Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für Verbrennungsmotoren.
[0002] Die Kolben von Verbrennungsmotoren sind aufgrund der in dem Brennraum stattfindenden
Verbrennungen hohen thermischen Belastungen unterworfen. Hierbei ist es insbesondere
bei Dieselmotoren und aufgeladenen Motoren zweckmäßig, die Kühlung der Kolben durch
die Zuführung von Kühlmittel zu Hohlräumen in dem Kolben zu gewährleisten.
Stand der Technik
[0003] Aus der DE 30 19 953 A1 ist es bekannt, in einem Kolbenoberteil einen ringförmigen
Kühlmittelkanal vorzusehen, der über geeignete Einlaßbohrungen von der Seite des Kurbelraumes
her mit Kühlmittel, beispielsweise Öl, beaufschlagt wird. Über einen kurzen radial
verlaufenden Kühlmittelkanal, der von dem ringförmigen Kühlmittelkanal abgezweigt
ist, wird das Kühlmittel etwa im Zentrum des Kolbens zum Kurbelraum hin abgelassen.
Eine derartige Anordnung der Kühlmittelkanäle ist deshalb von Nachteil, weil das Kühlmittel
im mittleren Bereich des Kolbens, der einer besonders hohen Wärmebelastung unterliegt,
den Kontakt zu dem Kolben verliert, wenn es aus der Ablaßöffnung ausfließt. Eine hinreichende
Kühlung des Kolbens kann somit durch die aus der genannten Druckschrift bekannte Anordnung
von Kühlmittelkanälen nicht immer gewährleistet werden. Da bei diesem bekannten Kolben
der Ölablauf über dem Bolzenlager liegen muß, sind die gezeigten Kühlmittelkanäle
ferner nur für flache Mulden oder nur halbseitig zu verwenden.
[0004] Aus der DE 34 44 661 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben bekannt, der neben einem
ringförmigen Kühlmittelkanal mehrere Sacklochbohrungen aufweist, die von dem ringförmigen
Kühlmittelkanal in Richtung des Kolbenbodens abzweigen. Ferner sind mehrere sternförmig
angeordnete, radial verlaufende Kühlmittelkanäle ausgebildet, und im Kreuzungspunkt
dieser Kühlmittelkanäle ist eine Ablaßöffnung vorgesehen. Somit besteht auch für diesen
bekannten Kolben der Nachteil, daß das Kühlmittel in demjenigen Bereich nach unten
abfließt, welcher der höchsten thermischen Belastung unterworfen ist, so daß die Kühlung
unzureichend ist. Ferner weist die beschriebene Anordnung von Kühlmittelkanälen eine
sehr komplizierte Gestalt auf, so daß dieser Kolben nur mit einem unerwünscht hohen
Aufwand und äußerst komplizierten, mehrarmigen Gießkernen herstellbar ist. Dieser
Nachteil verbleibt insbesondere auch für eine Ausführungsform des aus der DE 34 44
661 A1 bekannten Kolbens, bei der im Kreuzungspunkt der radial verlaufenden Kühlmittelkanäle
keine Ablaßöffnung ausgebildet ist.
[0005] Schließlich ist aus der DE 38 19 663 ein flüssigkeitsgekühlter Kolben mit zwei ringförmigen
Hohlräumen im Kolbenoberteil und im Kolbenunterteil, sowie einem mittleren Hohlraum
bekannt. Auch dieser Kolben ist jedoch aufgrund der komplizierten Gestalt der vorhandenen
Kühlmittelkanäle nur mit einem hohen Herstellungsaufwand zu fertigen.
[0006] Angesichts dieser Nachteile der im Stand der Technik bekannten flüssigkeitsgekühlten
Kolben liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten
Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem eine ausreichende Kühlung
des Kolbens in sämtlichen Bereichen gewährleistet ist, und der darüber hinaus bei
einem geringen Herstellungsaufwand zu fertigen und mit einem geringen Montageaufwand
einzubauen ist.
Darstellung der Erfindung
[0007] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs
1.
[0008] Demzufolge sind bei dem erfindungsgemäßen Kolben zum einen zwei in einem Kolbenoberteil
ausgebildete, ringsegmentförmige Kühlmittelkanäle vorgesehen, die jeweils an bezüglich
einer Kolbenbolzenachse symmetrischen Stelle zur Kühlmittelzufuhr und zum Kühlmittelablaß
zu einem Kurbelraum hin Öffnungen besitzen. Zum anderen ist ein radial verlaufender,
in seinem Verlauf zum Kurbelraum hin geschlossener Verbindungskanal vorgesehen, der
mit den ringsegmentförmigen Kanälen im Bereich der Öffnungen in den Kurbelraum mündet.
[0009] Durch die einfache Gestalt der in dem erfindungsgemäßen Kolben vorgesehenen Hohlräume
zur Kühlmittelzufuhr, nämlich zwei ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen und einem
Verbindungs- oder Brückenkanal, ist der erfindungsgemäße Kolben mit Hilfe eines einfachen
Gießkernes mit geringem Aufwand herstellbar. Ferner ergibt sich aufgrund der Symmetrie
des erfindungsgemäßen Kolbens zu der Kolbenbolzenachse der Vorteil, daß bei der Montage
des Kolbens nicht auf die Ausrichtung des Kolbens geachtet werden muß. Wie erwähnt,
sind in den ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen an Stellen, die bezüglich der Kolbenbolzenachse
symmetrisch angeordnet sind, Öffnungen vorgesehen, und die Bereiche der Öffnungen
sind durch den radial verlaufenden Verbindungskanal miteinander verbunden. Der Kolben
ist folglich zur Kolbenbolzenachse symmetrisch ausgebildet, und jede der in den ringsegmentförmigen
Kühlmittelkanälen ausgebildeten Öffnungen kann als Zuführ- oder als Ablaßöffnung verwendet
werden. Bei der Montage des Kolbens macht es somit keinen Unterschied, welche der
beiden Öffnungen im Bereich derjenigen Vorrichtung in dem Kurbelraum angeordnet wird,
die für eine Zuführung des Kühlmittels, beispielsweise Kühlöl, zu den Hohlräumen des
Kolbens sorgt.
[0010] Ferner ist der unterhalb der Brennraummulde in dem Kolbenboden verlaufende Verbindungskanal
zum Kurbelraum hin geschlossen. Somit erfolgt der Ablaß des Kühlmittels bei dem erfindungsgemäßen
Kolben keinesfalls in einem mittleren Bereich des Kolbens, der besonders hohen thermischen
Belastungen unterworfen ist. Durch den Durchfluß des Kühlmittels durch den Verbindungskanal
unterhalb der Brennraummulde erfolgt eine zweckmäßige Abführung der auf den Kolben
übertragenen Wärme, und das Kühlmittel wird in einem Randbereich abgelassen, der ohnehin
in geringerem Ausmaß einer Wärmebelastung unterliegt. Hierdurch kann in zweckmäßiger
Weise eine stets ausreichende Wärmeabfuhr erfolgen.
[0011] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
[0012] Für den Verbindungskanal wird bevorzugt, daß dieser zumindest bereichsweise geneigt
ausgebildet ist. Durch eine derartige Gestaltung des Verbindungskanals kann in vorteilhafter
Weise eine Anpassung des Verlaufs des Verbindungskanals an die Form der Brennraummulde
bzw. des Kolbenbodens insgesamt erfolgen.
[0013] Ferner wird hierdurch für einen zuverlässigen Durchfluß des Kühlmittels, ohne die
Gefahr eines Staus, gesorgt.
[0014] In vorteilhafter Weise kann der Verbindungskanal hinsichtlich seines Verlaufs an
den Boden einer in dem Kolbenboden ausgebildeten Brennraummulde angepaßt werden. Durch
diese Maßnahme kann eine besonders zuverlässige Kühlung des Kolbens in dem besonders
stark erwärmten Bereich der Brennraummulde erfolgen.
[0015] In besonderen Versuchen hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, den
Verbindungskanal überwiegend oberhalb des Niveaus der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle
auszubilden. Hierdurch kann der Verbindungskanal besonders nahe an den Kolbenboden
herangeführt werden, um die Kühlung dieses Bereichs zu bewerkstelligen, wobei gleichzeitig
die Zuführung von Kühlmittel zu den unterhalb des Verbindungskanals, im Bereich der
ringsegmentförmigen Kühlkanäle angeordneten Öffnungen in einfacher Weise gewährleistet
werden kann.
[0016] Für die Verteilung des Kühlmittels in die als Einlaßöffnung fungierende Öffnung der
ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle bietet es besondere Vorteile, wenn im Bereich
der Öffnungen der Kühlmittelkanäle jeweils Ablenkeinrichtungen vorgesehen sind, die
einen auf die Öffnung gerichteten Kühlmittelstrahl in Abhängigkeit der Hubhöhe des
Kolbens im Zylinder in einen der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle oder den Verbindungskanal
ablenkt Bei der beschriebenen Ablenkeinrichtung handelt es sich beispielsweise um
einen rippenartigen Vorsprung, der im Bereich des Öffnungsbodens, also der Zone, die
dem Kolbenboden am nächsten ist, ausgebildet ist. Durch geeignete Gestaltung dieser
Ablenkeinrichtungen wird hierdurch im Verlauf des Arbeitszyklus eine Zuführung des
Kühlmittels zu sämtlichen Kühlmittelkanälen des erfindungsgemäßen Kolbens sichergestellt.
[0017] Für die Querschnitte der Kühlmittelkanäle haben Versuche ergeben, daß es vorteilhaft
ist, diese derart auszubilden, daß sie in einer Entfernung von den Öffnungen größer
werden. In Verbindung mit geeignet gestalteten, vergleichsweise großen Öffnungen,
durch die das Kühlmittel abfließt, kann hierdurch eine kurze Verweildauer des Kühlöls
erreicht werden, was für eine äußerst geringe Erwärmung des Kolbenbodens und des Brennraummuldenbodens
sorgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0018] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Kolbens mit dem Verlauf der Kühlmittelkanäle;
- Fig. 2
- eine Schnittansicht des Kolbens senkrecht zur Kolbenbolzenachse; und
- Fig. 3
- eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens mit Teilschnitt parallel zur Kolbenbolzenachse.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
[0019] Bei der Darstellung von Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht des erfindungsgemäßen
Kolbens 10 der Verlauf der Kühlmittelkanäle dargestellt. Im einzelnen ist in der in
radialer Richtung äußeren Hälfte des Kolbenoberteils des Kolbens 10 je ein ringsegmentförmiger
Kühlmittelkanal 12a und 12b ausgebildet. Im Verlauf der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle
12a und 12b sind an zwei diametral einander gegenüberliegenden, zur Kolbenbolzenachse
14 symmetrischen Stellen Öffnungen 16a, 16b und 18 ausgebildet. In der Darstellung
von Fig. 1 sind die Mündungen der Öffnungen 16a, 16b und 18 gestrichelt gezeichnet.
[0020] Im Bereich der Öffnungen 16a und 16b ist ein Verbindungskanal 20, der auch als Brückenkanal
bezeichnet wird, mit den ringsegmentförmigen Kühlmittelkanälen 12a, 12b verbunden.
Erfindungsgemäß ist dieser Verbindungskanal 20 in seinem Verlauf nicht zum Kurbelraum
hin geöffnet. Vielmehr steht der Verbindungskanal 20 lediglich im Bereich der Öffnungen
16a, 16b und 18 mit den ringsegmentförmigen Kanälen 12a und 12b in Verbindung. Hierdurch
erfolgt die Kühlmittelzufuhr über eine der beiden Öffnungen 16a und 16b jeweils in
die ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle 12a, 12b oder über die Öffnung 18 in den
Verbindungskanal 20.
[0021] Das Kühlmittel, das in den Verbindungskanal 20 gelangt, kühlt durch den Wärmeübergang
von den umgebenden Bereichen des Kolbenoberteils, die unterhalb des Kolbenbodens und
insbesondere im Bereich der Brennraummulde liegen, diese Zonen des Kolbens. Der Abfluß
des Kühlmittels erfolgt durch die jeweils andere Öffnung 18. Wie beschrieben, ist
der Kolben durch die entsprechende Anordnung der Öffnungen 16a, 16b und den Verbindungskanal
20 zur Kolbenbolzenachse 14 völlig symmetrisch, so daß der Einbau des Kolbens vereinfacht
werden kann, indem die Ausrichtung des Kolbens 10 nicht beachtet werden muß.
[0022] Je nachdem welche der Öffnungen 16a, 16b, 18 oberhalb derjenigen Einrichtung in dem
Kurbelraum angeordnet wird, die für die Zuführung des Kühlmittelstrahls zu dem Kolben
10 sorgt, gelangt das Kühlmittel durch die entsprechende Öffnung in einen der Kühlmittelkanäle
12a, 12b und 20 und verläßt diese Kanäle durch die andere der Öffnungen 16a, 16b,
18. In der Draufsicht von Fig. 1 ist ebenfalls zu erkennen, daß die Kanäle 12a, 12b
und 20 in dem von den Öffnungen 16a, 16b und 18 entfernten Bereich größer werdend
ausgebildet sind, was sich für die Kühlwirkung durch das hindurchfließende Kühlmittel
als vorteilhaft erwiesen hat.
[0023] In der Schnittdarstellung von Fig. 2, die einen Schnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse
darstellt, ist insbesondere der an eine Brennraummulde 22 angepaßte Verlauf des Verbindungskanals
20 zu erkennen. Der Verbindungskanal 20, der im Bereich der Öffnungen 16a, 16b, 18,
von denen nur die Öffnungen 16a und 18 gezeigt sind, mit dem (in Fig. 2 nicht gezeigten)
ringsegmentförmigen Kanal 12a verbunden ist, verläuft ausgehend von dem Bereich der
Öffnung 18 nach oben, in Richtung des Kolbenbodens 24 geneigt und ist dadurch an die
Gestalt der Brennraummulde 22 angepaßt.
[0024] Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ist der Kolbenboden 24 in einem zentralen Abschnitt
vergleichsweise geringfügig ausgenommen, während die Ausnehmung zu den Randbereichen
hin zur Ausbildung einer ringförmigen Brennraummulde größer wird. Für eine optimale
Kühlung des Bereichs unterhalb der Brennraummulde 22, der in hohem Ausmaß einer Wärmebelastung
unterworfen ist, ist der Verbindungskanal 20 vom Randbereich in Richtung des mittleren
Bereichs des Kolbens ansteigend ausgebildet. Aufgrund der symmetrischen Gestalt der
Brennraummulde 22 verläuft auch der Verbindungskanal 20 zur Kolbenbolzenachse symmetrisch,
so daß sich ein weitgehend dachartiger Verlauf des Verbindungskanals 20 einstellt.
[0025] Durch den vergleichsweise geringen Abstand des Verbindungskanals 20 von der Brennraummulde
22 kann hierdurch eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt werden. Insbesondere kann von
einem an die Gestalt der Brennraummulde 22 angepaßten Verlauf des Verbindungskanals
20 gesprochen werden, der in vorteilhafter Weise für eine optimierte Kühlung dieser
Zonen sorgt.
[0026] Aus Fig. 2, in welcher der vollständige Verlauf des Verbindungskanals 20 angedeutet
ist, geht ferner hervor, daß dieser erfindungsgemäß zum Kurbelraum hin verschlossen
ist, so daß der Abfluß des Kühlmittels in einem Randbereich, über eine der Öffnungen
18 erfolgt, so daß insbesondere eine ausreichende Kühlung des einer besonderen Wärmebelastung
unterliegenden mittleren Bereichs gewährleistet ist.
[0027] Aus dem parallel zur Kolbenbolzenachse 14 genommenen Teilschnitt der Fig. 3 ist ein
fakultatives Merkmal der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10,
nämlich eine der Ablenkeinrichtungen 26 zu erkennen. Aus der Schnittdarstellung von
Fig. 3 ergibt sich zum einen die Anordnung der ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle
12a, 12b in einem Randbereich und in einem unteren Bereich des Kolbenoberteils. Der
in der Fig. 3 nicht dargestellte Kühlmittelkanal 12b liegt in bezug auf die senkrecht
zur Achse des Kolenbolzens stehende Kolbenmittelachse symmetrisch zu dem dargestellten
Kühlmittelkanal 12a. Ferner ist im mittleren, oberen Bereich des Kolbens 10 zu sehen,
daß der Verbindungskanal 20 an die Brennraummulde 22 zur Kühlung dieser Zonen des
Kolbens 10 herangeführt ist.
[0028] Bei der gezeigten Ausführungsform befinden sich im Bereich der Öffnungen 16a und
18 (symmetrisch ebenso im Bereich der nicht dargestellten Öffnung 16b) zu den Kühlmittelkanälen
12a und 20 (symmetrisch ebenso zu dem nicht dargestellten Kühlmittelkanal 12b) in
Fig. 3 teils gestrichelt gezeichnete Ablenkeinrichtungen 26, in Form eines gerundeten
Vorsprungs oder einer Rippe. Aufgrund der Hubhöhe des Kolbens 10 in der Zylinderbuchse
sorgen diese Ablenkeinrichtungen 26, auf die der (nicht gezeigte) Kühlmittelstrahl
auftrifft, für eine Ablenkung des Kühlmittelstrahls gemäß der Darstellung von Fig.
3 in den linken oder den rechten ringsegmentförmigen Kühlmittelkanal 12a, 12b oder
in den Verbindungskanal 20 (wobei, wie bereits erwähnt, der rechte ringsegmentförmige
Kühlmittelkanal 12b nicht dargestellt ist). Die Ablenkeinrichtungen 26 sind jeweils
am Grund der Öffnung 16a, 16b, 18, also an der dem Kühlmitteleintritt gegenüberliegenden
Seite der Öffnung 16a, 16b, 18 ausgebildet und weisen in der Draufsicht die in Fig.
1 gestrichelt gezeichnete Gestalt auf. In derjenigen Öffnung 16a, 16b, 18, die für
den Ölablaß sorgt, behindert die entsprechende Rippe 26 das Ausfließen des Kühlöls
nicht, so daß der erfindungsgemäße Kolben 10 symmetrisch gestaltet werden kann und
in beliebiger Orientierung eingebaut werden kann, um für die als Eintrittsöffnung
benutzte Öffnung 16a, 16b, 18 die vorteilhafte Wirkung der Rippen 26 zu nutzen.
1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben (10) für Verbrennungsmotoren, mit:
- zumindest einem in einem Kolbenoberteil ausgebildeten ringsegmentförmigen Kühlmittelkanal
(12a, 12b), der an bezüglich einer Kolbenbolzenachse (14) symmetrischen Stellen Öffnungen
(16a, 16b) zur Kühlmittelzufuhr und zum Kühlmittelablaß zu einem Kurbelraum hin besitzt,
und
- einem annähernd radial verlaufenden, in seinem Verlauf zum Kurbelraum hin geschlossenen
Verbindungskanal (20), der mit den ringsegmentförmigen Kanälen (12a, 12b) im Bereich
der Öffnungen (16a, 16b, 18) verbunden ist.
2. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verbindungskanal (20) zumindest bereichsweise geneigt ausgebildet ist.
3. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verbindungskanal (20) hinsichtlich seines Verlaufs an den Boden einer in einem
Kolbenboden (24) ausgebildeten Brennraummulde (22) angepaßt ausgebildet ist.
4. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach zumindest einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verbindungskanal (20) überwiegend oberhalb des Niveaus der ringsegmentförmigen
Kühlmittelkanäle (12a, 12b) verläuft.
5. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach zumindest einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Bereich der Öffnungen (16a, 16b, 18) der Kühlmittelkanäle (12a, 12b, 20) jeweils
eine Ablenkeinrichtung (26) vorgesehen ist, die einen auf die Öffnungen (16a, 16b,
18) gerichteten Kühlmittelstrahl in Abhängigkeit einer Hubhöhe des Kolbens (10) in
einem Zylinder in einen der beiden ringsegmentförmigen Kühlmittelkanäle (12a, 12b)
oder in den Verbindungskanal (20) ablenkt.
6. Flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren nach zumindest einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Querschnitte der Kühlmittelkanäle (12a, 12b, 20) derart ausgebildet sind, daß
sie in einer Entfernung von den Öffnungen (16a, 16b, 18) größer werden.