WO2008122322A1 - Kolben einer brennkraftmaschine mit einem kühlkanal, der im bereich der ablauföffnung eine vergrösserung aufweist - Google Patents

Kolben einer brennkraftmaschine mit einem kühlkanal, der im bereich der ablauföffnung eine vergrösserung aufweist Download PDF

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WO2008122322A1
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cooling channel
piston
enlargement
drain opening
internal combustion
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Inventor
Gregor Müller
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Ks Kolbenschmidt Gmbh
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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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
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • Piston of an internal combustion engine having a cooling channel which has an enlargement in the region of the drain opening
  • the invention relates to a piston of an internal combustion engine with a cooling channel having at least one inlet opening and at least one drain opening and a lost core for the production of the cooling channel according to the features of the respective preamble of the independent claims 1 and 7.
  • cooling channel In pistons of internal combustion engines, it is known that they may have a cooling channel.
  • This cooling channel is arranged, for example coaxially behind a ring field and encloses, if available, a combustion bowl.
  • the cooling channel has an inlet opening facing into the interior of the piston, via which cooling oil is injected into the cooling channel, circulates there and leaves the cooling channel again via at least one drain opening.
  • the motor oil injected into the cooling channel and circulating there causes cooling of the piston crown, in order to reduce the material stresses there due to the prevailing combustion pressures and temperatures. For this it is important that a sufficient amount of engine oil circulates in sufficient time to cool the surrounding areas.
  • the invention is therefore based on the object to provide a piston with a cooling channel and a lost core for producing a corresponding piston, with which the described disadvantages are avoided.
  • the throughput of engine oil is to be increased by the cooling channel, without causing any impairment in the strength of the piston crown area.
  • the cooling channel piston has an enlargement above the discharge opening of the cooling channel, which extends beyond the vertex of the cooling channel, with respect to its vertical and / or radial extent. Due to this local enlargement of the volume of the cooling channel, above the discharge opening (relative to the piston stroke axis), an oil accumulation of the cooling oil, which moves from the inlet to the outlet, should be reduced or even completely prevented. During the downward movement of the piston during operation of the internal combustion engine, cooling oil is recaptured by the drain opening, since the piston speed is greater than the discharge speed of the cooling oil out of the cooling channel.
  • the enlargement according to the invention thus causes a memory which is filled during this process.
  • the additional compensating volume is to be interpreted in terms of its nature and size to the effect that the captured cooling oil does not flow directly back into the cooling channel and thus the directed Coolant movement positively influenced by the inlet in the direction of the drain.
  • the enlargement extends above and in the circumferential direction over the cross section of the discharge opening, or that the enlargement extends above and at most exactly over the cross section of the discharge opening. In the former case, therefore, the magnification extends over the cross section of the drain opening, so that a comparatively large equalization volume or storage volume is available.
  • the cooling channel is formed in the circumferential direction sawtooth.
  • the throughput of cooling oil through the cooling channel is advantageously further increased due to the oscillating movement of the piston in the cylinder of the internal combustion engine. Due to the increase above the drain opening and the sawtooth-shaped design of the cooling channel so the effect of a fast and sufficient coolant flow through the cooling channel is positively influenced, so that at sufficiently small cross sections for inlet opening, drain opening and cross section of the cooling channel, the strength of the piston crown area is not affected but at the same time can circulate the necessary volume for the cooling of this area.
  • the enlargement is at the end of a rising edge of the sawtooth-shaped cooling channel, is provided to further increase that the drain opening is located at the end of a falling edge of the sawtooth-shaped cooling channel.
  • Another aspect of the invention is a lost core according to claim 7 for the manufacture of a piston as described above.
  • the two figures 1 and 2 show in various views (three-dimensional view in Figure 1 and side view in Figure 2) a lost core 1 for producing a cooling passage of a piston of an internal combustion engine.
  • the material from which the lost core 1 is made is not relevant to the present invention, but the specific and shown shape of the core 1.
  • the core 1 has downwardly directed thickening, which later has an inlet 2 and a drain 3 form. Through these areas 2, 3, the lost core 1 thus later forms the inlet and outlet opening in the finished piston, after the lost core has been flushed out of the cast piston blank.
  • the lost core 1 is designed in the form of a sawtooth in its radial course and has upwardly (in the direction of the piston stroke axis) rising flanks 4 and downwardly sloping flanks 5.
  • the shape and the course and the number of flanks 4, 5 is exemplary and may vary depending on the requirements.
  • the thickening 6 extends above and over the cross section of the drain 3 away. This thickening 6 thus causes the compensated or storage volume in the finished cast piston after the lost core 1 has been flushed out of the cast piston.
  • flanks 4 drop down to an upper vertex S1 and the flanks 5 down to a vertex S2.
  • the distance between the two vertexes S1, S2 forms the maximum height H of the cooling channel in its vertical course (piston axis direction), wherein only the region of the thickening 6 exceeds this maximum height H.
  • FIG. 3 shows that it is also possible to supplement or alternatively design the local enlargement of the cooling channel (shown in sections and provided with the reference numeral 7) in the radial direction and thus perpendicular to the piston axis on one side or on both sides, as shown in Figure 3, provide.
  • the additional effect causing the memory effect in the radial direction to the ring field or in the direction of the trough or at the same time in both directions, depending on the available space and stresses extend.
  • an extension over the cross section is possible as well as to a maximum of exactly over the cross section.
  • combinations of extensions in the radial direction perpendicular to the piston axis or in the piston axis direction above the drain opening are possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal, der zumindest eine Zulauföffnung und zumindest eine Ablauföffnung aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass oberhalb der Ablauföffnung der Kühlkanal eine Vergrößerung aufweist, die sich über den Scheitelpunkt des Kühlkanals, bezogen auf seine radiale Erstreckung, hinausgehend erstreckt. Ebenso wird ein entsprechend gestalteter verlorener Kern zur Herstellung eines solchen Kühlkanalkolbens vorgeschlagen.

Description

Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal, der im Bereich der Ablauföffnung eine Vergrößerung aufweist
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal, der zumindest eine Zulauföffnung und zumindest eine Ablauföffnung aufweist sowie einen verlorenen Kern zur Herstellung des Kühlkanals gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7.
Bei Kolben von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, dass diese einen Kühlkanal aufweisen können. Dieser Kühlkanal ist z.B. koaxial hinter einem Ringfeld angeordnet und umschließt, soweit vorhanden, eine Brennraummulde. Der Kühlkanal weist eine in den Innenbereich des Kolbens weisende Zulauföffnung auf, über die Kühlöl in den Kühlkanal eingespritzt wird, dort zirkuliert und den Kühlkanal über zumindest eine Ablauföffnung wieder verlässt. Das in den Kühlkanal eingespritzte und dort zirkulierende Motoröl bewirkt eine Kühlung des Kolbenbodens, um die dort vorhandenen Materialbelastungen auf Grund der herrschenden Verbrennungsdrücke und -temperaturen zu verringern. Hierzu ist es wichtig, dass eine ausreichende Menge von Motoröl in ausreichend schneller Zeit zur Kühlung der umgebenden Bereiche zirkuliert. Hierzu ist schon vorgeschlagen worden, die an sich bekannten Zulauf- und Ablauföffnungen mit rundem Querschnitt zu vergrößern oder mit asymmetrischen Querschnitten (wie z.B. ovalen Querschnitten) zu versehen, damit die Menge des einzuspritzenden und zirkulierenden Kühlöls vergrößert werden kann. Eine beliebige Vergrößerung der Querschnitte der Öffnungen ist allerdings nicht möglich, da ansonsten Festigkeitsprobleme auftreten. Gleiches gilt für den Querschnitt des Kühlkanals in seinem radialen Verlauf, der nicht beliebig vergrößert werden kann, ohne dass es zu Festigkeitsproblemen im Kolbenbodenbereich kommen würde. Diese begrenzten Querschnitte haben allerdings den Nachteil, dass es nicht immer möglich ist, die gewünschte Menge Kühlöl schnell genug zirkulieren zu lassen, so dass es gerade im Bereich der Ablauföffnung zu Stauungen kommen kann, die verhindern, dass im Bereich der Zulauföffnung genügend Kühlöl nachgefördert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben mit einem Kühlkanal sowie einen verlorenen Kern zur Herstellung eines entsprechenden Kolbens bereit zu stellen, mit dem die geschilderten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll der Durchsatz an Motoröl durch den Kühlkanal erhöht werden, ohne dass es zu Beeinträchtigungen bei der Festigkeit des Kolbenbodenbereiches kommt.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der beiden Patentansprüche 1 und 7 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlkanalkolben oberhalb der Ablauföffnung des Kühlkanals eine Vergrößerung aufweist, die sich über den Scheitelpunkt des Kühlkanals, bezogen auf seine vertikale und/oder radiale Erstreckung, hinausgehend erstreckt. Durch diese lokale Vergrößerung des Volumens des Kühlkanals, oberhalb der Ablauföffnung (bezogen auf die Kolbenhubachse), soll ein Ölstau des Kühlöls, das sich vom Zulauf zum Ablauf bewegt, verringert oder sogar ganz unterbunden werden. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens im Betrieb der Brennkraftmaschine wird durch die Ablauföffnung Kühlöl wieder eingefangen, da die Kolbengeschwindigkeit größer als die Ablaufgeschwindigkeit des Kühlöls aus dem Kühlkanal heraus ist. Die erfindungsgemäße Vergrößerung bewirkt somit einen Speicher, der während dieses Vorganges gefüllt wird. Das zusätzliche Ausgleichsvolumen ist bezüglich seiner Art und seiner Größe dahingehend auszulegen, dass das darin eingefangene Kühlöl nicht direkt zurück in den Kühlkanal fließt und damit die gerichtete Kühlmittelbewegung vom Zulauf in Richtung des Ablaufes positiv beeinflusst. Hierzu ist vorgesehen, dass sich entweder die Vergrößerung oberhalb und in Umfangsrichtung über den Querschnitt der Ablauföffnung hinweg erstreckt oder sich die Vergrößerung oberhalb und bis maximal genau über den Querschnitt der Ablauföffnung erstreckt. Im erstgenannten Fall erstreckt sich die Vergrößerung also über den Querschnitt der Ablauföffnung hinweg, so dass ein relativ betrachtet sehr großes Ausgleichsvolumen bzw. Speichervolumen zur Verfügung steht. Je nach Bauform des Kolbens und die an ihn gestellten Festigkeitsforderungen kann auch daran gedacht werden, gemäß der zweiten Alternative, dass sich die Vergrößerung oberhalb und bis maximal genau über den Querschnitt der Ablauföffnung erstreckt. Damit ist das Ausgleichs- bzw. Speichervolumen nicht mehr so groß wie im erstgenannten Fall, jedoch wird der mit diesem zusätzlichen Volumen bewirkte Effekt auch erreicht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlkanal in Umfangsrichtung sägezahnförmig ausgebildet. Damit wird in vorteilhafter Weise zusätzlich zu dem Ausgleichs- bzw. Speichervolumen mit dem schon beschriebenen Effekt der Durchsatz von Kühlöl durch den Kühlkanal auf Grund der oszillierenden Bewegung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine weiter erhöht. Auf Grund der Vergrößerung oberhalb der Ablauföffnung und der sägezahnförmigen Gestaltung des Kühlkanals wird also der Effekt eines schnellen und ausreichenden Kühlmitteldurchsatzes durch den Kühlkanal positiv beeinflusst, so dass bei ausreichend kleinen Querschnitten für Zulauföffnung, Ablauföffnung und Querschnitt des Kühlkanals die Festigkeit des Kolbenbodenbereiches nicht beeinträchtigt wird, gleichzeitig aber das nötige Volumen für die Kühlung dieses Bereichs zirkulieren kann. Zur weiteren Steigerung des gewünschten Effektes befindet sich die Vergrößerung am Ende einer ansteigenden Flanke des sägezahnförmigen Kühlkanals, wobei zur weiteren Steigerung vorgesehen ist, dass sich die Ablauföffnung am Ende einer abfallenden Flanke des sägezahnförmigen Kühlkanals befindet. Damit wird eine Vergrößerung des Ausgleichs- bzw. Speichervolumens bewirkt, wobei dieser Effekt noch dadurch verstärkt wird, dass durch den Verlauf der Flanken nach oben (ansteigende Flanke) und nach unten (abfallende Flanke) bei Betrachtung in Richtung der Kolbenhubachse verhindert wird, dass das Kühlöl aus Richtung der Ablauföffnung in Richtung der Zulauföffnung zurückfließen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein verlorener Kern gemäß Patentanspruch 7 zur Herstellung eines Kolbens, wie er vorstehend beschrieben worden ist.
Eine beispielhafte Ausführung eines solchen verlorenen Kerns, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Die beiden Figuren 1 und 2 zeigen in verschiedenen Ansichten (dreidimensionale Ansicht in Figur 1 und seitliche Ansicht in Figur 2) einen verlorenen Kern 1 zur Herstellung eines Kühlkanals eines Kolbens einer Brennkraftmaschine. Das Material, aus dem der verlorene Kern 1 hergestellt wird, ist für die hier vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, jedoch die spezielle und gezeigte Formgebung des Kerns 1. Der Kern 1 weist nach unten gerichtete Verdickungen auf, die später einen Zulauf 2 und eine Ablauf 3 bilden. Durch diese Bereiche 2, 3 bildet der verlorene Kern 1 also später die Zulauf- und Ablauföffnung in den fertigen Kolben, nachdem der verlorene Kern aus dem gegossenen Kolbenrohling ausgespült worden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der verlorene Kern 1 in seinem radialen Verlauf sägezahnförmig ausgestaltet und weist nach oben (in Richtung der Kolbenhubachse) ansteigende Flanken 4 und nach unten abfallende Flanken 5 auf. Die Form und der Verlauf sowie die Anzahl der Flanken 4, 5 ist beispielhaft und kann je nach Anforderungen variieren. Für die Erfindung ist wesentlich, dass oberhalb des Bereiches 3, also der späteren Ablauföffnung in den fertigen Kolben, eine Verdickung 6 vorhanden ist. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Verdickung 6 oberhalb und über den Querschnitt des Ablaufs 3 hinweg. Diese Verdickung 6 bewirkt also in dem fertig gegossenen Kolben das Ausgleichs- bzw. Speichervolumen, nachdem der verloren Kern 1 aus dem gegossenen Kolben ausgespült worden ist.
In Figur 2 ist erkennbar, dass die Flanken 4 bis zu einem oberen Scheitelpunkt S1 und die Flanken 5 nach unten bis zu einem Scheitelpunkt S2 abfallen. Hierbei ist sehr gut erkennbar und wesentlich für die Erfindung, dass sich die Verdickung 6 über den Scheitelpunkt S1 hinausgehend erstreckt. Dabei bildet der Abstand der beiden Scheitelpunkte S1 , S2 die maximale Höhe H des Kühlkanals in seinem vertikalen Verlauf (Kolbenachsenrichtung), wobei nur der Bereich der Verdickung 6 über diese maximale Höhe H hinausgeht.
Auf Grund des Volumens, das die Verdickung 6 im Kühlkanal des fertigen Kolbens bzw. die Verdickung 6 des verlorenen Kerns 1 bildet, wird in vorteilhafter Weise während des Betriebes des Kolbens in der Brennkraftmaschine bewirkt, dass der Transport des Kühlöls schneller stattfinden kann, insbesondere ohne Rückstau, so dass es zu einer verbesserten Kolbenkühlung und damit auch zu einer verbesserten Haltbarkeit eines solche Kolbens kommt.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Aussenkontur des Kerns 1 , wie er in den Figuren gezeigt ist, die Innenkontur des Kühlkanales nach der Herstellung des Kühlkanalkolbens bildet.
Figur 3 zeigt, dass es ebenso ergänzend oder alternativ denkbar ist, die lokale Vergrößerung des Kühlkanals (abschnittsweise dargestellt und mit der Bezugsziffer 7 versehen) in radialer Richtung und damit senkrecht zur Kolbenachse einseitig oder beidseitig, wie in Figur 3 dargestellt, vorzusehen. Dabei kann sich das den Speichereffekt bewirkende Zusatzvolumen in radialer Richtung hin zum Ringfeld oder in Richtung der Mulde oder gleichzeitig in beide Richtungen abhängig von den vorliegenden Platzverhältnissen und Beanspruchungen erstrecken. In Umfangsrichtungen ist eine Erstreckung über den Querschnitt ebenso möglich wie bis maximal genau über den Querschnitt. Weiterhin sind Kombinationen von Erstreckungen in radialer Richtung senkrecht zu Kolbenachse oder in Kolbenachsenrichtung oberhalb der Ablauföffnung möglich.
Bezugszeichenliste
1. verlorener Kern
2. Zulauf
3. Ablauf
4. ansteigende Flanken
5. abfallende Flanken
6. Verdickung
7. Kühlkanal

Claims

Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal, der im Bereich der Ablauföffnung eine Vergrößerung aufweistPatentansprüche
1. Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal, der zumindest eine Zulauföffnung und zumindest eine Ablauföffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Ablauföffnung der Kühlkanal eine Vergrößerung aufweist, die sich über den Scheitelpunkt des Kühlkanals, bezogen auf seine Erstreckung in Kolbenachsenrichtung und/oder radialer Richtung hinausgehend erstreckt.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vergrößerung oberhalb und über den Querschnitt der Ablauföffnung hinweg erstreckt.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vergrößerung oberhalb und bis maximal genau über den Querschnitt der Ablauföffnung erstreckt.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal in seinem Verlauf in Umfangsrichtung sägezahnförmig ausgebildet ist.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vergrößerung am Ende einer ansteigenden Flanke des sägezahnförmigen Kühlkanales befindet.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ablauföffnung am Ende einer abfallenden Flanke des sägezahnförmigen Kühlkanales befindet.
7. Verlorener Kern (1) mit einer nach oben weisenden Verdickung (6) zur Herstellung eines Kühlkanales eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei die Verdickung (6) eine Vergrößerung des Volumens des Kühlkanales oberhalb einer Ablauföffnung des Kühlkanales bildet.
8. Verlorener Kern (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der verlorene Kern (1) in seinem radialen Verlauf sägezahnförmig ausgebildet ist.
9. Verlorener Kern (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verdickung (6) am Ende einer ansteigenden Flanke (4) des sägezahnförmigen Kernes (1) befindet.
10. Verlorener Kern (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der die Ablauföffnung bildende Teil des Kernes (1) am Ende einer abfallenden Flanke (5) des sägezahnförmigen Kernes (1) befindet.
PCT/EP2008/000396 2007-04-05 2008-01-19 Kolben einer brennkraftmaschine mit einem kühlkanal, der im bereich der ablauföffnung eine vergrösserung aufweist WO2008122322A1 (de)

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