EP2561205B1

EP2561205B1 - KOLBENOBERTEIL EINES GEBAUTEN ODER GESCHWEIßTEN KOLBENS MIT ERWEITERTEN KÜHLRÄUMEN

Info

Publication number: EP2561205B1
Application number: EP11703395.1A
Authority: EP
Inventors: Andreas Olma
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: CN102859165B; DE102010015568A1; KR20130062904A; CN102859165A; KR101867631B1; US8973548B2; WO2011131266A1; US20130032104A1; EP2561205A1

Description

Die Erfindung betrifft einen einteiligen und zweiteiligen Kolben einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung solcher Kolben gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten bzw. zur Erreichung von Emissionszielen und Verbrauchszielen werden zur Optimierung der Verbrennung die Verbrennungstemperaturen und die Verbrennungsdrücke angehoben, wodurch insbesondere das Kolbenoberteil thermisch stark beansprucht wird. Die Betriebstemperatur des Kolbens derartiger Brennkraftmaschinen kann die zulässigen Grenzen von dem Kolbenwerkstoff überschreiten, verbunden mit der Gefahr einer Wärmealterung, bei der die Legierung des Kolbenwerkstoffs an Festigkeit und Formsteifigkeit verliert. Um die thermischen Belastungen des Kolbens zu minimieren, werden Kolben eingesetzt, in denen ein ringförmiger Kühlkanal integriert ist, in dem als Kühlmittel eine Teilmenge von dem Schmieröl der Brennkraftmaschine über eine Einspritzdüse eingespritzt wird, den Kühlkanal durchströmt und dann austritt. Die DE 197 50 021 A1 offenbart einen Kühlkanalkolben, der im Bereich des Ringfeldes radial versetzt zu einer Mantelfläche einen ringförmigen Kühlkanal einschließt. Das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel bewirkt eine Wärmeabfuhr, wobei die Wirksamkeit dieser Flüssigkeitskühlung wesentlich von dem Volumendurchsatz des Kühlmediums durch den Kühlkanal bestimmt wird.
Mit zunehmender spezifischer Leistung der Brennkraftmaschine ist es erforderlich, bekannte Konzepte von flüssigkeitsgekühlten Kolben zu optimieren. Zusätzlich zu einem ringförmigen Kühlkanal ist es daher erforderlich, weitere Bereiche des Kolbens gezielt mit Kühlmittel zu beaufschlagen. Zur Realisierung dieser Maßnahme zeigt die DE 41 18 400 A1 einen gebauten Kolben, der vom Kühlkanal ausgehend, in Richtung des Kolbenbodens verlaufende Kühlschlitze mit zueinander parallel verlaufenden Wandungen einschließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kühlwirkung des Kolbenoberteils eines einteiligen und eines zweiteiligen Kolbens in thermisch hochbelasteten Zonen durch eine kostengünstige Maßnahme zu optimieren und dementsprechend einen Kolben und Verfahren zur Herstellung solcher Kolben anzugeben.
Ausgehend von dem Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Kolbenoberteil eines einteiligen und eines zweiteiligen Kolbens mit integrierten Ausnehmungen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und 2, sowie Verfahren zur Herstellung der Ausnehmungen gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 12, 13 und 14 bereit.
Der zweiteilige Kolben ist als ein flüssigkeitsgekühlter Kolben, bestehend aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde aufweisenden Kolbenoberteil, ausgeführt. Diese Kolbenbauteile sind über radial zueinander beabstandete, eine Trennungsebene bildende Fügestege abgestützt und vorzugsweise stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder vorzugsweise reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt. Somit ist der zusammengefügte Kolben aus einem Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vorzugsweise zusammengebaut, beispielsweise mittels Schraubenverbindung, oder vorzugsweise zusammengeschweißt, beispielsweise mittels Schweißverbindung. In dem Kolbenoberteil ist ein ringförmiger, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckender Kühlkanal eingebracht, der über Verbindungskanäle mit einem inneren Kühlraum in Verbindung steht. Zur Kühlraumvergrößerung schließt das Kolbenoberteil in Richtung eines Kolbenbodens ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, mit dem Kühlkanal verbundene Ausnehmungen ein.
Gemäß dem Patentanspruch 2 ist es auch möglich, dass der flüssigkeitsgekühlte Kolben einer Brennkraftmaschine aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde aufweisenden Kolbenoberteil besteht, wobei der Kolben als ein einteiliger Kolben ausgeführt ist, der keine Trennungsebene aufweist.
Zur Lösung der Problemstellung ist gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 vorgesehen, die zumindest eine von dem Kühlkanal ausgehende, umlaufend eingebrachte Ausnehmung in dem Kolbenoberteil so auszubilden, dass deren Wandungen sich konisch ansteigend aufweiten. Aufgrund der sich einstellenden Spreizung der Wandungen stellt sich ein maximaler Querschnitt in dem Bereich größter Tiefe der Ausnehmung ein. Vorteilhaft vergrößert die Erfindung unter Einhaltung definierter Wandstärken gegenüber bisher bekannten Lösungen den von dem Kühlmittel durchströmten, in der Tiefe erweiterten Kühlraum und optimiert somit die Kühlung des Kolbenoberteils. Eine bevorzugte konstruktive Formgebung der erfindungsgemäßen Ausnehmung folgt beabstandet einer zentrischen Kontur der wannenförmig in dem Kolbenboden eingebrachten Brennraummulde. Verbunden mit einem großvolumigen, die Kühlmittelaufnahme vergrößernden Hohlraum der Ausnehmung kann die Shakerwirkung verbessert und folglich die Kühlwirkung gesteigert werden. Die Größe und die Erstreckung der erfindungsgemäßen, eine Erweiterung des Kühlkanals bildende Ausnehmung ist vorteilhaft nicht durch konstruktiv bedingte Vorgaben, beispielsweise die Lage und Anordnung der Trennungsebene zwischen dem Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil oder dem Kühlkanal begrenzt, sondern kann sich beispielsweise gezielt in Richtung der Brennraummulde erweitern. Die erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmungen sind bevorzugt für Kolbenoberteile mit einem relativ kleinen Brennraummulden-Durchmesser bestimmt, um die sich einstellenden großen Wandstärken und Materialanhäufungen in dem Kolbenboden optimal zu kühlen. Damit kann eine Verkokung bis zu einem Abbrand sowie eine Festigkeitsminderung des Werkstoffs vermieden werden. Vorteilhaft können in Verbindung mit den Maßnahmen zur Optimierung der Kühlung des Kolbenoberteils die Abgasforderungen (Tier 3 und IMO) für gebaute Kolben mit einem kleinen Brennraummulden-Durchmesser erreicht werden. Vorteilhaft bietet es sich an, das erfindungsgemäß gestaltete Kolbenoberteil mit vorhandenen erprobten Kolbenunterteilen zu kombinieren. Bei einem als einteilig ausgeführten flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine ist die Art des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils ebenso, wie vorhergehend beschrieben, passend gestaltet.
Gemäß der Erfindung wird die Größe und die Erstreckung der Ausnehmung nicht durch den äußeren Durchmesser der Fügestege beziehungsweise der Abstützflächen im Bereich der Trennungsebene zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil begrenzt. Vielmehr ermöglicht die erfindungsgemäße Maßnahme die zur Kühlung bestimmte erfindungsgemäße Ausnehmung bis in thermisch hochbelasteten Zone auszudehnen. Das Querschnittsprofil in dem Ausnehmungsgrund übertrifft aufgrund der konischen Aufweitung folglich das Querschnittsprofil im Bereich eines Übergangs der Ausnehmung zu dem Kühlkanal. Bevorzugt schließt der Kolbenboden mehrere umfangsverteilt positionierte, mit dem Kühlkanal in Verbindung stehende Ausnehmungen ein. Diese als Sackloch ausgeführten, den Kühlraum gezielt vergrößernden Ausnehmungen bewirken eine verbesserte, effiziente Kühlung des Kolbenoberteils. Dabei führen die Ausnehmungen zumindest lokal zu reduzierten Wandstärken des Kolbenoberteils, wie gegenüber der Brennraummulde, dem Ringfeld, dem Feuersteg sowie dem Kolbenboden. Bedingt durch abgestimmte Wandstärken zwischen den erfindungsgemäß ausgeführten Ausnehmungen und den benachbarten thermisch stark beanspruchten Zonen wird ein strukturfestes, höchsten Anforderungen standhaltendes Kolbenoberteil realisiert.
Die erfindungsgemäße Maßnahme reduziert die Bauteiltemperatur auf ein Niveau unterhalb von dem Flammpunkt üblicher Kühlöle, wodurch sich gleichzeitig die Gefahr einer Verkokung für das bevorzugt als Kühlmittel eingesetzte Schmieröl der Brennkraftmaschine verringert. Außerdem besteht keine Gefahr, dass sich eine isolierende, die Kühlwirkung herabsetzende Ölkohleschicht bildet, sowie eine nachteilige thermische Kolben-Deformation aufgrund einer abgesenkten Festigkeit des Kolbenwerkstoffs einstellt. Durch die entscheidend verbesserte Wärmeabfuhr und damit Kühlwirkung der erfindungsgemäßen Ausnehmung ist das Kolbenoberteil und folglich der gesamte Kolben für höhere Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücke, d.h. in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte einsetzbar. Außerdem verringern die großvolumig gestalteten, kostengünstig herstellbaren Ausnehmungen insbesondere bei kleinen Brennraummulden-Durchmessern vorteilhaft das Gewicht des Kolbenoberteils.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß sich über die Längserstreckung konisch aufweitenden Ausnehmungen sieht vor, dass diese im Kolbenoberteil umfangsverteilt insbesondere als Schlitze, Bohrungen oder Kanäle gestaltet sind. Dabei sind zwischen den Ausnehmungen und dem Kühlkanal von dem Material des Kolbenoberteils gebildete Stege vorgesehen. Alternativ zu den Stegen können auch Wandungen oder Stützrippen verwendet werden, wobei sich die Wandungen oder Stützrippen durch ihre jeweilige Form von den Stegen unterscheiden. Zur Erzielung einer hohen Strukturfestigkeit des Kolbenoberteils bietet es sich an, die konisch aufgeweiteten Ausnehmungen als tortenförmige Kühlraumkammern mit einer Wabenstruktur auszubilden, die gleichzeitig die Kühleigenschaften positiv beeinflusst und die zu einer Vergrößerung der Kühloberfläche führt. Zusätzlich wird dadurch auch der Kühlraum räumlich erweitert.
Einer weiteren konstruktiven Auslegung gemäß werden die erfindungsgemäß gestalteten, benachbarten Ausnehmungen entgegengesetzt wechselweise in übereinstimmenden oder voneinander abweichenden geometrischen Größen und/oder Neigungen zueinander in dem Kolbenoberteil eingebracht. Diese Maßnahme ermöglicht eine gezielte Erstreckung der Ausnehmungen bis in thermisch hoch belastete Zonen, ohne die Gefahr einer Bauteilschwächung.
Gemäß einer bevorzugten Auslegung sind zur Erzielung weitestgehend übereinstimmender Wandstärken gegenüber den thermisch stark belasteten Zonen die Wandungen der Ausnehmung in einem Neigungswinkel "α, β" zwischen 0° bis 40°, vorzugsweise von ≤ 15° zu einer Kolbenlängsachse geneigt ausgerichtet. Dem konstruktiven Aufbau des Kolbenbodens angepasst, bietet es sich weiterhin an, die Neigungswinkel von gegenüberliegenden Wandungen, insbesondere einer inneren Wandung und einer äußeren Wandung, übereinstimmend oder voneinander abweichend auszulegen.
Zur kostenoptimierten Fertigung und Vermeidung einer Bauteilschwächung ist vorgesehen, die sich konisch spreizenden Ausnehmungen jeweils mit einem gerundeten, die Strukturfestigkeit positiv beeinflussenden Ausnehmungsgrund zu versehen. Für die gerundete Kontur ist bevorzugt ein Radius "R" zwischen 1,5 mm und D/2 (D = maximaler Durchmesser des verwendeten Werkzeugs für das spanabhebende Verfahren, beispielsweise eines Fräswerkzeugs, für die gerundete Kontur) vorgesehen. Alternativ dazu bietet es sich an, den Ausnehmungsgrund mit einer doppelt gerundeten, ein kuppelartiges Muldengewölbe bildenden Kontur zu versehen. Weiterhin kann zur Anpassung an den konstruktiven Aufbau des Kolbenbodens der doppelt gerundete Ausnehmungsgrund gestuft gestaltet werden. Der Ausnehmungsgrund kann dabei als stark wellenförmige Oberfläche, wodurch eine vergrößerte Oberfläche erzeugt wird, oder als eine fein wellenförmige Oberfläche ausgeführt werden. Durch zusätzliche spanabhebende Fertigungsschritte, beispielsweise Frässchnitte, wird der gestufte Übergang zwischen den Wölbungen verringert, wodurch die Oberfläche der Wölbungen qualitativ durch eine geringere Welligkeit auf der Oberfläche verbessert wird und wodurch die Größe der Oberfläche verringert wird. Somit ist es möglich, durch eine größere Anzahl der Schnitte eine feinwellige Oberfläche zu erzeugen. Alternativ zu einer gerundeten Endkontur schließt die Erfindung einen abgeschrägt ausgebildeten Ausnehmungsgrund ein. Durch die Ausnehmungen in dem Kühlkanal kommt es zusätzlich auch zu einer verstärkten Verwirbelung des Kühlmittels in dem Kühlkanal. Durch eine Anpassung der Oberfläche des Ausnehmungsgrundes und eine Verkleinerung des Durchmessers des Ausnehmungsgrundes ist es möglich, die Emissionen bei dem Betrieb des Kolbens zu verringern bzw. zu optimieren. Auch können durch die Anpassung des gestuften Übergangs die Emissionen beim Betrieb verringert werden. Durch die Variation der Tiefe der Ausnehmung, von dem Kolbenunterteil in Richtung Kolbenoberteil gesehen, kann eine Anpassung des Kühlraums an die Form der Mulde der Brennraummulde erfolgen. Bei einem einteiligen Kolben ist die Anpassung und Ausgestaltung des Ausnehmungsgrundes mittels der Form des Gießformkörpers möglich, dessen Form in bestimmten Bereichen die Negativ-Form der Form des Ausnehmungsgrundes ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die bevorzugt als Kanäle, Bohrungen oder Schlitze ausgebildeten Ausnehmungen umfangsseitig symmetrisch oder unsymmetrisch in dem Kolbenoberteil anzuordnen. Die Lage, Ausrichtung und Größe der Ausnehmung kann dabei den unterschiedlichen thermischen Belastungen angepasst werden. Beispielsweise bietet es sich an, das Kühlraum- bzw. Querschnittsvolumen der Ausnehmung auf der Druckseite (DS) gegenüber dem entsprechenden Querschnittsvolumen auf der Gegendrucksseite (GDS) des Kolbenoberteils voneinander abweichend auszulegen. Die Lage und Auslegung der Ausnehmung erfolgt so, dass eine Schwächung der Festigkeit des Kolbenoberteils vermieden wird.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 12 sind zur Herstellung der Ausnehmungen folgende Schritte vorgesehen. Zunächst wird ein der Form der Ausnehmungen entsprechender Gießformkörper, vorzugsweise ein Salzkern, in die für das Kolbenoberteil bestimmte Gießform lagefixiert. Nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils wird der Gießformkörper durch Ausspülen entfernt.
Gemäß einem weiteren alternativen erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 13 sind zur Herstellung der Ausnehmungen folgende Schritte bei einem einteiligen Kolben vorgesehen. Zunächst wird ein der Form der Ausnehmungen entsprechender Gießformkörper, vorzugsweise ein Salzkern, in die für den einteiligen Kolben, der ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil aufweist, bestimmte Gießform lagefixiert. Nach erfolgtem Guss und Erkalten des einteiligen Kolbens wird der Gießformkörper durch Ausspülen entfernt.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung der Ausnehmungen sieht eine mechanische, dreidimensionale zerspannende Bearbeitung vor. Dazu eignet sich bevorzugt eine Dreh- und Fräsbearbeitung, mit der Hohlräume zur Darstellung von Ausnehmungen in dem Kolbenoberteil eingebracht werden. Außerdem bietet es sich an, die Ausnehmungen mittels einer Fräsung oder mit Bohrwerkzeugen darzustellen.
Ein beispielhaft ausgestaltetes Kolbenoberteil gemäß der Erfindung, auf den diese jedoch nicht beschränkt ist, ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:

Figur 1:: ein Kolbenoberteil in einem Längsschnitt mit einer erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmung,
Figur 2:: ein Detail des Kolbenoberteils gemäß Figur 1 in einem vergrößerten Maßstab,
Figur 3:: die Draufsicht auf ein Kolbenoberteil mit mehreren schlitzförmigen Ausnehmungen,
Figur 4:: eine räumliche Darstellung von Kühlschlitzen in einem Kolbenoberteil und
Figur 5:: eine räumliche Darstellung eines Kolbenoberteils mit erweiterten Kühlschlitzen.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Kolbenoberteil 1, bei dem es sich beispielsweise um ein aus einer Stahllegierung mittels eines Schmiedeverfahrens hergestelltes Bauteil handelt. Alternativ kann das Kolbenoberteil 1 auch aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Eisenlegierung hergestellt werden. Alternativ kann das Kolbenoberteil 1 auch mittels eines beliebigen anderen Umformverfahrens oder Urformverfahrens hergestellt werden. Das Kolbenoberteil 1 bildet gemeinsam mit einem in Figur 1 nicht abgebildeten Kolbenunterteil einen beispielsweise reibschlüssig gebauten oder stoffschlüssig geschweißten zweiteiligen Kolben, der flüssigkeitsgekühlt ist. Über zwei radial zueinander versetzte, umlaufende Fügestege 2, 3 ist das Kolbenoberteil 1 an korrespondierenden Fügestegen des Kolbenunterteils abgestützt. Alle Fügestege bilden gemeinsam eine Trennungsebene 4, über die das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil 1 mittels einer reibschlüssigen Verbindung, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, dauerfest miteinander verbunden sind. Zum anderen ist das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil 1 mittels der Trennungsebene 4 formschlüssig aufeinander aufliegend. Konzentrisch zu einer Kolbenlängsachse 5 ist in einem Kolbenboden 6 des Kolbenoberteils 1 eine Brennraummulde 7 eingebracht, die außenseitig von einem gestuften Muldenrand 8 begrenzt ist. Das Kolbenoberteil 1 wird von einem sich an den Kolbenboden 6 anschließenden Feuersteg 9 umschlossen, an den sich ein zur Aufnahme von Kolbenringen bestimmtes Ringfeld 10 anschließt. Zur Kühlung des Kolbenoberteils 1 ist im Bereich der Trennungsebene 4 ein ringförmiger Kühlkanal 11 vorgesehen, der sich bis in das Kolbenunterteil erstreckt und durch den im Betriebszustand der Brennkraftmaschine Kühlmittel, insbesondere Schmieröl der Brennkraftmaschine, zirkuliert. Dazu tritt das Kühlmedium über einen Einlass in den Kühlkanal 11 ein und verlässt den Kühlkanal 11 über mehrere Verbindungskanäle 15, auch bekannt unter dem Namen Übertrittsbohrungen, über einen Auslass. Der Kühlmittelzulauf kann alternativ auch über die Kolbenmitte, das heißt den innen Kühlraum 16, erfolgen. Dabei wird das Kühlmittel über die Verbindungskanäle 15 in den Kühlkanal 11 geleitet und fließt anschließend aus dem Kühlkanal 11 über Ablaufbohrungen ab. Der Kühlkanal 11 steht mit mehreren umfangsverteilt eingebrachten, in Richtung des Kolbenbodens 6 ausgerichteten Ausnehmungen 12 in Verbindung. Diese umfangsverteilt angeordneten, sacklochartig eingebrachten Ausnehmungen 12 sind als Kanäle, Bohrungen und/oder Schlitze ausgebildet und vergrößern den von dem Kühlmittel beaufschlagten Kühlraum im Kolbenoberteil 1. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Steifigkeit des Kolbenbodens 1 sind in einem Übergangsbereich zwischen dem Kühlkanal 11 und den Ausnehmungen 12 Stege 13 vorgesehen. Von dem Kühlkanal 11 ausgehend erweitern sich die Ausnehmungen 12 konisch bis zu einem Maximum an einem Ausnehmungsgrund 14. Über umfangsseitig positionierte Verbindungskanäle 15 sind die Ausnehmungen 12 mit einem zentralen, unterhalb der Brennraummulde 7 positionierten inneren Kühlraum 16 verbunden.
Figur 2 verdeutlicht die geometrische Gestaltung der Ausnehmung 12 in einer vergrößerten Abbildung. Die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil 1 eingebrachten Ausnehmungen 12 können alternativ auch als begrenzt umlaufende Hohlräume gestaltet werden. Bevorzugt wird die Ausnehmung 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel nachträglich bei der Herstellung mittels des Schmiedeverfahrens mittels einer mechanischen dreidimensionalen zerspannenden Bearbeitung im Kolbenoberteil 1 eingebracht. Alternativ dazu bietet es sich bei einem mittels eines Gießverfahrens hergestellten Kolbenoberteil 1 an, die Ausnehmung 12 mittels eines Gießformkörpers in das Kolbenoberteil 1 einzuformen . Zur Darstellung weitestgehend übereinstimmender Wandstärken zu den Außenkonturen des Kolbenoberteils 1, beispielsweise gegenüber dem Kolbenboden 6, dem Feuersteg 9 sowie dem Muldenrand 8 der Brennraummulde 7, bildet die Ausnehmung 12 einen gestuften Ausnehmungsgrund 14. Der domartig, ein Muldengewölbe bildende Ausnehmungsgrund. 14 schließt eine doppelt gerundete, den Radius "R" einschließende Kontur ein. Durch die Anzahl der Schnitte kann die Tiefe des zwischen den Radien "R" befindliche Ausnehmungsgrund 14 in der Ausnehmung 12 eingestellt werden. Insbesondere zur Anpassung an den konstruktiven Aufbau des Kolbenoberteils 1 sowie nahezu übereinstimmender Wandstärken gegenüber den thermisch stark belasteten Zonen sind die zur Kolbenlängsachse 5 in radialer Richtung näher liegende innere Wandung 17 und die zur Kolbenlängsachse 5 in radialer Richtung weiter weg liegende äußere Wandung18 der Ausnehmung 12 zu der Kolbenlängsachse 5 jeweils geneigt. Der Neigungswinkel α der inneren Wandung 17 und der Neigungswinkel β der äußeren Wandung 18, wobei die innere Wandung 17 und die äußer Wandung 18 entgegengesetzt zueinander geneigt sind, können dabei gleich oder voneinander abweichend ausgelegt sein.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenoberteils 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und neue Bauteile sind mit neuen Bezugsziffern benannt.
Figur 3 zeigt die Draufsicht auf das Kolbenoberteil 1 eines zweiteiligen Kolbens in Richtung der beiden Fügestege 2, 3. Das Kolbenoberteil 1 weist mehrere mit einem bestimmten Radius um die Kolbenlängsachse 5 tangential angeordnete schlitzförmige Ausnehmungen 19, im Beispiel fünf schlitzförmige Ausnehmungen 19, gemäß Figur 3 auf. Bekannt ist der tangentiale Umlauf um die Kolbenlängsachse 5 auch unter dem Begriff des radialen Umlaufs um die Kolbenlängsachse 5. Alternativ ist es möglich, dass das Kolbenoberteil 1 mehr als fünf oder weniger als fünf schlitzförmige Ausnehmungen 19 aufweist.
In Figur 3 ist zur Verdeutlichung zusätzlich der innere Kühlraum 16 mit dargestellt, um den die fünf schlitzförmigen Ausnehmungen 19 umfangsverteilt angeordnet sind. Dabei sind die schlitzförmigen Ausnehmungen 19 nicht miteinander verbunden, so dass jeweils ein Abstand in Form von Stegen 20 zwischen den jeweiligen schlitzförmigen Ausnehmungen 19 existiert.
In Figur 4 sind zwei Kühlschlitze 21, 22 mit Wellenkühlung in einem Kolbenoberteil 1 eines zweiteiligen Kolbens dargestellt, wobei die beiden Kühlschlitze 21, 22 der dargestellten Ausnehmung 12 zugeordnet sind. Es ist dabei möglich den Muldendurchmesser des jeweiligen Kühlschlitzes 21, 22 noch zu verkleinern oder eine Stufenmulde einzubringen. Durch die Wellenkühlung wird zum einen eine Vergrößerung der Kühloberfläche und eine Verwirbelung erreicht. In Figur 4 ist zusätzlich zur Verdeutlichung auch der innere Kühlraum 16 mit dargestellt.
In Figur 5 sind zwei erweitere Kühlschlitze 21, 22 mit geglätteter Oberfläche dargestellt, wobei die beiden Kühlschlitze 21, 22 der dargestellten Ausnehmung 12 zugeordnet sind. Es ist dabei möglich, den Muldendurchmesser noch zu verkleinern oder die Stufenmulde zu bearbeiten, die zu einer Verringerung von Emissionen verwendet werden.
Durch die Variation der Schlitztiefe der jeweiligen Kühlschlitze 21, 22 der Ausnehmung 12 ist es möglich, dass eine Anpassung des Kühlraums an die Muldenform der Brennraummulde 7 erfolgt. Der Grad der Glättung wird durch die Anzahl der Schlitze zwischen Kühlschlitz 21 und Kühlschlitz 22 erreicht. In Figur 5 ist zusätzlich zur Verdeutlichung auch der innere Kühlraum 16 mit dargestellt.

Bezugszeichenliste

1: Kolbenoberteil
2: Fügesteg
3: Fügesteg
4: Trennungsebene
5: Kolbenlängsachse
6: Kolbenboden
7: Brennraummulde
8: Muldenrand
9: Feuersteg
10: Ringfeld
11: Kühlkanal
12: Ausnehmung
13: Steg
14: Ausnehmungsgrund
15: Verbindungskanal
16: Innerer Kühlraum
17: Innere Wandung
18: Äußere Wandung
19: schlitzförmige Ausnehmung
20: Steg
21: Kühlschlitz
22: Kühlschlitz

Claims

Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein flüssigkeitsgekühlter Kolben, bestehend aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (7) aufweisenden Kolbenoberteil (1), die über radial zueinander beabstandete, eine Trennungsebene (4) bildende Fügestege (2, 3) abgestützt und zusammengefügt sind, wobei in dem Kolbenoberteil (1) ein ringförmiger, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckender Kühlkanal (11) eingebracht ist, der über Verbindungskanäle (15) mit einem inneren Kühlraum (16) in Verbindung steht, sowie in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, Kühlräume bildende Ausnehmungen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestaltet sind.
Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein einteiliger flüssigkeitsgekühlter Kolben, mit einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (7) aufweisenden Kolbenoberteil (1), wobei in dem Kolbenoberteil (1) ein ringförmiger Kühlkanal (11) eingebracht ist, der über Verbindungskanäle (15) mit einem inneren Kühlraum (16) in Verbindung steht, sowie in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, Kühlräume bildende Ausnehmungen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestaltet sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil (1) eingebrachten, konisch ansteigend ausgeführten Ausnehmungen (12) als Bohrungen, Kanäle und / oder Schlitze ausgebildet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausnehmungen (12) und dem Kühlkanal (11) von einem Material des Kolbenoberteils (1) gebildete Stege (13, 20) vorgesehen sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil (1) eingebrachten Ausnehmungen (12) eine Wabenstruktur bilden.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolbenoberteil (1) benachbart eingebrachte Ausnehmungen (12) wechselweise radial nach innen oder radial nach außen geneigt angeordnet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) entgegengesetzt geneigte Wandungen, insbesondere eine innere Wandung (17) und eine äußere Wandung (18), aufweisen, deren übereinstimmender oder voneinander abweichender Neigungswinkel "α, β" zwischen 0° bis 40° beträgt.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) einen gerundet oder abgeschrägt gestalteten Ausnehmungsgrund (14) mit einem Radius "R" zwischen 1,5 mm und D/2 aufweisen.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) einen doppelt gerundeten und/oder gestuft gerundeten Ausnehmungsgrund (14) einschließen.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Bohrung, Kanal oder Schlitz ausgeführten konisch aufgeweiteten Ausnehmungen (12) umfangsseitig symmetrisch oder unsymmetrisch in dem Kolbenoberteil (1) integriert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils (1) von einem flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, das mit einem Kolbenunterteil zusammengefügt wird, wobei das Kolbenoberteil (1) eine Brennraummulde (7) sowie einen Kühlkanal (11) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ausnehmungen (12) folgende Schritte vorgesehen sind,
- Einlegen eines der Form der Ausnehmung (12) entsprechenden von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestalteten Gießformkörpers, der vor einem Gießprozess in einer für das Kolbenoberteil (1) bestimmten Gießform positioniert ist;

- Entfernen des Gießformkörpers nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils (12) durch Ausspülen.
Verfahren zur Herstellung von einem einteiligen flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (1) und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil (1) eine Brennraummulde (7) sowie einen Kühlkanal (11) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ausnehmungen (12) folgende Schritte vorgesehen sind,
- Einlegen eines der Form der Ausnehmung (12) entsprechenden von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestalteten Gießformkörpers, der vor einem Gießprozess in einer für das Kolbenoberteil (1) des einteiligen Kolbens bestimmten Gießform positioniert ist;

- Entfernen des Gießformkörpers nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils (12) des einteiligen Kolbens durch Ausspülen.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils (1) von einem flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, das mit einem Kolbenunterteil zusammengefügt wird, wobei das Kolbenoberteil (1) eine Brennraummulde (7) sowie einen Kühlkanal (11) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Ausnehmungen (12) in dem Kolbenoberteil (1) mittels einer mechanischen, dreidimensionalen zerspanenden Bearbeitung erfolgt, sodass die Ausnehmungen (12) von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) vor Einbringung der Ausnehmungen (12) mittels eines Umformverfahrens, vorzugsweise mittels eines Schmiedeverfahrens, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt wird.