EP3746651B1

EP3746651B1 - Hubkolben für eine hubkolbenbrennkraftmaschine sowie verwendung eines hubkolbens in einer hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: EP3746651B1
Application number: EP19701634.8A
Authority: EP
Inventors: Paulo Ivan URZUA TORRES; Martin Bier; Alexander Lehnen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2023-05-24
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: DE102018201556A1; CN111868367A; WO2019149598A1; CN111868367B; EP3746651A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines solchen Hubkolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Aus DE 34 44 661 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Kolben im Bereich unterhalb eines Kolbenbodens sternförmig angeordnete, im Wesentlichen radial verlaufende Kühlkanäle aufweist. Die Kühlkanäle sind mit einem am äußeren Umfang des Kolbens, radial hinter einem Kolbenmantel angeordneten Ringkanal verbunden, wobei Kühlmittel mittels einer Kühlmittelspritzdüse über eine Kühlmittelzuführung und den Ringkanal in die Kühlkanäle gelangt. Zur Abführung des Kühlmittels ist eine kolbenaxiale Kühlmittelabführung vorgesehen, wobei die Kühlmittelabführung unmittelbar in den unterhalb des Kolbenbodens angeordneten Kurbelraum mündet.
Aus US 2017/0298862 A1 ist ein Kolben bekannt, welcher einen ringförmigen Kühlkanal aufweist. Kühlmittel wird über ein Pleuel und ein das Pleuel und den Kolben verbindenden Bolzen im Bereich der Kolbenbolzennabe in den Kolben geleitet. Der ringförmige Kühlkanal ist mit der Kolbenbolzennabe über einen sich in axialer Richtung erstreckenden Verbindungskanal verbunden. Ferner ist ein Ausströmkanal vorgesehen, über welchen das Kühlmittel in den Bereich unmittelbar unterhalb eines Kolbenbodens ausströmen kann.
Aus DE 21 40 824 A1 ist ein ölgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem Kühlöl über eine zentrale Bohrung in der Abstützung des Kolbens gegen den Treibstangenkopf in eine innere Kühlkammer zuführbar ist. Von der inneren Kühlkammer kann das Öl radial nach außen über mehrere Verbindungsöffnungen in eine äußere Kühlkammer strömen. Sowohl die innere Kühlkammer als auch die äußere Kühlkammer grenzt mit einer Seite an den Kolbenboden an.
DE 21 51 869 A1 und JP S60 187346 U offenbaren weitere Kolben für Brennkraftmaschinen, die jeweils mehrere Kühlkanäle aufweisen, welche von einem Einströmbereich aus in radialer Richtung jeweils sternförmig nach außen führen.
In DE 10 2009 027148 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor beschrieben, der im Bereich des Kolbenbodens zu Kühlzwecken zwei ringförmige Kühlkanäle mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei die Kühlkanäle über radial orientierte Verbindungskanäle miteinander verbunden sind.
Aus DE 35 11 852 C1 ist ein ölgekühlter Monoblock-Tauchkolben für Brennkraftmaschinen mit einem Grundkörper und einer Brennraumfläche bekannt, wobei innerhalb des Grundkörpers ein Kühlkanalnetz vorgesehen ist, welches einen - in radialer Richtung des Grundkörpers betrachtet - innenseitig angeordneten Einströmbereich und eine Vielzahl von sich ausgehend von dem Einströmbereich in radialer Richtung jeweils nach außen erstreckenden Kühlkanälen aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Kühlung von Hubkolben sowie eine die Kühlung weiter verbessernde Verwendung in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine weist einen Grundkörper mit einer Brennraumfläche auf. Als Brennraumfläche wird diejenige Fläche bezeichnet, welche bei der Anordnung eines solchen Hubkolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu einem Brennraum orientiert ist und den Brennraum in axialer Richtung betrachtet in eine Richtung (in der Regel nach unten) dynamisch begrenzt. Die Brennraumfläche wird teilweise auch als oberer Kolbenboden bezeichnet. In den meisten Fällen weist die Brennraumfläche eine Kolbenmulde in Form einer Vertiefung in einem - in radialer Richtung des Kolbens betrachtet - mittleren Bereich auf. Innerhalb des Grundkörpers des Hubkolbens ist bei dem erfindungsgemäßen Hubkolben mindestens ein Kühlkanalnetz vorgesehen, d.h. eine solches Kühlkanalnetz ist entweder als separat ausgebildetes Element angeordnet und/oder einstückig ausgebildet. Wenn beide Varianten realisiert sind, d.h. die "und"-Kombination des vorstehenden Satzes realisiert ist, ist das Kühlkanalnetz teilweise separat ausgebildet und in dem Hubkolben angeordnet und teilweise einstückig in dem Hubkolben ausgebildet. Unter einem Kühlkanalnetz im Sinne der Erfindung wird eine Gestaltung von Kühlkanälen verstanden, bei welcher ausgehend von einem Eintrittsbereich in das Kühlkanalnetz alle zu diesem Kühlkanalnetz gehörenden Kanäle strömungsleitend miteinander verbunden sind. Über ein Kühlkanalnetz wird insoweit eingeströmte Flüssigkeit innerhalb des "Netzes" verteilt. Das Kühlkanalnetz weist mindestens einen - in radialer Richtung des Grundkörpers betrachtet - innenseitig angeordneten Einströmbereich und eine Vielzahl von sich - ausgehend von dem Einströmbereich - in radialer Richtung jeweils nach außen erstreckende Mini-Kühlkanäle auf. Die Mini-Kühlkanäle weisen dabei eine maximale Querschnittsweite von 3 mm auf. Eine konstruktiv besonders einfache Gestaltung ergibt sich dadurch, dass in dem Grundkörper mindestens zwei, strömungsleitend nicht - oder zumindest nur bis zu einer radial innen angeordneten Netz-Verteilstelle - miteinander verbundene Kühlkanalnetze ausgebildet sind.
Bei einer Verwendung von Hubkolben in Hubkolbenbrennkraftmaschinen erhitzt sich der Grundkörper des Hubkolbens insbesondere brennraumseitig stark, wobei die höchste Temperatur in radialer Richtung betrachtet zentral bzw. mittig der Brennraumfläche auftritt, d.h. dort, wo in vielen Fällen eine Kolbenmulde ausgebildet ist. Die Temperatur der Brennraumfläche bzw. des Grundkörpers nimmt - insbesondere bei ungekühlten Kolben - in radialer Richtung betrachtet von radial innen nach außen ab. Bei dem erfindungsgemäßen Hubkolben ist es vorgesehen, durch einen innenseitig angeordneten Einströmbereich Kühlwasser möglichst direkt zu dem Bereich des Grundkörpers mit der maximalen Temperatur zu fördern und von dort aus radial nach außen weiterzufördern. Durch eine Vielzahl von sich in radialer Richtung nach außen erstreckenden Mini-Kühlkanälen wird die Kühlflüssigkeit darüber hinaus fein verästelt und die zu kühlende Fläche mit vielen Einzelkanälen durchdringend radial nach außen geleitet, um auch die in radialer Richtung betrachtet weiter außen liegenden Abschnitte des Grundkörpers zu kühlen. Die Kühlflüssigkeit strömt damit von einem radial inneren Bereich in Richtung eines radial äußeren Bereiches. So kann die Kühlflüssigkeit optimal zur Kühlung genutzt werden, denn die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit ist damit an den Temperaturgradienten des Grundkörpers während des Betriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angepasst.
Die Ausbildung von Mini-Kühlkanälen mit einer maximalen Querschnittsweite von 3 mm, ermöglicht es, eine besonders große, zur Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche bereitzustellen, so dass sich eine besonders effiziente Kühlung des Grundkörpers ergibt. Als Querschnittsweite der Mini-Kühlkanäle wird dabei die größte Weite senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Kühlflüssigkeit durch die Mini-Kühlkanäle bezeichnet. Die Mini-Kühlkanäle weisen insbesondere eine maximale Querschnittsweite von 2,5 mm auf und vorzugsweise beträgt die Querschnittsweite der Kühlkanäle mindestens 1 mm. Die Kühlkanäle sind im Querschnitt insbesondere kreisförmig ausgebildet. Alternativ können die Kühlkanäle im Querschnitt auch polygonförmig ausgebildet sein oder eine sonstige Querschnittsform aufweisen.
Durch die Ausbildung von Mini-Kühlkanälen und sich von innen nach außen erstreckenden Kühlkanälen kann auch der Bildung von sogenannten "Hot-Spots", d.h. besonders heißen Bereichen, an dem Grundkörper des Hubkolbens gezielt und effizient entgegengewirkt werden, insbesondere durch Anordnung der Mini-Kühlkanäle so, dass sich bei Volllast oder einem anderen definierten Lastzustand eine möglichst gleichmäßige Temperarturverteilung auf der Brennraumfläche ergibt. So kann auch das Risiko von Vorentflammungen - insbesondere bei Ottomotoren - reduziert werden.
Die Kühlung eines erfindungsgemäßen Hubkolbens kann weiter verbessert werden, wenn die Kühlkanäle zu einer radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnung oder zu mehreren radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnungen führen. Dabei ist diese eine Ausströmöffnung oder die mehreren Ausströmöffnungen sind insbesondere zumindest teilweise derart ausgerichtet, dass durch die Ausströmöffnung austretende Kühlflüssigkeit unmittelbar oder mittelbar auf eine Außenseite eines Kolbenhemdes gelangt. Als Kolbenhemd wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein Abschnitt des Grundkörpers verstanden, welcher in axialer Richtung betrachtet beabstandet - insbesondere unterhalb - eines Kolbenbodens und der Brennraumfläche angeordnet ist und in der Regel eine oder mehrere Führungsflächen zur Führung des Hubkolbens entlang einer Zylinderwand aufweist. Die Kühlflüssigkeit gelangt damit - wenn überhaupt - erst mittelbar (d.h. nicht unmittelbar) in den Kurbelraum unterhalb des Kolbenhemdes. Durch die von außen auf das Kolbenhemd gelangende Kühlflüssigkeit wird das Kolbenhemd außenseitig gekühlt. Auch einer Bildung von Ölablagerungen und Verkorkungen auf dem Kolbenhemd durch zu hohe Temperaturen kann so wirksam entgegengewirkt werden. Die Kühlflüssigkeit verbessert auch die Schmierung des Kolbenhemdes und verringert dessen Reibung gegenüber der Zylinderwand.
Die Ausströmöffnungen sind insbesondere derart ausgerichtet, dass die Kühlflüssigkeit direkt und somit unmittelbar von oben auf die radiale Außenseite des Kolbenhemdes strömt. Alternativ können die Ausströmöffnungen auch derart ausgerichtet sein, dass die Kühlflüssigkeit zunächst gegen die Zylinderwand prallt und von dort in Richtung des Kolbenhemdes zurückprallt. Vorzugsweise erstrecken sich die Kühlkanäle bzw. der mindestens eine Kühlkanal in dem unmittelbar an die Ausströmöffnung angrenzenden Bereich überwiegend horizontal, d.h. im Wesentlichen in einem Winkel zur Horizontalen von maximal 30° und bevorzugt von maximal 20° und weiter bevorzugt von maximal 10°. Als Horizontalebene wird in diesem Zusammenhang die Richtung senkrecht zur Zylinderachse bezeichnet, entlang welcher sich der Kolben in der Hubkolbenbrennkraftmaschine bewegt.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens ist an dem Grundkörper zumindest über einen Teil des Umfangs ein Spalt zwischen einem radial äußeren Abschnitt des Kolbenhemdes und einem radial äußeren Abschnitt eines Kolbenbodens ausgebildet, und mindestens ein Kühlkanal führt in den Bereich des Spaltes zwischen dem Kolbenhemd und dem Kolbenboden. Mit dem vorstehend genannten Bereich ist der in axialer Richtung auf der einen Seite durch das Kolbenhemd und auf der anderen Seite durch den unteren Kolbenboden begrenzte Bereich gemeint. Bei der oben erwähnten Gestaltung eines Hubkolbens mit einem Spalt zwischen Kolbenhemd und Kolbenboden ist eine thermische Entkopplung des Kolbenhemdes von dem Kolbenboden realisiert. Diese Gestaltung eignet sich aus konstruktiven Aspekten besonders dazu, die Kühlflüssigkeit unmittelbar auf das Kolbenhemd zu leiten.
Eine besonders effiziente Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens wird erzielt, wenn in dem Grundkörper mindestens acht (und vorzugsweise mindestens neun, mindestens zehn oder mehr) sich in radialer Richtung erstreckende Kühlkanäle ausgebildet sind, denn dann ergibt sich bereits ein relativ engmaschiges Verteilnetz mit guter Flächendurchdringung. Insbesondere erstrecken sich die Kühlkanäle von dem Einströmbereich zu acht, neun, zehn oder mehr korrespondierenden Ausströmöffnungen. Es ist ebenfalls möglich, die Kühlkanäle so auszubilden, dass sie sich nach radial außen hin noch ein oder mehrmals zusätzlich verzweigen, beispielsweise indem sich zunächst von einem radial innen angeordneten Bereich 10 Kühlkanäle nach radial außen bis in einen radial mittleren Bereich erstrecken und sich diese Kühlkanäle dann ausgehend von diesem mittleren Bereich in jeweils zwei oder mehr weitere Kanäle verästeln. Dabei kann die Querschnittsweite so angepasst sein, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Verästelungen möglichst nicht ändert.
Je kleiner die maximale Querschnittsweite gewählt wird, desto feiner können die "Äste" des Kühlkanalnetzes ausgebildet sein. Umgekehrt steigen die sich ergebenden Druckverluste in den "Ästen" bzw. Mini-Kühlkanälen mit sich verringernder Querschnittsweite an. Die maximale Querschnittsweite liegt nach derzeitigen Erkenntnissen aus diesem Grund zwischen 1 mm und 4 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.
Es ist bevorzugt, wenn die projizierte Fläche der Kühlkanäle bezogen auf die Querschnittsfläche des Kolbens mindestens 20 Prozent beträgt, bevorzugt mindestens 25 Prozent und weiter bevorzugt mindestens 30 Prozent.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens umfasst der Einströmbereich einen Ringkanal oder ein zentrales Reservoir, und die Kühlkanäle erstrecken sich ausgehend von diesem Ringkanal oder dem zentralen Reservoir in radialer Richtung betrachtet nach außen. Mit "Ring" sind in diesem Zusammenhang vorzugsweise eine geschlossene, aber auch nur teilringförmige Gestaltungen gemeint, d.h. auch halbringförmige oder andere bogenförmige Ringkanalgestaltungen. Mittels solcher, vorzugsweise zumindest halbkreisförmig ausgebildeter Ringkanäle kann eine gute und homogenere Verteilung der Kühlflüssigkeit in die einzelnen Kühlkanäle erzielt werden, die eine - in Umfangsrichtung betrachtet - gleichmäßige Kolbenbodenkühlung ermöglicht. Mit einem zentralen Reservoir sind beispielsweise hohlkugelförmige oder anders geformte hohlförmige, kammerartige Strukturen gemeint, von deren Außenseiten aus sich die Mini-Kühlkanäle in radialer Richtung nach außen erstrecken.
Insbesondere können zwei oder mehr Kühlkanalnetze so angeordnet sein, dass der Kolbenboden weitestgehend gleichmäßig von Kanälen der Kühlkanalnetze durchdrungen ist. Beispielsweise können sich ein erstes Kühlkanalnetz und ein zweites Kühlkanalnetz über zwei Hälften der Querschnittsfläche des Grundkörpers erstrecken.
In einer besonders praktischen Ausführungsform sind die Kühlkanalnetze spiegelbildlich zueinander ausgebildet. Die zwei strömungsleitend nicht miteinander verbundenen Kühlkanalnetze weisen weiter bevorzugt zwei voneinander separierte Einströmbereiche auf, die unabhängig voneinander gespeist werden können. Die Ausbildung von solchen separierten Einströmbereichen und Kühlkanalnetzen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Ausbildung des Einströmbereiches in dem Grundkörper in einer zentralen Position, d.h. radial mittig der Brennraumfläche (im Bereich der Zylinder-Mittelachse) bauraumtechnisch und/oder konstruktiv nicht oder nur mit hohem Aufwand zu realisieren ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Einspritzung über eine Kolbenspritzdüse erfolgt (dies wird im Weiteren noch näher erläutert), da diese aufgrund des Pleuels nicht mittig unterhalb des Kolbenbodens angeordnet werden kann.
Der mindestens eine Einströmbereich kann sich in einer weiteren praktischen Ausführungsform ausgehend von einer Einströmöffnung erstrecken, welche in der Mantelfläche einer Kolbenbolzennabe ausgebildet ist. Ein solche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens eignet sich insbesondere für die Versorgung des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit über ein mit dem Hubkolben funktional verbundenes Pleuel. Insbesondere ist es dann vorgesehen, zwei strömungsleitend nicht miteinander verbundene Kühlkanalnetze auszubilden, wobei die Einströmöffnungen auf unterschiedlichen Seiten des Pleuels in der Mantelfläche der Kolbenbolzennabe ausgebildet sind. Wenn das Pleuel innen hohl ausgebildet ist, kann Kühlflüssigkeit innerhalb des Pleuels in Richtung des Hubkolbens geführt werden. Der Hubkolben und das Pleuel sind vorzugsweise mittels eines Bolzens verbunden, wobei der Bolzen insbesondere derart ausgebildet ist, dass Kühlflüssigkeit durch den Bolzen zu der mindestens einen Einströmöffnung gefördert werden kann. Dazu kann insbesondere mindestens ein - insbesondere trichterartiger - Kanal in dem Bolzen so ausgebildet sein, dass unabhängig von einer Schwenkbewegung zwischen Pleuel, Bolzen und Kolben permanent ausreichend Kühlflüssigkeit in Richtung Kolben gefördert werden kann.
Die mindestens eine Einströmöffnung erstreckt sich dazu insbesondere über einen Winkelbereich des Umfangs der Mantelfläche der Kolbenbolzennabe. Der Winkelbereich entspricht mindestens dem Winkelbereich, über welchen der Bolzen während der Bewegung des Pleuels relativ zu dem Hubkolben verschwenkt wird. Der Bolzen ist insbesondere mittels Presspassung mit dem Pleuel verbunden und rotiert gegenüber dem Hubkolben. Insbesondere erstreckt sich die Einströmöffnung über mindestens 20° und vorzugsweise über mindestens 30° des Umfangs der Mantelfläche der Kolbenbolzennabe.
Zur Förderung der Kühlflüssigkeit durch das Pleuel in den Grundkörper des Hubkolbens kann optional in einer Variante des erfindungsgemäßen Hubkolbens eine Pumpe vorgesehen sein, mit welcher ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine mindestens 20 Prozent des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit füllen zu können. Als eine solche Pumpe kann eine auch für andere Zwecke genutzte Standard-Ölpumpe einer Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen sein, es kann aber auch eine zusätzliche Pumpe für einen oder mehrere erfindungsgemäße Hubkolben vorgesehen sein, die ausschließlich oder primär für die Versorgung des Kühlkanalnetzes genutzt wird. Ebenfalls möglich ist es, die Versorgung des Kühlkanalnetzes auf beliebige andere Art und Weise sicherzustellen.
Bevorzugt sind mindestens 25 Prozent, mindestens 30 Prozent oder mindestens 40 Prozent, 50 Prozent oder sogar 75 Prozent des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Das Kühlkanalnetz kann auch vollständig (d.h. zu 100 Prozent) mit Kühlflüssigkeit gefüllt sein, so dass sich eine besonders effiziente Kühlung aufgrund einer maximalen Durchströmung des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit ergibt. Durch Erhöhung des mit der Pumpe erzeugten Drucks und der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeit kann die Kühlleistung dann bedarfsweise angepasst werden, sofern die Pumpe steuerbar und/oder regelbar ist. Wenn Kühlflüssigkeit in den Grundkörper über ein Pleuel eingebracht wird, kann Kühlflüssigkeit kontinuierlich, mit hohem Druck und optional auch durchflussgesteuert oder durchflussgeregelt aktiv in den Grundkörper des Hubkolbens gefördert werden.
Alternativ oder in Ergänzung zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann sich der Einströmbereich in einer anderen Ausführungsform von einem Bereich des unteren Kolbenbodens erstrecken, der beabstandet von der Kolbenbolzennabe ist. Ein solcher Bereich ist insbesondere benachbart zu der Kolbenbolzennabe vorgesehen und insbesondere möglichst - in radialer Richtung betrachtet - zentral im Grundkörper angeordnet, beispielsweise innerhalb eines Radius, der maximal dem halben Radius des Kolbens entspricht. In dieser Ausführungsform erfolgt die Versorgung des Kühlkanalnetzes mit Kühlflüssigkeit insbesondere über mindestens eine Kolbenspritzdüse. Dabei wird die Kolbenspritzdüse vorzugsweise unterhalb des unteren Kolbenbodens derart angeordnet, dass Kühlflüssigkeit nach oben in das Kühlkanalnetz eingespritzt werden kann. Es ist auch bei dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn zwei oder mehr strömungsleitend nicht miteinander verbundene Kühlkanalnetze in dem Grundkörper ausgebildet sind. Weiter bevorzugt ist dabei pro Kühlkanalnetz jeweils mindestens eine separate Kolbenspritzdüse vorgesehen. Die Einbringung von Kühlflüssigkeit in den Grundkörper über eine Kolbenspritzdüse ist konstruktiv sehr einfach zu realisieren, insbesondere weil die Kühlflüssigkeit nicht durch relativ zueinander bewegte Elemente geführt werden muss.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die Kontur der Kühlkanäle zumindest teilweise an die Kontur der Brennraumfläche derart angepasst, dass der axiale Abstand der Kühlkanäle zur Brennraumfläche innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters liegt. Insbesondere ist die Kontur der Kühlkanäle an eine Brennraumfläche mit einer Kolbenmulde angepasst, so dass die Kühlkanäle ebenfalls eine muldenartige Kontur aufweisen. Vorzugsweise liegt sowohl der axiale Abstand der Kühlkanäle zu der Brennraumfläche als auch zu dem unteren Kolbenboden innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters. "Innerhalb des vorgegebenen Toleranzfensters" meint hier insbesondere, dass die Abstandsabweichung zwischen der Brennraumfläche und/oder des unteren Kolbenbodens nicht mehr als 20 Prozent, bevorzugt nicht mehr als 15 Prozent und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 Prozent beträgt. Die Kühlkanäle erstrecken sich vorzugsweise über mindestens 50 Prozent, bevorzugt mindestens 65 Prozent und insbesondere mindestens 80 Prozent des Durchmessers des Kolbenbodens im Wesentlichen horizontal. Damit sind insbesondere die radial innenseitigen Bereiche des Kolbenbodens gemeint. Weiter bevorzugt sind die Kühlkanäle zumindest teilweise an die Kontur der Brennraumfläche angepasst, d.h. der Abstand zwischen Brennraumfläche und den jeweiligen Kühlkanälen ist zumindest über einen Teilbereich ungefähr konstant, vorzugsweise über den gesamten Radial-Erstreckungsbereich der Kühlkanäle.
Insbesondere ist der Einströmbereich gebildet durch eine Einströmöffnung, welche über einen sich in axialer Richtung erstreckenden Verbindungskanal mit dem Ringkanal verbunden ist. Ausgehend von dem Ringkanal erstrecken sich die Mini-Kühlkanäle in radialer Richtung nach außen, wobei die Kontur der Kühlkanäle an die Kontur der Brennraumfläche mit einer Kolbenmulde angepasst ist. In einem radial äußeren Bereich erstrecken sich die Kühlkanäle zunächst in einem Axialabschnitt im Wesentlichen in axialer Richtung und münden dann horizontal in einem Horizontalabschnitt in einen Bereich zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenhemd.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines wie vorstehend beschriebenen Hubkolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. Die Kühlflüssigkeit wird dabei über einen radial innenseitig angeordneten Einströmbereich in den Hubkolben eingebracht und durch eine Vielzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Kühlkanälen in radialer Richtung nach außen abgeleitet. Es wird durch diese Verwendung eine besonders effiziente Kühlung des Hubkolbens bewirkt, da die Kühlflüssigkeit zunächst den besonders heißen, in radialer Richtung zentralen Bereich der Brennraumfläche kühlt und von dort aus nach außen zu den kälteren Randbereichen strömt.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird die Kühlflüssigkeit vorzugsweise derart eingebracht, dass das mindestens eine Kühlkanalnetz zu mindestens 20 Prozent mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Bevorzugt ist das Kühlkanalnetz zu mindestens 30 Prozent oder mindestens 40 Prozent, 50 Prozent oder sogar mindestens 75 Prozent und besonders bevorzugt zu 100 Prozent mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Das heißt, die Kühlflüssigkeit wird mit einem ausreichend hohen Druck und/oder einer ausreichend großen Geschwindigkeit in den Grundkörper eingebracht, um die Kühlflüssigkeit vollständig durch die Mini-Kühlkanäle zu fördern. Insgesamt wird so eine effiziente Kühlung unabhängig von einer Shakerwirkung erzielt.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einer Seitenansicht,

Fig. 2: den Hubkolben aus Fig. 1 in einer Draufsicht,
Fig. 3: eine Hälfte des Hubkolbens aus Fig. 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben,
Fig. 4: den Hubkolben aus den Fig. 1 bis 3, wobei ein Kolbenhemd in einem Längsschnitt gemäß Linie IV-IV aus Fig. 2 dargestellt ist, und der in Fig. 4 mit B gekennzeichnete Bereich teilweise weggeschnitten ist,
Fig. 5: den Hubkolben aus den Fig. 1 bis 4 in einem Längsschnitt gemäß Linie V-V aus Fig. 3,
Fig. 6: ein isoliert dargestelltes Kühlkanalnetz in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 7: den Hubkolben aus den Fig. 1 bis 5 mit einem Pleuel und einem Bolzen in einem Längsschnitt analog zu Linie VII-VII aus Fig. 2,
Fig. 8: eine weitere Ausführungsform mit dem Kühlkanalnetz aus Fig. 6 und mit einer Kolbenspritzdüse in einer schematischen Darstellung,
Fig. 9: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben, und
Fig. 10: den Hubkolben aus Fig. 9 ohne den Kolbenboden in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben.

In Verbindung mit den Fig. 1 bis 7 wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens 10 erläutert. Der Hubkolben 10 dient der bekannten Anordnung in einer nicht dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine. In solchen Hubkolbenbrennkraftmaschinen bewegt sich der Hubkolben 10 in Axialrichtung betrachtet in dem Brennraum entlang des in Fig. 1 dargestellten Doppelpfeils auf und ab, um das Volumen eines mit dem Hubkolben abgegrenzten Brennraumes zu verändern und so insbesondere Kompressionsphasen und Dekompressionsphasen zu ermöglichen.
Der Hubkolben 10 umfasst einen Grundkörper 12 mit einem Kolbenboden 14. Die zum Brennraum gerichtete Fläche wird nachfolgend Brennraumfläche 16 genannt und kann auch als oberer Kolbenboden bezeichnet werden. In dieser gezeigten Ausführungsform umfasst die Brennraumfläche 16 eine radial zentral angeordnete Kolbenmulde18. Die dem Brennraum abgewandte Seite des Kolbenbodens 14 wird im Folgenden als unterer Kolbenboden 20 bezeichnet.
Ferner umfasst der Grundkörper 12 ein Kolbenhemd 22, welches in Axialrichtung betrachtet unterhalb des Kolbenbodens 14 angeordnet ist. Vorliegend ist das Kolbenhemd 22 über eine Kolbenbolzennabe 24 mit dem Kolbenboden 14 verbunden. Die Kolbenbolzennabe 24 dient zur verschwenkbaren Verbindung des Hubkolbens 10 mit einem Pleuel 26 mittels eines Bolzens 28 (vgl. Fig. 7). In einem radial äußeren Bereich ist ein sich in axialer Richtung erstreckender Spalt 30 zwischen dem unteren Kolbenboden 20 und dem Kolbenhemd 22 ausgebildet (vgl. Fig. 1 und Fig. 4), so dass das Kolbenhemd 22 weitestgehend thermisch von dem Kolbenboden 14 entkoppelt ist. Der Spalt 30 erstreckt sich vorliegend über den gesamten Bereich zwischen dem oberen Kolbenboden 20 und dem Kolbenhemd 22.
Wie in Fig. 2 gut erkennbar ist, sind in dem Grundkörper 12 des Hubkolbens 10 zwei strömungsleitend nicht miteinander verbundene Kühlkanalnetze 32 ausgebildet, wobei sich die Kühlkanalnetze 32 jeweils über eine Hälfte des Kolbenbodens 14 erstrecken.
Ein Kühlkanalnetz 32 umfasst jeweils einen - in radialer Richtung betrachtet - innenseitig angeordneten Einströmbereich 34. Der Einströmbereich 34 wird vorliegend, wie in Fig. 4 und Fig. 6 erkennbar, durch eine Einströmöffnung 36 und ein sich von der Einströmöffnung 36 in axialer Richtung nach oben erstreckenden Verbindungskanal 38 und einen sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Ringkanal 40 gebildet. Ausgehend von dem Ringkanal 40 erstreckt sich in radialer Richtung nach außen eine Vielzahl von Mini-Kühlkanälen 42. Vorliegend sind pro Kühlkanalnetz 32 zehn, sich in radialer Richtung erstreckende Mini-Kühlkanäle 42 ausgebildet (vgl. Fig. 2 und Fig. 3). Die Querschnittsweite der Mini-Kühlkanäle 42 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 2,5 mm.
Wie in Fig. 1 und 5 gut erkennbar ist, erstrecken sich die Kühlkanäle 42 zu radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnungen 44. Die Ausströmöffnungen 44 sind vorliegend in axialer Richtung betrachtet im Bereich des Spaltes 30 zwischen dem Kolbenhemd 22 und dem unteren Kolbenboden 20 angeordnet, d.h. die Kühlkanäle 42 münden in den Bereich des Spaltes 30 zwischen dem unteren Kolbenboden 20 und dem Kolbenhemd 22. Die durch die Kühlkanäle 42 strömende Kühlflüssigkeit wird dadurch derart geführt, dass sie durch die Ausströmöffnungen 44 unmittelbar auf die Außenseite des Kolbenhemdes 22 gelangt.
Die jeweilige geometrische Gestaltung und jeweiligen Richtungen der einzelnen Kühlkanäle 42 sind insbesondere in Fig. 5 und 6 gut erkennbar. Ausgehend von dem Ringkanal 40 erstrecken sich die Kühlkanäle 42 zunächst weitestgehend horizontal nach außen. Die Kontur der Kühlkanäle 42 ist dabei an die Kontur der Brennraumfläche 16 mit der Kolbenmulde 18 angepasst. Insbesondere ist der Abstand zwischen den Kühlkanälen 42 und der Brennraumfläche 16 mit der Kolbenmulde 18 innerhalb eines radial inneren Bereiches, in welchem sich die Kühlkanäle 42 radial nach außen erstrecken konstant, weil die Kühlkanäle 24 in der gleichen geringen Krümmung nach radial außen und nach oben verlaufen wie die Brennraumfläche 16.
In dieser Ausführungsform ist auch der Abstand der Kühlkanäle 42 zu dem unteren Kolbenboden 20 in einem radial inneren Bereich konstant, wo dieser parallel zur Brennraumfläche 16 verläuft.
In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Kühlkanäle 42 in radialer Richtung betrachtet über ca. 80 Prozent der sich in radialer Richtung erstreckenden Breite (d.h. des Durchmessers) der Brennraumfläche 16. Betrachtet man nur den Bereich, in welchem sich die Kühlkanäle 42 in etwa parallel zur Brennraumfläche 16 in überwiegend radialer Richtung erstrecken, erstrecken sich die Kühlkanäle 42 in radialer Richtung über ca. 60 Prozent der Breite der Brennraumfläche 16.
In einem sich an den überwiegend radial nach außen orientierten Abschnitt der Kühlkanäle 42 anschließenden Bereich sind die Kühlkanäle 42 in einem Axialabschnitt 46 überwiegend in axialer Richtung orientiert, bevor sie in einen weiteren Horizontalabschnitt 48 oberhalb des Kolbenhemdes 22 übergehen und dort außenseitig jeweils zu einer Ausströmöffnung 44 führen.
Aus den Fig. 4 und 6 ist ersichtlich, dass die Einströmöffnungen 36 jeweils trichterartig ausgebildet sind und sich über einen Winkelbereich des Umfangs der Mantelfläche 54 der Kolbenbolzennabe 24 erstrecken, der ein Einströmen permanent auch dann erlaubt, wenn das Pleuel 26 gegenüber dem Hubkolben 12 verschwenkt ist. Die Einströmöffnungen 36 der beiden Kühlkanalnetze 32 sind dabei in der Mantelfläche 54 auf jeweils unterschiedlichen Seiten eines mit dem Hubkolben 10 verbundenen Pleuels 26 ausgebildet (vgl. Zusammenschau der Fig. 2 und Fig. 7).
In Fig. 7 ist eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Hubkolbens 10 mit einem Pleuel 26 und einem das Pleuel 26 und den Hubkolben 10 verbindenden Bolzen 28 dargestellt. Der Bolzen 28 ist hier als hohlzylindrisches Bauteil mit einem Stützdorn ausgebildet, der als Teilelement des Bolzens betrachtet werden kann und daher kein separates Bezugszeichen erhalten hat. Das Pleuel 26 ist vorliegend hohl ausgebildet, so dass Kühlflüssigkeit durch das Innere des Pleuels 26 geleitet bzw. aktiv gepumpt werden kann. Der Bolzen 28 weist zwei sich zumindest teilweise in axialer Richtung erstreckende Kanäle 50 auf, welche zu den Einströmöffnungen 36 der jeweiligen Kühlkanalnetze 32 führen. Bei einem Verschwenken des Pleuels 26 und des Bolzens 28 relativ zu dem Hubkolben 10, vorliegend in die Blattebene hinein und aus dieser hinaus, verdreht sich der Bolzen 28 gegenüber der Kolbenbolzennabe 24 um etwa 30°. Über diesen Winkelbereich erstrecken sich ebenfalls die Einströmöffnungen 36, so dass über den gesamten Bewegungsbereich ein Einströmen von Kühlflüssigkeit von dem Pleuel 26 über den Bolzen 28 in das jeweilige Kühlkanalnetz 32 ermöglicht ist.
Insgesamt erfolgt die Strömung von Kühlflüssigkeit von einem radial inneren Bereich durch den Einströmbereich 34 und die Kühlkanäle 42 nach radial außen entlang des Pfeils S. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Brennraumfläche 16 in der Mitte üblicherweise höhere Temperaturen aufweist, als in radial weiter außen liegenden Bereichen.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens. Zur Beschreibung dieser Ausführungsform und weiterer Ausführungsformen werden im Folgenden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform. Im Folgenden wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu der bereits beschriebenen Ausführungsform eingegangen.
Wie in Fig. 8 dargestellt, kann Kühlflüssigkeit auch mittels einer Kolbenspritzdüse 52 in den Grundkörper 12 eingebracht werden. Die Kolbenspritzdüse 52 ist beabstandet zu der jeweiligen Einströmöffnung 36 so angeordnet, dass Kühlflüssigkeit als Strahl in Richtung der Eintrittsöffnung geleitet wird. Die Kühlflüssigkeit tritt dementsprechend so aus der Kolbenspritzdüse 52 aus, dass sie zumindest teilweise - möglichst überwiegend oder sogar vollständig - in die Einströmöffnung 36 gefördert wird. Für eine solche Ausführungsform mit Kolbenspritzdüse 52 können die Kühlkanalnetze 32 gegenüber den in Fig. 2 gezeigten Kühlkanalnetzen 32 um 90° um die Zylinderachse gedreht angeordnet sein, so dass eine Einspritzung von unterhalb des unteren Kolbenbodens 20 in radialer Richtung betrachtet weiter außen und beabstandet von der Kolbenbolzennabe 24 erfolgt. Es wird hierbei in Kauf genommen, dass die Einspritzung beabstandet von der Mitte der Brennraumfläche 16 erfolgt. Gegebenenfalls kann die Geometrie des Kühlkanalnetzes 32 derart angepasst werden, dass Kühlflüssigkeit von einer radial etwas weiter außen liegenden Einströmöffnung 36 zunächst in einen zentralen Bereich der Brennraumfläche 16 befördert wird und von dort aus - ggf. nach weiterer Förderung in Richtung Brennraumfläche 16 - über die Kühlkanäle 42 in radialer Richtung nach außen strömt.
In den Fig. 9 bis 10 ist eine weitere Ausführungsform eines Hubkolbens 10 dargestellt. Diese Ausführungsform des Hubkolbens 10 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass das Kolbenhemd 22 außenseitig mit dem unteren Kolbenboden 20 verbunden ist. Es ist folglich kein Spalt 30 zwischen dem unteren Kolbenboden 20 und dem Kolbenhemd 22 ausgebildet. Die Ausströmöffnungen 44 sind derart ausgebildet, dass sie durch das Kolbenhemd 22 hindurchführen, so dass Kühlflüssigkeit auf die Außenseite des Kolbenhemdes 22 gelangen kann.

Bezugszeichenliste

10: Hubkolben
12: Grundkörper
14: Kolbenboden
16: Brennraumfläche
18: Kolbenmulde
20: unterer Kolbenboden
22: Kolbenhemd
24: Kolbenbolzennabe
26: Pleuel
28: Bolzen
30: Spalt
32: Kühlkanalnetz
34: Einströmbereich
36: Einströmöffnung
38: Verbindungskanal
40: Ringkanal
42: Mini-Kühlkanal
44: Ausströmöffnung
46: Axialabschnitt
48: Horizontalabschnitt
50: Kanal
52: Kolbenspritzdüse
54: Mantelfläche

Claims

Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Grundkörper (12) und einer Brennraumfläche (16), wobei innerhalb des Grundkörpers (12) mindestens ein Kühlkanalnetz (32) vorgesehen ist, wobei das Kühlkanalnetz (32) mindestens einen - in radialer Richtung des Grundkörpers (12) betrachtet - innenseitig angeordneten Einströmbereich (34) und eine Vielzahl von sich - ausgehend von dem Einströmbereich (34) - in radialer Richtung jeweils nach außen erstreckenden Mini-Kühlkanälen (42) aufweist, wobei die Mini-Kühlkanäle (42) eine maximale Querschnittsweite von 3 mm aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Grundkörper (12) mindestens zwei, strömungsleitend nicht miteinander verbundene Kühlkanalnetze (32) ausgebildet sind.
Hubkolben nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (42) zu einer radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnung (44) oder zu mehreren radial außenseitig angeordneten Ausströmöffnungen (44) führen, wobei diese Ausströmöffnung (44) oder diese mehreren Ausströmöffnungen (44) zumindest teilweise derart ausgerichtet sind, dass durch die Ausströmöffnung (44) austretende Kühlflüssigkeit unmittelbar oder mittelbar auf die Außenseite eines Kolbenhemdes (22) gelangt.
Hubkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Grundkörper (12) zumindest über einen Teil des Umfangs ein Spalt (30) zwischen einem radial äußeren Abschnitt des Kolbenhemdes (22) und einem radial äußeren Abschnitt eines Kolbenbodens (14) ausgebildet ist und mindestens ein Kühlkanal (42) in den Bereich des Spaltes (30) zwischen Kolbenhemd (22) und Kolbenboden (20) führt.
Hubkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (12) mindestens acht sich in radialer Richtung erstreckende Kühlkanäle (42) ausgebildet sind.
Hubkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (34) einen Ringkanal (40) oder ein zentrales Reservoir umfasst und sich die Kühlkanäle (42) ausgehend von diesem Ringkanal (40) oder dem zentralen Reservoir in radialer Richtung betrachtet nach außen erstrecken.
Hubkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Einströmbereich (34) ausgehend von einer Einströmöffnung (36) erstreckt, welche in der Mantelfläche (54) einer Kolbenbolzennabe (24) ausgebildet ist.
Hubkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einströmbereich (34) von einem Bereich des Kolbenbodens (14) erstreckt, der beabstandet von der Kolbenbolzennabe (24) ist.
Hubkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Kühlkanäle (42) zumindest teilweise an die Kontur der Brennraumfläche (16) derart angepasst ist, dass der axiale Abstand der Kühlkanäle (42) zu der Brennraumfläche (16) innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters liegt.
Verwendung eines Hubkolbens (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlflüssigkeit über einen radial innenseitig angeordneten Einströmbereich (34) in den Hubkolben (12) eingebracht wird und durch eine Vielzahl von sich in radialer Richtung erstreckende Kühlkanäle (42) in radialer Richtung nach außen abgeleitet wird.