EP2823166A1 - Gegossener leichtmetallkolben, insbesondere ein aluminiumkolben - Google Patents

Gegossener leichtmetallkolben, insbesondere ein aluminiumkolben

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EP2823166A1
EP2823166A1 EP13714864.9A EP13714864A EP2823166A1 EP 2823166 A1 EP2823166 A1 EP 2823166A1 EP 13714864 A EP13714864 A EP 13714864A EP 2823166 A1 EP2823166 A1 EP 2823166A1
Authority
EP
European Patent Office
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piston
pressure side
walls
light metal
box walls
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13714864.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen ADELMANN
Ralf Braig
Michael Marquardt
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.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/10—Cooling by flow of coolant through pistons
    • 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 
    • F02F3/0084—Pistons  the pistons being constructed from specific materials
    • 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
    • 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 
    • F02F2003/0007—Monolithic pistons; One piece constructions; Casting of pistons
    • 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

  • Cast light metal piston especially an aluminum piston
  • the present invention relates to a cast light metal piston, in particular an aluminum piston for an internal combustion engine with a piston head and an adjoining piston shaft according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an internal combustion engine equipped with such a piston.
  • a generic piston for an internal combustion engine is known from DE 10 2007 020 447 A1, in which the shaft wall arranged on the pressure side is shorter in the circumferential direction of the piston than that on the pressure side
  • Box walls rectilinear and oblique, wherein the distance of the box walls in the area of the pin bosses is greater than in the region of the pressure-side shaft wall.
  • the present invention deals with the problem, for a
  • Lightweight piston of the generic type to provide an improved embodiment, which is characterized in particular by a reduced weight and increased load capacity.
  • the present invention is based on the general idea that a cast light metal piston, in particular an aluminum piston, for an internal combustion engine compared to previously known from the prior art cast aluminum pistons, better cooled by an additional cooling channel and thereby even easier to form, thereby the to reduce the work required for the movement of the piston.
  • the cast light metal piston, in particular the aluminum piston has in a known manner a piston crown facing a piston crown and a adjoining piston shaft, which has two arranged on the pressure side and the counter-pressure side of the shaft walls to guide and two walls connecting these walls walls.
  • the box walls are arranged obliquely to each other and taper toward each other in the direction of the piston crown.
  • Such a light metal piston is already known for example from DE 10 2007 020 447 A1 under the name Mahle Evotec ® .
  • such a light metal piston now additionally and for the first time has an annular circumferential cooling channel which permits effective cooling of the piston, in particular in a transition region between the piston
  • Piston bottom and a circumferential ring section allows, with a thickness of the piston crown is additionally limited to a maximum of 4.5 mm.
  • Piston bottom the cast light metal piston according to the invention compared to the previously known piston with cooling channel, can be significantly reduced in terms of its weight, which reduced in terms of thickness piston crown allows better heat dissipation and thus better cooling means of a known Anspritzkühlung.
  • the annular circumferential cooling channel provides the necessary cooling in the ring part, which was not possible in previously known light metal piston due to the lack of cooling channel in this form. Due to the inclined box walls, the required strength can be easily achieved despite the thinner piston crown, the limits of the thickness of the piston crown are usually set by the particular casting process used. In the following, often only the term "piston" is used as a generic term for cast light metal pistons, in particular aluminum pistons.
  • the thickness of the piston crown is at most 3.5 mm, preferably even only 2 or 3 mm.
  • Such a thin piston crown is compared to previously from the prior Technically known piston plates significantly reduced in terms of its weight, due to the small thickness of a bottom-acting Anspritzksselung for rapid heat dissipation and thus for effective cooling of the
  • Piston bottom provides.
  • the cooling channel is made by means of a salt core.
  • a salt core are used for many years in the casting of light metal piston / aluminum piston and are therefore a proven and proven means for producing such hollow cooling channel structures.
  • the cooling channel is produced for example by means of a sand core.
  • Cooling channel according to the invention individually, for example, with varying
  • Diameter can be made.
  • the two box walls run towards one another in the direction of the pressure-side shaft wall.
  • a pressure side and a counter-pressure side is at
  • inventive piston distinguished because whenever, when the ignition in the combustion chamber, the resulting gas pressure acts on the piston head, the piston is pushed or tilted by the inclined connecting rod to the side, with the result that one of the two shaft walls in their tread against the Inner wall of the cylinder bore is pressed.
  • This skirt wall is referred to as arranged on the pressure side skirt wall.
  • the shaft wall arranged on the pressure side can be thinner in its central region than in its edge regions assigned to the casing walls, which, for example, can even go so far that the skirt wall arranged on the pressure side is designed to be up to 50% thinner in its central region than in its edge regions assigned to the casing walls, which in turn can achieve a considerable reduction of the moving mass of the piston according to the invention. It is advantageous if the increase in the thickness of the skirt wall from its central region to its outer edge regions is continuous, whereby the stress load is evenly distributed within the shaft wall.
  • the present invention is further based on the general idea of equipping an internal combustion engine with at least one such piston and in addition at least two injection nozzles per light metal piston
  • piston cooling one of which is directed to an inlet / inlet of the cooling channel of the piston and the other to the piston crown.
  • Injection nozzle thus promotes cooling fluid, that is to say engine oil, into the cooling channel, where it contributes in particular to the annular part of the
  • the other Anspritzdüse is preferably directed to the piston head and thus cools this by direct injection with oil from below. Due to the small thickness of the
  • This piston bottom can be effectively cooled, since the heat generated in the combustion chamber penetrates the piston bottom comparatively quickly and thus can be dissipated by the injected oil.
  • the piston crown is additionally cooled from below by an injecting oil from a rotating crankshaft, in particular if the crankshaft dips into an oil sump of the crankshaft housing. All in all, thus, an internal combustion engine with comparatively light but nevertheless powerful pistons can be created, which requires significantly less energy for translational reciprocating movement of the pistons due to their reduced weight.
  • FIG. 1 shows a piston according to the invention in a side view
  • Fig. 4 is a sectional view through the piston according to the invention along the cutting plane B-B.
  • the piston 1 now has an at least partially annular circumferential cooling channel 9, which according to FIGS. 3 and 4 in particular additionally cools a transition region between the piston head 2 and a ring section 10. in the
  • Region of the ring portion 10, for example, a circumferential land 1 and 1 ring 12 are provided for receiving, for example, piston rings, not shown.
  • the thickness d of the piston crown 2 is at most 4.5 mm.
  • the thickness d of the piston crown 2 is preferably at most 3.5 mm, preferably even at most 3 mm or at most 2 mm.
  • arranged on the pressure side DS shaft wall 4 is formed shorter in the circumferential direction of the piston 1 than the arranged on the back pressure side GDS shaft wall 5, wherein the two box walls 6, 7 in the direction of the pressure side Shank wall 4 converge.
  • the two box walls 6, 7 run away from each other in the direction of the counter-pressure side skirt 5, of course, a running towards each other of the two box walls 6, 7 in the direction of the counter-pressure side skirt 5 is conceivable, so that in this case, the two box walls 6, 7 biconvex are arranged to each other.
  • the cooling channel 9 can during casting of the light metal piston 1, in particular of the aluminum piston 1 'by means of a salt core or by means of a
  • Sandkerns are prepared in the usual way.
  • coolant in particular cooling oil
  • this has an inlet 13 and a drain 14, which are shown in FIG.
  • inlet and outlet 13, 14 can also be arranged vice versa.
  • the coolant to be introduced into the cooling channel 9 for piston cooling for example engine oil
  • piston 1, 1 characterize as follows: By an extremely thin piston head 2 connected to an additionally arranged cooling channel 9, the piston 1, 1' according to the invention can be with despite low weight represent higher strength.
  • the inclined box walls 6, 7 cause the required rigidity and strength for a long life of the piston crown and thus allow low bottom wall thicknesses.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gegossenen Leichtmetallkolben (1), insbesondere einen Aluminiumkolben (1) für eine Brennkraftmaschine (16) mit einem Kolbenboden (2) und einem sich daran anschließenden Kolbenschaft (3), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (4, 5) sowie zwei diese Schaftwände (4, 5) verbindende Kastenwände (6, 7) aufweist, die in Richtung des Kolbenbodens (2) konisch aufeinander zulaufen. Erfindungswesentlich ist dabei, - dass der Kolben (1) einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal (9) aufweist, - dass eine Dicke (d) des Kolbenbodens (2) maximal 4,5 mm beträgt. Hierdurch lässt sich ein leistungsstarker, leichter Kolben (1) herstellen.

Description

Gegossener Leichtmetallkolben, insbesondere ein Aluminiumkolben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gegossenen Leichtmetallkolben, insbesondere einen Aluminiumkolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenboden und einem sich daran anschließenden Kolbenschaft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Kolben ausgestattete Brennkraftmaschine.
Aus der DE 10 2007 020 447 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand in Umfangsrichtung des Kolbens kürzer ist als die auf der
Gegendruckseite angeordnete Schaftwand. Hierdurch soll sich der Effekt einstellen, dass kaum noch Risse im Bereich der Verbindung zwischen den Kastenwänden und dem Schaft auf der Druckseite auftreten.
Aus der DE 10 2009 032 379 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg mit einer umlaufenden Ringpartie und mit einem Kolbenschaft bekannt, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite angeordnete Schaftwände und zwei diese Schaftwände verbindende Kastenwände aufweist. Die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand ist dabei in Umfangsrichtung des Kolbens betrachtet kürzer als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand. Zur
Reduzierung der Beanspruchung des Kolbens verlaufen die druckseitigen
Kastenwände geradlinig und schräg, wobei der Abstand der Kastenwände im Bereich der Bolzennaben größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand.
Generell geht der Trend der aktuellen Motorenentwicklung in Richtung einer CO2- Reduzierung, was durch eine Form des sogenannten„Downsizing" umgesetzt wird. Da dabei auch die oszillierende Masse der Kolben in Verbrennungsmotoren eine Rolle spielt, werden zudem zunehmend Leichtbaukolben eingesetzt, die darüber hinaus höhere thermomechanische Belastungen ertragen können. Bei Leichtbaukolben besteht die Hauptaufgabe darin, die Konstruktion
belastungsoptimiert auszuführen, um Rissbildungen an hochbelasteten Stellen, die beispielsweise dem Kolbenboden oder den hoch beanspruchten,
druckseitigen Kastenwänden zu vermeiden und gleichzeitig den Forderungen nach deutlicher Gewichtsreduzierung und dadurch einer Reduzierung der CO2- Emissionen gerecht zu werden. Gleichzeitig müssen derartige Leichtbaukolben weitere wichtige Funktionseigenschaften, wie beispielsweise Fresssicherheit, geringe Schaftreibung und hohe Laufruhe aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen
Leichtbaukolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein reduziertes Gewicht und eine erhöhte Belastungsfähigkeit auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des
unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen gegossenen Leichtmetallkolben, insbesondere einen Aluminiumkolben, für eine Brennkraftmaschine im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten gegossenen Aluminiumkolben, durch einen zusätzlichen Kühlkanal besser kühlen und dadurch noch leichter ausbilden zu können, um hierdurch die für die Bewegung des Kolbens erforderliche Arbeit zu reduzieren. Der gegossene Leichtmetallkolben, insbesondere der Aluminiumkolben, weist dabei in bekannter Weise einen einem Brennraum zugewandten Kolbenboden sowie einen sich daran anschließenden Kolbenschaft auf, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite angeordnete Schaftwände zur Führung sowie zwei diese Schaftwände verbindende Kastenwände besitzt. Die Kastenwände sind dabei schräg zueinander angeordnet und laufen in Richtung des Kolbenbodens konisch aufeinander zu. Ein derartiger Leichtmetall kolben ist beispielsweise bereits aus der DE 10 2007 020 447 A1 unter dem Namen Mahle Evotec® bekannt.
Erfindungsgemäß weist nun ein derartiger Leichtmetallkolben zusätzlich und erstmalig einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal auf, der eine effektive Kühlung des Kolbens insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen dem
Kolbenboden und einer umlaufenden Ringpartie ermöglicht, wobei eine Dicke des Kolbenbodens zusätzlich auf maximal 4,5 mm beschränkt ist. Durch den ringförmig umlaufenden Kühlkanal und die Reduzierung der Dicke des
Kolbenbodens kann der erfindungsgemäße gegossene Leichtmetallkolben im Vergleich zu den bisher bekannten Kolben mit Kühlkanal, hinsichtlich seines Gewichtes deutlich reduziert werden, wobei der hinsichtlich seiner Dicke reduzierte Kolbenboden eine bessere Wärmeabfuhr und dadurch auch eine bessere Kühlung mittels einer bekannten Anspritzkühlung ermöglicht. Der ringförmig umlaufende Kühlkanal sorgt für die in der Ringpartie erforderliche Kühlung, was bei bisher bekannten Leichtmetallkolben aufgrund des fehlenden Kühlkanals in dieser Form nicht möglich war. Aufgrund der schräg stehenden Kastenwände kann trotz des dünneren Kolbenbodens die erforderliche Festigkeit problemlos erreicht werden, wobei die Grenzen der Dicke des Kolbenbodens üblicherweise durch den jeweils angewandten Gießprozess gesetzt sind. Im Folgenden wird oftmals lediglich der Begriff "Kolben" als Oberbegriff für gegossene Leichtmetallkolben, insbesondere Aluminiumkolben verwendet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt die Dicke des Kolbenbodens maximal 3,5 mm, bevorzugt sogar nur 2 oder 3 mm. Ein derartig dünner Kolbenboden ist im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenböden deutlich hinsichtlich seines Gewichtes reduziert, wobei aufgrund der geringen Dicke eine von unten einwirkende Anspritzkühlung für eine schnelle Wärmeabfuhr und damit für eine effektive Kühlung des
Kolbenbodens sorgt.
Zweckmäßig ist der Kühlkanal mittels eines Salzkerns hergestellt. Derartige Salzkerne werden beim Gießen von Leichtmetallkolben/Aluminiumkolben bereits langjährig eingesetzt und sind daher ein erprobtes und bewährtes Mittel zur Herstellung derartiger hohler Kühlkanalstrukturen. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Kühlkanal beispielsweise mittels eines Sandkerns hergestellt wird. Durch derartige Salz- bzw. Sandkerne lassen sich auch vergleichsweise feine Kühlkanalstrukturen erzeugen, so dass der
erfindungsgemäße Kühlkanal individuell, beispielsweise mit variierendem
Durchmesser, hergestellt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung laufen die beiden Kastenwände in Richtung der druckseitigen Schaftwand aufeinander zu. Eine Druckseite und eine Gegendruckseite wird beim
erfindungsgemäßen Kolben deswegen unterschieden, weil immer dann, wenn bei der Zündung im Brennraum der entstehende Gasdruck auf den Kolbenboden wirkt, der Kolben durch das schrägstehende Pleuel zur Seite gedrückt oder gekippt wird, mit der Folge, dass eine der beiden Schaftwände in ihrer Lauffläche gegen die innere Wandung der Zylinderbohrung gedrückt wird. Diese Schaftwand wird als auf der Druckseite angeordnete Schaftwand bezeichnet. Durch den erfindungsgemäßen Verlauf der beiden Kastenwände lässt sich nicht nur die Gefahr von Rissbildung in den Kastenwänden reduzieren, sondern
gegebenenfalls auch in den daran angeschlossenen Schaftwänden. Die an der Druckseite angeordnete Schaftwand kann dabei in ihrem mittigen Bereich dünner ausgebildet sein, als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen, was beispielsweise sogar so weit gehen kann, dass die an der Druckseite angeordnete Schaftwand in ihrem mittigen Bereich um bis zu 50 % dünner ausgebildet ist als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen, wodurch wiederum eine erhebliche Reduzierung der bewegten Masse des erfindungsgemäßen Kolbens erreicht werden kann. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Zunahme der Dicke der Schaftwand von ihrem mittigen Bereich zu ihren äußeren Randbereichen stetig verläuft, wodurch die Spannungsbelastung innerhalb der Schaftwand gleichmäßig verteilt wird.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Kolben auszustatten und zusätzlich pro Leichtmetallkolben zumindest zwei Anspritzdüsen zur
Kolbenkühlung vorzusehen, wovon eine auf einen Eingang/Zulauf des Kühlkanals des Kolbens und die andere auf den Kolbenboden gerichtet ist. Die eine
Anspritzdüse fördert somit Kühlfluid, das heißt Motoröl, in den Kühlkanal, wo es insbesondere dazu beiträgt, die Ringpartie des
Leichtmetallkolbens/Aluminiumkolbens zu kühlen. Die andere Anspritzdüse ist vorzugsweise auf den Kolbenboden gerichtet und kühlt diesen somit durch direktes Anspritzen mit Öl von unten. Aufgrund der geringen Dicke des
Kolbenbodens kann dieser effektiv gekühlt werden, da die im Brennraum entstehende Wärme den Kolbenboden vergleichsweise schnell durchdringt und damit vom angespritzten Öl abgeführt werden kann. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass der Kolbenboden von unten durch von einer sich drehenden Kurbelwelle abspritzendes Öl zusätzlich gekühlt wird, insbesondere sofern die Kurbelwelle in einen Ölsumpf des Kurbelwellengehäuses eintaucht. Alles in allem kann somit eine Brennkraftmaschine mit vergleichsweise leichten aber trotzdem leistungsfähigen Kolben geschaffen werden, die deutlich weniger Energie zur translatorischen Hin- und Herbewegung der Kolben aufgrund deren reduziertem Gewicht erfordert. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Seitenansicht,
Fig. 2 eine Ansicht auf den erfindungsgemäßen Kolben von unten,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Kolben entlang der Schnittebene B-B.
Entsprechend den Fig. 1 bis 4, weist ein erfindungsgemäßer, gegossener
Leichtmetallkolben 1 , insbesondere ein Aluminiumkolben 1 ,1 ' für eine
Brennkraftmaschine 16 (vgl. Fig. 3) einen einem Brennraum 17 zugewandten Kolbenboden 2 sowie einen sich daran anschließenden Kolbenschaft 3 auf. Der Kolbenschaft 3 besitzt zwei auf der Druckseite DS und der Gegenseite GDS angeordnete Schaftwände 4, 5 sowie zwei diese Schaftwände 4, 5 verbindende Kastenwände 6, 7. Die Kastenwände 6, 7 sind dabei, wie dies gemäß der Fig. 4 eindeutig gezeigt ist, in Richtung des Kolbenbodens 2 konisch zueinander ausgerichtet, das bedeutet, dass sie in Richtung des Kolbenbodens 2
aufeinander zulaufen. Durch diese Schrägstellung der beiden Kastenwände 6, 7 kann trotz einer reduzierten Dicke d des Kolbenbodens 2 eine ausreichende Festigkeit des Leichtmetallkolbens 1 erreicht werden. Im Bereich der
Kastenwände 6, 7 sind dabei noch jeweils eine Bolzennabe 8 zur Verbindung des Kolbens 1 mit einem nicht gezeigten Pleuel vorgesehen. Erfindungsgemäß besitzt nun der Kolben 1 einen zumindest teilweise ringförmig umlaufenden Kühlkanal 9, der gemäß den Fig. 3 und 4 insbesondere einen Übergangsbereich zwischen dem Kolbenboden 2 und einer Ringpartie 10 zusätzlich kühlt. Im
Bereich der Ringpartie 10 sind beispielsweise ein umlaufender Feuersteg 1 1 sowie verschiedene Ringnuten 12 zur Aufnahme von beispielsweise nicht gezeigten Kolbenringen vorgesehen. Als weiteres erfindungswesentliches Merkmal beträgt die Dicke d des Kolbenbodens 2 maximal 4,5 mm. Die Dicke d des Kolbenbodens 2 beträgt vorzugsweise maximal 3,5 mm, bevorzugt sogar maximal 3 mm oder maximal 2 mm. Durch die erfindungsgemäße Kombination des vergleichsweise dünnen Kolbenbodens 2 mit dem zusätzlich angeordneten Kühlkanal 9 kann ein besonders leichter, das heißt hinsichtlich seines Gewichtes reduzierter Kolben 1 geschaffen werden, der aufgrund der geringeren bewegten Masse energieeffizienter zu betreiben ist.
Betrachtet man die Fig. 2, so kann man erkennen, dass die auf der Druckseite DS angeordnete Schaftwand 4 in Umfangsrichtung des Kolbens 1 kürzer ausgebildet ist als die auf der Gegendruckseite GDS angeordnete Schaftwand 5, wobei die beiden Kastenwände 6, 7 in Richtung der druckseitigen Schaftwand 4 aufeinander zulaufen. Hierdurch ist insbesondere die Gefahr einer Rissbildung im Bereich der Kastenwände 6, 7 und im Bereich der Schaftwände 4, 5 minimiert. Die beiden Kastenwände 6, 7 verlaufen dabei in Richtung der gegendruckseitigen Schaftwand 5 voneinander weg, wobei selbstverständlich auch ein aufeinander zulaufen der beiden Kastenwände 6, 7 in Richtung der gegendruckseitigen Schaftwand 5 denkbar ist, so dass in diesem Fall die beiden Kastenwände 6, 7 bikonvex zueinander angeordnet sind.
Der Kühlkanal 9 kann beim Gießen des Leichtmetallkolbens 1 , insbesondere des Aluminiumkolbens 1 ' mittels eines Salzkerns oder aber auch mittels eines
Sandkerns in gewohnter Weise hergestellt werden. Um Kühlmittel, insbesondere Kühlöl in den Kühlkanal 9 einleiten bzw. aus diesem wieder entfernen zu können, weist dieser einen Zulauf 13 sowie einen Ablauf 14 auf, die in der Fig. 2 dargestellt sind. Selbstverständlich können dabei Zu- und Ablauf 13, 14 auch umgekehrt angeordnet sein. Das zur Kolbenkühlung in den Kühlkanal 9 einzuleitende Kühlmittel, beispielsweise Motoröl, kann beispielsweise von zwei Anspritzdüsen 15 und 15' ausgestoßen werden, wobei die Anspritzdüse 15 beispielsweise auf den Zulauf 13 des Kühlkanals 9 gerichtet ist, wogegen die Anspritzdüse 15' direkt auf eine Unterseite des Kolbenbodens 2 gerichtet ist und dadurch diesen direkt kühlt. Aufgrund der geringen Dicke d des Kolbenbodens 2 kann die aus dem Brennraum 17 übertragene Wärme durch das angespritzte Öl vergleichsweise schnell abgeführt und dadurch der Kolben 1 ,1 ' effektiv gekühlt werden. Hierbei ist selbstverständlich zusätzlich denkbar, dass eine unterhalb des Kolbens 1 ,1 ' rotierende Kurbelwelle Öl auf die Unterseite des Kolbenbodens 2 spritzt und diesen dadurch zusätzlich kühlt.
Zusammenfassend lassen sich die wesentlichen Merkmale des
erfindungsgemäßen Kolbens 1 ,1 ' wie folgt charakterisieren: Durch einen äußerst dünnen Kolbenboden 2 verbunden mit einem zusätzlich angeordneten Kühlkanal 9 lässt sich der erfindungsgemäße Kolben 1 ,1 ' trotz geringem Gewicht mit höherer Festigkeit darstellen. Die schrägstehenden Kastenwände 6, 7 bewirken die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit für eine hohe Lebensdauer des Kolbenbodens und ermöglichen somit geringe Bodenwandstärken.

Claims

Ansprüche
1 . Gegossener Leichtmetallkolben (1 ), insbesondere ein Aluminiumkolben (1 ') für eine Brenn kraftmasch ine (16) mit einem Kolbenboden (2) und einem sich daran anschließenden Kolbenschaft (3), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (4,5) sowie zwei diese
Schaftwände (4,5) verbindende Kastenwände (6,7) aufweist, die in Richtung des Kolbenbodens (2) konisch aufeinander zulaufen,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kolben (1 ,1 ') einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal (9) aufweist,
- dass eine Dicke (d) des Kolbenbodens (2) maximal 4,5 mm beträgt.
2. Kolben nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dicke (d) des Kolbenbodens (2) maximal 3,5 mm beträgt.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (4) in
Umfangsrichtung des Kolbens (1 ) kürzer ausgebildet ist als die auf der
Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (5).
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Kastenwände (6,7) in Richtung der druckseitigen Schaftwand (4) aufeinander zulaufen.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die beiden Kastenwände (6,7) in Richtung der gegendruckseitigen
Schaftwand (5) voneinander weglaufen, oder
- dass die beiden Kastenwände (6,7) in Richtung der gegendruckseitigen
Schaftwand (5) aufeinander zulaufen.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkanal (9) mittels eines Salz- oder Sandkerns hergestellt ist.
7. Brennkraftmaschine (16) mit zumindest einem gegossenen Leichtmetallkolben (1 ), insbesondere mit zumindest einem Aluminiumkolben (1 ') nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Anspritzdüsen (15,15') zur Kolbenkühlung vorgesehen sind, wovon eine Anspritzdüse (15) auf einen Zulauf (13) des Kühlkanals (9) und die andere Anspritzdüse (15') auf den Kolbenboden (2) gerichtet ist.
EP13714864.9A 2012-03-07 2013-03-06 Gegossener leichtmetallkolben, insbesondere ein aluminiumkolben Withdrawn EP2823166A1 (de)

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DE102012203570A DE102012203570A1 (de) 2012-03-07 2012-03-07 Gegossener Leichtmetallkolben, insbesondere ein Aluminiumkolben
PCT/EP2013/054468 WO2013131937A1 (de) 2012-03-07 2013-03-06 Gegossener leichtmetallkolben, insbesondere ein aluminiumkolben

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Publication Number Publication Date
EP2823166A1 true EP2823166A1 (de) 2015-01-14

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EP13714864.9A Withdrawn EP2823166A1 (de) 2012-03-07 2013-03-06 Gegossener leichtmetallkolben, insbesondere ein aluminiumkolben

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US (1) US10655561B2 (de)
EP (1) EP2823166A1 (de)
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