as they are directly connected.
  • no separate sections are provided in such a way that they can be seen as a separate openings in a sectional view containing the axis. Rather, one recognizes in the mentioned
  • the invention provides that, for example, cooling ducts or cooling duct sections that are along the piston axis at different (axial) level, are delimited from each other in the region of the shortest connection between two such channels or sections by piston material.
  • they could be fluidly connected by a suitable, in the broadest sense helical connection.
  • the connection between two such cooling duct sections can also be effected by connecting openings or bores extending substantially parallel to the piston axis. This is especially true when the two cooling duct sections are only in the direction of the piston axis, but not in the radial direction at different levels.
  • Two cooling channels or cooling channel sections extending in the radial direction, i. Starting from the piston axis to the piston skirt out, at different levels, so radially further outward or further inside, can also be connected by a largely helical connection or a largely straight connection opening or bore. Since the cooling duct sections are at radially different levels, such a connecting opening or bore would be inclined in a suitable manner with respect to the piston axis. If a cooling channel has at least two sections which, as described, are at different levels, the filling can be carried out such that the oil is brought into the upper channel, for example by means of a nozzle, and from there flows into the lower channel and finally exits ,
  • the measures according to the invention make it possible to produce an optimized cooling effect by means of a suitable, still comparatively simple design of one or more cooling channels.
  • the cooling channels or cooling channel sections can be laid in the zones which are particularly exposed to temperature. There, a favorable temperature reduction of the piston can be ensured by the cooling channels.
  • the piston must be changed by the formation of multiple cooling channels or cooling channel sections in such a small extent that can be used existing casting devices in an advantageous manner. For example, those special casting devices that are required for the introduction of reinforcing fibers can also be used. This also results in a particularly good economy of the piston according to the invention.
  • At least one inflow and / or outflow runs essentially parallel to the piston axis.
  • all inflows and / or outflows are formed parallel to the piston axis.
  • Such inflows and / or outflows can be produced by casting cores or similar methods by means of conventional casting technology. This allows a cost-effective production. However, it is also conceivable to produce inflows and / or outflows subsequently by drilling or similar production measures.
  • the piston is preferably made of aluminum or an aluminum alloy, and is preferably installed in a diesel engine, preferably a direct-injection engine. Reinforcements, for example by remelting, alloying, introduction of metallic or ceramic fibers, or of dispersion materials can also be incorporated in the pistons.
  • individual cooling channels can be connected to each other in terms of inflow and / or outflow, it has proven to be advantageous if the individual cooling channels have fluidically separate inflows and / or outflows.
  • this offers the advantage that, as explained in more detail below, either the oil pressure for the respective cooling channel can be adjusted separately, or by a schxägêt nozzle, the filling can be done by a single nozzle, and at the same time each cooling channel can be separated and reliably supplied with coolant.
  • the fluidic separation offers the advantage that the coolant can flow away unhindered and does not hinder the subsequent flow of colder coolant.
  • At least one cooling channel in a region axially below the combustion chamber trough.
  • This cooling channel can be arranged, for example, in the region below an outer edge of the combustion bowl.
  • the piston of the invention unfolds in terms of the improved cooling effect already as such its advantages.
  • the oil injection arrangement has at least two nozzles. In this way, the respective nozzle for the injection of coolant, in particular oil can be adjusted in the respective cooling channel.
  • the nozzle which is provided for the injection of coolant into a cooling channel in the region of the piston head a higher oil pressure than other nozzles.
  • the amount of coolant, in particular of the oil can be reduced in an advantageous manner.
  • a preferred embodiment is that the one nozzle provided has two or more outlet channels.
  • a simple structure can be realized by a single nozzle is arranged obliquely so that the coolant jet is inclined, so that this, depending on the position of the piston, enters one or more different cooling channels. Due to the oblique formation of a coolant jet, the coolant can thus, for example, in different positions of the piston between the top and bottom dead center, i. in the direction of the piston axis, to enter different inlet openings, which are located in the radial and / or circumferential direction at different locations. In other words, different cooling channels can be filled in different positions of the piston.
  • the coolant jet enters into a cooling channel only in one position, for example at bottom dead center, and in another position, for example at top dead center, the coolant jet strikes the piston crown and cools it.
  • a second cooling channel can be filled by its own nozzle.
  • FIG. 1 shows a sectional view of the piston according to the invention with an oil injection arrangement.
  • Fig. 2 is a representation of the internal configuration of the piston according to the invention.
  • FIG. 3 shows the combination shown in FIG. 1 viewed from an underside
  • Fig. 4 is a sectional view of a second
  • Embodiment of the piston according to the invention with an oil injection nozzle Embodiment of the piston according to the invention with an oil injection nozzle
  • Fig. 5 is a further sectional view of the piston shown in Fig. 4.
  • the piston 10 according to the invention which may be made of aluminum or an aluminum alloy, in particular cast, generally a combustion bowl 12, which may be ⁇ -shaped, a plurality of annular grooves 14 and two (it is only one to recognize) piston pin bosses 16.
  • the illustrated embodiment of the piston according to the invention has two cooling channels 18, 20 along the piston axis (not shown), which extends in the vertical direction according to FIG.
  • the cooling channels can, as can be seen in Fig. 1, have a substantially circular cross-section.
  • a first cooling channel 18 is located in a region "next to" the combustion chamber trough and in the axial direction to comparatively high level, in particular a short distance below the piston crown 22. In that regard, it is referred to below as the bottom cooling channel 18.
  • a second cooling channel 20 is provided at a level below the combustion chamber trough 12 and the bottom cooling channel 18.
  • This cooling channel is referred to below as a hollow cooling channel 20. It is not only, as mentioned, with respect to the height in the direction of the piston axis at a lower level, but is also formed at a radially inner position. At this point, this well cooling channel 20 can provide particularly efficient for the cooling of the hot zones between the combustion bowl 12 and the piston pin 16.
  • the cooling channels 18, 20 are formed with inflows 32, 36 for a supply of coolant.
  • the inflows 32, 36 are substantially parallel to the axis of the piston 10th
  • the two nozzles are arranged on opposite sides of the piston pin (not shown), the is mounted in the piston pin eye 16. They are thus arranged on the pressure and the counterpressure side, although for other applications it is presently preferred to arrange both nozzles on the counterpressure side.
  • both nozzles produce an approximately vertically upwardly directed coolant jet 28 or 30, which enters the respective inflow 32, 36 of the cooling channel 18 and 20, respectively.
  • one drain opening is provided at an approximately opposite point, as shown and explained in more detail below.
  • the inner life of the piston 10 shown in FIG. 1 can be seen in addition.
  • the two cooling channels 18 and 20 are annular and provided at a constant level.
  • the cross section does not change. However, it could also be changeable, in particular wave-shaped.
  • the trough cooling channel 20 is provided not only at a lower level, but radially within the bottom cooling channel 18. As a result, the space required for the inflow 32 of the floor cooling channel 18 is made available.
  • both the inflows 32, 3 ⁇ and the outflows 34, 38 are aligned substantially parallel to the piston axis.
  • both drain openings are shown in addition to the details shown above.
  • the opening for the drain 34 for the radially inner trough cooling channel is in the embodiment shown opposite the inflow 36. This also applies to the drain 38 for the bottom cooling channel 18, which is located opposite to its inflow 32.
  • Fig. 4 shows a sectional view of a second embodiment of the piston 10 according to the invention, in which two cooling channel sections 40, 42 are provided, which are in terms of height along the piston axis at different levels. In contrast, they are in the embodiment shown in the radial direction at the same level.
  • This connection consists essentially of a connecting channel extending approximately parallel to the piston axis, which could also be referred to as a bore.
  • a nozzle 24 is provided, which brings a coolant jet 30 in the region of the upper cooling channel section 42.
  • connection 52 is provided between them.
  • the connection 52 and the inflow 54 are substantially parallel to the piston axis.
  • the injected oil flows through the upper cooling channel 42 and can pass through the connection 44, which is provided in the embodiment shown approximately opposite to the inflow opening, into the lower cooling channel.
  • the connection of the lower cooling passage 40 to the lower side is closed by a shutter 46 so that the coolant flows through the lower cooling passage portion 40 and cools the surrounding portions of the piston. The exit of the coolant takes place near the entrance.
  • FIG. 5 shows a section of the piston 10 of FIG. 4 in the region of the coolant inlet.
  • the coolant jet 30 reaches into the area of the upper cooling passage section 42.
  • a kind of elevation or rib 48 is provided which separates the coolant jet 30 in the left and right half of the cooling channel section 42 according to FIG. 5 shares.
  • the coolant passes through the opening 44 into the lower cooling channel section 40 and can be seen in the vicinity of the coolant inlet, as can be seen in FIG. 5, by a comparison with the connection 52 widened, provided on the underside of the coolant section 40 opening 50 emerge.

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Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen Kühlkanal (18, 20) auf und zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlkanal zumindest zwei Abschnitte aufweist, die sich im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden, und/oder dass zwei oder mehr Kühlkanäle (18, 20) vorgesehen sind, von denen sich zumindest zwei (18, 20) im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden, und dass zumindest ein Zu- (32, 36) und/oder Abfluss (38, 34) im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse verläuft.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor und Kombination eines Kolbens mit einer Öleinspritzanordnunq
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Kombination eines derartigen Kolbens mit einer Öleinspritzanordnung.
Insbesondere auf dem Gebiet der Dieselmotoren geht die Entwicklung in den letzten Jahren immer mehr in Richtung einer erhöhten Leistungsdichte. Hierfür sind vor allem schnelllaufende, aufgeladene Dieselmotoren vorgesehen. Die Leistungszunähme führt zu erhöhten Temperaturen am Kolben und zu höheren mechanischen Belastungen durch den zunehmenden Zünddruck. In Anbetracht dieser Belastungserhöhungen wurde bislang in erster Linie eine Steigerung der Warmfestigkeit der Kolbenlegierungen vorgesehen. Der Einsatz insbesondere von Aluminiumlegierungen ist jedoch thermisch limitiert, da die zur Steigerung der Warmfestigkeit zugegebenen Elemente, insbesondere Nickel und Kupfer, zu einer Absenkung der Schmelztemperatur führen. Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Warmfestigkeit von Aluminiumkolben bestehen in dem Einbringen von Bewehrungen beispielsweise durch Umschmelzen, Auflegieren, Einbringen von metallischen oder keramischen Pasern, oder von Dispersionswerkstoffen. Ferner besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Kolben aus Verbundwerkstoffen herzustellen. Die bislang bekannten Lösungen weisen den Nachteil hoher Herstellungskosten auf. Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Stand der Technik in Form eines Kolbens mit einem Kühlkanal aus, der als
Vorbenutzungsgegenstand bekannt ist. Bekannte Kühlkanäle können unterschiedliche Querschnittsformen und besondere Ausgestaltungen, wie z.B. einen wellenförmigen Verlauf aufweisen.
Aus der US 5,081,959 ist ein Kolben bekannt, welcher keine Brennraummulde aufweist. Der Kolben ist mit zwei oder mehr getrennten Kühlkanälen ausgebildet, welche durch eine schrägstehende Düse befüllt werden, wobei Bohrungen für eine Ölzufuhr in die Kühlkanäle schräg entsprechend der Strahlrichtung angeordnet sind.
Aus der JP 61-144242 ist ebenfalls ein Kolben bekannt, welcher zwei getrennte Kühlkanäle auweist, wobei zwei schrägstehende Düsen für eine Ölzufuhr vorgesehen sind und Bohrungen für eine Ölzufuhr in die Kühlkanäle schräg entsprechend der Strahlrichtung angeordnet sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen im Hinblick auf die Kühlwirkung verbesserten Kolben und eine damit bestückte Anordnung mit einem Kühlkanal zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist der erfindungsgemäße Kolben gemäß einer ersten Maßnahme einen Kühlkanal auf, der zumindest zwei Abschnitte aufweist, die sich, im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung, auf unterschiedlichen Niveaus befinden. Gemäß einer zweiten Maßnahme, die mit der genannten ersten Maßnahme kombiniert werden kann, jedoch auch, ebenso wie die erste Maßnahme, alleine vorgesehen sein kann, weist der erfindungsgemäße Kolben zwei oder mehr Kühlkanäle auf, von denen sich zumindest zwei im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden.
Im Wesentlichen besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, mehrere Kühlkanäle oder miteinander verbundene Kühlkanalabschnitte vorzusehen, die in unterschiedlichen Zonen des Kolbens verlaufen und somit eine effiziente Kühlung bewirken. Insbesondere können dadurch die Temperaturen in dem gesamten Kolben gesenkt werden, ohne dass die bislang gewählten, aufwändigen Maßnahmen erforderlich sind. Zu der Anordnung "auf unterschiedlichen Niveaus" ist zu sagen, dass darunter eine Übereinander- und/oder Nebeneinander-Anordnung von in sich geschlossenen Kühlkanälen oder
Kühlkanalabschnitten gemeint ist. Diesbezüglich unterscheidet sich die hierin beschriebene Lehre von bekannten Kühlkanälen, die einen wellenförmigen Verlauf aufweisen können, und bei denen sich dementsprechend einzelne, vergleichsweise kurze Abschnitte auf unterschiedlichen Niveaus befinden. Ferner besteht dieser Unterschied gegenüber Kühlkanälen, die einen ringförmigen und einen davon abzweigenden, geneigten Abschnitt aufweisen können. Derartige Abschnitte befinden sich insofern nicht auf unterschiedlichen Niveaus, als sie unmittelbar miteinander verbunden sind. Insbesondere sind bei derartigen Kühlkanälen keine getrennten Abschnitte dahingehend vorgesehen, dass sie in einer Schnittdarstellung, welche die Achse enthält, als getrennte Öffnungen erkennbar sind. Vielmehr erkennt man in der genannten
Schnittdarstellung die Verbindung zwischen den verschiedenen Abschnitten.
Demgegenüber ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass beispielsweise Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte, die sich entlang der Kolbenachse auf unterschiedlichem (axialen) Niveau befinden, im Bereich der kürzesten Verbindung zwischen zwei derartigen Kanälen oder Abschnitten durch Kolbenmaterial voneinander abgegrenzt sind. Gleichwohl könnten sie durch eine geeignete, im weitesten Sinne schraublinienförmige Verbindung strömungstechnisch miteinander verbunden sein. Daneben kann die Verbindung zwischen zwei derartigen Kühlkanalabschnitten auch durch weitgehend parallel zur Kolbenachse verlaufende Verbindungsöffnungen oder Bohrungen erfolgen. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich die beiden Kühlkanalabschnitte lediglich in Richtung der Kolbenachse, nicht jedoch in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden.
Zwei Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte, die sich in radialer Richtung, d.h. von der Kolbenachse ausgehend zum Kolbenmantel hin, auf unterschiedlichen Niveaus, also radial weiter außen oder weiter innen befinden, können ebenfalls durch eine weitgehend schraublinienförmige Verbindung oder eine weitgehend gerade Verbindungsöffnung oder Bohrung verbunden sein. Da sich die Kühlkanalabschnitte auf radial unterschiedlichen Niveaus befinden, wäre eine derartige Verbindungsöffnung oder -bohrung in geeigneter Weise bezüglich der Kolbenachse geneigt. Wenn ein Kühlkanal zumindest zwei Abschnitte aufweist, die sich, wie beschrieben, auf unterschiedlichen Niveaus befinden, kann die Befüllung derart erfolgen, dass das Öl beispielsweise mittels einer Düse in den oberen Kanal gebracht wird, und von dort in den unteren Kanal strömt und schließlich austritt.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann durch eine geeignete, immer noch vergleichsweise einfache Gestaltung von einem oder mehreren Kühlkanälen eine optimierte Kühlwirkung erzeugt werden. Die Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte können nämlich in die jeweils besonders temperaturgefährdeten Zonen verlegt werden. Dort kann durch die Kühlkanäle eine günstige TemperaturSenkung des Kolbens sichergestellt werden. Als weiterer Vorteil sei erwähnt, dass der Kolben durch die Ausbildung mehrerer Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte in derart geringem Umfang verändert werden muss, dass in vorteilhafter Weise vorhandene Gießeinrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise können auch diejenigen besonderen Gießeinrichtungen verwendet werden, die für das Einbringen von Verstärkungsfasern erforderlich sind. Hierdurch ergibt sich ebenfalls eine besonders gute Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Kolbens.
Mindestens ein Zu- und/oder Abfluss verläuft im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse. Bevorzugt sind alle Zu- und/oder Abflüsse parallel zur Kolbenachse ausgebildet. Derartige Zu- und/oder Abflüsse sind durch Gießkerne oder ähnliche Verfahren mittels herkömmlicher Gießtechnik herstellbar. Dies ermöglicht eine kostengünstige Fertigung. Es ist jedoch auch denkbar, Zu- und/oder Abflüsse anschließend durch Bohrungen oder ähnliche Fertigungsmaßnahmen herzustellen.
Der Kolben besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und wird bevorzugt in einem Dieselmotor, vorzugsweise einem Direkteinspritzer eingebaut. In den Kolben können zudem Bewehrungen, beispielsweise durch Umschmelzen, Auflegieren, Einbringen von metallischen oder keramischen Fasern, oder von Dispersionswerkstoffen eingebracht sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Wenngleich einzelne Kühlkanäle hinsichtlich des Zu- und/oder Abflusses miteinander verbunden sein können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die einzelnen Kühlkanäle strömungstechnisch getrennte Zu- und/oder Abflüsse aufweisen. Im Bereich des Zuflusses bietet dies den Vorteil, dass, wie nachfolgend noch genauer ausgeführt, entweder der Öldruck für den jeweiligen Kühlkanal getrennt eingestellt werden kann, oder durch eine schxägstehende Düse die Befüllung durch eine einzige Düse erfolgen kann, und gleichzeitig jeder Kühlkanal getrennt und zuverlässig mit Kühlmittel versorgt werden kann. Im Bereich des Abflusses bietet die strömungstechnische Trennung den Vorteil, dass das Kühlmittel ungehindert abfließen kann und das Nachfließen von kälterem Kühlmittel nicht behindert.
Für die Anordnung der Zuflüsse, soweit diese getrennt vorgesehen sind, wird derzeit bevorzugt, dass sich sämtliche Zuflüsse, insbesondere zwei Zuflüsse bei dem Vorsehen von zwei getrennten Kühlkanälen, auf der Gegendruckseite des Kolbens befinden. Eine vorgesehene zweite Kühldüse erfordert nämlich eine zusätzliche Aussparung am Kolbenschaft, oder es wird eine Verbreiterung einer vorhandenen Aussparung notwendig. Unter diesen Umständen hat sich die Anordnung beider Zuflüsse auf der Gegendruckseite als vorteilhaft erwiesen. Es ist jedoch ebenso denkbar und kann in bestimmten Anwendungsfällen bevorzugt werden, dass beide Zuflüsse auf der Druckseite angeordnet sind, oder jeweils ein Zufluss auf der Druck- und ein Zufluss auf der Gegendruckseite angeordnet ist, was eine "kreuzweise Anordnung" bedeutet. Eine „kreuzweise" Anordnung kann beispielsweise aufgrund festigungstechnischer Überlegungen von Vorteil sein.
Für getrennte Zu- und/oder Abflüsse hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese in axialer und/oder radialer und/oder in Umfangsrichtung an unterschiedlichen Stellen anzuordnen. Eine derartige axiale Versetzung bedeutet, dass sich eine ZulaufÖffnung für einen "höheren" Kühlkanal oder Kühlkanalabschnitt entsprechend auf einem höheren Niveau befindet. Hierdurch kann ein nicht immer wünschenswerter rohrförmiger Zulauf in einen höheren Bereich vermieden werden. Durch eine radial getrennte Anordnung von Zu- und/oder Abflüssen kann das zur Verfügung stehende Kolbenmaterial in günstiger Weise für die Ausbildung der Zu- und/oder Abflüsse genutzt werden. Dies gilt in gleicher Weise für den Fall, dass die Zu- und/oder Abflüsse alternativ oder ergänzend zu den vorangehend genannten Maßnahmen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass eine besonders gute Kühlwirkung bei einer Ausführungsform erreicht werden kann, bei der bei einem Kolben mit einer Brennraummulde zumindest ein Kühlkanal im Bereich radial neben der Brennraummulde vorgesehen ist. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um einen Kühlkanal in einem bezüglich der Kolbenachse "oberen", in der Umgebung des Kolbenbodens befindlichen Bereich.
Gegebenenfalls ergänzend hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zumindest einen Kühlkanal in einem Bereich axial unterhalb der Brennraummulde vorzusehen. Dieser Kühlkanal kann beispielsweise im Bereich unterhalb eines äußeren Randes der Brennraummulde angeordnet sein.
Der erfindungsgemäße Kolben entfaltet im Hinblick auf die verbesserte Kühlwirkung bereits als solcher seine Vorteile. Es ergeben sich jedoch besonders günstige Ausgestaltungen in Kombination mit vorteilhaften Öleinspritzanordnungen. Folglich ist auch eine derartige Kombination als Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu betrachten.
Hierbei wird bevorzugt, dass die Öleinspritzanordnung zumindest zwei Düsen aufweist. In dieser Weise kann die jeweilige Düse für das Einspritzen von Kühlmittel, insbesondere Öl in den jeweiligen Kühlkanal angepasst werden.
Fertigungstechnische Vorteile werden erhalten, wenn die Düsen auf gegenüberliegenden Seiten vorgesehen werden.
In diesem Zusammenhang wird derzeit bevorzugt, dass diejenige Düse, die für das Einspritzen von Kühlmittel in einen Kühlkanal im Bereich des Kolbenbodens vorgesehen ist, einen höheren Öldruck erzeugt als andere Düsen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Menge des Kühlmittels, insbesondere des Öls, verringert werden.
Alternativ zu der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ist es jedoch denkbar, dass der Kolben mit einer Öleinspritzanordnung kombiniert wird, die eine einzige Düse aufweist. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau.
Um dennoch eine getrennte Befüllung von zwei oder mehr Kühlkanälen zu erreichen, besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass die eine vorgesehene Düse zwei oder mehr Austrittskanäle aufweist.
Alternativ hierzu kann ein einfacher Aufbau realisiert werden, indem eine einzige Düse derart schräg angeordnet ist, dass der Kühlmittelstrahl schräg verläuft, so dass dieser, in Abhängigkeit von der Position des Kolbens, in einen oder mehrere unterschiedliche Kühlkanäle eintritt. Durch die schräge Ausbildung eines Kühlmittelstrahles kann das Kühlmittel somit beispielsweise in unterschiedlichen Stellungen des Kolbens zwischen dem oberen und unteren Totpunkt, d.h. in Richtung der Kolbenachse, in unterschiedliche ZulaufÖffnungen eintreten, die sich in radialer und/oder in Umfangsrichtung an unterschiedlichen Stellen befinden. Mit anderen Worten können in unterschiedlichen Stellungen des Kolbens unterschiedliche Kühlkanäle befüllt werden. Alternativ hierzu ist denkbar, dass der Kühlmittelstrahl lediglich in einer Position, beispielsweise im unteren Totpunkt, in einen Kühlkanal eintritt, und in einer anderen Position, beispielsweise am oberen Totpunkt, der Kühlmittelstrahl auf den Kolbenboden trifft und diesen kühlt. Ein zweiter Kühlkanal kann durch eine eigene Düse befüllt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird eine beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Kolbens mit einer Öleinspritzanordnung;
Fig. 2 eine Darstellung der inneren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 3 die in Fig. 1 gezeigte Kombination von einer Unterseite aus betrachtet;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer zweiten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens mit einer Öleinspritzdüse; und
Fig. 5 eine weitere Schnittdarstellung des in Fig. 4 gezeigten Kolbens.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführuncrsform der Erfindung
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, insbesondere gegossen sein kann, im Allgemeinen eine Brennraummulde 12, die ω-förmig sein kann, mehrere Ringnuten 14 und zwei (es ist nur eine zu erkennen) Kolbenbolzenaugen 16 auf. Das gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens weist entlang der (nicht gezeigten) Kolbenachse, die sich gemäß Fig. 1 in vertikaler Richtung erstreckt, zwei Kühlkanäle 18, 20 auf. Die Kühlkanäle können, wie in Fig. 1 zu erkennen, einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Ein erster Kühlkanal 18 befindet sich in einem Bereich "neben" der Brennraummulde und in axialer Richtung auf vergleichsweise hohem Niveau, insbesondere ein kurzes Stück unterhalb des Kolbenbodens 22. Insoweit wird er nachfolgend als Bodenkühlkanal 18 bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist ein zweiter Kühlkanal 20 auf einem Niveau unterhalb der Brennraummulde 12 und des Bodenkühlkanals 18 vorgesehen. Dieser Kühlkanal wird nachfolgend als Muldenkühlkanal 20 bezeichnet. Er befindet sich nicht nur, wie erwähnt, hinsichtlich der Höhe in Richtung der Kolbenachse auf einem niedrigeren Niveau, sondern ist darüber hinaus an einer radial weiter innenliegenden Position ausgebildet. An dieser Stelle kann dieser Muldenkühlkanal 20 besonders effizient für die Kühlung der heißen Zonen zwischen der Brennraummulde 12 und dem Kolbenbolzenauge 16 sorgen.
Die Kühlkanäle 18, 20 sind mit Zuflüssen 32, 36 für eine Zuführung von Kühlmittel ausgebildet. Die Zuflüsse 32, 36 verlaufen im Wesentlichen parallel zu Achse des Kolbens 10.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, erfolgt die Zuführung von Kühlmittel, insbesondere Kühlöl, bei der gezeigten Ausführungsform durch zwei getrennte Düsen 24, 26. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die beiden Düsen auf gegenüberliegenden Seiten des (nicht gezeigten) Kolbenbolzens angeordnet, der in dem Kolbenbolzenauge 16 gelagert ist. Sie sind somit auf der Druck- und der Gegendruckseite angeordnet, wenngleich für andere Anwendungen derzeit bevorzugt wird, beide Düsen auf der Gegendruckseite anzuordnen. Wie zu erkennen ist, erzeugen beide Düsen einen in etwa vertikal nach oben gerichteten Kühlmittelstrahl 28 bzw. 30, der in den jeweiligen Zufluss 32, 36 des Kühlkanals 18 bzw. 20 eintritt. An einer in etwa gegenüberliegenden Stelle ist, wie nachfolgend noch genauer gezeigt und erläutert, jeweils eine AblaufÖffnung vorgesehen.
In Fig. 2 ist ergänzend das Innenleben des in Fig. 1 dargestellten Kolbens 10 zu erkennen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Kühlkanäle 18 bzw. 20 ringförmig und auf einem gleichbleibenden Niveau vorgesehen. Hierbei verändert sich auch der Querschnitt nicht. Er könnte jedoch auch veränderlich, insbesondere wellenförmig gestaltet sein. In Fig. 2 ist besonders gut zu erkennen, dass der Muldenkühlkanal 20 nicht nur auf einem niedrigeren Niveau, sondern radial innerhalb des Bodenkühlkanals 18 vorgesehen ist. Hierdurch wird der für den Zufluss 32 des Bodenkühlkanals 18 erforderliche Raum zur Verfügung gestellt. Wie in Fig. 2 deutlich erkennbar ist, sind sowohl die Zuflüsse 32, 3β als auch die Abflüsse 34, 38 im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse ausgerichtet.
In Fig. 3 sind ergänzend zu den vorangehend gezeigten Einzelheiten beide AblaufÖffnungen dargestellt. Die Öffnung für den Abfluss 34 für den radial innenliegenden Muldenkühlkanal befindet sich bei der gezeigten Ausführungsform gegenüber des Zuflusses 36. Dies gilt in gleicher Weise für den Abfluss 38 für den Bodenkühlkanal 18, der sich gegenüber von dessen Zufluss 32 befindet.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10, bei dem zwei Kühlkanalabschnitte 40, 42 vorgesehen sind, die sich im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse auf unterschiedlichen Niveaus befinden. Demgegenüber sind sie bei der gezeigten Ausführungsform in radialer Richtung auf dem gleichen Niveau. Es handelt sich um Kühlkanalabschnitte 40, 42, im Gegensatz zu gesonderten Kühlkanälen, wie dies bei der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, weil bei der zweiten Ausführungsform eine Verbindung 44 vorhanden ist. Diese Verbindung besteht im Wesentlichen aus einem in etwa parallel zur Kolbenachse verlaufenden Verbindungskanal, der auch als Bohrung bezeichnet werden könnte. Wie in Fig. 4 an der rechten Seite zu erkennen ist, ist eine Düse 24 vorgesehen, die einen Kühlmittelstrahl 30 in den Bereich des oberen Kühlkanalabschnitts 42 bringt. Damit der Kühlmittelstrahl 30 gewissermaßen "durch" den unteren Kühlkanalabschnitt 40 bis in den oberen Kühlkanalabschnitt 42 gelangen kann, ist zwischen diesen eine Bohrung oder eine in etwa parallel zur Kolbenachse verlaufende Verbindung 52 vorgesehen. Die Verbindung 52 und der Zufluss 54 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse. Das eingespritzte Öl durchströmt den oberen Kühlkanal 42 und kann durch die Verbindung 44, die bei der gezeigten Ausführungsform in etwa gegenüber von der Zuflussöffnung vorgesehen ist, in den unteren Kühlkanal gelangen. Die Verbindung des unteren Kühlkanals 40 zur Unterseite hin ist durch einen Verschluss 46 geschlossen, so dass das Kühlmittel durch den unteren Kühlkanalabschnitt 40 strömt und die umgebenden Bereiche des Kolbens kühlt. Der Austritt des Kühlmittels erfolgt in der Nähe des Eintritts.
Dies ist ergänzend in Fig. 5 zu erkennen. Fig. 5 zeigt einen Schnitt des Kolbens 10 von Fig. 4 im Bereich des Kühlmitteleintritts. Wie zu erkennen ist, gelangt der Kühlmittelstrahl 30 bis in den Bereich des oberen Kühlkanalabschnitts 42. Bei der gezeigten Ausführungsform ist dort, wo der Kühlmittelstrahl 30 an die obere Begrenzung des Kühlkanalabschnitts 42 auftrifft, eine Art Erhebung oder Rippe 48 vorgesehen, die den Kühlmittelstrahl 30 in die gemäß Fig. 5 linke und rechte Hälfte des Kühlkanalabschnitts 42 teilt. An der gegenüberliegenden Seite gelangt das Kühlmittel, wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, durch die Öffnung 44 in den unteren Kühlkanalabschnitt 40 und kann in der Umgebung des Kühlmitteleintritts, wie in Fig. 5 zu erkennen ist, durch eine verglichen mit der Verbindung 52 verbreiterte, an der Unterseite des Kühlmittelabschnitts 40 vorgesehene Öffnung 50 austreten.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Kühlkanal (18, 20), wobei der Kühlkanal zumindest zwei Abschnitte aufweist, die sich im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden, und/oder dass zwei oder mehr Kühlkanäle (18, 20) vorgesehen sind, von denen sich zumindest zwei (18, 20) im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest ein Zu- (32, 36) und/oder Abfluss (38, 34) im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse verläuft.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die einzelnen Kühlkanäle (18, 20) strömungstechnisch getrennte Zu- (32, 36) und/oder Abflüsse (38, 34) aufweisen.
3. Kolben nach Anspruch 2 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei Zuflüsse auf der Gegendruckseite des Kolbens (10) vorgesehen sind.
4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sich die Zu- (32, 36) und/oder Abflüsse (38,34) in axialer und/oder radialer und/oder in Umfangsrichtung an unterschiedlichen Stellen befinden.
5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (10) eine Brennraummulde (12) aufweist, und zumindest ein Kühlkanal (18) oder Kühlkanalabschnitt radial neben der Brennraummulde (12) vorgesehen ist.
6. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kolben (10) eine Brennraummulde (12) aufweist, und sich zumindest ein Kühlkanal (20) oder Kühlkanalabschnitt axial unterhalb der Brennraummulde (12) befindet.
7. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche in Kombination mit einer Kühlmitteleinspritzanordnung.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmitteleinspritzanordnung zumindest zwei Düsen
(24, 26) aufweist.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Düsen (24, 26) auf gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind.
10. Kolben nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Düse (26) , die für das Einspritzen von Kühlmittel in einen radial neben der Brennraummulde (12) vorgesehenen Kühlkanal (18) vorgesehen ist, einen höheren Öldruck erzeugt als andere Düsen.
11. Kolben nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlmitteleinspritzanordnung eine einzige Düse aufweist.
12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Düse zumindest zwei Austrittskanäle aufweist.
13. Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Düse derart schräg angeordnet ist, dass ein schräger Kühlmittelstrahl erzeugt wird, der in Abhängigkeit von der Position des Kolbens (10) in einen oder mehrere unterschiedliche Kühlkanäle eintritt.
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