WO2007110056A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2007110056A1
WO2007110056A1 PCT/DE2007/000532 DE2007000532W WO2007110056A1 WO 2007110056 A1 WO2007110056 A1 WO 2007110056A1 DE 2007000532 W DE2007000532 W DE 2007000532W WO 2007110056 A1 WO2007110056 A1 WO 2007110056A1
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WO
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piston
nozzle
partition wall
piston head
cooling channel
Prior art date
Application number
PCT/DE2007/000532
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Issler
Timo Estrum
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Mahle International 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 
    • F02F3/0015—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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston head with a piston head exposed to at least one combustion jet and a piston shaft with hub bores for receiving a piston pin, wherein the piston head and the piston shaft are formed as interconnected individual components, which enclose a peripheral outer cooling channel.
  • the piston crown As part of the combustion chamber, the piston crown is acted upon directly by the hot combustion gases in the form of firing jets, which leads to local temperature peaks. In order to reduce the stresses resulting from the uneven temperature distribution of the piston crown, it is known to cool the piston crown by directing cooling oil in the direction of the underside of the piston crown.
  • EP 1 185 774 B1 describes a piston with a cooling channel which is open towards the piston shaft and which is closed by a complexly constructed annular wall part which has transverse walls extending axially into the cooling channel, which cools the cooling oil while utilizing the shaver effect
  • DE 102 14 830 A1 likewise discloses a piston with a cooling channel open towards the piston shaft, which is closed by a cover having an oil inlet.
  • the object of the present invention is to provide a piston for an internal combustion engine in which the cooling effect of the cooling channel supplied cooling oil is further improved.
  • the solution consists in a piston having the features of claim 1. According to the invention it is provided that in the cooling channel an arranged parallel to the piston crown annular partition wall is provided which has one or more nozzle-like openings which are arranged such that their respective outlet jet against the bottom the piston head is aligned.
  • the embodiment of the invention makes it possible for the first time to direct the cooling oil targeted to the underside of the piston crown. This no longer relies solely on the shaker effect to wet the underside of the piston crown with cooling oil.
  • the Shaker effect is helpful in the embodiment according to the invention to eject the cooling oil from the at least one nozzle-like opening with a certain, ideally high speed.
  • the direction of the cooling oil jet is then determined by the design and / or arrangement of the nozzle-like opening.
  • the underside of the piston crown is now subjected to intensive local cooling oil.
  • the outflowing cooling oil is again subject to the conventional shaker effect before it flows out of the outer cooling channel in a manner known per se, for example through passage openings leading to a central cooling space.
  • the cooling oil jets emerging from the nozzle-like openings are aligned with those areas of the underside of the piston head which are opposite to the one or more regions of the piston head which are exposed to the at least one combustion jet. This makes it possible for the first time to specifically reduce the temperature peaks occurring at the piston crown and to reduce the risk of premature material fatigue.
  • the partition wall can be arranged, for example, in the region of the cooling channel formed by the piston skirt. Therefore, the space located below the partition has a relatively small volume, so that comparatively little cooling oil is needed to achieve a good cooling effect. It is particularly advantageous if the space located below the partition is completely filled with cooling oil, so that at the at least one nozzle-like opening a particularly high cooling oil pressure is applied and the cooling oil jet experiences an optimal acceleration when ejected from the opening.
  • the piston head has an inner and an outer bearing surface and the piston shaft in each case a corresponding thereto inner and outer support surface. Due to this configuration, the partition between the inner or outer bearing surface and the associated support surface may be arranged so that it is particularly easy to assemble and fasten.
  • the partition can be arranged on the one hand between an inner support surface and the support surface associated therewith. Then, advantageously, between the outer circumferential surface, i. the outer edge region of the partition wall and the outer wall of the cooling channel, an annular gap provided through which the cooling oil can flow back into the region below the partition wall.
  • the dividing wall can also be arranged between an outer support surface and the support surface associated therewith. Then, advantageously, between the inner peripheral surface, i. the inner edge region of the partition wall and the inner wall of the cooling channel, an annular gap provided through which the cooling oil can flow back into the region below the partition wall.
  • the dividing wall can also be designed as a wall part integrated in the piston head or in the piston shaft, which is also molded during the production of the piston.
  • the at least one nozzle-shaped opening is formed in a simple and expedient embodiment as arranged in the partition or in the wall part bore.
  • a particularly efficient cooling effect is achieved if the at least one nozzle-shaped opening is designed as a nozzle body.
  • a nozzle body may be formed integrally with the partition wall or the wall part, but it may also be formed as a separate component and fixed on the partition wall or the wall part.
  • the nozzle body designed as a venturi nozzle, so that pressure and speed of the cooling oil jet can be controlled in a targeted manner.
  • At least one flow opening can be provided, through which the cooling oil flows back into the area below the partition wall or the wall part.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in section.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a nozzle body in section
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a nozzle-like opening in section
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a piston according to the invention in section
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a piston according to the invention in section
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a piston according to the invention in section
  • Fig. 7 shows another embodiment of a piston according to the invention in section.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a built-piston 10.
  • the piston 10 has a piston head 11 with a piston head 12, a peripheral land 13 and a circumferential ring portion 14 with annular grooves 15 for receiving not shown piston rings on.
  • the piston head 12 is provided with a combustion recess 16.
  • the piston 10 also has a piston stem 17 with a tread
  • piston skirt 17 Other components of the piston skirt 17 such as hubs, hub bores, etc. are not shown for reasons of clarity.
  • the piston head 11 is usually made of a particularly temperature-resistant metallic material, while the piston shaft 17 preferably consists of a light metal material, cast iron or a steel material.
  • the piston head 11 and the piston shaft 17 are interconnected in a conventional manner, as is customary for built-piston.
  • the piston head 11 and the piston shaft 17 by means of a central screw connection
  • the piston head 11 has on its side facing the piston shaft 17 an outer circumferential bearing surface 21 and an inner circumferential bearing surface 22.
  • the piston skirt 17 accordingly has on its side facing the piston head 11 a corresponding outer circumferential support surface 23 and an inner circumferential support surface 24. In the assembled state, the bearing surfaces 21, 22 of the piston head are supported on the support surfaces 23, 24 of the piston skirt 17.
  • a peripheral recess 25 is formed approximately at the level of the top land 13 and the ring portion 14, while in the piston head 11 facing surface of the piston skirt 17, a corresponding annular recess 26 is formed.
  • the recesses 25, 26 form an outer circumferential cooling channel 27, wherein the bottom 12 a of the piston head 12 forms the upper end of the cooling channel 27.
  • the piston head 11 On its surface facing the piston shaft 17, the piston head 11 also has a central recess 28 and the piston shaft has a corresponding central recess 29 on its surface facing the piston head 11.
  • the two recesses 28, 29 form a cooling space 31.
  • the cooling channel 27 and the cooling space 31 are connected to one another by means of at least one passage opening 32 arranged in the region of the inner support surface 24 of the piston shaft 17. prevented.
  • the cooling space 31 is open via a further passage opening 33 to the piston pin.
  • annular partition 35 made of a metallic material, eg. A steel or spring steel sheet, arranged parallel to the piston head 12 extending.
  • the partition wall 35 is held in grooves 36, which are introduced in the side walls of the recess 26, under prestress.
  • the partition wall 135 may have stiffening introduced beads.
  • the recess 26 is completely filled below the dividing wall 35 with cooling oil forcibly conveyed via the connecting rod and piston pin, which thus does not undergo the "shaker effect" caused by the piston movement.
  • the cooling oil therefore ideally passes continuously a crank angle movement of 360 °, but especially during the downward movement of the piston under high pressure from the nozzle body 37 and is sprayed in the form of a sharp jet against the bottom 12a of the piston crown 12.
  • the exiting rays be targeted by cooling oil on areas of the bottom 12a, the areas of great thermal stress of the piston head 12 by impinging combustion jets are opposite.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a nozzle-like opening in the form of a nozzle body 37, as it can be used, for example, in a piston according to FIG.
  • the nozzle body 37 is formed as a separate component and may, for example, consist of metal or a suitable plastic.
  • the nozzle body 37 has a funnel-shaped inlet region 38 for the cooling oil, which tapers in the direction of the underside 12 a of the piston head 12. Adjoining the inlet region 38 is a nozzle head 39 directed toward the underside 12a of the piston crown 12.
  • the circumferential free edge of the inlet portion 38 has elastic tongues 41, which in corresponding openings of the partition wall 35 are clipped above a introduced into the partition wall 35 through opening 42 for the cooling oil.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a nozzle-like opening 45 integral with the dividing wall 35.
  • the nozzle-like opening 45 in the exemplary embodiment is an approximately frusto-conical elevation 46 which encloses a through-opening 47 tapering in the direction of the underside 12a of the piston crown 12 for the cooling oil.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a piston 110 according to the invention, wherein identical components are provided with the same reference numerals as in FIG.
  • an annular partition 135 made of a metallic material, for example.
  • a steel sheet or spring steel sheet arranged parallel to the piston head 12 extending.
  • the annular partition wall 135 is clamped with its inner circumferential edge region 148 between the inner support surface 22 of the piston head 11 and the inner support surface 24 of the piston skirt 17.
  • the outer circumferential edge region 149 of the partition wall 135 protrudes freely into the cooling channel 27, so that an annular gap 152 is formed between it and the outer wall 151 of the cooling channel 27 located approximately at the level of the top land 13 and the ring section 14.
  • On the partition 135 all-round nozzle-like openings in the form of holes 137 are arranged.
  • the partition 135 may have stiffening introduced beads.
  • the recess 26 is filled below the partition wall 135 with cooling oil, which is zwangstransportiert via connecting rod and piston pin.
  • cooling oil which is zwangstransportiert via connecting rod and piston pin.
  • annular gap 152 of FIG. 4 is formed in the recess 26, an oil pressure which is smaller than that according to the embodiment of FIG. 1.
  • the accelerated from about a crank angle of 270 ° in the direction of the piston head 12 cooling oil therefore occurs at a lower Pressure from the holes 137, but still in the form of sharp rays, so that so that a cooling effect is achieved, which exceeds the effect caused by the Shaker effect.
  • This is in particular by a corresponding dimensioning of the oil volume in the recess 26, the gap width of the gap 152 and the pressure of the connecting rod and piston pin in the recess 26 forcibly supplied oil.
  • the exiting jets of cooling oil can be targeted to areas of the bottom 12a, the areas of high thermal stress of the piston head 12 are opposed by impinging combustion jets.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a piston 210 according to the invention, wherein identical components are provided with the same reference numerals as in FIG.
  • an annular partition wall 235 made of a metallic material, for example. A steel sheet or spring steel sheet, arranged parallel to the piston head 12 extending.
  • the annular partition wall 235 is clamped with its outer circumferential edge region 249 between the outer bearing surface 21 of the piston head 11 and the outer support surface 23 of the piston skirt 17.
  • the inner circumferential edge region 248 of the partition wall 235 projects freely into the cooling channel 27, so that an annular gap 252 is formed between it and the inner wall 253 of the cooling channel 27 formed by the recess 25.
  • nozzle-like openings in the form of nozzle bodies 237 are arranged on the partition wall 235 .
  • the nozzle body 237 are approximately conical in cross-section and enclose a to the bottom 12a of the piston head 12 towards tapered passage opening 247 for the cooling oil.
  • passage openings 254 for cooling oil flowing back into the recess 26 are formed in the dividing wall 235.
  • the recess 26 is filled below the partition wall 235 with cooling oil, which is zwangsstransportiert via connecting rod and piston pin.
  • cooling oil which is zwangsstransportiert via connecting rod and piston pin.
  • the cooling oil exits according to the crank angle position under pressure from the passage openings 247 of the nozzle body 237 and is in the form of a sharp beam against the bottom 12 a of Piston bottom 12 sprayed.
  • the passing beams of cooling oil are targeted to areas of the bottom 12a are directed, the areas of great thermal stress of the piston crown 12 by impinging jets are opposite.
  • the cooling oil flows back into the recess 26 through the flow openings 254.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a piston 310 according to the invention, wherein identical components are provided with the same reference numerals as in FIG.
  • an annular partition wall 335 made of a metallic material, for example a steel sheet or spring steel sheet, is arranged to run parallel to the piston head 12.
  • the annular partition wall 335 is clamped with its outer circumferential edge region 349 between the outer bearing surface 21 of the piston head 11 and the outer support surface 23 of the piston skirt 17.
  • the inner circumferential edge region 348 of the partition wall 335 projects freely into the cooling channel 27, so that an annular gap 352 is formed between it and the inner wall 353 of the cooling channel 27 formed by the recess 25.
  • nozzle-like openings in the form of nozzle bodies 337 are arranged on the partition wall 335 .
  • the nozzle body 337 are formed in this embodiment as separate components and integrated into the partition wall 335.
  • the nozzle body 337 are formed in this embodiment as Venturi nozzles and enclose a passage opening 347 for the cooling oil.
  • Adjacent to the nozzle bodies 337 flow openings 354 are formed in the partition 335 for flowing back into the recess 26 cooling oil.
  • the recess 26 is filled below the partition wall 335 with cooling oil, which is forcibly transported by connecting rod and piston pin.
  • a controlled cooling of the piston head 12 using the passage openings 347 of the nozzle body 337 occurs according to the crank angle position under pressure from the passage openings 347 of the nozzle body 337 and is in the form of a sharp beam against the bottom 12a of the Piston bottom 12 sprayed.
  • the exiting jets of cooling oil can be targeted to areas of the bottom 12a, the areas of high thermal stress of the piston head 12 by are located opposite to each other.
  • the cooling oil flows back into the recess 26 through the flow openings 354 or back to the inner cooling space via overflow channels.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a piston 410 according to the invention, the same components being provided with the same reference numerals as in FIG.
  • the piston shaft 17 is made in this embodiment of ductile iron.
  • partition wall is arranged parallel to the piston head 12, which separates the recess 26 in the piston shaft 17 of the recess 25 in the piston head 11.
  • the wall part 435 is integrally molded with the piston skirt 17.
  • the piston head 11 may be a casting and have an integrally molded with the piston head 11 wall part.
  • On the wall portion 435 all around nozzle-like openings in the form of nozzle bodies 437 are arranged.
  • the nozzle body 437 are formed in this embodiment as separate components and integrated in the wall portion 435.
  • the nozzle body 437 may be screwed in, glued, pressed or otherwise secured. You have in this embodiment, an approximately cylindrical outer contour. They surround a to the bottom 12 a of the piston head 12 towards tapered passage opening 447 for the cooling oil, which connects the recesses 25 and 26 with each other. Adjacent to the nozzle bodies 437, flow openings 454 for cooling oil flowing back into the recess 26 are formed in the wall part 435.
  • the recess 26 is filled below the wall portion 435 with cooling oil, which is forcibly transported by connecting rod and piston pin.
  • cooling oil which is forcibly transported by connecting rod and piston pin.
  • the exiting jets of cooling oil can be directed in a targeted manner to areas of the underside 12a, the regions of great thermal stress of the piston head 12 can be deflected by are located opposite to each other.
  • the cooling oil flows back into the recess 26 through the flow openings 454 or back to the inner cooling space via overflow channels.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Kolbenkopf (11 ) mit einem mindestens einem Brennstrahl ausgesetzten Kolbenboden (12) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11) und der Kolbenschaft (12) als miteinander verbundene Einzelbauteile ausgebildet sind, die einen umlaufenden äußeren Kühlkanal (27) einschließen. Erfindungsgemäß ist im Kühlkanal (27) eine parallel zum Kolbenboden (12) angeordnete ringförmige Trennwand (35, 135, 235, 335, 435) vorgesehen, die eine oder mehrere düsenartige Öffnungen (37, 45, 137, 237, 337, 437) aufweist, die derart angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Austrittsstrahl gegen die Unterseite (12a) des Kolbenbodens (12) ausgerichtet ist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Kolbenkopf mit einem mindestens einem Brennstrahl ausgesetzten Kolbenboden und einem Kolbenschaft mit Nabenbohrungen zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei der Kolbenkopf und der Kolbenschaft als miteinander verbundene Einzelbauteile ausgebildet sind, die einen umlaufenden äußeren Kühlkanal einschließen.
Als Teil des Verbrennungsraums wird der Kolbenboden direkt von den heißen Verbrennungsgasen in Form von Brennstrahlen beaufschlagt, was zu lokalen Temperaturspitzen führt. Um die aus der ungleichen Temperaturverteilung resultierenden Belastungen des Kolbenbodens zu verringern, ist es bekannt, den Kolbenboden zu kühlen, indem Kühlöl in Richtung der Unterseite des Kolbenbodens gelenkt wird. Dabei wird angestrebt, die Kühlwirkung durch den sog. „Shakereffekt" zu verstärken. Aus der DE 40 18 252 C1 ist es bekannt, zu diesem Zweck im äußeren Kühlkanal einen ringförmigen Leitkörper anzuordnen, der das in den Kühlkanal strömende Kühlöl zur Unterseite des Kolbenbodens lenkt. Die EP 1 185 774 B1 beschreibt einen Kolben mit einem zum Kolbenschaft hin offenen Kühlkanal, der mit einem komplex aufgebauten ringförmigen Wandteil verschlossen ist, der sich axial in den Kühlkanal hinein erstreckende Querwände aufweist, die das Kühlöl unter Ausnutzung des Sha- kereffekts in den Kühlkanal leiten. Die DE 102 14 830 A1 offenbart ebenfalls einen Kolben mit einem zum Kolbenschaft hin offenen Kühlkanal, der mit einer einen Ölein- lass aufweisenden Abdeckung verschlossen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem der Kühleffekt des dem Kühlkanal zugeführten Kühlöls weiter verbessert ist. Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Kühlkanal eine parallel zum Kolbenboden angeordnete ringförmige Trennwand vorgesehen ist, die eine oder mehrere düsenartige Öffnungen aufweist, die derart angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Austrittsstrahl gegen die Unterseite des Kolbenbodens ausgerichtet ist.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es erstmals, das Kühlöl gezielt auf die Unterseite des Kolbenbodens zu lenken. Damit ist man nicht mehr allein auf den Shakereffekt angewiesen, um die Unterseite des Kolbenbodens mit Kühlöl zu benetzen. Der Shakereffekt ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung hilfreich, um das Kühlöl aus der mindestens einen düsenartigen Öffnung mit einer gewissen, im Idealfall hohen Geschwindigkeit auszustoßen. Die Richtung des Kühlölstrahls wird dann von der Ausgestaltung und/oder Anordnung der düsenartigen Öffnung bestimmt. Die Unterseite des Kolbenbodens wird nunmehr lokal intensiv mit Kühlöl beaufschlagt. Das abströmende Kühlöl unterliegt wieder dem konventionellen Shaker-Effekt, bevor es in an sich bekannter Weise aus dem äußeren Kühlkanal abfließt, bspw. durch zu einem mittigen Kühlraum führende Durchlassöffnungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind der oder die aus den düsenartigen Öffnungen austretenden Kühlölstrahlen gegen diejenigen Bereiche der Unterseite des Kolbenbodens ausgerichtet, die dem oder den Bereichen des Kolbenbodens gegenüberliegen, die dem mindestens einen Brennstrahl ausgesetzt sind. Damit ist es erstmals möglich, die am Kolbenboden auftretenden Temperaturspitzen gezielt zu vermindern und die Gefahr der vorzeitigen Materialermüdung zu verringern.
Die Trennwand kann bspw. in dem vom Kolbenschaft gebildeten Bereich des Kühlkanals angeordnet sein. Der unterhalb der Trennwand befindliche Raum weist daher ein relativ geringes Volumen auf, so dass vergleichsweise wenig Kühlöl benötigt wird, um eine gute Kühlwirkung zu erzielen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der unterhalb der Trennwand befindliche Raum vollständig mit Kühlöl gefüllt ist, so dass an der mindestens einen düsenartigen Öffnung ein besonders hoher Kühlöl- druck anliegt und der Kühlölstrahl beim Ausstoß aus der Öffnung eine optimale Beschleunigung erfährt.
Bei einer alternativen Ausgestaltung weist der Kolbenkopf eine innere und eine äußere Auflagefläche und der Kolbenschaft jeweils eine hierzu korrespondierende innere und äußere Stützfläche auf. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die Trennwand zwischen der inneren oder äußeren Auflagefläche und der dieser zugeordneten Stützfläche angeordnet sein, so dass sie besonders einfach zu montieren und zu befestigen ist.
Die Trennwand kann einerseits zwischen einer inneren Auflagefläche und der dieser zugeordneten Stützfläche angeordnet sein. Dann ist vorteilhafterweise zwischen der Außenumfangsfläche, d.h. dem äußeren Randbereich der Trennwand und der Außenwand des Kühlkanals ein ringförmiger Spalt vorgesehen, durch welchen das Kühlöl in den Bereich unterhalb der Trennwand zurück fließen kann.
Die Trennwand kann aber andererseits auch zwischen einer äußeren Auflagefläche und der dieser zugeordneten Stützfläche angeordnet sein. Dann ist vorteilhafterweise zwischen der Innenumfangsfläche, d.h. dem inneren Randbereich der Trennwand und der Innenwand des Kühlkanals ein ringförmiger Spalt vorgesehen, durch welchen das Kühlöl in den Bereich unterhalb der Trennwand zurück fließen kann.
Insbesondere bei einem gegossenen Kolben kann die Trennwand auch als ein im Kolbenkopf oder im Kolbenschaft integrierter Wandteil ausgebildet sein, der bei der Herstellung des Kolbens mit gegossen wird.
Die mindestens eine düsenförmige Öffnung ist in einer einfachen und zweckmäßigen Ausgestaltung als in der Trennwand bzw. in dem Wandteil angeordnete Bohrung ausgebildet. Eine besonders effiziente Kühlwirkung wird erzielt, wenn die mindestens eine düsenförmige Öffnung als Düsenkörper ausgebildet ist. Ein solcher Düsenkörper kann einstückig mit der Trennwand bzw. dem Wandteil ausgebildet sein, er kann aber auch als gesondertes Bauteil ausgebildet und auf der Trennwand bzw. dem Wandteil befestigt sein. In einer besonders wirksamen Ausgestaltung ist der Düsen- körper als Venturi-Düse ausgebildet, so dass Druck und Geschwindigkeit des Kühlöl- strahl gezielt gesteuert werden können.
In der Trennwand bzw. dem Wandteil kann zusätzlich zu der mindestens einen dü- senförmigen Öffnung mindestens eine Durchflussöffnung vorgesehen sein, durch die das Kühlöl in den Bereich unterhalb der Trennwand bzw. dem Wandteil zurück fließt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Düsenkörpers im Schnitt;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer düsenartigen Öffnung im Schnitt;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines gebauten Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 13 und einer umlaufenden Ringpartie 14 mit Ringnuten 15 zur Aufnahme nicht dargestellter Kolbenringe auf. Der Kolbenboden 12 ist mit einer Verbrennungsmulde 16 versehen. Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 17 mit einer Lauffläche
18 auf. Weitere Bestandteile des Kolbenschaftes 17 wie Naben, Nabenbohrungen etc. sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Der Kolbenkopf 11 besteht in der Regel aus einem besonders temperaturbeständigen metallischen Werkstoff, während der Kolbenschaft 17 bevorzugt aus einem Leichtmetallwerkstoff, Gusseisen oder aus einem Stahlwerkstoff besteht. Der Kolbenkopf 11 und der Kolbenschaft 17 sind in an sich bekannter Weise miteinander verbunden, wie es für gebaute Kolben üblich ist. Im Ausführungsbeispiel sind der Kolbenkopf 11 und der Kolbenschaft 17 mittels einer zentralen Schraubverbindung
19 miteinander verspannt.
Der Kolbenkopf 11 weist an seiner dem Kolbenschaft 17 zugewandten Seite eine äußere umlaufende Auflagefläche 21 und eine innere umlaufende Auflagefläche 22 auf. Der Kolbenschaft 17 weist dementsprechend an seiner dem Kolbenkopf 11 zugewandten Seite eine korrespondierende äußere umlaufende Stützfläche 23 und eine innere umlaufende Stützfläche 24 auf. Im montierten Zustand stützen sich die Auflageflächen 21 , 22 des Kolbenkopfs auf den Stützflächen 23, 24 des Kolbenschaftes 17 ab.
Im Kolbenkopf 11 ist etwa auf der Höhe des Feuerstegs 13 und der Ringpartie 14 eine umlaufende Ausnehmung 25 eingeformt, während in der dem Kolbenkopf 11 zugewandten Oberfläche des Kolbenschaftes 17 eine korrespondierende ringförmige Ausnehmung 26 eingeformt ist. Im montierten Zustand bilden die Ausnehmungen 25, 26 einen äußeren umlaufenden Kühlkanal 27, wobei die Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 den oberen Abschluss des Kühlkanals 27 bildet. Der Kolbenkopf 11 weist auf seiner dem Kolbenschaft 17 zugewandten Oberfläche ferner eine zentrale Ausnehmung 28 und der Kolbenschaft auf seiner dem Kolbenkopf 11 zugewandten O- berfläche eine korrespondierende zentrale Ausnehmung 29 auf. Im montierten Zustand bilden die beiden Ausnehmungen 28, 29 einen Kühlraum 31. Der Kühlkanal 27 und der Kühlraum 31 sind mittels wenigstens einer im Bereich der inneren Stützfläche 24 des Kolbenschaftes 17 angeordneten Durchtrittsöffnung 32 miteinander ver- bunden. Der Kühlraum 31 ist über eine weitere Durchtrittsöffnung 33 zum Kolbenbolzen hin offen.
In der den unteren Teil des äußeren Kühlkanals 27 bildenden, im Kolbenschaft 17 eingeformten ringförmigen Ausnehmung 26 ist eine ringförmige Trennwand 35 aus einem metallischen Material, bspw. einem Stahlblech oder Federstahlblech, parallel zum Kolbenboden 12 verlaufend angeordnet. Die Trennwand 35 ist in Nuten 36, die in den Seitenwänden der Ausnehmung 26 eingebracht sind, unter Vorspannung gehalten. Auf der Trennwand 35 sind rundum düsenartige Öffnungen in Form von Düsenkörpern 37 angeordnet. Außerdem kann die Trennwand 135 zur Versteifung eingebrachte Sicken aufweisen.
Im Betrieb ist die Ausnehmung 26 unterhalb der Trennwand 35 vollständig mit über Pleuel und Kolbenbolzen zwangstransportiertes Kühlöl gefüllt, welches somit nicht dem von der Kolbenbewegung verursachten „Shaker-Effekt" unterliegt. Infolge des in der Ausnehmung 26 entstehenden Druckes tritt das Kühlöl daher idealerweise kontinuierlich über eine Kurbelwinkelbewegung von 360°, insbesondere jedoch bei der Abwärtsbewegung des Kolbens, unter hohem Druck aus dem Düsenkörper 37 aus und wird in Form eines scharfen Strahls gegen die Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 gesprüht. Je nach Formgebung und Ausrichtung der Düsenkörper 37 können die austretenden Strahlen von Kühlöl gezielt auf Bereiche der Unterseite 12a gelenkt werden, die Bereichen großer thermischer Belastung des Kolbenbodens 12 durch auftreffende Brennstrahlen gegenüber liegen.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer düsenartigen Öffnung in Form eines Düsenkörpers 37, wie er bspw. in einem Kolben gemäß Figur 1 Verwendung finden kann. Der Düsenkörper 37 ist als separates Bauteil ausgebildet und kann bspw. aus Metall oder einem geeigneten Kunststoff bestehen. Der Düsenkörper 37 weist einen trichterförmigen Einlassbereich 38 für das Kühlöl auf, der sich in Richtung der Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 hin verjüngt. An den Einlassbereich 38 schließt sich ein zur Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 gerichteter Düsenkopf 39 an. Der umlaufende freie Rand des Einlassbereichs 38 weist elastische Zungen 41 auf, die in entsprechende Öffnungen der Trennwand 35 oberhalb einer in die Trennwand 35 eingebrachten Durchtrittsöffnung 42 für das Kühlöl eingeklipst sind.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mit der Trennwand 35 einstückigen düsenartigen Öffnung 45. Die düsenartige Öffnung 45 ist im Ausführungsbeispiel eine im Querschnitt etwa kegelstumpfförmige Erhöhung 46, die eine sich in Richtung der Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 verjüngende Durchtrittsöffnung 47 für das Kühlöl umschließt.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind. Im äußeren Kühlkanal 27 ist eine ringförmige Trennwand 135 aus einem metallischen Material, bspw. einem Stahlblech oder Federstahlblech, parallel zum Kolbenboden 12 verlaufend angeordnet. Die ringförmige Trennwand 135 ist mit ihrem inneren umlaufenden Randbereich 148 zwischen der inneren Auflagefläche 22 des Kolbenkopfes 11 und der inneren Stützfläche 24 des Kolbenschaftes 17 klemmend gehalten. Der äußere umlaufende Randbereich 149 der Trennwand 135 ragt frei in den Kühlkanal 27, so dass zwischen ihm und der etwa in Höhe des Feuerstegs 13 und der Ringpartie 14 befindlichen Außenwand 151 des Kühlkanals 27 ein ringförmiger Spalt 152 gebildet ist. Auf der Trennwand 135 sind rundum düsenartige Öffnungen in Form von Bohrungen 137 angeordnet. Die Trennwand 135 kann zur Versteifung eingebrachte Sicken aufweisen.
Im Betrieb ist die Ausnehmung 26 unterhalb der Trennwand 135 mit Kühlöl gefüllt, welches über Pleuel und Kolbenbolzen zwangstransportiert wird. Infolge des ringförmigen Spaltes 152 nach Fig. 4 entsteht in der Ausnehmung 26 ein Öldruck, der kleiner ist als der gemäß des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Das ab ca. einem Kurbelwinkel von 270° in Richtung Kolbenboden 12 beschleunigte Kühlöl tritt daher unter einem geringeren Druck aus den Bohrungen 137, jedoch noch immer in Form scharfer Strahlen aus, so dass damit eine Kühlwirkung erzielt wird, welche die durch den Shakereffekt bewirkte übersteigt. Das wird insbesondere durch eine entsprechende Dimensionierung des Ölvolumens in der Ausnehmung 26, der Spaltbreite des Spaltes 152 sowie des Druckes des über Pleuel und Kolbenbolzen in die Ausnehmung 26 zwangszugeführten Öls erreicht.
Je nach Anordnung der Bohrungen 137 können die austretenden Strahlen von Kühlöl gezielt auf Bereiche der Unterseite 12a gelenkt werden, die Bereichen großer thermischer Belastung des Kolbenbodens 12 durch auftreffende Brennstrahlen gegenüberliegen.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind. Im äußeren Kühlkanal 27 ist eine ringförmige Trennwand 235 aus einem metallischen Material, bspw. einem Stahlblech oder Federstahlblech, parallel zum Kolbenboden 12 verlaufend angeordnet. Die ringförmige Trennwand 235 ist mit ihrem äußeren umlaufenden Randbereich 249 zwischen der äußeren Auflagefläche 21 des Kolbenkopfes 11 und der äußeren Stützfläche 23 des Kolbenschaftes 17 klemmend gehalten. Der innere umlaufende Randbereich 248 der Trennwand 235 ragt frei in den Kühlkanal 27, so dass zwischen ihm und der von der Ausnehmung 25 gebildeten Innenwand 253 des Kühlkanals 27 ein ringförmiger Spalt 252 gebildet ist. Auf der Trennwand 235 sind rundum düsenartige Öffnungen in Form von Düsenkörpern 237 angeordnet. Die Düsenkörper 237 sind im Querschnitt etwa kegelförmig ausgebildet und umschließen eine sich zur Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 hin verjüngende Durchtrittsöffnung 247 für das Kühlöl. Benachbart zu den Düsenkörpern 237 sind in der Trennwand 235 Durchflussöffnungen 254 für in die Ausnehmung 26 zurück fließendes Kühlöl ausgebildet.
Im Betrieb ist die Ausnehmung 26 unterhalb der Trennwand 235 mit Kühlöl gefüllt, welches über Pleuel und Kolbenbolzen zwangstransportiert wird. Entsprechend der Erklärung zum Ausführungsbeispiel nach Fi. 4 erfolgt hier nach dem gleichen Prinzip eine gesteuerte Kühlung des Kolbenbodens 12 unter Verwendung der Durchtrittsöffnungen 247 der Düsenkörper 237. Das Kühlöl tritt entsprechend der Kurbelwinkelstellung unter Druck aus den Durchtrittsöffnungen 247 der Düsenkörper 237 aus und wird in Form eines scharfen Strahls gegen die Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 gesprüht. Je nach Anordnung und Ausrichtung der Düsenkörper 237 können die aus- tretenden Strahlen von Kühlöl gezielt auf Bereiche der Unterseite 12a gelenkt werden, die Bereichen großer thermischer Belastung des Kolbenbodens 12 durch auftreffende Brennstrahlen gegenüber liegen. Das Kühlöl fließt durch die Durchflussöffnungen 254 in die Ausnehmung 26 zurück.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 310, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind. Im äußeren Kühlkanal 27 ist eine ringförmige Trennwand 335 aus einem metallischen Material, bspw. einem Stahlblech oder Federstahlblech, parallel zum Kolbenboden 12 verlaufend angeordnet. Die ringförmige Trennwand 335 ist mit ihrem äußeren umlaufenden Randbereich 349 zwischen der äußeren Auflagefläche 21 des Kolbenkopfes 11 und der äußeren Stützfläche 23 des Kolbenschaftes 17 klemmend gehalten. Der innere umlaufende Randbereich 348 der Trennwand 335 ragt frei in den Kühlkanal 27, so dass zwischen ihm und der von der Ausnehmung 25 gebildeten Innenwand 353 des Kühlkanals 27 ein ringförmiger Spalt 352 gebildet ist. Auf der Trennwand 335 sind rundum düsenartige Öffnungen in Form von Düsenkörpern 337 angeordnet. Die Düsenkörper 337 sind in diesem Ausführungsbeispiel als separate Bauteile ausgebildet und in die Trennwand 335 integriert. Die Düsenkörper 337 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Venturi-Düsen ausgebildet und umschließen eine Durchtrittsöffnung 347 für das Kühlöl. Benachbart zu den Düsenkörpern 337 sind in der Trennwand 335 Durchflussöffnungen 354 für in die Ausnehmung 26 zurück fließendes Kühlöl ausgebildet.
Im Betrieb ist die Ausnehmung 26 unterhalb der Trennwand 335 mit Kühlöl gefüllt, welches über Pleuel und Kolbenbolzen zwangstransportiert wird. Entsprechend der Erklärung zum Ausführungsbeispiel nach Fi. 4 erfolgt hier nach dem gleichen Prinzip eine gesteuerte Kühlung des Kolbenbodens 12 unter Verwendung der Durchtrittsöffnungen 347 der Düsenkörper 337. Das Kühlöl tritt entsprechend der Kurbelwinkelstellung unter Druck aus den Durchtrittsöffnungen 347 der Düsenkörper 337 aus und wird in Form eines scharfen Strahls gegen die Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 gesprüht. Je nach Anordnung und Ausrichtung der Düsenkörper 337 können die austretenden Strahlen von Kühlöl gezielt auf Bereiche der Unterseite 12a gelenkt werden, die Bereichen großer thermischer Belastung des Kolbenbodens 12 durch auf- treffende Brennstrahlen gegenüber liegen. Das Kühlöl fließt durch die Durchflussöffnungen 354 in die Ausnehmung 26 oder über Überströmkanäle zum inneren Kühlraum zurück.
Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 410, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind. Der Kolbenschaft 17 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Sphäroguss hergestellt. Im äußeren Kühlkanal 27 ist eine als ringförmiger Wandteil 435 ausgebildete Trennwand parallel zum Kolbenboden 12 verlaufend angeordnet, die die Ausnehmung 26 im Kolbenschaft 17 von der Ausnehmung 25 im Kolbenkopf 11 trennt. Der Wandteil 435 ist einstückig mit dem Kolbenschaft 17 gegossen. Selbstverständlich kann statt dessen auch der Kolbenkopf 11 ein Gussteil sein und einen einstückig mit dem Kolbenkopf 11 gegossenen Wandteil aufweisen. Auf dem Wandbereich 435 sind rundum düsenartige Öffnungen in Form von Düsenkörpern 437 angeordnet. Die Düsenkörper 437 sind in diesem Ausführungsbeispiel als separate Bauteile ausgebildet und in dem Wandteil 435 integriert. Die Düsenkörper 437 können eingeschraubt, eingeklebt, eingepresst oder auf andere Weise befestigt sein. Sie weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine in etwa zylindrische Außenkontur auf. Sie umschließen eine sich zur Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 hin verjüngende Durchtrittsöffnung 447 für das Kühlöl, die die Ausnehmungen 25 und 26 miteinander verbindet. Benachbart zu den Düsenkörpern 437 sind im Wandteil 435 Durchflussöffnungen 454 für in die Ausnehmung 26 zurück fließendes Kühlöl ausgebildet.
Im Betrieb ist die Ausnehmung 26 unterhalb des Wandteils 435 mit Kühlöl gefüllt, welches über Pleuel und Kolbenbolzen zwangstransportiert wird. Entsprechend der Erklärung zum Ausführungsbeispiel nach Fi. 4 erfolgt hier nach dem gleichen Prinzip eine gesteuerte Kühlung des Kolbenbodens 12 unter Verwendung der Durchtrittsöffnungen 447 der Düsenkörper 437. Das Kühlöl tritt entsprechend der Kurbelwinkelstellung unter Druck aus den Durchtrittsöffnungen 447 der Düsenkörper 437 aus und wird in Form eines scharfen Strahls gegen die Unterseite 12a des Kolbenbodens 12 gesprüht. Je nach Anordnung und Ausrichtung der Düsenkörper 437 können die austretenden Strahlen von Kühlöl gezielt auf Bereiche der Unterseite 12a gelenkt werden, die Bereichen großer thermischer Belastung des Kolbenbodens 12 durch auf- treffende Brennstrahlen gegenüber liegen. Das Kühlöl fließt durch die Durchflussöffnungen 454 in die Ausnehmung 26 oder über Überströmkanäle zum inneren Kühlraum zurück.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Kolbenkopf (11) mit einem mindestens einem Brennstrahl ausgesetzten Kolbenboden (12) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11 ) und der Kolbenschaft (12) als miteinander verbundene Einzelbauteile ausgebildet sind, die einen umlaufenden äußeren Kühlkanal (27) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkanal (27) eine parallel zum Kolbenboden (12) angeordnete ringförmige Trennwand (35, 135, 235, 335, 435) vorgesehen ist, die eine oder mehrere düsenartige Öffnungen (37, 45, 137, 237, 337, 437) aufweist, die derart angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Austrittsstrahl gegen die Unterseite (12a) des Kolbenbodens (12) ausgerichtet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Austrittsstrahlen gegen diejenigen Bereiche der Unterseite (12a) des Kolbenbodens (12) ausgerichtet sind, die dem oder den Bereichen des Kolbenbodens (12) gegenüberliegen, die dem mindestens einen Brennstrahl ausgesetzt sind.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (35) in dem vom Kolbenschaft (17) gebildeten Bereich des Kühlkanals (27) angeordnet ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (11) eine äußere (21) und eine innere Auflagefläche (22) aufweist und der Kolbenschaft (17) jeweils eine hierzu korrespondierende äußere (23) und innere Stützfläche (24) aufweist und dass die Trennwand (135, 235, 335) zwischen der äußeren oder inneren Auflagefläche (21 ; 22) und der dieser zugeordneten äußeren oder inneren Stützfläche (23; 24) angeordnet ist.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung der Trennwand (135) zwischen einer inneren Auflagefläche (22) und der dieser zugeordneten inneren Stützfläche (24) zwischen dem äußeren Randbereich (149) der Trennwand (135) und der Außenwand (151) des Kühlkanals (27) ein ringförmiger Spalt (152) vorgesehen ist.
6. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung der Trennwand (248, 348) zwischen einer äußeren Auflagefläche (21) und der dieser zugeordneten äußeren Stützfläche (23) zwischen dem inneren Randbereich (249, 349) der Trennwand (235, 335) und der Innenwand (253, 353) des Kühlkanals (27) ein ringförmiger Spalt (252, 352) vorgesehen ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand als ein im Kolbenkopf (11) oder im Kolbenschaft (17) integrierter Wandteil (435) ausgebildet ist.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine düsenförmige Öffnung als Bohrung (137) ausgebildet ist.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine düsenförmige Öffnung als Düsenkörper (37, 45, 237, 337, 437) ausgebildet ist.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (45, 237) einstückig mit der Trennwand (35, 235) ausgebildet ist.
11. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (37, 137, 337, 437) als gesondertes Bauteil ausgebildet und an der Trennwand (35, 135, 335, 435) befestigt ist.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (337) als Venturi-Düse ausgebildet ist.
13. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand (235, 335, 435) zusätzlich zu der mindestens einen dü- senförmigen Öffnung (237, 337, 437) mindestens eine Durchflussöffnung (254, 354, 454) vorgesehen ist.
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