[0001] Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine,
mit einem radial umlaufenden, zu einem Kolbenboden beabstandeten Kühlkanal, der zumindest
eine Eintrittsöffnung und zumindest eine Austrittsöffnung einschließt. Das Kühlmittel,
ein Schmieröl der Brennkraftmaschine, wird über einen freien Strahl einer Einspritzdüse
in eine Eintrittsöffnung eingespritzt, durchströmt den Kühlkanal und verlässt den
Kolben durch eine Austrittsöffnung, gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
[0002] In höherbelasteten Brennkraftmaschinen können die Betriebstemperaturen der Kolben
die von dem Kolbenwerkstoff her zulässigen Grenzen überschreiten, wenn nicht Maßnahmen
zur Kühlung des Kolbens ergriffen werden. Als wirksame Kühlung ist es bekannt, in
dem Kolben einen Kühlkanal zu integrieren, durch den als Kühlmittel ein eingespritztes
Schmieröl zirkuliert.
[0003] Aus den Dokumenten
DE 43 31 649 A1 und
DE 43 40 891 A1 sind flüssigkeitsgekühlte Kolben mit einer Einspritzkühlung bekannt. Von einer zu
einer Längsachse des Kolbens geneigt ausgerichteten, ortsfest angeordneten Einspritzdüse
wird dabei ein freier Kühlmittelstrahl in den Kühlkanal des Kolbens gespritzt. Ein
schräg zu der Bewegungsrichtung des Kolbens ausgerichteter freier Kühlmittelstrahl
trifft, bedingt durch die oszillierende Bewegung des Kolbens, nur zeitweise die Eintrittsöffnung
des Kühlkanals optimal. Als Maßnahme, um den Anteil des in den Kühlkanal eingespritzten
Kühlmittels zu vergrößern, ist gemäß
DE 43 31 649 A1 die Eintrittsöffnung als ein Fangtrichter ausgebildet. Alternativ dazu ist die Eintrittsöffnung
gemäß
DE 43 40 891 A1 als eine langgestreckte, einen vergrößernden Querschnitt aufweisende Öffnung gestaltet.
Bei derartig ausgeführten Eintrittsöffnungen stellen sich relativ große Kühlmittelverluste
ein, aufgrund eines sich stets ändernden Einströmwinkels des eingespritzten Kühlmittels.
Damit verbunden ergibt sich keine optimale Zuströmung der Eintrittsöffnung, verbunden
mit Druckschwankungen des Kühlmittelstroms in dem Kühlkanal, die sich nachteilig auf
die Kühlwirkung auswirken.
[0004] Der der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben
mit einer verbesserten Kühlwirkung zur Erzielung einer abgesenkten Temperatur des
Kolbenbodens zu realisieren.
[0005] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0006] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolben zur Kühlmittelbeaufschlagung eines
geteilten oder ungeteilten Kühlkanals zumindest zwei ortsfest angeordnete Einspritzdüsen
einschliesst. Unabhängig von der Kühlkanalgestaltung wird dabei jede Eintrittsöffnung
des Kühlkanals von einem freien Kühlmittelstrahl der Einspritzdüse beaufschlagt, der
parallel zu der Längsachse des Kolbens ausgerichtet ist. Zusätzlich wird der Kolben
über zumindest einen auf die Unterseite des Kolbens gerichteten freien Strahl einer
Einspritzdüse gekühlt.
[0007] Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, insbesondere durch den parallel zu der Längsachse
des Kolbens geführten Kühlmittelstrahl, der das Kühlmittel unabhängig von der Position
und/oder der Lage des Kolbens senkrecht in die Eintrittsöffnung des Kühlkanals leitet,
stellt sich stets eine optimale Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals ein. Die kontinuierliche
und folglich unterbrechungsfreie Kühlmittelzufuhr vermeidet Druckschwankungen innerhalb
des Kühlkanals und sorgt für einen konstanten Kühlmittelfluß. Die Wärmeabfuhr des
Kolbens wird dadurch entscheidend verbessert, wodurch sich insbesondere eine Absenkung
der Kolbenbodentemperatur einstellt. Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolben ermöglicht
die Anwendung in leistungsgesteigerte Brennkraftmaschinen. Insbesondere für thermisch
und mechanisch hoch belastete Kolben von Diesel-Brennkraftmaschinen sind die erfindungsgemäßen
Maßnahmen von Vorteil. Weiterhin verringert der erfindungsgemäße Kolben die Anzahl
der Schadensfälle bei gleichzeitig verbesserter Lebensdauer.
[0008] Durch den geteilten Kühlkanal, dessen einzelne Abschnitte jeweils eine Eintrittsöffnung
und eine Austrittsöffnung aufweisen, wird das in zwei getrennte Kühlmittelströme aufgeteilte
Kühlmittel vorzugsweise im Gleichstrom durch die Abschnitte des Kühlkanals geleitet.
Jeder Abschnitt erstreckt sich über nahezu den halben Umfang des Kolbens, wobei die
Eintrittsöffnungen des Kühlkanals gegenüberliegend, um ca. 180° versetzt zueinander
angeordnet sind. Bei dieser Anordnung stellen sich vorteilhaft in gegenüberliegenden
Bereichen des Kolbens annähernd gleiche Betriebstemperaturen ein. Den Eintrittsöffnungen
entsprechend sind folglich auch die zugehörigen Einspritzdüsen zueinander gegenüberliegend
versetzt ortsfest positioniert.
[0009] Der ungeteilte Kühlkanal bildet bevorzugt im Bereich der Eintrittsöffnung einen Strahl-
oder Strömungsteiler. Beispielsweise kann eine lokale, im Bereich der Eintrittsöffnung
vorgesehene Einschnürung des Kühlkanals den Strahl- oder Strömungsteiler bilden, der
die Kühlmittelströmung im Bereich der Eintrittsöffnung in zwei Teilströme aufteilt.
Folglich durchströmt das Kühlmittel den Kühlkahal bis zu der Austrittsöffnung im Gegenstrom.
Durch eine gegenüberliegende, um ca. 180 ° zu der Eintrittsöffnung versetzte Anordnung
der Austrittsöffnung kann eine auf den Umfang des Kühlkanals bezogene, nahezu ausgeglichene
Wärmeabfuhr erreicht werden, die eine effiziente Kolbenkühlung sicherstellt. Zur Erzielung
stets gleicher Teilströme ist vorgesehen, dass jeder Hälfte der durch den Strömungsteiler
geteilten Eintrittsöffnung eine Einspritzdüse zugeordnet ist. Als Maßnahme um eine
gegenseitige Beeinflussung der Kühlmittelströmungen im Bereich der Austrittsöffnung
zu verhindern kann auch der Austrittsöffnung ein Strömungsteiler zugeordnet werden.
[0010] Die Anordnung von zwei Strömungsteilern ermöglicht außerdem eine im Gleichstrom gerichtete
Kühlmittelbeaufschlagung des ungeteilten Kühlkanals. Die Strömungsteiler bewirken
eine Aufteilung der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung in jeweils getrennte
Bereiche unter Bildung weitere Anschlüsse des Kühlkanals, die als zusätzliche Austrittsöffnung
bzw. Eintrittsöffnung nutzbar sind. Entsprechend ergeben sich zwei zueinander gegenüberliegende
versetzte Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen, wobei jeder Eintrittsöffnung
eine separate Einspritzdüse zugeordnet ist. Vorteilhaft ermöglicht dieser Aufbau einen
im Gleichstrom gerichteten Kühlmittelstrom, der im Vergleich zu einem geteilten Kühlkanal
einen verlängerten Kühlkanal bildet, da die bauartbedingten Abstände zwischen der
jeweiligen Eintrittsöffnung und der zugehörigen Austrittsöffnung entfallen.
[0011] Eine bevorzugte Ausgestaltung des Kolbens sieht vor, dass die Eintrittsöffnungen
des geteilt ausgebildeten Kühlkanals oder die für den Eintritt des Kühlmittels in
den ungeteilten Kühlkanals bestimmte Eintrittsöffnung und der Anschluß den Kolbenschäften
des Kolbens benachbart angeordnet sind. Durch diese Lage wird zunächst der thermisch
hoch beanspruchte Bereich des Kolbens von dem Kühlmittel beaufschlagt, bevor das Kühlmittel
in die Zonen der Naben, die Bereiche thermisch geringerer Beanspruchung strömt.
[0012] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließt der Kühlkanal einen aufgeweiteten,
einen Strömungssammler bildenden Abschnitt ein. Vorzugsweise ist die Austrittsöffnung
gleichzeitig als Strömungssammler gestaltet, der die Strömungsgeschwindigkeit vorteilhaft
verringert und einen gewollten beschleunigten Austritt des erwärmten Kühlmediums aus
dem Kühlkanal sicherstellt.
[0013] Die erfindungsgemäß ortsfest positionierten Einspritzdüsen sind bevorzugt als Mehrlochdüsen
ausgebildet und erzeugen einen gebündelten, zielgerichteten, die Eintrittsöffnung
beaufschlagenden Kühlmittelstrahl. Die Anzahl der Düsenöffnungen der eingesetzten
Einspritzdüsen beträgt vorzugweise ≥ 3. Alternativ zu mehreren getrennt angeordneten
Einspritzdüsen bietet es sich an, Einspritzdüsen mit unterschiedlich ausgerichteten
Düsenöffnungen und/oder vergrößerten Strömungsquerschnitten einzusetzen. Beispielsweise
bietet es sich an, von der für die Eintrittsöffnung bestimmten Einspritzdüse eine
Teilmenge, d.h. eine Düsenöffnung auf die Unterseite des Kolbens zu richten. Entsprechend
dazu ist diese Düsenöffnung in Richtung einer Längsachse des Kolbens geneigt ausgerichtet.
[0014] Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden
nachfolgend beschrieben und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig.1:
- einen Kolben im Längsschnitt mit erfindungsgemäßen Einspritzdüsen, die Kühlmittel
in Eintrittsöffnungen eines geteilten Kühlkanals einspritzen,
- Fig.2:
- einen Kolben mit einem geteilten Kühlkanal in einer Ansicht auf die Unterseite des
Kolbens,
- Fig.3:
- den Kolben gemäß Figur 2, der abweichend einen ungeteilten Kühlkanal einschließt,
- Fig. 4:
- einen Kolben, bei dem das Kühlmittel im Gleichstrom den ungeteiltem Kühlkanal durchströmt.
[0015] Figur 1 zeigt einen Kolben 1, der als ein einteiliger Leichtmetall- oder Stahlkolben
ausgeführt werden kann. Der Kolben 1 umfasst einen auch als Kolbenoberteil zu bezeichnenden
Kolbenboden 2 und ein Kolbenunterteil 3. Ein dem Kolbenboden 2 zugeordnetes Ringfeld
4 schließt umlaufende Ringnuten 5a, 5b, 5c ein, die jeweils zur Aufnahme von nicht
dargestellten Kolbenringen bestimmt sind. Beabstandet zu dem Ringfeld 4 ist in dem
Kolben 1 ein radial umlaufender Kühlkanal 6a integriert. Stirnseitig ist in dem Kolbenboden
3 eine Brennraummulde 7 eingebracht. Das Kolbenunterteil 3 bildet zwei gegenüberliegend
angeordnete Kolbenschäfte 8, die sich unmittelbar an das Ringfeld 4 anschließen. Versetzt
zu den Kolbenschäften 8 schließt das Kolbenunterteil 3 weiterhin zwei Naben 9 mit
zugehörigen Bolzenbohrungen 10 ein, die zur Aufnahme eines in Figur 1 nicht abgebildeten
Kolbenbolzens bestimmt sind, mit dem eine Anlenkung zwischen einem Pleuel und dem
Kolben 1 erfolgt.
[0016] Zur gezielten Kühlung des Kolbens 1 wird ein Kühlmittel, insbesondere ein Schmieröl
der Brennkraftmaschine in den Kühlkanal 6a eingespritzt. Dies erfolgt über ortsfest,
insbesondere an einem in Figur 1 nicht dargestellten Kurbelgehäuse positionierte Einspritzdüsen
11, 12 von denen ausgehend, in einem freien gebündelten und zielgerichteten Strahl
das Kühlmittel jeweils in eine Eintrittsöffnung 13,14 des Kühlkanals 6a eingespritzt
wird. Das Kühlmittel durchströmt wie in Figur 2 verdeutlicht, in einem Gleichstrom
den geteilt gestalteten, zwei Abschnitte 15,16 einschließenden Kühlkanal 6a und verlässt
den' Kolben 1 durch Austrittsöffnungen 17,18. Als weitere Maßnahme zur Bodenkühlung
des Kolbens 1 wird Kühlmittel über einen freien, breit gespreizten Strahl der Einspritzdüse
19 auf eine Unterseite 20 des Kolbens 1 gespritzt. Dazu ist die Einspritzdüse 19 in
Richtung einer Längsachse 21 des Kolbens 1 geneigt ausgerichtet. Die Anordnung der
Einspritzdüse 19 erfolgt so, dass zumindest eine Teilmenge des Kühlmittelstrahls einen
Scheitelpunkt 22 der Unterseite 20 beaufschlagt. Alternativ zu der dritten Einspritzdüse
19 bietet es sich an, die als Mehrlochdüsen ausgelegten Einspritzdüsen 11, 12 so auszulegen,
dass beispielsweise von jeder Einspritzdüse ausgehend, zumindest ein Kühlmittelstrahl
auf die Unterseite 20 des Kolbens 1 gerichtet ist. Die Schnittansicht gemäß Figur
1 zeigt einen vergrößerten Durchströmquerschnitt der Abschnitte 15, 16, des Kühlkanals
6 oberhalb der Kolbenschäfte 8. Diese Auslegung ist an das dort herrschende höhere
Temperaturniveau angepasst und bewirkt eine effektive Kühlung dieser Kolbenzonen.
Im Bereich der Bolzenbohrungen 10 ist der Durchströmquerschnitt des Kühlkanals 6a
entsprechend des dort herrschenden geringeren Temperaturniveaus verkleinert. Diese
Maßnahme verbessert gleichzeitig die Bauteilfestigkeit des Kolbens 1, da der kleinere
Durchströmquerschnitt sich positiv auf die die Gefügespannungen auswirkt, die sich
im Bereich der Bolzenbohrungen 10 aufgrund der eingeleiteten Kräfte einstellen.
[0017] Die Figur 2 zeigt in einer Ansicht die Unterseite 20 des Kolbens 1, der einen geteilten,
zwei Abschnitte 15,16 bildenden Kühlkanal 6a umfasst. Umlaufende unterbrochene Linien
verdeutlichen die Einbaulage des Kühlkanals 6a. Jeder Abschnitt 15, 16 schließt getrennt
voneinander positionierte Eintrittsöffnungen 13, 14 und Austrittsöffnungen 17, 18
ein, die jeweils gegenüberliegend versetzt zueinander angeordnet sind. Die benachbarte
Anordnung der Eintrittsöffnung 13 zu der Austrittsöffnung 18 bzw. der Eintrittsöffnung
14 zu der Austrittsöffnung 17 bewirkt eine im Gleichstrom gerichtete Kühlmittelströmung,
verdeutlicht durch die Pfeile. Die Lage der Eintrittsöffnungen 13, 14 an den Kolbenschäften
8 in Verbindung mit der im, Uhrzeigersinn gerichteten Strömung gewährleistet, dass
zuerst die Zonen des Kolbens 1 mit dem höchsten Temperaturniveau, den Kolbenschäften
8 gekühlt werden, bevor das Kühlmittel den Bereich oberhalb der Nabe 9 kühlt.
[0018] In der Figur 3 ist der Kolben 1 alternativ zur Figur 2 mit einem ungeteilten Kühlkanal
6b gezeigt. Die Eintrittsöffnung 23 schließt einen Strömungsteiler 24 ein, der die
separaten Kühlmittelstrahlen von zwei getrennt angeordneten Einspritzdüsen umlenkt
wodurch das Kühlmittel im Gegenstrom, verdeutlicht durch die Pfeile, durch den Kühlkanal
6b zu der gegenüberliegenden Austrittsöffnung 25 strömt. Der Strömungsteiler 24 ermöglicht
eine optimale Beaufschlagung des Kühlkanals 6b zur Erzielung einer effizienten Kolbenkühlung.
Als Strömungsteiler 24 eignet sich eine lokale Verengung bzw. Einschnürung des Kühlkanals
6b. Die Kühlmittelbeaufschlagung kann alternativ über zwei Einspritzdüsen erfolgen,
wobei die getrennten Einspritzstrahlen jeweils einer Hälfte der durch den Strömungsteiler
24 aufgeteilten Eintrittsöffnung 23 zugeordnet sind. Der Kühlkanal 6b umfasst im Bereich
der Austrittsöffnung 25 eine lokale, einen Stömungssammler 26 bildende Aufweitung.
Der Strömungssammler 26 bewirkt eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit, die einen
gewollten schnellen Austritt des aufgeheizten Kühlmittels aus dem Kühlkanal 6b über
die Austrittsöffnung 25 sicherstellt. Ein der Austrittsöffnung 25 zugeordneter Strömungsteiler
27 hat die Aufgabe, eine gegenseitige Beeinflussung der im Gegenstrom in den Strömungssammler
26 eintretenden Kühlmittelströme zu unterbinden.
[0019] Die Figur 4 zeigt den Kolben 1 mit dem ungeteilten Kühlkanal 6c, durch den das Kühlmittel
im Gleichstrom strömt. Strömungsteiler 24, 28 übernehmen eine Aufteilung der Eintrittsöffnung
23 und der Austrittsöffnung 25 in zwei getrennte Bereiche und ermöglichen damit eine
Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals 6c im Gleichstrom. Die Aufteilung sieht vor,
dass ein abgetrennter Anschluß 29 der Eintrittsöffnung 23 als zusätzliche Austrittsöffnung
und der abgetrennte Anschluß 28 der Austrittsöffnung 25 als weitere Eintrittsöffnung
vorgesehen ist. Entsprechend ist der Eintrittsöffnung 23 und dem Anschluß 28 jeweils
eine versetzt zueinander, in Figur 4 nicht abgebildete Einspritzdüse zugeordnet, über
die das Kühlmittel in den ungeteilten Kühlkanal 6c eintritt und über die Austrittsöffnung
25 bzw. den Anschluß 29 austritt. Dieser Aufbau bewirkt eine Verlängerung des Kühlkanals
6c im Vergleich zu einem geteilten, im Gleichstrom beaufschlagten Kühlkanal 6a gemäß
Figur 2, bei dem sich Abstände ohne Kühlkanal jeweils zwischen einer Eintrittsöffnung
13, 14 und einer Austrittsöffnung 17, 18 einstellen.
Bezugszeichenliste
[0020]
- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenboden
- 3
- Kolbenunterteil
- 4
- Ringfeld
- 5a
- Ringnut
- 5b
- Ringnut
- 5c
- Ringnut
- 6a
- Kühlkanal
- 6b
- Kühlkanal
- 7
- Brennraummulde
- 8
- Kolbenschaft
- 9
- Nabe
- 10
- Bolzenbohrung
- 11
- Einspritzdüse
- 12
- Einspritzdüse
- 13
- Eintrittsöffnung
- 14
- Eintrittsöffnung
- 15
- Abschnitt
- 16
- Abschnitt
- 17
- Austrittsöffnung
- 18
- Austrittsöffnung
- 19
- Einspritzdüse
- 20
- Unterseite
- 21
- Längsachse
- 22
- Scheitelpunkt
- 23
- Eintrittsöffnung
- 24
- Strömungsteiler
- 25
- Austrittsöffnung
- 26
- Strömungssammler
- 27
- Strömungsteiler
- 28
- Anschluß
- 29
- Anschluß
1. Flüssigkeitsgekühlter Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem radial umlaufenden,
zu einem Kolbenboden (2) beabstandeten Kühlkanal (6a, 6b, 6c), wobei als Kühlmittel
ein Schmieröl der Brennkraftmaschine über einen freien Strahl einer Einspritzdüse
(11, 12) in eine Eintrittsöffnung (13, 14, 23) eingespritzt wird, den Kühlkanal (6a,
6b, 6c) durchströmt und den Kolben (1) durch eine Austrittsöffnung (17, 18, 25) verlässt,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kühlkanal (6a, 6b) geteilt oder ungeteilt ausgeführt ist;
- zumindest zwei Einspritzdüsen (11,12) zur Beaufschlagung der Eintrittsöffnungen
(13, 14, 23) oder eines Anschlusses (28) des Kühlkanals (6a, 6b, 6c) vorgesehen sind;
- das Kühlmittel jeweils in einem parallel zu einer Längsachse (21) des Kolbens (1)
ausgerichteten, freien Strahl von der Einspritzdüse (11, 12) in die Eintrittsöffnung
(13, 14) eintritt;
- eine Unterseite (20) des Kolbens (1) von einem freien Strahl der Einspritzdüse (19)
mit Kühlmittel beaufschlagt wird.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geteilte Kühlkanal (6a) zwei gegenüberliegende, versetzt zueinander angeordnete
Eintrittsöffnungen (13, 14) aufweist, denen jeweils eine Einspritzdüse (11, 12) zugeordnet
ist, wobei das Kühlmittel in einem Gleichstrom durch die Abschnitte (15, 16) des geteilten
Kühlkanals (6a) strömt.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ungeteilte Kühlkanal (6b) im Bereich der Eintrittsöffnung (23) einen Strömungsteiler
(24) einschließt, der das eingespritzte Kühlmittel in zwei Teilströme aufteilt und
in einem Gegenstrom zu der Austrittsöffnung (25) lenkt.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsöffnung (23) und der Austrittsöffnung (25) des ungeteilten Kühlkanals
(6c) jeweils ein Strömungsteiler (24, 28) zugeordnet ist, der die Öffnungen aufteilt,
unter Bildung zusätzlicher als Eintritt oder Austritt vorgesehener Anschlüsse (28,
29), die eine Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals (6c) im Gleichstrom ermöglichen.
5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (13, 14) des geteilt ausgebildeten Kühlkanals (6a) oder die
für den Eintritt des Kühlmittels in den ungeteilten Kühlkanals (6c) bestimmte Eintrittsöffnung
(23) und der Anschluß (28) den Kolbenschäften (8) des Kolbens (1) benachbart angeordnet
sind.
6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ungeteilte oder geteilte Kühlkanal (6a, 6b) im Bereich der Austrittsöffnung (25)
einen aufgeweiteten, als Strömungssammler (26) ausgebildeten Abschnitt einschließt.
7. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Düsenöffnungen der als Mehrlochdüse gestalteten Einspritzdüse (11,
12, 19) ≥ 3 beträgt.
8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Unterseite (20) des Kolbens (1) zugeordnete Einspritzdüse (19) in Richtung
einer Längsachse (21) des Kolbens (19) geneigt ausgerichtet ist.
9. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Einspritzdüse (11, 12) ausgehend, eine Mehrzahl der Düsenöffnungen auf die
Eintrittsöffnung (13, 14) des Kühlkanals (6a) ausgerichtet sind und zumindest jeweils
eine Düsenöffnung der Einspritzdüse (11, 12) auf die Unterseite (20) des Kolbens (1)
gerichtet ist.