DE102012211060A1

DE102012211060A1 - Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012211060A1
Application number: DE201210211060
Authority: DE
Inventors: Ewald Langensteiner; Christoph Schoerkhuber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem, den Kolben in einem Bereich einer Kolbenringzone, von einem Kolbenboden beabstandeten, radial umlaufenden Kühlkanal mit einem Kühlmitteleinspritzkanal mit einem Einspritzöffnungsquerschnitt zum Einbringen von Kühlmittel in den Kühlkanal und mit einer Kühlmittelausströmöffnung, wobei der Einspritzöffnungsquerschnitt des Kühlmitteleinspritzkanals einspritzseitig eine Querschnittsverkleinerung aufweist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Kolbenkühlung verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 020 280 U1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist ein Kühlkanalkolben bekannt. Der Kolben ist für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, in dem Kolben ist ein radial umlaufender Kühlkanal beabstandet zu einem Kolbenboden sowie zu einem Kolbenringfeld integriert. Weiter weist der Kühlkanal zumindest eine Zuströmöffnung und zumindest eine Abströmöffnung auf, über die ein Kühlmittel einströmen bzw. abströmen kann. Der Kühlkanalkolben ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal

– ein weitestgehend stehend oval ausgerichtetes Querschnittsprofil bildet,
– umfangsseitig sowohl in einer Höhe als auch in einer Breite variierende Querschnittsprofile aufweist,
– zumindest bereichsweise einen sich in Richtung des Kolbenbodens ausgerichteten Kanalabschnitt einschließt,
– eine zu dem Kolbenringfeld parallel verlaufende Außenwandung und eine geneigt in Richtung des Kolbenbodens ausgerichtete Innenwandung umfasst,
– durch einen in den Kolben eingebrachten löslichen Kern hergestellt ist und
– mit zumindest einer ortsfest angeordneten Einspritzdüse zusammenwirkt.

Auch wenn dieser bekannte Kühlkanalkolben keinen konkreten Nachteil aufweist, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine aufzuzeigen, der noch bessere Kühleigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Verwendung oder das Einsetzen einer definiert vorgegossenen und/oder bearbeiteten, den Einspritzöffnungsquerschnitt verengenden Geometrie, kann einerseits der Anteil des rückströmenden Kühlmittels, wie beispielsweise dem Schmiermittel der Brennkraftmaschine, aus dem Kühlmitteleinspritzkanal der Kolbenkühlung deutlich verringert werden. Das zurückprallende Kühlmittel wird in einer Kammer, gebildet von dem umlaufenden Kühlkanal, gesammelt. Weiter wird das Kühlmittel von dieser Kammer wieder durch den auftreffenden Kühlmittelstrahl aus einer Kühlmittelspritzdüse mitgerissen, was zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Kolbenkühlung führt. Durch das in dem Kühlkanal gesammelte Kühlmittel wird außerdem die Strömung im Kühlkanal beruhigt, dadurch wird eine geringere Kühlmittelverschäumung erreicht. Der Gesamtwirkungsgrad der Kolbenkühlung wird durch die erhöhte Kühlmittelmenge verbessert. Durch die geringere Kühlmittelverschäumung wird ebenfalls die Wirkung der Kolbenkühlung verbessert. Die Eintrittsgeometrie setzt sich bevorzugt aus einem konischen Anteil mit einem Winkel zwischen 5° und 80° und einem zylindrischen Anteil zusammen. Der Kühlkanal wird hinter dem zylindrischen Anteil gebildet.
Die Erhöhung des Wirkungsgrades der Kolbenkühlung führt somit in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens. Weiter besteht das Potential, die Kolbentemperatur zu senken oder alternativ dazu den Bedarf des Kühlmitteldurchsatzes durch die Kühlmittelspritzdüsen zu reduzieren. Dies führt zu Reibleistungsvorteilen für die Hubkolben-Brennkraftmaschine durch eine reduzierte notwendige Antriebsleistung der Kühlmittel-(Schmiermittel-)pumpe.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Ausgestaltung gem. Patentanspruch 2 wird das Kühlmittel besonders vorteilhaft in den Kühlkanal geleitet.
Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 3 bis 5 sind besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Der Konuswinkelbereich gemäß Patentanspruch 6 hat sich in Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen in drei Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben für ein erstes Ausführungsbeispiel.
2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben für ein zweites Ausführungsbeispiel.
3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben für ein drittes Ausführungsbeispiel.
Für die bessere Übersichtlichkeit ist nur die 3 beziffert, die gleichen Bezugszeichen gelten jedoch für alle drei Figuren für gleiche Bauelemente.
Schnittflächen sind in den 1 bis 3 schraffiert dargestellt.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Kolben 1 weist einen, in einem Bereich einer Kolbenringzone 2 von einem Kolbenboden 3 beabstandeten, radial umlaufenden Kühlkanal 4 mit einem weitgehend axial zum Kolben 1 ausgerichteten Kühlmitteleinspritzkanal 5 mit einem Einspritzöffnungsquerschnitt sowie eine, in den 1 bis 3 nicht dargestellte, Kühlmittelausströmöffnung auf. Der größte Teil des Kolbenbodens ist von einer zentral angeordneten Kolbenmulde 9 gebildet. Die Kolbenringzone 2 ist zur Montage von drei nicht eingezeichneten Kolbenringen vorgesehen.
Erfindungsgemäß weist der Einspritzöffnungsquerschnitt des Kühlmitteleinspritzkanals 5 einspritzseitig, d. h. auf der dem Kolbenboden 3 abgewandten Seite, eine Querschnittsverkleinerung 6 auf. Eine Einspritzrichtung für das Kühlmittel ist mit einem Pfeil schematisch dargestellt. Eine Einspritzvorrichtung ist nicht dargestellt. Bevorzugt erfolgt dies mit einer sog. „Kühlmittelspritzdüse”, wobei das Kühlmittel bevorzugt ein Schmiermittel der Brennkraftmaschine ist. Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass die Querschnittsverkleinerung 6 auf der dem Kühlkanal 4 abgewandten Seite weitgehend konisch aufgeweitet ist, bevorzugt mit einem Konuswinkel φ des konischen Abschnitts zwischen 5° und 80°.
In 1 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Kolben 1 dargestellt, bei dem die Querschnittsverkleinerung 6 beim Gießen des Kolbens 1 erzeugt wurde.
2 zeigt den gleichen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben 1 wie 1, jedoch für ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Bei diesem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsverkleinerung durch ein Einpressteil 7 erzeugt. In weiteren Ausführungsvarianten kann das Einpressteil 7 auch zusätzlich geklebt oder verstemmt o. ä. werden. Weiter ist das Einpressteil 7 bevorzugt aus einem, dem Kolben 1 ähnlichem Material, wie z. B. einem Leichtmetall.
3 zeigt wiederum den gleichen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben 1 wie die 1 und 2, jedoch für ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Bei diesem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsverkleinerung 6 durch ein Einschraubteil 8 erzeugt. Auch das Einschraubteil 8 ist bevorzugt aus einem, dem Kolben 1 ähnlichem Material, wie z. B. einem Leichtmetall.
Die Erhöhung des Wirkungsgrades der Kolbenkühlung führt somit in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens 1. Weiter besteht das Potential, die Kolbentemperatur zu senken oder alternativ dazu den Bedarf des Kühlmitteldurchsatzes durch die Kühlmittelspritzdüsen zu reduzieren. Dies führt zu Reibleistungsvorteilen für die Hubkolben-Brennkraftmaschine durch eine reduzierte notwendige Antriebsleistung der Kühlmittel-(Schmiermittel-)pumpe.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Kolbenringzone
3: Kolbenboden
4: Kühlkanal
5: Kühlmitteleinspritzkanal
6: Querschnittsverkleinerung
7: Einpressteil
8: Einschraubteil
9: Kolbenmulde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202006020280 U1 [0002]

Claims

Kolben (1) für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem, den Kolben (1) in einem Bereich einer Kolbenringzone (2), von einem Kolbenboden (3) beabstandeten, radial umlaufenden Kühlkanal (4) mit einem Kühlmitteleinspritzkanal (5) mit einem Einspritzöffnungsquerschnitt zum Einbringen von Kühlmittel in den Kühlkanal (4) und mit einer Kühlmittelausströmöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzöffnungsquerschnitt des Kühlmitteleinspritzkanals (5) einspritzseitig eine Querschnittsverkleinerung (6) aufweist.
Kolben nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverkleinerung auf der dem Kühlkanal (4) abgewandten Seite weitgehend konisch aufgeweitet ist.
Kolben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverkleinerung bei einem Gießen des Kolbens (1) erzeugbar ist.
Kolben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverkleinerung durch ein Einpressteil (7) erzeugbar ist.
Kolben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverkleinerung durch ein Einschraubteil (8) erzeugbar ist.
Kolben nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konuswinkel (φ) des konischen Abschnitts zwischen 5° und 80° beträgt.