EP2633176A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

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Publication number
EP2633176A1
EP2633176A1 EP11775962.1A EP11775962A EP2633176A1 EP 2633176 A1 EP2633176 A1 EP 2633176A1 EP 11775962 A EP11775962 A EP 11775962A EP 2633176 A1 EP2633176 A1 EP 2633176A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling channel
piston
radius
radially
combustion chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11775962.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Noll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current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

Definitions

  • the invention relates to a piston for a
  • Piston pin which connects to a connecting rod, to be provided with one or more cooling channels or spaces.
  • DE 10 2006 024 098 AI describes a piston with a cooling channel, of which a so-called
  • Stitch channel is formed in the direction of a ring carrier.
  • Cooling channel at least in sections in the direction of the piston longitudinal axis and at least partially transverse to
  • Piston longitudinal axis wavy Here are mentioned as cross-sectional shapes of the cooling channel, a triangle and a trapezoid with rounded corners.
  • From DE 20 17 925 A is a piston for a
  • Internal combustion engine with a cooling channel which is inclined inwardly in the direction of the piston head and in the direction of the piston head radially outward and in the direction of the piston pin radially inside has a larger radius than at the two remaining corners.
  • the invention has for its object to provide a piston for an internal combustion engine, which is improved in terms of the voltages occurring during operation, in particular in the region of the cooling channel itself.
  • this has at least one at least
  • Sectionally substantially annular cooling channel at least in sections in the direction of
  • Piston longitudinal axis can be wavy and a
  • Cross-section may have, whose dimension is substantially greater in the direction of the piston longitudinal axis than transversely thereto. Furthermore, viewed in cross-section, the cooling channel may be inclined outwards.
  • Cooling channel viewed in cross section, largely as
  • Parallelogram is executed with rounded corners, wherein at the piston pin end end of the obtuse angle
  • Parallelogram is preferably formed radially outward. This means preferably for the piston bottom end of the
  • Cross-section of the cooling channel that here is the obtuse angle radially inward, that is directed to the combustion bowl.
  • the obtuse angle described is usually accompanied by a comparatively large radius.
  • an obtuse angle may not necessarily be identified.
  • the invention can also by the provision of a compared with other areas of the cooling channel larger radius at the piston pin end radially outward and / or on the piston crown side end are realized radially inside.
  • the cross section of the cooling channel according to the invention of a rectangle, whose longer side is substantially parallel to the piston axis. If here the corners of the rectangle are rounded so that larger radii at the piston pin end radially outward and / or provided on the piston bottom side end radially inside, the effects described below can be achieved in the same way.
  • Cross-sectional geometry of the cooling channel has been previously referred to in particular parallelogram.
  • a rectangle is a special form of a parallelogram, so that accordingly a rectangle for describing the cross-sectional geometry of the cooling channel according to the invention can be assumed.
  • the cross-sectional geometry of the Cooling channel (for example, starting from a
  • Parallelogram is largely point-symmetrical.
  • Fig. 1 shows a part of the piston according to the invention in
  • Fig. 2 to 6 further cross-sectional shapes of the cooling channel
  • Fig. 1 shows substantially one half of a
  • piston 10 in the area between the combustion chamber trough 12 and the (not recognizable) piston pin. Radially outward are several grooves for the piston
  • Piston rings present which may be used in particular in the case of the uppermost piston ring in a ring carrier, which in turn is inserted into the recognizable in Fig. 1 groove.
  • the substantially annular cooling passage 14 is radially inward of that formed by the piston ring grooves Ring field arranged and has long sides 16, which in the case shown at an acute angle to
  • the short sides 20 of the cross-sectionally substantially parallelogram-shaped cooling channel 14 extend radially outwards, i. towards the ring grooves, slightly rising. After the corners of the parallelogram are rounded, there are comparatively large radii in the zone 22 directed to a non-recognizable piston lock groove and in the diametrically opposite zone 24 directed to the combustion bowl 12. Especially in these
  • the cross section of the cooling channel can be inclined outwards, for example by about 7 ° to 9 ° and preferably about 7.3 °, and a "height" is measured by way of example taking into account the existing inclination of about 18 mm to 19 mm, and preferably about 18.5 mm and a "width", again measured taking into account the inclination, of about 6 mm to 8 mm, and preferably about 7 mm.
  • the inner diameter of the cooling channel may be about 80 mm to 100 mm, and preferably about 90 mm, and the outer diameter may be about 105 mm to 110 mm, and preferably about 107.5 mm.
  • FIG. 2 Representations of the combustion chamber is located above the cooling channel shown, and shown in FIG. 1, the cooling channel of the right half of the piston is shown. Accordingly, the cross-sectional shape of the embodiment of FIG. 2 results from the square shown in dashed lines, wherein the Rounding radius at the top, piston bottom end radially inward and at the bottom, piston pin end radially outward greater than in the other two corners.
  • Cross-sectional shape of the cooling channel can also be assumed by a rectangle, the longer side extends substantially parallel to the piston axis.
  • the "corners" are
  • Fig. 5 is comparatively similar to that of Fig. 1, wherein it can be seen from the illustration in Fig. 5 that the radially extending, short sides of the parallelogram do not necessarily have to be made outwardly ascending.
  • Cross-sectional geometry of the cooling channel according to the invention does not necessarily have to be assumed by one of the above-mentioned geometric figures. Rather, the advantages of the invention can also be realized by an embodiment in which on the piston bottom end radially inward and / or on the piston pin end radially outward radii Ri and R 3 are formed, which are larger than the other two radii r 2 and r 4th
  • the two radii R 1 , R 3 and the two r 2 , r 4 are approximately the same size.

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Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen Kühlkanal (14) auf, der zumindest abschnittsweise, im Querschnitt betrachtet, weitgehend als Parallelogramm mit abgerundeten Ecken ausgeführt ist, bei dem, im Querschnitt gesehen, am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial außen und/oder am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen ein größerer Radius als an zumindest einem anderen Ende des Kühlkanals (14) ausgebildet ist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen
Verbrennungsmotor .
Auf dem Gebiet der Kolben für Verbrennungsmotoren ist es bekannt und üblich, die Kolben im Wesentlichen zwischen dem Kolbenboden, der den Brennraum begrenzt, und dem
Kolbenbolzen, der die Verbindung zu einem Pleuel herstellt, mit einem oder mehreren Kühlkanälen oder -räumen zu versehen. Hierdurch wird der Kolben, der fortlaufend den im Brennraura herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt ist, insoweit gekühlt, dass seine Dauerfestigkeit gewährleistet ist. Zur Abfuhr der Warme wird insbesondere ein Kühlmittel,
typischerweise Kühlöl, in den Kühlkanal vom Kurbelgehäuse her eingespritzt und durch eine Ablaufoffnung abgeführt.
Stand der Technik
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2006 024 098 AI einen Kolben mit einem Kühlkanal, von dem ein sogenannter
Stichkanal in Richtung eines Ringträgers ausgebildet ist.
Die DE 101 13 639 AI betrifft einen Kolben mit einem
Kühlkanal, der zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenlängsachse und zumindest abschnittsweise quer zur
Kolbenlängsachse wellenförmig verläuft. Hierbei sind als Querschnittsformen des Kühlkanals ein Dreieck und ein Trapez mit abgerundeten Ecken erwähnt .
Aus der DE 20 17 925 A geht ein Kolben für einen
Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal hervor, der in Richtung des Kolbenbodens nach innen geneigt ist und in Richtung des Kolbenbodens radial außen und in Richtung des Kolbenbolzens radial innen einen größeren Radius aufweist als an den beiden verbleibenden Ecken.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden Spannungen, insbesondere im Bereich des Kühlkanals selbst, verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist dieser zumindest einen zumindest
abschnittsweise im Wesentlichen ringförmigen Kühlkanal auf, der zumindest abschnittsweise in Richtung der
Kolbenlängsachse wellenförmig verlaufen kann und einen
Querschnitt aufweisen kann, dessen Abmessung im Wesentlichen in Richtung der Kolbenlängsachse größer ist als quer hierzu. Ferner kann, im Querschnitt betrachtet, der Kühlkanal nach außen geneigt sein.
Im Rahmen der der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen hat sich herausgestellt, dass eine besonders günstige
Spannungsverteilung dadurch zu erreichen ist, dass der
Kühlkanal, im Querschnitt betrachtet, weitgehend als
Parallelogramm mit abgerundeten Ecken ausgeführt ist, wobei am kolbenbolzenseitigen Ende der stumpfe Winkel des
Parallelogramms bevorzugt radial außen ausgebildet ist. Dies bedeutet bevorzugt für das kolbenbodenseitige Ende des
Querschnitts des Kühlkanals, dass sich hier der stumpfe Winkel radial innen, d.h. zu der Brennraummulde hin gerichtet befindet. Der beschriebene stumpfe Winkel geht üblicherweise mit einem vergleichsweise großen Radius einher. Für einige der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen kann jedoch nicht unbedingt ein stumpfer Winkel identifiziert werden. Die Erfindung kann jedoch auch durch das Vorsehen eines verglichen mit anderen Bereichen des Kühlkanals größeren Radius am kolbenbolzenseitigen Ende radial außen und/oder am kolbenbodenseitigen Ende radial innen realisiert werden.
Insbesondere kann für den Querschnitt des erfindungsgemäßen Kühlkanals von einem Rechteck ausgegangen werden, dessen längere Seite weitgehend parallel zur Kolbenachse verläuft. Wenn hier die Ecken des Rechtecks derart abgerundet werden, dass größere Radien am kolbenbolzenseitigen Ende radial außen und/oder am kolbenbodenseitigen Ende radial innen vorgesehen werden, lassen sich die nachfolgend beschriebenen Wirkungen in gleicher Weise erreichen.
Für diese Ausbildungen konnte nämlich bei ersten Berechnungen festgestellt werden, dass die Spannungen insbesondere im Bereich der erwähnten stumpfen Winkel signifikant reduziert werden können. Erste Berechnungen deuten darauf hin, dass sich in diesen Bereichen theoretisch eine Erhöhung der
Lebensdauer um einen Faktor bis zu 20 einstellt. Dies ist unter Umständen dadurch erklärbar, dass sich infolge des stumpfen Winkels und der abgerundeten Ecken hier ein
vergleichsweise großer Radius einstellt, der zu einer vorteilhaften Verringerung der auftretenden Spannungen beiträgt .
Es sei ergänzend erwähnt, dass sich die Spannungen gernäß ersten Berechnungen in sämtlichen anderen relevanten
Bereichen nicht erhöhen, und dass sich auch sämtliche zu erwartenden Temperaturen in den einzelnen Bereichen innerhalb zulässiger Grenzwerte befinden. Im Hinblick auf die
Querschnittsgeometrie des Kühlkanals wurde vorangehend insbesondere auf Parallelogramm Bezug genommen. Es sei jedoch erwähnt, dass es sich bei einem Rechteck um eine Sonderform eines Parallelogramms handelt, so dass dementsprechend auch von einem Rechteck zur Beschreibung der Querschnittsgeometrie des erfindungsgemäßen Kühlkanals ausgegangen werden kann. In jedem Fall wird bevorzugt, dass die Querschnittsgeometrie des Kühlkanals (beispielsweise ausgehend von einem
Parallelogramm) weitgehend punktsymmetrisch ist.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Wie erwähnt, wurden besonders gute Eigenschaften für eine Ausgestaltung festgestellt, bei der das beschriebene, im Querschnitt erkennbare Parallelogramm "hochkant" angeordnet ist. Mit anderen Worten verlaufen die längeren Seiten des Parallelogramms weitgehend in Richtung der Kolbenachse oder allenfalls unter einem äußerst spitzen Winkel, vorzugsweise nach außen geneigt, hierzu. Die beschriebene Wirkung einer besonders sanften Rundung an den gefährdeten Zonen des
Kühlkanals, die zu einer Brennraummulde bzw. der
Bolzensicherungsnut gerichtet sind, wird durch die
beschriebene Orientierung weiter unterstützt.
Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, wenn die kürzeren Seiten des Parallelogramms unter einem bevorzugt spitzen Winkel zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse verlaufen und bevorzugt in einer Richtung radial nach außen ansteigen. Hierdurch wird ebenfalls die Ausbildung eines großen Radius in den besonders gefährdeten Zonen unterstützt. Wenngleich eine Raute im mathematisch engen Sinn vier gleich lange Seiten erfordert, entsteht durch die beschriebene
Gestaltung mit radial nach außen geneigten langen Seiten und radial nach außen ansteigenden kurzen Seiten des
Parallelogramms eine Gestaltung des Kühlkanals, im
Querschnitt gesehen, die als rautenförmig bezeichnet werden kann .
Bei ersten Spannungsberechnungen hat es sich ferner als günstig erwiesen, wenn der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals radial innen größer ist als der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals radial außen. Ferner konnten für die weiteren, in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Werte der Radien besonders günstige
Spannungsverhältnisse festgestellt werden.
Gute Ergebnisse werden ferner erwartet, wenn der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals radial innen und der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals radial außen im Wesentlichen gleich groß sind und/oder der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals radial innen und der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals radial außen im Wesentlichen gleich groß sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 einen Teil des erfindungsgemäßen Kolbens im
Querschnitt, und
Fig. 2 bis 6 weitere Querschnittsformen des Kühlkanals
eines Kolbens, von denen die Figuren 4 bis 6 erfindungsgemäß sind.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt im Wesentlichen eine Hälfte eines
erfindungsgemäßen Kolbens 10 in dem Bereich zwischen der Brennraummulde 12 und dem (nicht erkennbaren) Kolbenbolzen. Radial außen sind bei dem Kolben mehrere Nuten für
Kolbenringe vorhanden, wobei diese insbesondere im Fall des obersten Kolbenringes in einen Ringträger eingesetzt sein können, der seinerseits in die in Fig. 1 erkennbare Nut eingesetzt ist. Der im Wesentlichen ringförmige Kühlkanal 14 ist radial innerhalb des durch die Kolbenringnuten gebildeten Ringfeldes angeordnet und weist lange Seiten 16 auf, die sich in dem gezeigten Fall unter einem spitzen Winkel zur
Kolbenlängsachse 18 und ein wenig nach außen geneigt
erstrecken .
Die kurzen Seiten 20 des im Querschnitt im Wesentlichen parallelogrammförmigen Kühlkanals 14 verlaufen radial nach außen, d.h. zu den Ringnuten hin, etwas ansteigend. Nachdem die Ecken des Parallelogramms abgerundet sind, ergeben sich vergleichsweise große Radien in der Zone 22, die zu einer {nicht erkennbaren) Kolbensicherungsnut gerichtet ist, sowie in der diametral gegenüberliegenden Zone 24, die zu der Brennraummulde 12 gerichtet ist. Insbesondere in diesen
Bereichen konnte durch Berechnungen festgestellt werden, dass sich die Spannungen deutlich verringern und somit eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens insgesamt zu erwarten ist. Neben den vorangehend bereits angegebenen bevorzugten Werten für die vorhandenen Radien sei noch erwähnt, dass der Querschnitt des Kühlkanals beispielsweise um etwa 7° bis 9° und bevorzugt etwa um 7,3° nach außen geneigt sein kann, und eine "Höhe", beispielhaft gemessen unter Berücksichtigung der vorhandenen Neigung von etwa 18 mm bis 19 mm, und bevorzugt etwa 18,5 mm sowie eine "Breite", wiederum gemessen unter Berücksichtigung der Neigung, von etwa 6 mm bis 8 mm und bevorzugt etwa 7 mm aufweisen kann. Der Innendurchmesser des Kühlkanals kann etwa 80 mm bis 100 mm und bevorzugt etwa 90 mm, und der Außendurchmesser kann etwa 105 mm bis 110 mm und bevorzugt etwa 107,5 mm betragen .
Die weiteren Figuren zeigen alternative Ausgestaltungen des Kühlkanals 14 im Querschnitt, wobei sich bei sämtlichen
Darstellungen der Brennraum oberhalb des gezeigten Kühlkanals befindet, und entsprechend Fig. 1 der Kühlkanal der rechten Hälfte des Kolbens dargestellt ist. Dementsprechend ergibt sich die Querschnittsform der Ausf hrungsform von Fig. 2 aus dem gestrichelt dargestellten Quadrat, wobei der Rundungsradius am oberen, kolbenbodenseitigen Ende radial innen und am unteren, kolbenbolzenseitigen Ende radial außen größer ist als in den anderen beiden Ecken.
Dies gilt in gleicher Weise für die Ausführungsform von Fig. 3, wobei hier die Querschnittsform von einer Raute ausgehend entwickelt wurde.
Wie in Fig. 4 erkennbar, kann für die Gestaltung der
Querschnitts form des Kühlkanals auch von einem Rechteck ausgegangen werden, dessen längere Seite sich weitgehend parallel zur Kolbenachse erstreckt. Die "Ecken" sind
entsprechend der Ausführungsform von Fig. 2 abgerundet.
Die Ausführungsform von Fig, 5 ist vergleichsweise ähnlich zu derjenigen von Fig. 1, wobei aus der Darstellung in Fig. 5 zu erkennen ist, dass die sich radial erstreckenden, kurzen Seiten des Parallelogramms nicht notwendigerweise nach außenhin ansteigend ausgeführt sein müssen.
In Fig. 6 ist schließlich dargestellt, dass für die
Querschnittsgeometrie des erfindungsgemäßen Kühlkanals nicht notwendigerweise von einer der oben genannten geometrischen Figuren ausgegangen werden muss. Vielmehr können die Vorteile der Erfindung auch durch eine Ausführungsform realisiert werden, bei der am kolbenbodenseitigen Ende radial innen und/oder am kolbenbolzenseitigen Ende radial außen Radien Ri und R3 ausgebildet sind, die größer sind als die beiden anderen Radien r2 und r4. Hierbei sind bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise, die beiden Radien R1, R3 und die beiden r2, r4 in etwa gleich groß.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal (14), der zumindest abschnittsweise, im Querschnitt betrachtet, weitgehend als Parallelogramm mit abgerundeten Ecken ausgeführt ist, bei dem, im
Querschnitt gesehen, am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial außen und/oder am
brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen ein größerer Radius als an zumindest einem anderen Ende des Kühlkanals (14) ausgebildet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
sich die längeren Seiten (16) des Parallelogramms weitgehend in Richtung der Kolbenachse (18) erstrecken und vorzugsweise geringfügig nach außen geneigt sind.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die kurzen Seiten (20) des Parallelogramms unter einem Winkel zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse (18) verlaufen und bevorzugt in einer Richtung radial nach außen ansteigen.
4. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch g e k e n z e i c h n e t , dass
der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen größer ist als der Radius am
kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial auße .
5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen etwa 5 bis 10 mm, vorzugsweise etwa 1 bis 10 mm und besonders bevorzugt etwa 9 mm beträgt.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14} radial außen etwa 5 bis 10 mm, vorzugsweise etwa 5 bis 7 mm und besonders bevorzugt etwa 5,5 mm beträgt.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen und/oder am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial außen etwa 2 bis 4 mm und
vorzugsweise etwa 2 mm beträgt.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen und der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial außen im Wesentlichen gleich groß sind und/oder der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial innen und der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals (14) radial außen im Wesentlichen gleich groß sind.
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