WO2007073719A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a method for its production according to claim 6.
  • US Pat. No. 4,662,319 discloses a built-up piston for an internal combustion engine which comprises a piston main body with pin bosses and a piston upper part connected thereto.
  • the piston base body On the piston bottom side, the piston base body has an annular bearing surface on which the piston upper part rests, and which is connected to the pin bosses via conically shaped wall elements.
  • the wall elements form an annular space approaching the pin bosses, which is covered on the piston bottom side by a ring element which has openings through which cooling oil is introduced into the annular space with which the pin bosses are cooled.
  • the ring member further includes a radially outwardly formed in the underside of the piston upper part recess, so that there is a closed, annular cooling channel for cooling the annular grooves.
  • the disadvantage here is the complicated structure of the known from the US patent piston, whereby the production of the piston is complicated and expensive.
  • Show it 1 shows a section through a piston shown in perspective with a circumferential cooling channel, each having a Nabenk ⁇ hl- channel in the region of the pin bosses,
  • FIG. 2 shows a section through the piston shown in perspective with a cooling channel according to FIG. 2, which has a plurality of hump-shaped and piston-bottom-side arranged cross-sectional widenings, FIG.
  • FIG 3 shows a section through the piston, which is shown in perspective, with a hub cooling channel, which is connected to the cooling channel only via an oil inlet opening, and
  • Fig. 4 shows a section through the piston shown in perspective with a cooling channel having in the region of the pin bosses depending on a radially inwardly directed, surface-shaped Nabenkühlkanal.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a piston 1 for an internal combustion engine in section with a combustion bowl 2 in the piston head 3.
  • the radial outer surface of the piston 1 has an adjacent to the piston crown 3 land land 4 and adjacent to a ring section 5, followed by a rotating shaft 6 connects.
  • On opposite sides of the shaft 6 are each a pin hub 7, each with a hub bore 8 is held.
  • the piston 1 in the piston crown radially outside an annular, circumferential cooling channel 9, is introduced into the cooling oil via an opening into the piston interior 14 oil supply passage 10, and from the cooling oil via a in the Figures not shown, discharged into the piston interior 14 ⁇ lab Concretekanal is discharged again.
  • the cooling channel 9 is connected to one in the areas T of the two pin bosses 7 arranged Nabenkühlkanal 13, wherein the two Nabenkühlkanäle 13 via one oil inlet opening 11 and one each Oil drain opening 12 are connected to the cooling channel 9.
  • the two Nabenkühlkanäle 13 also each have an opening into the piston interior 14 oil drain channel 15.
  • a salt core is initially formed, which has the shape of the cooling channel 9 with the hub cooling channels 13 formed thereon, each with an oil drain channel 15.
  • the salt core is then placed in a mold and encapsulated with the piston material, i.e., with aluminum or with cast iron.
  • the oil supply channel 10 and the ⁇ lab Industrieskanal is drilled into the piston 1, through which the salt of the salt core is washed out of the piston blank.
  • the piston is completed by means of a machining process.
  • FIG. 2 an embodiment of a cooling channel 9 1 is shown, distributed over the entire circumference, piston bottom side arranged humpy cross-sectional extensions 16 whose purpose is to improve the cooling of the thermally highly loaded edge of the combustion bowl 2 in that the cooling channel 9 'in the areas of the cross-sectional widenings 16 comes closer to the edge of the combustion chamber trough 2, so that the cooling oil can get closer to the trough edge.
  • Fig. 3 an embodiment of the Nabenkühlkanals 13 'is shown, which is connected exclusively via the oil drain passage 15 with the piston interior 14, so that the entire through the Nabenkühlkanal 13' flowing oil is fed into the piston interior 14.
  • the design of the cooling channel 9 "according to FIG. 4 has in each case a radially inwardly directed, in plan view flat surface-shaped hub cooling channel 17 in the piston bottom side regions T of the pin bosses 7, from which cooling oil is conducted via the oil drain channel 15 into the piston interior 14 area-wide - A -
  • Th Nabenkühlkanals 17 is a relatively large area of the pin bosses 7 covered with cooling surface, which comes into contact with cooling oil, so that in this way a very good cooling of the areas T of the pin bosses 7 is achieved.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem ringförmigen, in Kolbenbodennähe und radial außen angeordneten Kühlkanal (9), der in den nahe den Nabenbohrungen (8) liegenden Bereichen (71) der Bolzennaben (7) mit dem Kühlkanal (9) in Verbindung stehende Nabenkühlkanäle (13) zur verbesserten Kühlung der Bolzennaben (7) aufweist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 6.
Aus der US-Patentschrift mit der Nummer US 4 662 319 ist ein gebauter Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Kolbengrundkörper mit Bolzennaben und einem damit verbundenen Kolbenoberteil besteht. Der Kolbengrundkörper weist kolbenbodenseitig eine ringförmige Auflagefläche auf, auf der das Kolbenoberteil aufliegt, und die über konisch geformte Wandelemente mit den Bolzennaben verbunden ist. Die Wandelemente bilden einen an die Bolzennaben heranreichenden Ringraum, der kolbenbodenseitig von einem Ringelement abgedeckt wird, das Öffnungen aufweist, über die Kühlöl in den Ringraum eingeleitet wird, mit dem die Bolzennaben gekühlt werden. Das Ringelement schließt darüber hinaus eine radial außen in die Unterseite des Kolbenoberteils eingeformte Ausnehmung ab, sodass sich ein geschlossener, ringförmiger Kühlkanal zur Kühlung der Ringnuten ergibt. Nachteilig ist hierbei der komplizierte Aufbau des aus der US-Patentschrift bekannten Kolbens, wodurch die Herstellung des Kolbens aufwendig und teuer wird.
Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen und mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches 6. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen perspektivisch dargestellten Kolben mit einem umlaufenden Kühlkanal, der im Bereich der Bolzennaben je einen Nabenkϋhl- kanal aufweist,
Fig. 2 einen Schnitt durch den perspektivisch dargestellten Kolben mit einem Kühlkanal gemäß Fig. 2, der mehrere, höckerartige und kolbenbodenseitig angeordnete Querschnittserweiterungen aufweist,
Fig. 3 einen Schnitt durch den perspektivisch dargestellten Kolben mit einem Na- benkühlkanal, der lediglich über eine Ölzulauföffnung mit dem Kühlkanal verbunden ist, und
Fig. 4 einen Schnitt durch den perspektivisch dargestellten Kolben mit einem Kühlkanal, der im Bereich der Bolzennaben je einen nach radial innen gerichteten, flächig ausgebildeten Nabenkühlkanal aufweist.
Fig. 1 zeigt einen perspektivisch dargestellten Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor im Schnitt mit einer Brennraummulde 2 im Kolbenboden 3. Die radiale Außenfläche des Kolbens 1 weist einen an den Kolbenboden 3 angrenzenden Feuersteg 4 und daran angrenzend eine Ringpartie 5 auf, woran sich ein umlaufender Schaft 6 anschließt. Auf einander gegenüberliegenden Seiten werden vom Schaft 6 je eine Bolzennabe 7 mit je einer Nabenbohrung 8 gehalten.
Zur Kühlung der Brennraummulde 2 und der Ringpartie 5 weist der Kolben 1 in Kolbenbodennähe, radial außen einen ringförmigen, umlaufenden Kühlkanal 9 auf, in den Kühlöl über einen in den Kolbeninnenraum 14 mündenden Ölzuführkanal 10 eingeleitet wird, und aus dem das Kühlöl über einen in den Figuren nicht dargestellten, in den Kolbeninnenraum 14 mündenden Ölabführkanal wieder ausgeleitet wird.
Zur Kühlung der nahe den Nabenbohrungen 8 liegenden kolbenbodenseitigen Bereiche T der beiden einander gegenüberliegenden Bolzennaben 7 ist der Kühlkanal 9 mit je einem in den Bereichen T der beiden Bolzennaben 7 angeordneten Nabenkühlkanal 13 verbunden, wobei die beiden Nabenkühlkanäle 13 über je eine Ölzulauföffnung 11 und je eine Ölablauföffnung 12 an den Kühlkanal 9 angeschlossen sind. Die beiden Nabenkühlkanäle 13 weisen zudem je einen in den Kolbeninnenraum 14 mündenden Ölablaufkanal 15 auf. Hierbei wird ein Teil des über den Ölzuführkanal 10 in den Kühlkanal 9 eingespritzten Kühlöles über die Ölzulauföffnungen 11 in der Nabenkühlkanäle 13 eingeleitet und nach Kühlung der kolbenbodenseitigen Bereiche T der Bolzennaben 7 teils über die Ölablaufkanäle 15 in den Kolbeninnenraum 14 abgeleitet und teils über die Ölzulauföffnungen 12 in den Kühlkanal 9 zurückgeführt.
Zur Herstellung des Kolbens 1 mit dem erfindungsgemäßen Kühlkanalsystem wird zunächst ein Salzkern geformt, der die Form des Kühlkanals 9 mit den daran angeformten Nabenkühlkanälen 13 mit je einem Ölablaufkanal 15 aufweist. Der Salzkern wird dann in eine Gießform eingelegt und mit dem Kolbenmaterial, d.h., mit Aluminium oder mit Gusseisen, umgössen. Anschließend wird der Ölzuführkanal 10 und der Ölabführkanal in den Kolben 1 eingebohrt, über die das Salz des Salzkernes aus dem Kolbenrohling ausgewaschen wird. Letztlich wird der Kolben mittels eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens fertiggestellt.
In Fig. 2 ist eine Ausgestaltung eines Kühlkanals 91 dargestellt, die über den gesamten Umfang verteilte, kolbenbodenseitig angeordnete, höckerartige Querschnittserweiterungen 16 aufweist, deren Zweck darin besteht, die Kühlung des thermisch hoch belasteten Randes der Brennraummulde 2 dadurch zu verbessern, dass der Kühlkanal 9' in den Bereichen der Querschnittserweiterungen 16 näher an den Rand der Brennraummulde 2 heranreicht, sodass auch das Kühlöl näher an den Muldenrand gelangen kann.
In Fig. 3 ist eine Ausgestaltung des Nabenkühlkanals 13' gezeigt, der ausschließlich über den Ölablaufkanal 15 mit dem Kolbeninnenraum 14 verbunden ist, sodass das gesamte durch den Nabenkühlkanal 13' fließende Öl in den Kolbeninnenraum 14 geleitet wird.
Die Ausgestaltung des Kühlkanals 9" gemäß Fig. 4 weist in den kolbenbodenseitigen Bereichen T der Bolzennaben 7 je einen nach radial innen ausgerichteten, in Draufsicht flächenförmig ausgebildeten Nabenkühlkanal 17 auf, aus dem Kühlöl über den Ölablaufkanal 15 in das Kolbeninnere 14 geleitet wird. Mittels des flächig ausgebilde- - A -
ten Nabenkühlkanals 17 ist ein relativ großer Bereich der Bolzennaben 7 mit Kühlfläche überdeckt, die mit Kühlöl in Kontakt kommt, sodass hierdurch eine sehr gute Kühlung der Bereiche T der Bolzennaben 7 erreicht wird.
Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Brennraummulde
3 Kolbenboden
4 Feuersteg
5 Ringpartie
6 Schaft
7 Bolzennabe
T Bolzennabenbereich
8 Nabenbohrung 9, 9', 9" Kühlkanal
10 Ölzuführkanal
11 Ölzulauföffnung
12 Ölablauföffnung 13, 13' Nabenkühlkanal
14 Kolbeninnenraum
15 Ölablaufkanal
16 Querschnittserweiterung
17 Nabenkühlkanal

Claims

Patentansprüche
1. Kolbens (1 ) für einen Verbrennungsmotor
- mit einer auf der radialen Außenfläche des Kolbens (1) in Kolbenbodennähe angeordneten Ringpartie (5),
- mit einem sich an die Ringpartie (5) in kolbenbodenabgewandte Richtung anschließenden Schaft (6),
- mit zwei einander gegenüberliegenden und vom Schaft (6) gehaltenen Bolzennaben (7) mit je einer Nabenbohrung (8),
- mit einem ringförmigen, in Kolbenbodennähe und radial außen angeordneten Kühlkanal (9, 9\ 9") zur Kühlung der Ringpartie (5), der über einen Ölzuführ- kanal (10) und einen Ölabführkanal mit dem Kolbeninnenraum (14) verbunden ist, und
- mit mindestens einen Nabenkühlkanal (13, 13', 17) zur Kühlung der Bolzennaben (7), dadurch gekennzeichnet, dass in den nahe dem Kolbenboden (3) liegenden Bereichen (71) der Bolzennaben (7) jeweils ein mit dem Kühlkanal (9, 9\ 9") in Verbindung stehender Nabenkühlkanal (13, 13', 17) angeordnet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenkühlkanä- Ie (13, 13', 17) über je eine Ölzulauföffnung (11) an den Kühlkanal (9) angeschlossen sind und über je einen Ölablaufkanal (15) mit dem Kolbeninnenraum (14) in Verbindung stehen.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenkühlkanä- Ie (13) über je eine Ölablauföffnung (12) an den Kühlkanal (9) angeschlossen sind.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenkühlkanä- Ie (17) nach radial innen ausgerichtet sind, in Draufsicht flächenförmig ausgebildete sind und sich über die kolbenbodenseitigen Bereiche (71) der Bolzennaben (7) erstrecken.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (91) über den Umfang verteilte, kolbenbodenseitig angeordnete, höckerartig ausgebildete Querschnittserweiterungen (16) aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1 ) für einen Verbrennungsmotor gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte-.
- Herstellen eines Salzkemes in Form eines ringförmigen Kühlkanals (9, 9\ 9") mit zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Salzkernes angeordneten und nach radial innen ausgerichteten Anformungen in Form von Na- benkühlkanälen (13, 13', 17),
- Bereitstellen einer Gießform für den Kolben (1) mit zwei zu den Bolzennaben (7) komplementären, einander gegenüberliegenden Anformungen und mit zwei, einander gegenüberliegenden, in radialer Richtung in die Gießform einschiebbaren Schiebern für zwei in den Bolzennaben (7) angeordneten Nabenbohrung (8),
- Einlegen und Befestigen des Salzkernes in der Gießform derart, dass die Anformungen für die Nabenkühlkanäle (13, 13', 17) auf der kolbenbodenzuge- wandten Seite der für die Bolzennaben (7) vorgesehenen Anformungen zu liegen kommen,
- Einschieben der für die Nabenbohrungen (8) vorgesehenen Schieber,
- Füllen der Gießform mit dem in flüssiger Form vorliegenden Kolbenmaterial, wobei der Salzkern umgössen wird,
- Einführen eines Schiebers für das Ausformen des Kolbeninnenraumes (14),
- Entnehmen des Kolbenrohlings aus der Gießform,
- Bohren mindestens eines in den Kühlkanal (9, 9', 9") mündenden Ölzuführ- kanals (10) und mindestens eines mit dem Kühlkanal (9, 9', 9") in Verbindung stehenden Ölabführkanals,
- Auswaschen des Salzkernes aus dem Kühlkanal (9, 9', 9") über den Ölzu- führkanal (10) und den Ölabführkanal,
- Fertigstellen des Kolbens (1 ) mit Hilfe eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kolbenmaterial flüssiges Aluminium in die Gießform gegossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kolbenmaterial flüssiges Gusseisen in die Gießform gegossen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden an den Salzkern angebrachten und einander gegenüberliegenden Anformungen für die Nabenkühlkanäle (13') jeweils auf einer Seite mit dem Salzkern verbunden sind und jeweils auf der anderen Seite eine weitere Anformungen für einen im Wesentlichen in axiale und kolbenbodenabgewandte Richtung weisenden Ölablaufkanal (15) aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen anderen Seiten der Anformungen in Form der Nabenkühlkanäle (13) mit dem Salzkern verbunden sind.
11. Verfahren nach einem der Anprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Salzkern angebrachten Anformungen für die Nabenkühlkanäle (17) in Draufsicht flächig ausgebildet sind.
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