WO2019115676A1

WO2019115676A1 - Kolben für verbrennungsmotor

Info

Publication number: WO2019115676A1
Application number: PCT/EP2018/084713
Authority: WO
Inventors: Klaus Schmidt; Alexander Hirsch
Original assignee: Federal-Mogul Nürnberg GmbH
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-06-20
Also published as: DE102017222743A1

Abstract

Ein einteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen umlaufenden, zur Kolbenunterseite vollständig offenen Kühlkanal auf, der durch Öffnungen in den Seitenwänden verläuft, wobei ein zu dem Kolbenboden entgegengesetzter Boden des Kühlkanals über den gesamten Umfang auf einem im Wesentlichen gleichbleibenden Niveau verläuft.

Description

Kolben für Verbrennungsmotor

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen

Verbrennungsmotor .

Kolben für Verbrennungsmotoren unterliegen verschiedensten Anforderungen, beispielsweise muss die mechanische Festigkeit ausreichend hoch sein, um den Belastungen auch bei hohen Temperaturen stand zu halten, und es ist stets

erstrebenswert, derartige Kolben möglichst leichtgewichtig auszuführen. Um das erstgenannte Ziel zu erreichen werden Kolben häufig mit Kühlkanälen versehen, die geschlossen sein können, und durch die Öl geführt wird, um Wärme abzuführen.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2015 203 134 Al ist ein Kolben ohne

geschlossenen Kühlraum bekannt, der sog. Kühltaschen an der Kolbenunterseite aufweist, die mittels einer Kühlöldüse mit Kühlöl beaufschlagt werden, das zunächst auf Bereiche

unterhalb des Ringfeldes und außerhalb der Bolzennaben auftrifft und, abhängig von der Position des Kolbens, auch durch sog. Transferbohrungen in den Bereich innerhalb der Bolzennaben gelangen kann. Ein ähnlicher Kolben ist aus der DE 101 06 435 Al bekannt. Die JP 2000-337213 A betrifft einen zweiteiligen Kolben, der von der Unterseite her mit Öl beaufschlagt wird und im

Bereich der Seitenwände, also "neben" den Bolzennaben,

Öffnungen aufweist. Ähnliche Gestaltungen gehen aus der

JP 2009-264145 A und der US 5,713,262 A hervor.

Darstellung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu

schaffen, der im Hinblick auf die Herstellungskosten und/oder das Gewicht und/oder die bewirkte Kühlung verbessert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im

Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge ist dieser einteilig ausgeführt, so dass schon aus diesem Grund die Herstellungskosten niedrig gehalten werden können. Dies gilt ferner aufgrund der Tatsache, dass der erfindungsgemäße Kolben zwar einen umlaufenden, d.h. sich über den gesamten Umfang des Kolbens erstreckenden Kühlkanal aufweist, dieser jedoch zur Kolbenunterseite hin vollständig offen ist. Mit anderen Worten ist an der Kolbenunterseite, zu dem Kolbenboden entgegengesetzt, eine Rinne oder Nut

ausgebildet, die im Wesentlichen der "oberen Hälfte" eines geschlossenen Kanals entspricht, wenn der Kolbenboden, der im Betrieb zu dem Brennraum gerichtet ist, oben ist. Wenn der Kolben auf dem Kolbenboden abgelegt wird, bildet der

erfindungsgemäße, umlaufende Kühlkanal eine im Wesentlichen offene Rinne.

Mittels dieser Gestaltung kann auf Zu- oder Ablaufbohrungen verzichtet werden, die bei Kolben mit geschlossenen

Kühlkanälen gesondert ausgebildet werden müssen. Die

Zuführung von Kühlöl erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Kolben im Wesentlichen durch Anspritzen des beschriebenen offenen Kühlkanals, bevorzugt im Bereich einer der Schaftwände, von wo aus sich das Kühlöl sowohl in den Bereich zwischen den Kolbenbolzennaben, als auch in Umfangsrichtung verteilen kann. In Umfangsrichtung verläuft der Kühlkanal des

erfindungsgemäßen Kolbens durch große Öffnungen in den sog. Seitenwänden, welche die Schaftwände mit den

Kolbenbolzennaben verbinden. Das Kühlöl kann sich somit in Umfangsrichtung weitgehend ungehindert verteilen, was eine vorteilhafte Kühlung gewährleistet. Ferner ist der

erfindungsgemäße Kolben im Hinblick auf das Gewicht mittels der beschriebenen Öffnungen optimiert. In Richtung der

Erstreckung der Seitenwand, somit im Wesentlichen senkrecht zu der Kolbenbolzenachse und der Schaftwand, weist die

Öffnung bevorzugt zumindest die gleiche Erstreckung wie der Kühlkanal in dieser Richtung auf, um einen ungehinderten Durchtritt des Kühlöls zu ermöglichen. Die Abmessung zwischen (tragender, mit anderen Worten im Betrieb der Zylinder- oder Zylinderbuchseninnenwand anliegenden) Schaftwand und der Kolbenbolzenbohrung wird nachfolgend als Breite der

Seitenwand bezeichnet. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kolben aus einem Ferrometall ausgeführt. Bevorzugt bleiben die Schaftwände, wie dies bei bekannten Kolben der Fall ist, mit dem Kolbenboden im Bereich des Ringfeldes verbunden, so dass sie sich in vorteilhafter Weise am Kolbenboden abstützen können, und eine übermäßige Nachgiebigkeit in diesem Bereich vermieden werden kann.

Die Gewichtsoptimierung wird ferner dadurch erreicht, dass im Gegensatz zu den im Stand der Technik teilweise bekannten Kühltaschen der erfindungsgemäße Kühlkanal, wie beschrieben, umlaufend verläuft, was bedeutet, dass ein zu dem Kolbenboden entgegengesetzt ausgebildeter Boden des Kühlkanals auf einem, entlang der Kolbenachse, im Wesentlichen gleichbleibenden Niveau verläuft. Hierdurch kann beispielsweise verglichen mit der oben erwähnten DE 10 2015 203134 Al eine Schwelle

vermieden werden, die bei diesem Stand der Technik zur

Abstützung des Ringfeldes an den Kolbenbolzennaben

erforderlich ist. Im Gegensatz hierzu ist bei dem erfindungsgemäßen Kolben das Ringfeld nur an den vergleichsweise flexiblen Schaftwänden abgestützt und ist im Übrigen „frei". Inbesondere verläuft zwischen Ringfeld und Kolbenbolzennaben der offene Kühlkanal auf einem im

Wesentlichen gleichbleibenden Niveau.

Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

An das zuletzt gesagte anknüpfend wird bevorzugt, dass zumindest eine Öffnung eine Abmessung in Breitenrichtung der Seitenwand aufweist, die mehr als 50% der Seitenwandbreite beträgt .

Besonders umfangreich kann darüber hinaus Gewicht eingespart werden, wenn die Abmessung zumindest einer Öffnung in

Richtung der Kolbenachse bis zu etwa 50% der Seitenwandhöhe ausmacht .

Besonders umfangreich kann Gewicht eingespart werden, wenn gemäß einer bevorzugten Maßnahme zumindest eine Öffnung zumindest 30 % der Seitenwand einnimmt. In diesem

Zusammenhang ist die Öffnung in der Seitenwand auf einer Druckseite bevorzugt kleiner als auf einer Gegendruckseite.

Um möglichst umfangreich Gewicht einzusparen, und

gleichzeitig die mechanische Festigkeit zu gewährleisten, und unter Berücksichtigung des gegebenen Fertigungsprozesses wird angestrebt, dass sich die Seitenwandwandquerschnitte in der axialen Höhe und/oder der Dicke, mit anderen Worten der

Querschnittsbreite auf der Druck- und Gegendruckseite

unterscheiden. Bevorzugt sind Höhe und/oder Dicke auf der Gegendruckseite geringer.

Im Hinblick auf die Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens bietet es darüber hinaus Vorteile, wenn zumindest eine Öffnung eine abgerundete Kontur aufweist. Dies bedeutet, dass die Gestalt der Öffnung als solcher im Wesentlichen keine Ecken aufweist, sondern beispielsweise als Recht- oder Viereck mit abgerundeten Ecken gestaltet ist. Ferner kann die Öffnung insgesamt oval, elliptisch oder kreisrund ausgeführt sein. Die beschriebene abgerundete Kontur kann sich

alternativ oder ergänzend auf diejenigen Übergänge von den Seitenwänden, innen und/oder außen, in die jeweilige Öffnung beziehen. Mit anderen Worten ist zumindest eine Kante, die sich zunächst durch das "Herausschneiden" aus der Seitenwand ergibt, abgerundet. Bevorzugt gilt dies für sämtliche Kanten. Insgesamt können die Öffnungen in vorteilhafter Weise

spannungsoptimiert sein.

Durch die beschriebene Gestaltung kann die notwendige Kühlung in vorteilhafter Weise durch eine einzige Öldüse

gewährleistet werden, so dass der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt in Kombination mit lediglich einer Öldüse

vorgesehen wird.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Zuführung des Kühlöls bevorzugt in den Kolbeninnenraum, so dass der

erfindungsgemäße Kolben bevorzugt mit einer oder mehreren Kühlöldüsen kombiniert wird, die dafür angepasst ist/sind, Kühlöl in den Kolbeninnenraum, bevorzugt zu dem unmittelbar innerhalb der Schaftwände ausgebildeten Kühlkanal zuzuführen.

Schließlich sei erwähnt, wie oben bereits angedeutet, dass bevorzugt Schaftwände mit einem Ringfeld verbunden sind, so dass sie an dem Kolbenboden abgestützt sind, wenngleich das Ringfeld, wie ebenfalls bevorzugt, im Bereich der

Kolbenbolzennaben nicht abgestützt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher

beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens senkrecht zur Kolben-Bolzen-Achse;

Fig. 2 eine perspektivische Unteransicht des

erfindungsgemäßen Kolbens und

Fig. 3 eine perspektivische Unteransicht des

erfindungsgemäßen Kolbens mit den

Kühlmittelströmen .

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 mit Ringfeld 12 und Kolbenboden 14 bevorzugt eine Brennraummulde 16 auf, die in dem gezeigten Fall im

Wesentlichen als eine Vertiefung ausgebildet ist und einen Boden mit im Wesentlichen gleichbleibender Dicke aufweist. Hierdurch ergibt sich, wie in Fig. 1 erkennbar ist, zwischen der Brennraummulde 16 und dem Ringfeld 12 an der Innenseite des Kolbens ein zur Unterseite hin offener Kühlkanal 18, der im Hinblick auf seine Gestalt mit Ausnahme der Tatsache, dass er zur Unter- oder Innenseite hin, also vom Kolbenboden 14 ab- und den Kolbenbolzennaben 20 zugewandt, offen ist, im Wesentlichen übereinstimmen mit bekannten, geschlossenen Kühlkanälen gestaltet ist. Die Kolbenbolzennaben 20 sind in sog. Seitenwänden 22 ausgebildet, die erfindungsgemäß mit großflächigen Öffnungen 24 versehen sind. Der Vollständigkeit halber seien Schaftwände 26 erwähnt, mit denen der Kolben im Betrieb an einer Zylinder- oder Zylinderbuchseninnenwand anliegt .

Wie besser in Fig. 2 zu erkennen ist, ist der Kühlkanal 18 vollständig umlaufend ausgeführt, und die Strömung von Kühlöl entlang des Kühlkanals 18 wird dadurch in besonderem Maße erleichtert und im Wesentlichen barrierefrei gestaltet, dass sich die Öffnungen 24 bis zu dem offenen Kühlkanal 18

erstrecken und im Wesentlichen in diesen übergehen. Dies ist in Fig. 1 aufgrund der Betrachtungsrichtung entlang der

Kolbenbolzenachse nicht erkennbar. Es sei jedoch erwähnt, dass sich die Öffnungen im Wesentlichen im Bereich ihrer inneren, d.h. zu der Kolbenbolzennabe gerichteten Hälfte im Wesentlichen gemäß Fig. 1 "hinter" der Brennraummulde im Wesentlichen ebenso weit in Richtung des Kolbenbodens 14 erstrecken, dass sie einen jeweils großflächigen Durchgang für den Kanal 18 bilden und die Strömung von Kühlöl durch den gesamten Kühlkanal 18 gewährleistet werden kann.

In Fig. 2 ist ergänzend zu erkennen, dass die Seitenwände 22 der gezeigten Ausführungsform jeweils in ihrem unteren

Bereich in Form eines Bogens ausgespart sind. Ferner kann der Bereich in der Umgebung der jeweiligen Kolbenbolzennabe, verglichen mit dem Kühlkanal ein wenig in Richtung der

Kolbenaußenseiten hervortreten.

Schließlich ist in Fig. 1 zu erkennen, dass die jeweilige Öffnung 24 zumindest 30% der Seitenwandhöhe (in Fig. 1 von oben nach unten gemessen) einnimmt, und die in Fig. 1 rechte, der Gegendruckseite entsprechende Öffnung 24 bis zu 50% der Seitenwandhöhe ausmacht. Ferner erstrecken sich beide

Öffnungen, wie bevorzugt, über zumindest 50% der in Fig. 1 von links nach rechts gemessenen Seitenwandbreite.

Insbesondere weist jede Seitenwand 22 eine derartige Öffnung 24 auf.

In Fig. 3 sind ergänzend die Kühlmittelströme zu erkennen, die mittels einer Kühlöldüse 28 erzeugt werden, die Kühlöl, wie durch den Pfeil A angedeutet, zunächst im Wesentlichen in Richtung der Kolbenachse unmittelbar innerhalb einer

Schaftwand 26 zuführt, insbesondere in den Kühlkanal 18 spritzt. Hiervon ausgehend bilden sich verschiedene

Kühlölströme, wie z.B. ein oder mehrere Nebenströme oder - flüsse B in den Kolbeninnenraum, im Wesentlichen in den Bereich zwischen den Kolbenbolzennaben 20. Ferner ergibt sich zu beiden Seiten ein im Wesentlichen halbkreisförmiger

Hauptfluss C entlang des Kühlkanals 18. Hierbei "treffen" sich im Wesentlichen die beiden Halbkreise an einer Stelle, die derjenigen Stelle gegenüberliegt, an der das von der Kühlöldüse 28 zugeführte Kühlöl in Form des Strahls A in den Kühlkanal gelangt. An dieser gegenüberliegenden Stelle verlässt das Kühlöl den Kühlkanal zur Unterseite hin. Wie durch den Pfeil D angedeutet, kann das Kühlöl infolge der Aufwärtsbewegung des Kolbens den Kühlkanal bereits zu einem früheren Zeitpunkt verlassen, gelangt jedoch während der Kolbenabwärtsbewegung, wie durch den Pfeil E angedeutet, zumindest teilweise wieder in den Kühlkanal, so dass eine ausreichende Kühlung gewährleistet werden kann. Dies wird auch durch die in Fig. 1 erkennbare, vergleichsweise tiefe, d.h. sich weit in Richtung des Kolbenbodens 14 erstreckende und somit rinnenartige Gestaltung des Kühlkanals 18 erreicht.

Claims

Patentansprüche

1. Einteiliger Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem umlaufenden, zur Kolbenunterseite vollständig offenen Kühlkanal (18), der durch Öffnungen (24) in den Seitenwänden (22) verläuft, wobei ein zu dem Kolbenboden (14) entgegengesetzter Boden des Kühlkanals (18) über den gesamten Umfang auf einem im Wesentlichen

gleichbleibenden Niveau verläuft.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest eine Öffnung (24) eine Breite von zumindest 50% einer Seitenwandbreite einnimmt.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung eine Höhe von bis zu 50% einer Seitenwandhöhe einnimmt.

4. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung zumindest 30% der Seitenwand einnimmt.

5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Seitenwände (22) zwischen Druck- und Gegendruckseite im Hinblick auf die in

Kolbenachsrichtung gemessene Höhe und/oder ihre Dicke unterscheiden, insbesondere auf der Gegendruckseite jeweils geringer ist.

6. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung

(24) zumindest eine abgerundete Kontur aufweist.

7. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, in

Kombination mit lediglich einer Kühlöldüse (28).

8. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, in Kombination mit einer oder mehreren Kühlöldüsen (28), die dafür angepasst sind, Öl innerhalb der Schaft- (26) und Seitenwände (22) in den Kühlkanal (18) zu spritzen.

9. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schaftwände (26) mit einem Ringfeld (12) verbunden sind, so dass sie an dem

Kolbenboden (14) abgestützt sind.