DE19618625C1 - Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für Verbrennungsmotoren nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus der JP 2-301 648 A bekannt. Einen ähnlichen Stand der Technik zeigt die JP 60-132 050 A.

Bei den dort beschriebenen Kolben ist jedoch nachtei­ lig, daß durch die Anordnung der Kühlölkanäle ein eventueller Ölstau nicht verhindert werden kann.

Aus der Praxis ist es bekannt, daß ein Kolben für Ver­ brennungsmotoren bei aufgeladenen Motoren wegen der großen Wärmebelastung in seinem oberen Bereich durch einen eingegossenen Kühlkanal, der über eine Spritz­ düse mit Kühlflüssigkeit, in der Regel Motoröl, be­ füllbar ist, gekühlt wird.

Bei hochbelasteten Kolben wird die thermische Bela­ stung des Kolbenoberteiles, besonders wenn dieser eine Brennraummulde aufweist, sehr hoch, und es besteht bei herkömmlicher Kühlung die Gefahr von Wärmealterung, wodurch beispielsweise die Legierung des Kolbens an Formsteifigkeit und Festigkeit verliert.

Andererseits ist es beispielsweise bei direkteinge­ spritzten Dieselmotoren bekannt, daß nur der Kolben­ boden sehr heiß wird, nicht aber die an das Kühlwasser wärmeabgebenden Brennraumwände.

Durch die somit nicht ausreichende Erwärmung des Kühl­ wassers ist eine zusätzliche Fahrgastraumheizung er­ forderlich, während die Kühlung des Kolbens mit aus­ reichend Kühlöl problematisch ist.

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß in einem Kolben aufgrund asymmetrischer Randbedingungen, welche sich durch die Plazierung von Ein- und Auslaßventilen, der Anordnung von Spritzdüsen für das Kühlöl, die Ausfor­ mung einer Verbrennungsmulde, Ladungswechseleinflüsse und der Wirkung der Kühlung des Zylinderkopfes erge­ ben, asymmetrische Verhältnisse bezüglich des Wärme­ flusses vorliegen. So finden sich in einem Kolbenober­ teil Bereiche, die Wärmenester darstellen und einer starken Reduzierung ihres Temperaturniveaus bedürfen, aber auch Bereiche, in denen ein geringeres Tempera­ turniveau vorherrscht, so daß eine zu starke Kühlung bei gebauten Kolben eventuell zu einer Taupunktkorro­ sion in diesen Bereichen führen könnte.

Aus der DE 38 19 663 A1 ist ein gebauter flüssigkeitsge­ kühlter Kolben mit Spritzölzufuhr, der für eine Anwen­ dung in mit Schweröl betriebenen Viertakt-Dieselmoto­ ren vorgesehen ist, bekannt, wobei dieser Kolben durch Ausformung im Kolbenoberteil und im Kolbenunterteil zwei äußere ringförmige Hohlräume und einen mittleren Hohlraum aufweist, und das Kühlmittel einem äußeren Hohlraum zugeführt wird und danach zum mittleren Hohl­ raum weitergeleitet wird. Die beiden äußeren Hohlräume sind dabei übereinander und nacheinander mit Kühlmit­ tel beaufschlagbar angeordnet, wobei der zuerst ange­ strömte untere Hohlraum in einem Bereich geringerer Wärmebelastung angeordnet ist. Einen ähnlich aufge­ bauten Kolben zeigt auch die DE 30 19 953 A1.

Bei diesen bekannten Kolben ist der Flüssigkeitskanal vorteilhafterweise so angeordnet, daß er eine Kühlmit­ telführung ermöglicht, die sowohl der Notwendigkeit einer Anhebung des Temperaturniveaus im Bereich der Kolbenringnuten wie auch einer intensiven Kühlung der Bodenplatte des Kolbens gerecht wird. Obwohl mit die­ sem bekannten Kolben eine unterschiedlich starke Küh­ lung im Bereich der Kolbenringnuten und der Boden­ platte des Kolbens erreicht wird, läßt die aus der DE 38 19 663 bekannte Lösung die zuvor genannten asym­ metrischen Randbedingungen in einem Kolben durch eine im wesentlichen symmetrische Kühlkanalgestaltung außer acht, wodurch sich langfristig eine wärmebedingte Schädigung in Teilbereichen des Kolbens ergibt.

Die JP 56-124 650 A zeigt einen Kolben mit einem Kühl­ kanal, welcher von seiner Auslaßseite in Richtung sei­ ner Einlaßseite verjüngt ist.

Der dort dargestellte Kühlkanal in dem Kolben ist je­ doch ebenfalls nicht in der Lage, einen Ölstau wirksam zu verhindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen flüs­ sigkeitsgekühlten Kolben für Verbrennungsmotoren mit hoher Lebensdauer zu schaffen, bei dem ein Kühlkanal derart angeordnet ist, daß er mit den unsymmetrischen Wärmebedingungen in dem Kolben korreliert und eine dem jeweiligen Kühlungsbedarf angepaßte geometrische Form aufweist. Insbesondere soll eine Variierung der Strö­ mungsgeschwindigkeit erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Flüssigkeitskanal mit seiner diffusorförmigen Erweiterung in Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit eine unterschiedlich starke Fließgeschwindigkeit des Kühlöles bewirkt, indem im Bereich eines engeren Ka­ nalquerschnittes eine höhere Fließgeschwindigkeit vorliegt und zum Bereich eines größeren Kanalquer­ schnittes hin eine Saugwirkung entsteht, wodurch ein schnellerer Kühlverlauf in Abschnitten mit einer dif­ fusorförmigen Erweiterung erreicht wird.

Der den Bereich mit dem engeren Querschnitt des Kühl­ kanales umgebende Teil des Kolbens erfährt nämlich ei­ ne wesentlich stärkere Kühlwirkung als der den Bereich mit dem großen Querschnitt des Kühlkanales umgebende Teil des Kolbens. Durch eine Querschnittsvergrößerung des Kühlflüssigkeitskanales kann der Wärmeübergang des Kühlmittels in einem Bereich, der einer hohen thermi­ schen Belastung ausgesetzt ist, so weit erhöht werden, daß das durch einen Wärmeaustausch in einem vorange­ gangenem Bereich des Kühlkanales bereits leicht er­ wärmte Kühlmittel zur Kühlung ausreicht.

Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Auf­ nahmevermögen des Kühlflüssigkeitskanales geometrisch begrenzt ist und eine Erhöhung des Wärmeüberganges nur über die Fließgeschwindigkeit zu erreichen ist.

Die diffusorförmige Erweiterung bietet desweiteren den Vorteil, daß in jedem Punkt des Flüssigkeitskanales ein Kühlflüssigkeitsstau oder -rückfluß vermieden wird.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Kühlflüssig­ keitskanales kann das Temperaturniveau in allen Berei­ chen des Kolbens annähernd gleich gehalten werden, so daß Festigkeitsabnahmen durch Alterung in einzelnen Bereichen des Kolbens infolge von Wärmeeinwirkung ver­ mieden werden.

Durch die erfindungsgemäßen Turbulenzkanten und/oder Querschnittssprünge ergibt sich eine Variierung der Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein Kühlölrücklauf und somit ein Ölstau wirksam vermieden werden kann.

Die gezielte Kühlung in dem erfindungsgemäßen Kolben führt zu einer bleibend hohen Festigkeit und Formstei­ figkeit des Kolbens und somit zur Verlängerung der Kolbenlebensdauer und damit zu einer Senkung der Be­ triebskosten.

Des weiteren können mit einem Kolben gemäß der Erfin­ dung Vorteile bei spezifischen Anwendungen erzielt werden, wie z. B., daß es durch die gezielte Kühlung bei direkteingespritzten Dieselmotoren möglich ist, den Kolben effektiver zu kühlen und die so abgeführte Wärmemenge zur Fahrgastraumheizung zu nutzen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Kolben mit Kühlflüssigkeitskanal und Kühlflüssigkeitseinspritzung im Querschnitt,

Fig. 2 einen Achsschnitt durch den Kolben gemäß Fig. 1 entlang der Linie I-I,

Fig. 3 einen weiteren Kolben mit Kühlflüssigkeits­ kanal im Achsschnitt und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Kolben gemäß Fig. 3 entlang der Linie II-II.

Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 2 ist ein Kolben 1 für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenboden 2, der eine Verbrennungsmulde 3 aufweist, dargestellt. In ei­ nem Hohlraum 4 in dem Kolben 1 ist eine Kolbenbolzen­ lagerung 5 mit einem Kolbenbolzen 6, der in einer von einem Pleuelauge 7 aufgenommenen Pleuelbuchse 8 gela­ gert ist, angeordnet. In einem oberen Bereich über dem Hohlraum 4 sind in dem Kolben 1 zwei Flüssigkeitskanä­ le 9A und 9B ausgebildet. Jeder von diesen weist eine als Fangtrichter ausgebildete Eintrittsöffnung 10A bzw. 10B, in die eine Kühlflüssigkeit 11, welche wegen des gleichzeitigen Schmiereffektes zweckmäßigerweise Kühlöl darstellt, mittels einer schematisch angedeute­ ten Einspritzdüse 12 eingespritzt wird, auf. Beide Flüssigkeitskanäle 9A, 9B münden über eine gemeinsame Austrittsöffnung 13 in den Hohlraum 4 mit der Kolben­ bolzenlagerung 5.

Durch die Kolbenbewegung und eine Schräglage der Ein­ spritzdüse 12 bedingt, erfolgt die Einspritzung des Kühlöles in die Flüssigkeitskanäle 9A, 9B zweckmäßi­ gerweise alternierend, wobei sich durch die abwech­ selnde Beschickung der Flüssigkeitskanäle ein mittle­ res Temperaturniveau in dem Kolben 1 einstellt.

Der Übergangsbereich 14 zwischen dem Fangtrichter 10A bzw. 10B und dem Flüssigkeitskanal 9A bzw. 9B ist je­ weils derart gestaltet, daß der Eintritt des einge­ spritzten Kühlöles 11 in den Flüssigkeitskanal 9 an dessen höchsten Punkt im Kolben 1 erfolgt, während die Austrittsöffnung 13 im Bereich des tiefsten Punktes der Flüssigkeitskanäle 9A, 9B angeordnet ist.

Die Flüssigkeitskanäle 9A, 9B sind von ihrem höchsten Punkt im an den Fangtrichter 10A bzw. 10B grenzenden Übergangsbereich 14 bis zur Austrittsöffnung 13 so ausgebildet, daß ihre Achse in einer Schräglage zur Ebene des Kolbenbodens 2 verläuft.

Während sich in dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Schräglage der Flüssigkeitska­ näle 9A, 9B über ihre gesamte Länge erstreckt, kann in einer anderen Ausführung selbstverständlich auch nur ein Teil eines der Flüssigkeitskanäle eine Schräglage zur Ebene des Kolbenbodens 2 aufweisen. Der Schrägla­ genwinkel ist dabei jeweils ein an die gegebenen Be­ dingungen anzupassender Auslegungsparameter.

Die Flüssigkeitskanäle 9A, 9B sind schlangenförmig derart ausgebildet, daß jeweils das erste Drittel ihrer Länge nach den Eintrittsöffnungen 10A, 10B, in dem der größte Wärmeaustausch erzielbar ist, in den Bereichen des Kolbens 1 liegt, in denen die höchsten Temperaturniveaus vorliegen, und der weitere Verlauf mit der unsymmetrischen Wärmeverteilung im Kolben 1 korreliert.

Der Übergangsbereich 14 zwischen dem Fangtrichter 10A, 10B und dem Flüssigkeitskanal 9A, 9B weist jeweils den engsten Querschnitt betrachtet über die Länge des Flüssigkeitskanales auf, wodurch eine Saugwirkung ent­ steht, bei der die Fließgeschwindigkeit des Kühlöles 11 und der Kühlöldurchsatz erhöht wird, was einen schnelleren Kühlverlauf zur Folge hat.

Der Querschnittsverlauf der Flüssigkeitskanäle 9A, 9B ist dahingehend variiert, daß in Strömungsrichtung des Kühlöles 11, welche durch die Richtungspfeile 15 sym­ bolisiert ist, jeweils eine diffusorförmige Erweite­ rung 16 auftritt, welche unstetig mit Querschitts­ sprüngen 17 und Turbulenzkanten 18 ausgebildet ist. Die dadurch erzeugte Variierung der Strömungsgeschwin­ digkeit des Kühlöles 11 verhindert einen Kühlölrück­ lauf oder einen Ölstau.

Das Kühlöl 11, welches unter Druck in den Kanal ein­ gespritzt wird, besitzt somit durch die Schräglage des Flüssigkeitskanäle 9A, 9B und deren Ausgestaltung mit der diffusorförmigen Erweiterung 16 stets die für den Kühlprozeß erforderliche Strömungsgeschwindigkeit bis zu ihrem Austritt durch die gemeinsame Austrittsöff­ nung 13, mittels derer das Kühlöl der Kolbenbolzenla­ gerung 5 zugeführt wird.

Es versteht sich, daß in anderen, nicht dargestellten Varianten auch mehrere diffusorförmige Erweiterungen analog einem Carnot-Mehrfach-Diffusor vorgesehen sein können, und daß sich die diffusorförmige Erweiterung auch nur über einen Teil der Länge des Flüssigkeitska­ nales erstrecken kann.

In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungs­ beispiel eines Kolbens 1 dargestellt, welcher im Prin­ zip dem des unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles entspricht, wes­ halb die funktionsgleichen Elemente analog bezeichnet sind.

In dem Kolben 1 gemäß den Fig. 3 und 4 sind zwei gleichartige, separate Flüssigkeitskanäle 9A, 9B mit jeweils einer diffusorförmigen Erweiterung 16 ausge­ bildet. Im Bereich der Eintrittsöffnungen 10A, 10B zweigt von dem Flüssigkeitskanal 9A, 9B jeweils ein nasenartiger Seitenkanal 19A, 19B ab, der auf kürze­ stem Weg zu einer in den Hohlraum 4 mit der Kolbenbol­ zenlagerung 5 mündenden Austrittsöffnung 20A, 20B führt.

Über den Seitenkanal 19A, 19B gelangt somit ein Teil des in den Kühlmittelkanal 9A, 9B eingespritzten Kühl­ öles ohne starke Erwärmung zur Kolbenbolzenlagerung 5, während der restliche Teil zur Kühlung des Kolbens 1 durch den Flüssigkeitskanal 9A, 9B bis zur Austritts­ öffnung 13A, 13B geführt wird.

Die Austrittsöffnungen 13A, 13B, 20A, 20B sind bezüg­ lich des Pleuelauges 8 mit der Pleuelbuchse 7 außer­ mittig angeordnet, damit das Kühlöl nicht über das Pleuelauge 8 laufen muß, um an die rotatorisch beweg­ ten Flächen der Kolbenbolzenlagerung 5 zu gelangen, sondern direkt an die seitlichen Bereiche des Pleuel­ auges 8 bzw. der Pleuelbuchse 7 geführt wird, um den Kolbenbolzen 6 zu benetzen.

Durch die Ausbildung der Seitenkanäle 19A, 19B wird somit die Effizienz der Kolbenkühlung weiter erhöht.

Des weiteren ist durch die Seitenkanäle 19A, 19B auch bei einem Anlagewechsel, d. h. bei einer Schrägstellung zwischen dem Kolben und dem Pleuel, die Ölzufuhr ge­ währleistet.

Die Oberfläche der Flüssigkeitskanäle 9A, 9B stellt in jeder beschriebenen Ausführung eine Überlagerung von Gestaltabweichungen 1. bis 4. Ordnung nach DIN 4760 dar, wobei ein hoher Rauheitsgrad vorteilhafterweise eine den Wärmeübergang unterstützende Turbulenzerzeu­ gung mit einer großen Wärmeaustauschfläche ermöglicht.

Claims (7)

1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmo­ toren, mit einer Kühlölzufuhr und wenigstens einem Flüssigkeitskanal, der in einem durch einen Kol­ benboden begrenzten Kolbenoberteil ausgeformt ist, der wenigstens eine als Fangtrichter ausgeformte Eintrittsöffnung für das Kühlöl und im Bereich seines tiefsten Punktes eine Austrittsöffnung zur Schmierung einer Kolbenbolzenlagerung aufweist, wobei die Achse des Flüssigkeitskanales wenigstens teilweise in einer Schräglage zur Ebene des Kol­ benbodens verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (9A, 9B) wenigstens in einem Teilbereich seiner Länge eine diffusorförmige Er­ weiterung (16) in Strömungsrichtung des Kühlöles (11) aufweist, wobei die diffusorförmige Erweite­ rung (16) unstetig mit Turbulenzkanten (18) und/oder Querschnittssprüngen (17) ausgebildet ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Flüssigkeitskanal (9A, 9B) zugewandte Ende des Fangtrichters (10A, 10B) im Bereich des höch­ sten Punktes des Flüssigkeitskanales (9A, 9B) liegt.

3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (9A, 9B) in einem an das Ende des Fangtrichters (10A, 10B) angrenzenden Über­ gangsbereich (14) seinen engsten Querschnitt auf­ weist.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste der Eintrittsöffnung (10A, 10B) zugewand­ te Drittel der Länge des Flüssigkeitskanales (9A, 9B) in einem Kolbenbereich mit dem höchsten Temperaturniveau angeordnet ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in dem Kolben (1) ausgebildete Flüssigkeits­ kanäle (9A, 9B) eine gemeinsame Austrittsöffnung (13) aufweisen, wobei die Flüssigkeitskanäle (9A, 9B) über die Eintrittsöffnungen (10A, 10B) al­ ternierend mit Kühlöl (11) beschickbar sind.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich der Eintrittsöffnung (10A, 10B) ein von dem Flüssigkeitskanal (9A, 9B) abzweigender und in den Hohlraum (4) mündender Seitenkanal (19A, 19B) mit einer Austrittsöffnung (20A, 20B) in dem Kolben (1) ausgebildet ist.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (13, 20A, 20B) außermittig zur Kolbenbolzenlagerung (5) angeordnet sind.