EP3004610A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

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Publication number
EP3004610A1
EP3004610A1 EP14753001.8A EP14753001A EP3004610A1 EP 3004610 A1 EP3004610 A1 EP 3004610A1 EP 14753001 A EP14753001 A EP 14753001A EP 3004610 A1 EP3004610 A1 EP 3004610A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cooling channel
piston head
closure element
head
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14753001.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Scharp
Peter Kemnitz
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 EP3004610A1 publication Critical patent/EP3004610A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F01P3/08—Cooling of piston exterior only, e.g. by jets
    • 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 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, with a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a piston crown, a circumferential land land, a circumferential ring section with annular grooves and in the region of the ring part a circumferential, downwardly open, closed with a closure element cooling channel wherein the cooling channel has a cooling channel bottom and a cooling channel cover.
  • the object of the present invention is to further develop a generic piston so that an optimized heat dissipation takes place from the piston head during engine operation.
  • the solution is that the closure element is arranged in the piston head such that the cooling channel bottom is arranged above the lowermost annular groove.
  • the cooling channel in the axial direction usually extends to the level of the lowest annular groove and below, in order to achieve with the aid of the largest possible cooling channel sufficient cooling, especially of steel pistons in engine operation. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between the cooling duct ceiling, i. a very hot area, and the cooling channel bottom, i. a comparatively cool area, back and forth. Due to the significantly lower temperatures in the area of the cooling channel bottom, there is virtually no heat
  • the piston according to the invention is distinguished by the fact that the cooling channel is shortened in the axial direction compared to the prior art. This has the consequence that the cooling oil in particular in the region of the cooling channel bottom in greater proximity to the highly heat-loaded cooling channel bottom and thus moves in total in hotter areas than is the case in the prior art. Therefore, in each phase of the piston movement takes place heat absorption from the hot areas of the piston head into the cooling oil. In particular, if the amount of cooling oil known from the prior art is maintained and the cooling oil supply is set up so that the cooling oil is rapidly exchanged during engine operation, a significantly improved cooling of the piston head results in comparison with the prior art.
  • the cooling channel bottom is preferably arranged at the level of the second annular groove, particularly preferably between the first annular groove and the second annular groove, in order to further increase the cooling capacity by moving the cooling oil even closer to the hot piston bottom during engine operation.
  • closure element is arranged in the piston head such that a circumferential annular gap is formed in the piston crown. This eliminates the need to provide oil drain holes.
  • a further preferred embodiment provides that the height of the top land is at most 9% of the nominal diameter of the piston head.
  • This causes a particularly advantageous for heat dissipation positioning of the cooling channel with respect to the piston crown and the ring section.
  • the distance between the piston crown and the bottom of the cooling channel can be between 11% and 17% of the nominal diameter of the piston head.
  • the height of the cooling channel can be 0.8 times to 1, 7 times its width.
  • the distance between the piston head and the cooling channel ceiling can be between 3% and 7% of the nominal diameter of the piston head.
  • the compression height may, for example, be between 38% and 45% of the nominal diameter of the piston head.
  • a combustion bowl is formed in the piston head and that the smallest wall thickness in the radial direction between the combustion bowl and the cooling channel is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter of the piston head.
  • the combustion bowl may, for example, be provided with an undercut in order to determine the wall thickness between the combustion bowl and the cooling channel.
  • the closure element may be formed with decoupled piston shaft as a separate component which is fixed to the piston.
  • the piston according to the invention may be formed as a one-piece piston. Then, the cooling channel is introduced in a conventional manner by machining in a cast or forged blank. However, it is preferred that the piston is composed of at least two non-detachably interconnected components.
  • the piston according to the invention may have a piston main body and a piston ring element.
  • the closure element may be formed both as a separate component fastened to the piston and as a component integrally connected to the piston. In the latter case the closure element can be integrally connected either to the piston main body or to the piston ring element.
  • the present invention is particularly suitable for pistons of at least one steel material.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 2 shows the piston according to FIG. 1 in a representation rotated by 90 °
  • FIG. 3 shows another embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 4 shows the piston according to FIG. 3 in a representation rotated by 90 °
  • Figure 5 is an overall view of two further embodiments in section
  • Figure 6 is an enlarged partial view of the piston of Figure 5, left side, in section;
  • Figure 7 is an enlarged partial view of another embodiment in the
  • Figure 8 is an enlarged partial view of the embodiment of Figure 7;
  • FIG. 9 a, 9 b Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 9 a, 9 b according to the present invention
  • FIGS. 1 and 2 show a first exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 can be forged or cast as a one-piece blank, wherein the cooling channel is introduced into the blank by machining.
  • the piston 10 is composed of a piston main body 31 and a piston ring member 32, which may be cast or forged in a conventional manner and which are connected to each other via a weld 33, for example by electron beam welding or laser welding.
  • the weld 33 is arranged in the embodiment at the lowest point of the combustion bowl at an acute angle to the piston center axis A.
  • the piston 10 is made in the embodiment of a steel material.
  • the piston 10 has a piston head 11 with a combustion bowl 13 having a piston head 12, a peripheral land 14 and a revolving ring portion 15 with annular grooves 16, 17, 18 for receiving piston rings (not shown). In height of the ring section 15, a circumferential cooling channel 19 is provided.
  • the piston 10 further includes a piston stem 21 thermally decoupled from the piston head 11 with piston bosses 22 and hub bores 23 for receiving a piston pin (not shown).
  • the piston bosses 22 are connected via hub connections 24 to the underside of the piston head 11.
  • the piston hubs 22 are connected to each other via running surfaces 25.
  • the cooling channel 19 is open at the bottom and closed with a separate closure element 35, in the exemplary embodiment a closure plate.
  • the closure element 35 is fixed in a conventional manner below the ring portion 15 on the piston head 11 and extends in the direction of the combustion bowl 13 such that the annular free end of the closure element 35 together forms a circumferential annular gap 36 with the outer wall of the combustion bowl 13.
  • the cooling channel 19 may be completely closed by the closure element 35, wherein in the closure element 35 inlet and outlet openings are provided for cooling oil.
  • the closure element 35 is bent in the direction of the piston head 12 such that a cooling channel bottom 26 is formed, which in the exemplary embodiment lies approximately at the level of the second annular groove 17.
  • the cooling channel bottom 26 may also be arranged between the first annular groove 16 and the second annular groove 17.
  • the cooling channel 19 also has a cooling channel cover 27.
  • the compression height KH is in the embodiment between 38% and 45% of the nominal diameter DN of the piston head eleventh
  • FIGs 3 and 4 show a further embodiment of a piston 110 according to the invention.
  • the piston 110 is constructed in a similar manner as the piston 10 according to Figures 1 and 2. Therefore, matching structural elements are provided with the same reference numerals, and it is in this respect to the description refer to Figures 1 and 2.
  • the essential difference between the piston according to FIGS. 3 and 4 and the piston according to FIGS. 1 and 2 is that the inner surfaces 128 of the running surfaces 25 of the piston 110 are connected to the underside of the piston head 11 via a connecting wall 129.
  • FIG. 5 shows in an illustration according to FIG. 2 an overall view of second further exemplary embodiments of pistons 210, 310 according to the invention.
  • the representations of the respective exemplary embodiments are separated by the center line M.
  • the pistons 210, 310 are constructed in a similar manner as the piston 10 according to Figures 1 and 2. Therefore, matching structural elements are provided with the same reference numerals, and reference is made in this regard to the description of Figures 1 and 2.
  • Both embodiments each have a closure element 235, 335 in the form of an integral with the piston body 231, 331 connected peripheral flange.
  • Each closure element 235, 335 extends in the direction of the ring portion 15 such that the free end of each closure element 235, 335 together with the inner wall of the ring portion 15 forms a circumferential annular gap 236, 336.
  • the piston 210 (illustration on the right of the center line M) consists of a piston main body 231 and a piston ring element 232.
  • the piston ring element 232 comprises in the exemplary embodiment a part of the well wall and the well edge of the combustion bowl 13 and the piston head 12, the top land 14 and the ring section 15.
  • the piston ring element 232 may in particular be connected to the piston main body 131 by a welding process, for example electron beam welding, laser welding or friction welding, wherein the weld seam 233 is arranged in the recess wall of the combustion bowl 13.
  • the piston 310 (illustration left of the center line M) (see also the enlarged partial view in Figure 6) consists of a piston body 331 and a piston ring member 332.
  • the piston ring member 332 includes in the embodiment of a portion of the piston crown 12, the top land 14 and the ring section 15th
  • the piston ring element 332 can be connected to the piston main body 331 by a welding process, for example electron beam welding or laser welding, wherein the weld seam 333 is arranged in the piston crown.
  • Figure 7 shows an enlarged partial view of another embodiment of a piston 410.
  • the piston 410 is constructed in a similar manner as the piston 210 of Figure 5, right side. Therefore, matching structural elements are provided with the same reference numerals, and reference is made in this regard to the description of Figure 5.
  • closure element 435 is designed in the form of a circumferential flange connected in one piece with the piston ring element 432.
  • the closure element 435 extends in the direction of the combustion bowl 13 such that the free end of the closure element 435 forms a circumferential annular gap 436 together with the outer wall of the combustion bowl 13.
  • the piston 410 likewise consists of a piston main body 431 and a piston ring element 432.
  • the piston ring element 432 comprises in the exemplary embodiment a part of the well wall and the well edge of the combustion bowl 13 and the piston crown 12, the top land 14 and the ring section 15.
  • the piston ring element 432 is in the exemplary embodiment be connected by friction welding to the piston body 431, wherein the weld 433 is disposed in the in the trough wall of the combustion bowl 13.
  • Figure 8 shows an example in an enlarged partial view of the cooling channel 19 with cooling channel bottom 26 and cooling duct ceiling 27 and the piston crown 12, a portion of the combustion bowl 13 the top land 14, the ring section 15 with the annular grooves 16, 17, 18 and the closure element 435 of the piston 410 according to the invention according to FIG. 7.
  • the combustion bowl 13 is provided with an undercut 29 to determine the wall thickness between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 (see below).
  • the height h of the top land 14 is at most 9% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2). This will be a for the heat dissipation particularly advantageous positioning of the cooling channel 19 with respect to the piston head 12 and the ring portion 15 causes.
  • the distance a between the piston head 12 and the cooling channel bottom 26 is between 11% and 17% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2).
  • the cooling channel 19 is positioned in optimum proximity to the hot piston bottom 12 and in an optimal position relative to the cooler annular grooves 16, 17, 18.
  • the height c of the cooling passage 19 is 0.8 times to 1.7 times its width d. This design rule causes an optimal volume of the cooling channel 19 and an optimal orientation relative to the hot combustion bowl 13, in particular to the bowl rim, and the hot piston bottom 12 and the cooler annular grooves 16, 17, 18th
  • the distance b between the piston head 12 and the cooling channel cover 27 is between 3% and 7% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (compare FIGS. 1 and 2). This design rule also causes optimal positioning of the cooling channel 19 with respect to the hot piston bottom 12.
  • the smallest wall thickness w in the radial direction between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter DN of the piston head 11. For an improved heat transfer between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 is achieved.
  • FIGS. 9a and 9b and 10a and 10b schematically show the cooling oil movement during engine operation and the temperature zones in the region of the combustion bowl, the piston head, the cooling channel and the annular grooves both for a piston according to the invention (FIGS. 9a and 9b) and for a piston according to the prior art the technique ( Figures 10a and 10b).
  • Figures 9a, 9b, 10a, 10b schematically three heat zones, namely "hot”, “warm” and “cool” are designated to illustrate the relative temperature differences in the individual piston areas.
  • the cooling channel is compared to the prior art in the axial direction is shortened.
  • the cooling oil moves almost exclusively along the "hot” regions of the piston crown and the combustion bowl, so that heat absorption from the "hot” regions of the piston head into the cooling oil takes place in each phase of the piston movement.
  • the known from the prior art amount of cooling oil should be maintained and the engine management be set up so that the cooling oil is quickly replaced during engine operation.
  • the cooling channel in the axial direction usually extends to the level of the lowest annular groove and below, in order to achieve by means of the largest possible cooling channel sufficient cooling during engine operation. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between a "hot” area, namely the piston crown and the bowl rim of the combustion bowl and a "cool” area, namely the cooling channel bottom. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there.
  • the piston according to the invention has a significantly improved cooling of the piston head compared to the prior art.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (12), einen umlaufenden Feuersteg (14), eine umlaufende Ringpartie (15) mit Ringnuten (16, 17, 18) und im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal (19) aufweist, wobei der Kühlkanal (19) einen Kühlkanalboden (26) und eine Kühlkanaldecke (27) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verschlusselement (35, 135, 235, 335, 435) derart im Kolbenkopf (11) angeordnet ist, dass der Kühlkanalboden (26) oberhalb der untersten Ringnut (18) angeordnet ist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg, eine umlaufende Ringpartie mit Ringnuten und im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal einen Kühlkanalboden und eine Kühlkanaldecke aufweist.
In modernen Verbrennungsmotoren sind die Kolben im Bereich des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde immer höheren Temperaturbelastungen ausgesetzt. Eine nicht ausreichende Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf führt im Motorbetrieb zu Funktionsbeeinträchtigungen des Kolbens, insbesondere zu einer Verkokung bzw. Ölkohlebildung am Kolben. Dies gilt insbesondere für Kolben aus Stahlwerkstoffen, da Stahl einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten hat und somit ein schlechter Wärmeleiter ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb eine optimierte Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf stattfindet.
Die Lösung besteht darin, dass das Verschlusselement derart im Kolbenkopf angeordnet ist, dass der Kühlkanalboden oberhalb der untersten Ringnut angeordnet ist.
Im Stand der Technik erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter, um mithilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung insbesondere von Stahlkolben im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen der Kühlkanaldecke, d.h. einem sehr heißen Bereich, und dem Kühlkanalboden, d.h. einem vergleichsweise kühlen Bereich, hin und her. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wär-
|Bestätigungskopie| meaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt. Ferner findet aufgrund des geringen Wärmegradienten in Richtung Ringpartie und Kolbenschaft nur eine vergleichsweise geringe Wärmeableitung aus dem Kühlöl statt.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass der Kühlkanal gegenüber dem Stand der Technik in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl insbesondere im Bereich des Kühlkanalbodens in größerer Nähe zum hoch wärmebelasteten Kühlkanalboden und damit insgesamt in heißeren Bereichen bewegt, als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den heißen Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Insbesondere wenn die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge beibehalten und die Kühlölversorgung so eingerichtet wird, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird, ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise ist der Kühlkanalboden in Höhe der zweiten Ringnut, besonders bevorzugt zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut angeordnet, um die Kühlleistung weiter zu steigern, indem sich das Kühlöl im Motorbetrieb in noch größerer Nähe zum heißen Kolbenboden bewegt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verschlusselement derart im Kolbenkopf angeordnet ist, dass ein umlaufender Ringspalt im Kolbenboden ausgebildet ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, Ölablauföffnungen vorzusehen.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Höhe des Feuerstegs maximal 9 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals in Bezug auf den Kolbenboden und die Ringpartie bewirkt. In diesem Fall kann der Abstand zwischen dem Kolbenboden und dem Kühlkanalboden zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Zusätzlich oder stattdessen kann die Höhe des Kühlkanals das 0,8-fache bis 1 ,7- fache seiner Breite betragen. Ferner kann alternativ oder kumulativ hierzu der Abstand zwischen dem Kolbenboden und der Kühlkanaldecke zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Diese Bemessungsregeln erlauben eine optimierte Auslegung und Positionierung des Kühlkanals für alle Kolbengrößen.
Die Kompressionshöhe kann bspw. zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass im Kolbenkopf eine Verbrennungsmulde ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal erzielt.
Die Verbrennungsmulde kann bspw. mit einem Hinterschnitt versehen sein, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zu bestimmen.
Das Verschlusselement kann bei entkoppeltem Kolbenschaft als separates Bauteil ausgebildet sein, welches am Kolben befestigt ist.
Der erfindungsgemäße Kolben kann als einteiliger Kolben ausgebildet sein. Dann wird der Kühlkanal in an sich bekannter Weise durch spanende Bearbeitung in einen gegossenen oder geschmiedeten Rohling eingebracht. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Kolben aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt ist. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Kolben einen Kolbengrundkörper und ein Kolbenringelement aufweisen. In diesem Fall kann das Verschlusselement sowohl als separates, am Kolben befestigtes Bauteil als auch als einstückig mit dem Kolben verbundenes Bauteil ausgebildet sein. In letzterem Fall kann das Verschlusselement entweder mit dem Kolbengrundkörper oder mit dem Kolbenringelement einstückig verbunden sein.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kolben aus mindestens einem Stahlwerkstoff geeignet.
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 den Kolben gemäß Figur 1 in einer um 90° gedrehten Darstellung;
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Figur 4 den Kolben gemäß Figur 3 in einer um 90° gedrehten Darstellung;
Figur 5 eine Gesamtdarstellung zweier weiterer Ausführungsbeispiele im Schnitt;
Figur 6 eine vergrößerte Teildarstellung des Kolbens gemäß Figur 5, linke Seite, im Schnitt;
Figur 7 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels im
Schnitt;
Figur 8 eine vergrößerte Teildarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 7;
Figuren eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben 9a, 9b gemäß der vorliegenden Erfindung; Figuren eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben 10a, 10b gemäß dem Stand der Technik.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann, wie grundsätzlich bekannt, als einteiliger Rohling geschmiedet oder gegossen werden, wobei der Kühlkanal durch spanabhebende Bearbeitung in den Rohling eingebracht wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 aus einem Kolbengrundkörper 31 und einem Kolbenringelement 32 zusammengesetzt, die in an sich bekannter Weise gegossen oder geschmiedet sein können und die über eine Schweißnaht 33 bspw. mittels Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden sind. Die Schweißnaht 33 ist im Ausführungsbeispiel an der tiefsten Stelle der Verbrennungsmulde unter spitzem Winkel zur Kolbenmittelachse A angeordnet. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt.
Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten 16, 17, 18 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 19 vorgesehen.
Der Kolben 10 weist ferner einen vom Kolbenkopf 11 thermisch entkoppelten Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 22 sind über Nabenanbindungen 24 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Laufflächen 25 miteinander verbunden.
Der Kühlkanal 19 ist nach unten offen ausgebildet und mit einem separaten Verschlusselement 35, im Ausführungsbeispiel einem Verschlussblech, verschlossen. Das Verschlusselement 35 ist in an sich bekannter Weise unterhalb der Ringpartie 15 am Kolbenkopf 11 befestigt und erstreckt sich in Richtung der Verbrennungsmulde 13 derart, dass das ringförmige freie Ende des Verschlusselements 35 zusammen mit der Außenwand der Verbrennungsmulde 13 einen umlaufenden Ringspalt 36 bildet.
Selbstverständlich kann auf den Ringspalt 36 verzichtet werden. Stattdessen kann in an sich bekannter Weise der Kühlkanal 19 vom Verschlusselement 35 vollständig verschlossen sein, wobei im Verschlusselement 35 Zu- und Ablauföffnungen für Kühlöl vorgesehen sind.
Das Verschlusselement 35 ist derart in Richtung Kolbenboden 12 gebogen, dass ein Kühlkanalboden 26 gebildet ist, der im Ausführungsbeispiel etwa auf der Höhe der zweiten Ringnut 17 liegt. Der Kühlkanalboden 26 kann auch zwischen der ersten Ringnut 16 und der zweiten Ringnut 17 angeordnet sein.
Der Kühlkanal 19 weist ferner eine Kühlkanaldecke 27 auf.
Die Kompressionshöhe KH beträgt im Ausführungsbeispiel zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11.
Die Figuren 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem Kolben gemäß den Figuren 3 und 4 und dem Kolben gemäß den Figuren 1 und 2 besteht darin, dass die Innenflächen 128 der Laufflächen 25 des Kolbens 110 über eine Verbindungwand 129 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 11 verbunden sind.
Figur 5 zeigt in einer Darstellung gemäß Figur 2 eine Gesamtschau zweiter weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kolben 210, 310. Die Darstellungen der jeweiligen Ausführungsbeispiele sind durch die Mittellinie M getrennt. Die Kolben 210, 310 sind in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen.
Die wesentlichen Unterschiede bestehen zum Einen in der Gestaltung des Kolbengrundkörpers 231 , 331 und des Kolbenringelements 132, 332 und zum Anderen darin, dass die Kolben 210, 310 ein gegenüber dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2 ein unterschiedlich gestaltetes Verschlusselement 235, 335 aufweisen.
Beide Ausführungsbeispiele weisen je ein Verschlusselement 235, 335 in Form eines einstückig mit dem Kolbengrundkörper 231 , 331 verbundenen umlaufenden Flansches auf. Jedes Verschlusselement 235, 335 erstreckt sich in Richtung der Ringpartie 15 derart, dass das freie Ende jedes Verschlusselements 235, 335 zusammen mit der Innenwand der Ringpartie 15 einen umlaufenden Ringspalt 236, 336 bildet.
Der Kolben 210 (Darstellung rechts der Mittellinie M) besteht aus einem Kolbengrundkörper 231 und einem Kolbenringelement 232. Das Kolbenringelement 232 um- fasst im Ausführungsbeispiel einen Teil der Muldenwand sowie den Muldenrand der der Verbrennungsmulde 13 sowie den Kolbenboden 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 232 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder Reibschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 131 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 233 in der in der Muldenwand der Verbrennungsmulde 13 angeordnet ist.
Der Kolben 310 (Darstellung links der Mittellinie M) (vgl. auch die vergrößerte Teildarstellung in Figur 6) besteht aus einem Kolbengrundkörper 331 und einem Kolbenringelement 332. Das Kolbenringelement 332 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Teil des Kolbenbodens 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 332 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 331 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 333 im Kolbenboden angeordnet ist. Figur 7 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kolbens 410. Der Kolben 410 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 210 gemäß Figur 5, rechte Seite. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu Figur 5 verwiesen.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das Verschlusselement 435 in Form eines einstückig mit dem Kolbenringelement 432 verbundenen umlaufenden Flansches ausgebildet ist. Das Verschlusselement 435 erstreckt sich in Richtung der Verbrennungsmulde 13 derart, dass das freie Ende des Verschlusselements 435 zusammen mit der Außenwand der Verbrennungsmulde 13 einen umlaufenden Ringspalt 436 bildet.
Der Kolben 410 besteht ebenfalls aus einem Kolbengrundkörper 431 und einem Kolbenringelement 432. Das Kolbenringelement 432 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Teil der Muldenwand sowie den Muldenrand der der Verbrennungsmulde 13 sowie den Kolbenboden 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 432 ist im Ausführungsbeispiel mittels Reibschweißen mit dem Kolbengrundkörper 431 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 433 in der in der Muldenwand der Verbrennungsmulde 13 angeordnet ist.
Figur 8 zeigt beispielhaft in einer vergrößerten Teildarstellung den Kühlkanal 19 mit Kühlkanalboden 26 und Kühlkanaldecke 27 sowie den Kolbenboden 12, einen Teil der Verbrennungsmulde 13 den Feuersteg 14, die Ringpartie 15 mit den Ringnuten 16, 17, 18 sowie das Verschlusselement 435 des erfindungsgemäßen Kolbens 410 gemäß Figur 7.
Die Verbrennungsmulde 13 ist mit einem Hinterschnitt 29 versehen, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 zu bestimmen (siehe dazu unten).
Es ist bevorzugt, dass die Höhe h des Feuerstegs 14 maximal 9 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe Figuren 1 und 2) beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals 19 in Bezug auf den Kolbenboden 12 und die Ringpartie 15 bewirkt.
Unter Zugrundelegung dieser Bemessenregel für den Feuersteg 14 ist es bevorzugt, dass der Abstand a zwischen dem Kolbenboden 12 und dem Kühlkanalboden 26 zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe Figuren 1 und 2) beträgt. Damit wird der Kühlkanal 19 in optimaler Nähe zum heißen Kolbenboden 12 sowie in optimaler Lage relativ zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18 positioniert.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Höhe c des Kühlkanals 19 das 0,8-fache bis 1 ,7-fache seiner Breite d beträgt. Diese Bemessungsregel bewirkt ein optimales Volumen des Kühlkanals 19 sowie eine optimale Ausrichtung relative zur heißen Verbrennungsmulde 13, insbesondere zum Muldenrand, sowie zum heißen Kolbenboden 12 und zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18.
Schließlich ist es bevorzugt, dass der Abstand b zwischen dem Kolbenboden 12 und der Kühlkanaldecke 27 zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (vgl. Figuren 1 und 2) beträgt. Auch diese Bemessungsregel bewirkt eine optimale Positionierung des Kühlkanals 19 in Bezug auf den heißen Kolbenboden 12.
Schlussendlich ist es bevorzugt, dass die geringste Wanddicke w in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 erzielt.
Die Figuren 9a und 9b sowie 10a und 10b zeigen schematisch die Kühlölbewegung im Motorbetrieb sowie die Temperaturzonen im Bereich der Verbrennungsmulde, des Kolbenbodens, des Kühlkanals und der Ringnuten sowohl für einen erfindungsgemäßen Kolben (Figuren 9a und 9b) als auch für einen Kolben gemäß dem Stand der Technik (Figuren 10a und 10b). In den Figuren 9a, 9b, 10a, 10b sind schematisch drei Wärmezonen, nämlich„heiß", „warm" und„kühl" bezeichnet. Damit sollen die relativen Temperaturunterschiede in den einzelnen Kolbenbereichen illustriert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Figuren 9a und 9b) ist der Kühlkanal gegenüber dem Stand der Technik in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl fast ausschließlich entlang der„heißen" Bereiche des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde bewegt. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den„heißen" Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge sollte beibehalten und das Motormanagement so eingerichtet werden, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird.
Im Stand der Technik (Figuren 10a und 10b) erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter, um mit- hilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen einem „heißen" Bereich, nämlich dem Kolbenboden und dem Muldenrand der Verbrennungsmulde und einem„kühlen" Bereich, nämlich dem Kühlkanalboden. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt.
Im Ergebnis ergibt sich beim erfindungsgemäßen Kolben im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (12), einen umlaufenden Feuersteg (14), eine umlaufende Ringpartie (15) mit Ringnuten (16, 17, 18) und im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal (19) aufweist, wobei der Kühlkanal (19) einen Kühlkanalboden (26) und eine Kühlkanaldecke (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (35, 135, 2235, 335, 435) derart im Kolbenkopf (11) angeordnet ist, dass der Kühlkanalboden (26) oberhalb der untersten Ringnut (18) angeordnet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalboden (26) in Höhe der zweiten Ringnut (17) angeordnet ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalboden (26) zwischen der ersten Ringnut (16) und der zweiten Ringnut (17) angeordnet ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (35, 135, 235, 335, 435) derart im Kolbenkopf (11) angeordnet ist, dass ein umlaufender Ringspalt (36, 136, 236, 336, 436) im Kühlkanalboden (26) ausgebildet ist.
5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Feuerstegs (14) maximal 9 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Kolbenboden (12) und dem Kühlkanalboden (26) zwischen 11% und 17 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
7. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (c) des Kühlkanals (19) das 0,8-fache bis 1 ,7-fache seiner Breite (d) beträgt.
8. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) zwischen dem Kolbenboden (12) und der Kühlkanaldecke (27) zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
9. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshöhe (KH) zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
10. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenkopf (11) eine Verbrennungsmulde (13) ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke (w) in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde (13) und dem Kühlkanal (19) zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmulde (13) mit einem Hinterschnitt (29) versehen ist.
12. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (35) als separates Bauteil ausgebildet ist.
13. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10, 110, 20, 310, 410) aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen (31 , 32; 131 , 132, 231 , 232; 331 , 332; 432, 433) zusammengesetzt ist.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kolbengrundkörper (31 , 131 , 231 , 331 , 431) und ein Kolbenringelement (32, 132, 232, 332, 432) aufweist.
15. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (135, 235) einstückig mit dem Kolbengrundkörper (131 , 231) ausgebildet ist.
16. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (335, 435) einstückig mit dem Kolbenringelement (332, 432) ausgebildet ist.
17. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens einem Stahlwerkstoff besteht.
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