WO2016173690A1 - Kolben für eine hubkolben-verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Kolben für eine hubkolben-verbrennungskraftmaschine Download PDF

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WO2016173690A1
WO2016173690A1 PCT/EP2016/000499 EP2016000499W WO2016173690A1 WO 2016173690 A1 WO2016173690 A1 WO 2016173690A1 EP 2016000499 W EP2016000499 W EP 2016000499W WO 2016173690 A1 WO2016173690 A1 WO 2016173690A1
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WO
WIPO (PCT)
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piston
channel
cooling
partially
cooling medium
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/000499
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Albat
Michael Wagenplast
Original Assignee
Daimler Ag
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Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
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Classifications

    • 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
    • F02F3/18—Pistons  having cooling means the means being a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in piston
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a piston for a reciprocating internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, according to the respective preamble of
  • Such a piston for a reciprocating internal combustion engine in particular a motor vehicle such as a passenger car, for example, DE 10 2013 002 895 A1 as known to remove.
  • the piston has a piston shaft and a piston head, which in turn has a circumferential ring portion.
  • an at least partially circumferential cooling channel for receiving a first cooling medium is provided in the piston head. This means that the cooling channel in the circumferential direction of the piston at least partially rotates.
  • the piston further comprises at least one partially in the piston skirt and partially in the piston head extending, fluidly separated from the cooling channel channel element, in which a second, different from the first cooling medium cooling medium is received for at least partially cooling the piston.
  • the piston has at least one receptacle for a piston pin.
  • the receptacle is for example a receiving opening in which the piston pin is at least partially receivable.
  • the piston pin can cooperate positively with the piston, so that the piston is articulated by means of the piston pin with a connecting rod of the reciprocating internal combustion engine.
  • the piston can be pivotally connected to a crankshaft of the reciprocating internal combustion engine, so that translational movements of the piston can be converted into a rotational movement of the crankshaft.
  • Object of the present invention is to develop a piston of the type mentioned in such a way that a particularly advantageous cooling of the piston can be realized.
  • the at least one channel element a Length which is greater than or equal to the quarter of the piston diameter.
  • the length of the formed, for example, as a cooling hole, at least one channel element results in:
  • L denotes the length of the at least one channel element and D K the piston diameter. The length runs in the longitudinal direction of the at least one channel element.
  • Channel member has a diameter which is less than or equal to ten times the quotient of piston height and piston diameter, wherein the piston height from the center, in particular the center, the receptacle extends to the upper edge of the piston.
  • the diameter of the formed, for example, as a cooling hole, at least one channel element results in: where D denotes the diameter of the at least one channel element, KH the piston height and D K the piston diameter.
  • Temperature distribution can be realized in the piston, so that local temperature peaks and resulting, very high and local temperature loads of the piston can be avoided or at least kept low.
  • Temperature level of the piston are kept low overall, resulting in a very long life and thus a very long life of the piston result.
  • the fuel consumption and emissions, in particular C0 2 emissions, of the internal combustion engine can be kept low.
  • the overall height of the piston can be kept particularly low while achieving a high component strength of the piston.
  • Cooling medium is received for at least partially cooling the piston.
  • the second channel element is fluidically separated from the first channel element and from the cooling channel.
  • Channel elements preferably have an at least substantially straight course and extend skew each other.
  • the channel elements a at least in
  • the respective channel element has longitudinal central axes which intersect at an intersection.
  • the longitudinal central axes and thus the respective channel elements are skewed or angled, but not skewed.
  • the respective channel element is symmetrical with respect to its respective longitudinal central axis, in particular
  • Arrangement of the channel elements can be a particularly simple and inexpensive
  • Production of the piston can be realized with simultaneous realization of a particularly advantageous cooling of the piston.
  • Another embodiment is characterized in that the point of intersection is arranged in an imaginary plane of symmetry of the piston.
  • the piston is, for example, symmetrical, in particular mirror-symmetrical,
  • the piston has a combustion chamber cone, which is in particular part of the piston head.
  • the combustion chamber cone is
  • piston dome piston bump or hump and is particularly provided when the piston is designed as a diesel piston.
  • the piston is used in a diesel engine.
  • the piston head for example, a piston head with a combustion bowl, which is presently designed as a so-called omega trough. This is the case since the
  • Combustion mold has the shape of the Greek lower case letter omega ( ⁇ ), wherein formed by the piston dome or the combustion chamber cone, for example, the middle part of the shape of the combustion bowl.
  • the channel elements in the combustion chamber cone In order to realize a particularly advantageous cooling, extend at least respective length ranges of the channel elements in the combustion chamber cone.
  • the respective longitudinal central axes of the channel elements include, for example, an angle which corresponds at least substantially to the cone angle.
  • the combustion chamber cone has a conical contour, along which the longitudinal central axis or the channel elements can extend.
  • the point of intersection of the longitudinal center axes is arranged on a straight line with respect to which the combustion chamber cone is formed symmetrically, in particular rotationally symmetrically.
  • the straight line is, for example, the longitudinal center axis of the combustion chamber cone, the common intersection of the longitudinal center axes being arranged, for example, on the longitudinal central axis of the combustion chamber cone.
  • the channel elements extend to a piston head of the piston.
  • the piston is designed as a so-called Ottokolben.
  • the piston head is also referred to as the combustion chamber bottom and is preferably part of the
  • Fig. 1 is a schematic and partially sectioned perspective view of a
  • Piston according to a first embodiment of a reciprocating internal combustion engine, which comprises a cooling channel for receiving a first cooling medium in the form of oil in the region of a ring portion of a Piston head of the piston and four fluidly separated from the cooling channel channel elements for receiving a different from the first cooling medium, the second cooling medium, wherein the channel elements are also fluidly separated from each other;
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of the piston according to a second
  • Fig. 3 is a schematic side view of the piston according to the second
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of the piston according to the second
  • Fig. 5 is a schematic and sectional perspective view of the piston according to the second embodiment
  • FIG. 6 is another schematic and sectional perspective view of the piston according to the second embodiment
  • Fig. 7 is a schematic and sectional side view of the piston according to the second embodiment
  • FIG. 8 is a diagram for illustrating a cooling effect which can be effected by means of the channel element
  • Fig. 9 is a schematic perspective view of the piston according to a third
  • Fig. 10 is a schematic sectional view of the piston according to the third
  • Fig. 1 1 is a schematic and sectional perspective view of the piston according to the third embodiment.
  • Fig. 1 shows a piston 10 according to a first embodiment of a reciprocating internal combustion engine, in particular a motor vehicle and in particular a passenger car.
  • the piston 10 comprises a piston head 12 with an in
  • the piston head 12 has a piston head 20 with a combustion bowl 22, which in the present case is designed as a so-called omega trough.
  • the piston skirt 26 In the axial direction down to the piston head 12 connects to a piston skirt 26 of the piston 10, which is connected to the piston head 12.
  • the piston skirt 26 has piston hubs 28 with receptacles in the form of receiving openings 30.
  • the receiving openings 30 are also commonly referred to as hub bores and are presently designed as passage openings.
  • the receiving openings 30 serve for at least partially receiving a piston pin.
  • the piston pin can be inserted through the receiving openings 30 to thereby connect the piston 10 via the piston pin with a connecting rod of the reciprocating internal combustion engine articulated.
  • the piston bosses 28 are interconnected in the circumferential direction of the piston 10 via respective running surfaces 32 of the piston skirt 26.
  • the respective raceways 32 are arranged in the circumferential direction of the piston 10 between the receiving openings 30.
  • the piston shaft 26 is commonly referred to as a piston skirt.
  • the piston 10 In the ready-made state of the reciprocating internal combustion engine, the piston 10 is received in a cylinder designed as a combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine and can move relative to the combustion chamber translational. In the combustion chamber, combustion processes take place, wherein the combustion chamber is partially bounded by the piston head 20. In other words, the piston head 20 faces the combustion chamber or the cylinder.
  • the piston 10 may be supported during up and down movements in the cylinder via the running surfaces 32 to the cylinder bounding cylinder running surfaces, which are formed for example by a cylinder housing or a cylinder crankcase of the reciprocating internal combustion engine.
  • the piston 10 is formed as a cooling channel piston. This means that in the piston head 12 in the region of the ring portion 14, a cooling channel 34 which is presently completely circumferential in the circumferential direction of the piston 10 is provided. In other words, that is
  • Ring part 14 in the radial direction of the piston 10 towards the inside at least
  • the cooling channel 34 serves to receive a first cooling medium in the form of oil.
  • a first cooling medium in the form of oil.
  • the piston 10 can be cooled at least in regions, and in particular in the region of the ring section 14.
  • the supply of the cooling channel 34 with oil for example, by means of at least one oil spray nozzle, by means of which the oil is injected from below against the piston head 20 and injected into the cooling channel 34.
  • the piston 10 has four channel elements 36a-d.
  • the channel elements 36a-d are also commonly referred to as bores or cooling holes, which need not necessarily be formed by drilling.
  • the channel members 36a-d each extend partially in the piston skirt 26 and partially in the piston head 12, wherein they at least one
  • the channel elements 36a-d extend with respect to the axial direction of the piston 10 from the piston shaft 26 to the piston head 12 or vice versa, whereby the channel elements 36a-d extend obliquely to one another.
  • the channel elements 36 are fluidically spaced from one another and fluidically from each
  • Cooling channel 34 is disconnected.
  • a second cooling medium in the form of liquid sodium which is different from the first cooling medium, is accommodated in each of the channel elements 36a-d.
  • the channel elements 36a-d are each at least partially filled with liquid sodium.
  • Piston side two channel elements 36a-d provided. This means, for example, that two of the channel elements 36a-d are arranged on the side of a first one of the piston hubs 28 or on the side of a first one of the running surfaces 32, while on the side of the second of the piston hubs 28 or on the side of the second of the running surfaces 32 the two other of the channel elements 36a-d are arranged.
  • the arrangement of the channel elements 36a-d can be symmetrical or asymmetrical to the longitudinal axis of the piston pin not visible in FIG. 1 and / or symmetrical or asymmetrical to the longitudinal central axis of the piston 10.
  • the channel elements 36a-d extend askew in Direction of the piston dome 24 and ensure together with the cooling passage 34 a particularly good cooling of the piston 10.
  • the channel elements 36a-d in particular the temperature level in the region of the piston dome 24 can be kept particularly low.
  • Piston pin or the piston skirt issued.
  • an active cooling of the piston 10 can thus be realized in particular.
  • the respective channel element 36a-d can be filled, for example via a respective opening on an outer surface of the piston 10 with the sodium.
  • the respective channel elements 36a-d open in the unclosed state via the respective opening to the surroundings of the piston 10.
  • the respective opening is, for example, by means of a closure lid, for example in the form of a sphere, closed.
  • a closure lid for example in the form of a sphere, closed.
  • this respective outer surface, in which the respective, closed opening is provided it is not a functional surface, so that the closure lid or the closure element for closing the respective opening does not interfere with the function of the piston 10.
  • Channel member 36 a extending in the longitudinal direction of the respective channel member 36a-d length L, which is greater than or equal to the quarter of the piston diameter.
  • the piston diameter is to be understood as meaning the outer diameter of the piston 10, wherein, for example, the running surfaces 32 are arranged on this outer diameter.
  • the respective channel element 36a-d has a diameter D which is less than or equal to ten times the quotient of piston height and piston diameter, wherein the piston height from the center or the center of the at least substantially circular
  • Receiving opening 30 (receiving) to the upper edge 31 of the piston 10 extends.
  • the piston height in the axial direction of the piston extends from the center of the piston pin to the upper edge 31.
  • the described length L and / or the described diameter D of the respective cooling element 36a-d a particularly efficient and effective cooling of the piston 10 can be realized, so that optionally the cooling channel 34 and / or the annular part 14 functioning as a ring carrier can be dispensed with.
  • Emissions, especially C0 2 emissions, can be kept low.
  • Figs. 2 to 7 show the piston 10 according to a second embodiment. From FIG. 4 it can be seen that a plurality of channel elements 36a-d are also provided in the second embodiment, wherein in the present case exactly 4 channel elements 36a-d are provided, which are fluidically separated from one another and fluidically from the cooling channel 34.
  • the second embodiment differs in particular from the first
  • Embodiment that at least two of the channel elements 36a-d obliquely or obliquely, but not skewed run each other.
  • the channel elements 36a-d extend in pairs obliquely, but not skewed to each other.
  • FIG. 6 shows particularly clearly that the respective channel element 36a-d has an at least substantially straight, that is to say rectilinear course and one
  • the longitudinal central axis 38 coincides with a respective center line of the respective channel element 36a-d, wherein the respective
  • Channel element 36a-d with respect to the center line or with respect to the respective longitudinal central axis 38 symmetrical, in particular rotationally symmetrical, is formed.
  • the respective longitudinal center axis 38 is an imaginary straight line and thus extends at least substantially straight or linear.
  • Channel elements 36a-d are now arranged such that at least two of the
  • Channel elements 36a-d arranged such that all longitudinal central axes 38 intersect at the common intersection point 40. In this way, a particularly effective and advantageous, since uniform cooling of the piston 10, in particular of the piston head 12, can be realized.
  • the combustion bowl 22 is formed as a so-called omega trough, since the combustion trough 22 has at least substantially the shape of the Greek lower case letter omega ( ⁇ ). It forms the
  • Kolbendom 24 the middle part of the ⁇ , whereby the Kolbendom 24 also as Kolbenhöcker, Bump or combustion chamber cone is called.
  • the piston dome 24 - has the shape of a cone or a truncated cone.
  • the piston dome 24 has a cone angle and a cone contour.
  • the channel elements 36a-d are arranged symmetrically to the longitudinal center axis of the piston 10.
  • the longitudinal center axis of the piston 10 is, for example, a longitudinal central axis of the combustion chamber cone (piston dome 24), wherein the piston dome 24 (combustion chamber cone), for example symmetrical, in particular
  • Symmetrieebene of the piston 10 is arranged, which is symmetrical, for example, with respect to the imaginary plane of symmetry, in particular mirror-symmetrical, is formed.
  • the channel elements 36a-d or the longitudinal central axes 38 to form a contour, in particular an at least substantially conical contour, which at least substantially corresponds to the conical contour of the piston dome 24 or is similar to the conical contour of the piston dome 24.
  • Embodiment is designed for example as a diesel piston and is thus used in a diesel engine.
  • the temperature level can during operation of the internal combustion engine, the temperature level
  • the respective channel element 36a-d is designed, for example, as a bore.
  • the piston 10 or a main body of the piston 10 is first produced.
  • the piston 10 or the base body is machined by drilling, whereby the respective channel element 36a-d is produced.
  • a respective bore is introduced from the outside into the base body, thereby producing the respective channel element 36a-d.
  • the cooling medium is introduced into the respective bore, for example following the production of the respective bore, whereupon the respective bore is closed. This is done for example by means of a plug and / or by means of a material from which, for example, the piston 10 or base body is made.
  • the piston 10 may be formed in two parts and in this case may include a first piston member 41 and a second piston member 42.
  • the cooling passage 34 is partially connected by the piston part 41 and partially by the piston part 42, wherein the piston parts 41 and 42 at respective, in Fig. 7 by dash-dot lines 44 illustrated points composed or
  • the piston parts 41 and 42 for example, of a metallic material, in particular of aluminum or of a
  • the respective weld 46 is designed in particular as a laser weld, so that the piston parts 41 and 42 are connected to one another, for example, by laser welding.
  • the respective piston parts 41 and 42 for example, a blank and can be produced as a forged part, in particular round and solid.
  • a processing of the ring section 14, also referred to as a ring package may be provided, whereby, for example, a processing of the ring section 14, the combustion recess 22 and the machining of valve pockets takes place in a known manner, for example the production of a corresponding sanding pattern.
  • Fig. 8 shows a diagram on whose abscissa 48 the time is plotted. The temperature is plotted on the ordinate 50 of the diagram. A solid line 52 in FIG.
  • a piston 8 illustrates the temperature of a piston which, for example, is of identical construction to the piston 10, but does not have the channel elements 36a-d and thus the cooling which can be moved by the channel elements 36a-d.
  • a dashed trace 54 illustrates the temperature of the piston 10 over time.
  • there is between the piston without the channel elements 36a-d and in the piston 10 is a particularly large, by a double arrow 56th
  • Illustrated temperature difference wherein the piston 10 has a substantially lower temperature level than the piston without the channel elements 36a-d.
  • Fig. 8 Illustrated temperature difference, wherein the piston 10 has a substantially lower temperature level than the piston without the channel elements 36a-d.
  • Fig. 9 to 1 1 show a third embodiment of the piston 10.
  • the embodiment differs from the first embodiment
  • piston 10 in particular the piston parts 41 and 42, is formed in the embodiment of the piston 10 as a diesel piston made of aluminum, designed as Ottokolben piston 10 according to the third embodiment, for example, made of a steel.
  • Fig. 10 is particularly well seen that the piston 10 according to the third embodiment, in particular with respect to the configuration of the combustion bowl 22 from the piston 10 according to the first and second embodiment differs.
  • the combustion bowl 22 is not formed as an omega trough and therefore has no combustion chamber cone (piston dome 24).
  • the channel elements 36a-d have an at least substantially straight, that is to say straight or linear course, wherein the channel elements 36a-d or their longitudinal central axes extend obliquely or at an angle to one another. It can be provided that the channel elements 36a d Windschief each other. In the third embodiment, however, it is now provided that the channel elements 36a-d or their
  • Combustor floor (piston bottom 20) back.
  • a temperature reduction can be realized in comparison with conventional pistons, which can amount, for example, to 30 Kelvin at the edge of the combustion bowl. Furthermore, an increase in performance, a reduction of the oil volume and an extension of the oil change interval can be displayed. Furthermore, a particularly high compression ratio ⁇ of the internal combustion engine can be represented. Furthermore, it can be seen from FIGS. 9-11 that, in particular in the embodiment as an Otto piston, the cooling channel 34 or the ring carrier can be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenschaft (26), mit einem Kolbenkopf (12), in welchem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal (34) zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist, und mit wenigstens einem sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im Kolbenkopf (12) erstreckenden, fluidisch vom Kühlkanal (34) getrennten Kanalelement (36a), in welchem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist, wobei das wenigstens eine Kanalelement (36a) eine Länge (L) aufweist, welche größer oder gleich dem Viertel des Kolbendurchmessers ist und/oder dass das wenigstens eine Kanalelement (36a) einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner oder gleich dem Zehnfachen des Quotienten aus Kolbenhöhe und Kolbendurchmesser ist.

Description

Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem jeweiligen Oberbegriff von
Patentanspruch 1 beziehungsweise 2.
Ein solcher Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, ist beispielsweise der DE 10 2013 002 895 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Kolben weist einen Kolbenschaft sowie einen Kolbenkopf auf, welcher wiederum eine umlaufende Ringpartie aufweist. In dem Kolbenkopf ist ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal in Umfangsrichtung des Kolbens zumindest teilweise umläuft.
Der Kolben weist ferner wenigstens ein sich teilweise im Kolbenschaft und teilweise im Kolbenkopf erstreckendes, fluidisch vom Kühlkanal getrenntes Kanalelement auf, in welchem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens aufgenommen ist.
Schließlich weist der Kolben wenigstens eine Aufnahme für einen Kolbenbolzen auf. Die Aufnahme ist beispielsweise eine Aufnahmeöffnung, in welchem der Kolbenbolzen zumindest teilweise aufnehmbar ist. Hierdurch kann der Kolbenbolzen formschlüssig mit dem Kolben zusammenwirken, sodass der Kolben unter Vermittlung des Kolbenbolzens gelenkig mit einem Pleuel der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist. Über das Pleuel kann der Kolben gelenkig mit einer Kurbelwelle der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine verbunden werden, sodass translatorische Bewegungen des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das wenigstens eine Kanalelement eine Länge aufweist, welche größer oder gleich dem Viertel des Kolbendurchmessers ist. Mit anderen Worten ergibt sich die Länge des beispielsweise als Kühlbohrung ausgebildeten, wenigstens einen Kanalelements zu:
L > 0,25 * DK wobei L die Länge des wenigstens einen Kanalelements und DK den Kolbendurchmesser bezeichnet. Die Länge verläuft dabei in Längserstreckungsrichtung des wenigstens einen Kanalelements.
Um einen Kolben der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kolbens realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das wenigstens eine
Kanalelement einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner oder gleich dem Zehnfachen des Quotienten aus Kolbenhöhe und Kolbendurchmesser ist, wobei sich die Kolbenhöhe von der Mitte, insbesondere dem Mittelpunkt, der Aufnahme bis zur Oberkante des Kolbens erstreckt. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich der Durchmesser des beispielsweise als Kühlbohrung ausgebildeten, wenigstens einen Kanalelements ergibt zu:
Figure imgf000004_0001
wobei D den Durchmesser des wenigstens einen Kanalelements, KH die Kolbenhöhe und DK den Kolbendurchmesser bezeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kolbens gemäß dem ersten Patentanspruch sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des Kolbens gemäß dem zweiten Patentanspruch anzusehen und umgekehrt.
Durch die fluidische Trennung des Kanalelements vom Kühlkanal kann eine gegenseitige Beeinflussung der jeweiligen, im Kühlkanal beziehungsweise Kanalelement
aufgenommenen oder aufzunehmenden Kühlmedien vermieden oder zumindest gering gehalten werden, sodass der Kolben mittels der Kühlmedien besonders effizient und effektiv zu kühlen ist. Darüber hinaus kann eine besonders homogene
Temperaturverteilung im Kolben realisiert werden, sodass lokale Temperaturspitzen und daraus resultierende, sehr hohe und lokale Temperaturbelastungen des Kolbens vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. Somit kann das
Temperaturniveau des Kolbens insgesamt gering gehalten werden, woraus eine sehr lange Haltbarkeit und somit eine sehr hohe Lebensdauer des Kolbens resultieren.
Insbesondere ist es auf besonders effektive Weise möglich, mittels der fluidisch voneinander getrennten und voneinander unterschiedlichen Kühlmedien Hitze von einem Kolbenboden des Kolbenkopfes in axialer Richtung des Kolbens nach unten zum
Kolbenschaft abzutransportieren, sodass die Temperatur des einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zugewandten Kolbenbodens in einem geringen Rahmen gehalten werden kann.
Ferner ist es möglich, mittels des besonders gut kühlbaren, erfindungsgemäßen Kolbens einen besonders effizienten Betrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, sodass der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen, insbesondere C02- Emissionen, der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann die Bauhöhe des Kolbens besonders gering gehalten werden bei gleichzeitiger Realisierung einer hohen Bauteilfestigkeit des Kolbens.
Um eine besonders effektive und somit vorteilhafte Kühlung des Kolbens zu realisieren, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wenigstens ein sich teilweise im Kolbenschaft und teilweise im Kolbenkopf erstreckendes, zweites Kanalelement vorgesehen, in welchem ein vom ersten Kühlmedium unterschiedliches, drittes
Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Dabei ist das zweite Kanalelement vom ersten Kanalelement und vom Kühlkanal fluidisch getrennt. Die folgenden und vorigen Ausführungen zum ersten Kanalelement sind ohne weiteres auch auf das zweite Kanalelement übertragbar und umgekehrt. Um dabei besonders vorteilhaft Wärme abtransportieren zu können, weisen die
Kanalelemente vorzugsweise einen zumindest im Wesentlichen geraden Verlauf auf und erstrecken sich dabei windschief zueinander.
Alternativ dazu ist es vorgesehen, dass die Kanalelemente einen zumindest im
Wesentlichen geraden beziehungsweise geradlinigen Verlauf und jeweilige
Längsmittelachsen aufweisen, welche sich in einem Schnittpunkt schneiden. Somit verlaufen die Längsmittelachsen und somit die jeweiligen Kanalelemente schief beziehungsweise winklig, jedoch nicht windschief zueinander. Das jeweilige Kanalelement ist bezüglich seiner jeweiligen Längsmittelachse symmetrisch, insbesondere
rotationssymmetrisch, ausgebildet, sodass die jeweilige Längsmittelachse eine Mittellinie des jeweiligen Kanalelements ist. Jeweilige gedachte Verlängerungen der Mittellinien schneiden sich in dem Schnittpunkt. Durch diese Ausgestaltung beziehungsweise
Anordnung der Kanalelemente kann eine besonders einfache und kostengünstige
Herstellung des Kolbens realisiert werden bei gleichzeitiger Realisierung einer besonders vorteilhaften Kühlung des Kolbens.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Schnittpunkt in einer gedachten Symmetrieebene des Kolbens angeordnet ist. Bezüglich der Symmetrieebene ist der Kolben beispielsweise symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch,
ausgebildet. Durch die Anordnung des Schnittpunkts in der gedachten Symmetrieebene kann eine besonders vorteilhafte und effektive zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Kühlung des Kolbens realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Kolben einen Brennraumkegel auf, welcher insbesondere Teil des Kolbenkopfes ist. Der Brennraumkegel wird
üblicherweise auch als Kolbendom, Kolbenhöcker oder Höcker bezeichnet und ist insbesondere dann vorgesehen, wenn der Kolben als Dieselkolben ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der Kolben in einem Dieselmotor zum Einsatz kommt. Dabei weist der Kolbenkopf beispielsweise einen Kolbenboden mit einer Verbrennungsmulde auf, welche vorliegend als sogenannte Omega-Mulde ausgebildet ist. Dies ist der Fall, da die
Verbrennungsmulde die Form des griechischen Kleinbuchstabens Omega (ω) aufweist, wobei durch den Kolbendom beziehungsweise den Brennraumkegel beispielsweise der mittlere Teil der Form der Verbrennungsmulde gebildet ist.
Um dabei eine besonders vorteilhafte Kühlung zu realisieren, verlaufen zumindest jeweilige Längenbereiche der Kanalelemente in dem Brennraumkegel. Der Brennraumkegel weist beispielsweise einen Kegelwinkel auf. Dabei schließen die jeweiligen Längsmittelachsen der Kanalelemente beispielsweise einen Winkel ein, welcher zumindest im Wesentlichen dem Kegelwinkel entspricht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Brennraumkegel eine Kegelkontur aufweist, entlang welcher sich die Längsmittelachse beziehungsweise die Kanalelemente erstrecken können.
Ferner ist es denkbar, dass der Schnittpunkt der Längsmittelachsen auf einer Geraden angeordnet, bezüglich welcher der Brennraumkegel symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Gerade beispielsweise die Längsmittelachse des Brennraumkegels, wobei der gemeinsame Schnittpunkt der Längsmittelachsen beispielsweise auf der Längsmittelachse des Brennraumkegels angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Kanalelemente zu einem Kolbenboden des Kolbens verlaufen. Dies kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn der Kolben als sogenannter Ottokolben ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der Kolben beispielsweise in einem Ottomotor zum Einsatz kommt. Der Kolbenboden wird auch als Brennraumboden bezeichnet und ist vorzugsweise Bestandteil des
Kolbenkopfes.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht eines
Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine, welche einen Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums in Form von Öl im Bereich einer Ringpartie eines Kolbenkopfes des Kolbens sowie vier fluidisch von dem Kühlkanal getrennte Kanalelemente zum Aufnehmen eines vom ersten Kühlmedium unterschiedlichen, zweiten Kühlmediums aufweist, wobei die Kanalelemente auch fluidisch voneinander getrennt sind;
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht des Kolbens gemäß einer zweiten
Ausführungsform;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des Kolbens gemäß der zweiten
Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß der zweiten
Ausführungsform;
Fig. 5 eine schematische und geschnittene Perspektivansicht des Kolbens gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 6 eine weitere schematische und geschnittene Perspektivansicht des Kolbens gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 7 eine schematische und geschnittene Seitenansicht des Kolbens gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines mit Hilfe des Kanalelements bewirkbaren Kühleffekts;
Fig. 9 eine schematische Perspektivansicht des Kolbens gemäß einer dritten
Ausführungsform;
Fig. 10 eine schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß der dritten
Ausführungsform; und
Fig. 1 1 eine schematische und geschnittene Perspektivansicht des Kolbens gemäß der dritten Ausführungsform.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt einen Kolben 10 gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens und insbesondere eines Personenkraftwagens. Der Kolben 10 umfasst einen Kolbenkopf 12 mit einer in
Umfangsrichtung des Kolbens 10 umlaufenden Ringpartie 14, welche drei Ringnuten 16 zur zumindest teilweisen Aufnahme von jeweiligen Kolbenringen aufweist. In axialer Richtung des Kolbens nach oben hin schließt sich an die Ringpartie 14 ein Feuersteg 18 des Kolbenkopfes 12 an. Darüber hinaus weist der Kolbenkopf 12 einen Kolbenboden 20 mit einer Verbrennungsmulde 22 auf, welche vorliegend als sogenannte Omega-Mulde ausgebildet ist. Dabei weist der Kolbenkopf 12 auch einen sogenannten Kolbendom 24 auf, welcher auch als Kolbenhöcker oder Höcker bezeichnet wird.
In axialer Richtung nach unten schließt sich an den Kolbenkopf 12 ein Kolbenschaft 26 des Kolbens 10 an, welcher mit dem Kolbenkopf 12 verbunden ist. Der Kolbenschaft 26 weist Kolbennaben 28 mit Aufnahmen in Form von Aufnahmeöffnungen 30 auf. Die Aufnahmeöffnungen 30 werden üblicherweise auch als Nabenbohrungen bezeichnet und sind vorliegend als Durchgangsöffnungen ausgebildet. Die Aufnahmeöffnungen 30 dienen zur zumindest bereichsweisen Aufnahme eines Kolbenbolzens. Mit anderen Worten kann der Kolbenbolzen durch die Aufnahmeöffnungen 30 hindurch gesteckt werden, um dadurch den Kolben 10 über den Kolbenbolzen mit einem Pleuel der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine gelenkig zu verbinden.
Die Kolbennaben 28 sind in Umfangsrichtung des Kolbens 10 über jeweilige Laufflächen 32 des Kolbenschafts 26 miteinander verbunden. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Laufflächen 32 in Umfangsrichtung des Kolbens 10 zwischen den Aufnahmeöffnungen 30 angeordnet. Der Kolbenschaft 26 wird üblicherweise auch als Kolbenhemd bezeichnet.
Im fertig hergestellten Zustand der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist der Kolben 10 in einem als Zylinder ausgebildeten Brennraum der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine aufgenommen und kann sich relativ zu dem Brennraum translatorisch bewegen. In dem Brennraum laufen Verbrennungsvorgänge ab, wobei der Brennraum teilweise durch den Kolbenboden 20 begrenzt ist. Mit anderen Worten ist der Kolbenboden 20 dem Brennraum beziehungsweise dem Zylinder zugewandt.
Der Kolben 10 kann sich während Auf- und Abwärtsbewegungen in dem Zylinder über die Laufflächen 32 an den Zylinder begrenzenden Zylinderlaufflächen abstützen, welche beispielsweise durch ein Zylindergehäuse oder ein Zylinderkurbelgehäuse der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine gebildet sind. Der Kolben 10 ist als Kühlkanalkolben ausgebildet. Dies bedeutet, dass im Kolbenkopf 12 im Bereich der Ringpartie 14 ein vorliegend in Umfangsrichtung des Kolbens 10 vollständig umlaufender Kühlkanal 34 vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist die
Ringpartie 14 in radialer Richtung des Kolbens 10 nach innen hin zumindest
bereichsweise durch den Kühlkanal 34 überdeckt. Der Kühlkanal 34 dient zur Aufnahme eines ersten Kühlmediums in Form von Öl. Infolge eines Wärmeübergangs von dem Kolben 10 an das Öl kann der Kolben 10 zumindest bereichsweise und insbesondere im Bereich der Ringpartie 14 gekühlt werden. Die Versorgung des Kühlkanals 34 mit Öl erfolgt beispielsweise mittels wenigstens einer Ölspritzdüse, mittels welcher das Öl von unten gegen den Kolbenboden 20 angespritzt und in den Kühlkanal 34 eingespritzt wird.
Zur Realisierung einer besonders effektiven Kühlung des Kolbens 10 sowie zur
Realisierung einer besonders homogenen Temperaturverteilung im Kolben 10 weist der Kolben 10 vier Kanalelemente 36a-d auf. Die Kanalelemente 36a-d werden üblicherweise auch als Bohrungen oder Kühlbohrungen bezeichnet, wobei sie nicht notwendigerweise durch Bohren ausgebildet sein müssen.
Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, erstrecken sich die Kanalelemente 36a-d jeweils teilweise im Kolbenschaft 26 und teilweise im Kolbenkopf 12, wobei sie einen zumindest im
Wesentlichen geraden Verlauf aufweisen. Die Kanalelemente 36a-d verlaufen bezogen auf die axiale Richtung des Kolbens 10 vom Kolbenschaft 26 zum Kolbenkopf 12 beziehungsweise umgekehrt, wobei sich die Kanalelemente 36a-d windschief zueinander erstrecken.
Die Kanalelemente 36sind fluidisch voneinander sowie jeweils fluidisch von dem
Kühlkanal 34 getrennt. Darüber hinaus ist in den Kanalelementen 36a-d jeweils ein vom ersten Kühlmedium unterschiedliches, zweites Kühlmedium in Form von flüssigem Natrium aufgenommen. Dies bedeutet, dass die Kanalelemente 36a-d jeweils zumindest teilweise mit flüssigem Natrium gefüllt sind. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, sind pro
Kolbenseite zwei Kanalelemente 36a-d vorgesehen. Dies bedeutet beispielsweise, dass auf Seiten einer ersten der Kolbennaben 28 oder auf Seiten einer ersten der Laufflächen 32 zwei der Kanalelemente 36a-d angeordnet sind, während auf Seiten der zweiten der Kolbennaben 28 oder auf Seiten der zweiten der Laufflächen 32 die zwei anderen der Kanalelemente 36a-d angeordnet sind. Die Anordnung der Kanalelemente 36a-d kann symmetrisch oder asymmetrisch zur Längsachse des in der Fig. 1 nicht erkennbaren Kolbenbolzens und/oder symmetrisch oder asymmetrisch zur Längsmittelachse des Kolbens 10 erfolgen. Die Kanalelemente 36a-d erstrecken sich dabei windschief in Richtung des Kolbendoms 24 und gewährleisten zusammen mit dem Kühlkanal 34 eine besonders gute Kühlung des Kolbens 10. Mittels der Kanalelemente 36a-d kann insbesondere das Temperaturniveau im Bereich des Kolbendoms 24 besonders gering gehalten werden.
Bei einem Abwärtshub des Kolbens 10 im Zylinder wird Wärme vom Kolbenboden 20 durch das flüssige Natrium aufgenommen. Während eines Aufwärtshubs wird die Wärme mittels des Natriums zum Kolbenschaft 26 geführt und dort an Bereiche um den
Kolbenbolzen beziehungsweise das Kolbenhemd abgegeben. Bei dem Kolben 10 kann somit insbesondere eine Aktivkühlung des Kolbens 10 realisiert werden.
Das jeweilige Kanalelement 36a-d kann beispielsweise über eine jeweilige Öffnung an einer Außenfläche des Kolbens 10 mit dem Natrium befüllt werden. Mit anderen Worten münden die jeweiligen Kanalelemente 36a-d im unverschlossenen Zustand über die jeweilige Öffnung an die Umgebung des Kolbens 10. Um einen unerwünschten Austritt des flüssigen Natriums aus dem jeweiligen Kanalelement 36a-d zu vermeiden, ist die jeweilige Öffnung beispielsweise mittels eines Verschlussdeckels, beispielsweise in Form einer Kugel, verschlossen. Bei dieser jeweiligen Außenfläche, in der die jeweilige, verschlossene Öffnung vorgesehen ist, handelt es sich nicht um eine Funktionsfläche, so dass der Verschlussdeckel beziehungsweise das Verschlusselement zum Verschließen der jeweiligen Öffnung keine Funktion des Kolbens 10 beeinträchtigt.
Um nun eine besonders effektive und effiziente Kühlung des Kolbens zu realisieren, weist - wie am Beispiel des Kanalelements 36a veranschaulicht ist - das jeweilige
Kanalelement 36 eine in Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Kanalelements 36a-d verlaufende Länge L auf, welche größer oder gleich dem Viertel des Kolbendurchmessers ist. Unter dem Kolbendurchmesser ist dabei der Außendurchmesser des Kolbens 10 zu verstehen, wobei auf diesem Außendurchmesser beispielsweise die Laufflächen 32 angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das jeweilige Kanalelement 36a-d einen Durchmesser D aufweist, welcher kleiner oder gleich dem Zehnfachen des Quotienten aus Kolbenhöhe und Kolbendurchmesser ist, wobei sich die Kolbenhöhe von der Mitte beziehungsweise dem Mittelpunkt der zumindest im Wesentlichen kreisrunden
Aufnahmeöffnung 30 (Aufnahme) bis zur Oberkante 31 des Kolbens 10 erstreckt. Mit anderen Worten verläuft die Kolbenhöhe in axialer Richtung des Kolbens von der Mitte des Kolbenbolzens bis zur Oberkante 31. Durch die beschriebene Länge L und/oder den beschriebenen Durchmesser D des jeweiligen Kühlelements 36a-d kann eine besonders effiziente und effektive Kühlung des Kolbens 10 realisiert werden, sodass gegebenenfalls der Kühlkanal 34 und/oder die als Ringträger fungierende Ringpartie 14 entfallen kann. Ferner ist es dadurch möglich, mittels des Kolbens 10 einen besonders effizienten Betrieb der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, sodass deren Kraftstoffverbrauch und
Emissionen, insbesondere C02-Emissionen, gering gehalten werden können.
Fig. 2 bis 7 zeigen den Kolben 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Aus Fig. 4 ist erkennbar, dass auch bei der zweiten Ausführungsform mehrere Kanalelemente 36a-d vorgesehen sind, wobei vorliegend genau 4 Kanalelemente 36a-d vorgesehen sind, welche fluidisch voneinander und fluidisch von dem Kühlkanal 34 getrennt sind. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten
Ausführungsform, dass zumindest zwei der Kanalelemente 36a-d schief beziehungsweise schräg, jedoch nicht windschief zueinander verlaufen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kanalelemente 36a-d paarweise schräg, jedoch nicht windschief zueinander verlaufen.
Aus Fig. 6 ist besonders gut erkennbar, dass das jeweilige Kanalelement 36a-d einen zumindest im Wesentlichen geraden, das heißt geradlinigen Verlauf und eine
Längsmittelachse 38 aufweist. Die Längsmittelachse 38 fällt dabei mit einer jeweiligen Mittellinie des jeweiligen Kanalelements 36a-d zusammen, wobei das jeweilige
Kanalelement 36a-d bezüglich der Mittellinie beziehungsweise bezüglich der jeweiligen Längsmittelachse 38 symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, ausgebildet ist. Dabei ist die jeweilige Längsmittelachse 38 eine gedachte Gerade und erstreckt sich somit zumindest im Wesentlichen gerade beziehungsweise linienförmig. Die
Kanalelemente 36a-d sind nun derart angeordnet, dass sich zumindest zwei der
Längsmittelachsen 38 in einem Schnittpunkt 40 schneiden. Vorliegend sind alle
Kanalelemente 36a-d derart angeordnet, dass sich alle Längsmittelachsen 38 in dem gemeinsamen Schnittpunkt 40 schneiden. Hierdurch kann eine besonders effektive und vorteilhafte, da gleichmäßige Kühlung des Kolbens 10, insbesondere des Kolbenkopfes 12, realisiert werden.
Auch bei der zweiten Ausführungsform ist die Verbrennungsmulde 22 als sogenannte Omega-Mulde ausgebildet, da die Verbrennungsmulde 22 zumindest im Wesentlichen die Form des griechischen Kleinbuchstabens Omega (ω) aufweist. Dabei bildet der
Kolbendom 24 den mittleren Teil des ω, wobei der Kolbendom 24 auch als Kolbenhöcker, Höcker oder Brennraumkegel bezeichnet wird. Dies ist der Fall, da der Kolbendom 24 - wie besonders gut aus Fig. 6 erkennbar ist - die Form eines Kegels beziehungsweise eines Kegelstumpfs aufweist. Somit weist der Kolbendom 24 einen Kegelwinkel sowie eine Kegelkontur auf. Beispielsweise sind die Kanalelemente 36a-d symmetrisch zur Längsmittelachse des Kolbens 10 angeordnet. Die Längsmittelachse des Kolbens 10 ist beispielsweise eine Längsmittelachse des Brennraumkegels (Kolbendom 24), wobei der Kolbendom 24 (Brennraumkegel) beispielsweise symmetrisch, insbesondere
rotationssymmetrisch, zur Längsmittelachse des Kolbens 10 ausgebildet ist. Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, dass der Schnittpunkt 40 auf der Längsmittelachse des Kolbens 10 und somit auf der Längsmittelachse des Kolbendoms 24 angeordnet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Schnittpunkt 40 in einer gedachten
Symmetrieebene des Kolbens 10 angeordnet ist, welcher beispielsweise bezüglich der gedachten Symmetrieebene symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ausgebildet ist.
Ferner ist es möglich, dass jeweils zwei der Längsmittelachsen 38 beziehungsweise dass die Längsmittelachsen 38 paarweise einen Winkel miteinander einschließen, welcher dem Kegelwinkel des Kolbendoms 24 zumindest im Wesentlichen entspricht. Außerdem ist es möglich, dass die Kanalelemente 36a-d beziehungsweise die Längsmittelachsen 38 eine Kontur, insbesondere eine zumindest im Wesentlichen kegelförmige Kontur, bilden, welche der Kegelkontur des Kolbendoms 24 zumindest im Wesentlichen entspricht beziehungsweise ähnlich der Kegelkontur des Kolbendoms 24 ist.
Der Kolben 10 gemäß der ersten Ausführungsform und gemäß der zweiten
Ausführungsform ist beispielsweise als Dieselkolben ausgebildet und kommt somit in einem Dieselmotor zum Einsatz. Durch den Einsatz der Kanalelemente 36a-d kann während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine das Temperaturniveau
insbesondere im Bereich der Verbrennungsmulde 22 und des Kolbendoms 24 besonders gering gehalten werden, sodass die Temperatur des Kolbens 10 insgesamt gering gehalten werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Kolben ergeben sich somit eine Reduzierung der Kolbenmuldentemperatur und eine Verbesserung der
Temperaturverteilung, woraus eine vorteilhafte Bauteilhaltbarkeit, Lebensdauer und Leistungssteigerung resultieren. Ferner können die Alterung und Verkokung des Öls gering gehalten werden, sodass sich besonders lange Ölwechselintervalle realisieren lassen. Das jeweilige Kanalelement 36a-d ist beispielsweise als Bohrung ausgebildet. Hierbei ist es beispielsweise vorgesehen, dass der Kolben 10 beziehungsweise ein Grundkörper des Kolbens 10 zunächst hergestellt wird. Anschließend wird der Kolben 10 beziehungsweise der Grundkörper durch Bohren bearbeitet, wodurch das jeweilige Kanalelement 36a-d hergestellt wird. Insbesondere wird eine jeweilige Bohrung von außen in den Grundkörper eingebracht, um dadurch das jeweilige Kanalelement 36a-d herzustellen. Um zu verhindern, dass das Kühlmedium aus dem jeweiligen Kanalelement 36a-d austritt, wird beispielsweise im Anschluss an das Herstellen der jeweiligen Bohrung das Kühlmedium in die jeweilige Bohrung eingebracht, woraufhin die jeweilige Bohrung verschlossen wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Stopfens und/oder mittels eines Werkstoffes, aus welchem beispielsweise auch der Kolben 10 beziehungsweise Grundkörper hergestellt ist.
Aus Fig. 7 ist erkennbar, dass der Kolben 10 zweiteilig ausgebildet sein kann und hierbei ein erstes Kolbenteil 41 und ein zweites Kolbenteil 42 umfassen kann. Der Kühlkanal 34 ist dabei teilweise durch das Kolbenteil 41 und teilweise durch das Kolbenteil 42 verbunden, wobei die Kolbenteile 41 und 42 an jeweiligen, in Fig. 7 durch strichpunktierte Linien 44 veranschaulichten Stellen zusammengesetzt beziehungsweise
zusammengebaut sind. Dabei sind die Kolbenteile 41 und 42 beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium beziehungsweise aus einer
Aluminiumlegierung, gebildet, wobei die Kolbenteile 41 und 2 unter Ausbildung von Schweißnähten 46 miteinander verschweißt sind.
Die jeweilige Schweißnaht 46 ist insbesondere als Laserschweißnaht ausgebildet, sodass die Kolbenteile 41 und 42 beispielsweise durch Laserschweißen miteinander verbunden sind. Das jeweilige Kolbenteile 41 beziehungsweise 42 ist beispielsweise ein Rohteil und kann als Schmiedeteil, insbesondere rund und massiv, hergestellt werden.
Das Einbringen des Kühlmediums in das jeweilige Kanalelement 36a-d erfolgt
beispielsweise derart, dass in das jeweilige Kanalelement 36a-d ein Natriumfaden eingebracht wird. Daraufhin wird das jeweilige Kanalelement 36a-d beispielsweise durch WIG-Schweißen verschlossen. Ferner kann eine Bearbeitung der auch als Ringpaket bezeichneten Ringpartie 14 vorgesehen werden, wobei beispielsweise eine Bearbeitung der Ringpartie 14, der Verbrennungsmulde 22 und die Bearbeitung von Ventiltaschen auf bekannte Weise erfolgt ebenso wie beispielsweise die Herstellung eines entsprechenden Schleifbilds. Fig. 8 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 48 die Zeit aufgetragen ist. Auf der Ordinate 50 des Diagramms ist die Temperatur aufgetragen. Ein in Fig. 8 durchgezogener Verlauf 52 veranschaulicht die Temperatur eines Kolbens, welcher beispielsweise baugleich mit dem Kolben 10 ausgebildet ist, jedoch die Kanalelemente 36a-d und somit die durch die Kanalelemente 36a-d bewegbare Kühlung nicht aufweist. Im Gegensatz dazu veranschaulicht ein gestrichelter Verlauf 54 die Temperatur des Kolbens 10 über der Zeit. Wie aus Fig. 8 erkennbar ist, besteht zwischen dem Kolben ohne die Kanalelemente 36a-d und im Kolben 10 ein besonders großer, durch einen Doppelpfeil 56
veranschaulichter Temperaturunterschied, wobei der Kolben 10 ein wesentlich geringeres Temperaturniveau als der Kolben ohne die Kanalelemente 36a-d aufweist. Somit ist aus Fig. 8 besonders gut die Wirksamkeit, das heißt eine mit Hilfe der Kanalelemente 36a-d und des Kühlmediums bewegbare Kühlwirkung erkennbar.
Fig. 9 bis 1 1 zeigen eine dritte Ausführungsform des Kolbens 10. Die dritte
Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten
Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, dass der Kolben 10 gemäß der dritten Ausführungsform als Ottokolben ausgebildet ist und demzufolge in einem
Ottomotor zum Einsatz kommt. Während der Kolben 10, insbesondere die Kolbenteile 41 und 42, bei der Ausgestaltung des Kolbens 10 als Dieselkolben aus Aluminium gebildet ist, ist der als Ottokolben ausgebildete Kolben 10 gemäß der dritten Ausführungsform beispielsweise aus einem Stahl hergestellt.
Aus Fig. 9 sind besonders gut die zuvor genannten und in Fig. 9 mit 58 bezeichneten Ventiltaschen erkennbar, in welche jeweilige Gaswechselventile der
Verbrennungskraftmaschine teilweise eintauchen können, ohne dass es zu einer Kollision der Ventile mit dem Kolben 10 kommt.
Aus Fig. 10 ist besonders gut erkennbar, dass sich der Kolben 10 gemäß der dritten Ausführungsform insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung der Verbrennungsmulde 22 von dem Kolben 10 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform unterscheidet. Bei der dritten Ausführungsform ist die Verbrennungsmulde 22 nicht als Omega-Mulde ausgebildet und weist demzufolge auch keinen Brennraumkegel (Kolbendom 24) auf.
Auch bei der dritten Ausführungsform weisen die Kanalelemente 36a-d einen zumindest im Wesentlichen geraden, das heißt gradlinigen oder linienförmigen Verlauf auf, wobei die Kanalelemente 36a-d beziehungsweise ihre Längsmittelachsen schräg beziehungsweise winkelig zueinander verlaufen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kanalelemente 36a- d windschief zueinander verlaufen. Bei der dritten Ausführungsform ist es nun jedoch vorliegend vorgesehen, dass die Kanalelemente 36a-d beziehungsweise ihre
Längsmittelachsen 38 zwar winkelig, jedoch nicht windschief zueinander verlaufen, sodass sich die Längsmittelachsen 38 in einem Schnittpunkt 40 schneiden. Aus Fig. 10 ist erkennbar, dass der Schnittpunkt 40 über dem Kolbenboden 20 liegt, welcher auch als Brennraumboden bezeichnet wird. Dabei verlaufen die Kanalelemente 36a-d zum
Brennraumboden (Kolbenboden 20) hin.
Dies ist besonders gut aus Fig. 1 1 erkennbar. Auch bei der dritten Ausführungsform lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Kolben eine Temperaturreduzierung realisieren, welche beispielsweise am Rand der Verbrennungsmulde 22 30 Kelvin betragen kann. Ferner können eine Leistungssteigerung, eine Reduzierung des Ölvolumens und eine Verlängerung des Ölwechselintervalls dargestellt werden. Des Weiteren kann ein besonders hohes Verdichtungsverhältnis ε der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden. Ferner ist aus Fig. 9 - 1 1 erkennbar, dass, insbesondere bei der Ausgestaltung als Ottokolben, der Kühlkanal 34 beziehungsweise der Ringträger entfallen kann.
Bezugszeichenliste
10 Kolben
12 Kolbenkopf
14 Ringpartie
16 Ringnut
18 Feuersteg
20 Kolbenboden
22 Verbrennungsmulde
24 Kolbendom
26 Kolbenschaft
28 Kolbennabe
30 Aufnahmeöffnung
31 Oberkante
32 Lauffläche
34 Kühlkanal
36a-d Kanalelement
38 Längsmittelachse
40 Schnittpunkt
41 Kolbenteil
42 Kolbenteil
44 Strichpunktierte Linie
46 Schweißnaht
48 Abszisse
50 Ordinate
52 Verlauf
54 Verlauf
56 Doppelpfeil
58 Ventiltasche
D Durchmesser
L Länge

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem
Kolbenschaft (26), mit einem Kolbenkopf (12), in welchem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal (34) zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums
vorgesehen ist, und mit wenigstens einem sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im Kolbenkopf (12) erstreckenden, fluidisch vom Kühlkanal (34) getrennten Kanalelement (36a), in welchem ein zweites, vom ersten Kühlmedium
unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Kanalelement (36a) eine Länge (L) aufweist, welche größer oder gleich dem Viertel des Kolbendurchmessers ist.
2. Kolben (10) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einem
Kolbenschaft (26), mit einem Kolbenkopf (12), in welchem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal (34) zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums
vorgesehen ist, mit wenigstens einer Aufnahme (30) für einen Kolbenbolzen, und mit wenigstens einem sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im
Kolbenkopf (12) erstreckenden, fluidisch vom Kühlkanal (34) getrennten
Kanalelement (36a), in welchem ein zweites, vom ersten Kühlmedium
unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Kanalelement (36a) einen Durchmesser (D) aufweist, welcher kleiner oder gleich dem Zehnfachen des Quotienten aus Kolbenhöhe und Kolbendurchmesser ist, wobei sich die Kolbenhöhe von der Mitte der Aufnahme (30) bis zur Oberkante des Kolbens (10) erstreckt.
3. Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein sich teilweise im Kolbenschaft (26) und teilweise im Kolbenkopf (12) erstreckendes, zweites Kanalelement (36b) vorgesehen ist, in welchem ein vom ersten Kühlmedium unterschiedliches, drittes Kühlmedium zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Kolbens (10) aufgenommen ist, wobei das zweite Kanalelement (36b) vom ersten Kanalelement (36a) und vom Kühlkanal (34) fluidisch getrennt ist.
4. Kolben (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalelemente (36a-b) einen geraden Verlauf aufweisen und sich windschief zueinander erstrecken.
5. Kolben (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalelemente (36a-b) einen geraden Verlauf und jeweilige Längsmittelachsen aufweisen, welche sich in einem Schnittpunkt schneiden.
6. Kolben (10) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schnittpunkt in einer gedachten Symmetrieebene des Kolbens (10) angeordnet ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben (10) einen Brennraumkegel aufweist, wobei zumindest jeweilige
Längenbereich der Kanalelemente in dem Brennraumkegel verlaufen.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalelemente zu einem Kolbenboden des Kolbens (10) verlaufen.
9. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Kühlmedium Öl und/oder das zweite Kühlmedium und/oder das dritte Kühlmedium Natrium, insbesondere flüssiges Natrium, ist.
10. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Kanalelement (36a) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) zwischen der Aufnahme (30) und einer Lauffläche (32) des Kolbens (10) angeordnet ist.
PCT/EP2016/000499 2015-04-29 2016-03-23 Kolben für eine hubkolben-verbrennungskraftmaschine WO2016173690A1 (de)

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