Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Abdeckring für den Kühlkanal eines solchen Kolbens

Die vorliegende Erfindung betrifft einen einteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem hiervon durch eine ringförmige Ausnehmung beabstandeten Kolbenschaft, welcher mindestens eine Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweist, wobei im Kolbenkopf ein ringförmig umlaufender Kühlkanal für ein Kühlmittel vorgesehen ist, der mit einem aus mindestens zwei Segmenten bestehenden Abdeckring verschlossen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Abdeckring aus zwei oder mehr Segmenten für den ringförmig umlaufenden Kühlkanal eines einteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor.

Ein gattungsgemäßer Kolben und ein gattungsgemäßer Abdeckring sind aus der DE 103 46 822 A1 bekannt. Dieser Kolben weist einen ringförmigen Kühlkanal auf, der schaftseitig von einem aus zwei halbkreisförmigen Halbschalen bestehenden Abdeckring verschlossen ist. Der Abdeckring ist mit einer nach innen gerichteten Nut versehen, über die die Halbschalen zum Zweck der Montage auf einen zur Nutform komplementär geformten Vorsprung auf der Außenseite des Kolbens aufgeschoben werden können. Außerdem weisen die Halbschalen im Bereich ihrer Stoßflächen Rastverbindungen auf, mittels der die Halbschalen schnell miteinander verbindbar sind. Die Ausgestaltung des Abdeckrings mit einer zusätzlichen Nut bzw. des Kolbens mit einem zusätzlichen Vorsprung ist aber aufwendig und daher nicht erwünscht. Außerdem gestaltet sich die Montage schwierig, da die beiden Halbschalen gezielt auf die am Kolben vorgesehenen Vorsprünge aufgesetzt werden müssen.

Weitere vergleichbare Kolben sind aus der DD 252 638 A1 und der DE 41 34 530 A1 bekannt, bei denen ein zur Abdeckung des nach unten offenen ringförmig umlaufenden Kühlkanals dienendes Wandteil als offener Blechring ausgebildet ist. Der Blechring liegt unter Vorspannung in radialer Richtung in einer Nut am Innenumfang der Kolbenringzone bzw. am Außenumfang der Brennraumwandung an.

Schließlich sind aus der EP 0 561 817 B1 und der EP 0 799 373 B1 einteilige Kolben mit einem im Randbereich des Kolbenbodens angeordneten Kühlkanal bekannt, der ebenfalls mit tellerfederartig ausgebildeten und ggf. mit einem Kragen versehenen Abdeckringen verschlossen ist.

Bei all diesen Ausführungsformen muss jedes Segment des tellerfederartigen Abdeckrings einzeln im vorgespannten Zustand in entsprechende Auflager am Kolbenkopf eingebracht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben bzw. einen gattungsgemäßen Abdeckring bereitzustellen, der zu einer vereinfachten Kolbenkonstruktion und einem reduzierten Kolbengewicht beiträgt.

Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. in einem Abdeckring mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Bereich des Abdeckrings zumindest teilweise in die lichte öffnung der mindestens einen Nabenbohrung hineinragt, derart, dass der Abdeckring bzw. zumindest ein Bereich des Abdeckrings zugleich das Sicherungselement für den Kolbenbolzen bildet.

Das erfindungsgemäße Prinzip besteht somit darin, dass der Abdeckring als Sicherungselement wirkt, welches die Axialbewegung des Kolbenbolzens in der Nabenbohrung begrenzt. Im Stand der Technik wird diese Aufgabe von Sprengringen oder Seeger-Ringen übernommen. Diese Ringe sind in Bolzensicherungsnuten in der Bolzennabe eingesetzt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens bzw. des

Abdeckrings erlaubt es nun, auf diese Sprengringe bzw. Seeger-Ringe zu verzichten. Damit trägt die vorliegende Erfindung zur Reduzierung des Kolbengewichts bei. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es femer, auf das Einbringen der Bolzensicherungsnuten zu verzichten, wodurch die Kolbenkonstruktion vereinfacht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Abdeckring einen inneren Schenkel und einen äußeren Schenkel aufweist, die durch einen Bodensteg miteinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung des Abdeckrings eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Kühlkanal und/oder die ringförmige Ausnehmung abzudecken. Bspw. kann der innere Schenkel in die lichte öffnung der mindestens einen Nabenbohrung hineinragen und auf diese Weise das erfindungsgemäß am Abdeckring vorgesehene Sicherungselement für den Kolbenbolzen bilden. Ferner kann der äußere Schenkel die kolbenschaftseitige Begrenzung der ringförmigen Ausnehmung bilden. Der Abdeckring ist vorzugsweise im Querschnitt etwa U-förmig oder etwa V-förmig ausgebildet. Die Ausgestaltung der beiden Schenkel und des sie verbindenden Bodenstegs kann aber auch auf beliebige andere Weise vorgenommen werden (trapezförmig, halbkreisförmig, etc.).

Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass die ringförmige Ausnehmung zwischen einer an der Ringwand des Kolbens ausgebildeten Stirnfläche und mindestens einer am Kolbenschaft ausgebildeten Schulter angeordnet ist und dass der Abdeckring sich mit seinem äußeren Schenkel an der Stirnfläche und mit seinem Bodensteg an der mindestens einen Schulter abstützt. Diese Weiterbildung weist gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche weitere Vorteile auf. Insbesondere entfallen sowohl der bisher in der Schaftanbindung notwendige Vorsprung und die hierzu komplementäre Nut in der Innenwand des Abdeckringes. Damit wird die Konstruktion sowohl des Kolbens als auch des Abdeckringes weiter vereinfacht. Vor allem aber ist die Montage des Abdeckrings auf dem Kolben wesentlich einfacher möglich als bisher, da die aufwendige Positionierung von Vor-

sprung und Nut zueinander entfällt. Außerdem umschließt der Abdeckring nun sowohl den bisherigen Kühlkanal als auch die ringförmige Ausnehmung, mit der Folge, dass der bisherige Kühlkanal und die ringförmige Ausnehmung nun einen neuen, vergrößerten Kühlkanal bilden. Damit wird die Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens einfacher und sicherer. Schließlich bildet der äußere Schenkel des Abdeckrings zusammen mit der Ringwand und dem Kolbenschaft eine nahezu durchgehende, glatte Oberfläche, was die Laufeigenschaften des erfindungsgemäßen Kolbens verbessert.

Wenn sich der innere Schenkel des Abdeckrings an der Schaftanbindung des Kolbens abstützt, sitzt der Abdeckring besonders fest und sicher an seinem Platz. Außerdem wird die Abdichtung der nun als Kühlkanal wirkenden ringförmigen Ausnehmung nach außen verbessert.

Zum Zweck der Steuerung der Fließcharakteristiken, insbesondere der Fließgeschwindigkeit, des Kühlmittels kann die Ausgestaltung des inneren Schenkels des Abdeckrings ebenfalls variieren. Bspw. kann die Höhe des inneren Schenkels oder die Winkelstellung des inneren Schenkels zur Mittelachse des Abdeckrings über den Umfang des Abdeckrings variieren. Insbesondere kann der vom Abdeckring gebildete Fließkanal für das Kühlmittel von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung hin geneigt sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 2 der Kolben aus Figur 1 um 90° gedreht, mit strichpunktiert angedeutetem Kolbenbolzen;

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Fig. 3 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abdeckrings;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Kolbens gemäß Figur 1.

Die Figuren 1 , 2 und 4 zeigen einen einteiligen Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor. Der Kolben 10 ist aus Stahl hergestellt und weist einen Kolbenkopf 11 und einen Kolbenschaft 12 auf, die über eine Schaftanbindung 13 einstückig miteinander verbunden sind. Der Kolbenkopf 11 und weist einen Kolbenboden 14 und eine Brennraummulde 15 auf. Im radial außen liegenden Bereich des Kolbenkopfes 11 ist ein ringförmig umlaufender Kühlkanal 16 angeordnet, dessen radial äußere Begrenzung von einer an den Kolbenboden 14 angeformten Ringwand 17 und dessen radial innere Begrenzung von einer Ringrippe 18 gebildet wird. Die Ringwand 17 dient hierbei als Kolbenringträger und schließt ab mit einer horizontalen, dem Kolbenschaft 12 zugewandten Stirnfläche 19.

An den Kolbenkopf 11 sind zwei Bolzennaben 20, 20' mit zwei fluchtenden Nabenbohrungen 21 , 21 ' angeformt. Die Stirnflächen der Bolzennaben 20, 20' sind gegenüber der Ringwand 17 in Richtung der Kolbenlängsachse zurückgesetzt. Die Bolzennaben 20, 20' sind über Schaftelemente 22, 22' miteinander verbunden. Die Schaftelemente 22, 22' sind über die Schaftanbindung 13 an den Koibenkopf 11 angeformt.

Die Schaftanbindung 13 ist in Richtung der Kolbenlängsachse zurückgesetzt und geht in die Ringrippe 18 über. Dadurch wird eine ringförmige Ausnehmung 25 gebildet, die einerseits von der Schaftanbindung 13 und andererseits von dem Kolbenkopf 11 zugewandten horizontalen Schultern 24, 24' begrenzt wird, wobei die Schultern 24, 24' die obere Begrenzung der Schaftelemente 22, 22' bilden.

Ein Abdeckring 30 mit einem äußeren Schenkel 31 , einem inneren Schenkel 32 und einem beide Schenkel verbindenden Bodensteg 33 ist zwischen der Ringwand 17

und den Schaftelementen 22, 22' eingepasst. Dabei stützt sich der obere Rand des äußeren Schenkels 31 an der Stirnfläche 19 der Ringwand 17 ab, und der Bodensteg 33 stützt sich an den Schultern 24, 24' der Schaftelemente 22, 22' ab. Der innere Schenkel 32 stützt an der Schaftanbindung 13 ab. Auf diese Weise wird die ringförmige Ausnehmung 25 nach außen verschlossen und abgedichtet. Der ringförmig umlaufende Kühlkanal 16 und die ringförmige Ausnehmung 25 bilden nun einen neuen, wesentlich vergrößerten Kühlkanal. Im Bereich der Bolzennaben 20, 20', die gegenüber der Ringwand 17 zurückgesetzt sind und daher keine den Schultern 24, 24' vergleichbaren Abstützflächen aufweisen, ragt der innere Schenkel 32 des Abdeckrings 30 in die lichte öffnung der Nabenbohrungen 21 , 21 ' hinein (vgl. Figur 4). Der innere Schenkel 32 des Abdeckrings 30 bildet in diesen Bereichen ein Sicherungselement gegen die Axialbewegung des in den Nabenbohrungen 21 , 21 ' aufgenommenen Kolbenbolzens 23, der in Figur 2 strichpunktiert angedeutet ist. Die bisher notwendigen Sicherungselemente in Form von Sprengringen oder Seeger-Ringen sind daher entbehrlich. Deswegen weisen die Bolzennaben 20, 20' keine Bolzensicherungsnuten mehr auf, wie in den Figuren 1 und 2 auch deutlich erkennbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abdeckrings 30 ist in Figur 3 dargestellt. Der Abdeckring 30 kann aus einem metallischen Werkstoff wie bspw. Stahl oder Aluminium oder einer geeigneten Legierung hergestellt, bspw. gegossen oder geschmiedet sein. Der Abdeckring 30 kann aber auch aus einem warmfesten Kunststoff hergestellt sein, bspw. im Spritzgussverfahren. Der Abdeckring 30 weist einen äußeren Schenkel 31 , einen inneren Schenkel 32 und einen beide Schenkel verbindenden Bodensteg 33 auf. Im Ausführungsbeispiel ist der Abdeckring 30 im Querschnitt in etwa U-förmig; er kann aber auch andere, geeignete Querschnitte aufweisen. Der Abdeckring 30 ist im Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet. Die beiden Ringsegmente 30a und 30b sind im Ausführungsbeispiel mittels Laschen 34 vernietet. Die Ringsegmente 30a und 30b können aber auch auf beliebige andere Weise miteinander verbunden werden, bspw. durch Verrasten, Verriegeln, Klipsen, Kleben, Schweißen, Löten, etc.

Der Abdeckring 30 weist ferner eine Einlassöffnung 35 und eine der Einlassöffnung 35 diametral gegenüberliegende Auslassöffnung 36 für ein Kühlmittel auf. Die Einlassöffnung 35 und die Auslassöffnung 36 sind im Ausführungsbeispiel in den Fugenbereichen der Ringsegmente 30a und 30b ausgebildet. Dementsprechend bilden die außerhalb der Fugenbereiche liegenden Bereiche 32a und 32b des inneren Schenkels 32 die Sicherungselemente für den Kolbenbolzen 23. Der innere Schenkel 32 weist im Ausführungsbeispiel zweckmäßigerweise eine in seinem ringförmigen Verlauf variierende Höhe auf, wobei die als Sicherungselemente dienenden Bereiche 32a, 32b am höchsten ausgebildet sind. Im Gegensatz hierzu ist die Höhe des äußeren Schenkels 31 konstant, weil sich dieser in eingebauten Zustand des Abdeckrings 30 an der Stirnfläche 19 der Ringwand 17 abstützt.

Der Bodensteg 33 des Abdeckrings 30 ist im Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass er von der Einlassöffnung 35 ausgehend hin zur Auslassöffnung 36 eine Neigung aufweist. Dadurch wird insbesondere die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels zur Auslassöffnung 35 gesteigert, so dass ein schädlicher Kühlmittelstau vermieden wird. Auch die variierende Höhe des inneren Schenkels 32 beeinflusst die Fließcharakteristiken des Kühlmittels, so dass diese gezielt eingestellt werden können.