EP3325791A1

EP3325791A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: EP3325791A1
Application number: EP16741310.3A
Authority: EP
Inventors: Ralf Meske; Roland Böhm; Michael Scherer; Lea PAUL
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-05-30
Also published as: CN107850004A; WO2017013168A1; DE102015213689A1; KR20180030550A

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen weitgehend ringförmigen Kühlkanal mit einer oberen und einer unteren Begrenzung auf, wobei die obere Begrenzung an zumindest einer Stelle (12), die einer Ebene durch die Kolbenbolzenachse oder einer Ebene senkrecht hierzu entspricht, weiter vom Kolbenboden entfernt ist als in den Bereichen zwischen den genannten Ebenen.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen

Verbrennungsmotor .

Bei Dieselmotorkolben gehört der Rand der Brennraummulde zu den thermisch und mechanisch am stärksten belasteten

Bereichen. Da die Festigkeit der üblicherweise verwendeten Kolbenlegierungen mit steigender Temperatur stark abfällt wird üblicherweise in dem Kolben ein ringförmiger Kühlkanal ausgebildet, der von der Kolbenunterseite her mit einem

Ölstrahl befüllt wird. Ein derartiger Kühlkanal reduziert einerseits die Temperatur. Diese Wirkung ist umso

ausgeprägter, je höher der Kühlkanal ausgebildet ist. Durch den hierfür notwendigen Hohlraum wird jedoch gleichzeitig das Flächenträgheitsmoment gegen Biegung verringert, so dass sich die mechanischen Spannungen erhöhen. Es liegt somit ein gewisser Zielkonflikt vor, da einerseits die Temperatur abzusenken, andererseits ein möglichst hohes

Flächenträgheitsmoment beizubehalten ist.

STAND DER TECHNIK

Als Vorbenutzungsgegenstände sind Kolben mit vergleichsweise „hoch" in Richtung des Kolbenbodens ausgebildeten Kühlkanälen bekannt. Ferner wurden Kühlkanäle teilweise wellenförmig ausgebildet .

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu

schaffen, der eine verbesserte Balance zwischen der temperatursenkenden Wirkung und der festigkeitsmindernden Einflüsse eines ringförmigen Kühlkanals aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge weist dieser zumindest einen weitgehend

ringförmigen Kühlkanal mit einer oberen und einer unteren Begrenzung auf. Hierbei ist die obere Begrenzung an zumindest einer Stelle, die einer Ebene durch die Kolbenbolzenachse oder einer Ebene senkrecht hierzu entspricht, weiter vom Kolbenboden entfernt als in den Bereichen zwischen den genannten Ebenen. Die Ebene durch die Kolbenbolzenachse enthält die genannte Achse und die Kolbenachse, um die herum der weitgehend zylindrische Kolben ausgebildet ist. Diese Ebene kann als Bolzenebene bezeichnet werden. Die Ebene senkrecht hierzu enthält ebenfalls die Kolbenachse und kann als Laufebene bezeichnet werden. Im Betrieb wird der Kolben gewissermaßen über den Kolbenbolzen gebogen, so dass der Kolben in der Bolzenebene auf Zug und in der Laufebene auf Druck belastet wird.

Die erfindungsgemäße Absenkung der oberen Begrenzung des Kühlkanals an zumindest einer, bevorzugt mehreren und

insbesondere allen vier der genannten Stellen erhöht in diesen, mechanisch besonders belasteten Bereichen das

Flächenträgheitsmoment. Gleichzeitig kann in den dazwischen liegenden Zonen durch die näher zum Kolbenboden gelegene obere Begrenzung des Kühlkanals eine besonders umfangreiche Absenkung der Temperatur erreicht werden. In diesen weniger belasteten Bereichen ist der vergleichsweise große Hohlraum, der das Flächenträgheitsmoment verringert, unkritisch.

In den genannten Ebenen kann dieses jedoch vergleichsweise hoch gehalten werden, und die durch den erfindungsgemäßen Kühlkanal erreichte Kühlwirkung hat sich bei ersten

Berechnungen dennoch als ausreichend erwiesen. An den mechanisch besonders belasteten Bereichen, wie beispielsweise dem Muldenrand, können somit die auftretenden Spannungen reduziert werden, gleichzeitig kann auch das Potential des Kühlkanals zur Gewichtseinsparung in den mechanisch weniger belasteten Zonen umfangreich genutzt werden. Die genannten Vorteile können darüber hinaus aller Voraussicht nach

kostenneutral erreicht werden, indem lediglich der beim

Gießen verwendete Salzkern in geeigneter Weise angepasst wird .

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Wenngleich eine mögliche Ausführungsform darin besteht, die untere Begrenzung des Kühlkanals um dessen gesamten Umfang auf demselben Niveau zu halten, ist alternativ eine

Ausführungsform denkbar, bei der die untere Begrenzung des Kühlkanals in zumindest einer Zone zwischen dessen Ein- und Auslass weiter vom Kolbenboden entfernt ist als im Bereich des Ein- und Auslasses, mit anderen Worten, ebenfalls abgesenkt ist. Hierdurch kann zum einen, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen, ergänzend Gewicht eingespart werden. Zum anderen wird in den abgesenkten Bereichen ein Ölreservoir geschaffen, das beim Abwärtshub des Kolbens nicht entleert wird. Hierdurch kann insbesondere im Teillastbetrieb bei abgeschalteter Ölpumpe ein Wärmetransport im Kühlkanal realisiert werden.

Für den Umfang derjenigen Stellen, an denen die obere

Begrenzung des Kühlkanals weiter vom Kolbenboden entfernt ist als dazwischen, hat sich eine Erstreckung von zumindest 4- 10 Grad und/oder maximal +_ 25 Grad um die genannte Ebene als günstig erwiesen. Hierbei wird der ringförmige Kühlkanal in Richtung der Kolbenachse betrachtet und erstreckt sich somit als Vollkreis über 360 Grad. Bevorzugt bleibt die obere

Begrenzung über die genannte Erstreckung des Umfangs auf demselben Niveau. Bevorzugt verläuft die obere und gegebenenfalls untere

Begrenzung des Kühlkanals zwischen den Stellen, an denen die jeweilige Begrenzung weiter von dem Kolbenboden entfernt ist, und den dazwischen liegenden Zonen schräg.

Besonders bevorzugt wird derzeit ein schräger Verlauf über zumindest etwa 10 Grad und/oder maximal etwa 25 Grad,

bevorzugt etwa 20 Grad entlang des Umfangs.

Im Hinblick auf die vergrößerte Entfernung vom Kolbenboden wird derzeit bevorzugt, dass diese um zumindest etwa 20

Prozent der Gesamthöhe des Kühlkanals, entlang der

Kolbenachse in den "höheren" Bereichen gemessen, vergrößert ist .

Die erwünschte Kühlwirkung des Kühlkanals konnte bei dem erfindungsgemäßen Kolben insbesondere dann erreicht werden, wenn die obere Begrenzung des Kühlkanals auf dem näher zu dem Kolbenboden gelegenen Niveau in etwa auf derselben Höhe entlang der Kolbenachse ist, wie eine obere Nutflanke einer obersten Kolbenringnut.

Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kolben einteilig,

abgesehen von optional vorhandenen Kolbenringträgern, die eingegossen sein können, und/oder optional vorhandenen

Kolbenbuchsen, die nachträglich eingefügt sein können. Eine zunächst zweiteilige, beispielsweise in Ober- und Unterteil getrennte, und nachträglich zusammengefügte Ausgestaltung des Kolbens ist jedoch nicht vorgesehen.

Vor diesem Hintergrund ist der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt gegossen.

Für das Material des erfindungsgemäßen Kolbens werden

Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Stahl, insbesondere im Rahmen eines Gießvorgangs verwendet, bevorzugt. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Nachfolgend wird eine beispielhaft in der Figur dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine perspektivische Ansicht eines zur

Ausbildung des Kühlkanals in einem erfindungsgemäßen Kolben verwendeten Salzkerns.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVOZRUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Wie anhand des in der Figur dargestellten Salzkerns 10 zu erkennen ist, sorgt dieser für die Ausbildung eines im

Wesentlichen ringförmigen Kühlkanals, der im gezeigten Fall an vier Stellen 12, die sich 4- 10 Grad um die Bolzen- und die Laufebene erstrecken, weniger hoch ausgeführt ist als in den Zonen dazwischen. Mit anderen Worten ist die obere Begrenzung des Kühlkanals an den genannten Stellen weiter vom (in der Figur oben befindlichen) Kolbenboden entfernt als in den Zonen dazwischen. Zwischen den beiden Niveaus der oberen Begrenzung verläuft diese in den Zonen 14 über etwa 20 Grad entlang des Umfangs schräg, so dass zwischen den Schrägen jeweils Bereiche von etwa 30 Grad entlang des Umfangs mit der in dem gezeigten Fall auf gleichbleibendem Niveau höher gelegenen oberen Begrenzung des Kühlkanals verbleiben.

Bei dem gezeigten Beispiel bleibt die untere Begrenzung 16 des Kühlkanals im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau.

Ferner ist der Kühlkanal bei dem gezeigten Beispiel im

Querschnitt im Wesentlichen oval und in dem gezeigten Fall leicht nach außen geneigt.

Claims

Patentansprüche

1. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem weitgehend ringförmigen Kühlkanal, der eine obere und eine untere Begrenzung (16) aufweist, wobei die obere Begrenzung an zumindest einer Stelle (12), die einer Ebene durch die Kolbenbolzenachse oder einer Ebene senkrecht hierzu entspricht, weiter vom Kolbenboden entfernt ist als in den Bereichen zwischen den genannten Ebenen .

2. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass ferner die untere

Begrenzung des Kühlkanals in zumindest einem Bereich zwischen dessen Ein- und Auslass weiter vom Kolbenboden entfernt ist als im Bereich des Ein- und Auslasses.

3. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stelle (12) mit der weiter von dem Kolbenboden entfernten oberen

Begrenzung über zumindest + 10 Grad und/oder maximal

+ 25 Grad in Umfangsrichtung um die genannte Ebene erstreckt .

4. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der

vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzung des Kühlkanals zwischen den Stellen

(12) mit der weiter von dem Kolbenboden entfernten oberen Begrenzung und den Bereichen dazwischen schräg

(14) verläuft.

5. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass der schräge Verlauf über zumindest etwa 10°Grad und/oder maximal etwa 25 Grad, bevorzugt etwa 20 Grad entlang des Umfangs ausgebildet ist . Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzung an denjenigen Stellen, an denen sie weiter von dem Kolbenboden entfernt ist, um zumindest etwa 20 % der Höhe des Kühlkanals, entlang der

Kolbenachse in einem Bereich gemessen, der sich zwischen den genannten Stellen befindet, weiter vom Kolbenboden entfernt ist als in den dazwischen liegenden Bereichen.

Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die obere Begrenzung des Kühlkanals auf dem näher zu dem Kolbenboden gelegenen Niveau in etwa auf

derselben Höhe befindet wie eine obere Flanke einer obersten Kolbenringnut.

Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Kolben einteilig, optional mit zumindest einem eingegossenen Kolbenringträger und/oder optional mit zumindest einer eingefügten Kolbenbuchse ist.

Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben gegossen ist.

10. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der

vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder Stahl besteht.