EP3164587B1 - Spaltgeometrie bei einem stoffschlüssig gefügten kühlkanalkolben - Google Patents

Spaltgeometrie bei einem stoffschlüssig gefügten kühlkanalkolben Download PDF

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EP3164587B1
EP3164587B1 EP15733753.6A EP15733753A EP3164587B1 EP 3164587 B1 EP3164587 B1 EP 3164587B1 EP 15733753 A EP15733753 A EP 15733753A EP 3164587 B1 EP3164587 B1 EP 3164587B1
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EP
European Patent Office
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piston
gap
cooled piston
cooling channel
Prior art date
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EP15733753.6A
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French (fr)
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EP3164587A1 (de
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Matthias Laqua
Volker Lehnert
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KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a cooling channel piston for internal combustion engines with a gap geometry in a cohesively joined cooling channel and several methods for operating a cooling channel piston according to the features of the respective preamble of the independent claims.
  • This cooling channel piston has an upper piston part and a lower piston part, these two parts being connected to one another via a material connection, in particular a friction welded connection. After the connection, these two parts form an annular circumferential annular cooling channel which is arranged approximately behind an annular field.
  • the cooling channel piston can optionally have a cooling chamber, transfer channels between the cooling channel and the cooling chamber, and cooling pockets. For the implementation of the teaching of this document, no cold room, no transition channel and no cool bag are required.
  • connection forms or joining methods such as, for example, electron beam welding, gluing, clamping, screwing or the like can also be used.
  • a cooling channel piston which consists of an upper part and a lower part. These two parts are permanently joined using a friction weld.
  • An annular cooling channel is formed by the upper part and the lower part (can also be formed by only one of the parts) and is located approximately behind an annular field.
  • the ring field ends in the upper part in the direction of the lower part in a circumferential ring wall, which can be supported by a gap geometry on a corresponding abutment surface, which is also circumferential, of the lower part.
  • This gap geometry is used to ensure that the outer region of the upper part below the ring field is supported on the corresponding upward-facing region of the lower part, in particular in the shaft region, during operation of the cooling channel piston in the internal combustion engine. At the same time, this gap geometry ensures that the cooling medium, which is located in the ring-shaped cooling channel during the operation of the cooling channel piston in the internal combustion engine and is circulated and exchanged there, does not escape via this gap geometry.
  • That part of the gap area which extends in the direction of the annular cooling channel can no longer be checked and also no longer reworked if the upper part and lower part are permanently joined together, in particular using friction welding. Because this area is no longer accessible after merging. However, if it should appear that this gap area or even the entire gap area is too small due to the manufacture (or possibly also during the operation of the cooling channel piston), the upper part is supported on the lower part when the gas force is loaded. This creates stresses that can cause cracks to form on the joint connection, in particular the friction weld connection. If, on the other hand, the gap is too large, the cooling medium can penetrate outward through this gap in the direction of the cylinder wall.
  • the object of the invention is therefore to provide a cooling channel piston, which does not have the disadvantages mentioned above, and several methods for operating a corresponding cooling channel piston.
  • a cooling duct piston for an internal combustion engine having an upper part and a lower part, these two parts being connected to one another via an integral joint connection, and these two parts forming an annular circumferential cooling duct, which is arranged approximately behind an annular field, between a lower edge of the ring field and an upper edge of a lower part, a gap geometry is provided, the gap geometry having at least one sliding surface which is arranged on a lower edge of the ring field of the cooling channel piston and / or on the corresponding upper edge of a lower part of the cooling channel piston.
  • the introduction of forces into the integral joint connection between the upper part and the lower part of the cooling channel piston is avoided by at least one gap in the gap geometry. If they nevertheless come into contact, measures are taken to prevent damage to the cooling channel piston. For example, stress cracks in the integral joint connection are prevented when the cooling channel piston is operated in an internal combustion engine.
  • the integral joint can be designed as a weld. If different materials are used for the upper part and lower part, the at least one gap can serve as an expansion joint with different expansion of the materials.
  • the at least one gap is designed such that the upper part and lower part of the cooling channel piston do not touch after production and preferably also during operation of the internal combustion engine in the area between the upper edge of the lower part and the lower edge of the ring field.
  • At least one sliding surface is provided.
  • This at least one sliding surface enables the sliding partners to slide along this at least one sliding surface.
  • the directional force leads to a deformation of at least one element having a sliding surface.
  • the deformation of the element having at least one sliding surface can be reversible.
  • This element having at least one sliding surface can be arranged on the upper part and / or on the lower part of the cooling channel piston.
  • the deformation of the element having at least one sliding surface is preferably carried out by deflecting the element in the direction of the piston stroke axis or opposite to the piston stroke axis.
  • the deflection can also affect more than one element having at least one sliding surface.
  • several elements can dodge each other or slide along in opposite directions by deflecting the respective element. This avoids stress cracks in the integral connection between the upper part and lower part of the cooling channel piston.
  • This also results in targeted deformation, for example by deflection, of the area having the ring field in the event of excessive force. This area can deviate either in the direction of the piston stroke axis or away from the piston stroke axis in the direction of the cylinder wall. In both cases, sufficient space is provided which enables the internal combustion engine to continue operating.
  • the gap geometry has a gap with a variable gap dimension.
  • This gap dimension can be varied depending on the requirements for the internal combustion engine or the specifications of the internal combustion engine in which the cooling channel piston is used.
  • the power and the displacement of the internal combustion engine may be mentioned here, for example.
  • the choice of material also has an influence on the gap dimension to be set. Different areas of application of the internal combustion engine, having a cooling channel piston according to the invention, can also have an influence on the gap dimension to be set. For this purpose, reference is made to different climatic conditions in which the internal combustion engine is to be operated.
  • the use of the internal combustion engine having a corresponding cooling channel piston as a stationary one Machines, for example for energy generation, or in different vehicles such as passenger cars, trucks, locomotives, locomotives or ships, taking into account the respective operating parameters, can have an influence on the gap dimension to be set.
  • the choice of a suitable gap dimension ensures that the upper part and lower part preferably do not touch in the area of the gap geometry during operation of the internal combustion engine.
  • the lower edge of the ring field of the cooling channel piston and / or the corresponding upper edge of a lower part of the cooling channel piston has a diagonal course with respect to the piston stroke axis. If the lower edge of the annular field of the cooling channel piston and the corresponding upper edge of a lower part of the cooling channel piston come into contact with one another as a result of the force exerted on the area having the ring field parallel to the piston stroke axis or almost parallel to the piston stroke axis, the diagonal formation of at least one contact surface leads to the sliding of the contact surfaces.
  • the contact or sliding surfaces preferably slide in opposite directions. It is also conceivable that a contact or sliding surface remains rigid and only the corresponding contact or sliding surface is moved by the action of force. Damage to the cooling channel piston that leads to failure of the internal combustion engine is thus effectively prevented.
  • the lower edge of the annular field of the cooling channel piston and / or the corresponding upper edge of a lower part of the cooling channel piston has a curved course. If the lower edge of the ring field comes into contact with the upper edge of the lower part, the curved shape of the lower edge of the ring field prevents direct force transmission in this area into the lower part of the cooling channel piston.
  • the lower edge of the ring field slides along its curved course on the upper edge of the lower part facing it. For example, the area of the upper part which has the ring field deviates in the direction of the piston stroke axis. This effectively prevents the cooling channel piston from moving in the cylinder Internal combustion engine times. Operation of the internal combustion engine is still possible.
  • a projection is provided on the side of the ring field facing the cooling channel.
  • This protrusion forms a circumferential bead protruding into the cooling channel. This bead reinforces the ring field opposite it.
  • the protrusion can assume a curved shape on average, with an ascending and a descending flank being provided.
  • the projection has a curved course.
  • the curved course of the projection in turn enables a directed sliding on a preferably chamfered upper edge of the lower part in order to prevent an impermissible introduction of force into the lower part of the cooling channel piston.
  • the curved design of the projection enables controlled evasion of the area of the upper part encompassing the ring field in the event of impermissible force introduction into the upper part of the cooling channel piston. In this case, the section with the ring field deviates in the direction of the cylinder wall. However, sufficient space is provided to prevent the piston from becoming stuck in the cylinder due to this deformation.
  • the projection forms a guide contour for the cooling medium.
  • the cooling medium is directed past the gap geometry coming from the cooling pockets. Coming from the opposite direction, the cooling medium is also directed past the gap geometry.
  • the guiding contour can assume a curve-shaped course in section, in this case the cooling medium is in each case in a different one during the upward and downward movement of the cooling channel piston Directed direction, preferably in the direction diagonal to the piston stroke axis.
  • the guiding contour can be designed, for example, as a separate element, such as a sheet. Alternatively, it can be embodied integrally with the upper and / or lower part of the cooling channel piston.
  • a gap within the gap geometry which separates the upper part and lower part, has an upper gap dimension which is larger than a lower gap dimension.
  • a larger gap dimension is provided in the expected main direction of force along the piston stroke axis in order to prevent the lower edge of the ring field from touching the upper edge of the lower part.
  • the at least one gap of the gap geometry has at least one section with an orientation parallel to the piston stroke axis or almost parallel to the piston stroke axis. This vertical or almost vertical alignment of the section effectively prevents cooling medium from passing through the gap geometry.
  • a method for operating a cooling channel piston for internal combustion engines is provided, the cooling medium being guided around it by the gap geometry having a guide contour. This prevents the cooling medium from passing through the gap geometry during operation of the internal combustion engine. This process makes it possible to keep the cooling medium inside the cooling channel so that it is fully available for heat exchange.
  • the projection is designed as a guide contour for the cooling medium, a defined flow direction of the cooling medium being effected during the upward movement of the cooling channel piston and a defined flow direction of the cooling medium during the downward movement of the cooling channel piston.
  • Ascending cooling medium is directed faster towards the combustion chamber trough to absorb the main amount of heat from the combustion process.
  • Has the cooling channel piston optional Cooling bags open, rising cooling medium is also conveyed faster towards cooling bags. Heated cooling medium is in turn led out of the heat exchange area faster.
  • a method for operating a cooling channel piston in particular for internal combustion engines, wherein when the upper part and lower part of the cooling channel piston come into contact with force, at least one sliding surface arranged on the upper part and / or lower part causes the upper part and lower part to slide against one another.
  • the geometric design of the lower edge of the ring field prevents inadmissible force transmission into the lower part when touching the upper edge of the lower part. Due to the curvilinear design of the lower edge of the ring field, this lower edge deviates either in the direction of the piston stroke axis or in the direction of the cylinder wall upon contact with the upper edge of the lower part. This depends on the preferred direction depending on the design of the curve. In both cases, further operation of the internal combustion engine is possible.
  • a method for operating a cooling channel piston for internal combustion engines is provided, the upper part and lower part sliding along a curved sliding surface.
  • the curved design of the lower edge of the ring field in cooperation with the upper edge of the lower part prevents failure of an internal combustion engine having a cooling channel piston in the event of an overload.
  • This advantageous geometrical configuration of the gap geometry prevents inadmissible introduction of force in the direction parallel to the piston stroke axis or almost parallel to the piston stroke axis into the lower part in the region of the lower edge of the ring field. The introduction of force leads to a deformation of the region of the upper part which has the ring field, but not to a failure of the internal combustion engine.
  • the entire course of the gap or at least a partial area thereof is carried out horizontally (that is to say at right angles to the piston stroke axis).
  • the cooling medium must be opened and closed Downward movement of the cooling channel piston can be prevented by measures or geometries from entering the gap.
  • the cooling medium is accelerated during the upward or downward movement (shaker effect) and thus exits the cooling duct at high speed the gap in the direction of the ring field or the shaft, i.e. flung outwards.
  • the ring field must have the chance and must be designed and suitable to dodge itself accordingly if the gas force is too high (e.g. when knocking) and the resulting contours of the two contours of the upper part and lower part come together in order to avoid stress peaks in the welding zone of the joint connection to prevent.
  • the Figure 1 shows a cooling channel piston 1 and Figure 3 shows a cooling channel piston 100.
  • the cooling channel piston 1 has an upper part 2 and a lower part 3.
  • the cooling channel piston 100 has an upper part 102 and a lower part 103.
  • Both cooling channel pistons 1, 100 have an annular field 4 for receiving piston rings (not shown).
  • Adjacent to the ring field 4 in the direction of a central piston stroke axis 5 is a cooling channel 6 for receiving cooling medium, preferably for receiving oil.
  • the upper piston part 2, 102 and the lower piston part 3, 103 are connected to one another via a friction welding connection.
  • cooling pockets 8 connect to the cooling duct 6 in the direction of a combustion chamber trough 7. These cool bags 8 are optional and may or may not be present. These cooling pockets 8 are wetted by cooling medium during the upward and downward movement of the cooling channel piston 1, 100.
  • a cooling space 9, which is connected to the cooling duct 6, is located centrally below the combustion chamber trough 7. The connection between the cooling duct 6 and the cooling space 9 takes place via transition ducts 10. These transition ducts 10 can, but do not have to be, present.
  • a design of the cooling channel 6 without transfer channels 10 and / or without cooling pockets 8 is conceivable.
  • the cooling space 9 is also optional and can therefore be present, but need not be present.
  • a weld seam 11 connects the upper parts 2, 102 to the lower parts 3, 103 of the cooling channel pistons 1, 100.
  • a gap geometry 13 is arranged below the ring field 4 in the area where the upper part 2 and the lower part 3 of the cooling channel piston 1 meet.
  • a gap geometry 113 is provided between the upper part 102 and the lower part 103 of the cooling channel piston 100 below the ring field 4.
  • a shaft and hub region 14 adjoins below the gap geometries 13, 113.
  • the gap geometries 13, 113 have at least one sliding surface 19, which on a Lower edge 16 of the annular field 4 of the cooling channel piston 1, 100 and / or on the corresponding upper edge 17 of a lower part 3, 103 of the cooling channel piston 1, 100 is arranged.
  • the lower edge 16 of the ring field 4 of the cooling channel piston 1, 100 and / or the corresponding upper edge 17 of a lower part 3, 103 of the cooling channel piston 1, 100 can have a diagonal course with respect to the piston stroke axis 5 or a curved course.
  • the configurations of the gap geometries 13, 113 according to the invention are described in more detail below.
  • the Figures 2A and 2 B show the gap geometry 13 as in Figure 1 Detail marked with II.
  • the Figure 4 shows the gap geometry 113 as in Figure 3 Detail marked with IV.
  • the Figures 1 , 2A and 2 B a first gap geometry 13 and in the Figures 3 and 4th another gap geometry 113 shown.
  • These gap geometries 13, 113 which are located below the annular field 4 of the upper part 2, 102 and above the shaft and scar region 14 of the lower part 3, 103, have in common that they are in each operating state of the cooling channel piston 1, 100 (for example during a cold start, under maximum load, as well as in normal condition) form a defined gap dimension X 1 , X 2 , X 3 , X 4 (e.g. Figure 2A and 4th ).
  • An upper gap dimension X 1 , X 3 is, for example, each designed to be larger than a lower gap dimension X 2 , X 4 .
  • the geometry 13, 113 of the gap area and the distance, ie the gap opening, are selected such that the upward and downward movement of the cooling channel piston 1, 100 prevents the cooling medium from entering the gap area or the gap area being so small, that either no amount of cooling medium or only a minimal, just permissible amount of cooling medium can escape.
  • the gap geometry 13, 113 and the distance are selected such that the regions facing one another (lower edge 16 of the ring zone 4 and / or upper edge 17 of the lower part 3, 103) can dodge when they meet, in order to avoid that the upper part 2, 102 is supported in an impermissible manner on the lower part 3, 103.
  • This fact is in Figure 2B shown.
  • the gap dimension X 1 is therefore no longer present and is therefore not shown.
  • the gap dimension X 2 decreases from that in Figure 2A to the extent shown in Figure 2B shown dimension.
  • Y is the direction of movement of the lower edge 16 of the ring field 4 and the direction of movement of the upper edge 17 of the lower part 3 in the case of an impermissibly high load.
  • the lower edge 16 of the ring field 4 is designed in a curved manner. Due to this curved configuration, the lower edge 16 of the ring field 4 slides on the upper edge 17 of the lower part 3. This controlled deformation in the area of the ring field 4 prevents failure of the internal combustion engine, in which a correspondingly designed cooling channel piston 1 is inserted.
  • the projection 18 formed in the area of the lower edge 16 of the ring field 4 in FIG Figure 4 gap geometry 113 shown has a curved course.
  • the projection 18 slides on the chamfered area of the upper edge 17 of the lower part 103. This also effectively prevents failure of the internal combustion engine, which is operated with a cooling channel piston 100. An inadmissible support of the upper part 102 on the lower part 103 is thus prevented.
  • the geometry 13, 113 in the Figures 2A and 4th chosen so that the upper part 2, 102 and the lower part 3, 103 are prevented from being supported on one another in the region of the gap geometry 13, 113.
  • the Figures 2A and 4th thus show the gap geometries 13, 113 in the normal state.
  • the gap geometry 13, 113 is selected such that a gap 15 is retained, albeit minimal, under the prevailing operating conditions of the cooling channel piston, but at the same time it prevents the cooling medium from penetrating into the gap area and reaching the piston skirt. This is realized by a targeted geometry and, as a result, a targeted guidance of the cooling medium during the upward and downward movement of the cooling channel piston 100 in the internal combustion engine.
  • Z shows the direction of movement of the cooling medium during the upward and downward movement of the cooling channel piston 100.
  • the coolant flow is directed in such a way that it cannot pass through the gap 15 or the gap geometry 113 by a projection 18 which is arranged on the cooling channel side on the ring field 4.
  • Z 1 denotes the flow direction of the cooling medium during the upward movement of the cooling channel piston 100.
  • Z 2 denotes the direction of flow of the cooling medium during the downward movement of the cooling channel piston 100.
  • the projection 18 thus forms a guide contour on the gap geometry 113 for the cooling medium during operation of the internal combustion engine.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben für Brennkraftmaschinen mit einer Spaltgeometrie bei einem stoffschlüssig gefügten Kühlkanal sowie mehrere Verfahren zum Betrieb eines Kühlkanalkolbens gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
  • Dieser Kühlkanalkolben weist ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil auf, wobei diese beiden Teile über eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere Reibschweißverbindung, miteinander verbunden werden. Nach der Verbindung bilden diese beiden Teile einen ringförmig umlaufenden ringförmigen Kühlkanal, der etwa hinter einem Ringfeld angeordnet ist. Optional kann der Kühlkanalkolben einen Kühlraum, Übertrittskanäle zwischen Kühlkanal und Kühlraum sowie Kühltaschen aufweisen. Für die Ausführung der Lehre dieser Schrift sind kein Kühlraum, kein Übertrittskanal und auch keine Kühltasche erforderlich.
  • Die Reibschweißverbindung von Oberteil und Unterteil ist besonders bevorzugt. Andere Verbindungsformen bzw. Fügeverfahren wie zum Beispiel Elektronenstrahlschweißen, Kleben, Klemmen, Verschrauben oder dergleichen sind ebenfalls anwendbar.
  • Aus der WO 2006/034862 A1 ist ein Kühlkanalkolben bekannt, der aus einem Oberteil und einem Unterteil besteht. Diese beiden Teile sind unter Verwendung einer Reibschweißverbindung dauerhaft zusammengefügt. Ein ringförmiger Kühlkanal ist von dem Oberteil und dem Unterteil gebildet (kann auch nur von einem der Teile gebildet werden) und befindet sich in etwa hinter einem Ringfeld.
  • Das Ringfeld endet im Oberteil in Richtung des Unterteiles in einer umlaufenden Ringwand, die sich über eine Spaltgeometrie an einer entsprechenden Stoßfläche, die ebenfalls umlaufend ist, des Unterteils abstützen kann.
  • In diesem Stand der Technik ist in den Figuren 1 bis 4 jeweils eine entsprechende Spaltgeometrie gezeigt.
  • Über diese Spaltgeometrie ist sicherzustellen, dass sich im Betrieb des Kühlkanalkolbens in der Brennkraftmaschine der äußere Bereich des Oberteiles unterhalb des Ringfeldes an dem korrespondierenden nach oben gewandten Bereich des Unterteiles, insbesondere im Schaftbereich, abstützt. Gleichzeitig ist durch diese Spaltgeometrie sicherzustellen, dass das Kühlmedium, welches sich während des Betriebes des Kühlkanalkolbens in der Brennkraftmaschine in dem ringförmigen Kühlkanal befindet und dort zirkuliert sowie ausgetauscht wird, nicht über diese Spaltgeometrie entweicht.
  • Diese Spaltgeometrien, wie sie in der WO 2006/034862 A1 beschrieben sind, haben jedoch entscheidende Nachteile.
  • Derjenige Teil des Spaltbereiches, der sich in Richtung des ringförmigen Kühlkanales hin erstreckt, kann nicht mehr kontrolliert und auch nicht mehr nachbearbeitet werden, wenn Oberteil und Unterteil dauerhaft miteinander zusammengefügt sind, insbesondere unter Anwendung des Reibschweißens. Denn dieser Bereich ist nach dem Zusammenfügen nicht mehr zugänglich. Sollte sich jedoch ergeben, dass aufgrund der Herstellung (oder auch ggf. während des Betriebes des Kühlkanalkolbens) dieser Spaltbereich oder sogar der gesamte Spaltbereich zu klein ist, stützt sich das Oberteil bei Gaskraftbelastung auf das Unterteil ab. Dadurch entstehen Spannungen, die dazu führen können, dass sich Risse an der Fügeverbindung, insbesondere der Reibschweißverbindung, bilden. Ist jedoch andererseits der Spalt zu groß, kann das Kühlmedium in ungewünschter Menge durch diesen Spalt nach außen in Richtung der Zylinderwand dringen.
  • Weiteren Kolben mit anderen Spaltgeometrien oder Auflageflächen sind aus US2009/0151555 , EP1180592 oder WO2012/083929 bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kühlkanalkolben, welcher die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist, sowie mehrere Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Kühlkanalkolbens bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkanalkolben und mehrere Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist ein Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, aufweisend ein Oberteil und ein Unterteil, wobei diese beiden Teile über eine stoffschlüssige Fügeverbindung, miteinander verbunden sind und diese beiden Teile einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal bilden, der etwa hinter einem Ringfeld angeordnet ist, wobei zwischen einer Unterkante des Ringfeldes und einer Oberkante eines Unterteiles eine Spaltgeometrie vorgesehen ist, wobei die Spaltgeometrie mindestens eine Gleitfläche aufweist, welche an einer Unterkante des Ringfeldes des Kühlkanalkolbens und/oder an der korrespondierenden Oberkante eines Unterteiles des Kühlkanalkolbens angeordnet ist.
  • Durch mindestens einen Spalt in der Spaltgeometrie wird die Einleitung von Kräften in die stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen Oberteil und Unterteil des Kühlkanalkolbens vermieden. Treten sie dennoch in Kontakt, sind Maßnahmen vorgesehen, um eine Beschädigung des Kühlkanalkolbens zu unterbinden. Somit werden beispielsweise Spannungsrisse in der stoffschlüssigen Fügeverbindung beim Betrieb des Kühlkanalkolbens in einer Brennkraftmaschine verhindert. Die stoffschlüssige Fügeverbindung kann als Schweißnaht ausgeführt sein. Werden unterschiedliche Werkstoffe für Oberteil und Unterteil verwendet, kann der mindestens eine Spalt als Dehnungsfuge bei unterschiedlicher Ausdehnung der Werkstoffe dienen. Der mindestens eine Spalt ist so ausgelegt, dass Oberteil und Unterteil des Kühlkanalkolbens sich nach der Herstellung und bevorzugt auch im Betrieb der Brennkraftmaschine im Bereich zwischen der Oberkante des Unterteiles und der Unterkante des Ringfeldes nicht berühren.
  • Sollte es jedoch zu einer Krafteinwirkung parallel oder nahezu parallel zur Kolbenhubachse kommen, welche zu einem Kontakt bzw. einer Berührung zwischen der Unterkante des Ringfeldes des Kühlkanalkolbens und der korrespondierenden Oberkante eines Unterteiles des Kühlkanalkolbens führt, ist mindestens eine Gleitfläche vorgesehen. Diese mindestens eine Gleitfläche ermöglicht ein Gleiten der Gleitpartner entlang dieser mindestens einen Gleitfläche. Die gerichtete Krafteinwirkung führt zu einer Verformung mindestens eines eine Gleitfläche aufweisenden Elements. Abhängig von der Intensität der Krafteinwirkung und dem eingesetzten Werkstoff sowie der Geometrie der Gleitpartner kann die Verformung des mindestens eine Gleitfläche aufweisenden Elements reversibel sein. Dieses mindestens eine Gleitfläche aufweisende Element kann am Oberteil und/oder am Unterteil des Kühlkanalkolbens angeordnet sein. Die Verformung des mindestens eine Gleitfläche aufweisenden Elements erfolgt bevorzugt durch Auslenkung des Elements in Richtung der Kolbenhubachse oder entgegengesetzt der Kolbenhubachse. Von der Auslenkung kann auch mehr als ein mindestens eine Gleitfläche aufweisendes Element betroffen sein. Mehrere Elemente können beispielsweise in entgegengesetzte Richtungen durch Auslenkung des jeweiligen Elements einander ausweichen beziehungsweise entlang gleiten. Hierdurch werden Spannungsrisse in der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil des Kühlkanalkolbens vermieden. Auch wird hierdurch eine gezielte Verformung, beispielsweise durch Auslenkung, des das Ringfeld aufweisenden Bereiches im Falle einer überhöhten Krafteinwirkung erreicht. Dieser Bereich kann entweder in Richtung der Kolbenhubachse oder von der Kolbenhubachse weg in Richtung der Zylinderwand ausweichen. In beiden Fällen ist genügend Raum vorgesehen, welcher einen weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Spaltgeometrie einen Spalt mit einem variablen Spaltmaß aufweist. Dieses Spaltmaß kann abhängig von den Anforderungen an die Brennkraftmaschine bzw. den Spezifikationen der Brennkraftmaschine in welcher der Kühlkanalkolben eingesetzt wird variiert werden. Hier seien beispielsweise die Leistung und der Hubraum der Brennkraftmaschine genannt. Auch die Werkstoffwahl hat einen Einfluss auf das einzustellende Spaltmaß. Auch unterschiedliche Einsatzgebiete der Brennkraftmaschine, aufweisend einen erfindungsgemäßen Kühlkanalkolben, können Einfluss auf das einzustellende Spaltmaß haben. Hierzu wird auf unterschiedliche klimatische Bedingungen verwiesen, in denen die Brennkraftmaschine betrieben werden soll. Auch die Verwendung der einen entsprechenden Kühlkanalkolben aufweisenden Brennkraftmaschine als stationäre Maschine, beispielsweise zur Energieerzeugung, oder in unterschiedlichen Fahrzeugen wie beispielsweise Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Lokomotiven, Triebfahrzeugen oder Schiffen unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebsparameter, kann Einfluss auf das einzustellende Spaltmaß haben. Durch die Wahl eines geeigneten Spaltmaßes wird sichergestellt, dass Oberteil und Unterteil sich im Bereich der Spaltgeometrie im Betrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt nicht berühren.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Unterkante des Ringfeldes des Kühlkanalkolbens und/oder die korrespondierenden Oberkante eines Unterteiles des Kühlkanalkolbens einen diagonalen Verlauf in Bezug auf die Kolbenhubachse aufweist. Wenn durch Krafteinwirkung auf den das Ringfeld aufweisenden Bereich parallel zur Kolbenhubachse oder nahezu parallel zur Kolbenhubachse die Unterkante des Ringfeldes des Kühlkanalkolbens und die korrespondierenden Oberkante eines Unterteiles des Kühlkanalkolbens in Kontakt miteinander treten, führt die diagonale Ausbildung mindestens einer Kontaktfläche zum Gleiten der Kontaktflächen. Hierbei gleiten die Kontakt- bzw. Gleitflächen bevorzugt in entgegengesetzte Richtungen. Es ist auch denkbar, dass eine Kontakt- bzw. Gleitfläche starr verharrt und lediglich die korrespondierende Kontakt- bzw. Gleitfläche durch die Krafteinwirkung bewegt wird. Eine zum Ausfall der Brennkraftmaschine führende Beschädigung des Kühlkanalkolbens wird somit wirksam verhindert.
  • Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Unterkante des Ringfeldes des Kühlkanalkolbens und/oder die korrespondierenden Oberkante eines Unterteiles des Kühlkanalkolbens einen kurvenförmigen Verlauf aufweist. Falls es zu einer Berührung der Unterkante des Ringfeldes mit der Oberkante des Unterteiles kommt, verhindert der kurvenförmige Verlauf der Unterkante des Ringfeldes eine direkte Krafteinleitung in diesem Bereich in das Unterteil des Kühlkanalkolbens. Die Unterkante des Ringfeldes gleitet entlang ihres kurvenförmigen Verlaufs an der ihr zugewandten Oberkante des Unterteils ab. Beispielsweise weicht der das Ringfeld aufweisende Bereich des Oberteiles in Richtung der Kolbenhubachse aus. Hierdurch wird wirksam verhindert, dass sich der Kühlkanalkolben im Zylinder der Brennkraftmaschine festsetzt. Ein Betrieb der Brennkraftmaschine ist weiterhin möglich.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der dem Kühlkanal zugewandten Seite des Ringfeldes ein Vorsprung vorgesehen ist. Dieser Vorsprung bildet eine in den Kühlkanal hineinragende umlaufende Wulst aus. Diese Wulst verstärkt das ihr gegenüberliegende Ringfeld. Je nach geometrischer Gestaltung des Vorsprungs dieser auch vorteilhafterweise zum Leiten des Kühlmediums innerhalb des Kühlkanals. Beispielsweise eine im Schnitt durch den umlaufenden Vorsprung dreieckig gestaltete Geometrie zu nennen. Bei dieser dreieckigen Ausgestaltung des Vorsprungs würde die Spitze des Dreiecks in Richtung der Kolbenhubachse weisen. Auch sind im Schnitt Polyeder-förmige Gestaltungen des Vorsprungs denkbar. Ebenso kann der Vorsprung im Schnitt einen kurvenförmigen Verlauf annehmen, wobei je eine ansteigende und eine absteigende Flanke vorzusehen sind.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Vorsprung einen kurvenförmigen Verlauf aufweist. Der kurvenförmige Verlauf des Vorsprungs ermöglicht wiederum ein gerichtetes Gleiten auf einer bevorzugt angefasten Oberkante des Unterteils, um eine unzulässige Krafteinleitung in das Unterteil des Kühlkanalkolbens zu verhindern. Die kurvenförmige Gestaltung des Vorsprungs ermöglicht ein gesteuertes Ausweichen des das Ringfeld umfassenden Bereiches des Oberteils bei unzulässiger Krafteinleitung in das Oberteil des Kühlkanalkolbens. Der Abschnitt mit dem Ringfeld weicht in diesem Fall in Richtung der Zylinderwand aus. Es ist jedoch genügend Raum vorgesehen, um ein Festsitzen des Kolbens im Zylinder durch diese Verformung zu verhindern.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Vorsprung eine Leitkontur für das Kühlmedium ausbildet. Hierdurch wird ein Durchtritt des Kühlmediums durch die Spaltgeometrie bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens wirksam verhindert. Das Kühlmedium wird aus Richtung von Kühltaschen kommend an der Spaltgeometrie vorbei geleitet. Auch aus der Gegenrichtung kommend wird das Kühlmedium an der Spaltgeometrie vorbeigeleitet. Die Leitkontur kann einen im Schnitt kurvenförmigen Verlauf annehmen, hierbei wird das Kühlmedium bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens jeweils in eine andere Richtung gelenkt, bevorzugt in Richtung diagonal zur Kolbenhubachse. Die Leitkontur kann beispielsweise als separates Element, wie ein Blech ausgeführt sein. Alternativ kann sie integral mit dem Ober- und/oder Unterteil des Kühlkanalkolbens ausgeführt sein.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Spalt innerhalb der Spaltgeometrie, welcher Oberteil und Unterteil beabstandet, ein oberes Spaltmaß aufweist, welches größer ist als ein unteres Spaltmaß. Hierdurch wird in der erwarteten Hauptkraftrichtung entlang der Kolbenhubachse ein größeres Spaltmaß vorgehalten, um einer Berührung der Unterkante des Ringfeldes mit der Oberkante des Unterteiles vorzubeugen.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Spalt der Spaltgeometrie mindestens einen Abschnitt mit einer Ausrichtung parallel zur Kolbenhubachse oder nahezu parallel zur Kolbenhubachse aufweist. Durch diese senkrechte oder nahezu senkrechte Ausrichtung des Abschnittes wird ein Hindurchtreten von Kühlmedium durch die Spaltgeometrie wirksam verhindert.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkanalkolbens für Brennkraftmaschinen vorgesehen, wobei das Kühlmedium durch die eine Leitkontur aufweisende Spaltgeometrie um diese herum geführt wird. Hierdurch wird ein Durchtritt des Kühlmediums durch die Spaltgeometrie während des Betriebs der Brennkraftmaschine verhindert. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Kühlmedium innerhalb des Kühlkanals zu halten, damit es im vollem Umfang dem Wärmetausch zur Verfügung steht.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Vorsprung als Leitkontur für das Kühlmedium ausgebildet ist, wobei eine definierte Flussrichtung des Kühlmediums während der Aufwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens und eine definierte Flussrichtung des Kühlmediums während der Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens bewirkt wird. Hierdurch werden gezielte Strömungen innerhalb des Kühlkanals bewirkt. Aufsteigendes Kühlmedium wird schneller Richtung Brennraummulde geleitet, um dort die Hauptwärmemenge aus dem Verbrennungsprozess aufzunehmen. Weist der Kühlkanalkolben optionale Kühltaschen auf, wird aufsteigendes Kühlmedium auch schneller Richtung Kühltaschen gefördert. Erhitztes Kühlmedium wiederum wird schneller aus dem Wärmetauschbereich heraus geleitet.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkanalkolbens, insbesondere für Brennkraftmaschinen vorgesehen, wobei bei der Berührung von Oberteil und Unterteil des Kühlkanalkolbens durch Krafteinwirkung mindestens eine am Oberteil und/oder Unterteil angeordnete Gleitfläche das Gleiten von Oberteil und Unterteil aneinander bewirkt.
  • Die geometrische Ausbildung der Unterkante des Ringfeldes unterbindet bei der Berührung der Oberkante des Unterteiles eine unzulässige Krafteinleitung in das Unterteil. Durch die kurvenförmige Ausbildung der Unterkante des Ringfeldes weicht diese Unterkante bei Kontakt mit der Oberkante des Unterteiles entweder gezielt in Richtung der Kolbenhubachse oder in Richtung der Zylinderwand aus. Dies hängt von der durch die Gestaltung des Kurvenverlaufs abhängigen Vorzugsrichtung ab. In beiden Fällen ist ein weiterer Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlkanalkolbens für Brennkraftmaschinen vorgesehen, wobei Oberteil und Unterteil entlang einer kurvenförmigen Gleitfläche gleiten. Die kurvenförmige Ausbildung der Unterkante des Ringfeldes im Zusammenwirken mit der Oberkante des Unterteiles verhindert im Überlastfall einen Ausfall einer Brennkraftmaschine aufweisend einen Kühlkanalkolben. Durch diese vorteilhafte geometrische Ausgestaltung der Spaltgeometrie wird eine unzulässige Krafteinleitung in Richtung parallel zu der Kolbenhubachse oder nahezu in paralleler Richtung zu der Kolbenhubachse in das Unterteil im Bereich der Unterkante des Ringfeldes vermieden. Die Krafteinleitung führt zu einer Verformung des das Ringfeld aufweisenden Bereiches des Oberteils, jedoch nicht zu einem Ausfall der Brennkraftmaschine.
  • Um die einleitend geschilderten Nachteile zu vermeiden, ist es zwingend erforderlich, dass der gesamte Verlauf des Spaltes oder zumindest ein Teilbereich davon in Richtung des Kühlkanales waagerecht (das heißt rechtwinklig zur Kolbenhubachse) ausgeführt wird. Alternativ muss das Kühlmedium bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens durch Maßnahmen bzw. Geometrien daran gehindert werden, in den Spalt zu gelangen.
  • Denn sollte der Spalt, ausgehend von dem Kühlkanal in Richtung der Außenseite des Kühlkanalkolbens von oben nach unten bzw. von unten nach oben verlaufen, wird das Kühlmedium während der Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung beschleunigt (Shakerwirkung) und somit mit hoher Geschwindigkeit aus dem Kühlkanal über dem Spalt in Richtung des Ringfeldes bzw. des Schaftes, also nach außen geschleudert.
  • Weiterhin muss das Ringfeld die Chance haben und dazu ausgebildet und geeignet sein, sich bei einer zu hohen Gaskraftbelastung (z.B. beim Klopfen) und einem dabei entstehenden Aufeinandertreffen der beiden zueinander zugewandten Konturen von Oberteil und Unterteil entsprechend auszuweichen, um dabei Spannungsspitzen in der Schweißzone der Fügeverbindung zu verhindern.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachfolgend beschrieben.
    • Fig. 1
    zeigt einen Kolben mit einer Spaltgeometrie,
    Fig. 2A u. 2B
    zeigen ein mit II in Fig. 1 gekennzeichnetes Detail,
    Fig. 3
    zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit einer Spaltgeometrie und
    Fig. 4
    zeigt ein mit IV in Fig. 3 gekennzeichnetes Detail.
  • In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, oberhalb, unterhalb, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
  • Gleiche Elemente erhalten in allen Figuren gleiche Bezugszeichen.
  • Die Figur 1 zeigt einen Kühlkanalkolben 1 und die Figur 3 zeigt einen Kühlkanalkolben 100. Der Kühlkanalkolben 1 verfügt über ein Oberteil 2 und ein Unterteil 3. Der Kühlkanalkolben 100 verfügt über ein Oberteil 102 und ein Unterteil 103. Beide Kühlkanalkolben 1, 100 weisen ein Ringfeld 4 zur Aufnahme von nicht dargestellten Kolbenringen auf. Benachbart zu dem Ringfeld 4 in Richtung einer zentralen Kolbenhubachse 5 befindet sich ein Kühlkanal 6 zur Aufnahme von Kühlmedium, bevorzugt zur Aufnahme von Öl. Das Kolbenoberteil 2, 102 und das Kolbenunterteil 3, 103 werden über eine Reibschweißverbindung miteinander verbunden.
  • Nach der Verbindung bilden diese beiden Teile 2, 3; 102, 103 den umlaufenden ringförmigen Kühlkanal 6, der etwa hinter dem Ringfeld 4 angeordnet ist. In Richtung einer Brennraummulde 7 schließen sich Kühltaschen 8 an den Kühlkanal 6 an. Diese Kühltaschen 8 sind optional und können, müssen jedoch nicht vorhanden sein. Diese Kühltaschen 8 werden bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens 1, 100 von Kühlmedium benetzt. Zentral unterhalb der Brennraummulde 7 befindet sich ein mit dem Kühlkanal 6 in Verbindung stehender Kühlraum 9. Die Verbindung zwischen dem Kühlkanal 6 und dem Kühlraum 9 erfolgt über Übertrittskanäle 10. Diese Übertrittskanäle 10 können, müssen jedoch nicht vorhanden sein. Eine Gestaltung des Kühlkanals 6 ohne Übertrittskanäle 10 und/oder ohne Kühltaschen 8 ist denkbar. Auch der Kühlraum 9 ist optional und kann daher vorhanden sein, muss jedoch nicht vorhanden sein. Eine Schweißnaht 11 verbindet die Oberteile 2, 102 mit den Unterteilen 3, 103 der Kühlkanalkolben 1, 100. Unterhalb des Kühlraums 9 sind Bolzenbohrungen 12 zur Aufnahme von nicht dargestellten Bolzen angeordnet.
  • Unterhalb des Ringfeldes 4 im Bereich des Aufeinandertreffens des Oberteils 2 und des Unterteils 3 des Kühlkanalkolbens 1 ist eine Spaltgeometrie 13 angeordnet. Zwischen dem Oberteil 102 und dem Unterteil 103 des Kühlkanalkolbens 100 ist unterhalb des Ringfeldes 4 eine Spaltgeometrie 113 vorgesehen. Unterhalb der Spaltgeometrien 13, 113 schließt sich ein Schaft- und Nabenbereich 14 an. Die Spaltgeometrien 13, 113 weisen mindestens eine Gleitfläche 19 auf, welche an einer Unterkante 16 des Ringfeldes 4 des Kühlkanalkolbens 1, 100 und/oder an der korrespondierenden Oberkante 17 eines Unterteiles 3, 103 des Kühlkanalkolbens 1, 100 angeordnet ist. Die Unterkante 16 des Ringfeldes 4 des Kühlkanalkolbens 1, 100 und/oder die korrespondierende Oberkante 17 eines Unterteiles 3, 103 des Kühlkanalkolbens 1, 100 können einen diagonalen Verlauf in Bezug auf die Kolbenhubachse 5 oder einen kurvenförmigen Verlauf aufweisen.
  • Alle geometrischen Formen, die ein Gleiten der Unterkante 16 des Ringfeldes 4 des Kühlkanalkolbens 1, 100 und/oder der korrespondierenden Oberkante 17 eines Unterteiles 3, 103 des Kühlkanalkolbens 1, 100 aufeinander zulassen, sind ebenfalls denkbar.
  • Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Spaltgeometrien 13, 113 werden nachfolgend näher beschrieben. Die Figuren 2A und 2B zeigen die Spaltgeometrie 13 als in Figur 1 mit II gekennzeichnetes Detail. Die Figur 4 zeigt die Spaltgeometrie 113 als in Figur 3 mit IV gekennzeichnetes Detail.
  • Um die einleitend geschilderten Nachteile zu vermeiden bzw. die entsprechenden Vorteile zu erzielen, sind in den Figuren 1, 2A und 2B eine erste Spaltgeometrie 13 und in den Figuren 3 und 4 eine weitere Spaltgeometrie 113 gezeigt. Diesen Spaltgeometrien 13, 113, die sich unterhalb des Ringfeldes 4 des Oberteiles 2, 102 und oberhalb des Schaft- und Narbenbereiches 14 des Unterteiles 3, 103 befinden, ist gemeinsam, dass sie während jedes Betriebszustandes des Kühlkanalkolbens 1, 100 (z.B. beim Kaltstart, unter Höchstbelastung, sowie im Normalzustand) ein definiertes Spaltmaß X1, X2, X3, X4 bilden (z.B. Figur 2A und 4). Ein oberes Spaltmaß X1, X3 ist beispielsweise jeweils größer ausgelegt als ein unteres Spaltmaß X2, X4. Die Geometrie 13, 113 des Spaltbereiches sowie der Abstand, d.h. die Spaltöffnung, sind dabei so gewählt, dass aufgrund der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens 1, 100 verhindert wird, dass das Kühlmedium in den Spaltbereich gelangt bzw. der Spaltbereich so klein ist, dass entweder gar keine Menge Kühlmedium oder nur eine geringstmögliche, gerade noch zulässige Menge Kühlmedium entweichen kann.
  • Außerdem ist die Spaltgeometrie 13, 113 und der Abstand so gewählt, dass die einander zugewandten Bereiche (Unterkante 16 des Ringfeldes 4 und / oder Oberkante 17 des Unterteiles 3, 103) beim Aufeinandertreffen ausweichen können, um zu vermeiden, dass sich das Oberteil 2, 102 in unzulässiger Weise auf dem Unterteil 3, 103 abstützt. Dieser Sachverhalt ist in Figur 2B dargestellt. Dort kommt die Unterkante 16 des Ringfeldes 4 an der Oberkante 17 des Unterteiles 3 zur Anlage. Somit ist das Spaltmaß X1 nicht mehr vorhanden und daher auch nicht eingezeichnet. Das Spaltmaß X2 verringert sich von dem in Figur 2A dargestellten Maß auf das in Figur 2B dargestellte Maß. Mit Y ist die Bewegungsrichtung der Unterkante 16 des Ringfeldes 4 und die Bewegungsrichtung der Oberkante 17 des Unterteiles 3 bei einer unzulässig hohen Belastung dargestellt. Um eine hieraus resultierende Beschädigung des Kühlkanalkolbens 1 und ein hieraus folgenden Ausfall der Brennkraftmaschine zu Unterbinden, ist die Unterkante 16 des Ringfeldes 4 kurvenförmig gestaltet. Durch diese kurvenförmige Ausgestaltung gleitet die Unterkante 16 des Ringfeldes 4 auf der Oberkante 17 des Unterteiles 3 ab. Diese gesteuerte Verformung im Bereich des Ringfeldes 4 verhindert einen Ausfall der Brennkraftmaschine, in welcher ein entsprechend gestalteter Kühlkanalkolben 1 eingesetzt ist. Reguläre Betriebszustände einer Brennkraftmaschine führen jedoch nicht zu der zuvor beschriebenen Verformung im Bereich der Unterkante 16 des Ringfeldes 4 eines Kühlkanalkolbens 1. Durch diese Sicherheitsvorkehrung ist jedoch gewährleistet, dass auch irreguläre Betriebszustände einer Brennkraftmaschine einen Kühlkanalkolben 1 aufweisend, nicht zum Ausfall dieser Brennkraftmaschine führen.
  • Auch der im Bereich der Unterkante 16 des Ringfeldes 4 ausgebildete Vorsprung 18 der in der Figur 4 dargestellten Spaltgeometrie 113 weist einen kurvenförmigen Verlauf auf. Bei entsprechender Belastung, die jedoch im regulären Betrieb einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen Kühlkanalkolben 100, nicht vorgesehen ist, gleitet der Vorsprung 18 auf dem angefasten Bereich der Oberkante 17 des Unterteiles 103 ab. Auch hierdurch wird ein Ausfall der Brennkraftmaschine, welche mit einem Kühlkanalkolben 100 betrieben wird, wirksam verhindert. Ein unzulässiges Abstützen des Oberteils 102 auf dem Unterteil 103 wird somit unterbunden.
  • Für reguläre Betriebszustände einer Brennkraftmaschine ist schließlich die Geometrie 13, 113 in den Figuren 2A und 4 so gewählt, dass verhindert wird, dass sich Oberteil 2, 102 und Unterteil 3, 103 im Bereich der Spaltgeometrie 13, 113 aufeinander abstützen können. Die Figuren 2A und 4 zeigen somit die Spaltgeometrien 13, 113 im Normalzustand.
  • Gleichzeitig ist die Spaltgeometrie 13, 113 so gewählt, dass zwar unter den vorherrschenden Betriebsbedingungen des Kühlkanalkolbens ein, wenn auch minimaler, Spalt 15 erhalten bleibt, gleichzeitig aber verhindert wird, dass das Kühlmedium in den Spaltbereich eindringen und in Richtung des Kolbenschaftes gelangen kann. Dies wird durch eine gezielte Geometrie und daraus resultierend eine gezielte Führung des Kühlmediums während der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens 100 in der Brennkraftmaschine realisiert.
  • Mit Z ist die Bewegungsrichtung des Kühlmediums während der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens 100 dargestellt. Durch einen Vorsprung 18, welcher kühlkanalseitig am Ringfeld 4 angeordnet ist, wird der Kühlmittelfluss derart gelenkt, dass er den Spalt 15 bzw. die Spaltgeometrie 113 nicht durchtreten kann. Mit Z1 ist die Flussrichtung des Kühlmediums während der Aufwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens 100 gekennzeichnet. Mit Z2 ist die Flussrichtung des Kühlmediums während der Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens 100 gekennzeichnet. Der Vorsprung 18 bildet somit eine Leitkontur an der Spaltgeometrie 113 für das Kühlmedium im Betrieb der Brennkraftmaschine aus.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Kühlkanalkolben
    100
    Kühlkanalkolben
    2
    Oberteil
    102
    Oberteil
    3
    Unterteil
    103
    Unterteil
    4
    Ringfeld
    5
    Kolbenhubachse
    6
    Kühlkanal
    7
    Brennraummulde
    8
    Kühltasche
    9
    Kühlraum
    10
    Übertrittskanal
    11
    Schweißnaht
    12
    Bolzenbohrung
    13
    Spaltgeometrie
    113
    Spaltgeometrie
    14
    Schaft- und Nabenbereich
    15
    Spalt
    16
    Unterkante
    17
    Oberkante
    18
    Vorsprung
    19
    Gleitfläche
    X1
    Oberes Spaltmaß
    X2
    Unteres Spaltmaß
    X3
    Oberes Spaltmaß
    X4
    Unteres Spaltmaß
    Y
    Bewegungsrichtung
    Z1
    Flussrichtung Kühlmedium während der Aufwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens
    Z2
    Flussrichtung Kühlmedium während der Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens

Claims (12)

  1. Kühlkanalkolben (1, 100) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil (2, 102) und ein Unterteil (3, 103), wobei diese beiden Teile (2, 3; 102, 103) über eine stoffschlüssige Fügeverbindung, ausgeführt als eine Schweißnaht (11), miteinander verbunden sind und diese beiden Teile (2, 3; 102, 103) einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal (6) bilden, der etwa hinter einem Ringfeld (4) angeordnet ist, wobei zwischen einer Unterkante (16) des Ringfeldes (4) und einer Oberkante (17) eines Unterteiles (3, 103) eine Spaltgeometrie (13, 113) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltgeometrie (13, 113) mindestens eine Gleitfläche (19) aufweist, welche an einer Unterkante (16) des Ringfeldes (4) des Kühlkanalkolbens (1, 100) und/oder an der korrespondierenden Oberkante (17) eines Unterteiles (3, 103) des Kühlkanalkolbens (1, 100) angeordnet ist.
  2. Kühlkanalkolben (1, 100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante (16) des Ringfeldes (4) des Kühlkanalkolbens (1, 100) und/oder die korrespondierenden Oberkante (17) eines Unterteiles (3, 103) des Kühlkanalkolbens (1, 100) einen diagonalen Verlauf in Bezug auf die Kolbenhubachse (5) aufweist.
  3. Kühlkanalkolben (1, 100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante (16) des Ringfeldes (4) des Kühlkanalkolbens (1, 100) und/oder die korrespondierenden Oberkante (17) eines Unterteiles (3, 103) des Kühlkanalkolbens (1, 100) einen kurvenförmigen Verlauf aufweist.
  4. Kühlkanalkolben (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Kühlkanal (6) zugewandten Seite des Ringfeldes (4) ein Vorsprung (18) vorgesehen ist.
  5. Kühlkanalkolben (100) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (18) einen kurvenförmigen Verlauf aufweist.
  6. Kühlkanalkolben (100) nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (18) eine Leitkontur für das Kühlmedium ausbildet.
  7. Kühlkanalkolben (1, 100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (15) innerhalb der Spaltgeometrie (13, 113), welcher Oberteil (2, 102) und Unterteil (3, 103) beabstandet, ein oberes Spaltmaß (X1,X3) aufweist, welches größer ist als ein unteres Spaltmaß (X2, X4).
  8. Kühlkanalkolben (1, 100) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spalt (15) der Spaltgeometrie (13, 113) mindestens einen Abschnitt mit einer Ausrichtung parallel zur Kolbenhubachse (5) oder nahezu parallel zur Kolbenhubachse (5) aufweist.
  9. Verfahren zum Betrieb eines Kühlkanalkolbens (1, 100) für Brennkraftmaschinen, gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch die eine Leitkontur aufweisende Spaltgeometrie (13, 113) um diese herum geführt wird.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (18) als Leitkontur für das Kühlmedium ausgebildet ist, wobei eine definierte Flussrichtung (Z1) des Kühlmediums während der Aufwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens (100) und eine definierte Flussrichtung (Z2) des Kühlmediums während der Abwärtsbewegung des Kühlkanalkolbens (100) bewirkt wird.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Kühlkanalkolbens (1, 100) für Brennkraftmaschinen, gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berührung von Oberteil (2, 102) und Unterteil (3, 103) des Kühlkanalkolbens (1, 100) durch Krafteinwirkung mindestens eine am Oberteil (2, 102) und/oder Unterteil (3, 103) angeordnete Gleitfläche (19) das Gleiten von Oberteil (2, 102) und Unterteil (3, 103) aneinander bewirkt.
  12. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Oberteil (2, 102) und Unterteil (3, 103) entlang einer kurvenförmigen Gleitfläche (19) gleiten.
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