EP2890884A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

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Publication number
EP2890884A1
EP2890884A1 EP13753266.9A EP13753266A EP2890884A1 EP 2890884 A1 EP2890884 A1 EP 2890884A1 EP 13753266 A EP13753266 A EP 13753266A EP 2890884 A1 EP2890884 A1 EP 2890884A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cooling channel
central axis
circumferential
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13753266.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Timo Linke
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP2890884A1 publication Critical patent/EP2890884A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • 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 
    • F02F3/0015—Multi-part 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
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    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine with a piston head and a piston skirt, wherein the piston has a piston main body and a piston ring element and wherein the piston head has a combustion bowl.
  • German patent application DE 10 2011 111 319.7 discloses a piston of reduced overall height, which is composed of a piston body and a piston ring member and having a combustion bowl, wherein the piston body and the piston ring member in the combustion recess have a circumferential joint seam, via which they are inextricably linked are.
  • the problem here is that it is very difficult to impossible to introduce more structures to improve the cooling performance in the cooling channel.
  • the object of the present invention is to further develop a generic piston so that a piston with improved cooling performance in the region of the piston head can be produced with the simplest possible means.
  • the solution consists in that the piston ring element has a part of a piston crown, a circumferential land and a ring groove provided with annular grooves, the piston main body and the piston ring element form a circumferential cooling channel which between an inner circumferential surface in the region of the combustion bowl and an outer lateral surface in the area the ring part is formed, in the cooling channel on the outer lateral surface at least one flow guide and / or on the inner circumferential surface at least one heat conducting element is provided and the piston main body and the piston ring member in the region of the piston head have a circumferential joining seam, via which they are inextricably linked.
  • the idea according to the invention consists in providing a piston with a piston ring element designed as a separate component, wherein the circumferential cooling channel is formed partly by the piston main body and partly by the piston ring element and wherein the joint seam is arranged in the region of the piston head.
  • This construction makes it possible to machine the piston main body and the piston ring element separately in the area of the later cooling duct so that the internal structure of the cooling duct and thus its cooling capacity can be adapted to the most diverse requirements of modern internal combustion engines.
  • At least one flow-guiding element is provided, which forms a constriction, which causes swirling of the cooling oil and / or acceleration of the flow of cooling oil, so that the cooling capacity of the cooling channel is increased even more.
  • At least one heat-conducting element is provided, which delivers the heat load, which is particularly high at the combustion recess or at the piston head, specifically to the cooling oil in the cooling channel.
  • the thermally particularly heavily loaded areas of the piston according to the invention are preferably cooled.
  • the joint seam arranged in the region of the piston crown runs parallel to the center axis of the piston.
  • the cooling channel may be formed as a closed cooling channel, so that the piston main body and the piston ring element are inextricably linked to each other in the region of a hub connection via a second circumferential joint seam.
  • This second seam can also run parallel to the center axis of the piston to simplify the production process.
  • cooling channel can also be designed to be open in the direction of the piston skirt and closed with a separate closure element.
  • the closure element is preferably held in the region of the ring part on the piston ring element, where it can be fastened in a particularly simple manner.
  • a preferred embodiment provides that between the piston head and the piston skirt, a circumferential recess is formed.
  • a piston with thermally decoupled shaft is characterized by high load capacity.
  • the cooling channel can be designed to be open in the direction of the piston shaft in a manner known per se and closed by a separate closure element.
  • the positioning of the joint seam in the region of the piston crown has in a piston with thermally decoupled shaft and in the direction of the piston head open trained cooling channel also has the advantage that when joining piston body and piston ring element possibly occurring welding residues (eg., Welding beads in the course of a laser welding process) not later Adhere cooling channel, but can escape from the not yet closed opening of the cooling channel.
  • the embodiment of the piston according to the invention also makes it possible without problems to produce a piston with a piston center axis radially offset and / or tilted combustion bowl, since the combustion bowl completely formed by the piston body. It is thus possible to connect such an asymmetrically designed piston body with a rotationally symmetrical piston ring element.
  • the combustion bowl offset by up to 3 mm relative to the central axis of the piston, which is not possible with conventional pistons.
  • the central axis of the combustion bowl may be at an acute angle ⁇ of up to 10 ° with the central axis of the piston.
  • An inner wall of the cooling channel can run parallel to the central axis of the piston.
  • the inner wall of the cooling channel can also run parallel to the center axis of the combustion bowl. This optimizes the cooling capacity of the cooling channel.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in
  • Figure 2 is an enlarged partial view of another embodiment of a piston according to the invention in section;
  • Figure 3 is an enlarged partial view of another embodiment of a piston according to the invention in section;
  • Figure 4 is an enlarged partial view of another embodiment of a piston according to the invention in section.
  • FIG. 1 shows a particularly preferred exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 has a piston main body 11 and a piston ring element 12. Both components can be made of any metallic material that is suitable for joining the components.
  • the piston main body 11 and the piston ring element 12 together form the piston head 13 and the piston shaft 14 of the piston 10.
  • the piston 10 is a piston with a so-called thermally decoupled piston shaft, i. that between the piston head 13 and the piston shaft 14, a circumferential recess 15 is provided.
  • the present invention is also applicable to pistons without thermally decoupled piston shaft (see Figures 3 and 4).
  • the piston shaft 14 has in known manner hubs 16 with hub bores 17 for receiving a piston pin (not shown) and the hubs 16 connecting treads 18.
  • the piston base body 11 also forms in the region of the piston head 13 an inner part 19a of a piston crown and a combustion bowl 21.
  • the combustion bowl 21 is radially offset from the central axis M of the piston 10. To illustrate dash-dotted lines the arrangement of a non-offset combustion bowl in the piston head 13 is indicated. The radial offset d can be up to 3 mm.
  • the combustion bowl 21 is tilted with respect to the center axis M of the piston 10.
  • the central axis M of the piston 10 and the center axis A of the combustion bowl 21 include an acute angle ⁇ of preferably up to 10 °.
  • the radial offset d also causes the inner part 19a of the piston crown to vary in the circumferential direction in its radial width. Further, the radial thickness of the vertical wall 21a of the combustion bowl 21 may vary in the circumferential direction.
  • the piston may also have a combustion bowl, which is radially offset only to the central axis M of the piston or tilted only about the central axis M of the piston.
  • the piston ring member 12 forms in the region of the piston head 13 an outer part 19b of the piston crown and further comprises a peripheral land land 22 and a circumferential ring portion 23 for receiving piston rings (not shown).
  • the piston main body 11 and the piston ring element 12 together form a circumferential cooling channel 24, which is formed between an inner circumferential surface 25 in the region of the combustion bowl 21 and an outer lateral surface 26 in the region of the annular portion 23. Since the embodiment shown here is a piston with a thermally decoupled piston shaft, the cooling channel 24 is closed in a manner known per se with a closure element 27. The closure element 27 is held in the embodiment in the region of the ring portion 15 on the piston ring member 12.
  • the cross section of the cooling channel 24 in the circumferential direction varies in size.
  • the outer lateral surface 26 of the cooling channel 24 preferably runs parallel to the center axis M of the piston channel. At least one lateral surface 25, 26 of the cooling channel 24 can also run parallel to the center axis A of the combustion bowl 21.
  • the piston ring member 12 is completely symmetrical, i. rotationally symmetrical, formed.
  • the radial width of the outer part 19b of the piston crown is constant in the circumferential direction. This means that such a piston ring element 12 can be combined with asymmetrically designed piston bodies of different degrees.
  • the piston base body 11 and the piston ring element 12 are joined together by joining, in the exemplary embodiment preferably by means of laser welding.
  • a joining seam 28 is formed between the inner part 19a and the outer part 19b of the piston crown, which joint runs parallel to the central axis M of the piston 10 in this particularly preferred embodiment.
  • the inventive construction of the piston 10 makes it possible to vary the interior of the later cooling channel 24 before joining the piston base body 11 and the piston ring element 12 in order to bring about optimum cooling oil flow and to improve the cooling performance.
  • a flow-guiding element 31 is accommodated in the cooling channel 24, which causes a central constriction of the cross-section of the cooling channel 24.
  • the flow guide 31 is integrally formed on the outer surface 26 prior to the joining of the piston body 11 and the piston ring member 12, i. formed on the piston ring member 12, for example. By casting or forging.
  • the central constriction of the cross section of the cooling channel 24 causes an acceleration of the flow of the cooling oil and a swirling of the cooling oil in the non-narrowed regions of the cooling channel 24, so that an improved heat dissipation from the piston head 13 in the direction of the piston shaft 14 takes place.
  • FIG. 2 shows an enlarged partial representation of a further exemplary embodiment of a piston 110 comprising a piston main body 111 and a piston ring element 112.
  • the piston 110 substantially corresponds to the piston 10 according to FIG that matching structural elements are provided with the same reference numerals and in this regard reference is made to the description of the figures for FIG.
  • a heat-conducting element 132 is formed in the cooling channel 124.
  • the heat-conducting element 132 is formed approximately tapered in cross-section, wherein the tip 132a projects obliquely downward into the cooling channel 124.
  • the sauceleitelement 132 is integrally formed in the inner circumferential surface 125, i. E., Before the joining of piston base 111 and piston ring element 112. in the piston body 111, molded, for example by casting or forging and / or mechanical processing.
  • the heat-conducting element 132 is preferably arranged below the trough edge 121a of the combustion trough 121 and effects a preferred heat removal from the trough edge 121a in the direction of the coolant received in the cooling channel 124 and thus in the direction of the piston stem.
  • the outer circumferential surface 126 extends parallel to the central axis M of the piston 110 in this embodiment.
  • FIG. 3 shows an enlarged partial representation of a further exemplary embodiment of a piston 210 comprising a piston main body 211 and a piston ring element 212.
  • the piston 210 essentially corresponds to the piston 10 according to FIG. 1, so that matching structural elements are provided with the same reference numerals and in this respect to the description of the figures 1 is referenced.
  • the cooling channel 224 is formed closed.
  • the piston main body 211 and the piston ring element 212 are connected to one another via joining seams 28, 233, for example, welded.
  • the joining seam 28 is formed between the inner part 19a and the outer part 19b of the piston crown and extends in this preferred embodiment parallel to the central axis M of the piston 210.
  • the joining seam 233 is formed between the hub connection 234 of the piston main body 211 and the ring part 23 of the piston 210 and also runs parallel to the central axis M of the piston 210.
  • the combustion bowl 221 is not radially offset or tilted with respect to the center axis M of the piston 210.
  • a heat-conducting element 232 is formed in the cooling channel 224.
  • the heat-conducting element 232 is designed to be approximately tapered in cross-section, with the tip 232a protruding obliquely downward into the cooling channel 224.
  • the heat-conducting element 232 is integrally formed in the inner circumferential surface 225, ie in the piston main body 211, before the joining of piston base body 211 and piston ring element 212, for example by casting or forging and / or mechanical processing.
  • the heat-conducting element 232 is preferably arranged below the trough edge 221a of the combustion trough 221 and effects a preferred heat removal from the trough edge 221a in the direction of the coolant received in the cooling channel 224 and thus in the direction of the piston stem.
  • the outer circumferential surface 226 extends parallel to the central axis M of the piston 210 in this embodiment.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a piston 310 according to the invention.
  • the piston 310 substantially corresponds to the piston 210 according to FIG. 3, so that reference is made to the description of the figures relating to FIG.
  • a flow guide element 331 is accommodated in the cooling channel 324, which causes a central constriction of the cross section of the cooling channel 324.
  • the flow guide 331 is integrally formed with the outer surface 326, i.e., before joining the piston body 311 and piston ring member 312. formed on the piston ring member 312, for example.
  • the central narrowing of the cross section of the cooling channel 324 causes an acceleration of the flow of the cooling oil and a swirling of the cooling oil in the non-narrowed portions of the cooling channel 324, so that an improved heat dissipation from the piston head takes place in the direction of the piston skirt.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210, 310) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (13) und einem Kolbenschaft (14), wobei der Kolben (10, 110, 210, 310) einen Kolbengrundkörper (11, 111, 211, 311) und ein Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) aufweist, wobei der Kolbenköpf (13) eine Verbrennungsmulde (21, 121, 221) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) einen Teil (19b) eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg (22) und eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie (23) aufweist, der Kolbengrundkörper (11, 111, 211, 311) und das Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) einen umlaufenden Kühlkanal (24, 124, 224, 324) ausbilden, der zwischen einer inneren Mantelfläche (25, 125, 225) im Bereich der Verbrennungsmulde (21, 121, 221) und einer äußeren Mantelfläche (26, 126, 226, 326) im Bereich der Ringpartie (23) ausgebildet ist, im Kühlkanal (24, 124, 224, 324) an der äußeren Mantelfläche (26, 226) mindestens ein Strömungsleitelement (31, 331) und/oder an der inneren Mantelfläche (125, 225) mindestens ein Warmeleitelement (132, 232) vorgesehen ist; der Kolbengrundkörper (11, 111, 211, 311) und das Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) im Bereich des Kolbenbodens (19a, 19b) eine umlaufende Fugenaht (28) aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolben einen Kolbengrundkörper und ein Kolbenringelement aufweist und wobei der Kolbenkopf eine Verbrennungsmulde aufweist.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 111 319.7 offenbart einen Kolben mit reduzierter Bauhöhe, der aus einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenringelement zusammengesetzt ist und eine Verbrennungsmulde aufweist, wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich der Verbrennungsmulde eine umlaufende Fügenaht aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.
Problematisch hierbei ist, dass es sehr schwierig bis unmöglich ist, weitere Strukturen zur Verbesserung der Kühlleistung in den Kühlkanal einzubringen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass mit möglichst einfachen Mitteln ein Kolben mit verbesserter Kühlleistung im Bereich des Kolbenkopfes hergestellt werden kann.
Die Lösung besteht darin, dass das Kolbenringelement einen Teil eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg und eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie aufweist, der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement einen umlaufenden Kühlkanal ausbilden, der zwischen einer inneren Mantelfläche im Bereich der Verbrennungsmulde und einer äußeren Mantelfläche im Bereich der Ringpartie ausgebildet ist, im Kühlkanal an der äußeren Mantelfläche mindestens ein Strömungsleitelement und/oder an der inneren Mantelfläche mindestens ein Wärmeleitelement vorgesehen ist und der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich des Kolbenbodens eine umlaufende Fügenaht aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, einen Kolben mit einem als separatem Bauteil ausgebildeten Kolbenringelement zu versehen, wobei der umlaufende Kühlkanal zum Teil vom Kolbengrundkörper und zum Teil vom Kolbenringelement gebildet wird und wobei die Fügenaht im Bereich des Kolbenbodens angeordnet ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, den Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich des späteren Kühlkanals separat so zu bearbeiten, dass die innere Struktur des Kühlkanals und damit seine Kühlleistung an die verschiedensten Anforderungen moderner Verbrennungsmotoren angepasst werden können.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Strömungsleitelement vorgesehen, welches eine Verengung bildet, die eine Verwirbelung des Kühlöls und/oder eine Beschleunigung der Kühlölströmung bewirkt, so dass die Kühlleistung des Kühlkanals noch gesteigert wird.
Stattdessen oder zusätzlich ist erfindungsgemäß mindestens ein Wärmeleitelement vorgesehen, welches die an der Verbrennungsmulde bzw. am Kolbenboden besonders hohe Wärmebelastung gezielt an das Kühlöl im Kühlkanal abgibt. Damit werden die thermisch besonders stark belasteten Bereiche des erfindungsgemäßen Kolbens bevorzugt gekühlt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise verläuft zur Vereinfachung des Produktionsprozesses die im Bereich des Kolbenbodens angeordnete Fügenaht parallel zur Mittelachse des Kolbens.
Der Kühlkanal kann als geschlossener Kühlkanal ausgebildet sein, so dass der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich einer Nabenanbindung über eine zweite umlaufende Fügenaht unlösbar miteinander verbunden sind. Auch diese zweite Fügenaht kann zur Vereinfachung des Produktionsprozesses parallel zur Mittelachse des Kolbens verlaufen.
Der Kühlkanal kann aber auch in Richtung des Kolbenschaftes offen ausgebildet und mit einem separaten Verschlusselement verschlossen sein. Das Verschlusselement ist vorzugsweise im Bereich der Ringpartie am Kolbenringelement gehalten, wo es auf besonders einfache Weise befestigt werden kann.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft eine umlaufende Ausnehmung ausgebildet ist. Ein derartiger Kolben mit thermisch entkoppeltem Schaft zeichnet sich durch hohe Belastbarkeit aus. Insbesondere bei diesem Kolbentyp kann der Kühlkanal in an sich bekannter Weise in Richtung des Kolbenschafts offen ausgebildet und mit einem separaten Verschlusselement verschlossen sein. Die Positionierung der Fügenaht im Bereich des Kolbenbodens hat bei einem Kolben mit thermisch entkoppelten Schaft und in Richtung des Kolbenbodens offen ausgebildetem Kühlkanal ferner den Vorteil, dass beim Fügen von Kolbengrundkörper und Kolbenringelement möglicherweise auftretende Schweißrückstände (bspw. Schweißperlen im Zuge eines Laserschweißverfahrens) nicht im späteren Kühlkanal haften bleiben, sondern aus der noch nicht verschlossenen Öffnung des Kühlkanals austreten können.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens ermöglicht es ferner problemlos, einen Kolben mit einer zur Kolbenmittelachse radial versetzten und/oder gekippten Verbrennungsmulde herzustellen, da die Verbrennungsmulde vollständig vom Kolbengrundkörper gebildet. Es ist somit möglich, einen derartig asymmetrisch ausgebildeten Kolbengrundkörper mit einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kolbenringelement zu verbinden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Verbrennungsmulde um bis zu 3 mm gegenüber der Mittelachse des Kolbens versetzt anzuordnen, was bei konventionellen Kolben nicht möglich ist.
Wenn die Verbrennungsmulde gegenüber der Mittelachse des Kolbens gekippt angeordnet ist, kann die Mittelachse der Verbrennungsmulde mit der Mittelachse des Kolbens einen spitzen Winkel α von bis zu 10° einschließen.
Eine Innenwand des Kühlkanals kann parallel zur Mittelachse des Kolbens verlaufen. Wenn die Verbrennungsmulde zur Mittelachse des Kolbens gekippt angeordnet ist, kann die Innenwand des Kühlkanals auch parallel zur Mittelachse der Verbrennungsmulde verlaufen. Damit wird die Kühlleistung des Kühlkanals optimiert.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Figur 2 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Figur 3 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Figur 4 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
Figur 1 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenringelement 12 auf. Beide Bauteile können aus jedem beliebigen metallischen Werkstoff bestehen, der zum Fügen der Bauteile geeignet ist. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 bilden zusammen den Kolbenkopf 13 und den Kolbenschaft 14 des Kolbens 10. Im Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 ein Kolben mit einem so genannten thermisch entkoppelten Kolbenschaft, d.h. dass zwischen dem Kolbenkopf 13 und dem Kolbenschaft 14 eine umlaufende Ausnehmung 15 vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für Kolben ohne thermisch entkoppelten Kolbenschaft anwendbar (vgl. Figuren 3 und 4).
Der Kolbenschaft 14 weist in an sich bekannter Weise Naben 16 mit Nabenbohrungen 17 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie die Naben 16 verbindende Laufflächen 18 auf. Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner im Bereich des Kolbenkopfes 13 einen inneren Teil 19a eines Kolbenbodens sowie eine Verbrennungsmulde 21. Im Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungsmulde 21 gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 10 radial versetzt. Zur Verdeutlichung ist strichpunktiert die Anordnung einer nicht versetzten Verbrennungsmulde im Kolbenkopf 13 angedeutet. Der radiale Versatz d kann bis zu 3 mm betragen. Zusätzlich ist die Verbrennungsmulde 21 gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 10 gekippt. Dies hat zur Folge, dass die Mittelachse M des Kolbens 10 und die Mittelachse A der Verbrennungsmulde 21 einen spitzen Winkel α von vorzugsweise bis zu 10° einschließen. Der radiale Versatz d bewirkt ferner, dass der innere Teil 19a des Kolbenbodens in umlaufender Richtung in seiner radialen Breite variiert. Ferner kann die radiale Dicke der vertikalen Wand 21a der Verbrennungsmulde 21 in umlaufender Richtung variieren. Selbstverständlich kann der Kolben auch eine Verbrennungsmulde aufweisen, die lediglich zur Mittelachse M des Kolbens radial versetzt oder lediglich um die Mittelachse M des Kolbens gekippt ist.
Das Kolbenringelement 12 bildet im Bereich des Kolbenkopfes 13 einen äußeren Teil 19b des Kolbenbodens und weist ferner einen umlaufenden Feuersteg 22 und eine umlaufende Ringpartie 23 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 bilden zusammen einen umlaufenden Kühlkanal 24, der zwischen einer inneren Mantelfläche 25 im Bereich der Verbrennungsmulde 21 und einer äußere Mantelfläche 26 im Bereich der Ringpartie 23 ausgebildet ist. Da es sich bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Kolben mit einem thermisch entkoppelten Kolbenschaft handelt, ist der Kühlkanal 24 in an sich bekannter Weise mit einem Verschlusselement 27 verschlossen. Das Verschlusselement 27 ist im Ausführungsbeispiel im Bereich der Ringpartie 15 am Kolbenringelement 12 gehalten.
Aufgrund des radialen Versatzes d der Verbrennungsmulde 21 variiert der Querschnitt des Kühlkanals 24 in umlaufender Richtung in seiner Größe. Die äußere Mantelfläche 26 des Kühlkanals 24 verlauft bevorzugt parallel zur Mittelachse M des Kol- bens 10. Mindestens eine Mantelfläche 25, 26 des Kühlkanals 24 kann aber auch parallel zur Mittelachse A der Verbrennungsmulde 21 verlaufen.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kolbenringelement 12 vollständig symmetrisch, d.h. rotationssymmetrisch, ausgebildet. Die radiale Breite des äußeren Teils 19b des Kolbenbodens ist in umlaufender Richtung konstant. Das bedeutet, dass ein derartiges Kolbenringelement 12 mit in unterschiedlichem Grade asymmetrisch ausgebildeten Kolbengrundkörpern kombiniert werden kann.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 sind durch Fügen, im Ausführungsbeispiel bevorzugt mittels Laserschweißen, miteinander verbunden.
Dadurch ist zwischen dem inneren Teil 19a und dem äußeren Teil 19b des Kolbenbodens eine Fügenaht 28 gebildet, welche in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel parallel zur Mittelachse M des Kolbens 10 verläuft.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens 10 erlaubt es, vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 11 und Kolbenringelement 12 das Innere des späteren Kühlkanals 24 zu variieren, um eine optimale Kühlölströmung zu bewirken und die Kühlleistung zu verbessern.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist im Kühlkanal 24 ein Strömungsleitelement 31 aufgenommen, welches eine mittige Verengung des Querschnitts des Kühlkanals 24 bewirkt. Das Strömungsleitelement 31 wird vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 11 und Kolbenringelement 12 einstückig an die äußere Mantelfläche 26, d.h. an das Kolbenringelement 12 angeformt, bspw. mittels Gießen oder Schmieden. Die mittige Verengung des Querschnitts des Kühlkanals 24 bewirkt eine Beschleunigung der Strömung des Kühlöls sowie eine Verwirbelung des Kühlöls in den nicht verengten Bereichen des Kühlkanals 24, so dass eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf 13 in Richtung des Kolbenschafts 14 erfolgt.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kolbens 110 aus einem Kolbengrundkörper 111 und einem Kolbenringelement 112. Der Kolben 110 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß Figur 1 , so dass übereinstimmende Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Figurenbeschreibung zu Figur 1 verwiesen wird.
Der wesentliche Unterschied zum Kolben 10 gemäß Figur besteht darin, dass die Verbrennungsmulde 121 nicht gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 110 radial versetzt oder gekippt angeordnet ist. Ferner ist im Kühlkanal 124 eine Wärmeleitelement 132 ausgebildet. Das Wärmeleitelement 132 ist im Querschnitt etwa spitz zulaufend ausgebildet, wobei die Spitze 132a schräg nach unten in den Kühlkanal 124 ragt. Das Wärmeleitelement 132 wird vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 111 und Kolbenringelement 112 einstückig in die innere Mantelfläche 125, d.h. in den Kolbengrundkörper 111, eingeformt, bspw. durch Gießen oder Schmieden und/oder mechanisches Bearbeiten. Das Wärmeleitelement 132 ist bevorzugt unterhalb des Muldenrandes 121a der Verbrennungsmulde 121 angeordnet und bewirkt eine bevorzugte Wärmeabfuhr vom Muldenrand 121a in Richtung des im Kühlkanal 124 aufgenommenen Kühlmittels und damit in Richtung des Kolbenschafts. Die äußere Mantelfläche 126 verläuft bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Mittelachse M des Kolbens 110.
Figur 3 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kolbens 210 aus einem Kolbengrundkörper 211 und einem Kolbenringelement 212. Der Kolben 210 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß Figur 1 , so dass übereinstimmende Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Figurenbeschreibung zu Figur 1 verwiesen wird.
Ein wesentlicher Unterschied zum Kolben 10 gemäß Figur besteht darin, dass der Kühlkanal 224 geschlossen ausgebildet ist. Der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenringelement 212 sind über Fügenähte 28, 233 miteinander verbunden, bspw. verschweißt. Die Fügenaht 28 ist zwischen dem inneren Teil 19a und dem äußeren Teil 19b des Kolbenbodens ausgebildet und verläuft bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel parallel zur Mittelachse M des Kolbens 210. Die Fügenaht 233 ist zwischen der Nabenanbindung 234 des Kolbengrundkörpers 211 und der Ringpartie 23 des Kolbens 210 ausgebildet und verläuft ebenfalls parallel zur Mittelachse M des Kolbens 210. Ein weiterer Unterschied zum Kolben 10 gemäß Figur 1 besteht darin, dass die Verbrennungsmulde 221 nicht gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 210 radial versetzt oder gekippt angeordnet ist. Ferner ist im Kühlkanal 224 eine Wärmeleitelement 232 ausgebildet. Das Wärmeleitelement 232 ist im Querschnitt etwa spitz zulaufend ausgebildet, wobei die Spitze 232a schräg nach unten in den Kühlkanal 224 ragt. Das Wärmeleitelement 232 wird vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 211 und Kolbenringelement 212 einstückig in die innere Mantelfläche 225, d.h. in den Kolbengrundkörper 211 , eingeformt, bspw. durch Gießen oder Schmieden und /oder mechanisches Bearbeiten. Das Wärmeleitelement 232 ist bevorzugt unterhalb des Muldenrandes 221a der Verbrennungsmulde 221 angeordnet und bewirkt eine bevorzugte Wärmeabfuhr vom Muldenrand 221a in Richtung des im Kühlkanal 224 aufgenommenen Kühlmittels und damit in Richtung des Kolbenschafts. Die äußere Mantelfläche 226 verläuft bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Mittelachse M des Kolbens 210.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 310. Der Kolben 310 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 210 gemäß Figur 3, so dass auf die Figurenbeschreibung zu Figur 3 verwiesen wird.
Der einzige Unterschied zu dem Kolben 210 gemäß Figur 3 besteht darin, dass im Kolben 310 gemäß Figur ein Strömungsleitelement 331 im Kühlkanal 324 aufgenommen ist, welches eine mittige Verengung des Querschnitts des Kühlkanals 324 bewirkt. Das Strömungsleitelement 331 wird vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 311 und Kolbenringelement 312 einstückig an die äußere Mantelfläche 326, d.h. an das Kolbenringelement 312 angeformt, bspw. mittels Gießen oder Schmieden und/oder mechanisches Bearbeiten. Die mittige Verengung des Querschnitts des Kühlkanals 324 bewirkt eine Beschleunigung der Strömung des Kühlöls sowie eine Verwirbelung des Kühlöls in den nicht verengten Bereichen des Kühlkanals 324, so dass eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf in Richtung des Kolbenschafts erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210, 310) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (13) und einem Kolbenschaft (14), wobei der Kolben (10, 110, 210, 310) einen Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 , 311) und ein Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) aufweist, wobei der Kolbenkopf (13) eine Verbrennungsmulde (21 , 121 , 221) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) einen Teil (19b) eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg (22) und eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie (23) aufweist,
- der Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 , 311) und das Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) einen umlaufenden Kühlkanal (24, 124, 224, 324) ausbilden, der zwischen einer inneren Mantelfläche (25, 125, 225) im Bereich der Verbrennungsmulde (21 , 121 , 221) und einer äußeren Mantelfläche (26, 126, 226, 326) im Bereich der Ringpartie (23) ausgebildet ist,
im Kühlkanal (24, 124, 224, 324) an der äußeren Mantelfläche (26, 226) mindestens ein Strömungsleitelement (31 , 331) und/oder an der inneren Mantelfläche (125, 225) mindestens ein Wärmeleitelement (132, 232) vorgesehen ist;
- der Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 , 311) und das Kolbenringelement (12, 112, 212, 312) im Bereich des Kolbenbodens (19a, 19b) eine umlaufende Fügenaht (28) aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügenaht (28) parallel zur Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110, 210, 310) verläuft.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (224, 324) als geschlossener Kühlkanal () ausgebildet ist und der Kolbengrundkörper (211 , 311) und das Kolbenringelement (212, 312) über eine zweite umlaufende Fügenaht (233) im Bereich einer Nabenanbindung (234) des Kolbens (210, 310) unlösbar miteinander verbunden sind.
4. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite umlaufende Fügenaht (233) parallel zur Mittelachse (M) des Kolbens (210, 310) verläuft.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24, 124) in Richtung des Kolbenschaftes (14) offen ausgebildet und mit einem Verschlusselement (27) verschlossen ist.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (27) im Bereich der Ringpartie (23) am Kolbenringelement (12, 112) gehalten ist.
7. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolbenkopf (13) und dem Kolbenschaft (14) eine umlaufende Ausnehmung (15) ausgebildet ist
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) eine gegenüber der Mittelachse (M) des Kolbens (10) radial versetzte und/oder gekippte Verbrennungsmulde (21), einen Teil (19a) eines Kolbenbodens sowie den Kolbenschaft (14) aufweist.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Versatz (d) der Verbrennungsmulde (21) gegenüber der Mittelachse (M) des Kolbens (10) bis zu 3 mm beträgt.
10. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (A) der Verbrennungsmulde (21) mit der Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) einen spitzen Winkel (a) von bis zu 10° einschließt.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche (25) und/oder die äußere Mantelfläche (26) des Kühlkanals (24) parallel zur Mittelachse (A) der Verbrennungsmulde (21) verläuft. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Mantelfläche (26, 126, 226, 326) des Kühlkanals (24, 124, 224, 324) parallel zur Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110, 210, 310) verläuft.
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