WO2009049604A2 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2009049604A2
WO2009049604A2 PCT/DE2008/001685 DE2008001685W WO2009049604A2 WO 2009049604 A2 WO2009049604 A2 WO 2009049604A2 DE 2008001685 W DE2008001685 W DE 2008001685W WO 2009049604 A2 WO2009049604 A2 WO 2009049604A2
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cooling
cooling channel
piston according
channel
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Valery Bauer
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Mahle International Gmbh
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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 
    • F02F3/16—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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, which has a piston crown, a circumferential crown land and a circumferential ring portion with piston ring grooves, wherein the piston is provided with a circumferential cooling channel.
  • cooling channel pistons known per se, an optimization of the cooling effect of the cooling oil located in the cooling channel is regularly sought.
  • the cooling oil circulates in the cooling channel and is moved due to the shaker effect resulting from the piston movement. Especially with highly loaded pistons caused by the movement of the cooling oil heat dissipation is not sufficient.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a generic piston with improved cooling effect of circulating in a cooling channel cooling oil, which is produced with the least possible effort and at the same time characterized by improved reliability.
  • one or more cooling elements made of a heat-conducting solid material are arranged in the cooling channel, _ _
  • the one or more is connected to a directed toward the piston head wall portion of the cooling channel or are.
  • the piston according to the invention is initially characterized by an improved cooling effect, which has several causes.
  • the at least one cooling element represents an additional cooling surface in the cooling channel, via which the heat transported from the piston crown to the at least one cooling element is released more quickly to the cooling oil circulating around the at least one cooling element. Furthermore, a direct heat flow from the piston head to the cooling channel and from there to the cooling oil is ensured, which in particular reduces the heat load of the combustion chamber facing the piston head quickly and reliably.
  • the highly heat-stressed bowl rim is particularly effectively relieved.
  • the at least one cooling element brings about an improvement in the dimensional stability of the piston according to the invention. Therefore, it is possible to design the piston according to the invention despite the provided at least one cooling element so that an increase in weight compared to conventional piston is avoided. This can be achieved by, on the one hand, selecting a suitable material with the lowest possible density for the at least one cooling element and, on the other hand, by reducing the dimensional stability of the wall thicknesses, in particular between the cooling channel and adjacent structural elements of the piston according to the invention. With a suitable design even a weight reduction compared to conventional pistons is possible.
  • the embodiment of the invention is suitable for all types of cooling channel piston and allows a variety of variants in terms of material selection and piston design.
  • the piston according to the invention can, for example, consist of steel, cast iron, light metal and a combination of these materials; it can be made in one or more parts and with or without cooling oil injection.
  • a single, annular cooling element may be provided, which may additionally be provided with passage openings for the cooling oil in order to optimize the mixing of the cooling oil.
  • Another suitable embodiment provides two or more ring-segment-shaped cooling elements, which may also be provided with passage openings for the cooling oil in order to optimize the mixing of the cooling oil.
  • a particularly preferred embodiment of the piston according to the invention is that two or more pin-shaped cooling elements are provided. This embodiment is associated with the largest possible increase in the cooling surface, so that a particularly effective heat dissipation from the cooling elements to the cooling oil.
  • the heat dissipation is further improved because the cooling oil in the lower regions of the cooling channel has a lower temperature than in the upper regions of the cooling channel.
  • one or more cooling elements are provided, which are accommodated in one or more corresponding recesses, which are arranged in a direction towards the piston crown wall portion of the cooling channel.
  • the at least one recess reduces the material thickness towards the piston crown.
  • the material thickness is reduced towards the bowl edge.
  • the consisting of a solid material at least one cooling element at the same time ensures sufficient dimensional stability of the piston according to the invention by compensating possible, caused by the recess (s) stability losses. This has the consequence that the diameter of a combustion chamber trough provided in an individual case can still be increased in comparison to the prior art. This in turn once again improves the heat dissipation in the direction of the at least one cooling element and from there to the cooling oil.
  • the number of particular pin-shaped cooling elements can be due to the improved shape _ _
  • Stability be particularly large, so that the effective cooling surface is optimized. In addition, it is prevented that the heat absorbed by the piston crown penetrates into the area of the ring part.
  • the piston according to the invention may be formed, for example, as a one-piece piston with a downwardly open, closed by a cover cooling channel.
  • the cover can be advantageously designed as a circumferential, in cross-section L-shaped, supported on the piston inner component.
  • Such a component with a long and a short leg can be particularly easily fixed to the piston according to the invention by the free end of the long leg, which forms the actual cooling channel cover, is accommodated in a groove provided below the ring part, and the short leg is piston-shaped. supported on the inside, for example, by means of a molding, which may be formed, for example, groove-shaped and / or continuously flattening.
  • the at least one cooling element can protrude through the cover of the cooling channel, whereby an additional heat transfer takes place in the direction of the cover of the cooling channel.
  • the piston according to the invention can also be designed as a two-part piston with a piston upper part, a piston lower part and a closed cooling channel formed from upper piston part and lower piston part.
  • the at least one cooling element may be connected to a wall section of the cooling channel directed toward the piston lower part.
  • an additional heat dissipation takes place in the lower piston part.
  • a particularly high dimensional stability is achieved because the at least one cooling element connects the upper piston part and the lower piston part. This allows a further reduction of the wall thicknesses between the cooling channel and adjacent regions of the piston according to the invention, which contributes to an additional saving of material or weight reduction.
  • the one or more cooling elements are, for example, in one or more corresponding recesses received, which are arranged in a wall portion formed by the piston lower part of the cooling channel and as blind hole - O -
  • the at least one cooling element is preferably designed as a full metal cooling element and consists, for example, of copper, aluminum or their alloys.
  • FIG. 1 shows a section through a first embodiment of a piston according to the invention.
  • FIG. 2 shows the piston according to FIG. 1 in a plan view, partly in section
  • FIG. 3 is an enlarged detail of a second embodiment of a piston according to the invention in section;
  • FIG. 4 shows an enlarged detail of a third embodiment of a piston according to the invention in section
  • FIG. 5 is an enlarged detail of a fourth embodiment of a piston according to the invention in section;
  • FIG. 6 is an enlarged detail of a fifth embodiment of a piston according to the invention in section;
  • Figures 1 and 2 show a first embodiment of a piston 10 according to the invention, wherein the representation of Figure 1 is rotated in the left half of the representation in the right half by 90 °. - O -
  • the piston 10 is composed of a piston upper part 11 and a piston lower part 12.
  • the piston upper part 11 has a piston head 13 with a combustion chamber recess 14 and a side wall with a peripheral top land 15 and a circumferential ring part 16 for receiving piston rings (not shown).
  • the piston lower part 12 has a piston shaft 17, hubs 18 with hub bores 18 a for receiving the piston pin (not shown) and hub supports 19, which are connected to the piston shaft 17.
  • the upper piston part 11 and the lower piston part 12 form a peripheral outer cooling channel 21 and an inner cooling chamber 22, which are connected to each other in the embodiment by overflow channels 27 for the cooling oil.
  • the upper piston part 11 has an outer support surface 23 adjoining the annular part 16 and an annular inner support surface 24 on its underside.
  • the lower piston part 12 also has on its upper side an outer bearing surface 25 and an annular circumferential inner support surface 26. In the assembled state, the upper piston part 11 and the lower piston part 12 are aligned with each other so that the two support surfaces 24,26 and the two bearing surfaces 23, 25 lie on each other.
  • the materials of the upper piston part 11 and the lower piston part 12 can be chosen arbitrarily and combined with one another, for example. Hot steel, AFP steel or light metal alloys, in particular aluminum alloys.
  • a plurality of pin-shaped cooling elements 28 are arranged in the cooling passage 21 of the piston 10.
  • the cooling elements 28 are made of a solid, good heat conductive material, preferably with low density. Suitable are, for example, metallic materials such as aluminum, copper or their alloys.
  • the free ends of the cooling elements 28 are received in recesses 31, 32 designed as bores.
  • the recess 31 formed as a blind bore is arranged in a wall section formed by the piston upper part 11 of the cooling channel 21 and directed towards the piston head 13.
  • the recess 32 formed as a through-hole is arranged in a wall section of the cooling channel 21 formed by the piston lower part 12.
  • the cooling elements 28 are shown in the exemplary embodiment. _ _
  • the surfaces of the numerous cooling elements 28 act as an additional large cooling surface in the cooling channel 21.
  • This cooling surface the heat transported from the piston head 13 to the cooling elements 28 heat is released particularly quickly to the cooling oil, which flows around the cooling elements 28.
  • a direct heat flow from the piston head 13 to the cooling channel 21 and from there to the cooling oil is ensured, which in particular reduces the heat load on the piston crown 13 and the trough edge of the combustion chamber trough 14 in a particularly effective manner.
  • the cooling elements 28 also cause an improvement in the dimensional stability of the piston 10 according to the invention. Therefore, the wall thickness between the combustion chamber trough 14 and the recess 31 is made particularly small. This is accompanied by a reduction in material and weight. Furthermore, the heat is derived from the combustion chamber trough 14 particularly fast to the cooling elements 28.
  • FIG. 3 shows a detail of another embodiment of a multi-part piston 110, wherein the same reference numerals have been used for the same components.
  • FIG. 3 only a part of the piston upper part 11 and a part of the piston lower part 12 as well as the cooling channel 21 and a cooling element 128 are shown.
  • the only difference is that the lower free ends of the cooling elements 128 are also accommodated in recesses 132 designed as a blind bore and provided in the piston lower part 12.
  • the upper free ends of the cooling elements 128 are, as in the piston 10, received in formed as blind holes recesses 131 which are provided in the piston upper part 11.
  • the cooling elements 128 can also be fixed in any conceivable suitable manner in this embodiment, for example by means of press fit or shrink fit.
  • Figure 4 shows a detail of another embodiment of the present invention.
  • the piston head 220 has a piston head 13 with a combustion bowl 14, a side wall with a peripheral land 15 and a peripheral ring portion 16 for receiving piston rings (not shown).
  • the piston head 220 further has an annular circumferential, downwardly open cooling channel 221, which is bounded radially outwardly by the land 15 and the ring portion 16.
  • the cooling channel 221 is closed in a conventional manner with a cover 233.
  • a plurality of pin-shaped cooling elements 228 are arranged in the cooling passage 221 of the piston 210.
  • the cooling elements 228 are made of a solid, good heat conductive material, preferably of low density. Suitable are, for example, metallic materials such as aluminum, copper or their alloys.
  • the upper free ends of the cooling elements 228 are received in recesses 231 formed as blind bores, which are arranged in a wall section of the cooling channel 221 formed by the piston head 220.
  • the cooling elements 228 are fixed in the embodiment by means of press fit. But there are also other suitable mounting options conceivable, for example. Shrink fit, screwing, etc.
  • the cooling elements 228 extending in the embodiment over almost the entire height of the cooling channel 221, so that its lower free end is slightly above the cover 233 positioned o.
  • the cooling elements 228 have the same effects and advantages as have been described for the cooling elements 28 according to FIG.
  • FIG. 5 shows a detail of another embodiment of a one-piece piston 310 with a piston head 320, which is shown in fragmentary form in FIG. 5, and a piston shaft 317 and a suggestively illustrated hub support 319.
  • the piston head 320 has a piston head 13 with a combustion bowl 14, a Side wall with a peripheral land 15 and a peripheral ring portion 16 for receiving piston rings (not shown).
  • the piston head 320 also has an annular shape _ _
  • the cooling channel 321 is closed in the exemplary embodiment with a cover 333, which has an L-shaped cross section with a long leg 334 and a short leg 335.
  • the free end of the long leg 334 which forms the actual cover for the cooling channel 321, is received in a circumferential groove 336 provided below the ring portion 15.
  • the short leg 335 is supported on the inside of the piston on the hub support 319.
  • a groove-like, continuously flattening formation 337 is provided in the embodiment of the hub support 319, in which the short leg 335 is received.
  • the long leg 334 is further provided with an opening 338.
  • a plurality of pin-shaped cooling elements 328 are arranged in the cooling channel 321 of the piston 310, which correspond to the cooling elements 228 according to FIG.
  • the upper free ends of the cooling elements 328 are also received in formed as blind holes recesses 331, which are arranged in a piston head 320 formed by the wall portion of the cooling channel 321, and as described above, suitably secured.
  • the cooling elements 328 extend in this embodiment over the entire height of the cooling channel 321, pass through the opening 338 of the cover 333 and extend into the piston shaft 317.
  • the cooling elements 328 have the same effects and benefits as they for the cooling elements 28 have been described according to Figure 1.
  • FIGs 6 and 7 show a detail of another embodiment of a one-piece piston 410, which is similar to the piston 310 shown in Figure 5 and the piston head 420 also has an annular circumferential, downwardly open cooling channel 421, which has a cross-sectionally L-shaped cover 433rd is closed in the manner shown in Figure 5.
  • the differences are that the long leg 434 of the cover 433 has no opening and that instead of the previously described pin-shaped cooling elements ring-segment-shaped cooling elements 428 are provided.
  • the upper free ends of the cooling elements 428 are in _ _
  • the cooling elements 428 extend in the exemplary embodiment over almost the entire height of the cooling channel 421, so that its lower free end is positioned slightly above the cover 433.
  • the cooling elements 428 have passage openings 439 for cooling oil in order to ensure optimum mixing of the cooling oil accommodated in the cooling passage 410.
  • the cooling elements 428 have the same effects and advantages as have been described for the cooling elements 28 according to FIG.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden (13), einen umlaufenden Feuersteg (15) sowie eine umlaufende Ringpartie (16) mit Kolbenringnuten aufweist, wobei der Kolben (10, 110, 210, 310, 410) mit einem umlaufenden Kühlkanal (21, 121, 221, 321, 421) versehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Kühlkanal (21, 121, 221, 321, 421) ein oder mehrere Kühlelemente (28, 128, 228, 328, 428) aus einem Wärme leitenden massivem Werkstoff angeordnet sind, das oder die mit einem zum Kolbenboden (13) hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals (21, 121, 221, 321, 421) verbunden sind.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg sowie eine umlaufende Ringpartie mit Kolbenringnuten aufweist, wobei der Kolben mit einem umlaufenden Kühlkanal versehen ist.
Bei derartigen, an sich bekannten Kühlkanalkolben wird regelmäßig eine Optimierung der Kühlwirkung des im Kühlkanal befindlichen Kühlöls angestrebt. Das Kühlöl läuft im Kühlkanal um und wird aufgrund des von der Kolbenbewegung herrührenden Shakereffekts bewegt. Insbesondere bei hoch belasteten Kolben ist die durch die Bewegung des Kühlöls bewirkte Wärmeabfuhr nicht ausreichend.
Zu diesem Zweck wird in der DE 10 2004 038 946 A1 vorgeschlagen, in einem einteiligen Kolben zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den besonders wärmebelasteten Kolbenbereichen, flüssigkeitsgefüllte Wärmerohre vorzusehen, die in zum Kolbenkopf hin gerichteten, in der Wand des Kühlkanals vorgesehenen Bohrungen aufgenommen sind. Eine derartige Konstruktion ist jedoch äußerst aufwändig und mit Sicherheitsrisiken verbunden, da die Gefahr besteht, dass die Wärmerohre im Laufe der Zeit undicht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben mit verbesserter Kühlwirkung des in einem Kühlkanal umlaufenden Kühlöls zu schaffen, der mit möglichst wenig Aufwand herstellbar ist und sich zugleich durch eine verbesserte Betriebssicherheit auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Kühlkanal ein oder mehrere Kühlelemente aus einem Wärme leitenden massiven Werkstoff angeordnet sind, _ _
das oder die mit einem zum Kolbenboden hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals verbunden ist bzw. sind.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich zunächst durch eine verbesserte Kühlwirkung aus, die mehrere Ursachen hat. Das mindestens eine Kühlelement stellt eine zusätzliche Kühloberfläche im Kühlkanal dar, über die die vom Kolbenboden zum mindestens einen Kühlelement transportierte Wärme schneller an das das mindestens eine Kühlelement umspülende Kühlöl abgegeben wird. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden zum Kühlkanal und von dort zum Kühlöl gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung des dem Brennraum zugewandten Kolbenbodens schnell und zuverlässig vermindert. Bei Kolben, deren Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen ist, wird damit insbesondere der hoch wärmebelastete Muldenrand besonders wirksam entlastet.
Zusätzlich zur deutlich verbesserten Kühlwirkung bewirkt das mindestens eine Kühlelement eine Verbesserung der Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens. Daher ist es möglich, den erfindungsgemäßen Kolben trotz des vorgesehenen mindestens einen Kühlelements so auszugestalten, dass eine Gewichtserhöhung im Vergleich zu herkömmlichen Kolben vermieden wird. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass einerseits für das mindestens eine Kühlelement ein geeigneter Werkstoff mit möglichst geringer Dichte ausgewählt wird und dass andererseits aufgrund der verbesserten Formstabilität die Wanddicken insbesondere zwischen dem Kühlkanal und angrenzenden Strukturelementen des erfindungsgemäßen Kolbens verringert werden können. Bei geeigneter Bauweise ist sogar eine Gewichtsreduktion im Vergleich mit konventionellen Kolben möglich.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist für alle Typen von Kühlkanalkolben geeignet und erlaubt eine Vielzahl von Varianten hinsichtlich Materialauswahl und Kolbenkonstruktion. Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. aus Stahl, Gusseisen, Leichtmetall sowie einer Kombination dieser Werkstoffe bestehen, er kann einteilig oder mehrteilig sowie mit oder ohne Kühlölanspritzung ausgeführt sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. _ _
Erfindungsgemäß kann ein einziges, kreisringförmiges Kühlelement vorgesehen sein, das zusätzlich mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlöl versehen sein kann, um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren. Eine weitere geeignete Ausgestaltung sieht zwei oder mehrere ringsegmentförmige Kühlelemente vor, die ebenfalls mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlöl versehen sein können, um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, dass zwei oder mehr stiftförmige Kühlelemente vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung geht mit der größtmöglichen Erhöhung der Kühloberfläche einher, so dass eine besonders wirkungsvolle Wärmeabfuhr von den Kühlelementen zum Kühlöl erfolgt.
Wenn sich das mindestens eine Kühlelement in axialer Richtung im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Kühlkanals erstreckt, wird die Wärmeabfuhr nochmals verbessert, da das Kühlöl in den unteren Bereichen des Kühlkanals eine niedrigere Temperatur aufweist als in den oberen Bereichen des Kühlkanals.
In vorteilhafter Weise sind ein oder mehrere Kühlelemente vorgesehen, die in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen aufgenommen sind, die in einem zum Kolbenboden hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals angeordnet sind. Die mindestens eine Ausnehmung verringert die Materialdicke hin zum Kolbenboden. In besonders vorteilhafter Weise wird dann, wenn der Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen ist, die Materialdicke hin zum Muldenrand reduziert. Dies bewirkt einen weiter verbesserten und beschleunigten Wärmetransport zum mindestens einen Kühlelement. Das aus einem massiven Werkstoff bestehende mindestens eine Kühlelement sorgt zugleich für eine ausreichende Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens, indem es mögliche, durch die Ausnehmung(en) bewirkte Stabilitätsverluste ausgleicht. Dies hat zur Folge, dass der Durchmesser einer im Einzelfall vorgesehenen Brennraummulde gegenüber dem Stand der Technik noch vergrößert werden kann. Dies wiederum verbessert ein weiteres Mal die Wärmeableitung in Richtung des mindestens einen Kühlelements und von dort zum Kühlöl. Die Anzahl der insbesondere stiftförmigen Kühlelemente kann aufgrund der verbesserten Form- _ _
Stabilität besonders groß gewählt werden, so dass die wirksame Kühloberfläche optimiert wird. Zusätzlich wird verhindert, dass die vom Kolbenboden aufgenommene Wärme in den Bereich der Ringpartie durchdringt.
Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. als einteiliger Kolben mit einem nach unten offenen, von einer Abdeckung verschlossenen Kühlkanal ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Abdeckung in vorteilhafter Weise als umlaufendes, im Querschnitt L-förmiges, am Kolbeninneren abgestütztes Bauteil ausgebildet sein. Ein derartiges Bauteils mit einem langen und einem kurzen Schenkel kann besonders einfach am erfindungsgemäßen Kolben fixiert werden, indem das freie Ende des langen Schenkels, der die eigentliche Kühlkanalabdeckung bildet, in einer unterhalb der Ringpartie vorgesehenen Nut aufgenommen ist, und der kurze Schenkel sich kolben- innenseitig abstützt, bspw. mit Hilfe einer Ausformung, die bspw. nutförmig und/oder kontinuierlich abflachend ausgebildet sein kann.
In vorteilhafter Weise kann das mindestens eine Kühlelement durch die Abdeckung des Kühlkanals hindurchragen, wodurch ein zusätzlicher Wärmetransport in Richtung der Abdeckung des Kühlkanals erfolgt.
Der erfindungsgemäße Kolben kann aber auch als zweiteiliger Kolben mit einem Kolbenoberteil, einem Kolbenunterteil sowie einem aus Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildeten geschlossenen Kühlkanal ausgebildet sein. In diesem Fall kann das mindestens eine Kühlelement mit einem zum Kolbenunterteil hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals verbunden sein. Dadurch findet eine zusätzliche Wärmeabfuhr in das Kolbenunterteil statt. Zusätzlich wird eine besonders hohe Formstabilität erzielt, da das mindestens eine Kühlelement das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil miteinander verbindet. Dies ermöglicht eine weitere Verringerung der Wanddicken zwischen dem Kühlkanal und angrenzenden Bereichen des erfindungsgemäßen Kolbens, was zu einer zusätzlichen Materialersparnis bzw. Gewichtsreduzierung beiträgt. Das oder die Kühlelemente sind bspw. in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen aufgenommen, die in einem vom Kolbenunterteil gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals angeordnet sind und als Sackboh- - O -
rungen, der Einfachheit halber aber auch als Durchgangsbohrungen ausgebildet sein können.
Das mindestens eine Kühlelement ist vorzugsweise als Vollmetall-Kühlelement ausgebildet und besteht bspw. aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 2 den Kolben gemäß Figur 1 in einer Draufsicht, teilweise im Schnitt;
Fig. 3 ein vergrößerter Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 4 ein vergrößerter Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 5 ein vergrößerter Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 6 ein vergrößerter Ausschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 7 einen Schnitt durch die Linie VII - VII in Figur 6.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, wobei die Darstellung gemäß Figur 1 in der linken Hälfte gegenüber der Darstellung in der rechten Hälfte um 90° gedreht ist. - O -
Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12. Das Kolbenoberteil 11 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14 sowie eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 17, Naben 18 mit Nabenbohrungen 18a zur Aufnahme des Kolbenbolzens (nicht dargestellt) und Nabenabstützungen 19 auf, die mit dem Kolbenschaft 17 verbunden sind. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 21 und einen inneren Kühlraum 22, die im Ausführungsbeispiel durch Überlaufkanäle 27 für das Kühlöl miteinander verbunden sind.
Das Kolbenoberteil 11 weist eine sich an die Ringpartie 16 anschließende äußere Auflagefläche 23 und an seiner Unterseite eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 24 auf. Das Kolbenunterteil 12 weist an seiner Oberseite ebenfalls eine äußere Auflagefläche 25 sowie eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 26 auf. Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass die beiden Stützflächen 24,26 sowie die beiden Auflageflächen 23, 25 aufeinander liegen.
Die Materialien des Kolbenoberteils 11 und des Kolbenunterteils 12 können beliebig gewählt und miteinander kombiniert werden, bspw. Warmstahl, AFP-Stahl oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen.
Im Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 21 des Kolbens 10 eine Vielzahl stiftförmi- ger Kühlelemente 28 angeordnet. Die Kühlelemente 28 bestehen aus einem massiven, gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen. Die freien Enden der Kühlelemente 28 sind in als Bohrungen ausgebildete Ausnehmungen 31 , 32 aufgenommen. Die als Sackbohrung ausgebildete Ausnehmung 31 ist in einem vom Kolbenoberteil 11 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet und zum Kolbenboden 13 hin gerichtet. Die als Durchgangsbohrung ausgebildete Ausnehmung 32 ist in einem vom Kolbenunterteil 12 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet. Die Kühlelemente 28 sind im Ausführungsbei- _ _
spiel sowohl im Kolbenoberteil 11 als auch im Kolbenunterteil 12 mittels Presssitz befestigt. Es sind aber auch andere geeignete Befestigungsmöglichkeiten denkbar, bspw. Schrumpfsitz, Verschraubung, etc. Ferner ist jede beliebige andere geeignete Anbindung der Kühlelemente 28 an den betreffenden Wandabschnitt des Kühlkanals 21 denkbar, bspw. in einstückiger Form.
Die Oberflächen der zahlreichen Kühlelemente 28 wirken als zusätzliche große Kühloberfläche im Kühlkanal 21. Über diese Kühloberfläche wird die vom Kolbenboden 13 zu den Kühlelementen 28 transportierte Wärme besonders schnell an das Kühlöl abgegeben, welches die Kühlelemente 28 umspült. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden 13 zum Kühlkanal 21 und von dort zum Kühlöl gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung des Kolbenbodens 13 und des Muldenrands der Brennraummulde 14 besonders wirksam reduziert.
Die Kühlelemente 28 bewirken ferner eine Verbesserung der Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens 10. Daher ist die Wanddicke zwischen der Brennraummulde 14 und der Ausnehmung 31 besonders gering ausgebildet. Damit geht eine Material- und Gewichtsreduktion einher. Ferner wird die Wärme vom der Brennraummulde 14 besonders schnell zu den Kühlelementen 28 abgeleitet.
Figur 3 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mehrteiligen Kolbens 110, wobei für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. In Figur 3 sind lediglich ein Teil des Kolbenoberteils 11 und ein Teil des Kolbenunterteils 12 sowie der Kühlkanal 21 und ein Kühlelement 128 dargestellt. Der Kolben 110 ist genauso aufgebaut wie der in Figur 1 dargestellte Kolben 10. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die unteren freien Enden der Kühlelemente 128 auch in als Sackbohrung ausgebildeten, im Kolbenunterteil 12 vorgesehenen Ausnehmungen 132 aufgenommen sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 128 sind, genauso wie im Kolben 10, in als Sackbohrungen ausgebildeten Ausnehmungen 131 aufgenommen, die im Kolbenoberteil 11 vorgesehen sind. Die Kühlelemente 128 können auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf jede denkbare geeignete Weise befestigt sein, bspw. mittels Presssitz oder Schrumpfsitz. - o -
Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall handelt es sich um einen einteiligen Kolben 210 mit einem Kolbenkopf 220, der in Figur 4 ausschnittsweise dargestellt ist, sowie einem nicht dargestellten Kolbenschaft. Der Kolbenkopf 220 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14, eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenkopf 220 weist ferner einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen Kühlkanal 221 auf, der radial nach außen durch den Feuersteg 15 und die Ringpartie 16 begrenzt ist. Der Kühlkanal 221 ist in an sich bekannter Weise mit einer Abdeckung 233 verschlossen.
Im Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 221 des Kolbens 210 eine Vielzahl stift- förmiger Kühlelemente 228 angeordnet. Die Kühlelemente 228 bestehen aus einem massiven, gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 228 sind in als Sackbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 231 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 220 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 221 angeordnet sind. Die Kühlelemente 228 sind im Ausführungsbeispiel mittels Presssitz befestigt. Es sind aber auch andere geeignete Befestigungsmöglichkeiten denkbar, bspw. Schrumpfsitz, Verschraubung, etc. Die Kühlelemente 228 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über nahezu die gesamte Höhe des Kühlkanals 221 , so dass ihr unteres freies Ende geringfügig o- berhalb der Abdeckung 233 positioniert ist. Die Kühlelemente 228 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß Figur 1 beschrieben worden sind.
Figur 5 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einteiligen Kolbens 310 mit einem Kolbenkopf 320, der in Figur 5 ausschnittsweise dargestellt ist, sowie einem andeutungsweise dargestellten Kolbenschaft 317 und einer andeutungsweise dargestellten Nabenabstützung 319. Der Kolbenkopf 320 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14, eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenkopf 320 weist ferner einen ringförmig _ _
umlaufenden, nach unten offenen Kühikanal 321 auf, der radial nach außen durch den Feuersteg 15 und die Ringpartie 16 begrenzt ist.
Der Kühlkanal 321 ist im Ausführungsbeispiel mit einer Abdeckung 333 verschlossen, die einen L-förmigen Querschnitt mit einem langen Schenkel 334 und einem kurzen Schenkel 335 aufweist. Das freie Ende des langen Schenkels 334, der die eigentliche Abdeckung für den Kühlkanal 321 bildet, ist in einer unterhalb der Ringpartie 15 vorgesehenen umlaufenden Nut 336 aufgenommen. Der kurze Schenkel 335 stützt sich kolbeninnenseitig an der Nabenabstützung 319 ab. Zu diesem Zweck ist im Ausführungsbeispiel an der Nabenabstützung 319 eine nutähnliche, sich kontinuierlich abflachende Ausformung 337 vorgesehen, in die der kurze Schenkel 335 aufgenommen ist. Der lange Schenkel 334 ist ferner mit einer Öffnung 338 versehen.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 321 des Kolbens 310 eine Vielzahl stiftförmiger Kühlelemente 328 angeordnet, die den Kühlelementen 228 gemäß Figur 4 entsprechen. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 328 sind ebenfalls in als Sackbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 331 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 320 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 321 angeordnet sind, und wie oben beschrieben in geeigneter Weise befestigt. Die Kühlelemente 328 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Höhe des Kühlkanals 321 , treten durch die Öffnung 338 der Abdeckung 333 hindurch und erstrecken sich bis in den Kolbenschaft 317. Die Kühlelemente 328 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß Figur 1 beschrieben worden sind.
Die Figuren 6 und 7 zeigen ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einteiligen Kolbens 410, der dem in Figur 5 gezeigten Kolben 310 gleicht und im Kolbenkopf 420 ebenfalls einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen Kühlkanal 421 aufweist, der mit einer im Querschnitt L-förmigen Abdeckung 433 in der in Figur 5 dargestellten Weise verschlossen ist. Die Unterschiede bestehen darin, dass der lange Schenkel 434 der Abdeckung 433 keine Öffnung aufweist und dass statt der bisher beschriebenen stiftförmigen Kühlelemente ringsegmentförmige Kühlelemente 428 vorgesehen sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 428 sind in Aus- _ _
nehmungen 431 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 420 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 421 angeordnet sind, und wie oben beschrieben in geeigneter Weise befestigt, bspw. mittels Schrumpfsitz oder Presssitz. Die Kühlelemente 428 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel über nahezu die gesamte Höhe des Kühlkanals 421 , so dass ihr unteres freies Ende geringfügig oberhalb der Abdeckung 433 positioniert ist. Die Kühlelemente 428 weisen Durchtrittsöffnungen 439 für Kühlöl auf, um eine optimale Durchmischung des im Kühlkanal 410 aufgenommenen Kühlöls zu gewährleisten. Die Kühlelemente 428 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß Figur 1 beschrieben worden sind.
Es ist ferner denkbar, ein einzelnes umlaufendes kreisringförmiges, ggf. mit Durchtrittsöffnungen für Kühlöl versehenes Kühlelement vorzusehen, das in vergleichbarer Weise mit dem betreffenden Wandabschnitt des Kühlkanals verbunden ist (nicht dargestellt).

Claims

_ ^ _Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210, 310, 410) für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden (13), einen umlaufenden Feuersteg (15) sowie eine umlaufende Ringpartie (16) mit Kolbenringnuten aufweist, wobei der Kolben (10, 110, 210, 310, 410) mit einem umlaufenden Kühlkanal (21 , 121 , 221 , 321 , 421) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkanal (21 , 121 , 221 , 321 , 421) ein oder mehrere Kühlelemente (28, 128, 228, 328, 428) aus einem Wärme leitenden massivem Werkstoff angeordnet sind, das oder die mit einem zum Kolbenboden (13) hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals (21 , 121 , 221 , 321 , 421 ) verbunden sind.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein kreisringförmiges Kühlelement vorgesehen ist.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kreisringförmige Kühlelement Durchtrittsöffnungen für Kühlöl aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere ring- segmentförmige Kühlelemente (428) vorgesehen sind.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ringsegmentförmi- gen Kühlelemente Durchtrittsöffnungen (439) für Kühlöl aufweisen.
6. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr stiftför- mige Kühlelemente (28, 128, 228, 328) vorgesehen sind.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Kühlelement (28, 128, 228, 328, 428) in axialer Richtung im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Kühlkanals (21 , 121 , 221 , 321 , 421 ) erstreckt. _ _
8. Kolben nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ein oder mehrere Kühleiemente (28, 128, 228, 328, 428) vorgesehen sind, die in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen (31 , 131 , 231 , 331, 431) aufgenommen sind, die in einem zum Kolbenboden (13) hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals (21 , 121 , 221 , 321 , 421 ) angeordnet sind.
9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als einteiliger Kolben (210, 310, 410) mit einem nach unten offenen, von einer Abdeckung (233, 333, 433) verschlossenen Kühlkanal (221 , 321 , 421 ) ausgebildet ist.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (333, 433) als umlaufendes, im Querschnitt L-förmiges, kolbeninnenseitig abgestütztes Bauteil ausgebildet ist.
11. Kolben nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlelement (328) durch die Abdeckung (333) des Kühlkanals (321) hindurchragt.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er als zweiteiliger Kolben (10, 110) mit einem Kolbenoberteil (11) und einem Kolbenunterteil (12) sowie einem aus Kolbenoberteil (11) und Kolbenunterteil (12) gebildeten geschlossenen Kühlkanal (21 , 121) ausgebildet ist.
13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlelement (28, 128) mit einem zum Kolbenunterteil (12) hin gerichteten Wandabschnitt des Kühlkanals (21 , 121) verbunden ist.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kühlelemente (28, 128) vorgesehen sind, die in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen (32, 132) aufgenommen sind, die in einem vom Kolbenunterteil (12) gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals (21 , 121) angeordnet sind.
15. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (32, 132) als Durchgangsbohrungen oder Sackbohrungen ausgebildet sind.
16. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlelement (28, 128, 228, 328, 428) als Vollmetall- Kühlelement aus Kupfer, Aluminium oder ihren Legierungen ausgebildet ist.
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