Anordnung aus einem Kolben und einem Kolbenbolzen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen umlaufenden Kühlkanal aufweist, wobei der Kolbenschaft gegenüber dem Kolbenumfang in Richtung der Kolbenmittelachse nach innen versetzte Kolbennaben aufweist, die mit Nabenbohrungen versehen und über Schaftlaufflächen miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einem Kolben und einem Kolbenbolzen mit einer Innenbohrung.

Gattungsgemäße Kolben sind an sich bekannt und werden als„Kastenkolben" bezeichnet. In modernen Verbrennungsmotoren, insbesondere PKW- und NFZ- Dieselmotoren, können vor allem bei Kolben mit vergleichsweise geringer Kompressionshöhe im Motorbetrieb sehr hohe Temperaturen im Bereich der Nabenbohrungen auftreten. Dadurch wird der Kolbenbolzen übermäßig erwärmt und überträgt die Wärme auf das kleine Pleuelauge des Pleuels. Im Extremfall können Temperaturen über 250°C auftreten. Dadurch werden die Lagerflächen der Nabenbohrungen ebenso beeinträchtigt wie die Lagerflächen im kleinen Pleuelauge, da diese in der Regel für derart hohe Temperaturen nicht ausgelegt sind. Ferner werden die Kolbenbolzen häufig mit an sich bekannten DLC-Beschichtungen (diamond-like carbon) zur Verbesserung der Lagerung in den Nabenbohrungen und dem kleinen Pleüelauge versehen. DLC-Beschichtungen sind allerdings nur bis Temperaturen von etwa 200°C wärmebeständig. Die im Bereich des Kolbenbolzens auftretenden hohen Temperaturen von über 250°C führen daher im Motorbetrieb zur Zersetzung der DLC- Beschichtung des Kolbenbolzens.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben und eine gattungsgemäße Anordnung so weiterzuentwickeln, dass die im Motorbetrieb auftretenden Temperaturen im Bereich der Nabenbohrungen, des Kolbenbol-

|Bestätigungskopie| zens und des kleinen Pleuelauges die Lagerflächen bzw. eine DLC-Beschichtung des Kolbenbolzens nicht beeinträchtigen.

Die Lösung besteht darin, dass an zumindest einer Kolbennabe ein Zuführelement für Kühlmittel vorgesehen ist, welches mindestens einen Zuführkanal aufweist, und dass ein erstes Ende des Zuführkanals zur Nabenbohrung gerichtet ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist das erste Ende des Zuführkanals zur Innenbohrung des Kolbenbolzens gerichtet.

Der erfindungsgemäße Kolben bzw. die erfindungsgemäße Anordnung zeichnen sich dadurch aus, dass der Innenbohrung des Kolbenbolzens mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Zuführelements zusätzliches Kühlöl zugeführt wird. Das Kühlöl kann dem Kühlkanal entnommen und/oder von einer an sich bekannten Anspritzdüse des Motors zugeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die Kühlung des Kolbenbolzens im Motorbetrieb intensiviert, so dass Temperaturen über 200°C im Bereich der Nabenbohrungen, des Kolbenbolzens und des kleinen Pleuelauges vermieden werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass ein zweites Ende des mindestens einen Zuführkanals des Zuführelements zu einer im Kühlkanal vorgesehenen Kühlmittelauslassöffnung gerichtet ist. Auf diese Weise kann problemlos aus dem Kühlkanal austretendes Kühlmittel aufgefangen und zur Innenbohrung des Kolbenbolzens geleitet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass ein zweites Ende des mindestens einen Zuführkanals des Zuführelements zum freien Ende des Kolbenschafts gerichtet ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein Strahl oder Teilstrahl des aus der Anspritzdüse austretenden Kühlmittels vom Zuführelement aufgefangen und zur Innenbohrung des Kolbenbolzens geleitet. Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Zuführelement einen weiteren Zuführkanal aufweist, dessen erstes Ende zur Innenbohrung des Kolbenbolzens gerichtet und dessen zweites Ende zu einer im Kühlkanal vorgesehenen Kühlmittelauslassöffnung gerichtet ist. Bei dieser Ausführungsform kann sowohl aus dem Kühlkanal als auch aus der Anspritzdüse austretendes Kühlmittel aufgefangen werden, um die Kühlung des Kolbenbolzens weiter zu verbessern.

Das Zuführelement ist zweckmäßigerweise an die Kolbennabe geschweißt, geklebt, formschlüssig fixiert oder einstückig gegossen oder geschmiedet und kann in Kolbenbolzenachsrichtung oder seitlich dazu versetzt angeordnet sein.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im

Schnitt;

Figur 2 der Kolben gemäß Figur 1 in einer um 90° gedrehten Darstellung im

Schnitt;

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im

Schnitt;

Figur 4 der Kolben gemäß Figur 3 in einer um 90° gedrehten Darstellung im

Schnitt;

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im

Schnitt;

Figur 6 der Kolben gemäß Figur 5 in einer um 90° gedrehten Darstellung im

Schnitt; Figur 7 eine vergrößerte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zuführelements im Schnitt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem eisenbasierten Werkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein.

Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft einen zweiteiligen Kolben 10 in Form eines Kastenkolbens. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 16 vorgesehen, der mindestens eine Kühlölauslassöffnung 17 aufweist. Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 21 mit in Richtung der Kolbenmittelachse M nach innen versetzte Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines strichpunktiert dargestellten Kolbenbolzens 24 mit einer Innenbohrung 24a auf. Die Kolbennaben 22 sind in an sich bekannter Weise über Nabenanbindungen mit der Unterseite des Kolbenkopfes verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Schaftlaufflächen 25, 26 miteinander verbunden.

Im Ausführungsbeispiel besteht der erfindungsgemäße Kolben 10 aus einem Kolbenoberteil 31 und einem Kolbenunterteil 32, die in an sich bekannter Weise mittels eines Reibschweißverfahrens miteinander verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist an einer Kolbennabe 22 des Kolbens 10 ein Zuführelement 27 vorgesehen, das beispielsweise geklebt, geschweißt, formschlüssig fixiert oder einstückig mit der Kolbennabe 22 gegossen oder geschmiedet sein kann. Das Zuführelement 27 weist einen Zuführkanal 28 auf, dessen erstes Ende 29a zur Nabenbohrung 23 gerichtet und dessen zweites Ende 29b zu einer Kühlmittelauslassöff- nung 17 des Kühlkanals 16 gerichtet ist. Im montierten Zustand ist das erste Ende 29a des Zuführkanals 28 zur Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 gerichtet. Diese Konstruktion erlaubt es, aus der Kühlmittelauslassöffnung 17 austretendes Kühlmittel in Richtung der Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 zu leiten und die Kühlung des Kolbenbolzens 24 zu intensivieren.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2, so dass übereinstimmende Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen wird.

Erfindungsgemäß ist bei diesem Ausführungsbeispiel an einer Kolbennabe 22 des Kolbens 110 ein Zuführelement 127 vorgesehen, das beispielsweise geklebt, geschweißt, formschlüssig fixiert oder einstückig mit der Kolbennabe 22 gegossen oder geschmiedet sein kann. Das Zuführelement 127 weist einen Zuführkanal 128 auf, dessen erstes Ende 129a zur Nabenbohrung 23 gerichtet und dessen zweites Ende 129b zum freien Ende des Kolbenschafts 21 gerichtet ist. Im montierten Zustand ist das erste Ende 129a des Zuführkanals 128 zur Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 gerichtet. Das zweite Ende 129b ist in diesem Fall zu einer an sich bekannten Anspritzdüse 133 gerichtet. Diese Konstruktion erlaubt es, aus der Anspritzdüse 133 austretendes Kühlmittel im Zuführkanal 128 des Zuführelements 127 aufzufangen und in Richtung der Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 zu leiten und die Kühlung des Kolbenbolzens 24 zu intensivieren. Die Anspritzdüse 133 kann separat vorgesehen sein, so dass der gesamte aus ihr austretende Kühlmittelstrahl in das Zuführelement 127 geleitet wird. Die Anspritzdüse 133 kann aber auch grundsätzlich zur Kolbenkühlung vorgesehen sein, so dass nur ein bestimmter Anteil des aus ihr austretenden Kühlmittelstrahls vom Zuführelement 127 aufgefangen wird.

Die Figuren 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210. Der Kolben 210 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 2, so dass übereinstimmende Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen wird. Erfindungsgemäß ist bei diesem Ausführungsbeispiel an einer Kolbennabe 22 des Kolbens 210 ein Zuführelement 227 vorgesehen, das beispielsweise geklebt, geschweißt, formschlüssig fixiert oder einstückig mit der Kolbennabe 22 gegossen oder geschmiedet sein kann. Das Zuführelement 227 weist einen ersten Zuführkanal 228a auf, dessen erstes Ende 229a zur Nabenbohrung 23 gerichtet und dessen zweites Ende 229b zum freien Ende des Kolbenschafts 21 gerichtet ist. Im montierten Zustand ist das erste Ende 229a des ersten Zuführkanals 228a zur Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 gerichtet. Das zweite Ende 229b ist in diesem Fall zu einer an sich bekannten Anspritzdüse 233 gerichtet. Diese Konstruktion erlaubt es, aus der Anspritzdüse 233 austretendes Kühlmittel im Zuführkanal 228a des Zuführelements 227 aufzufangen und in Richtung der Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 zu leiten und die Kühlung des Kolbenbolzens 24 zu intensivieren. Die Anspritzdüse 233 kann separat vorgesehen sein, so dass der gesamte aus ihr austretende Kühlmittelstrahl in das Zuführelement 227 geleitet wird. Die Anspritzdüse 233 kann aber auch grundsätzlich zur Kolbenkühlung vorgesehen sein, so dass nur ein bestimmter Anteil des aus ihr austretenden Kühlmittelstrahls vom Zuführelement 227 aufgefangen wird.

Erfindungsgemäß ist ferner im Zuführelement 227 ein zweiter Zuführkanal 228b vorgesehen, dessen erstes Ende 234a zur Nabenbohrung 23 gerichtet und dessen zweites Ende 234b zu einer Kühlmittelauslassöffnung 17 des Kühlkanals 16 gerichtet ist. Im montierten Zustand ist das erste Ende 234a des zweiten Zuführkanals 228b zur Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 gerichtet. Diese Konstruktion erlaubt es, aus der Kühlmittelauslassöffnung 17 austretendes Kühlmittel in Richtung der Innenbohrung 24a des Kolbenbolzens 24 zu leiten und die Kühlung des Kolbenbolzens 24 zu intensivieren.

Figur 7 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zuführelements 27, 127, 227. Dieses Zuführelement weist innerhalb seines Zuführkanals 28, 128, 228a, 228b ein im Ausführungsbeispiel konisch gestaltetes Richtelement 335 auf. Das Richtelement 335 dient zur bündeiförmigen Ausrichtung und effektiven Weiterleitung des vom Zuführelement 27, 127, 227 aufgefangenen Kühlmittelstrahls. Zweckmäßigerweise ist der Zuführkanal 28, 128, 228a, 228b im Querschnitt konisch ausgestaltet, um das Auffangen des Kühlmittelstrahls besonders ef- fektiv zu gestalten. Das Zuführelement kann auch als metallisches oder nichtmetallisches gebogenes Rohr oder flexibler Schlauch ausgeführt sein.