WO2017016934A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2017016934A1
WO2017016934A1 PCT/EP2016/067178 EP2016067178W WO2017016934A1 WO 2017016934 A1 WO2017016934 A1 WO 2017016934A1 EP 2016067178 W EP2016067178 W EP 2016067178W WO 2017016934 A1 WO2017016934 A1 WO 2017016934A1
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WO
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piston
radius
cooling channel
fillet
point
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/067178
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Ehmann
Thomas Hettich
Sebastian Mangold
Aziz GÖZCÜ
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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Priority to US15/747,761 priority patent/US10487776B2/en
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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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • 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
    • F02F5/00—Piston rings, e.g. associated with piston crown

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine having a piston head and a combustion chamber recess recessed therein according to the preamble of claim 1.
  • a generic piston for an internal combustion engine with a piston head and a recessed combustion chamber recessed therein and with at least one annular groove for receiving a piston ring is known. Also provided is a cooling channel for cooling the piston.
  • a further piston for an internal combustion engine comprising at least one cooling channel having two sections, which are located at different levels with respect to the height along the piston axis and / or in the radial direction.
  • two or more cooling channels may be provided, of which at least two are at different levels with respect to the height along the piston axis and / or in the radial direction.
  • a further piston for an internal combustion engine with at least one cooling channel is known, which is only in the region of at least one inlet and at least one outlet at a low level relatively remote from the piston crown and otherwise at a consistently higher level , located closer to the piston crown level.
  • an improved cooling of the piston can be achieved.
  • piston with a combustion chamber it comes in particular in the region of a trough edge to relatively high thermal loads, which can have a negative effect in the long term.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing for a piston of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which is characterized in particular by an increased service life.
  • the present invention is based on the general idea of rounding out a cooling channel in a piston of an internal combustion engine with a radius that is comparatively large relative to a piston head and combustion bowl, and thereby achieving an improved notch effect in this region, which contributes in particular to the high occurring in this region better endure thermal loads.
  • the piston according to the invention in this case has the previously described piston head and a combustion chamber recess embedded therein and at least one annular groove for receiving a piston ring and a cooling channel for cooling the piston.
  • the cooling channel is arranged such that it has a smaller distance from the piston head, as the at least one annular groove. This means that the cooling channel is arranged completely above the lower flank of the one annular groove or the uppermost of a plurality, often three, annular grooves. Of several annular grooves in the present application, only the top, piston bottom next ring groove is considered.
  • the entire cooling channel is located above the upper flank of the piston bottom next annular groove, wherein
  • the directions “up” and “down” in this description along the piston axis of the piston refer to the usual installation and operating position of the engine and thus the combustion chamber facing, near the piston bottom or facing away from the combustion chamber, Kolbenteilferne page.
  • the piston near-bottom position of the cooling channel causes on the one hand a better heat conduction from the combustion chamber through the proximity of the cooling channel to the location of the heat input at the piston crown.
  • cooling channel is arranged approximately in the middle between the piston head, combustion bowl and annular groove or ring carrier in a zone with relatively low mechanical stresses, while a piston crown remote location radially within the top annular groove according to the prior art to stress concentrations between the ring groove and the combustion bowl.
  • the cooling channel also has at a first location a minimum distance to the piston crown and at a second location a minimum distance to the combustion bowl and is also formed rounded between the first location and the second location, wherein between the first and the second location a third Position is located at a maximum distance to a trough edge, which forms the transition from the piston head into the combustion bowl.
  • the distance from the third location to the well edge is thereby radial, i. measured at right angles to the cooling channel surface at the third point.
  • the cooling channel has a particularly large fillet in a region of its surface facing the trough edge, wherein the fillet radius, at least at the third position, is greater than 4%, particularly preferably greater than 5%, of the piston diameter.
  • the large fillet extends over a wider area of the cooling channel surface which has a fillet radius of more than 4% of the piston diameter throughout from the second to the third location.
  • the fillet begins below the second location, that is, starting from piston bottom farther than the minimum distance to the combustion bowl and extends beyond the third location at least three adjoining radii R1, R2 and R3, which are each greater than 4% of the piston diameter and thereby allow a comparatively large rounding of the cooling channel in the region between the combustion chamber trough and the piston crown.
  • the fillet according to the invention can be given by one or more adjoining circular arcs R1, R2, R3 or also have convex, continuously curved shapes, provided that the said minimum radii are maintained everywhere.
  • the large fillet may extend to or beyond the first location, or preferably terminate in the area between the third and the first location.
  • the notch effect can be reduced by the comparatively large rounding, in particular in the part of the cooling channel surface facing the trough edge, and thus the loading capacity of the piston according to the invention can be increased.
  • the first radius R1 is greater than the second radius R2 and / or smaller than the third radius R3.
  • the second radius may be smaller than the third radius, whereby the already comparatively large first and second radius R1, R2 is increased again and thereby the rounding of the cooling channel in this area and towards the third location is particularly advantageous.
  • a fourth radius R4 describing the rounding, adjoining the third radius R3 and reaching to the first position is provided, which however is smaller than the radii R1 and R2 and in particular also smaller than the third radius R3 is.
  • the cooling channel in the region of the first point in the manner of an oval can be rounded and converted by the relatively small fourth radius, which may be, for example, about 1, 3 mm, in the adjoining straight line, that is not rounded portion of the cooling channel become.
  • This non-rounded region of the cooling channel is required in particular for producing the salt or sand core.
  • the first radius R1 is about 3.7 mm
  • the second radius R2 about 3.6 mm
  • the third radius R3 about 4.4 mm
  • the fourth radius R4 about 1, 3 mm
  • the piston diameter d about 83 mm.
  • the minimum distance to the piston head is about 3.0 mm, wherein additionally or alternatively the minimum distance to the combustion bowl is at least 2.6 mm and preferably about 3.3 mm, while the maximum distance to Trough edge can be about 7.1 mm. It can be seen that, in particular with a piston diameter d of 83 mm between the cooling channel and the piston crown and between the cooling channel and the combustion bowl only a small distance, which in turn allows optimal cooling of the piston in the region of the first location and the second location.
  • a ratio of a height h of the cooling channel to the radius R3 at the third position is defined as follows: h / R3> 0.6.
  • h / R3> 0.65 is particularly preferred.
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the individual radii of the cooling channel of the piston according to FIG. 1.
  • an inventive piston 1 of an otherwise not shown internal combustion engine has a piston head 2 and a recessed combustion chamber 3 recessed therein, which forms a trough edge 16 in a transition region to the piston head 2.
  • On an outer side of the piston at least one annular groove 4, here a piston bottom next annular groove 4, provided for receiving a piston ring, not shown.
  • the annular groove 4 has a flank-near flank 21 and a flank-remote flank 22, which are aligned in a ring shape and substantially at right angles to the piston axis 1 1.
  • a substantially cylindrical groove base 23 is located between the flanks 21 and 22.
  • a cooling channel 5 for cooling the piston 1.
  • the cooling channel 5 has a smaller distance to the piston head 2, as the at least one annular groove 4. This means that the cooling channel 5 is closer to the piston head total. 2 In the preferred embodiment, the entire cooling channel cross section is closer to the piston head 2 than the piston bottom near flank 21 of the uppermost annular groove 4.
  • the piston 1 usually has more , not shown, kolbenteilfernere annular grooves on.
  • the cooling channel 5 has at a first point 8 a minimum distance 6 (see Fig. 2) to the piston head 2 and at a second point 9 a minimum distance 7 to the combustion chamber trough 3.
  • the cooling channel 5 is formed rounded between the third point 8 and the second point 9, wherein the fillet at the third point 18 has a radius R3 of more than 5% of the piston diameter. In the area from the second 9 to the third position 18, with R3 and a radius R2 which is greater than 4% of the piston diameter d and adjoins R3 kink-free, there is a rounding radius of more than 4% of the piston diameter throughout.
  • the cooling channel cross section is described by at least three adjoining radii R1, R2 and R3, which are each greater than 4% of the piston diameter d.
  • the first radius R1 with, for example, 3.7 mm larger than the second radius R2 with, for example, 3.6 mm. Additionally or alternatively, the first radius R1 may be smaller than the third radius R3, which may be 4.4 mm, for example.
  • a rounding of the cooling channel 5 descriptive and subsequent to the third radius R3 and reaching to the first point 8 reaching fourth radius R4 is provided, which is smaller than the radii R1 and R2 and also is smaller than the radius R3.
  • the fourth radius R4 may be, for example, 1, 3 mm.
  • the piston diameter d may be, for example, a standard value of 83 mm for passenger car pistons.
  • the aforementioned size data should in particular be protected in relation to each other, so that by a positive or negative extrapolation also piston 1 with correspondingly enlarged or reduced radii R1, R2, R3, R4 and piston diameters d should fall under the invention. Looking again at Fig.
  • the minimum distance 6 between the first point 8 and the piston head 2 for example, 3 mm and the minimum distance 7 between the second point 9 and the combustion bowl 3, for example, 3.3 mm, in particular may be 3.374 mm, while the maximum distance 17 between the third point 18 and the trough edge 16 may be for example 7.1 mm.
  • These distances 6, 7 can of course be extrapolated or adapted and converted in a change in the piston diameter d accordingly.
  • the cooling channel 5 has a height h, wherein a ratio of the height h of the cooling channel 5 to the radius R3 present at the third position h / R3> 0.6 and particularly preferably h / R3> 0.65 may be or should be in order to achieve the lowest possible notch effect and thus a high thermal load capacity and a long service life.
  • the height h of the cooling channel 5 may be, for example, 6.6 mm.
  • the cooling channel 5 has a straight section 10, wherein this straight section 10 is inclined by an angle ⁇ of about 8 ° (cf., FIGS. 1 and 2) to the piston axis 1 1 , By such a portion 10, the production of the piston 1 can improve.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, mit -einem Kolbenboden (2) und einer darin eingelassenen Brennraummulde (3), -einer kolbenbodennächsten Ringnut (4), -einem Kühlkanal (5) zur Kühlung des Kolbens (1). Erfindungswesentlich ist dabei, -dass der gesamte Kühlkanal (5) einen geringeren Abstand zum Kolbenboden (2) aufweist als die kolbenbodenferne Flanke (21) der kolbenbodennächsten Ringnut (4), -dass der Kühlkanal (5) an einer ersten Stelle (8) einen minimalen Abstand (6) zum Kolbenboden (2), an einer zweiten Stelle (9) einen minimalen Abstand (7) zur Brennraummulde (3) und dazwischen an einer dritten Stelle (18) einen maximalen Abstand (17) zu einem Muldenrand (16) aufweist, -dass der Kühlkanal (5) zwischen der ersten Stelle (8) und der zweiten Stelle (9) ausgerundet ausgebildet ist, wobei die Ausrundung zumindest an der dritten Stelle (18) und bevorzugt mindestens bis hin zu einen Ausrundungsradius aufweist, der zweiten Stelle (9) einen Ausrundungsradius aufweist, der jeweils größer als 4% des Kolbendurchmessers d ist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden und einer darin eingelassenen Brennraummulde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Aus der DE 28 28 237 C3 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden und einer darin eingelassenen Brennraummulde sowie mit zumindest einer Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenringes bekannt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Kühlkanal zur Kühlung des Kolbens.
Aus der DE 10 2004 056 769 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, aufweisend zumindest einen Kühlkanal, der zwei Abschnitte besitzt, die sich im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden. Hierbei können zwei oder mehr Kühlkanäle vorgesehen sein, von denen sich zumindest zwei im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden.
Aus der DE 10 2008 002 571 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal bekannt, der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses auf einem niedrigen von dem Kolbenboden vergleichsweise entfernten Niveau und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, näher zum Kolbenboden gelegenen Niveau befindet. Hierdurch soll insbesondere eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht werden können. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kolben mit einer Brennraummulde, kommt es insbesondere im Bereich eines Muldenrandes zu vergleichsweise hohen thermischen Belastungen, die sich langfristig negativ auswirken können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Lebensdauer auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kühlkanal in einem Kolben eines Verbrennungsmotors mit einem zu einem Kolbenboden und einer Brennraummulde vergleichsweise großen Radius auszurunden und dadurch in diesem Bereich eine verbesserte Kerbwirkung zu erzielen, welche insbesondere dazu beiträgt, die in diesem Bereich auftretenden hohen thermischen Belastungen besser zu ertragen.
Der erfindungsgemäße Kolben weist dabei den zuvor beschriebenen Kolbenboden sowie eine darin eingelassene Brennraummulde und zumindest eine Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenringes sowie einen Kühlkanal zur Kühlung des Kolbens auf. Um nun die Lebensdauer des Kolbens und auch dessen Belastbarkeit steigern zu können, ist der Kühlkanal derart angeordnet, dass er einen geringeren Abstand zum Kolbenboden aufweist, als die zumindest eine Ringnut. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal vollständig oberhalb der Unterflanke der einen Ringnut bzw. der obersten von mehreren, häufig drei, Ringnuten angeordnet ist. Von mehreren Ringnuten wird in der vorliegenden Anmeldung nur die oberste, kolbenbodennächste Ringnut betrachtet. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich der gesamte Kühlkanal oberhalb der Oberflanke der kolbenbodennächsten Ringnut, wobei sich die Richtungen„oben" und„unten" in dieser Beschreibung entlang der Kolbenachse des Kolbens auf die übliche Einbau- und Betriebslage des Motors beziehen und somit die dem Brennraum zugewandte, kolbenbodennahe bzw. die vom Brennraum abgewandte, kolbenbodenferne Seite bezeichnen. Die kolbenbodennahe Lage des Kühlkanals bewirkt zum einen eine bessere Wärmeleitung vom Brennraum durch die Nähe des Kühlkanals zum Ort des Wärmeeintrags am Kolbenboden. Ihr wesentlicher Vorteil besteht jedoch darin, dass der Kühlkanal etwa in der Mitte zwischen Kolbenboden, Brennraummulde und Ringnut bzw. Ringträger in einer Zone mit relativ geringen mechanischen Spannungen angeordnet wird, während eine kolbenbodenfernere Lage radial innerhalb der obersten Ringnut gemäß dem Stand der Technik zu Spannungskonzentrationen zwischen Ringnut und Brennraummulde führt.
Der Kühlkanal weist darüber hinaus an einer ersten Stelle einen minimalen Abstand zum Kolbenboden und an einer zweiten Stelle einen minimalen Abstand zur Brennraummulde auf und ist zudem zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle ausgerundet ausgebildet, wobei sich zwischen der ersten und der zweiten Stelle eine dritte Stelle mit einem maximalen Abstand zu einem Muldenrand befindet, der den Übergang vom Kolbenboden in die Brennraummulde bildet. Der Abstand von der dritten Stelle zum Muldenrand wird dabei radial, d.h. rechtwinklig zur Kühlkanaloberfläche an der dritten Stelle gemessen. Erfindungsgemäß weist der Kühlkanal in einem dem Muldenrand zugewandten Bereich seiner Oberfläche eine besonders große Ausrundung auf, wobei der Ausrundungsradius zumindest an der dritten Stelle größer als 4%, besonders bevorzugt größer als 5%, des Kolbendurchmessers ist. Vorzugsweise erstreckt sich die große Ausrundung über einen weiteren Bereich der Kühlkanaloberfläche, der von der zweiten bis zur dritten Stelle durchgehend einen Ausrundungsradius von mehr als 4% des Kolbendurchmessers aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beginnt die Ausrundung unterhalb der zweiten Stelle, das heißt beginnend kolbenbodenferner als der minimale Abstand zur Brennraummulde und erstreckt sich über die dritte Stelle hinaus durch zumindest drei aneinander anschließende Radien R1 , R2 und R3, die jeweils größer als 4% des Kolbendurchmessers sind und dadurch eine vergleichsweise große Ausrundung des Kühlkanals im Bereich zwischen der Brennraummulde und dem Kolbenboden ermöglichen. Die erfindungsgemäße Ausrundung kann durch einen oder mehrere aneinander anschließende Kreisbögen R1 , R2, R3 gegeben sein o- der auch konvexe, kontinuierlich gekrümmte Formen aufweisen, sofern überall die genannten Mindestradien eingehalten werden. Die große Ausrundung kann sich bis zur ersten Stelle oder über diese hinaus erstrecken oder vorzugsweise noch im Bereich zwischen der dritten und der ersten Stelle enden. Allgemein lässt sich durch die vergleichsweise große Ausrundung insbesondere in dem dem Muldenrand zugewandten Teil der Kühlkanaloberfläche die Kerbwirkung reduzieren und damit die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kolbens erhöhen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der erste Radius R1 größer als der zweite Radius R2 und/oder kleiner als der dritte Radius R3. Hierdurch kann die Ausrundung des Kühlkanals über die dritte Stelle mit vergleichsweise großem Radius geführt werden, wodurch die Kerbwirkung in diesem Bereich besonders positiv beeinflusst werden kann. Der zweite Radius kann darüber hinaus oder alternativ kleiner sein als der dritte Radius, wodurch der bereits vergleichsweise große erste und zweite Radius R1 , R2 nochmals vergrößert wird und dadurch die Ausrundung des Kühlkanals in diesem Bereich und hin zur dritten Stelle besonders vorteilhaft ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein die Ausrundung beschreibender, sich an den dritten Radius R3 anschließender und bis zur ersten Stelle reichender vierter Radius R4 vorgesehen, der jedoch kleiner als die Radien R1 und R2 und insbesondere auch kleiner als der dritte Radius R3 ist. Hierdurch kann der Kühlkanal im Bereich der ersten Stelle in der Art eines Ovals ausgerundet werden und durch den vergleichsweise kleinen vierten Radius, der beispielsweise ca. 1 ,3 mm betragen kann, in die sich daran anschließenden Geraden, das heißt nicht ausgerundeten Bereich des Kühlkanals überführt werden. Dieser nicht ausgerundete Bereich des Kühlkanals ist insbesondere zur Herstellung des Salz- oder Sandkerns erforderlich.
Zweckmäßig beträgt der erste Radius R1 ca. 3,7 mm, der zweite Radius R2 ca. 3,6 mm, der dritte Radius R3 ca. 4,4 mm und der vierte Radius R4 ca. 1 ,3 mm, während der Kolbendurchmesser d ca. 83 mm beträgt. Diese Abmessungen haben in Versuchen zu einer besonders hohen Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kolbens geführt, wobei die Verhältnisse der einzelnen Radien und des Durchmessers selbstverständlich entsprechend auf größere oder kleinere Kolben extrapoliert und damit an unterschiedlich große Kolben angepasst werden können. Die in diesem Bereich liegenden Verhältnisse stellen somit für nahezu jede Kolbengröße eine optimale Kerbwirkung im Bereich des Muldenrandes aufgrund des vergleichsweise großen Radius R3, dar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung beträgt der minimale Abstand zum Kolbenboden ca. 3,0 mm, wobei zusätzlich oder alternativ der minimale Abstand zur Brennraummulde mindestens 2,6 mm und bevorzugt ca. 3,3 mm beträgt, während der maximale Abstand zum Muldenrand ca. 7,1 mm betragen kann. Hieraus wird ersichtlich, dass insbesondere bei einem Kolbendurchmesser d von 83 mm zwischen dem Kühlkanal und dem Kolbenboden sowie zwischen dem Kühlkanal und der Brennraummulde ein lediglich geringer Abstand besteht, der wiederum eine optimale Kühlung des Kolbens im Bereich der ersten Stelle und der zweiten Stelle ermöglicht.
Während erfindungsgemäß die der Brennraummulde, dem Muldenrand und dem Kolbenboden zugewandten Bereiche der Kühlkanaloberfläche betrachtet werden, hat sich herausgestellt, dass der radial äußere, dem Feuersteg zugewandte Bereich sowie der kolbenbodenfernste Teil der Kühlkanaloberfläche mit ihrer Formgestaltung nur wenig Einfluss auf die Festigkeitsverhältnisse haben, so dass hier beliebige Oberflächenverläufe möglich sind, die auch kleinere Radien, Kanten oder konkave Kühlkanalquerschnitte mit Vorsprüngen aufweisen können, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Verhältnis einer Höhe h des Kühlkanals zum Radius R3 an der dritten Stelle wie folgt definiert: h/R3 > 0,6.
Besonders bevorzugt gilt h/R3 > 0,65. Hierdurch lässt sich eine im Vergleich zu einer Kreisform deutlich verbesserte Eiform des Kühlkanals erreichen, wodurch ebenfalls ein hinsichtlich Lebensdauer und thermischer Belastbarkeit verbesserter Kolben hergestellt werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch, Fig. 1 eine Detaildarstellung einer Schnittdarstellung durch einen erfindungsge- mäßen Kolben,
Fig. 2 eine Detaildarstellung der einzelnen Radien des Kühlkanals des Kolbens gemäß der Fig. 1 .
Entsprechend den Fig. 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Verbrennungsmotors einen Kolbenboden 2 sowie eine darin eingelassene Brennraummulde 3 auf, die in einem Übergangsbereich zum Kolbenboden 2 einen Muldenrand 16 bildet. An einer Außenseite des Kolbens 1 ist zumindest eine Ringnut 4, hier eine kolbenbodennächste Ringnut 4, zur Aufnahme eines nicht gezeigten Kolbenringes vorgesehen. Die Ringnut 4 weist eine kolben- bodennahe Flanke 21 und eine kolbenbodenferne Flanke 22 auf, die ringförmig und im Wesentlichen rechtwinklig zur Kolbenachse 1 1 ausgerichtet sind. Ein im Wesentlichen zylindrischer Nutgrund 23 befindet sich zwischen den Flanken 21 und 22. Ebenfalls vorgesehen ist ein Kühlkanal 5 zur Kühlung des Kolbens 1 .
Um nun eine thermische Belastungsfähigkeit des Kolbens 1 und damit auch indirekt auch dessen Lebensdauer steigern zu können, weist der Kühlkanal 5 einen geringeren Abstand zum Kolbenboden 2 auf, als die zumindest eine Ringnut 4. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal 5 insgesamt näher zum Kolbenboden 2 angeordnet ist, als zumindest die kolbenbodenferne Flanke 22 der einen bzw. der kolbenboden- nächsten Ringnut 4. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Kühlkanalquerschnitt dem Kolbenboden 2 näher als die kolbenbodennahe Flanke 21 der obersten Ringnut 4. Der Kolben 1 weist in der Regel noch weitere, nicht dargestellte, kolbenbodenfernere Ringnuten auf. Darüber hinaus besitzt der Kühlkanal 5 an einer ersten Stelle 8 einen minimalen Abstand 6 (vgl. Fig. 2) zum Kolbenboden 2 und an einer zweiten Stelle 9 einen minimalen Abstand 7 zur Brennraummulde 3. Ferner weist der Kühlkanal 5 zwischen der ersten 8 und der zweiten Stelle 9 an einer dem Muldenrand 16 zugewandten dritten Stelle 18 ein Maximum des Abstan- des 17 zwischen der brennraumseitigen Kolbenoberfläche im Bereich des Mulden- randes 16 und der Kühlkanaloberfläche auf, wobei der Abstand 17 rechtwinklig zur Kühlkanaloberfläche gemessen wird. Der Kühlkanal 5 ist dabei zwischen der dritten Stelle 8 und der zweiten Stelle 9 ausgerundet ausgebildet, wobei die Ausrundung an der dritten Stelle 18 einen Radius R3 von mehr als 5% des Kolbendurchmessers aufweist. Im Bereich von der zweiten 9 bis zur dritten Stelle 18 ist mit R3 und einem Radius R2, der größer als 4% des Kolbendurchmessers d ist und knickfrei an R3 anschließt, durchgehend ein Ausrundungsradius von mehr als 4% des Kolbendurchmessers vorhanden.
Beginnend bei der zweiten Stelle 9 über die dritte Stelle 18 hinaus bis kurz vor der ersten Stelle 8 ist der Kühlkanalquerschnitt durch zumindest drei aneinander anschließende Radien R1 , R2 und R3 beschrieben ist, die jeweils größer als 4% des Kolbendurchmessers d sind.
Dabei ist der erste Radius R1 mit beispielsweise 3,7 mm größer als der zweite Radius R2 mit beispielsweise 3,6 mm. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Radius R1 kleiner sein als der dritte Radius R3, welcher beispielsweise 4,4 mm betragen kann.
Betrachtet man die Fig. 2, so kann man erkennen, dass eine Ausrundung des Kühlkanals 5 beschreibender und sich an den dritten Radius R3 anschließender und bis zur ersten Stelle 8 reichender vierter Radius R4 vorgesehen ist, der kleiner als die Radien R1 und R2 und auch kleiner als der Radius R3 ist. Der vierte Radius R4 kann beispielsweise 1 ,3 mm betragen. Der Kolbendurchmesser d kann beispielsweise einen für PKW-Kolben üblichen Wert von 83 mm betragen. Die zuvor genannten Größenangaben sollen dabei insbesondere auch im Verhältnis zueinander geschützt sein, so dass durch eine positive oder negative Extrapolation auch Kolben 1 mit entsprechend vergrößerten oder verkleinerten Radien R1 , R2, R3, R4 und Kolbendurchmessern d unter die Erfindung fallen sollen. Betrachtet man nochmals die Fig. 2, so ist an dieser zu erkennen, dass der minimale Abstand 6 zwischen der ersten Stelle 8 und dem Kolbenboden 2 beispielsweise 3 mm und der minimale Abstand 7 zwischen der zweiten Stelle 9 und der Brennraummulde 3 beispielsweise 3,3 mm, insbesondere 3,374 mm betragen kann, während der maximale Abstand 17 zwischen der dritten Stelle 18 und dem Muldenrand 16 beispielsweise 7,1 mm betragen kann. Auch diese Abstände 6, 7 können selbstverständlich bei einer Änderung des Kolbendurchmessers d entsprechend extrapoliert bzw. adaptiert und umgerechnet werden.
Betrachtet man die Fig. 1 , so kann erkennen, dass der Kühlkanal 5 eine Höhe h aufweist, wobei ein Verhältnis der Höhe h des Kühlkanals 5 zu dem an der dritten Stelle vorliegenden Radius R3 h/R3 > 0,6 und besonders bevorzugt h/R3 > 0,65 betragen kann bzw. betragen soll, um eine möglichst geringe Kerbwirkung und damit eine hohe thermische Belastbarkeit und eine lange Lebensdauer erreichen zu können. Die Höhe h des Kühlkanals 5 kann dabei beispielsweise 6,6 mm betragen.
Aus den Fig. 1 und 2 kann man erkennen, dass der Kühlkanal 5 einen geraden Abschnitt 10 aufweist, wobei dieser gerade Abschnitt 10 um einen Winkel α von ca. 8° (vgl. Fig. 1 und 2) zur Kolbenachse 1 1 geneigt ist. Durch einen derartigen Abschnitt 10 kann die Herstellung des Kolbens 1 verbessern.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Kühlkanals 5 in Bezug auf den Kolbenboden 2 und die Brennraummulde 3 und insbesondere auch in Bezug auf die Anordnung der Ringnut 4 sowie generell die Auswahl der Radien R1 bis R4 kann somit eine besonders vorteilhafte Ausführungsform in Bezug auf thermische Belastungsfähigkeit und Langlebigkeit des Kolbens 1 erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor, mit
- einem Kolbenboden (2) und einer darin eingelassenen Brennraummulde (3) mit einem Muldenrand (16),
- einer kolbenbodennächsten Ringnut (4) zur Aufnahme eines Kolbenringes,
- einem Kühlkanal (5) zur Kühlung des Kolbens (1 ),
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kühlkanal (5) insgesamt einen geringeren Abstand zum Kolbenboden (2) aufweist als eine kolbenbodenferne Flanke (22) der kolbenbodennächsten Ringnut (4),
- dass der Kühlkanal (5) an einer ersten Stelle (8) einen minimalen Abstand (6) zum Kolbenboden (2) und an einer zweiten Stelle (9) einen minimalen Abstand (7) zur Brennraummulde (3) aufweist,
- dass der Kühlkanal (5) zwischen der ersten Stelle (8) und der zweiten Stelle (9) ausgerundet ausgebildet ist und an einer dem Muldenrand (16) zugewandten dritten Stelle (18) rechtwinklig zur Oberfläche des Kühlkanals gemessen einen maximalen Abstand (17) zu dem Muldenrand (16) aufweist, wobei die Ausrundung zumindest an der dritten Stelle (18) einen Ausrundungsradius aufweist, der größer als 4% des Kolbendurchmessers d ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ausrundungsradius an der dritten Stelle (18) größer als 5% des Kolbendurchmessers d ist.
3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausrundung zwischen der zweiten (9) und der dritten Stelle (18) durchgehend einen Ausrundungsradius von mehr als 4% des Kolbendurchmessers aufweist.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausrundung beginnend bei der zweiten Stelle (9) bis hin zur ersten Stelle (8) durch zumindest drei aneinander anschließende Radien R1 , R2 und R3 beschrieben ist, die jeweils größer als 4% des Kolbendurchmessers d sind.
5. Kolben nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der erste Radius R1 größer ist als der zweite Radius R2, und/oder
- dass der erste Radius R1 kleiner ist als der dritte Radius R3, und/oder
- dass der zweite Radius R2 kleiner ist als der dritte Radius R3.
6. Kolben nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Radius R1 ca. 3,7 mm und der Radius R2 ca. 3,6 mm beträgt.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Radius R3 ca. 4,4 mm beträgt.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass ein die Ausrundung beschreibender, sich an den dritten Radius R3 anschließend und bis zur ersten Stelle (8) reichender vierter Radius R4 vorgesehen ist, der kleiner als die Radien R1 und R2 ist.
9. Kolben nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der vierte Radius R4 ca. 1 ,3 mm beträgt.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolbendurchmesser d ca. 83 mm beträgt.
1 1 . Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der minimale Abstand (6) zum Kolbenboden (2) ca. 3,0 mm beträgt, und/oder
- dass der minimale Abstand (7) zur Brennraummulde (3) mindestens 2,6 mm und bevorzugt ca. 3,3 mm beträgt und/oder
- dass der maximale Abstand (17) zum Muldenrand ca. 7,1 mm beträgt.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Verhältnis einer Höhe h des Kühlkanals (5) zum Radius R3 h/R3 > 0,6 und insbesondere h/R3 > 0,65 ist.
13. Kolben nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Höhe h des Kühlkanals (5) ca. 6,6 mm beträgt.
14. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkanal (5) insgesamt einen geringeren Abstand zum Kolbenboden (2) aufweist als die kolbenbodennahe Flanke (21 ) der kolbenbodennächs- ten Ringnut (4).
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