Kühlkanal mit Damm und Trichter

Die Erfindung betrifft einen Kolben, bestehend aus einem Oberteil und einem Unterteil, die zusammengefügt werden, mit einem Kühlkanal, vorzugsweise einem ringförmig umlaufenden Kühlkanal, wobei zwecks Zufuhr von Kühlöl zumindest eine Zulauföffnung und zwecks Ablauf des Kühlöles zumindest eine Ablauföffnung vorgesehen ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Die genannte Zulauf- beziehungsweise Ablauföffnung erstreckt sich von einem Innenbereich des Kolbens in Richtung des Kühlkanales und durchtritt die untere Wandung, insbesondere den unteren Scheitelpunkt des Kühlkanales. Infolgedessen liegt die Öffnung am tiefsten Punkt des Kühlkanales, so dass Kühlöl zumindest bei Stillstand des Kolbens immer aus dem Kühlkanal abfließt und dort nicht bevorratet werden kann.

Aus der DE 10 2011 007 285 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einem Kolben unterteil bekannt, der einen innenliegenden, vorzugsweise ringförmigen Kühlkanal zur Kühlung des Kolbens während des Betriebes der Brennkraftmaschine aufweist. Am Kolbenunterteil ist zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung vorgesehen, über welche ein Kühlmittelzufluss und Kühlmittelabfluss in den beziehungsweise aus dem Kühlkanai erfolgt. Die jeweilige Öffnung ist von einem Ringwulst oder einer rampenartigen Erhöhung umgeben, die ein Absinken eines Kühlmittelpegels unter ein vordefiniertes Niveau unterbindet. Die Ringwulst beziehungsweise die rampenartige Erhöhung ist einstückig mit dem Kolbenuntertei! ausgebildet. Alternativ zur Ausbildung der Ringwuist um die Öffnung herum ist zum Einhalten eines gewissen Kühlmittelpegels in dem Kühlkanal in der DE 102015 206 375 A1 offenbart, dass nach Herstellung der Zufiuss- beziehungsweise Ablauföffnung in diese Öffnung ein Rohr eingesetzt wird, wobei die Austrittsöffnung des Rohres, die in Richtung des Kühlkanales weist, oberhalb des untersten Punktes des Kühlkanales angeordnet ist. Auch dadurch wird ein gewisser Kühlmittelpegel in dem Kühikanal eingestellt. Diese Lösung erfordert ein weiteres Teil sowie einen weiteren Montageschritt, so dass sie für die Praxis untauglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einem Kühlkanal bereitzustellen, der hinsichtlich seiner Kühlwirkung gegenüber den bekannten Kolben mit Kühikanälen verbessert ist.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sowohl eine dammförmige Erhöhung im Bereich der Zulauf- und / oder Ablauföffnung durch eine fertig geschmiedete Kontur des unteren Kühlkanalbereiches als auch auf der Innenseite des Kolbens die Eintrittskontur der Zulauf- und / oder Ablauföffnung durch Vorschmieden gebildet sind. Dadurch können Konturen, die es ermöglichen, dass ein Mindestniveau beziehungsweise Mindestpegel in dem Kühlkanai gehalten wird (insbesondere bei Stillstand des Kolbens), direkt mit Hersteilung des Oberteiles Unterteils des Kolbens, das unabhängig von dem Unterteil Oberteil des Kolbens hergestellt wird, in einem Schmiedeverfahren realisiert werden. Die Herstellung durch Schmieden hat den Vorteil eines hochfesten Gefüges und beanspruchungsgerechter Fließlinien, so dass ein hochfestes Oberteil Unterteil gebildet ist, dass schon die erforderlichen Konturen zur Realisierung seiner Funktion aufweist.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Vorschmiedung an der Zulauföffnung trichterförmig ausgebildet, wohingegen sie ergänzend oder alternativ auf der Ablaufseite (also im Bereich der Abiauföffnung) zylindrisch ausgebildet ist. In Weiterbildung der Erfindung wird bei der Herstellung des Oberteiles Unterteils während des Schmiedens als dammförmige Erhöhung ein Damm erzeugt (gebildet), der über die Breite des Kühikanales verläuft (sich also radial aus Richtung des Kolbenmitteipunktes, durch den die Kolbenhubachse verläuft, nach außen erstreckt), so dass ein Vorbeiströmen um die dammförmige Erhöhung (Damm) im Kühlkanal weitestgehend verhindert wird, wohingegen bei dem Kolben gemäß der DE 10 2011 007 285 A1 ein Vorbeiströmen möglich ist. Dabei soll in Weiterbildung der Erfindung die Erhöhung eine Höhe von 20% bis 80%, vorzugsweise 30% bis 70% der Gesamthöhe des Kühikanales erreichen.

In Weiterbildung der Erfindung weist der quer zu dem Kühlkanal erzeugte Damm (die dammförmige Erhöhung) an dem Übergang zwischen dem Damm und der Wand des Kühikanales zumindest eine Ausnehmung, vorzugsweise mehrere Ausnehmungen, auf.

Außerdem ist ergänzend oder alternativ erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Kolbenoberteil des aus Oberteil und Unterteil bestehenden Kolbens der Kühlkanal wahlweise ebenfalls geschmiedet hergestellt wird und im Bereich der Zulauföffnung ein V-förmiges Element, welches in den Kühlkanai hineinragt, angeschmiedet ist, welches dafür sorgt, dass der auftreffende Ölstrahl in beide Richtungen des Kühikanales zu gleichen oder unterschiedlichen Teilen abgelenkt wird. Dieses V- förmige Element dient somit als Strahlteiler für den auftreffenden Ölstrahl, der durch die Zulauföffnung eingespritzt wird.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine verbesserte Kühlwirkung für die thermisch beanspruchten Bereiche des Kolbens durch die Maßnahmen an den Kühlkanal erreicht, in dem die dammförmige Erhöhung einen vorgebbaren im Kühlkanal verbleibenden Kühlmittelpegel sicherstellt und gleichzeitig den zulaufenden Ölstrahl nicht durch eine Rückströmung behindert. Weiterhin wird durch die trichterförmige Ausbildung der Zulauföffnung der Fanggrad des effektiv in den Kühlkanal eintretenden Öls erhöht. Außerdem dient die trichterförmige Zulauföffnung dazu bei, die Ölvolumenströme mindestens zweier parallel oder zueinander geneigten Öistrahlen (die von einer Spritzdüse oder auch mehr als einer Spritzdüse ausgestrahlt werden) über weite Bereiche des Kolbenhubes einzufangen und das Öl in den Kühlkanal zu leiten. Die trichterförmige Anschmiedung kann dabei alle Flächenformen einnehmen. Das durch die Ölspritzdüse zur Verfügung gesteilte Öl kann dabei aus einer oder mehreren Düsenöffnungen austreten, wobei nicht alle Düsenöffnungen gleichzeitig geöffnet sein müssen.

Dadurch, dass beide Konturen (sowohl Damm als auch Trichter) direkt durch den Schmiedevorgang eingebracht werden, ergibt sich eine deutlich effektivere Herstellung des Kolbens und es kann auf das Einsetzen eines separaten Fangelementes verzichtet werden.

Schließlich ergibt sich durch die Gestaltung der gegenüberliegenden Konturen von Damm und Trichter die Möglichkeit, einen möglichst gleichförmigen Wandstärkenverlauf zu realisieren, was sich positiv auf den Herstellungsprozess und das Gewicht des Kolbens auswirkt, wobei die Effektivität der Herstellung des Kolbens dadurch noch weiter gesteigert werden kann, indem die Oberseite des Kühlkanales ebenfalls durch einen Schmiedeprozess im Kolbenoberteil hergestellt wird und somit eine Bearbeitung oder auch eine Nachbearbeitung weitestgehend oder vollständig entfallen kann.

Insgesamt bietet die Erfindung eine Verbesserung der Kühlwirkung durch integral am Kolben angeformte Konturen ohne zusätzliche Elemente. Dadurch ergibt sich eine effizientere Hersteilung des Kolbens und die Prozesse werden vereinfacht. Außerdem kann ein solcher Kolben höheren thermischen Belastungen bei gleichzeitig reduziertem Kühlölbedarf ausgesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens ist in den Figuren in verschiedenen Ansichten gezeigt und im Folgenden näher beschrieben. In Figur 1 ist in einem Schnitt ein Kolben 1 dargestellt, der aus einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3 besteht. Die beiden Teile 2, 3 werden separat voneinander hergestellt und auf geeignete Art und Weise zusammengefügt.

Der Kolben 1 weist in an sich bekannter Weise ein äußeres umlaufendes Ringfeld 4 auf und kann, muss aber nicht, eine Brennraummulde enthalten.

Das Unterteil 3 bildet einen Kolbenschaft 5 und eine Bolzenbohrung 6.

Weitere Elemente eines funktionsfähigen Kolbens 1 sind vorhanden, jedoch nicht im Einzelnen beschrieben oder mit Bezugsziffern versehen.

Die beiden Teile 2, 3 werden mittels eines geeigneten Fügevorganges dauerhaft und unlösbar miteinander verbunden, um somit einen einstückigen funktionsbereiten Kolben 1 auszubilden. Der Fügevorgang verläuft in zumindest einer Fügeebene 7. In dem Ausführungsbeispiel ist der Fügevorgang ein Reibschweißverfahren.

Weiterhin weist der Kolben 1 einen Kühlkanal 8 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kühlkanal 8 gebildet von Teilausnehmungen sowohl in dem Oberteil 2 als auch dem Unterteil 3. Dies hat den Vorteil, dass vor dem Zusammenfügen der beiden Teile 2, 3 deren Teilausnehmungen zugänglich sind und daher diese Teilausnehmungen optimal hergestellt bzw. nachbearbeitet werden können, da sie nach dem Zusammenfügen der beiden Teile 2, 3 nicht mehr zugänglich sind.

Ebenfalls in an sich bekannter Weise weist der Kolben 1 zumindest eine Zulauföffnung 9 auf, in die ein freier Ölstrahl, der von einer Einspritzdüse abgegeben wird, in Richtung des Kühlkanales 8 eingespritzt wird. Diese Zulauföffnung 9 kann, wenn es sich um die einzige Öffnung handelt, auch als Ablauföffnung für das Kühlöl, welches in dem Kühlkanal 8 zirkuliert, dienen. Alternativ dazu ist zusätzlich zu der zumindest einen oder genau einen Zulauföffnung 9 auch zumindest eine weitere Ablauföffnung, insbesondere genau eine Ablauföffnung, vorhanden (diese wird später noch beschrieben). In erfindungsgemäßer Weise ist ausgehend von dem unteren Boden des ühlkanales 8 eine dammförmige Erhöhung 10 neben der Äbiauföffnung 9 vorhanden. Diese dammförmige Erhöhung 10 wird mit Herstellung des Unterteiles 3 gebildet. Das Unterteil 3 kann somit beispielsweise in einem Giessverfahren hergestellt werden und dabei die dammförmige Erhöhung ausgebildet werden. Alternativ kann das Unterteil 3 in einem Giessverfahren hergestellt und anschließend die dammförmige Erhöhung 10 durch einen Umformprozess (wie beispielsweise einem Schmiedeverfahren) gebildet werden. In besonders bevorzugter Weise werden sowohl das Unterteil 3 mit seinen Geometrien als auch die dammförmige Erhöhung 10 in einem Umformprozess (wie beispielsweise einem Schmiedeverfahren) hergestellt.

Bei der Herstellung des Unterteiles 3 erhält dieses Unterteil eine Innengeometrie 11 mit einer insbesondere trichterförmigen Eintrittskontur 12 der Zulauföffnung 9. Die Eintrittskontur 12 kann auch eine andere Form als eine Trichterform aufweisen. Wichtig ist es, die Eintrittskontur 12 vorzugsweise in einem Schmiedeverfahren auszubilden und ihr dabei eine Form zu geben, mit der der in die Zulauföffnung 9 eingespritzte Ölstrahl gezielt in Richtung des Kühlkanales 8 geleitet wird. Dabei ist es auch wichtig, dass die dammförmige Erhöhung 10 neben der Zulauföffnung 9 den Eintritt des eingespritzten Ölstrahles nicht behindert, sodass das eingespritzte Öl in den Kühlkanal 8 umlaufend geleitet wird.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite des Unterteiles 3, die in Richtung des Oberteiles 2 weist. Hier ist erkennbar, dass neben einer Zulauföffnung 9 auch eine Ablauföffnung 13 vorhanden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist genau eine Zulauföffnung 9 und genau eine Zulauföffnung 13 vorhanden, von denen ausgehend sich erschreckend ein umlaufender Kühlkanal 8 vorhanden ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Kühlkanal 8 nicht vollständig umlaufend ausgebildet ist, sondern in zum Beispiel zumindest zwei Teiisegmente aufgeteilt ist. In diesem Fall weist beispielsweise jedes Teilsegment seine eigene Zulauföffnung und seine eigene Äbiauföffnung auf. Wie der Darstellung in Figur 2 entnommen werden kann, sind auf jeder Seite in Richtung des Kühlkanales 8 neben der Zulauföffnung 9 und der Ablauföffnung 13 eine dammförmige Erhöhung 10 an dem Unterteil 3 vorhanden und von diesem einstückig gebildet. Es ist jedoch auch denkbar, an einer der Öffnungen 9, 13 nur eine dammförmige Erhöhung 10 oder sogar gar keine dammförmige Erhöhung 10, insbesondere im Bereich der Ablauföffnung 13, vorzusehen.

Weiterhin kann der Figur 2 entnommen werden, dass das Unterteil 3 eine äußere umlaufende Fügefläche 14 und eine innere umlaufende Fügefläche 15, die von entsprechenden Stegen des Unterteiles 3 gebildet werden, aufweist. Diese Fügeflächen 14,15 weisen zu korrespondierenden Fügeflächen des Oberteiles 2, welches ebenfalls Stege ausbildet, an deren Abschluss die Fügeflächen ausgebildet sind. Mitteis dieser einander zuweisenden und korrespondierenden Fügeflächen werden die beiden Teile 2, 3 bevorzugt mittels eines Reibschweißverfahrens dauerhaft und unlösbar miteinander zusammengefügt. Andere geometrische Ausgestaltungen von den beiden Teilen 2, 3 und andere Fügeverfahren, die eine dauerhafte und unlösbare Fügung der beiden Teile 2, 3 miteinander gewährleisten, sind ebenfalls denkbar.

Figur 3 zeigt in einer geschnittenen dreidimensionalen Ansicht den Kolben 1 , bei dem die beiden Teile 2, 3 dauerhaft und unlösbar miteinander gefügt worden sind. Außerdem ist die Lage sowohl der Zulauföffnung 9 mit zumindest einer zugeordneten dammförmigen Erhöhung 10 sowie die Lage der Ablauföffnung 13 (in diesem Fall auch mit einer zugeordneten dammförmigen Erhöhung 0) erkennbar.

Figur 4 zeigt analog zu der Darstellung in Figur 2 in einer dreidimensionalen Ansicht die Draufsicht auf das Oberteil 3, wobei, wie auch in Figur 2 erkennbar, ein Teilbereich des Kühlkanales 8 von dem Oberteil 3 gebildet wird.

Figur 5 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht die Unterseite des Oberteiles 2, die in Richtung des Unterteiles 3 weist. Neben den korrespondierenden Fügeflächen 14, 15 ist erkennbar, dass in dem Teilbereich des KühikKanaies 8 des Oberteiles 2 ebenfalls eine dammförmige Erhöhung 10 (zum Beispiel im Bereich der Zulauföffnung 9) von dem Oberteil 2 gebildet ist In diesem Fall ist die zumindest eine dammförmige Erhöhung 10 nicht neben der Öffnung angeordnet, sondern befindet sich in der Verlängerung des Querschnittes der Öffnung (Zulauföffnung 9 und/Ablauföffnung 13), sodass diese dammförmige Erhöhung 10 in dem Teilbereich des Kühlkanales 8 des Oberteiles 2 als Strahlteiler dient. Mittels dieses Strahlteilers wird der insbesondere durch die zumindest eine Zulauföffnung 9 eingespritzte Ölstrahl aufgeteilt und kann sich in beide Richtungen des Kühlkanales 8 zu gleichen oder unterschiedlichen Teilen aufteilen.

In Figur 5 ist außerdem noch gezeigt, dass die quer zu dem Kühlkanal 8 erzeugte dammförmige Erhöhung 10 an dem Übergang zwischen der Erhöhung 10 und der Wand des Kühlkanales 8, insbesondere im Scheitelbereich des Kühlkanales 8, zumindest eine Ausnehmung 16, vorzugsweise mehrere Ausnehmungen, aufweist. Dadurch wird es ermöglicht, dass immer ein Teil des Kühlöles, welches in dem Kühlkanal 8 zirkuliert, dort ohne Behinderung durch die dammförmige Erhöhung 10 zirkulieren kann.

Figur 6 schließlich zeigt die Innengeometrie 11 des Kolbens 1 , bei dem die vorstehend beschriebenen Teile 2, 3 zusammengefügt worden sind. In diesem Fall ist erkennbar, dass im Bereich der Ablauföffnung 9 an dem Oberteil 2 nach unten weisend im Bereich des Querschnittes der Ablauföffnung 9 betrachtet eine als Strahlteiler dienende dammförmige Erhöhung 10 vorgesehen ist. Nicht erkennbar, aber vorhanden sind in dem Teilbereich des Unterteiles 3 neben der Zulauföffnung 9 {und gegebenenfalls auch neben der Ablauföffnung 13) jeweils zumindest eine dammförmige Erhöhung 10.

Die Ausrichtung der gezeigten dammförmigen Erhöhung 10 entweder in dem Unterteil 3 und/oder dem Oberteil 2 ist beispielhaft und erstreckt sich vorzugsweise radial ausgehend von der Koibenhubachse. Andere radiale Ausrichtungen hiervon abweichend sind selbstverständlich auch denkbar. Bezugszeichenliste:

1. Kolben

2. Oberteil

3. Unterteil

4. Ringfeld

5. Kolbenschaft

6. Bolzenbohrung

7. Fügeebene

8. Kühlkanal

9. Zulauföffnung

10. Dammförmige Erhöhung

11. Innengeometrie (Innenseite)

12. Eintrittskontur

13. Ablauföffnung

14. Äußere Fügefläche

15. Innere Fügefläche

16. Ausnehmung