WO2018234014A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor mit flüssigmetallkühlung - Google Patents

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Ulrich Bischofberger
Luca Rederer
Ulrich Stumkat
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    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
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    • C22C13/02—Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C12/00—Alloys based on antimony or bismuth

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine having a piston head and a piston shaft, wherein the piston head has a closed circumferential cooling channel, according to the preamble of claim 1.
  • Pistons with liquid metal cooling have the advantage that during the piston movement, the liquid coolant is moved within the cooling channel and thus very well, the heat can be dissipated from the hot spots.
  • Liquid metals have the particular advantage that they have a high thermal conductivity and a high heat capacity and can be exposed to much higher temperatures than engine oil, so that the heat transfer is particularly good.
  • metals or metal alloys which are liquid at room temperature, is limited either to highly reactive or auto-ignitable metals, such as alkali metals, to health-critical metals, such as lead cadmium and mercury, which each entail significant overhead in production and disposal would lead the piston, or very expensive metals, such as indium and gallium.
  • the use of metals that become liquid only at a higher temperature is also problematic. It may happen that the piston head, in particular in the area of the combustion bowl, is already damaged by the high temperature before the coolant has melted.
  • the invention has for its object to provide an improved or at least other embodiment of a piston with liquid metal cooling, which is characterized in particular by the fact that can be dispensed with flammable or toxic metals.
  • the invention is based on the general idea of arranging a first metallic coolant and a second non-metallic coolant in the cooling channel.
  • the first coolant has a low-melting metal alloy.
  • the second coolant has a melting point below the melting point of the first coolant, preferably a melting point below room temperature.
  • the second coolant serves as a starting or auxiliary coolant. It causes heat to be transferred from the hot piston bottom to the first still solid metallic coolant not only by heat conduction but also by convection in the starting phase of the internal combustion engine, so that the melting process of the first main coolant takes place more rapidly.
  • the second coolant thus serves to shorten the phase in which the first coolant is not yet liquid and thus can not yet contribute to the convective cooling.
  • a second non-metallic coolant is arranged in the cooling channel and that the second coolant has a melting point of less than 40 ° and has a density which is less than a density of the first coolant.
  • the second coolant floats after stopping the engine on the first coolant and is not included by the first coolant during the solidification thereof. It can thus be achieved that the coolant moves away from the start in the cooling channel and thus can contribute sufficient to the cooling to bridge the first starting phase, in which the first metallic coolant has not yet melted.
  • the first coolant has a melting point which is below 250 ° C.
  • a favorable possibility provides that the melting point of the first coolant is below 200 ° C, preferably below 150 ° C. This can be avoided that the first coolant solidifies again during operation at low engine power. The lower the melting point, the shorter the start phase, in which the first coolant can not yet contribute to the cooling. As a result, a higher power of the internal combustion engine in the first cold start phase can be tolerated.
  • the melting point of the second coolant is below 30 °, particularly preferably below 20 °. This causes the second coolant is already liquid in the cold start phase and contributes to the cooling and thus can accelerate the liquefaction of the first coolant.
  • the first coolant has no hazardous, environmentally hazardous orsentzüriumen metals.
  • no toxic heavy metals such as mercury, cadmium or lead are needed. This facilitates handling both in the manufacture of the pistons and in the disposal of the pistons.
  • the first coolant tin, bismuth, gallium, indium and / or silver has.
  • These metals are non-toxic, and reactive sluggish, so that the risk of spontaneous combustion is very low.
  • these metals alone or in alloy provide a low melting point.
  • a further advantageous solution provides that the first coolant has a tin-bismuth alloy. Such an alloy has a low
  • the first coolant has a tin-silver alloy.
  • Tin itself already has a low melting point of 232 ° C. By adding silver, it can be lowered even further. Therefore, such a tin-silver alloy is also advantageous.
  • other low-melting alloys in particular based on tin or bismuth, including commercially available soft solders, which also contain or can be added to shares in elements such as Ga, In, Pb, Ag or Cu. In small amounts, the metals, which are in themselves undesirable, can certainly be contained in order to allow a further reduction in the melting point.
  • a favorable variant provides that the first coolant has an alloy with a eutectic mixture of the alloy constituents. Alloys have the lowest melting point in the eutectic mixing ratio, e.g.
  • the second coolant is temperature-resistant up to 300.degree. C., preferably up to 400.degree. C. and particularly preferably up to 500.degree is. This is advantageous because of the high temperatures in an internal combustion engine.
  • the second coolant has a mixture of biphenyl and diphenyl ether, preferably a eutectic mixture of biphenyl and diphenyl ether. Due to the benzene rings both biphenyl and diphenyl ether are thermally very stable. In particular, such a mixture is still chemically stable even at 400.degree. Furthermore, this mixture has a melting point of 15 ° C, so that the second coolant is very early, often right from the start of the engine, is operational.
  • the second coolant has silicone oil. Silicone oils are also thermally stable. In addition, the desired melting point can be adjusted specifically.
  • a further advantageous possibility provides that the second coolant silicone oil, biphenyl and diphenyl ether. By mixing these substances, the properties of the second coolant can be adjusted even more precisely. It is understood that other sufficiently heat-resistant organic substances can be used as a second coolant, such as, for example, terphenyls.
  • a favorable solution provides that the second coolant has water.
  • Water has a high temperature resistance, a high heat capacity and a low melting point, so that water is very suitable as a second coolant.
  • salt is added to the water, so that the second coolant has water and a salt.
  • preference is given to using salts which permit a possible reaction of the water with the first coolant or the coolant. avoid, or only slightly influence.
  • pH-neutral salts or at least weakly acidic or weakly basic salts are used to avoid chemical reactions.
  • sodium sulfate has been found.
  • the density of the first coolant is at least 5 times the density of the second coolant, preferably at least 7 times the density of the second coolant.
  • the second coolant is only needed to transport the heat to the first coolant until it has melted. If the first coolant is in liquid form, the second coolant is more of a hindrance to cooling because it usually has a lower thermal conductivity than the first metallic coolant. Due to the substantially higher density of the first coolant compared to the second coolant, the first coolant will precede the second coolant during the reciprocation of the piston and largely displace it under the influence of inertial forces from the upper or lower end region of the cooling channel and thus in the liquid Condition more intensively interact with the surface of the cooling channel than the second coolant. The first coolant contributes in this way in the warm operating condition even more to the desired heat transfer.
  • a suitable solution provides that a volume of the first coolant and a volume of the second coolant together occupy at least 10% by volume of a volume of the cooling channel. It has been found that a filling of the cooling channel with coolant of 10% is sufficient to accomplish the desired heat transfer in a sufficient manner. As a particularly advantageous has a volume of coolant in the cooling channel of 20- 40 vol.% Of the volume of the cooling channel turned out.
  • a further expedient solution provides that a ratio between the volume of the first coolant and the volume of the second coolant is between 2: 1 and 1: 3.
  • Fig. 2 is a partial perspective sectional view through the piston
  • a first embodiment of a piston 10 shown in FIGS. 1 and 2 has a piston head 12 and a piston shaft 14.
  • the piston head 12 has a piston head 15, in which a combustion bowl 16 is formed. Furthermore, a ring portion 18 is formed circumferentially, in which piston rings can be used. At the transition between the ring portion 18 and the piston head 15, a firing bar 20 is formed. Furthermore, the piston head 12 has a closed circumferential cooling channel 22, in which a first coolant 24 and a second coolant 26 are arranged.
  • the piston skirt 14 adjoins the piston head 12 in the axial direction.
  • the piston skirt 14 has a hub 28 with two hub bores 30 in which a piston pin can be mounted to connect the piston 10 to a connecting rod of the internal combustion engine.
  • the piston skirt 14 has two running surfaces 32 and 34 which each cover a partial circumference of a cylinder surface. The two running surfaces 32 and 34 connect the two hubs 28.
  • the piston 10 has a plurality of substantially axially extending bores 36, which open into the cooling channel 22.
  • the coolant which is located in the cooling channel 22, due to the lifting movement of the piston 10 in the axial direction cover a larger way, so that the heat transfer is improved in the axial direction.
  • a wall 38 which defines the cooling channel 22 radially outward and which carries the ring portion 18, inclined.
  • the wall 38 is thicker in the vicinity of the piston crown 15 than in a region which is closer to the piston skirt 14. It is thereby achieved that coolant which has heated up on the piston head 15 does not come into contact with the wall 38 on the way down, thereby preventing the wall 38 and thus the ring part 18 is heated. Only when the coolant moves from the bottom up, that is, out of the holes 36, it can touch the wall 38. The coolant, which moves out of the holes 36 from bottom to top, but has cooled, so that the wall 38 and the ring portion 18 can be cooled.
  • the first coolant 24 comprises a metal or a metal alloy having a melting point that is less than 250 ° C, preferably less than 200 ° C, and more preferably less than 150 ° C.
  • the coolant When the coolant is solid, it does not contribute much to cooling.
  • the first coolant 24 when the first coolant 24 is liquid, the coolant is moved in the axial direction due to the lifting movement of the piston 10, so that the coolant at the piston head 15 can absorb heat from the piston head 15 and can move it down by the movement.
  • the first coolant 24 can then deliver the heat in the region of the bores 36 to the piston shaft 14. Due to the convective movement of the first coolant 24, the heat transfer from the piston head 15 to the piston shaft 14 is greatly increased. Since the first coolant 24 comprises metal having high thermal conductivity and high heat capacity, the convective heat transfer is very high.
  • first metallic coolants 24 which have a melting point above 150 ° C
  • the convective cooling begins too late. That is, in a cold start, it may happen that the previously only slightly cooled by heat conduction piston head 15 is already heated so much that it is damaged before the first coolant 24 melts and can contribute by convection for cooling.
  • the second coolant 26 is arranged as an auxiliary coolant.
  • the second coolant 26 has a melting point of less than 40 °, preferably less than 30 ° and more preferably less than 20 ° C.
  • the second coolant 26 is preferably non-metallic, so that the second coolant 26 does not receive any metallic alloy with the first coolant 24 and thus would not solidify together with the first coolant 24.
  • the second coolant 26 can also contribute to a convective cooling of the piston crown 15 directly after a cold start of the internal combustion engine.
  • the main task of the second coolant 26, however, is to ensure that the first coolant 24 melts in time. Since the second coolant 26 is already liquid in the initial phase, the heat energy can be transmitted from the piston head 15 to the first coolant 24 and heat it up fast enough so that the first coolant 24 provides sufficient cooling of the piston 10.
  • Suitable substances for the second coolant 26 are, for example, mixtures of biphenyl and diphenyl ether, preferably eutectic mixtures. Alternatively or additionally, silicone oils can also be used. These compounds have sufficient thermal stability of at least 400 ° C.
  • either the cooling channel 22 can be evacuated or filled with dry air
  • the air pressure can be added to the first coolant 24 as an alloying ingredient in a small amount of alkali metals, for example, sodium, potassium and / or lithium.
  • Alkali metals react with the atmospheric oxygen and the lithium also reacts with the nitrogen to lithium nitride, so that both the oxygen and the nitrogen is firmly bound in a chemical form, so that the amount of gas in the cooling channel 22 is reduced.
  • Possible metals or metal alloys for the first coolant 24 are, for example, tin, bismuth and silver.
  • a eutectic mixture of tin and bismuth has a melting point of 138 ° C.
  • a eutectic mixture between tin and silver has a melting point of 221 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (12) und einem Kolbenschaft (14), wobei der Kolbenkopf (12) einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal (22) aufweist, wobei in dem Kühlkanal (22) ein erstes metallisches Kühlmittel (24) angeordnet ist und wobei das erste Kühlmittel (24) ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist, die einen Schmelzpunkt von unter 250°C aufweist. Um die Verwendung von ungefährlichen und günstigen Metallen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass in dem Kühlkanal (22) ein zweites nichtmetallisches Kühlmittel (26) angeordnet ist, dass das zweite Kühlmittel (26) einen Schmelzpunkt unter 40°C aufweist und eine Dichte aufweist, die kleiner ist als eine Dichte des ersten Kühlmittels (24).

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Flüssigmetallkühlung
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Kolben mit Flüssigmetallkühlung haben den Vorteil, dass während der Kolbenbewegung, das flüssige Kühlmittel innerhalb des Kühlkanals bewegt wird und somit sehr gut die Wärme von den heißen Stellen abgeführt werden kann. Flüssige Metalle haben dabei den besonderen Vorteil, dass sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweisen und wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt werden können als Motoröl, so dass die Wärmeübertragung besonders gut ist.
Die Auswahl an Metallen oder Metalllegierungen, die bereits bei Zimmertemperatur flüssig sind, begrenzt sich jedoch entweder auf hochreaktive bzw. selbstentzündliche Metalle, wie beispielsweise Alkalimetalle, auf gesundheitskritische Metalle, wie beispielsweise Blei Cadmium und Quecksilber, die jeweils zu erheblichem Mehraufwand bei der Produktion und Entsorgung der Kolben führen würden, oder sehr teure Metalle, wie beispielsweise Indium und Gallium. Die Verwendung von Metallen, die erst bei einer höheren Temperatur flüssig werden, ist ebenfalls problematisch. Es kann passieren, dass der Kolbenkopf, insbesondere im Bereich der Brennraummulde bereits durch die hohe Temperatur beschädigt wird, bevor das Kühlmittel geschmolzen ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform für einen Kolben mit Flüssigkeitmetallkühlung bereitzustellen, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass auf feuergefährliche oder giftige Metalle verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in dem Kühlkanal ein erstes metallisches Kühlmittel und ein zweites nichtmetallisches Kühlmittel anzuordnen. Das erstes Kühlmittel weist eine niedrig schmelzende Metalllegierung aufweist. Das zweite Kühlmittel weist einen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des ersten Kühlmittels auf, vorzugsweise einen Schmelzpunkt unterhalb der Raumtemperatur. Das zweite Kühlmittel dient als Start- oder Hilfskühlmittel. Es bewirkt, dass bereits in der Startphase des Verbrennungsmotors Wärme nicht nur durch Wärmeleitung, sondern auch durch Konvektion vom heißen Kolbenboden zu dem ersten noch festen metallischen Kühlmittel übertragen wird, so dass der Schmelzvorgang des ersten Hauptkühlmittels schneller erfolgt. Das zweite Kühlmittel dient also dazu, die Phase zu verkürzen, in welchem das erste Kühlmittel noch nicht flüssig ist und somit noch nicht zur konvektiven Kühlung beitragen kann. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass in dem Kühlkanal ein zweites nichtmetallisches Kühlmittel angeordnet ist und dass das zweite Kühlmittel einen Schmelzpunkt von unter 40° aufweist und eine Dichte aufweist, die kleiner ist als eine Dichte des ersten Kühlmittels. Dadurch schwimmt das zweite Kühlmittel nach Abstellen des Verbrennungsmotors auf dem ersten Kühlmittel und wird nicht vom ersten Kühlmittel beim Erstarren desselben eingeschlossen. Somit kann erreicht werden, dass sich das Kühlmittel vom Start weg in dem Kühlkanal bewegen und somit ausreichend zur Kühlung beitragen kann, um die erste Startphase zu überbrücken, in welcher das erste metallische Kühlmittel noch nicht geschmolzen ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Kühlmittel einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb von 250°C liegt. Eine günstige Möglichkeit sieht allerdings vor, dass der Schmelzpunkt des ersten Kühlmittels unter 200°C, vorzugsweise unter 150°C liegt. Dadurch kann vermieden werden, dass das erste Kühlmittel im Betrieb bei niedriger Motorleistung wieder erstarrt. Je niedriger der Schmelzpunkt ist, desto kürzer ist auch die Startphase, in welchem das erste Kühlmittel noch nicht zur Kühlung beitragen kann. Dadurch kann eine höhere Leistung des Verbrennungsmotors in der ersten Kaltstartphase toleriert werden.
Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Schmelzpunkt des zweiten Kühlmittels unter 30°, besonders bevorzugt unter 20° liegt. Dadurch wird bewirkt, dass das zweite Kühlmittel bereits in der Kaltstartphase flüssig ist und zur Kühlung beiträgt und somit die Verflüssigung des ersten Kühlmittels beschleunigen kann.
Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass das erste Kühlmittel keine gesundheitsgefährdenden, Umwelt gefährdenden oder selbstentzündlichen Metalle aufweist. Insbesondere bedeutet dies, dass keine Alkalimetalle als erstes Kühlmittel verwendet werden. Des Weiteren werden auch keine giftigen Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium oder Blei benötigt. Dies erleichtert die Handhabung sowohl bei der Herstellung der Kolben als auch bei der Entsorgung der Kolben.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste Kühlmittel Zinn, Bismut, Gallium, Indium und/oder Silber aufweist. Diese Metalle sind ungiftig, und reaktions- träge, so dass die Gefahr der Selbstentzündung sehr gering ist. Darüber hinaus bieten diese Metalle allein oder in Legierung einen niedrigen Schmelzpunkt.
Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste Kühlmittel eine Zinn- Bismut-Legierung aufweist. Eine solche Legierung weist einen niedrigen
Schmelzpunkt auf. Je nach Mischungsverhältnis kann der Schmelzpunkt bis auf 138°C abgesenkt werden. Daher ist eine solche Zinn-Bismut-Legierung sehr gut geeignet.
Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste Kühlmittel eine Zinn-Silber-Legierung aufweist. Zinn selbst hat bereits einen niedrigen Schmelzpunkt von 232°C. Durch die Zugabe von Silber kann dieser noch weiter abgesenkt werden. Daher ist eine solche Zinn-Silber-Legierung ebenfalls vorteilhaft. Vorteilhaft sind auch andere niedrigschmelzende Legierungen, insbesondere auf Zinn- oder Bismut-Basis, darunter auch handelsübliche Weichlote, die auch Anteile an Elementen wie etwa Ga, In, Pb, Ag oder Cu enthalten oder mit diesen versetzt werden können. In kleinen Mengen können die zwar an sich unerwünschten Metalle durchaus enthalten sein, um eine weitere Senkung des Schmelzpunktes zu ermöglichen.
Eine günstige Variante sieht vor, dass das erste Kühlmittel eine Legierung mit einer eutektischen Mischung der Legierungsbestandteile aufweist. Legierungen haben im eutektischen Mischverhältnis den niedrigsten Schmelzpunkt, wie z.B.
Sn42Bi58 mit 138°C oder Sn96Ag4 mit 221 °C. Daher sind zumindest näherungsweise eutektische Mischungen, auch aus mehr als zwei Elementen, für das erste Kühlmittel besonders günstig geeignet.
Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass das zweite Kühlmittel bis zu 300°C, vorzugsweise bis 400°C und besonders bevorzugt bis 500°C temperaturbeständig ist. Dies ist aufgrund der hohen Temperaturen in einem Verbrennungsmotor vorteilhaft.
Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass das zweite Kühlmittel eine Mischung aus Biphenyl und Diphenylether aufweist, vorzugsweise eine eu- tektische Mischung aus Biphenyl und Diphenylether. Durch die Benzolringe sind sowohl Biphenyl als auch Diphenylether thermisch sehr stabil. Insbesondere ist eine solche Mischung auch bei 400°C noch chemisch stabil. Des Weiteren weist diese Mischung einen Schmelzpunkt von 15°C auf, so dass das zweite Kühlmittel sehr früh, häufig schon sofort ab Motorstart, einsatzfähig ist.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das zweite Kühlmittel Silikonöl aufweist. Silikonöle sind ebenfalls thermisch stabil. Darüber hinaus kann der gewünschte Schmelzpunkt gezielt eingestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das zweite Kühlmittel Silikonöl, Biphenyl und Diphenylether aufweist. Durch die Mischung dieser Stoffe, können die Eigenschaften des zweiten Kühlmittels noch genauer angepasst werden. Es versteht sich, dass auch andere ausreichend hitzebeständige organische Stoffe als zweites Kühlmittel eingesetzt werden können, wie beispielsweise Ter- phenylen.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass das zweite Kühlmittel Wasser aufweist. Wasser weist eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine hohe Wärmekapazität und einen niedrigen Schmelzpunkt auf, so dass Wasser sehr gut als zweites Kühlmittel geeignet ist. Um den Schmelzpunkt noch weiter abzusenken kann vorgesehen sein, dass dem Wasser Salz zugefügt wird, so dass das zweite Kühlmittel Wasser und ein Salz aufweist. Bevorzugt werden dabei Salze verwendet, die eine mögliche Reaktion des Wassers mit dem ersten Kühlmittel oder dem Kol- benmaterial, wie beispielsweise Stahl, vermeiden oder nur geringfügig beeinflussen. Vorzugsweise werden zur Vermeidung chemischer Reaktionen möglichst pH neutrale Salze oder zumindest nur schwach sauer oder schwach basisch reagierende Salze verwendet. Als besonders bevorzugtes Salz hat dich Natriumsulfat erwiesen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung von Natriumchlorid, Natriumnitrat oder Natriumhydrogenphosphat (Na2HPO4) oder Mischungen aus den vorgenannten Salzen.
Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass die Dichte des ersten Kühlmittels mindestens das 5-fache der Dichte des zweiten Kühlmittels beträgt, vorzugsweise mindestens das 7-fache der Dichte des zweiten Kühlmittels. Das zweite Kühlmittel wird nur dazu benötigt, die Wärme zum ersten Kühlmittel zu transportieren bis dieses geschmolzen ist. Wenn das erste Kühlmittel in flüssiger Form vorliegt, ist das zweite Kühlmittel für die Kühlung eher hinderlich, da es üblicherweise eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das erste metallische Kühlmittel. Durch die wesentlich höhere Dichte des ersten Kühlmittels gegenüber dem zweiten Kühlmittel wird das erste Kühlmittel bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens dem zweiten Kühlmittel vorauseilen und dieses unter dem Einfluss der Trägheitskräfte aus dem oberen bzw. unteren Endbereich des Kühlkanals weitgehend verdrängen und damit im flüssigen Zustand intensiver mit der Oberfläche des Kühlkanals wechselwirken als das zweite Kühlmittel. Das erste Kühlmittel trägt auf diese Weise im betriebswarmen Zustand noch stärker zum gewünschten Wärmetransport bei.
Eine zweckmäßige Lösung sieht vor, dass ein Volumen des ersten Kühlmittels und ein Volumen des zweiten Kühlmittels zusammen mindestens 10 Vol. % eines Volumens des Kühlkanals einnehmen. Es hat sich gezeigt, dass eine Füllung das Kühlkanals mit Kühlmittel von 10% ausreichen ist, um den gewünschten Wärmetransport in ausreichender Weise zu bewerkstelligen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Volumen der Kühlmittel im Kühlkanal von 20- 40 Vol.% des Volumens des Kühlkanals herausgestellt.
Eine weitere zweckmäßige Lösung sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen dem Volumen des ersten Kühlmittels und dem Volumen des zweiten Kühlmittels zwischen 2:1 und 1 :3 beträgt.
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 Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch, eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben,
Fig. 2 eine perspektivische Teilschnittdarstellung durch den Kolben aus
Fig. 1 . Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform eines Kolbens 10 weist einen Kolbenkopf 12 und einen Kolbenschaft 14 auf. Der Kolbenkopf 12 weist einen Kolbenboden 15 auf, in welchem eine Brennraummulde 16 ausgebildet ist. Des Weiteren ist umlaufend eine Ringpartie 18 ausgebildet, in welche Kolbenringe eingesetzt werden können. Am Übergang zwischen der Ringpartie 18 und dem Kolbenboden 15 ist ein Feuersteg 20 ausgebildet. Des Weiteren weist der Kolbenkopf 12 einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal 22 auf, in welchem ein erstes Kühlmittel 24 und ein zweites Kühlmittel 26 angeordnet sind.
Der Kolbenschaft 14 schließt sich in axialer Richtung an dem Kolbenkopf 12 an. Der Kolbenschaft 14 weist eine Nabe 28 mit zwei Nabenbohrungen 30 auf, in welchen ein Kolbenbolzen gelagert werden kann, um den Kolben 10 mit einem Pleuel des Verbrennungsmotors zu verbinden. Des Weiteren weist der Kolbenschaft 14 zwei Laufflächen 32 und 34 auf, welche jeweils einen Teilumfang einer Zylinderfläche abdecken. Die beiden Laufflächen 32 und 34 verbinden die beiden Naben 28.
Der Kolben 10 weist mehrere im Wesentlichen axial verlaufende Bohrungen 36 auf, welche in den Kühlkanal 22 münden. Dadurch kann das Kühlmittel, das sich in dem Kühlkanal 22 befindet, aufgrund der Hubbewegung des Kolbens 10 in axialer Richtung einen größeren Weg zurücklegen, so dass der Wärmetransport in axialer Richtung verbessert ist.
Des Weiteren ist eine Wand 38, welche den Kühlkanal 22 radial nach außen begrenzt und welche die Ringpartie 18 trägt, geneigt. Insbesondere ist die Wand 38 in der Nähe des Kolbenbodens 15 dicker als in einem Bereich, der näher zu dem Kolbenschaft 14 liegt. Dadurch wird erreicht, dass Kühlmittel, das sich am Kolbenboden 15 aufgeheizt hat, beim Weg nach unten nicht mit der Wand 38 in Kontakt kommt, wodurch verhindert wird, dass die Wand 38 und damit die Ringpartie 18 aufgeheizt wird. Lediglich wenn das Kühlmittel sich von unten nach oben, das heißt aus den Bohrungen 36 herausbewegt, kann es die Wand 38 berühren. Das Kühlmittel, das sich von unten nach oben aus den Bohrungen 36 herausbewegt, hat sich aber abgekühlt, so dass die Wand 38 und die Ringpartie 18 gekühlt werden können.
Das erste Kühlmittel 24 weist ein Metall oder eine Metalllegierung auf, die einen Schmelzpunkt aufweist, der kleiner als 250°C, vorzugsweise kleiner als 200°C und besonders bevorzugt kleiner als 150°C ist. Wenn das Kühlmittel fest ist, trägt es nur wenig zur Kühlung bei. Wenn das erste Kühlmittel 24 dagegen flüssig ist, wird das Kühlmittel aufgrund der Hubbewegung des Kolbens 10 in axiale Richtung bewegt, so dass das Kühlmittel am Kolbenboden 15 Wärme vom Kolbenboden 15 aus aufnehmen kann und diese durch die Bewegung nach unten abtransportieren kann. Das erste Kühlmittel 24 kann dann die Wärme im Bereich der Bohrungen 36 an den Kolbenschaft 14 abgeben. Durch die konvektive Bewegung des ersten Kühlmittels 24 ist die Wärmeübertragung vom Kolbenboden 15 zu dem Kolbenschaft 14 stark erhöht. Da das erste Kühlmittel 24 Metall aufweist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmekapazität aufweist, ist die konvektive Wärmeübertragung sehr hoch.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung von ersten metallischen Kühlmitteln 24, die einen Schmelzpunkt von über 150°C aufweisen, die konvektive Kühlung zu spät einsetzt. Das heißt im Kaltstart kann es vorkommen, dass der zunächst nur geringfügig durch Wärmeleitung gekühlte Kolbenboden 15 bereits so stark erhitzt ist, dass dieser beschädigt wird, bevor das erste Kühlmittel 24 schmilzt und durch Konvektion zur Kühlung beitragen kann.
Es gibt Metalle und Metalllegierungen die Schmelzpunkte aufweisen, die unter 100°C liegen. Allerdings haben diese Legierungen entweder das Problem, dass selbstentzündliche, giftige oder sehr teure Metalle enthalten sind. Daher sind die Kosten zur Herstellung eines solchen Kolbens erhöht. Die Verwendung von Metallen, die sich nicht selbst entzünden, ungiftig sind und einen akzeptablen Anschaffungspreis haben, würde die Kosten des Kolbens 10 reduzieren.
In dem Kühlkanal 22 ist das zweite Kühlmittel 26 als Hilfskühlmittel angeordnet. Das zweite Kühlmittel 26 weist einen Schmelzpunkt von unter 40°, vorzugsweise unter 30° und besonders bevorzugt von unter 20°C auf. Das zweite Kühlmittel 26 ist dabei vorzugsweise nicht metallisch, so dass das zweite Kühlmittel 26 keine metallische Legierung mit dem ersten Kühlmittel 24 eingeht und somit nicht zusammen mit dem ersten Kühlmittel 24 erstarrt würde.
Durch den geringeren Schmelzpunkt kann das zweite Kühlmittel 26 auch direkt nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu einer konvektiven Kühlung des Kolbenbodens 15 beitragen. Die Hauptaufgabe des zweiten Kühlmittels 26 ist allerdings dafür zu sorgen, dass das erste Kühlmittel 24 rechtzeitig schmilzt. Da das zweite Kühlmittel 26 bereits in der Anfangsphase flüssig ist, kann die Wärmeenergie vom Kolbenboden 15 zu dem ersten Kühlmittel 24 hin übertragen werden und dieses schnell genug aufheizen, so dass das erste Kühlmittel 24 für eine ausreichende Kühlung des Kolbens 10 sorgt.
Geeignete Stoffe für das zweite Kühlmittel 26 sind beispielsweise Mischungen aus Biphenyl und Diphenylether, vorzugsweise eutektische Mischungen. Alternativ oder ergänzend hierzu können auch Silikonöle verwendet werden. Diese Verbindungen weisen eine ausreichende thermische Stabilität von mindestens 400°C auf.
Um im Betrieb des Kolbens 10 einen möglichst geringen Gasdruck zu erhalten, kann entweder der Kühlkanal 22 evakuiert werden oder mit trockener Luft befüllt werden, um den Luftdruck abzusenken kann dem ersten Kühlmittel 24 als Legierungsbestandteil in geringer Menge Alkalimetalle, beispielsweise Natrium, Kalium und/oder Lithium hinzugefügt werden. Alkalimetalle reagieren mit dem Luftsauerstoff und das Lithium reagiert auch mit dem Luftstickstoff zu Lithiumnitrid, so dass sowohl der Sauerstoff als auch der Stickstoff in chemischer Form fest gebunden wird, so dass die Gasmenge im Kühlkanal 22 reduziert ist.
Mögliche Metalle oder Metalllegierungen für das erste Kühlmittel 24 sind beispielsweise Zinn, Bismut und Silber. Beispielsweise weist eine eutektische Mischung aus Zinn und Bismut einen Schmelzpunkt von 138°C auf. Eine eutektische Mischung zwischen Zinn und Silber weist einen Schmelzpunkt von 221 °C auf.

Claims

Ansprüche
1 . Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (12) und einem Kolbenschaft (14),
- wobei der Kolbenkopf (12) einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal (22) aufweist,
- wobei in dem Kühlkanal (22) ein erstes metallisches Kühlmittel (24) angeordnet ist und
- wobei das erste Kühlmittel (24) ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist, die einen Schmelzpunkt von unter 250°C aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass in dem Kühlkanal (22) ein zweites nichtmetallisches Kühlmittel (26) angeordnet ist, und
- das zweite Kühlmittel (26) einen Schmelzpunkt unter 40°C aufweist und eine Dichte aufweist, die kleiner ist als eine Dichte des ersten Kühlmittels (24).
2. Kolben nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Kühlmittel (24) keine gesundheitsgefährdenden, Umwelt gefährdenden oder selbstentzündlichen Metalle aufweist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Kühlmittel (24) keine Alkalimetalle oder Schwermetalle aufweist.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Kühlmittel (24) Zinn und/oder Bismut und/oder Gallium und/oder Silber aufweist.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das erste Kühlmittel (24) eine Zinn-Bismut-Legierung aufweist, und/oder
- dass das erste Kühlmittel (24) eine Zinn-Silber-Legierung aufweist.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Kühlmittel (26) bis 300°C, vorzugsweis bis 400°C, besonders bevorzugt bis 500°C, temperaturbeständig ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Kühlmittel (26) Biphenyl und Diphenylether aufweist, vorzugsweise eine eutektische Mischung von Biphenyl und Diphenylether.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Kühlmittel (26) Silikonöl aufweist.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Kühlmittel (26) Silikonöl, Biphenyl und Diphenylether aufweist.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Kühlmittel (26) Wasser, insbesondere salzhaltiges Wasser, aufweist.
1 1 . Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichte des ersten Kühlmittels (24) mindestens das 5-fache, vorzugsweise mindestens das 7-fache, der Dichte des zweiten Kühlmittels (26) beträgt.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Volumen des ersten Kühlmittels (24) und ein Volumen des zweiten Kühlmittels (26) zusammen mindestens 10 Vol. % eines Volumens des Kühlkanals einnehmen.
13. Kolben nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Volumen des ersten Kühlmittels (24) und das Volumen des zweiten Kühlmittels (26) zwischen 20 und 40 Vol.% des Volumens des Kühlkanals einnehmen.
14. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Volumen des zweiten Kühlmittels (26) kleiner als ein Volumen des ersten Kühlmittels (24) und größer als die Hälfte des Volumens des ersten Kühlmittels (24) ist.
15. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Volumen des zweiten Kühlmittels (26) größer ist als ein Volumen des ersten Kühlmittels (24) und kleiner als das Dreifache des Volumens des ersten Kühlmittels (24) ist.
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