EP2288800B1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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EP2288800B1
EP2288800B1 EP09765817A EP09765817A EP2288800B1 EP 2288800 B1 EP2288800 B1 EP 2288800B1 EP 09765817 A EP09765817 A EP 09765817A EP 09765817 A EP09765817 A EP 09765817A EP 2288800 B1 EP2288800 B1 EP 2288800B1
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piston
cooling channel
level
outflow
inflow
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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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 
    • F02F3/16—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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine.
  • the WO 03/098022 relates to a piston in which the cooling channel from the inlet to the outlet continuously widens in the direction of a lower level.
  • the DE 10 2004 043 720 A1 discloses a piston according to the preamble of claim 1.
  • the invention has for its object to provide a piston for an internal combustion engine, which is improved in terms of cooling, in particular the critical areas.
  • this has at least one cooling channel, which is located exclusively in the region of at least one inlet and at least one outflow at a comparatively low level, which is comparatively remote from the piston crown, and otherwise at a consistently higher level, which is comparatively closer to the piston crown.
  • the cooling channel in its predominant course, can be particularly close to the critical points, such as e.g. the trough edge and the uppermost annular groove are formed.
  • the cooling channel can be largely completely at the level of a ring carrier, so that this critical region can be cooled particularly efficiently. This applies equally to the area of the combustion bowl which adjoins in the direction of the axis of rotation of the piston.
  • the cooling channel in the piston according to the invention can be formed substantially completely at the level of the combustion bowl, so that there is a particularly good cooling effect.
  • inflow and outflow can be particularly well taken into account in the piston according to the invention.
  • the cross-section of the cooling channel is slightly larger than its remaining course in order to ensure a favorable inflow and outflow.
  • inflow and outflow can in the inventive piston thereby be formed particularly simple that the cooling channel in the region of at least one inlet and at least one outflow on a lower, that is located farther from the piston crown level.
  • the cooling channel is thus slightly lowered in these zones from the region between the uppermost annular groove and the combustion bowl, so that the cross-sectional enlargement of the cooling channel can be provided without endangering the strength. Namely, a sufficient material thickness can be maintained both to the uppermost annular groove and to the combustion bowl in order to continue to meet the strength requirements.
  • the cooling channel is at the lower level exclusively in the region of the inlet and at least one outflow, and otherwise remains at substantially the same, higher level, a particularly efficient cooling of the critical areas at the top can take place over substantially the entire circumference Ring groove and the combustion bowl are guaranteed.
  • the cooling channel can have further inflows and outflows.
  • one or more drains preferably with a comparatively small cross-section, may be provided in its course, in order to lubricate the bearing between connecting rod and piston pin. In the area of these outflows, however, the cooling channel does not necessarily have to go to the lower level because no broadening is necessary here.
  • the cross section of the cooling channel in the region of at least one inflow and / or outflow relative to the remainder of the cooling channel is increased.
  • a gradual, inclined rise is provided with kinks or steps between, for example, the inclined rise and the higher or lower level area.
  • Those portions of the cooling channel that are at the lower level, including the inclined transitions to the higher level, may each include an angle of about 50-70 degrees, more preferably about 60-65 degrees.
  • the cross-sectional shape of the cooling channel is currently preferred that this is largely oval, with the longer axis of the oval extends substantially in the direction of the axis of rotation of the piston, but may be slightly inclined relative to this.
  • this inclination is currently an angle of about 7 ° and / or a slope, which is directed at the top to the outside, preferred. Due to the generally oval design, an efficient cooling of the area "between" upper annular groove and combustion bowl can be ensured, and it can simultaneously necessary material thicknesses are maintained. The inclination supports this effect in view of the typical shape of a combustion bowl.
  • inflow and outflow be diametrically opposed.
  • the piston can be installed in any orientation, and any opening can be used as inflow or outflow.
  • Fig. 1 is first shown in a perspective view of the salt core 20, which is used for the production of the piston according to the invention.
  • the salt core has, as is the case for the subsequent cooling channel, in the embodiment shown, two diametrically opposite regions, which are widened in cross section with respect to the remaining cooling channel and are later used as inflow and outflow 14.
  • the Cooling channel in the region of inflow and outflow 14 at a lower level than the rest of the cooling channel.
  • For inflow and outflow 14 is in Fig. 1 in addition to recognizing that the broadening of the cross-section in the said embodiment in the direction of the axis of rotation 22 (see. Fig. 2 ) he follows.
  • the cross section of the cooling channel with the exception of the enlarged area at the inlet and outlet, but including the slopes 18 remains largely the same.
  • the cross section is largely oval, wherein the longer axis extends substantially parallel or at most with an acute angle to the axis of rotation 22 of the piston.
  • an angle ⁇ of, for example, about 7 ° is formed between the axis of rotation 22 of the piston and the longer axis of the oval, which forms the cross section of the cooling channel.
  • Fig. 3 is complementary to recognize how the cooling channel 24 can be brought by the inventive measure in a favorable manner to the level of a ring carrier 26 and the combustion bowl 28.
  • the cooling channel 24 fits into the region between the annular carrier 26 and the combustion bowl 28 and can cool these critical zones particularly efficiently without jeopardizing the strength due to material thicknesses which are too low.
  • the cooling channel 24 in the embodiment shown with respect to its lower edge substantially at the level of the lower edge of the ring carrier 26 and even slightly above the bottom of the combustion chamber 28th located.
  • the areas of inflow and outflow can also be in the design according to Fig. 3 be increased without jeopardizing the material thickness between ring carrier 26 and combustion bowl 28, since the cooling channel 24 is lowered in these areas to the lower level 12.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
  • Auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren muss allgemein für eine ausreichende Kühlung der Kolben gesorgt werden. Ferner erhöhen sich fortlaufend die spezifischen Leistungen der Motoren, insbesondere bei Dieselmotoren, was zu immer höheren Kolbentemperaturen führt. Dies kann die Lebensdauer und die Festigkeit beeinträchtigen. Insofern ist insbesondere an kritischen Stellen, wie z.B. dem Muldenrand und der obersten Ringnut des Kolbens für eine effiziente Kühlung zu sorgen.
    • Stand der Technik
  • Aus der JP 2002 221086 geht ein Kolben hervor, bei dem der Kühlkanal im Bereich der Bolzennaben in Richtung derselben abgesenkt ist.
  • Die WO 03/098022 betrifft einen Kolben, bei dem sich der Kühlkanal vom Ein- zum Auslass kontinuierlich in Richtung auf ein niedrigeres Niveau erweitert.
  • Die DE 10 2004 043 720 A1 offenbart einen Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die Kühlung, insbesondere der kritischen Bereiche, verbessert ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
  • Demzufolge weist dieser zumindest einen Kühlkanal auf, der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses auf einem vergleichweise niedrigen, von dem Kolbenboden vergleichweise entfernten Niveau, und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, vergleichsweise näher zu dem Kolbenboden gelegenen Niveau befindet. Durch die Anordnung auf dem vergleichweise "hohen" Niveau kann der Kühlkanal in seinem überwiegenden Verlauf besonders nah an den kritischen Stellen, wie z.B. dem Muldenrand und der obersten Ringnut ausgebildet werden. Insbesondere kann sich der Kühlkanal weitgehend vollständig auf dem Niveau eines Ringträgers befinden, so dass dieser kritische Bereich besonders effizient gekühlt werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für den sich in Richtung der Rotationsachse des Kolbens anschließenden Bereich der Brennraummulde. Auch bezüglich dieser kann der Kühlkanal in dem erfindungsgemäßen Kolben weitgehend vollständig auf dem Niveau der Brennraummulde ausgebildet werden, so dass hier eine besonders gute Kühlwirkung erfolgt.
  • Gleichzeitig kann den Erfordernissen am Zu- und Abfluss bei dem erfindungsgemäßen Kolben besonders gut Rechnung getragen werden. In diesen Bereichen ist es nämlich vorteilhaft, wenn der Querschnitt des Kühlkanals gegenüber seinem übrigen Verlauf etwas vergrößert ist, um einen günstigen Zu- und Abfluss zu gewährleisten. Ein in dieser Weise vergrößerter Zu- und Abfluss kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben dadurch besonders einfach ausgebildet werden, dass sich der Kühlkanal im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses auf einem niedrigeren, d.h. von dem Kolbenboden weiter entfernten Niveau befindet. Der Kühlkanal wird somit in diesen Zonen aus dem Bereich zwischen der obersten Ringnut und der Brennraummulde etwas abgesenkt, so dass die Querschnittsvergrößerung des Kühlkanals vorgesehen werden kann, ohne die Festigkeit zu gefährden. Sowohl zu der obersten Ringnut als auch zu der Brennraummulde kann nämlich eine ausreichende Materialdicke beibehalten werden, um den Festigkeitsanforderungen weiterhin zu genügen.
  • Dadurch, dass sich der Kühlkanal ausschließlich im Bereich des Zu- und zumindest eines Abflusses auf dem niedrigeren Niveau befindet, und im Übrigen auf im Wesentlichen demselben, höheren Niveau verbleibt, kann über weitgehend den gesamten Umfang eine besonders effiziente Kühlung der kritischen Bereiche an der obersten Ringnut und der Brennraummulde gewährleistet werden. Es sei erwähnt, dass der Kühlkanal weitere Zu- und Abflüsse aufweisen kann. Insbesondere können in seinem Verlauf ein oder mehrere Abflüsse, bevorzugt mit vergleichsweise kleinem Querschnitt, vorgesehen werden, um die Lagerung zwischen Pleuel und Kolbenbolzen zu schmieren. Im Bereich dieser Abflüsse muss sich der Kühlkanal jedoch nicht notwendigerweise auf das niedrigere Niveau begeben, weil hier keine Verbreiterung notwendig ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Im Hinblick auf die Anordnung des Kühlkanals auf dem höheren Niveau hat es sich bei ersten Versuchen als günstig erwiesen, wenn die Unterkante des Kühlkanals auf diesem Niveau im Wesentlichen auf derselben Höhe ist, wie die Unterkante eines Ringträgers für die oberste Ringnut. Hierdurch kann eine besonders gute Kühlung der genannten kritischen Bereiche erzielt werden.
  • Dies gilt in gleicher Weise und ermöglicht darüber hinaus die gewünschte Querschnittsvergrößerung des Kühlkanals im Bereich des Zu- und Abflusses, wenn sich das genannte untere Niveau etwa 3 - 5 mm, insbesondere 3,5 - 4 mm und besonders bevorzugt etwa 3,8 mm unterhalb des genannten höheren Niveaus befindet.
  • Wenngleich dies für die Kühlleistung nicht unbedingt erforderlich ist, wird aufgrund der vorangehend geschilderten Umstände bevorzugt, dass der Querschnitt des Kühlkanals im Bereich zumindest eines Zu- und/oder Abflusses gegenüber dem Rest des Kühlkanals vergrößert ist.
  • Im Hinblick auf den Übergang von dem niedrigen zu dem höheren Niveau und umgekehrt wird ein allmählicher, geneigter Anstieg mit Knicken oder Stufen zwischen dem beispielsweise schrägen Anstieg und dem Bereich auf dem höheren bzw. niedrigeren Niveau vorgesehen.
  • Diejenigen Bereiche des Kühlkanals, die sich auf dem niedrigeren Niveau befinden, einschließlich der geneigten Übergänge zu dem höheren Niveau, können jeweils einen Winkel von etwa 50 - 70°, insbesondere etwa 60 - 65° einschließen.
  • Für die Querschnittsgestalt des Kühlkanals wird derzeit bevorzugt, dass diese weitgehend oval ist, wobei sich die längere Achse des Ovals weitgehend in Richtung der Rotationsachse des Kolbens erstreckt, jedoch gegenüber dieser etwas geneigt sein kann. Für diese Neigung wird derzeit ein Winkel von etwa 7° und/oder eine Neigung, die an der Oberseite nach außen gerichtet ist, bevorzugt. Durch die im Allgemeinen ovale Gestaltung kann eine effiziente Kühlung des Bereichs "zwischen" oberster Ringnut und Brennraummulde gewährleistet werden, und es können gleichzeitig die notwendigen Materialdicken eingehalten werden. Die Neigung unterstützt diesen Effekt im Hinblick auf die typische Gestalt einer Brennraummulde.
  • Schließlich wird derzeit ferner bevorzugt, dass sich Zu- und Abfluss diametral gegenüberliegen. Hierdurch, sowie durch eine derzeit ferner bevorzugte Symmetrie bezüglich der Rotationsachse des Kolbens kann der Kolben in einer beliebigen Orientierung eingebaut werden, und eine beliebige Öffnung kann als Zu- oder Abfluss genutzt werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird ein beispielhaft in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Darstellung eines Salzkerns, der bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens verwendet wird;
    Fig. 2
    eine geschnittene Seitenansicht eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Salzkerns; und
    Fig. 3
    eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens.
    Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  • In Fig. 1 ist zunächst in einer perspektivischen Ansicht der Salzkern 20 gezeigt, der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens verwendet wird. Der Salzkern weist, wie dies für den späteren Kühlkanal gilt, bei der gezeigten Ausführungsform zwei diametral gegenüberliegende Bereiche auf, die hinsichtlich ihres Querschnitts gegenüber dem übrigen Kühlkanal verbreitert sind und später als Zu- und Abfluss 14 genutzt werden. Wie bereits in Fig. 1 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, befindet sich der Kühlkanal im Bereich von Zu- und Abfluss 14 auf einem niedrigeren Niveau, als der übrige Kühlkanal. Die Bereiche des Kühlkanals auf dem höheren Niveau gehen jeweils in der Umgebung vom Zu- und Abfluss 14 und auf beiden Seiten desselben durch Schrägen 18 von dem höheren 16 auf das niedrigere Niveau 12 über. Für Zu- und Abfluss 14 ist in Fig. 1 zusätzlich zu erkennen, dass die Verbreiterung des Querschnitts bei der besagten Ausführungsform in Richtung der Rotationsachse 22 (vgl. Fig. 2) erfolgt.
  • In Fig. 2 sind ferner erneut die beiden Niveaus 12 und 16, sowie im Bereich des gezeigten Zu- oder Abflusses 14 die Schrägen 18 zu erkennen. Insbesondere ist anzumerken, dass der Querschnitt des Kühlkanals mit Ausnahme des vergrößerten Bereichs am Zu- und Abfluss, jedoch einschließlich der Schrägen 18 weitgehend gleich bleibt. Bei der gezeigten Ausführungsform des Kühlkanals ist der Querschnitt weitgehend oval, wobei die längere Achse weitgehend parallel oder allenfalls mit einem spitzen Winkel zu der Rotationsachse 22 des Kolbens verläuft. Bei der gezeigten Ausführungsform ist zwischen der Rotationsachse 22 des Kolbens und der längeren Achse des Ovals, das den Querschnitt des Kühlkanals bildet, ein Winkel α von beispielsweise etwa 7° ausgebildet.
  • In Fig. 3 ist ergänzend zu erkennen, wie der Kühlkanal 24 durch die erfindungsgemäße Maßnahme in günstiger Weise auf das Niveau eines Ringträgers 26 und der Brennraummulde 28 gebracht werden kann. Durch die in Richtung der Rotationsachse 22 des Kolbens 10 ovale Form passt der Kühlkanal 24 in den Bereich zwischen dem Ringträger 26 und der Brennraummulde 28 und kann diese kritischen Zonen besonders effizient kühlen, ohne die Festigkeit durch zu geringe Materialdicken zu gefährden. In Fig. 3 ist insbesondere zu erkennen, dass der Kühlkanal 24 sich bei der gezeigten Ausführungsform im Hinblick auf seine Unterkante weitgehend auf dem Niveau der Unterkante des Ringträgers 26 und sogar ein wenig oberhalb des Bodens der Brennraummulde 28 befindet. Wie in Kombination mit Fig. 2 zu erkennen ist, können die Bereiche an Zu- und Abfluss auch bei der Gestaltung gemäß Fig. 3 vergrößert werden, ohne die Materialdicke zwischen Ringträger 26 und Brennraummulde 28 zu gefährden, da der Kühlkanal 24 in diesen Bereichen auf das niedrigere Niveau 12 abgesenkt ist.

Claims (8)

  1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Kühlkanal (24), der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses (14) auf einem niedrigen, von dem Kolbenboden vergleichsweise entfernten Niveau (12) und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, näher zum Kolbenboden gelegenen Niveau (16) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) zwischen den auf dem niedrigen (12) und dem hohen Niveau (16) gelegenen Bereichen schräge Anstiege (18) aufweist.
  2. Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (24) auf seinem höheren Niveau (16) mit seiner Unterkante im Wesentlichen auf demselben Niveau wie eine Unterkante eines Ringträgers (26) befindet.
  3. Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das niedrige Niveau etwa 3 - 5 mm, insbesondere etwa 3,5 - 4 mm und bevorzugt etwa 3,8 mm unterhalb des höheren Niveaus (16) befindet.
  4. Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal im Bereich zumindest eines Zu- und/oder Abflusses (14) einen gegenüber dem restlichen Verlauf des Kühlkanals (24) vergrößerten Querschnitt aufweist.
  5. Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche des Kühlkanals (24) auf dem niedrigen Niveau (12), einschließlich der geneigten Übergänge (18), zu dem höheren Niveau (16) einen Winkel von etwa 50 - 70°, insbesondere etwa 60 - 65° abdecken.
  6. Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (28) einen ovalen Querschnitt mit einer längeren Achse, die im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse (22) des Kolbens (10) verläuft, aufweist.
  7. Kolben (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Querschnitt längere Achse des Kühlkanals bezüglich der Rotationsachse (22) des Kolbens (10) um etwa 5 - 10°, insbesondere etwa 7° nach außen geneigt ist.
  8. Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Zu- und Abfluss (14) diametral gegenüberliegen.
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EP2288800A1 EP2288800A1 (de) 2011-03-02
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DE (1) DE102008002571A1 (de)
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