EINTEILIGER KUEHLKANALKOLBEN FUER EINEN VERBRENNUNGSMOTOR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf, der eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal umfasst, wobei ein Kolbenschaft mit den am Kolbenkopf angehängten Naben verbunden ist.

[0002] Gattungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben sind beispielsweise aus der EP 0 799 373 B1 oder DE 100 13 395 C1 bekannt. Bei den dort benannten Kühlkanalkolben wird ein Kolbenrohling durch Schmieden hergestellt, eine ringförmige Ausnehmung und der nach unten offene Kühlkanal mittels einer spanabhebender Bearbeitung eingebracht und anschließend die Außenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Die axiale Höhe der ringförmigen Ausnehmung entspricht bei der EP 0 799 373 B1 mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals. Das ist erforderlich, da zur Herstellung des nach unten offenen Kühlkanals ein hakenförmiger Drehmeißel in die Ausnehmung eingeführt und durch entsprechende axiale und radiale Zustellung der Kühlkanal in seiner gewünschten Form ausgedreht werden muss.

[0003] Nachteilig bei diesen Kolben ist, dass durch die Höhe des hakenförmigen Drehmeißels die zu erreichende Kühlkanalhöhe und damit die vom Kolbenboden abzuleitende Wärmemenge infolge hoher Wanddicken bestimmt wird. Um die Kühlkanalhöhe zu vergrößern bzw. die Wanddicke zwischen Kühlkanal und Kolbenboden zu verringern, müsste die Ausnehmung zur Einführung des Drehmeißels vergrößert werden, mit der aber eine unerwünschte Vergrößerung der Bauhöhe des Kolbens einhergehen würde.

[0004] Andererseits würde die Kolbenstabilität infolge vorgenannter verringerter Wandstärke abnehmen. Damit sind diese vorgenannten Herstellungsverfahren bzw. Kolbenkonstruktionen nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Bauhöhe sowie seiner Stabilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kolbenkonzept für einen einteiligen Kühlkanalkolben anzugeben, mit dem eine kostengünstige Herstellung geringer Kolbenbauhöhe gewährleistet ist und mit dem wirksam einer Kolbendeformation infolge Einwirkung hoher Gasdrücke und Temperaturen entgegengewirkt werden kann.

[0006] Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein im Kolbenkopf eingeformter Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen für den Kolbenboden bildet.

[0007] Bei einem derart hergestellten Kolben kann zumindest ein Teil des Kühlkanals näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität bei einer geringen Kolbenbauhöhe auf. Außerdem erfolgt durch die Anordnung der Stützrippen eine Art Kammerbildung im Kühlkanal, d. h. Erzeugung von Shaker-Räumen, wodurch eine Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls und damit verbesserte Wärmeableitung der zu kühlenden Kolbenbereiche erreicht wird. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals, in denen die Brennstrahlen auf den Kolbenboden treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden.

[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0009] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten in Bolzen- richtung

Fig. 2

einen erfindungsgemäßen Kolben in Unteransicht, geschnitten entlang der Linie II gemäß Fig. 1;

Fig. 3

einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten quer zur Kolbenbolzenrichtung;

Fig. 4

einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus Fig.1;

Fig. 5

einen erfindungsgemäßen Kolben in perspektivischer Ansicht.

Fig. 6

einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus Fig.1, in einem weiteren Ausführungsbeispiel.

[0010] Der erfindungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben besteht aus einem geschmiedeten Kolbenkopf 1 aus Stahl oder schmiedbaren AI-Legierung mit einer Verbrennungsmulde 3 in seinem Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 11, einem auf Höhe der Ringpartie 11 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, wobei ein Kolbenschaft 9 mit den am Kolbenkopf 1 angehängten Naben 12 verbunden ist. Die Herstellung des Kolbens erfolgt nach der EP 0 799 373 B1, wobei vor dem Verschließen des Kühlkanals 7 mittels einer Abdeckung 13 erfindungsgemäß im Kühlkanal 7 Bohrungen 14 vorgesehen werden, die auf dem Umfang symmetrisch verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens 2, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse K, eingebracht sind. Die Tiefe h_B der Bohrungen 14 beträgt maximal ein Viertel der Gesamthöhe H des Kühlkanals 7, sodass ein ungehinderter Kühlölkreislauf gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl geschaffen, welche die Kühlwirkung erhöhen.

[0011] Der Kühlölzulauf 5 und der Kühlölauslauf 10 ist in einer Kühlkanalabdeckung 13, die aus einem zweigeteilten Federelement besteht, gegenüberliegend angeordnet. Durch die Kühlkanalabdeckung 13 erfolgt der Verschluss des Kühlkanals 7 an seinem zum Kolbenschaft 9 hin offenen Ende.

[0012] Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, bilden die zwischen den Bohrungen 14 bezeichneten Materialbereiche Stützrippen 8, deren Breite vom Abstand der Bohrungen 14 bestimmt wird. Die Bohrungen 14 sind im Kühlkanal 7 umfangsseitig derart voneinander beabstandet, dass dieser mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrungen 14 entspricht, wobei die Bohrungsdurchmesser alle identisch sind. Es liegt natürlich im Ermessen des Fachmanns, auch unterschiedliche Bohrungsdurchmesser zu verwenden, wobei dann der Abstand der Hälfte des größten Bohrungsdurchmessers entsprechen sollte, um einer Kolbendeformation im Motorbetrieb entgegenzuwirken.

[0013] Die Bohrungen 14 und damit die Stützrippen 8 sind, wie in Fig. 4 dargestellt, radial symmetrisch über den Umfang des Kühlkanals 7 verteilt angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) kann die Anzahl der Bohrungen 14 und damit die Verteilung der Stützrippen 8 so gestaltet sein, dass in Druck-Gegendruckrichtung D bzw. GD eine größere Anzahl von Stützrippen 8 angeordnet ist, als quer dazu, d. h., eine unsymmetrische umfangsseitige Verteilung im Kühlkanal 7 erfolgt. So kann die Verteilung der Bohrungen 14 und damit der Stützrippen 8 im Kühlkanal 7, wenn dieser nach den durch die Kolbenhauptachsen K_H gebildeten Quadranten I - IV charakterisiert wird, derart sein, dass innerhalb eines Quadranten eine symmetrische (Fig. 4) oder unsymmetrische bzw. teilsymmetrische Verteilung (Fig. 6) vorgesehen ist, oder die Verteilung abhängig ist von der örtlichen Temperaturverteilung im Kolbenboden. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals 7, in denen die Brennstrahlen des gezündeten Kraftstoffes auf den Kolbenboden 2 treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden. Dadurch kann im Lastfall auch den auftretenden Spannungsbelastungen des Kolbens besser entgegnet werden.

[0014] Die Bohrungen 14 können durch Rundbohrungen realisiert werden, wie in den Figuren 4 und 6 dargestellt, oder durch Langlochbohrungen (nicht dargestellt), die mit ihrer langen Seite in Richtung von der Kolbenmitte nach radial außen zur Kolbenwand ausgerichtet sind. Mit diesen jeweiligen Ausführungsbeispielen der Bohrungsanordnungen wird erreicht, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und damit das als Stützrippen 8 ausgebildete Material vergrößert wird. Maßgebend für den Abstand der Bohrungen ist es, dass dieser von Bohrungsachse zu Bohrungsachse umfangsseitig wenigstens die Hälfte des größten verwendeten Bohrungsdurchmessers entspricht.

[0015] Zur weiteren Beeinflussung der Wärmeableitung von der Verbrennungsmulde 3 können die Spitzen der Bohrungen 14 rund oder, wie in Fig. 1 gezeigt, winklig ausgeführt sein.

[0016] Die Achsen der Bohrungen 14 können, wie Fig. 1 zeigt, parallel zur Kolbenlängsachse K und/oder, d. h. in Kombination, in einem spitzen Winkel dazu angeordnet sein, wobei die Bohrungen bevorzugt in Richtung Kolbenboden 2 bzw. Verbrennungsmulde 3 zeigen.

Bezugszeichen

[0017] 

Kolbenkopf	1
Kolbenboden	2
Verbrennungsmulde	3
Ringwand	4
Kühlölzulauf	5
Kühlkanal	7
Stützrippen	8
Kolbenschaft	9
Kühlölauslauf	10
Ringpartie	11
Naben	12
Kühlkanalabdeckung	13
Bohrungen	14
Kolbenlängsachse	K
Kolbenhauptachsen	KH
Kühlkanalhöhe	H
Tiefe der Bohrungen 14	hB

Ansprüche

1. Einteiliger Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) und einen auf Höhe der Ringpartie (11) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7) umfasst, wobei ein Kolbenschaft (9) mit den am Kolbenkopf (1) angehängten Naben (12) verbunden ist, und der zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (14) im Kühlkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrungen (14) umfangsseitig im Kühlkanal (7) in Bereichen eingebracht sind, in denen Brennstrahlen auf dem Kolbenboden treffen, dass die Bohrungen einen spitzen Winkel zur Kolbenachse bilden, und dass die Bohrungen mit derartigen Abständen voneinander beabstandet angeordnet sind, dass das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) für den Kolbenboden (2) bildet.

2. Kolben nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Bohrungen (14) auf dem Umfang des Kühlkanals (7) voneinander mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrung (14) beträgt.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) gleiche Durchmesser aufweisen.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine Tiefe (h_B) aufweisen, die maximal ein Viertel der Gesamthöhe (H) des Kühlkanals (7) beträgt.

5. Kolben nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Achsen der Bohrungen (14) parallel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.

6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Bohrungen (14) unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.

Claims

1. A one-piece cooling channel piston for an internal combustion engine, having a piston head (1) forged from steel, which comprises a combustion bowl (3) in the piston crown (2), a ring wall (4) with ring belt (11) and an encircling closed cooling channel (7) at the level of the ring belt (11), a piston skirt (9) being connected with the bosses (12) attached to the piston head (1), and which, in the cooling channel, comprises bores (14) directed towards the piston crown, characterised in that the bores (14) are introduced circumferentially in the cooling channel (7) in areas in which jets of combustion gases impinge on the piston crown, in that the bores form an acute angle with the piston axis and in that the bores are arranged spaced from one another at such distances that the piston material present between the bores (14) forms supporting ribs (8) for the piston crown (2).

2. A piston according to claim 1, characterised in that the distance between the bores (14) at the circumference of the cooling channel (7) amounts to at least half the diameter of a bore (14).

3. A piston according to claim 2, characterised in that the bores (14) are of identical diameter.

4. A piston according to claim 1, characterised in that the bores (14) exhibit a depth (h_B) which amounts to at most a quarter of the total height (H) of the cooling channel (7).

5. A piston according to claims 1 to 4, characterised in that at least some of the axes of the bores (14) extend parallel to the longitudinal axis (K) of the piston.

6. A piston according to claim 1, characterised in that the axes of the bores (14) extend at an acute angle to the longitudinal axis (K) of the piston.

Revendications

1. Piston monobloc à conduite de refroidissement pour un moteur à combustion avec une tête de piston (1) en acier forgé comprenant une cavité de combustion (3) dans le fond (2), une paroi annulaire (4) avec une partie segments (11) et une conduite de refroidissement (7) fermée et continue à hauteur de la partie segments (11), sachant qu'une jupe de piston (9) est reliée aux moyeux (12) accrochés à la tête de piston (1), et présent, dans la conduite de refroidissement, des orifices (14) orientés vers le fond du piston, caractérisé en ce que, que les orifices (14) sont disposés sur la périphérie de la conduite de refroidissement (7) dans des zones où des jets de combustion affectent le fond de piston, que les orifices forment un angle aigu par rapport à l'axe du piston, et que les orifices sont disposés à une telle distance les uns des autres que le matériau du piston situé entre ces orifices (14) forme des nervures-supports (8) pour le fond de piston (2).

2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre les orifices (14) sur la périphérie de la conduite de refroidissement (7) s'élève à au moins la moitié du diamètre de l'orifice (14).

3. Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que les orifices (14) présentent le même diamètre.

4. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (14) présentent une profondeur (h_B) qui s'élève au maximum à un quart de la hauteur totale (H) de la conduite de refroidissement (7).

5. Piston selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins certains des axes des orifices (14) s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal du piston (K).

6. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes des orifices (14) s'étendent sous un angle aigu par rapport à l'axe longitudinal du piston (K).

Zeichnung