WO2013029592A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden (13), eine umlaufende Ringpartie (15), einen im Bereich der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (28), unterhalb des Kolbenbodens (13) angebundene Nabenabstützungen (19) und damit verbundene Kolbennaben (17) sowie einen Kolbenschaft (16) aufweist, wobei unterhalb des Kolbenbodens (13) ein allseitig geschlossener Hohlraum (29) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (29) ein Kühlmittel (32) in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung aufgenommen ist.
Description
Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden, eine umlaufende Ringpartie, einen im Bereich der Ringpartie umlaufenden Kühlkanal, unterhalb des Kolbenbodens angebundene Nabenabstützungen und damit verbundene Kolbennaben sowie einen Kolbenschaft aufweist, wobei unterhalb des Kolbenbodens ein allseitig geschlossener Hohlraum vorgesehen ist.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus der DE 10 2010 009 891.4 bekannt. Hierbei dient der umlaufende Kühlkanal im Motorbetrieb zur Steuerung der Temperatur im äußeren Bereich des Kolbenbodens, bspw. entlang dem Rand einer Verbrennungsmulde. Dort sollte die Temperatur nicht über 550°C steigen, um die Bauteilfestigkeit des Kolbens nicht zu beeinträchtigen. Andererseits sollte die Temperatur nicht wesentlich niedriger liegen, um eine möglichst hohe Verbrennungs- und Abgastemperatur und damit einen guten Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu erzielen.
Der allseitig geschlossene Hohlraum unterhalb des Kolbenbodens dient im Motorbetrieb zur Steuerung der Temperatur im mittigen Bereich des Kolbenbodens, bspw. des inneren Bereichs einer Verbrennungsmulde. In diesem Bereich wird es angestrebt, dass die Temperatur im Motorbetrieb etwa zwischen 230°C und 330°C liegt.
Beim gattungsgemäßen Kolben ist im allseitig geschlossenen Hohlraum lediglich Luft eingeschlossen, so dass eine Beeinflussung der Temperatur im mittigen Bereich des Kolbenbodens nicht möglich ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen Kolben mit einfachen Mitteln so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb eine Beeinflussung der Temperatur im mittigen Bereich des Kolbenbodens ermöglicht wird.
Bestätigungskopie
Die Lösung besteht darin, dass im Hohlraum ein Kühlmittel in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metall leg ierung aufgenommen ist.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht darin, im Motorbetrieb die Temperatur im mittigen Bereich des Kolbenbodens mittels eines metallischen, im Motorbetrieb flüssigen Kühlmittels mit guter Wärmeleitfähigkeit zu beeinflussen. Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist und je größer das Volumen der im Hohlraum eingeschlossenen Kühlmittelmenge ist, desto mehr Wärme wird vom Kolbenboden in Richtung des Kolbeninneren abgeleitet. Somit kann die Temperatur im mittigen Bereich des Kolbenbodens über die Menge des eingesetzten Kühlmittels und/oder über seine Wärmeleitfähigkeit, d.h. über die Wahl des Kühlmittelwerkstoffs, beeinflusst werden.
Die vorliegende Erfindung ist für alle Kolbentypen geeignet, d.h. für einteilige und mehrteilige Kolben sowie für Kolben mit niedriger Bauhöhe. Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus, da Kühlölkanäle zwischen dem äußeren Kühlkanal und dem inneren Hohlraum, die als Stellen höchster Spannungskonzentration destabilisierend wirken, nicht vorgesehen sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Niedrig schmelzende Metalle, die zur Verwendung als Kühlmittel geeignet sind, sind insbesondere Natrium oder Kalium. Als niedrig schmelzende Metalllegierungen können insbesondere Galinstan®-Legierungen, niedrig schmelzende Bismut- Legierungen und Natrium-Kalium-Legierungen eingesetzt werden.
Als sog. Galinstan®-Legierungen werden Legierungssysteme aus Gallium, Indium und Zinn bezeichnet, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Diese Legierungen bestehen aus 65 Gew.-% bis 95 Gew.-% Gallium, 5 Gew.-% bis 26 Gew.-% Indium und 0 Gew.-% bis 16 Gew.-% Zinn. Bevorzugte Legierungen sind bspw. solche mit 68 Gew.-% bis 69 Gew.-% Gallium, 21 Gew.-% bis 22 Gew.-% Indium und 9,5 Gew.-% bis 10,5 Gew.-% Zinn (Schmp. -19°C), 62 Gew.-% Gallium, 22 Gew.-% Indium und
16 Gew.-% Zinn (Schmp.10,7°C) sowie 59,6 Gew.-% Gallium, 26 Gew.-% Indium und 14,4 Gew.%- Zinn (ternäres Eutektikum, Schmp. 11°C).
Niedrig schmelzende Bismut-Legierungen sind zahlreich bekannt. Dazu gehören bspw. LBE (eutektische Bismut-Blei-Legierung, Schmp. 124°C), Roses Metall (50 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei und 22 Gew.-% Zinn, Schmp. 98°C), Orionmetall (42 Gew.-% Bismut, 42 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmp. 108°C); Schnelllot (52 Gew.-% Bismut, 32 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmp. 96°C), d'Arcets- Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei und 25 Gew.-% Zinn), Woodsches Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 12,5 Gew.-% Zinn und 12,5 Gew.-% Cadmium, Schmp. 71 °C), Lipowitzmetall (50 Gew.-% Bismut, 27 Gew.-% Blei, 13 Gew.-% Zinn und 10 Gew.-% Cadmium, Schmp. 70°C), Harpers Metall (44 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 25 Gew.-% Zinn und 6 Gew.-% Cadmium, Schmp. 75°C), Cerrolow 117 (44,7 Gew.-% Bismut, 22,6 Gew.-% Blei, 19,1 Gew.-% Indium, 8,3 Gew.-% Zinn und 5,3 Gew.-% Cadmium, Schmp. 47°C); Cerrolow 174 (57 Gew.-% Bismut, 26 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmp. 78,9°C), Fields Metall (32 Gew.-% Bismut, 51 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmp. 62°C) sowie die Walkerlegierung (45 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei, 22 Gew.-% Zinn und 5 Gew.-% Antimon).
Geeignete Natrium-Kalium-Legierungen können 40 Gew.-% bis 90 Gew.-% Kalium enthalten. Besonders geeignet ist die eutektische Legierung NaK mit 78 Gew.-% Kalium und 22 Gew.- Natrium (Schmp. -12,6°C).
Die Menge des im Hohlraum aufgenommenen Kühlmittels hängt von seiner Wärmeleitfähigkeit und dem Grad der gewünschten Temperatursteuerung ab. Vorzugsweise beträgt das Volumen des im Hohlraum aufgenommenen Kühlmittels höchstens 10% des Volumens des Hohlraums. Dies hat den weiteren Vorteil, dass das Kühlmittel im Motorbetrieb dem sog. Shaker-Effekt unterliegt, wobei es gegenläufig zur Hubrichtung des Kolbens im Hohlraum bewegt wird. Während des Abwärtshubs des Kolbens wird das Kühlmittel in Richtung des Kolbenbodens bewegt und kann Wärme aufnehmen. Während des Aufwärtshubs des Kolbens wird das Kühlmittel in Richtung Kolbenschaft bewegt und kann die aufgenommene Wärme somit in Richtung Kolbenschaft abgeben. Dadurch wird die Kühlwirkung weiter verbessert.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann im Kolbenboden eine Verbrennungsmulde aus einem warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung vorgesehen sein, um die Temperaturbeständigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens zu erhöhen. Die Verwendung einer Nickelbasislegierung hat den weiteren Vorteil, dass zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens erhöht wird.
In entsprechender Weise kann der gesamte Kolbenboden aus einem warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung bestehen. Zusätzlich kann zumindest ein Teil der umlaufenden Ringpartie aus einem warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung bestehen.
Der erfindungsgemäße Kolben kann als einteiliger, bspw. gegossener Kolben ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Kolben kann ferner als mehrteiliger Kolben ausgebildet, bspw. aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzt sein. Die Bauteile können bspw. Gießteile oder Schmiedeteile sein, und bspw. aus einem Stahlwerkstoff oder einer Nickelbasislegierung hergestellt, insbesondere geschmiedet sein. Die Verbindung zwischen den Bauteilen kann auf beliebige Weise erfolgen, bspw. durch Schweißen, Schrauben oder Löten. Als besonders geeignetes Fügeverfahren bieten sich Schweißverfahren, insbesondere Reibschweißverfahren und Laserschweißverfahren, an.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Figur 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Figur 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Figur 3 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines zweiteiligen Kolbens beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch mit anderen geeigneten Kolbentypen verwirklicht werden.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 in Form eines Kastenkolbens. Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbengrundkörper 11 und einem Kolbenbodenelement 12. Der Kolbengrundkörper 11 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Stahl Werkstoff geschmiedet, während das Kolbenbodenelement 12 aus einem hoch warmfesten Stahlwerkstoff oder einer Nickelbasislegierung hergestellt ist.
Der Kolbengrundkörper 11 weist einen Teil eines Kolbenbodens 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 auf. Der Kolbengrundkörper 11 weist ferner einen Kolbenschaft 16 sowie Kolbennaben 17 mit Nabenbohrungen 18 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 17 sind über Nabenabstützungen 19 mit der Unterseite 13' des Kolbenbodens 13 verbunden.
Das Kolbenbodenelement 12 weist einen Teil des Kolbenbodens 13 mit einer Verbrennungsmulde 21 auf. Die Verbrennungsmulde 21 weist einen Muldenboden 22 und einen umlaufenden Muldenrand 23 auf.
Der Kolbengrundkörper 11 weist ein inneres umlaufendes Stützelement 24 auf, während das Kolbenbodenelement 12 ein korrespondierendes inneres umlaufendes Stützelement 25 aufweist. Beide Stützelemente 24, 25 stehen über Fügeflächen miteinander in Kontakt. Der Kolbengrundkörper 11 weist im Bereich des Feuerstegs 14 ferner eine weitere Fügefläche auf, die mit einer korrespondierenden Fügefläche im Bereich des Muldenrands 23 des Kolbenbodenelements 12 in Kontakt steht.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenbodenelement 12 können auf beliebige Weise zusammengefügt sein, wobei die korrespondierenden Fügeflächen des Kolbengrundkörpers 11 und des Kolbenbodenelements 12 miteinander verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel wurde ein Schweißverfahren gewählt, so dass der Kolben-
grundkörper 11 und das Kolbenbodenelement 12 über Fügenähte 26, 27 miteinander verbunden sind.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenbodenelement 12 bilden einen umlaufenden, in an sich bekannter Weise mit Kühlöl versorgten Kühlkanal 28, wie es Figur 1 zu entnehmen ist. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenbodenelement 12 bilden ferner einen Hohlraum 29, der im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen unterhalb des Muldenbodens 22 angeordnet ist.
Der Hohlraum 29 ist allseitig geschlossen, das heißt, dass der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenbodenelement 12 keinerlei Öffnungen wie bspw. Kühlölkanäle aufweisen, die den äußeren Kühlkanal 28 mit dem Hohlraum 29 verbinden. Um den Hohlraum 29 in Richtung des Kolbenschafts 16 und der Kolbennaben 17 zu schließen, ist ein Verschlusselement 31 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist das Verschlusselement 31 eine einstückig mit dem Kolbengrundkörper 11 ausgebildete Verschlusswand, die im Bereich der Nabenabstützungen 19 mit dem Kolbengrundkörper
I I einstückig verbunden ist, so dass kein Schmieröl aus dem Kurbelgehäuse bzw. kein Kühlöl aus dem Kühlkanal 28 in den Hohlraum 29 eindringen kann.
Im Hohlraum 29 ist ein Kühlmittel 32 in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung aufgenommen, wie sie beispielhaft oben angeführt wurden. Das Volumen des flüssigen Kühlmittels 32 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 5 % bis 10% des Volumens des Hohlraums 29.
Die Figuren 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kolbens 110 bzw. 210, die sich lediglich in der Ausgestaltung der Kolbengrundkörper
I I I bzw. 211 und der Kolbenbodenelemente 112, 212 unterscheiden.
Der Kolben 110 gemäß Figur 2 weist ein Kolbenbodenelement 112 aus einem hoch- warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung auf, welches den gesamten Kolbenboden 13 umfasst. Der Kolbengrundkörper 111 und Kolbenbodenelement 112 sind somit im Bereich des Kolbenbodens 13 über eine Fügenaht 127 miteinander verbunden, die oberhalb der Ringpartie 15 horizontal durch den Feuersteg 14 ver-
läuft. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus des Kolbens 110 und seiner Funktion wird auf die Beschreibung zu Figur 1 verwiesen.
Der Kolben 210 gemäß Figur 3 weist ein Kolbenbodenelement 212 aus einem hoch- warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung auf, welches den gesamten Kolbenboden 13, den Feuersteg 14 und einen Teil der Ringpartie 15 umfasst. Der Kolbengrundkörper 211 und Kolbenbodenelement 212 sind somit im Bereich der Ringpartie 15 über eine Fügenaht 227 miteinander verbunden, die oberhalb der Ringpartie 15 horizontal durch den Feuersteg 14 verläuft. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus des Kolbens 210 und seiner Funktion wird auf die Beschreibung zu Figur 1 verwiesen.
Claims
1. Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, der einen Kolbenboden (13), eine umlaufende Ringpartie (15), einen im Bereich der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (28), unterhalb des Kolbenbodens (13) angebundene Nabenabstützungen (19) und damit verbundene Kolbennaben (17) sowie einen Kolbenschaft (16) aufweist, wobei unterhalb des Kolbenbodens (13) ein allseitig geschlossener Hohlraum (29) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (29) ein Kühlmittel (32) in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung aufgenommen ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als niedrig schmelzendes Metall Natrium oder Kalium aufgenommen ist.
3. Kolben nach Anspruchl , dadurch gekennzeichnet, dass die niedrig schmelzende Metalllegierung aus der Gruppe umfassend Galinstan®-Legierungen, niedrig schmelzende Bismut-Legierungen und Natrium-Kalium-Legierungen ausgewählt ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des im Hohlraum (29) aufgenommenen Kühlmittels (32) höchstens 10% des Volumens des Hohlraums (29) beträgt.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenboden (13) eine Verbrennungsmulde (21) aus einem warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung vorgesehen ist.
6. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (13) aus einem wärmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung besteht. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (13) und zumindest ein Teil der umlaufenden Ringpartie (15) aus einem warmfesten Stahl oder einer Nickelbasislegierung bestehen.
Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als einteiliger oder mehrteiliger Kolben (10, 110, 210) ausgebildet ist.
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