EP2729690A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

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EP2729690A1
EP2729690A1 EP12759347.3A EP12759347A EP2729690A1 EP 2729690 A1 EP2729690 A1 EP 2729690A1 EP 12759347 A EP12759347 A EP 12759347A EP 2729690 A1 EP2729690 A1 EP 2729690A1
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EP
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piston
guide tube
beam splitter
cooling channel
piston according
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Markus Leitl
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Mahle International GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • F02F3/20Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston head and a piston shaft, having a cooling channel arranged in the piston head and having at least one bore opening into the cooling channel, in which a guide tube for a cooling oil jet is received.
  • Pistons with a cooling channel in which a guide tube is accommodated for a cooling oil flow, are known per se, for example from WO 00/04286 A1.
  • the cooling oil circulating in the cooling channel serves to cool the piston.
  • the cooling oil is usually sprayed in a conventional manner by means of at least one piston injection nozzle provided in the region of the crankcase into the at least one inlet bore. The problem here is that the cooling oil is only selectively injected into the cooling channel, so that some areas in the piston are not sufficiently cooled.
  • the object of the present invention is to develop a generic piston such that in the simplest and most cost-effective manner optimal distribution of the cooling oil in the cooling channel and thus a particularly effective cooling can be achieved.
  • the solution is that at the first free end of the guide tube, a beam splitter is arranged and that in the region of the second free end of the guide tube, the outer surface of the guide tube has a contact surface which rests against rotation on an inner surface of the piston.
  • the embodiment of the invention is characterized in that the orientation of the beam splitter is predetermined by the geometric configuration of the guide tube at its second free end, so that a complex adjustment of the beam splitter in the cooling channel is unnecessary.
  • the adjustment of the beam splitter takes place already during the assembly of guide tube and beam splitter, so that the position of
  • CONFIRMATION COPY Beam splitter in the cooling channel is already specified constructively at the time of installation.
  • a part of the contact surface is formed as an oblique or conical shoulder to additionally secure the axial seat of the guide tube in the bore.
  • the beam splitter may have a centrally located opening for directing a portion of the cooling oil jet routed through the draft tube directly to the underside of the piston crown to further optimize the cooling of the piston.
  • the diameter of the inlet opening of the guide tube may be 1, 5 to 2.5 times the diameter of the guide tube.
  • the beam splitter on two opposing vanes and two opposing support surfaces on the latter of the beam splitter is connected to the first free end of the guide tube. This embodiment allows a particularly simple adjustment of the beam splitter on the guide tube outside of the piston.
  • the guide surfaces of the beam splitter are arranged after assembly of the guide tube in the cooling channel, that the cooling oil jet is divided in the circumferential direction of the cooling channel. In this way, a particularly effective cooling of the piston is ensured.
  • the guide surfaces may be convex, concave or flat and arranged above the center of the cooling channel.
  • the guide tube has a circumferential, radially outwardly extending conical abutment shoulder, which is supported in the cooling channel in the region of the bore.
  • the guide tube may have at least two radially inwardly resilient tongues in the region of the contact shoulder.
  • the guide tube and / or the beam splitter are made of a metallic material and / or a plastic.
  • the choice of material depends on the requirements in each case.
  • Figure 1 shows an embodiment of a piston according to the invention in section
  • Figure 2 is a detail view of the piston of Figure 1 in section in a order
  • Figure 3 is a section along the line III - III in Figure 1;
  • Figure 4 is a detail view of a guide tube with beam splitter for a piston according to the invention in section;
  • FIGS. 1 to 3 show, by way of example, an inventive piston 10 for an internal combustion engine.
  • the one-piece piston 10 in the exemplary embodiment has a piston head 11 with a piston head 12, which may be provided in a manner known per se with a combustion bowl (not shown). Close to the piston head 12 is a circumferential land 13 and a peripheral ring 14 with annular grooves for receiving piston rings (not shown). In the area of the ring section 14, a circumferential cooling channel 15 is provided.
  • the piston 10 also has a piston shaft 16 in a conventional manner.
  • the cylinder crankcase, in which the piston 10 operates, is equipped in a manner known per se with nozzles, by means of which a cooling oil jet A is injected into a substantially cylindrical bore 17 in the embodiment.
  • the bore 17 opens into the cooling passage 15 of the piston 10.
  • a guide tube 18 is received in the bore 17.
  • the guide tube 18 is shown enlarged in Figures 4 and 5.
  • the guide tube 18 is sleeve-shaped in the embodiment and connected at its first free end 18 a with a beam splitter 19.
  • the beam splitter 19 has two mutually opposite guide surfaces 21 for diverting the cooling oil jet A within the cooling channel 15 and two mutually opposite support surfaces 22.
  • the beam splitter 19 is connected via its support surfaces 22 to the first free end 18 a of the guide tube 18.
  • the assembled state (see Figures 2 and 3) of the beam splitter 19 is disposed within the cooling channel 15 so that the guide surfaces 21 split the cooling oil A into two partial beams A1 and A2, which are deflected in the circumferential direction of the cooling channel 15 so that they within circulate the cooling channel 15.
  • the beam splitter 19 further comprises a centrally disposed, axially aligned opening 23. Through this opening 23, a further sub-beam A3 of the cooling oil jet A is directed in the axial direction to the top of the cooling channel 15 in the region of the piston head 12 in order to further optimize the cooling of the piston 10 (see FIG.
  • a part of the abutment surface 24 is formed as a conical oblique shoulder 24a.
  • the beam splitter 19 is fixed before mounting the guide tube 18 in the bore 17 on the guide tube 18 such that its guide surfaces 21 are oriented with respect to the contact surface 24 of the guide tube 18 so that the partial beams produced by the guide surfaces 21 A1 and A2 of the cooling oil jet A in operation within the cooling channel 15 in the desired Rieh- tion, in the embodiment in the cooling channel 15 circumferentially, be distracted.
  • This orientation of the beam splitter 19 with respect to the contact surface 24 can be chosen freely, so that the deflection of the cooling oil jet A can be adapted to individual requirements. It is essential that during assembly of the guide tube 18 in the piston 10 no further alignment of the beam splitter 19 in the cooling channel 15 is required.
  • These tongues 26 are formed in the embodiment by axial slots 27, wherein two slots 27 are connected by a peripheral franking 28 with each other.
  • a circumferential, radially outwardly extending abutment shoulder 29 is provided, which is formed on the lower edge of the resilient tongues 26 and is supported in the cooling channel 15 in the region of the bore 17.
  • the guide tube is pushed from the bottom of the piston 10 forth in the axial direction through the bore 17.
  • the tongues 26 initially spring radially inward, so that the abutment shoulders 29 formed on the tongues 26 can be guided through the bore 17.
  • the tongues 26 spring back radially outward, so that the abutment shoulders 29 are supported on the bottom of the cooling channel 15 and the guide tube 18 is held securely in the bore 18 in the axial direction.
  • the interaction of the contact surface 24 of the guide tube 18 with the inner surface 25 of the piston 10 causes on the one hand, that the guide tube 18 is held against rotation in the bore 17 of the piston 10.
  • the interaction of the inclined shoulder 24a of the contact surface 24 with the inner surface 25 of the piston 10 on the other hand causes the guide tube 18 can not be moved over a defined amount in the axial direction upwards, the axial seat of the guide tube 18 is thus secured.
  • All components according to the invention can be made of a metallic material or a plastic.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (16), mit einem im Kolbenkopf (11) angeordneten Kühlkanal (15) und mit mindestens einer in den Kühlkanal (15) mündenden Bohrung (17), in welcher ein Leitrohr (18) für einen Kühlölstrahl (A) aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass am ersten freien Ende (18a) des Leitrohrs (18) ein Strahlteiler (19) angeordnet ist und dass im Bereich des zweiten freien Endes (18b) des Leitrohrs (18b) die äußere Mantelfläche des Leitrohrs (18) eine Anlagefläche (24) aufweist, die verdrehsicher an einer Innenfläche (25) des Kolbens (10) anliegt.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, mit einem im Kolbenkopf angeordneten Kühlkanal und mit mindestens einer in den Kühlkanal mündenden Bohrung, in welcher ein Leitrohr für einen Kühlölstrahl aufgenommen ist.
Kolben mit einem Kühlkanal, in welches ein Leitrohr für einen Kühlölstrom aufgenommen ist, sind an sich bekannt, bspw. aus der WO 00 / 04286 A1. Das im Kühlkanal zirkulierende Kühlöl dient zur Kühlung des Kolbens. Das Kühlöl wird in der Regel in an sich bekannter Weise mittels mindestens einer im Bereich des Kurbelgehäuses vorgesehenen Kolbenspritzdüse in die mindestens eine Zulaufbohrung gespritzt. Problematisch hierbei ist, dass das Kühlöl lediglich punktuell in den Kühlkanal eingespritzt wird, so dass einige Bereiche im Kolben nicht ausreichend gekühlt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, dass auf möglichst einfache und kostengünstige Weise eine optimale Verteilung des Kühlöls im Kühlkanal und damit eine besonders wirksame Kühlung erreicht werden.
Die Lösung besteht darin, dass am ersten freien Ende des Leitrohrs ein Strahlteiler angeordnet ist und dass im Bereich des zweiten freien Endes des Leitrohrs die äußere Mantelfläche des Leitrohrs eine Anlagefläche aufweist, die verdrehsicher an einer Innenfläche des Kolbens anliegt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausrichtung des Strahlteilers durch die geometrische Ausgestaltung des Leitrohrs an seinem zweiten freien Ende vorgegeben ist, so dass sich eine aufwändige Justierung des Strahlteilers im Kühlkanal erübrigt. Die Justierung des Strahlteilers erfolgt vielmehr bereits bei der Montage von Leitrohr und Strahlteiler, so dass die Position des
BESTÄTIGUNGSKOPIE Strahlteilers im Kühlkanal bereits zum Zeitpunkt der Montage konstruktiv vorgegeben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise ist ein Teil der Anlagefläche als schräge bzw. konische Schulter ausgebildet, um den axialen Sitz des Leitrohrs in der Bohrung zusätzlich zu sichern.
Der Strahlteiler kann eine mittig angeordnete Öffnung aufweisen, um einen Teil des durch das Leitrohr geleiteten Kühlölstrahls direkt an die Unterseite des Kolbenbodens zu leiten, um die Kühlung des Kolbens weiter zu optimieren. Der Durchmesser der Eintrittsöffnung des Leitrohrs kann das 1 ,5 bis 2,5-fache des Durchmessers des Leitrohrs betragen.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Strahlteiler zwei einander gegenüberliegende Leitflächen und zwei einander gegenüberliegende Stützflächen auf, über letztere der Strahlteiler mit dem ersten freien Ende des Leitrohrs verbunden ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Justierung des Strahlteilers am Leitrohr außerhalb des Kolbens.
Vorzugsweise sind die Leitflächen des Strahlteilers nach der Montage des Leitrohrs derart im Kühlkanal angeordnet, dass der Kühlölstrahl in Umfangsrichtung des Kühlkanals aufgeteilt wird. Auf diese Weise wird eine besonders wirksame Kühlung des Kolbens sichergestellt. Die Leitflächen können konvex, konkav oder eben ausgebildet und oberhalb der Mitte des Kühlkanals angeordnet sein.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist das Leitrohr eine umlaufende, sich radial nach außen erstreckende konische Anlageschulter auf, die sich im Kühlkanal im Bereich der Bohrung abstützt. Damit kann die gewünschte axiale Positionierung des Leitrohrs im Kolben auf einfache Weise sichergestellt werden. Zur Vereinfachung der Montage im Kolben kann das Leitrohr im Bereich der Anlageschulter mindestens zwei radial nach innen federnde Zungen aufweisen.
Vorzugsweise sind das Leitrohr und/oder der Strahlteiler aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem Kunststoff hergestellt. Die Wahl des Werkstoffs hängt von den Anforderungen im Einzelfall ab.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Figur 2 eine Detailansicht des Kolbens gemäß Figur 1 im Schnitt in einer um
180° gedrehten Darstellung;
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III - III in Figur 1 ;
Figur 4 eine Detailansicht eines Leitrohrs mit Strahlteiler für einen erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie V - V in Figur 4.
In den Figuren 1 bis 3 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßer Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor dargestellt. Der im Ausführungsbeispiel einteilige Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12 auf, der in an sich bekannter Weise mit einer Verbrennungsmulde versehen sein kann (nicht dargestellt). An den Kolbenboden 12 schließen sich ein umlaufender Feuersteg 13 und eine umlaufende Ringpartie 14 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) an. Im Bereich der Ringpartie 14 ist ein umlaufender Kühlkanal 15 vorgesehen. Der Kolben 10 weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 16 auf. Das Zylinderkurbelgehäuse, in dem der Kolben 10 arbeitet, ist in an sich bekannter Weise mit Düsen ausgestattet, mittels derer ein Kühlölstrahl A in eine im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen zylindrisch ausgeführte Bohrung 17 eingespritzt wird. Die Bohrung 17 mündet in den Kühlkanal 15 des Kolbens 10. In Richtung der Kolbenspritzdüse (nicht dargestellt) ist in die Bohrung 17 ein Leitrohr 18 aufgenommen.
Das Leitrohr 18 ist in den Figuren 4 und 5 vergrößert dargestellt. Das Leitrohr 18 ist im Ausführungsbeispiel hülsenförmig ausgebildet und an seinem ersten freien Ende 18a mit einem Strahlteiler 19 verbunden. Der Strahlteiler 19 weist zwei einander gegenüberliegende Leitflächen 21 zur Umleitung des Kühlölstrahls A innerhalb des Kühlkanals 15 sowie zwei einander gegenüberliegende Stützflächen 22 auf. Wie insbesondere Figur 5 zu entnehmen ist, ist der Strahlteiler 19 über seine Stützflächen 22 mit dem ersten freien Ende 18a des Leitrohrs 18 verbunden. Im montierten Zustand (vgl. Figuren 2 und 3) ist der Strahlteiler 19 innerhalb des Kühlkanals 15 so angeordnet, dass die Leitflächen 21 den Kühlölstrahl A in zwei Teilstrahlen A1 und A2 aufteilen, die in Umfangsrichtung des Kühlkanals 15 umgelenkt werden, so dass sie innerhalb des Kühlkanals 15 umlaufen. Im Ausführungsbeispiel weist der Strahlteiler 19 ferner eine mittig angeordnete, axial ausgerichtete Öffnung 23 auf. Durch diese Öffnung 23 wird ein weiterer Teilstrahl A3 des Kühlölstrahls A in axialer Richtung zur Oberseite des Kühlkanals 15 im Bereich des Kolbenbodens 12 geleitet, um die Kühlung des Kolbens 10 weiter zu optimieren (vgl. Figur 2).
Erfindungsgemäß weist die äußere Mantelfläche des Leitrohrs 18 im Bereich seines zweiten freien Endes 18b eine Anlagefläche 24 auf, die derart ausgebildet ist, dass sie verdrehsicher an einer Innenfläche 25 des Kolbens 10 anliegt. Lage und Form dieser Innenfläche 25 sind frei wählbar. Im Ausführungsbeispiel ist ein Teil der Anlagefläche 24 als konische schräge Schulter 24a ausgebildet. Der Strahlteiler 19 wird vor der Montage des Leitrohrs 18 in der Bohrung 17 am Leitrohr 18 derart befestigt, dass seine Leitflächen 21 in Bezug auf die Anlagefläche 24 des Leitrohrs 18 so orientiert sind, dass die von den Leitflächen 21 erzeugten Teilstrahlen A1 und A2 des Kühlölstrahls A im Betrieb innerhalb des Kühlkanals 15 in die gewünschte Rieh- tung, im Ausführungsbeispiel im Kühlkanal 15 umlaufend, abgelenkt werden. Diese Orientierung des Strahlteilers 19 in Bezug auf die Anlagefläche 24 kann frei gewählt werden, so dass die Ablenkung des Kühlölstrahls A an individuelle Anforderungen angepasst werden kann. Wesentlich ist, dass bei der Montage des Leitrohrs 18 im Kolben 10 keine weitere Ausrichtung des Strahlteilers 19 im Kühlkanal 15 erforderlich ist.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Montage des Leitrohrs 18 in der Bohrung 17 mit Hilfe von mindestens zwei radial nach innen federnde Zungen 26. Diese Zungen 26 sind im Ausführungsbeispiel durch axiale Schlitze 27 gebildet, wobei jeweils zwei Schlitze 27 durch eine umlaufende Freimachung 28 miteinander verbunden sind. Zur Halterung des Leitrohrs 18 in der Bohrung 17 ist eine umlaufende, sich radial nach außen erstreckende Anlageschulter 29 vorgesehen, die an der Unterkante der federnden Zungen 26 ausgebildet ist und sich im Kühlkanal 15 im Bereich der Bohrung 17 abstützt. Zur Montage wird das Leitrohr von der Unterseite des Kolbens 10 her in axialer Richtung durch die Bohrung 17 geschoben. Dabei federn die Zungen 26 zunächst radial nach innen, so dass die an den Zungen 26 ausgebildeten Anlageschultern 29 durch die Bohrung 17 geführt werden können. Sobald die Anlageschultern 29 vollständig durch die Bohrung 17 geführt sind, federn die Zungen 26 radial nach außen zurück, so dass die Anlageschultern 29 sich am Boden des Kühlkanals 15 abstützen und das Leitrohr 18 in axialer Richtung sicher in der Bohrung 18 gehalten ist. Das Zusammenwirken der Anlagefläche 24 des Leitrohrs 18 mit der Innenfläche 25 des Kolbens 10 bewirkt einerseits, dass das Leitrohr 18 verdrehsicher in der Bohrung 17 des Kolbens 10 gehalten ist. Das Zusammenwirken der schrägen Schulter 24a der Anlagefläche 24 mit der Innenfläche 25 des Kolbens 10 bewirkt andererseits, dass das Leitrohr 18 nicht über einen definierten Betrag in axialer Richtung nach oben verschoben werden kann, der axiale Sitz des Leitrohrs 18 somit gesichert ist.
Alle erfindungsgemäßen Bauteile können aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff hergestellt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (16), mit einem im Kolbenkopf (11) angeordneten Kühlkanal (15) und mit mindestens einer in den Kühlkanal (15) mündenden Bohrung (17), in welcher ein Leitrohr (18) für einen Kühlölstrahl (A) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten freien Ende (18a) des Leitrohrs (18) ein Strahlteiler (19) angeordnet ist und dass im Bereich des zweiten freien Endes (18b) des Leitrohrs (18b) die äußere Mantelfläche des Leitrohrs (18) eine Anlagefläche (24) aufweist, die verdrehsicher an einer Innenfläche (25) des Kolbens (10) anliegt.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Anlagefläche (24) als konische schräge Schulter (24a) ausgebildet ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (19) eine mittig angeordnete Öffnung (23) aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (19) zwei einander gegenüberliegende Leitflächen (21) und zwei einander gegenüberliegende Stützflächen (22) aufweist, über letztere der Strahlteiler (19) mit dem ersten freien Ende (18a) des Leitrohrs (18) verbunden ist.
5. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (21) des Strahlteilers (19) eine konvexe, konkave oder ebene Form aufweisen.
6. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (21) des Strahlteilers (19) derart im Kühlkanal (15) angeordnet sind, dass der Kühlölstrahl (A) in Umfangsrichtung des Kühlkanals (15) aufgeteilt wird.
7. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (19) mit seinen Leitflächen (21) oberhalb der Mitte des Kühlkanals (15) angeordnet ist.
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrohr (18) eine umlaufende, sich radial nach außen erstreckende Anlageschulter (29) aufweist, die sich im Kühlkanal (15) im Bereich der Bohrung (17) abstützt.
9. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrohr (18) im Bereich der Anlageschulter (29) mindestens zwei radial nach innen federnde Zungen (26) aufweist.
10. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrohr (18) und/oder der Strahlteiler (19) aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem Kunststoff hergestellt sind.
11. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Eintrittsöffnung des Leitrohrs (18) das 1 ,5 bis 2,5-fache des Durchmessers des Leitrohrs (18) beträgt.
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