DE10244512A1

DE10244512A1 - Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10244512A1
Application number: DE10244512A
Authority: DE
Inventors: Peter Kemnitz
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15
Also published as: WO2004029442A1; KR20050057574A; EP1546535B1; JP2006500505A; BR0314963B1; BR0314963A; US6698391B1; CN1685143A; HK1078917A1; EP1546535A1; CN100353046C

Abstract

Bei einem mehrteiligen gekühlten Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl bestehenden Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen kastenförmigen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit dem Kolbenschaft (9) verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, soll eine kostengünstige Herstellung bei großer Formstabilität und verbessertem Kühlsystem dadurch erreicht werden, dass ein im Kolbenoberteil (1) eingeformter Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (14) aufweist, wobei das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) bildet, die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) bilden, dass das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen (6) verbundene Tragrippe (10) aufweist, und dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Ring- und Tragrippe (5, 10) unlösbar miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenoberteil, das eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden und eine Ringwand mit Ringpartie umfasst, und einem Kolbenunterteil, das einen Kolbenschaft, Naben zur Aufnahme des den Kolben mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft verbundene Nabenabstützungen umfasst, wobei ein Kühlkanal durch das Kolbenoberteil als auch Kolbenunterteil gebildet und in seinem Querschnitt durch diese begrenzt ist.

Ein mehrteilig gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor ist aus der JP 61175255 A bekannt. Dieser Kolben zeigt in Höhe der Ringpartie des Kolbens eine Anzahl von Rippen, zwischen denen eine wärmedämmende Platte zur Minimierung des Wärmetransportes von der Brennraummulde zur Ringpartie angeordnet ist.

Aus der WO 00/77379 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der zur Verbesserung der Wärmeabfuhr im Kühlkanal ein Wandteil mit mehreren radial angeordneten aus dünnem Blech bestehende Querwände aufweist.

Diese vorgenannten Konstruktionen sind nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Stabilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mehrteiligen gekühlten Kolben anzugeben, der mit einer ausreichenden Formstabilität und einem Kühlsystem mit verbesserter Kühlwirkung kostengünstig herstellbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein im Kolbenoberteil eingeformter Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Boh rungen aufweist, wobei das zwischen den Bohrungen vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen bildet, die radial zur Kolbenlängsachse hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe bilden. Ein Kolbenunterteil weist eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen verbundene Tragrippe auf. Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil ist mittels der Ring- und Tragrippe unlösbar miteinander verbunden, wobei die den Kühlkanal begrenzende Ringwand über ihren Wandquerschnitt einen Spalt mit dem Kolbenunterteil bildet, in dem ein Dichtelement angeordnet sein kann.

Bei einem derart hergestellten Kolben kann der Kühlkanal näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität 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.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten in Bolzenrichtung;
2 einen erfindungsgemäßen Kolben in Unteransicht, geschnitten entlang der Linie II gemäß 1;
3 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten quer zur Kolbenbolzenrichtung;
4 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus 1;
5 einen erfindungsgemäßen Kolben in perspektivischer Ansicht;
6 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus 1, in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Der erfindungsgemäße mehrteilig gekühlte Kolben 20 besteht aus einem geschmiedeten Kolbenoberteil 1 mit einer Verbrennungsmulde 3, Ringwand 4 mit Ringpartie 11 und einem (oberen, zum Kolbenboden hin) Teil eines Kühlkanals 7 sowie aus einem Kolbenunterteil 2, das einen (unteren, zum Kolbenschaft 9 hin) Teil eines Kühlkanals 7, einen Kolbenschaft 9 sowie Nabenabstützungen 6, wie aus 5 ersichtlich, umfasst. Gemäß Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 7 Bohrungen 14 vorgesehen, die auf dem Umfang symmetrisch verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse K, eingebracht sind. Die Tiefe h_B der Bohrungen beträgt maximal die Hälfte 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. In den Figuren ist der jeweilige Ölein- und Ölauslass nicht dargestellt.
Wie die 3 und 4 zeigen, gehen die zwischen den Bohrungen 14 als Stützrippen 8 bezeichneten Materialbereiche radial zur Kolbenlängsachse K in Abschnitte einer Ringrippe 5 über, die in ihrer Gesamtheit die Ringrippe 5 bildet. Die Bohrungen 14 und damit die Stützrippen 8 sind, wie in 4 dargestellt, radial symmetrisch über den Umfang des Kühlkanals 7 verteilt angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) kann die Verteilung derart gestaltet sein, dass in Druck-Gegendruckrichtung D, GD des Kolbens 20 eine größere Anzahl von Bohrungen 14 und damit 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 (6) oder unsymmetrische Verteilung (nicht dargestellt) vorgesehen ist, die sich in den gegenüberliegenden Quadranten, also I. und III. oder II. und IV., wiederfindet. Dadurch kann im Lastfall den auftretenden Temperatur- und Spannungsbelastungen des Kolbens 20 besser entgegnet werden. Die Bohrungen 14 können dabei durch Rundbohrungen, wie in den 4 und 6 dargestellt, oder Langlochbohrungen (nicht dargestellt), die mit ihrer langen Seite in Richtung von der Kolbenmitte nach radial außen zur Kolbenwand, ausgerichtet sein. Mit diesen jeweiligen Ausführungsbeispielen der Bohrungsanordnungen wird erreicht, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und damit das als Stützrippen 8 ausgebildete Material vergrößert wird. Zur weiteren Beeinflussung der Wärmeableitung von der Verbrennungsmulde 3 können die Spitzen der Bohrungen 14 rund oder, wie in 1 gezeigt, winklig ausgeführt sein.
Die Achsen der Bohrungen 14 können, wie 1 zeigt, parallel zur Kolbenlängsachse K und/oder, d. h. in Kombination, in einem spitzen Winkel dazu angeordnet sein, wobei die Bohrungen 14 in Richtung Verbrennungsmulde 3 zeigen.
Aus den Nabenabstützungen 6 heraus ist eine ringförmig umlaufende Tragrippe 10 ausgebildet, wie aus 3 ersichtlich, die in ihren geometrischen Abmessungen mit der Ringrippe 5 korrespondiert. Das Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2 ist über die Trag- und Ringrippe 10 bzw. 5 mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens unlösbar miteinander verbunden, wobei nachfolgend eine Endbearbeitung des Kolbens 20 zu einem in einem Motor einsetzbaren Kolben mittels spanabhebender Bearbeitung durchgeführt wird. Das Kolbenoberteil 1 besteht vorteilhaft aus einem oxidationsbeständigen und/oder warmfesten Werkstoff und das Kolbenunterteil 2 aus einem ausscheidungs-härtenden ferritisch-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl.
Im verbundenen Zustand von Kolbenober- und -unterteil 1 und 2 bilden die äußeren Kolbenwandbereiche zwischen beiden Kolbenteilen 1 und 2 eine Auflagefläche aus, die durch einen wenige zehntel Millimeter breiten Spalt 13 gekennzeichnet ist. Dieser kann offen bleiben oder mittels eines temperaturbeständigen Dichtungsringes, der vor dem Fügen beider Kolbenteile 1 und 2 auf einer der Auflageflächen, beispielsweise der des Kolbenunterteils 2, positioniert wird, abgedichtet sein.

20: Mehrteilig gekühlter Kolben
1: Kolbenoberteil
2: Kolbenunterteil
3: Verbrennungsmulde
4: Ringwand
5: Ringrippe
6: Nabenabstützung
7: Kühlkanal
8: Stützrippen
9: Kolbenschaft
10: Tragrippe
11: Ringpartie
12: Naben
13: Spalt
14: Bohrung
15: Dichtung
K: Kolbenlängsachse
K_H: Kolbenhauptachse
H: Kühlkanalhöhe
H_B: Tiefe der Bohrung
D,GD: Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens

Claims

Mehrteiliger gekühlter Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft (9) verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, wobei ein Kühlkanal (7) durch das Kolbenoberteil (1) als auch Kolbenunterteil (2) gebildet und in seinem Querschnitt durch diese begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der im Kolbenoberteil (1) eingeformte Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (14) aufweist, wobei das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) bildet, die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) bilden, – dass das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen (6) verbundene Tragrippe (10) aufweist, und – dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Ring- und Tragrippe (5, 10) unlösbar verbunden ist, wobei die den Kühlkanal (7) begrenzende Ringwand (4) über ihren Wandquerschnitt einen Spalt (13) mit dem Kolbenunterteil (2) bildet.
Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) radial symmetrisch und/oder unsymmetrisch über den Umfang des Kühlkanals (7) verteilt sind.
Kolben (20) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine Tiefe (h_B) aufweisen, die maximal die Hälfte der Gesamthöhe (H) des Kühlkanals (7) beträgt.
Kolben (20) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Achsen der Bohrungen (14) parallel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
Kolben (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Bohrungen (14) unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
Kolben (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine zylindrische oder langlochförmige Form aufweisen.
Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Spalt (13) ein Dichtelement (15) angeordnet ist.
Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unlösbare Verbindung des Kolbenober- und Kolbenunterteils (1, 2) eine Schweiß- oder Lötverbindung ist.
Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) aus einem oxidationsbeständigen und/oder warmfesten Werkstoff und das Kolbenunterteil (2) aus einem ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl besteht.