DE102007050213A1

DE102007050213A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007050213A1
Application number: DE102007050213A
Authority: DE
Inventors: Valery Bauer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-10-20
Filing date: 2007-10-20
Publication date: 2009-04-23
Also published as: CN201723321U; US8714129B2; US20100319648A1; US20130160733A1; WO2009049611A1; JP3164135U

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11) und einem Kolbenunterteil (12), wobei das Kolbenoberteil (11) einen Kolbenboden (13), einen umlaufenden Feuersteg (15) sowie eine umlaufende Ringpartie (16) aufweist, wobei das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) durch Befestigungsmittel miteinander verbunden sind und einen umlaufenden Kühlkanal (21) bilden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) verbindenden Befestigungsmittel als im Kühlkanal (21) angeordnete Kühlelemente (28, 128, 228) aus einem Wärme leitenden Werkstoff ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg sowie eine umlaufende Ringpartie aufweist, wobei das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil durch Befestigungsmittel miteinander verbunden sind und einen umlaufenden Kühlkanal bilden.
Bei derartigen, an sich bekannten mehrteiligen Kühlkanalkolben besteht das Problem, das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil unter Vermeidung von Spannungen zuverlässig miteinander zu verbinden. Außerdem wird eine Optimierung der Kühlwirkung des im Kühlkanal befindlichen Kühlöls angestrebt. Das Kühlöl läuft im Kühlkanal um und wird aufgrund des von der Kolbenbewegung herrührenden Shakereffekts bewegt. In der DE 102 44 512 A1 wird vorgeschlagen, den umlaufenden Kühlkanal mit zum Kolbenboden hin gerichteten Bohrungen zu versehen, um eine bessere Verteilung des Kühlöls zu erreichen. Insbesondere bei hoch belasteten Kolben ist die durch die Bewegung des Kühlöls bewirkte Wärmeabfuhr jedoch nicht ausreichend.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen mehrteiligen Kolben mit verbesserter Kühlwirkung des in einem Kühlkanal umlaufenden Kühlöls zu schaffen, bei dem Kolbenoberteil und Kolbenunterteil zuverlässig miteinander verbunden sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein mehrteiliger Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil verbindenden Befestigungsmittel als im Kühlkanal angeordnete Kühlelemente aus einem Wärme leitenden Werkstoff ausgebildet sind.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich durch eine verbesserte Kühlwirkung aus, die mehrere Ursachen hat. Die Kühlelemente stellen eine zusätzliche Kühloberfläche im Kühlraum dar, über die die vom Kolbenboden zu den Kühlelementen transportierte Wärme an das die Kühlelemente umspülende Kühlöl abgegeben wird. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden über die Kühlelemente zum Kühlöl gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung des dem Brennraum zugewandten Kolbenbodens schnell und zuverlässig vermindert. Zusätzlich findet eine Wärmeabfuhr vom Kühlelement in das Kolbenunterteil statt Bei Kolben, deren Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen ist, wird damit insbesondere der Muldenrand besonders wirksam entlastet.
Die als Kühlelemente ausgebildeten Befestigungsmittel sind in einem radialen Außenbereich des Kolbens, d. h. in unmittelbarer Nähe der Ringpartie, nämlich im umlaufenden Kühlkanal, gleichmäßig verteilt, so dass eine besonders spannungsarme und zuverlässige Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil erreicht wird. Darüber hinaus bewirken die als Kühlelemente ausgebildeten Befestigungsmittel eine Verbesserung der Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens. Daher ist es möglich, den erfindungsgemäßen Kolben trotz der vorgesehenen Kühlelemente so auszugestalten, dass eine Gewichtserhöhung im Vergleich zu herkömmlichen Kolben vermieden wird. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass einerseits für die Kühlelemente ein geeigneter Werkstoff mit möglichst geringer Dichte ausgewählt wird und dass andererseits aufgrund der verbesserten Formstabilität die Wanddicken insbesondere zwischen dem umlaufenden Kühlkanal und angrenzenden Strukturelementen des erfindungsgemäßen Kolbens verringert werden können. Bei geeigneter Bauweise ist sogar eine Gewichtsreduktion im Vergleich mit konventionellen Kolben möglich.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist für alle mehrteiligen Kolbentypen geeignet und erlaubt eine Vielzahl von Varianten hinsichtlich Materialauswahl und Konstruktion. Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. aus Stahl, Gusseisen, Leichtmetall sowie einer Kombination dieser Werkstoffe bestehen, und er kann bspw. mit oder ohne Kühlölanspritzung ausgeführt sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Jedes Kühlelement bzw. jedes als Kühlelement ausgebildete Befestigungsmittel ist in zwei Ausnehmungen aufgenommen, von denen eine im Kolbenoberteil und eine im Kolbenunterteil vorgesehen ist. Die im Kolbenunterteil vorgesehenen Ausnehmungen können bspw. als Sackbohrungen oder als Durchgangsbohrungen ausgebildet sein. Damit können die Kühlelemente auf einfache Weise bspw. in das Kolbenoberteil oder das Kolbenunterteil eingesetzt, ggf. in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Zentrierrings ausgerichtet werden und das fehlende Kolbenteil auf die Kühlelemente aufgeschoben werden, so dass diese in die korrespondierenden Bohrungen eingreifen. Die Befestigung der Kühlelemente erfolgt bevorzugt mittels Presssitz oder Schrumpfsitz.
Die bei dieser Ausgestaltung im Kolbenoberteil vorgesehenen Ausnehmungen bewirken eine weitere Verringerung der Materialdicke hin zum Kolbenboden. In besonders vorteilhafter wird dann, wenn der Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen ist, die Materialdicke hin zum Muldenrand reduziert. Dies bewirkt einen weiter verbesserten und beschleunigten Wärmetransport zu den Kühlelementen. Die Kühlelemente sorgen zugleich für eine ausreichende Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens, indem es mögliche, durch die Ausnehmungen bewirkte Stabilitätsverluste ausgleicht. Dies hat zur Folge, dass der Durchmesser einer im Einzelfall vorgesehenen Brennraummulde gegenüber dem Stand der Technik noch vergrößert werden kann. Dies wiederum verbessert ein weiteres Mal die Wärmeableitung in Richtung der Kühlelemente und von dort zum Kühlöl. Die Anzahl der Kühlelemente kann aufgrund der verbesserten Formstabilität besonders groß gewählt werden, so dass die wirksame Kühloberfläche optimiert wird. Zusätzlich wird verhindert, dass die vom Kolbenboden aufgenommene Wärme in den Bereich der Ringpartie durchdringt.
Eine weitere geeignete Ausgestaltung sieht ringsegmentförmige Kühlelemente vor, die gegebenenfalls mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlöl versehen sein können, um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, dass stiftförmige Kühlelemente vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung geht mit der größtmöglichen Erhöhung der Kühloberfläche einher, so dass eine besonders wirkungsvolle Wärmeabfuhr von den Kühlelementen zum Kühlöl erfolgt.
Die Kühlelemente sind vorzugsweise als Vollmetall-Kühlelemente ausgebildet und bestehen bspw. aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil zur Unterstützung der Kühlwirkung zusätzlich einen inneren Kühlraum, der durch eine umlaufende Trennwand vom umlaufenden Kühlkanal getrennt ist. Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil können im Bereich der Trennwand zusätzliche Verbindungselemente aufweisen, die die Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil unterstützen. Auch diese Verbindungselemente können zur weiteren Verbesserung der Kühlwirkung als Kühlelemente ausgebildet sein.
Die Trennwand kann in vorteilhafter Weise mindestens zwei Überlauföffnungen für Kühlöl aufweisen, die den umlaufenden Kühlkanal und den inneren Kühlraum miteinander verbinden, um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren.
Die Werkstoffe für das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil können beliebig gewählt und miteinander kombiniert werden. Geeignet sind bspw. Stahlwerkstoffe und Leichtmetallwerkstoffe.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
2 den Kolben gemäß 1 in einer Draufsicht, teilweise im Schnitt;
3 einen vergrößerten Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
4 einen vergrößerten Ausschnitt eines Kolbenoberteils für ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, wobei die Darstellung gemäß 1 in der linken Hälfte gegenüber der Darstellung in der rechten Hälfte um 90° gedreht ist.
Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12. Das Kolbenoberteil 11 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Brennraummulde 14 sowie eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 17, Naben 18 mit Nabenbohrungen 18a zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) und Nabenabstützungen 19 auf, die mit dem Kolbenschaft 17 verbunden sind. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 21 und einen inneren Kühlraum 22, die durch eine Trennwand 29 voneinander getrennt sind. Im Ausführungsbeispiel sind in der Trennwand 29 Überlaufkanäle 27 vorgesehen, die den Kühlkanal 21 und den Kühlraum 22 miteinander verbinden.
Das Kolbenoberteil 11 weist eine sich an die Ringpartie 16 anschließende äußere Auflagefläche 23 und an seiner Unterseite eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 24 auf. Das Kolbenunterteil 12 weist an seiner Oberseite ebenfalls eine äußere Auflagefläche 25 sowie eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 26 auf. Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass die beiden Stützflächen 24, 26 sowie die beiden Auflageflächen 23, 25 aufeinander liegen. Im Bereich der Stützflächen 24, 26 wird im zusammengebauten Zustand die Trennwand 29 gebildet.
Die Materialien des Kolbenoberteils 11 und des Kolbenunterteils 12 können beliebig gewählt und miteinander kombiniert werden, bspw. Warmstahl, AFP-Stahl oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen. Beispielsweise kann das Kolbenoberteil 11 aus Warmstahl geschmiedet und das Kolbenunterteil 12 aus AFP-Stahl geschmiedet sein; das Kolbenoberteil 11 kann aber auch aus AFP-Stahl geschmiedet und das Kolbenunterteil 12 aus einer Aluminiumlegierung gegossen sein. Das Kolbenoberteil 11 kann aber auch aus einer Aluminiumlegierung geschmiedet und das Kolbenunterteil aus einer Aluminiumlegierung gegossen sein.
Im Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 21 des Kolbens 10 eine Vielzahl stiftförmige, als Kühlelemente 28 ausgebildete Befestigungsmittel angeordnet. Die Kühlelemente 28 bestehen aus einem gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen. Die freien Enden der Kühlelemente 28 sind in als Bohrungen ausgebildete Ausnehmungen 31, 32 aufgenommen. Die als Sackbohrung ausgebildete Ausnehmung 31 ist in einem vom Kolbenoberteil 11 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet und zum Kolbenboden 13 hin gerichtet. Die als Durchgangsbohrung ausgebildete Ausnehmung 32 ist in einem vom Kolbenunterteil 12 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet. Die Kühlelemente 28 sind im Ausführungsbeispiel sowohl im Kolbenoberteil 11 als auch im Kolbenunterteil 12 mittels Presssitz oder Schrumpfsitz befestigt.
Die Kühlelemente 28 sind somit zugleich Befestigungsmittel, mittels derer das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 im Wesentlichen spannungsfrei miteinander verbunden sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Befestigungsmittel in einem radialen Außenbereich des Kolbens 10, d. h. in unmittelbarer Nähe der Ringpartie 15, nämlich im umlaufenden Kühlkanal 21, gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Darüber hinaus bewirken die als Kühlelemente 28 ausgebildeten Befestigungsmittel eine Verbesserung der Formstabilität des erfindungsgemäßen Kolbens 10. Daher ist die Wanddicke zwischen der Brennraummulde 14 und den Ausnehmungen 31 besonders gering ausgebildet. Damit geht eine Material- und Gewichtsreduktion einher. Ferner wird die Wärme vom der Brennraummulde 14 besonders schnell zu den Kühlelementen 28 abgeleitet.
Die Oberflächen der zahlreichen Kühlelemente 28 wirken als zusätzliche große Kühloberfläche im Kühlkanal 21. Über diese Kühloberfläche wird die vom Kolbenboden 13 zu den Kühlelementen 28 transportierte Wärme besonders schnell an das Kühlöl abgegeben, welches die Kühlelemente 28 umspült. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden 13 zum Kühlkanal 21 und von dort sowohl zum Kühlöl als auch zum Kolbenunterteil 12 gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung des Kolbenbodens 13 und des Muldenrands der Brennraummulde 14 besonders wirksam reduziert.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ferner in der Trennwand 29 stiftförmige Verbindungselemente 30 vorgesehen, die, vergleichbar mit den als Kühlelementen 28 ausgebildeten Befestigungsmitteln, in im Kolbenoberteil 11 bzw. Kolbenunterteil 12 vorgesehene Ausnehmungen aufgenommen sind, bspw. mittels Presssitz oder Schrumpfsitz. Die Verbindungselemente 30 unterstützen die von den als Kühlelementen 28 ausgebildeten Befestigungsmitteln herbeigeführte Verbindung zwischen dem Kolbenoberteil 11 und dem Kolbenunterteil 12. Die Verbindungselemente 30 können ebenfalls als Kühlelemente ausgebildet sein, um die Wärmeabfuhr vom Kolbenboden 13 zum Kolbenunterteil 12 zu unterstützen.
3 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mehrteiligen Kolbens 110, wobei für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. In 3 sind lediglich ein Teil des Kolbenoberteils 11 und ein Teil des Kolbenunterteils 12 sowie der Kühlkanal 21 und ein Kühlelement 128 dargestellt. Der Kolben 110 ist genauso aufgebaut wie der in 1 dargestellte Kolben 10. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die unteren freien Enden der Kühlelemente 128 in als Sackbohrung ausgebildeten, im Kolbenunterteil 12 vorgesehenen Ausnehmungen 132 aufgenommen sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 128 sind, genauso wie im Kolben 10, in als Sackbohrungen ausgebildeten Ausnehmungen 31 aufgenommen, die im Kolbenoberteil 11 vorgesehen sind. Die Kühlelemente 28 können auch bei diesem Ausführungsbeispiel bspw. mittels Presssitz oder Schrumpfsitz befestigt sein. Die Kühlelemente 128 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß 1 beschrieben worden sind.
4 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenoberteils 11 eines mehrteiligen Kolbens 210, der den in den 1 und 3 gezeigten Kolben 10 bzw. 110 gleicht. Es ist zu erkennen, dass im Bereich der Trennwand 29 Verbindungselemente 30 angeordnet sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass statt stiftförmiger Kühlelemente ringsegmentförmig ausgebildete Kühlelemente 228 vorgesehen sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 228 sind in vergleichbarer Weise in Ausnehmungen (nicht dargestellt) aufgenommen, die in einem vom Kolbenoberteil 11 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet sind. Die Kühlelemente 228 sind wie oben beschrieben in geeigneter Weise befestigt, bspw. mittels Schrumpfsitz oder Presssitz. In zusammengebautem Zustand sind in vergleichbarer Weise die unteren freien Enden der Kühlelemente 228 in im Kolbenunterteil vorgesehenen Ausnehmungen aufgenommen und befestigt (nicht dargestellt). Die Kühlelemente 228 weisen Durchtrittsöffnungen 239 auf, um eine optimale Durchmischung des im Kühlkanal 11 aufgenommenen Kühlöls zu gewährleisten. Die Kühlelemente 228 weisen die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß 1 beschrieben worden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10244512 A1 [0002]

Claims

Mehrteiliger Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11) und einem Kolbenunterteil (12), wobei das Kolbenoberteil (11) einen Kolbenboden (13), einen umlaufenden Feuersteg (15) sowie eine umlaufende Ringpartie (16) aufweist, wobei das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) durch Befestigungsmittel miteinander verbunden sind und einen umlaufenden Kühlkanal (21) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) verbindenden Befestigungsmittel als im Kühlkanal (21) angeordnete Kühlelemente (28, 128, 228) aus einem Wärme leitenden Werkstoff ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement (28, 128, 228) in einer im Kolbenoberteil (11) vorgesehenen Ausnehmung (31) und in einer im Kolbenunterteil (12) vorgesehenen Ausnehmung (32, 132) aufgenommen ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kolbenunterteil vorgesehenen Ausnehmungen (32, 132) als Durchgangsbohrungen oder Sackbohrungen ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (28, 128, 228) mittels Presssitz oder Schrumpfsitz in den Ausnehmungen (31, 32, 132) aufgenommen sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (228) ringsegmentförmig ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringsegmentförmig ausgebildeten Kühlelemente (228) Durchtrittsöffnungen (239) für Kühlöl aufweisen.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (28, 128) stiftförmig ausgebildet sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (28, 128, 228) als Vollmetall-Kühlelemente aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen ausgebildet sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) einen inneren Kühlraum (22) bilden, der durch eine umlaufende Trennwand (29) vom umlaufenden Kühlkanal (21) getrennt ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) im Bereich der Trennwand (29) Verbindungselemente (30) aufweisen, die das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) miteinander verbinden.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (30) als Kühlelemente ausgebildet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (30) mindestens zwei Überlaufkanäle (27) für Kühlöl aufweist, die den umlaufenden Kühlkanal (21) und den inneren Kühlraum (22) miteinander verbinden.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und/oder das Kolbenunterteil (12) aus einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff besteht.