EP1925805A1 - Variably designed cooling duct for a piston - Google Patents

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Publication number
EP1925805A1
EP1925805A1 EP07021851A EP07021851A EP1925805A1 EP 1925805 A1 EP1925805 A1 EP 1925805A1 EP 07021851 A EP07021851 A EP 07021851A EP 07021851 A EP07021851 A EP 07021851A EP 1925805 A1 EP1925805 A1 EP 1925805A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling channel
piston
coolant
flow
piston according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07021851A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Gruber
Emmerich Ottliczky
Norbert Ries
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.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP1925805A1 publication Critical patent/EP1925805A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/105—Salt cores
    • 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
    • F01P3/10—Cooling by flow of coolant through pistons

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled piston of an internal combustion engine, in which a radially encircling, a coolant leading cooling channel is integrated.
  • the coolant circulating in the cooling channel enters via at least one inflow opening and via at least one outflow opening.
  • the cooling channel includes measures for influencing a coolant flow.
  • Pistons for internal combustion engines are exposed to high temperatures.
  • an annular cooling channel is introduced, which is acted upon by the coolant, in particular the lubricating oil of the internal combustion engine.
  • the circulating in the cooling channel coolant causes heat removal from the piston, which in particular the thermally highly stressed zones such as piston crown, combustion bowl, ring field and ring carrier are cooled specifically and effectively.
  • a piston according to the preamble of claim 1 is known from DE 103 19 230 A1 known.
  • the design of the cooling channel having an inflow opening and an outflow opening provides a constant inner and outer diameter, as well as a crest line extending in a plane.
  • the inner wall includes circumferentially staggered structures.
  • the cooling channel shows a over the entire length uniformly curved in the direction of the piston axis designed course, with always the same unchanged flow area.
  • the invention has for its object to realize a cooling channel for a piston with improved heat dissipation, without adverse effect on the strength of the piston.
  • the cooling channel has geometrically changing internal structures, including varying heights and widths, as well as a corrugated or curved top line. Associated with this are variably designed flow cross sections of the cooling channel.
  • the inner diameter and / or outer diameter of the cooling channel is designed to be constant or fluctuating.
  • the cooling channel can advantageously be designed such that different residence times of the coolant, which are matched to the respective thermal or mechanical loads of individual zones of the piston, are set in individual sections.
  • the circumferentially changing, different cooling channel volumes containing flow cross sections of the cooling channel can be advantageously adapted to the critical areas of the piston depending on demand, whereby an increased thermal-mechanical load capacity of the piston can be achieved.
  • a piston which includes a cooling channel with a changing flow cross-section.
  • the cooling channel is formed diffuser-like, for which extends the flow cross-section of the cooling channel of the inflow opening continuously up to the discharge opening.
  • the cooling channel comprises a double inlet, which comprises two adjacent, correspondingly arranged openings as the inflow opening.
  • the coolant quantity entering the pump cooling channel and thus the throughput quantity are increased by the double inlet in conjunction with at least two injection nozzles, wherein advantageously each opening is assigned an injection nozzle.
  • the cooling channel according to the invention which is also to be referred to as a double inlet pump channel, includes a flow divider which directly diverts the coolant jet outgoing from the injection nozzles into corresponding cooling channel sections downstream of the inflow opening, whereby two coolant streams flow countercurrently through the cooling channel up to the preferably common outflow opening.
  • the cooling channel according to the invention in conjunction with the geometrically adapted double inlet and separately arranged injection nozzles, while maintaining the coolant flow, causes an increased coolant throughput and thus an increased efficiency.
  • a one-piece, closed-shaped, soluble core is preferably used.
  • This structure simplifies the manufacture and assembly of the core, which is designed in particular as a salt core, which can be fixed in connection with a holding means on the casting mold, in particular on a casting core. After casting the piston, the holding means and the core are flushed out, so that a cavity forming the cooling channel is established, and the openings for the inlet and outlet of the coolant.
  • the one-piece core also improves the cooling.
  • the one-piece core has improved stability, which has an advantageous effect on the manufacturing process and handling during assembly.
  • All measures according to the invention result in ensuring advantageous for the cooling effect accelerated transport of the coolant within the cooling channel.
  • the design of the cooling channel according to the invention simultaneously takes into account the different thermal and mechanical stresses of the piston, to achieve improved strength and reduced temperature, which advantageously adjusts an improved life of the piston.
  • a preferred embodiment of the invention provides for the formation of the inner structure to provide the cooling channel circumferentially with staggered steps, which form coincidentally with a direction of a piston longitudinal axis on opposite inner sides of the cooling channel alternately inclined step surfaces.
  • This approximately sawtooth-shaped, mutually offset cooling channel structure triggers a pumping action during the piston run.
  • the structure which can also be referred to as a staircase-type topology, has the effect that the coolant entering the cooling channel continuously accelerates the transport under the influence of high acceleration forces, by the cooling of the coolant between the opposite inner sides or the floor surface and the ceiling surface Cooling channel leads.
  • the invention also includes circumferentially mutually differently shaped step surfaces, for example, to locally influence the flow velocity of the coolant within the cooling channel.
  • the inflow opening of the cooling channel, the two staggered openings includes is advantageously offset from a pivot axis of the connecting rod inserted within a piston skirt. This position of the openings allows an optimal arrangement of the injection nozzles, at the same time there is no adverse effect on the free jet, with which the coolant is injected.
  • the inflow opening formed as a double inlet preferably further comprises an extended flow divider. This includes the closed between the double inlet, no interruption having cooling channel rising and falling lower and upper segments, which are designed so that a temporarily there befindliches coolant volume is accelerated in a change of piston movement of the separate openings, in the direction of the discharge opening ,
  • the cooling channel is provided with swirl walls, for example in the area of the inflow opening or in any other alternative section of the cooling channel.
  • a desired rapid exit of the heated coolant from the cooling channel causes a discharge opening formed as a flow collector.
  • a flow collector according to the invention a locally flared portion of the cooling channel in the region of the discharge opening is provided, which reduces the flow velocity and ensures an unhindered discharge of the coolant, which improves the efficiency of the piston cooling.
  • This structure improves the degree of filling the inflow opening and thus of the cooling channel with coolant, in comparison to an injection nozzle whose coolant jet is directed into a formed as a slot inflow opening.
  • the two injection nozzles according to the invention are thus positioned less inclined, whereby the filling phases extend.
  • the use of two similar injection nozzles with matching volumetric flows and coolant pressure, which in total have the same throughput as an equivalent individual nozzle, increases the coolant outlet velocity, which positively influences the filling and, associated therewith, the cooling effect.
  • Piston 1 depicted in half-section comprises a circumferential cooling channel 3 integrated in a piston head 2, which is positioned at a distance from a combustion chamber trough 4 centrally placed in the piston head 2 and a ring field 5.
  • the cooling channel 3 is a coolant, especially the lubricant of the internal combustion engine acted upon.
  • a position-fixed injection nozzle 6 is provided, starting from which, via a free jet 7, the coolant is injected into an inlet opening 8 communicating with the cooling channel 3. From there, the coolant flows through the cooling channel 3 and enters via a in the FIG. 3 shown outlet opening 22 from.
  • the inflow opening 8 and the associated injector 6 are associated with a piston skirt 9 of the piston 1, and thereby offset or outside a pivot plane of a in the FIG. 1 not shown, connected to a pin bore 10 connecting rod.
  • the outgoing from the injection nozzle 6, directed to the inflow opening 8 free jet 7 is inclined to a piston longitudinal axis eleventh
  • FIG. 2 is shown as an individual part of a closed designed, soluble core 12, which is provided for the production of the cooling channel 3.
  • the core 12, which is designed in particular as a salt core, is fixed in connection with a holding means on a casting mold, in particular on a casting core. After casting and cooling of the piston 1, the holding means and the core are rinsed out so that a cavity forming the cooling channel 3 in the piston 1 is established.
  • the core 12 has geometrically changing structures, such as a corrugated or curved crest line 13, as well as on the upper side 14 and on the underside 15 circumferentially staggered arranged and / or differently formed stages 16a, 16b. As a result of this configuration of the core 12, flow cross sections of the cooling channel 3 which vary on the circumference vary.
  • FIG. 3 schematically shows in a development a section of the cooling channel 3 and illustrates the geometric shape and design of the inner step-like or sawtooth-like structure of the cooling channel 3.
  • a double inlet is provided, which is formed as an extended flow divider 19 and the two adjacent and corresponding arranged, designed as holes openings 18a, 18b includes.
  • a local constriction 20 of the cooling channel 3 in the region of the flow divider 19 causes a deflection of the respective fluid streams after entry into the cooling channel 3, illustrated by the oppositely directed arrows.
  • the expanded flow divider 19 includes rising and falling lower and upper segments, whereby a temporarily located in the double inlet coolant volume at a change of piston movement of the separate inflow openings in Direction of the discharge opening 9 is accelerated.
  • the openings are 18a, 18b provided with a swirl structure 23a, 23b on the inner wall.
  • a swirling motion is forced on the coolant flowing through, as a result of which an extended path is established.

Abstract

The piston has a cooling duct (3), which is specified for accommodating cooling agent, where the cooling duct includes an inflow opening (8) and a disperse opening (22), over which the cooling agent can be in flowed and dispersed. The cooling duct includes geometrically changing structures with varying heights, breadths and flow through cross section. The duct includes a variably designed inner diameter and/or outer diameter, and a wavelike or a curved running crown line. The duct works together with two injection nozzles, and is made of one piece, closed designed soluble core.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, in dem ein radial umlaufender, ein Kühlmittel führender Kühlkanal integriert ist. Das in dem Kühlkanal zirkulierende Kühlmittel tritt über zumindest eine Zuströmöffnung ein und über zumindest eine Abströmöffnung aus. Zur Erzielung einer Pumpwirkung schließt der Kühlkanal Maßnahmen zur Beeinflussung einer Kühlmittelströmung ein.The invention relates to a liquid-cooled piston of an internal combustion engine, in which a radially encircling, a coolant leading cooling channel is integrated. The coolant circulating in the cooling channel enters via at least one inflow opening and via at least one outflow opening. To achieve a pumping action, the cooling channel includes measures for influencing a coolant flow.

Kolben für Brennkraftmaschinen sind hohen Temperaturen ausgesetzt. Zur gezielten und wirksamen Kühlung, mit der die Lebensdauer verbessert werden kann, ist in dem Kolben ein ringförmiger Kühlkanal eingebracht, der von dem Kühlmittel, insbesondere dem Schmieröl der Brennkraftmaschine, beaufschlagt wird. Das in dem Kühlkanal zirkulierende Kühlmittel bewirkt eine Wärmeabfuhr aus dem Kolben, wodurch insbesondere die thermisch hoch beanspruchten Zonen wie Kolbenboden, Brennraummulde, Ringfeld und Ringträger gezielt und wirksam gekühlt werden.Pistons for internal combustion engines are exposed to high temperatures. For targeted and effective cooling, with which the service life can be improved, in the piston, an annular cooling channel is introduced, which is acted upon by the coolant, in particular the lubricating oil of the internal combustion engine. The circulating in the cooling channel coolant causes heat removal from the piston, which in particular the thermally highly stressed zones such as piston crown, combustion bowl, ring field and ring carrier are cooled specifically and effectively.

Ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 103 19 230 A1 bekannt. Die Auslegung des eine Zuströmöffnung und eine Abströmöffnung aufweisenden Kühlkanals sieht einen konstanten Innen- und Außendurchmesser vor, sowie eine Scheitellinie, die in einer Ebene verläuft. Die Innenwandung schließt umfangsseitig versetzt zueinander verlaufende Strukturen ein.A piston according to the preamble of claim 1 is known from DE 103 19 230 A1 known. The design of the cooling channel having an inflow opening and an outflow opening provides a constant inner and outer diameter, as well as a crest line extending in a plane. The inner wall includes circumferentially staggered structures.

Als Maßnahme, um die abgeführte Wärmemenge aus dem Kolben zu erhöhen, ist gemäß der DE 101 26 359 A1 sowie der DE 199 30 630 C1 vorgesehen, den Kühlkanal wellenförmig in dem Kolben anzuordnen. Dabei zeigt der Kühlkanal einen über die gesamte Länge gleichförmig in Richtung der Kolbenachse geschwungen gestalteten Verlauf, mit einem stets gleichen unveränderten Durchströmquerschnitt.As a measure to increase the amount of heat dissipated from the piston, according to the DE 101 26 359 A1 as well as the DE 199 30 630 C1 provided to arrange the cooling channel undulating in the piston. In this case, the cooling channel shows a over the entire length uniformly curved in the direction of the piston axis designed course, with always the same unchanged flow area.

Diese Maßnahme vergrößert die Oberfläche des Kühlkanals, führt aber anderseits zu einer nachteiligen Beeinflussung der Zirkulation des Kühlmittels. Der wellenförmige Verlauf des Kühlkanals in Verbindung mit der oszillierenden Kolbenbewegung verhindert eine kontinuierliche Strömung, da sich das Kühlmittel stets an den Vertiefungen des Kühlkanals sammelt und eine Weiterleitung zu der Abströmöffnung behindert.This measure increases the surface of the cooling channel, but on the other hand leads to an adverse effect on the circulation of the coolant. The wave-shaped course of the cooling channel in conjunction with the oscillating piston movement prevents continuous flow, since the coolant always collects at the recesses of the cooling channel and obstructs a forwarding to the outflow opening.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkanal für einen Kolben mit einer verbesserten Wärmeabführung zu realisieren, ohne nachteiligen Einfluss auf die Festigkeit des Kolbens.The invention has for its object to realize a cooling channel for a piston with improved heat dissipation, without adverse effect on the strength of the piston.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1.

Zur Darstellung eines Pump-Kühlkanals ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal geometrisch wechselnde Innenstrukturen aufweist, variierende Höhen und Breiten, sowie eine wellenförmig bzw. gekrümmt verlaufende Scheitellinie einschließt. Damit verbunden stellen sich variabel ausgelegte Durchströmquerschnitte des Kühlkanals ein. Der Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser des Kühlkanals ist dazu konstant oder schwankend ausgelegt. Gemäß der Erfindung kann der Kühlkanal vorteilhaft so gestaltet werden, dass sich unterschiedliche, auf die jeweiligen thermischen oder mechanischen Belastungen einzelner Zonen des Kolbens abgestimmte Verweilzeiten des Kühlmittels in einzelnen Abschnitten einstellen. Die sich umfangsseitig ändernden, unterschiedliche Kühlkanalvolumina beinhaltenden Durchströmquerschnitte des Kühlkanals können vorteilhaft bedarfsabhängig den kritischen Bereichen des Kolbens anpasst werden, wodurch eine gesteigerte thermisch-mechanische Belastbarkeit des Kolbens erzielbar ist.In order to present a pump cooling channel, it is provided according to the invention that the cooling channel has geometrically changing internal structures, including varying heights and widths, as well as a corrugated or curved top line. Associated with this are variably designed flow cross sections of the cooling channel. The inner diameter and / or outer diameter of the cooling channel is designed to be constant or fluctuating. According to the invention, the cooling channel can advantageously be designed such that different residence times of the coolant, which are matched to the respective thermal or mechanical loads of individual zones of the piston, are set in individual sections. The circumferentially changing, different cooling channel volumes containing flow cross sections of the cooling channel can be advantageously adapted to the critical areas of the piston depending on demand, whereby an increased thermal-mechanical load capacity of the piston can be achieved.

Aus der DE 196 18 625 C1 ist ein Kolben bekannt, der einen Kühlkanal mit einem sich ändernden Durchströmquerschnitt einschließt. Um eine ungehinderte Abströmung des Kühlmittels zu gewährleisten, ist der Kühlkanal diffusorartig ausgebildet, wozu sich der Durchströmquerschnitt des Kühlkanals von der Zuströmöffnung kontinuierlich bis zu der Abströmöffnung erweitert. Diese ausschließlich auf einen beschleunigten Transport des Kühlmittels abgestellte Gestaltung des Kühlkanals berücksichtigt nachteilig nicht die thermisch und mechanisch unterschiedlichen belasteten Bereiche des Kolbens.From the DE 196 18 625 C1 a piston is known, which includes a cooling channel with a changing flow cross-section. To an unhindered To ensure outflow of the coolant, the cooling channel is formed diffuser-like, for which extends the flow cross-section of the cooling channel of the inflow opening continuously up to the discharge opening. This parked exclusively on an accelerated transport of the coolant design of the cooling channel disadvantageously does not consider the thermally and mechanically different loaded areas of the piston.

Ein weiteres Gestaltungsmerkmal der Erfindung bezieht sich auf die Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals. Zur verbesserten, maximalen Befüllung umfasst der Kühlkanal einen Doppeleinlass, der als Zuströmöffnung zwei benachbarte, korrespondierend angeordnete Öffnungen umfasst. Die in den Pump-Kühlkanal eintretende Kühlmittelmenge und damit die Durchsatzmenge wird durch den Doppeleinlass in Verbindung mit mindestens zwei Einspritzdüsen gesteigert, wobei vorteilhaft jeder Öffnung eine Einspritzdüse zugeordnet ist. Zudem schließt der auch als Doppeleinlass-Pumpkanal zu bezeichnende erfindungsgemäße Kühlkanal einen Strömungsteiler ein, der den von den Einspritzdüsen jeweils ausgehenden Kühlmittelstrahl nach der Zuströmöffnung unmittelbar in zugehörige Kühlkanalabschnitte umlenkt, wodurch zwei Kühlmittelströme im Gegenstrom den Kühlkanal bis zu der vorzugsweise gemeinsamen Abströmöffnung durchströmen. Der erfindungsgemäße Kühlkanal in Verbindung mit dem geometrisch angepassten Doppeleinlass und getrennt angeordneten Einspritzdüsen bewirkt bei einer Beibehaltung des Kühlmittelstroms einen vergrößerten Kühlmitteldurchsatz und damit einen gesteigerten Wirkungsgrad.Another design feature of the invention relates to the coolant loading of the cooling channel. For improved, maximum filling, the cooling channel comprises a double inlet, which comprises two adjacent, correspondingly arranged openings as the inflow opening. The coolant quantity entering the pump cooling channel and thus the throughput quantity are increased by the double inlet in conjunction with at least two injection nozzles, wherein advantageously each opening is assigned an injection nozzle. In addition, the cooling channel according to the invention, which is also to be referred to as a double inlet pump channel, includes a flow divider which directly diverts the coolant jet outgoing from the injection nozzles into corresponding cooling channel sections downstream of the inflow opening, whereby two coolant streams flow countercurrently through the cooling channel up to the preferably common outflow opening. The cooling channel according to the invention, in conjunction with the geometrically adapted double inlet and separately arranged injection nozzles, while maintaining the coolant flow, causes an increased coolant throughput and thus an increased efficiency.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkanals wird bevorzugt ein einteiliger, geschlossen gestalteter, löslicher Kern eingesetzt. Dieser Aufbau vereinfacht die Herstellung und die Montage des insbesondere als Salzkern ausgebildeten Kerns, der in Verbindung mit einem Haltemittel an der Gießform, insbesondere an einem Gießkern fixiert werden kann. Nach dem Gießen des Kolbens werden die Haltemittel und der Kern ausgespült, so dass sich ein den Kühlkanal bildender Hohlraum einstellt, sowie die Öffnungen zum Eintritt und Austritt des Kühlmittels. Im Vergleich zu einem zwischen den Zuströmöffnungen unterbrochen Kern verbessert der einteilige Kern außerdem die Kühlung. Außerdem besitzt der einteilige Kern eine verbesserte Stabilität, was sich vorteilhaft auf den Herstellprozess und das Handling bei der Montage auswirkt.To produce the cooling channel according to the invention, a one-piece, closed-shaped, soluble core is preferably used. This structure simplifies the manufacture and assembly of the core, which is designed in particular as a salt core, which can be fixed in connection with a holding means on the casting mold, in particular on a casting core. After casting the piston, the holding means and the core are flushed out, so that a cavity forming the cooling channel is established, and the openings for the inlet and outlet of the coolant. Compared in addition to a core interrupted between the inflow openings, the one-piece core also improves the cooling. In addition, the one-piece core has improved stability, which has an advantageous effect on the manufacturing process and handling during assembly.

Alle erfindungsgemäßen Maßnahmen führen dazu, einen für die Kühlwirkung vorteilhaften beschleunigten Transport des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals zu gewährleisten. Die Auslegung des erfindungsgemäßen Kühlkanals berücksichtigt gleichzeitig die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Beanspruchungen des Kolbens, zur Erzielung einer verbesserten Festigkeit und reduzierter Temperatur, wodurch sich vorteilhaft eine verbesserte Lebensdauer des Kolbens einstellt.All measures according to the invention result in ensuring advantageous for the cooling effect accelerated transport of the coolant within the cooling channel. The design of the cooling channel according to the invention simultaneously takes into account the different thermal and mechanical stresses of the piston, to achieve improved strength and reduced temperature, which advantageously adjusts an improved life of the piston.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen . Ansprüche 2 bis 9.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent. Claims 2 to 9.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht zur Ausbildung der Innenstruktur vor, den Kühlkanal umfangsseitig mit gegeneinander versetzten Stufen zu versehen, die übereinstimmend mit einer Richtung einer Kolbenlängsachse an gegenüberliegenden Innenseiten des Kühlkanals wechselweise schräg verlaufende Stufenflächen bilden. Diese angenähert sägezahnartig ausgebildete, zueinander versetzte Kühlkanalstruktur löst bei dem Kolbenlauf eine Pumpwirkung aus. Die auch als treppenartige Topologie zu bezeichnende Struktur hat die Wirkung, dass das in den Kühlkanal eintretende Kühlmittel unter dem Einfluss hoher Beschleunigungskräfte, durch das Hin- und Herschleudern des Kühlmittels zwischen den gegenüberliegenden Innenseiten bzw. der Bodenfläche und der Deckenfläche kontinuierlich zu einem beschleunigten Transport des Kühlkanals führt. Die Erfindung schließt dabei auch umfangsseitig zueinander unterschiedlich geformte Stufenflächen ein, um beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals lokal zu beeinflussen.A preferred embodiment of the invention provides for the formation of the inner structure to provide the cooling channel circumferentially with staggered steps, which form coincidentally with a direction of a piston longitudinal axis on opposite inner sides of the cooling channel alternately inclined step surfaces. This approximately sawtooth-shaped, mutually offset cooling channel structure triggers a pumping action during the piston run. The structure, which can also be referred to as a staircase-type topology, has the effect that the coolant entering the cooling channel continuously accelerates the transport under the influence of high acceleration forces, by the cooling of the coolant between the opposite inner sides or the floor surface and the ceiling surface Cooling channel leads. The invention also includes circumferentially mutually differently shaped step surfaces, for example, to locally influence the flow velocity of the coolant within the cooling channel.

Die Zuströmöffnung des Kühlkanals, die zwei versetzt angeordnete Öffnungen einschließt, ist vorteilhaft versetzt zu einer Schwenkachse des Pleuels innerhalb eines Kolbenschaftes eingebracht. Diese Lage der Öffnungen ermöglicht eine optimale Anordnung der Einspritzdüsen, wobei gleichzeitig keine nachteilige Beeinflussung des Freistrahls erfolgt, mit dem das Kühlmittel eingespritzt wird.The inflow opening of the cooling channel, the two staggered openings includes is advantageously offset from a pivot axis of the connecting rod inserted within a piston skirt. This position of the openings allows an optimal arrangement of the injection nozzles, at the same time there is no adverse effect on the free jet, with which the coolant is injected.

Die als ein Doppeleinlass ausgebildete Zuströmöffnung umfasst bevorzugt weiterhin einen erweiterten Strömungsteiler. Dazu schließt der zwischen dem Doppeleinlass geschlossene, keine Unterbrechung aufweisende Kühlkanal ansteigende und abfallende untere und obere Segmente ein, die so gestaltet sind, dass ein sich dort temporär befindliches Kühlmittelvolumen bei einem Wechsel der Kolbenbewegung von den getrennten Öffnungen ausgehend, in Richtung der Abströmöffnung beschleunigt wird.The inflow opening formed as a double inlet preferably further comprises an extended flow divider. This includes the closed between the double inlet, no interruption having cooling channel rising and falling lower and upper segments, which are designed so that a temporarily there befindliches coolant volume is accelerated in a change of piston movement of the separate openings, in the direction of the discharge opening ,

Um die Wärmeaufnahme in thermisch hochbeanspruchten Zonen des Kolbens zu verbessern, ist der Kühlkanal beispielsweise im Bereich der Zuströmöffnung oder in einem beliebigen weiteren alternativen Abschnitt des Kühlkanals mit Drallwandungen versehen. Durch diese Maßnahme wird dem durchströmenden Kühlmittel eine Drallbewegung aufgezwungen, wodurch sich eine vergrößerte, die Wärmeaufnahmezeit verlängernde Wegstrecke des Kühlmittels einstellt, ohne dabei die Strömungsgeschwindigkeit nachteilig zu beeinflussen.In order to improve the heat absorption in thermally highly stressed zones of the piston, the cooling channel is provided with swirl walls, for example in the area of the inflow opening or in any other alternative section of the cooling channel. As a result of this measure, a swirling motion is imposed on the coolant flowing through, as a result of which an enlarged path length of the coolant which extends the heat absorption time is established, without detrimentally influencing the flow velocity.

Ein gewünschter schneller Austritt des erwärmten Kühlmittels aus dem Kühlkanal bewirkt eine als Strömungssammler ausgebildete Abströmöffnung. Als Strömungssammler ist erfindungsgemäß ein lokal aufgeweiteter Abschnitt des Kühlkanals im Bereich der Abströmöffnung vorgesehen, der die Strömungsgeschwindigkeit reduziert und einen ungehinderten Austritt des Kühlmittels sicherstellt, was die Wirksamkeit der Kolbenkühlung verbessert.A desired rapid exit of the heated coolant from the cooling channel causes a discharge opening formed as a flow collector. As a flow collector according to the invention a locally flared portion of the cooling channel in the region of the discharge opening is provided, which reduces the flow velocity and ensures an unhindered discharge of the coolant, which improves the efficiency of the piston cooling.

Eine optimierte Beaufschlagung der als Doppeleinlass ausgebildeten, zwei getrennte Öffnungen einschließenden Zuströmöffnung, erfolgt gemäß der Erfindung über zwei getrennt positionierte Einspritzdüsen. Dieser Aufbau verbessert den Befüllungsgrad der Zuströmöffnung und damit des Kühlkanals mit Kühlmittel, im Vergleich zu einer Einspritzdüse deren Kühlmittelstrahl in eine als Langloch ausgebildete Zuströmöffnung gerichtet ist. Die zwei Einspritzdüsen gemäß der Erfindung sind folglich weniger stark geneigt positioniert, wodurch sich die Befüllungsphasen verlängern. Die Anwendung von zwei gleichartigen Einspritzdüsen mit übereinstimmendem Volumenströmen und Kühlmitteldruck, die in Summe den gleichen Durchsatz wie eine äquivalente Einzeldüse haben, erhöht die Kühlmittel-Austrittsgeschwindigkeit, was die Füllung und damit verbunden die Kühlwirkung positiv beeinflusst. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bietet sich an, die Einspritzdüsen ortsfest so zu fixierten, damit das Kühlmittel in einem weitestgehend parallel zu der Kolbenlängsachse ausgerichteten Freistrahl senkrecht in die Zuströmöffnungen eingespritzt wird.An optimized admission of the double inlet formed, two separate openings enclosing inflow, takes place according to the invention via two separately positioned injection nozzles. This structure improves the degree of filling the inflow opening and thus of the cooling channel with coolant, in comparison to an injection nozzle whose coolant jet is directed into a formed as a slot inflow opening. The two injection nozzles according to the invention are thus positioned less inclined, whereby the filling phases extend. The use of two similar injection nozzles with matching volumetric flows and coolant pressure, which in total have the same throughput as an equivalent individual nozzle, increases the coolant outlet velocity, which positively influences the filling and, associated therewith, the cooling effect. According to an advantageous embodiment, it is advisable to fix the injection nozzles in a stationary manner so that the coolant is injected perpendicularly into the inflow openings in a free jet directed as far as possible parallel to the piston longitudinal axis.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden nachfolgend beschrieben und anhand der Figuren erläutert.Embodiments of the invention, to which this is not limited, are described below and explained with reference to the figures.

Es zeigen:

Fig.1:
in einem Halbschnitt einen flüssigkeitsgekühlten Kolben bekannter Bauform,
Fig.2:
in einer Perspektive einen einteilig geschlossen gestalteten, löslichen Kern, der zur Herstellung eines Kühlkanals bestimmt ist,
Fig.3:
schematisch einen Abwicklungsausschnitt des Kühlkanals, der die als Doppelleinlass ausgebildete Zuströmöffnung verdeutlicht.
Show it:
Fig.1:
in a half section a liquid-cooled piston of known design,
Figure 2:
in a perspective, a one-piece closed designed, soluble core, which is intended for the production of a cooling channel,
Figure 3:
schematically a development cutout of the cooling channel, which illustrates the inlet opening formed as a double inlet.

Der in Figur 1 im Halbschnitt abgebildete Kolben 1 umfasst einen umlaufenden, in einem Kolbenboden 2 integrierten Kühlkanal 3, der beabstandet zu einer zentrisch in dem Kolbenboden 2 eingebrachten Brennraummulde 4 und einem Ringfeld 5 positioniert ist. Im Betriebszustand wird der Kühlkanal 3 von einem Kühlmittel, insbesondere dem Schmierstoff der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Dazu ist eine lagefixierte Einspritzdüse 6 vorgesehen, von der ausgehend, über einen Freistrahl 7, das Kühlmittel in eine mit dem Kühlkanal 3 in Verbindung stehende Zuströmöffnung 8 eingespritzt wird. Von dort ausgehend durchströmt das Kühlmittel den Kühlkanal 3 und tritt über eine in der Figur 3 abgebildete Abströmöffnung 22 aus. Die Zuströmöffnung 8 und die damit in Verbindung stehende Einspritzdüse 6 sind einem Kolbenschaft 9 des Kolbens 1 zugeordnet, und dabei versetzt bzw. außerhalb einer Schwenkebene eines in der Figur 1 nicht abgebildeten, mit einer Bolzenbohrung 10 verbundenen Pleuels. Der von der Einspritzdüse 6 ausgehende, auf die Zuströmöffnung 8 gerichtete Freistrahl 7 verläuft geneigt zu einer Kolbenlängsachse 11.The in FIG. 1 Piston 1 depicted in half-section comprises a circumferential cooling channel 3 integrated in a piston head 2, which is positioned at a distance from a combustion chamber trough 4 centrally placed in the piston head 2 and a ring field 5. In operation, the cooling channel 3 is a coolant, especially the lubricant of the internal combustion engine acted upon. For this purpose, a position-fixed injection nozzle 6 is provided, starting from which, via a free jet 7, the coolant is injected into an inlet opening 8 communicating with the cooling channel 3. From there, the coolant flows through the cooling channel 3 and enters via a in the FIG. 3 shown outlet opening 22 from. The inflow opening 8 and the associated injector 6 are associated with a piston skirt 9 of the piston 1, and thereby offset or outside a pivot plane of a in the FIG. 1 not shown, connected to a pin bore 10 connecting rod. The outgoing from the injection nozzle 6, directed to the inflow opening 8 free jet 7 is inclined to a piston longitudinal axis eleventh

In der Figur 2 ist als Einzelteil ein geschlossen gestalteter, löslicher Kern 12 dargestellt, der zur Herstellung des Kühlkanals 3 vorgesehen ist. Der insbesondere als ein Salzkern ausgebildete Kern 12 wird in Verbindung mit einem Haltemittel an einer Gießform, insbesondere an einem Gießkern fixiert. Nach dem Gießen und dem Erkalten des Kolbens 1 werden die Haltemittel und der Kern ausgespült, so dass sich ein den Kühlkanal 3 bildender Hohlraum im Kolben 1 einstellt. Der Kern 12 weist geometrisch wechselnde Strukturen auf, wie eine wellenförmige oder gekrümmt verlaufende Scheitellinie 13, sowie an der Oberseite 14 und an der Unterseite 15 umfangsseitig zueinander versetzt angeordnete und/oder unterschiedlich ausgebildete Stufen 16a, 16b. Durch diese Gestaltung des Kerns 12 stellen sich umfangsseitig variierende Durchströmquerschnitte des Kühlkanals 3 ein.In the FIG. 2 is shown as an individual part of a closed designed, soluble core 12, which is provided for the production of the cooling channel 3. The core 12, which is designed in particular as a salt core, is fixed in connection with a holding means on a casting mold, in particular on a casting core. After casting and cooling of the piston 1, the holding means and the core are rinsed out so that a cavity forming the cooling channel 3 in the piston 1 is established. The core 12 has geometrically changing structures, such as a corrugated or curved crest line 13, as well as on the upper side 14 and on the underside 15 circumferentially staggered arranged and / or differently formed stages 16a, 16b. As a result of this configuration of the core 12, flow cross sections of the cooling channel 3 which vary on the circumference vary.

Die Figur 3 zeigt schematisch in einer Abwicklung einen Ausschnitt des Kühlkanals 3 und verdeutlicht die geometrische Formgebung und Gestaltung der inneren treppenartig oder sägezahnartig ausgebildeten Struktur des Kühlkanals 3. Als Zuströmöffnung 8 ist ein Doppeleinlass vorgesehen, der als ein erweiterter Strömungsteiler 19 ausgebildet ist und der zwei benachbart und korrespondierend angeordnete, als Bohrungen gestaltete Öffnungen 18a, 18b einschließt. Im Betriebszustand ist jeder Öffnung 18a, 18b eine Einspritzdüse zugeordnet, von der ausgehend über einen Freistrahl, symbolisch durch Pfeile verdeutlicht, das Kühlmittel eingespritzt wird. Eine lokale Verengung 20 des Kühlkanals 3 im Bereich des Strömungsteilers 19 bewirkt eine Umlenkung der jeweiligen Fluidströme nach Eintritt in den Kühlkanal 3, verdeutlicht durch die entgegengesetzt ausgerichteten Pfeile. Somit durchströmt das Kühlmittel in zwei getrennten Kühlmittelströmen im Gegenstrom den Kühlkanal 3 in Richtung der Abströmöffnung 22. Der erweiterte Strömungsteiler 19 schließt ansteigende und abfallende untere und obere Segmente ein, wodurch ein temporär im Doppeleinlass befindliches Kühlmittelvolumen bei einem Wechsel der Kolbenbewegung von den getrennten Zuströmöffnungen in Richtung der Abströmöffnung 9 beschleunigt wird. Um einen beschleunigten Transport des Kühlmittels auch in den weiteren Bereichen des Kühlkanals 3 zu gewährleisten, ist im Anschluss an den Doppeleinlass der Kühlkanal 3 mit schräg verlaufenden, wechselweise angeordneten Stufen 16a, 16b an gegenüberliegenden Innenseiten versehen, die in Richtung der Kolbenlängsachse 11 zeigend orientiert sind. Die Stufen 16a, 16b in Verbindung mit zugehörigen, zueinander abweichend gestalteten Stufenflächen 17a, 17b bilden eine Kühlkanalstruktur, die bei dem Kolbenlauf eine gewollte Pumpwirkung auslösen, wodurch die in Richtung der Pfeile gerichtete Strömung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals 3 beschleunigt wird. Ein gewollter schneller Austritt des aufgeheizten Kühlmittels aus dem Kühlkanal 3 bewirkt eine lokale, als Stömungssammler 21 ausgebildete Aufweitung des Kühlkanals 3 im Bereich der Abströmöffnung 22. Als Maßnahme, um die Wärmeaufnahmezeit des Kühlmittels, ohne nachteiligen Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit zu verlängern, sind die Öffnungen 18a, 18b mit einer Drallstruktur 23a, 23b an der Innenwand versehen. Durch diese Maßnahme wird dem durchströmenden Kühlmittel eine Drallbewegung aufgezwungen, wodurch sich eine verlängerte Wegstrecke einstellt.The FIG. 3 schematically shows in a development a section of the cooling channel 3 and illustrates the geometric shape and design of the inner step-like or sawtooth-like structure of the cooling channel 3. As inflow 8, a double inlet is provided, which is formed as an extended flow divider 19 and the two adjacent and corresponding arranged, designed as holes openings 18a, 18b includes. In the operating state, each opening 18 a, 18 b associated with an injection nozzle, from the starting via a free jet, symbolically illustrated by arrows, the coolant is injected. A local constriction 20 of the cooling channel 3 in the region of the flow divider 19 causes a deflection of the respective fluid streams after entry into the cooling channel 3, illustrated by the oppositely directed arrows. Thus, the coolant in two separate coolant flows countercurrently through the cooling channel 3 in the direction of the discharge opening 22. The expanded flow divider 19 includes rising and falling lower and upper segments, whereby a temporarily located in the double inlet coolant volume at a change of piston movement of the separate inflow openings in Direction of the discharge opening 9 is accelerated. In order to ensure an accelerated transport of the coolant in the other areas of the cooling channel 3, following the double inlet of the cooling channel 3 with inclined, alternately arranged steps 16a, 16b provided on opposite inner sides, which are oriented pointing in the direction of the piston longitudinal axis 11 , The steps 16a, 16b in conjunction with associated deviating stepped surfaces 17a, 17b form a cooling channel structure, which trigger a deliberate pumping action during the piston run, whereby the direction of the arrows directed flow of the coolant within the cooling channel 3 is accelerated. A desired rapid exit of the heated coolant from the cooling channel 3 causes a local expansion of the cooling channel 3 in the region of the outflow opening 22, designed as a flow collector 21. As a measure to extend the heat absorption time of the coolant without adversely affecting the flow velocity, the openings are 18a, 18b provided with a swirl structure 23a, 23b on the inner wall. As a result of this measure, a swirling motion is forced on the coolant flowing through, as a result of which an extended path is established.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kolbenpiston
22
Kolbenbodenpiston crown
33
Kühlkanalcooling channel
44
BrennraummuldeCombustion bowl
55
Ringfeldring box
66
Einspritzdüseinjection
77
Freistrahlfree jet
88th
Zuströmöffnunginflow
99
Kolbenschaftpiston shaft
1010
Bolzenbohrungpin bore
1111
Kolbenlängsachsepiston longitudinal axis
1212
Kerncore
1313
Scheitelliniecrest line
1414
Oberseitetop
1515
Unterseitebottom
16a16a
Stufestep
16b16b
Stufestep
17a17a
Stufenflächestep surface
17b17b
Stufenflächestep surface
18a18a
Öffnungopening
18b18b
Öffnungopening
1919
Strömungsteilerflow divider
2020
Verengungnarrowing
2121
Strömungssammlerflow collector
2222
Abströmöffnungoutflow
23a23a
Drallstrukturswirl structure
23b23b
Drallstrukturswirl structure

Claims (9)

Flüssigkeitsgekühlter Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, in dem ein radial umlaufender, zur Aufnahme eines Kühlmittels bestimmter Kühlkanal (3) integriert ist, der zumindest eine Zuströmöffnung (8) und zumindest eine Abströmöffnung (22) einschließt, über die das Kühlmittel einströmen bzw. abströmen kann, wobei zur Erzielung einer Pumpwirkung der Kühlkanal (3) Maßnahmen zur Beeinflussung einer Kühlmittelströmung einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (3): - geometrisch wechselnde Strukturen mit variierenden Höhen, Breiten und Durchströmquerschnitten einschließt; - einen variabel ausgelegten Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser umfasst; - eine wellenförmig bzw. gekrümmt verlaufende Scheitellinie (13) einschließt; - als Zuströmöffnung (8) einen Dopeleinlass vorsieht, der zwei mit einem Strömungsteiler (19) zusammenwirkende Öffnungen (18a, 18b) umfasst; - mit zumindest zwei Einspritzdüsen (6) zusammenwirkt; - aus einem einteiligen, geschlossen gestalteten, löslichen Kern (12) hergestellt ist. Liquid-cooled piston (1) of an internal combustion engine, in which a radially encircling, for receiving a coolant specific cooling channel (3) is integrated, which includes at least one inflow opening (8) and at least one outflow opening (22) through which the coolant flow or flow can, wherein to achieve a pumping action of the cooling channel (3) includes measures for influencing a flow of coolant, characterized in that the cooling channel (3): - Includes geometrically changing structures with varying heights, widths and flow cross sections; - Has a variably designed inner diameter and / or outer diameter; - includes a wavy crest line (13); - As the inflow opening (8) provides a Dopeleinlass comprising two with a flow divider (19) cooperating openings (18a, 18b); - cooperates with at least two injection nozzles (6); - Is made of a one-piece, closed-shaped, soluble core (12). Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (3) umfangsseitig gegeneinander versetzte, übereinstimmend in einer Richtung einer Kolbenlängsachse (11) ausgerichtete Stufen (16a, 16b) umfasst, die an gegenüberliegenden Innenseiten des Kühlkanals (3) wechselweise schräg verlaufende Stufenflächen (17a,17b) bilden.Piston according to claim 1, characterized in that the cooling channel (3) peripherally offset from each other, coincident in one direction of a piston longitudinal axis (11) aligned stages (16a, 16b) comprises, on opposite inner sides of the cooling channel (3) alternately inclined extending step surfaces (17a, 17b) form. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenflächen (17a, 17b) umfangsseitig unterschiedlich ausgebildet sind.Piston according to claim 2, characterized in that the step surfaces (17a, 17b) are circumferentially formed differently. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (18a, 18b) der Zuströmöffnung (8) jeweils im Bereich eines übereinstimmenden Kolbenschaftes (9) außerhalb einer Pleuelschwenkachse angeordnet sind.Piston according to claim 1, characterized in that the openings (18a, 18b) of the inflow opening (8) are each arranged in the region of a matching piston shank (9) outside a connecting rod pivot axis. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der als Doppeleinlass ausgebildeten Zuströmöffnung (8) ein erweiterter Strömungsteiler (19) vorgesehen ist.Piston according to claim 1, characterized in that an expanded flow divider (19) is provided in the region of the inlet opening (8) designed as a double inlet. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Doppeleinlass geschlossene, keine Unterbrechung aufweisende Kühlkanal (3) ansteigende und abfallende untere und obere, segmentartig ausgebildete Kühlkanalabschnitte einschließt.Piston according to claim 5, characterized in that between the double inlet closed, no interruption cooling channel (3) includes rising and falling lower and upper, segmental cooling channel sections. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (18a, 18b) der Zuströmöffnung (8) oder ein den Öffnungen (18a, 18b) benachbarter Bereich des Kühlkanals (3) eine Drallstruktur (23a, 23b) einschließt.Piston according to claim 1, characterized in that the openings (18a, 18b) of the inflow opening (8) or the openings (18a, 18b) adjacent region of the cooling channel (3) includes a swirl structure (23a, 23b). Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (3) zur Bildung eines Strömungssammlers (21) im Bereich der Abströmöffnung (22) lokal aufgeweitet ist.Piston according to claim 1, characterized in that the cooling channel (3) to form a flow collector (21) in the region of the outflow opening (22) is locally widened. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den Einspritzdüsen (6) ausgehend, das Kühlmittel in einem weitestgehend parallel zu der Kolbenlängsachse (11) ausgerichteten Freistrahl (7) in die Zuströmöffnung (8) eingespritzt wird.Piston according to claim 1, characterized in that, starting from the injection nozzles (6), the coolant is injected into the inflow opening (8) in a free jet (7) oriented as far as possible parallel to the piston longitudinal axis (11).
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